bài tập lớn công trình thủy lợi

Xác định chiều rộng của đập theo điều kiện ứng suất và điều kiện trượt.. Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao là 48 m và chiều rộng đáy là B hình chiếu mái thượng lưu là nB ,hình

NỘI DUNG TÍNH TOÁN.

Chương1: THIẾT KẾ ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC.

Số liệu :

0

n

a

b

TN

I Xác định bề dày của đập :

-Ta thiết kế cho đẩp trọng lực tràn nước

1 Xác định chiều rộng của đập theo điều kiện ứng suất và điều kiện trượt

Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao là 48 m và chiều rộng đáy là B hình chiếu mái thượng lưu là nB ,hình chiếu mái hạ lưu là (1-n)B

- Có

n=1-



2

1 =>n=-0.1.Vì n=-0,1 nghĩa là mái dốc thượng lưu đập có độ dốc ngược ,gây khó khăn cho việc thi công ,mặt khác có thể phát sinh ứng suất kéo trên mặt hạ lưu,do đó lấy n=0 Vậy chiều rộng đáy đập tính theo công thức sau:

1

1











b

h B

(lấy 1=0,5)B 0,5 36,8m

2

2 , 2

48







=>Chọn B = 37 m

2.Mặt cắt ngang thân đập :

48

7

3.Xác định ứng suất của đập

- ứng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên một mặt cắt ngang của đập có thể xác định

theo công thức nén lệch tâm

2 0

6

B

M B





Trong đó

G= W2+G- Wt

W2:áp lực nước thẳng đứng tác dụng lên mái đập thượng lưu (=0)

G:Trọng lượng bản thân công trình

Wt :áp lực đẩy nổi dưới đáy đập : 37 48 1 0 , 5 444 ( )

2

1

2

1

1

h B

2

.

1 2 1

h B G

G



1 :Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=0.5)

b :Trọng lượng riêng của vật liệu làm thân đập (=2,2T/m3)

 :Trọng lượng riêng của nước (=1T/m3)

) ( 2 , 1879 2

48 37 1 5 , 0 2 , 2 30 48 2

1 2 , 2 48 7 2

.

1 2

G

) ( 45491,2 667

, 24 444 20 1584 5

, 33 2 , 739

.

1



Vậy ứng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập là:

2 2

0

37 2 , 45491

6 37

2 , 1879

6







B

M B

G



max= 250,166 T/m2 và min= -148,588 T/m2

Các giá trị trên đều nhỏ hơn cường độ tính toán của bê tông về khả năng chịu kéo và nén 4.Kiểm tra lại điều kiện ổn định trượt của đập

- Ta có điều kiện ổn định trượt của đập là:

K c.W1 f.G

Trong đó

f:Hệ số ma sát giữa đập và nền(=0.6)

Kc:Hệ số an toàn ổn định của đập (=1)

G:Tổng các lực tác dụng lên mặt cắt

W1:áp lực nước nằm ngang tác dụng lên mái

đập thượng lưu :

.48 1 1152 T

2

1 2

1

Ta có: G= W2+G1+G2 - Wt

Trong đó:

G:Trọng lượng bản thân công trình

W2:áp lực nước thẳng đứng tác dụng lên

mái đập thượng lưu (=0)

Wt

x1 x2

x3

W1

x4

b

G1

G1

1 :Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=0.5)

Ta có :

W1=1152T f.G + C.B = 0,6.1879,2  1 , 5 37  1183 , 02T

Đập là ổn định với kích thước trên

II.Xác định lưu lượng thấm qua đáy đập theo phương pháp hệ số sức kháng.

Đây là phương pháp gần đúng để xác định lưu lượng thấm qua đáy đập.Trong thực tế xây dựng các đoạn thẳng đường viền có thể chia làm 3 bộ phận:

-Bộ phận cửa vào có cừ thượng lưu

-Bộ phận giữa thường có cừ

-Bộ phận cửa ra có cừ hạ lưu

Khi đó lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức sau:





i

H k q



.

