TIÊU CHUẨN VIỆT NAM
TCVN 8422:2010
CÔNG TRÌNH THỦY LỢI – THIẾT KẾ TẦNG LỌC NGƯỢC CÔNG TRÌNH THỦY CÔNG
Hydraulic structure – Design of adverse filter
- Phạm vi áp dụng
Tiêu chuẩn này dùng để thiết kế tầng lọc ngược và vùng chuyển tiếp bằng đất không dính, cát, cuội, sỏi và đá dăm, cũng như lọc ngược bằng bê tông xốp, đặt trong các công trình thủy lợi cấp đặc biệt, cấp I, II, III, và IV (cấp công trình theo TCXDVN 285-2002 – Công trình thủy lợi – các quy định chủ yếu về thiết kế hoặc tiêu chuẩn hiện hành), theo vốn đầu tư trong đập đất và đập đá đổ, trong mái đập, trong nền đập nhà máy thủy điện, âu thuyền và các công trình khác, trong phần tiêu năng sau đập, trong lớp mái kênh, trong lớp gia cố mái dốc của bờ đáy thượng lưu và hạ lưu.
Đối với công trình thủy lợi cấp IV và V, các yêu cầu về thiết kế hạng mục lọc ngược của bộ phận công trình thủy công có thể lấy thấp hơn các yêu cầu nên trong tiêu chuẩn này.
Trong trường hợp các đặc trưng tính toán của vật liệu, khai thác để làm lọc ngược vượt ra ngoài các giới hạn nêu trong các điều kiến nghị trong tiêu chuẩn này thì cần phải kiểm tra lọc đã thiết kế bằng thí nghiệm ở trong phòng hoặc ở công trường.
- Thuật ngữ và ký hiệu
2.1. Thuật ngữ
Tiêu chuẩn này khuyến nghị sử dụng theo đúng các thuật ngữ và ký hiệu sau đây:
2.1.1. Kết cấu tiêu nước (drainage filter)
Kết cấu dùng để hạ thấp mực nước ngầm hoặc áp lực nước ngầm cũng như để dẫn nước thấm một cách có tổ chức trong hệ thống tiêu nước.
2.1.2. Lọc ngược (adverse filter)
Những lớp cát, sạn, sỏi hoặc đá dăm để bảo vệ đất trong các công trình và trong nền các công trình để khỏi bị xói ngầm cơ học cũng như khỏi bị ép phì, đùn đất cuốn đi trong những trường hợp cá biệt.
2.1.3. Cốt đất (earth forced)
Tập hợp các hạt đất chịu tác dụng và chuyển tác dụng của ngoại lực đảm bảo độ bền và độ ổn định của đất.
2.1.4. Xói ngầm cơ học (mechanic tunnel erosion)
Hiện tượng chuyển vị của đất và hiện tượng lôi các hạt nhỏ từ trong tầng đất ra ngoài do tác dụng của dòng thấm.
2.1.5. Xói ngầm cơ học trong (mechanic subsurface erosion)
Hiện tượng chuyển vị trong đất của các hạt nhỏ do dòng thấm gây ra.
2.1.6. Xói ngầm cơ học ngoài (mechanic surface erosion)
Hiện tượng lôi các hạt nhỏ từ trong tầng đất ra ngoài do dòng thấm gây ra.
2.1.7. Xói ngầm cơ học nguy hiểm (danger mechanic tunnel erosion)
Hiện tượng chuyển vị và lôi các hạt nhỏ và các hạt cốt đất với số lượng do dòng thấm gây ra làm phá hoại độ bền và độ ổn định của đất.
2.1.8. Sự bồi tắc (soil consolidate)
Hiện tượng lắng đọng các hạt nhỏ do dòng thấm vận chuyển vào các kẽ rỗng của đất.
2.1.9. Đất xói ngầm (soil subsurface erosion)
Đất trong đó xói ngầm cơ học có thể xuất hiện và phát triển với vận tốc thấm vượt quá vận tốc giới hạn.
2.1.10. Đất không xói ngầm (non subsurface erosion)
Đất trong đó xói ngầm cơ học không thể xảy ra.
2.1.11. Vùng tiếp xúc của đất (contact area)
Vùng bao gồm biên giới của hai loại đất kế cận và khác nhau về thành phần hạt; vùng đó được xác định bằng chiều sâu xâm nhập của hạt loại đất này sang hạt loại đất kia.
2.1.12. Sự rơi vãi đất vào lọc (soil infill to filter)
Hiện tượng di chuyển các hạt nhỏ từ chỗ đất tiếp xúc vào lớp lọc do tác dụng của trọng lực.
2.1.13. Phân lớp đất (soil sublayer)
Hiện tượng tách hạt to khỏi hạt nhỏ xuất hiện khi vận chuyển, đổ và rải đất.
2.1.14. Đùn đất (soil push up)
Hiện tượng tách rời và chuyển vị của đất gây ra bởi dòng thấm đi lên.
2.1.15. Bóc lớp đất (remove soil layer)
Hiện tượng các kết thể của đất dính (đất có sét và đất thịt) bị tách rời ở vùng tiếp xúc của lọc ngược với đất.
2.1.16. Xói mòn tiếp xúc (contact erosion)
Hiện tượng xói mòn đất hạt nhỏ ở chỗ tiếp xúc với đất do tác dụng của thấm dọc.
2.2. Ký hiệu
Các ký hiệu được sử dụng nhiều trong tiêu chuẩn:
- D: đường kính hạt vật liệu của lọc ngược bảo vệ;
- d: đường kính hạt đất được lọc ngược bảo vệ;
- Do: đường kính trung bình của lỗ rỗng trong lớp học;
- dtv: đường kính hạt tạo vòm của đất;
- dxn: đường kính hạt (xói ngầm) của đất bị lôi ra bởi dòng thấm;
- d0 max: đường kính lớn nhất của đường thấm;
- D10…D17…D60: đường kính hạt vật liệu lọc ngược, các hạt nhỏ hơn các hạt này trong thành phần của đất chiếm 10 %… 17%… 60% theo trọng lượng;
- d10…d17…d60: đường kính hạt của đất được bảo vệ, các hạt nhỏ hơn các hạt này trong thành phần của đất chiếm 10 %… 17%… 60% theo trọng lượng;
- dmin: đường kính nhỏ nhất của các hạt ở trong loại đất, các hạt nhỏ hơn các hạt này trong thành phần của đất chiếm 0 % theo trọng lượng;
- : hệ số không đều hạt của đất được bảo vệ, không thứ nguyên;
- : hệ số không đều hạt của vật liệu làm lọc ngược, không thứ nguyên;
- m, mđ: độ rỗng của đất, % thể tích đất;
- mt: độ rỗng của vật liệu làm lọc ngược, % thể tích vật liệu;
- hgl: hệ số không rải hạt giữa các lớp, không thứ nguyên;
- kđ: hệ số thấm của đất được lọc ngược bảo vệ, cm/s;
- k1: hệ số thấm của vật liệu lọc ngược, cm/s;
- Jth, Vth: gradien cột nước (không thứ nguyên) và vận tốc thấm tới hạn (độ dài/thời gian), với các trị số này bắt đầu có xói ngầm cơ học;
- q: góc giữa các phương của vận tốc thấm và lực trọng trường, tính bằng độ;
- c: hệ số xếp hạt không đều trong đất hoặc hệ số cục bộ về xói ngầm, không thứ nguyên;
- j0: hệ số vận tốc tới hạn, không thứ nguyên;
- f* : hệ số ma sát tính đổi, không thứ nguyên;
- γđ: dung trọng đất khô, g/cm3;
- D: trọng lượng riêng của các hạt đất, g/cm3;
- γn: dung trọng của nước, g/cm3;
- W: độ ẩm của đất, % so với dung trọng khô;
- Wc: giới hạn chảy của đất là độ ẩm đất mà tại đó đất bị chảy % so với dung trọng khô;
- Wl: giới hạn lăn của đất là độ ẩm đất mà tại đó đất có thể lăn tròn được, % so với dung trọng khô;
- Wd: chỉ số dẻo của đất, không thứ nguyên;
- G: hệ số ẩm, không thứ nguyên;
- ec: hệ số rỗng của đất ở giới hạn chảy, không thứ nguyên;
- Jtt: gradien cột nước tính toán, không thứ nguyên;
- D0tt: đường kính tính toán của kẽ rỗng vật liệu lọc, mm;
- H: chiều cao cột nước, m;
- Re: số Râynôl (Raynolds);
- V: hệ số nhợt động học của nước;
- g: gia tốc trọng trường, m/s2.
