1.2.Tài liệu về thuỷ văn: Mực nớc TL H1m Mực nớc HL Chiều cao sóng Hsm Bớc sóng TB λ m Hệ số thấm α1 II.Yêu cầu: tuần Thực hiện 1 Thiết kế mặt cắt của đập 2 Xác định kích thớc của tờng
Trang 1PhầnI : Nhiệm vụ bài tập lớn.
Đề số 12 : (8-6-9)
-Thiết kế đập BTTL theo phơng pháp tỷ lệ đơng thẳng
-Thiết kế đập đồng chất có tờng nghiêng và chân khay
-Thiết kế đập đá có tờng nghiêng
Sinh viên: Nguễn Duy Tuyên
Ngày giao:14/01/2005
Ngày nộp:04/2005
I/ Số liệu ban đầu
1.1.Tài liệu địa chất:
Loại đất:
γ0
(T/m3) γa
(T/m3) σ
kG/cm2
T m
k1
(m/s)
k2
m/24h
k3
m/24h
θ S1 (m) S2 (m) S3 (m) C (T/m2) f t (m)
k1-Hệ số thấm của đất nền
k2-Hệ số thấm của đập
k3-Hệ số thấm của tờng
1.2.Tài liệu về thuỷ văn:
Mực nớc TL
H1(m)
Mực nớc HL Chiều cao sóng
Hs(m) Bớc sóng TB λ
(m)
Hệ số thấm
α1
II.Yêu cầu:
(tuần)
Thực hiện
1 Thiết kế mặt cắt của đập
2 Xác định kích thớc của tờng nghiêng và chân khay
3 Xác định lu lợng thấm và đờng bão hoà của đập
4 Xác định các lực tác dụng lên đập
5
Kiểm tra ổn định của đập:
-Kiểm tra ổn định trợt phẳng
-Kiểm tra ổn định lật
-Kiểm tra ổn định trợt của mái dốc theo phơng pháp
tr-ợt cung tròn
Trang 2Phần II : Nội dung tính toán.
Ch
ơng1: Thiết kế đập bêtông trọng lực.
Số liệu :
-Mực nớc thợng lu : H1 = 28
-Mực nớc hạ lu : H2 = 0
-Trọng lợng riêng của tờng : γđ = 2.3m3
-Hệ số thấm của nền : Kn = 10-7 cm/s
-Lực dính : C = 1 T/m2
-Hệ số ma sát f=0,7
-Chiều sâu tầng không thấm : 8 m
-Chiều sâu cừ giữa: 2,5m
I Xác định bề dày của đập :
-Ta thiết kế cho đẩp trọng lực tràn nớc
1 Cao trình đỉnh đập :
CTĐĐ = MNTL + d CTĐĐ = 28+ 1.5 = 29.5 m
2 Xác định chiều rộng của đập theo điều kiện ứng suất và điều kiện tr ợt
Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao là 29.5m và chiều rộng đáy là B hình chiếu mái thợng lu là nB ,hình chiếu mái hạ lu là (1-n)B
- Có
n=1-γ
γ
2
1 =>n=-0.1.Vì n=-0,1 nghĩa là mái dốc thợng lu đập có độ dốc
ng-ợc ,gây khó khăn cho việc thi công ,mặt khác có thể phát sinh ứng suất kéo trên mặt hạ lu,do đó lấy n=0 Vậy chiều rộng đáy đập tính theo công thức sau:
1
1 α γ
γ −
B
(lấy α1=0,5)⇒B=0,78.h
=>B=23m.Và thoả mãn ổn định trựơt vì B∈[0,87.h;0,7.h]
3.Mái dốc thân đập :
Mái dốc đập thợng lu : m0 = 0
Mái dốc đập hạ lu : m1 = 0,7
4.Xác định ứng suất của đập
- ứng suất theo phơng 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
= σ Trong đó
ΣG= W +G- W
Trang 3W2:áp lực nớc thẳng đứng tác dụng lên mái đập thợng lu (=0)
G:Trọng lợng bản thân công trình
Wt :áp lực đẩy nổi dới đáy đập
2
2
2
.
