CSThietKeCTT chuong3 thamduoidaycongtrinh

12/30/2019 KHOA TÀI NGUYÊN NƯỚC MÔN: CƠ SỞ THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH THỦY CHƯƠNG 3: THẤM DƯỚI ĐÁY CƠNG TRÌNH GV: Ths.NCS Lê Ngọc Anh Ths.NCS Lê Ngọc Anh 1 NỘI DUNG CHÍNH: 3.1 Khái niệm chung 3.2 Thấm qua đất đồng chất 3.2.1 Những vấn đề chung 3.2.2 Các phương pháp tính thấm 3.3 Thấm qua đất không đồng chất 3.3.1 Nền thấm gồm lớp đồng với hệ số thấm khác 3.3.1 Môi trường thấm dị hướng (xem sách) 3.4 Các biện pháp phịng chống thấm 3.5 Biến hình thấm đất biện pháp phòng chống (xem sách) Ths.NCS Lê Ngọc Anh 2 12/30/2019 3.1 Khái niệm chung I Sự hình thành dịng thấm Khi cơng trình làm việc, tạo chênh lệch mực nước thượng hạ lưu Nước di động qua kẽ rỗng đất hai bên vai cơng trình tạo thành dòng thấm Tác hại dòng thấm  Làm nước  Gây áp lực thấm lên phận cơng trình  Phá hoại kết cấu cơng trình làm ổn định cơng trình Phân loại dịng thấm  Dịng thấm có áp: dịng thấm khơng có mặt thống (VD: thấm đáy cơng trình)  Dịng thấm khơng áp: dịng thấm có mặt thống (VD: thấm qua thân đập đất, thấm qua vai đập) Ths.NCS Lê Ngọc Anh 3.1 Khái niệm chung II Mục đích nghiên cứu dịng thấm Xác định lưu lượng thấm (Đánh giá tổn thất nước xác định hình thức chống thấm cho cơng trình) Xác định vị trí đường bão hịa thấm (Đánh giá ổn định cơng trình bố trí vật liệu, xác định hình thức nước cho cơng trình) Tính tốn gradient thấm (Đánh giá mức độ xói ngầm chung xói ngầm cục bộ, xác định kết cấu chống thấm, thoát nước thành phần tầng lọc ngược) Ths.NCS Lê Ngọc Anh 4 12/30/2019 3.2 Thấm qua đất đồng chất đáy cơng trình 3.2.1 Những vấn đề chung 3.2.2 Các phương pháp tính thấm I Phương pháp giải tích II Phương pháp sử dụng lưới thấm III Phương pháp số Ths.NCS Lê Ngọc Anh 3.2.1 Những vấn đề chung (1) Các giới hạn miền thấm Giới hạn trên:  Đoạn ABCDEF: sân trước;  Đoạn GHIKLM: đáy cơng trình với đoạn nước IK;  Đoạn MN: sân tiêu năng;  Đoạn PQ: sân sau Giới hạn (tầng không thấm): đoạn O – O’ Ths.NCS Lê Ngọc Anh 6 12/30/2019 3.2.1 Những vấn đề chung (2) Các giả thuyết  Đất môi trường đồng đẳng hướng;  Nước chứa đầy miền thấm không ép co được;  Dòng thấm ổn định;  Dòng thấm chảy tầng tuân theo định luật Darcy: V = kJ (V: lưu tốc thấm bình quân mặt cắt ướt; k: hệ số thấm; J: gradien thủy lực)  Trong miền thấm khơng có điểm tiếp nước điểm rút nước;  Bài toán thấm phẳng Ths.NCS Lê Ngọc Anh 3.2.2 Các phương pháp tính thấm I Tính thấm phương pháp giải tích Phương pháp hệ số sức kháng Bộ phận cửa vào (1 – – 3)  Đường viền thẳng đứng Bộ phận (4 – – 6) Bộ phận cửa (7 – – 9)  Đường viền ngang (3 – 4; – 7) Ths.NCS Lê Ngọc Anh 8 12/30/2019 I Tính thấm phương pháp giải tích (2) Phương pháp hệ số sức kháng Cột nước thấm tiêu hao: : hệ số sức kháng phận i q hi  i k H   hi  q: lưu lượng thấm k: hệ số thấm q q H H i    hi  i  k k  i  i  Như vậy, để xác định cột nước thấm phận ta cần xác định hệ số sức kháng vị trí Ths.NCS Lê Ngọc Anh Phương pháp hệ số sức kháng (2)  Xác định hệ số sức kháng phận  Bộ phận T2  S 0,5 0,5  T  10 a S T   g   1,5   S S T T 2 0   0,8  0,75 T2  T2  Khi