GIỚI THIỆU CHUNG Trong những điều kiện nhất định, dòng thấm có khả năng moi các hạt nhỏ trong đất hoặc các chất lấp nhét trong khe nứt của đá dẫn tới hiện tượng xói ngầm đây là vấn đề có
Trang 1TẦNG LỌC NGƯỢC
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Trong những điều kiện nhất định, dòng thấm có khả năng moi các hạt nhỏ trong đất hoặc các chất lấp nhét trong khe nứt của đá dẫn tới hiện tượng xói ngầm đây là vấn đề có được nhiều sự quan tâm của các nhà địa kỹ thuật đặc biệt là trong các công trình thủy lợi Hiện tượng này làm tăng lưu lượng thấm dẫn tới mất nước trong các hồ chứa, là nguyên nhân thường xuyên của các loại biến dạng mặt đất, phá vỡ sự làm việc bình thường của các công trình thủy lợi
và quan trọng hơn nó làm thay đổi thành phần và cấu trúc của nền đất, đá dẫn đến những hiện tượng nguy hại tới công trình Bài tiểu luận này viết về một giải pháp hữu hiệu được áp dụng để ngăn hiện tượng xói ngầm xảy ra, đó là giải pháp tầng lọc ngược cho các công trình này
Hiện tượng xói ngầm có 2 nguyên nhân là xói ngầm hóa học và xói ngầm
cơ học Xói ngầm hóa học (tương tự như hiện tượng karst) là do một số thành phần trong đất bị hòa tan theo dòng nước ngầm làm tăng độ rỗng, thay đổi tính chất của đất và làm tăng hệ số thấm của đất Còn hiện tượng xói ngầm cơ học
là quá trình dòng nước ngầm vận chuyển các hạt nhỏ của đất đá qua các lỗ rỗng của đất đá lớn hơn dẫn tới thay đổi cấu trúc của đất và tăng lưu lượng thấm do
độ rỗng của đất đá tăng lên Với những tác động nguy hại của hiện tượng này
đã có nhiều biện pháp được áp dụng để phòng và chống như: hạ thấp gradien thủy lực; cải tạo tính chất xây dựng của đất; điều tiết dòng nước mặt và xây dựng lớp phủ bảo vệ kiểu tầng lọc ngược
Tầng lọc ngược không áp dụng được trong hiện tượng xói ngầm hóa học vì các thành phần bị hòa tan của đất, đá không thể được giữ lại bằng phương pháp này Nhưng đối với hiện tượng xói ngầm cơ học thì các hạt nhỏ được dòng ngầm mang theo không thể thoát ra khỏi lớp phủ này nếu thi công tốt
Ngày nay với những ưu điểm của tầng lọc ngược thì biện pháp này không chỉ áp dụng phòng chống xói ngầm mà trong những lĩnh vực khác cũng áp dụng phương pháp này Với công nghệ vật liệu phát triển trong những năm gần đây, vải lọc địa kỹ thuật đang là một sự lựa chọn tối ưu khi thiết kế tầng lọc ngược Do giới hạn của bài tiểu luận vấn đề thiết kế tầng lọc ngược bằng vải địa kỹ thuật sẽ không được đề cập tới mà nội dung chủ yếu được quan tâm tới
là các cơ sỏ, nguyên lý hoạt động, thiết kế của tầng lọc ngược và khả năng ứng dụng của tầng lọc ngược trong các công trình
Trang 22 CƠ SỞ KHOA HỌC
Các khái niệm cơ bản
Tầng lọc ngược là một loại thiết bị
lọc có cấu tạo gồm hai đến ba lớp vật
liệu không dính (cát, sỏi) có kích thước
hạt tăng dần theo chiều dòng thấm
Thường dùng để giữ các hạt mịn của
