CHƯƠNG IX : ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY TẦNG THẤM ĐẾN KÍCH THƯỚC CHÂN KHAY ĐẾN KÍCH THƯỚC CHÂN KHAY
9.1. Mục đích chuyên đề tính toán
9.1.1. Mục đích
Đập đất là một loại đập được xây dựng bằng vật liệu hiện có của vùng xây dựng như : sết, á sét, cát, á cát, sỏi cuội… Đập đất có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hóa cao khi thi công và trong đa số trường hợp có giá thành hạ nên đập đất được ứng dụng rộng rãi nhất trong hầu hết các nước.
Đối với đập đất đồng chất xây dựng trên nền thấm nước có hạn thì hình thức chống thấm cho nền thường là tường răng nếu chiều dày tầng thấm không quá lớn, sân phủ nếu tầng thấm khá dày, bản cọc nếu là nền đất hoặc màng xi măng nếu là nền đá.
Trong quá trình tính toán thiết kế đập đất đồng chất với thiết bị chống thấm cho nền là chân khay thì kích thước của chân khay tính theo Nguyễn Xuân Trường phụ thuộc vào các yếu tố kđ , kn , và chiều đày tầng thấm T. Hiện nay trong tính toán thường dùng theo Nguyễn Xuân Trường, thực tế khi tính toán với kđ , kn , T thay đổi thì kích thước chân khay cũng thay đổi .
Trong chuyên đề ta đi sâu nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dày tầng thấm tới kích thước chân răng và tỷ số giữa hệ số thấm của đất nền và đất đắp đập thay đổi thì kích thước chân khay cũng theo dó khác nhau. Vấn đề cần đặt ra khi thiết kế loại đập này là cần xác định được vị trí, kích thước hợp lý của chân khay trong nền.
9.1.2. Giới thiệu phần mềm Geo – Slope
Hiện nay để tính toán giải quyết các bài toán về thấm, đã xuất hiện một số phần mềm tính thầm. Việc sử dụng các phần mềm ứng dụng có thể giải quyết các bài toán thấm phức tạp, khối lượng tính toán lớn.
SEEP/W V.5 là một trong sáu phần mềm Địa kỹ thuật trong bộ GEO -SLOPE Office của GEO-SLOPE International – Canada, dùng để phân tích thấm theo phần tử hữu hạn, là phiên bản mới nhất của của GEO-SLOPE International.
Tài liệu này dùng để học tập, giúp làm quen với việc giải từng bước một bài toán phân tích thấm trong Địa kỹ thuật, trước khi tự giải quyết một bài toán có liên quan gặp trong thực tế.
SEEP/W là phần mềm giao diện đồ hoạ, 32 bit có thể chạy trong hệ điều hành Wins 95/98/NT/2000 và XP, dùng để mô hình hoá chuyển động của nước và phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong môi trường đất đá theo PTHH.
SEEP/W là phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn dùng cho phân tích quá trình nước ngầm và sự phân tán áp lực nước lỗ rỗng trong vật liệu xốp như đất, đá. Các công thức bao hàm toàn diện của phần mềm cho phép bạn xem xét các phân tích từ đơn giản như bài toán thấm ổn định bão hòa tới các bài toán phức tạp như các bài toán thấm bão hòa, không bão hòa phụ thuộc thời gian. SEEP/W có thể phân tích các bài toán: dòng thấm không áp, ngấm do mưa, thấm từ bồn chứa nước ảnh hường tới mức nước ngầm, áp lực nước lỗ rỗng dư và thấm chuyển tiếp.
9.1.3. Những kết luận của Nguyễn Xuân Trường 9.1.3.1. Vấn đề kích thước chân khay
Chiều rộng hợp lý của tường răng là thực chất xác định kích thước chân khay sao cho với kích thước chân khay nào đó không sinh ra xói ngầm chân khay dưới tác dụng của gradien thấm lớn nhất qua chân khay. tức là gradien thấm tại mặt cắt bé nhất JCD. Vì vậy trong thiết kế kích thước hợp lý cần kiểm tra theo điều kiện sau:
JCD< [JCD] (9.1)
- Theo NXT thì JCD có thể xác đinh theo công thức kinh nghiệm:
− + − = β λ λ α. 0,665 0,467. 0,617. 0,4 CD J (9.2)
Trong đó: H l = β ; T H k k T H đ n + + = .
λ : l-chiều rộng chân khay α hệ số phụ thuộc tỷ số
đ n
k k
và vị trí của tường răng
Với ý nghĩa là trị số thấm tiếp xúc thì [JCD] có thể lấy theo đồ thị 2.21( sách Thiết kế đập đất- NXT) còn với ý nghĩa là thấm qua tường răng có thể lấy theo bảng 2.16 ( sách Thiết kế đập đất- NXT).
9.1.3.2. Tính thấm qua nền đập đồng chất có tường răng trên nền thấm nước
Theo kết quả nghiên cứu thì vì trí thích hợp nhất của chân khay là nằm trong đoạn giữa thân đập, trong mục tính thấm chỉ trình bày phương pháp tính thấm đối với đập có tường răng nằm ở đoạn giữa thân đập.