- Phân loại lọc ngược
Khi lựa chọn thành phần hạt của vật liệu làm lọc ngược cần phân biệt chúng ra làm hai kiểu cơ bản:
Kiểu I: Thấm ngang (thấm qua mặt cắt ngang lớp lọc) và sự xâm nhập của đất vào lọc ngược dưới tác dụng của trọng lực là những yếu tố xác định thành phần của lọc ngược. Trong loại lọc ngược này cần phân biệt hai trường hợp:
– Trường hợp thứ nhất: phương vận tốc thấm và của trọng lực trùng với nhau (Hình 1a);
– Trường hợp thứ hai: phương của chúng ngược nhau (Hình 1 b);
Kiểu II: Thấm dọc (thấm dọc theo lớp lọc) là yếu tố xác định thành phần lọc ngược khi đó các chỗ tiếp xúc của đất và các lớp lọc có thể là nằm ngang hoặc nằm nghiêng (Hình 1 c, d, e).
Hình 1 – Các kiểu lọc ngược
Các lọc ngược có mặt tiếp xúc thẳng đứng giữa hai lớp đất kế cận (các lọc ngược này chủ yếu được đặt vào các lỗ khoan và giếng tập trung nước) được xem như kiểu lọc thứ nhất (Kiểu I) nếu thấm đi qua chiều ngang của chúng; và được coi như kiểu II nếu thấm theo chiều dọc.
- Chức năng, yêu cầu, nhiệm vụ thiết kế và vật liệu làm lọc ngược
4.1. Chức năng của lọc ngược
Lọc ngược chính là những lớp vật liệu trung gian, nối tiếp đất hạt nhỏ cần bảo vệ với đất hạt to (bộ phận tiêu nước). Chức năng chủ yếu của lọc ngược là ngăn ngừa xói ngầm cơ học nguy hiểm trong đất hạt nhỏ cần bảo vệ. Trong trường hợp cá biệt, lọc ngược có thể làm nhiệm vụ gia tải chống hiện tượng đùn đất.
Lọc ngược có thể là những kết cấu độc lập hoặc là bộ phận của các kết cấu tiêu nước (nghiêng theo mái dốc, ống, lăng trụ đá, v.v…).
4.2. Yêu cầu đối với lọc ngược
Lọc ngược phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
- a) Độ thấm nước của lọc ngược phải rất lớn so với độ thấm nước của đất được nó bảo vệ.
- b) Thành phần của hạt lọc ngược phải chọn sao cho:
– Bảo đảm không có hiện tượng các hạt đất của vùng đất cần bảo vệ (đất thân đập, đất nền công trình thủy công) không được phép xâm nhập vào trong tầng lọc ngược cũng như ngăn các hạt đất vùng cần bảo vệ vào thân lọc ngược hoặc vào trong kết cấu tiêu nước hoặc đá đổ;
– Ngăn ngừa được sự phát triển nguy hiểm đối với độ bền và độ ổn định của đất cần bảo vệ về xói ngầm cơ học trong vùng tiếp xúc với lọc;
– Bảo đảm không có sự ứ động bồi tắc lọc ngược do các hạt nhỏ được dòng thấm mang từ vùng đất cần bảo vệ qua tầng lọc. Do đó lọc tầng lọc ngược phải giữ được các hạt có đường kính cần bảo vệ của vùng đất thân đập hoặc nền công trình thủy công và cho phép các hạt nhỏ hơn (các hạt có đường kính nhỏ không thuộc đối tượng bảo vệ của nền đất, thân đập) thoát qua;
– Ngăn ngừa được xói ngầm cơ học nguy hiểm đối với độ bền và độ ổn định của lọc ngược trong bản thân lớp lọc;
Nếu đất cần bảo vệ là không xói ngầm thì không cần thỏa mãn các điều kiện thứ 2 và thứ 3 khoản b) điều này đã chỉ ở trên khi chọn thành phần lọc ngược. Nếu ngay cả thành phần lọc ngược cũng là không xói ngầm thì không cần thỏa mãn cả điều kiện thứ 4 khoản b) điều này đã nêu ở trên. Trong trường hợp như vậy chỉ yêu cầu thỏa mãn điều kiện thứ nhất nghĩa là đảm bảo không có sự rơi vãi hạt cốt đất vào lọc ngược.
- c) Chiều dày của một lớp lọc ngược bất kỳ phải lớn hơn chiều dày của vùng tiếp xúc nối tiếp rất nhiều. Lớp lọc phải có chiều dày sao cho trong lớp đó hình thành được cốt đất có thành phần hạt thích ứng và có khả năng chịu tác dụng của ngoài tải. Chiều dày các lớp lọc phải được ấn định có xét đến biện pháp thi công.
- d) Thi công lớp lọc ngược phải tiến hành sao cho đảm bảo được độ đồng đều của thành phần hạt vật liệu theo chiều dày và theo mặt bằng của từng lớp học. Cũng không cho phép phân lớp vật liệu khi xếp các lớp của lọc ngược.
4.3. Nhiệm vụ thiết kế lọc ngược là bao gồm giải quyết các vấn đề cơ bản sau
- a) Xác lập các thông số tính toán (thành phần hạt, dung trọng độ rỗng, hệ số thấm.v.v…) của đất được lọc ngược bảo vệ; đánh giá độ bền và ổn định (độ xói ngầm) của đất và xác định kích thước tính toán của hạt đất tạo vòm theo thành phần đất và những điều kiện thủy động của dòng thấm;
- b) Chọn vật liệu thiên nhiên hoặc vật liệu nhân tạo (đá dăm, xỉ được tán nhỏ v.v…) có thể dùng làm lọc ngược;
- c) Xác định thành phần hạt của lớp thứ nhất và các lớp tiếp theo của lọc ngược chọn từ các vật liệu thiên nhiên hoặc nhân tạo;
- d) Đánh giá độ thấm nước của vật liệu dùng cho lọc ngược thiết kế;
- e) Kiểm tra độ bền và độ ổn định về xói ngầm của đất cần bảo vệ bằng lọc ngược thiết kế của vật liệu làm lọc ngược;
- f) Xác định chiều dày và số lớp của lọc ngược;
- g) Xác định giới hạn chênh lệch cho phép có thể xảy ra về thành phần hạt, chiều dày các lớp và độ rỗng của vật liệu lọc ngược khi xếp chúng vào kết cấu tiêu nước.
4.4. Vật liệu làm lọc ngược
Để làm lọc ngược, chỉ được dùng vật liệu thiên nhiên gia công hoặc đã được xử lý, không dính, lấy từ các đá rắn và chắc, không chứa muối hòa tan trong nước. Trong các loại vật liệu này có: cát, cuội, sỏi, đá dăm, đá dăm thải của các nhà máy nghiền đá, xỉ được tán nhỏ (nghiên cứu trước trong phòng thí nghiệm).
