Vật liệu lμm thiết bị chống thấm trong đập đá có hệ số thấm nhỏ. Sau khi xây đập, nước trong hồ có thể thấm ra hạ lưu qua thiết bị chống thấm hoặc qua hai vai đập. Khối đá thân đập có
độ rỗng lớn thường khoảng (30 ữ 40%) dòng chảy dễ thoát ra hạ lưu, lực thấm tác dụng lên đá rất nhá.
www.vncold.vn
186
Nước mưa, nước trong không khí lọt vμo các khe đá, nước thấm thường xuyên tác dụng cùng với những nhân tố khí hậu khác tác dụng lặp đi lặp lại nhiều lần, có thể lμm cho đá bị phong hoá.
Một đặc điểm đáng chú ý lμ đập đá đổ thường lún nhiều, do đó có thể gây ra nứt nẻ hoặc phá
hoại các thiết bị chống thấm.
Đ7.2. Biến hình lún của đập đá
D−ới tác dụng của áp lực n−ớc vμ trọng l−ợng bản thân, nền đập vμ thân đập có thể bị lún.
Biến hình lún của thân đập chủ yếu do những chỗ tiếp xúc giữa các hòn đá bị phá hoại gây ra.
Nếu kích thước vμ hình dạng đá không giống nhau, mặt ngoμi không phẳng thì chúng sẽ tiếp xúc nhau tại các điểm vμ các góc, độ rỗng của đập sẽ lớn. Khi tăng tải trọng (trọng l−ợng bản thân hoặc áp lực nước), tại các điểm hoặc các góc tiếp xúc đá bị nát, cá biệt có hòn bị ép vỡ, chuyển dịch vμ thân đập bị lún. Đặc biệt đối với đập dùng đá hộc có độ rỗng lớn thì tải trọng tuy không tăng nhiều nh−ng cũng dễ bị lún cục bộ không đều. Biến bình do lún cũng còn do tác dụng phong hoá của các nhân tố khí hậu vμ thời tiết gây ra.
Biến hình thân đập gồm 3 phần: lún thẳng đứng, di động nằm ngang về phía hạ lưu, di động từ hai bờ vμo giữa. Hiện t−ợng lún do nhiều nguyên nhân phức tạp gây ra nh−: độ cứng, cấp phối hình dạng đá, phương pháp thi công, địa hình vμ địa chất lòng sông. Hiện nay chưa tính toán
đ−ợc chính xác biến hình lún của đập đá. Nếu lμm thiết bị chống thấm sau, thì lún trong thời kỳ thi công ảnh hưởng không lớn đến thiết bị chống thấm. Quan trọng nhất lμ lún sinh ra lúc thi công xong, bắt đầu dâng nước vμ trong thời kỳ sử dụng. Theo tμi liệu thực đo, độ lún của đập đá
bằng 0,60 ữ 5% chiều cao đập. áp lực nước thượng lưu có tác dụng lμm cho đập di động ngang về phía hạ lưu một trị số bằng (0,5 ữ 1) lần độ lún thẳng đứng, di động nμy theo phương thẳng góc hoặc hơi xiên một chút so với mặt đập thượng lưu.
Tính toán độ lún của đập đá trong thời kỳ xây dựng có thể sử dụng công thức kinh nghiệm của Díc:
Δh = tgα0 h 2
1 H
⎛ − ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠ h , (7-1)
Trong đó:
Δh - độ lún của đập tại độ cao h so với mặt nền;
H - chiều cao đập;
tgα0 - hệ số, phụ thuộc vμo độ chặt của khối đá đổ.
Với khối đá đổ không đầm nén, tgα0 = 0,08 ữ 0,18;
Với khối đá đổ có đầm nén, tgα0 = 0,004 ữ 0,01.
Trị số lún lớn nhất thường xuất hiện ở độ cao xấp xỉ bằng H/3.
Hình (7-3) lμ quá trình lún của 5 đập có chiều cao khác nhau trong các thời kỳ khác nhau.
