Lựa chọn đường viền dưới đất của trụ biên

Khi thiết kế đường viền dưới đất của trụ biên có thể gặp trường hợp thấm không áp vòng quanh công trình.

Để ở vùng hạ lưu trụ biên không thể sinh ra trồi đất xói lùng ra ngoài do thấm ở phần hạ lưu của trụ biên phải bố trí thiết bị tiêu nước tương ứng có thể lọc ngược bảo vệ.

Khi trụ biên nối tiếp với đập đất, thiết bị tiêu nước của trụ biên có thể nối tiếp với thiết bị tiêu nước của đập đất, ngoài ra trong vùng trụ biên phải thiết kế nối tiếp thiết bị tiêu nước của phần đất của đập với thiết bị tiêu nước của phần đập tràn (nếu có).

CHÚ THÍCH: Trong một vài trường hợp việc tháo nước tiêu về hạ lưu có thể thực hiện qua các lỗ đặc biệt bố trí ở ngay tường của trụ biên. Cần phải chú ý rằng việc đưa thiết bị tiêu nước của trụ biên lên gần thượng lưu sẽ làm cho:

a) Mặt bão hòa của dòng thấm sẽ giảm xuống và vì thế làm giảm được áp lực nước ngầm lên tường của trụ biên;

b) Chiều dài đường viền dưới đất của trụ có thể rút ngắn và vì thế độ bền thấm của đất đắp sau lưng trụ biên bị giảm.

Để tăng chiều dài đường viền dưới đất của trụ biên nhằm tăng độ bền thấm của khối đất kề với trụ biên có thể bố trí tường răng dài, tường này thường đặt vuông góc với tường dọc của trụ biên (trên mặt bằng) và cắm vào khối đất đắp kề với trụ biên (hình 14).

Tường răng dài trong mặt bằng phải bố trí phía thượng lưu của tuyến cửa van của đập. Chiều dài cần thiết của tường răng (nếu có bố trí) cũng như vị trí của thiết bị tiêu nước phải được xác định trên cơ sở tính toán độ bền thấm của đất đắp sau lưng trụ biên.

Phải xem xét một loạt các phương án tương đương nhau của đường viền dưới đất của trụ biên và so sánh lựa chọn phương án hợp lý nhất (Điều 3, Điều 4).

Khi so sánh các phương án, cần tính đến việc giảm áp lực nước ngầm lên trụ biên bằng cách bố trí thiết bị tiêu nước gần phía thượng lưu.

Tường răng dài phải được bố trí sao cho nó không thể tách khỏi tường dọc của trụ biên và khi có lún không đều giữa tường dọc trụ biên và tường răng sẽ không tạo thành khe hở không chặt qua đó nước ngầm có thể chảy qua.

Tường răng dài có thể thiết kế dưới dạng:

a) Tường bê tông hoặc bê tông cốt thép, chiều dày của tường phải tăng dần xuống phía dưới (các mặt bên của tường phải có độ dốc bằng 1 : 10);

b) Tường lõi bằng đất sét ít thấm nước, và cũng có chiều dày mở rộng xuống phía dưới;

c) Hàng cừ: nếu phía dưới của tường bê tông hoặc bê tông cốt thép hoặc dưới tường lõi có bố trí hàng cừ thì hàng cừ này phải nối với hàng cừ của đập.

Trường hợp bố trí hàng cừ trên, có thể có sơ đồ nối tiếp tường răng dài với đập như hình vẽ 15, trong trường hợp này, sau khi đã xác định bằng tính toán chiều dài của tường răng I_tr và chiều sâu đóng của cừ S dưới phần đập (xem Điều 8), các kích thước s'_c ; s"_c … cũng như các chiều dài I', I", (hình 15) được xác định theo các trị số s và I_c, có xét tới sự cần thiết phải có các đường thấm với độ bền tương đương nhau (đường thấm có cùng chiều dài thay đổi dần theo chiều dài của đường viền dưới đất của đập nền đến chiều dài đường viền dưới đất của trụ biên) dọc theo các đường dòng a - b - c - d, v.v… (hình 15).

