Tài liệu Bài giảng thiết kế đập 4 - Thầy Nguyễn Cảnh Thái - Trường Đại Học Thủy Lợi

48 PhÇn V: C¸c hiÖn tîng nøt nÎ trong th©n ®Ëp 5.1. Giíi thiÖu Cïng víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt vµ c«ng nghÖ trong thiÕt kÕ, x©y dùng ®Ëp vµ thÝ nghiÖm, kh¶ n¨ng ®Ëp mÊt æn ®Þnh do trît gÇn nh ®îc lo¹i bá. VÊn ®Ò nguy hiÓm nhÊt vµ ®îc c¸c kü s thiÕt kÕ ®Ëp quan t©m hµng ®Çu hiÖn nay lµ kh¶ n¨ng h×nh thµnh dßng thÊm tËp trung qua c¸c kÏ nøt trong th©n ®Ëp. Do ®Ëp ®îc x©y dùng ngµy cµng cao, trong c¸c thung lòng hÑp cã ®é dèc lín viÖc nghiªn cøu ®Ó ®¶m b¶o an toµn cho ®Ëp chèng l¹i c¸c hiÖn tîng nøt nÎ ngµy cµng ®îc quan t©m h¬n. Nøt nÎ xuÊt hiÖn ë nh÷ng vïng chÞu kÐo do c¸c biÕn d¹ng g©y ra bëi träng lîng b¶n th©n, níc tr÷ trong hå, hay t¸c ®éng cña ®éng ®Êt. “Nøt g·y thñy lùc” lµ ®iÒu kiÖn dÉn ®Õn h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn cña sù ph©n t¸ch trong ®Êt hoÆc ®¸ do t¸c dông cña ¸p lùc níc cao. HiÖn tîng nµy ®îc x¸c nhËn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y nh lµ nguyªn nh©n chñ yÕu cña hiÖn tîng rß rØ vµ h háng cña ®Ëp. 5.2. C¸c biÕn d¹ng trong ®Ëp: C¸c h háng cña ®Ëp, trõ trêng hîp bÞ ph¸ hñy ®ét ngét do thiªn tai nh ®éng ®Êt hay lò trµn qua ®Ønh ®Ëp, ®Òu ®îc b¸o tríc bëi c¸c hiÖn tîng nh tèc ®é chuyÓn vÞ t¨ng lªn, chªnh lÖch biÕn d¹ng, xuÊt hiÖn vÕt nøt, rß rØ, ¸p lùc kÏ rçng t¨ng... CÇn nhËn thÊy r»ng tÊt c¶ c¸c ®Ëp ®ang lµm viÖc ®Òu biÕn d¹ng vµ lón. Tuy nhiªn biÕn d¹ng qu¸ møc biÓu hiÖn t×nh tr¹ng nguy hiÓm ®ang diÔn ra trong ®Ëp vµ cã thÓ dÉn ®Õn: - Gi¶m chiÒu cao. - H×nh thµnh kÏ nøt bªn trong hoÆc bªn ngoµi ®Ëp. LÞch sö cho thÊy c¸c trêng hîp ®Ëp bÞ h háng thêng g¾n víi hiÖn tîng lón kh«ng ®Òu. 5.2.1. C¸c lo¹i chuyÓn vÞ: C¸c øng xö vÒ chuyÓn vÞ cña ®Ëp vËt liÖu ®Þa ph¬ng phô thuéc vµo t¶i träng vµ nÒn cña c«ng tr×nh n¬i ®Ëp ®îc x©y dùng. §«i khi nÒn bÞ c¾t ngang bëi vÕt nøt kiÕn t¹o, vµ bÞ chia c¾t (h×nh 5.1e). ChuyÓn vÞ cña mét ®iÓm nµo ®ã trong th©n ®Ëp ®îc chia thµnh 3 phÇn vu«ng gãc víi nhau: - ChuyÓn vÞ theo ph¬ng th¼ng ®øng thêng gäi lµ lón nÐn nã dÞch chuyÓn xuèng díi. - DÞch chuyÓn theo ph¬ng thîng – h¹ lu, cßn ®îc gäi lµ chuyÓn vÞ ngang. - DÞch chuyÓn theo ph¬ng song song víi trôc ®Ëp (c¾t ngang thung lòng) cßn ®îc gäi lµ chuyÓn vÞ däc trôc. DÞch chuyÓn cña mét ®iÓm bÊt kú trong th©n vµ nÒn ®Ëp ®îc chia thµnh 2 phÇn: - §µn håi hay lµ phÇn cã thÓ håi phôc. - Kh«ng ®µn håi, lµ phÇn kh«ng thÓ håi phôc l¹i. DÞch chuyÓn ®µn håi lµ do øng sö ®µn håi cña ®Êt vµ x¶y ra gÇn nh tøc thêi khi cã t¸c dông cña t¶i träng. DÞch chuyÓn phi ®µn håi trong ®Êt lµ do qu¸ tr×nh cè kÕt díi t¸c dông t¶i träng vµ sù s¾p xÕp l¹i cu¶ c¸c h¹t ®Êt. Cè kÕt lµ mét qu¸ tr×nh x¶y ra rÊt chËm phô thuéc vµo tèc ®é níc tho¸t ra khá kÏ rçng trong ®Êt. §Êt tr¬ng në, vÝ dô nh mét sè lo¹i sÐt khi hÊp thô níc thÓ tÝch sÏ t¨ng lªn. Nh÷ng lo¹i 49 ®Êt nh vËy sÏ g©y ra dÞch chuyÓn theo híng lªn trªn vµ ®Èy khèi ®Êt n»m bªn trªn lªn. Mét sè biÕn d¹ng kh¸c nhau cña ®Ëp ®îc thÓ hiÖn trong h×nh 5.1 50 a. Lón t¬ng ®èi ®Òu trong ®Ëp b. Chªnh lÖch lón gi÷a c¸c ®iÓm trong ®Ëp c. Chªnh lÖch lón gi÷a c¸c miÒn trong ®Ëp e. Chªnh lÖch lón do ®Þa chÊ thay ®æi ®ét ngét d. Chªnh lÖch lón do ®Þa h×nh thay ®æi ®ét ngét g. BiÕn d¹ng theo ph¬ng ngang cña ®Ëp h. Lón nÒn ®Ëp f. Chªnh lÖch lón trong nªn do vÕt nøt kiÕn t¹o ch¹y däc theo ph¬ng dßng ch¶y 5.2.2. C¸c biÕn d¹ng cÇn quan t©m: Cã 3 lo¹i biÕn d¹ng trong ®Ëp cÇn ®îc quan t©m lµ: - chuyÓn vÞ ®Òu: Cã sù chuyÓn vÞ ®ång ®Òu cña c¸c ®iÓm trong ®Ëp (h×nh 1a). Lo¹i biÕn d¹ng nµy nh×n chung kh«ng g©y ra nøt nÎ trong th©n ®Ëp. Tuy nhiªn nã lµm gi¶m ®é cao an toµn. - Chªnh lÖch chuyÓn vÞ: Cã sù dÞch chuyÓn t¬ng ®èi kh¸ lín gi÷a c¸c ®iÓm l©n cËn hay gi÷a c¸c bé phËn trong ®Ëp vµ trong nÒn (h×nh 5.1b, 1f). 51 Chªnh lÖch chuyÓn vÞ g©y ra biÕn d¹ng trong ®Ëp vµ cã thÓ dÉn ®Õn h×nh thµnh c¸c vÕt nøt. - chuyÓn vÞ ngang: Sù dÞch chuyÓn do ®Ëp biÕn d¹ng theo ph¬ng ngang (h×nh 5.1g) hay do lón cña nÒn (h×nh 5.1h), biÕn d¹ng ngang lín cã thÓ g©y ra khe nøt däc theo trôc ®Ëp g©y mÊt æn ®Þnh. 5.3. C¸c lo¹i vÕt nøt vµ nguyªn nh©nh×nh thµnh 5.3.1. C¸c vÕt nøt vu«ng gãc víi trôc ®Ëp Lo¹i vÕt nøt nµt x¶y ra khi biÕn d¹ng kÐo do chuyÓn vÞ däc trôc g©y ra vît qu¸ kh¶ n¨ng chÞu ®ùng cña vËt liÖu. ChuyÓn vÞ däc trôc cã thÓ g©y ra bëi kh¶ n¨ng chÞu