Đồ án Thủy Công (Thiết kế đập đất và Tính toán công trình )

Đồ án Thủy Công được xây dựng và tính toán trên cơ sở kiến thức từ giáo trình Thủy Công, Thủy Lực, đảm bảo tính chính xác, kỹ thuật Xử lí các số liệu địa chất, đánh giá điều kiện xây dựng công trình Đề xuất phương án móng nông khả thi trên nền đất tự nhiên hoặc gia cố và chọn một phương án thiết kế Thiết kế phương án móng đã chọn.

ĐỒ ÁN SỐ 1: TÍNH TOÁN

LỰC VÀ THẤM

PHẦN I – ĐỀ BÀI

A TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH

I Tài liệu: Trong thành phần của cụm công trình đầu mối ở vùng núi có một đập

ngăn sông bằng bê tông Các tài liệu thiết kế như sau:

- Đỉnh của phần mặt cắt cơ bản (hình tam giác) ở ngang MNDBT

- Bề rộng đỉnh: b = 5 (m); đáy B = 0,8 Hd với Hd là chiều cao mặt cắt cơ bản

- Phần hình chiếu của mái thượng lưu trên mặt bằng: nB ; trong đó n = 0,2 (xem hình vẽ)

- Đập có màn chống thấm ở sát mép thượng lưu

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984

- Hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm  1 = 0,5.

- Vật liệu thân đập có dung trọng b = 2,4 (T/m3)

( 1 - n ) B nB

Mµn chèng thÊm CTBC = 108

- Tốc độ gió tính toán: V ; Chiều dài truyền sóng: D (ứng với MNDBT) xem bảng A

- Thời gian gió thổi liên tục: 6 (giờ)

- Vùng xây dựng có động đất cấp 8; (K = 201 )

- Các chỉ tiêu bùn cát lắng đọng: k= 1,0 T/m3; n b 0, 45 ; bh 100;

II Các yêu cầu tính toán

1 Xác định các yếu tố của sóng bình quân

B TÍNH THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH

I Tài liệu: Các cống B và C có sơ đồ và kích thước như trên hình B, hình C và bảng B.

Nền cống và đát cát pha (đồng nhất đẳng hướng) có các chỉ tiêu như sau:

   ; d50= 0,15m

II Yêu cầu tính toán

1 Dùng các phương pháp tính thấm đã học (tỷ lệ đường thẳng, hệ số sức kháng và đồ

giải) để xác định lưu lượng thấm q , vẽ biểu đồ và tính tổng áp lực đẩy ngược lên bản đáycống, tính gradien thấm bình quân và gradient thấm cục bộ ở cửa ra

2 So sánh các kết quả giải được bằng phương pháp nêu trên và cho nhận xét.

3 Kiểm tra khả năng mất ổn định về thấm của nền và nêu biện pháp xử lý (nếu cần)

4 a- Nếu kết cấu đường viền thấm không đổi nhưng hệ số thấm K thay đổi thì các kết

quả tính toán trên thay đổi như thế nào?

b- Nếu kết cấu đường viền thấm không đổi nhưng chênh lệch cột nước H thay đổi thìkết quả tính toán trên thay đổi như thế nào?

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984

5 Nếu cống xây dựng ở vùng triều (làm việc 2 chiều) khi chênh lệch cột nước đổi chiều

(giả sử trị số tuyệt đối của H không đổi) thì các kết quả tính toán nào còn có thể sử dụngđược, tại sao? Các kết cấu đường viền thấm có cần thay đổi gì không, tại sao?

Hình B: Sơ đồ cắt dọc cống B

Bảng B – Số liệu bài tập phần thấm

Đề số Sơ đồ L1( m ) L 2 ( m ) S 1 ( m ) Z 1 ( m ) Z 2 ( m ) T ( m )

1 Các yếu tố của sóng trung bình

Cần phân biệt hai trường hợp: Sóng nước sâu ( 1

2

H  ) và sóng nước nông ( 1

2

H  ) Vìban đầu chưa biết  nên có thể giả thiết là sóng nước sâu để tính.

Trường hợp sóng nước sâu: Sử dụng đồ thị hình P2-1 (phụ lục 2)

- Tính các giá trị không thứ nguyên V gt và V2

gD

Trong đó: g = 9,81 là gia tốc trọng trường ( m/s2)

t = 6 giờ = 21600 giây là thời gian gió thổi liên tục

9,81.6500

131,75 22

Vậy thỏa mãn điều kiện sóng nước sâu ( giả thiết đã cho đúng )

Vậy sóng tác dụng lên công trình là sóng nước sâu với các thông số sau:

+ Bước sóng là: λ = 22,2 (m)

+ Chu kì sóng là: τ = 3,77 (s)

2 Chiều cao sóng và mức bảo đảm i%:

Trong đó k i% tra theo đồ thị hình P2-2 (phụ lục 2)

Với i = 1% ta có công thức xác định chiều cao sóng là: h1 %=k1%..h

Trong đó: h là chiều cao sóng trung bình (h= 1,12 m)

H ( m ) h1 %( m ) h( m ) s( m ) ( m )  ( m )

3

H 3

II Xác định các lực tác dụng lên công trình (theo bài toán phẳng)

1 Áp lực thủy tĩnh: Tác dụng ở mặt thượng lưu và hạ lưu đập, bao gồm các thành

phần thẳng đứng và nằm ngang (xem hình 1-1)

a) Mặt thượng lưu:

 Thành phần thẳng đứng:

+ Phương : Thẳng đứng

+ Chiều : Hướng vào mái đập

+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của tam giác phân bố áp lực cách chân mái hạ lưu 1 đoạn

Trong đó: n: Trọng lượng riêng của nước: n = 9,81 (KN/m3)

H1: Mực nước thượng lưu ; H1 = 45.5 (m)

n,- Hệ số mái nghiêng thượng lưu ;

1 1

+ Chiều : Hướng vào mái đập

+ Điểm đặt : Cách đáy công trình một khoảng là: 1 45.5

2 n

21

.9,81.45,5 10154,6 ( )

b)Mặt hạ lưu

 Thành phần đứng

+ Phương : Thẳng đứng

+ Chiều : Từ trên xuống

+ Điểm đặt : Tại trọng tâm biểu đồ phân bố áp lực cách mép hạ lưu đập 1 đoạn bằng

45,5

n B H

1 9,81.0,82.5 100,55 ( ) 2

Thành phần ngang:

+ Phương : Nằm ngang

+ Chiều : Hướng vào mái hạ lưu đập

+ Điểm đặt : Cách đáy công trình 1 khoảng 2 5  

1.9,81.5 122,63 ( )2

2 Áp lực sóng

Khi xác định áp lực sóng tác dụng lên công trình cần xác định: độ dềnh lên s; độ

hạ thấp so với mực nước tĩnh ch; áp lực sóng lớn nhất Pmax; mômen đẩy Mmax

Nói chung khi sóng dềnh cao nhất, áp lực sóng lên mái đập không phải là lớn nhất

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984T

+ Áp lực sóng lên mái đập lớn nhất ứng với độ dềnh: d  k hd (1-8)

Trong đó: h – chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng 1%

Với hệ số kd = 0,21 tra ở đồ thị hình 3-7d (Giáo trình thủy công tập 1)

Các đại lượng khác như đã giải thích ở trên

2,37 ( ) 0, 21.9,81.2,37 45,5 227,94 (kN)

M k h       

 Vậy áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên đập được xác định :

+ Phương : Ngang

+ Chiều : Hướng vào thân đập

+ Điểm đặt : Cách mép đáy của công trình đoạn

- Lực thấm đẩy ngược: Biểu đồ phân bố áp lực thấm ngược coi gần đúng là hình tamgiác ( hình 1-1 ) có cường độ lớn nhất ở đầu (sau màn chống thấm):

+ Chiều : Hướng từ dưới lên;

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984

+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của tam giác phân bố áp lực cách mép đáy hạ lưu một

+ Chiều : Hướng từ dưới lên;

+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của hình chữ nhật cách mép đáy hạ lưu một khoảng

Do khối bùn cát lắng đọng trước đập gây ra Do mái đập thượng lưu nghiêng nên áplực bùn cát có 2 thành phần: Thẳng đứng và nằm ngang

 Thành phần thẳng đứng

+ Phương : Thẳng đứng

+ Chiều : Từ trên xuống

+ Điểm đặt : Cách mép chân đập phía hạ lưu một khoảng bằng :

Với: H3 = 108 - 100 = 8 (m) là chiều sâu bùn cát lắng đọng trước công trình;

n’- Hệ số mái nghiêng thượng lưu ; n’ = cotg  =

1

nB

H = 0, 2.36, 4 0,16

45,5 

+ Chiều : Hướng từ thượng lưu về phái hạ lưu;

+ Điểm đặt : Cách đáy đập một đoạn: 3 8

1

W 4,6.8 0,7 103,04 ( )

