Lựa chọn vật liệu chống thấm trớc hết cần phải thỏa mãn yêu cầu cầu chống thấm tốt; nghĩa là hệ số thấm phải nhỏ. Ngoài ra đối với một số trờng hợp không chỉ yêu cầu trị số tuyệt đối hệ số thấm nhỏ, mà quan trọng hơn là tỷ số hệ số thấm của hai lớp đất tiếp xúc với nhau. Ví dụ, khi dòng thấm qua vật chống thấm nh lõi giữa, tờng nghiêng, tờng răng.., thì hệ số thấm thì hệ số thấm của bản thân vật chống thấm có ý nghĩa rất lớn bởi vì trờng hợp này lu lợng thấm tỷ lệ thuận với hệ số thấm của bản thân vật chống thấm dù cho tỷ số hệ số thấm giữa thân đập và vật chống thấm khác nhau nhiều hay ít. Nhng đối với trờng hợp khi dòng thấm đi dọc theo vật chống thấm nh sân trớc thì tỷ số hệ số thấm giữa hai lớp đất tiếp xúc với nhau có tầm quan
trọng đặc biệt. Trờng hợp nếu hai lớp đất có hệ số thấm của chúng khác nhau khoảng 50 đến 100 lần thì có thể coi nh lớp đất có hệ số thấm bé thua là vật liệu không thấm nớc.
Từ những phân tích trên cho thấy rằng dù trờng hợp nào vật liệu làm thiết bị chống thấm cũng cần yêu cầu có hệ số thấm bé. Để đạt đợc yêu cầu đó, Thiết bị chống thấm thờng dùng là các loại sét, than bùn, á sét. Ngoài ra còn dùng một số hỗn hợp nhân tạo bê tông sét. Chú ý vật chống thấm trong thân đập còn chịu tác dụng của các loại tải trọng và lực thấm cho nên ngoài yêu cầu chống thấm cần phải thỏa mãn về yêu cầu chịu lực, về ổn định chống trợt và ổn định thấm.
Thep kinh nghiệm thực tế cho thấy các loại đất sét rất thích hợp với thiết bị chống thấm vì đất sét thỏa mãn đợc yêu cầu nêu trên. Đất sét cũng có hạn chế khi sử dụng làm vật liệu chống thấm là do yêu cầu về thi công nh trong trờng hợp có độ ẩm hoặc dới dạng hòn to, tảng lớn… khó có thể đạt đợc dung trọng nh thiết kế.
Than bùn có thể sự dụng làm vật chống thấm nhng mức độ tan rã không tốt.Các loại đất hiện có cũng có thể dùng đợc nhng cũng hạn chế vì loại đất này có góc nội ma sát và lực dính bé nên độ độ ổn định kém.
Vật liệu nhân tạo nh bê tông sét có thể thỏa mãn yêu cầu của vật liệu chống thấm. Tỷ lệ thành phần bê tông có thể lấy : cuội hoặc sỏi 40%, cát 35%, sét 25% còn lợng nớc cần thiết tùy thuộc vào biện pháp nén chặt. Tuy nhiên tỷ lệ này chỉ mang tính tham khảo, muốn chính xác ta phải thí nghiệm đối với từng trờng hợp cụ thể.
Hiện nay, nhờ sự tiến bộ của khoa học nghiên cứu nhiều vật liệu mới nh Bentonit là vật liệu có tính chất ít thấm nớc, diện tích bề mặt lớn, liên kết điện phân tử và có khả năng hấp thụ cao, sự kết bông và phân tán, sự trơng nở và co ngót, tính dẻo và tính dính vì thế ngời ta dùng Bentonit vào việc chống thấm cho công trình. Trộn Bentonit - đất, Cement – Bentonit làm lớp phủ thợng lu, làm tờng chống thấm.
