www.phanmemxaydung.com 72 Ch"ơng 2. Đập bê tông và bê tông cốt thép trên nền mềm Biên soạn: PGS.TS Nguyễn Ph4ơng Mậu Đập tràn bê tông trên nền mềm khác với đập bê tông trên nền đá ở những điểm sau: đập trên nền mềm th?ờng có đáy rộng hơn, do sức kháng tr?ợt của nền nhỏ và tải trọng đơn vị cho phép bé. Do đó, việc xây dựng các đập cao trên nền mềm th?ờng tốn kém và nhiều khi không thể thực hiện đ?ợc (chiều cao đập không v?ợt quá 40 á 50 m). Vì vậy, khi thiết kế loại đập này, cần xem xét kỹ các đặc tr?ng địa kỹ thuật của vật liệu nền. 2.1. Đặc điểm địa chất nền và công tác chuẩn bị Theo thành phần hạt, đất đ?ợc chia ra thành các loại phụ thuộc vào kích th?ớc hạt: + Đá tảng: có kích th?ớc lớn hơn 300 mm ; + Đá cuội và dăm: có kích th?ớc 300 á150 mm ; + Sỏi và sạn: có kích th?ớc 150 á 2 mm ; + Hạt cát: có kích th?ớc 2á0,06 mm ; + Hạt bụi : 0,06 á0,002mm ; + Hạt sét: có kích th?ớc nhỏ hơn 0,002 mm ; + Hạt mịn: tập hợp của hạt bụi và hạt sét ; + Hạt thô : các hạt có kích th?ớc lớn hơn hạt bụi ; + Đất hữu cơ : đất có di tích thực vật và động vật ; + Đất hạt mịn : đất, gồm hơn 50% trọng l?ợng là những hạt có kích th?ớc nhỏ hơn 0,08 mm ; + Đất hạt thô: đất, gồm hơn 50% trọng l?ợng là những hạt có kích th?ớc lớn hơn 0,08mm ; + Đất cuội sỏi: đất hạt thô, trong đó thành phần chủ yếu là các cuội sỏi ; + Đất cát : đất hạt thô, trong đó thành phần chủ yếu là các hạt cát ; + Đất bụi : đất hạt mịn, trong đó hàm l?ợng sét chiếm ít hơn 20% trọng l?ợng của thành phần hạt mịn ; + Đất sét: đất hạt mịn, trong đó hàm l?ợng sét chiếm hơn 20% trọng l?ợng của thành phần hạt mịn ; + Đất rời : đất, trong đó độ bền chống cắt chủ yếu phụ thuộc vào lực ma sát giữa các hạt ; + Đất dính: đất, trong đó độ bền chống cắt gồm lực ma sát giữa các hạt và lực dính giữa các hạt : + Tính dẻo: tính chất của vật liệu có khả năng chịu đ?ợc biến dạng tức thời không đàn hồi, có biến dạng thể tích không đáng kể và không bị rạn nứt ; Giỏo trỡnh gii thớch c tớnh ca t khụng dớnh v cỏc c trng khỏc nhau ca chỳng tựy thuc vo s hỡnh thnh t lc dớnh www.phanmemxaydung.com 73 + Tính nén: khả năng biến dạng của đất d?ới tác động của lực nén ; + Giới hạn chảy: hàm l?ợng n?ớc ở ranh giới quy ?ớc giữa trạng thái dẻo và trạng thái chảy của đất ; + Giới hạn dẻo: hàm l?ợng n?ớc ở ranh giới quy ?ớc giữa trạng thái dẻo và trạng thái cứng của đất. I. Đặc tính của đất dính Đối với sét, hàm l?ợng hạt có đ?ờng kính d <0,002 mm chiếm từ 30á60%, nếu hàm l?ợng này lớn hơn gọi là sét nặng. Hệ số thấm K = 1,75.10 -6 á1,75.10 -8 cm/s. Độ rỗng từ 0,3á0,41, lực dính từ 4á5,2T/m 2 . Đối với đất chứa sét, hàm l?ợng hạt có đ?ờng kính d < 0,002mm chiếm từ 20 á 30%. Hệ số thấm K = 1,75.10 -5 á 1,75.10 -7 cm/s. Độ rỗng từ 0,29 á 0,44, trọng l?ợng của 1m 3 đất tại độ ẩm bình th?