Khi không có tường răng dài, các hàng cừ của đập phải đi qua dưới trụ biên và cắm sâu vào bờ để chắn đường nước thấm. Các kích thước của các đoạn cừ này phải được xác định tương tự theo các chỉ dẫn ứng với sơ đồ trên (hình 15).

CHÚ DẪN:

4) cừ của tường răng; 5) cừ của đập; 6) mái dốc bờ

Ngoài các tường răng dài, khi thiết kế các trụ biên bằng bê tông và bê tông cốt thép có thể bố trí các tường răng ngắn (hình 16). Khi thiết kế các tường răng ngắn cần tính đến các vấn đề sau đây:

1) Trong trường hợp nếu đo áp lực của đất mà trụ biên bị lệch một ít so với tư thế ban đầu (sau khi đắp đã bị co ngót nếu có) ở một số đoạn dọc trên mặt nối tiếp xúc giữa trụ biên và đất đắp có thể xuất hiện các vùng đất tơi xốp (khe hở) dễ gây thấm tập trung thì rõ ràng là việc bố trí các tường răng ngắn sẽ rất có lợi, vì ở các mặt bên của tường răng sẽ không nảy sinh ra các vùng đất tơi xốp;

2) Có thể giả thiết rằng mặt nối tiếp giữa trụ biên với đất đắp có độ bền thấm yếu; do đó, để có được các đường thấm có độ bền dọc theo các đường dòng khác nhau, nên tăng chiều dài của mặt nối tiếp nói trên bằng cách bố trí các tường răng ngắn.

CHÚ THÍCH: Phải chú ý rằng mặt nối tiếp giữa trụ biên với đất đắp khác cơ bản với mặt nối tiếp của bê tông với đất nền. Trong trường hợp đập, bê tông luôn luôn áp vào đất nền bằng trọng lượng bản thân thì do biến dạng của đất đắp và do biến dạng của bản thân trụ biên có thể sẽ không có sự áp chặt của bê tông vào đất;

3) Việc bố trí các tường răng ngắn làm cho kết cấu trụ biên phức tạp thêm và giá thành tăng lên.

CHÚ DẪN: 1) các tường răng ngắn; 2) tường dọc của trụ biên

Việc tính toán thấm không áp vòng quanh trụ biên với cao trình đáy lòng sông và các cao trình mức nước thượng và hạ lưu đã cho phải nhằm xác định các mục tiêu sau đây:

1) Vẽ được đường cong bão hòa quanh trụ biên, cần cho việc tính toán tĩnh lực của trụ biên;

2 )Xác định gradien thấm dùng kiểm tra độ bền thấm chung của đất đắp sau lưng trụ biên.

Thông thường khi tính toán thấm phải xuất phát từ các điều kiện thấm trên mặt bằng, với các mặt cắt ướt là các mặt trụ tròn đường sinh thẳng đứng. Trong trường hợp này, để tính toán phải dùng phương pháp trình bày ở phụ lục K;

Đối với các công trình cấp I và cấp II khi có:

a) Thấm không gian thể hiện rõ ràng;

b) Dòng thấm từ phía bờ tương đối lớn;

c) Sự không đồng nhất lớn của đất trong vùng đường viền dưới đất của trụ biên;

việc tính toán thấm phải thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm tương tự điện thủy động.

11. Tính toán độ bền thấm của đất đắp sau lưng trụ biên

11.1. Qui định chung

Dạng và kích thước cuối cùng của đường viền dưới đất của trụ biên phải được xác định tương ứng với hình dạng bên ngoài đã được xác định sơ bộ (theo Điều 9.1) và theo kết quả thông qua các tính toán kiểm tra sau:

a) Các tính toán tĩnh học dùng để đánh giá độ ổn định và độ bền của tường và nền trụ biên;

b) Các tính toán về độ bền thấm của đất đắp sau lưng trụ biên.

Việc tính toán độ bền thấm của đất đắp sau lưng trụ biên chỉ cần xem xét độ bền thấm ngẫu nhiên của đất. Độ bền thấm bình thường của đất ở phần hạ lưu trụ biên phải được đảm bảo bằng việc bố trí các thiết bị tiêu nước cần thiết có lọc ngược bảo vệ (Điều 8.2).