Trong đó:

H-Độ chênh cột nước trên các đoạn đường viền.(H=48m)

k-Hệ số thấm (k=10-7m/s)

r c n n v

c = -Hệ số sức kháng của cừ

v-Hệ số sức kháng bộ phận cửa vào

r-Hệ số sức kháng bộ phận cửa ra

n -Hệ số sức kháng bộ phận nằm ngang

Trong trường hợp tổng quát ta có:

c=

2 1 2 1

2

1 1

1

75 , 0 1

5 , 0

5 , 1

T S T S T

S T

a





v=r=0 , 44  b  c

n=

T

S S

l 0 , 5 ( 2 1)

S1=3

S2=6m-Chiều sâu cừ giữa

S3=3

T1 ;T2 ;T3-Lần lượt là chiều sâu tầng thấm ở sân trước ,sân sau và thượng lưu.T1 =T2 =T3=8(m)

a1; a2;-Lần lượt là chiều dày của sân trước và sân sau Lấy a1 = a2 = 0,5 (m)

L1 và L2 lần lượt là chiều dày sân trước và sau Lấy L1 = L2 = 20 (m)

Thay các giá trị trên vào công thức 1-2 ;1-3; 1-4 ta có:

322 , 1 75 , 0 1

5 , 0

5 , 1 44

, 0 44

, 0

1

1 1

















T S T S T

S T

a

c

b 





313 , 2 ) (

5 ,

T

S S l



982 , 1

5 , 0

5 , 1

2

S S

Vậy

Lưu lượng thấm qua đập được là:



















m H

k q

48 01 , 0

III.Xác định tải trọng tác dụng lên đập.

Tải trọng tác dụng lên đập gồm có : Tải trọng bản thân , tải trọng sóng, áp lực nước áp lực đẩy nổi

3.1.Xác định tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng tường đứng.

Tải trọng ngang lớn nhất tác dụng lên công trình là:

).

2 (

max

h H h k

P  d  

Mô men lớn nhất tác dụng lên công trình là:

) 2 2

6 (

.

max

H H h h h k

Trong đó:

km;kd- Là hệ số phụ thuộc vào tỷ số



h

và H được tra theo đồ thị 2.5 giáo trình thuỷ công Với



h

=0,407 và

H



=0,281 ta có km=0,2 ; kd=0,15

-Chiều dài sóng (=13,5m)

hs = 5,5m-Chiều cao sóng

H1 = 48 m-Chiều cao cột nước thượng lưu

=1T/m3-trọng lượng riêng của nước

2

5 , 5 48 5 , 5 1 15 , 0















1417 , 946 ( )

2

48 2

48 5 , 5 6

5 , 5 5 , 5 1 2 , 0

2 2

















3.2.Xác định tải trọng bản thân, áp lực nước, áp lực đẩy nổi.

8125 , 4 ) (

5 ,

T

S S l



8234 , 0

75 , 0 1

5 , 0

5 , 1

3

3 3







T S T S T

S



322 , 1

75 , 0 1

5 , 0

5 , 1 44

, 0 44

, 0

3

3 3

















T S T S T

S T

a

c

b 





575 , 12



i

Các tải trọng này được tính toán ở phần trên Vậy ta có sơ đồ lực như sau:

IV.Tính toán ổn định công trình.