1 1
h B h
B n h B
∑
α1 :Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=0.5)
γ1 :Trọng lợng riêng của vật liệu làm thân đập (=2,2T/m3)
γ :Trọng lợng riêng của nớc (=1T/m3)
3
2 2
) 3 2
( 2
6
2
3
.
2
0
−
−
−
− +
=
B Bh nB
B h B n B
h B h
h
-Thay số ta có ΣG=424T
ΣM0= 2172T.m
Vậy ứng suất theo phơng thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập là:
2 0
6
B
M B
= σ Thay số vào ta có σ= 23 2
2172 6 23
424± ì
σmax=43.07T/m2
σmin=-6.2T/m2
Các giá trị trên đều nhỏ hơn cờng độ tính toán của bê tông về khả năng chịu kéo và nén
5.Kiểm tra lại điều kiện ổn định tr ợt của đập
-Ta có điều kiện ổn định trợt 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)
ΣG:Tổng các lực tác dụng lên mặt cắt
W1:áp lực nớc nằm ngang tác dụng lên mái đập thợng lu
W .H γn
2
1
1 =
=>W1=392 T
Ta có:
ΣG= W2+G- Wt
Trang 4Trong đó:
G:Trọng lợng bản thân công trình G=1/2
(b+B).H.γđ=1/2*(5+23)*29.5*2.3=950T
W2:áp lực nớc thẳng đứng tác dụng lên mái đập thợng lu (=0)
Wt :áp lực đẩy nổi dới đáy đập
1
2
α1 :Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=0.5)
=>Wt=1/2*23*29.5*1*0,5=170 T
Vậy ΣG= W2+G- Wt=950-170=780 T
⇒Ta có :
W1=392T<f.ΣG=0,7.780=564T Đập là ổn định với kích thớc trên
II.Xác định l u l ợng thấm qua đáy đập theo ph ơng pháp hệ số sức kháng.
Đây là phơng pháp gần đúng để xác định lu lợng thấm qua đáy đập.Trong thực tế xây dựng các đoạn thẳng đờng viền có thể chia làm 3 bộ phận:
-Bộ phận cửa vào có cừ thợng lu
-Bộ phận giữa thờng có cừ
-Bộ phận cửa ra có cừ hạ lu
Khi đó lu lợng thấm qua đập đợc xác định theo công thức sau:
∑
=
i
H k q
ξ
.
(1-1)
Trong đó:
H-Độ chênh cột nớc trên các đoạn đờng viền.(H=28m)
k-Hệ số thấm (k=10-7m/s)
r c n n v
ξc-Hệ số sức kháng của cừ
ξv-Hệ số sức kháng bộ phận cửa vào
ξr-Hệ số sức kháng bộ phận cửa ra
ξn’ ξn’’ -Hệ số sức kháng bộ phận nằm ngang
Trong trờng hợp tổng quát ta có:
ξc=
2 1 2 1
2
1 1
1
75 , 0 1
5 , 0
5 , 1
T S T S T
S T
a
−
+
ξv=ξr=0 , 44 + ξ +b ξc (1-3)
ξn’ + ξn’’ =ξn=
T
S S
l− 0 , 5 ( 2− 1)
(1-4)
Với:
S =0
Trang 5S2=3m-Chiều sâu cừ giữa.
S3=0
T1 ;T2 ;T-Lần lợt là chiều sâu tầng thấm ở sân trớc ,sân sau và thợng lu
a1; ξb-Lần lợt là chiều cao bậc và hệ số sức kháng của bậc
Theo giả thiết ta chọn công trình không có bậc a1=0; ξb=0 và
T=T1=T2=8m Ta có sơ đồ tính nh sau:
Tầng Không thấm nuớc
Thay các giá trị trên vào công thức 1-2 ;1-3; 1-4 ta có:
ξ c =0; ξ v = ξ r =0.44 ; ξ n =2.375.