Dầu Tiếng
Hình 3.3. Thi công đờng dẫn hớng hào chống thấm Bentonite đập Am Chúa
Hình3.4. Thi công đào hào chống thấm đập Dơng Đông
3.3.2 Yêu cầu thoát nớc và ngăn giữ cốt đất
Các yêu cầu thiết kế chủ yếu đối với lọc và tiêu nớc đã đợc Cedergren trình bày rõ ràng nh sau:
Yêu cầu về xói ngầm: Không gian rỗng trong các bộ phận lọc và tiêu nớc tiếp xúc
với đá và đất dễ xói mòn phải đủ nhỏ để ngăn ngừa các hạt bị lôi cuốn vào hoặc qua các không gian rỗng đó.
Yêu cầu về hệ số thấm: Không gian rỗng trong các bộ phận lọc và tiêu nớc phải
đủ lớn để tạo ra hệ số thấm thích hợp cho phép dòng thấm tự do thoát ra và do vậy có đợc mức độ cao về kiểm soát các lực thấm và áp lực thuỷ tĩnh.”
Hệ thống tiêu thoát nớc thấm thiết kế phải đảm bảo đợc chức năng quan trọng nhất là thoát nớc thấm:
+ Trong bất cứ thời gian nào thiết bị tiêu nớc cũng có đủ khả năng tiêu nớc và đảm bảo bài tiết đợc hết nớc thấm ở trong thân đập cùng các hạt rất mịn (hạt nhỏ bị nớc cuốn theo ra ngoài).
+ Các hạt trong mỗi lớp thiết bị lọc (thiết bị tiêu nớc) phải cố định không đợc di động.
+ Bảo đảm đất đắp thân đập không bị nớc thấm cuốn đi qua tầng lọc hay thiết bị tiêu nớc.
Lúc đầu, ta đa vào xây dựng và vận hành, khai thác lúc này hệ số thấm của vật liệu làm lọc còn rất lớn, cha bị ảnh hởng của điều kiện tự nhiên, môi trờng xung quanh nên khả năng thoát nớc thấm còn rất tốt. Sau một thời gian sử dụng, vật liệu làm lọc có còn giữ đợc hệ số thấm tự nhiên nữa hay không đó là một việc đáng quan tâm. Theo quy định của tiêu chuẩn ngành 14 TCN 157 - 2005 (điều 4.62 và 4.6.3): “Tầng lọc ngợc phải bố trí ở giữa bộ phận chống thấm với khối gia tải hoặc lớp thấm nớc của nền đập và tại vị trí dòng thấm thoát ra ở hạ lu. Tầng lọc ngợc cũng phải bố trí ở mặt tiếp xúc giữa thâm đập và nền đập với bộ phận tiêu thoát nớc. Vật liệu làm lọc ngợc phải đảm bảo đọ bền lâu dài trong thời kỳ thi công và khai thác công trình.”