4.1.Xác định ổn định trượt của công trình

Do việc xác định bề rộng đập thoả mãn điều kiện trượt phẳng Tuy nhiên khi công trình công trình có thêm cừ càng làm tăng ổn định Vậy ta không cần kiểm tra điều kiện này

4.2.Tính toán ổn định lật của công trình quanh điểm A

Từ sơ đồ lực như trên ta có:

Tổng mô men giữ là:

Tổng mô men lật là:

Do Mgiữ > Mlật →Công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật

Chương II : THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT ĐỒNG CHẤT CÓ TƯỜNG LÕI MỀM

I Xác định các kích thước cơ bản của đập :

1.Cao trình đỉnh đập :

CTĐĐ = CTMN_dâng bình thường + d

Hoặc :

CTĐĐ = CTMN_lũ + d’

TÇng Kh«ng thÊm nuíc Fnc

) ( 45491,2 667

, 24 444 20 1584 5

, 33 2 , 739

.

x

) ( 8432 1 1152 48 3

1 1

x

Trong đú :

d , d’ - độ vượt cao của đỉnh đập so với MN_dõng và MN_lũ

Ta chọn d=2m

CTĐĐ = 48 + 2 = 50 m

2.Chiều rộng đỉnh đập :

Chiều rộng đỉnh đập được xỏc định theo yờu cầu cấu tạo , giao thụng nhưng bề rộng nhỏ nhất phải  3  5 m

Lấy chiều rộng đỉnh đập : B = 5 m

3.Mỏi đập :

Độ dốc mỏi đập phụ thuộc vào chiều cao đập, loại đất đắp, tớnh chất nền Sơ bộ chọn mỏi dốc đập như sau :

Chiều cao đập H = 50m :

- Mỏi thượng lưu m = 2 -Mỏi hạ lưu m1 = 1,5

II)Xỏc định kớch thước của lừi mềm và mặt cắt ngang đập:

1) Kớch thước lừi mềm:

Chọn bề dày t1 = 2 m

2) Mặt cắt ngang đập:

Mặt cắt ngang đập như hỡnh vẽ:

50

5 2

III Tính toán l u l ợng thấm qua đập và nền :

- Theo tài liệu của Pavelốpki ta biến đổi đập có lõi với hệ số thấm K0 rất nhỏ thành đập đồng chất có cùng hệ số thấm K ,khi đó ta trở lại bài toán thấm của đập đồng chất Vì tính chất không thay đổi lu lợng ,ta có thể viết phơng trình lu lợng thấm qua lõi thực và qua lõi biến đổi

nh sau

2 2

2 0

2 1

2 0

2 1

T

K a h t

K

2 2

2 0

2 1

2 0

2 1

T

K a h t

K

t

K

K

0



Hệ số thấm của đập : K= 10-2 cm/s

Hệ số thấm của vật liệu làm tờng : K0 = 10-3 cm/s

Nh vậy sau khi biến đổi từ đập lõi ta đợc đập đồng chất qui ớc và chiều rộng đỉnh đập B đợc tính theo công thức

( 1 )

0







K

K t b B

Trong đó

t:Chiều dày của tờng lõi(t =2 m )

T:Chiều dày tính đổi

) ( 20 2 10

10

. 32

0

m t

K

K



b: Chiều rộng đỉnh đập thực b=5m

B: Chiều rộng đỉnh đập biến đổi

) ( 23 1 10

10 2 5 ) 1

2

0

m K

K

t

b























Ta tính toán nh đập đồng chất nh sau

1.Tính toán l u l ợng thấm qua thân đập ( nền không thấm nớc )

Để giải bài toán xác định lu lợng thấm , tạm thay tam giác thợng lu đập bằng một hình chữ nhật có chiều rộng L L đợc xác định theo công thức :

Trong đó :

m – mái dốc đập thợng lu ( m = 2 )

H1 – mực nớc thợng lu ( H1 = 48m )

1 2 2

48 2 1 2

1

m m

H m











Mặt khỏc: ∆L =(0,3-0,4).m.H1 = 0,4.2.48=38,4(m)

Chọn ∆L = 20m

Bài toán thấm qua đập có mái thợng lu nghiêng đợc chuyển về bài toán thấm qua đập có mái thợng lu thẳng đứng

Chiều dài thân đập : L=∆L+d.m+B+(H1+d).m1 =20+2.2+23+(48+2).1,5=122 (m)

Trong đó :

q1 – lu lợng thấm qua đập tính cho 1 m dài ( m/s)

H1 – mực nớc thợng lu ( H = 48 m )

Xác định q và a0

) (

2

.

