Đồ án công trình thủy

- Nắm được các bước thiết kế đập bê tông trọng lực tràn nước và không tràn nướctrong giai đoạn thiết kế sơ bộ.. Theo chiều cao đập, bố trí hành lang ở các tầng khác nhau, tầng nọ cách tầ

THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

PHẦN I

A TÀI LIỆU

Theo quy hoạch trị thủy và khai thác sông C, tại vị trí X phải xây dựng một cụmcông trình đầu mối thủy lợi với nhiệm vụ phát điện là chính, kết hợp phòng lũ cho hạlưu,điều tiết nước cho phục vụ tưới,cấp nước sinh hoạt và giao thông trong mùa kiệt

I Nhiệm vụ công trình

1 Phát điện là chính, với công suất lắp máy N=150MW

2 Cấp nước sinh hoạt cho 10000 dân

3 Kết hợp nuôi trồng thủy sản và du lịch sinh thái

4 Kết hợp dùng nước sau nhà máy thủy điện tưới cho 1000ha đất canh tác

5 Phòng lũ lụt cho hạ du

II Các hạng mục công trình đầu mối

Tại đầu mối có 3 hạng mục công trình chủ yếu được xây dựng :

1 Đập chính ngăn sông – được chọn phương án là đập Bê tông trọng lực

2 Công trình tháo lũ với phương án tràn tự do đặt trong than đập Bê tông trọng lực

3 Công trình lấy nước và nhà máy Thủy điện sau đập

III Tài liệu cơ bản cho trước

1 Tài liệu địa hình

- Cho trước bình đồ địa hình vùng tuyến tỷ lệ 1:2000

- Tuyến đập thiết kế đã được chọn trước trên bình đồ

- Tài liệu địa chất: Địa chất nền tuyến đập tương đối đơn giản, trên mặt có phủ mộtlớp đất thịt dày từ 1-5m Nền đá gốc có độ phong hóa nứt nẻ trung bình

a Nền tuyến đập:

Nền sa thạch phân lớp, trên mặt có phủ một lớp đất thịt dày từ 3-5 m Đá gốc có

độ phong hóa, nứt nẻ trung bình

b Tài liệu ép nước tuyến đường tại tuyến đập

Khu vực xây dựng có đủ cát, đá bảo đảm tiêu chuẩn làm cốt liệu Bê tông

3 Tài liệu thủy văn

- Cao trình bùn cát lắng đọng ( sau thời hạn phục vụ của công trình): 58m

- Chỉ tiêu cơ lý của bùn cát: n = 0,45; γk = 1,2 T/m3; ϕbh = 120

- Lưu lượng tháo lũ (Qtháo), cột nước siêu cao trên MNDBT (Ht)

- Đường quan hệ Q~Z ở hạ lưu tuyến đập

4 Tài liệu về thủy năng

- Trạm thủy điện có 4 tổ máy

- Mực nước dâng bình thường: MNDBT = 91.4 (m)

- Khu vực xây dựng công trình có động đất cấp 7

- Đỉnh đập không có giao thông chính đi qua

B YÊU CẦU VÀ NHIỆM VỤ

I Yêu cầu

- Hiểu được cách bố trí đầu mối thủy lợi và phương án chọn đập bê tông

- Nắm được các bước thiết kế đập bê tông trọng lực tràn nước và không tràn nước(trong giai đoạn thiết kế sơ bộ)

- Đồ án gồm 1 bản thuyết minh và 1-2 bản vẽ khổ A1, trên đó thể hiện:

 Bình đồ bố trí và các công trình lân cân

 Chính diện thượng lưu

 Chính diện hạ lưu

 1 mặt cắt qua phần đập không tràn

 1 mặt cắt qua phần đập tràn

 Các chi tiết cấu tạo: khớp nối, hành lang, đỉnh đập

- Bản vẽ phải theo đúng quy định bản vẽ kỹ thuật

Phần II THIẾT KẾ PHẦN BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

A MỞ ĐẦU

I Vị trí và nhiệm vụ công trình

1 Phát điện là chính, với công suất lắp máy N=150MW

2 Cấp nước sinh hoạt cho 10000 dân

3 Kết hợp nuôi trồng thủy sản và du lịch sinh thái

4 Kết hợp dùng nước sau nhà máy thủy điện tưới cho 1000ha đất canh tác

Dựa vào tài liệu địa chất và vật liệu xây dựng ta chọn đập bê tông trọng lực

3 Bố trí tổng thể công trình đầu mối

- Đập bê tông trọng lực dâng nước có đoạn cho nước tràn qua ở giữa dòng.

- Nhà máy thủy điện đặt ở hạ lưu đập nằm ở phía bờ trái

- Công trình dâng tàu bố trí ở bờ trái, cách xa nhà máy thủy điện

III Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế

1 Cấp công trình: xác định theo 2 điều kiện

Theo chiều cao đập và loại nền

MNLTK = MNDBT + Ht = 91,4 + 5,0 = 96,4 m

Sơ bộ chọn cao trình đỉnh đập là:

∇đỉnh đập= MNLTK + d = 96,4 + 3,0 = 99,4 m ( chọn d = 3m)

∇đáy đập = 50 - 0,8 = 49,2 mChiều cao mặt cắt: H = 99,4 + 49,2 = 50,2 m Chọn H = 50 m

Cao trình đỉnh đập: ∇đỉnh đập= ∇đáy đập + H = 49,2 + 50 = 99,2 m

Tra bảng P1-1 ta có cấp công trình tương ứng là cấp II

Theo nhiệm vụ của công trình

Công trình có nhiệm vụ chính là phát điện với công suất chính là 150.000

KW Tra bảng P1-2 ta có cấp công trình chính là cấp II

Vậy ta xác định được cấp công trình là cấp II

Các chỉ tiêu thiết kế

- Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất tính toán: P = 1%

- Tần suất lớn nhất: P = 2% ứng với vận tốc gió V= 32 m/s

- Tần suất gió bình quân lớn nhất P = 20% ứng với vận tốc gió V=17m/s

n

c

Trong đó:

H1: chiều cao mặt cắt, H1 = 48 m

f: hệ số ma sát, f = 0,6.

γ1: dung trọng của đất, γ1 = 2,5 T/m3

γn: dung trọng của nước, γn = 1,0 T/m3

α1: hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm Vì đập cao, công trình quantrọng nên cần thiết phải xử lý chống thấm cho nền bằng cách phụt vữa tạo màn chốngthấm

R K

m N n

n tt

c ≤

(*)Trong đó:

R c n tt

K c n c

.

=

= 0,95

2,1.1 = 1,26

→

1 1

1

48

2,50,65 0 0, 4

1

)2.(

H B

48

33,12 2,5.1 0, 4

∆h: Độ dềnh do gió ứng với vận tốc gió tính toán lớn nhất

s H

g

D V

10.2

2 6

−

=

∆Trong đó:

V: vận tốc gió tính toán lớn nhất V = 32 m/s

D: đà gió ứng với MNDBT, D = 2700 m

H: chiều sâu nước trước đập ứng với, H = MNDBT - ∇đáy = 91,4 - 49,2 =42,2m

Suy ra:

6

2.10 cos 0 0,01349,81.42, 2

kηs: tra đồ thị hình P2-4

h: chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng

Giả thiết sóng đang xét là sóng nước sâu: H > 2

9,81.2700

25,87 32

gH

2,7 6621

h g

V

s g

π

Kiểm tra: H = 42,2 m > 2

λ = 9,19 m, vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng

→ ∇đ1 = MNDBT + ∆h + ηs + a = 91,4 + 0,0134+ 2,67 + 0,7 = 94,78m

b Theo MNLTK

∇đ2 = MNLTK + ∆h' + ηs' + a' Trong đó:

