Công trình thủy lợi - Chương 3

Thi công công trình thuỷ lợi là môn khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu các biện pháp kỹ thuật, tổ chức và quản lý để tiến hành thi công các công trình thuỷ lợi một cách nhanh, tốt, rẻ, an toàn

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

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.

Uy = -k

∂

TÇng kh«ng thÊm

Hình 3- 1: Vận tốc thấm tại A

Đặt Jx = -

Jy =

(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

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

Với h là hàm số cột nước

3.1.3.2 Hàm thế vận tốc

Ta có phương trình cơ bản (3.2):

Ux = -k.

Uy = -k

Để tính toán tiện lợi ta đưa vào hàm số ϕ

xhkx ∂

;

yhky ∂

ϕThay vào (3.2) ta có:

Ux=

Uy=

* 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

z1 + γ1

= z2 + γ2

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 =

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:

c Hàm dòng ψ(x,y)

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.

(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

(3.13) ∆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.

∆ =k.

(3.14) ∆b = ∆S (hình vẽ) do đó lưu lượng thấm cho một mét dài công trình là:

Q = ∆Q.m = k.H.

(3.15) Khi k=1; H=1 → q = qr = m

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)

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

gần đỳng Phương phỏp phõn đoạn được lập thành cỏc bảng tra, phương phỏp hệ số sức khỏng khụng cần cỏc bảng biểu (chỉ nghiờn cứu cỏc hệ số ξ)

Phương phỏp hệ số thực chất là biến thể của phương phỏp phõn đoạn, đường viền dưới đất được chia thành nhiều đoạn thẳng đứng và đoạn nằm ngang

Sơ đồ phân khu theoTrugaep

Hỡnh 3- 4: Sơ đồ phõn khu Trugaep

Trong thực tế xõy dựng cỏc đoạn thẳng cú thể phõn thành 3 bộ phận:

* Bộ phận cửa vào hoặc cửa ra thường cú cừ (1-mn-2) và cừ hạ lưu (5-m1 n1-6) Nếu khụng cú cừ thỡ ở đú ta cú một bậc 1-m=a hoặc n1-6=a2

* Bộ phận giữa thường cú cừ 3-δ-4 , nếu khụng cú cừ thỡ S1 = 0 thỡ ở đõy chỉ cú một bậc thẳng đỳng 3-δ1 = a1

* Cỏc bộ phận chứa những đường viền nằm ngang 2-3=l1 và 4-5=l2 Dọc cỏc phõn đoạn đường viền cú thể coi đầu nước tiờu hao gần đỳng theo quy luật đường thẳng , cột nước tiờu hao trong mỗi bộ phận được tớnh theo cụng thức :

hi = ξi.

(3.16) Trong đú:

q: lưu lượng thấm; k: hệ số thấm;

Trong đó ∑ξi là tổng các hệ số sức kháng =>

thay vào (3.16) hi =

Từ hình vẽ ta có

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=

−+

* Bộ phận cửa vào và cửa ra

- Nếu bộ phân cửa vào và cửa ra không có bậc (hình 3-6a) thì ξv=ξr=0,44 - Nếu bộ phân cửa vào và cửa ra bố trí có bậc nhưng không có cừ (hình 3-6b):

a/T0 +T0

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

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

(3.26) Lđ: chiều dài tổng cộng các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên so với đường

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)

Hình 3- 8: biểu đồ áp suất thấm

Đối với đường viền AB tính áp suất thuỷ động tại các điểm A,B là:

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

- 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

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

tbnen

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

(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) l0T: 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

Các sơ dồ có thể liên kêt cừ và đập

+ 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

a, H¹ lưu cã nưíc H2 > 0b, H¹ lưu kh«ng cã nưíc 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=

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=

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)