Nghiên cứu tính toán chống thấm nền đập bằng phương pháp khoan phụt áp dụng cho nền đập phụ hồ chứa nước bản mồng nghệ an
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.6 MB, 103 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
----------------------
THÁI ĐÌNH HẢI
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CHỐNG THẤM NỀN ĐẬP BẰNG
PHƢƠNG PHÁP KHOAN PHỤT
ÁP DỤNG CHO NỀN ĐẬP PHỤ HỒ CHỨA NƢỚC
BẢN MỒNG – NGHỆ AN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHỆ AN – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
--------------
THÁI ĐÌNH HẢI
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CHỐNG THẤM NỀN ĐẬP BẰNG
PHƢƠNG PHÁP KHOAN PHỤT
ÁP DỤNG CHO NỀN ĐẬP PHỤ HỒ CHỨA NƢỚC
BẢN MỒNG – NGHỆ AN
Chuyên ngành: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Mã số: 176058020810010
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ANH ĐỨC
NGHỆ AN - 2019
i
LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận văn xin đƣợc cảm ơn sâu sắc đối với thầy giáo hƣớng dẫn
TS.Nguyễn Anh Đức đã hƣớng dẫn và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực
hiện luận văn tốt nghiệp.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo tham gia giảng dạy khóa cao
học 25 trƣờng Đại học Vinh đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt cho tơi những
tri thức khoa học quý giá.
Tác giả cũng xin cảm ơn Lãnh đạo trƣờng Đại học Vinh, khoa Sau đại học
và Bộ môn Công nghệ và quản lý xây dựng đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành
tốt cơng việc nghiên cứu khoa học của mình.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã giúp đỡ, đơng viên, khích lệ để luận văn tốt nghiệp đƣợc hoàn thành
tốt đẹp.
TÁC GIẢ
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu
trích dẫn là trung thực. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn chƣa từng đƣợc
ngƣời nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác./.
Thái Đình Hải
iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN..........................................................................................................ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ v
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài: ................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài: .......................................................................................... 1
3. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu: ...................................................... 1
4. Kết quả đạt đƣợc: .............................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỐNG THẤM
CHO NỀN ĐẬP ............................................................................................ 2
1.1 Mở đầu............................................................................................................. 2
1.2 Nguyên nhân phát sinh dịng thấm dƣới đáy móng cơng trình ....................... 2
1.2.1. Dịng thấm có áp ......................................................................................... 3
1.2.2. Dịng thấm không áp ................................................................................... 3
1.3 Những vấn đề cơ bản của dịng thấm dƣới đáy móng cơng trình ................... 3
1.4. Những nhân tố cơ bản ảnh hƣởng đến dòng thấm dƣới đáy móng cơng trình....... 4
1.5. Đặc điểm và phân loại nền đập ...................................................................... 4
1.6. Đặc điểm và phân loại các phƣơng pháp nhằm tăng ổn định nền ................. 5
1.6.1. Nhóm làm chặt đất trên mặt bằng cơ học ................................................... 5
1.6.2. Nhóm làm chặt đất dƣới sâu bằng chấn động và thuỷ chấn ....................... 7
1.6.3. Nhóm gia cố nền bằng thiết bị tiêu nƣớc thẳng đứng ................................. 7
1.6.4. Phƣơng pháp gia cố nền bằng năng lƣợng nổ ............................................. 9
1.6.5. Gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật ................................................................. 9
1.6.6. Nhóm gia cố nền bằng chất kết dính .......................................................... 9
1.6.7. Nhóm các phƣơng pháp vật lý gia cố nền đất yếu .................................... 12
1.7. Yêu cầu xử lý chống thấm cho nền đập ....................................................... 12
1.8. Các mơ hình tính tốn thấm dƣới đáy móng cơng trình .............................. 13
iv
1.8.1. Tính thấm bằng phƣơng pháp giải tích ..................................................... 13
1.8.2. Tính thấm bằng phƣơng pháp sử dụng lƣới thấm ..................................... 15
1.8.3. Tính thấm bằng phƣơng pháp số ............................................................... 16
1.9. Xử lý chống thấm cho nền đập ở một số công trình trên thế giới và Việt
Nam ............................................................................................................. 18
1.10. Các phƣơng pháp xử lý chống thấm .......................................................... 22
1.11. Những tiêu chí để lựa chọn phƣơng pháp xử lý chống thấm cho nền
đập. .............................................................................................................. 33
Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................................... 34
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP CHỐNG THẤM NỀN ĐẬP
BẰNG KHOAN PHỤT ..................................................................................... 35
2.1 Mở đầu.......................................................................................................... 35
2.1.1. Phân loại các phƣơng pháp khoan phụt .................................................... 35
2.1.2.Ứng dụng của phƣơng pháp khoan phụt xử lý nền .................................... 36
2.2 Lựa chọn vật liệu để khoan phụt vữa xi măng .............................................. 36
2.2.1 Lựa chọn xi măng ....................................................................................... 36
2.2.2 Lựa chọn vật liệu pha trộn và phụ gia ........................................................ 37
2.2.3 Yêu cầu kỹ thuật của vữa khoan phụt ........................................................ 38
2.2.4 Xác định các thành phần chủ yếu của vữa khi xử lý chống thấm nền
đập ............................................................................................................... 39
2.3 Lựa chọn áp lực phụt vữa khi xử lý nền ....................................................... 41
2.4 Lựa chọn thiết bị phụt vữa ............................................................................ 41
2.5 Tổ chức thi công phụt vữa............................................................................. 42
2.6 Kiểm tra và đánh giá chất lƣợng thi công màng chống thấm ....................... 44
Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 46
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP KHOAN PHỤT
CHỐNG THẤM CHO NỀN ĐẬP PHỤ HỒ CHỨA NƢỚC BẢN
MỒNG NGHỆ AN ............................................................................................. 47
3.1 Giới thiệu cơng trình ..................................................................................... 47
3.1.1 Tóm tắt quyết định của chủ đầu tƣ ............................................................. 47
3.1.2 Vị trí địa lý vùng cơng trình, khu hƣởng lợi và các đối tƣợng hƣởng lợi .. 48
v
3.1.3 Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu của cơng trình ................................. 48
