Thấm dưới đáy công trình thuỷ lợi

Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Chương 3 THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI 3.1. Khái niệm chung Đất nền công trình thường là loại thấm nước chỉ trong trường hợp nền là đất tốt không nứt nẻ hoặc đất sét chặt mới có thể coi như không thấm nước. Việc nghiện cứu thấm đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế công trình thuỷ lợi, tính thấm tức là tìm các đặc trưng cục bộ của dòng thấm như Qth, Vth, Pth. 3.1.1. Các giả thuyết cơ bản Khi giải bài toán thấm dựa vào các giả thuyết sau : * Nước ngầm chuyển động theo định luật Đắc xi V = K.J (3.1) Trong đó: V: lưu tốc thấm ; K: hệ số thấm của đất nền; J : độ dốc thuỷ lực tại điểm tính toán. Đây là phương trình cơ bản, qua thực nghiệm Đắc xi đã tìm ra định luật đó đúng với môi trường thấm hạt nhỏ. * Đất nền là môi trường đồng nhất và đẳng hướng. * Dòng thấm ổn định . * Nước chứa đầy trong các khe rỗng trong đất và không nén được Đối với những bài toán thấm qua nền và qua đập đất còn thêm hai giả thuýêt sau: * Trong miền thấm nước không có điểm tiếp nước và không có điểm rút nước; * Bài toán thấm phẳng. 3.1.2. Phương trình cơ bản của dòng thấm phẳng có áp Giả sử ta có một công trình như hình vẽ tại điểm A có vận tốc thấm là U có các thành phần (Ux,Uy). Tại các điểm khác trong vùng thấm vận tốc thấm U thay đổi cả lẫn về phương và độ lớn. Do đó vùng thấm là một trường vận tốc, cũng như vậy đối với áp suất thuỷ động. Xét trường hợp đơn giản nhất: bài toán thấm phẳng ta cần tìm 3 ẩn số Ux, Uy, P. Các đại lượng này biến thiên từ điểm này sang điểm khác do đó ta có phương trình cơ bản biểu thị điều kiện liên tục của dòng thấm phẳng: Ux = -k. x h ∂ ∂ Uy = -k . y h ∂ ∂ (3.2) 3-1 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi TÇng kh«ng thÊm Hình 3- 1: Vận tốc thấm tại A Đặt Jx = - x h ∂ ∂ Jy = - y h ∂ ∂ (3.3) Jx, Jy là hình chiếu độ dốc thuỷ lực J tại điểm theo các trục toạ độ x,y. Vậy (3.2) có thể viết: Ux = k.Jx Uy = k.Jy (3.4) Các phương trình trên gọi là phương trình cơ bản của dòng thấm phẳng (nó biểu thị định luật Đắc xi). Biểu thị mối quan hệ giữa U∼h viết dưới dạng vi phân. Các phương trình này đặt cơ sở cho phương pháp giải bài toán thấm phẳng cỏ học chất lỏng. 3.1.3. Hàm thế cột nước, thế vận tốc 3.1.3.1. Hàm thế cột nước Trong hình vẽ trên ta gọi trục y hướng xuống dưới , trục z hướng lên trên thì + Đối với trục y: h = -y + P/γ (3.5) + Đối với trục z: h = z + P/γ (3.6) Trong vùng thấm h biến thiên từ điểm này sang điểm khác nghĩa là : h = h(x,y) (3.7) Với h là hàm số cột nước. 3.1.3.2. Hàm thế vận tốc Ta có phương trình cơ bản (3.2): 3-2 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Ux = -k. x h ∂ ∂ Uy = -k . y h ∂ ∂ Để tính toán tiện lợi ta đưa vào hàm số ϕ ϕ = -k.h (3.8) Trong đó : k: hệ số thấm (k= const) h: là biến số cột nước h= h(x,y) Do đó ϕ cũng là hàm số của x,y. ϕ = ϕ(x,y) ⇒ x hk x ∂ ∂−=∂ ∂ .