Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 8422:2010. Tiêu chuẩn trình bày nội dung về công trình thủy lợi – thiết kế tầng lọc ngược công trình thủy công. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm bắt nội dung chi tiết.
TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 8422:2010 CƠNG TRÌNH THỦY LỢI – THIẾT KẾ TẦNG LỌC NGƯỢC CƠNG TRÌNH THỦY CƠNG Hydraulic structure – Design of adverse filter Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn dùng để thiết kế tầng lọc ngược vùng chuyển tiếp đất khơng dính, cát, cuội, sỏi đá dăm, lọc ngược bê tơng xốp, đặt cơng trình thủy lợi cấp đặc biệt, cấp I, II, III, IV (cấp cơng trình theo TCXDVN 285-2002 – Cơng trình thủy lợi – quy định chủ yếu thiết kế tiêu chuẩn hành), theo vốn đầu tư đập đất đập đá đổ, mái đập, đập nhà máy thủy điện, âu thuyền cơng trình khác, phần tiêu sau đập, lớp mái kênh, lớp gia cố mái dốc bờ đáy thượng lưu hạ lưu Đối với công trình thủy lợi cấp IV V, yêu cầu thiết kế hạng mục lọc ngược phận cơng trình thủy cơng lấy thấp yêu cầu nên tiêu chuẩn Trong trường hợp đặc trưng tính tốn vật liệu, khai thác để làm lọc ngược vượt giới hạn nêu điều kiến nghị tiêu chuẩn cần phải kiểm tra lọc thiết kế thí nghiệm phòng cơng trường Thuật ngữ ký hiệu 2.1 Thuật ngữ Tiêu chuẩn khuyến nghị sử dụng theo thuật ngữ ký hiệu sau đây: 2.1.1 Kết cấu tiêu nước (drainage filter) Kết cấu dùng để hạ thấp mực nước ngầm áp lực nước ngầm để dẫn nước thấm cách có tổ chức hệ thống tiêu nước 2.1.2 Lọc ngược (adverse filter) Những lớp cát, sạn, sỏi đá dăm để bảo vệ đất cơng trình cơng trình để khỏi bị xói ngầm học khỏi bị ép phì, đùn đất trường hợp cá biệt 2.1.3 Cốt đất (earth forced) Tập hợp hạt đất chịu tác dụng chuyển tác dụng ngoại lực đảm bảo độ bền độ ổn định đất 2.1.4 Xói ngầm học (mechanic tunnel erosion) Hiện tượng chuyển vị đất tượng lôi hạt nhỏ từ tầng đất tác dụng dòng thấm 2.1.5 Xói ngầm học (mechanic subsurface erosion) Hiện tượng chuyển vị đất hạt nhỏ dòng thấm gây 2.1.6 Xói ngầm học ngồi (mechanic surface erosion) Hiện tượng lơi hạt nhỏ từ tầng đất ngồi dòng thấm gây 2.1.7 Xói ngầm học nguy hiểm (danger mechanic tunnel erosion) Hiện tượng chuyển vị lôi hạt nhỏ hạt cốt đất với số lượng dòng thấm gây làm phá hoại độ bền độ ổn định đất 2.1.8 Sự bồi tắc (soil consolidate) Hiện tượng lắng đọng hạt nhỏ dòng thấm vận chuyển vào kẽ rỗng đất 2.1.9 Đất xói ngầm (soil subsurface erosion) Đất xói ngầm học xuất phát triển với vận tốc thấm vượt vận tốc giới hạn 2.1.10 Đất khơng xói ngầm (non subsurface erosion) Đất xói ngầm học khơng thể xảy 2.1.11 Vùng tiếp xúc đất (contact area) Vùng bao gồm biên giới hai loại đất kế cận khác thành phần hạt; vùng xác định chiều sâu xâm nhập hạt loại đất sang hạt loại đất 2.1.12 Sự rơi vãi đất vào lọc (soil infill to filter) Hiện tượng di chuyển hạt nhỏ từ chỗ đất tiếp xúc vào lớp lọc tác dụng trọng lực 2.1.13 Phân lớp đất (soil sublayer) Hiện tượng tách hạt to khỏi hạt nhỏ xuất vận chuyển, đổ rải đất 2.1.14 Đùn đất (soil push up) Hiện tượng tách rời chuyển vị đất gây dòng thấm lên 2.1.15 Bóc lớp đất (remove soil layer) Hiện tượng kết thể đất dính (đất có sét đất thịt) bị tách rời vùng tiếp xúc lọc ngược với đất 2.1.16 Xói mòn tiếp xúc (contact erosion) Hiện tượng xói mòn đất hạt nhỏ chỗ tiếp xúc với đất tác dụng thấm dọc 2.2 Ký hiệu Các ký hiệu sử dụng nhiều tiêu chuẩn: • D: đường kính hạt vật liệu lọc ngược bảo vệ; • d: đường kính hạt đất lọc ngược bảo vệ; • Do: đường kính trung bình lỗ rỗng lớp học; • dtv: đường kính hạt tạo vòm đất; • dxn: đường kính hạt (xói ngầm) đất bị lơi dòng thấm; • d0 max: đường kính lớn đường thấm; • D10…D17…D60: đường kính hạt vật liệu lọc ngược, hạt nhỏ hạt thành phần đất chiếm 10 % 17% 60% theo trọng lượng; • d10…d17…d60: đường kính hạt đất bảo vệ, hạt nhỏ hạt thành phần đất chiếm 10 % 17% 60% theo trọng lượng; • dmin: đường kính nhỏ hạt loại đất, hạt nhỏ hạt thành phần đất chiếm % theo trọng lượng; • , • d d 60 : hệ số không hạt đất bảo vệ, không thứ nguyên; d10 D60 : hệ số không hạt vật liệu làm lọc ngược, không thứ nguyên; D10 • m, mđ: độ rỗng đất, % thể tích đất; • mt: độ rỗng vật liệu làm lọc ngược, % thể tích vật liệu; • gl : hệ số không rải hạt lớp, không thứ nguyên; • kđ: hệ số thấm đất lọc ngược bảo vệ, cm/s; • k1: hệ số thấm vật liệu lọc ngược, cm/s; • Jth, Vth: gradien cột nước (không thứ nguyên) vận tốc thấm tới hạn (độ dài/thời gian), với trị số bắt đầu có xói ngầm học; • : góc phương vận tốc thấm lực trọng trường, tính độ; • : hệ số xếp hạt khơng đất hệ số cục xói ngầm, khơng thứ nguyên; • : hệ số vận tốc tới hạn, khơng thứ ngun; • f* : hệ số ma sát tính đổi, khơng thứ ngun; • γđ: dung trọng đất khơ, g/cm3; • : trọng lượng riêng hạt đất, g/cm 3; • γn: dung trọng nước, g/cm3; • W: độ ẩm đất, % so với dung trọng khơ; • Wc: giới hạn chảy đất độ ẩm đất mà đất bị chảy % so với dung trọng khơ; • Wl: giới hạn lăn đất độ ẩm đất mà đất lăn tròn được, % so với dung trọng khơ; • Wd: số dẻo đất, khơng thứ ngun; • G: hệ số ẩm, khơng thứ ngun; • : hệ số rỗng đất giới hạn chảy, khơng thứ ngun; c • Jtt: gradien cột nước tính tốn, khơng thứ ngun; • D0tt: đường kính tính tốn kẽ rỗng vật liệu lọc, mm; • H: chiều cao cột nước, m; • Re: số Râynơl (Raynolds); • V: hệ số nhợt động học nước; • g: gia tốc trọng trường, m/s2 Phân loại lọc ngược Khi lựa chọn thành phần hạt vật liệu làm lọc ngược cần phân biệt chúng làm hai kiểu bản: Kiểu I: Thấm ngang (thấm qua mặt cắt ngang lớp lọc) xâm nhập đất vào lọc ngược tác dụng trọng lực yếu tố xác định thành phần lọc ngược Trong loại lọc ngược cần phân biệt hai trường hợp: - Trường hợp thứ nhất: phương vận tốc thấm trọng lực trùng với (Hình 1a); - Trường hợp thứ hai: phương chúng ngược (Hình b); Kiểu II: Thấm dọc (thấm dọc theo lớp lọc) yếu tố xác định thành phần lọc ngược chỗ tiếp xúc đất lớp lọc nằm ngang nằm nghiêng (Hình c, d, e) Hình – Các kiểu lọc ngược Các lọc ngược có mặt tiếp xúc thẳng đứng hai lớp đất kế cận (các lọc ngược chủ yếu đặt vào lỗ khoan giếng tập trung nước) xem kiểu lọc thứ (Kiểu I) thấm qua chiều ngang chúng; coi kiểu II thấm theo chiều dọc Chức năng, yêu cầu, nhiệm vụ thiết kế vật liệu làm lọc ngược 4.1 Chức lọc ngược Lọc ngược lớp vật liệu trung gian, nối tiếp đất hạt nhỏ cần bảo vệ với đất hạt to (bộ phận tiêu nước) Chức chủ yếu lọc ngược ngăn ngừa xói ngầm học nguy hiểm đất hạt nhỏ cần bảo vệ Trong trường hợp cá biệt, lọc ngược làm nhiệm vụ gia tải chống tượng đùn đất Lọc ngược kết cấu độc lập phận kết cấu tiêu nước (nghiêng theo mái dốc, ống, lăng trụ đá, v.v…) 4.2 Yêu cầu lọc ngược Lọc ngược phải thỏa mãn yêu cầu sau đây: a) Độ thấm nước lọc ngược phải lớn so với độ thấm nước đất bảo vệ b) Thành phần hạt lọc ngược phải chọn cho: - Bảo đảm khơng có tượng hạt đất vùng đất cần bảo vệ (đất thân đập, đất cơng trình thủy cơng) khơng phép xâm nhập vào tầng lọc ngược ngăn hạt đất vùng cần bảo vệ vào thân lọc ngược vào kết cấu tiêu nước đá đổ; - Ngăn ngừa phát triển nguy hiểm độ bền độ ổn định đất cần bảo vệ xói ngầm học vùng tiếp xúc với lọc; - Bảo đảm khơng có ứ động bồi tắc lọc ngược hạt nhỏ dòng thấm mang từ vùng đất cần bảo vệ qua tầng lọc Do lọc tầng lọc ngược phải giữ hạt có đường kính cần bảo vệ vùng đất thân đập cơng trình thủy cơng cho phép hạt nhỏ (các hạt có đường kính nhỏ khơng thuộc đối tượng bảo vệ đất, thân đập) qua; - Ngăn ngừa xói ngầm học nguy hiểm độ bền độ ổn định lọc ngược thân lớp lọc; Nếu đất cần bảo vệ khơng xói ngầm khơng cần thỏa mãn điều kiện thứ thứ khoản b) điều chọn thành phần lọc ngược Nếu thành phần lọc ngược khơng xói ngầm không cần thỏa mãn điều kiện thứ khoản b) điều nêu Trong trường hợp yêu cầu thỏa mãn điều kiện thứ nghĩa đảm bảo khơng có rơi vãi hạt cốt đất vào lọc ngược c) Chiều dày lớp lọc ngược phải lớn chiều dày vùng tiếp xúc nối tiếp nhiều Lớp lọc phải có chiều dày cho lớp hình thành cốt đất có thành phần hạt thích ứng có khả chịu tác dụng ngồi tải Chiều dày lớp lọc phải ấn định có xét đến biện pháp thi cơng d) Thi công lớp lọc ngược phải tiến hành cho đảm bảo độ đồng thành phần hạt vật liệu theo chiều dày theo mặt lớp học Cũng không cho phép phân lớp vật liệu xếp lớp lọc ngược 4.3 Nhiệm vụ thiết kế lọc ngược bao gồm giải vấn đề sau a) Xác lập thông số tính tốn (thành phần hạt, dung trọng độ rỗng, hệ số thấm.v.v…) đất lọc ngược bảo vệ; đánh giá độ bền ổn định (độ xói ngầm) đất xác định kích thước tính tốn hạt đất tạo vòm theo thành phần đất điều kiện thủy động dòng thấm; b) Chọn vật liệu thiên nhiên vật liệu nhân tạo (đá dăm, xỉ tán nhỏ v.v…) dùng làm lọc ngược; c) Xác định thành phần hạt lớp thứ lớp lọc ngược chọn từ vật liệu thiên nhiên nhân tạo; d) Đánh giá độ thấm nước vật liệu dùng cho lọc ngược thiết kế; e) Kiểm tra độ bền độ ổn định xói ngầm đất cần bảo vệ lọc ngược thiết kế vật liệu làm lọc ngược; f) Xác định chiều dày số lớp lọc ngược; g) Xác định giới hạn chênh lệch cho phép xảy thành phần hạt, chiều dày lớp độ rỗng vật liệu lọc ngược xếp chúng vào kết cấu tiêu nước 4.4 Vật liệu làm lọc ngược Để làm lọc ngược, dùng vật liệu thiên nhiên gia công xử lý, khơng dính, lấy từ đá rắn chắc, khơng chứa muối hòa tan nước Trong loại vật liệu có: cát, cuội, sỏi, đá dăm, đá dăm thải nhà máy nghiền đá, xỉ tán nhỏ (nghiên cứu trước phòng thí nghiệm) Cát thiên nhiên gia cơng nhân tạo phải xuất xứ từ nham thạch rắn chắc; tràng thạch, thạch anh hay hỗn hợp sỏi, cuội, đất dăm xỉ tán nhỏ chúng phải xuất xứ từ nham thạch rắn không bị làm mềm tượng phong hóa rửa kiềm Giới hạn cường độ chịu nén đá không nhỏ 300 kg/cm Giới hạn cường độ chịu nén đá dùng làm lọc ngược đập cao, không nhỏ cường độ thân đập Trong trường hợp gần nơi xây dựng cơng trình có số mỏ vật liệu để làm lọc ngược vật liệu lấy từ mỏ thỏa mãn yêu cầu nói trên, lựa chọn vài mỏ số cần phải xét đến giá thành thấp công tác xây dựng lọc ngược 4.5 Số liệu ban đầu để thiết kế lọc ngược Khi thiết kế lọc ngược phải biết số liệu ban đầu sau đây: a) Thành phần học, độ nhớt tính chất thấm nước đất đắp đập đất bảo vệ lọc ngược; b) Loại thành phần học tính chất thấm nước (nghĩa đặc trưng tính tốn) vật liệu dự kiến dùng làm lọc ngược; c) Các số liệu có mặt khác trữ lượng vật liệu chỗ dùng cho lọc ngược, số liệu điều kiện khai thác chuyên chở; d) Cấp cơng trình để thiết kế tầng lọc ngược; e) Kiểu kết cấu tiêu nước chọn để thiết kế tầng lọc ngược; f) Lưu lượng nước đơn vị dòng thấm chảy qua lọc ngược; g) Các mực nước hạ lưu (từ nhỏ đến lớn nhất); h) Chiều cao tính tốn sóng hạ lưu Các hệ thức tính tốn để xác định thành phần hạt lớp lọc ngược 5.1 Các thông số vật liệu Các thông số vật liệu sử dụng thiết kế lọc ngược bao gồm: cát, sỏi xói ngầm khơng xói ngầm Thành phần hạt đất khơng xói ngầm xác định hệ thức thực nghiệm sau M.Paptrit: di d Pi P10 (1) 1,28 lg (2) Trong Pi hàm lượng % đất hạt, tính theo trọng lượng có đường kính nhỏ d i; P10 = đường kính hạt nhỏ hạt chiếm 10% trọng lượng; di, dmin đường kính hạt chiếm i% trọng lượng đường kính nhỏ hạt loại đất cho Để lập đường cong thành phần hạt đất không xói ngầm theo hệ thức đây, cần biết hàm lượng phần trăm Pi hạt có đường kính di đất hệ số không hạt đất Nếu di > dmin đưa thơng số vào cơng thức (1), tìm d sau tự cho trị số khác Pi = 10…20…100, tính trị số di tương ứng với chúng theo hệ thức (1) Bằng cách ấy, theo số liệu tính lập đường cong phải tìm Thành phần hạt đất khơng xói ngầm xác định theo đường cong cho Hình Các đường cong lập tọa độ tương đối tỉ số d i/d17 đặt trục hồnh độ, Pi đặt trục tung độ Hệ thức (1) gần đường cong Tất đất, mà thành phần hạt chúng khác với thành phần hạt cho Hình thành phần hạt xác định theo hệ thức (1) thuộc loại đất xói ngầm Khi đạt tới vận tốc thấm tới hạn xói ngầm học phát triển đất Khi số lượng hạt nhỏ bị lôi khỏi đất phụ thuộc vào mức độ khác đất xói ngầm đất khơng xói ngầm phụ thuộc vào vận tốc thấm 5.2 Các hệ thức tính tốn hệ số thấm vật liệu cát, sỏi đá dăm Trong trường hợp hệ số thấm vật liệu cát, sỏi đá dăm bảo vệ chọn làm lọc ngược xác định hệ số thấm theo hệ thức thực nghiệm M Paptrit: m3 d2 17 (1 m) k= A A= 3,99 v (3) (4) 1: hệ số xét đến hình dạng độ nhám hạt Đối với cát, sỏi, cần lấy lấy từ 0,35 đến 0,40 = 1,0; đá dăm Trong công thức (3) trị số d17 tính cm, hệ số thấm nhận cm/s Công thức (3) chế độ thấm tầng giá trị