3.1.4 Cơ sở lập đồ án thiết kế .............................................................................. 49
3.1.5 Quy định chung .......................................................................................... 50
3.1.6Khối lƣợng dự kiến ..................................................................................... 51
3.2 Đề xuất các phƣơng án xử lý chống thấm cho nền đập hồ chứa Bản
Mồng. .......................................................................................................... 51
3.2.1. Cơ sở lựa chọn và giải pháp xử lý chống thấm cho nền đập .................... 51
3.2.2. Lựa chọn phƣơng án xử lý chống thấm cho nền đập. ............................... 59
3.2.3. Phân tích thấm qua nền sau khi xử lý ....................................................... 59
3.3 Tính tốn thiết kế cho phƣơng án.................................................................. 62
3.3.1 Nhiệm vụ công tác xử lý chống thấm nền đập ........................................... 62
3.3.2 Phạm vi công tác xử lý nền đập ................................................................. 62
3.3.3 Phƣơng pháp xử lý chống thấm nền đập .................................................... 66
3.3.4 Khoan phụt xử lý chống thấm nền đập ...................................................... 67
Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................... 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 91
I. KẾT LUẬN ...................................................................................................... 91
II. KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 93
vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: một số cơng trình xử lý nền bằng khoan phụt ở việt nam ......................... 18
Bảng 1.2: một số cơng trình sửa chữa đập bằng khoan phụt trên thế giới .......... 20
Bảng 3.1 quan hệ giữ tỷ lệ n/x với lƣợng mất nƣớc đơn vị q ............................. 39
Bảng 3.2 hàm lƣợng nƣớc và vữa ứng với các tỷ lệ n/x của vữa ........................ 40
Bảng 3.3: lƣợng nƣớc cần thêm vào 1 lít vữa xi măng đặc ................................ 40
Bảng 4.1: tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu của cơng trình ........... 48
Bảng 4.2: Bảng tổng hợp khối lƣợng công việc dự kiến .................................... 51
Bảng 4.3:các mực nƣớc thiết kế .......................................................................... 54
Bảng 4.5: các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đắp đập ................................................ 54
Bảng 4.6:các chỉ tiêu cơ lý của đất nền ............................................................... 55
Bảng 4.7: Tính tốn chiều dày của màng khoan phụt chống thấm nền đập đất.............. 65
Bảng 4.8: Bảng tổng hợp khối lƣợng khoan phụt chống thấm ........................... 69
Bảng 4.9: Bảng thống kê khối lƣợng khoan phụt chống thấm hàng A ............... 69
Bảng 4.10: Bảng thống kê khối lƣợng khoan phụt chống thấm hàng B ............. 72
Bảng 4.11: Bảng thống kê khối lƣợng khoan phụt chống thấm hàng C ............. 75
Bảng 4.12: bảng thống kê khối lƣợng khoan phụt thí nghiệm ............................ 78
Bảng 4.13: Bảng thống kê khối lƣợng khoan kiểm tra sau phụt thí nghiệm ...... 80
Bảng 4.14: Xác định các giá trị Po và P.............................................................. 83
Bảng 4.15: bảng khống chế áp lực phụt .............................................................. 84
Bảng 4.16: bảng dự kiến khối lƣợng khoan kiểm tra sau phụt đại trà ................ 88
vii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Nối tiếp đập và nền .................................................................................... 13
Hình 1.2: sơ đồ tính thấm bằng phƣơng pháp lƣới.................................................. 15
Hình 1.2: sơ đồ lƣới sai phân ..................................................................................... 17
Hình 1.3: sơ đồ phần tử tam giác............................................................................... 18
Hình 2.2: Sơ đồ thấm qua đập có tƣờng lõi + chân răng ........................................ 23
Hình 2.3: Bố trí sân trƣớc bằng đất sét ..................................................................... 24
Hình 2.4: Các sơ đồ liên kết giữa cừ chính với cơng trình ..................................... 26
Hình 2.5: Cấu tạo các loại cừ thép ............................................................................ 26
Hình 2.6: cấu tạo và kích thƣớc một số bản cừ bằng bêtơng cốt thép .................. 27
Hình 2.7: Kết cấu đập đất chống thấm qua nền bằng khoan phụt vữa xi măng .. 27
Hình 2.8: Tƣờng hào chống thấm bằng Bentonite. ................................................. 29
Hình 2.9: Thi cơng chống thấm vai đập bằng khoan phụt vữa xi măng ............... 32
Hình 2.10: Thi cơng chống thấm thân đập ............................................................... 32
Hình 4.2: mặt cắt lịng sơng ....................................................................................... 56
Hình 4.3: đƣờng bão hòa thấm và lƣu lƣợng thấm chƣa xử lý nền ....................... 57
Hình 4.4: đƣờng đẳng gradient thấm chƣa xử lý nền ............................................ 58
Hình 4.5: đƣờng bão hịa thấm và lƣu lƣợng thấm ................................................ 60
Hình 4.6: đƣờng đẳng gradient thấm ...................................................................... 61
Hình 4.9: Mặt bằng và cắt dọc khoan phụt .............................................................. 81
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong xây dựng các cơng trình thủy lợi, thủy điện cơng tác xử lý chống
thấm cho nền cơng trình thƣờng khơng thể thiếu đƣợc. Việc chống thấm cho nền
thƣờng rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố tự nhiên và giải pháp kỹ thuật và
công nghệ thi công.
Trong xu hƣớng phát triển kỹ thuật xây dựng nói chung và xử lý nền nói
riêng có rất nhiều tiến bộ, nhiều giải pháp đã đƣợc ứng dụng mang lại hiệu quả
cao. Việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp thích hợp với đặc điểm địa chất của nền
móng và cơng nghệ thi cơng mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao.
Với cơng trình hồ chứa nƣớc Bản Mồng, tỉnh Nghệ An có đặc điểm địa
chất khá phức tạp móng tuyến đập đƣợc đặt trên các đới đá phong hóa mạnh đến
phong hóa vừa và phong hóa nhẹ yêu cầu chống thấm cho nền phải tạo màng
chống thấm ở dƣới nền đập, kéo dài đƣờng thấm dƣới nền nhằm hạn chế thấm
trong các đới đá đồng thời giảm bớt áp lực thấm lên đáy móng cơng trình .Việc
lựa chọn một giải pháp cho phù hợp với đặc điểm tự nhiên, kết cấu cơng trình
này mang lại hiệu quả kinh tế và bảo đảm điều kiện kỹ thuật cho cơng trình.
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu tổng quan các giải pháp chống thấm cho nền cơng trình và điều
kiện ứng dụng của từng giải pháp.
Nghiên cứu phƣơng pháp chống thấm nền đập bằng phƣơng pháp khoan phụt.
Áp dụng phƣơng pháp chống thấm khoan phụt cho nền đập phụ hồ chứa
nƣớc Bản Mồng, tỉnh Nghệ An.
3. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu liên quan đến giải pháp chống thấm cho nền cơng trình.
Kế thừa những kết quả đã nghiên cứu về chống thấm cho nền cơng trình.
4. Kết quả đạt đƣợc
Nắm đƣợc tổng quan các phƣơng pháp xử lý chống thấm cho nền cơng
trình và điều kiện ứng dụng.
Đề xuất giải pháp chống thấm cho nền đập phụ hồ chứa nƣớc Bản Mồng,
tỉnh Nghệ An.