Cát thiên nhiên hoặc gia công nhân tạo phải xuất xứ từ các nham thạch rắn và chắc; tràng thạch, thạch anh hay hỗn hợp sỏi, cuội, đất dăm và xỉ tán nhỏ của chúng phải xuất xứ từ các nham thạch rắn chắc không bị làm mềm bởi hiện tượng phong hóa và rửa kiềm.
Giới hạn cường độ chịu nén của đá không được nhỏ hơn 300 kg/cm2.
Giới hạn cường độ chịu nén của đá dùng làm lọc ngược các đập cao, không được nhỏ hơn cường độ chính bản thân của đập.
Trong trường hợp gần nơi xây dựng công trình có một số mỏ vật liệu để làm lọc ngược và vật liệu lấy từ những mỏ này thỏa mãn các yêu cầu nói trên, thì khi lựa chọn một hoặc vài mỏ trong số đó cần phải xét đến giá thành thấp nhất của công tác xây dựng lọc ngược.
4.5. Số liệu ban đầu để thiết kế lọc ngược
Khi thiết kế lọc ngược phải biết các số liệu ban đầu sau đây:
- a) Thành phần cơ học, độ nhớt và tính chất thấm nước của đất đắp đập và của đất nền được bảo vệ bằng các lọc ngược;
- b) Loại thành phần cơ học và tính chất thấm nước (nghĩa là các đặc trưng tính toán) của vật liệu được dự kiến dùng làm lọc ngược;
- c) Các số liệu về sự có mặt khác và trữ lượng của vật liệu tại chỗ dùng cho lọc ngược, các số liệu về điều kiện khai thác và chuyên chở;
- d) Cấp công trình để thiết kế tầng lọc ngược;
- e) Kiểu và kết cấu tiêu nước được chọn để thiết kế tầng lọc ngược;
- f) Lưu lượng nước đơn vị của dòng thấm chảy qua lọc ngược;
- g) Các mực nước hạ lưu (từ nhỏ nhất đến lớn nhất);
- h) Chiều cao tính toán của sóng ở hạ lưu.
- Các hệ thức tính toán để xác định thành phần hạt các lớp của lọc ngược
5.1. Các thông số của vật liệu
Các thông số của vật liệu sử dụng trong thiết kế lọc ngược bao gồm: cát, sỏi về xói ngầm và không xói ngầm.
Thành phần hạt của đất không xói ngầm được xác định bằng hệ thức thực nghiệm sau đây của M.Paptrit:
(1)
(2)
Trong đó
Pi là hàm lượng % trong đất của các hạt, tính theo trọng lượng có đường kính nhỏ hơn di;
P10 = đường kính hạt nhỏ hơn hạt chiếm 10% trọng lượng;
di, dmin là đường kính hạt chiếm i% trọng lượng và đường kính nhỏ nhất của các hạt ở trong loại đất đã cho.
Để lập đường cong thành phần hạt của đất không xói ngầm theo hệ thức trên đây, cần biết hàm lượng phần trăm Pi của các hạt có đường kính di ở trong đất và hệ số không đều hạt của đất h.
Nếu di > dmin thì đưa các thông số này vào công thức (1), sẽ tìm được dmin và sau đó tự cho các trị số khác nhau Pi = 10…20…100, tính các trị số di tương ứng với chúng theo hệ thức (1).
Bằng cách ấy, theo các số liệu tính được sẽ lập được đường cong phải tìm.
Thành phần hạt của đất không xói ngầm cũng có thể xác định theo các đường cong cho ở Hình 2. Các đường cong này được lập trong tọa độ tương đối và tỉ số di/d17 đặt trên trục hoành độ, còn Pi đặt trên trục tung độ. Hệ thức (1) là sự gần đúng của những đường cong này.
Tất cả các đất, mà thành phần hạt của chúng căn bản khác với thành phần hạt đã cho ở Hình 2 và thành phần hạt ấy được xác định theo hệ thức (1) đều thuộc loại đất xói ngầm. Khi đạt tới vận tốc thấm tới hạn thì xói ngầm cơ học sẽ phát triển trong các đất này. Khi đó số lượng các hạt nhỏ bị lôi ra khỏi đất này sẽ phụ thuộc vào mức độ khác nhau của đất xói ngầm và đất không xói ngầm và phụ thuộc vào vận tốc thấm.
5.2. Các hệ thức tính toán về hệ số thấm của vật liệu cát, sỏi và đá dăm
Trong những trường hợp không biết hệ số thấm của vật liệu cát, sỏi hoặc đá dăm được bảo vệ hoặc được chọn làm lọc ngược thì có thể xác định hệ số thấm theo hệ thức thực nghiệm của M. Paptrit:
k = (3)
A = (4)
j1: hệ số xét đến hình dạng và độ nhám của hạt. Đối với cát, sỏi, cần lấy j1 = 1,0; đối với đá dăm lấy j1 từ 0,35 đến 0,40.
Trong công thức (3) trị số d17 tính bằng cm, khi đó hệ số thấm nhận được là cm/s.
Công thức (3) đúng đối với chế độ thấm tầng và đối với các giá trị bất kỳ của h và d17.
Giá trị của hệ số thấm cũng có thể tìm theo công thức sau đây của A.N. Tpatrasep.
k = (5)
trong đó
d0 là đường kính tính toán của đường thấm của đất.
j1 là trị số của hệ số này cũng được lấy như đối với công thức (4).
Hàm lượng hạt trong đất Pi (%)
Hình 2 – Thành phần hạt của đất không xói ngầm trong tọa độ tương đối
Nếu khi đo tổn thất cột nước ở dạng thấm đều ht xác định theo hệ thức đã biết
ht = (6)
trong đó
V là vận tốc thấm, m/s; d0 trong công thức (6) tính bằng m; và kết quả h1 là m.
l là chiều dài (m) của đoạn dòng thấm đều, trên đoạn đó tổn thất cột nước bằng ht, thì đối với l0 – hệ số ma sát khi thấm trong môi trường kẽ rỗng sẽ có:
(7)
Trong số đó số Râynôl (Raynolds) lấy theo đường kính của đường thấm là:
Reo = (8)
Trên Hình 3 đã ghi số lượng rất lớn các trị số l0 thí nghiệm, tính theo công thức (6); cũng trong hình vẽ này đường biểu diễn minh họa cho hệ thức (7) đã được vẽ thành đường thẳng liền. Như đã thấy, hệ thức lý luận (7) của M.Paptrit phù hợp tốt với các số liệu thí nghiệm của ông. Từ đó cũng thấy rằng công thức (5) đủ đúng để xác định khả năng thấm của đất và có thể lấy làm công thức tính toán để tính kích thước các đường thấm.
Chú dẫn:
p Đất được hiệu chuẩn (hình cầu) Đất thiên nhiên
Hình 3 – Các trị số lý luận và thực nghiệm của hệ số ma sát khi có thấm l0
5.3. Xác định đường kính tính toán các đường thấm của vật liệu cát, sỏi, cuội (dăm)
Từ các công thức (3) và (5) ta có các hệ thức sau đây để xác định đường kính tính toán trung bình các đường thấm của vật liệu cát, sỏi, đá dăm.
d0 = 7,12 (9)
d0 = C. (theo các số liệu của M.Patrit); (10)
trong đó C = 0,455. (11)
Và trong công thức (10) trị số d17 phải được tính bằng cm khi đó d0 cũng được xác định bằng cm.
5.4. Xác định đường kính tính toán các hạt tạo vòm tại chỗ tiếp xúc của đất với lọc ngược
Sự không rơi vãi các hạt nhỏ của đất vào trong đất có hạt to, được bảo đảm trong trường hợp nếu trong vùng tiếp xúc giữa chúng với nhau có sự tạo vòm ổn định bằng hạt nhỏ (Hình 4). Do đó để đảm bảo không rơi vãi các hạt cốt đất được bảo vệ vào trong lớp thứ nhất của lọc ngược, phải lựa chọn thành phần hạt sao cho trong vùng tiếp xúc có thể hình thành các vòm ổn định cấu tạo bởi các hạt nhỏ nhất của cốt đất được bảo vệ.