0 1

2 0

2

1

0

a m L

a h

K

q





5 , 0

.

1

0 0





m

a K q

Ta có phơng trình bậc 2 nh sau:

0 4608

244

.

 a a → a0 =20,629 (m) và a0 =223,371 (m)

Nhận a0 =20,629 (m) → q = 0,01 (m3/24h)

2.Tính l u l ợng thấm qua nền :

Lu lợng thấm qua nền đợc xem nh là chảy qua đờng ống đợc tính theo công thức:

Trong đó :

Kn – hệ số thấm của nền đất

L – chiều dài thân đập thực tế L = 50.2+5+50.1.5=180m

T – chiều sâu tầng thấm ( T = 8,5 m )

n _ Hệ số điều chỉnh chièu dài dòng thấm (n = 1,1)

Vậy lu lợng thấm tổng cộng qua đập và qua nền :

Q = q + qn = 0,01 +0,021= 0,031 (m3/24h)

3.Vẽ đ ờng bão hoà :

Tiến hành vẽ đờng bão hoà cho đập giả định :

1 2

. 1







m

H m L

L n

T h K

.

1



















h

m

q n

24 021 , 0 180 1 , 1

5 , 8 48 01 , 0

3

0

2 1 2

2 1

) (

.

x Q h

y y h Q K

Ta cã :

) ( 5 , 25 2

20 23 2 2 20 2

d L

X b          

5 , 45 20 5 ,





X T

X c b

→Yb = 46,339 (m) vµ Yc = 44,97( m)

IV)Xác định các lực tác dụng lên đập:

Tính cho một mét dài đập

1.Áp lực thuỷ tĩnh :

Tính cho một mét dài tường

Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy:

p =.H1 =1.48= 48 T/m2

2

.H1

p 48.48/2 = 1152 T

e4 = H1/3 = 48/3=16m

2.Áp lực nước tác dụng trên mái dốc :

W2 = Vn.n = 0 , 5 48 48 2

2

1

1

1 H m

3.áp lực đẩy nổi :

W3 = . 1 . 1 

2

1



n

H

4.Trọng lượng bản thân đập :

G1 = 0,5.50.50.2.2,2 = 5500 T → e1 =113,333(m)

G2 = 0,5.50.50.1,5.2,2 = 4125 T → e2 =77,5 (m)

Xb

m =2

m = 1,5

b t

m =

1,5

50

A

B C

D

E A

A

B C

D a0

B T

Xc

G3 = 5.50.2,2 = 550 T → e3 =25 (m)

Tổng trọng lượng : G = 10175 T

5.Lực dớnh của đất : W5 = C.B = 1,5.180= 270 T → e4 =90(m)

2)Tải trọng súng tỏc dụng lờn đập :

Sơ đồ tớnh ỏp lực súng lờn cụng trỡnh dạng mỏi nghiờng:

MNTT

đỉnh đê

f

0.1Pd

0.4Pd

Pd

0.4Pd 0.1Pd

Tải trọng súng tỏc dụng lờn đập dạng mỏi nghiờng được xỏc định theo cụng thức:

).

m / T ( h P k k

2 nb no

Trong đú:

-Trọng lượng riờng của nước (=1T/m3)

H =4,5m-Chiều cao súng

2

P -ỏp lực súng tuơng đối lớn nhất trờn điểm 2 theo bảng 2.5 với h=5,5mP2 =1,7

knb-Hệ số xỏc định theo bảng 2.4 với 2 , 455

5 , 5 5 , 13





h



ta cú knb =0,25

kno-Hệ số xỏc định theo cụng thức:

925 , 1 ) 5 , 13

5 , 5 15 , 1 028 , 0 (

2 5 , 13

5 , 5 8 , 4 85 , 0 ) 15 , 1 028 , 0 (

8 , 4 85

,







h m

h

k no

Vậy thay vào cụng thức 1 ta cú Pd=4,499T/m2

Xỏc định tung độ z2:

).