ϕ ; y hk y ∂ ∂−=∂ ∂ .ϕ Thay vào (3.2) ta có: Ux= x∂ ∂ϕ Uy= y∂ ∂ϕ Trong đó ϕ gọi là hàm thế vận tốc. 3.1.4. Xác định các yếu tố thuỷ lực 3.1.4.1. Xác định hàm dòng và hàm thế vận tốc Trong thực tế bài toán quy về xác định hàm thế vận tốc ϕ(x,y) = C và hàm dòng ψ(x,y)thoả mãn các điều kiện biên đã cho: * η = b/l > 2.0 ÷ 2.5 b,l chiều rộng và chiều dài của đường viền dưới đất công trình (l dọc theo chiều dài dòng chảy). * η < 2.0 ⇒ bài toán thấm giải bằng phương pháp thực nghiệm. + Họ các đường ϕ , ψ có giá trị bằng nhau làm thành một lưới thẳng góc với nhau . Khi vẽ lưới này ta dùng các khoảng cách bằng nhau cho các hàm ϕ, ψ tức là dùng điều kiện ∆ϕ = ∆ψ thì lưới đó là một hệ các hình vuông cong được gọi là lưới thuỷ động học a. Hàm thế vận tốc ϕ(x,y) Các đường có thế vận tốc ϕ(x,y) bằng nhau gọi là đường đẳng thế. Đối với dòng thấm chúng là đường đẳng cột nước: H = z + P/γ = const Do đó nếu các điểm khác nhau (vd điểm 1, 2) trên cùng 1 đường ϕ = const ta đặt các ống đo áp thì mực nước trong ống đo áp sẽ nằm trên cùng một độ cao vì: 3-3 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi z1 + γ 1P = z2 + γ 2P = H = const ϕ0 d¶i1 d¶i2 d¶i3 d¶i4 d¶i5 d¶i6 d¶i7 d¶i8 AB 1ϕ ϕ2 ϕ4 5 ϕ6 ϕ7 ϕψ4 3 2 ϕ 1ϕ3 ∆ ψ ψ ψ n HnH2 ∆ M ®uêng ®¼ng ¸p 1 2 Z x 0 Hình 3- 2: đường hàm thế và đường dòng Đường đáy thượng lưu AB mà chuyển động của dòng thấm bắt đầu tại đó là đường đẳng thế biên giới. Đường đẳng thế ban đầu ϕ0 = C0 và cột nước H0 được xác định từ mặt nước thượng lưu đến mặt phẳng xoy. Tương tự dường đáy hạ lưu, nơi dòng thấm kết thúc là đường đẳng thế biên giới cuối cùng ϕ0 = Cn và cột nước của nó bằng Hn, hiệu số cột nước: H = Ho - Hn = H1 - H2 Là tổn thất cột nước để thắng sức cản thuỷ lực dọc đường dòng bất kỳ của dòng thấm đang xét .Tổn thất cột nước H chia đều cho n dải thấm tạo bởi những cặp đường đẳng thế ϕ. ∆H = n HH n H 21 −= (3.9) H: độ chênh cột nước thượng hạ lưu; n: số giải thấm do những đường đẳng thế tạo nên trên lưới thuỷ động đang xét; ∆H: tổn thất cột nước trên đường thấm giữa hai đường đẳng thế vận tốc ϕ. b. Độ dốc thuỷ lực i Nếu đo được (dùng tỷ lệ xích) chiều dài ∆s và chiều dài một đường ψ nào đó giữa hai đường đẳng thế ϕ thì đối với đoạn đường dòng độ dốc thuỷ lực i sẽ là: L H s H iJ s Hi =∆ ∆==⇒∆ ∆= ∑ ∑∑ (3.10) c. Hàm dòng ψ(x,y) 3-4 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Hàm dòng ψ được biểu thị bởi một họ các đường đẳng trị ψ1 =C1, ψ2 =C2. Các đường này trùng với đường dòng chỉ hướng chảy vì tại các điểm nằm trên đường dòng đang xét vận tốc có phương tiếp tuyến với đướng đó. Nếu đã vẽ được một lưới thuỷ động cho một trường hợp cụ thể thì dùng lưới này có thể xác định được các đặc tính của dòng thấm như: vận tốc, áp suất, lưu lượng dòng thấm và các thông số khác. 3.1.4.2. Xác định vận tốc thấm Vận tốc thấm tại một