Nguyên tắc cơ bản theo tác giả là khi đập đồng chất trên nền thấm nước có hệ số thấm của than đập (kđ) và hệ số thấm của nền (kn) khác nhau thì không cho phép chia thân đập và nền thành hai phần riêng biệt như các phương pháp tính thấm thông thường mà sử dụng phương pháp biến đổi đập đồng chất có tường răng trên nền thấm nước thành một đập đồng chất trên nền thấm nước không có tường răng mà hệ số thấm của đập và nền giống nhau.
Để thuận tiện cho tính toán tác giả xem mái dốc của tường răng như mái thẳng đứng với chiều rộng trung bình l’, và cột đất nằm giữa hai đường ad và bc được xem như 1 lõi giữa có hệ số thấm là k1 = kđ . Đầu tiên biến đổi nền có hệ số thấm kn và chiều dày T ra cùng hệ số thấm với kđ. Khi đó chiều dày nền phải thay đổi và có trị số biến đổi là: Tbđ= T. đ n k k (9.3) Hệ số thấm của lõi biến đổi theo chiều dày nền là:
(K1)bđ = k1. 1 1 H H ′′ ′ (9.4) Trong đó: H’ 1 = H1 +T và H1’’ = H1+T. đ n k k
Cần đưa đập về trường hợp đập và nền đồng chất( không có lõi giữa) cần biến đổi lõi giữa có hệ số thấm (K1)bđ thành một lõi tượng trưng có hệ số thấm bằng hệ số thấm của thân đập và nền với chiều rộng như sau:
lbđ’’= l’. bđ đ k k ) ( 1 = l’. 1 1 " H H ′
Trong đó l’ – là chiều rộng trung bình của lõi thực
Qua các bước trên ta đưa bài toán tính thấm trên thành dạng đơn giản hơn và có thể tính lưu lượng thấm qua đập dễ dàng dưới dạng đập đồng chất có nền thấm nước.
9.2. Ứng dụng phần mềm
9.2.1. Nội dung nghiên cứu
- Tìm vị trí chân khay thích hợp nhất đảm bảo sự ổn định của công trình, giảm tác động tiêu cực do các vấn đề thấm gây ra. Theo kết quả nghiên cứu về vị trí hợp lý nhất của tường răng trong nền đã đi đến kết luận rằng tường răng nằm trong đoạn giữa thân đập là hợp lý hơn cả ( Trong phạm vi chuyên đề, do điều kiện hạn chế nên chỉ tính toán với trường hợp chân khay đặt giữa đập)
- Ảnh hưởng của tỷ số kn/kđ đến thấm qua đập
- Ảnh hưởng của chiều dày tầng thấm T đến kích thước chân khay. Tìm chiều rộng hợp lý của chân khay khi hệ số thấm của đập không đổi, chiều dày tầng thấm thay đổi
- Kiểm tra chiều rộng hợp lý của chân khay với phương pháp tính của tác giả Nguyễn Xuân Trường
9.2.2. Ảnh hưởng của tỷ số kn/kđ đến thấm qua đập
9.2.2.1. Mục đích
Xét sự ảnh hưởng đến dòng thấm trong thân đập khi hệ số thấm của nền thay đổi. Từ kết quả đó đưa ra biện pháp làm chân răng chống thấm cho nền trong trường hợp nào là hợp lý nhất
9.2.2.2. Bài toán
Cao trình đỉnh đập :∇đỉnhđập = +32,5m Cao trình đáy đập :∇đáyđập = +10m
Hệ số thấm của đập Kđ =1.10-7 m/s Chiều dày tầng thấm T = 4m
Hệ số thấm của lăng trụ thoát nước Klt = 10-2 m/s Chiều rộng đỉnh đập Bđđ = 5m, bề rộng cơ Bcơ = 3m Cao trình cơ : ∇cơ = +25 m
Hệ số mái thượng lưu mtl1 = 3,25 ; mtl2 = 3,5, hạ lưu mhl1 =2,75 ; mhl2 =3 Cao trình đỉnh thiết bị thoát nước + 13m
Hệ số mái thiết bị thoát nước thượng lưu m1’ = 1,5 Hệ số mái thiết bị thoát nước hạ lưu m2’ = 2,0 Mực nước hạ lưu min: hhlmin = 0m.
Sơ đồ tính toán : m=3 .5m=3 .25 m=2.75 m=3.0 MN C=20.3m MND BT=28.6m 500+32.5 300 200
1. Chiều rộng hợp lý chân răng theo Nguyễn Xuân Trường
Như đã phân tích ở trên, theo tác giả Nguyễn Xuân Trường thì chiều rộng hợp lý là chiều rộng mà không sinh ra xói ngầm dưới tác dụng của dòng thấm. Gradien thấm lớn nhất qua công trình là trị số qua mặt tiếp xúc CD. Do đó chiều rộng hợp lý của tường cần lcần thỏa mãn điều kiện