Hiện t−ợng lún của đập đá đổ chủ yếu diễn ra trong mấy năm lμm việc đầu tiên của hồ chứa, cμng về sau cμng giảm dần.
www.vncold.vn
Hình 7-3: Đường biểu diễn quá trình lún của một số đập đá đổ
Đập đá có độ lún lớn, bởi vậy khi thi công phải có biện pháp cần thiết để giảm lún nh−:
- Trong quá trình thi công dùng lực n−ớc xung kích tác dụng vμo thân đập lμm cho những hòn đá nhỏ hơn 10cm xen vμo những lỗ rỗng giữa các hòn đá lớn. Đá trong thân đập đ−ợc sắp xếp ổn định hơn, sớm đạt vị trí ổn định cuối cùng vμ giảm đ−ợc độ lún của thân đập trong thời kỳ sử dụng.
- Đổ đá từ trên cao xuống để dùng lực xung kích lμm giảm độ rỗng thân đập. Khi thi công nếu đá đổ thμnh từng lớp không dμy thì có thể dùng đầm chấn động (nặng có thể đạt 20 tấn) hoặc dùng ô tô để lèn chặt thân đập. Ngoμi các biện pháp thi công nói trên, việc bảo đảm chất l−ợng, kích thước, hình dạng vμ cấp phối đá cũng lμ những yếu tố quan trọng để giảm lún.
Đ7.3. Yêu cầu đối với đá lμm đập vμ nền đập 1. Yêu cầu đối với đá làm đập
Yêu cầu cơ bản về tính chất đá lμ: đủ cường độ, chống được tác dụng phong hoá, chịu tải tốt.
- Đá phải chịu được áp lực nước vμ trọng lượng bản thân đập. Độ cứng của đá không nên nhỏ hơn cấp 3 theo biểu đồ của Mooc.
- Đá phải chống đ−ợc phong hoá vật lý nh− nhiệt độ vμ khí hậu thay đổi.
- Hệ số mềm hoá của đá trong nước tính bằng tỷ lệ cường độ của mẫu đá lúc bão hoμ nước vμ cường độ của đá khô, không được nhỏ hơn 0,85 ữ 0,90.
- Đá phải chống đ−ợc xâm thực hoá học của n−ớc, không bị hoμ tan.
- Đá phải chịu đ−ợc tác dụng của các lực tác động nh− lực xung kích trong quá trình vận chuyển hoặc đổ đá.
www.vncold.vn
188
Ngoμi những quy định trên, kích thước, cấp phối hình dạng đá phải bảo đảm những yêu cầu nhất định, vì những yêu cầu đó ảnh hưởng trực tiếp đến độ rỗng, độ lún của thân đập vμ ổn định của mái đập. Đá có dạng cμng gần hình cầu thì khả năng chống đỡ cμng cao vμ đập cμng ít lún.
Kích thước hòn đá nói chung cμng lớn cμng tốt, vì giảm được số điểm tiếp xúc, có thể giảm được
độ lún của đập nh−ng có nh−ợc điểm lμ sinh biến hình.
Dùng đá hộc đường kính lớn xây đập thì mái có thể lμm dốc hơn, do đó giảm được thể tích thân đập. Nếu dùng máy vận chuyển thì trọng l−ợng hòn đá có thể đạt 3 tấn, lớn nhất có thể trên 20 tấn. Nếu chọn đá quá lớn thì vận chuyển vμ thi công đều khó khăn. Do đó phải dựa vμo chiều cao đập, chất lượng đá, phương pháp thi công v.v... để xác định đường kính thích hợp nhất của đá
hộc vμ các loại đá khác, bảo đảm cho thân đập đạt độ chặt cao vμ dễ thi công.
Dựa vμo nguyên tắc trên tỷ số giữa chiều dμi nhất vμ chiều ngắn nhất của hòn đá không đ−ợc quá 3 ữ 3,5. Trọng l−ợng nhỏ nhất của đá hộc không nên kém 800N.