S2 = 0, a2 ≠  b  a2 T1 Hệ số sức kháng bậc  Khi S2 ≠ 0, a2 = (T1 = T2 = T)  Hệ số sức kháng cừ  Bộ phận cửa vào S 0, S2 T  c  1,  S T  0, 75 T v ,r  0, 44  b   c  L  0,5  S1  S2  S1  S2  L    n  Ti  Bộ phận nằm ngang  L: chiều dài ngang S  S L   n   S1 S2 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 10 10 12/30/2019 Phương pháp hệ số sức kháng (3)  Xác định hệ số sức kháng phận Khi chiều dày tầng thấm lớn, thường người ta xét đến phần dòng thấm phạm vi “tầng thấm mạnh” Chiều dày giới hạn tầng thấm Ttt phụ thuộc vào trị số hình chiếu ngang L0 hình chiếu đứng S0 đường viền thấm, lấy theo bảng  Nếu T0 < Ttt tính tốn hệ số sức kháng theo T0  Nếu T0 > Ttt tính theo trị số Ttt 11 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 11 Phương pháp hệ số sức kháng (4)  Xác định trị số gradient Trị số gradient thấm lớn cửa Jr  H T1   i ∑ : xác định với Ttt α: xác định theo Antipov   S T     sin     1     T1 T1 T1 lấy phía tầng thấm dày, T2 lấy phía tầng thấm mỏng (T2 ≤ T1) S: chiều dài cừ cửa = 1,1 tính theo Ttt; Ths.NCS Lê Ngọc Anh = 1,0 tính với trường hợp khác 12 12 12/30/2019 Phương pháp tỷ lệ đường thẳng (PP Len) (1) Chiều dài tính tốn dịng thấm Ltt  Ld  Ln m  Lđ: chiều dài tổng cộng đoạn viền thẳng đứng, nghiêng góc α >= 450 so với phương ngang  Ln: chiều dài tổng cộng đoạn viền nằm ngang, nghiêng góc α < 450 so với phương ngang  m: hệ số phụ thuộc vào dạng đường viền thấm  Khi có hàng cừ m = 1÷1,5;  Khi có hàng cừ m = 2÷2,5;  Khi có hàng cừ m = 3÷3,5; 13 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 13 Phương pháp tỷ lệ đường thẳng (PP Len) (2) Điều kiện để đảm bảo độ bền thấm chung Ltt  C.H  C: hệ số phụ thuộc tính chất đất Ths.NCS Lê Ngọc Anh 14 14 12/30/2019 Phương pháp tỷ lệ đường thẳng (PP Len) (3) Biểu đồ áp lực thấm lên đáy cơng trình  Trị số cột nước thấm điểm cách mép hạ lưu đường viền thấm đoạn x hx  x H L tt (Qui tắc x tính giống Ltt) a) Sơ đồ tính tốn; b) Biểu đồ áp lực thấm 15 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 15 Phương pháp tỷ lệ đường thẳng (PP Len) (4) Xác định gradient thấm vận tốc thấm trung bình Jd   Đoạn viền thẳng đứng:  Đoạn viền nằm ngang: Jn   Lưu lượng thấm đơn vị: Trong đó: T H H ; Vd  k L tt L tt H H ; Vn  k m L tt m L tt q  k J n T  T L L i i i Ti chiều dày bình quân tầng thấm tương ứng đoạn đường viền nằm ngang có chiều dài Li Ths.NCS Lê Ngọc Anh 16 16 12/30/2019 II Phương pháp sử dụng lưới thấm (1)  Lưới thấm Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, lưới thấm hình thành hai họ đường cong trực giao  Đường dòng: biểu diễn quỹ đạo phần tử nước chuyển động miền thấm  Đường (gọi tắt đường đẳng hay đường đẳng cột nước): tập hợp điểm có cột nước thấm Đường Đường dịng a) Lưới thấm; b) Biểu đồ gradient thấm Jr Ths.NCS Lê Ngọc Anh 17 17 Phương pháp sử dụng lưới thấm (2)  Lưới thấm  Đường dòng đầu tiên: đường viền thấm đáy cơng trình  Đường dịng cuối mặt tầng khơng thấm  Đường đáy sơng phía thượng lưu đường  Đường đáy nước phía hạ lưu đường cuối  Phần miền thấm đường dòng kề gọi ống dòng  Phần miền thấm đường kề gọi giải  