điểm bất kỳ M được xác định theo công thức : U = k.i = k. s H ∆ ∆ (3.11) K: hệ số thấm; ∆H: độ chênh cột nước của hai đường ϕ cạnh nhau; ∆s: chiều dài đường dòng (đi qua điểm M') các đại lượng này được đo trực tiếp trên hình vẽ. 3.1.4.3. Xác định áp suất thấm P áp suất tại một điểm M bất kỳ được xác định theo công thức : P = γ(HM - ZM) (3.12) Trong đó : γ: Trọng lượng thể tích của chất lỏng; HM: cột nước của đường đẳng thế ϕ đi qua điểm M và bằng: HM = Ho = ∆H.t - ∆H. s sM ∆ ∆ (3.13) ∆H: độ hạ thấp cột nước trên mỗi dải . T: số dải ở phía trên điểm M ( tính theo chiều dòng chảy ) . ∆SM: khoảng cách từ đường đẳng thế ϕ2 đến điểm M ∆S: khoảng cách giữa hai đường đẳng thế, ϕ2 = ϕ3 3.1.4.4. Xác định trị số lưu lượng thấm Vì toàn bộ khu vực thấm được chia thành nhiều dải thấm bằng các đường dòng mà khi vẽ lưới thuỷ động thì hiệu các hàm dòng ψi+1 - ψi = ∆ψ được lấy như nhau cho từng cặp các đường dòng cạnh nhau nên lưu lượng thấm của tất cả các dải đều bằng nhau. Nếu lưu lượng thấm của mỗi dải là ∆Q thì lưu lượng toàn phần Q=∆Q.m. m: số giải giữa các đường ψi ∆Q = ω.v = ∆b.k. Sn H ∆. =k. n H (3.14) ∆b = ∆S (hình vẽ) do đó lưu lượng thấm cho một mét dài công trình là: Q = ∆Q.m = k.H. n m (3.15) Khi k=1; H=1 → q = qr = . n m 3-5 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi qr: lưu lượng thấm dẫn xuất. 3.2. Các phương pháp xác định lưới thuỷ động 3.2.1. Phương pháp vẽ lưới thuỷ động theo "tay vẽ ","mắt nhìn" Phương pháp này vẽ nhiều lần để sao cho các đường ψ và ϕ ở mọi chỗ đều tạo nên các hình cong có các đường chéo bằng nhau và bằng 900, để đạt được yêu cầu đó phải vẽ các đường ψ và ϕ sao cho các đường trung bình ∆S và ∆b ở mỗi ô vuông phải bằng nhau (H.V). Khi bắt đầu vẽ cần nhớ rằng đường viền dưới đất công trình là đường không thấm nước nó là đường dòng ở biên. Còn đường đáy thượng lưu và hạ lưu là hai đường đẳng thế ϕ đầu trên và cuối cùng. Lý thuyết cũng như kết quả thí nghiệm cho thấy trong miền thấm nếu xuống quá một giới hạn nào đó thì cường độ dòng thấm giảm nhanh và chuyển động của dòng thấm rất yếu. Nếu nền nằm trong giới hạn này gọi là "miền thấm nhanh". Vì lý do đó khi vẽ lưới thấm với nền thấm rất sâu ta chỉ xét miền có hiệu quả T = (0,8÷1)L hoặc T = 1,25L (đối với đế phẳng) L chiều dài đế phẳng. Đối với các công trình có cừ, đường dòng cuối cùng có dạng cong trơn đi qua các điểm đáy kênh cách mép các bộ phận không thấm của đế (như sân phủ, sân tiêu năng) (0.8÷1.0)L và qua một điểm cách mút cừ (1÷1.5)S, S chiều dài cừ (hình vẽ 3-8/38). H1 A H1 H2 n n-1 B B1 B2 S1 S2 Hình 3- 3: lưới thấm có hai hàng cừ 3.2.2. Phương pháp giải tích 3.2.2.1. Phương pháp cơ học chất lỏng (phương pháp hệ số sức kháng ξ) Phương pháp này dùng các bảng để vẽ lưới thuỷ động lực chính xác của N.N.Pavơlôpxki. N.N.Pavơlôpxki. giải bài toán thấm bằng các sơ đồ khác nhau, không dùng các kích thước thật của công trình mà dùng các kích thước dẫn xuất tức là các kích thước tương ứng với cột nước H = 1m, K=1m/s và giá trị đơn vị của các kiách thước đặc trưng.Vì vậy muốn có kết quả thực của công trình ta cần nhân giá trị đó với tỷ lệ có giá trị số khác nhau trong bảng 12-7÷12-12. 