- ∆h': độ dềnh do gió ứng với vận tốc gió bình quân lớn nhất

- η's: độ dềnh cao nhất của sóng ứng với vận tốc gió bình quân lớn nhất

s g

D V

H

' 10.2'

2 6

−

=

∆Trong đó:

V': vận tốc gió bình quân lớn nhất, V' = 17 m/s

D': đà gió ứng với MNLTK, D' = 3200 m

g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2

H’: chiều sâu trước đập, H’ = MNLTK- ∇đáy =96,4 - 49,2 = 47,2 m

αs: góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, αs = 00

→ h 9,81.38,3.cos0 0,0038m

3200.17.10.2'

h: chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng

Giả thiết sóng đang xét là sóng nước sâu: H’ > 2

λ

Ta có: '2 172

2 , 47 81 , 9 ' =

V

gH

= 1,70

47 , 12464 17

3600 6 81 , 9

'

2

V gD

47 , 12464 2

4 , 4 ' 2

V h V gτ

61 , 1 ' 2

V h V gτ

m

h =0,018.172 =0,53

79,281,9.61,

=τBước sóng trung bình được xác định theo công thức:

16,1214

,3.2

79,2.81,92

=

=λ

h

=> Kη s = 1,21

→ η’s = Kη s.h = 1,21.1,113 = 1,347 m a’=0,5 (Cấp công trình II) tra bảng 5 – 1 GTTC

Các hành lang trong thân đập có tác dụng tập trung nước thấm trong thân đập

và nền, kết hợp để kiểm tra, sửa chửa; hành lang ở gần nên để sử dụng phụt vữachống thấm

Theo chiều cao đập, bố trí hành lang ở các tầng khác nhau, tầng nọ cách tầngkia 15÷20m.Khoảng cách từ mặt thượng lưu đến mép trước của hành lang chọn theo

điều kiện chống thấm: J

H

l1 =

Trong đó: H là cột nước tính đến đáy hành lang

J là gradien thấm cho phép của bê tông, J = 20

Ta bố trí 3 hành lang, khoảng cách giữa các hành lang là 15 m

Hành lang dưới cùng cách hành lang kề nó 15 m.Hành lang dưới cùng phụt vữacách đáy 2 m, hành lang này do phải tính đến kích thước máy khoan phụt vữa vàkhoảng không cần thiết cho thi công nên ta chọn kích thước là 4x4 m Còn 1 hànhlang trên chọn kích thước là 2x2,5m

Các cột nước tính từ MNDGC:

H1 = 15,2 m →

1 1

Chọn mặt tràn dạng Ôphixêrốp không chân không Loại này có hệ số lưu lượng

tương đối lớn và chế độ làm việc ổn định

Cách xây dựng mặt cắt đập như sau:

- Chọn cao trình ngưỡng tràn ngang với MNDBT = 91,4 m.

- Chọn hệ trục oxy có: trục ox ngang cao trình ngưỡng tràn, hướng về hạ lưu; trục oy

hướng xuống dưới gốc o ở mép thượng lưu đập, ngang cao trình ngưỡng tràn

- Vẽ đường cong theo tọa độ Ôphixêrốp trong hệ trục đã chọn với Htk = Ht = 5m

Tra phụ lục 14-2 ta có bảng tọa độ đường cong mặt đập như bảng sau:

- Tịnh tiến đường cong đó theo phương ngang về hạ lưu cho đến khi tiếp xúc với

biên hạ lưu của mặt cắt cơ bản tại điểm D

- Mặt cắt hạ lưu nối tiếp với sân sau bằng mặt cong có bán kính R.

R = (0,2 ÷ 0,5).(P + Ht) = 0,5.(50 + 5) = 27,25m Chọn R = 27,5m

Trong đó:

P: chiều cao đập, P = 50m.