Trong thành phần của đất bao gồm nhiều cỡ hạt khác nhau: Hạt sỏi (d = 2ữ20mm), hạt cát (d = 0.05ữ2mm), hạt bụi (d = 0.005ữ0.05mm), và hạt sét (d < 0.005mm). Tuỳ hàm lợng phần trăm của các thành phần hạt này khác nhau cho ta các loại đất khác nhau: đất sét, đất thịt, đất cát, đất bụi... Những hạt nhỏ xâm nhập vào lỗ rỗng của các hạt to, bịt kín lỗ rỗng và làm giảm hệ số rỗng của đất tự nhiên. Nhất là đối với các loại đất đá khai thác tại chỗ thì hàm lợng các hạt nhỏ khá là nhiều, đặc biệt sự xâm nhập của các hạt sét keo mới thực sự là nguy hiểm. Bình th- ờng các hạt đất là những hạt rắn, rất nhỏ có thành phần Khoáng vật là những thành phần cứng, không biến đổi kích thớc hạt mặc dù có tác động ngoài. Nhng đối với các hạt sét keo, (phổ biến gặp ở đất Miền Trung) thì hạt có thành phần trơng nở có keo, khi gặp nớc hóa keo có tính dính. Những hạt keo này chui vào trong vật liệu lọc và làm tắc vật liệu lọc chỉ sau một thời gian sử dụng. Để phòng tránh hiện tợng này, các nhà thiết kế đã đề ra các phơng án khác nhau:
+ Dùng vật liệu hạt truyền thống:
Từ trớc đến nay vật liệu hạt truyền thống dặc biệt thích dụng trong thiết kế tầng lọc ngợc. Sắp xếp các hạt không có tính dính theo nhiều lớp đất khác nhau (2ữ 3 lớp), vị trí phân lớp hạt to, hạt nhỏ nên quyết định theo hớng dòng thấm. Hớng dòng thấm là từ dới lên trên thì thì lớp vật liệu hạt to nằm trên lớp có hạt nhỏ, nếu ở chỗ h- ớng dòng thấm từ trên xuống dới thì lớp hạt nhỏ nên nằm ở trên lớp hạt to. Chiều dày tối thiểu mỗi lớp từ 15ữ30cm, trờng hợp thi công trong nớc thì dày 0.5ữ1.0m, phụ thuộc vào đờng kính hạt. Số lợng lớp đất và thành phần lớp lọc xác định trên cơ sử luận chứng kinh tế – kỹ thuật thích đáng, nên có xu hớng chọn số lớp lọc ngợc tối thiểu. Việc chọn vật liệu của bộ phận tiêu nớc tùy thuộc vào cấp công trình. Vật
liệu dùng làm tầng lọc ngợc (tầng tiêu nớc) phải phù hợp với điều kiện:
i i
d D
Trong mỗi tầng lọc, tầng tiêu nớc, hệ số không đều giữa các hạt vật liệu khống nên lớn hơn 5 (tức là 5 10 60 ≤ d d )
Trong đó: Di - đờng kính tính toán của hạt thuộc lớp hạt to so với lớp bên cạnh. di - đờng kính tính toán của hạt thuộc lớp hạt nhỏ so với lớp bên cạnh.
ở đây cần chú ý một điều: tất cả các hạt có đờng kính nhỏ hơn đờng kính hạt (di và Di) nào đó, dù cho từ trong đất toàn bộ các hạt đất đó bị dòng thấm cuốn đi mất cũng không thể phá hoại đợc tính ổn định của kết cấu cốt đất, đờng kính đó gọi là đ- ờng kính tính toán. Đờng kính tính toán di và Di của các loại đất có thể tính sơ lợc nh sau:
• Cát hạt nhỏ và đất thịt pha cát di = d40.
• Cát hạt vừa; di = d30.
• Cát hạt to: di = d10.
• Sỏi hoặc đá cuội: di = d15≈ d10.
Theo quy định của QPVN 11-77: Thành phần lớp lọc phải loại trừ:
• Sự bóc lớp đất dính ở chỗ tiếp xúc với vật liệu lọc đối với đập bằng đất sét hoặc trên nền đất sét.
• Sự xâm nhập của các hạt đất đợc bảo vệ vào trong lỗ rỗng của lọc đối với vùng dòng thấm đi xuống, ở những đập bằng đất cát.
• Sự đùn đất vào lỗ rỗng của vật liệu lọc đối với nền cát ở vùng dòng thấm đi lên.
• Sự xói rữa đất đợc bảo vệ, ở chỗ ranh giới với lọc trong trờng hợp dòng thấm hớng dọc theo chỗ tiếp xúc.” Cátưlọcưdàyư20ưcm Dămưlọcưdàyư15cm Đáưhộc 1:2.0 1:1,25 1:2.0 Rãnhưtiêuưnư ớc Hình 3.5. Tầng lọc ngợc với đống đá tiêu nớc
Những đòi hỏi này gây khó khăn cho thiết kế bởi nh trên đã nói thành phần cấp phối đất không đồng đều.