)(

1 2 1 (

2

m A

Trong đú:

2

2 1 ) 5 , 5

5 , 13 23 , 0 47 , 0 ( 5 , 5 1

) 23 , 0 47 , 0

m

m h

5 , 13

5 , 5 ).

25 , 0 2 84 , 0 ( 5 , 09 5 , 5 ).

25 , 0 84 , 0 ( 95 , 0































h m

h

Thay A, B và m=2 vào cụng thức (2) ta cú z2= 2,546m

Xỏc định cỏc khoảng cỏch li:

l1=0,0125L ;l2=0,0265L ; l3=0,0325L ; l4=0,0675L = (3)

1 2

5 , 13 2 1

.

4 2









m

m

Thay L vào hệ thống cụng thức 3 ta cú l1=0,256 m; l2=0,544m ; l3=0,667m; l4=1,385m.

V)Kiểm tra ổn định của đập :

1)Kiểm tra ổn định trượt phẳng:

Tổng lực giữ :

Pgiữ = (G + W2 – W3 + 2.Pd.cos).f+ W5 = 6466,228 (T)

Tổng lực gây trượt :

Ptr = W1 + 2.Pd.sinα = 1156,02(T)

Do Pgiữ > Ptr → đập ổn đinh trượt

2)Kiểm tra ổn định lật :

Tổng mô men giữ :

Mgiữ = G1.e1 + G2.e2 + G3.e3 + W2.e5 = 1217890,8 (Tm)

Tổng mô men lật :

Mlật = W1.e4 + W3.e6 = 212832 (Tm)

Do Mgiữ > Mlật →Công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật

Chương3:Thiết kế đập đá có tường lõi

A Cơ sở lí thuyết

a Đỉnh đập:

- Chiều rộng đỉnh đập được xác định theo yêu cầu giao thông, theo điều kiện thi công và quản lí khai thác

- Nếu không có giao thông thì B = 0,1.H và B không được nhỏ quá 5m

- Nếu có giao thông thì B = 0,1.H và B không được nhỏ quá 4m

Cao trình đỉnh đập

đ đ =  MN_dâng bình thường + d

Hoặc :

đ đ = MN_lũ + d’

Trong đó :

d , d’ - độ vượt cao của đỉnh đập so với MN_dâng và MN_lũ

b Mái dốc đập:

- Độ dốc mái đập phụ thuộc vào tính chất của đá, chiều cao đập, cấu tạo thân đập và cấp động đất tại vị trí xây dựng

- Đối với đập có tường nghiêng thì

+ Mái HL = 1/1,25 - 1/1,5

+ Độ dốc tường ( mái trong) = 1/1 - 1/3,5

+ Độ dốc tường ( mái ngoài) = 1/2,5

- Đối với đấp có tường lõi chống thấm mềm:

+ Mái HL m = 1/1,75 - 1/2

+ Mái TL m = 1/1,75 - 1/2,5

- Đối với đập đá đổ: mái dốc được xác định bằng thí nghiệm, thường lấy là 1/1,3 - 1/1,4 Nếu cần tăng tính ổn định ta làm thêm các cơ đập ở mái dốc HL Cơ đập rộng từ 1 - 2m để thuận tiện cho việc đi lại, kiểm tra và thi công

b Tính thấm cho đập đá:

Mục đích chủ yếu tính thấm qua đập đá là xác định lưu lượng thấm qua tường nghiêng hoặc tường lõi

Giả sử có 1 môi trường đá đổ, do các khe rỗng đá lớn nên sự chuyển động của nước không tuân theo định luật Đacxy, dòng thấm qua đá là dòng chảy rối có thể tính toán gần đúng theo công thức của Pavolopxki Sơ đồ tính toán như hình vẽ Tại mặt cắt N-N có cột nước thấm là y, ta có pt lưu lượng thấm như sau:

x

y H K

2

 (phương trình xác định đường bão hoà)

