2) Xỏc định gradient tới hạn J Rt hR của cỏc loại đất
3.3.2. Phương phỏp xỏc định ổn định mỏi dốc theo modul SLOPE/W
Phần mềm SLOPE/W thuộc bộ chương trỡnh GEO-SLOPE của Canada sử dụng lý thuyết cõn bằng cỏc lực và mụ men để tớnh hệ số an toàn chống lại sự phỏ hủy. Cơ sở lý thuyết của phần mềm này là phương phỏp cõn bằng giới hạn tổng quỏt (General Limit Equilibrium method- GLE) và lý thuyết của phương phỏp phần tử hữu hạn.
1. Cỏc giả thiết tớnh toỏn
+ Đất được xem như vật liệu tuõn theo nguyờn lý Mohr-Coulomb. + Hệ số an toàn là như nhau cho tất cả mặt trượt.
+ Ứng suất cắt theo định luật Mohr-Coulomb:
( n w) c u tg τ = + σ − ϕ (đất bóo hũa) w ( n a) ( a ) b c u tg u u tg τ = + σ − ϕ+ − ϕ (đất khụng bóo hũa) + Cỏc dạng mặt trượt:
Hỡnh 3-8: Lực tỏc dụng lờn mặt trượt thụng qua khối trượt mặt trượt trụ trũn
Hỡnh 3-10: Lực tỏc dụng lờn mặt trượt thụng qua khối trượt với đường trượt đặc biệt
trong đú:
W: tổng trọng lượng mặt trượt với bề rộng b và chiều cao h của phõn tố đất; N: lực phỏp tuyến tại đỏy mặt trượt;
S: lực cắt do chuyển tại đỏy mỗi mặt trượt; E: lực phỏp tuyến bờn trong mặt trượt;
Chỉ số L và R chỉ bờn phải và bờn trỏi mặt trượt; X: lực cắt theo phương đứng bờn trong mặt trượt; D: ngoại lực tỏc dụng;
kW: tải trọng động đất theo phương ngang tỏc dụng đi qua trọng tõm mỗi mặt trượt;
R: bỏn kớnh mặt trượt trũn hay cỏnh tay đũn của lực cắt di chuyển, SRmR, đối với hỡnh dạng bất kỳ của mặt trượt;
f: khoảng cỏch từ tõm quay đến phỏp tuyến N;
x: khoảng cỏch theo phương ngang từ đường trọng tõm của mỗi mặt trượt đến tõm quay hay mụmen;
d: khoảng cỏch vuụng gúc từ đường tải trọng tới tõm quay hay mụmen;
h: khoảng cỏch theo phương thẳng đứng từ tõm của đỏy của mỗi mặt trượt tới đường trờn cựng của hỡnh (thường là mặt đất tự nhiờn);
a: khoảng cỏch theo phương vuụng gúc từ hợp lực nước bờn ngoài tới tõm quay hay tõm mụmen.
ω: gúc nghiờng của đường lực so với phương ngang;
α: gúc hợp giữa tiếp tuyến tại đỏy của mặt trượt và phương nằm ngang.
2. Phương trỡnh cõn bằng mụmen
+ Phương trỡnh cõn bằng (cỏc đại lượng xem bờn trờn): W.x− S Rm. − N f. + kW e. ±D d. ±A a. =0
∑ ∑ ∑ ∑ (3-43)
+ Hệ số an toàn theo phương phỏp cõn bằng mụmen: Với đất bóo hũa:
[ . . ( w. ) . ] W. . . . . m c R N u R tg K x N f kW e D d A a β + − β ϕ = − + ± ± ∑ ∑ ∑ ∑ (3-44)
Với đất khụng bóo hũa:
w. . 1 W. b b a m tg tg c R N u u Rtg tg tg K x Nf ϕ ϕ β β β ϕ ϕ ϕ + − − − = − ∑ ∑ ∑ (3-45) 3. Phương trỡnh cõn bằng lực + Phương trỡnh cần bằng: (EL −ER)− (Nsin )α + (S cm os )α − kW −Dcosα ± =A 0 ∑ ∑ ∑ ∑ (3-46) + Hệ số an toàn: ' ' ( os ( ) os ) sin os m c c N u tg c K N kW Dc A β α β φ α α ω + − = + − ± ∑ ∑ ∑ (3-47) 3.4. Cỏc dạng mặt cắt đập và biện phỏp chống thấm
Cỏc loại mặt cắt đập vật liệu địa phương rất phong phỳ và đa dạng, tựy thuộc vào địa hỡnh, địa chất, thủy văn để lựa chọn loại kết cấu đập và dạng kết cấu chống thấm phự hợp.