3.2.2.2. Phương pháp cơ học chất lỏng gần đúng Đối với những trường hợp đường viền dưới đáy công trình phức tạp có 2, 3, 4 hoặc nhiều hàng cừ N.N.Pavơlôpxki đã dùng phương pháp phân đoạn để giải bài toán thấm. Sau đó Trugáep đã dùng phương pháp hệ số sức kháng, hai phương pháp này cho kết quả 3-6 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi gần đúng. Phương pháp phân đoạn được lập thành các bảng tra, phương pháp hệ số sức kháng không cần các bảng biểu (chỉ nghiên cứu các hệ số ξ) Phương pháp hệ số thực chất là biến thể của phương pháp phân đoạn, đường viền dưới đất được chia thành nhiều đoạn thẳng đứng và đoạn nằm ngang. S¬ ®å ph©n khu theoTrugaep Hình 3- 4: Sơ đồ phân khu Trugaep Trong thực tế xây dựng các đoạn thẳng có thể phân thành 3 bộ phận: * Bộ phận cửa vào hoặc cửa ra thường có cừ (1-mn-2) và cừ hạ lưu (5-m1 n1-6) .Nếu không có cừ thì ở đó ta có một bậc 1-m=a hoặc n1-6=a2 * Bộ phận giữa thường có cừ 3-δ-4 , nếu không có cừ thì S1 = 0 thì ở đây chỉ có một bậc thẳng đúng 3-δ1 = a1 * Các bộ phận chứa những đường viền nằm ngang 2-3=l1 và 4-5=l2. Dọc các phân đoạn đường viền có thể coi đầu nước tiêu hao gần đúng theo quy luật đường thẳng , cột nước tiêu hao trong mỗi bộ phận được tính theo công thức : hi = ξi. k q (3.16) Trong đó: q: lưu lượng thấm; k: hệ số thấm; ξi: hệ số sức kháng của bộ phận tính toán. Độ chênh cột nước do công trình tạo nên bằng tổng các cột nước tổn thất trên các đoạn đường viền: H = ∑ ikq ξ (3.17) 3-7 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Trong đó là tổng các hệ số sức kháng ∑ iξ => ∑= ξ H k q thay vào (3.16) hi = ∑= i Hi k qi ξξξ .. Từ hình vẽ ta có rcnnvi ξξξξξξ ++++=∑ ''' Trong đó: H: độ chênh cột nước trên các đoạn đường viền; ξC: hệ số sức kháng của cừ; ξv: hệ số sức kháng bộ phận cửa vào; ξr: hệ số sức kháng bộ phận cửa ra; ξn’ ξn’’: hệ số sức kháng bộ phận nằm ngang; K: hệ số thấm. Nếu cửa vào và cửa ra giống nhau về hình dạng và kích thước thì ξv = ξr. ξC: hệ số sức kháng của cừ. Nếu không có cừ (S1 = 0) ξC thay bằng hệ số sức kháng của bậc ξb. Hệ số sức kháng đặc trưng hiệu quả tiêu hao cột nước. Bộ phận nào có ξ lớn thì tiêu cao cột nước cao. Các hệ số ξ được tính theo công thức sau: * Bộ phận giữa: Trong trường hợp đập có một bậc và một hàng cừ 3-δ-4 và thoả mãn điều kiện: 0.5 < T2 /T1 ≤ 10;0 ≤ S1 / T2 ≤ 0.8 (3.18) Thì: ξc= 2 1 2 1 2 1 1 1 .75,01 .5,0 .5,1 T S T S T S T a − ++ (3.19) T1; T2: Lần lượt là chiều sâu tầng thấm kể từ các đoạn nằm ngang của đường viền trở xuống a1: Là chiều cao bậc Khi không có cừ nhưng vẫn có bậc a1 ta có: ξb = a1/T1 (3.20) Nếu có cừ nhưng không có bậc thì T1 = T2 = T 3-8 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi ξc= 2 1 2 1 2 1 .75,01 .5,0 .5,1 T S T S T S − + (3.21) * Bộ phận cửa vào và cửa ra - Nếu bộ phân cửa vào và cửa ra không có bậc (hình 3-6a) thì ξv=ξr= . 