Nghiên cứu lựa chọn giải pháp chống thấm cho nền đập hồ chứa Khuôn Vố - Bắc Giang

LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin được cảm ơn sâu sắc đối với thầy giáo hướng dẫn GS.TS.Lê Kim Truyền đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo tham gia giảng dạy khóa cao học 18 trường Đại học Thủy lợi đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho tôi những tri thức khoa học quý giá. Tác giả cũng xin cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Thủy lợi, khoa Sau đại học và Bộ môn Xây dựng Công trình thủy đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, đông viên, khích lệ để luận văn tốt nghiệp được hoàn thành tốt đẹp. TÁC GIẢ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trích dẫn là trung thực. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác./. Kiều Văn Hải 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện công tác xử lý chống thấm cho nền công trình thường không thể thiếu được. Việc chống thấm cho nền thường rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố tự nhiên, giải pháp kỹ thuật và công nghệ thi công. Trong xu hướng phát triển kỹ thuật xây dựng nói chung và xử lý nền nói riêng có rất nhiều tiến bộ, nhiều giải pháp đã được ứng dụng mang lại hiệu quả cao. Việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp thích hợp với đặc điểm địa chất của nền móng và công nghệ thi công mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao. Với công trình hồ chứa Khuôn Vố tỉnh Bắc Giang có đặc điểm địa chất khá phức tạp móng tuyến đập được đặt trên các đới đá phong hóa mạnh đến phong hóa vừa và phong hóa nhẹ yêu cầu chống thấm cho nền phải tạo màng chống thấm ở dưới nền đập, kéo dài đường thấm dưới nền nhằm hạn chế thấm trong các đới đá đồng thời giảm bớt áp lực thấm lên đáy móng công trình. Việc lựa chọn một giải pháp cho phù hợp với đặc điểm tự nhiên, kết cấu công trình này mang lại hiệu quả kinh tế và bảo đảm điều kiện kỹ thuật cho công trình. 2. Mục đích của đề tài: Nghiên cứu tổng quan các giải pháp chống thấm cho nền công trình và điều kiện ứng dụng của từng giải pháp. Đề xuất lựa chọn giải pháp chống thấm cho nền đập hồ chứa Khuôn Vố. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tài liệu liên quan dến giải pháp chống thấm cho nền công trình. Kế thừa những kết quả đã nghiên cứu về chống thấm cho nền công trình. 4. Kết quả dự kiến đạt được: Nắm được tổng quan các phương pháp xử lý chống thấm cho nền công trình và điều kiện ứng dụng. Đề xuất giải pháp chống thấm cho nền đập hồ chứa Khuôn Vố. 2 CHƯƠNG 1 NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA DÒNG THẤM DƯỚI ĐÁY MÓNG CÔNG TRÌNH 1.1 Mở đầu Khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu hoặc đá phong hóa thường công trình tiếp xúc với nền đất nền, hai bên vai công trình là những bộ phận thường là loại thấm nước, trừ khi công trình đặt trên nền đá tốt và được xử lý phần tiếp giáp theo đúng quy trình kỹ thuật. Để bảo đảm cho công trình ổn định và không bị mất nước chúng ta phải xử lý chống thấm tốt, trước hết phải tìm nguyên nhân phát sinh dòng thấm để có giải pháp phù hợp với diều kiện tự nhiên của nền và đạt yêu cầu kỹ thuật, giá thành hạ. 1.2 Nguyên nhân phát sinh dòng thấm dưới đáy móng công trình Khi công trình làm việc, sẽ tạo ra sự chênh lệch mực nước giữa thượng và hạ lưu. Nước sẽ di động qua các kẽ rỗng trong đất nền và hai bên vai công trình tạo thành dòng thấm. Đối với công trình và môi trường xung quanh, dòng thấm gây ra những ảnh hưởng bất lợi như sau: - Làm mất nước từ hồ chứa; - Gây áp lực lên các bộ phận công trình giới hạn miền thấm (bản