⇒ ∑ξi = 2 815
Từ công thức 1-1 ta có q=8.17.10 -7 m 3 /s.
Vậy qua tính toán ta có lu lợng thấm qua nền công trình là q=8.17.10 -7 m 3 /s.
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 nớc áp lực đẩy nổi.
3.1.Xác định tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng t ờng đứng.
Tải trọng ngang lớn nhất tác dụng lên công trình là:
).
2 (
.
max
h H h k
Mô men lớn nhất tác dụng lên công trình là:
) 2 2
12 (
.
2 2
max
H H h h h k
Trong đó:
k m ;k d - Là hệ số phụ thuộc vào tỷ số
λ
h
và
H
λ
đợc tra theo bảng 2.5 giáo trình thuỷ công Với
λ
h
=0.186 và
H
λ
=0.957 ta có k m =0.25 ; k d =0.28.
λ -Chiều dài sóng ( λ =14,5m).
Trang 6h=4.1m-Chiều cao sóng.
H=28 m-Chiều cao cột nớc thợng lu.
γ =1T/m 3 -trọng lợng riêng của nứơc.
Thay số vào các công thức 1-5 ;1-6 ta có P max =28.76T; M max =705.9Tm.
3.2.Xác định tải trọng bản thân, áp lực n ớc, áp lực đẩy nổi.
Các tải trọng này đợc tính toán ở phần trên Vậy ta có sơ đồ lực nh sau:
Tầng Không thấm nuớc Fnc
IV.Tính toán ổn định công trình.
4.1.Xác định ổn định trợt của công trình.
Do việc xác định bề rộng đập thoả mãn điều kiện trợt phẳng Tuy nhiên 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 nh trên ta có:
Tổng mô men giữ là:
Mg=442.5*21+763.75*12=18447Tm
Tổng mô men lật là:
Ml=392*9.333+548.4*14.75+705.9=13915.4Tm
Hệ số ổn định lật là:
4 13915
l
M M
Vậy công trình đảm bảo ổn định lật
Trang 7nhiêng và chân khay.
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 = 28 + 2 = 30 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 ữ 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 = 19 m < 40 m thì :
- Mái thợng lu m = 0,05.H + 2 = 3,15 -Mái hạ lu m 1 = 0,05.H + 1,5 = 1.65
Vậy ta chọn m=3; m1=2,5.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 = 0,1.28 = 2.8 m ,chọn t2 = 3 m
2) Kích thớc chân khay:
Chân khay có bề dày không thay đổi t = t2 = 2 m
Chiều cao chân khay : T bằng chiều sâu từ chân đập đến tầng không thấm nớc :
T = 9,5 m :
Mặt cắt ngang đập nh hình vẽ:
Trang 8m = 3 m = 2,5
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 Given
t
⋅ h1
2
− − z02
2 ⋅ δ ⋅ sin( )α +
⋅
Trong đó :
m – mái dốc đập thợng lu ( m = 3)
h 1 – mực nớc thợng lu ( h 1 = 28m )
q – lu lợng thấm qua đập tính cho 1 m dài ( m/s)
K – hệ số thấm của đập ( K = 0,4m/24h)
k 0 : hệ số thấm của tờng (k 0 = 0,004 m/24h)
δ : chiều dày trung bình của tờng δ = 2 m
m 1 – mái dốc hạ lu đập ( m 1 = 2,5 )
T : chiều dày tầng không thấm T = 9,5 m
Giải 2 phơng trình trên ta tìm đợc : q , h 3
k1 := 0.01 k0 := 0.004 k := 0.4 h1 := 19 T := 9.5 t := 2 α 18.43 π
180
⋅ :=
Given
q k0 h1 ( − h3 ) T
t
2
h32
− − z02
2 1.5 ⋅ ⋅ sin( )α +
⋅
q k T⋅( + h3)2 − T2
2 1.5 m h3 ⋅ ( − ⋅ )
Find h3 q ( , ) 0.296
1.874
=
Trang 9Giải hệ : q = 0.386 m/ngđ = 4.468.10 -6 m/s
h3 = 2,674 m
-)Đờng bão hoà
m
a
o
5 ,
1
= +
= +
=
⇒ +
Đờng bão hoà nh hình vẽ :