44,0 - Nếu bộ phân cửa vào và cửa ra bố trí có bậc nhưng không có cừ (hình 3-6b): ξv=ξr= 0 44.044,0 T a b +=+ ξ (3.22) - Nếu bộ phân cửa vào và cửa ra bố trí có bậc và có cừ (hình 3-6c) thì: ξv=ξr= cb ξξ ++44,0 (3.23) T0 (3-6a) a/T0T0 (3-6b) a/T0 +T0 (3-6c) T1 Hình 3- 5: Các trường hợp tính toán bộ phận gi * Bộ phận nằm ngang Khi chiều dài đường viền nằm ngang l ở giữa hai hàng cừ S1, S2 thoả mãn điều kiện: l ≥ (S1 + S2 ) /2 T SSl n )(5.0 21 −−=ξ (3.24) T: chiều sâu tầng thấm trong đoạn tính toán. Nếu l < 0.5( S1 +S2) thì ξn = 0. Khi tầng thấm rất sâu thì người ta thay giá trị T0 bằng Ttt, Ttt giá trị này phụ thuộc vào lo/S0 được tra bảng (3-1/34). l0, S0: hình chiếu ngang và hình chiếu đứng của đường viền. 3.2.2.3. Phương pháp tỷ lệ đường thẳng (phương pháp kéo dài đường chu vi thấm). Nguyên tắc: Kéo dài toàn bộ chu vi thấm dưới đáy công trình thành đường nằm ngang. 3-9 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Hình 3- 6: Phương pháp tỷ lệ đường thẳng Phương pháp vẽ : - Sau khi kéo dài chu vi thấm thành đường nằm ngang, từ điểm 12 ta dóng lên cột nước bằng H vì tổn thất cột nước tỷ lệ bậc nhất với chiều dài đường viền nên ta nối điểm O với điểm 1. - Muốn tìm áp lực thấm tại một điểm nào đó ta kẻ một đường thẳng góc với đường 1-12 cột nước thấm tại một điểm cách mép hạ lưu đường viền thấm một đoạn dài tính toán x là : hx = HL x tt . (3.25) trong đó Ltt ≥ C.H;Ltt = Ldd + m Ln (3.26) Lđ: chiều dài tổng cộng các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên so với đường nằm ngang có góc ≥450; Ln: chiều dài tổng cộng các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên so với đường ngang có góc ≤ 450; H: độ chênh mực nước thượng hạ lưu; C: hệ số phụ thuộc tính chất đất nền (tra bảng 3-2/36); m: hệ số hiệu quả tiêu hao cột nước trên các đoạn thẳng đứng so với đoạn nằm ngang, hệ số này lấy theo sơ đồ đường viền dưới đáy công trình: + Khi có một hàng cừ: m = 1÷1.5; + Khi có hai hàng cừ: m = 2÷2.5; + Khi có ba hàng cừ : m = 3÷3.5. Ghi chú : 3-10 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Phương pháp này thích hợp với những công trình đế phẳng không có cừ xây dựng trên nền thấm dày hữu hạn, lớp thấm càng mỏng thì mức độ chính xác càng cao, đối với trường hợp khác sai số tới 20÷40% thậm chí 80%. 