đáy, tường chắn ); - Mất ổn định công trình: xói nền, xói vai đập…; - Có thể làm biến hình đất nền và hai vai, đặc biệt là ở khu vực dòng thấm thoát ra, có thể dẫn đến sụt lún, nghiêng, lật công trình; - Dòng thấm hai bên vai công trình khi thoát ra hạ lưu có thể làm lầy hoá một khu vực rộng, làm ảnh hưởng đến ổn định của bờ và điều kiện đi lại, sản xuất ở hạ lưu công trình. Dòng thấm trong môi trường đất rỗng được chia thành 2 loại: 3 1.2.1. Dòng thấm có áp Khi nó bị giới hạn từ phía trên bởi biên cứng, dòng thấm không có mặt thoáng; chuyển động của dòng thấm giống như nước chảy trong ống có áp. Đây là trường hợp khi xét dòng thấm dưới đáy các công trình. 1.2.2. Dòng thấm không áp Khi nó không bị giới hạn từ phía trên bởi công trình. Đây là trường hợp dòng thấm hai bên vai công trình, dòng thấm qua đập đất. Giới hạn phía trên của dòng thấm là mặt thoáng hay mặt bão hoà, tại đây có áp suất bằng áp suất khí trời. 1.3 Những vấn đề cơ bản của dòng thấm dưới đáy móng công trình Nhiệm vụ của nghiên cứu dòng thấm là tìm ra quy luật chuyển động của nó phụ thuộc vào hình dạng, kích thước các bộ phận công trình là biên của dòng thấm; xác định các đặc trưng phân bố áp lực thấm lên các bộ phận công trình, phân bố gradien thấm trong miền thấm, và trị số lưu lượng thấm. Trên cơ sở các tính toán này, người thiết kế sẽ chọn được hình thức, kích thước, cấu tạo hợp lý của công trình, đảm bảo điều kiện làm việc an toàn của nó ( ổn định về trượt, ngăn ngừa biến hình nền…) và tính kinh tế của phương án chọn. Vấn đề nghiên cứu dòng thấm từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học thế giới. Vào thế kỷ 18 đã có các công trình nghiên cứu của Lômônôxôv, Becnoulli, Euler. Từ năm 1856, Darcy đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và tìm ra định thấm tuyến tính mà ngày nay được gọi là định luật thấm Darcy. Những thành tựu nổi bật về lý thuyết thấm đã được công bố trong các tác phẩm của Jucovxki(1898), Pavlovxki(1922). Đóng góp vào sự phát triển phương pháp thủy lực trong lý thuyết thấm có công của Duypuy, Côzeny, Aravin, Numerov, Ughintrux, Trugaev và nhiều nhà khoa học khác. Việc giải bài toán thấm bằng phương pháp thủy lực đã đạt được kết quả phong phú cho các sơ đồ bài toán phẳng của thấm có áp. Với bài toán thấm không có áp mới chỉ giải quyết được cho một số sơ đồ đơn giản. 4 Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp số và công cụ máy tính, nói chung có thể giải được bài toán thấm với biên bất kỳ cho bài toán phẳng và bài toán không gian, thấm ổn định và không ổn định… 1.4 Những nhân tố cơ bản ảnh hưởng đến dòng thấm dưới đáy móng công trình Một trong những vấn đề quan trong nhất cần phải giải quyết khi thiết kế công trình thủy lợi là dự báo chế độ của hệ thống công trình – nền. Sự phức tạp của bài toán này được thể hiện ở chỗ: cần phải tính đến hàng loạt các yếu tố tác động như: địa hình, các điều kiện địa chất công trình; các đặc thù kết cấu của công trình cũng như các biện pháp và kết cấu chống thấm ở thân và nền công trình; khả năng dao động mực nước ở thượng hạ lưu… Độ chính xác trong xác định các tính chất thấm của các loại đất ở thân và nền của đập đất. Mặc dù, đã có nhiều thành tựu về phát triển các phương pháp và phương tiện kỹ thuật nhằm xác định các tính chất cơ lý của đất, trong nền có kết cấu địa tầng phức tạp, giá trị tính toán các thông số của dòng thấm phụ thuộc vào sự tương tác của các hệ số thấm giữa các lớp đất nền.Việc hoàn thiện nghiên cứu thấm trong nền công trình cần gắn với việc cải thiện phương pháp khảo sát địa chất công trình nói chung và trong việc xác định các tính chất đất nền nói riêng. 1.5 Các mô hình tính toán thấm dưới đáy móng công trình 1.5.1. Tính thấm bằng phương pháp giải tích 1.5.1.1. Phương pháp cơ học chất lỏng Phương pháp này do Viện sĩ N.N. Pavlôpxki khởi xướng và đã đạt được lời giải chính xác cho một số bài toán thấm có biên đơn giản. Trong bài toán thấm phẳng, gọi h là hàm số cột nước thấm, ta có: h = h (x, y). (1.1) Trong môi trường thấm với các giả thiết đã nêu ở phần trên, phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm là: ∂∂ += ∂∂ 22 22 hh 0 xy (1.2) 5 Với công cụ toán học là các hàm giải tích một biến phức z = x + iy, tác giả đã tìm được thế vị phức của dòng thấm trong một số bài toán đơn giản. Chuyển động của dòng thấm được mô tả bởi lưới thấm gồm 2 họ đường: - Đường đẳng thế, gọi tắt là đường thế, là tập hợp các điểm có cùng cột nước h (h = const). - Đường dòng là quỹ đạo chuyển động của một hạt nước trong miền thấm. 1.5.1.2. Phương pháp cơ học chất lỏng gần đúng Với các đường viền thấm phức tạp có 2, 3 hay nhiều hàng cừ, Pavlôpxki đã dùng phương pháp phân đoạn để giải gần đúng bài toán thấm. Sau đó Trugaep đã phát triển thành phương pháp hệ số sức kháng, đưa ra các công thức giải tích để tính hệ số sức kháng cho từng đoạn. Viện sĩ Lavrenchiep đề xuất phương pháp biến đổi các cừ, dẫn đến các bảng tra để xác định áp lực thấm tại các điểm đặc trưng của đường viền thấm. 1.5.1.3. Phương pháp tỷ lệ đường thẳng Vài nét lịch sử: Khi phương pháp cơ học chất lỏng chưa phát triển thì người ta đã dùng phương pháp tỷ lệ đường thẳng (TLĐT) để giải các bài toán thấm qua nền công trình. Phương pháp này do Blai đề xướng dựa trên các tài liệu quan trắc từ các công trình thực tế. Ông cho rằng dọc theo tia dòng đầu tiên (đường viền thấm của công trình), độ dốc thuỷ lực không thay đổi, không phụ thuộc vào hình dạng của đường viền thấm (có cừ hay không có cừ). Từ giả thiết này, có thể vẽ được biểu đồ áp lực thấm lên đáy công trình, tính được gradien và lưu tốc thấm bình quân trong toàn miền thấm. Trong quá trình giải bài toán thấm, dựa vào sự quan trắc tỷ mỉ hơn quá trình tổn thất cột nước thấm dọc theo đường dòng đầu tiên, Len đã phát hiện ra rằng trên những đoạn đường viền thẳng đứng, mức độ tiêu hao cột nước thấm lớn hơn so với đoạn đường viền nằm ngang. Từ đó Len đã đề xuất việc cải tiến phương pháp của Blai để các kết quả thu được phù hợp với thực tế hơn. Ngày nay mặc dù đã có nhiều phương pháp hiện đại để tính thấm, nhưng phương pháp TLĐT vẫn còn được sử dụng trong những trường hợp sau: 6 - Đối với các công trình nhỏ, tầng thấm mỏng, đường viền thấm đơn giản: giải theo phương pháp TLĐT cho kết quả chính xác theo yêu cầu kỹ thuật. - Đối với các công trình lớn: thường dùng phương pháp TLĐT để sơ bộ kiểm tra chiều dài đường viền thấm trước khi đi vào tính toán theo các phương pháp chính xác hơn. - Đối với các công trình trên nền đá: thường áp dụng phương pháp này để tính toán áp lực thấm lên đáy công trình. 1.5.2. Tính thấm bằng phương pháp sử dụng lưới thấm 1.5.2.1. Khái niệm lưới thấm Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, lưới thấm được hình thành bởi hai họ đường cong trực giao nhau. Các đường cong này thể hiện hình ảnh chuyển động của các hạt nước trong môi trường thấm. - Đường dòng: biểu diễn quỹ đạo của các phần tử nước chuyển động trong miền thấm; - Đường thế (gọi tắt của đường đẳng thế hay đường đẳng cột nước): tập hợp các điểm có cùng cột nước thấm. Trên hình 2-7a thể hiện một lưới thấm đã vẽ xong, trong đó đường viền thấm dưới đáy công trình là đường dòng đầu tiên (A-M); mặt tầng không thấm là đường dòng cuối cùng (I-I). Đường