3.4.1. Kết cấu đập đồng chất, khụng sử dụng biện phỏp chống thấm.
Kết cấu đập đồng chất được sử dụng khỏ phổ biến ở nhiều địa phương. Đập được đắp bằng một loại vật liệu địa phương cú sẵn tại chỗ. Đập đồng chất đắp bằng đất cú hệ số thấm lớn, để đảm bảo được ổn định thấm, biện phỏp thường dựng là tăng kớch thước mặt cắt đập và khối lượng đất đắp.
- Ưu điểm kết cấu đập đồng chất: + Kết cấu đập đơn giản;
+ Sử dụng vật liệu tại chỗ;
+ Thi cụng dễ dàng, nhanh chúng. - Nhược điểm:
Kớch thước mặt cắt đập thường lớn, khối lượng đất đắp lớn và chi phớ đền bự cao.
Hỡnh 3-11: Đập đất đồng chất
3.4.2. Kết cấu đập khụng đồng chất, khụng sử dụng biện phỏp chống thấm
Trong thực tế đất đắp đập thường khụng thuần nhất, hoặc là đất thuần nhất nhưng lại khụng phự hợp cho đập đất đồng chất . Trong những trường hợp đú, cần phải nghiờn cứu kết cấu đập để sử dụng hợp lý cỏc loại đất nhằm khắc phục được cỏc loại bất lợi và phỏt huy được mặt lợi của chỳng để phũng trỏnh sự cố đập do đất gõy ra.
Hỡnh 3-12: Sơ đồ bố trớ đất đắp trong thõn đập
lưu.
Vựng (B): khối trung tõm. Vựng (C): khối lăng trụ hạ lưu.
Vựng (II): vựng bị bóo hũa từng thời kỳ. Vựng (III): vựng khụ, ướt thay đổi theo thời gian trong năm.
Đất cú hệ số thấm K < 1x10P
-4
P cm/s, khụng bị ướt lỳn, khụng bị tan ró mạnh, khụng bị trương nở tự do mạnh, cú thể bố trớ bất kỳ vựng nào trong thõn đập.
Đất cú hệ số thấm K > 1x10P
-4
P cm/s, hoặc bị lỳn ướt lớn, hoặc tan ró mạnh, khụng được bố trớ tại cỏc vựng I, II; cú thể bố trớ tại vựng III với điều kiện phải cú biện phỏp cỏch ly nước thấm và tiờu thoỏt nước mưa tốt.
Đất bị trương nở tự do mạnh, hệ số thấm K > 1x10P
-4
Pcm/s khụng được bố trớ tại cỏc vựng A, B, III; cú thể bố trớ tại vựng C, nhưng phải cú biện phỏp hạ thấp đường bóo hũa và cỏch ly, tiờu thoỏt nước mưa tốt.
- Ưu điểm kết cấu đập khụng đồng nhất, nhiều khối đất đắp: + Tận dụng được cỏc loại vật liệu tại chỗ của địa phương; + Kết cấu ổn định, khả năng chống thấm tốt.
- Nhược điểm:
+ Kết cấu phức tạp; + Thi cụng khú khăn.
3.4.3. Đập cú tường lừi mềm
Khối đập trung tõm (vựng B) bằng đất sột hoặc đất sột pha cỏt, hệ số thấm nhỏ khả năng chống thấm trở thành tường lừi mềm.
Yờu cầu chủ yếu đối với đất sột làm vật liệu chống thấm là ớt thấm nước và cú tớnh dẻo, đảm bảo hệ số thấm nhỏ hơn hệ số thấm của đất thõn đập từ 50ữ100 lần. Đồng thời đất làm tường lừi phải đủ dẻo, dễ thớch ứng với biến hỡnh của thõn đập, mà khụng gõy nứt nẻ. Tớnh dẻo biểu thị bằng chỉ số WRnRphải đảm bảo WRnR > 7 để dễ thi cụng. Đất sột với WRnR> 20 là loại vật liệu khụng thớch hợp vỡ cú hàm lượng nước quỏ lớn khú thi cụng dễ sinh ra ỏp lực kố rỗng lớn làm mất ổn định mỏi đập.
Bề dày tường lừi bằng đất sột khụng nhỏ quỏ 0,8m, độ dày chõn tường lừi khụng nhỏ hơn 1/10 cột nước, người ta dựa vào trị số gradient thấm cho phộp [ ]J
để xỏc định bề dày tường lừi. Khi xõy dựng đập trờn nền thấm. Độ cắm sõu tường lừi vào nền đất tốt ớt thấm nước δ ≥(0,5 1, 25)ữ m.
Đỉnh tường lừi cao hơn mực nước dõng bỡnh thường ∆ =(0,3 0, 6)ữ m.