Đối với đập cao loại đá hộc có trọng l−ợng nh− trên chỉ cho phép chiếm 20 ữ 30%, phần còn lại chọn cỡ lớn hơn.
Đối với đập cao trên 45m, độ rỗng thân đập không nên v−ợt quá 30 ữ 35%. Đối với đập tương đối thấp, độ rỗng không nên vượt quá 35 ữ 40%. Những đá nhỏ nhét vμo khe rỗng giữa đá
hộc có tác dụng giảm đ−ợc biến hình thân đập. Nếu dùng quá nhiều đá nhỏ thì tải trọng có thể truyền vμo những hòn đá nhỏ lμm tăng thêm lún vμ giảm ổn định mái đập. L−ợng đá nhỏ trong thân đập thường từ 3 ữ 5%, rất ít khi dùng đến 7%.
Các loại đá có tính chất cơ lý phù hợp với những yêu cầu đã nêu ở trên lμ: hoa cương, bazan, octoclavơ v.v...
Tính kiên cố phụ thuộc nhiều yếu tố nh−: thμnh phần nham thạch, mức độ nứt nẻ, phong hoá... Bởi vậy khi chọn đá phải phân tích nghiên cứu tại chỗ. Những đá không thích hợp gồm:
diệp thạch, đá cuội v.v...
2. Yêu cầu đối với nền đập
Yêu cầu đối với nền đập đá cao hơn so với đập đất nh−ng thấp hơn so với đập bêtông trọng lùc.
Trên các loại nền đá đều có thể xây đ−ợc đập đá. Các nền không phải lμ đá nếu chịu tải mμ lún ít thì có thể xây được đập đá. Đối với những đập cao dưới 15m có thể xây trên nền đất.
Những nền lún nhiều đều không thích hợp với đập đá vì sẽ lμm hỏng thiết bị chống thấm, tạo thμnh dòng chảy tập trung qua tường nghiêng, gây nứt nẻ vμ lún không đều.
Để phòng ngừa tác hại của
dòng thấm đối với nền không phải
đá người ta bố trí một lớp quá độ
bằng cuội sỏi trên mặt tiếp giáp
giữa nền vμ đập; có khi phải lμm
một tầng lọc ngược. Trước khi đổ đá
thi công đập, người ta xếp một lớp đá
dμy 1 : 1,5m để bảo vệ nền (hình
Hình 7-4: Đập trên nền không phải đá
www.vncold.vn
7-4).
Khi chọn hình thức liên kết giữa đập vμ nền phải dựa vμo điều kiện địa chất của nền vμ chiều cao đập. Đối với nền đá hoặc khi đá gốc ở không sâu có thể lμm chân khay hoặc tường răng đều phải cắm sâu vμo nền đá. Nếu lớp thấm nước trong nền không dμy lắm vμ thiết bị chống thấm của
đập lμm bằng đất thì có thể dùng tường răng chống thấm. Đối với đập không cao có thể đóng cừ hoặc lμm sân tr−ớc chống thấm, tuỳ theo tình hình vμ điều kiện cụ thể.
Đ7.4. Tính toán thấm qua đập đá
Mục đích chủ yếu của việc tính toán thấm qua đập đá lμ xác định lưu lượng thấm qua t−ờng giữa hoặc t−ờng nghiêng chống thấm.
Đối với đập hỗn hợp đất đá phần đất tương
đối lớn, khi cần thiết phải xác định đường bão hoμ trong phần đất. Phương pháp vμ các công thức tính thấm qua phần đất có thể
tham khảo trong chương đập đất. Hình 7-5: Sơ đồ tính thấm qua môi trường đá đổ
Trong môi trường đá đổ do các khe rỗng khá lớn cho nên sự chuyển động của nước không tuân theo quy luật Darcy, nghĩa lμ lưu tốc thấm không tỷ lệ bậc nhất với gradien thấm. Dòng thấm qua đá lμ dòng rối, có thể tính gần đúng theo công thức của giáo s− N. P. Puz−repski với sơ
đồ tính toán nh− hình (7-5).