ờng là 19á21KN. Đất sét đ?ợc đặc tr?ng nổi bật bởi tính dẻo của nó. Độ dẻo của đất sét phụ thuộc vào hàm l?ợng sét (d<0,002mm) có mặt ở trong đất, độ ẩm và các đặc tính của khoáng vật. Góc ma sát trong của loại đất này nhỏ, chỉ từ 18 0 á10 0 hoặc nhỏ hơn. Khi các mảnh vụn tập trung nhiều, đất chứa sét trở thành nhóm sét bột kết - điển hình cho lớp đất dày của trầm tích n?ớc biển nông. Bột kết ximăng (than bùn) gọi là đá than bùn, sét bị cứng hoá và ximăng hoá sét (đá sét). Nền đất sét có những đặc tr?ng sau đây: khả năng chịu nén d?ới tác dụng của tải trọng phụ thuộc vào độ ẩm, khi độ ẩm tăng thì c?ờng độ giảm; có tính tr?ơng nở khi độ ẩm tăng; hệ số thấm rất nhỏ, khả năng thay đổi đặc tr?ng của đất thông qua trao đổi ion với n?ớc trung bình xung quanh, tồn tại sức căng do lực dính phân tử của các hạt có đ?ờng kính rất nhỏ. - Đất bồi tích bị lún lớn do đó khả năng chịu tải rất nhỏ. Độ ẩm trong đất bồi tích có thể tới 100% á 120%, trong đất than bùn là 200 á 600%, khả năng nén lún của đất than bùn đạt đến 20cm/m. - Đất than bùn đ?ợc tạo ra trên nền bãi lầy, đầm lầy và trên đất ngập n?ớc, loại đất này có thể xếp vào một loại riêng. Đất than bùn có các thông số nh? sau: độ rỗng 0,4 á 0,8, K = 1,75.10 -3 á1,75.10 -4 cm/s, khả năng nén là 30cm/m hoặc lớn hơn (khả năng nén của các loại đất khác khoảng 0,5á3cm/m). Việc xây dựng các đập bê tông trên nền đất trầm tích th?ờng rất khó khăn, do đó ng?ời ta chỉ xây dựng các đập có cột n?ớc thấp trên nền đất loại này với điều kiện là phải đ?a ra đ?ợc các giải pháp đặc biệt để đầm nén nền khi độ dày của lớp trầm tích mỏng (giải pháp này đ?ợc sử dụng trong thi công đập tràn của nhà máy thuỷ điện Kakhov trên sông Đniepr). Khi đập đ?ợc xây dựng trên nền than bùn, ng?ời ta cũng xử lý t?ơng tự nh? trên. Để tránh các biến dạng và lún lớn của các bộ phận của đập và của các t?ờng chuyển tiếp chắn n?ớc trên nền mềm, bên cạnh việc cần thiết giảm tải trọng tác dụng lên nền ta còn phải giảm hệ số phân bố không đều của ứng suất lên nền xuống 1,1á1,2 lần. www.phanmemxaydung.com 74 II. Đặc tính của đất không dính Đất không dính nhìn chung đ?ợc chia thành cát và đất có kích th?ớc lớn. Nh? đã đ?ợc đề cập tr?ớc đây, đất này là đất chứa các mảnh vỡ tàn tích, đá vỡ, mảnh vỡ, đá dăm và cuội sỏi. Đá ruđaceous của thời kỳ kỷ đệ tứ và tiền kỷ đệ tứ luôn luôn bị xi măng hoá bởi các lớp khác. Đá vỡ ximăng hoá đ?ợc gọi là dăm kết, cuội kết. Hạt cuội sỏi bị xi măng hoá gọi là gravelite. Đá ruđaceous th?ờng là đá vỡ, tàn tích của các loại khoáng vật khác nhau. Chúng chứa hơn 50% các mảnh vỡ có d>10mm. Các thông số khác của chúng là: góc nội ma sát, 33á35 0 ; lực dính, 0,4á0,5T/m 2 , K = 1,75.10 -1 á1,75.10 -2 cm/s; độ rỗng 0,35á0,37. Ng?