Nếu lớp thứ nhất của tầng lọc ngược nằm trên đất thì điều kiện quyết định độ bền và độ ổn định chỗ tiếp xúc của chúng là sự hình thành những vòm ổn định cấu tạo bởi các hạt của cốt đất. Vì vậy các hạt đất không luồn chui vào lớp lọc cũng như các hạt của lớp lọc không chui vào được trong đất . Trong các trường hợp như vậy, đôi khi người ta nói rằng tầng lọc ngược không ép lấn vào đất mà nó bảo vệ.
Nhiều thí nghiệm với các lọc ngược đều hạt và dị hạt đã chỉ cho thấy rằng: vòm ổn định được tạo trong trường hợp đường kính các lỗ rỗng của lọc lớn hơn đường kính các hạt tạo vòm không quá 1,8 lần.
Vì vậy điều kiện không rơi vãi đất vào lọc được biểu diễn dưới dạng:
£ 1,8 (12)
Hoặc dtv ³ 0,555. Do (13)
Trong đó
D0 là đường kính trung bình của lỗ rỗng trong lớp thứ nhất của lọc, mm;
dtv là đường kính các hạt tạo vòm ở vùng tiếp xúc với đất và lọc, mm (Hình 4).
Hình 4 – Sơ đồ vùng tiếp xúc đất hạt nhỏ và lọc
Đưa D0 tính từ công thức (9) và (10) vào các hệ thức này để xác định các đường kính hạt tạo vòm thì tương ứng, ta có các công thức tính toán sau đây:
dtv ³ 3,95. (14)
Và dtv ³ C1. (15)
Trong đó C1 = 0,252. (16)
mt, kt, : độ rỗng, hệ số thấm cm/s, và hệ số không đều hạt của vật liệu lớp thứ nhất của lọc ngược.
Nếu đường kính các hạt tạo vòm của đất được bảo vệ đã cho hoặc đã chọn theo các thông số của đất đó thì sẽ có các hệ thức sau đây để xác định các thông số phải tìm của vật liệu thuộc lớp thứ nhất của lọc ngược ứng với các công thức (14) và (15):
(17)
(18)
Đặc biệt khi dtv = d10 nghĩa là khi lấy đường kính của hạt mà hàm lượng trong đất của các hạt có đường kính nhỏ hơn đường kính ấy là 10% (theo trọng lượng) làm đường kính hạt tạo vòm của đất được bảo vệ thì ta sẽ có được:
(19)
(20)
Khi lựa chọn đường kính các hạt tạo vòm của đất được bảo vệ phải tính đến loại (độ xói ngầm) của đất, độ không đều hạt của đất, hình dạng đường cong thành phần hạt (đối với đất xói ngầm), chế độ thấm cũng như cấp công trình theo vốn đầu tư và các điều kiện thi công lọc ngược. Các hướng dẫn thực tế về vấn đề này được trình bày trong các điều sau.
5.5. Xác định kích thước hạt xói ngầm trong đất, cát, sỏi (lẫn dăm)
Xói ngầm cơ học trong đất, cát, sỏi, (lẫn dăm) sẽ được phát triển nếu trong đất ấy có những hạt mà đường kính của chúng nhỏ hơn đường kính đường thấm lớn nhất trong đất (d0max) và nếu vận tốc thấm hơn vận tốc tới hạn (V > Vth). Các hạt đất có kích thước nhỏ hơn đường kính đường thấm nước lớn nhất trong đất gọi là các hạt xói ngầm vì rằng chúng có thể bị dòng thấm lôi ra khỏi khối đất.
Do đó: dxn < d0max (21)
Trong đó, dxn là đường kính hạt xói ngầm.
Đường kính đường thấm lớn nhất được xác định bằng các hệ thức sau
(22)
(23)
Trong đó
c là hệ số xếp hạt không đều trong đất hoặc hệ số cục bộ của xói ngầm;
C là tính theo công thức (11);
Như vậy, hệ số c phụ thuộc vào hệ số không đều hạt của đất, có thể lấy an toàn một chút như sau:
c = 1+ 0,02h + 0,001h2 (24)
Hoặc c = 1 + 0,05h (25)
Đường kính lớn nhất của hạt mà chuyển vị của những hạt này có thể diễn ra trong đất và chúng có thể bị lôi ra ngoài ở chỗ lối ra không được bảo vệ, nghĩa là không có lọc ngược và những phương tiện bảo vệ khác, xác định theo hệ thức như:
(26)
Rõ ràng là đường kính hạt xói ngầm của đất phải thỏa mãn điều kiện:
(27)
Thay vào đó các trị số tìm được từ công thức (26) và từ công thức (23) sẽ có được:
(28)
(29)
Khi đất được bảo vệ bằng lọc ngược thì như đã chỉ ở trên trong vùng tiếp xúc các vòm ổn định được hình thành bởi các hạt tương ứng của đất. Để phá vỡ các vòm như vậy đòi hỏi dòng thấm phải có tác động căn bản lớn hơn khi lôi tự do các hạt có cùng một đường kính như các hạt tạo vòm. Vì thế các hạt tạo vòm sẽ hạn chế hiện tượng lôi hạt nhỏ trong đất được bảo vệ ra ngoài.
Đường kính hạt xói ngầm đối với vùng đất trực tiếp tiếp xúc với lớp thứ nhất của lọc ngược được xác định bằng điều kiện sau đây: điều kiện (28), nghĩa là:
dxn < 0,77.; dxn < z . dtv (30)
Trong đó, z: hệ số Clicte phụ thuộc vào đặc tính vị trí của hạt trong đất và độ rỗng của đất như đã biết; trị số z = 0,41 ứng với cấu tạo xốp tơi nhất của đất, và z = 0,15 ứng với cấu tạo độ chặt của đất.
Trong số các điều kiện thì điều kiện thứ nhất (28) là cần, còn điều kiện thứ hai (30) là đủ. Điều đó có nghĩa là nếu 0,77 > z. dtv thì đất được bảo vệ bởi lọc ngược chỉ có thể bị lôi đi những hạt có đường kính nhỏ hơn z. dtv. Còn nếu z. dtv > 0,77 thì với vận tốc thấm tương ứng các hạt có đường kính thỏa mãn điều kiện (28) sẽ bị lôi cuốn ra khỏi đất được bảo vệ.
Các điều kiện (28) và (30) phù hợp với các hệ thức (14), (15) và (12), (23), còn có thể viết dưới dạng như sau:
| (31) | |
Hoặc
| (32) | |
Kích thước hạt xói ngầm trong lớp thứ nhất của lọc khi có lớp thứ hai, cần xác định trên cơ sở những điều kiện cũng như trên. Khi đó thay cho các hệ thức (28) và (30) sẽ có:
Dxn < 0,77 (33)
Dxn < z. (34)
Trong đó ký hiệu l chỉ rằng Do và Dtv là của lớp thứ nhất tầng lọc ngược.
Kích thước hạt xói ngầm trong các lớp tiếp theo của lọc ngược được xác định một cách tương tự.
Với gradien thấm thực tế có thể xảy ra ở vùng tiếp xúc.