Các vấn đề về ổn định chung của mái dốc của khối đất nối tiếp với trụ biên phải được tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 8216:2009 hoặc tiêu chuẩn hiện hành tương đương.

Việc tính toán ổn định thấm của đất đắp sau lưng tường phải mang tính chất kiểm tra. Do vậy, phải coi đường viền dưới đất của trụ phải được sơ bộ cho trước. Thực hiện việc kiểm tra độ bền thấm của đất đắp sau lưng trụ biên bằng các bước sau đây:

1) Giả thiết rằng tầng không thấm nằm ở cao trình đáy hạ lưu (độc lập với vị trí thực của nó);

2) Thay trụ biên đã cho bằng tấm móng giả định (điều K.4 phụ lục K) và giả thiết rằng tấm móng này chịu tác dụng của cột nước bằng cột nước tính toán Z tác dụng lên trụ biên;

3) Đối với tấm móng giả định phải xác định trị số gradien thấm kiểm tra J_k theo Điều 8.2;

4) Cuối cùng, so sánh giá trị J_k đã tìm được với giá trị cho phép (J_k)_{cho phép}. Trong trường hợp nếu:

J_k ≤ (J_k)_{cho phép} (8)

thì đường viền dưới đất đã thiết kế của trụ biên được coi là bền thấm.

Trị số của (J_k)_{cho phép} lấy theo bảng G1 ở phụ lục G.

Trong trường hợp, nếu việc tăng gradien kiểm tra sẽ dẫn đến giảm giá thành công trình khi thiết kế đường viền dưới đất của công trình phải đạt được đẳng thức:

J_k = (J_k)_{cho phép} (9)
Phụ lục A

(Quy định)

Khi tính toán thấm của đường viền dưới đất đã cho của một đập trước hết phải vạch ra sơ đồ tính toán của đường viền dưới đất đang xem xét. Sơ đồ trên lấy từ sơ đồ thực nhưng loại bỏ các chi tiết của đường viền mà ta có thể khẳng định trước là chúng không có ảnh hưởng lớn tới kết quả tính toán. Ví dụ để đơn giản tính toán phải thay các chân khay bê tông mỏng bằng các hàng cừ chống thấm có chiều dài tương ứng; các chân khay nhỏ nói chung có thể loại bỏ v.v…

Sau đó thay một vài vùng thấm không đồng nhất của nền bằng môi trường đồng nhất đẳng hướng đặc trưng bởi một hệ số thấm nhất định.

Ở đây cần chú ý rằng việc phân bố cột nước ở nền và trị số các gradien thấm ở các điểm của nó hoàn toàn không phụ thuộc vào trị số hệ số thấm đã xác định. Chỉ có lưu lượng thấm phụ thuộc vào hệ số thấm (trị số lưu lượng thấm tỷ lệ thuận với hệ số thấm)

Cũng cần chú ý rằng độ dốc đo áp của từng điểm trong nền hoàn toàn không phụ thuộc vào các cao trình mực nước ở thượng hạ lưu và đối với đường viền dưới đất đã cho, nó được xác định bởi trị số cột nước Z ở công trình.

Các trị số cột nước ở từng điểm của nền lại phụ thuộc vào các cao trình mực nước ở thượng hạ lưu. Do đó trị số áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy đập phụ thuộc vào chiều sâu nước ở hạ lưu.

Việc tính toán thấm phải được thực hiện bằng cách xem xét 1 mét dài đập.

Theo phương pháp các hệ số sức kháng, đường đo áp P - P vẽ cho đường viền dưới đất ở dạng các đoạn thẳng gãy khúc, gồm một số đoạn thẳng nghiêng và một số bậc thẳng đứng ứng với vị trí của đường viền dưới đất mà dòng thấm trên đường thấm gặp trở ngại cục bộ này hoặc trở ngại cục bộ khác, ví dụ các hàng ván cừ, các bậc thẳng đứng của đường viền dưới đất v.v… (hình A1)

Áp lực nước tại điểm bất kỳ trên đường viền ví dụ ở điểm m, được xác định bằng chiều sâu h'_p tại điểm đó so với đường đo áp P-P đo tại điểm tương ứng (hình A1). Từ đường đo áp đã cho, có thể xác định một cách gần đúng áp lực nước trong cả chiều dày của nền (ví dụ trên hình A1) xem điểm n và ứng với nó là chiều cao đo áp h"_p)