3.3. Thấm trong trường hợp đường viền có vật thoát nước 3.3.1. Khái niệm về vật thoát nước Vật thoát nước là thiết bị thu nước ngầm trong thân hay nền công trình. Trong công trình, vật thoát nước có dạng hình thang hay lỗ tập trung nước được làm bằng các lớp cát, cuội, sỏi đặt nằm ngang hay thẳng đứng để thấm nước và thông với hạ lưu để cho áp lực nước trong vật thoát nước bằng hoặc gần bằng áp lực nước ở hạ lưu. Khả năng thoát nước của thiết bị thu nước phải đảm bảo: + Không gây tổn thất cột nước khi dòng thấm chảy theo thiết bị ra ngoài . + Vật thoát nước không những thu và đưa dòng thấm về hạ lưu mà còn ảnh hưởng lớn V, Q , P. 3.3.2. Cấu tạo vật thoát nước Hình 3- 7: Vật thoát nước Vật thoát nước trong thân đập được cấu tạo theo kiểu tầng lọc ngược có tác dụng thu nước của dòng thấm trong thân đập vào hố thu nước và theo đường ống thoát ra hạ lưu. 3.4. Tính áp suất thấm dưới đáy công trình thuỷ lợi theo phương pháp cơ học chất lỏng Khi tính toán về ổn định công trình thuỷ lợi cần phải biết các lực tác dụng lên công trình trong đó có áp lực thấm .Để xác định lực này dùng các biểu đồ áp suất thuỷ động có thể vẽ bằng cách: Xác định các đại lượng P/γ cho nhiều điểm trên đường viền dưới đất (thường lấy giao điểm của những đường đẳng thế và đường viền thấm dưới đất) rồi dựng các đoạn P/γ tương ứng (theo tỷ lệ xích đã chọn) thẳng góc với đường viền tại các điểm ấy. Ω1: Dịên tích biểu đồ áp suất (trường hợp H2 = 0); Ω2: Dịên tích biểu đồ áp suất (trường hợp H2 ≠0). 3-11 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Hình 3- 8: biểu đồ áp suất thấm Đối với đường viền AB tính áp suất thuỷ động tại các điểm A,B là: AA A ZHP −=γ và BB B ZH P −=γ (3.27) Ta lần lượt đặt các đoạn PA/γ, PB/γ thẳng góc với đường AB tại điểm A, Bkhi đó hình thang AA1B2B là biểu đồ áp suất thấm trên đoạn ABC. Tổng áp lực thấm lên đoạn AB là : + Trường hợp : H2 = 0 thì : Py = γ.Ω1; Ω1: diện tích(ABA1) + Trường hợp : H2 ≠ 0 thì : Py = γ.diện tích(AA2C1B1B) Lực Py đi qua trọng tâm của biểu đồ Py = γ.Ω2; Ω2: diện tích (AA2C1B1B) Khi vẽ biểu đồ (ABA1) và (AA2C1B1B) đã được Pavôlốpxki thành lập bảng tra. Trục hr đi qua điểm giữa AB trục x nằm dưới đường viền. Các trường hợp cụ thể ở các bảng 12-13÷12-21 3.5. Các biện pháp phòng chống thấm đối với đất nền 3.5.1. Khái niệm Dòng thấm gây nhiều tác hại đối với công trình và nền như: - Làm mất nước đối với công trình giữ nước; - Giảm ổn định công trình như đẩy nổi, đẩy trượt; - Giảm ổn định hoặc mất ổn định của nền như đẩy trượt gây xói ngầm, trôi đất. Xét tác dụng phòng chống thấm ta có thể chia đường viền làm 3 bộ phận: + Đoạn giữa gần bản đáy công trình; + Đoạn thượng lưu nằm trước bản đáy; + Đoạn hạ lưu nằm sau bản đáy. 3-12 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Khi phân tích tác hai của dòng thấm, cần chú ý áp lực thấm dưới bản đáy công trình và thấm ở cửa ra. Dựa vào lưới thấm và phương pháp hệ số sức kháng hoặc phương pháp tỷ lệ đường thẳng ta có thể rút ra được những nhận xét sau: 1) Khi tăng chiều dài đoạn đường viền không thấm thì J thấm và lưu lượng thấm bình quân sẽ giảm. 2) Khi tăng chiều dài đoạn thượng lưu nhưng vẫn giữ nguyên kích thước các bộ phận khác thì áp lực thấm dưới đáy