Khi x = L thì y = H2



L 3

H H K

2



Trong đó:

q – lưu lượng thấm đơn vị

K – hệ số thấm của đá phụ thuộc vào độ rỗng p, hình dạng và kích thước của viên đá, tra bảng 6-1/Tr 144/GT thủy công

c Tính thấm cho đập đá tường lõi:

Khi tính thấm qua đập đá có lõi giữa ta giả định rằng coi MNTL đến tận tâm tường lõi tức là tổn thất cột nước đến phần đá đổ và phần trước lõi là không đáng kể

Khi tính thấm chỉ tính dòng thấm qua lõi dựa vào lưới thấm

Khi 0 , 5

L

H1

 thì ho được xác định theo công thức sau:

) 2 ( 1

65 , 0











tg

b

h o

Trong đó:

α - góc hợp bởi giữa tường nghiêng và đáy nằm ngang

J - gradien của dòng thấm đi qua ở mép hạ lưu

Jt = sinα

Jp = sinα.tgα







cos

sin

J

α - góc của đường dòng tạo với mặt hạ lưu tại điểm đang xét

Lưu lượng thấm qua lõi được xác định theo công thức

q = K.

K – hệ số thấm của tường lừi

 - diện tớch biểu đồ

B Điều kiện ỏp dụng

I Xỏc định cỏc kớch thước cơ bản của đập :

a Cao trỡnh đỉnh đập :

CTĐĐ = CTMN_dâng bình thờng + d

d - độ vợt cao của đỉnh đập so với MN_dâng

Ta chọn d =2m với cấp công trình là cấp 1

CTĐĐ = 48 + 2 = 50m

b Chiều rộng đỉnh đập :

Chiều rộng đỉnh đập được xỏc định theo yờu cầu cấu tạo, giao thụng nhưng bề rộng nhỏ nhất phải khụng được nhỏ quỏ 5 m

Lấy chiều rộng đỉnh đập : B = 5 m

c Mỏi đập :

Độ dốc mỏi đập phụ thuộc vào chiều cao đập, loại đỏ đổ, cấu tạo thõn đập và cấp động đất tại vị trớ xõy dựng cụng trỡnh Sơ bộ chọn mỏi dốc đập như sau:

-Mỏi thượng lưu m = 2

-Mỏi hạ lưu m = 2,5

Nhưng đập cao > 15 m, để thi cụng thuận tiện và tăng ổn định mỏi dốc, mỏi đập thường

cú độ dốc thay đổi, trị số thay đổi m = 0,5, ngoài ra cũn bố trớ cỏc cơ đập cú chiều rộng 1,5 m

để người đi lại và thoỏt nước dễ dàng

d.Tớnh thấm qua đập đỏ:

Khi tớnh thấm qua đập đỏ cú tường lừi giữa người ta giả thiết rằng coi MN thượng lưu đến tận tõm tường lừi tức là tổn thất cột nước đến phần đỏ đổ và phần trước lừi là khụng đỏng kể

Khi tớnh thấm chỉ tớnh dũng thấm qua lừi dựa vào lưới thấm

Vẽ hỡnh và xỏc định L ta cú: L = 5+2.50/tg46o= 101,6 m

Cú 0 , 473 0 , 5

5 , 101

48

L

H

thỡ h0 được xỏc định theo cụng thức sau:

tg

b

46 90 1

5 , 1

65 , 0 90

1 65

,















Trong đú:

α : gúc hợp bởi giữa tường nghiờng và đỏy nằm ngang Lấy α = 460

J : gradien của dũng thấm đi qua ở mộp hạ lưu

Jt = sinα

Jp = sinα.tgα







cos

sin

J

β: gúc của đường dũng tạo với mặt hạ lưu tại điểm đang xột