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 tờng
W1
W2
W3
Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy:
P = γ.H = 28 T/m 2
W 1 = P.H/2 = 28.28/2 = 392 T
e = H/3 = 9.3m
áp lực nớc tác dụng trên mái dốc :
W 2 = V n γ n = 28*9.3*28*1/2 = 3645.6 T
áp lực đẩy nổi :
W3 = 0,5.28.(30.3 + 5 + 30.2,5)/2 = 1365 T
Trang 10Trọng lợng bản thân đập :
G1 = 30.3.30.1,45/2 = 1957.5 T
G2 = 30.5.1,45 = 217.5 T
G3 = 30.2,5.30.1,45/2 = 1631.25 T
Tổng trọng lợng : G = 3806.25 T
2)Tải trọng sóng tác dụng lên đập :
Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng:
MNTT
đỉnh 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:
γ -Trọng lợng riêng của nớc ( γ =1T/m 3 ).
h=2,5m-Chiều cao sóng.
2
P -áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h=2,5m ⇒P2 =1,9.
k nb -Hệ số xác định theo bảng 2.4 với 5 , 6
5 , 2
14
λ
ta có k nb =0,85.
k no -Hệ số xác định theo công thức:
176 , 1 ) 14
5 , 2 15 , 1 028 , 0 (
3 14
5 , 2 8 , 4 85 , 0 )
h 15 , 1 028 , 0 (
m
h 8 , 4
85
,
0
λ
λ
Vậy thay vào công thức 2-4 ta có P d =4,75T/m 2
Xác định tung độ z 2 :
).
)(
1 2 1 (
2
m A
Trong đó:
9
10 ) 5 , 2
14 23 , 0 47 , 0 ( 5 , 2 m
m 1 ) h 23 , 0 47 , 0 (
2
= +
=
+
B=h 0 , 95−( 0 , 84 m−0 , 25 ).λh=1 , 36
Thay A, B và m=3 vào công thức 2-5 ta có z2= 2,55m
Xác định các khoảng cách li:
l1=0,0125Lα ;l2=0,0265Lα ; l3=0,0325Lα ; l4=0,0675Lα (2-6)
Với L = m .λ = 3 . 14 = 24 , 97 m
Trang 11Thay Lα vào hệ thống công thức 2-6 ta có l1=0,312m; l2=0,662m ; l3=0,812m;
l4=1,685m
V)Kiểm tra ổn định của đập :
Tổng lực giữ :
P giữ = (G + W2 – W3 + 2.P d cosα).0,7 = (3806.25 + 3645.6 – 1365 +
2*4,75.cos18,43 ).0,7 = 4267.2 T
Tổng lực gây trợt :
P tr = W1 + 2.P d sinα = 392 + 2.4,75.sin18,43 = 401.1 T
1 401
2
tr
giu
K P
P
Vậy đập ổn đinh trợt
2)Kiểm tra ổn định lật :
Tổng mô men giữ :
M giữ = G1.e1 + G2.e2 + G3.e3 + W2.e4
= 278486 Tm
Tổng mô men lật :
M lật = W1.e5 + W3.e6 = 65315 Tm
65315
l
giu
K M
M
Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật
Trang 12ơng III : Thiết kế đập Đá có tờng nghiêng
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 = 28 + 2 = 30 m
2.Chiều rộng đỉnh đập :
Chiều rộng đỉnh đập đợc xác định theo yêu cầu cấu tạo , giao thông
B = 0.1 H
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 = 30 m:
- Mái thợng lu m = 2.5
-Mái hạ lu m 1 = 1.5
Ta tính toán cho trờng hợp mái dốc không đổi và không có bậc cơ
4.Xác định kích th ớc của t ờng nghiêng :
Chọn bề dày t1 = 1 m
Chọn bề dày t2 = 3 m
Mặt cắt ngang đập nh hình vẽ:
Trang 13II) Tính toán l u l ợng thấm qua đập :
H 1
L
y
H 2
Mục đích chủ yếu tính thấm qua đập đá là xác định lu lợng thấm qua tơng
nghiêng Do môi trờng đá đổ có khe rỗng đá lớn cho nên sự chuyển động của nớc không tuân theo định luật Đacxy dòng thấm qua đá là dòng chảy rối có thể tính gần đúng theo công thức của Pa vơ lốp ki sơ đồ tính nh hình vẽ trên.