nÐn kh«ng ®Òu cña nÒn, mét phÇn nÒn yÕu cã tÝnh nÐn lón lín hoÆc cã sù thay ®æi ®ét ngét ë vai ®Ëp. §Ëp lµm viÖc nh mét dÇm chÞu uèn ®îc cè ®Þnh ë hai ®Çu. VÕt nøt xuÊt hiÖn khi ®êng cong lón híng cong lªn trªn. Trong trêng hîp vai ®Ëp dèc cã xu híng dÞch chuyÓn tõ vai ®Ëp vµo phÝa trung t©m cña thung lòng. §iÒu nµy cã thÓ g©y kÐo, t¹o nªn vÕt nøt t¸ch ®Ëp ra khái vai ®Ëp, ®Æc biÖt t¹i vÞ trÝ phÝa trªn cña ®Ëp. HoÆc lµm gi¶m ¸p lùc tiÕp xóc gi÷a ®Ëp vµ vai t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho nøt g·y thuû lùc x¶y ra. H×nh 5.2 VÕt nøt vu«ng gãc víi trôc ®Ëp Sù h×nh thµnh c¸c khe nøt vu«ng gãc víi trôc ®Ëp chñ yÕu khèng chÕ bëi h×nh d¹ng ®êng cong biªn lón. Khi ®êng cong cã bÒ lâm híng lªn trªn ®Ëp chÞu nÐn vµ kh«ng cã nguy c¬ x¶y ra nøt vu«ng gãc víi trôc ®Ëp. Trong trêng hîp ngîc l¹i sÏ dÉn ®Õn tr¹ng th¸i øng suÊt kÐo vµ g©y ra nøt. 5.3.2 C¸c vÕt nøt ngang thêng 52 C¸c vÕt nøt ngang x¶y ra do vËt liÖu lµm lâi hoÆc ®Êt nÒn phÝa díi lâi cã ®é nÐn lón cao so víi líp vá bªn c¹nh. Khi lâi cã xu híng lón xuèng so víi líp vá øng suÊt tiÕp t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a lâi vµ líp vá cã xu híng c¶n trë chuyÓn vÞ cña lâi dÉn ®Õn h×nh thµnh vÕt nøt ngang ë trong lâi khi ®ã phÇn phÝa d íi t¸ch ra khái phÇn phÝa trªn ®ang bÞ treo do øng suÊt tiÕp ë hai bªn c¹nh g©y ra. Trong trêng hîp nµy dï lâi cha bÞ nøt theo ph¬ng ngang th× ¸p suÊt nÐn trªn mÆt ph¼ng n»m ngang còng gi¶m nhá ®Õn møc khi hå chøa níc sÏ g©y ra nøt g·y thuû lùc. HiÖn tîng nøt ngang nµy rÊt nguy hiÓm bëi v× ta kh«ng nh×n thÊy ®îc vµ ta chØ biÕt khi dßng thÊm nguy hiÓm xuÊt hiÖn. H×nh 5.3 VÕt nøt n»m ngang NÕu ®é lón cña lâi nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi dù ®o¸n th× cã kh¶ n¨ng lâi ®ang bÞ treo. ViÖc kiÓm tra cÇn ®îc tiÕn hµnh b»ng c¸ch khoan vµ Ðp níc thÝ nghiÖm. 