2
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỐNG THẤM
CHO NỀN ĐẬP
1.1. Mở đầu
Khi xây dựng các cơng trình trên nền đất yếu hoặc đá phong hóa thƣờng
cơng trình tiếp xúc với nền đất nền, hai bên vai cơng trình là những bộ phận
thƣờng là loại thấm nƣớc, trừ khi công trình đặt trên nền đá tốt và đƣợc xử lý
phần tiếp giáp theo đúng quy trình kỹ thuật. Để bảo đảm cho cơng trình ổn định
và khơng bị mất nƣớc chúng ta phải xử lý chống thấm tốt, trƣớc hết phải tìm
ngun nhân phát sinh dịng thấm để có giải pháp phù hợp với diều kiện tự
nhiên của nền và đạt yêu cầu kỹ thuật, giá thành hạ.
1.2. Nguyên nhân phát sinh dịng thấm dƣới đáy móng cơng trình
Khi cơng trình làm việc, sẽ tạo ra sự chênh lệch mực nƣớc giữa thƣợng và
hạ lƣu. Nƣớc sẽ di động qua các kẽ rỗng trong đất nền và hai bên vai cơng trình
tạo thành dịng thấm. Đối với cơng trình và mơi trƣờng xung quanh, dịng thấm
gây ra những ảnh hƣởng bất lợi nhƣ sau:
- Làm mất nƣớc từ hồ chứa;
- Gây áp lực lên các bộ phận cơng trình giới hạn miền thấm (bản đáy, tƣờng
chắn...);
- Mất ổn định công trình: xói nền, xói vai đập…;
- Có thể làm biến hình đất nền và hai vai, đặc biệt là ở khu vực dịng thấm
thốt ra, có thể dẫn đến sụt lún, nghiêng, lật cơng trình;
- Dịng thấm hai bên vai cơng trình khi thốt ra hạ lƣu có thể làm lầy hoá
một khu vực rộng, làm ảnh hƣởng đến ổn định của bờ và điều kiện đi lại, sản
xuất ở hạ lƣu cơng trình.
Dịng thấm trong mơi trƣờng đất rỗng đƣợc chia thành 2 loại:
3
1.2.1. Dịng thấm có áp
Khi nó bị giới hạn từ phía trên bởi biên cứng, dịng thấm khơng có mặt
thống; chuyển động của dòng thấm giống nhƣ nƣớc chảy trong ống có áp. Đây
là trƣờng hợp khi xét dịng thấm dƣới đáy các cơng trình.
1.2.2. Dịng thấm khơng áp
Khi nó khơng bị giới hạn từ phía trên bởi cơng trình. Đây là trƣờng hợp
dịng thấm hai bên vai cơng trình, dịng thấm qua đập đất. Giới hạn phía trên của
dịng thấm là mặt thống hay mặt bão hồ, tại đây có áp suất bằng áp suất khí
trời.
1.3. Những vấn đề cơ bản của dịng thấm dƣới đáy móng cơng trình
Nhiệm vụ của nghiên cứu dịng thấm là tìm ra quy luật chuyển động của nó
phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc các bộ phận cơng trình là biên của dịng
thấm; xác định các đặc trƣng phân bố áp lực thấm lên các bộ phận cơng trình,
phân bố gradien thấm trong miền thấm, và trị số lƣu lƣợng thấm. Trên cơ sở các
tính tốn này, ngƣời thiết kế sẽ chọn đƣợc hình thức, kích thƣớc, cấu tạo hợp lý
của cơng trình, đảm bảo điều kiện làm việc an tồn của nó ( ổn định về trƣợt,
ngăn ngừa biến hình nền…) và tính kinh tế của phƣơng án chọn.
Vấn đề nghiên cứu dòng thấm từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà
khoa học thế giới. Vào thế kỷ 18 đã có các cơng trình nghiên cứu của
Lơmơnơxơv, Becnoulli, Euler. Từ năm 1856, Darcy đã tiến hành nghiên cứu
thực nghiệm và tìm ra định thấm tuyến tính mà ngày nay đƣợc gọi là định luật
thấm Darcy.
Những thành tựu nổi bật về lý thuyết thấm đã đƣợc công bố trong các tác
phẩm của Jucovxki(1898), Pavlovxki(1922). Đóng góp vào sự phát triển phƣơng
pháp thủy lực trong lý thuyết thấm có cơng của Duypuy, Côzeny, Aravin,
Numerov, Ughintrux, Trugaev và nhiều nhà khoa học khác. Việc giải bài toán
thấm bằng phƣơng pháp thủy lực đã đạt đƣợc kết quả phong phú cho các sơ đồ
bài tốn phẳng của thấm có áp. Với bài tốn thấm khơng có áp mới chỉ giải
quyết đƣợc cho một số sơ đồ đơn giản.
4
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các phƣơng pháp số và cơng cụ
máy tính, nói chung có thể giải đƣợc bài toán thấm với biên bất kỳ cho bài tốn
phẳng và bài tốn khơng gian, thấm ổn định và không ổn định…
1.4. Những nhân tố cơ bản ảnh hƣởng đến dịng thấm dƣới đáy móng cơng
trình
Một trong những vấn đề quan trọng nhất cần phải giải quyết khi thiết kế
cơng trình thủy lợi là dự báo chế độ của hệ thống cơng trình – nền. Sự phức tạp
của bài toán này đƣợc thể hiện ở chỗ: cần phải tính đến hàng loạt các yếu tố tác
động nhƣ: địa hình, các điều kiện địa chất cơng trình; các đặc thù kết cấu của
cơng trình cũng nhƣ các biện pháp và kết cấu chống thấm ở thân và nền cơng
trình; khả năng dao động mực nƣớc ở thƣợng hạ lƣu… Độ chính xác trong xác
định các tính chất thấm của các loại đất ở thân và nền của đập đất. Mặc dù, đã có
nhiều thành tựu về phát triển các phƣơng pháp và phƣơng tiện kỹ thuật nhằm
xác định các tính chất cơ lý của đất, trong nền có kết cấu địa tầng phức tạp, giá
trị tính tốn các thơng số của dịng thấm phụ thuộc vào sự tƣơng tác của các hệ
số thấm giữa các lớp đất nền.Việc hồn thiện nghiên cứu thấm trong nền cơng
trình cần gắn với việc cải thiện phƣơng pháp khảo sát địa chất cơng trình nói
chung và trong việc xác định các tính chất đất nền nói riêng.
1.5. Đặc điểm và phân loại nền đập [1]
Nền đập đất phải bảo đảm các yêu cầu cơ bản sau đây:
- Đủ cƣờng độ chống cắt;
- Chịu tải tốt;
- Ít thấm nƣớc.
Nền có cƣờng độ chống cắt nhỏ dễ gây mất ổn định cho thân đập. Nếu sức
chịu tải kém nền sẽ lún nhiều và lún không đều. Nền thấm nƣớc mạnh sẽ tiêu hao
quá nhiều nƣớc làm giảm hiệu ích của hồ, mặt khác có thể gây xói ngầm và đẩy trồi
đất.