Công thức (30) được dẫn tới dạng sau đây:
(35)
Từ đó: (36)
Khi z = 0,41 sẽ có: dtv = 2,93dxn (37)
Khi z = 0,15 thì: dtv = 8,0dxn (38)
Nếu trong các hệ thức (17) và (18) dùng trị số giới hạn của các thông số thì khi giải hệ thức (36), có được:
(39)
Và (40)
Công thức (40) có thể viết dưới dạng:
(41)
5.6. Các hệ thức tính toán vận tốc giới hạn và gradien xói ngầm trong vật liệu cát, sỏi
Vận tốc thấm mà với vận tốc này sự cân bằng giới hạn của các hạt xói ngầm trong đất bị phá hoại, được gọi là vận tốc xói ngầm tới hạn. Nó phụ thuộc vào độ lớn của các hạt bị lôi ra, hệ số thấm của đất, độ rỗng của đất và đặc trưng sắp xếp của các hạt bị lôi cuốn bởi dòng thấm trong các kẽ hổng của đất. Trị số vận tốc này được xác định bằng hệ thức sau đây của A.N.Patrasep:
Vth = j0. dxn (42)
Trong đó, j0 là hệ số của vận tốc tới hạn bằng:
j0 = 0,60 (43)
f* là hệ số ma sát tính đổi phụ thuộc vào mức độ ngầm của các hạt bị lôi ra, hình dạng của chúng và đặc trưng sắp xếp của hạt xói ngầm trong kẽ rỗng.
Trên cơ sở các số liệu thực nghiệm, để xác định hệ số ma sát tính đổi, có thể dùng hệ thức gần đúng sau
f* = 0,82 – 1,8 m + 0,0062(h-hc) (44)
với h < 50 và 0,26 £ m £ 0,40 thì trị số của hệ số không đều hạt tính đổi cần lấy hc = 5.
Các đường cong tính toán tương ứng với hệ số tính đổi cũng được cho trong Hình 5.
Nếu các hạt của đường kính nhỏ nhất dmin là các hạt xói ngầm ở trong đất đã cho, để lôi được các hạt ấy thì vận tốc thấm phải lớn hơn vận tốc tới hạn nhỏ nhất của đất đã cho:
(45)
Hình 5 – Đồ thị f* = f(h)
Độ lớn nhất của hạt, các hạt này có thể bị lôi ra khỏi vùng tiếp xúc của đất để đưa vào lớp thứ nhất của lọc ngược tạo thành như đã chỉ ở trên. Hiện tượng lôi các hạt đó sẽ xảy ra, nếu vận tốc thấm trong vùng tiếp xúc của đất lớn hơn vận tốc tới hạn lớn nhất:
(46)
Gradien cột nước tới hạn ứng với xói ngầm cơ học phù hợp với công thức (42) xác định theo hệ thức:
Jth = j0 . dxn . (47)
Gradien cột nước tới hạn lớn nhất và nhỏ nhất trong vùng tiếp xúc của đất được bảo vệ bằng lọc ngược, xác định theo các hệ thức:
Jthmin= j0 . dmin . (49)
Jthmax= 0,833z . j0 . dtv . (49)
5.7. Xác định kích thước hạt làm ứ đọng bồi tắc lọc ngược
Hiện tượng lôi một lượng không lớn các hạt nhỏ của vùng tiếp xúc của đất được bảo vệ bằng lọc ngược sẽ không phá hoại độ bền và độ ổn định của đất và có thể cho phép. Tuy nhiên, nếu các hạt nhỏ bị lôi từ đất ra lại lắng đọng trong lọc ngược, thì khả năng thấm của lọc có thể bị giảm một cách nghiêm trọng. Do đó khi thiết kế lọc ngược, cần phải biết độ lớn của các hạt do dòng thấm làm ứ đọng trong kẽ rỗng các lớp lọc.
Như đã lưu ý, quá trình lắng đọng các hạt nhỏ của đất do dòng thấm mang đi trong kẽ rỗng của đất, mà trong đất này có xuất hiện thấm được gọi là sự bồi tắc của đất. Các hạt nhỏ của đất bị lắng đọng trong quá trình như vầy gọi là các hạt bồi tắc.
Quá trình ứ đọng có thể xảy ra trong một loại đất đã cho, nếu tổng của đường kính hạt ứ đọng duđ và hai lần chiều dày của màng mỏng nước liên kế bọc hạt 2δk nhỏ hơn đường kính của đường thấm trong đất d0 và lớn hơn đường kính tới hạn (nhỏ nhất) của hạt bị bồi tắc .
Do đó quá trình bồi tắc của lớp thứ nhất của lọc có thể có nếu:
D0 ³ + 2δk ³ (50)
Vì trong trường hợp được xét có thể đặt là:
+ 2δk = 1,1dxn (51)
Thì thay cho công thức (50) ta có:
D0 ³ 1,1dxn ³ (52)
Đường kính tới hạn của các hạt bồi tắc phù hợp các số liệu đã cho của A.N.Partrasep.
(53)
Trong đó a* phụ thuộc vào các tính chất cơ lý của hạt bồi tắc và cũng phụ thuộc vào số Râynôl Reo. Trong tính toán thực tế có thể dùng các trị số sau đây (bảng 1) của thông số đó.
Bảng 1 – Xác định các trị số a* và Reo
| Các hạt bồi tắc (mm) | a* | Reo |
| Đất bụi, từ 0,01 đến 0,05 | 4,0 | £ 1,0 |
| Cát nhỏ, từ 0,05 đến 0,25 | 3,0 | £ 0,5 |
| Cát trung bình, từ 0,25 đến 1,5… | 2,5 | 0,1 |
Muốn cho các hạt nhỏ của đất (dxn) bị dòng thấm cuốn ra khỏi vùng tiếp xúc, không làm tắc lớp thứ nhất của lọc và phù hợp với các hệ thức (52) và (53) thì phải thỏa mãn điều kiện sau đây:
(54)
Hoặc D0 ³ 1,1a* . dxn (55)
Thay D0 từ công thức (10) vào tỷ số trên, có được điều kiện không bồi tắc lớp thứ nhất của lọc ngược.
D17 ³ (56)
Hoặc trong dạng không thứ nguyên (chuẩn số không bồi tắc)
(57)
5.8. Xác định đường kính hạt tạo vòm của đất được bảo vệ bởi lọc ngược
Khi chọn kích thước đường kính tính toán của hạt tạo vòm dtv của đất được bảo vệ, phải xét loại đất (độ xói ngầm) mức độ không đều hạt của đất hình dạng đường cong thành phần hạt của đất (đất xói ngầm) và chế độ thấm.
Như đã chỉ ở trên (điều 2.4 và điều 2.5), khi đất được bảo vệ bằng lọc ngược ở trong vùng tiếp xúc các vòm ổn định được tạo thành từ những hạt tương ứng của đất (Hình 4) và làm hạn chế hiện tượng rải rác hạt và lôi hạt nhỏ từ trong đất được bảo vệ vào tầng lọc.
Phù hợp với công thức (30), qua vùng tiếp xúc có thể bị rải rác các hạt có kích thước dr = x dtv và cũng qua vùng này, với vận tốc thấm lớn hơn vận tốc tới hạn có thể bị cuốn ra khỏi lớp nằm phía trên (xói ngầm ngoài), các hạt đất có kích thước, theo đúng hệ thức (35).
dxn =
Hệ số z phụ thuộc vào sự xếp đặt của đất và phù hợp với các số liệu của Clikte biến đổi trong giới hạn từ 0,15 đến 0,41. Vì vậy đối với kích thước hạt tạo vòm có các hệ thức giới hạn sau đây
(58)
(59)
Trong trường hợp tổng quát sẽ có:
dtv = B . dr (60)
trong đó: hệ số B phụ thuộc và sự sắp xếp hạt trong đất và biến đổi trong giới hạn từ 3 đến 8; dr là đường kính hạt có thể bị rải hạt qua vùng tiếp xúc.