5.3.3. C¸c vÕt nøt däc C¸c vÕt nøt däc Ýt nguy hiÓm h¬n so víi c¸c vÕt nøt ngang vµ vÕt nøt vu«ng gãc víi trôc ®Ëp v× chóng kh«ng t¹o ra ®êng thÊm tõ thîng lu vÒ h¹ lu. Tuy nhiªn chóng cã thÓ t¹o nªn sù nèi tiÕp cña c¸c khe nøt vu«ng gãc t¹o nªn mét tr¹ng th¸i nguy hiÓm. VÕt nøt däc quan tr¾c ®îc ë nhiÒu ®Ëp vµ thêng xuÊt hiÖn ë phÝa thîng lu. C¸c vÕt nøt däc thêng xuÊt hiÖn ë cuèi giai ®o¹n tÝch níc lÇn ®Çu tiªn do chªnh lÖch lón gi÷a líp vá vµ líp lâi bªn trong. Líp vá bÞ lón v× ngËp trong níc cßn líp lâi chÞu ¸p lùc níc phÝa thîng lu. H×nh 5.4 VÕt nøt däc theo trôc ®Ëp NÕu líp vá lµ ®ã ®æ cã tÝnh nÐn lón cao h¬n líp lâi ®é lón cña nã sÏ cao h¬n nhiÒu cña líp lâi líp vá lón xuèng sÏ kÐo theo líp lâi biÕn d¹ng nhiÒu h¬n. VÕt nøt däc cã thÓ sÏ h×nh thµnh do chuyÓn vÞ xuèng vµ híng ra ngoµi, trong khi ®ã lâi ®Ëp bÞ uèn vÒ phÝa sau. 53 Khe nøt däc ë trong ®Ëp còng cã thÓ h×nh thµnh do chªnh lÖch lín gi÷a ®é cøng cña c¸c líp vËt liÖu liÒn nhau vµ sù thay ®æi ®ét ngét h×nh d¹ng cña nÒn vÝ dô nh ch©n khay chèng thÊm cña ®Ëp cã m¸i dèc lín ®îc ®¾p l¹i b»ng ®Êt sÐt mÒm cã ®é nÐn lón cao hoÆc ngîc l¹i khi têng chèng thÊm cøng xuyªn vµo líp lâi. VÕt nøt däc ®ång thêi còng xuÊt hiÖn trong c¸c ®Ëp ®ång chÊt do khèi ®Êt phÝa thîng lu bÞ b·o hoµ. NÕu khèi ®Êt ®ã kh«ng ®îc ®Çm chÆt hoÆc ®îc ®Çm ë ®é Èm nhá h¬n ®é Èm tèi u. 5.4. Nøt g·y thuû lùc 5.4.1. C¬ chÕ cña viÖc h×nh thµnh dßng thÊm tËp trung do nøt g·y thuû lùc : Chªnh lÖch lón cña ®Ëp ®Çm nÐn tao nªn biÕn d¹ng do ®ã lµm thay ®æi sù ph©n bè øng suÊt. Do hiÖn tîng nµy øng suÊt ë mét sè vÞ trÝ t¨ng lªn vµ gi¶m ®i ë mét sè n¬i kh¸c. T¹i mét sè n¬i côc bé cã thÓ cã trêng hîp øng suÊt hiÖu qu¶ chÝnh nhá nhÊt gi¶m tíi gÇn gi¸ trÞ 0 thËm chÝ h×nh thµnh øng suÊt kÐo nÕu vËt liÖu ®¾p ®Ëp cã ®é dÝnh ®ñ lín ®Ó chÞu kÐo. Khi mùc níc hå d©ng cao h¬n, nh÷ng vÞ trÝ cã øng suÊt nhá, níc cã thÓ chui vµo qua mét khe tËp trung nhá, khi ¸p lùc níc lín h¬n øng suÊt t¹i ®ã níc tiÕp tôc chui vµo khe tËp trung ®ã. Víi mùc níc hå tiÕp tôc d©ng cao ¸p lùc níc trong khi tiÕp tôc t¨ng lªn, lâi bÞ biÕn d¹ng vµ khe nøt ®îc më réng ra, ¸p lùc níc ®Ó më réng kÏ nøt nµy kh«ng cÇn qu¸ lín. Thùc tÕ cho thÊy nhiÒu trêng hîp cét níc ë phÝa trªn chØ tõ 2 –4m còng ®ñ g©y ra nøt g·y thuû lùc. Thùc nghiÖm cho thÊy khi ¸p lùc níc lín h¬n øng suÊt nÐn nøt g·y thuû lùc xuÊt hiÖn. 54 H×nh 5.5 øng suÊt t¹i vai ®Ëp gi¶m xuèng cã thÓ dÉn ®Õn nøt g·y thuû lùc 5.4.2 Nøt g·y thuû lùc trong ®Ëp NÕu kh«ng cã