công trình giảm. 3) Các đoạn đường viền thẳng bố trí hợp lý có tác dụng lớn trong việc tiêu hao cột nước so với đoạn nằm ngang có cùng độ dài. Cuối đoạn đường viền nếu ta bố trí một cừ ngắn cũng có tác dụng lớn đối với việc giảm J thấm ở cửa ra, vì vậy ta cần nghiên cứu một số biện pháp chống thấm cần dùng. 3.5.2. Các biện pháp chống thấm 3.5.2.1. Sân trước Nó có tác dụng chủ yếu là giảm áp lực thấm dưới bản đáy và giảm lưu lượng thấm qua nền. Sân trước là biện pháp chống thấm với nền thấm khá sâu hoặc địa chất nền không cho phép đóng cừ. a. Chiều dài sân trước Chiều dài sân trước phụ thuộc vào độ chênh lệch mực nước thượng hạ lưu, bề dày và hệ số thấm đất nền, bề dày và hệ số thấm của vật liệu làm sân. Hiện nay chưa có công thức hoàn chỉnh thích hợp. Hình 3- 9: Cấu tạo sân trước bằng đất sét 1: đất sét đầm chặt 2: đất sét pha cát 3: bê tông hoặc bêtông cốt thép Khi thiết kế sơ bộ chiều dài sân trước được tính theo công thức sau: L = ( 3÷5)H Lmax = 2. TtK K tb nen .. (3.28) Trong đó : H: độ chênh cột nước thượng hạ lưu; ttb: Chiều dày trung bình sân trước; 3-13 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi k, knền: hệ số thấm của vật liệu làm sân và của nền. b. Bề dày sân trước * Bề dày sân trước được xác định theo công thức: t ≥ [ ]J H∆ (3.29) ∆H: độ chênh cột nước giữa mặt trên và mặt dưới sân trước tại điểm tính toán [J]: gra thấm cho phép đối với vật liệu làm sân trước [J] = 4÷6 đối với đất sét; [J] = 10÷12 đối với bêtông. *Bề dày sân trước còn phụ thuộc vào điều kiện thi công: Đối với bêtông t ≥ 0.4m Đối với đất sét; bề dày ở đầu sân t ≥ (0.5÷1.0)m. Cuối sân nơi tiếp giáp với bản đáy t ≥ 1.0m. Khi dùng đất thịt bề dày sân trước tăng 20%÷30% so với đất sét. Chỗ tiếp giáp sân trước và bản đáy công trình phải đảm bảo chống thấm tốt tránh hiện tượng dòng thấm đi qua chỗ tiếp xúc, một trong những biện pháp thường dùng là mép thượng lưu bản đáy kiểu dốc nghiêng. 3.5.2.2. Cừ chống thấm Cừ đóng vai trò rất cơ bản trong việc tiêu hao cột nước thấm, nếu tầng thấm trong nền là đất hoặc sỏi không dày thì biện pháp chống thấm tốt nhất là đóng cừ sâu vào tầng không thấm 0.5÷1.0m. Đối với nền đất không dính, tầng không thấm ở rất sâu, người ta thường làm sân trước và đóng một hàng cừ ở mép thượng lưu bản đáy. Độ sâu đóng cừ được xác định thông qua tính thấm và theo điều kiện thi công: Smin = (2.5÷3)m Độ sâu cừ chính S2 = (0.6÷1.0)H Cừ bố trí ở mép thượng lưu S1 < S2 Khoảng cách giữa hai cừ phải thoả mãn điều kiện : l ≥ (S1 +S2 ) có khi l = (1÷1.5)S2 Nếu dưới đáy công trình có thiết bị thoát nước thì phải đặt xa cừ 0.5S2 Có khi phải đóng ở hạ lưu công trình một hàng cừ S3. S3 < ( 1/15÷1/10 ) T S3 < ( 1/30÷1/20) l0 T: độ sâu tầng thấm nước. lo: hình chiếu bằng của đường viền dưới đất công trình. Cừ có thể làm bằng gỗ hoặc bêtông cốt thép 3-14 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi Các sơ dồ có thể liên kêt cừ và đập Hình 3- 10: Các sơ đồ liên kết cừ và đập Trường hợp a :Kém hơn cả vì dễ tạo khe thấm b: chống thấm tốt c: đóng cừ để tăng khả năng chống trượt * Cấu tạo các hàng cừ + Cừ gỗ: dày 18÷20cm có mộng chữ nhật mộng thường dày 1/3 chiều dày cừ khỏang từ 5÷6cm, cao khoảng 5.2÷6.2cm được tra bảng 3-3/49 phụ thuộc vào loại đất và loại cừ. Cừ gỗ thích hợp công trình vùng đồng bằng cột nước thấp. + Cừ thép: có ưu điểm chống thấm tốt dùng cho mọi loại nền (trừ nền đá) liên kết các bản rất tốt, chịu lực cao các khớp cừ rất khoẻ, độ sâu đóng cừ đạt từ 25 ÷40m. + Cừ BTCT: đóng trong mọi loại nền (trừ đá cứng), cừ thường dày từ 10÷50cm, rộng 50÷60cm. Cừ BTCT có thể dùng dạng hình thang hoặc dạng khớp. 3.5.2.3. Xác định bề dày đế đập Dưới tác dụng của áp lực thấm, trọng lượng bản thân đế đập phải đủ lớn để thắng lực đẩy ngược, tránh xảy ra vết nứt. 3-15 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi a, H¹ l−u cã n−íc H2 > 0 b, H¹ l−u kh«ng cã n−íc H2 Hình 3- 11: Sơ đồ tính toán bề dày đế đập a. Trường hợp hạ lưu đập có nước H2 # 0 Trên một diện tích của bản , các lực đè xuống gồm có : + Áp lực nước hạ lưu: γ.H2 + Trọng lượng bản đáy: γ1.t (γ1 trọng lượng đơn vị) Lực đẩy ngược là áp lực của dòng thấm tại điểm tính toá : γn( t + H2 + h ) Cân bằng các lực ta có γ1.t + γ.H2 = γn( t + H2 + h ) ⇒ t= n hn γγ γ −1 . b. Trường hợp hạ lưu không có nước H2 =0 γ1.t = γn( t + h ) t= n hn γγ γ −1 . Thêm vào hệ số an toàn n = 1÷1.2 (n nhỏ vì bỏ qua nhiều yếu tố như lực ma sát, lực dí t= n h n n γγ γ −1 . . 3.6. Hiện tượng trôi đất và cách phòng ngừa Một đơn vị thể tích đất trong miềm thấm chịu một áp lực thuỷ động Wφ= γn.Jtb. Như vậy trong nền công trình các khối đất trong miền thượng lưu của nền thấm được các lực thuỷ đông giữ chặt thêm ,ở miền hạ lưu của miền thấm (ở cửa ra) lực WQ hướng từ dưới lên trên ngược chiều trọng lượng bản thân khối đất. Wđ = γđn.V(V = 1 đơn vị) γđn = γ2-γn(1-n) Wđ: trọng lượng riêng của đất khô; 3-16 Chương 3. Thấm dưới đáy công trình thủy lợi n: độ rỗng tương đối của nền; Nếu bỏ qua lực ma sát và lực dính ,khi khối đất ở trạng thái cân bằng thì Wφ= Wđ → γn.J =γ2-γn(1-n) → Jgh= )1(2 n n −−γ γ Jgh: gọi là Gradien giới hạn . Khi Jthấm > Jgh thì khối đất tính toán bị đẩy trôi từ dưới lên trên. Đó là hiện tượng trôi đất, gây tác hại lớn đối với ổn định nền công trình. Điều kiện đảm bảo chống trôi: Jra < Jgh . Trong trường hợp đế đập có chân khay (hay cừ) cắm sâu vào nền, điều kiện đảm bảo không sinh trôi: γn.hc < γđn.S + γP.t + C hc: cột nước thấm ở chân khay (điểm A) có độ sâu = S t: bề dày lớp phủ nặng chống trôi (gồm tầng lọc ngược, đá xếp, bản bêtông..) có trọng lượng riêng γP C: lực dính . Trong trường hợp không có lớp phủ phía trên (t=0) phải đảm bảo điều kiện: Jtb <Jgh hoặc Jtb = m J gh m=1.5÷2.5 phụ thuộc vào cấp công trình Hình 3- 12: Sơ đồ thấm 3-17