Giáo trình hình thành kỹ thuật đập bê tông và đặc điểm địa chất nền theo thành phần hạt

www.phanmemxaydung.com Chương 2. Đập bê tông và bê tông cốt thép trên nền mềm Biên soạn: PGS.TS Nguyễn Phương Mậu Đập tràn bê tông trên nền mềm khác với đập bê tông trên nền đá ở những điểm sau: đập trên nền mềm thường có đáy rộng hơn, do sức kháng trượt của nền nhỏ và tải trọng đơn vị cho phép bé. Do đó, việc xây dựng các đập cao trên nền mềm thường tốn kém và nhiều khi không thể thực hiện được (chiều cao đập không vượt quá 40ữ50 m). Vì vậy, khi thiết kế loại đập này, cần xem xét kỹ các đặc trưng địa kỹ thuật của vật liệu nền. 2.1. Đặc điểm địa chất nền và công tác chuẩn bị Theo thành phần hạt, đất được chia ra thành các loại phụ thuộc vào kích thước hạt: + Đá tảng: có kích thước lớn hơn 300 mm ; + Đá cuội và dăm: có kích thước 300 ữ150 mm ; + Sỏi và sạn: có kích thước 150 ữ 2 mm ; + Hạt cát: có kích thước 2ữ0,06 mm ; + Hạt bụi : 0,06 ữ0,002mm ; + Hạt sét: có kích thước nhỏ hơn 0,002 mm ; + Hạt mịn: tập hợp của hạt bụi và hạt sét ; + Hạt thô : các hạt có kích thước lớn hơn hạt bụi ; + Đất hữu cơ : đất có di tích thực vật và động vật ; + Đất hạt mịn : đất, gồm hơn 50% trọng lượng là những hạt có kích thước nhỏ hơn 0,08 mm ; + Đất hạt thô: đất, gồm hơn 50% trọng lượng là những hạt có kích thước lớn hơn 0,08mm ; + Đất cuội sỏi: đất hạt thô, trong đó thành phần chủ yếu là các cuội sỏi ; + Đất cát : đất hạt thô, trong đó thành phần chủ yếu là các hạt cát ; + Đất bụi : đất hạt mịn, trong đó hàm lượng sét chiếm ít hơn 20% trọng lượng của thành phần hạt mịn ; + Đất sét: đất hạt mịn, trong đó hàm lượng sét chiếm hơn 20% trọng lượng của thành phần hạt mịn ; + Đất rời : đất, trong đó độ bền chống cắt chủ yếu phụ thuộc vào lực ma sát giữa các hạt ; + Đất dính: đất, trong đó độ bền chống cắt gồm lực ma sát giữa các hạt và lực dính giữa các hạt : + Tính dẻo: tính chất của vật liệu có khả năng chịu được biến dạng tức thời không đàn hồi, có biến dạng thể tích không đáng kể và không bị rạn nứt ; 72 www.phanmemxaydung.com + Tính nén: khả năng biến dạng của đất dưới tác động của lực nén ; + Giới hạn chảy: hàm lượng nước ở ranh giới quy ước giữa trạng thái dẻo và trạng thái chảy của đất ; + Giới hạn dẻo: hàm lượng nước ở ranh giới quy ước giữa trạng thái dẻo và trạng thái cứng của đất. I. Đặc tính của đất dính Đối với sét, hàm lượng hạt có đường kính d <0,002 mm chiếm từ 30ữ60%, nếu hàm lượng này lớn hơn gọi là sét nặng. Hệ số thấm K = 1,75.10-6 ữ1,75.10-8 cm/s. Độ rỗng từ 0,3ữ0,41, lực dính từ 4ữ5,2T/m2. Đối với đất chứa sét, hàm lượng hạt có đường kính d < 0,002mm chiếm từ 20ữ30%. Hệ số thấm K = 1,75.10-5 ữ1,75.10-7 cm/s. Độ rỗng từ 0,29ữ0,44, trọng lượng của 1m3 đất tại độ ẩm bình thường là 19ữ21KN. Đất sét được đặc trưng nổi bật bởi tính dẻo của nó. Độ dẻo của đất sét phụ thuộc vào hàm lượng sét (d<0,002mm) có mặt ở trong đất, độ ẩm và các đặc tính của khoáng vật. Góc ma sát trong của loại đất này nhỏ, chỉ từ 180 ữ100 hoặc nhỏ hơn. Khi các mảnh vụn tập trung nhiều, đất chứa sét trở thành nhóm sét bột kết - điển hình cho lớp đất dày của trầm tích nước biển nông. Bột kết ximăng (than bùn) gọi là đá than bùn, sét bị cứng hoá và ximăng hoá sét (đá sét). Nền đất sét có những đặc trưng sau đây: khả năng chịu nén dưới tác dụng của tải trọng phụ thuộc vào độ ẩm, khi độ ẩm tăng thì cường độ giảm; có tính trương nở khi độ ẩm tăng; hệ số thấm rất nhỏ, khả năng thay đổi đặc trưng của đất thông qua trao đổi ion với nước trung bình xung quanh, tồn tại sức căng do lực dính phân tử của các hạt có đường kính rất nhỏ. - Đất bồi tích bị lún lớn do đó khả năng chịu tải rất nhỏ. Độ ẩm trong đất bồi tích có thể tới 100% ữ120%, trong đất than bùn là 200ữ600%, khả năng nén lún của đất than bùn đạt đến 20cm/m. - Đất than bùn được tạo ra trên nền bãi lầy, đầm lầy và trên đất ngập nước, loại đất này có thể xếp vào một loại riêng. Đất than bùn có các thông số như sau: độ rỗng 0,4ữ0,8, K = 1,75.10-3 ữ1,75.10-4 cm/s, khả năng nén là 30cm/m hoặc lớn hơn (khả năng nén của các loại đất khác khoảng 0,5ữ3cm/m). Việc xây dựng các đập bê tông trên nền đất trầm tích thường rất khó khăn, do đó người ta chỉ xây dựng các đập có cột nước thấp trên nền đất loại này với điều kiện là phải đưa ra được các giải pháp đặc biệt để đầm nén nền khi độ dày của lớp trầm tích mỏng (giải pháp này được sử dụng trong thi công đập tràn của nhà máy thuỷ điện Kakhov trên sông Đniepr). Khi đập được xây dựng trên nền than bùn, người ta cũng xử lý tương tự như trên. Để tránh các biến dạng và lún lớn của các bộ phận của đập và của các tường chuyển tiếp chắn nước trên nền mềm, bên cạnh việc cần thiết giảm tải trọng tác dụng lên nền ta còn phải giảm hệ số phân bố không đều của ứng suất lên nền xuống 1,1ữ1,2 lần. 73 www.phanmemxaydung.com II. Đặc tính của đất không dính Đất không dính nhìn chung được chia thành cát và đất có kích thước lớn. Như đã được đề cập trước đây, đất này là đất chứa các mảnh vỡ tàn tích, đá vỡ, mảnh vỡ, đá dăm và cuội sỏi. Đá ruđaceous của thời kỳ kỷ đệ tứ và tiền kỷ đệ tứ luôn luôn bị xi măng hoá bởi các lớp khác. Đá vỡ ximăng hoá được gọi là dăm kết, cuội kết. Hạt cuội sỏi bị xi măng hoá gọi là “gravelite”. Đá ruđaceous thường là đá vỡ, tàn tích của các loại khoáng vật khác nhau. Chúng chứa hơn 50% các mảnh vỡ có d>10mm. Các thông số khác của chúng là: góc nội ma sát, 33ữ350; lực dính, 0,4ữ0,5T/m2, K = 1,75.10-1ữ1,75.10-2cm/s; độ rỗng 0,35ữ0,37. Người ta cũng hay sử dụng cát có độ rỗng 35ữ40%, góc ma sát trong 30ữ350. Hệ số thấm của đá cát là K = 1,75.10-2ữ1,75.10-5cm/s. Trọng lượng của 1m3 đá cát từ 15ữ19 KN. Các loại đất không dính có các đặt trưng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện hình thành của chúng. Tuy nhiên chúng có một điểm chung điển hình là không có lực dính. Nhóm cát và cát mịn hay được gọi là cát chảy chứa các mảnh vụn có kích thước từ 0,25 đến 0,5mm tới 80ữ96% trong trạng thái bão hoà có các đặc tính như sau: có thể có góc nghỉ nhỏ 3ữ70 ứng với độ ẩm 13ữ14% và giảm tới 00 tại độ ẩm 17ữ18% và khả năng chịu tải nhỏ. Cát mịn không bão hoà có thể có độ rỗng tới 42ữ50% và trọng lượng riêng 13ữ15 KN/m3. Vì vậy các loại cát này dưới tác dụng của tải trọng động có thể bị sụt tới lớn. Trên nền cuội sỏi và đất rời, ta có thể xây dựng đập có cột nước cao tới 30ữ40m , còn trên nền cát ta có thể xây dựng đập có cột nước cao tới 20ữ30m. Cát chảy được sử dụng trong nền đập có cột nước thấp khi các giải pháp sau được tiến hành: một bản cừ được bố trí toàn bộ dọc theo đường viền thấm, nền phải được tăng cường và gia cố bằng phun phụt vữa hoá học... 2.2 Thiết kế đập bê tông trên nền mềm, đường viền thấm của đập Trong thiết kế đập, giải pháp được coi là hợp lý nhất là giải pháp có thể thoả mãn các yêu cầu về cường độ, ổn định của đập và nền, đưa ra được phương pháp thi công có lợi nhất trong điều kiện cụ thể, đáp ứng các yêu cầu về mặt vận hành, có giá thành rẻ nhất. Đập bê tông trên nền đất có mặt cắt lớn nhằm đảm bảo sự phân bố ứng suất đồng đều trên toàn bộ mặt tiếp xúc của nền với công trình. I. Các bộ phận của đập: các bộ phận của đập có thể chia làm hai phần: 1. Phần dưới: đặt sâu trong nền đất, chẳng hạn như bản đáy móng, bản đáy sân thượng, hạ lưu, bể tiêu năng và tường chống thấm của bể tiêu năng, lỗ thoát nước bể tiêu năng, cừ chống thấm ..v.v... 2. Phần trên: bố trí phía trên bản đáy, chẳng hạn như phần tràn nước, các trụ pin và cầu giao thông,.v.v... 74 www.phanmemxaydung.com Về nguyên tắc đập trên nền mềm thường có đường viền thấm phát triển theo phương ngang và các bộ phận được thiết kế nhằm triệt tiêu năng lượng thừa xả về hạ lưu công trình và đảm bảo cho đáy lòng sông không bị xói lở và bào mòn ảnh hưởng đến sự ổn định của đập. Việc xây dựng các đập khối lớn tương đối dễ dàng (trọng lượng của đập được quyết định phụ thuộc vào các điều kiện ổn định và sức kháng cắt). Còn các đập rỗng (đập có trọng lượng nhẹ hơn) cần ít khối lượng bê tông nhưng lại cần hàm lượng thép