Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN8422:2010

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

1. 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.

2. 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;

• D_o: đường kính trung bình của lỗ rỗng trong lớp học;

• d_tv: đường kính hạt tạo vòm của đất;

• d_xn: đường kính hạt (xói ngầm) của đất bị lôi ra bởi dòng thấm;

• d_{0 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;

• d_min: 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, m_đ: độ rỗng của đất, % thể tích đất;

• m_t: độ rỗng của vật liệu làm lọc ngược, % thể tích vật liệu;

• h_gl: hệ số không rải hạt giữa các lớp, không thứ nguyên;

• k_đ: hệ số thấm của đất được lọc ngược bảo vệ, cm/s;

• k₁: hệ số thấm của vật liệu lọc ngược, cm/s;

• J_th, V_th: 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;

• γ_đ: dung trọng đất khô, g/cm³;

• D: trọng lượng riêng của các hạt đất, g/cm³;

• γ_n: dung trọng của nước, g/cm³;

• W: độ ẩm của đất, % so với dung trọng khô;

• W_c: giới hạn chảy của đất là độ ẩm đất mà tại đó đất bị chảy % so với dung trọng khô;

• W_l: giới hạn lăn của đất là độ ẩm đất mà tại đó đất có thể lăn tròn được, % so với dung trọng khô;

• W_d: chỉ số dẻo của đất, không thứ nguyên;

• G: hệ số ẩm, không thứ nguyên;

• e_c: hệ số rỗng của đất ở giới hạn chảy, không thứ nguyên;

• J_tt: gradien cột nước tính toán, không thứ nguyên;

• D₀^tt: đường kính tính toán của kẽ rỗng vật liệu lọc, mm;

• H: chiều cao cột nước, m;

• R_e: số Râynôl (Raynolds);

• V: hệ số nhợt động học của nước;

• g: gia tốc trọng trường, m/s².

3. 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.

4. 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.

5. 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

P_i là hàm lượng % trong đất của các hạt, tính theo trọng lượng có đường kính nhỏ hơn d_i;

P₁₀ = đường kính hạt nhỏ hơn hạt chiếm 10% trọng lượng;

d_i, d_min 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 P_i của các hạt có đường kính d_i ở trong đất và hệ số không đều hạt của đất h.

Nếu d_i > d_min thì đưa các thông số này vào công thức (1), sẽ tìm được d_min và sau đó tự cho các trị số khác nhau P_i = 10…20…100, tính các trị số d_i 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 d_i/d₁₇ đặt trên trục hoành độ, còn P_i 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 h_t xác định theo hệ thức đã biết

h_t =                             (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 h_t, 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:

R_eo =                                (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. D_o                                     (13)

Trong đó

D₀ là đường kính trung bình của lỗ rỗng trong lớp thứ nhất của lọc, mm;

d_tv 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:

            d_tv ³ 3,95.                               (14)

            Và d_tv ³ C₁.                           (15)

Trong đó C₁ = 0,252.                                   (16)

m_t, k_t,  : 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 d_tv = 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 (d₀^max) và nếu vận tốc thấm hơn vận tốc tới hạn (V > V_th). 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:               d_xn < d₀^max                                   (21)

Trong đó, d_xn­ 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:

d_xn < 0,77.; d_xn < z . d_tv                     (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. d_tv thì đất được bảo vệ bởi lọc ngược chỉ có thể bị lôi đi những hạt có đường kính nhỏ hơn z. d_tv. Còn nếu z. d_tv > 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:                     

Hoặc

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:

D_xn < 0,77                         (33)

D_xn < z.                                (34)

Trong đó ký hiệu l chỉ rằng D_o và D_tv 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:         d_tv = 2,93d_xn                               (37)

Khi z = 0,15 thì:             d_tv = 8,0d_xn                                                                  (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:

V_th = j₀. d_xn                           (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-h_c)                           (44)

với h < 50 và 0,26 £ m £ 0,40 thì trị số của hệ số không đều hạt tính đổi cần lấy h_c = 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 d_min 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:

J_th = j₀ . d_xn .                             (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:

J_th^min= j₀ . d_min . (49)

J_th^max= 0,833z . j₀ . d_tv .   (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 d_uđ và hai lần chiều dày của màng mỏng nước liên kế bọc hạt 2δ_k 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 + 2δ_k ³                                         (50)

Vì trong trường hợp được xét có thể đặt là:

+ 2δ_k = 1,1d_xn                                               (51)

Thì thay cho công thức (50) ta có:

D₀ ³ 1,1d_xn 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 Re_o. 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 Re­_o

Muốn cho các hạt nhỏ của đất (d_xn) 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_* . d_xn                            (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 d_tv 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 d_r = x d_tv 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).

d_xn =

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:

d_tv = B . d_r                                                       (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; d_r 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 d_tv, 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 p_r 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 P_r có thể biến đổi từ 0 đến 5.

Thay trị số d_r tương ứng với P_r 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 d_tv, sẽ có:

                                              (62)

Trong đó, P_tv là hàm lượng phần trăm các hạt có đường kính nhỏ hơn d_tv.

Thay số d_tv 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 P_r đã cho và trị số đã chọn của thông số B, dùng công thức (64), sẽ tìm được trị số tính toán P_tv 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 P_tv 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 P_tv phụ thuộc theo hệ số không đều của hạt đất h_d =  đối với các trị số giới hạn bởi B và P_r.

Như ta đã thấy, khi B = i d_em sự biến đổi trị số P_r trong giới hạn từ 0 đến 5 trong đất không xói ngầm ít ảnh hưởng đến trị số tính toán P_tv. Ảnh hưởng nhiều nhất đến đại lượng P_r là trị số của thông số B.

CHÚ DẪN:

Các đường cong P_tv = f(B, P_r) lập được từ phương trình (64) đối với các trị số sau đây của B và P_r;

Hình 6 – Các đường cong P_tv

b) Đất xói ngầm:

Trong trường hợp đất xói ngầm, trước hết xác định d_xn 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 J^max 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:

d_tv = 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:

d_tv = 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 d_tv được xác định theo công thức (68).

6. 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 (d_min); 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 m_d và hệ số thấm k_d, 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 d_min.

- Nếu như 0,77 > d_min, 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 (V_th).

- Nếu như 0,77 < d_min, 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 d_xn 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 + 0,016h_d).                      (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 d_tv 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 d_tv cho đất không xói ngầm cần lựa chọn theo đồ thị = f(h_d) 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 h_d trong giới hạn vùng I hoặc vùng II xác định được hàm lượng phần trăm hạt tạo vòm P_tv và tiếp đó theo đường cong thành phần hạt của đất, tìm được trị số tính toán của đường kính hạt tạo vòm d_tv.

Để xác định d_tv cũng có thể dùng công thức (65):

P_tv = 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+1,28lgh_d.

Với trị số P_tv 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 d_tv đối với tần lọc bằng vật liệu đá dăm

II – Vùng chọn trị số tính toán d_tv đối với tần lọc bằng vật liệu cát, sỏi

Hình 7 – Đồ thị = f(h_d) 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 l_th 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 d_xn theo công thức:

                                  (73)

Trong đó, b = 1 đến 1,5: là hệ số an toàn;

- Nếu trị số tính được d_xn < d₃, thì trị số tính toán d_tv được lấy từ đồ thị = f(h_d) theo đường cong B = 3 (Hình 7);

- Nếu trị số tính d_xn ³ d₃ thì d_tv cần xác định theo công thức:

d_tv^tt =  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

6.5. Xác định các hệ số giữa lớp cho phép

Các hệ số giữa h_gl được biểu diễn bằng hệ thức sau đây:

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 d_tv 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:

T_min 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: d_min; d₃; d₁₀; d₁₇; d₆₀; d_max;

b) Hệ số không đều hạt h_d = ;

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 d_tv theo đồ thị = f(h_d), 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 m_t = f(h_d) 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 d_tv, sẽ tìm được D₁₇ lớp thứ nhất của lọc:

                                         (82)

Trong đó độ rỗng cho phép m_l lấy theo h_d trong đồ thị ở Hình 8 hoặc theo công thức:

m_l = m_o – 0,1lgh_d                                                           (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: d_min = 0,03 mm; d₃ = 0,05 mm; d₁₀ = 0,10 mm; d₁₇ = 0,11 mm; d₆₀ = 0,23 mm; d_max = 2,0 mm;

- Hệ số không đều hạt h_d = ;

- Dung trọng g_d = 1,72 g/cm³, trọng lượng riêng của hạt đất D = 2,65 g/cm³;

- Độ rỗng m_d = 1 - ; hệ số thấm k_d = 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

Hình 9 – Đồ thị thành phần hạt thiết kế lọc

Trình tự tính toán:

a) Để xác định đất thân đập đã cho là xói ngầm hay không xói ngầm, khuyến nghị ứng dụng phương pháp thứ 2 điều 5.2

Thay các trị số đã biết vào các hệ thức (71) và (72) được:

N = (0,32 + 0,016.2,3)

Do đó đất đã cho thực tế là không xói ngầm.

b) Đối với thành phần hạt không xói ngầm đã cho của đất (Hình 9), chọn theo đồ thị = f(h_d) (Hình 7) đường kính tính toán của hạt tạo vòm với h_d = 2,3 theo đồ thị Hình 7 đối với vật liệu cát sỏi của tầng lọc (vùng II), P_tv = 60 %. Sau đó theo đường cong thành phần hạt chúng ta tìm d_tv = d₆₀ = 0,23 mm.

c) Từ điều kiện không rải hạt, xác định đường kính tác dụng của hạt đất trong lớp thứ nhất của lọc D₁₇ theo hệ thức (82) bằng cách tự cho trước hệ số không đều hạt của tầng lọc h_l, rồi theo hệ số này xác định trị số độ rỗng m_l từ đồ thị m_l = f(h_l) (Hình 8).

Trong trường hợp đã cho, lấy h_l = 15, theo đồ thị (Hình 8) đối với vùng II của đất, cát, sỏi, cuội xác định được m_l = 0,31;

d) Theo trị số đã tính được D₁₇ = 1,0 mm và hệ thức (1) đối với đất không xói ngầm, xác định D_min của tầng lọc, trước tiên xác định trị số mũ c:

c = 1+ 1,28lg15 = 2,5

Thay trị số D_min vào công thức (1), cũng như trị số h_l = 15 và c = 2,5 được:

D_i = 0,58 + 0,108(0,1.10)^2,5

Với các trị số khác nhau P_i = 10;…; 20;…; 100; tính các trị số tương ứng D_i; chẳng hạn với P_i = 10, tính được D₁₀ = 0,58 + 0,108 (0,1P_i) = 0,69 mm.

Dưới đây cho các kết quả tính toán, trong đó trị số D_i tính bằng milimét.

Theo các số liệu trên đây, chúng ta lập đường cong tính toán phải tìm cho thành phần không xói ngầm của vật liệu lớp thứ nhất của lọc (Hình 9).

Khi chọn thành phần hạt vật liệu tầng lọc, cho phép có sai số không lớn so với đường tính toán trong giới hạn “của vùng thành phần hạt đất cho phép, dùng để đắp lớp thứ nhất của tầng lọc” vùng này cần được ấn định sao cho đường cong tính toán được giới hạn ở phía dưới bởi đường tiếp tuyến với đường cong và đi qua điểm D_min. Giới hạn trên của vùng này phải đi qua điểm D_max và trên điểm D₁₀ một khoảng 3 % cho đến chỗ gặp đường thẳng cho ở Hình 9) ở mức P_i = 6 %. Đường này là giới hạn của hàm lượng phần trăm cho phép (6 %) của hạt (1) bụi nhỏ trong vật liệu tầng lọc.

Thành phần hạt không xói ngầm đã xác định cho tầng lọc sẽ đảm bảo sự tiếp giáp bền vững và ổn định của đất với tầng lọc vì sự lôi hạt từ trong đất và ứ đọng tầng lọc không thể xảy ra.

Hệ số thấm của tầng lọc k₁ có thể xác định theo hệ thức (3), nghĩa là:

cm/s

Tỷ số

6.9.2. Trường hợp tính toán II

Các số liệu ban đầu và trình tự thiết kế đối với đất được bảo vệ xói ngầm và thành phần không xói ngầm của tầng lọc ngược cũng giống như đối với trường hợp I, riêng khi chọn các hạt tạo vòm của đất d_tv mới cần theo các chỉ dẫn về xác định d_tv đối với đất xói ngầm đã cho trong điều 6.3. Ngoài ra, đối với tầng lọc đã thiết kế cần phải kiểm tra độ không ứ đọng bởi chính những hạt đất đã được phép lôi đi với điều kiện chúng được dòng thấm vận chuyển đi qua lọc.

Độ lớn của các hạt bị dòng thấm lôi ra khỏi vùng tiếp giáp của đất, kế cận với lớp thứ nhất của lọc ngược, được xác định như sau:

- Nếu ξ d_tv > 0,77thì với các vận tốc thấm tương ứng, phù hợp với điều kiện (28), có thể có sự lôi tất cả các hạt nhỏ hơn 0,77d_o^max, nghĩa là: d_xn £ 0,77d_o^max;

- Nếu 0,77> ξ d_tv thì với các vận tốc thấm tương ứng tất cả các hạt nhỏ hơn ξ d_tv có thể bị lôi ra, nghĩa là: d_xn £ ξ . d_tv;

Để các hạt nhỏ hơn của đất d_ml bị lôi ra khỏi vùng tiếp giáp bởi dòng thấm không làm ứ đọng lớp thứ nhất của lọc ngược, phải thực hiện các điều kiện (55) hoặc (57), nghĩa là:

            D_o ³ 1,1a. d_xn

Hoặc    

Để tính toán cho trường hợp II sẽ thực hiện với các số liệu thực dưới đây:

Yêu cầu chọn thành phần hạt của lớp thứ nhất không xói ngầm bảo vệ đất bị xói ngầm như đất thân đập, đất nền công trình.

Các số liệu ban đầu:

Thành phần hạt của đất thân đập (của nền) cho trên Hình 10, từ đó tìm được đường kính các hạt đất: d_min = 0,01 mm, d₁₀ = 0,10 mm, d₁₇ = 0,14 mm, d₆₀ = 1,0 mm, d_max = 3,0 mm, hệ số không đều hạt h_d = 10, dung trọng Υ_d = 1,77 g/cm³, độ rỗng m_d = 0,33; hệ số thấm k_d = 0,012 cm/s.

Trình tự tính toán:

a) Xác định độ xói ngầm của đất đã cho theo phương pháp thứ nhất, điều 6.2

Theo các hệ thức (22) hoặc (23) xác định được đường kính lỗ thấm lớn nhất trong đất:

mm

Với:      c = 1 + 0,05 . 10 = 1,5

            C = 0,455 . = 0,66

Đường kính lớn nhất của các hạt có thể bị lôi ra từ đất được xác định theo công thức (28), được:

d_xn = 0,77d_o^max = 0,77. 0,07 = 0,054 mm

Trong đất đã cho các hạt nhỏ hơn 0,054 mm chiếm 8 % (xem đồ thị ở Hình 10) và vì thế đất này cần tính là xói ngầm.

b) Theo các tính toán về thấm (hoặc theo phương pháp Ә Γ Д А trong vùng tiếp giáp của đất với tầng lọc, trị số gradien cột nước lớn nhất được xác định J_tt^max = 0,4

Để xác định d_tv trước hết theo hệ thức (73) chúng ta xác định kích thước hạt đất có thể bị dòng thấm lôi ra với gradien cột nước đã cho là

Trong đó

f_* xác định theo đồ thị ở Hình 5, theo đồ thị này với h_d = 10; m_d = 0,33 có trị số f_* = 0,26; q = 90^o khi thấm nằm ngang (b = 1,5)

Theo đồ thị thành phần hạt đất (Hình 10) sẽ tìm thấy các hạt đó chứa trong đất gần 8 % > 3 %.