Sử dụng phương pháp các hệ số sức kháng có thể giải được các bài toán cơ bản sau đây:

1) Vẽ biểu đồ áp lực đẩy ngược đối với các bộ phận nằm ngang của đường viền dưới đất, xác định cột nước ở mũi cừ hạ lưu (cừ ra) hoặc ở đáy chân khay hạ lưu và tìm độ dốc đo áp J_k để kiểm tra độ bền thấm chung của đất nền;

2) Xác định độ dốc đo áp ra lớn nhất ở mặt đáy hạ lưu;

3) Xác định giá trị lưu lượng nước thấm.

CHÚ DẪN: I) mặt của tầng không thấm tính toán; III) thiết bị tiêu nước

P-P) đường đo áp đối với các bộ phận nằm ngang của đường viền dưới đất (2-3) và (4-5)

Hình A1 - Tính toán nền đập theo phương pháp hệ số sức kháng

Khi giải các bài toán nêu trên cần xác định vị trí tính toán của tầng không thấm trong trường hợp chung vị trí này có thể không trùng với vị trí mặt tầng không thấm thực. Chiều sâu T_tt (hình A1) xác định vị trí tính toán của mặt tầng không thấm theo phương pháp hệ số sức kháng trong trường hợp chung phải khác nhau đối với các bài toán thấm khác nhau nêu ra ở ba điểm nêu trên. Ta ký hiệu độ sâu của mặt tầng không thấm tính toán bằng T'_tt, T"_tt và T"'_tt ứng với khi giải các bài toán nêu trong các điểm 1,2 và 3. Độ sâu của mặt tầng không thấm nước được ký hiệu bằng T_thực.

Các trị số T_tt và T_thực luôn luôn đo theo đường thẳng đứng tính từ mặt tầng không thấm nước đến điểm nằm cao nhất của đường viền.

Trước khi giải bài toán nào đó trong các bài toán thấm nêu trên, cần phải thực hiện các tính toán phụ sau đây:

1) Xác định vị trí mặt tầng không thấm tính toán;

2) Từ giá trị đã tìm được T_tt xác định các trị số hệ số sức kháng đối với từng bộ phận của đường viền dưới đất như sẽ qui định theo các điều dưới đây của phụ lục này:

Ý nghĩa về khái niệm vùng hoạt động thấm theo cột nước như sau: diện tích biểu đồ áp lực đẩy ngược tìm ra cho trường hợp khi Thđông khác với diện tích biểu đồ áp lực đẩy ngược tìm ra đối với trường hợp T = , diện tích của biểu đồ áp lực đẩy ngược tìm ra trong trường hợp khi T = T'_hđộng thực tế trùng với diện tích của biểu đồ áp lực đẩy ngược tìm ra trong trường hợp T = .

Ta ký hiệu I_o - là chiều dài hình chiếu của đường viền dưới đất lên phương ngang và S là chiều dài hình chiếu của đường viền dưới đất lên phương thẳng đứng (hình A1). Sử dụng các ký hiệu trên phải xác định trị số T'_hđộng theo các công thức sau:

a) Đối với "đường viền dưới đất nông"

Khi ≥ 5 (10)

T'_hđộng = 0,5I_o (11)

b) Đối với "sơ đồ trung gian"

Khi 3,4 ≤ ≤ 5,0 (12)

T'_hđộng = 2,5S_o (13)

c) Đối với "đường viền dưới đất sâu"

Khi 1,0 ≤ ≤ 3,4 (14)

T'_hđộng = 0,8S_o + 0,5I_o (15)

d) Đối với "đường viền dưới đất rất sâu"

Khi 0 ≤ ≤ 1,0 (16)

T'_hđộng = S_o + 0,3I_o (17)

Nếu chiều sâu thực của tầng không thấm

T_thực ≤ T'_hđộng (18)

Phải lấy: T_tt = T_thực (19)

Nếu T_thực ≥ T'_hđộng; (20)

Phải lấy: T_tt = T_hđộng (21)

Phải tính toán trị số T"_hđộng theo công thức:

T"_hđộng = 2T'_hđộng (22)

Trong đó: T_hđộng xác định như trong điểm trước.