Ht: cột nước trên đỉnh tràn

Mặt tràn cuối cùng sẽ là mặt ABCDEF trong đó:

AB: Nhánh đi lên của đường cong Ôphixêrốp ( khi mặt thượng lưu đập tràn là nghiêng, cần kéo dài đoạn Ba về phía trước cho đến khi gặp mái thượng lưu tại A)BC: Đoạn nằm ngang trên đỉnh

CD: Một phần của nhánh đi xuống của đường cong Ôphixêrốp

DE: Một đoạn của mái hạ lưu mặt cắt cơ bản

EF: Cung nối tiếp với sân sau

2 Trụ pin và cầu giao thông

Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua, nhưng để đi lại kiểm tra

và khai thác công trình, vẫn ohair làm cầu giao thông qua đập tràn, bề rộng tràn lớnnên cần làm các trụ pin để đỡ cầu.Mặt trụ thượng lưu chọn là mặt tròn có R = 0.5m,dày 1m để đảm bảo điều kiện để chảy bao hợp lý Cao trình đỉnh cầu giao thông chọnngang đỉnh đập, bề rộng mặt cầu chọn bằng mặt đập b = 5m

C TÍNH TOÁN MÀN CHỐNG THẤM

Xác định các thông số cần thiết của màn chống thấm(chiều sâu, chiều dày, vị

trí đặt) để đảm bảo được yêu cầu chống thấm đề ra (hạn chế lượng mất nước, giảmnhỏ áp lực thấm lên đáy đập)

Hình 5: sơ đồ tính màn chống thấm

II Xác định các thông số của màn chống thấm:

Chiều sâu phụt vữa

(S 1 ) Phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của nền và chiều cao đập.

Lưu lượng tháo qua nhà máy thủy điện:

520 130 4

4 Kiểm tra trị số của α1

Trong thiết kế sơ bộ, có thể áp dụng phương pháp của Pavơloopsxki, theo đó:

α1 = 1

2

p p

2

1 1 1

Trong đó: x = 2

δ = 2

5 , 1







+

2

1 2 2

1

12

1

S

L S

2 2

15

1,41115

4,2121

1,78

1 1

12

1

S

L S

L

=77

,015

4,2115

1,41

,015

1178,1

1arccos.14,3

40

18 =Như vậy trị số α1 đưa ra trong giả thiết đúng

D TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐẬP TRÀN

I Tính toán khẩu diện tràn

1 Công thức chung

Tài liệu đã cho cao trình ngưỡng, cột nước lớn nhất trên tràn( ứng với tần suất

thiết kế) và lưu lượng cần tháo Cần xác định bề rộng tràn để tháo được lưu lượngcần thiết

Sử dụng công thức chung của đập tràn

2 2

Q: lưu lượng tháo lũ lớn nhất, Q = 1300 m3/s

Q0: Khả năng tháo lớn nhất của nhà máy thủy điện, lấy trong trường hợp

4 tổ máy đều làm việc, Q0 = 520 m3/s

αt: Hệ số lợi dụng, lấy αt = 0,8

=> Qt = 1300 – 0,8.520 = 884 m3/s

b) Hệ số lưu lượng của đập tràn:

m = σH σhd.mtcTrong đó:

- mc: Hệ số lưu lượng của đập tràn tiêu chuẩn với đập Ôphixêrốp loại 1, mtc = 0,504.

P

l f

n mt

mb 1 0

2 , 0

.2

2 0 0

α+

=Trong đó: V0 là lưu tốc tới gần, lấy V0 = 0

→ H0 = Ht = 5,5 m

3 Xác định khẩu diện

∑b = m 2.g.H02

Q n

t

σε

Giả thiết ε = 0,94 →

m

5 81 , 9 2 493 , 0 1 94 , 0

5.5

45,0.157,0.2,0

=

ε

.Giả thiết ε là phù hợp

Vậy bề rộng một khoang tràn là b = 7,7 m

II Tính toán tiêu năng

1 Chọn hình thức và biện pháp tiêu năng

a) Hình thức: Có thể là tiêu năng đáy hoặc tiêu năng phóng xa

b) Biện pháp

- Tiêu năng đáy: Làm bể tường kết hợp

hơn mực nước hạ lưu max.