Khi ứng dụng các hệ thức trên vào thực tế, cần phân biệt đất được bảo vệ là xói ngầm hay không xói ngầm hay không xói ngầm được chi tiết thêm dưới đây:
- a) Đất không xói ngầm:
Trong trường hợp đất không xói ngầm được bảo vệ bằng tầng lọc, để xác định các hạt đất tạo vòm tính toán dtv, ngoài hệ thức (60), còn dùng công thức (1) và theo đường cong thành phần hạt của đất, tự cho một hàm lượng phần trăm pr của hạt nhỏ bị rải rác từ đất vào tầng lọc. Các thí nghiệm và nghiên cứu chỉ ra rằng tùy theo cấp công trình theo vốn đầu tư và các điều kiện làm việc của tầng lọc Pr có thể biến đổi từ 0 đến 5.
Thay trị số dr tương ứng với Pr vào công thức (1), được:
(61)
Trong đó P10 và c cũng như đã giải thích ở công thức (1).
Phù hợp với công thức (1), đối với dtv, sẽ có:
(62)
Trong đó, Ptv là hàm lượng phần trăm các hạt có đường kính nhỏ hơn dtv.
Thay số dtv theo hệ thức (60) vào công thức (62), chúng ta được:
(63)
Trong các công thức (61) và (63) các phần bên trái bằng nhau, từ đó có
Và (64)
Theo trị số Pr đã cho và trị số đã chọn của thông số B, dùng công thức (64), sẽ tìm được trị số tính toán Ptv và tiếp đó theo đường cong thành phần hạt đất, cũng xác định trị số tính toán của đường kính hạt tạo vòm .
Nếu yêu cầu thiết kế tầng lọc là sao cho hoàn toàn không có sự rơi hạt nhỏ từ đất được bảo vệ vào trong lọc, thì trong công thức (64) phải đạt Pr = 0. Trong trường hợp này trị số tính toán Ptv sẽ là nhỏ nhất và xác định theo hệ thức sau:
(65)
Theo các công thức (64) và (65) trên Hình 6 đã lập đồ thị các số Ptv phụ thuộc theo hệ số không đều của hạt đất hd = đối với các trị số giới hạn bởi B và Pr.
Như ta đã thấy, khi B = i dem sự biến đổi trị số Pr trong giới hạn từ 0 đến 5 trong đất không xói ngầm ít ảnh hưởng đến trị số tính toán Ptv. Ảnh hưởng nhiều nhất đến đại lượng Pr là trị số của thông số B.
CHÚ DẪN:
Các đường cong Ptv = f(B, Pr) lập được từ phương trình (64) đối với các trị số sau đây của B và Pr;
| 1) Khi B = 8; Pt = 0 %. | 2) Khi B = 8; Pt = 5 %. | 3) Khi B = 3; Pt = 0 %. | 4) Khi B = 3; Pt = 5 %. |
Hình 6 – Các đường cong Ptv
- b) Đất xói ngầm:
Trong trường hợp đất xói ngầm, trước hết xác định dxn bằng công thức (47). Từ công thức này đối với đường kính hạt bị cuốn từ đất, sẽ được hệ thức sau đây:
(66)
Lấy gradien cột nước lớn nhất ở lớp tiếp theo giáp Jmax bằng gradien tới hạn. Khi đó từ trong đất có thể bị cuốn ra tất cả các hạt nhỏ có đường kính nhỏ hơn.
(67)
Thay trị số này vào công thức (60), sẽ xác định được trị số phải tìm của đường kính hạt tạo vòm:
dtv = B. (68)
Tuy nhiên, khi có hiện tượng cuốn một số lượng quan trọng các hạt nhỏ ra khỏi đất được bảo vệ, thì độ bền và độ ổn định của đất có thể bị phá hoại đó là điều không cho phép.
Kinh nghiệm và kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: tùy thuộc cấp công trình theo vốn đầu tư và các điều kiện thi công tầng lọc có thể tính toán hiện tượng lôi hạt là không nguy hiểm đối với độ bền và độ ổn định của đất được bảo vệ, nếu như hiện tượng lôi chỉ xảy ra đối với những hạt mà thành phần nhỏ hơn nó chiếm hàm lượng bằng 5 % của đất. Do đó, cần lấy đường kính lớn nhất cho phép của hạt bị lôi ra bằng trị số trung bình d3; và nếu lấy theo công thức (67) có được trị số vượt quá trị số cho phép , khi đó phải lấy:
(69)
Khi đó kích thước tính toán của đường kính hạt tạo vòm tìm theo công thức:
dtv = B. (70)
với các kích thước hạt tạo vòm như vậy, ngăn ngừa được sự phát triển của xói ngầm cơ học nguy hiểm trong đất được bảo vệ.
Nếu theo công thức (67) tính được trị số nhỏ hơn trị số giới hạn đã lấy thì trị số này có thể lấy làm trị số tính toán cho thiết kế. Khi đó kích thước các hạt tạo vòm dtv được xác định theo công thức (68).
- Phương pháp thiết kế lọc ngược bảo vệ đất không dính
6.1. Chỉ dẫn chung
Để làm lọc ngược chỉ được lấy vật liệu thiên nhiên hoặc vật liệu nhân tạo không dính sản phẩm của các loại đá rắn và chặt sít, không chứa muối hòa tan trong nước (điều 4.6).
Thành phần lọc ngược có thể thiết kế là không xói ngầm. Khi đó, ngay cả với gradien cột nước rất lớn sẽ không xảy ra hiện tượng lôi hạt của tầng lọc. Tuy nhiên đối với các tầng lọc yêu cầu này không phải là bắt buộc bởi vì trong tầng lọc các gradien cột nước là đủ nhỏ trong bài toán thực tế được xét. Vì vậy, thành phần lọc ngược có thể là xói ngầm chỉ khi nào trong lọc ngược không xảy ra xói ngầm nguy hiểm.
6.2. Đánh giá độ không xói ngầm của đất và xác định phần trăm hiện tượng lôi hạt
Tiến hành chọn thành phần lọc ngược trước hết cần xác định xem thành phần đất được bảo vệ bằng tầng lọc là thuộc loại nào, cũng như vật liệu thiên nhiên hoặc vật liệu nhân tạo dùng làm lọc có phải là đất xói ngầm hay không xói ngầm.
Để giải quyết vấn đề này, nên dùng 2 phương pháp. Phương pháp thứ nhất đặc trưng cho tính không xói ngầm của đất, khi từ tầng đất ấy với vận tốc thấm bất kỳ sẽ không xuất hiện sự lôi các hạt nhỏ nhất (dmin); Phương pháp thứ 2 đặc trưng cho đất coi như thực tế không xói ngầm khi từ đất ấy cho phép lôi không đáng kể các hạt nhỏ nhất nhưng không có sự phá hoại độ bền và độ ổn định của đất.
Phương pháp thứ nhất: Theo thành phần hạt đã cho của đất được bảo vệ, độ rỗng của đất md và hệ số thấm kd, xác định theo một trong các hệ thức (22) hoặc (23) của đường kính lỗ thấm lớn nhất trong đất . Tiếp đó theo đường cong thành phần hạt của đất đã cho, sẽ tìm đường kính hạt nhỏ nhất dmin.
– Nếu như 0,77 > dmin, thì đất cần tính là xói ngầm từ loại đất như vậy, tất cả các hạt có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 0,77 đề có thể bị lôi ra, nếu vận tốc lớn hơn vận tốc tới hạn (Vth).
– Nếu như 0,77 < dmin, thì đất cần tính là không xói ngầm ngay cả các hạt nhỏ nhất cũng không thể bị lôi ra khỏi loại đất như vậy.
Việc xác định phần trăm khả dĩ lớn nhất của sự lôi hạt ra khỏi đất xói ngầm (theo chuẩn số hình học) được tiến hành như sau: Theo các hệ thức (22) hoặc (23) tìm được đường kính lớn nhất của mạch thấm trong đất, theo hệ thức (28) sẽ tính đường kính các hạt bị lôi dxn và theo đường cong thành phần hạt của đất xác định được phần trăm lôi hạt phải tìm.
Phương pháp thứ hai: Thực tế chỉ ra rằng, nếu bị lôi ra khỏi đất là những hạt nhỏ nhất với số lượng không lớn hơn 3 % theo trọng lượng thì độ bền và ổn định của đất thực tế không bị phá hoại. Do đó, thực tế đất không xói ngầm có thể tính là loại đất, mà từ đất này các hạt nhỏ nhất không quá 3 % theo trọng lượng có thể bị lôi ra.
Đất mỏ hoặc đất gia công nhân tạo dùng làm tầng lọc, hoặc đất được bảo vệ bằng lọc ngược, cần tính (theo tiêu chuẩn hình học) là đất thực tế không xói ngầm nếu các thông số của nó thỏa mãn hệ thức sau:
(71)
N = (0,32 + 0,016hd). (72)
Trong đó
Nếu hệ thức (71) không được thỏa mãn thì đất cần tính thực tế bị xói ngầm.
6.3. Xác định kích thước tính toán của các hạt tạo vòm của đất
Như đã nhận định ở trên, điều 5.4 sự không rải (không ép lún) hạt cốt đất vào lớp lọc thứ nhất được bảo đảm khi có sự hình thành trong vùng tiếp giáp các vòm ổn định cấu tạo bởi các hạt đất nhỏ (của cốt)
Khi chọn trị số tính toán của đường kính hạt tạo vòm dtv của đất được bảo vệ phải xét loại đất (không xói ngầm, xói ngầm) mức độ không đều hạt của đất, hình dạng đường cong, thành phần hạt của đất xói ngầm, chế độ thấm.
- a) Đất không xói ngầm:
Đối với mục đích thực dụng, trị số tính toán của đường kính các hạt tạo vòm dtv cho đất không xói ngầm cần lựa chọn theo đồ thị = f(hd) vẽ trên Hình 7.
Theo đồ thị đã cho (Hình 7) tùy theo vật liệu tầng lọc và hệ số không đều hạt của đất hd trong giới hạn vùng I hoặc vùng II xác định được hàm lượng phần trăm hạt tạo vòm Ptv và tiếp đó theo đường cong thành phần hạt của đất, tìm được trị số tính toán của đường kính hạt tạo vòm dtv.
Để xác định dtv cũng có thể dùng công thức (65):
Ptv = P10
Trong đó
P10 = 10;
B = 3 đến 8 là hệ số xét đến kích thước kẽ rỗng phụ thuộc vào sự xếp đặt các hạt đất;
c = 1+1,28lghd.
Với trị số Ptv tính được từ công thức (65) theo đường cong thành phần hạt của đất xác định được trị số tính toán .
CHÚ DẪN:
I – Vùng chọn trị số tính toán dtv đối với tần lọc bằng vật liệu đá dăm
II – Vùng chọn trị số tính toán dtv đối với tần lọc bằng vật liệu cát, sỏi
Hình 7 – Đồ thị = f(hd) để xác định kích thước tính toán của các hạt đất tạo vòm
- b) Đất xói ngầm:
Trị số đối với đất xói ngầm được xác định bằng cách sau đây:
– Trong công thức (47) thay cho lth sẽ dùng gradien cột nước lớn nhất đã cho (xác định được bằng tính toán hoặc thí nghiệm EGDA) ở lớp tiếp giáp của đất với tầng lọc và xác định được trị số dxn theo công thức:
(73)
Trong đó, b = 1 đến 1,5: là hệ số an toàn;
– Nếu trị số tính được dxn < d3, thì trị số tính toán dtv được lấy từ đồ thị = f(hd) theo đường cong B = 3 (Hình 7);
– Nếu trị số tính dxn ³ d3 thì dtv cần xác định theo công thức:
dtvtt = B d3; (74)
Trong đó B = 3 đến 8;
Với các kích thước như vậy của hạt tạo vòm, sẽ loại trừ được sự phát triển của xói ngầm cơ học nguy hiểm trong đất được bảo vệ.
6.4. Giới hạn sử dụng các đất không đều hạt làm lọc ngược
- a) Thực tế chỉ cho thấy rằng: trị số các hệ số không đều hạt của vật liệu lọc ngược có thể ấn định trong những giới hạn rộng rãi. Điều đó cho khả năng sử dụng các vật liệu thiên nhiên không cần phải gia công thêm như sàng lọc (rửa sạch) tuyển chọn hạt.
- b) Trị số lớn nhất của hệ số không đều hạt (phân lớp) của vật liệu lọc ngược không được vượt quá:
– Đối với đất vật liệu làm lọc không xói ngầm;
(75)
– Đối với đất vật liệu làm lọc bị xói ngầm:
(76)
- c) Đối với mục đích thực dụng, hệ số không đều hạt cho phép của vật liệu dùng làm tầng lọc, cần ấn định có xét đến cấp công trình theo vốn đầu tư và loại công trình vật liệu và biện pháp thi công lọc (trên khô, dưới nước, cơ giới hóa, thủ công), các điều kiện làm việc của tầng lọc v.v… Nên dùng các trị số cho phép của hệ số không đều hạt của đất cho các lọc ngược được nêu ở bảng 2.
- d) Các vật liệu có hệ số không đều hạt vượt quá trị số cho phép có thể được dùng để đưa vào lọc ngược chỉ sau khi đã kiểm tra trong điều kiện thực địa và phòng thí nghiệm.
Bảng 2 – Trị số giới hạn cho phép của hệ số không đều hạt
| Loại công trình | £ |
| Đập đất và lớp gia cố mái: | |
| a) Lọc ngược bằng đá dăm | 25 |
| b) Lọc ngược bằng cát, sỏi nhẵn | 20 |
| Công trình cấp III và IV theo vốn đầu tư và công trình tạm | 20 đến 25 |
| Nền nhà máy thủy điện và nền đập bê tông | 12 |
| Tiêu nước bằng bê tông xốp | 12 |
| Tiêu nước tấm sân tiêu năng và hố khoan | 10 |
| Lọc ngược các công trình đắp bằng phương pháp đổ đất vào nước | 10 |
6.5. Xác định các hệ số giữa lớp cho phép
Các hệ số giữa hgl được biểu diễn bằng hệ thức sau đây:
| (77) | |
Trong đóvàkích thước hạt đất của lớp thứ nhất và thứ hai của lọc ngược, các hạt này có hàm lượng trong đất nhỏ hơn 17 % trọng lượng dtv và – Kích thước hạt vòm của đất được bảo vệ và của đất thuộc lớp thứ nhất của lọc.
Hệ số giữa lớp phải thỏa mãn điều kiện:
(78)
Hệ số giữa lớp cho phép xác định theo hệ thức sau đây rút ra từ các công thức (18) và (77):
(79)
Trong đó C1 được xác định theo công thức (16) khi .
6.6. Trị số nhỏ nhất của hệ số thấm của lọc ngược
Theo điều kiện ngấm nước, hệ số thấm nhỏ nhất của lọc ngược phải không nhỏ hơn trị số:
(80)
6.7. Chiều dày và số lớp lọc
Chiều dày của lớp lọc ngược theo các điều kiện thấm phải là:
Tmin ³ (5 đến 7)D85 (81)
Trong đó, D85: kích thước một cỡ hạt, mà những hạt trong đất tầng lọc có kích thước nhỏ hơn cỡ ấy chiếm 85% theo trọng lượng. Theo điều kiện thi công, chiều dày các lớp học dùng cho thiết bị tiêu nước các công trình thủy lợi, cần lấy như sau:
– Khi thi công thủ công (khi san và khi đầm nén) chiều dày lấy bằng 10 cm;
– Khi thi công cơ giới (khi san và đầm nén) chiều dày lấy bằng 20 cm;
– Khi đắp tầng lọc trong nước chảy:
- Đối với lọc một lớp chiều dày lấy không nhỏ hơn 0,75 m;
- Đối với lọc hai lớp hoặc nhiều lớp hơn thì chiều dày của mỗi lớp tiếp theo đều không nhỏ hơn 0,5m.