Dựa vào địa chất ngƣời ta phân nền thành 4 loại:
- Nền đá hoặc nền đá có lớp phủ khơng dày;
- Nền sỏi, cuội rất dày thấm nƣớc mạnh;
5
- Nền cát nhỏ và có lớp bùn;
- Nền sét.
Hai loại nền đầu tiên thƣờng có cƣờng độ chống cắt cao và chịu tải tốt. Nền
sỏi cuội hoặc đá nứt nẻ nhiều có nhƣợc điểm thấm nƣớc mạnh.
Với nền sét chủ yếu phải xét cƣờng độ chống cắt. Nền cát nhỏ và có bùn là
loại nền rất xấu. Nền thiên nhiên phức tạp nếu khơng đƣợc xử lý thích đáng là
một trong những nguyên nhân phá hoại đập. Do đó phải dựa vào các tính chất cơ
lý của nền để thiết kế mặt cắt đập. Bất kỳ nền nhƣ thế nào đều có thể đắp đập
một cách an tồn nếu biết xử lý tốt. Trên nền bùn xấu, cƣờng độ chống cắt nhỏ,
khả năng thốt nƣớc kém, có thể đắp đập cao 20 - 30m.
Vấn đề thấm nƣớc qua thân đập, biện pháp phòng chống thấm, cấu tạo thân
đập, ổn định của mái và giá thành cơng trình đều liên quan với nền tốt hay xấu.
Bởi vậy phải coi trọng việc lựa chọn và xử lý nền đập đất.
1.6. Đặc điểm và phân loại các phƣơng pháp nhằm tăng ổn định nền [3]
1.6.1. Nhóm làm chặt đất trên mặt bằng cơ học
Là một trong những phƣơng pháp cổ điển nhất, đã đƣợc sử dụng từ lâu
trên thế giới. Bản chất của phƣơng pháp là dùng các thiết bị cơ giới nhƣ xe lu,
máy đầm, búa rung....làm chặt đất. Các yếu tố chính làm ảnh hƣởng đến khả
năng đầm chặt của đất gồm: độ ẩm, công đầm, thành phần hạt, thành phần
khoáng hoá, nhiệt độ của đất và phƣơng thức tác dụng của tải trọng. Để làm chặt
đất cần phải xác định đƣợc độ ẩm tốt nhất ứng với giá trị khối lƣợng thể tích khơ
lớn nhất.
Do đƣợc làm chặt, các chỉ tiêu về độ bền của đất tăng lên đáng kể, tính
biến dạng và tính thấm giảm đi. Hiện nay phƣơng pháp này đƣợc sử dụng rộng
rãi trong xây dựng đƣờng giao thơng, sân bay, các cơng trình thủy lợi và trong
xây dựng dân dụng, cơng nghiệp. Có một số phƣơng pháp làm chặt đất bằng cơ
học nhƣ sau:
+ Làm chặt đất bằng đầm rơi:
Bản chất của phƣơng pháp là dùng đầm rơi bằng vật nặng làm chặt đất. Vật
đầm thƣờng làm bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gang, có khối lƣợng từ 2 đến 4
6
tấn, cho rơi từ độ cao 4 5m. Chiều dày nén chặt của đất phụ thuộc vào đƣờng
kính, khối lƣợng và chiều cao rơi của vật đầm cũng nhƣ tính chất của đất. Thơng
thƣờng, độ chặt của đất tăng lên ở các lớp trên mặt và giảm đi ở những lớp phía
dƣới.
+ Làm chặt đất bằng đầm lăn:
Bản chất của phƣơng pháp là dùng đầm lăn, xe lu để làm chặt đất. Phƣơng
pháp này thƣờng đƣợc sử dụng khi làm đƣờng giao thông. Tuỳ thuộc trọng
lƣợng xe lu và số lần đầm mà chiều sâu làm chặt có thể đạt đến 0,5 0,6 m. Khi
dùng đầm lăn có mặt nhẵn, do chiều dày lớp đất đƣợc đầm nhỏ nên hiệu suất
đầm thƣờng thấp, chất lƣợng đầm không đều, khối lƣợng thể tích của đất giảm
theo chiều sâu. Vì vậy đối với các cơng trình đắp đất lớn dùng đầm mặt nhẵn không
hiệu qủa. Đối với các loại đất dính dạng cục thì dùng đầm lăn chân dê mang lại
hiệu qủa cao hơn, chất lƣợng đầm đều hơn và tạo ra mặt ráp liên kết tốt giữa các
lớp đất đầm với nhau.
Hiện nay, ngƣời ta còn sử dụng cả đầm lăn bánh hơi để đầm chặt cả đất
dính và đất rời. Mức độ đầm chặt phụ thuộc vào số lần đầm, chiều dày lớp đầm,
áp suất bánh xe, tải trọng xe, vận tốc di chuyển của xe cũng nhƣ độ ẩm và cấu
tạo của đất. Muốn đất đƣợc đầm chặt nhƣ nhau ở mọi nơi thì yêu cầu tải trọng
đầm phải phân bố đều lên các bánh xe, không phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt
đất và sức chịu tải của đất tại các vị trí đầm.
+ Làm chặt đất bằng đầm rung:
Phƣơng pháp làm chặt đất bằng đầm rung chủ yếu dùng để nén chặt đất
cát. Nếu hàm lƣợng hạt sét trong đất nhỏ hơn 6% thì hiệu qủa nén chặt thƣờng
gấp 4 5 so với các phƣơng pháp đầm nén khác. Bản chất của phƣơng pháp là
dùng các chấn động tạo ra các dao động liên tục có tần số cao và biên độ nhỏ,
làm cho tính tồn khối của đất bị phá họai, các hạt cát di chuyển đến chỗ trống
giữa các hạt có kích thƣớc lớn hơn. Tác dụng của đầm rung lớn nhất khi xảy ra
hiện tƣợng cộng hƣởng khi mà tần số dao động của máy trùng với tần số dao
động của đất đầm.
7
Chiều dày lớp đất đƣợc làm chặt bằng đầm rung thƣờng thay đổi từ 0,3
đến 1,5 m, đôi khi đến 2 m.
1.6.2. Nhóm làm chặt đất dưới sâu bằng chấn động và thuỷ chấn
Khi đất cát hoặc đất đắp có chiều sâu phân bố lớn thƣờng dùng phƣơng
pháp chấn động hoặc thủy chấn để nén chặt.
+ Nén chặt đất bằng chấn động:
Để nén chặt đất cát ở dƣới sâu ngƣời ta thƣờng dùng các loại đầm chuỳ có
tần số 2900 3000 vòng/phút. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu qủa nén chặt đất
là gia tốc chấn động, độ ẩm của đất, khoảng cách giữa các vị trí đầm, tính đàn
hồi của đất và bán kính máy chấn động. Khi làm chặt đất cát ở độ sâu nhỏ hơn 3
m thì bán kính làm chặt có thể đạt 1,5 m. Khi bán kính máy chấn động tăng thì
gia tốc chấn động và hệ số nén chặt chấn động cũng tăng lên.