hiÖn tîng ph©n bè l¹i øng suÊt, øng suÊt y t¹i t©m cña lâi lµ z cét níc ¸p lùc lµ WZ v×  = 2w nªn kh«ng thÓ h×nh thµnh nøt g·y thuû lùc, hiÖn tîng nµy chØ cã thÓ x¶y ra víi sù thay ®æi ®¸ng kÓ vÒ ph©n bè øng suÊt hoÆc truyÒn øng suÊt. Trong ®Ëp cã têng lâi nÕu chÞu nÐn nhiÒu h¬n líp vá. øng suÊt nÐn sÏ truyÒn tõ lâi sang líp vá (h×nh 2.4). Tuy nhiªn thËm chÝ trong trêng hîp kh«ng cã truyÒn øng suÊt th× øng suÊt  ë trong 2 mÆt c¾t ®øng ( däc trôc vµ ngang trôc) nhá h¬n y bëi mét hÖ sè k0, h = k0 y = k0 . z nÕu k0 < 0,5 nøt g·y thuû lùc cã thÓ x¶y ra theo ph¬ng ®øng. M Æt ®øng  MÆt y  ngang z H×nh 5.6- MÆt ph¼ng cÇn kiÓm tra nøt g·y thñy lùc §Ó tÝnh to¸n vÕt nøt cho lâi ®Ëp sö dông kÕt qu¶ néi lùc ®· tÝnh to¸n ë phÇn trªn. H×nh 3.2 thÓ hiÖn c¸c mÆt ph¼ng cÇn kiÓm tra nøt g·y thñy lùc. - KiÓm tra nøt g·y theo mÆt ph¼ng ®øng:  Z  c' K® =  . y Trong ®ã: K® - HÖ sè æn ®Þnh chèng nøt theo mÆt ph¼ng ®øng z - øng suÊt ph¸p theo híng däc trôc ®Ëp. c’ - Lùc dÝnh cña ®Êt theo ph¬ng th¼ng ®øng  - Dung träng cña níc y - To¹ ®é tÝnh tõ mÆt níc tù do ®Õn ®iÓm tÝnh to¸n. 55 - KiÓm tra nøt g·y theo mÆt ph¼ng ngang: y c Kng =  .y Trong ®ã: Kng - HÖ sè æn ®Þnh chèng nøt theo mÆt ph¼ng ®øng z - øng suÊt ph¸p theo híng däc trôc ®Ëp. c - Lùc dÝnh cña ®Êt lâi theo ph¬ng ngang  - Dung träng cña níc. y - To¹ ®é tÝnh tõ mÆt níc tù do ®Õn ®iÓm tÝnh to¸n. Mét trêng hîp n÷a lµ tiÕp xóc lâi vµ vai ®Ëp ®Æc biÖt nÕu vai ®Ëp dèc (h×nh 5.5) hoÆc cã sù thay ®æi ®ét ngét giËt cÊp bªn vai ®Ëp (h×nh 5.1d, 5.7). Nh×n chung ®Êt chuyÓn vÞ tõ vai híng vµo trung t©m cña thung lòng ®iÒu nµy lµm gi¶m ¸p lùc tiÕp xóc ®Æc biÖtt t¹i phÇn trªn cña ®Ëp. Ch©n khay cã ®é dèc lín còng cã thÓ t¹o nªn hiÖu øng vßm t¹o nªn vïng cã øng suÊt nhá vµ dÔ bÞ nøt g·y thuû lùc. H×nh 5.7 nøt g·y thuû lùc g©y h háng ®Ëp Stockton Creek 5.4.3. Mét sè dÉn chøng vÒ hiÖn tîng nøt g·y thuû lùc: - XuÊt hiÖn trong thÊm tËp trung ngay sau khi hå tr÷ níc ®Çu tiªn - §èi víi nh÷ng ®Ëp ®îc thiÕt kÕ tèt, do ®Ëp ®îc ¸p lùc níc h¹ lu têng lâi gÇn bê, ¸p lùc níc thîng lu. - XuÊt hiÖn miÒn ít trong phÇn vËt liÖu kh«ng thÊm cã ®é Èm cao h¬n b×nh thêng. - KÕt qu¶ ph©n tÝch b»ng