Trong trường hợp đó d_tv được xác định theo hệ thức (74):

Thay vào hệ thức này B = 8, d₃ = 0,0125 mm (từ đồ thị của Hình 10) được: d_tv = 8.0,0125 = 0,10 mm.

Nếu như d_xn < d₃ trị số tính toán cần lấy theo đồ thị = f(h_d) của Hình 7, đường cong B = 3.

Đường kính các hạt mm

CHÚ DẪN:

G – Đất thân (nền) đập;

I – Vùng thành phần hạt cho phép của đất dùng để đắp lớp thứ nhất của tầng lọc

Hình 10 – Đồ thị thành phần hạt thiết kế của tầng lọc:

c) Tự cho hệ số không đều hạt của vật liệu lớp thứ nhất của tầng lọc h_l = 10, từ đồ thị m_l = f(h_d) (vùng I) xác định được độ rỗng của nó, độ rỗng này bằng m_l = 0,37 (Hình 8)

Tiếp theo, từ điều kiện không rải hạt theo hệ thức (82) xác định được đường kính tác dụng của hạt vật liệu lớp thứ nhất của tầng lọc D₁₇:

            mm.

d) Theo hệ thức (1) và trị số D₁₇ = 0,46 mm, xác định được D_min của tầng lọc bắt đầu từ xác định trị số của mũ c

            c = 1 + 1,28lgh_l = 1 + 1,28lg10 = 2,28

            mm

Thay trị số D_min = 0,29 mm, h = 10 và c = 2,28 vào công thức (1) ta được:

            D_i = 0,29 + 0,052(0,1P_i)^2,28

Với các trị số khác nhau P_i = 10; …; 20; …; 100 tìm được trị số tương ứng của D_i

Theo các trị số trên của D_min; D₁₀; …; D₁₀₀ xây dựng được đường cong tính toán thành phần hạt không xói ngầm của lớp thứ nhất tầng lọc (Hình 10) và cũng như ví dụ 1 vùng thành phần hạt vật liệu cho phép dùng để đắp lớp thứ nhất của tầng lọc.

e) Hệ số thấm của tầng lọc k_i xác định theo hệ thức (3):

            k_i = cm/s

Và được tỷ số:

f) Kiểm tra lớp thứ nhất của tầng lọc về độ không ứ đọng, muốn vậy phải xác định kích thước của hạt có thể bị lôi từ vùng tiếp giáp của đất kế cận vào lớp thứ nhất của tầng lọc theo điều kiện:

            ξ . d_tv > 0,77 d_o^max

Như đã xác định ở điểm a, có 0,77d_o^max = 0,054 mm, ξ d_tv = 0,15 . 01 = 0,015 mm. Do 0,77d_o^max > ξ d_tv nên các hạt d_xn < 0,15; d_tv = 0,015 mm có thể bị lôi ra, các hạt này chứa trong đất (Hình 10) gần 3 %.

Để các hạt này không làm ứ đọng lớp thứ nhất của tầng lọc, phù hợp với (54) phải có:

Theo hệ thức (10):

            D₀ = C.mm

Từ bảng 1 có trị số của thông số a_* = 4; do đó:

            mm

Và điều kiện (54) được thỏa mãn, vì 0,015 < 0,041.

Nếu dùng công thức (57) thì phải bảo đảm bất phương trình sau đây:

Trong trường hợp đang xét: và vì thế điều kiện (57) cũng được thỏa mãn.

Do đó (trong những điều kiện thủy động xác định) các hạt có kích thước d_xn = 0,015 mm bị lôi ra bởi dòng thấm sẽ không làm ứ tắc lớp thứ nhất của tầng lọc.

Nếu các điều kiện (54) và (57) không được thỏa mãn thì cần thay đổi đường kính các hạt tạo vòm đã tính được d_tv. Khi đó, lấy theo điều kiện (55) D_o = 1,1 d_xn a*, được d_tv = 0,61 d_xn a*.

Theo trị số d_tv trên đây, tìm trị số D₁₇ và theo hệ thức (1) được đường cong mới biểu diễn thành phần hạt vật liệu lớp thứ nhất của tầng lọc, thỏa mãn điều kiện không ứ đọng.

6.10. Phương pháp chọn thành phần hạt lớp thứ nhất của tầng lọc đối với các trường hợp tính toán III, IV, V và VI

Đối với các trường hợp III và trường hợp VI đã nêu trong điều 6.8, khi: ngoài đất nền được bảo vệ, còn biết cả đất mỏ dùng làm tầng lọc ngược thì phương pháp chọn thành phần hạt lớp thứ nhất của tầng lọc căn bản vẫn giống như hai trường hợp đầu tiên xét ở điều 6.9. Nhưng trình tự tính toán cũng như các điều kiện xác định việc chọn chuỗi thông số tính toán ở đây sẽ khác. Để cho dễ hiểu các ví dụ sau đây sẽ giải thích và hướng dẫn trình tự tính toán trong các trường hợp này.

6.10.1. Trường hợp tính toán III

Để tính toán cho trường hợp III sẽ thực hiện với các số liệu thực dưới đây:

Yêu cầu chọn thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc cho trường hợp đất được bảo vệ vật liệu tại mỏ vật liệu thực tế không xói ngầm;

Số liệu ban đầu:

Thành phần hạt của đất thân đập (của nền công trình) và của vật liệu tại mỏ dùng cho lớp thứ nhất của lọc ngược được vẽ trên Hình 11.

Số liệu của đất được bảo vệ:

- Hệ số không đều hạt h_d = 3,34;

- Hệ số thấm k_d = 0,0092 cm/s;

Số liệu của vật liệu tại mỏ vật liệu:

Đất 1:

- Hệ số không đều hạt h = 9,7;

- Độ rỗng m’ = 0,33;

- Hệ số thấm k’ = 0,12 cm/s.

Đất 2:

- Hệ số không đều hạt h” = 65;

- Độ rỗng m” = 0,25;

- Hệ số thấm k” = 0,31 cm/s.

Đất 3:

- Hệ số không đều hạt h”’ = 11,3;

- Độ rỗng m”’ = 0,36;

- Hệ số thấm k”’ = 0,8 cm/s.

Trình tự tính toán:

a) Xác định độ xói ngầm đã cho của đất được bảo vệ, dùng hệ thức (71)

Do đó, đất được bảo vệ thực tế là không xói ngầm.

b) Theo thành phần hạt không xói ngầm của đất (Hình 11), chọn đường kính tính toán của các hạt tạo vòm d_tv theo đồ thị: P_tv^tt= f(h_d), (Hình 7);

Với h_d = 3,34; theo đồ thị Hình 7, vùng II; P_tv = 48 đến 60 %; d_tv có thể chọn trong các giới hạn d₄₈ đến d₆₀; lấy d_tv = d₆₀ = 0,3 mm.

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN:

G – Thân đập;

1, 2, 3 – Đất mỏ dùng cho lớp thứ nhất của lọc

Hình 11 – Thành phần hạt của đất;

c) Xác định khả năng sử dụng loại vật liệu tại mỏ vật liệu 1 vào lớp thứ nhất của lọc ngược:

- Hãy xác định độ xói ngầm của vật liệu này cũng theo hệ thức (71)

Do đó vật liệu ở mỏ 1 thực tế là không xói ngầm;

- Hệ số không đều hạt của loại vật liệu này nhỏ hơn hệ số cho phép (bảng 2): h’ = 9,7 < 20;

- Kiểm tra mức độ thỏa mãn điều kiện không rải vãi phù hợp với các công thức (77); (78) và (79) đối với hệ số giữa lớp, có:

Điều kiện không rơi vãi được tuân theo:

            ;

- Theo điều kiện ngấm nước phải có:

Do đó, cả điều kiện này cũng được thỏa mãn;

Như vậy, vật liệu tại mỏ 1 thỏa mãn tất cả các yêu cầu đề ra đối với vật liệu cho lớp thứ nhất của lọc ngược và do đó, trong trường hợp đã cho, nó có thể được kiến nghị dùng làm lớp thứ nhất của lọc ngược;

- Để thiết lập vùng sai lệch cho phép so với thành phần nói trên của vật liệu tại mỏ, xây dựng theo hệ thức (1) đường cong thành phần không xói ngầm đi qua các điểm D’₁₀ và D’₆₀ của vật liệu tại mỏ 1. Từ hệ thức (1), xác định D_min sau khi đã đưa trị số dẫn của D’₁₀ vào hệ thức đó và sau khi tính số mũ c:

            c = 1 + 1,28lgh = 1 + 1,28lg9,7 = 2,27

            mm

Để tìm các trị số D_i còn lại, phù hợp với công thức (1), có:

            D_i = 0,26 + 0,047(0,1P_i)^2,27

Từ đó, tìm thí dụ D₃₅ = 1,06 mm; D₈₀ = 5,53 mm; D₁₀₀ = 9,01 mm;

Theo các trị số trên của D_i, vẽ đường cong thành phần hạt không xói ngầm và theo đường cong này, xác định vùng sai lệch cho phép đối với vật liệu tại mỏ đã cho và căn cứ vào vùng sai lệch này để xác định các đất thực tế có thể dùng để làm lớp thứ nhất của lọc (Hình 12).

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN:

G – đất thân đập;

I – vùng thành phần hạt cho phép của vật liệu dùng được để đắp lớp thứ nhất của lọc;

VLM – vật liệu tại mỏ 1

Hình 12 – Đồ thị thành phần hạt lớp thứ nhất làm bằng vật liệu tại mỏ 1;

d) Tiếp xúc tiến hành nghiên cứu như vậy đối với vật liệu tại mỏ vật liệu 2. Vật liệu này nếu không được xử lý lại thì không thể dùng cho lớp thứ nhất của lọc đối với đất được bảo vệ đã cho bởi vì hệ số không đều hạt của nó lớn hơn hệ số cho phép rất nhiều.

            h” = 65 > h^cp = 20 đến 25;

Vì vậy phải tiến hành sàng bỏ các hạt nhỏ và hạt lớn theo 3 phương án sau đây:

- Đất a: sàng bỏ các hạt có D < 0,25 mm và D > 50 mm, h = 30,8;

- Đất b: sàng bỏ các hạt có D < 0,25 mm và D > 40 mm, h = 29,2;

- Đất c: sàng bỏ các hạt có D < 0,25 mm và D > 20 mm, h = 25;

Đường cong biểu diễn thành phần hạt của các vật liệu này cho ở Hình 13.

Như vậy, sau khi có một số phương án sáng chỉ có trị số của hệ số không đều hạt của vật liệu đất c là h gần đúng với trị số cho phép, còn các vật liệu đất sàng a và b không dùng được theo trị số h.

Theo đồ thị (Hình 8) đối với h_l = 25, xác định được độ rỗng của vật liệu đất sàng c: m_l = 0,29 và sau đó xác định độ xói ngầm của vật liệu này:

Đường kính các hạt, mm

Hình 13 – Thành phần hạt của vật liệu sau khi sàng bỏ hạt nhỏ và lớn trong vật liệu tại mỏ 2

Do đó, vật liệu đất sàng c là thực tế không xói ngầm. Theo trị số trước d_tv = d₃₀ = 0,03 mm, khi đó hệ số giữa lớp là:

Hệ số lớp giữa cho phép:

Và do đó điều kiện không rải hạt h_gl< h_gl^CP được thỏa mãn.

Hệ số thấm của vật liệu C xác định theo hệ thức (3)

            cm/s

Các điều kiện ngấm nước của lọc cũng được thỏa mãn, bởi vì:

Từ các tính toán trên đây cần thấy rằng vật liệu đã được sàng c, theo thành phần của nó, đã thỏa mãn các yêu cầu cơ bản đối với vật liệu làm lọc ngược, và vì thế nó có thể dùng cho lớp thứ nhất của lọc ngược.

Để xác lập vùng sai lệch cho phép so với thành phần nói trên của vật liệu, như trong trường hợp trước, theo hệ thức (1) sẽ xây dựng được đường cong thành phần không xói ngầm đi qua các điểm D₁₀ và D₈₀ của vật liệu đất sàng c;

Với h_r = 25 tìm được

            c = 1+1,25lg25 = 2,79

            mm

Các điểm khác của đường cong không xói ngầm D_i = D₂₀; …; D₁₀₀ được xác định đối với trường hợp đã cho, theo hệ thức (1) đã lập trước đây.

            D_i = 0,35 + 0,192(0,1.P_i)^2,79

Theo phương trình này đường cong không xói ngầm đã được lập và vẽ trên Hình 14. Khi đó vùng thành phần hạt không xói ngầm thực tế cho phép của vật liệu có đủ chuẩn để đắp vào lớp thứ nhất của lọc, cần hạn chế bởi giới hạn trên như đã chỉ trong ví dụ 1. Giới hạn dưới cần lấy đoạn tiếp tuyến với đường cong không xói ngầm đến đường cong của vật liệu c và tiếp nối như đã chỉ ở Hình 14.

Chú ý là ở đây thành phần thiết kế cho lớp thứ nhất của lọc với hệ số không đều hạt cao nhất cho thấy khả năng sử dụng vật liệu mỏ 2 đến 50 %.

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN:

G – đất thân đập;

I – vùng thành phần hạt cho phép của vật liệu dùng đắp lớp thứ nhất của lọc;

1 – vật liệu (c) sau khi sàng bỏ qua các hạt D < 0,25 mm và D > 20 mm của loại vật liệu mỏ 2;

2 – đường cong không xói ngầm đi qua D₁₀ và D₆₀ của đất (c).

Hình 14 – Đồ thị thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc lấy từ vật liệu mỏ 2;

Phải nói rằng: việc lựa chọn thành phần lớp thứ nhất của lọc có thể thực hiện từ vật liệu tại mỏ 2 và với những phương án khác để sàng lọc vật liệu đó.

Ở đây còn đưa ra phương án vật liệu d có sàng bỏ các hạt D < 0,25 mm và D > 5,0 mm, h_l = 5,2 (Hình 13), m_l = 0,36 (theo đồ thị Hình 8).

Đối với phương án sàng lọc này, cũng thực hiện các tính toán như trong trường hợp trước:

- Xác định độ xói ngầm của vật liệu d:

Do đó loại vật liệu này thực tế là không xói ngầm;

- Kiểm tra điều kiện không rải hạt, đã có d_tv = d₅₀ = 0,30 mm, hệ số giữa lớp thực:

Hệ số giữa lớp cho phép:

Do đó: n_gl <và điều kiện không rải hạt được thỏa mãn;

- Tiếp theo, kiểm tra điều kiện độ ngấm nước, theo công thức (3) tìm được:

            cm/s

Tỷ số: và do đó điều kiện ngấm nước cũng được thỏa mãn;

Như vậy ngay cả phương án sàng lọc vật liệu tại mỏ 2 cũng thỏa mãn tất cả các yêu cầu cơ bản đối với lọc ngược và vì vậy vật liệu đ cũng có thể được dùng cho lớp thứ nhất của lọc ngược. Để xác định vùng sai lệch cho phép đối với vật liệu 2, sẽ lập đường cong thành phần hạt không xói ngầm cũng đi qua các điểm D₁₀ và D₆₀ của vật liệu đ.

Với      

Tìm c = 1 + 1,28lg5,2 = 1,92

mm

Các điểm khác của đường cong không xói ngầm xác định theo công thức sau đây rồi rút ra từ hệ thức (1)

            D_i = 0,265 + 0,043(0,1P_i)^1,92

Theo các trị số trên, đường cong không xói ngầm được xây dựng đối với vật liệu đ và vùng sai lệch cho phép trong thành phần hạt của vật liệu dùng cho lớp thứ nhất của lọc đã cho ở Hình 15.

Đường kính các hạt, mm

Hình 15 – Đồ thị thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc lấy từ vật liệu tại mỏ 2 sau khi sàng bỏ các hạt D < 0,25 mm và D > 5 mm

e) Việc nghiên cứu vật liệu tại mỏ (Hình 11) để dùng cho lớp thứ nhất của lọc cũng được thực hiện như vật liệu tại mỏ 2. Vật liệu này chỉ chứa các hạt từ 0,25 mm đến 40 mm và h = 11,3, vì vậy chọn thành phần cần thiết của tầng lọc từ vật liệu này sẽ đơn giản hơn là từ loại vật liệu 2 đã xét ở trên. Do đó, ở đây các tính toán tương ứng không tiến hành.

6.10.2. Trường hợp tính toán IV

Để tính toán cho trường hợp IV sẽ thực hiện với các số liệu thực dưới đây:

Đất được bảo vệ là không xói ngầm, vật liệu khai thác tại mỏ vật liệu là xói ngầm. Yêu cầu chọn lớp thứ nhất của lọc, lấy từ vật liệu tại mỏ có thành phần hạt xói ngầm đã cho.

Số liệu ban đầu:

Các thành phần hạt của đất thân đập (nền công trình) và của vật liệu tại mỏ dùng cho lớp thứ nhất của lọc ngược cho trên Hình 16.

Số liệu của đất được bảo vệ:

- Thành phần hạt d₁₀ = 0,10 mm, d₁₇ = 0,11 mm, d₆₀ = 0,23 mm;

- Hệ số không đều hạt h_d = 2,3;

- Dung trọng  = 1,72 g/cm³;

- Độ rỗng m_d = 0,35;

- Hệ số thấm k_d = 0,016 cm/s.

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN:

G – đất thân đập;

1, 2, 3 các vật liệu tại mỏ dùng cho lớp thứ nhất của lọc

Hình 16 – Thành phần hạt các loại vật liệu

Số liệu của vật liệu tại mỏ vật liệu:

Vật liệu 1 (dăm sàng lọc):

- D’₁₀ = 0,25 mm; D’₁₇ = 0,4 mm; D’₆₀ = 1,8 mm; D’_max = 5 mm;

- Hệ số không đều hạt h’ = 7,2;

- Dung trọng = 1,69 g/cm³;

- Độ rỗng m’ = 0,35;

- Hệ số thấm k’ = 0,11 cm/s.

Vật liệu 2:

- D’’₁₀ = 0,8 mm; D’’₁₇ = 0,4 mm; D’₆₀ = 14,4 mm; D’’_max = 80 mm;

- Hệ số không đều hạt h’’ = 18;

- Dung trọng = 1,79 g/cm³;

- Độ rỗng m’ = 0,33;

- Hệ số thấm k’ = 1,65 cm/s.

Vật liệu 3 (đá dăm):

- D’’’₁₀ = 5,0 mm; D’’’₁₇ = 15 mm; D’’’₆₀ = 50 mm; D’’’_max = 100 mm;

- Hệ số không đều hạt h’’’ = 10;

- Dung trọng = 1,6 g/cm³;

- Độ rỗng  m’’’ = 0,36;

- Hệ số thấm k’ = 60 cm/s.

Trình tự tính toán:

a) Xác định độ xói ngầm đã cho của đất được bảo vệ, sử dụng hệ thức (71);

            ;

            N = (0,32 + 0,016.2,3).

Do đó, đất được bảo vệ thực tế là không xói ngầm.

b) Theo thành phần hạt đất thân đập đã cho (Hình 16), chọn đường kính tính toán của các hạt tạo vòm d_tv theo đồ thị P_tv^tt = f(h_d) (Hình 7);

Đối với đất có hệ số không đều hạt h_d = 2,3, theo đồ thị sẽ tìm được P_tv = từ 60 % đến 70 % (vùng I); d_tv có thể chọn trong các giới hạn d₆₀ đến d₇₀, chọn d_tv = d₆₀ = 0,23 mm.

c) Xác minh độ hữu ích của vật liệu tại mỏ (Hình 16) để sử dụng cho lớp thứ nhất của lọc ngược

- Xác định độ xói ngầm của đất đã cho theo phương pháp thứ nhất điều 6.2

Theo các hệ thức (23), xác định đường kính lỗ thấm lớn nhất trong đất 1.

mm

            c = 1 + 0,05.7,2 = 1,36

            C = 0,455.

Từ công thức (28), xác định được đường kính lớn nhất của các hạt có thể bị lôi ra khỏi đất đã cho trong những điều kiện thủy động xác định.

            D_ci^max = 0,77D_o^max= 0,77.0,185 = 0,142 mm

Trong vật liệu tại mỏ (Hình 16) các hạt như thế chiếm gần 8 % do đó vật liệu 1 là xói ngầm;

- Hệ số không đều hạt của vật liệu nhỏ hơn hệ số cho phép

            h’ = 7,2 <15;

- Kiểm tra điều kiện không rải hạt

Phù hợp với các công thức (77), (78) và (79), đối với hệ số giữa lớp có được:

Hệ số giữa lớp cho phép:

Do đó:   và điều kiện không rải hạt được thỏa mãn.

- Theo điều kiện ngấm nước phải có:

            ;

Trong thực tế có:

Do đó điều kiện này thỏa mãn.

Như vậy vật liệu tại mỏ của 1 của thành phần xói ngầm đã thỏa mãn tất cả các yêu cầu đề ra đối với vật liệu của lớp thứ nhất của lọc và do đó nó có thể dùng làm lọc ngược mà không phải xử lý thêm.

Tuy nhiên, đối với đất xói ngầm của lọc ngược cần phải kiểm tra xem các hạt D_ml > D₃ có bị dòng thấm cuốn lôi ra khỏi lớp thứ nhất của lọc hay không, vì điều đó có thể gây ra độ lún không cho phép của công trình. Do đó trong lớp thứ nhất của lọc gradien cột nước phải không được lớn hơn gradien cho phép nghĩa là phải thỏa mãn điều kiện:

            J < J_cp = J_th : b

- Xác định các trị số gradien cột nước tới hạn đối với lớp thứ nhất của lọc

Ở đây sẽ nhận thấy rằng các hạt xói ngầm nhỏ nhất D_min = 0,03 mm (Hình 16, đường cong 1) không được lôi ra khỏi đất đã cho, và sẽ xác định gradien cột nước tới hạn J_th^min theo hệ thức (48):

J_th^min = j₀. D’_min

Trong đó

            D’_min = 0,03 mm;

            j₀ = 0,60

            1,69g/cm³, 1g/cm³;

            q = 90^o (với thấm ngang bằng);

            f_* = 0,2 đối với m’ = 0,35 và h’ = 7,2 theo đồ thị f_* = f (h) (Hình 5).

Thay trị số vào công thức được:

            ;

Do đó trị số nhỏ nhất của gradien cột nước cho phép trong lớp thứ nhất của lọc với dòng thấm ngang bằng phải là (với b = 1):

Nếu như cho phép lôi các hạt nhỏ dưới 0,03 % (D’_ml = 0,05 mm, Hình 16) ra khỏi vật liệu của lớp thứ nhất của lọc mà độ bền và độ ổn định của công trình không bị phá hoại bởi việc lôi các hạt đó, thì:

            J_th = 0,0546 . 0,005 . = 0,15

Do đó, trong trường hợp này gradien cột nước cho phép ở lớp thứ nhất của lọc trong thấm ngang bằng phải là:

            J_cp £ 0,15

Cuối cùng, cho rằng tất cả các hạt xói ngầm (D_ml^max = 0,142 mm ~ 8 %) đều bị lôi ra khỏi lớp thứ nhất của lọc, sẽ được gradien cột nước tới hạn trong lớp thứ nhất của lọc là:

            J_th = 0,0546 . 0,0142= 0,43

Do đó phải có:

            J_cp £ 0,43

Các tính toán trên đây đã thấy rằng, vật liệu tại mỏ thiên nhiên có thành phần xói ngầm có thể dùng làm lọc mà không cần xử lý tốn tiền (sàng lọc, loại bỏ v.v…) nếu các điều kiện thủy động nêu trên sẽ được tuân theo.

CHÚ THÍCH: Nếu lớp thứ nhất của lọc là xói ngầm và cho phép sự lôi hạt nhỏ từ trong vật liệu đó ra theo các điều kiện thấm, khi lọc có hai lớp thì lớp thứ 2 phải được kiểm tra về mức độ không ứ đọng bồi tắc cũng tương tự như đã làm đối với lớp thứ nhất (điều 6.9, ví dụ 2).

- Xác lập vùng sai lệch cho phép so với thành phần của vật liệu tại mỏ 1. Đối với thành phần này theo hệ thức (1), lập đường cong của thành phần hạt không xói ngầm đi qua các điểm D’₁₀ và D’₆₀ của vật liệu tại mỏ 1 (Hình 17). Tiếp đó, cũng theo hệ thức (1) xác định được D_min bằng cách đưa trị số D’₁₀ = 0,25 vào hệ thức (1) và tính c = 1 + 1,28 lg7,2 =  2,1;

Để tìm các trị số còn lại D_i, sẽ có:

            D_i = 0,21 + 0,036(0,1P_i)^2,1

Từ đó, tìm được: D₃₅ = 0,65 mm; D₈₀ = 2,52 mm; D₁₀₀ = 3,82 mm. Theo các điểm Dmin; D₁₀; D₃₅; D₆₀; D₈₀ và D₁₀₀; xác lập được đường cong thành phần hạt không xói ngầm và xác định vùng thành phần hạt cho phép, có đường giới hạn dưới là đường tiếp tuyến đi qua điểm D_min = 0,21 mm và giới hạn trên là đường thẳng từ D_max = 3,82 mm qua chỗ 3 % lớn hơn D₁₀, đến chỗ tiếp xúc với đường cong của vật liệu 1 (Hình 17).

CHÚ THÍCH: Khi xác lập vùng sai lệch cho phép so với thành phần hạt của đường cong tính toán hoặc đường cong của vật liệu tại mỏ (thỏa mãn tất cả các yêu cầu và được dùng cho lọc) thì cần phải tính toán như sau:

• Giới hạn dưới của vùng sai lệch không được vượt ra khỏi giới hạn của đường cong không xói ngầm và đường tiếp tuyến với nó hoặc với đường cong của vật liệu tại mỏ. Sai lệch về phía của vùng dưới sẽ dẫn tới sự thay đổi đột ngột các tính chất thấm xói ngầm của lọc;

• Tăng giới hạn trên của vùng sai lệch sẽ có an toàn về độ bền của lọc. Tuy nhiên cần phải tính độ ngấm nước của lọc.

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN:

G – Đất thân đập (nền công trình);

I – Vùng thành phần hạt cho phép của vật liệu dùng để đắp lớp thứ nhất của lọc;

a – Vật liệu tại mỏ thiên nhiên; H_K – Đường cong không xói ngầm đi qua D’10 và D’60 của vật liệu tại mỏ.

Hình 17 – Đồ thị thành phần cho phép của lọc:

d) Tiến hành nghiên cứu vật liệu tại mỏ 2 với mục đích xác minh khả năng sử dụng nó làm lớp thứ nhất của lọc ngược đối với đất thân đập hoặc nền công trình đã cho

Xác định độ xói ngầm của vật liệu này theo phương pháp thứ nhất (điều 6.2).

Theo hệ thức (23), xác định được đường kính lỗ thấm lớn nhất trong vật liệu 2:

            mm

            c = 1 + 0,05 .18 = 1,9;

            C = 0,455. =0,74

Đường kính lớn nhất của hạt có thể bị lôi đi:

            D_ml^max = 0,77D_o^max = 0,77.1,04 = 0,8 mm

Trong vật liệu 2 các hạt ấy (Hình 16) chiếm 10 %, do đó vật liệu là xói ngầm.

Vật liệu tại mỏ 2 xói ngầm không thể dùng làm lớp thứ nhất của lọc ngược nếu không xử lý thêm, vì hệ số không đều hạt của nó lớn hơn hệ số cho phép:

Ngoài ra nó không thỏa mãn điều kiện không rơi hạt, thực tế:

Do đó, trong sự gần đúng thứ nhất, ấn định sàng bỏ các hạt lớn có D > 10 mm. Sau khi sàng bỏ các hạt D > 10 mm có được thành phần hạt của vật liệu (tính đổi thành phần và 100 %) vẽ trên Hình 18.

e) Xác minh hiệu ích của vật liệu đã cho sau khi sàng để dùng nó cho lớp thứ nhất của lọc

- Xác định độ xói ngầm của vật liệu này như đã chỉ ở trên (khoản c ví dụ này) và độ rỗng m_l = 0,34 theo đồ thị ở Hình 8

            D_o^max = 1,43 . 0,65.0,66 = 0,315 mm;

            x = 1 + 0,05. 8,6 = 1,43

            C = 0,455 . = 0,65

Đường kính lớn nhất của hạt có thể bị lôi đi:

D_ml^max = 0,77 . 0,315 = 0,24 mm.

Trong vật liệu đã cho (Hình 18) những hạt ấy chiếm dưới 8 % do đó, vật liệu là xói ngầm.

- Hệ số không đều hạt của vật liệu nhỏ hơn hệ số cho phép

            h = 8,6 < 15

- Kiểm tra điều kiện không rải hạt:

Điều kiện không rải hạt được thỏa mãn.

- Theo điều kiện ngấm nước, phải có:

            ;          cm/s

            cm/s

Điều kiện này cũng được thỏa mãn.

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN:

G) Đất thân đập (nền công trình);

1) – Vật liệu lớp thứ nhất của lọc lấy từ vật liệu tại mỏ 2 sau khi đã sàng bỏ các hạt D > 10 mm

Hình 18 – Thành phần hạt của vật liệu:

Như vậy, vật liệu tại mỏ vật liệu thiên nhiên 2 có thể dùng cho lớp thứ nhất của lọc với điều kiện sàng bỏ các hạt có D > 10 mm, vật liệu các hạt này chiếm dưới 50 %. Các phương án sàng lọc khác đều không có hiệu quả, bởi vì vật liệu sau khi sàng sẽ không thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với lớp thứ nhất của lọc.

Các tính toán tiếp theo để xác định J_cp và J_th cũng như việc xác định vùng sai lệch cho phép so với vật liệu đã cho được tiến hành tương tự như các tính toán trong ví dụ đã cho đối với vật liệu 1.

f) Vật liệu tại mỏ 3, như đã thấy trên Hình 16, theo thành phần hạt của nó, không thể dùng cho lớp thứ nhất của lọc, cả khi ở thành phần thiên nhiên cũng như khi đã được sàng lọc.

Nếu sàng bỏ các hạt D > 10 % mm chiếm 86 % tổng khối lượng của vật liệu thì được thành phần hạt của vật liệu với hệ số không đều hạt h = 17. Nếu như sàng bỏ các hạt của vật liệu với hệ số không đều hạt  h = 28 và v.v…

Từ đó thấy rằng vật liệu 3 không thể dùng cho lớp thứ nhất của lọc.

6.10.3. Trường hợp tính toán V

Để tính toán cho trường hợp V sẽ thực hiện với các số liệu thực dưới đây:

Đất được bảo vệ là xói ngầm, các vật liệu khai thác tại mỏ vật liệu là không xói ngầm. Yêu cầu lựa chọn lớp thứ nhất của lọc từ các đất mỏ đã cho.

Số liệu ban đầu:

Thành phần hạt của đất thân đập (nền công trình) và các vật liệu khai thác tại mỏ vật liệu định dùng cho lớp thứ nhất của lọc ngược đã vẽ trên Hình 19.

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN

G) Thân đập;

1), 2) các vật liệu tại mỏ dùng cho lớp thứ nhất của lọc

Hình 19 – Thành phần hạt của vật liệu:

Số liệu của đất cần bảo vệ:

- Thành phần hạt d₁₀ = 0,30 mm, d₁₇ = 0,47 mm, d₆₀ = 25 mm; d_max = 70 mm;

- Hệ số không đều hạt h_d = 8,32;

- Dung trọng = 1,92g/cm³;

- Độ rỗng m_d = 0,28;

- Hệ số thấm k_d = 0,09 cm/s.

Số liệu của vật liệu tại mỏ vật liệu:

Vật liệu 1:

- D’₁₀ = 0,85 mm; D’₁₇ = 1,5 mm; D’₆₀ = 12 mm; D’_max = 30 mm;

- Hệ số không đều hạt h’ = 14,1;

- Dung trọng = 1,85 g/cm³;

- Độ rỗng m’ = 0,30;

- Hệ số thấm k’ = 0,14 cm/s.

Vật liệu 2

- D’’₁₀ = 1,9 mm; D’’₁₇ = 4,4 mm; D’’₆₀ = 50 mm; D’’_max = 100 mm;

- Hệ số không đều hạt h’’ = 26,4;

- Dung trọng = 1,88 g/cm³;

- Độ rỗng m’ = 0,29;

- Hệ số thấm k’ = 3,6 cm/s.

Trình tự tính toán:

a) Xác định độ xói ngầm của đất được bảo vệ trong thân đập (nền công trình)

Theo hệ thứ (23), xác định đường kính lỗ thấm lớn nhất trong đất đã cho:

            X = 1 + 0,05 .83,2 = 5,16

            C = 0,455.

Từ công thức (28), xác định được đường kính lớn nhất của các hạt có thể bị lôi ra khỏi đất đã cho trong những điều kiện thủy động xác định:

            d_ci^max = 0,77d_o^max = 0,77 . 0,90 = 0,69 mm

Trong đất đã cho các hạt ấy chiếm 23 % (Hình 19, đường cong của đất G), do đó, đất được bảo vệ là xói ngầm.

b) Đối với đất xói ngầm đã cho của thân đập (nền công trình), xác định đường kính tính toán của hạt tạo vòm d_tv

Theo công thức (73), xác định kích thước các hạt đất d_mi bị lôi ra khỏi vùng tiếp xúc với gradien cột nước lớn nhất đã cho J_tt^max = 0,2.

Từ các hệ thức (43) và (44), xác định trị số j₀; trước hết phải xác định f_*.

            f_* = 0,82 – 1,8 . m + 0,0062(h_d – 5) = 0,82 – 1,8. 0,28 + 0,0062(83,2 - 5) = 0,80.

Với = 1,92 g/cm³, = 1g/cm³ và q = 90^o, sẽ có:

Đưa các trị số này vào (73), có được:

Như đã thấy ở Hình 19 không có những hạt như vậy trong đất đã cho, do đó có thể không tính các điều kiện thủy động. Trong trường hợp như vậy trị số tính toán d_tv được xác định từ đồ thị P_tv^tt = f(h_d) Hình 7, đường cong B = 3.

Đối với h_d = 82,3; tìm được = 20 và lấy d_tv = d₂₀ = 0,6 mm.

c) Xác minh độ hữu dụng của vật liệu tại mỏ 1 (Hình 19) để dùng cho lớp thứ nhất của lọc ngược

- Xác định độ xói ngầm của vật liệu này theo hệ thức (71) và (72) và theo đồ thị thành phần hạt của vật liệu (Hình 19) D’₃ = 0,54 mm

Do đó vật liệu đã cho có thể tích thực tế là không xói ngầm;

- Hệ số không đều hạt của vật liệu đã cho nhỏ hơn hệ số cho phép h’ = 14,1 < 20;

- Chúng ta kiểm tra độ không rải hạt theo các công thức (77) và (79) chúng ta có:

h’_gl < h_gl^cp; Điều kiện không rải hạt được thỏa mãn;

- Theo điều kiện ngấm nước phải có:

            ;          

Trong thực tế

            và điều kiện này cũng được thỏa mãn;

- Nếu đất thân đập (nền công trình) là xói ngầm thì cần phải tiến hành kiểm tra về độ không bồi tắc của lớp thứ nhất của lọc. Tuy nhiên trong trường hợp đã cho như từ các điều kiện thủy động sẽ không có sự lôi hạt đất ra khỏi vùng tiếp xúc. Do đó cũng bỏ việc kiểm tra về độ không bồi tắc của lớp thứ nhất của lọc.

Như vậy vật liệu tại mỏ vật liệu thiên nhiên 1, có thành phần không xói ngầm, đã thỏa mãn tất cả các điều kiện đề ra đối với vật liệu của lớp thứ nhất của lọc dùng để bảo vệ đất nền xói ngầm và do đó vật liệu tại mỏ 1 nên dùng làm lớp thấp nhất của lọc ngược mà không cần phải xử lý thêm.

- Xác lập vùng sai lệch cho phép đối với thành phần của vật liệu tại mỏ 1;

Muốn thế như đã chỉ trước đây (mục gạch đầu dòng cuối cùng, khoản c, ví dụ 4 điều 6.10.2), sẽ xây dựng đường cong thành phần hạt không xói ngầm đi qua các điểm D’₁₀ và D’₆₀ của đường cong vật liệu tại mỏ 1 (Hình 20). Tại phía dưới, sẽ giới hạn vùng thành phần hạt cho phép bằng đường tiếp tuyến kẻ từ điểm D’_min = 0,70 mm đến đường cong thiên nhiên của vật liệu tại mỏ 1 và tiếp đó nối đến đường cong không xói ngầm. Tại phía trên, kẻ đường thẳng như đã chỉ ở Hình 20.

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN:

G – Đất thân đập (nền công trình);

1) Vùng thành phần hạt cho phép của vật liệu dùng để đắp lớp thứ nhất của lọc;

a) Vật liệu tại mỏ thiên nhiên;

H_K) Đường cong không xói ngầm đi qua D’10 và D’60 của vật liệu tại mỏ

Hình 20 – Đồ thị thành phần cho phép của lọc:

d) Việc nghiên cứu vật liệu tại mỏ vật liệu 2 (Hình 19) với mục đích xác minh khả năng dùng cho lớp thấp nhất của lọc ngược đối với đất xói ngầm của thân đập (nền công trình) đã cho, cũng giống như đối với vật liệu tại mỏ 1 với một vài điểm bổ sung thêm như sau đây:

- Vật liệu tại mỏ 2 nếu không xử lý thêm, thì không thể dùng được cho lớp thứ nhất của lọc bởi vì hệ số không đều hạt của nó lớn hơn hệ số cho phép:            h’ = 26,4 > h_cp = từ 15 đến 25;

- Do đó chúng ta quyết định sàng lọc các hạt đồng thời vẫn cố gắng giữ lại một khối lượng lớn nhất của vật liệu dùng cho lớp thấp nhất của lọc;

- Trong sự dần đúng đầu tiên, cần ấn định sàng bỏ các hạt lớn (hoặc nhỏ hơn). Sau mỗi lần sàng bỏ các hạt có đường kính (lớn hơn hoặc nhỏ hơn) D_i, lấy thành phần hạt vật liệu còn lại là 100 % và tiến hành tính toán lại, tiếp đó là xây dựng đường cong thành phần hạt của nó. Sau khi xử lý như vậy, vật liệu phải được phân tích về độ hữu dụng đối với lớp thấp nhất của lọc. Nếu các kết quả không được thỏa mãn, tiếp tục lại ấn định sàng bỏ các hạt lớn hơn hoặc nhỏ hơn tiếp theo D_i;

- Để làm thử, dưới đây tiến hành phân tích vật liệu tại mỏ 2:

Trong sự dần đúng thấp nhất, ấn định sàng bỏ các hạt lớn D_i > 50 mm chiếm 40 % của thành phần vật liệu tại mỏ và sau khi tính toán lại, xây dựng đường cong thành phần hạt vật liệu, đã sàng bỏ các hạt D_i > 50 mm (Hình 21 đường cong a);

- Nghiên cứu độ hữu dụng của vật liệu có thành phần mới xử lý như trên đối với lớp thứ nhất của lọc (đối với trường hợp tính toán V).

e) Xác định độ xói ngầm của vật liệu này:

Sau đó tìm được:

            h = 14,8 theo đường cong a Hình 21;

            m’ = 0,34: từ đồ thị Hình 8 (vùng 1) và sau khi thay các trị số, khí đó tính được:

            N = (0,32 + 0,016 . 14,8) ;

Như vậy, vật liệu thực tế là xói ngầm với hệ số không đều hạt h’ = 14,8. Do đó, vật liệu đã cho (có sàng bỏ D > 50 mm) cũng không thể dùng vào lớp thứ nhất của lọc. Tiếp tục, thử dần bằng ấn định sàng bỏ kích thước nhỏ tiếp theo của các hạt D_i > 30 mm, nghĩa là 50 % của thành phần vật liệu tại mỏ và như trong trường hợp thứ nhất bằng cách tính lại, xây dựng đường cong thành phần hạt của vật liệu này (Hình 21, đường cong b).

Qua Hình 21 (đường cong b), thấy rằng thành phần vật liệu sau khi sàng lọc qua các hạt D_i>30mm từ mỏ vật liệu 2 đã phù hợp với thành phần của vật liệu tại mỏ 1 (Hình 19 và Hình 20).

Như vậy, nhờ sàng bỏ các hạt D_i > 30 mm của vật liệu tại mỏ 2, có được thành phần của vật liệu thỏa mãn tất cả các điều kiện của trường hợp tính toán V.

Các tính toán tiếp theo được thực hiện cũng như đã chỉ ở trên đối với vật liệu tại mỏ 1.

Đường kính các hạt, mm

Hình 21 – Thành phần hạt của vật liệu sau khi sàng bỏ hạt lớn D > 50 mm (vật liệu a) và D > 30 mm (vật liệu b) từ mỏ vật liệu 2

6.10.4. Trường hợp tính toán VI

Đất được bảo vệ và vật liệu tại mỏ vật liệu là xói ngầm; yêu cầu lựa chọn lớp thứ nhất của lọc từ các vật liệu khai thác tại mỏ đã cho cũng có thành phần xói ngầm.

Đối với đất nền xói ngầm, phương pháp chọn lớp thứ nhất của lọc từ các vật liệu khai thác tại mỏ có thành phần xói ngầm cũng giống như đã cho trong điều 6.10.3 đối với đất xói ngầm được bảo vệ, và trong điều 6.10.2 đối với vật liệu xói ngầm của lọc ngược.

Đối với đất được bảo vệ và từng loại vật liệu khai thác tại mỏ định dùng cho lớp thứ nhất của lọc cần xác định:

a) Độ xói ngầm của đất được bảo vệ theo một trong hai phương pháp cho trong bản quy trình (điều 4.2);

b) Tùy theo trị số của hệ số không đều hạt h_d = và độ xói ngầm của đất kích thước các hạt tạo vòm d_tv = f (h_d) theo đồ thị của Hình 7 hoặc theo tính toán đã chỉ trong điều 6.3;

c) Kích thước các hạt nhỏ d_xn (theo công thức 73) và tỷ lệ phần trăm cho phép lôi các vật liệu đó mà không bị phá hoại độ bền và độ ổn định của công trình;

d) Độ xói ngầm của các vật liệu khai thác tại mỏ đối với lọc ngược;

e) Kích thước các hạt nhỏ hoặc lớn hơn D_i phải sàng lọc tùy theo trị số của hệ số không đều hạt sao cho h £ h^cp;

f) Điều kiện không rải hạt theo hệ số giữa lớp theo các công thức (77), (78), và (79);

g) Điều kiện ngấm nước của lọc theo công thức (80);

h) Kích thước các hạt xói ngầm D_xn của vật liệu lọc cho phép cuốn theo dòng thấm;

i) Gradien cột nước tới hạn J_th trong lớp thứ nhất và của lọc để thỏa mãn điều kiện J_cp £ J_th: b, và khi có lớp thứ 2 của lọc – độ không bồi tắc của lớp thứ hai.

CHÚ THÍCH: Để tránh lặp lại, thí dụ bằng số không được tiến hành đối với trường hợp đã cho (VI). Trong tính toán dùng các ví dụ bằng số của điều 6.9 cho đất xói ngầm của nền và điều 6.10 cho vật liệu xói ngầm của lọc ngược.

6.11. Thiết kế (lựa chọn) thành phần hạt của lớp lót lọc dưới lớp gia cố bằng đá và bê tông cốt thép của các mái thượng lưu đập đất (1)

6.11.1. Các điều kiện thiết kế

Khi thiết kế thành phần hạt của lớp lót lọc dưới lớp gia cố mái thượng lưu (Hình 22) bằng đá cũng như bằng bê tông cốt thép, cần thiết xuất phát từ các điều kiện sau đây:

a) Thành phần hạt của lớp lót lọc dưới lớp gia cố thượng lưu của mái dốc phải là thực tế không xói ngầm thỏa mãn các hệ thức (71) và (72) hoặc phương trình (1);

CHÚ DẪN:

a) Đá đổ (kích thước trung bình lỗ rỗng của đá đổ D_o^KH);

b) Tấm bê tông cốt thép (B_K – chiều rộng của khe);  1) Đất thân đập; 2) Lớp lót lọc 3) Lớp lót thượng lưu.

Hình 22 – Những lớp gia cố mái thượng lưu:

b) Thành phần của lớp lót lọc phải bảo vệ chắc chắn cho đất thân đập không bị hiện tượng xói ngầm không có tác dụng của sóng lên mái đập

Điều kiện này sẽ được thỏa mãn, nếu kích thước các hạt tính toán của lớp lót lọc sẽ được lấy theo hệ thức sau đây:

                                                   (84)

Trong đó

            : hệ số không đều hạt của lớp lót lọc được lấy theo bảng 2.

h £ 25: đối với đất đá dăm;

h £ 20*: đối với đất cát sỏi;

m₁: độ rỗng được lấy theo đồ thị m₁ = f (h₁) Hình 8;

c: được xác định theo công thức (2);

d_tv: kích thước tính toán của hạt đất được bảo vệ không xói ngầm xác định theo đồ thị của Hình 7, các đường cong B = từ 5 đến 8.

Đối với thành phần hạt xói ngầm của đất d_tv được lấy như đã chỉ ở khoản b) điều 6.3;

c) Thành phần của lớp lót lọc không được lọt vào khe rỗng của đá đổ () hoặc mở rộng khe gián tiếp (b_x) của lớp phủ bê tông cốt thép. Điều kiện này có thể được diễn đạt bằng hệ thức sau đây:

- Đối với lớp lót đá đổ:

                                                            (85)

Trong đó

            : kích thước của hạt tính toán, tính theo hệ thức (84);

: đường kính kẽ rộng của đá đổ, xác định theo hệ thức 10;

- Đối với mạch tiếp giáp (b_k) của lớp lót bê tông cốt thép:

            ³ 0,55B_k                                                                 (86)

Nếu trị số hạt tính toán xác định được theo hệ thức (84) không thỏa mãn hệ thức (85) hoặc (86), thì trong trường hợp này cần thay đổi trị số của hệ số không đều hạt.

h₁ của lớp lót lọc theo xu hướng tăng lớn (trong các giới hạn gần h1 £ 25 đối với các đất đá dăm và gần h₁ £ 20 đối với các đất cát sỏi) nghĩa là ấn định thành phần không đều hạt lớn hơn cho vật liệu đất của lớp lót lọc.

Nếu cả trong trường hợp này cũng không thỏa mãn các hệ thức (85) hoặc (86) thì điều đó cho thấy rằng giữa lớp lót bằng đá và lớp lót lọc phải đặt một lớp trung gian (1) bằng thành phần đá nhỏ hơn. Thêm vào đó, thành phần hạt của lớp trung gian phải sao cho đường kính trung bình lỗ rỗng của nó xác định theo hệ thức (10) phải thỏa mãn được điều kiện (85) hoặc (86).

Nếu tuân theo các yêu cầu trên đây trong khi thiết kế thành phần của lớp lót lọc sẽ bảo đảm được sự bảo vệ chắc chắn cho mái đập và bản thân lớp lót lọc chống tác dụng của sóng lên mái.

Theo trị số kích thước hạt tính toán xác định theo hệ thức (84) trị số chọn h₁ và trị số mũ c tìm theo công thức (2), theo phương trình (1) sẽ xây dựng đường cong thành phần hạt không xói ngầm thiết kế của vật liệu lớp lót lọc “Vùng thành phần hạt cho phép của vật liệu lớp lót lọc” được ấn định như đã chỉ trong (khoản d – Đối với trường hợp I, điều 6.9.1).

6.11.2. Đánh giá độ hữu dụng của vật liệu khai thác tại mỏ vật liệu

Khi đánh giá (việc lựa chọn) độ hữu dụng của vật liệu tại mỏ khác hoặc của sản phẩm các nhà máy nghiền đá để dùng cho lớp lót lọc thì phải thỏa mãn các điều kiện khoản a), b), c) điều 6.11.1 trên đây, chỉ khác ở chỗ là thay cho kích thước tính toán hạt lấy theo đường cong thực tế các thành phần hạt vật liệu khai thác tại mỏ vật liệu.

Ngoài ra, thành phần hạt của vật liệu tại mỏ vật liệu đang xét và các đặc trưng vật lý của nó phải thỏa mãn điều kiện (13), nghĩa là:

            d_tv  ³ 0,55D_o^l

trong đó

d_tv: kích thước tính toán của hạt đất được bảo vệ xác định theo đồ thị của Hình 7, các đường cong B = từ 5 đến 8;

D_o^l: xác định theo công thức (1).

Nếu các điều kiện trên đây không được thỏa mãn, thì vật liệu tại mỏ đã cho không thể dùng cho lớp lót lọc nếu không có các biện pháp xử lý thêm; sàng bỏ hạt nhỏ hoặc lớn hay bổ sung thêm thành phần.

6.11.3. Trình tự tính toán thiết kế

Để chọn thành phần hạt của lớp lót lọc từ các vật liệu khai thác tại các mỏ vật liệu có sẵn, cần có các số liệu ban đầu sau đây:

- Thành phần hạt của đất (được bảo vệ) thân đập và hệ số không đều hạt của nó h_d;

- Thành phần hạt của vật liệu tại mỏ định dùng cho lớp lót lọc cũng như các đặc trưng vật lý của chúng (dung trọng hoặc độ rỗng m₁, hệ số không đều hạt h₁);

- Thành phần hạt của lớp lót bằng đá (đá đổ) có kích thước kẽ rỗng xác định theo hệ thức (10) - hoặc kích thước đã cho của khe nối B_k – sự mở rộng khớp nối (của các tấm bê tông không liền khối) hoặc chiều rộng của khe được tạo thành do biến dạng.

Nên giải thích trình tự tính toán bằng một tính toán cụ thể dưới đây:

Số liệu ban đầu:

Thành phần hạt của đất thân đập và vật liệu tại mỏ định dùng cho lớp lót lọc và các đặc trưng cơ bản của đất thân đập và vật liệu cho trên Hình 23.

a) Theo thành phần hạt đã cho của đất thân đập được bảo vệ G (Hình 23), chọn theo đồ thị = f(h_d) (Hình 7) đường kính tính toán của hạt tạo vòm d_tv. Với h_d = 2,14 theo đồ thị (khi B = 5 đối với vật liệu cát, sỏi) = 60 % tương ứng với:

            d_tv = d₆₀ = 0,15 mm

b) Xác định độ hữu dụng của các vật liệu tại mỏ 1 và 2 (Hình 23) dùng để cho lớp lót lọc dưới các lớp gia cố bê tông cốt thép kiểu tấm; độ mở rộng khả dĩ của khớp nối (đối với lớp lót bằng đá, đường kính kẽ rỗng của đá đổ xác định theo hệ thức (10), tương ứng bằng = 3,5 cm = 35 mm).

Vật liệu tại mỏ vật liệu 1 Hình 23:

- Xác định độ xói ngầm của vật liệu tại mỏ 1 theo hệ thức (71):

Do đó, vật liệu tại mỏ 1 thực tế là không xói ngầm;

- Hệ số không đều hạt của vật liệu này nhỏ hơn hệ số cho phép (bảng 2)

            h₁ =  15 < 20

- Kích thước tính toán thực tế của hạt vật liệu 1, phải là:

            ³ 0,55B_k = 0,55. 35 = 19,3 mm;

Vì D₈₅ = 20 mm > 19,3 mm, do đó điều kiện đã cho được thỏa mãn;

- Thành phần hạt của vật liệu tại mỏ 1 đang xét phải thỏa mãn điều kiện (13), nghĩa là:

            d_tv ³ 0,55

Đối với đất được bảo vệ lấy theo (điểm a điều này)

            d_tv = d₆₀ = 0,15 mm

Đường kính các hạt, mm

CHÚ DẪN:

G) Thân đập; 1) 2) các vật liệu tại mỏ dùng cho lớp lót lọc.

Hình 23 – Thành phần hạt của các vật liệu:

Kích thước kẽ rỗng của vật liệu tại mỏ 1, xác định theo hệ thức (10)

Có trị số = 0,26 mm, tính được:

            d_tv = 0,55. 0,26 = 0,14 mm

Điều kiện đã cho cũng được thực hiện, bởi vì:

            d_tv = d₆₀ = 0,15 > 0,14 mm

Do đó, vật liệu tại mỏ 1 đã cho thỏa mãn tất cả các điều kiện đề ra đối với thành phần lớp lót lọc và có thể dùng cho lớp lót lọc 1, lớp dưới lớp lót bằng bê tông cốt thép và sẽ bảo vệ chắc chắn các mái dốc không bị xói lở do tác dụng của sóng lên mái dốc. Để xác lập vùng sai lệch cho phép đối với thành phần này của vật liệu tại mỏ 1, tiến hành như đã chỉ trong cách xác lập vùng sai lệch cho phép khoản c điều 6.10.1 – trường hợp tính toán III.

Vật liệu tại mỏ vật liệu 2 (Hình 23):

- Theo thành phần hạt của vật liệu tại mỏ 2 cũng có một loại đặc trưng thỏa mãn các điều kiện đề ra đối với thành phần của lớp lọc như vật liệu tại mỏ 2 là thực tế không xói ngầm;

- Hệ số không đều hạt h₂ nhỏ hơn hệ số cho phép h₁^cp;

- Kích thước thực của hạt tính toán thỏa mãn các điều kiện (85) và (86);

- Tuy vậy cần nhấn mạnh rằng điều kiện quan trọng (13) – sự phối hợp của đất được bảo vệ thuộc thân đập với vật liệu của lớp lót lọc không được thỏa mãn, bởi vì d_tv < 0,55 , nghĩa là không bảo đảm việc bảo vệ cho đất thân đập khỏi xâm nhập vào trong lớp lót lọc khỏi bị lôi vào các khe mở rộng (hoặc các kẽ rỗng của đá đổ).

Do đó, thành phần đã cho của vật liệu 2 không thể dùng cho lớp lọc nếu như không sự bổ sung thành phần.

7. Phương pháp luận thiết kế lọc ngược (vùng chuyển tiếp) bảo vệ đất dính

7.1. Chỉ dẫn chung

Những chỉ dẫn dưới đây về thiết kế và lựa chọn thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc được mở rộng cho lọc ngược các kết cấu tiêu nước và cho vùng chuyển tiếp (từ tường tâm sang thân đập), bảo vệ đất dính (sét) được tiêu nước.

Các đất dính (á sét và sét) có thể đặc trưng bằng hàm lượng hạt sét có kích thước d < 0,005 mm và đặc trưng bằng trị số dẻo W_n trong thành phần hạt:

- Đất á sét hàm lượng hạt d < 0,005 mm chiếm từ 10 % đến 30 %; và trị số dẻo 7 £ W_d £ 17;

- Đất sét hàm lượng hạt d < 0,005 mm lớn hơn 30 %; và trị số dẻo W_d>17.

Trong tiêu chuẩn này, việc chọn thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc được tiến hành đối với các đất dính (có kiến trúc đã bị phá hoại) có trị số dẻo W_d ³ 7 với giao động độ ẩm trong phạm vi của độ dẻo, nghĩa là với điều kiện W_c ³ W ³ W_e

Trong đó

W_c: giới hạn chảy,

W_e: giới hạn lăn của đất.

Theo điều kiện này đất sét phải có sức dính phân tử, sức dính này có thể biểu diễn qua dung trọng của cốt đất:

Dung trọng cốt của đất dính được bảo vệ phải là:

            Y_c­đ ³ Y’_cđ =                                              (87)

Trong đó

            D: trọng lượng riêng của đất g/cm³;

            e_c: hệ số rỗng theo W_c;                               (88)

            Y_n: dung trọng của nước » 1 g/cm³.

Những kiến nghị dưới đây về phương pháp luận chọn thành phần hạt các vật liệu cho lớp của lọc thứ nhất bảo vệ đất dính (trước hết sẽ xét đối với các công trình cấp đặc biệt và công trình cấp I theo vốn đầu tư) các điều kiện không cho phép tách rời hoặc bóc lớp của kết thể hạt sét của đất. Trong công trình từ cấp II, III, IV (theo vốn đầu tư) có thể cho phép bóc tại chỗ tiếp xúc lọc ngược, một độ bóc lớp nhỏ của đất sét với độ lớn ; muốn thế kích thước lớn nhất của kẽ rỗng trong lớp thứ nhất của lọc phải là D_o^max < 15 mm, với điều kiện là đất sét có chỉ số dẻo W_d ³ 7; (còn đối với công trình tạm thì có thể W_d ³ 5).

Việc thiết kế vùng lọc ngược và vùng chuyển tiếp trong đất có chỉ số dẻo W_d < 7, đối với các công trình cấp đặc biệt và cấp I (theo vốn đầu tư) cũng như đối với các cấp II, III, và IV (theo vốn đầu tư) đều được tiến hành như đối với đất không dính hoặc chọn lời giải cuối cùng sau khi tiến hành các nghiên cứu thí nghiệm chuyên đề cho phù hợp với các điều kiện cụ thể.

7.2. Phương pháp luận chọn thành phần hạt của vật liệu cho lớp thứ nhất của lọc ngược

Để chọn thành phần hạt lớp thứ nhất của lọc bảo vệ đất dính (sét), cần biết trị số tính toán của gradien dòng thấm J_tt trong đất dính (sét) (ở chỗ ra của lớp thứ nhất). Trị số tính toán của gradien cột nước dòng thấm đối với kết cấu tiêu nước cho đập, cũng như đối với tường nghiêng, tường tâm, sân phủ v.v… được xác định bằng các tính toán về thấm hoặc bằng phương pháp tương tự điện động.

Đối với tường tâm của đập gradien lớn nhất tại đoạn ra của tường tâm ở đoạn mút, nghĩa là chỗ ra khỏi tường tâm để đi vào lớp thứ nhất của lọc, có thể lấy làm gradien tính toán của cột nước và bằng:

J_tt^max = tga

Trong đó: a là góc dốc của mái hạ lưu tường tâm đối với đường nằm ngang.

Theo trị số đã cho của gradien cột nước, xác định đường kính tính toán kẽ rỗng của vật liệu lớp thứ nhất của lọc bảo vệ cho đất dính.

7.2.1. Đối với điều kiện không cho phép rời hoặc bóc lớp các kết thể hạt sét của đất (đối với công trình siêu cấp và cấp I theo vốn đầu tư)

            ; (cm)                                           (90)

Trong đó

j: xác định từ đồ thị j = f(J_tt) Hình 24;

J_tt: gradien (tính toán) đã cho của cột nước;

q: góc giữa phương thấm và lực trọng trường.

Trong trường hợp đã biết rõ thành phần hạt của vật liệu to hạt (lớp lọc) và kích thước lớn nhất của kẽ rỗng (D_o^max) trị số j  được xác định từ đồ thị j = f(D_o^tt) Hình 25.

7.2.2. Đối với điều kiện cho phép biến dạng do sự bóc lớp đất dính (đối với công trình cấp II, III và cấp IV theo vốn đầu tư)

- Đối với kết cấu tiêu nước không có hành lang trực tiếp quan trắc trong khai thác, nhỏ về các kích thước ngang và chịu tác dụng của dòng thấm có gradien cột nước J > 3;

            ; (cm)                                    (91)

- Đối với kết cấu tiêu nước đặt lộ bên ngoài có thể trực tiếp quan trắc được trong thời gian khai thác của các công trình trọng lực bằng đất dính và các cấu trúc tạm có gradien cột nước J < 3;

            £ 15 mm                                                                 (92)

Xuất phát từ vốn đầu tư của công trình và các yêu cầu trên đây đối với lọc (vùng chuyển tiếp), theo trị số tính toán đã cho của gradien cột nước J_tt và theo một trong các hệ thức (90, 91 và 92), xác địnhvà theo trị số này chọn thành phần tương ứng của lớp thứ nhất của lọc (vùng chuyển tiếp) theo phương pháp sau đây:

a) Hệ số không đều hạt (phân lớp) của lớp thấp nhất của lọc ngược bảo vệ cho đất dính, được lấy bằng:

                                                                                    (93)

CHÚ THÍCH: hệ số không đều hạt đối với lọc của vùng chuyển tiếp có thể lấy > 50, khi có luận chứng đúng đắn đối với các đất mà trong thành phần đất hàm lượng hạt cát (kích thước từ 0,05mm đến 2,00 mm) không nhỏ hơn 20 % đến 25 %; và thành phần vùng chuyển tiếp dày (chiều dày T = 3m đến 5m) cũng như đối với các công trình cấp II – V (theo vốn đầu tư) và các công trình tạm.

b) Theo trị số đã có của hệ số không đều hạt h₁, xác định độ rỗng m₁ của đất đã cho theo đồ thị m₁ = f(h_l) Hình 8. Tiếp theo, đã biết các trị số tính toán , m₁ và h₁, tìm kích thước hạt D₁₇ của lớp thấp nhất của lọc từ điều kiện cơ bản:

            D_o^max £                                                                     (94)

Trong đó: D_o^max là đường kính lớn nhất của kẽ rỗng lớn thấp nhất của lọc, xác định theo hệ thức (23).

Thay trị số D_o^max từ hệ thức (23) vào hệ thức (94) và giải hệ thức này theo tỷ số của D₁₇, có được:

                                                                               (95)

c) Đường kính tác dụng của hạt lớp thứ nhất của lọc D₁₀ được xác định từ tỷ số:

            D₁₀ = i D₁₇                                                                                  (96)

Trong đó: hệ số i tìm trong đồ thị h₁ = f, Hình 26.

Hình 26 – Đồ thị h₁ = f

d) Đường kính kiểm tra của các hạt lớp thứ nhất của lọc D₆₀ xác định từ điều kiện:

            D₆₀ = h_l. D₁₀                                                                   (97)

e) Trị số lớn nhất của hạt lớp thứ nhất của lọc D^max = D₁₀₀ cần lấy theo hệ thức:

            D₁₀₀ £ D₁₀ + 10^c .D60                                         (98)

Trong đó

c = 1+1,28mg h_l;           

D₁₀ và D₆₀: các kích thước hạt tính theo các hệ thức (96) và (97). Hệ thức (98) rút ra từ hệ thức thực nghiệm (1) của M.P.Paptrit với D_min = D₁₀.

f) Theo các trị số tính được của các hạt D₁₀, D₁₇, D₆₀, và D₁₀₀, lập đường cong thành phần hạt của vật liệu lớp thứ nhất của lọc. Thành phần của vật liệu cho sẽ thỏa mãn điều kiện cơ bản (94), nghĩa là:

            D_o^max £

g) Trong trường hợp có thấm dọc theo chỗ tiếp xúc của đất dính và lọc ngược hoặc trong vùng chuyển tiếp từ tường tâm sang thân đập (cũng như trong các lớp thiên nhiên) có vật liệu to hạt, thì cần tiến hành kiểm tra độ ổn định của đất dính về xói mòn tiếp xúc.

Đất dính có chỉ số dẻo W_đ ³ 7, hệ số ẩm G ³ 0,85 và tiếp xúc với vật liệu to hạt sẽ không bị xói mòn tiếp xúc và không bị phá hoại, nếu vật liệu to hạt được chọn sao cho để thành phần hạt của nó có thể thỏa mãn các điều kiện thủy động của dòng thấm, được nêu dưới đây:

- Đối với điều kiện không cho phép xói và bóc lớp của các kết thể hạt trong vùng tiếp xúc của đất dính so với vật liệu to hạt, kích thước lớn nhất của kẽ rỗng trong vật liệu là to hạt D_o^max phải sao cho thỏa mãn được điều kiện sau đây:

            J_tt^k £ 0,75 J_th                                                                   (99)

Trong đó:

J_tt^k: gradien tính toán của đầu nước trong vật liệu to hạt ở chỗ tiếp xúc với đất dính;

J_th: gradien tới hạn của cột nước đối với đất dính, xác định bởi gradien cột nước trong vật liệu to hạt (lọc vùng chuyển tiếp) có đường kính kẽ rỗng lớn nhất:

            D_o^max £ D_o^tt

            J_th =                                                       (100)

Với D_o^max tính bằng cm;

- Đối với điều kiện có thể cho phép đến một mức độ nhất định sự bóc lớp của các kết thể hạt đất dính (không có xói mòn vùng tiếp xúc) phải thỏa mãn điều kiện sau đây:

            J_tt^k £ (0,85 đến 0,90) J_th                                                   (101)

7.3. Đánh giá độ hữu dụng (lựa chọn) của vật liệu tại mỏ vật liệu đối với lớp thứ nhất của lọc ngược bảo vệ đất sét (đối với điều kiện không cho phép biến dạng do bóc lớp (1)

Theo thành phần hạt đã cho của vật liệu tại mỏ, độ rỗng m₁, hệ số không đều hạt h₁ và trị số D₁₇,  đồng thời sử dụng hệ thức (23), chúng ta tìm được kích thước lớn nhất của các kẽ rỗng trong các đất này:

Trị số như đã chỉ ở trên, được xác định theo công thức (90), (91) và (92)

Nếu thỏa mãn điều kiện cơ bản (94) D_o^max £ , thì thành phần đã cho của vật liệu, có hệ số không đều hạt h₁ £ 50 có thể được sử dụng cho lớp thứ nhất của lọc, không cần hoàn chỉnh nó, nghĩa là không cần sàng lọc các hạt lớn hoặc phụ thêm các hạt nhỏ. Nếu điều kiện (94) không được thỏa mãn thì cần xây dựng đường cong tính toán của thành phần hạt vật liệu theo phương pháp đã nêu ở trên (khoản b – f điều 7.2.2) và theo đường cong này chọn thành phần vật liệu (có sàng lọc) lấy từ các vật liệu tại mỏ có sẵn.

7.4. Xác định kích thước của kết cấu chống thấm (tường tâm, tường nghiêng, sân phủ v.v…) bằng đất dính (2)

Theo phương pháp đề ra ở trên, có thể xác định kích thước (chiều dày) của kết cấu chống thấm, xuất phát từ việc có vật liệu tại mỏ cho lớp thứ nhất của lọc, nghĩa là giải quyết bài toán ngược theo thành phần hạt của vật liệu lớp thứ nhất của lọc ấn định kích thước của kết cấu chống thấm.

Dưới đây là tiến hành trình tự tính toán chiều dày của tường nghiêng (tường tâm, sân phủ) bằng đất sét dính:

a) Xác định kích thước lớn nhất của kẽ rỗng D_o^max của vật liệu tại mỏ theo hệ thức (23):

Trị số tính được lấy D_o^max làm trị số tính toán, nghĩa là:

            =D_o^max

b) Biết trị số , xác định số tính toán của gradien J_tt của dòng thấm trong kết cấu chống thấm (tường nghiêng, tường tâm, sân phủ). Trị số J_tt được xác định từ hệ thức (90)

                                                                     (102)

Trong đó: j được lấy theo đồ thị j = f (), Hình 25.

c) Phụ thuộc vào cột nước trên công trình và theo các điều kiện của độ bền về thấm, chiều dày yêu cầu của tường nghiêng (tường tâm) bằng đất sét của đập được xác định theo hệ thức.

                                                                                     (103)

Trong đó: H là cột nước ở đoạn AB của tường nghiêng (Hình 27).

Hình 27 – Đập có tường nghiêng

Vấn đề đặt ra là muốn lấy chiều dày trên đây của tường nghiêng đất sét làm chiều dày phải tìm, thì phải giải bằng cách tính toán so sánh kinh tế trong từng trường hợp riêng biệt, có xét tất cả các yêu cầu cần đề ra đối với tường nghiêng.

7.5. Chỉ dẫn thêm về kết cấu lọc ngược bảo vệ cho đất dính

a) Trên mặt kết cấu chống thấm bằng đất sét, trong trạng thái ngập nước thì không nên không có lớp gia tải. Ở lớp trên của mặt tự do của đất sét (không có gia tải) sẽ xuất hiện sự tăng độ ẩm và hậu quả là làm giảm lực dính phân tử giữa các hạt riêng biệt và các kết thể và trong các điều kiện tương ứng những lực này nói chung ngừng tác động. Mặt tự do của đất sét khi đó có thể dễ dàng bị xói lở ngay cả với những vận tốc thấm không đáng kể.

b) Khi tiếp xúc của kết cấu chống thấm bằng đất sét (tường nghiêng, tường tâm, sân phủ) với bề mặt cứng của công trình thủy lợi, cần đổ cát hạt to hoặc đá dăm sàng lọc với kích thước trung bình D₅₀ £ 2 mm vào lớp thứ nhất của lọc, ở những chỗ tiếp xúc trên một chiều dài từ 3m đến 5m.

c) Trong những đập cao và siêu cao có tường tâm (tường nghiêng) mỏng, xây dựng tại các thung lũng hẹp có sườn dốc đứng, hậu quả của các biến dạng lớn và không đều của hiệu số độ lún, cũng như các hiện tượng động đất, trong một vài trường hợp có thể hình thành các khe nứt riêng biệt, cục bộ; các khe nứt này là không mong muốn, đặc biệt ở mặt hạ lưu của tường tâm, ở chỗ tiếp xúc với lọc ngược của vùng chuyển tiếp, như đã chỉ trên Hình 28.

CHÚ DẪN:

Hình 28 – Sơ đồ lập khe nứt của tường tâm đập:

Trong các trường hợp ấy, để cho vùng tiếp xúc của đất dính tường tâm (tường nghiêng) của đập không bị xói lở bởi dòng thấm đi theo kẽ nứt vào lớp lọc, thì lớp lọc của vùng chuyển tiếp có thành phần hạt như thế phải được thiết kế và đặt sao cho các kết thể của đất sét hoặc những hạt riêng biệt của đất sét bị cuốn ra khỏi dòng thấm không đi qua lớp lọc và làm bồi tắc lớp lọc trong phạm vi khe nứt (Hình 28) và bằng cách ấy sẽ tạo thành các điều kiện tự lấp của bản thân khe nứt.

Do đó, thành phần hạt lọc được thiết kế hoặc lựa chọn, thỏa mãn trong các trường hợp ấy, các yêu cầu được đề ra đối với lọc của vùng chuyển tiếp của đập cao và siêu cao phải được kiểm tra và điều kiện bồi tắc.

Nếu thành phần hạt của khe lọc được thiết kế hoặc lựa chọn trước, có thể bồi tắc do các hạt nhỏ bị cuốn ra từ khe nứt của tường tâm (tường nghiêng) của đập thì thành phần ấy của lọc cần tính để thỏa mãn yêu cầu đã cho.

Nếu điều kiện đã cho không thỏa mãn, thì thành phần lọc thiết kế hoặc lựa chọn phải thay đổi để thành phần hạt mới thỏa mãn yêu cầu của bồi tắc.

Điều kiện bồi tắc (và lấp khe nứt) sẽ được thực hiện trong trường hợp nếu thành phần thiết kế của lọc sẽ thỏa mãn chuẩn số sau đây của độ bồi tắc:

            ;                                                                (104)

Trong đó

D₁₇: đường kính các hạt vật liệu của lọc ngược nhỏ hơn các hạt này chiếm 17 % (theo trọng lượng), trong thành phần của vật liệu;

d₉₀: đường kính các hạt vật liệu của tường tâm đập làm bồi tắc lớp thứ nhất của lọc, nhỏ hơn các hạt này chiếm 90 % (theo trọng lượng), trong thành phần của vật liệu;

m₁: độ rỗng của vật liệu lọc ngược, tính theo phần đơn vị;

h₁ = : hệ số không đều hạt của vật liệu lọc ngược.

Nếu điều kiện (104) không thỏa mãn, thì trong trường hợp ấy cần thay đổi thành phần hạt đã thiết kế (lựa chọn) của lọc, nghĩa là:

                                                                        (105)

Các kích thước còn lại của các hạt tính toán cơ bản của đường cong biểu diễn thành phần hạt của lọc D₁₀, D₆₀, D₁₀₀ được xác định theo các hệ thức (96), (97), và (98).

Bằng cách ấy, thành phần hạt mới xác định của lớp thứ nhất của lọc sẽ thỏa mãn yêu cầu bồi tắc cả yêu cầu lấp kẽ nứt.

Đường cong tính toán đã xác định được của thành phần hạt cần lấy giới hạn dưới “của vùng thành phần hạt cho phép của vật liệu dùng để đắp vào lớp thứ nhất của lọc”.

d) Chiều dày lớp thứ nhất của lọc của vùng chuyển tiếp đối với các đập cao và siêu cao phải được ấn định không những chỉ theo các điều kiện thấm và thi công mà còn có tính toán các chuyển dịch ngang có thể của các bộ phận công trình (tường tâm và lăng trụ đập) do lún không đều.

Chiều dày nhỏ nhất của lớp thứ nhất của lọc vùng chuyển tiếp – T_min đối với kiểu đập đã nêu, phải là (Hình 29):

            T_min ³ 3 + t’;       đơn vị (m)                                                          (106)

Trong đó: t’ là kích thước tổng cộng các chuyển dịch ngang của tường tâm hoặc lăng trụ đập (bằng m) xác định bằng tính toán hoặc theo các nghiên cứu đã cho.

Các ví dụ tính toán cụ thể xem phụ lục A:

CHÚ DẪN:

1) Tường tâm của đập;

2) Vùng chuyển tiếp (lọc);

3) Lăng trụ đập;

2 – t’: chuyển vị ngang của lăng trụ và tường tâm đập

Hình 29 – Sơ đồ vùng chuyển tiếp

8. Thiết kế lọc ngược bằng bê tông xốp

8.1. Chỉ dẫn chung

Lọc ngược bằng bê tông xốp (không cát) dùng cho lỗ khoan và kết cấu tiêu nước các đập được cấu tạo từ vật liệu to hạt có thành phần được lựa chọn tùy theo thành phần hạt của đất bão hòa nước của lọc ngược phải bảo vệ.

Để sản xuất lọc xốp cần dùng một khối lượng chất keo kết (ciment, thủy tinh lỏng, thạch cao v.v…) sao cho chỉ đủ để bao các hạt cốt liệu, còn kẽ rỗng giữa các hạt cốt liệu vẫn không bị nhét đầy. Trong khi các tài liệu tham khảo hướng dẫn hiện được ưu tiên xét dùng làm vật liệu keo kết chỉ có xi măng. Xi măng tạo cho kết cấu lọc một độ bền lâu dài. Về cốt liệu có thể dùng phế liệu đá dăm của nhà máy nghiền đá, đá dăm, sỏi. Những vật liệu đều hạt hay không đều hạt. Lọc bằng bê tông xốp không nên đặt trong vùng băng giá vì nước kẽ rỗng của lọc sau khi đóng băng có thể phá hoại sự liên kết giữa các hạt khối rỗng dẫn đến tổn thất độ bền cơ học của kết cấu.

Khi thiết kế thiết bị tiêu nước bằng bê tông xốp các tính toán thấm nước được tiến hành như khi thiết kế bị tiêu nước thông thường, có xét đến khả năng tháo nước của bê tông xốp.

Trong trường hợp phải bảo vệ đất hạt nhỏ bão hòa nước bằng lọc bê tông xốp khi đòi hỏi phải dùng cốt liệu nhỏ trong thành phần của bê tông xốp thì trong một vài trường hợp nên gia công lọc bằng vật liệu hạt to bên ngoài bọc 1 lớp cát hạt to hơn (lăng trụ tiêu nước).

Lọc ngược bằng bê tông xốp có thể dùng không những chỉ cho lỗ khoan, mà còn cho kết cấu tiêu nước của đập và của công trình thủy lợi khác, ở những nơi mà việc sử dụng bê tông xốp tỏ ra có lợi về mặt kinh tế, ví dụ khi tại nơi xây dựng không có mỏ vật liệu để làm lọc ngược bằng vật liệu cát sỏi hoặc đá dăm.

8.2. Yêu cầu đối với lọc ngược bằng bê tông xốp

Lọc ngược thực hiện được tốt vai trò của nó chỉ trong trường hợp, nếu thành phần hạt của nó được thiết kế và thực hiện một cách chắc chắn.

Lọc ngược bằng bê tông xốp phải được thiết kế sao cho thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau đây:

a) Hạt cốt của đất phải bảo vệ, không được rải vào kẽ rỗng của lọc bằng bê tông xốp;

b) Trong đất được bảo vệ, tại vùng tiếp xúc không được xuất hiện xói ngầm cơ học nguy hiểm làm ảnh hưởng đến độ bền và độ ổn định của đất;

c) Các hạt nhỏ mà sự lôi chung bởi dòng thấm ra khỏi khối đất được bảo vệ không gây ra những biến dạng nghiêm trọng và là cho phép đồng thời không làm bồi tắc lọc ngược;

d) Độ ngấm nước của lọc ngược bằng bê tông xốp phải lớn hơn độ ngấm nước của đất được nó bảo vệ.

Để thực hiện các yêu cầu kể trên, khi thiết kế và xây dựng lọc ngược bằng bê tông xốp sẽ bảo đảm sự tiếp xúc ổn định và bền vững của đất được bảo vệ và bảo đảm độ tin cậy làm việc của công trình trong thời kỳ khai thác. Sự thực hiện các yêu cầu kể trên là đối với các đất xói ngầm xét theo thành phần hạt của chúng.

Nếu đất được bảo vệ bằng lọc là thực tế không xói ngầm thì khi thiết kế và xây dựng lọc ngược bằng bê tông xốp thực hiện được 2 yêu cầu cơ bản sau đây là đủ:

- Hạt cốt của đất được bảo vệ không được rải vào kết cấu lọc bằng bê tông xốp;

- Hệ số thấm của lọc bằng bê tông xốp phải lớn hơn hệ số thấm của đất được nó bảo vệ.

8.3. Phương thức chọn thành phần hạt vật liệu đá, dăm (sỏi) để làm tầng lọc ngược bằng bê tông xốp

Để xác định kích thước hạt tính toán của đất dăm và sỏi trong thành phần có lọc ngược bằng bê tông xốp cần có các số liệu về thành phần hạt của đất được bảo vệ biểu diễn dưới dạng đồ thị cũng như các số liệu về dung trong Y_đ của đất, độ rỗng m_d, hệ số không đều hạt h_đ và hệ số thấm k_đ.

Theo các thông số của đất được bảo vệ, xác định loại của thành phần đất, đất được bảo vệ bằng tầng lọc là xói ngầm hoặc không xói ngầm.

Nếu đất thực tế không xói ngầm, thì nó phải thỏa mãn hệ thức (71)

Trong đó: d₃ và d₁₇ là các đường kính hạt của đất, các hạt nhỏ hơn các hạt này chiếm gần 3 và 17 % theo trọng lượng.

Nếu hệ thức (71) không được thỏa mãn, đất đã cho cần tính thực tế là xói ngầm.

Tùy theo loại của đất được bảo vệ (xói ngầm hoặc không xói ngầm) và hệ số không đều hạt của nó sẽ chọn kích thước tính toán của các hạt tạo vòm d_tv.

Đối với thành phần không xói ngầm của đất, kích thước hạt tạo vòm d_tv xác định theo đồ thị: = f(h_đ) Hình 7, đường cong B = 3.

Đối với thành phần xói ngầm của đất, kích thước tính toán của hạt tạo vòm d_tv được xác định, phụ thuộc vào các điều kiện thủy động của sự làm việc của lọc (điều 6.3) như sau:

a) Theo công thức (73), xác định kích thước hạt có thể bị lôi ra khỏi vùng tiếp xúc với gradien lớn nhất đã cho của cột nước J_tt^max, nghĩa là:

Nếu trị số tính được d_xn £ d₃ (từ đường cong thành phần hạt) thì d_tv lấy theo đồ thị = f(h_đ) Hình 7 đường cong B = 3.

Nếu như d_xn ³ d₃, thì d_tv được xác định theo công thức 74:

               = B. d₃

Trong đó: B nên lấy đối với các lọc lỗ khoan (để hạ mực nước có chế độ thay đổi) B = 3; đối với các lọc của các thiết bị tiêu nước của đập B lấy từ 5 đến 8.

b) Theo kích thước của đường kính d_tv chọn được, tìm đường kính trung bình kẽ rỗng của lọc theo hệ thức (12)

               D_o £ 1,8d_tv

Biết được D_o; xác định hệ số thấm tính toán (1) của lọc bằng bê tông xốp theo hệ thức:

               k₁ = A. m_o. D_o²;           (cm/s)                                       (107)

Trong đó:

A = 615 đối với bê tông xốp bằng đá dăm;

A = 965 đối với bê tông xốp bằng sỏi;

m_o: độ rỗng tính đổi của đá dăm, tính theo phần đơn vị, lấy theo đồ thị m_o = f (D_o) Hình 30 hoặc theo công thức thực nghiệm:

                                                                                 (108)

Trong đó: D_o tính bằng milimét

Hình 30 – Đồ thị m_o = f (D_o)

c) Theo bảng 3, đối với trị số tính được k₁, chọn thành phần hạt của đất đá dăm (sỏi), đất này phải là cốt liệu trong thành phần của lọc bằng bê tông xốp, hệ số không đều hạt của nó không vượt quá trị số:

               h₁^cp = 12                                                                     (109)

d) Nếu thành phần của đá dăm lấy theo bảng 3 không phù hợp với đất đá dăm hoặc đất sỏi có sẵn tại hiện trường thi công và không tiến hành sàng lọc thì cần kiểm tra mức độ hữu dụng của vật liệu (theo hệ số thấm) hệ thức (110). Hệ thức (110) cho khả năng theo các thông số của đá dăm hoặc sỏi dùng để sản xuất bê tông xốp với tỷ lệ tối ưu nước/xi măng, xác định hệ số thấm của bê tông xốp:

                                                (cm/s)               (110)

Trong đó: đối với đá dăm A’ = 50  đối với sỏi A’ = 120; h_đd và h_s là các hệ số không đều hạt tương ứng với đá dăm và sỏi.

Bảng 3 – Trị số hệ số số thấm của bê tông xốp có thành phần 1 : 6 với tỷ lệ tối ưu nước/xi măng, theo thành phần hạt cốt liệu

CHÚ THÍCH: Các trị số k₁ trong bảng 3 xác định trên cơ sở thí nghiệm theo chế độ thấm tầng. Thành phần của lọc bằng bê tông xốp sẽ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản đối với đất không xói ngầm được bảo vệ với:

1) Cốt đất không rải vào lớp lọc;

2) Hệ số thấm của lọc lớn hơn hệ số thấm của đất được nó bảo vệ.

Nếu k_b so với trị số tính toán k₁ không khác mấy về độ lớn (không lớn hơn 2 lần) thì đất đá dăm (sỏi) đã cho có thể được dùng, không cần sàng lọc, làm cốt liệu cho lọc bằng bê tông xốp.

Hệ số không đều hạt của vật liệu làm lọc bằng bê tông xốp không được vượt quá trị số = 12.

Vật liệu có hệ số không đều hạt vượt quá , chỉ được sử dụng sau khi đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm khuyến cáo.

e) Nếu các đất lọc được bảo vệ là xói ngầm thì cần kiểm tra độ không bồi tắc của lọc bởi các hạt nhỏ bị lôi ra của đất

Để các hạt đất nhỏ (d_ml<d₃) do dòng thấm lôi ra khỏi vùng tiếp xúc không làm bồi tắc lọc phải thỏa mãn các điều kiện (55) và (57) nghĩa là:

               D_o ³ 1,1 d_xn . a_*;

               d_tv ³ 3 d_xn,

trong đó a_*: lấy từ bảng 1, điều 5.7.

Nếu không thỏa mãn điều kiện (55) và (57) thì cần thay đổi thành phần hạt đã chọn của lọc (dẫn đến sự thay đổi đường kính hạt tạo vòm d_tv) và kích thước của hạt d_xn được phép bị lôi ra khỏi đất.

Theo trị số mới xác định được d_tv, từ hệ thức (12) xác định trị số mới D_o. Sau đó trình tự chọn thành phần hạt của đá dăm (sỏi) thuộc thành phần của lọc bằng bê tông xốp cũng giống như đã giới thiệu ở phần trên của điều này.

8.4. Công nghệ sản xuất lọc bằng bê tông xốp

Thông thường, lọc ngược bằng bê tông xốp được sử dụng chủ yếu để trang bị các giếng tròn cấp nước và các lỗ khoan hạ nước mạch. Tuy nhiên các lọc ấy có thể được sử dụng một cách hiệu quả kể cả đối với các kết cấu tiêu nước công trình thủy lợi.

Lọc bằng bê tông xốp để trang bị các giếng tròn, chính là ống rỗng đúc bằng đá dăm (sỏi) không đều hạt được gắn kết bằng xi măng, độ ngấm nước và độ bền nhất định (Hình 31). Những lọc như thế có thể được sản xuất cho kết cấu tiêu nước của đập có vật liệu thấm bao quanh ống (lăng trụ tiêu nước Hình 33).

Lọc bằng bê tông xốp dùng cho giếng tròn và các kết cấu tiêu nước của đập, có thể sản xuất với các đường kính khác nhau từ 60 đến 100 cm và lớn hơn, tùy theo nhiệm vụ của chúng (Hình 31). Chiều cao của 1 đoạn ống được ấn định (tùy theo các điều kiện làm việc, trọng lượng đoạn ống, việc chuyên chở.v.v…) dưới 1m và lớn hơn.

Chiều dày thành ống lọc theo các điều kiện thấm cần lấy không nhỏ hơn:

               T_min ³ (5 đến 7)D₈₅ + 2 cm                                            (111)

Trong đó: D₈₅ là kích thước tính toán của hạt đá dăm thuộc thành phần của lọc bằng bê tông xốp.

CHÚ DẪN:

1) Bê tông đặc 1:3         hoặc 1:4 (cát hạt to hoặc đá dăm từ 2 mm đến 3 mm);

2) Bê tông xốp

Hình 31 – Lọc bằng bê tông xốp:

CHÚ DẪN:

1) và 2) ống tiêu nước bằng bê tông xốp có bọc đá dăm D = 0,25 đến 10 mm;

3) đất cát sỏi thiên nhiên;

4) 5) và 6) ống tiêu nước bằng bê tông xốp, có bọc đá dăm, cát hạt to (lăng trụ tiêu nước);

7) và 8) đá dăm có đường kính hạt từ 0 mm đến 40 mm, đá đổ 100 mm đến 200 mm.

Hình 32 – Kết cấu tiêu nước bằng bê tông xốp

Vì lý do cấu tạo và các điều kiện thi công chiều dày của lọc lỗ khoan cần lấy T_min = từ 5 cm đến 6 cm, và thành của lọc tiêu nước trong đập T_min = 10 cm.

Nối các đoạn ống với nhau phải được thực hiện bằng các mối nối rất cẩn thận (không chồng chéo và không có kẽ hở). Để tạo độ bền cho mối nối, hai đầu đoạn ống phải bằng bê tông đặc hơn, như đã chỉ ở Hình 31.

Đối với độ bền của lọc bằng bê tông xốp và để giảm lượng xi măng, cần dùng xi măng có số hiệu mác cao loại: “400” và “500”.

Để cho lọc bằng bê tông xốp có độ rỗng và độ bền tốt, thì thành phần bê tông xốp cần lấy tỷ lệ đối với đất đá dăm 1 : 6, đối với các đất sỏi (nhẵn cạnh) 1 : 7 (theo trọng lượng). Độ bền cũng phụ thuộc vào tỷ lệ nước xi măng, mức độ rải đều các hạt cốt liệu, độ rỗng và mức độ ngấm nước của bê tông.

Với tỷ lệ nước xi măng tối ưu, bê tông có độ bền lớn nhất với độ rỗng và độ ngấm nước đều.

Tỷ lệ tối ưu của nước xi măng được đặc trưng ở chỗ khi đổ hỗn hợp bê tông, vữa xi măng không tách khỏi hạt cốt liệu và khi trộn bê tông sẽ đạt được sự bóc đều các hạt tạo cho mặt hạt có độ láng bóng đặc trưng, do đó đảm bảo được tốt việc đúc bê tông xốp. Khi tỷ lệ nước xi măng lớp vữa xi măng sẽ chảy ở phần bên dưới của lọc, làm đầy kẽ rỗng của bê tông và làm bê tông ít thấm nước.

Tỷ lệ nước xi măng tối ưu đối với các lọc bằng bê tông xốp cần lấy trong giới hạn N/X = 0,32 đến 0,42.

Để xác định tỷ lệ nước xi măng N/X cần chuẩn bị một mẫu nghiệm có thể tích 5 lít với lượng nước ban đầu bằng 3/4 tỷ lệ tối ưu đã đề nghị, sau đó thêm nước dần dần theo từng cấp bằng 5% khối lượng xi măng. Sau mỗi lần thêm nước người ta trộn vữa bê tông cẩn thận và cho đánh giá về chất lượng.

Khi sản xuất các khối bê tông xốp cần xét độ ẩm của cốt liệu và đưa số liệu chính vào định lượng khi có thay đổi độ ẩm lớn hơn 0,5 %.

Khi lọc bằng bê tông xốp phải làm việc trong điều kiện nước không ăn mòn thì cho thêm phụ gia pu-dô-lan phù hợp với quy phạm ГOCT-4769-49.

CHÚ THÍCH: Về vấn đề thiết kế kết cấu của thiết bị tiêu nước bằng blốc bê tông xốp, công nghệ sản xuất chúng, kiểm tra chất lượng và nghiệm thu thành phần và tổ chức thi công, lắp đặt các tiêu nước, cần sử dụng các hướng dẫn của Viện thiết kế thủy công mang tên X-la-Giúc: “ống tiêu nước đúc sẵn bằng bốc bê tông xốp”. Các chỉ dẫn tạm thời về thiết kế và chế tạo. Nhà xuất bản Năng lượng quốc gia (liên xô) – 1960 hoặc các tiêu chuẩn, quy chuẩn tương đương.

Ví dụ tính toán cụ thể xem phụ lục B.

9. Một số chỉ dẫn thi công lọc ngược các công trình thủy lợi

9.1. Một số chỉ dẫn chung

Thi công lọc ngược phải được tiến hành phù hợp với các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành về thi công kết cấu tiêu nước công trình thủy lợi đã được các cơ quan nghiên cứu thiết kế cho từng đối tương cụ thể, có xét đến kết cấu của thiết bị tiêu nước, vật liệu của tầng lọc, phương pháp thi công v.v…

Chiều dày lớp của lọc ngược khi thi công không được sai lệch với đồ án đã cho. Các sai số cho phép về trị số không được vượt quá:

- Với chiều dày của lớp lọc từ 10 cm đến 20 cm, sai lệch không lớn hơn 3 cm;

- Với chiều dày của lớp lọc từ 20 cm đến 50 cm, sai lệch không lớn hơn 3 cm;

- Với chiều dày của lớp 50 cm, sai lệch không lớn hơn 5 cm đến 10 cm.

Có thể tiến hành đặt các lớp lọc ở trên khô, cũng như đổ vật liệu vào nước chảy. Khi thi công các lớp lọc ở trên khô phải theo dõi không cho xuất hiện sự phân lớp của vật liệu.

Khi đổ các lớp lọc trong nước chảy, sự phân lớp của vật liệu là không thể tránh khỏi. Vì vậy trong phương pháp này, vật liệu của lớp lọc phải đều hạt hơn và hệ số không đều hạt của nó phải lấy h £ từ 5 đến 10.

Để tạo được chiều dày nhỏ nhất cần thiết của lớp lọc khi đổ trong nước chảy, chiều dày các lớp cần lấy như sau:

- Đối với lọc ngược 1 lớp chiều dày của lớp lọc không nhỏ hơn 75 cm đến 100 cm;

- Đối với lọc ngược 2 lớp và nhiều lớp hơn thì mỗi lớp kế tiếp phải lấy không nhỏ hơn 50 cm đến 75 cm;

- Độ rỗng cho phép của các vật liệu cát, sỏi, cuội và đá dăm không được vượt ra khỏi giới hạn của đồ thị m₁ = f(h₁) trên Hình 8.

9.2. Một số chỉ dẫn chi tiết thêm

Việc vận chuyển vật liệu tới chỗ thi công lọc ngược, việc chia đoạn các lớp lọc, thứ tự thi công (xây) phải loại trừ khả năng làm bẩn vật liệu và xáo trộn các lớp khi thi công.

Mặt nền dưới lọc ngược phải được san phẳng trước khi thi công lọc, có đầm nện tới dung trọng đã cho của cốt đất (khô).

Khi san bằng nền, việc ủi đất chỉ được cho phép đến cao trình đã định.

Trong trường hợp ủi quá sâu và cần lấp lại chỗ ủi sâu đó thì phải lấp lại bằng đất nền có đầm chặt đến dung trọng thiết kế, hoặc bằng vật liệu các lớp thấp nhất của lọc. Bề mặt đã san bằng không được có chỗ lồi lõm vượt quá ± 5 cm, được kiểm tra bằng thước hoặc ni-vô.

Việc đặt các lớp của lọc nghiêng trên mái đập được tiến hành từ dưới lên trên. Khi có vật liệu được đổ theo các máng chuyên dùng có chiều cao không lớn. Việc đắp được tiến hành thành bậc sao cho mỗi lớp nằm ở dưới nhô ra từ phía dưới lớp nằm trên 1 bậc không nhỏ hơn 1 m. Việc đắp lớp thứ 2 của lọc chỉ được bắt đầu sau khi hoàn thành đắp lớp thứ nhất và được nghiệm thu của tổ chức giám sát kỹ thuật.

Khi xây dựng lăng trụ tiêu nước, phải bắt đầu bằng thực hiện các công tác đắp ở phần bên dưới, giữa các lớp có đặt khuôn dọc để đảm bảo nối tiếp đúng phần trên và dưới của lăng trụ tiêu nước.

Dưới nhiệt độ dương, việc đắp vật liệu lớp thứ nhất và thứ hai của lọc ngược phải tiến hành với độ ẩm dưới 5 %. Cấm không được đổ lọc theo lớp cũng như đổ đá trên lọc với chiều cao lớn. Để thi công tiếp, phần lọc đã đắp cần được bảo vệ không bị bẩn và bị phá hoại lớp đã thi công.

Việc đặt ống tiêu nước trong đập đất bồi, để tránh sự bồi lấp ống tiêu và làm cho ống tiêu mất tác dụng, cần tiến hành sau khi đã bồi thân đập. Các đoạn hào có đặt ống tiêu nước đã thi công xong được lấp bằng vật liệu của lăng trụ hạ lưu đập có đầm nén của thân đập tới dung trọng thiết kế.

Về phía các cơ quan tổ chức thi công cũng như tổ chức thiết kế, thực hiện sự giám sát của tác giả phải bảo đảm kiểm tra chặt chẽ và liên tục chất lượng thi công các kết cấu tiêu nước. Nghiệm thu kết cấu tiêu nước đã làm xong phải do hội đồng chuyên môn tiến hành, có lập các văn bản cần thiết.

PHỤ LỤC A

(tham khảo)

MỘT SỐ VÍ DỤ TÍNH TOÁN CỤ THỂ ĐỂ MINH HỌA BỔ SUNG CHO THIẾT KẾ KẾT CẤU LỌC NGƯỢC BẢO VỆ ĐẤT DÍNH

A.1. Ví dụ 1

Chọn thành phần hạt của lớp thứ nhất của lọc cho tường nghiêng bằng đất thịt của đập, Hình 27.

A.1.1. Số liệu ban đầu:

- Chỉ số dẻo của đất W_d = 12 > 7;

- Trị số tính toán của gradien cột nước trong mặt cắt A – B, J_tt = 5.

A.1.2. Trình tự tính toán:

a) Theo số liệu đã cho J_tt = 5, tìm D_o^tt là trị số tính toán của đường kính kẽ rỗng của vật liệu lớp thứ nhất của lọc.

Theo công thức (90) khi q = 45^o và j = 0,36 xác định theo đồ thị j = f(h₁), Hình 24

b) Hệ số không đều hạt h₁, chọn h₁ = . Từ đồ thị m₁ = f(h₁) Hình 8, tìm được trị số độ rỗng m₁ = 0,35.

c) Xác định kích thước hạt D₁₇ của lớp thứ nhất của lọc theo hệ thức (95):

d) Tìm đường kính tác dụng D₁₀ của lớp thứ nhất của lọc từ đồ thị h₁ = f, Hình 26, khi h₁ = 12 và hệ số i = 0,67;

               D₁₀ = I. D₁₇ = 0,67.6,20 = 4,15 mm

Khi đó đường kính kiểm tra:

               D₆₀ = h₁ . D10 = 12.4,15 = 50,0 mm.

e) Trị số lớn nhất của hạt D_max = D₁₀₀ của lớp thứ nhất của lọc, xác định theo hệ thức (98)

               c = 1 + 1,28lg12 = 2,38;

               D₁₀₀ £ 4,15 + 10^2,28 . 50.@ 105mm

Theo các trị số D₁₀, D₁₇, D₆₀, và D₁₀₀ tính được có qui tròn về phía nhỏ, xây dựng đường cong thành phần hạt đất của lớp thứ nhất của lọc bảo vệ đất dính. Đường cong này cần lấy giới hạn dưới của “vùng” cho phép.

A.2. Ví dụ 2

Xác định độ hữu dụng các vật liệu tại mỏ vật liệu có sẵn 1 và 3 (Hình 30) để dùng cho lớp thứ nhất của lọc bảo vệ đất (sét) dính ở hạ lưu tường nghiêng của đập (Hình 27).

A.2.1. Số liệu ban đầu:

- Chỉ số dẻo của vật liệu tường nghiêng W_d = 16;

- Trị số tính toán của gradien cột nước J_tt = 8;

Các vật liệu tại mỏ đã cho:

- Vật liệu 1: D’₁₇ = 2,6 mm; h’ = 3,45; m’ = 0,39;

- Vật liệu 3: D’’’₁₇ = 11,0 mm; h’’’ = 4,26; m’’’ = 0,40.

A.2.2. Trình tự tính toán:

a) Theo trị số đã cho J_tt = 8, dùng hệ thức (90), xác định trị số tính toán của đường kính kẽ rỗng của vật liệu lớp thấp nhất của lọc (với q = 45^o), sơ bộ xác định j từ đồ thị j = f(J_tt), Hình 24;

               = 0,286cm = 2,86mm

b) Theo hệ thức (23), tìm kích thước lớn nhất các kẽ rỗng của vật liệu tại mỏ 1:

               x = 1 + 0,05. 3,45 = 1,17;

               C = 0,455= 0,56

Từ tính toán trên thấy rằng ; Do đó, điều kiện (94) được thỏa mãn, vật liệu tại mỏ 1 có thể dùng cho lớp thứ nhất của lọc ngược đối với đất sét cần bảo vệ có trị số dẻo W_d = 16.

c) Đối với vật liệu tại mỏ 3, tương ứng như trên, tính được:

               x = 1+ 0,05.4,26 = 1,21;

               c = 0,455.

Trong trường hợp này điều kiện (94) không được thỏa mãn () và do đó vật liệu tại mỏ 3 không có sự bổ sung thành phần hạt thì không thể dùng cho lớp thứ nhất của lọc ngược.

A.3. Ví dụ 3

Từ điều kiện bên về thấm, xác định chiều dày của tường nghiêng chống thấm t (Hình 27), nếu lớp thứ nhất của lọc (ở phía hạ lưu) là đất đá dăm 3 (ví dụ 2, A.2)

Trình tự tính toán:

a) Xác định kích thước lớn nhất của kẽ rỗng D_o^max của vật liệu tại mỏ 3 theo hệ thức (23). Từ điều A.2 ví dụ 2 đối với vật liệu tại mỏ 3, có D_o^max = 5,10 mm,

Trị số D_o^max này lấy làm trị số tính toán, nghĩa là:

               D_o^max = = 5,10 mm

c) Biết trị số tính toán D_o^max, xác định trị số tính toán của gradien cột nước J_tt của dòng thấm trong tường nghiêng (với q = 45^o) theo công thức (102) với trị số j xác định từ đồ thị j = f(D_o^max), Hình 25

d) Chiều dày của tường nghiêng theo điều kiện bền về thấm với cột nước H = 40 mm (Hình 27) được xác định theo hệ thức (103)

t =

Đường kính các hạt, mm

Hình A.3.1 – Thành phần hạt các vật liệu tại mỏ vật liệu của lớp thứ nhất của lọc

PHỤ LỤC B

(tham khảo)

VÍ DỤ TÍNH TOÁN CHỌN THÀNH PHẦN HẠT CỦA ĐẤT ĐÁ DĂM THUỘC THÀNH PHẦN CỦA LỌC BẰNG BÊ TÔNG XỐP BẢO VỆ CHO ĐẤT NỀN

B.1. Số liệu ban đầu

- Thành phần hạt của đất nền được nêu trên Hình B.2.1, từ đất đó ta tìm được: d_min = 0,01 mm; d₁₀ = 0,25 mm; d₁₇ = 0,35 mm; d₆₀ = 2,0 mm; d_max = 7,0 mm;

- Hệ số không đều hạt ;

- Hệ số thấm k_đ = 0,09 cm/s;

- Dung trọng đất Y_đ = 1,75g/cm³;

- Độ rỗng m_đ = 0,34;

- Gradien cột nước (theo tính toán thấm) ở vùng tiếp xúc của đất với lọc: J_tt^max = 0,4.

Đường kính các hạt, mm

Hình B.2.1 – Thành phần hạt của đất nền và đá dăm được ấn định cho lọc bằng bê tông xốp

B.2. Trình tự tính toán

a) Xác định độ xói ngầm của đất nền theo hệ thức (71):

Hệ thức (71) không được thỏa mãn, do đó đất nền là xói ngầm.

b) Kích thước d_tv được xác định như đối với đất xói ngầm (khoản a điều 8.3)

- Xác định kích thước các hạt đất d_xn bị lôi ra khỏi vùng tiếp xúc dưới gradien đã cho J_tt^max = 0,4;

Theo hệ thức (43), tìm được j_o, xác định trước f_* = 0,223 từ đồ thị Hình 5 đối với đất có h = 8;

Thay các trị số vào hệ thức (73), tính được:

ở trong đất, những hạt có đường kính = 0,15 mm chiếm 6 %, nghĩa là d_xn > d₃.

- Với điều kiện d_xn > d₃, d_tv được xác định theo công thức (74):

               d_tv = B d₃;

trong đó: B = 8; d₃ = 0,03 mm, thay các trị số vào (74), tính được: d_tv = 8. 0,03=0,24mm»0,25mm.

c) Theo trị số d_tv tính được, xác định đường kính trung bình kẽ rỗng của lọc phù hợp với công thức (12):

               D_o £ 1,8d_tv = 1,8 . 0,25 = 0,45 mm.

d) Theo hệ thức (107), xác định hệ số thấm của lọc:

               k₁ = 615m_o. D_o²

trong đó m_o = 0,408 theo đồ thị m_o = f(D­_o) Hình 27: tính k₁ = 615. 0,408. 0,045² = 0,51 cm/s.

e) Theo trị số đã cho k₁, từ bảng 3, chọn thành phần hạt vật liệu cho lọc bê tông xốp, đá dăm D = từ 1 mm đến 20 mm; D_min = 1,0 mm; D₁₀ = 1,75 mm; D₁₇ = 2,15 mm; D₅₀ = 2,6 mm; D₆₀ = 7,75 mm; D₁₀₀ = 20,0 mm;

Theo các trị số D_min; D₁₀; D₁₇; D₁₀₀ lập đường cong thành phần hạt của vật liệu được dùng, trong trường hợp đang xét cho lọc bằng bê tông xốp (Hình B.2.1).

f) Kiểm tra độ ngấm nước của lọc:

           
g) Kiểm tra lọc về độ không bồi tắc:

Với kích thước của hạt tạo vòm d_tv chọn hệ thức (74), sự phát triển của xói ngầm cơ học nguy hiểm đất được bảo vệ sẽ bị ngăn ngừa bởi vì việc lôi các hạt đất đã bị giới hạn bởi kích thước cho phép của đất d₃ = 0,03 mm, sự lôi các hạt đó không làm độ bền và độ ổn định của đất bị phá hoại.

Các hạt bị lôi ra bởi dòng thấm không được làm bồi tắc lọc, nghĩa là phải thỏa mãn các điều kiện không bồi tắc (55) và (37):

            D₀ ³ 1,1d_xn . a_*;

            d_tv ³ 3d_xn

Trong trường hợp đã cho, có Do = 0,45 mm, d_tv = 0,25 mm, d_xn = 0,03 mm, hệ số a_* = 4, lấy theo bảng 1 điều 5.7:

1,1d_xn . a_* = 1,1 . 0,03. 4 = 0,132 mm;

            D_o = 0,45 > 0,132;

            3 d_xn = 3. 0,03 = 0,09 mm; d_tv = 0,25 > 0,09

Điều kiện không bồi tắc 3được thỏa mãn.