ời ta cũng hay sử dụng cát có độ rỗng 35á40%, góc ma sát trong 30á35 0 . Hệ số thấm của đá cát là K = 1,75.10 -2 á1,75.10 -5 cm/s. Trọng l?ợng của 1m 3 đá cát từ 15á19 KN. Các loại đất không dính có các đặt tr?ng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện hình thành của chúng. Tuy nhiên chúng có một điểm chung điển hình là không có lực dính. Nhóm cát và cát mịn hay đ?ợc gọi là cát chảy chứa các mảnh vụn có kích th?ớc từ 0,25 đến 0,5mm tới 80á96% trong trạng thái bão hoà có các đặc tính nh? sau: có thể có góc nghỉ nhỏ 3á7 0 ứng với độ ẩm 13á14% và giảm tới 0 0 tại độ ẩm 17á18% và khả năng chịu tải nhỏ. Cát mịn không bão hoà có thể có độ rỗng tới 42á50% và trọng l?ợng riêng 13á15 KN/m 3 . Vì vậy các loại cát này d?ới tác dụng của tải trọng động có thể bị sụt tới lớn. Trên nền cuội sỏi và đất rời, ta có thể xây dựng đập có cột n?ớc cao tới 30á40m , còn trên nền cát ta có thể xây dựng đập có cột n?ớc cao tới 20á30m. Cát chảy đ?ợc sử dụng trong nền đập có cột n?ớc thấp khi các giải pháp sau đ?ợc tiến hành: một bản cừ đ?ợc bố trí toàn bộ dọc theo đ?ờng viền thấm, nền phải đ?ợc tăng c?ờng và gia cố bằng phun phụt vữa hoá học 2.2 Thiết kế đập bê tông trên nền mềm, đ"ờng viền thấm của đập Trong thiết kế đập, giải pháp đ?ợc coi là hợp lý nhất là giải pháp có thể thoả mãn các yêu cầu về c?ờng độ, ổn định của đập và nền, đ?a ra đ?ợc ph?ơng pháp thi công có lợi nhất trong điều kiện cụ thể, đáp ứng các yêu cầu về mặt vận hành, có giá thành rẻ nhất. Đập bê tông trên nền đất có mặt cắt lớn nhằm đảm bảo sự phân bố ứng suất đồng đều trên toàn bộ mặt tiếp xúc của nền với công trình. I. Các bộ phận của đập: các bộ phận của đập có thể chia làm hai phần: 1. Phần d4ới: đặt sâu trong nền đất, chẳng hạn nh? bản đáy móng, bản đáy sân th?ợng, hạ l?u, bể tiêu năng và t?ờng chống thấm của bể tiêu năng, lỗ thoát n?ớc bể tiêu năng, cừ chống thấm v.v 2. Phần trên: bố trí phía trên bản đáy, chẳng hạn nh? phần tràn n?ớc, các trụ pin và cầu giao thông,.v.v www.phanmemxaydung.com 75 Về nguyên tắc đập trên nền mềm th?ờng có đ?ờng viền thấm phát triển theo ph?ơng ngang và các bộ phận đ?ợc thiết kế nhằm triệt tiêu năng l?ợng thừa xả về hạ l?u công trình và đảm bảo cho đáy lòng sông không bị xói lở và bào mòn ảnh h?ởng đến sự ổn định của đập. Việc xây dựng các đập khối lớn t?ơng đối dễ dàng (trọng l?ợng của đập đ?ợc quyết định phụ thuộc vào các điều kiện ổn định và sức kháng cắt). Còn các đập rỗng (đập có trọng l?ợng nhẹ hơn) cần ít khối l?ợng bê tông nh?ng lại cần hàm l?ợng thép cao hơn. Để đảm bảo an toàn ổn định cho đập rỗng, ta cần tiến hành thêm một số biện pháp thi công, điều này làm cho việc xây dựng đập trở nên phức tạp hơn. Vì vậy, khi xây dựng đập, ng?