Công trình thủy lợi - Chương 5

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

Chương 5

ĐẬP ĐẤT 5.1 Khái niệm chung

Đập đất là loại đập được xây dựng sớm nhất khoảng 3000 năm ở Ai cập, Trung

Quốc, Ấn Độ Hiện nay đập đất vẫn được dùng phổ biến hơn cả Đập đất có những ưu

điểm sau:

1) Dùng vật liệu tại chỗ ,tiết kiệm vật liệu quý : sắt ,bêtông ,ximăng

2) Cấu tạo đơn giản ,giá thành rẻ;

3) Bền, chống thấm ,chống chấn động tốt ;

4) Dễ quản lý ,dễ tôn cao đắp dày thêm;

5) Trên mọi loại nền đều có thể đắp loại đập đất;

6) Nhờ phát triển của nhiều nghành khoa học: Địa chất công trình, cơ học đất nền

móng, lý thuyết thấm nên chất lượng thiết kế ngày càng cao mặt khác việc xây

dựng đập đất đã tích luỹ được nhièu kinh nghiệm phong phú

5.1.1 Đặc điểm làm việc của đập đất

Đập đất thường là loại đất không tràn nước để đảm bảo tháo lũ lấy nước phải xây

dựng các công trình riêng: Công trình tháo lũ, cống

+ Những đặc điểm chủ yếu:

5.1.1.1 Thấm qua nền và thân đập

Nền đập và thân đập nói chung đều thấm nước, khi mực nước thượng lưu dâng cao

thân đập sẽ hình thành dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu, đường mặt nước của dòng

thấm là đường bão hoà có một khu nước mao dẫn (hình 5-1):

Độ cao khu nước mao dẫn tuỳ thuộc vào loại đất Đối với cát độ cao khu nước mao

dẫn 5÷15cm Đối với cát pha sét, đất sét độ cao đạt 0.5-1.0m

Hình 5- 1: Thấm qua nền và đập

Dưới đường bão hoà đất chịu lực đẩy nổi và lực thấm tác dụng lên khối đất là:

Ω: diện tích mặt cắt ngang của khối đất;

n

5.1.1.2 Ảnh hưởng của sóng tới mái đập

Trong phạm vi mặt nước ở thượng lưu, hạ lưu đập thay đổi, sóng có thể phá hoại mái đập:

Hình 5- 2: Ảnh hưởng của sóng tới mái đập

5.1.1.3 Tác hại của nước mưa và nhiệt độ

Trong thời gian mưa ở thượng lưu và hạ lưu một phần nước thấm qua thân đập và một phần chảy trên mặt đập có thể làm bào mòn mái gây xói lở bởi vậy phải có hệ thống thoát nước mưa trên đỉnh và mái đập Nhiệt độ thay đổi có thể gây nứt nẻ đập

5.1.1.4 Lún của nền và thân đập

Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân đập, nền có thể bị lún Lún làm giảm chiều cao đập và có thể gây nứt nẻ thân đập, do đó khi thiết kế phải kiểm tra thấm và ổn định mái dốc và lún nền đập

5.1.2 Các bộ phận của thân đập

Thân đập: là bộ phận chủ yếu đảm bảo ổn định thân đập, đất đắp thân đập chất lượng phải tốt, hàm lượng chất hữu cơ tính theo trọng lượng <1%, chất muối dễ hoà tan

<5%

Thiết bị chống thấm: làm bằng vật liệu ít thấm nước có tác dụng làm giảm lưu lượng thấm

Thiết bị thoát nước: có tác dụng tập trung nước thấm về hạ lưu, thiết bị thoát nước làm bằng vật liệu không dính: cuội ,sỏi ,cát ,đá

Thiết bị bảo vệ mái đập: tác dụng chắn sóng phòng ngừa tác hại do nhiệt độ thay đổi, do nước mưa chảy tràn: lát đá, tấm bêtông hoặc trồng cỏ

5.2 Phân loại đập đất

5.2.1 Phân loại theo phương pháp thi công

5.2.1.1 Đập đầm nén

Khi đắp đập thì trải từng lớp đất và đầm nén chặt

5.2.1.2 Đập đắp bồi

Dùng máy thuỷ lực và phương pháp thuỷ lực để thi công đập

5.2.1.3 Đập nửa bồi

Dùng máy móc để đào vận chuyển ,khi đắp thân đập dùng máy thuỷ lực

5.2.1.4 Đập đất đắp trong nước

Đổ đất trong nước tĩnh không phải đầm nén ,dưới tác dụng trọng lượng bản thân đất

sẽ được nén chặt

5.2.1.5 Đắp đất bằng phương pháp nổ mìn

Dùng bộc phá hất đất hai bên bờ sông thành đập

5.2.2 Phân loại theo cấu tạo (hình 5-3/91)

5.2.2.1 Đập đồng chất

Thân đập được đắp bằng một loại đất

5.2.2.2 Đập đất không đồng chất

Thân đập được đắp bằng nhiều loại đất khác nhau ,thượng lưu là loại đất không thấm nước hạ lưu là loại đất thấm, đập có lõi bằng loại đất ít thấm

5.2.2.3 Đập đất có tường nghiêng mềm hoặc cứng

5.2.2.4 Đập đất có tường lõi mềm hoặc cứng

5.2.2.5 Đập hỗn hợp

5.2.3 Phân loại theo điều kiện thoát nước

5.2.3.1 Đập đất tràn nước

5.2.3.2 Đập đất không tràn nước

5.3 Nguyên tắc và các bước thiết kế đập đất

5.3.1 Nguyên tắc

Dựa vào các đặc điểm làm việc, xét đến các điều kiện thi công và quản lý đập khi thiết kế phải bảo đảm nguyên tắc:

1) Đập và nền phải ổn định trong mọi điều kiện làm việc;

2) Thấm qua nền và thấm qua thân đập không tiêu hao cột nước quá lớn, không xói ngầm, nước thấm qua thân không làm hư hỏng đập;

3) Đập phải đủ cao ,phải có công trình tháo lũ đảm bảo hệ thống làm việc an toàn; 4) Có thiết bị bảo vệ mái đập chống tác hại của sóng, gió, mưa, nhiệt độ ;

5) Giá thành đập và kinh phí quản lý rẻ nhất;

6) Việc lựa chọn các loại đập, cấu tạo các bộ phận thời gian và phương pháp thi công phải dựa vào tình hình hệ thống công trình

5.3.2 Các bước thiết kế

1) So sánh lựa chọn các loại đập;

2) Xác định các kích thước chủ yếu các bộ phận của đập;

3) Tính toán thấm, ổn định và lún,

4) Chọn cấu tạo chi tiết các bộ phận,

5) Tính toán khối lượng công trình và nhân công

5.3.3 Các kích thước cơ bản của mặt cắt ngang đập

5.3.3.1 Cao trình đỉnh đập

m1

H1

m 2

Hình 5- 3: sơ đồ xác định cao trình đỉnh đập

∇Đỉnh đập = ∇MNdâng bình thường + d (5.1)

∇Đỉnh đập = ∇MN lũ + d’

d, d' độ vượt cao của đỉnh so với mực nước dâng bình thường và mực nước lũ tra bảng (5 - 1) trang 93 hoặc lấy theo công thức 5-2/93

5.3.3.2 Chiều rộng đỉnh đập

Chiều rộng đỉnh đập được xác dịnh theo yêu cầu cấu tạo giao thông :

5.3.3.3 Mái đập

Độ dốc mái đập phụ thuộc vào chiều cao đập, loại đất đập, tính chất nền, khi thiết

kế phải tính ổn định để chọn mái dốc Khi thiết kế sơ bộ có thể lấy theo bảng (5 - 2)/94 Nếu chiều cao đập H ≤ 40m thì có thể tính mái dốc theo công thức sau:

Những đập cao < 15m thì mái có 1 độ dốc

Những đập cao > 15m mái thường làm có độ dốc biến đổi => thi công thuận tiện, tăng ổn định của mái, thường cứ 15m người ta thay đổi 1 độ dốc Trị số ∆m = 0,25 ÷ 0,5, trên mái dốc hạ lưu người ta bố trí các cơ rộng 1,5 ÷ 2m để người đi lại làm rãnh thoát nước

5.4 Tính toán thấm qua đập đất

5.4.1 Khái niệm cơ bản

5.4.1.1 Nhiệm vụ

+ Xác định lưu lượng thấm qua thấm và nền đập từ đó tìm lưu lượng tổn thất do thất gây ra ⇒ tìm biện pháp phòng chống thấm;

+ Xác định vị trí đường bào hòa để tính ổn định của đập;

định các kích thước cấu tạo tầng lọc ngược;

5.4.1.2 Phương pháp tính toán thấm

Phương pháp cơ học chất lỏng: mới giải được một số bài toán đơn giản do đó bị hạn

chế ít sử dụng

Phương pháp thủy lực: kém chính xác hơn nhưng vẫn đảm bảo kỹ thuật Ưu điểm

đơn giản, gọn và được sử dụng rộng rãi

5.4.2 Sơ đồ thấm qua đập đất trên nền không thấm (theo phương pháp thủy lực)

5.4.2.1 Lời giải của phương pháp thuỷ lực

Sơ đồ tính thấm qua đập đất đồng chất trên nên không thấm trường hợp hạ lưu đập

không có nước (H2 = 0)

b) a)

Hình 5- 4: Sơ đồ tính thấm theo phương pháp thủy lực

Hai sơ đồ cơ bản dùng trong trong tính toán (như hình vẽ) Mái thượng lưu đập

Trong hình (5-3a): đường bão hoà AC thoát ra ở hạ lưu tại điểm C nằm cao hơn

qua đập đất, dùng đường đẳng thế phân đập ra thành số đoạn để tính toán

Đối với đập đất không có thiết bị thoát nước thấy rằng đường CE có độ dốc 1:0,5

gắn trùng với đường đẳng thế và đường này chia đập thành 2 đoạn để tính Chọn hệ trục

xoy như hình vẽ, trước hết xét đoạn thân đập tại một mặt cắt thẳng đứng bất kỳ cách gốc

toạ độ một đoạn là x tung độ đường bão hoà là y Độ dốc mặt nước tại mặt cắt đó là

dy/dx Lưu lượng thấm qua diện tích y (đoạn đập dài 1m) Theo định luật Đắc xi ta có:

dx

dy y k

Trong đó:

k - hệ số thấm qua thân đập

q là hằng số, nên có thể giải phương trình (5.5)

1

y h q

k x dy y k qdx y

h

x

−

=

⇒

−

= ∫

Đường bão hòa AC được xác định bởi phương trình (5.6)

Lưu lượng thấm qua một đơn vị chiều dài đập q có thể suy từ phương trình (5.6)

với điều kiện khi y = a0 ⇒ x = L - m1q0

2 0

2 1 2

a m L

a h k q

−

−

Trong đoạn thứ hai đoạn hình nêm hạ lưu giả thiết các bó dòng nằm ngang lưu

lượng thấm được tính theo công thức sau:

0 5

0

1 0

z m

z k

Trục z có gốc tọa độ tại C và hướng xuống dưới Tóm lại ta có 2 phương trình để

xác định a0và q

5 0

) (

2

1 0

0 1 0

2 1

+

=

−

−

=

m

a k

q

a m L

a h k

q

(5.9)

Trường hợp có thiết bị thoát nước (hình5-3b) thì đường bão hòa là một parabol đổ

vào điểm O của vật thoát nước cách điểm đầu vật thoát nước một đoạn l và nhận điểm

đầu của vật thoát nước làm tiêu điểm của parabol, ta có phương trình xác định a0 ,q:

0

2 1

2 0

2

a k

q

L h L l a

=

− +

=

=

(5.10)

Phương trình đường bão hoà : y2 = 2.a0x với hệ trục đặt gốc tại 0

5.4.3 Tính thấm qua đập đất đồng chất trên nền không thấm theo phương

phương pháp thuỷ lực

5.4.3.1 Đập đất đồng chất không có thiết bị thoát nước hạ lưu đập có nước

α

Hình 5- 5: sơ đồ lưới thấm của đập đồng chất

Đường bào hòa AC đi thẳng góc với mái thượng lưu, nó hạ thấp khá nhanh trong

đoạn AE Sau mặt cắt EF đường bão hoà gần như nằm ngang, rồi thoát ra ở hạ lưu tại

điểm C theo phương tiếp tuyến với mái đập

Sự phân bố J thấm ở cửa ra cửa vào ở tại một số điểm đặc biệt có trị số sau:

JA = cosα; JB= 0; JC = sinα; JD= ∝

Để giải bài toán xác định lưu lượng thấm và đường bão hòa người ta thay tam giác

thượng lưu đập bằng một hình chữ nhật có chiều rộng ∆L với điều kiện vẫn đảm bảo lưu

lượng thấm không đổi ∆L có nhiều phương pháp nghiên cứu:

m -cotg mái thượng lưu;

h1 -cột nước thượng lưu

Hình 5- 6: sơ đồ tính thấm qua đập đất đồng chất trên nền không thấm

Theo cơ học chất lỏng và C.KMi Khai Lốp

1 2

1 +

=

∆

m

h m

Bài toán tính thấm qua đập, đất với mái thượng lưu nghiêng di chuyển thành thẳng

đứng đã giải quyết ở bên trên

Lưu lượng thấm qua phần thân đập thượng lưu ta có:

(

2 2 0

2 1

2 L L m a h

h a h k

q

+

−

∆ +

+

−

Khi hạ lưu đập có nước, sơ bộ phân hạ lưu đập thành hình sau;

Hình 5- 7:

Lưu lượng thấm qua phần tam giác nằm phía trên mực nước hạ lưu:

5 , 0

1

0

1 = m +

a k

Lưu lượng thấm qua phần hình thang dưới mực nước hạ lưu:

1 2 5 , 0

1

2 1 0 1

0 2

2

+ + +

=

m

h m a m

a h

k q

h

(5.14)

Lưu lượng thấm tổng cộng:

θ

⎠

⎞

⎜⎜

⎛ +

= +

q

2 2

1

5 ,

h

Trong đó:

1

1 5 0

2 +

α

Phương trình đường bão hoà theo hệ trục toạ độ xoy :

y h K

−

5.4.3.2 Đập đồng chất có thiết bị thoát nước

ước

ủa bài toán thấm cơ bản ta có:

Hình

a Tính cho trường hợp hạ lưu đập không có n

Khi hạ lưu đập không có nước, dựa vào lí luận c

5- 8: Sơ đồ tính thấm qua đập đất đồng chất có vật thoát nước

2 0

2

2

L

a h k

∆ +

+

Phương trình bào hõa:

2 1

2

a = = +∆ + − +∆

x L L

h y

∆ +

= 12

b khi hạ

θ

lưu đập có nước

∆

Hình 5- 9: Sơ đồ tính thấm qua đập đất đồng chất có vật thoát nước

(hoặc l) vẫn dùng dạng công thức (5.18) song phải thay h1 bởi h1 - h2

Lưu lượng thấm được xác định:

2 2

h l L

k

∆ +

2 1

2

Phương trình của đường bão hoà:

L L

h h

2 2 1 2

∆ +

−

Ví dụ:

Biết chiều sâu mực nước thượng

lưu là 10m đỉnh đập rông là 8m,

Hệ số thấm k = 0.4 m/ngày

Bài giải :

1 xác định vị trí trục oy

m

H m

3 4 1 3 2

10 3 1 2

. 1

= +

=

∆

Khoảng cách từ chân đập đến trục oy là:

L = ∆L + d.m + B + (H1 +d).m1 = 38m

2 Tung độ tiêu điểm chảy ra của đường bão hoà trên mái thượng lưu:

Lưu lượng trên đoạn ACEO và CED

5 0

) (

2

1 0

0 1 0

2 1

+

=

−

−

=

m

a k

q

a m L

a H k

q

(1) và (2)

Kết hợp (1) và (2), thay số vào ta cú phương trỡnh bậc hai sau :

1.5a0 - 76a + 250 =0 ⇒

loai H a

m a

13 47

666 3 2 0

1 0

>

=

=

3 Lưu lượng đơn vị qua đập

ngay m

a m L

a H k

) 66 3 2 38 ( 2

66 3 10 4 0 ) (

2

0 1 0

2

−

−

=

−

−

=

4.Vẽ đường bóo hoà

5614 0 2

4 0 ) (

2

2 2 2

2

H q

5.4.3.3 Đập đất cú đường lỗi mềm

Đập tính toán

Đập giả định

∆

Hỡnh 5- 10: Lưu lượng thấm qua lừi thực và lừi biến đổi

đập đồng chất cú hệ số thấm k Khi đú ta trở lại bài toỏn thấm của đập đồng chất, vỡ tớnh

thấm khụng thay đổi lưu lượng nờn ta cú thể viết thành phương trỡnh lưu lượng thấm qua

lừi thực và lừi biến đổi (hỡnh vẽ)

2

2

2

2 2

2 0

t

k c h h

t

k

=

−

⇒

0

k

k t

t: chiều dày trung bỡnh của tường lừi;

T: chiều dày biến đổi;

Như vậy sau khi biến đổi tường lừi ta được một đập đồng chất quy ước mà chiều

rộng đỉnh đập B được xỏc định như sau:

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

− +

0

k

k t b

b: chiều rộng đỉnh đập thực;

B: chiều rộng đập quy ước

Theo nguyên tắc người ta có thể xác định được lực lượng thấm và đuờng bão hòa

cho đập đất có tường lõi mềm như một đập đất đồng chất Sau đó ta trở về đập thực tế có

chiều sâu nước của đường bão hòa là hb, he trước và sau tường lõi không đổi đã được xác

định trong đập quy ước

5.4.3.4 Đập đất có tường nghiêng

Khi tính thấm qua đâp đất có tường nghiêng làm bằng loại đất ít thấm nước (hệ số

càng lớn, trong sơ đồ tính toán ta dùng chiều dày trung bình 2 mặt cắt cho ngang mực

nước thượng lưu và ở chân đập

δ

α

Hình 5- 11: Sơ đồ tính đập đất có tường nghiêng

Ta nhận thấy nước thấm qua tường nghêng gồm hai phần trên và dưới, lấy điểm đầu

của đường bão hoà sau tường làm đường phân giới Lưu lượng thấm qua một phân tố

thuộc phần trên của tường tính theo công thức:

dl

z Ko

dq1

δ

=

Qua hình vẽ ta có:

α

sin

dz

dl=

0

2 3 1 1

sin 2

sin

3 1 0

z h h

ko zdz

ko

q h h

=

Đối với phần duới, mặt sau tường xem là mặt thế, mà chiều cao cột nước của ống

đo áp lực luôn luôn bằng chiều cao h3 của đường bão hòa

α δ α

.

sin

0 3

1 0 2

1 3 1

h h h k dz h

h k

h h

−

=

−

Lưu lượng tổng cộng qua tường:

α

δ.sin 2

2 0

2 3

2 1 0 2 1

z h h k q q

= +

Lưu lượng thấm qua đập:

5 , 0

; sin 2

1 0

2 0

2 3

2 1

+

=

−

−

=

m

h k q Z h h k

q

α

Lưu ý: đập có tường nghiêng cũng có thể biến đổi như đập có tường lõi bằng cách

biến nó thành đập đồng chất giả định (như hình vẽ) khi thay thế chiều dày t của tường

thành:

0

k

k t

T =

Sơ đồ tính thấm của đập đất đồng chất sẽ tương đương về phương diện thấm với

∆

C

t

Ko

l

y

H 1

x

T

α

K

Hình 5- 12: Sơ đồ tình thấm đập đất tường nghiêng

5.4.4 Tính thấm qua đập đất trên nền thấm nước

Trong thực tế thường hay gặp loại đập đất trên nền thấm nước, hệ số thấm của đập

khác với hệ số thấm của nền Hệ số thấm của nền và độ sâu tầng thấm có ảnh hưởng rất

lớn đến lưu lượng thấm, vị trí và hình dạng của đường bão hoà

5.4.4.1.Thấm qua đập đồng chất trên nền thấm nước

Hình 5- 13: Thấm qua đập đồng chất trên nền thấm nước

Trường hợp khi nền thấm hữu hạn theo đề nghị cảu Pavơlôpxki Khi tính toán nên

chảy qua đường ống ta có:

L n

T h k q

.

1 1

Trong đó:

k1: hệ số thấm của nền;

T: chiều dày tầng thấm nước của nền;

n: hệ số hiệu chỉnh chiều dài đường nước thấm Trong hình vẽ ta thấy chiều

dài đường nước thấm lớn hơn chiều dài L của đáy đập (tra bảng 5-4)

mép chân đập thượng lưu đến đầu vị trí của thiết bị thoát nước

5.4.4.2 Đập có tường nghiêng và sân phủ

a.Trường hợp không có thiết bị thoát nước

K

K

So

h1

T

m1

h2

h0

m

h3

Ko

Hình 5- 14: Sơ đồ tính thấm đập đất có tường nghiêng và sân phủ

Thường hệ số thấm của tường nghiêng và sân phủ rất nhỏ nên bỏ qua lưu lượng

thấm ở bộ phận này được tính theo công thức:

) 2

.(

.

.

1

2 3 2

3 3 1

3 1 1

k h h T S

h h h m S

h h n

T k

+

−

= +

−

Trong đó :

n1: hệ số hiệu chỉnh n1=(1+n)/2

b Trường hợp có thiết bị thoát nước

m

h2

h3

K

K1

m1

y

Hình 5- 15: Sơ đồ tính thấm đập đất có tường nghiêng và sân phủ

trường hợp có vật thoát nước

Đối với đập có thiết bị thoát nước công thức (5.32) vẫn thích hợp còn đường bão

hoà biểu thị theo phương trình :

x S

h h

2 2

3 −

(5.32)