Tại vị trí mà đường dịng, đường gần sát vào nơi có dòng thấm mạnh (gradient thấm lớn); ngược lại, vị trí có đường dịng, đường thưa nơi có dịng thấm yếu  Lưới thấm phụ thuộc vào dạng hình học miền thấm mà khơng phụ thuộc vào hệ số thấm, cột nước, chiều dòng thấm, kích thước tuyệt đối cơng trình Ths.NCS Lê Ngọc Anh 18 18 12/30/2019 Phương pháp sử dụng lưới thấm (3)  Xác định đặc trưng dịng thấm Lưới thấm có m ống dịng, n giải Số thứ tự đánh từ hạ lưu lên thượng lưu  Cột nước thấm điểm cuối giải thứ i hi  i H n • i: số thứ tự đường (khi vị trí xác định khơng nằm đường nội suy i)  Lưu lượng thấm đơn vị q  k J tb S  k H S n.L • ∆L: kích thước trung bình mắt lưới theo phương dịng thấm • ∆S: kích thước trung bình mắt lưới theo phương thẳng đứng 19 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 19 Phương pháp sử dụng lưới thấm (4)  Xác định đặc trưng dịng thấm  Lưu lượng thấm tồn miền q  m.q  k H m n  Lưu lượng thấm dẫn suất (qr) Khi k = H =  q  qr  m n  Gradient thấm Gradient thấm bình quân mắt lưới: J  H H  L n.L Lưới thấm vẽ dày mức độ xác tính J cao Ths.NCS Lê Ngọc Anh 20 20 10 12/30/2019 III Phương pháp số (1)  Phương trình vi phân dòng thấm  2h  2h   0; h  h  x, y  x y Thường sử dụng phương pháp phương pháp sai phân phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)  Phương pháp sai phân hữu hạn Theo phương pháp này, miền tính chia thành lưới chữ nhật có kích thước a x b PT sai phân viết điểm mắt lưới (PT *)  h h  x  a, y   h  x, y   x  a  h  x  a, y   2h  x, y   h  x  a, y   h  x  a2   h  x, y  b   h x, y   h   b  y  h x , y  b  2h  x, y   h x, y  b   h     y b2 PT * viết cho tất điểm mắt lưới kết hợp với điều kiện biên để giải hệ PT để tìm cột nước h vị trí 21 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 21 III Phương pháp số (2)  Phương pháp phần tử hữu hạn Theo phương pháp này, miền thấm chia thành hình tam giác có kích thước hình dạng khác phù hợp với biên tính chất dịng thấm khu vực khác (khu vực có cường độ thấm mạnh chia thành phần tử có kích thước nhỏ ngược lại) Cột nước h(x, y) điểm xác định biết giá trị cột nước h đỉnh i, j, m phần tử hi h k   N i N j N m  h j hm • Nk(k=i,j,m): hàm hình dạng phụ thuộc vào tọa độ điểm xét • hk: cột nước thấm vị trí k phần tử xét Ths.NCS Lê Ngọc Anh 22 22 11 12/30/2019 III Phương pháp số (3)  Phương pháp phần tử hữu hạn Nghiệm toán cực tiểu hàm: p E  h    Ee • p: số phần tử chia miền tính o Hàm Ee:   h   h   Ee    k    k   dx.dy • : diện tích phần tử     x   y   Trị số cột nước h thu cách giải hệ phương trình p Ee  h i 1 0 i Ths.NCS Lê Ngọc Anh 23 23 3.3 Thấm qua đất không đồng chất I Nền thấm gồm lớp đồng với hệ số thấm khác II Môi trường thấm dị hướng Ths.NCS Lê Ngọc Anh 24 24 12 12/30/2019 I Nền thấm gồm lớp đồng với hệ số thấm khác (1)  Hệ số thấm trung bình Điều kiện áp dụng: lớp đất xếp song song dòng thấm chảy dọc theo lớp đất chảy theo phương thẳng góc với lớp đất  Dòng thấm chảy dọc theo lớp h1 Đặc điểm o Dòng thấm lớp có gradient thấm o Lưu lượng thấm chung tổng lưu lượng thấm lớp  kiti q  J  ki ti  ktb J T ktb J  ti  