đất trong thân đập hoặc dưới nền công
trình, không cho dòng nước thấm qua
đưa ra ngoài
Hình 2.1 mặt cắt qua tầng lọc ngược
Hiện tượng xói ngầm cơ học: Trong nền đất không dính hoặc ít dính khi
lưu tốc thấm vượt quá một giới hạn nào đó thì xảy ra hiện tượng các hạt nhỏ bị đẩy lọt qua kẽ hở giữa các hạt lớn Khi đó độ rỗng trong đất tăng lên dẫn tới lưu tốc thấm tăng lên và có khả năng cuốn theo các hạt đất lớn hơn đó là hiện tượng xói ngầm cơ học khi hiện tượng này tiếp tục phát triển thì sẽ làm tăng nhanh lưu lượng thấm và làm tăng độ rỗng của nền đất, sinh ra lún không đều
và dẫn tới mất ổn định của các công trình phía trên
Hình 2.1: Tác động của dòng thấm lên các hạt nhỏ trong đất
Có trường hợp thấm chỉ làm xói một lượng nhỏ các hạt nhỏ làm tăng lưu lượng thấm nhưng chưa phá vỡ khung kết cấu của đất và chưa gây mất ổn định công trình
Trong quá trình xói ngầm cũng có trường hợp các hạt đất nhỏ dưới tác dụng của dòng thấm không chui qua được các kẽ hở của các hạt lớn hơn nên các kẽ hở bị bịt lại, kẽ hở nhỏ đi, dần dần xói ngầm chống dứt khi đó đất nền
Trang 3hình thành một tầng lọc tự nhiên các hạt đất phân bố từ nhỏ tới lớn theo chiều dòng thấm Đây gọi là hiện tượng đọng ngầm
Xói ngầm tiếp xúc là hiện tượng phá hủy đất do dòng thấm đi dọc khu vực
có các lớp đất tiếp xúc nhau với cỡ hạt khác nhau
Hiện tượng đùn đất và đẩy trồi đất là một loại xói ngầm và biến dạng của
môi trường đất do tác động của dòng thấm từ bên trong đi ra ngoài Các hạt đất khi chịu tác động của lực thể tích của dòng thấm có thể bị tách khỏ đất và bị đẩy ra ngoài
Hệ số bất đồng nhất (η)η)) là giá trị đặc trưng cho độ không đồng đều về
đường kính của các hạt có trong đất hệ số này được tính theo biểu thức η=dd60/
d10 Giá trị của hệ số bất đồng nhất của các loại đất được xác định nhờ các thí nghiệm phân tích độ hạt
2.1 Tính thấm của tầng lọc ngược
Trong mọi trường hợp khi thiết kế tầng lọc ngược thì tính thấm nước (hệ số thấm) của tầng lọc ngược phải lớn hơn tính thấm của đất đá được bảo vệ khi điều kiện này được thỏa mãn tầng lọc ngược sẽ đảm bảo được khả năng thoát nước của nó và giảm thiểu được nguy cơ dòng thấm không đi qua tầng lọc ngược mà đi dọc theo gianh giới giữa các lớp
Các loại vật liệu được dùng để thi công tầng lọc ngược là các vật liệu rời như cát, cuội, sỏi Đây là các loại vật liệu có tính thấm nước cao và thường thỏa mãn được yêu cầu về tính thấm của tầng lọc ngược
Hệ số thấm của lớp lọc đầu tiên được tính theo công thức:
klmin ≥ (2+ηη1/6)kđ
trong đó:
klmin là hệ số thấm nhỏ nhất có thể được của tầng lọc ngược
η là hệ số bất đồng nhất của đất được bảo vệ
kđ là hệ số thấm của đất được bảo vệ
Trang 42.2 Thành phần hạt
Đây là yếu tố quan trọng nhất khi thiết kế, thi công tầng lọc ngược Khi lựa chọn vật liệu thi công tầng lọc ngược thành phần hạt của vật liệu phải đảm bảo các điều kiện sau:
a, Tầng lọc không cho các hạt nhỏ của đất được bảo vệ lọt qua các khe rỗng của lớp lọc
Khi có hiện tượng xói ngầm dòng ngầm mang theo các hạt nhỏ của đất ra ngoài Vì vậy kích thước hạt của lớp vật liệu đầu tiên của tầng lọc ngược phải được lựa chọn sao cho độ lỗ hổng của lớp này phải đủ nhỏ để giữ lại các hạt nhỏ của đất và chỉ cho nước thấm qua
Các lớp tiếp theo của tầng lọc phải có độ hạt hợp lý để có thể giữ ổn định được lớp trước đó Độ hạt của các lớp này phải phù hợp để độ lỗ hổng đủ nhỏ
để giữ ổn định vật liệu của lớp lọc trước đó
2.3 Chiều dày của tầng lọc
Chiều dày của tầng lọc cần phải đủ để hình thành một lớp lọc và phù hợp với điều kiện thi công
Một lớp lọc cần phải đủ dày để có thể đảm bảo giữ lại được các hạt nhỏ mà dòng thấm mang theo Và tùy thuộc vào mức độ đồng nhất của vật liệu mà bề dày của lớp lọc tăng lên (vật liệu không đồng nhất) hoặc giảm đi (các vật liệu đồng nhất) Điều kiện thi công khác nhau cũng quyết định tới bề dày của dòng thấm với điều kiện thi công dễ dàng tầng lọc có thể thiết kế với bề dày lớn hơn
để tăng chất lượng lọc nhưng đối với các công trình có điều kiện thi công khó khăn, vật liệu đắt và khó kiếm, hoặc những điều kiện trong thiết kế không cho phép thì tầng lọc ngược cần được tính toán hợp lý với bề dày nhỏ nhất có thể
mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu lọc của nó
Bề dày của lớp lọc khoảng từ 10 tới 50 cm hoặc có thể lớn hơn Nếu độ hạt của vật liệu đồng nhất thì bề dày của tầng lọc có thể lấy nhỏ nhất khoảng 10 ÷
20 cm nếu dùng các vật liệu có độ bất đồng nhất cao (trong giới hạn cho phép) thì chiều dày nhỏ nhất có thể dùng khoảng 30 ÷ 50 cm Nếu lớp lọc được thi công trong nước thì bề dày phải tăng lên và dùng các thử nghiệm để kiểm tra khả năng lọc
Trang 5Có một công thức kinh nghiệm để tính bề dày (Tl) của mỗi lớp lọc trong tầng lọc ngược như sau:
Tl ≥ (5÷7)D85
Với D85 là đường kính hạt mà tất cả các hạt có đường kính nhỏ hơn chiếm 85% khối lượng hay nói cách khác nó là kích thước mắt rây mà các hạt lọt rây này chiếm 85% khối lượng
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.01 0.1
1 10
Hình 2.1: Tính giá trị D80 theo đường cong phân bố độ hạt
2.4 Độ bền của vật liệu lọc
Tâng lọc ngược là một loại kết cấu quan trọng liên quan đến độ ổn định và bền vững của các công trình đặc biệt là các công trình thủy lợi Vì vậy tầng lọc ngược phải đảm bảo ổn định, vật liệu có độ bền vững cao và làm việc tốt trong suốt quá trình tồn tại của công trình
Dòng ngầm luôn vận động qua tầng lọc ngược nên các vật liệu lọc cần có khả năng chịu nước tránh trường hợp bị xâm thực hóa học dẫn đến thay đổi kích thước hạt
Cát thạch anh, cuội sỏi luôn là những lựa chọn tốt để đảm bảo được yêu cầu này Ngoài ra với các trường hợp đặc biệt như nước ngầm có độ khoáng hóa cao thì vật liệu lọc càng phải được chú ý nhiều hơn