Nếu độ sâu của tầng không thấm thực T_thực ≤ T"_hđộng; (23)

Thì phải lấy: T_tt = T_thực (24)

Nếu T_thực > T"_hđộng (25)

Thì phải lấy: T"_tt = T"_hđộng; (26)

T"_tt = T_thực (27)

Tức là, trong trường hợp này bao giờ cũng phải lấy tầng không thấm thực để làm tầng không thấm tính toán.

A3. Trình tự tính toán chung theo phương pháp hệ số sức kháng

Khi giải bài toán nào đó trong các bài toán về thấm thì sau khi xác định vị trí mặt của tầng không thấm tính toán tương ứng phải phân đường viền dưới đất đã cho thành các bộ phận có dạng sau đây:

1) Bộ phận vào và ra của đường viền dưới đất ở dạng các hàng cừ vào và ra (hình A1, các bộ phận 1-a-2 và 5-c-6), hoặc khi không có các hàng cừ này thì ở dạng bậc vào và ra (hình A1, các bộ phận 1-2 và 5-6) hoặc khi không có các ván cừ và các bậc thì dạng "vào phẳng" và "ra phẳng" (hình A4 d) trong trường hợp này bộ phận vào và ra của đường viền chuyển thành các điểm (hình A4 d, điểm A).

2) Các hàng cừ bên trong (trên hình A1 là 3-b-4); nhưng trong trường hợp chung loại hàng cừ này có thể có một vài hàng; nếu S_o = 0 thì không có hàng cừ bên trong 3-b-4 mà chỉ còn bậc thẳng đứng bên trong 3-4.

3) Các bộ phận nằm ngang của đường viền dưới đất (các bộ phận 2-3 và 4-5 (hình A1)).

Khi chia đường viền dưới đất như trên sẽ chỉ còn 3 loại bộ phận đường viền định hình. Tổn thất cột nước h dọc theo mỗi loại bộ phận đường viền sẽ bằng:

h = H' - H" (28)

trong đó:

H': cột nước ở điểm đầu của bộ phận;

H": cột nước ở điểm cuối của bộ phận ví dụ đối với hàng cừ bên trong 3-b-4 trị số h sẽ là hiệu số giữa cột nước ở điểm 3 và điểm 4.

Trong trường hợp dòng thấm là chảy tầng thì có thể tính trị số h cho mỗi loại bộ phận đường viền bằng công thức sau đây:

h = (29)

trong đó:  là hệ số sức kháng phụ thuộc vào dạng và các kích thước của bộ phận đường viền đang xem xét, cũng như vào trị số T_tt.

Ta ký hiệu: _vào và _ra là các hệ số sức kháng của các bộ phận vào và ra của đường viền dưới đất; _cừ là hệ số sức kháng của cừ bên trong, khi S = 0 có thể thay _cừ bằng hệ số sức kháng của bậc bên trong, _bậc ; _ngang hệ số sức kháng của bộ phận nằm ngang của đường viền dưới đất; - hệ số sức kháng tổng cộng của đường viền dưới đất xem xét; đối với đường viền cho trên (hình A1).

Trong đó: '_ngang và "_ngang là các hệ số sức kháng tương ứng đối với từng bộ phận nằm ngang thứ nhất và thứ hai của đường viền.

Có thể thấy rằng các trị số của hệ số sức kháng không phụ thuộc vào hướng của dòng thấm. Do đó các bộ phận vào và ra của đường viền có cùng dạng và cùng các kích thước chúng ta sẽ có:

_vào = _ra (31)

Khi các trị số  của tất cả các bộ phận đã phân tách ra củ đường viền đã cho, cũng như cao trình nước ở thượng và hạ lưu, bằng các công thức rất đơn giản có thể giải các bài toán thấm bất kỳ, bằng cách sử dụng các qui định chung, ví dụ qui định là cột nước Z ở công trình phải được phân chia giữa các bộ phận của đường viền theo tỷ lệ thuận với các trị số  của chúng v.v… (chi tiết xem ở dưới)

Như thế rõ ràng là vấn đề cơ bản khi tính toán đường viền dưới đất theo phương pháp hệ số sức kháng là vấn đề xác định các trị số  đối với các bộ phận khác nhau của đường viền, với vị trí tính toán nào đó của tầng không thấm.