+ Nén chặt đất bằng thủy chấn:
Khi lớp cát cần nén chặt có chiều dày lớn thì ngƣời ta dùng phƣơng pháp
thủy chấn. Bản chất của phƣơng pháp là vừa phun nƣớc vừa tạo chấn động tác
dụng vào đất cát. Khi đó lực dính giữa các hạt giảm đi, các hạt lớn sẽ lắng xuống
còn các hạt nhỏ sẽ nổi lên, hình thành chuyển động xoắn ốc làm phát sinh cấp
phối mới và nhƣ vậy sẽ hình thành cấp phối tốt nhất của đất ở trạng thái nén
chặt.
Để thi công nén chặt đất bằng phƣơng pháp thủy chấn, ngƣời ta đóng vào
trong đất những ống thép đƣờng kính 19 25mm và có đầu nhọn, phần ống
dƣới dài khoảng 50 60cm, có đục lỗ xung quanh với đƣờng kính 5 6mm. Lợi
dụng sức nƣớc cao áp để đƣa ống thép và máy chấn động đến độ sâu thiết kế và
cho máy chấn động làm việc nén chặt đất từ dƣới lên trên, mỗi đoạn làm chặt
thƣờng từ 30 40cm trong khoảng thời gian 40 120 giây. Sau khi làm chặt
đƣợc lớp đất thứ nhất thì lại nâng máy đầm lên làm chặt lớp đất thứ 2 và cứ làm
nhƣ vậy làm chặt cho đến khi lên mặt đất.
1.6.3. Nhóm gia cố nền bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng
Đối với các nền đất sét yếu, do hệ số thấm của đất sét rất nhỏ nên qúa
trình cố kết của đất nền ở điều kiện bình thƣờng cần rất nhiều thời gian. Trong
8
khi đó hầu hết các cơng trình xây dựng lại địi hỏi tốc độ thi cơng nhanh, đảm
bảo tiến độ yêu cầu. Do vậy, ngƣời ta thƣờng dùng các thiết bị tiêu nƣớc thẳng
đứng kết hợp với gia tải để làm tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền. Thiết bị
tiêu nƣớc thẳng đứng gồm nhiều loại khác nhau. Nguyên lý làm việc của các
loại này là, dƣới tác dụng của tải trọng ngoài, trong đất sẽ xuất hiện gradient
thủy lực làm cho nƣớc lỗ rỗng thoát ra theo phƣơng ngang về phía các thiết bị
tiêu nƣớc, sau đó chảy tự do theo phƣơng dọc theo các thiết bị để thoát nƣớc lên
mặt đất. Nhƣ vậy, việc đặt các thiết bị tiêu nƣớc thẳng đứng trong nền đất có tác
dụng rút ngắn chiều dài đƣờng thấm và dẫn đến giảm thời gian hồn thành cố
kết. Các cơng nghệ gia cố bằng tiêu nƣớc thẳng đứng bao gồm:
+ Gia cố nền bằng cọc cát, giếng cát:
Giếng cát và cọc cát đƣợc sử dụng rộng rãi để tăng nhanh qúa trình cố kết
của đất nền, làm cho đất nền có khả năng biến dạng đều và nhanh chóng đạt đến
giới hạn ổn định về lún. Tùy thuộc vào đặc điểm công trình xây dựng và cấu trúc
nền mà ngƣời ta dùng cọc cát hay giếng cát.
Giếng cát đóng vai trị thốt nƣớc là chính nên gia cố nền bằng giếng cát
thƣờng đi kèm với biện pháp gia tải để thoát nƣớc nhanh.
Khi gia cố nền bằng cọc cát thì cọc cát vừa có tác dụng nén chặt vừa có tác
dụng thay thế đất nền, do phần lớn độ lún của nền đất kết thúc trong qúa trình thi
cơng, vì thế có thể xây dựng cơng trình ngay mà khơng phải đợi thời gian cố kết
nền.
+ Gia cố nền bằng bấc thấm và các thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn (PVD):
Bấc thấm là thiết bị tiêu nƣớc thẳng đứng chế tạo sẵn, gồm nhiều loại,
chiều rộng thƣờng 100 200mm, dày 3 5 mm. Lõi của bấc thấm là một băng
chất dẻo đƣợc bọc bởi lớp vải địa kỹ thuật polyeste không dệt, bằng vải địa cơ
propylene hoặc giấy tổng hợp có nhiều rãnh nhỏ để đƣa nƣớc lên cao nhờ mao
dẫn. Để cắm bấc thấm vào đất nền đất ngƣời ta dùng một máy chuyên dụng tự
hành. Sau khi thi công bấc thấm, ngƣời ta cũng tiến hành gia tải nén trƣớc giống
nhƣ đối với giếng cát. Để nƣớc thoát ra dễ dàng từ đầu bấc thấm ngƣời ta
9
thƣờng phủ lên phía trên mặt lớp đất yếu một lớp vải địa kỹ thuật và trên lớp vải
địa kỹ thuật đắp một lớp cát hạt to làm lớp thấm nƣớc.
1.6.4. Phương pháp gia cố nền bằng năng lượng nổ
Phƣơng pháp này cũng đã đƣợc sử dụng từ lâu trên thế giới. Bản chất của
phƣơng pháp này là dùng năng lƣợng của sóng nổ để nén chặt đất. Ngƣời ta bố
trí các quả mìn dài trong các giếng, phân bố theo mạng lƣới tam giác đều và sâu
hết chiều dày lớp đất yếu. Phía trên các qủa mìn ngƣời ta đổ cát thành đống hoặc
đặt các thùng đựng cát không đáy. Khi mìn nổ, năng lƣợng đƣợc tạo ra sẽ nén
đất ra xung quanh, cát sẽ rơi xuống lấp đầy vào giếng vừa đƣợc tạo ra. Sau đó,
ngƣời ta tiếp tục đổ thêm cát vào giếng và đầm tới độ chặt yêu cầu.
1.6.5. Gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật
Trong những năm gần đây, vải địa kỹ thuật đã đƣợc ứng dụng rộng rãi ở
nƣớc ta, nhất là trong gia cố nền đƣờng giao thơng. Tùy theo mục đích sử dụng,
vải địa kỹ thuật có thể đƣợc sử dụng để: (1) Làm chức năng nhƣ mặt phân cách
nƣớc (2) Làm chức năng nhƣ vật liệu tiêu nƣớc. Ngoài ra vải địa kỹ thuật cịn
dùng để chống xói mịn, bảo vệ bờ...vv.