- Ưu điểm kết cấu tường lừi mềm:
+ Khả năng chống thấm tốt; + Lỳn dễ đều.
- Nhược điểm:
+ Khan hiếm nguồn vật liệu đất sột chống thấm tại chỗ; + Kỹ thuật thi cụng phức tạp.
3.4.4. Kết cấu tường nghiờng mềm
Khối lăng trụ thượng lưu (vựng A) bằng đất sột chống thấm, khối lăng trụ thượng lưu trở thành tường nghiờng chống thấm trong thõn đập.
Hỡnh 3-14: Đập cú tường nghiờng mềm
Bề dày tường nghiờng phụ thuộc vào cỏc yờu cầu cấu tạo và gradient thủy lực cho phộp của đất đắp tường. Bề dày tường nghiờng tăng từ trờn xuống dưới. Bề dày
đỉnh tường khụng nhỏ hơn 0,8m, chõn tường nghiờng khụng nhỏ hơn 1/10H (H: cột nước tỏc dụng), nhưng khụng nhỏ hơn 2ữ3m. Độ vượt cao của đỉnh tường nghiờng trờn MNDBT ở thượng lưu tựy theo cấp cụng trỡnh δ =(0,5 0,8)ữ m. Đỉnh tường khụng thấp hơn mực nước gia cường.
Trờn mặt tường nghiờng cú phủ một lớp bảo vệ đủ dày (khoảng 1m) để trỏnh mưa nắng, giữa tường nghiờng và lớp bảo vệ cú bố trớ tầng lọc ngược.
Khi xỏc định độ dốc mỏi tường nghiờng phải đảm bảo lớp bảo vệ khụng vị trượt trờn mặt tường, đồng thời lớp bảo vệ và tường nghiờng phải ổn định.
- Ưu điểm kết cấu tường nghiờng mềm:
+ Hạ thấp đường bóo hũa xuống nhanh, đại bộ phận đất thõn đập được khụ rỏo.
+ Tăng ổn định mỏi hạ lưu.
- Nhược điểm:
+ Khan hiếm nguồn vật liệu đất sột chống thấm tại chỗ; + Kỹ thuật thi cụng phức tạp.
3.4.5. Kết cấu đập tường nghiờng, sõn phủ phớa trước mềm
Khi đắp đập cú tường nghiờng trờn nền cú lớp đất thấm mạnh hoặc khi tầng thấm nằm sõu, người ta thường xõy dựng thờm một sõn phủ phớa trước chống thấm bằng cựng một loại đất với tường nghiờng nối liền với nhau.
Sõn trước cú nhiều tỏc dụng nhưng chủ yếu là tăng chiều dài đoạn đường viền khụng thấm để giảm ỏp lực thấm và lưu lượng thấm qua nền.
Kết cấu và kớch thước sõn phủ phải thỏa món cỏc yờu cầu cơ bản sau: ớt thấm nước, cú tớnh mềm dẻo dễ thớch ứng với biến hỡnh của nền.
Chiều dài sõn trước được xỏc định theo cỏc yờu cầu kinh tế và kỹ thuật, phụ thuộc vào cỏc yếu tố như: chờnh lệch mực nước thượng hạ lưu đập, chiều dài sõn phủ thường lấy theo kinh nghiệm.
(3 5)
L= ữ H H: chờnh lệch mực nước thượng hạ lưu
ax 2 . . m tb nen K L t T K = (3-48) trong đú:
K, KRnenR: hệ số thấm của vật liệu làm sõn trước và nền; tRtbR: bề dày trung bỡnh của sõn trước;
T: chiều dày tầng thấm nước trong nền.
Hỡnh 3-15: kết cấu đập đất cú tường nghiờng sõn phủ
Bề dày sõn trước được xỏc định theo cụng thức:
[ ]H t J ∆ ≥ (3-49) trong đú: H
∆ : chờnh lệch cột nước giữa mặt trờn và mặt dưới sõn trước tại điểm tớnh toỏn;
[ ]J : gradient thấm cho phộp đối với vật liệu làm sõn trước;
[ ]J = ữ4 6, đối với vật liệu đất sột.
Bề dày sõn trước cũn phụ thuộc vào điều kiện thi cụng đối với đất sột bề dày nhỏ nhất đầu sõn td ≥0,5 1, 0ữ m, cuối sõn chỗ tiếp giỏp với tường nghiờng tc ≥1, 0m.
3.4.6. Kết cấu đập đất cú tường nghiờng và chõn khay mềm
Trường hợp tường nghiờng trờn nền cú lớp thấm mạnh và tầng khụng thấm nằm khụng sõu, người ta xõy dựng chõn khay qua nền cắm sõu vào tầng khụng thấm.