d17 Giá trị hệ số thấm tìm theo công thức sau A.N Tpatrasep k= m.g d 51v (5) d0 đường kính tính tốn đường thấm đất trị số hệ số lấy công thức (4) Hàm lượng hạt đất Pi (%) Hình – Thành phần hạt đất khơng xói ngầm tọa độ tương đối Nếu đo tổn thất cột nước dạng thấm ht xác định theo hệ thức biết ht = l V d0 g (6) V l với vận tốc thấm, m/s; d0 cơng thức (6) tính m; kết h1 m chiều dài (m) đoạn dòng thấm đều, đoạn tổn thất cột nước h t, đối – hệ số ma sát thấm mơi trường kẽ rỗng có: 102 n.Reo (7) Trong số số Râynơl (Raynolds) lấy theo đường kính đường thấm là: Reo = V d v (8) Trên Hình ghi số lượng lớn trị số thí nghiệm, tính theo cơng thức (6); hình vẽ đường biểu diễn minh họa cho hệ thức (7) vẽ thành đường thẳng liền Như thấy, hệ thức lý luận (7) M.Paptrit phù hợp tốt với số liệu thí nghiệm ơng Từ thấy công thức (5) đủ để xác định khả thấm đất lấy làm cơng thức tính tốn để tính kích thước đường thấm Chú dẫn: Đất hiệu chuẩn (hình cầu) Đất thiên nhiên Hình – Các trị số lý luận thực nghiệm hệ số ma sát có thấm 5.3 Xác định đường kính tính tốn đường thấm vật liệu cát, sỏi, cuội (dăm) Từ cơng thức (3) (5) ta có hệ thức sau để xác định đường kính tính tốn trung bình đường thấm vật liệu cát, sỏi, đá dăm d0 = 7,12 d0 = C v.k m.g m d17* m C = 0,455 (9) (theo số liệu M.Patrit); (10) (11) Và công thức (10) trị số d17 phải tính cm d0 xác định cm 5.4 Xác định đường kính tính tốn hạt tạo vòm chỗ tiếp xúc đất với lọc ngược Sự không rơi vãi hạt nhỏ đất vào đất có hạt to, bảo đảm trường hợp vùng tiếp xúc chúng với có tạo vòm ổn định hạt nhỏ (Hình 4) Do để đảm bảo khơng rơi vãi hạt cốt đất bảo vệ vào lớp thứ lọc ngược, phải lựa chọn thành phần hạt cho vùng tiếp xúc hình thành vòm ổn định cấu tạo hạt nhỏ cốt đất bảo vệ Nếu lớp thứ tầng lọc ngược nằm đất điều kiện định độ bền độ ổn định chỗ tiếp xúc chúng hình thành vòm ổn định cấu tạo hạt cốt đất Vì hạt đất khơng luồn chui vào lớp lọc hạt lớp lọc không chui vào đất Trong trường hợp vậy, đơi người ta nói tầng lọc ngược khơng ép lấn vào đất mà bảo vệ Nhiều thí nghiệm với lọc ngược hạt dị hạt cho thấy rằng: vòm ổn định tạo trường hợp đường kính lỗ rỗng lọc lớn đường kính hạt tạo vòm khơng q 1,8 lần Vì điều kiện không rơi vãi đất vào lọc biểu diễn dạng: D0 d tv 1,8 Hoặc dtv (12) 0,555 Do (13) Trong D0 đường kính trung bình lỗ rỗng lớp thứ lọc, mm; dtv đường kính hạt tạo vòm vùng tiếp xúc với đất lọc, mm (Hình 4) Hình – Sơ đồ vùng tiếp xúc đất hạt nhỏ lọc Đưa D0 tính từ cơng thức (9) (10) vào hệ thức để xác định đường kính hạt tạo vòm tương ứng, ta có cơng thức tính tốn sau đây: dtv v.kt m.tg 3,95 Và dtv C1 mt D17 mt Trong C1 = 0,252 mt, kt, ngược t (14) t (15) (16) : độ rỗng, hệ số thấm cm/s, hệ số không hạt vật liệu lớp thứ lọc Nếu đường kính hạt tạo vòm đất bảo vệ cho chọn theo thơng số đất có hệ thức sau để xác định thông số phải tìm vật liệu thuộc lớp thứ lọc ngược ứng với công thức (14) (15): .g d tv2 15,6v kt mt mt D17 mt (17) d tv C1 (18) Đặc biệt dtv = d10 nghĩa lấy đường kính hạt mà hàm lượng đất hạt có đường kính nhỏ đường kính 10% (theo trọng lượng) làm đường kính hạt tạo vòm đất bảo vệ ta có được: g.d102 15,6v kt mt mt D17 mt (19) d10 C1 (20) Khi lựa chọn đường kính hạt tạo vòm đất bảo vệ phải tính đến loại (độ xói ngầm) đất, độ khơng hạt đất, hình dạng đường cong thành phần hạt (đối với đất xói ngầm), chế độ thấm cấp cơng trình theo vốn đầu tư điều kiện thi công lọc ngược Các hướng dẫn thực tế vấn đề trình bày điều sau 5.5 Xác định kích thước hạt xói ngầm đất, cát, sỏi (lẫn dăm) Xói ngầm học đất, cát, sỏi, (lẫn dăm) phát triển đất có hạt mà đường kính chúng nhỏ đường kính đường thấm lớn đất (d 0max) vận tốc thấm vận tốc tới hạn (V > Vth) Các hạt đất có kích thước nhỏ đường kính đường thấm nước lớn đất gọi hạt xói ngầm chúng bị dòng thấm lơi khỏi khối đất dxn < d0max Do đó: (21) Trong đó, dxn đường kính hạt xói ngầm Đường kính đường thấm lớn xác định hệ thức sau d 0max 7,12 d 0max C v.k d m.g (22) m d17 m (23) Trong hệ số xếp hạt không đất hệ số cục xói ngầm; C tính theo cơng thức (11); Như vậy, hệ số sau: phụ thuộc vào