1.6.6. Nhóm gia cố nền bằng chất kết dính
Bản chất của các phƣơng pháp này là đƣa vào nền đất các vật liệu kết dính
nhƣ ximăng, vơi, bitum.....nhằm tạo ra các liên kết mới bền vững hơn nhờ các
quá trình hố lý và hố học diễn ra trong đất, dẫn đến làm thay đổi tính chất cơ
lý của đất nền. Tùy vật liệu đƣa vào mà có những cơng nghệ nhƣ sau:
+ Gia cố nền bằng phương pháp trộn vơi:
Khi trộn vơi vào đất, vơi có tác dụng hút ẩm làm giảm độ ẩm của đất và
đóng vai trị là chất kết dính liên kết các hạt đất. Khi tác dụng với nƣớc, vơi chƣa
tơi có khả năng ngƣng kết và đơng cứng nhanh trong vịng 5 đến 10 phút. Qúa
trình hyđrát hố vơi chƣa tơi có khả năng hấp thụ một khối lƣợng nƣớc lớn (32
đến 100% khối lƣợng ban đầu) nên nhanh chóng làm nền đất khơ ráo, dẫn đến đất
nền đƣợc nén chặt.
Để gia cố nền đất yếu ở dƣới sâu ngƣời ta sử dụng cọc vôi hoặc cọc đất vôi. Vôi tác dụng với nƣớc sẽ tăng thể tích nên tiết diện các cọc vơi sẽ tăng lên làm
10
tăng độ chặt của nền. Ngoài ra các tác động của vật lý và hóa học sẽ làm tăng độ
bền nén, lực dính và góc ma sát trong làm cho sức chịu tải tổng hợp của khối đất
gia cố tăng lên.
+ Gia cố nền bằng phương pháp trộn ximăng:
Khi trộn ximăng vào đất sẽ xảy ra qúa trình kiềm và sau đó là q trình
thứ sinh. Q trình kiềm là q trình thủy phân và hyđrát hóa ximăng, đƣợc coi
là quá trình hình thành nên độ bền của đất gia cố. Qúa trình kiềm sẽ tạo ra một
lƣợng lớn hyđroxit canxi làm tăng độ pH của nƣớc lỗ rỗng trong đất, tạo điều
kiện thúc đẩy qúa trình thứ sinh. Ở điều kiện bình thƣờng, các khống vật sét có
thành phần hố học chính là các ơxít nhơm và silíc khá bền vững, khó bị hịa tan,
song trong mơi trƣờng kiềm có độ pH cao, chúng dễ bị hồ tan dẫn đến sự phá
hủy của khống vật. Các ơ xít nhơm và silíc ở dạng hịa tan tạo nên một phần vật
liệu đông cứng và làm tăng cƣờng độ của hỗn hợp đất ximăng. Quá trình thứ
sinh xảy ra chậm chạp trong một thời gian dài.
+ Gia cố nền bằng phương pháp trộn bi tum:
Bitum là chất kết dính hữu cơ gồm các chất cácbuahydro khác nhau và
các dẫn xuất không kim loại nhƣ ô xy, lƣu huỳnh và nitơ.
Khi trộn bitum vào đất, bitum có tác dụng chủ yếu với các hạt sét, còn các
hạt bụi và hạt cát nhờ có bitum mà đƣợc dính kết, tích tụ lại dƣới dạng ổ hoặc
thấu kính với hình dạng và kích thƣớc khác nhau. Bitum tác dụng với hạt sét tạo
thành hỗn hợp hấp phụ lẫn nhau, có tính đàn hồi, có khả năng gắn chặt các hạt,
kết quả là nhận đƣợc vật liệu mới đất - bitum liên kết bởi màng đàn hồi vật chất
sét - bitum, ổn định đối với nƣớc. Phƣơng pháp gia cố đất bằng bitum thƣờng
đƣợc sử dụng nền đƣờng giao thơng có chiều dày gia cố nhỏ.
+ Gia cố nền bằng keo polime tổng hợp:
Các chất polime tổng hợp khơng có sẵn trong thiên nhiên mà đƣợc tổng
hợp từ dầu mỏ, khí đốt, than đá....Phân tử của chúng gồm rất nhiều khâu, nối với
nhau bởi liên kết hóa học, tạo nên những chuỗi xích có cấu trúc thẳng, phân
nhánh và mạng 3 chiều. Keo polyme tổng hợp có tính bám dính cao, thời gian
đơng cứng nhanh. Khi cho keo vào đất các qúa trình hố lý, vật lý và hoá học
11
phức tạp giữa các hạt đất và keo, tạo thành chuỗi xích thẳng đi xun qua khối
đất, hình thành bộ khung không gian bao bọc các hạt đất hoặc tiếp xúc các hạt
đất, tạo nên cấu trúc không gian thống nhất với polime. Keo polime tổng hợp
thƣờng đƣợc sử dụng để gia cố nền hay làm móng hay mặt đƣờng giao thơng với
đất khơng chứa cacbonat và có độ pH nhỏ hơn 7.
+ Gia cố nền bằng dung dịch vữa ximăng:
Bản chất của phƣơng pháp là phun vào lỗ rỗng của đất đá một lƣợng vữa
ximăng cần thiết để sau khi đơng cứng, làm giảm tính thấm và tăng sức chịu tải của
nền. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng rộng rãi đối với các cơng trình thủy lợi, thích
hợp với các loại cát, đất sỏi và các loại nền đá nứt nẻ, đặc biệt hiệu qủa khi kích
thƣớc khe nứt > 0,15 mm, tốc độ thấm > 80m/ngđ nhƣng không vƣợt quá
200m/ngđ.
+ Gia cố nền bằng phụt dung dịch Silicát:
Nếu nền đất và nền đá có độ rỗng và khe nứt nhỏ không thể sử dụng
phƣơng pháp phụt vữa ximăng thì ngƣời ta dùng phƣơng pháp bơm hóa chất để
gia cố. Chất hóa học thƣờng dùng là natri silicat ( thủy tinh lỏng - Na2O2SiO2)
và canxi clorua (CaCl2). Phƣơng pháp này sử dụng thích hợp nhất khi đất nền là:
- Cát khơ và bão hịa nƣớc, có hệ số thấm từ 2 đến 80 m/ngđ.
- Cát nhỏ và cát bụi, có hệ số thấm từ 0,5 đến 5 m/ngđ
- Đất hồng thổ có hệ số thấm từ 0,1 đến 2m/ngđ.
Trƣờng hợp đất có thấm ƣớt các loại dầu mỡ, tạp chất của dầu hỏa hoặc khi
nƣớc ngầm có độ pH > 9 thì khơng sử dụng đƣợc phƣơng pháp này.