- Ưu điểm : thuần túy về thành phần hạt tự nhiên, đơn giản trong thi công.
- Nhợc điểm : vật liệu hạt thô nên khả năng bám giữ nớc tốt hơn những vật liệu có bền mặt trơn nhẵn. Dù có thay đổi cấp phối thế nào cũng không làm tăng đợc độ rỗng tự nhiên, không những thế sự bám giữ nớc và các hạt nhỏ còn làm giảm độ rỗng của đất theo thời gian rất nhanh chóng.
+ Phơng án kết hợp:
Bổ sung vật liệu nhân tạo vào trong kết cấu tầng lọc ngợc:
• Làm các ống bê tông tổ ong có lỗ rất to trong tầng lọc ngợc, tạo đờng dẫn thoát tốt, nớc có thể chảy thành dòng trong ống bê tông, đảm bảo lõi bên trong dẫn nớc không bị bịt kín mặc dù vận tốc thấm rất lớn (thông thờng vận tốc thấm càng lớn thì hạt đất càng dễ bị cuốn trôi và đọng, tắc).
• Những công trình đặc biệt (đập cao, cấp công trình lớn...) có thể bố trí các ống phụt áp lực cao để bơm nớc phụt áp lực đẩy rửa hệ thống lọc, tiêu khi bị tắc.
• Dùng vải địa kỹ thuật (Geomembrane) kết hợp với vật liệu hạt truyền thống để chống xói ngầm, trôi đất.
• Vải địa kỹ thuật có khả năng chống thấm rất cao, hệ số thấm nhỏ: 5.10- 11ữ5.10-14cm/s, chiều dày 0.5ữ20mm, tuổi thọ trung bình 20ữ25năm. VĐKT có nhiều loại và đáp ứng đợc 5 chức năng khi tham gia vào công trình đất: lọc, phân cách, tiêu nớc, gia cố và bảo vệ.
3.4 Điều kiện ứng dụng thiết bị chống thấm và thiết bị tiêu thoát nớc thấm:
Tuỳ theo quy mô, kích thớc và điều kiện tự nhiên của công trình cụ thể mà sử dụng thiết bị chống thấm và thiết bị tiêu thoát nớc cho phù hợp để đảm bảo điều kiện kinh tế, kỹ thuật và thi công thuận lợi.
3.4.1 Điều kiện ứng dụng của các giải pháp chống thấm [14]
a. Đối với thiết bị chống thấm cho thân đập:
Trong trờng hợp không có đủ điều kiện làm đập đồng chất thì có thể xây dựng đập có vật chống thấm bằng vật liệu địa phơng nh sét, than bùn... cần dựa vào u nh- ợc điểm của từng loại mà lựa chọn cho thích hợp với trờng hợp cụ thể.
So sánh với loại đập tờng nghiêng thì đập tờng lõi có những u điểm sau:
+ Khối lợng vật liệu chống thấm ít hơn.
+ Có thể xây dựng ở vùng có sự thay đổi nhiệt độ nhiều.
+ Có thể lợi dụng đợc đê quai làm thân đập.
+ Có thể xây dựng đợc đập cao hơn.
Mặt khác đập tờng nghiêng có u điển hơn so với đập tờng lõi:
+ Thi công không bị cài vào nhau trên mặt bằng nên tốc độ thi công nhanh hơn.
+ Hiệu dụng chống thấm tốt hơn.
+ Khi bị h hỏng dễ sửa chữa hơn. b. Thiết bị chống thấm cho nền đập:
Với nền đập có hệ số thấm lớn cần xử lý thì tùy thuộc vào điều kiện cụ thể mà có phơng án thích hợp.
Với nền đá:
Hầu hết xử lý thấm cho nền đập là đá phong hóa nứt nẻ nhiều có khả năng diễn ra thấm nguy hiểm thì cần làm kết cấu chân khay và màn chống thấm dới nó, cũng cần phụt vữa gia cố bề mặt nền ở vùng tiếp giáp với bộ phận chống thấm của thân đập.