Chúng ta hãy gắn các trị số  tìm thấy ở dưới đây ở các đoạn nền đập với các bộ phận tương ứng của đường viền dưới đất, khi tính toán thực tế chúng ta hoàn toàn không cần quan tâm tới các đoạn của nền đập đã được phân chia như thế nào. Trong trường hợp, ví dụ: thấm với áp lực đều ở trong khối đất nền chữ nhật có chiều dài L và chiều cao T, hệ số sức kháng của đoạn nền chữ nhật này bằng:

_ngang = (32)

Trị số hệ số sức kháng này phải ứng với bộ phận nằm ngang của đường viền dưới đất có chiều dài L và phải coi rằng đặc trưng của sức kháng của bộ phận nằm ngang này trị số _ngang tính theo công thức (32). Cũng lý luận tương tự để xác định các hệ số sức kháng phải tìm có thể đưa ra các công thức tính toán theo các điều A.4.2; A.4.3; A.4.4; A.4.5 sau đây:

CHÚ DẪN: I) tầng không thấm tính toán; II) đoạn nền đập tương ứng

CHÚ DẪN : I) tầng không thấm tính toán (trong sơ đồ của ván cừ bên trong)

Trong trường hợp:

Trong trường hợp:

_cừ = + (36)

Trong đó a, S, T₁, T₂ cho trên hình A2 a)

Khi S = 0, theo công thức (34), có (hình A2 b)

_bc = (37)

Khi T₁ = T₂ = T tức là a = 0, các công thức (34) và (36) được đơn giản một cách tương ứng và trị số T₂ trong các công thức trên phải hiểu là trị số T (hình A4.c)

Các trị số _cừ và _bậc chính xác hơn, có thể tìm được bằng đồ thị trên hình A3 được vẽ có sử dụng cách giải cơ học chất lỏng của Nu-Me-Rốp, và phần dưới của đồ thị đã được hiệu chỉnh.

A4.3. Hệ số sức kháng của các bộ phận vào và ra của đường viền (hình A4) cũng như của 2 hàng cừ bố trí gần nhau.

Trong trường hợp chung (hình A4 a;b)

_vào = _ra = _cừ + 0,44 (38)

trong đó _cừ được xác định với giả thiết là cừ vào hoặc cừ ra đã cho là cừ bên trong.

Trường hợp đặc biệt, khi S = 0 và a = 0 (hình A4 d), bộ phận vào hoặc ra đường viền, như đã nói ở trên, trở thành điểm A và hệ số sức kháng của điểm này là:

_vào = _ra = 0,44 (40)

Hệ số sức kháng này có thể gọi là hệ số sức kháng "quặt đơn thuần" của dòng chảy với góc 90^o.

Trong các trường hợp tương đối ít gặp, khi khoảng cách giữa hai hàng cừ bên trong có chiều dài S₁ và S₂ bằng:

I < 0,5(S₁ + S₂) (41)

Hệ số sức kháng tổng cộng của hai hàng cừ này có thể lấy bằng (khi T₁ = T₂ = T):

2_cừ = '_cừ + "_cừ (42)

Trong đó '_cừ: hệ số sức kháng của cừ dài hơn và ”_cừ của cừ ngắn hơn, '_cừ và "_cừ được tính toán theo công thức (34) hoặc (36).

Như thế rõ ràng khi I = 0,5(S₁+S₂) trị số 2_cừ = '_cừ + "_cừ; khi I = 0 trị số 2_cừ = '_cừ

Đưa vào công thức (42) có thể tính 2_cừ cả khi có các bậc cao a, và cả hệ số sức kháng tổng cộng của hai hàng cừ khi một trong chúng là cừ bên trong còn hàng còn lại là cừ vào hoặc cừ ra.

CHÚ DẪN: I) tầng không thấm tính toán; II) đoạn nền đập tương ứng