5 Trọng lượng của thân đập

Để dễ dàng tính toán lực do trọng lượng bản thân và điểm đặt của nó, mặt cắt đậpđược chia thành các phần hình tam giác và chữ nhật

Trọng lượng của phần đập có diện tích mặt cắt Fi sẽ là Gi = γb Fi ; Trọng lượng củatoàn đập sẽ là G = ∑Gi Điểm đặt của G được tìm theo quy tắc hợp các lực song song

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984

Hình 1-2 Sơ đồ tính toán trọng lượng thân đập

Gọi hệ trục tọa độ Oxy có O = (0 ; 0) là hệ trục tọa độ gốc

C1 (x1 ;y1) là tọa độ trọng tâm của phần tam giác thượng lưu

C2 (x2 ; y2) là tọa độ trọng tâm của phần hình chữ nhật

C3 (x3 ; y3) là tọa độ trọng tâm của phần tam giác hạ lưu

F1 ; F2 ; F3 lần lượt là diện tích của: Hình tam giác thượng lưu, hình chữ nhật và hình tam giác hạ lưu

y       m

+ Phần tam giác thượng lưu: G1  b.F1

Trong đó: b- Trọng lương riêng vật liệu làm đập; b=2,4 T/m3 = 24 kN/m3

+ Phần tam giác hạ lưu đập:

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984

 G3  b.F3  24.354, 49 8507,76 (  kN)Vậy trọng lượng của đập là:

Bao gồm các thành phần sau:

a) Lực quán tính động đất của công trình.

- Phương : Ngang

- Chiều : Từ phía thượng lưu về phía hạ lưu;

- Điểm đặt : Tại trọng tâm mặt cắt tính toán, cách đáy đập một đoạn bằng yc =16 (m)

h

h





 là hệ số đặc trưng động lực của công trình

Với: h1 là khoảng cách từ điểm tính toán đến mặt nền

h0 là khoảng cách từ trọng tâm công trình đến mặt nền

Lực quán tính động đất cùng phương ngược chiều với gia tốc động đất, điểm đặt tạitrọng tâm mặt cắt tính toán.

Ở đây chọn chiều bất lợi của lực động đất là chiều từ thuợng về hạ lưu đập (phươngngang)

b) Áp lực nước tăng thêm khi động đất

- Chiều : Hướng từ phía thượng lưu về phái hạ lưu đập

- Điểm đặt : Cách đáy đập một khoảng: 1 45,5  

c) Áp lực bùn cát tăng thêm khi có động đất

Theo chiều bất lợi đã chọn, động đất làm tăng áp lực chủ động của bùn cát thượng lưu.Trị số áp lực tăng thêm là: W8  2 K tgbh.W7

Trong đó: K là hệ số động đất; bh là góc ma sát trong của bùn cát

W7 là thành phần áp lực đất nằm ngang, như đã xác định ở trên

- Chiều : Hướng từ thượng lưu về hạ lưu

- Điểm đặt : Cách đáy công trình một đoạn: 3 8  

Tổng hợp tất cả các lực tác dụng lên công trình (bài toán phẳng) và mômen của chúng đối với mép biên hạ lưu đế đập (điểm D) theo bảng sau:

Đất nền và hai bên bờ công trình thuỷ lợi là loại đất thấm nước chỉ trong một số trường hợp đặc biệt là đất sét hoặc đá được xử lý tiếp giáp tốt thì mới được coi là không thấm nước khi công trình làm việc sẽ tạo ra chênh lệch mực nước thượng hạ lưu dòng nước di động qua các kẽ rỗng hai bên vai và qua đất nền tạo thành dòng thấm

Tác hại của dòng thấm:

 Gây mất nước cho hồ chứa

 Gây ra những áp lực tác động lên công trình

 Gây ra biến dạng đất nền và hai vai công trình

 Đối với dòng thấm hai vai công trình khi thoát nước ra ở hạ lưu sẽ gây ra hiệntượng làm ngập lụt trong một khu vực rộng lớn ở thượng lưu

I Nhiệm vụ và các phương pháp tính toán

1 Nhiệm vụ: Giải các bài toán thấm dưới đáy công trình cần xác định

- Lưu lượng thấm q

- Áp lực thấm lên bản đáy công trình Wt

- Trị số gradien thấm bình quân toàn miền thấm và cục bộ ở cửa ra để kiểm tra độ bềnthấm của nền J

- Vận tốc thấm V

Căn cứ vào các đại lượng tính toán người thiết kế sẽ xác định được các cách bố trí các

bộ phận của công trình mang tính hợp lý về cả mặt kinh tế và kỹ thuật

II Tính thấm theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng (sơ đồ hình 1-2)

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984T

Hình 1-2 : Sơ đồ tính thấm theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng

Theo Lence đoạn đường viền thấm thẳng đứng có khả năng tiêu hao cột nước thấm lớnhơn đoạn nằm ngang m lần Chiều dài tính toán của đường viền thấm xác định theo

Trong đó: Ld là chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên có góc

nghiêng so với phương ngang lớn hơn 450

Ln là chiều dài tổng cộng của các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có gócnghiêng so với phương ngang nhỏ hơn 450

m là hệ số phụ thuộc vào số hàng cừ trong sơ đồ đường viền thấm

Ta có:

 Ld = AB + BC + DE + EF + GH + HI

Ld = 3,5 + 3,0 + 4,5 + 4,0 + 1,0 + 1,0 = 17 (m)

 Ln = CD + FG

tt

x 

Trong đó : H là cột nước thấm toàn bộ; H = Z1 – Z2 = 7 – 1,5 = 5,5 (m)

Ltt = 28,83 (m) chiều dài tính toán đường viền thấm

Xtt là chiều dài tính toán đường viền thấm tại điểm tính toán, tổng áp

lực thấm lên bản đáy công trình là : Xtt = Xd +

b) Áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược:

Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược được tính theo công thức :

W1 = γn.( H2 + t ).L2

Trong đó : γn = 9,81 là trọng lượng riêng của nước

L2 = 12,5 (m) là chiều dài bản đáy công trình

H2 = 1,5 (m) là chiều cao mực nước hạ lưu

t = 1 (m) là chiều dày bản đáy công trình

=> W1 = γn.( H2 + t ).L2 = 9,81.( 1,5 + 1 ).12,5 = 306,56 (kN)

c) Kết luận :

 Áp lực thấm dưới đáy công trình phân bố dạng hình thang có :

+ Phương thẳng đứng

+ Chiều hướng vào đáy công trình

+ Điểm đặt tại trọng tâm hình thang

+ Độ lớn : Wth= 171,68 (kN)

 Áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược dưới bản đáy công trình phân bố dạng hình chữ nhật có:

+ Phương thẳng đứng

+ Chiều hướng vào bản đáy công trình

+ Điểm đặt tại trọng tâm hình

+ Độ lớn : W1 = 306,56 ( kN)

2 Tính gradien thấm và lưu tốc thấm bình quân

Trên đoạn đường viền thẳng đứng:

tt

H J L

d n

J J m

Jn = 0,063 gradien thấm theo phương ngang

T1- Chiều dày tầng thấm dưới bản đáy cống

Vậy lưu lượng thấm là : q = 1,6065.10-6

( m2

/s)

4 Kiểm tra độ bền thấm của nền:

Theo phương pháp này chỉ có thể sơ bộ kiểm tra độ bền thấm chung của nền theo côngthức: L tt C H

Trong đó:Ltt = 28,83 (m) là chiều dài tính toán đường viền thấm

H = 5,5 (m) là cột nước thấm

C là hệ số phụ thuộc tính chất đất nền ; tra bảng P3-1 (phụ lục 3) ta có C = 4

=> C.H = 4.5,5 = 22 (m)

=> Ltt = 28,83 (m) > C.H = 22 (m)

Vậy chiều dài đường viền thấm đã đủ dài để đảm bảo dộ bền thấm chung

III Tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng (sơ đồ hình 1-3)

Với các đường viền thấm phức tạp có hai hay nhiều hàng cừ thì nhà bác họcPavơlôpxki đã dùng phương pháp phân đoạn và Trugarap đã phát triển thành phươngpháp hệ số sức kháng

Theo phương pháp này thấm dưới đáy công trình chia thành các đoạn chứa đườngviền thấm nằm ngang Đường ranh giới hai bộ phận kề nhau chính là đường thế đi quagiao điểm các đoạn đường viền thẳng đứng và các đoạn đường thẳng nằm ngang

Hình 1-3 : Sơ đồ tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng

1 Phân đoạn: Dùng các đường thế đi qua các điểm đường viền chuyển tiếp từ đoạn

thẳng đứng sang đoạn nằm ngang hoặc ngược lại để chia miền thấm thành các miền con(bộ phận) khác nhau (các bộ phận 1, 2, 3, 4, 5 như trên hình 1-3)

2 Xác định hệ số sức kháng của từng bộ phận

a) Bộ phận cửa vào và cửa ra:

- Tại vị trí cửa vào: Có cừ, có bậc nên

1

1 1

0 1 0 , 75

5 , 0 5

, 1 44

, 0

T S T S T

S T

Trong đó: a = 0,5 ( m ) là độ cao của bậc

S = 3 (m) là chiều sâu đóng cừ tại cửa vào

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984T

T0 = 13,5 (m) là chiều sâu của tầng thấm bên ngoài sân phủ

T1 = 13,5 – 0,5 = 13 (m) là chiều dày miền thấm dưới đáy sân phủ

75 , 0 1

5 , 0

T S T S



Trong đó :

S2 = 1,0 m là chiều sâu đóng cừ tại cửa ra

T2 = 13,5 – 1 = 12,5 ( m ) là chiều sâu tầng không thấm tại cửa ra

 r = 0,44 + 1,5 1

12,5 +

1 0,5.

12,5 1

0,9613

S T T T

S0< 0,08 0,8T

T0,5< 0,96 < 1,0

 điều kiện đã thoả mãn

Vậy cả hai điều kiện đã thoả mãn nên:

2 1 2 1

2

1 1

1

75 , 0 1

5 , 0 5

, 1

T S T S T

S T

Với T1 = 13 (m) là chiều dày thấm nằm giữa S0, S1

Trong đó: K= 2.10-6 (m/s) là hệ số thấm của đất nền

Ở đây, ta chỉ tính cho phần bản đáy:

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984T

J =

2

.T K q

Trong đó: q = 2,4.10-6 (m3/s) là lưu lượng thấm

K = 2.10-6 (m/s) là hệ số thấm của nền

T2 = 12,5 (m) là chiều sâu tầng thấm

6 6

2,32.10

0,192.1012,5

q T

- Tất cả các đường dòng và đường đẳng thế phải trực giao nhau

- Các ô lưới phải là các hình vuông cong (trung đoạn của mỗi ô lưới phải bằng nhau)

- Tiếp tuyến của các đường đẳng thế vẽ từ các điểm góc của đường viền phải trùng vớiđường phân giác của góc đó

- Các giới hạn của lưới thấm

+ Đường thế đầu tiên: Mặt nền thấm phía thượng lưu

+ Đường thế cuối cùng: Mặt nền thấm phía hạ lưu

+ Đường dòng đầu tiên: Đường viền thấm dưới đáy công trình

+ Đường dòng cuối cùng: Mặt tầng không thấm

Miền thấm giữa 2 đường thế kề nhau gọi là dải

Miền thấm giữa 2 đường dòng kề nhau gọi là ống dòng

Sơ đồ thấm trên hình ( 1- 4 ) có 24 dải và 7 ống dòng

1

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Jtb4Jtb1 Jtb2 Jtb3

H

Jtb5

IE

H2S

hG

(H2 + t)hH

t

Jtb

Hình 1-4 : Sơ đồ lưới thấm và biểu đồ áp lực ngược lên bản đáy cống

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984T

H i n

H i

m K

q 

Trong đó: m =7 : là số ống dòng

5 Kiểm tra độ bền thấm của nền.

Có biểu đồ Jra, sẽ kiểm tra được độ bền thấm cục bộ của nền ở cửa ra Vì đất nền cống

SVTH: Ngô Quang Tuấn MSV: 1251051984T

là cát pha nên khả năng phá hoại do dòng thấm có thể là xói ngầm cơ học Điều kiện khikhi đó là: J ≤ [J]

Trong đó: J là gradien thấm cục bộ tại cửa ra

[J] là gradient thấm cho phép không xói ngầm, có thể xác định theo biểu

đồ của Itômina, theo đó [J] phụ thuộc vào hệ số không đều hạt của đất

15 10

+ Theo phương pháp vẽ lưới thấm : q = 3,208.10-6 (m2/s)

Qua tính toán mỗi phương pháp cho một kết quả, vì vậy có thể nói các phương pháp có

sự chính xác tương đối Trường hợp tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng có độ chính xác cao hơn hai phương pháp còn lại Phương pháp tính thấm bằng cách vẽ lưới

sẽ cho phép ta tính được Gradien thấm tại mọi điểm mà hai phương pháp trên không thểtính được, mà chỉ tính được một vị trí Đặc biệt là chỉ có vẽ lưới mới tính được Gradien thấm, cửa ra ở hạ lưu là nơi mà đất hay bị lở Trường hợp tính toán cho công trình cấp thấp thì có thể sử dụng một trong ba phương pháp, tuy nhiên nếu ta cần sự chính xác thì tính cho cả ba phương pháp rồi lấy kết quả trung bình :