cao hơn. Để đảm bảo an toàn ổn định cho đập rỗng, ta cần tiến hành thêm một số biện pháp thi công, điều này làm cho việc xây dựng đập trở nên phức tạp hơn. Vì vậy, khi xây dựng đập, người ta phải so sánh các giải pháp thay thế khác nhau để tìm ra giải pháp tối ưu (xây đập khối lớn hay xây đập rỗng). a) 5 4 3 6 7 1 2 3 h 8 9 10 11 141213 12 b) 13 Hình 2-1. Đập tràn trên nền mềm và các bộ phận của nó. (a) mặt cắt dọc; (b) mặt bằng; 1. lớp bảo vệ sân phủ bằng sét; 2. các tấm gia cố; 3. trụ; 4. cửa van sửa chữa và cầu giao thông; 5. cửa van chính; 6. thân đập; 7. hành lang thoát nước trong thân đập; 8. bản đáy tiêu năng; 9. sân sau; 10. hố xói sân sau; 11. đá hộc xếp sân sau; 12. tầng lọc ngược; 13. lỗ thoát nước; 14. cừ thép. Hình 2-2 mô tả các mặt cắt của đập tràn trên nền đất được xây dựng ở Nga trong các giai đoạn khác nhau. Với cùng một độ chênh lệch cột nước thượng hạ lưu (25m), các đập khối lớn xây dựng từ năm 1929 đến 1935 cần 1500ữ1600m3 bê tông trên 1m chiều dài đập, lớn hơn từ 45ữ50% so với khối lượng bê tông trên 1m chiều dài đập của các đập được xây dựng năm 1954 (1000ữ1200 m3 bê tông trên m). Lượng thép dùng để xây đập năm 1929- 1935 khoảng 35 kg/1m3 bê tông, năm 1951-1954 là khoảng (55ữ 66)kg/1m3 bê tông. Rõ ràng là việc lựa chọn đập khối lớn hay đập rỗng và mức độ giảm trọng lượng của đập phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế và kỹ thuật điển hình của khu vực xây dựng. 75 www.phanmemxaydung.com 1949 1929 a) e) 1929 1950 (b) (f) 1935 1951 (c) (g) 1954 1948 (d) (h) Hình 2-2. Một số đập tràn trên nền mềm được xây dựng ở Liên xô từ năm 1929 đến 1954. 14.00 14.80 12.30 0 0 . 7.00 7 Tấm bê tông 5.00 Dầm tiêu năng 3.00 2.60 Đất sét chống thấm -2.00 Cừ bêtông cốt thép Cừ thép Cừ bêtông cốt thép 80.60 19.70 13.00 15.00 15.00 143.30 Hình 2-3. Đập Đáy được xây dựng ở tỉnh Hà Tây – Việt Nam. 76 www.phanmemxaydung.com 0 5 . 7 g n ạ r t 0 n 6 ệ i h h n ì h a ị đ ế g k n t ờ ế ư i Đ h t 0 o 0 e 0 1 h t ổ m đ c 0 á 3 đ ≥ t 1 ế D a i V 1 á ó x đ ố n h ê i v ố c h a n i í k g ổ g . n đ ờ á ư m 0 Đ Đ 0 a 5 2 N t ệ 0 h 0 i n ì 0 1 1 a h 1 V 0 a ị 5 đ . 6 t – ặ m n g n ờ A ư Đ ệ h g N á đ h ọ R n ỉ 0 t 0 0 5 0 . 5 ở g n 0 100 2 1 ự d ) y 0 0 â . 50 9 - x 1 0 a 5 . 1 c 8 ( ợ L ư H t đ ệ i k g N n M 0 ơ 5 6 1 ư 0 L 5 . 7 ô Đ 0 0 p . 6 0 ậ 1 3 p n ậ a Đ v đ 0 0 . n a 6 a ử 4 v R c = 2 0 - 5 0 a m 5 ử 9 i . 3 2 8 2 T C 0 h 8 0 1 n 0 1 ì 0 0 0 0 1 0 0 0 0 . 2 2 2 1 H 1 ỉ 5 6 0 0 . 5 5 9 1 8 1 1 3 . p 8 0 ậ 6 đ 0 m 2 i 2 70 380 T 450 0 80 2 . 2 0 0 5 0 7 1 8 5 . 9 L 0 1 T a 5 . 1 t 7 ệ i k N M 100 350 h 0 0 n 0 5 ì . . h 6 2 g a n ị ạ đ r t t 1 a ặ n m 1 ệ i g h n ờ ư Đ 77