hệ số không hạt đất, lấy an tồn chút = 1+ 0,02 + 0,001 Hoặc Đường kính lớn hạt = + 0,05 (24) (25) d xnmax mà chuyển vị hạt diễn đất chúng bị lơi ngồi chỗ lối khơng bảo vệ, nghĩa khơng có lọc ngược phương tiện bảo vệ khác, xác định theo hệ thức như: CHÚ DẪN: 1) Tường tâm đập; 2) Vùng chuyển tiếp (lọc); 3) Lăng trụ đập; 4) Khe nứt tường tâm đập; 5) Vùng bồi tác lọc (vùng chuyển tiếp) Hình 28 – Sơ đồ lập khe nứt tường tâm đập: Trong trường hợp ấy, vùng tiếp xúc đất dính tường tâm (tường nghiêng) đập khơng bị xói lở dòng thấm theo kẽ nứt vào lớp lọc, lớp lọc vùng chuyển tiếp có thành phần hạt phải thiết kế đặt cho kết thể đất sét hạt riêng biệt đất sét bị khỏi dòng thấm không qua lớp lọc làm bồi tắc lớp lọc phạm vi khe nứt (Hình 28) cách tạo thành điều kiện tự lấp thân khe nứt Do đó, thành phần hạt lọc thiết kế lựa chọn, thỏa mãn trường hợp ấy, yêu cầu đề lọc vùng chuyển tiếp đập cao siêu cao phải kiểm tra điều kiện bồi tắc Nếu thành phần hạt khe lọc thiết kế lựa chọn trước, bồi tắc hạt nhỏ bị từ khe nứt tường tâm (tường nghiêng) đập thành phần lọc cần tính để thỏa mãn yêu cầu cho Nếu điều kiện cho không thỏa mãn, thành phần lọc thiết kế lựa chọn phải thay đổi để thành phần hạt thỏa mãn yêu cầu bồi tắc Điều kiện bồi tắc (và lấp khe nứt) thực trường hợp thành phần thiết kế lọc thỏa mãn chuẩn số sau độ bồi tắc: D17 D90 26,5(1 ml ) ; ml l (104) Trong D17: đường kính hạt vật liệu lọc ngược nhỏ hạt chiếm 17 % (theo trọng lượng), thành phần vật liệu; d90: đường kính hạt vật liệu tường tâm đập làm bồi tắc lớp thứ lọc, nhỏ hạt chiếm 90 % (theo trọng lượng), thành phần vật liệu; m1: độ rỗng vật liệu lọc ngược, tính theo phần đơn vị; = D60 : hệ số không hạt vật liệu lọc ngược D10 Nếu điều kiện (104) khơng thỏa mãn, trường hợp cần thay đổi thành phần hạt thiết kế (lựa chọn) lọc, nghĩa là: D17 26,5(1 m1 ) d 90 m1.6 (105) Các kích thước lại hạt tính tốn đường cong biểu diễn thành phần hạt lọc D10, D60, D100 xác định theo hệ thức (96), (97), (98) Bằng cách ấy, thành phần hạt xác định lớp thứ lọc thỏa mãn yêu cầu bồi tắc yêu cầu lấp kẽ nứt Đường cong tính tốn xác định thành phần hạt cần lấy giới hạn “của vùng thành phần hạt cho phép vật liệu dùng để đắp vào lớp thứ lọc” d) Chiều dày lớp thứ lọc vùng chuyển tiếp đập cao siêu cao phải ấn định theo điều kiện thấm thi cơng mà có tính tốn chuyển dịch ngang phận cơng trình (tường tâm lăng trụ đập) lún không Chiều dày nhỏ lớp thứ lọc vùng chuyển tiếp – T kiểu đập nêu, phải (Hình 29): Tmin + t’; đơn vị (m) (106) Trong đó: t’ kích thước tổng cộng chuyển dịch ngang tường tâm lăng trụ đập (bằng m) xác định tính tốn theo nghiên cứu cho Các ví dụ tính tốn cụ thể xem phụ lục A: CHÚ DẪN: 1) Tường tâm đập; 2) Vùng chuyển tiếp (lọc); 3) Lăng trụ đập; – t’: chuyển vị ngang lăng trụ tường tâm đập Hình 29 – Sơ đồ vùng chuyển tiếp Thiết kế lọc ngược bê tông xốp 8.1 Chỉ dẫn chung Lọc ngược bê tông xốp (không cát) dùng cho lỗ khoan kết cấu tiêu nước đập cấu tạo từ vật liệu to hạt có thành phần lựa chọn tùy theo thành phần hạt đất bão hòa nước lọc ngược phải bảo vệ Để sản xuất lọc xốp cần dùng khối lượng chất keo kết (ciment, thủy tinh lỏng, thạch cao v.v…) cho đủ để bao hạt cốt liệu, kẽ rỗng hạt cốt liệu không bị nhét đầy Trong tài liệu tham khảo hướng dẫn ưu tiên xét dùng làm vật liệu keo kết có xi măng Xi măng tạo cho kết cấu lọc độ bền lâu dài Về cốt liệu dùng phế liệu đá dăm nhà máy nghiền đá, đá dăm, sỏi Những vật liệu hạt hay không hạt Lọc bê tông xốp không nên đặt vùng băng giá nước kẽ rỗng lọc sau đóng băng phá hoại liên kết hạt khối rỗng dẫn đến tổn thất độ bền học kết cấu Khi thiết kế thiết bị tiêu nước bê tơng xốp tính toán thấm nước tiến hành thiết kế bị tiêu nước thơng thường, có xét đến khả tháo nước bê tông xốp Trong trường hợp phải bảo vệ đất hạt nhỏ bão hòa nước lọc bê tơng xốp đòi hỏi phải dùng cốt liệu nhỏ thành phần bê tơng xốp vài trường hợp nên gia công lọc vật liệu hạt to bên bọc lớp cát hạt to (lăng trụ tiêu nước) Lọc ngược bê tơng xốp dùng khơng cho lỗ khoan, mà cho kết cấu tiêu nước đập cơng trình thủy lợi khác, nơi mà việc