FEM chØ ra sù xuÊt hiÖn cña nh÷ng vïng cã kh¶ n¨ng nøt g·y thuû lùc. 56 5.5. ¶nh hëng cña vËt liÖu KÕt qu¶ nghiªn cøu chØ ra r»ng biÕn d¹ng kÐo g©y ra nøt t¨ng ®¸ng kÓ khi ®é Èm t¨ng tõ 3% nhá h¬n ®é Èm tèi u ®Õn ®é Èm tèi u. NÕu tiÕp tôc t¨ng ®é Èm h¬n n÷a ¶nh hëng còng kh«ng ®¸ng kÓ. Tõ nh÷ng nghiªn cøu ban ®Çu cña 60 ®Ëp t¬ng ®èi thÊp ë miÒn T©y níc Mü Sherand kÕt luËn hÇu hÕt c¸c ®Ëp bÞ nøt nÎ nghiªm träng lµ do ®Çm nÖn kÐm, thêng xuyªn ®Çm t¹i ®é Èm thÊp vµ ¶nh hëng cña vËt liÖu. §Êt sÐt v« c¬ cã ®é dÎo võa vµ thÊp, chØ sè dÎo P.I < 15, kÝch thíc h¹t tõ 0,002mm ®Õn 1,2mm rÊt dÔ bÞ nøt nÎ. Kinh nghiÖm thùc tÕ còng chØ ra r»ng ®Ëp ®¾p b»ng nhiÒu vËt liÖu kh¸c biÖt qu¸ lín còng xuÊt hiÖn vÕt nøt. 5.6. C¸c biÖn ph¸p ng¨n ngõa vµ söa ch÷a. C¸c biÖn ph¸p ng¨n ngõa lµ nh÷ng biÖn ph¸p ®îc ®a ra trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ trong khi ®ã söa ch÷a lµ nh÷ng biÖn ph¸p ®a ra c¸c vÕt nøt ®îc ph¸t hiÖn. 5.6.1. C¸c biÖn ph¸p phßng ngõa xu thÕ x¶y ra nøt cã thÓ gi¶m nhá b»ng c¸ch sö dông c¸c vËt liÖu cã ®é nÐn nhá ®¾p víi ®é ®Çm nÒn cao víi ®é Èm kh«ng g©y nªn nÐn lón lín khi bÞ b·o hoµ mµ vÉn duy tr× ®îc ®é mÒm dÎo cÇn thiÕt. Vai ®Ëp cÇn ®îc xö lý, lo¹i bá nh÷ng chç nh« ra, h×nh d¹ng bÊt b×nh thêng vµ thay ®æi ®ét ngét. Khu vùc chÞu kÐo gÇn vai ®Ëp cã thÓ gi¶m nhá b»ng c¸ch ®¾p vËt liÖu mÒm ngay gÇn vai ®Ëp. §é cøng cña lâi kh«ng nªn lín h¬n ®é cøng cña líp vá. ViÖc ph©n tÝch b»ng ph¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n cÇn ®îc tiÕn hµnh ®èi víi nh÷ng ®Ëp cao ®Ó x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng nøt g·y thuû lùc. BiÖn ph¸p hiÖu qu¶ nhÊt lµ lµm tÇng läc hoÆc miÒn chuyÓn tiÕp ®îc thiÕt kÕ tèt vµ ®ñ dµy. 5.6.2. BiÖn ph¸p söa ch÷a: - VÕt nøt vu«ng gãc víi ®Ëp: nÕu khe nøt vu«ng gãc víi trôc ®Ëp vµ kh«ng s©u l¾m ta cã thÓ ®µo lªn vµ ®¾p ®Êt l¹i. NÕu vÕt nøt s©u cã thÓ b¬m dung dÞch c¸t mÞn - níc hoÆc phôt v÷a vµo. CÇn cÇn thËn khi sö dông biÖn ph¸p phôt v÷a v× nã cã thÓ lµm t¾c thiÕt bÞ läc ë h¹ lu. - VÕt nøt ngang: phôt v÷a hoÆc lµm têng hµo. - VÕt nøt däc cã thÓ bá qua kh«ng xö lý nÕu vÕt nøt nhá. NÕu vÕt nøt lín ®æ ®Êt kh«ng dÝnh vµo ®ã.