ời ta phải so sánh các giải pháp thay thế khác nhau để tìm ra giải pháp tối ?u (xây đập khối lớn hay xây đập rỗng). a) b) Hình 2-1. Đập tràn trên nền mềm và các bộ phận của nó. (a) mặt cắt dọc; (b) mặt bằng; 1. lớp bảo vệ sân phủ bằng sét; 2. các tấm gia cố; 3. trụ; 4. cửa van sửa chữa và cầu giao thông; 5. cửa van chính; 6. thân đập; 7. hành lang thoát n?ớc trong thân đập; 8. bản đáy tiêu năng; 9. sân sau; 10. hố xói sân sau; 11. đá hộc xếp sân sau; 12. tầng lọc ng?ợc; 13. lỗ thoát n?ớc; 14. cừ thép. Hình 2-2 mô tả các mặt cắt của đập tràn trên nền đất đ?ợc xây dựng ở Nga trong các giai đoạn khác nhau. Với cùng một độ chênh lệch cột n?ớc th?ợng hạ l?u (25m), các đập khối lớn xây dựng từ năm 1929 đến 1935 cần 1500á1600m 3 bê tông trên 1m chiều dài đập, lớn hơn từ 45á50% so với khối l?ợng bê tông trên 1m chiều dài đập của các đập đ?ợc xây dựng năm 1954 (1000á1200 m 3 bê tông trên m). L?ợng thép dùng để xây đập năm 1929- 1935 khoảng 35 kg/1m 3 bê tông, năm 1951-1954 là khoảng (55á 66)kg/1m 3 bê tông. Rõ ràng là việc lựa chọn đập khối lớn hay đập rỗng và mức độ giảm trọng l?ợng của đập phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế và kỹ thuật điển hình của khu vực xây dựng. 4 1 2 141213 12 8 10 9 11 7 6 5 3 h 3 13 www.phanmemxaydung.com 76 a) e) (b) (f) (c) (g) (d) (h) Hình 2-2. Một số đập tràn trên nền mềm đ?ợc xây dựng ở Liên xô từ năm 1929 đến 1954. Hình 2-3. Đập Đáy đ?ợc xây dựng ở tỉnh Hà Tây Việt Nam. 1929 1935 1948 1950 1951 1954 1949 1929 14.80 14.00 7.00 3.00 7.00 12.30 -2.00 Tấm bê tông Dầm tiêu năng Đất sét chống thấm Cừ bêtông cốt thép Cừ thép Cừ bêtông cốt thép 80.60 19.70 13.00 15.00 15.00 2.60 143.30 5.00 www.phanmemxaydung.com 77 ĐEờng mặt địa hình MN kiệt TL 9.5 7.50 R = 2 0 0 350100 60 220 115 200 235 310 1080 110 ỉ 6 0 11.00 7.5 0 6.0 0 2.5 0 6.00 9.05 8.31 8.9 5 MN k iệt HL (8 .50-9.00) 875 80 70 380 450 85 200 600 1000 200 1650 2500 2.2 0 100 6.50 50 120 500 1000 1000 60 Vết đá đổ theo thiết kế ĐEờng mặt địa hình ĐEờng địa hình hiện trạng Đá đổ gia cố hố xói ĐEờng kính viên đá D 30cm Rọ đá 5.00 7.5 0 1 a1 1 a1 1 a11 a1 1 a1 Tim cửa van Ti m đập Cửa van đập hiện trạng Hình 2-4. Đập Đô L?ơng đ?ợc xây dựng ở tỉnh Nghệ An Việt Nam. . thấm của đá cát là K = 1,75.10 -2 á1,75.10 -5 cm/s. Trọng l?ợng của 1m 3 đá cát từ 15á19 KN. Các loại đất không dính có các đặt tr?ng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện hình thành của chúng. . tính dẻo của nó. Độ dẻo của đất sét phụ thuộc vào hàm l?ợng sét (d<0,002mm) có mặt ở trong đất, độ ẩm và các đặc tính của khoáng vật. Góc ma sát trong của loại đất này nhỏ, chỉ từ 18 0 . hệ số phân bố không đều của ứng suất lên nền xuống 1,1á1,2 lần. www.phanmemxaydung.com 74 II. Đặc tính của đất không dính Đất không dính nhìn chung đ?ợc chia thành cát và đất có kích th?ớc