+ Gia cố nền bằng phương pháp phụt nhựa bitum:
Phƣơng pháp phụt nhựa bitum sử dụng thích hợp trên các nền đá dăm,
cuội, sỏi hoặc trong nền đá có nhiều khe nứt. Hiện nay, trên thế giới ngƣời ta
thƣờng dùng hai phƣơng pháp phụt nhựa bitum: phụt nhựa bitum nóng và phụt
nhựa bitum lạnh.
- Phƣơng pháp phụt nhựa bitum nóng dùng thích hợp trong đá cứng nứt
nẻ, hang hốc và trong cuội sỏi. Nội dung của phƣơng pháp là phụt nhựa bitum
lỏng qua những lỗ khoan hoặc ống phụt vào trong lỗ rỗng của nền hoặc khe nứt.
12
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là thiết bị thi công cồng kềnh, phức tạp, nhựa
bitum sau khi lạnh thể tích bị giảm nên dễ gây ra biến dạng.
- Phƣơng pháp phụt nhựa bi tum lạnh, còn gọi là phƣơng pháp phụt nhũ
tƣơng bi tum, dùng để gia cố nền đất cát và đá gốc có khe nứt nhỏ. Thƣờng dùng
nhũ tƣơng bitum lỏng gồm 65% bitum, 35 40% nƣớc và chất gây ra nhũ
tƣơng.
1.6.7. Nhóm các phương pháp vật lý gia cố nền đất yếu
+ Gia cố nền bằng phương pháp điện thấm
Bản chất của phƣơng pháp là cắm vào đất dính bão hịa nƣớc hai điện cực,
cực dƣơng là thanh kim loại, cực âm là ống kim loại có nhiều lỗ nhỏ. Sau khi
cho dịng điện một chiều chạy qua, các hạt đất sẽ dịch chuyển về phía cực dƣơng
cịn nƣớc trong đất sẽ dịch chuyển về phía cực âm. Bố trí thiết bị thốt nƣớc về
phía cực âm thì lƣợng nƣớc sẽ thốt ra đáng kể, làm tăng nhanh tốc độ cố kết, hạ
thấp mực nƣớc ngầm.
+ Gia cố nền bằng phương pháp điện hoá học:
Phƣơng pháp này dựa vào nguyên lý điện thấm, chỉ khác là ngƣời ta đƣa
vào đất qua cực dƣơng các dung dịch hố học nhƣ canxi clorua, natri silicat để
khi có dòng điện chạy qua, các điện cực sẽ bị phá hủy và các sản phẩm phá hủy
liên kết với các hạt sét làm cho khối đất trở nên cứng lại và nƣớc sẽ đƣợc thải ra
ở cực âm. Nếu đất có hàm lƣợng muối lớn thì hiệu qủa của phƣơng pháp này sẽ
cao.
+ Gia cố nền bằng phương pháp nhiệt:
Bản chất của phƣơng pháp là dùng nhiệt độ cao để gia cố đất bằng cách:
Phụt qua lỗ khoan vào trong đất khơng khí nóng có nhiệt dộ 600 800oC hoặc
đƣa nhiên liệu cháy vào trong đất qua lỗ khoan và đốt ở nhiệt độ 1000 1100o C.
Phƣơng pháp này yêu cầu thiết bị và công nghệ thi công phức tạp, chi phí
lớn nên ít đƣợc ứng dụng.
1.7. Yêu cầu xử lý chống thấm cho nền đập
Trƣớc khi đắp đập phải dọn lớp mặt tầng phong hoá, lớp thực vật và lớp đất
mặt có khả năng sinh thấm tập trung và sinh trƣợt nhƣ: tầng cát mịn mỏng, bùn
lỗng có lẫn đá dăm, v.v... Thơng thƣờng phải bóc một lớp dày 0,3- 1m trên mặt
nền.
13
Nếu phải đào đến tầng đá thì mặt tầng đá cần đƣợc dọn sạch, sau đó mới
đắp đập. Vì u cầu chống thấm tập trung, nên sau khi dọn nền chỉ cho phép
đắp đập trực tiếp nếu đất thân đập và nền đập giống nhau (hình 2.1a). Nếu
hai loại đất đó khác nhau, cần làm các chân răng (hình 2.1b). Khi đắp đập đất
trên nền đá có thể xây các răng bằng bêtơng hoặc bằng đá (hình 2.1c) hoặc
dùng các biện pháp nối tiếp khác.
Tóm lại trong mọi trƣờng hợp phải bảo đảm liên kết thật tốt thân đập với
nền.
Hình 1.1: Nối tiếp đập và nền
1.8. Các mơ hình tính tốn thấm dƣới đáy móng cơng trình [6]
1.8.1. Tính thấm bằng phương pháp giải tích
1.8.1.1. Phương pháp cơ học chất lỏng
Phƣơng pháp này do Viện sĩ N.N. Pavlôpxki khởi xƣớng và đã đạt đƣợc lời
giải chính xác cho một số bài tốn thấm có biên đơn giản.
Trong bài tốn thấm phẳng, gọi h là hàm số cột nƣớc thấm, ta có:
h = h (x, y).
(1.1)
Trong mơi trƣờng thấm với các giả thiết đã nêu ở phần trên, phƣơng trình
vi phân cơ bản của dòng thấm là:
2 h 2 h
0
x 2 y 2
(1.2)
Với cơng cụ tốn học là các hàm giải tích một biến phức z = x + iy, tác giả
đã tìm đƣợc thế vị phức của dịng thấm trong một số bài tốn đơn giản. Chuyển
động của dịng thấm đƣợc mô tả bởi lƣới thấm gồm 2 họ đƣờng:
14
- Đƣờng đẳng thế, gọi tắt là đƣờng thế, là tập hợp các điểm có cùng cột
nƣớc h (h = const).
- Đƣờng dòng là quỹ đạo chuyển động của một hạt nƣớc trong miền thấm.
1.8.1.2. Phương pháp cơ học chất lỏng gần đúng
Với các đƣờng viền thấm phức tạp có 2, 3 hay nhiều hàng cừ, Pavlôpxki đã
dùng phƣơng pháp phân đoạn để giải gần đúng bài toán thấm. Sau đó Trugaep
đã phát triển thành phƣơng pháp hệ số sức kháng, đƣa ra các cơng thức giải tích
để tính hệ số sức kháng cho từng đoạn. Viện sĩ Lavrenchiep đề xuất phƣơng
pháp biến đổi các cừ, dẫn đến các bảng tra để xác định áp lực thấm tại các điểm
đặc trƣng của đƣờng viền thấm.
1.8.1.3. Phương pháp tỷ lệ đường thẳng
Vài nét lịch sử: Khi phƣơng pháp cơ học chất lỏng chƣa phát triển thì
ngƣời ta đã dùng phƣơng pháp tỷ lệ đƣờng thẳng (TLĐT) để giải các bài toán
thấm qua nền cơng trình. Phƣơng pháp này do Blai đề xƣớng dựa trên các tài
liệu quan trắc từ các công trình thực tế. Ơng cho rằng dọc theo tia dịng đầu tiên
(đƣờng viền thấm của cơng trình), độ dốc thuỷ lực khơng thay đổi, khơng phụ
thuộc vào hình dạng của đƣờng viền thấm (có cừ hay khơng có cừ). Từ giả thiết
này, có thể vẽ đƣợc biểu đồ áp lực thấm lên đáy cơng trình, tính đƣợc gradien và
lƣu tốc thấm bình qn trong tồn miền thấm.