Tại mặt cắt N - N, cột n−ớc thấm lμ y ta có:
2 3 3
1 2
q H y
K 3x
= − (7-2)
Khi x = L, y = H2, công thức tính lưu lượng qua môi trường đá đổ dưới dạng:
2 3 3
1 2
2
q H H
K 3L
= − , (7-3)
Trong đó:
q - lưu lượng đơn vị;
H1 - độ sâu dòng thấm tại mặt cắt 1 - 1;
H2 - độ sâu dòng thấm tại mặt cắt 2 - 2;
L - khoảng cách giữa hai mặt cắt 1 - 1 vμ 2 - 2;
K - hệ số thấm của đá, phụ thuộc vμo độ rỗng n, hình dạng vμ kích thước của đá. Theo M.
F. Xrapn−i, hệ số K có thể lấy theo bảng (7-1).
Bảng 7-1
Độ rỗng n Đường kính trung bình của đá dtb Hình dạng đá
www.vncold.vn
190
20cm 50cm
0,4 0,5
K = 0,35 m/s K = 0,43 m/s
K = 0,56 m/s K = 0,70 m/s
Cạnh trơn tròn Cạnh sắc
1. Tính thấm qua đập đá có t−ờng nghiêng
Đối với loại đập hỗn hợp có tường nghiêng chống thấm mềm bằng đất sét vμ phần hạ lưu đá
đổ (hình 7-6) trên nền không thấm nước, viện sĩ N. N. Pavơlôpxki đề nghị dùng các công thức sau để tính l−ợng thấm:
2 2 2 2
1 2
q h a cos h
K 2a sin
− α −
= α ; (7-4)
hoặc công thức đơn giản:
2 2
1 2
q h h
K 2a sin
= −
α, (7-5)
Trong đó:
α- góc nghiêng so với đ−ờng nằm ngang của đ−ờng trung bình trong t−ờng nghiêng;
a = at ad 2
+ - bề dμy trung bình của t−ờng nghiêng;
K - hệ số thấm của t−ờng nghiêng.
Hình 7-6: Sơ đồ tính thấm qua đập đá có tường nghiêng chống thấm
2. Tớnh thấm qua đập đỏ cú lừi giữa
Giả thiết rằng mực nước thượng hạ lưu kộo dμi đến lừi giữa, nghĩa lμ bỏ qua tổn thất cột nước trong phần đỏ đổ trước vμ sau lừi giữa (hỡnh 7-7).
α α
www.vncold.vn
Hỡnh 7-7: Sơ đồ tớnh thấm qua đập đỏ cú lừi giữa
Tớnh toỏn thấm qua đập đỏ cú lừi giữa chỉ xột
dòng thấm qua lõi. Dựa vμo l−ới thấm của lõi giữa
(hình 7-8) trong từng trường hợp cụ thể để tính thấm.
Độ hạ thấp đường bóo hoμ qua lừi giữa đối với
tr−ờng hợp khi
1
L
H < 0,5 có thể xác định theo công
thức:
h0 = b
0,65
1 tg 2
⎛π ⎞
− ⎜⎝ − α⎟⎠
(7-6)
Gradien của dòng thấm khi ra ở mép hạ lưu:
Jt = sinα, (7-7)
Jp = sinαtgβ, (7-8)
J = sin
cos α
β, (7-9)
Trong đó:
Jt - gradien tiếp tuyến tại điểm đang xét;
Jp - gradien pháp tuyến tại điểm đang xét;
J - gradien của điểm đang xét;
β - góc đường dòng tạo với mặt hạ lưu của lõi tại điểm đang xét.
Lưu lượng thấm qua lừi cú thể xỏc định theo cụng thức:
q = K1Ω, (7-10)
Trong đó:
K1 - hệ số thấm của lõi;
Ω - diện tích biểu đồ gradien Jp.
Đ7.5. Kích thước mặt cắt đập đá