sử dụng bê tơng xốp tỏ có lợi mặt kinh tế, ví dụ nơi xây dựng khơng có mỏ vật liệu để làm lọc ngược vật liệu cát sỏi đá dăm 8.2 Yêu cầu lọc ngược bê tông xốp Lọc ngược thực tốt vai trò trường hợp, thành phần hạt thiết kế thực cách chắn Lọc ngược bê tông xốp phải thiết kế cho thỏa mãn yêu cầu sau đây: a) Hạt cốt đất phải bảo vệ, không rải vào kẽ rỗng lọc bê tông xốp; b) Trong đất bảo vệ, vùng tiếp xúc khơng xuất xói ngầm học nguy hiểm làm ảnh hưởng đến độ bền độ ổn định đất; c) Các hạt nhỏ mà lôi chung dòng thấm khỏi khối đất bảo vệ không gây biến dạng nghiêm trọng cho phép đồng thời không làm bồi tắc lọc ngược; d) Độ ngấm nước lọc ngược bê tông xốp phải lớn độ ngấm nước đất bảo vệ Để thực yêu cầu kể trên, thiết kế xây dựng lọc ngược bê tông xốp bảo đảm tiếp xúc ổn định bền vững đất bảo vệ bảo đảm độ tin cậy làm việc công trình thời kỳ khai thác Sự thực yêu cầu kể đất xói ngầm xét theo thành phần hạt chúng Nếu đất bảo vệ lọc thực tế khơng xói ngầm thiết kế xây dựng lọc ngược bê tông xốp thực yêu cầu sau đủ: - Hạt cốt đất bảo vệ không rải vào kết cấu lọc bê tông xốp; - Hệ số thấm lọc bê tông xốp phải lớn hệ số thấm đất bảo vệ 8.3 Phương thức chọn thành phần hạt vật liệu đá, dăm (sỏi) để làm tầng lọc ngược bê tông xốp Để xác định kích thước hạt tính tốn đất dăm sỏi thành phần có lọc ngược bê tơng xốp cần có số liệu thành phần hạt đất bảo vệ biểu diễn dạng đồ thị số liệu dung Yđ đất, độ rỗng md, hệ số không hạt đ hệ số thấm kđ Theo thông số đất bảo vệ, xác định loại thành phần đất, đất bảo vệ tầng lọc xói ngầm khơng xói ngầm Nếu đất thực tế khơng xói ngầm, phải thỏa mãn hệ thức (71) d3 d17 (0,32 0,016 d ).6 md md Trong đó: d3 d17 đường kính hạt đất, hạt nhỏ hạt chiếm gần 17 % theo trọng lượng Nếu hệ thức (71) không thỏa mãn, đất cho cần tính thực tế xói ngầm Tùy theo loại đất bảo vệ (xói ngầm khơng xói ngầm) hệ số khơng hạt chọn kích thước tính tốn hạt tạo vòm dtv Đối với thành phần khơng xói ngầm đất, kích thước hạt tạo vòm d tv xác định theo đồ thị: Ptvtt = f( đ) Hình 7, đường cong B = Đối với thành phần xói ngầm đất, kích thước tính tốn hạt tạo vòm d tv xác định, phụ thuộc vào điều kiện thủy động làm việc lọc (điều 6.3) sau: a) Theo cơng thức (73), xác định kích thước hạt bị lơi khỏi vùng tiếp xúc với gradien lớn cho cột nước Jttmax, nghĩa là: B.J ttmax md g k d d xn Nếu trị số tính dxn d3 (từ đường cong thành phần hạt) dtv lấy theo đồ thị Hình đường cong B = Nếu dxn Ptvtt = f( đ) d3, dtv xác định theo công thức 74: Dtvtt = B d3 Trong đó: B nên lấy lọc lỗ khoan (để hạ mực nước có chế độ thay đổi) B = 3; lọc thiết bị tiêu nước đập B lấy từ đến b) Theo kích thước đường kính dtv chọn được, tìm đường kính trung bình kẽ rỗng lọc theo hệ thức (12) Do 1,8dtv Biết Do; xác định hệ số thấm tính tốn o k1 = A mo D ; (cm/s) (1) lọc bê tông xốp theo hệ thức: (107) Trong đó: A = 615 bê tông xốp đá dăm; A = 965 bê tông xốp sỏi; mo: độ rỗng tính đổi đá dăm, tính theo phần đơn vị, lấy theo đồ thị m o = f (Do) Hình 30 theo cơng thức thực nghiệm: m0 9,5 Do 25 (108) Trong đó: Do tính milimét (1) Hệ thức (107) để xác định k1, dùng cho bê tông xốp gia công với tỷ lệ tối ưu nước/xi măng Hình 30 – Đồ thị mo = f (Do) c) Theo bảng 3, trị số tính k1, chọn thành phần hạt đất đá dăm (sỏi), đất phải cốt liệu thành phần lọc bê tông xốp, hệ số khơng hạt khơng vượt q trị số: cp = 12 (109) d) Nếu thành phần đá dăm lấy theo bảng không phù hợp với đất đá dăm đất sỏi có sẵn trường thi cơng khơng tiến hành sàng lọc cần kiểm tra mức độ hữu dụng vật liệu (theo hệ số thấm) hệ thức (110) Hệ thức (110) cho khả theo thông số đá dăm sỏi dùng để sản xuất bê tông xốp với tỷ lệ tối ưu nước/xi măng, xác định hệ số thấm bê tông xốp: K bx ml3 A' .D172 (1 ml ) Trong đó: đá dăm A’ = 50 (cm/s) đd sỏi A’ = 120 (110) s ; đd s hệ số không hạt tương ứng với đá dăm sỏi Bảng – Trị số hệ số số thấm bê tơng xốp có thành phần : với tỷ lệ tối ưu nước/xi măng, theo thành phần hạt cốt liệu TT Kích thước quy ước hạt (mm) D10 (mm) D17 (mm) D50 (mm) D60 (mm) 0,25 đến 3,0 0,5 0,6 1,8 2,4 4,8 0,5 đến 0,10 0,25 đến 30 0,48 0,95 