Trong q trình giải bài toán thấm, dựa vào sự quan trắc tỷ mỉ hơn quá
trình tổn thất cột nƣớc thấm dọc theo đƣờng dòng đầu tiên, Len đã phát hiện ra
rằng trên những đoạn đƣờng viền thẳng đứng, mức độ tiêu hao cột nƣớc thấm
lớn hơn so với đoạn đƣờng viền nằm ngang. Từ đó Len đã đề xuất việc cải tiến
phƣơng pháp của Blai để các kết quả thu đƣợc phù hợp với thực tế hơn.
Ngày nay mặc dù đã có nhiều phƣơng pháp hiện đại để tính thấm, nhƣng
phƣơng pháp TLĐT vẫn còn đƣợc sử dụng trong những trƣờng hợp sau:
- Đối với các cơng trình nhỏ, tầng thấm mỏng, đƣờng viền thấm đơn giản:
giải theo phƣơng pháp TLĐT cho kết quả chính xác theo yêu cầu kỹ thuật.
- Đối với các cơng trình lớn: thƣờng dùng phƣơng pháp TLĐT để sơ bộ
kiểm tra chiều dài đƣờng viền thấm trƣớc khi đi vào tính tốn theo các phƣơng
pháp chính xác hơn.
15
- Đối với các cơng trình trên nền đá: thƣờng áp dụng phƣơng pháp này để
tính tốn áp lực thấm lên đáy cơng trình.
1.8.2. Tính thấm bằng phương pháp sử dụng lưới thấm
1.8.2.1. Khái niệm lưới thấm
Trong môi trƣờng đồng nhất, đẳng hƣớng, lƣới thấm đƣợc hình thành bởi
hai họ đƣờng cong trực giao nhau. Các đƣờng cong này thể hiện hình ảnh
chuyển động của các hạt nƣớc trong mơi trƣờng thấm.
- Đƣờng dòng: biểu diễn quỹ đạo của các phần tử nƣớc chuyển động trong
miền thấm;
- Đƣờng thế (gọi tắt của đƣờng đẳng thế hay đƣờng đẳng cột nƣớc): tập
hợp các điểm có cùng cột nƣớc thấm.
Trên hình 2-7a thể hiện một lƣới thấm đã vẽ xong, trong đó đƣờng viền
thấm dƣới đáy cơng trình là đƣờng dịng đầu tiên (A-M); mặt tầng khơng thấm
là đƣờng dịng cuối cùng (I-I). Đƣờng đáy sơng (kênh) phía thƣợng lƣu (OA) là
đƣờng thế đầu tiên; đƣờng đáy thoát nƣớc ở hạ lƣu (MN) là đƣờng thế cuối
cùng. Phần miền thấm giữa 2 đƣờng dòng kề nhau gọi là ống dòng; phần miền
thấm giữa 2 đƣờng thế kề nhau gọi là dải thế.
Jr
a)
b)
H
20
1
19
18
17
16
15
14
13 12 11 10 9
8
7
6
5
4
3
2
Hình 1.2: sơ đồ tính thấm bằng phương pháp lưới
a) Lƣới thấm; b) Biểu đồ gradien thấm Jr
Hai họ đƣờng dòng và đƣờng thế tạo thành một lƣới có các mắt lƣới hình
vng cong. Tại những vị trí mà các đƣờng dịng, đƣờng thế gần sát vào nhau là
nơi có dịng thấm mạnh (gradien thấm lớn); ngƣợc lại, tại vị trí có các đƣờng
dịng, đƣờng thế thƣa là nơi có dịng thấm yếu.
16
Lƣới thấm chỉ phụ thuộc vào dạng hình học của miền thấm mà không phụ
thuộc vào hệ số thấm, cột nƣớc, chiều dịng thấm, và kích thƣớc tuyệt đối của cơng
trình.
1.8.2.2. Các phương pháp xây dựng lưới thấm
Để xây dựng lƣới thấm, có thể sử dụng các phƣơng pháp khác nhau:
a) Phƣơng pháp giải tích: Viết phƣơng trình họ đƣờng dòng, đƣờng thế,
nhƣ đã nêu ở mục trên. Phƣơng pháp này chỉ áp dụng đƣợc một số sơ đồ miền
thấm đơn giản nhất.
b) Phƣơng pháp thí nghiệm tƣơng tự điện (EGĐA)
Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở tƣơng tự về hình thức giữa phƣơng trình
mơ tả dịng thấm và phƣơng trình dịng điện trong mơi trƣờng dẫn điện. Viện sĩ
Pavlơpxki đã nghiên cứu dùng máy EGĐA để vẽ lƣới thấm cho các dạng miền
thấm khác nhau. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là bảo đảm mức chính xác cao,
giải đƣợc các trƣờng hợp miền thấm phức tạp, môi trƣờng thấm khơng đồng
nhất, khơng đẳng hƣớng, và các bài tốn thấm khơng gian.
c) Phƣơng pháp thí nghiệm trên mơ hình khe hẹp: Dựa trên sự tƣơng tự về
hình thức giữa phƣơng trình mơ tả dịng thấm trong mơi trƣờng thấm với
phƣơng trình mơ tả dịng chảy tầng của chất lỏng nhớt trong một khe hẹp giữa 2
tấm kính, Aravin đã thiết lập đƣợc các biểu thức tƣơng quan giữa 2 loại chuyển
động này. Trong thí nghiệm, dùng các tia màu để đánh dấu đƣờng dịng và dùng
suy diễn (theo tính chất trực giao của lƣới thấm) để vẽ họ đƣờng thế.
Do những khó khăn về kỹ thuật thực hành, phƣơng pháp mơ hình khe hẹp
cịn chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi.
d) Phƣơng pháp vẽ lƣới bằng tay: Dựa vào các đặc điểm của lƣới thấm nhƣ
đã mô tả ở mục 1, có thể vẽ đƣợc lƣới thấm bằng tay cho những miền thấm
phẳng, đồng nhất đẳng hƣớng. Cách thức thực hiện là vẽ và sửa dần cho đến khi
đạt đƣợc một lƣới thấm trực giao có các mắt lƣới hình vng cong. Mức độ
chính xác của phƣơng pháp phụ thuộc vào trình độ và kinh nghiệm của ngƣời
vẽ, nói chung có thể đạt đƣợc độ chính xác yêu cầu của bài tốn kỹ thuật.
1.8.3. Tính thấm bằng phương pháp số