Số lớp của lọc ngược được xác định theo từng trường hợp cụ thể, khi đó thành phần của lớp thứ 2 và các lớp tiếp theo nếu cần thiết được chọn theo điều kiện không cho rải hạt của lớp thứ nhất và lớp thứ hai (điều 5.1) và theo các hệ số giữa lớp cho phép, được xác định bằng các hệ thức (77), (78), (79) điều 6.5.
Đối với đất xói ngầm của tầng lọc cần tiến hành kiểm tra về điều kiện ổn định chỗ tiếp giáp trong thấm dọc như đã chỉ trong khoản c điều 6.10.2 (trường hợp tính toán IV).
Khi sử dụng vật liệu không đều hạt để làm lọc, thường xây lọc một lớp hoặc hai lớp là đủ.
6.8. Các trường hợp tính toán khi thiết kế thành phần hạt đất các lọc ngược
Tùy theo thành phần và đặc tính của các thông số đã cho cũng như những yêu cầu cần xét trong sự làm việc của lọc ngược, khi xác định thành phần hạt của lớp lọc cần phải phân biệt 6 trường hợp tính toán cơ bản sau đây, với 6 trường hợp này có thể tiến hành tất cả các bài toán gặp trong thực tế khi thiết kế và lựa chọn tầng lọc:
- a) Thiết kế thành phần hạt lọc ngược khi không có số liệu về đất thiên nhiên dùng cho lọc
– Trường hợp I: đất cần bảo vệ có thành phần hại không xói ngầm, đối với loại đất này, yêu cầu thiết kế lớp thứ nhất của lọc ngược cũng có thành phần hạt không xói ngầm;
– Trường hợp II: đất cần bảo vệ có thành phần hạt xói ngầm, đối với loại đất này yêu cầu thiết kế lớp thứ nhất của lọc ngược bằng vật liệu có thành phần hạt không xói ngầm;
CHÚ THÍCH: các tính toán theo trường hợp I và II được tiến hành để chọn mỏ đất hoặc để gia công đất cho tầng lọc nếu mỏ đất dùng được không có.
- b) Lựa chọn lọc ngược bằng đất mỏ hoặc sản phẩm của nhà máy nghiền đá
– Trường hợp III: đất cần bảo vệ và đất mỏ thực tế là không xói ngầm; yêu cầu chọn lớp thứ nhất của lọc ngược từ các đất mỏ đã cho có các thành phần hạt không xói ngầm;
– Trường hợp IV: đất cần bảo vệ là không xói ngầm, đất mỏ là xói ngầm; yêu cầu chọn lớp thứ nhất của lọc ngược từ các đất mỏ đã cho có thành phần hạt xói ngầm;
– Trường hợp V: đất cần bảo vệ là xói ngầm, đất mỏ là không xói ngầm; yêu cầu chọn lớp thứ nhất của lọc ngược từ các đất mỏ đã cho có thành phần hạt không xói ngầm;
– Trường hợp VI: đất cần bảo vệ và đất mỏ là xói ngầm, yêu cầu chọn lớp thứ nhất của lọc ngược từ các đất mỏ đã cho cũng có thành phần hạt xói ngầm.
6.9. Phương pháp thiết kế thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc ngược đối với trường hợp tính toán I và II
6.9.1. Trường hợp tính toán I
Đối với đất cần bảo vệ bằng lọc ngược phải cho các số liệu ban đầu sau đây:
- a) Thành phần hạt hoặc ít nhất là các trị số kích thước sau đây của các hạt: dmin; d3; d10; d17; d60; dmax;
- b) Hệ số không đều hạt hd = ;
- c) Dung trọng của đất g, g/cm3 và trọng lượng riêng của các hạt đất D, g/cm3;
- d) Độ rỗng m (theo phần đơn vị);
- e) Hệ số thấm k, cm/s.
Như đã chỉ ở trên, đối với tất cả các trường hợp tính toán cần phải xác định đất đã cho là xói ngầm hay không xói ngầm. Để giải quyết vấn đề này trong điều 6.2 đã có phương pháp và cần dùng 1 trong 2 phương pháp đó.
Đối với trường hợp I: đất cần bảo vệ là không xói ngầm; việc xác định thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc ngược được tiến hành như sau:
– Theo thành phần hạt của đất nền đã cho, chọn đường kính tính toán của hạt tạo vòm dtv theo đồ thị = f(hd), Hình 7;
– Trong đất không xói ngầm thì hiện tượng xói ngầm cơ học thực tế không thể có và vì thế trong trường hợp này không yêu cầu thực hiện các điều kiện thứ hai và thứ ba khoản b điều 4.2 đã chỉ ở trên, ngay tầng lọc không xói ngầm cũng không cần thực hiện điều kiện khoản d điều 6.4. Do đó chỉ thực hiện điều kiện khoản a điều 6.4 là đủ, nghĩa là đảm bảo không có sự rơi (hoặc ấn) các hạt cốt đất vào tầng lọc.
CHÚ DẪN
- I) Vùng đá dăm; II) Vùng cát, sỏi, cuội;
Hình 8 – Đồ thị mt = f(hd) độ rỗng cho phép của vật liệu lọc ngược
Từ điều kiện trên, theo các hệ thức (15) và (16) xuất phát từ trị số tính toán đã tìm được dtv, sẽ tìm được D17 lớp thứ nhất của lọc:
(82)
Trong đó độ rỗng cho phép ml lấy theo hd trong đồ thị ở Hình 8 hoặc theo công thức:
ml = mo – 0,1lghd (83)
– Theo trị số D17 đã tính được và hệ thức thực nghiệm (1) sẽ xác định được (như đã chỉ ở điều 5.1) thành phần hạt đất không xói ngầm ở lớp thứ nhất của lọc. Thành phần hạt không xói ngầm xác định như vậy cho lọc sẽ bảo đảm sự tiếp giáp bền vững và ổn định của đất với tầng lọc. Vì đất là không xói ngầm nên không thể xảy ra việc lôi hạt từ trong đất hoặc sự ứ đọng của tầng lọc.
– Hệ số thấm của tầng lọc được thiết kế có thể xác định theo hệ thức (3).
Để tính toán cho trường hợp 1 sẽ thực hiện với các số liệu thực dưới đây:
Yêu cầu chọn thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc ngược đối với đất không xói ngầm của thân đập (nền công trình).
Số liệu ban đầu:
– Thành phần hạt của đất thân đập (nền) cho ở Hình 9;
– Các đường kính hạt đất: dmin = 0,03 mm; d3 = 0,05 mm; d10 = 0,10 mm; d17 = 0,11 mm; d60 = 0,23 mm; dmax = 2,0 mm;
– Hệ số không đều hạt hd = ;
– Dung trọng gd = 1,72 g/cm3, trọng lượng riêng của hạt đất D = 2,65 g/cm3;
– Độ rỗng md = 1 – ; hệ số thấm kd = 0,0063 cm/s.
Đường kính các hạt %
CHÚ DẪN:
G – đất nền đập;
I – Vùng thành phần hạt đất cho phép dùng để xây lớp đất thứ nhất của tầng lọc;
PK – Đường cong tính toán
tcvn-84222010-cong-trinh-thuy-loi-thiet-ke-tang-loc-nguoc-cong-trinh-thuy-cong.pdf