2 Tính toán cho hình thức tiêu năng đáy

a) Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng

Hình 6: Sơ đồ tính đường mực nước

Bđập = 2.d’ + (n-1).d + n.b = 2.0,5 + (5-1).1 + 5.7,7 = 43,5 m

b

H n

n mt

mb 1 0

2 , 0

2 2

Q t =ε σn∑

q = dap

t B Q

0

.Q Q

1 0.987013 82.98 51 1.693 0.004

9

0.062 1

3.167 498.981 55.50

0

6.30 0

0.161 5

8.721 1053.64

5

56.64 0

7.44 0

0.187 5

10.313 1294.92

9

57.24 0

8.04 0 2.273

Vậy lưu lượng tính toán tiêu năng là Qt = 878,93 m3/s ứng với (hc’’ – hh)max = 2,27 m

Hình 7: sơ đồ tính toán bể tường tiêu năng kết hợp b) Tính toán kích thước bể tiêu năng

Ta có: E0 = 55 m; q = 17,94 (m3/s)

Để có nước nhảy ngập trong bể tiêu năng thì:

hb = σ.hc’’ = d + c + htVới: c: chiều cao tường

d: chiều sâu đào bể

ht cột nước trên đỉnh tường tiêu năng

Chiều cao tường lớn nhất để không có nước nhảy phóng xa sau tường:

cmax = Et – ht

Ta có: hh = 8,04 m

m gh

q h

94 , 17 1 8 1 2

04 , 8 1 8

1

2 3

2 0

E01 cột nước toàn phần trước tường:

)(10,59,3.95,0.81,9.2

94,179

,3

2 2

2

2 10

1

h g

q h

E

c t

m

q H

t

53 , 4 81

, 9 2 42 , 0

94 , 17 2

3 / 2 3

/ 2

Để có nước nhảy ngập sau tường ta cần phải đào bể với độ sâu:

d1 = σ.hc” - c - H10 = 1,05.10,31 – 0,6 – 4,53 = 5,73 m.Sau khi có bể, cột nước E0 thay đổi, ta tính lại chiều sâu đào bể:

E20 = E0 + d1 = 55 + 5,73 = 60,73 m

→ τc,,= 0,197 → h

c’’ = 0,197.60,73 =11,96 m

) / ( 43 , 1 96 , 11 05 , 1

94 , 17

"

q v

c

43,1.2

2 2

2 ) 0

g

v h

b Cao trình mủi phun

Phải cao hơn mực nước hạ lưu ít nhất 1m để đẩm bảo dòng phun vào không khí và tránh nước hạ lưu ngập vào mũi phun Xác định theo đường tọa

độ đập và bán kính nối tiếp

c Bán kính cong R nối tiếp

Bán kính cong R nối tiếp giữa mặt đập và mũi phun cần đảm bảo sao cho dòng chảy không tách rời khỏi mặt đập và mũi phun R>(8:10)h, với h là độ sâunước trên ngưỡng tràn, sơ bộ lấy bằng độ sâu co hẹp cuối dốc nước hb