D
80
Trang 63.THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG TẦNG LỌC NGƯỢC
Với các công trình quan trọng cần sử dụng vật liệu lọc (cát, sỏi, đá dăm, đá cuội) được sàng và rửa sạch với độ đồng đều cao và hệ số hạt η giữa hai lớp liền kề nhau là:
η =d D60/d40 ≤ 7÷10
trong đó:
D60 là đường kính hạt mà tổng khối lượng các hạt có đường kính nhỏ hơn
nó chiếm 60% khối lượng của lớp lọc lớn hơn
d40 là đường kính hạt mà tổng khối lượng các hạt có đường kính nhỏ hơn
nó chiếm 40% khối lượng của lớp lọc nhỏ hơn
Tuy nhiên chi phí để xây dựng các lớp lọc như vậy sẽ cao do giá thành vật liệu và vận chuyển nên đối với các công trình thủy công và các công trình xây dựng thông thường có thể chọn lớp lọc với độ đồng đều của lớp lọc với độ đồng đều của các hạt ở mức độ nhất định, với điều kiện các hạt có đường kính nhỏ hơn 0,1mm chiếm không quá 5% khối lượng
Thành phần cụ thể của lớp lọc được chọn theo thành phần cấu tạo của lớp đất được bảo vệ, tùy thuộc vào loại biến dạng do thấm và phương chuyển động của dòng thấm
Đối với cát có đường kính hạt trung bình d50≥0,15mm và hệ số bất đồng nhất η<10 và dòng thấm đi từ trên xuống (hình 3.1) thì có thể chọn vật liệu theo đồ thị do Istomina đề nghị (hình 3.2) trong đó hệ số hạt của các lớp liền kề được đặc trưng bởi tỷ số D50/d50 (với D và d ứng với cấp hạt trước và sau của tầng lọc)
Hình 3.1: Tầng lọc ngược có dòng thấm từ trên xuống
Trang 7Hình 3.2: đồ thị mối quan hệ giữa
D 50 /d 50 =f(D 60 /D 10 ) dùng cho các được bảo
vệ với các trường hợp:
1, lớp lọc có hạt nhẵn có hệ số lọc ≥ 8D50
2, lớp lọc có hạ sắc cạnh và hệ số lọc ≥ 6D50
3, lớp lọc cuội sỏi và hệ số lọc ≥ 2D50
4, lớp lọc đá dăm có hệ số lọc ≥ 1,4 D50
Đối với cát có đường kính hạt trung bình d50 =d 0,15 ÷ 0,7mm với hệ số bất đồng nhất nhỏ hơn 10 và dòng thấm đi từ dưới lên (hình 3.3) có thể chọn tầng lọc theo đồ thị do viện sĩ Istomina đề nghị (hình 3.4)
Hình 3.3 tầng lọc ngược với dòng thấm hướng từ dưới lên trên
Trang 8Hình 3.4: Đồ thị để tính gradient thấm cho phép J b
cp
trong điều kiện không có đùn đất tiếp xúc
Với các thông số của lớp hạt mịn như sau:
φ là góc nội masat
γ là dung trọng tự nhiên
γđ là dung trọng đẩy nổi
η là hệ số bất đồng nhất
Đối với các đất cát có độ hạt trung bình d50 trong khoảng từ 0,15 đến 1mm
và hệ số bất đồng nhất <10 thuộc loại tầng lọc có dòng thấm dọc theo phương của các lớp lọc như hình 3.5 thì ta có thể lựa chọn thành phần hạt theo điều kiện không có xói mòn tiếp xúc với hệ số an toàn bằng 1,5 như sau:
Theo nghiên cứu của Istomina V.C về hiện tượng xói ngầm tiếp xúc đối với các loại đất không dính, gradien thủy lực khi bắt đầu có xói ngầm tiếp xúc
là Jxt sẽ phụ thuộc vào đường kính hiệu quả của 2 lớp liền kề nhau là D10 và d10
và hệ số ma sát tg của lớp vật liệu hạt nhỏ hơn
Hình 3.5: Tầng lọc ngược trường hợp dòng thấm dọc theo phương của
các lớp lọc
Tính giá trị gradien thấm cực đại J tại vị trí thiết kế tầng lọc và so sánh với đường cong Jcp trên đồ thị hình 3.6 ta xác định được giá trị D10/d10tgφ từ đó ta
có thể chọn được vật liệu phù hợp cho trường hợp này
Trang 9Hình 3.6: Đồ thị do Istomina lập cho trường hợp xói ngầm tiếp xúc của các vật liệu rời
Với Jt
x là là gradient nhỏ nhất có thể xảy ra xói ngầm tiếp xúc và Jcp=dJt
x/1,5
là giá trị gradient không xảy ra xói ngầm tiếp xúc
Cơ sở sử dụng đường cong Jcp để tính toán kích thước vật liệu thi công tầng lọc ngược như sau:
- Jxt là giá trị gradient thấm khi bắt đầu có xói ngầm tiếp xúc của hai lớp đất tiếp xúc nhau với cỡ hạt khác nhau (lớp có hạt lớn D và hạt nhỏ d) giá trị của Jxt phụ thuộc vào biểu thức D10/d10tgφ như trên biểu đồ hình 3.4 Đường cong trên cùng của biểu đồ ứng với hạt thô, đường nét liền ứng với cát mịn
- Jcp là giá trị gradient của dòng thấm an toàn (không xảy ra xói ngầm tiếp xúc) được tính bằng Jxt/1,5
- Đồ thị Jcp ta hoàn toàn có thể tính trước được vật liệu thiết kế tầng lọc ngược với trường hợp dòng thấm chảy theo phương của lớp lọc gúp tránh được hiện tượng xói ngầm tiếp xúc
Đối với đất cần được bảo vệ có hệ số bất đồng nhất trong khoảng từ 10 đến
20 thì có thể có cả hiện tượng xói ngầm và đùn đất, thông thường bắt đầu từ xói ngầm trước rồi sau đó là quá trình đùn đất Với các loại đất như vậy, nếu hàm lượng hạt có đường kính d <1mm chiếm trên 10 ÷ 20% theo khối lượng và hệ
số thấm kt < 0,05 cm/s thì xử lý như sau:
Trang 10Trong loại đất chủ yếu tách ra phần đất tính toán có hệ số không đồng nhất khoảng 10 và với phần này tiến hành xác định lớp lọc thứ nhất bằng các phương pháp đã nói ở trên ứng với tầng lọc như hình 3.1 và hình 3.3
Đối với đất nền loại sét thì điển hình của xói ngầm là đùn đất Xói ngầm thuần túy khi chỉ số dẻo Wd > 7 ÷ 10 sẽ không xảy ra kể cả trường hợp gradient thấm rất lớn, bởi vì lực dính giữa các hạt sét là rất lớn, đủ để chống lại lực bóc tách của dòng thấm Đối với đất sét có chỉ số dẻo Wd trong khoảng 7 ÷ 10 thì
có thể xác định thành phần hạt của lớp lọc theo đồ thị hình 3.7
Hình 3.7: Đồ thị để đánh giá có hay không đùn đât tiếp xúc trong nền đất sét
Về phương diện kinh tế, đường nhiên cần cố gắng chọn tầng lọc có số lớp
ít nhất, do đó lớp lọc thứ hai trong tầng lọc loại 2 bố trí trong nền đập bê tông
có thể không cần thiết, nếu gradient áp lực cột nước thấm khi từ lớp lọc thứ 1
đi ra có giá trị cho phép đối với lớp lọc đó, cụ thể là :
Jcp =d
a
t
x
k
J
Trong đó : ka - hệ số an toàn hay hệ số dự trữ, lấy bằng 2
Đối với các loại đất có xói ngầm, (ŋ > 10 ÷ 20) với cốt liệu bằng cát thì :
Jt
cp=d Jx
ph
Trong đó Jx
ph - gradient xói ngầm phá hủy
Trang 11Đối với các công trình thủy quan trọng (cấp I÷III) , cần phải xác định gradient cho phép bằng thí nghiệm và lưu ý tới phương chuyển động của dòng thấm, ví dụ có thể sử dụng công thức của Tsugaep R :
Jcp =d Jn
cp -
d (1±cos ) Trong đó :
Jn
cp- gradient cho phép ứng với vật thoát nước nằm ngang loại 2 (hình 3.3a) khi dòng thấm đi từ dưới lên
;d - dung trọng 1m3 nước và 1m3 đất ở trạng thái đẩy nối trong nước
- góc nghiêng của lớp lọc thứ 1 của tầng lọc so với phương nằm ngang Dấu cộng (+η) dùng cho tầng lọc loại 2 (hình 3.3) , dấu (-) dùng cho tầng lọc loại 1 (hình 3.1)
Không nên thường xuyên giải phóng nước khỏi tầng lọc, nghĩa là để tầng lọc lúc ngập nước - lúc khô, vì như vậy có không khí vào sẽ dễ tạo nên các muối (do quá trình ôxy hóa), sau đó các muối lắng đọng sẽ làm tắc tầng lọc ngược lại nếu có rong rêu hoặc hiện tượng mọc nấm thì cần thỉnh thoảng tháo khô nước khỏi tầng lọc để khử nấm hoặc rêu
Ngoài ra, nếu không lựa chọn đúng thành phần cấu tạo hạt của tầng lọc thì tầng lọc có thể bị tắc do các hạt nhỏ của đất được bảo vệ chui lọt vào các khe rỗng của lớp lọc
Trang 124 TÁC DỤNG CỦA TẦNG LỌC NGƯỢC
Tầng lọc ngược nói chung có tác dụng giữ cho đất được bảo vệ không
bị xói ngầm hoặc đùn đất, đồng thời giảm áp lực thấm lên công trình, nhờ vậy tạo độ ổn định và sự làm việc an toàn của công trình đặc biệt là các công trình thủy như đập, đê, kênh …
Tầng lọc ngược được làm có thể ở dạng lỗ thoát nước hay hành lang thoát nước trong móng công trình hoặc các lỗ khoan giếng khoan vào nền dưới công trình …, trong đó có thể cho các hạt cốt liệu cuội sỏi… để tạo cho dòng thấm có điều kiện tập trung và chuyển động đi ra khỏi nền công trình một cách thuận lợi
Tầng lọc ngược không chỉ có tác dụng tiêu thoát nước thấm mà còn có thể điều chỉnh vận tốc thấm và lưu lượng thấm, qua đó có thể điều chỉnh áp lực ngược của dòng thấm và giảm thiểu các tác động do áp lực dòng thấm tác động lên công trình
Tầng lọc ngược kiểu giếng thẳng đứng được sử dụng khi nền gồm một
số lớp đất, trong đó lớp trên cùng (sát móng công trình) có bề dày không lớn (nhỏ hơn 3m) và hệ số thấm nhỏ Loại tầng lọc ngược này sẽ loại bỏ được áp lực ngược của nước lên lớp đất này và đảm bảo công trình được ổn định hơn
Trong công nghệ chôn lấp rác thải thì tầng lọc ngược được sử dụng không với mục tiêu bước đầu xử lý nước rác Rác thải chôn lấp thường có
độ lỗ hổng rất lớn và dòng nước đễ dàng có thể mang theo các hạt nhỏ chất thải ra ngoài Tầng lọc ngược được đặt ở các rãnh thu nước thải có chức năng giữ lại các hạt nhỏ làm giảm được các công đoạn sử lý nước rác thải Ngày nay với công nghệ vật liệu phát triển thì vải lọc với các tính chất
ưu việt như độ bền cao, với đường kính lỗ lọc có nhiều sự lựa chọn, tuổi thọ cao … nên vải lọc đang là sự lựa chọn tốt khi thi công tầng lọc ngược