Với nền bồi tích:
Xử lý chống thấm tầng bồi tích chủ yếu phòng chống mất nớc quá mức cho phép và phòng chống các hiện tợng xói ngầm gây mất ổn định nền làm phá hoại công trình. Dới đây là một số biện pháp nghiên cứu áp dụng:
Chống thấm theo hớng thẳng đứng:
+ Đào đắp tờng răng bằng đất chống thấm.
+ Tờng hào xi măng – bentonit.
+ Phụt vữa chống thấm.
+ Kết hợp các biện pháp trên. Sân phủ chống thấm thợng lu. Thiết bị tiêu nớc và gia tải hạ lu
+ Rãnh lọc tiêu nớc.
+ Giếng tiêu nớc giảm áp.
+ Gia tải thoát nớc hạ lu.
+ Kết hợp rãnh lọc tiêu nớc và giếng tiêu nớc giảm áp.
Việc lựa chọn biện pháp phải qua tính toán so sánh kinh tế kỹ thuật cụ thể.
Sân phủ thợng lu kết hợp với tờng nghiêng chống thấm nên áp dụng:
+ Nền bồi tích khá dày hoặc gần nh vô hạn.
+ Có sẵn đất chống thấm thích hợp và gần đập.
+ Đập vừa và thấp.
Chân răng có thể kết hợp với tờng nghiêng hoặc tờng lõi chống thấm là biện pháp phổ biến, đơn giản nhất khi:
+ Tầng thấm có chiều dày < 10m, cá biệt đến 15m.
+ Mực nớc ngầm thấp, điều kiện thi công thuận lợi bằng phơng pháp đào lộ thiên và đắp lại bằng đất chống thấm.
Màn chống thấm bằng khoan phụt dung dịch xi măng sét thích hợp khi:
+ Nền bồi tích dày trên 10m, phía dới là đá nứt nẻ mạnh
+ Trong nền có lẫn đá dăm, đá tảng.
+ Nớc ngầm có tính ăn mòn mạnh kim loại.
+ Khoan phụt trớc khi hình thành dòng thấm trong nền( xử lý trớc khi đắp đập). Tờng hào xi măng – bentonit:
+ Thích hợp với mọi loại nền về độ sâu, thành phần hạt và mực nớc ngầm.
+ Nên áp dụng đối với đập cấp I, II trên nền bồi tích dày
3.4.2 Điều kiện ứng dụng các giải pháp tiêu thoát nớc thấm
Đất đắp có hệ số thấm nhỏ, lu lợng thấm nằm trong phạp vi cho phép, không cần bố trí thiết bị chống thấm cho thân đập và chỉ cần bố trí thiết bị thoát nớc để hạ thấp đờng bão hòa tăng ổn định mái đập. Thiết bị chống thấm phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn của nền (kể cả bờ và vai đập), khí hậu khu vực công trình.
Một số trờng hợp không cần bố trí thiết bị tiêu nớc thấm nếu thỏa mãn điều kiện ổn định:
+ Đập xây dựng trên nền thấm nớc mạnh, mực nớc ngầm thấp, đờng bão hòa đi xuống nền.
+ Phần hạ lu đập đợc đắp bằng vật liệu rời có kích thớc cuội sỏi lớn, đá hộc chúng có tác dụng nh một vật thoát nớc.
+ Đập có thiết bị chống thấm tốt, lu lợng thấm nhỏ, và đờng bão hòa sau bộ phận chống thấm hạ thấm ngay xuống nền.
+ Đập rất thấm( chiều cao <5m).
+ Đập không thờng xuyên chịu áp lực nớc.
Ngoài ra đối với đập vật liệu địa phơng ta cần phải bố trí thiết bị tiêu nớc thấm. Dới đây là một số điều kiện áp dụng của thiết bị tiêu thoát nớc thấm: