Thiết kế đập bê tông trọng lực theo phương pháp hệ số sức kháng 2.. Đỉnh đập: - Chiều rộng đỉnh đập đợc xác định theo yêu cầu giao thông, theo điều kiện thi công và quản lí khai thác.. G
Trang 1Chương 1
SỐ LIỆU BAN ĐẦU
Dạng đề tài:
1 Thiết kế đập bê tông trọng lực theo phương pháp hệ số sức kháng
2 Thiết kế đập đất đồng chất có tường nghiêng và chân khay
3 Thiết kế đập đá có tường lõi
1.1 Trường hợp 1:
Thiết kế đập đá có tường lõi
Mực nước thượng lưu: H1 = 48,5 m
Mực nước hạ lưu: H2 = 0
Chiều sâu tầng không thấm: T = 8 m
Hệ số thấm của tường: Kt = 10-6 cm/s
Đất có: Đ = 1,7 T/m3
Hệ số thấm của nền : Kn = 0,1 cm/s
Lực dính : C = 1 T/m2
1.2 Trường hợp 2:
TK đập BT trọng lực theo phương pháp hệ số sức kháng:
Mực nước thượng lưu: H1 = 20m
Mực nước hạ lưu: H2 = 0
Trọng lượng riêng của tường : đ = 2,3 T/m3
Hệ số thấm của nền: Kn = 0,1cm/s
Lực dính: C = 1T/m2
Hệ số ma sát f = 0,7
1.3 Trường hợp 3:
TK đập đất đồng chất có tường nghiêng và chân khay
Mực nước thượng lưu: H1 = 32 m
Mực nước hạ lưu: H2 = 0
Chiều sâu tầng thấm: T = 8 m
Hệ số thấm của tường: Kt = 10-6 cm/s
Đất có: Đ = 1,52 T/m3
Hệ số thấm của nền : Kn = 0,1 cm/s
Lực dính : C = 1 T/m2
Trang 2Chơng I :
Thiết kế đập đá có tờng lõi
1 Cơ sở lí thuyết
1.3.1.1 I Thiết kế đập đá:
1.3.1.2 1 Đỉnh đập:
- Chiều rộng đỉnh đập đợc 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 đợc nhỏ quá 5m
- Nếu có giao thông thì B = 0,1.H và B không đợc nhỏ quá 4m
Cao trình đỉnh đập
đ đ = MN_dâng bình thờng + d
Hoặc :
đ đ = MN_lũ + d’
Trong đó :
d , d’ - độ vợt 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 tờng nghiêng thì
+ Mái HL = 1/1,25 - 1/1,5
+ Độ dốc tờng ( mái trong) = 1/1 - 1/3,5
+ Độ dốc tờng ( mái ngoài) = 1/2,5
- Đối với đấp có tờng 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 đợc xác định bằng thí nghiệm, thờng 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
1.3.1.3 II Tính thấm cho đập đá:
Mục đích chủ yếu tính thấm qua đập đá là xác định lu lợng thấm qua tờng nghiêng hoặc tờng lõi
Giả sử có 1 môi trờng đá đổ, do các khe rỗng đá lớn nên sự chuyển động của nớc 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 nh hình vẽ Tại mặt cắt N-N có cột nớc thấm là y, ta có pt lu lợng thấm nh sau:
x
y H K
2
(phơng trình xác định đờng bão hoà)
Khi x = L thì y = H2
L 3
H H K
q 31 32
2
Trong đó:
Trang 3K – hệ số thấm của đá phụ thuộc vào độ rỗng p, hình dạng và kích thớc của viên
đá, tra bảng 6-1/Tr 144/GT thủy công
1.3.1.4 III Tính thấm cho đập đá tờng lõi:
Khi tính thấm qua đập đá có lõi giữa ta giả định rằng coi MN TL đến tận tâm tờng lõi tức là tổn thất cột nớc đến phần đá đổ và phần trớc lõi là không đáng kể
Khi tính thấm chỉ tính dòng thấm qua lõi dựa vào lới thấm
Khi 0 , 5
L
H1
thì ho đợc xác định theo công thức sau:
) 2 ( tg 1
b 65
, 0
ho
Trong đó:
- góc hợp bởi giữa tờng nghiêng và đáy nằm ngang
J - gradien của dòng thấm đi qua ở mép hạ lu
Jt = sin
Jp = sin tg
cos
sin
J
- góc của đờng dòng tạo với mặt hạ lu tại điểm đang xét
Lu lợng thấm qua lõi đợc xác định theo công thức
q = K.