Từ bảng tính toán trên hb= 0,68 m

R=(8;10) hb =(5,44:6,8) vậy chọn R=6m

d Chiều dài phóng xa

L kho ng cách theo ph ng ngang t m i phun n trung tâm dòng n cà ả ươ ừ ũ đế ướ

t i áy kênh h l u, ạ đ ạ ư được xác nh theo công th c:đị ứ

=

S

S h

S L

2

) 1 2 cos sin

sin cos

δϕ

δα

αα

αδ

ϕ

2

0,825.cos 30 2.47, 2.(1 0,793) 2.0,9 0,793.47, 2.cos 30 sin 30 sin 30

MNLTK S

S1 chiều cao từ mực nước thượng lưu đến đỉnh mũi phun

S chiều cao từ mực nước thượng lưu đến cao trình đáy

+ h: độ sâu nước trên mũi phun,

1

884

0,825 2 . 43,5.0,9 2.9,81.38, 2

e Xác định chiều sâu hố xói

Hình 8: Các thông số cơ bản tiêu năng phóng xa

0,25 0,5 0 90

lấy đối với MNHL

d90- đường kính hạt mà trọng lượng của những hạt nhỏ hơn chiếm 90%,chon d90= 10

0,25 0,5 46,99

Kiểm tra ổn định trượt, lật cho các mặt cắt đập không tràn và đập tràn

Trong đồ án này, yêu cầu tính ổn định trượt cho phần đập không tràn( kiểm tra cho mặt cắt có chiều cao lớn nhất của phần này)

II Các trường hợp tính toán Cần kiểm tra với các trường hợp làm việc khác nhau của đập.

1 Ứng với MNDBT, các thiết bị chống thấm và thoát nước làm việc bình thường (tổ

Trong đồ án này yêu cầu kiểm tra với trường hợp 2 và 3

III Kiểm tra ổn định trượt cho các trường hợp

y

m

44,02,42

38,18

λ

λ

h H

K đ γn +

Tra đồ thị P2-4c( đồ án TC) ta có: Kđ = 0,21

→ Ws = 0,21.1.1,66.(42,2+ 2

66 , 1

) = 15,00 T

 Momen lớn nhất đối với chân đập do sóng gây ra

)22

.6.(

2 2

max

H H h h h K

M = mγn + +

Tra đồ thị P2-4d ( đồ án TC) ta có: Km = 0,2

→

)(98,3062

2,422

2,42.66,16

66,1.66,1.1.2,0

2 2

98,306

max

s W

M y

 Áp lực thấm

Do chênh lệch mực nước thượng lưu và hạ lưu nên phát sinh dòng thấm từthượng lưu về hạ lưu, công trình gây nên áp lực thấm dưới đáy công trình

nhất tại vị trí sau màn chống thấm.

Pmax = γn.α1.HTrong đó:

- α 1: hệ số cột nước thấm còn lại sau màn chống thấm, α 1 = 0,5

2

12452

45

0 0 2 0

 Trọng lượng của thân đập

Để dễ dàng tính toán lực do trọng lượng bản thân và điểm đặt của nó Mặt cắtđập được chia thành các phần hình tam giác và chữ nhật Trọng lượng của phần đập

có mặt cắt Ωi sẽ là Gi = γh.Ωi; Trọng lượng của toàn đập G = Σ Gi

6255.50.5,2

Điểm đặt x1 = 42,5

2360 2

, 47 ).

5 45 (

, 2 2

1 ).

1+ 1 =

=

o h

- Áp lực nước tăng thêm khi động đất:

Wđ = 20,025.1.47,2 27,85( )

1

2

Momen(T.m)

H n

γ =

2 2 , 47 1 2

77 , 6 95 , 0

= 3

77 , 6

94,0

26,02,47

16,12

λ

λ

h H

→ kη đ = 1,06

→ ηđ = 1,06.0,94 = 1,00

- Trị số áp lực sóng lớn nhất lên mặt đập:

Ws = . . .( 2)

h H h

K dγn +

Tra đồ thị P2-4c( đồ án TC) ta có: Kd = 0,1

→ Ws = 0,1.1.0,94.(47,2 + 2

94 , 0

) = 4,47T

- Momen lớn nhất đối với chân đập do sóng gây ra:

)22

.6.(

2 2

max

H H h h h K

M = mγn + +

Tra đồ thị P2-4d ( đồ án TC) ta có: Km = 0,1

2,472

2,47.94,06

94,0.(

94,0.1.1,0

2 2

M s

89,2347,4

81,106

Pmax = γn.α1.HTrong đó:

1

α : hệ số cột nước thấm còn lại sau màn chống thấm, α 1 = 0,5