Ta có phơng trình lu lợng thấm nh sau :
α
α
sin 2
2 2
2 1
a
H t
H k
Trong đó :
q-lu lợng thấm đơn vị
k-hệ số thấm của đá
a-bề dày trung bình của tờng nghiêng (a=
2
2
1 t
=2 m )
α -góc nghiêng của đờng trung bình trong tờng nghiêng so với đờng nằm
ngang(20.5 0 )
Khi hạ lu đập không có nớc H 2 =0 lu lợng đợc tính gần đúng theo công thức :
=
=
⇒
=
α α
2 1
2
k q H
q
48 2 004 0
28 2
Trang 14)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
W1
W2
W3
Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy:
P = γ.H = 28 T/m 2
W 1 = P.H/2 = 28.28/2 = 392 T
e = H/3 = 9.3m
áp lực nớc tác dụng trên mái dốc :
W 2 = V n γ n = 28*9.3*28*1/2 = 3645.6 T
áp lực đẩy nổi :
W3 = 0,5.28.(30.3 + 5 + 30.2,5)/2 = 1365 T
Trọng lợng bản thân đập :
G1 = 30.3.30.1,45/2 = 1957.5 T
G2 = 30.5.1,45 = 217.5 T
G3 = 30.2,5.30.1,45/2 = 1631.25 T
Tổng trọng lợng : G = 3806.25 T
2)Tải trọng sóng tác dụng lên đập :
Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng:
MNTT
đỉnh 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:
γ -Trọng lợng riêng của nớc ( γ =1T/m 3 ).
Trang 15P -áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h=2,5m ⇒P2 =1,9.
k nb -Hệ số xác định theo bảng 2.4 với 5 , 6
5 , 2
14
λ
ta có k nb =0,85.
k no -Hệ số xác định theo công thức:
176 , 1 ) 14
5 , 2 15 , 1 028 , 0 (
3 14
5 , 2 8 , 4 85 , 0 )
h 15 , 1 028 , 0 (
m
h 8 , 4
85
,
0
λ
λ
Vậy thay vào công thức 2-4 ta có P d =4,75T/m 2
Xác định tung độ z 2 :
).
)(
1 2 1 (
2
m A
Trong đó:
9
10 ) 5 , 2
14 23 , 0 47 , 0 ( 5 , 2 m
m 1 ) h 23 , 0 47 , 0 (
2
= +
=
+
B=h 0 , 95−( 0 , 84 m−0 , 25 ).λh=1 , 36
Thay A, B và m=3 vào công thức 2-5 ta có z2= 2,55m
Xác định các khoảng cách li:
l1=0,0125Lα ;l2=0,0265Lα ; l3=0,0325Lα ; l4=0,0675Lα (2-6)
8
14 3 1 m
m
4
− λ
Thay Lα vào hệ thống công thức 2-6 ta có l1=0,312m; l2=0,662m ; l3=0,812m;
l4=1,685m
IV)Kiểm tra ổn định của đập
Việc kiểm tra ổn định của đập tơng tự nh đập đất đồng chất do đó ở đây ta không tính lại nữa.(do đậpcó trọng lợng lớn hơn đập đât và có áp lực đẩy nổi nhỏ hơn do co
hệ số rỗng lớnnên ta coi là an toàn và không cân kiểm tra)