4,1 5,5 11,45 0,012 đến 0,023 0,25 đến 10,0 0,58 0,77 2,0 2,55 4,4 0,017 đến 0,022 0,25 đến 20,0 0,62 1,15 5,1 6,80 11,0 0,019 đến 0,058 0,25 đến 20,0 1,0 2,05 3,9 4,4 4,4 0,045 đến 0,077 0,25 đến 5,0 1,10 1,35 3,0 3,4 3,09 0,100 đến 0,180 1,00 đến 30,0 1,9 2,2 5,4 6,7 3,52 0,167 đến 0,46 D60 D10 Hệ số thấm bê tông xốp k1 (cm/s) 0,00 đến 30,0 1,24 1,95 5,3 6,2 5,0 0,250 đến 0,62 0,25 đến 10,0 0,35 3,6 1,6 2,4 6,8 0,28 đến 0,80 10 1,00 đến 20,0 1,34 1,67 4,4 5,9 4,4 0,35 đến 0,56 11 1,00 đến 20,0 1,75 2,25 6,2 7,75 4,45 0,53 đến 0,78 12 1,00 đến 20,0 2,40 3,4 7,3 8,5 3,54 1,05 đến 1,96 13 1,00 đến 10,0 1,4 1,80 3,40 4,0 2,85 1,40 đến 1,80 14 1,00 đến 20,0 2,24 2,8 4,3 4,8 2,14 1,65 đến 2,05 15 0,00 đến 20,0 3,10 4,0 6,2 6,7 2,16 1,88 đến 2,60 16 3,00 đến 7,0 2,1 3,2 4,7 5,4 2,55 2,10 đến 3,20 17 7,00 đến 20,0 7,7 8,6 12,5 14,0 1,82 3,06 đến 5,68 18 3,00 đến 20,0 5,1 5,1 8,90 8,8 1,72 4,97 đến 6,22 19 2,00 đến 20,0 4,6 6,0 9,50 11,0 2,4 5,06 đến 6,25 5,00 đến 25,0 5,2 7,2 11,5 13,0 2,5 12,10 đến 15,30 21 7,00 đến 25,0 7,5 8,6 14,0 16,0 2,1 15,3 đến 20,10 22 5,00 đến 40,0 9,0 13,0 25,0 31,0 3,45 28,0 đến 31,00 23 20,00 đến 40,0 - - - - - 32,0 đến 40,00 20 CHÚ THÍCH: Các trị số k1 bảng xác định sở thí nghiệm theo chế độ thấm tầng Thành phần lọc bê tông xốp thỏa mãn yêu cầu đất không xói ngầm bảo vệ với: 1) Cốt đất khơng rải vào lớp lọc; 2) Hệ số thấm lọc lớn hệ số thấm đất bảo vệ Nếu kb so với trị số tính tốn k1 không khác độ lớn (không lớn lần) đất đá dăm (sỏi) cho dùng, không cần sàng lọc, làm cốt liệu cho lọc bê tông xốp Hệ số không hạt vật liệu làm lọc bê tông xốp không vượt trị số Vật liệu có hệ số khơng hạt vượt q phòng thí nghiệm khuyến cáo cp cp = 12 , sử dụng sau nghiên cứu e) Nếu đất lọc bảo vệ xói ngầm cần kiểm tra độ không bồi tắc lọc hạt nhỏ bị lôi đất Để hạt đất nhỏ (dml 7; - Trị số tính tốn gradien cột nước mặt cắt A – B, J tt = A.1.2 Trình tự tính tốn: a) Theo số liệu cho Jtt = 5, tìm Dott trị số tính tốn đường kính kẽ rỗng vật liệu lớp thứ lọc Theo công thức (90) = 45o = 0,36 xác định theo đồ thị = f( 1), Hình 24 0,34 0,36.5 0,71 Dott b) Hệ số không hạt , chọn 0,37cm 3,7mm = D60 D10 12 Từ đồ thị m1 = f( 1) Hình 8, tìm trị số độ rỗng m1 = 0,35 c) Xác định kích thước hạt D17 lớp thứ lọc theo hệ thức (95): D17 C 0,37 0,35 6,2cm 0,69.1,6 0,35 0,05 1 0,05.12 1,6 0,4556 0,4556 12 0,69 d) Tìm đường kính tác dụng D10 lớp thứ lọc từ đồ thị =f D10 , Hình 26, D17 12 hệ số i = 0,67; D10 = I D17 = 0,67.6,20 = 4,15 mm Khi đường kính kiểm tra: D60 = D10 = 12.4,15 = 50,0 mm e) Trị số lớn hạt Dmax = D100 lớp thứ lọc, xác định theo hệ thức (98) = + 1,28lg12 = 2,38; D100 4,15 + 102,28 50 12 5.12 105mm Theo trị số D10, D17, D60, D100 tính có qui tròn phía nhỏ, xây dựng đường cong thành phần hạt đất lớp thứ lọc bảo vệ đất dính Đường cong cần lấy giới hạn “vùng” cho phép A.2 Ví dụ Xác định độ hữu dụng vật liệu mỏ vật liệu có sẵn (Hình 30) để dùng cho lớp thứ lọc bảo vệ đất (sét) dính hạ lưu tường nghiêng đập (Hình 27) A.2.1 Số liệu ban đầu: - Chỉ số dẻo vật liệu tường nghiêng Wd = 16; - Trị số tính tốn gradien cột nước Jtt = 8; Các vật liệu mỏ cho: - Vật liệu 1: D’17 = 2,6 mm; ’ = 3,45; m’ = 0,39; - Vật liệu 3: D’’’17 = 11,0 mm; ’’’ = 4,26; m’’’ = 0,40 A.2.2 Trình tự tính tốn: a) Theo trị số cho Jtt = 8, dùng hệ thức (90), xác định trị số tính tốn đường kính kẽ rỗng vật liệu lớp thấp lọc (với = 45o), sơ xác định từ đồ thị = f(Jtt), Hình 24; = 0,34 = 0,286cm = 2,86mm 0,43.8 0,71 Dott b) Theo hệ thức (23), tìm kích thước lớn kẽ rỗng vật liệu mỏ 1: x = + 0,05 3,45 = 1,17; C = 0,455 D0max 3,45 = 0,56 1,17.0,56 Từ tính tốn thấy 0,39 2,6 1,10mm 2,86mm 0,39 D0max Dott ; Do đó, điều kiện (94) thỏa mãn, vật liệu mỏ dùng cho lớp thứ lọc ngược đất sét cần bảo vệ có trị số dẻo W d = 16 c) Đối với vật liệu mỏ 3, tương ứng trên, tính được: x = 1+ 0,05.4,26 = 1,21; c = 0,455 D0max 4,26 1,21.0,57 0,55 0,40 11 5,10mm 0,40 2,86mm max Trong trường hợp điều kiện (94) không thỏa mãn ( D0 D tto ) vật liệu mỏ khơng có bổ sung thành phần hạt khơng thể dùng cho lớp thứ lọc ngược A.3 Ví dụ Từ điều kiện bên thấm, xác định chiều dày tường nghiêng chống thấm t (Hình 27), lớp thứ lọc (ở phía hạ lưu) đất đá dăm (ví dụ 2, A.2) Trình tự tính tốn: a) Xác định kích thước lớn kẽ rỗng D omax vật liệu mỏ theo hệ thức (23) Từ điều A.2 ví dụ vật liệu mỏ 3, có Domax = 5,10 mm, Trị số Domax lấy làm trị số tính tốn, nghĩa là: Domax = Dott = 5,10 mm c) Biết trị số tính tốn Domax, xác định trị số tính tốn gradien cột nước Jtt dòng thấm tường nghiêng (với = 45o) theo công thức (102) với trị số xác định từ đồ thị = f(Domax), Hình 25 J tt 0,34 max D cos 0,34 0,16 0,512 0,71 3,12 d) Chiều dày tường nghiêng theo điều kiện bền thấm với cột nước H = 40 mm (Hình 27) xác định theo hệ thức (103) t= H J tt 40 12,8 13m 3,12 Đường kính hạt, mm Hình A.3.1 – Thành phần hạt vật liệu mỏ vật liệu lớp thứ lọc PHỤ LỤC B (tham khảo) VÍ DỤ TÍNH TỐN CHỌN THÀNH PHẦN HẠT CỦA ĐẤT ĐÁ DĂM THUỘC THÀNH PHẦN CỦA LỌC BẰNG BÊ TÔNG XỐP BẢO VỆ CHO ĐẤT NỀN B.1 Số liệu ban đầu - Thành phần hạt đất nêu Hình B.2.1, từ đất ta tìm được: d = 0,01 mm; d10 = 0,25 mm; d17 = 0,35 mm; d60 = 2,0 mm; dmax = 7,0 mm; - Hệ số không hạt nd d 60 d10 8; - Hệ số thấm kđ = 0,09 cm/s; - Dung trọng đất Yđ = 1,75g/cm3; - Độ rỗng mđ = 0,34; - Gradien cột nước (theo tính toán thấm) vùng tiếp xúc đất với lọc: J ttmax = 0,4 Đường kính hạt, mm Hình B.2.1 – Thành phần hạt đất đá dăm ấn định cho lọc bê tông xốp B.2 Trình tự tính tốn a) Xác định độ xói ngầm đất theo hệ thức (71): d3 d17 0,05 143 0,35 N (0,32 0,016 N; d ).6 d md md (0,32 0,016.8).6 0,34 0,34 0,33 Hệ thức (71) không thỏa mãn, đất xói ngầm b) Kích thước dtv xác định đất xói ngầm (khoản a điều 8.3) - Xác định kích thước hạt đất dxn bị lôi khỏi vùng tiếp xúc gradien cho Jttmax = 0,4; Theo hệ thức (43), tìm o 0,6 yd , xác định trước f* = 0,223 từ đồ thị Hình đất có o f * sin 30 b 0,60 = 8; 1,75 0,223.0,66 0,066 Thay trị số vào hệ thức (73), tính được: d xn 1,5.0,4 0,34.981 0,066 0,01.0,09 0,015cm 0,15mm đất, hạt có đường kính = 0,15 mm chiếm %, nghĩa d xn > d3 - Với điều kiện dxn > d3, dtv xác định theo cơng thức (74): dtv = B d3; đó: B = 8; d3 = 0,03 mm, thay trị số vào (74), tính được: d tv = 0,03=0,24mm 0,25mm c) Theo trị số dtv tính được, xác định đường kính trung bình kẽ rỗng lọc phù hợp với công thức (12): Do 1,8dtv = 1,8 0,25 = 0,45 mm d) Theo hệ thức (107), xác định hệ số thấm lọc: k1 = 615mo Do2 mo = 0,408 theo đồ thị mo = f(Do) Hình 27: tính k1 = 615 0,408 0,0452 = 0,51 cm/s e) Theo trị số cho k1, từ bảng 3, chọn thành phần hạt vật liệu cho lọc bê tông xốp, đá dăm D = từ mm đến 20 mm; Dmin = 1,0 mm; D10 = 1,75 mm; D17 = 2,15 mm; D50 = 2,6 mm; D60 = 7,75 mm; D100 = 20,0 mm; Theo trị số Dmin; D10; D17; D100 lập đường cong thành phần hạt vật liệu dùng, trường hợp xét cho lọc bê tơng xốp (Hình B.2.1) f) Kiểm tra độ ngấm nước lọc: k1 kd 0,51 0,09 dd 5,7 4,43 3,28 5,7 g) Kiểm tra lọc độ khơng bồi tắc: Với kích thước hạt tạo vòm dtv chọn hệ thức (74), phát triển xói ngầm học nguy hiểm đất bảo vệ bị ngăn ngừa việc lơi hạt đất bị giới hạn kích thước cho phép đất d3 = 0,03 mm, lơi hạt khơng làm độ bền độ ổn định đất bị phá hoại Các hạt bị lơi dòng thấm khơng làm bồi tắc lọc, nghĩa phải thỏa mãn điều kiện không bồi tắc (55) (37): D0 1,1dxn a*; dtv 3dxn Trong trường hợp cho, có Do = 0,45 mm, dtv = 0,25 mm, dxn = 0,03 mm, hệ số a* = 4, lấy theo bảng điều 5.7: 1,1dxn a* = 1,1 0,03 = 0,132 mm; Do = 0,45 > 0,132; dxn = 0,03 = 0,09 mm; dtv = 0,25 > 0,09 Điều kiện không bồi tắc 3được thỏa mãn ... từ đất hạt nhỏ không % theo trọng lượng bị lơi Đất mỏ đất gia công nhân tạo dùng làm tầng lọc, đất bảo vệ lọc ngược, cần tính (theo tiêu chuẩn hình học) đất thực tế khơng xói ngầm thơng số thỏa... gia cố mái: a) Lọc ngược đá dăm 25 b) Lọc ngược cát, sỏi nhẵn 20 Cơng trình cấp III IV theo vốn đầu tư cơng trình tạm 20 đến 25 Nền nhà máy thủy điện đập bê tông 12 Tiêu nước bê tông xốp 12 Tiêu. .. nhỏ cần bảo vệ Trong trường hợp cá biệt, lọc ngược làm nhiệm vụ gia tải chống tượng đùn đất Lọc ngược kết cấu độc lập phận kết cấu tiêu nước (nghiêng theo mái dốc, ống, lăng trụ đá, v.v…) 4.2 Yêu