ktb   ti q  ktb J  ti  ktb h2 L h1  h2  ti L 25 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 25 I Nền thấm gồm lớp đồng với hệ số thấm khác (1) Ví dụ: cho sơ đồ tính hình vẽ, xác định hệ số thấm trung bình lưu lượng thấm đáy? H1 = 5m H2 = 2m t1 = 4m, k1 = 8.10-4m/s t2 = 6m, k2 = 2.10-4m/s t3 = 10m, k3 = 2.10-5m/s L = 20m Ths.NCS Lê Ngọc Anh 26 26 13 12/30/2019 I Nền thấm gồm lớp đồng với hệ số thấm khác (2)  Dịng thấm chảy thẳng góc với lớp Đặc điểm o Dòng thấm qua lớp có lưu lượng (q) o Tổn thất cột nước thấm: = ∑ℎ o Tổng chiều dài đường thấm: q  ki =∑ hi q l T  hi  i li T ki H   hi  q li T H q  l T ki  ki i q  ktb H T L  k tb  L  li ki 27 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 27 I Nền thấm gồm lớp đồng với hệ số thấm khác (3)  Sự đổi hướng dòng thấm vượt qua ranh giới lớp đất Xét bó dịng phân tố có lưu lượng thấm dq, ta có: dq  k1 dh dh ds1  k2 ds2 dl1 dl2 Với  k1tg  k2tg   Ths.NCS Lê Ngọc Anh ds1  dl1tg  ds2  dl2tg  tg  k1  tg k2 28 28 14 12/30/2019 II Nền thấm môi trường thấm dị hướng (xem sách) Trong thực tế, hệ số thấm theo phương không giống  Hệ số thấm theo phương ngang: kn = kmax  Hệ số thấm theo phương đứng: kđ = kmin Biến đổi toán thấm dị hướng toán thấm đẳng hướng phương pháp biến đổi tương đương đ = = đ = =  ktb  k n'  kd'  k max kmin Lưu lượng thấm: q  k max k H qr Gradient thấm cửa ra: J k max J r k qr: lưu lượng thấm dẫn suất (lưu lượng thấm ứng với giá trị k=1, H=1) Ths.NCS Lê Ngọc Anh 29 29 3.4 Các biện pháp phòng chống thấm cho đất I Khái niệm chung II Các biện pháp phòng chống thấm Sân trước Cừ chống thấm Chân khay Ths.NCS Lê Ngọc Anh 30 30 15 12/30/2019 I Khái niệm chung Mục đích phịng chống thấm  Hạn chế lượng nước thấm;  Giảm áp lực thấm đáy để tăng ổn định cho cơng trình;  Giảm gradien thấm cửa để tránh biến hình thấm cho đất Nhận xét     Khi tăng chiều dài đường viền thấm gradien thấm bình quân lưu lượng thấm giảm ngược lại Khi tăng chiều dài đoạn thượng lưu giữ nguyên kích thước phận khác áp lực thấm đáy cơng trình giảm Khi giảm chiều dài đoạn hạ lưu giữ nguyên kích thước phận khác áp lực thấm đáy cơng trình giảm nhanh Các đoạn đường viền thẳng đứng bố trí hợp lý có tác dụng lớn việc tiêu hao cột nước thấm so với đoạn nằm ngang có độ dài 31 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 31 II Các biện pháp phòng chống thấm (1) Sân trước  Điều kiện áp dụng: tầng thấm dày, địa chất khơng cho phép đóng cừ  Cấu tạo: Sân trước làm đất sét, đất pha sét, vải chống thấm, bêtông átphan, bêtông thường bêtông cốt thép Loại sân bêtông bêtơng cốt thép có neo chặt vào đáy để tăng ổn định chống trượt cơng trình (đối với cơng trình nhẹ đất) Sơ đồ bố trí sân trước đất xét Ths.NCS Lê Ngọc Anh 32 32 16 12/30/2019 II Các biện pháp phòng chống thấm (2)  Xác định kích thước sân trước  Chiều dài Ls Ls = (3 ÷ 5)H H: chênh lệch cột nước thượng hạ lưu Chiều dài tối đa sân trước: Ls max  ks ttb T kn Trong đó: Ks, kn: hệ số thấm vật liệu làm sân trước đất ttb: chiều dày trung bình sân trước T: chiều dày tầng thấm 33 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 33 II Các biện pháp phịng chống thấm (3)  Xác định kích thước sân trước  Chiều dài dày (ts) ts  Trong đó: H J cp o ∆H: độ chênh cột nước mặt mặt sân mặt cắt tính tốn o Jcb: gradient thấm cho phép vật liệu làm sân (đất sét: Jcb = ÷ 6; bê tông: Jcb = 10 ÷ 20) Lưu ý: thường chọn ts theo yêu cầu thi công, cấu tạo  Với bê tông ts ≥ 0,4m;  Với đất sét: đầu sân ts ≥ 0,5 ÷ 1,0 m; cuối sân chỗ tiếp giáp với đáy ts ≥ 1,0m;  Với đất thịt: tăng bề dày lên 20 ÷ 30 % so với đất sét Ths.NCS Lê Ngọc Anh 34 34 17 12/30/2019 II Các biện pháp phòng chống thấm (4) Cự chống thấm  Bố trí cừ  Đối với đất có tầng thấm dày: thường làm sân trước đóng hàng cừ mép thượng lưu đáy (S2)  Nền cát nhỏ: cần đóng thêm hàng cừ mép thượng lưu sân trước (S1) để giảm áp lực thấm lên đáy  Có thể đóng thêm hàng cừ S3 để giảm gradient thấm cửa Xem video 35 Ths.NCS Lê Ngọc Anh 35 II Các biện pháp phòng chống thấm (5) Cự chống thấm  Bố trí cừ • Độ sâu đóng cừ ti thiu Smin = 2,5 ữ 3,0m ã S2 = (0,6 ữ 1,0)H ã S1 < S2 ã Khong cỏch cừ thõa điều kiện: L > (S1 + S2) • Nếu đáy cơng trình có thiết bị nước phải đặt xa cừ khoảng lớn 0,5.S2 • Điều kiện khống chế độ sâu cừ S3:  1 1  S3   15  10  T     1   S   L   30 20  Ths.NCS Lê Ngọc Anh • T: chiều dày tầng thấm • L0: chiều dài hình chiếu đường viền thấm 36 36 18 12/30/2019 II Các biện pháp phòng chống thấm (6) Cự chống thấm  Cấu tạo  Cừ thép  Ưu điểm bật chống thấm tốt, bền, dùng cho loại khơng phải đá, có lẫn cuội, sỏi Loại cừ có khả liên kết tốt, chịu áp lực cao Các khớp cừ khoẻ đủ lớn, tăng độ cứng cừ cho phép ván cừ quay góc độ định quanh khớp nối  Cừ thép có nhược điểm giá thành cao nên sử dụng cho cơng trình quan trọng Ths.NCS Lê Ngọc Anh 37 37 II Các biện pháp phòng chống thấm (7) Cự chống thấm  Cấu tạo  Cừ thép  Độ sâu đóng cừ đạt 25m; dùng biện pháp hàn nối cừ đóng sâu tới 40m Ván cừ có loại: phẳng, chữ u, chữ z Ths.NCS Lê Ngọc Anh 38 38 19 12/30/2019 II Các biện pháp phòng chống thấm (8) Cự chống thấm  Cấu tạo  Cừ bê tơng cốt thép  Cừ đóng loại khơng phải đá  Có thể dùng loại có mộng hình tam giác, hình thang, dạng khớp theo kiểu cừ thép  Tuỳ theo công dụng điều kiện chịu lực cừ mà lựa chọn kích thước cừ cho phù hợp Thường bề dày bêtông cốt thép từ 10 - 50cm; bề rộng 50 - 60cm Ths.NCS Lê Ngọc Anh 39 39 II Các biện pháp phòng chống thấm (9) Chân khay  Cấu tạo  Chân khay đúc liền với đáy cơng trình, bấm sâu vào để tăng ổn định cho cơng trình, mặt chống thấm, chân khay có tác dụng cừ ngắn  Chân khay thường bố trí đầu đáy Chiều sâu chân khay thường nhau, cần tăng ổn đinh chống trượt cho cơng trình làm chân khay thượng lưu sâu hon để tạo mặt trượt nghiêng phía thượng lưu Ths.NCS Lê Ngọc Anh 40 40 20 12/30/2019 BÀI TẬP ÁP DỤNG Cho sơ đồ tính thấm hình vẽ  Ztl = +35m; Zhl = +10m  Chiều dài cừ đứng tính từ thượng lưu hạ lưu là: d1 = 15m, d2 = 12m, d3 = 20m (1 hàng cừ m = 1)  Chiều dày tầng thấm: T1 = 10m, T2 = 8m, T3 = 12m  Kích thước: L1 = 15m, L2 = 100m, L3 = 20m  Hệ số thấm k = 2.10-4 m/s  Vẽ biểu đồ áp lực thấm h (m)? Lưu lượng thấm đơn vị q(m2/s) Ths.NCS Lê Ngọc Anh 41 41 21