đáy sông (kênh) phía thượng lưu (OA) là đường thế đầu tiên; đường đáy thoát nước ở hạ lưu (MN) là đường thế cuối cùng. Phần miền thấm giữa 2 đường dòng kề nhau gọi là ống dòng; phần miền thấm giữa 2 đường thế kề nhau gọi là dải thế. 7 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 H Jr a) b) Hình 1.1: Sơ đồ tính thấm bằng phương pháp lưới a) Lưới thấm; b) Biểu đồ gradien thấm J R r Hai họ đường dòng và đường thế tạo thành một lưới có các mắt lưới hình vuông cong. Tại những vị trí mà các đường dòng, đường thế gần sát vào nhau là nơi có dòng thấm mạnh (gradien thấm lớn); ngược lại, tại vị trí có các đường dòng, đường thế thưa là nơi có dòng thấm yếu. Lưới thấm chỉ phụ thuộc vào dạng hình học của miền thấm mà không phụ thuộc vào hệ số thấm, cột nước, chiều dòng thấm, và kích thước tuyệt đối của công trình. 1.5.2.2. Các phương pháp xây dựng lưới thấm Để xây dựng lưới thấm, có thể sử dụng các phương pháp khác nhau: a) Phương pháp giải tích: Viết phương trình họ đường dòng, đường thế, như đã nêu ở mục trên. Phương pháp này chỉ áp dụng được một số sơ đồ miền thấm đơn giản nhất. b) Phương pháp thí nghiệm tương tự điện (EGĐA) Phương pháp này dựa trên cơ sở tương tự về hình thức giữa phương trình mô tả dòng thấm và phương trình dòng điện trong môi trường dẫn điện. Viện sĩ Pavlôpxki đã nghiên cứu dùng máy EGĐA để vẽ lưới thấm cho các dạng miền thấm khác nhau. Phương pháp này có ưu điểm là bảo đảm mức chính xác cao, giải được các trường hợp miền thấm phức tạp, môi trường thấm không đồng nhất, không đẳng hướng, và các bài toán thấm không gian. c) Phương pháp thí nghiệm trên mô hình khe hẹp: Dựa trên sự tương tự về hình thức giữa phương trình mô tả dòng thấm trong môi trường thấm với phương 8 trình mô tả dòng chảy tầng của chất lỏng nhớt trong một khe hẹp giữa 2 tấm kính, Aravin đã thiết lập được các biểu thức tương quan giữa 2 loại chuyển động này. Trong thí nghiệm, dùng các tia màu để đánh dấu đường dòng và dùng suy diễn (theo tính chất trực giao của lưới thấm) để vẽ họ đường thế. Do những khó khăn về kỹ thuật thực hành, phương pháp mô hình khe hẹp còn chưa được ứng dụng rộng rãi. d) Phương pháp vẽ lưới bằng tay: Dựa vào các đặc điểm của lưới thấm như đã mô tả ở mục 1, có thể vẽ được lưới thấm bằng tay cho những miền thấm phẳng, đồng nhất đẳng hướng. Cách thức thực hiện là vẽ và sửa dần cho đến khi đạt được một lưới thấm trực giao có các mắt lưới hình vuông cong. Mức độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào trình độ và kinh nghiệm của người vẽ, nói chung có thể đạt được độ chính xác yêu cầu của bài toán kỹ thuật. 1.5.3. Tính thấm bằng phương pháp số Xuất phát từ phương trình cơ bản và các điều kiện biên, có thể sử dụng các phương pháp số để tìm các đặc trưng của dòng thấm. Thường sử dụng 2 phương pháp chính là phương pháp sai phân và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). 1.5.31. Phương pháp sai phân Miền thấm được chia thành những ô hình chữ nhật có kích thước các ô lưới bằng nhau a x b như hình 1.2. y+b a a x, x, y x+a, y x, y - b x - a, y b b a Hình 1.2: Sơ đồ lưới sai phân Các đại lượng vi phân dh, dx, dy được chuyển thành những đại lượng sai phân tương ứng ∂ h, ∂ x, ∂ y. Những đạo hàm riêng cấp một và cấp hai 22 22 hhhh ,, , xy xy ∂∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂∂ [...]... Những giải pháp xử lý chống thấm cho nền đập: - Tường chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa; - Chống thấm bằng sân phủ; - Chống thấm bằng cừ; - Khoan phụt vữa xi măng ; - Phương pháp tạo hào chống thấm bằng vật liệu – Xi măng- Bentômite; - Các giải pháp kết hợp 2.2 Đặc điểm và phân loại nền đập Nền đập đất phải bảo đảm các yêu cầu cơ bản sau đây: - Đủ cường độ chống cắt; - Chịu tải tốt; - Ít thấm. .. số thấm nhỏ * Nhược điểm: -Chống thấm theo phương pháp này không triệt để được do khi tính thấm xem tường nghiêng và sân phủ là hoàn toàn không thấm cho nên cho kết quả chỉ là gần đúng - Chỉ thi công ở nơi có địa hình xây dựng rộng - Không thi công được khi nền là đá lăn, đá tảng * Phạm vi ứng dụng - Chống thấm cho các đập đất có nền thấm nước rất sâu hoặc vô hạn 2.7 Chống thấm bằng cừ 2.7.1 Bố trí... tiếp đập và nền 2.5 Tường chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giũa Khi đập đất có lõi giữa xây dựng trên nền thấm nước và chiều dày tầng thấm nước không lớn lắm thì biện pháp chống thấm cho nền thông thường là kéo dài lõi giữa xuống tận tầng không thấm Để tính thấm qua loại đập này có thể chia đập ra làm ba phân đoạn Đoạn II gồm lõi giữa và tường răng, còn hai đoạn I và III là phần đập và nền tương... nước Nền có cường độ chống cắt nhỏ dễ gây mất ổn định cho thân đập Nếu sức chịu tải kém nền sẽ lún nhiều và lún không đều Nền thấm nước mạnh sẽ tiêu hao quá nhiều nước làm giảm hiệu ích của hồ, mặt khác có thể gây xói ngầm và đẩy trồi đất Dựa vào địa chất người ta phân nền thành 4 loại: - Nền đá hoặc nền đá có lớp phủ không dày; - Nền sỏi, cuội rất dày thấm nước mạnh; - Nền cát nhỏ và có lớp bùn; - Nền. .. khả năng mất nước của nền công trình và giải pháp xử lý chống thấm cho nền Trong thực tế ngoài kết quả tính toán cần phải tiến hành ép nước thí nghiệm ngoài hiện trường để đánh giá mức độ chống thấm của nền công trình 16 CHƯƠNG 2 NHỮNG GIẢI PHÁP CƠ BẢN XỬ LÝ CHỐNG THẤM CHO NỀN ĐẬP 2.1 Mở đầu Đối với công trình thủy lợi, sức phá hoại của tự nhiên là một yếu tố thường xuyên tồn tại Cho đến nay, toàn bộ... dụng cho nền thấm vừa phải thường dưới 20m, môi trường xử lý không bị bảo hòa nước và dòng thấm đi qua 34 - Bán kính ảnh hưởng nhỏ do áp lực phụt bị hạn chế 2.9 Phương pháp tạo hào chống thấm bằng vật liệu – Xi măng- Bentômite Tường chống thấm thi công bằng biện pháp đào hào trong dung dịch bentnite là giải pháp kết cấu tốt và giải quyết được cơ bản bài toán thấm đối với nền cát, cát cuội sỏi, nền. .. thể đắp đập một cách an toàn nếu biết xử lý tốt Trên nền bùn xấu, cường độ chống cắt nhỏ, khả năng thoát nước kém, có thể đắp đập cao 20 - 30m 18 Vấn đề thấm nước qua thân đập, biện pháp phòng chống thấm, cấu tạo thân đập, ổn định của mái và giá thành công trình đều liên quan với nền tốt hay xấu Bởi vậy phải coi trọng việc lựa chọn và xử lý nền đập đất 2.3 Đặc điểm và phân loại các phương pháp nhằm... hiện nay thường dùng biện pháp khoan phụt vữa ximăng tạo màng chống thấm kết hợp với mạng lưới các hố khoan tiêu nước dọc thân đập Hình 2.7: Kết cấu đập đất chống thấm qua nền bằng khoan phụt vữa xi măng Thành phần vữa chống thấm (tính cho 1 m3): P - Nước: 918 lít - Bentonite: 55÷70 kg - Xi măng: 310 ÷ 330 kg P 33 - Tỷ trọng hỗ hợp: 1,24 ÷ 1,26 T/m3 P - Độ nhớt: 28 ÷ 36 s - Độ tách nước sau 3 giờ . cho nền đập hồ chứa Khuôn Vố. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tài liệu liên quan dến giải pháp chống thấm cho nền công trình. Kế thừa những kết quả đã nghiên cứu về chống. thuật cho công trình. 2. Mục đích của đề tài: Nghiên cứu tổng quan các giải pháp chống thấm cho nền công trình và điều kiện ứng dụng của từng giải pháp. Đề xuất lựa chọn giải pháp chống thấm cho. chống thấm cho nền công trình. 4. Kết quả dự kiến đạt được: Nắm được tổng quan các phương pháp xử lý chống thấm cho nền công trình và điều kiện ứng dụng. Đề xuất giải pháp chống thấm cho nền đập