K – hệ số thấm của tờng lõi
- diện tích biểu đồ
2 Điều kiện áp dụngiều kiện áp dụng
1.3.1.5 I Xác định các kích thớc cơ bản của đập :
1.3.1.6 1 Cao trình đỉnh đập :
đ đ = MN_dâng bình thờng + d
Hoặc :
đ đ = MN_lũ + d’
Trong đó :
d , d’ - độ vợt cao của đỉnh đập so với MN_dâng và MN_lũ
đ đ = 48,5 + 1,5 = 50 m
Ch ương 2 ng 2 2 Chiều rộng đỉnh đập :
Chiều rộng đỉnh đập đợc xác định theo yêu cầu cấu tạo, giao thông nhng bề rộng nhỏ nhất phải không đợc nhỏ quá 5 m
Lấy chiều rộng đỉnh đập : B = 5 m
Ch ương 2 ng 3 3 Mái đập :
Độ dốc mái đập phụ thuộc vào chiều cao đập, loại đá đổ, cấu tạo thân đập và cấp
động đất tại vị trí xây dựng công trình Sơ bộ chọn mái dốc đập nh sau:
Mái thợng lu m = 2,5
Mái hạ lu m = 1,4
Trang 4Nhng đập cao > 15 m, để thi công thuận tiện và tăng ổn định mái dốc, mái đập th-ờng có độ dốc thay đổi, trị số thay đổi m = 0,5, ngoài ra còn bố trí các cơ đập có chiều rộng 1,5 m để ngời đi lại và thoát nớc dễ dàng
3.1.1.1 II Tính thấm qua đập đá:
Khi tính thấm qua đập đá có tờng lõi giữa ngời ta giả thiết rằng coi MN thợng lu đến tận tâm tờng lõi tức là tổn thất cột nớc đến phần đá đổ và phần trớc lõi là không đáng kể Khi tính thấm chỉ tính dòng thấm qua lõi dựa vào lới thấm
Vẽ hình và xác định L ta có: L = 196,1m
Có 1 50
0, 25 0,5 196,1
H
L thì h0 đợc xác định theo công thức sau:
1 tg90 47 10,84m
5
65 , 0 90
tg 1
b
65
,
0
Trong đó:
: góc hợp bởi giữa tờng nghiêng và đáy nằm ngang Lấy = 47 0
Hỡnh 1.1 Điều kiện áp dụngập đá có tờng lõi
J : gradien của dòng thấm đi qua ở mép hạ lu
Jt = sin
Jp = sin tg
cos
sin
J
: góc của đờng dòng tạo với mặt hạ lu tại điểm đang xét
Trang 5Hỡnh 1.2 Sơ đồ lới thấm
Lu lợng thấm qua lõi đợc xác định theo công thức:
q = Kt.
Trong đó:
Kt : hệ số thấm của tờng lõi (= 10-6 cm/s)
: diện tích biểu đồ (= 15,803m2)
q =13,03 10-3 m3/24h
3.1.1.2 III Tải trọng tác dụng lên đập:
3.1.1.3 1 Tải trọng bản thân và áp lực thuỷ tĩnh :
Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy:
P = γ.H = 48,5 T/m2
W1 = P.H/2 = 48,5.48,5/2 = 1176 T
e = H/3 = 17 m
áp lực nớc tác dụng trên mái dốc :
W2 = Vn.n = 48,5.48,5.1/2 = 1176 T
áp lực đẩy nổi :
W3 = 0,5.48,5.(48,5.1 + 7,66 + 48,5.1,4)/2 = 1269 T
Trọng lợng bản thân đập :
G2 = 7,66 230
.50 2
.1,7 = 10100 T Tải trọng sóng :
Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng:
Trang 6đỉnh đê
f
0.1Pd
0.4Pd
Pd
0.4Pd 0.1Pd
Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng đợc xác định theo công thức:
).
m / T ( h P k k
Trong đó:
-Trọng lợng riêng của nớc ( =1T/m3)
h - Chiều cao sóng.( = 2,3m)
2
P - áp lực sóng tơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h = 2,3m
P2 =1,9
knb-Hệ số xác định theo bảng 2.4 với 0
0 2,5
h
ta có knb=0
kno-Hệ số xác định theo công thức:
Vậy thay vào công thức 2-4 ta có Pd= 0T/m2
3.1.1.4 V Kiểm tra ổn định của đập :
3.1.1.5 1 Kiểm tra ổn định trợt phẳng:
Tổng lực giữ :
Pgiữ = (G + W2 – W3 ).0,7 = (10100+1176-1269 ).0,7 = 7005T
Tổng lực gây trợt :
Ptr = W1 = 180,5 = 1176 T
Hệ số ổn định trợt : Ktr = 7005 6 1,5
1176
giu
tr tr
P
K
Vậy đập ổn đinh trợt
Ch ương 2 ng 4 2 Kiểm tra ổn định lật :
Tổng mô men giữ :
Mgiữ = G.e1 + W2.e4
= 10100.115+1176.77 = 1252052 Tm
Tổng mô men lật :
Mlật = W1.e5 + W3.e6 = 1176.17+1269.153 = 214572 Tm
Trang 7Hệ số ổn định lật Kl = 1252052 5,8 1,5
214572
giu
l l
M
K
Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật
Trang 8Ch ương 5 ng 5
THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC (Phương pháp hệ số sức kháng)
5.1 Xác định bề dày của đập theo điều kiện ứng suất:
Ta thiết kế cho đập trọng lực tràn nước
5.1.1 Cao trình đỉnh đập:
CTĐĐ = MNTL + d
CTĐĐ = 20 + 1,5 = 21,5m
Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao là 50m và chiều rộng đáy là B Hình chiếu mái thượng lưu là nB, hình chiếu mái hạ lưu là (1-n)B
2
4 , 2 2 2
n Vì n = - 0,2 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
21,5
16 2,3 0,5
h
5.1.2 Mái dốc thân đập:
Mái dốc đập thượng lưu: m0 = 0
Mái dốc đập hạ lưu: m1 = 0,7
5.1.3 Xác định chiều rộng của đập theo điều kiện ứng suất:
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 B
M 6 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
2
h B 2
h B n 2
h B
1 : Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (= 0,5) 1 : Trọng lượng riêng của vật liệu làm thân đập (= 2,3T/m3)
: Trọng lượng riêng của nước (=1T/m3)
Trang 9
3
nB 2 B 2
Bh )
3
nB 2
B ( 2
h B n 6
B 2
h B 3
h 2
h
2 0
Thay số ta có: G = 309,6 T
M0 = 830 T.m
Vậy ứng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập
2 0 B
M 6 B
Thay số vào ta có: 309,6 6.8302
max = 38,8 T/m2
min = 0 T/m2
Ta thấy ứng suất max và min đều nhỏ hơn khả năng chịu kéo và nén của Bêtông nên
bề rộng đáy đập chọn như trên là đúng
5.2 Xác định bề rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trượt:
Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trượt, theo điều kiện tối thiểu
để đảm bảo ổn định của đập
B = kc ( )
1
n f
h
= 1 21,5 17,1 0,7.(2,3 0 0,5) m Trong đó:
f : Hệ số ma sát giữa đập và nền(= 0,7)
Kc : Hệ số an toàn ổn định của đập ( = 1)
Chọn B = 17,1m theo điều kiện ổn định trượt của đập
5.3 Tính lưu lượng thấm 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=21,5m)
k-Hệ số thấm (k=10-4cm/s)
r c n n v
c-Hệ số sức kháng của cừ
Trang 10v-Hệ số sức kháng bộ phận cửa vào.
r-Hệ số sức kháng bộ phận cửa ra
n’ n’’ -Hệ số sức kháng bộ phận nằm ngang
Trong trường hợp tổng quát ta có:
v = r = 0,44 +
2 1 2 1
2
1 1
1
75 , 0 1
5 , 0
5 , 1
T S T S T
S T
a
n =
T
S S
l 0 , 5 ( 2 1)
Với:
S1 = 0m
S2 = 0
S3 = 1,2m
T1; T2; T Lần lượt là chiều sâu tầng thấm ở sân trước, sân sau và thượng lưu
a1; b-Lần lượt là chiều cao bậc và hệ số sức kháng của bậc
Theo giả thiết ta chọn công trình không có bậc a1 = 0; b = 0 và T = T1 = T2 = 8m
Ta có sơ đồ tính như sau:
Hình 1.1 Sơ đồ tính
Thay các giá trị trên vào công thức ta có:
v = 0,44 ; n = 2,69 ; r = 0,44 ( Cửa vào và cửa ra giống nhau )
i 3,56
Ta có:
h1 = V. 0, 44.3,5621,5
i
H
Trang 11h2 = n. 2,69.3,5621,5
i
H
h3 = r. 0, 44.3,5621,5
i
H
Ta có biểu đồ áp lực thấm dưới đáy công trình như sau:
Hình 1.2 Biểu đồ áp lực thấm 5.4 Xác định tải trọng tác dụng lên công trình.
Tải trọng tác dụng lên 1m dài công trình gồm có: tải trọng do sóng, trọng lượng bản thân đập, áp lực đẩy nổi, áp lực nước
5.4.1 Tải trọng do sóng:
Tải trọng ngang lớn nhất tác dụng lên công trình có tường đứng là:
).
2 (
.
max
h H h k
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 P2-4 giáo trình Đồ án thuỷ công Với
h
= 0 và
H
= 0 ta có km = 0 ; kd = 0
: Chiều dài sóng ( = 0m)
h = 2,3m Chiều cao sóng
H = 21,5 m-Chiều cao cột nước thượng lưu
= 1T/m3 trọng lượng riêng của nước
Trang 12Thay số vào các công thức ta có:
Wmax = 0T; Mmax = 0Tm
5.4.2 Tải trọng bản thân, áp lực nước, áp lực thấm:
Trọng lượng bản thân đập tính cho 1m dài đập:
G = (4,7.21,5.1 +
2
1
.16,8.21,5.1).2,3 = 647,8 T
G1 = 232,42 T; G2 = 415,38 T
Ta có sơ đồ tải trọng tác dụng lên đập như sau:
Hình 1.1 Tải trọng tác dụng lên đập 5.5 Tính toán ổn định công trình:
5.5.1 Tính ổn định trượt phẳng:
Do kích thước đập ta chọn là theo điều kiện ổn định trượt, trong trường hợp này ta còn bố trí thêm 1 hàng cừ nên không cần kiểm tra điều kiện này
5.5.2 Tính ổn định lật:
Từ sơ đồ lực như trên ta có:
Tổng mô men giữ là:
Mg = 232,42.8,4+0,45.415,38=2139 T.m
Tổng mô men lật là:
Ml = 1.21,5.1.21,5 1.(7,03 4,34).21,5.2.21,5
Ml = 492 T.m
Hệ số ổn định lật là:
KL= g 2139 4,3 1,5
L
M
K
Trang 13Vậy cụng trỡnh đảm bảo ổn định lật.
t-ờng nhiêng và chân khay.
I Xác định các kích th ớc cơ bản của đập :
1.Cao trình đỉnh đập :
CTĐĐ = CTMN_dâng bình thờng + d Hoặc :
CTĐĐ = CTMN_lũ + d’
Trong đó :
d , d’ - độ vợt cao của đỉnh đập so với MN_dâng và MN_lũ
Ta chọn d=2m với cấp công trình là cấp 1.
CTĐĐ = 32 + 2 = 34 m
2.Chiều rộng đỉnh đập :
Chiều rộng đỉnh đập đợc xác định theo yêu cầu cấu tạo , giao thông nhng bề rộng nhỏ nhất phải 3 5 m
Lấy chiều rộng đỉnh đập : B = 5 m
3.Mái đập :
Độ dốc mái đập phụ thuộc vào chiều cao đập , loại đất đắp , tính chất nền Sơ
bộ chọn mái dốc đập nh sau :
Khi H = 34 m < 40 m thì :
- Mái thợng lu m = 0,05.H + 2 = 3,6 -Mái hạ lu m1 = 0,05.H + 1,5 = 3,1 Vậy ta chọn m=4; m1=3.Ta tính toán cho trờng hợp mái dốc không đổi và không có bậc cơ.
II)Xác định kích th ớc của t ờng nghiêng và chân khay:
1) Kích thớc tờng nghiêng:
Chọn bề dày t1 = 1 m
t2 = 0,1.H = 0,1.32 = 3,2 m ,chọn t2 = 3 m
2) Kích thớc chân khay:
Chân khay có bề dày không thay đổi t = t2 = 3 m
Chiều cao chân khay : T bằng chiều sâu từ chân đập đến tầng không thấm nớc : T =
8 m :
Mặt cắt ngang đập nh hình vẽ:
III) Tính toán l u l ợng thấm qua đập và nền :
Trờng hợp đập có tờng nghiêng và chân khay,theo tính chất liên tục của dòng chảy ta thiết lập công thức tính lu lợng nh sau : Theo giáo trình Thuỷ Công
Trang 14q k0 h1 ( h3 ) T
t
h12 h32 z02
2 sin
q k T( h3)
2
T2
2 m h3
Trong đó :
m – mái dốc đập thợng lu ( m = 4)
h1 – mực nớc thợng lu ( h1 = 32m )
q – lu lợng thấm qua đập tính cho 1 m dài ( m/s)
K – hệ số thấm của đập ( K = 0,1m/24h)
k0 : hệ số thấm của tờng (k0 = 0,000001 cm/s)
δ : chiều dày trung bình của tờng δ = 2 m
m1 – mái dốc hạ lu đập ( m1 = 3 )
T : chiều dày tầng không thấm T = 8 m
Giải 2 phơng trình trên ta tìm đợc : q , h3
k10.01 k00.004 k0.4 h119 T9.5 t2 18.43
180
z00.95 m3 q0 h30 Given
q k0 h1( h3) T
t
h12 h32 z02
2 1.5 sin
q k T( h3)
2
T2
2 1.5 m h3( )
Find h3 q( ) 0.296
1.874
Giải hệ : q = 0.386 m/ngđ = 4.468.10-6 m/s
h3 = 2,674 m
-)Đờng bão hoà
m
a
o
o .( 0 , 5 ) 0 , 3 86 ( 2 , 5 0 , 5 ) 1 158 5
,
1
Đờng bão hoà nh hình vẽ :
Trang 15IV)Xác định các lực tác dụng lên đập:
Tính cho một mét dài đập
1)áp lực thuỷ tĩnh :
Tính cho một mét dài tờng
m = 3 m = 2,5
W1
W2
W3 G1 G2 G3
Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy:
P = γ.H = 32 T/m2
W1 = P.H/2 = 32.32/2 = 512 T
e = H/3 = 11m
áp lực nớc tác dụng trên mái dốc :
W2 = Vn.n = 32.32.11.1/2 = 5632 T
áp lực đẩy nổi :
W3 = 0,5.32.(34.3 + 5 + 34.2,5)/2 = 1536 T
Trọng lợng bản thân đập :
G1 = 34.3.34.1,52/2 = 2636 T
G2 = 34.5.1,52 = 258,4 T
G3 = 34.2,5.34.1,52/2 = 2196 T
Tổng trọng lợng : G = 5091 T
2)Tải trọng sóng tác dụng lên đập :
Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng:
Trang 16đỉnh đê
f
0.1Pd
0.4Pd
Pd
0.4Pd 0.1Pd
Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng đợc xác định theo công thức:
).
m / T ( h P k k
2 nb no
Trong đó:
-Trọng lợng riêng của nớc (=1T/m3).
h=2,3m-Chiều cao sóng.
2
P -áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h=2,3mP2 =1,9.
knb-Hệ số xác định theo bảng 2.4 với 0
0 2,5
h
ta có knb=0.
kno-Hệ số xác định theo công thức: k no 0,85 4,8.h m.(0,028 1,15 ) 0h
Vậy thay vào công thức 2-4 ta có Pd=0T/m2.
V)Kiểm tra ổn định của đập :
1)Kiểm tra ổn định tr ợt phẳng:
Tổng lực giữ :
Pgiữ = (G + W2 – W3 ).0,7 = (5091+5632-1536).0,7 = 6431 T
Tổng lực gây trợt :
Ptr = W1 = 512 T
Hệ số ổn định trợt : Ktr = 6431 12,6 1,5
512
giu
tr tr
P
K
Vậy đập ổn đinh trợt
2)Kiểm tra ổn định lật :
Tổng mô men giữ :
Mgiữ = G1.e1 + G2.e2 + G3.e3 + W2.e4
= 278486 Tm
Tổng mô men lật :
Mlật = W1.e5 + W3.e6 = 65315 Tm
-)Hệ số ổn định lật Kl = 4 26 1 , 5
65315
278486
l
giu
K M
M
Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật
