Tầng lọc ngược (tên gọi tiếng anh là adverse filter) được hiểu là 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.
Phân loại tầng lọc ngược
Khi lựa chọn thành phần hạt của vật liệu làm tầng lọc ngược cần phân biệt chúng ra làm hai kiểu cơ bản:
Kiểu I: Thấm ngang
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 (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).
Các lọc ngược có mặt tiếp xúc thẳng đứng giữa hai lớp đất kế cận (các lọc ngược này chủ yếu được đặt vào các lỗ khoan và giếng tập trung nước) được xem như kiểu lọc thứ nhất (Kiểu I) nếu thấm đi qua chiều ngang của chúng; và được coi như kiểu II nếu thấm theo chiều dọc.
Chức năng của tầng lọc ngược
Tầng 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 tầng lọc ngược là ngăn ngừa xói ngầm cơ học nguy hiểm trong đất hạt nhỏ cần bảo vệ. Trong trường hợp cá biệt, tầng lọc ngược có thể làm nhiệm vụ gia tải chống hiện tượng đùn đất.
Tầng 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…).
Yêu cầu đối với lọc ngược
Tầng 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 tầng 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.
Nhiệm vụ thiết kế lọc ngược là bao gồm giải quyết các vấn đề cơ bản sau
- 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;
- Chọn vật liệu thiên nhiên hoặc vật liệu nhân tạo (đá dăm, xỉ được tán nhỏ v.v…) có thể dùng làm lọc ngược;
- 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;
- Đánh giá độ thấm nước của vật liệu dùng cho lọc ngược thiết kế;
- 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;
- Xác định chiều dày và số lớp của lọc ngược;
- 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.
Vật liệu làm tâng lọc ngược
Để làm tầng 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.
Tham khảo thêm: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8422:2010 Về công trình thủy lợi – Thiết kế tầng lọc ngược công trình thủy công