Hỡnh 3-16: đập cú tường nghiờng và chõn khay mềm
3.4.7. Kết cấu đập cú màng khoan phụt chống thấm bằng vữa xi măng-Bentonite
Trường hợp đất nền là lớp bồi tớch dày hơn 10m, phớa dưới là đỏ phong húa nứt nẻ mạnh, hoặc trong lớp bồi tớch cú lẫn đỏ lăn, đỏ tảng lớn khụng thể đúng cừ chống thấm được thỡ biện phỏp xử lý tốt nhất là khoan phụt vữa. Khoan phụt vữa xi măng sột cú cỏc phụ gia cần thiết tạo màng chống thấm trong thõn đập và nền đập.
Hỡnh 3-17: kết cấu đập cú màng chống thấm bằng khoan phụt
Yờu cầu màng chống thấm phải cắm sõu vào lớp cỏch nước dưới lớp bồi tớch với độ sõu đảm bảo khụng gõy ra xúi ngầm lớp cỏch nước.
Thành phần vữa chống thấm (tớnh cho 1mP 3 P ): + Nước: 918 lớt; + Bentonite: 55 70ữ Kg; + Xi măng: 310 330ữ Kg; + Tỷ trọng hỗn hợp: 3 1, 24 1, 26 /ữ T m ; + Độ nhớt: 28 36ữ s;
Áp lực phụt vữa đạt mức 20atm.
- Ưu điểm kết cấu đập cú màng khoan phụt chống thấm:
+ Áp dụng được ở những vựng cú địa chất bồi tớch với chiều dày lớn.
- Nhược điểm:
+ Thiết bị khoan phụt phức tạp; + Yờu cầu kỹ thuật khoan phụt cao; + Chi phớ lớn.
3.4.8. Kết cấu tường chống thấm cứng
Ở những vị trớ đắp đập khụng cú vật liệu đất sột hoặc phải chuyện chở xa quỏ đắt, cần thiết phải xem xột giỏi phỏp tường chống thấm cứng như: gỗ, đỏ xõy, bờ tụng, cừ bờ tụng cốt thộp, cừ thộp…
Loại đập đất cú tường nghiờng chống thấm cứng (như bờ tụng, BTCT) ớt được dựng, vỡ nhược điểm: cấu tạo phức tạp, dễ sinh nứt nẻ khi nhiệt độ thay đổi, hoặc thõn đập lỳn, giỏ thành cao.
Tường cừ chống thấm bằng bờ tụng cốt thộp phải đảm bảo: bề dày ở đỉnh tường khụng nhỏ hơn 0,3ữ0,5m, chiều dày đỏy tường bằng khoảng (1/12ữ1/15)H. Để hạn chế nứt tường lừi BTCT cần bố trớ khe lỳn thẳng đứng cỏch nhau 15ữ25m và gia cố thờm một lớp đất sột chống thấm ở mặt trước của tường lừi.
Tường lừi bằng cừ thộp: trường hợp chỉ chống thấm cho đập đất trong phạm vi lớp bồi tớch, đồng thời trong lớp đú khụng cú đỏ lăn, đỏ tảng; chiều dày lớp bồi tớch T < 12m (là chiều dài cừ thộp cú thể đạt được), và cú luận cứ kinh tế, thỡ đơn giản nhất là dựng cừ thộp đúng trực tiếp trong chõn khay thay vỡ phải đào hết cỏt sỏi rồi lấp lại (sơ đồ 1); khi chiều dày bồi tớch T > 12m cừ thộp được đúng theo sơ đồ 2.
Hỡnh 3-18: Sơ đồ tường chống thấm bằng cừ thộp
Tường nghiờng, tường lừi kết hợp cừ chống thấm.
Hỡnh 3-19: đập cú tường nghiờng mềm kết hợp cừ chống thấm
Hỡnh 3-20: đập cú tường lừi kết hợp cừ chống thấm
Hiện nay việc ỏp dụng tiến bộ kỹ thuật về cụng nghệ và vật liệu mới để chống thấm cho cỏc đập đất để nõng cao chất lượng cụng trỡnh rất quan trọng. Trong đú cú thể kể đến kết cấu chống thấm đập đất bằng màng địa kỹ thuật; thảm bờ tụng; cừ bờ tụng cốt thộp ứng suất trước; cừ bản nhựa; tường hào chống thấm bằng hỗn hợp
dung dịch Bentonit + xi măng; tường hào chống thấm màng địa kỹ thuật; tường nghiờng chống thấm bằng thảm sột địa kỹ thuật…
Sau đõy do thời gian làm luận văn cú hạn tỏc giả chỉ xin trỡnh bày cho trường hợp mặt cắt đập cụ thể là: đập đồng chất khụng cú thiết bị chống thấm và đập cú tường lừi .