Đồ án công trình thủy

TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH I... Dùng các phương pháp tính thấm đã học để xác định lưu lượng thấm q, vẽ biểu đồ áp lực thấm lên bản đáy 2.. a – Nếu kết cấu đường viền thấm khôn

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TÍNH TOÁN LỰC VÀ THẤM

SỐ ĐỀ: 56 _ B

A TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH

I Tài liệu

1 Mực nước và cao trình

- Cao trình đáy đập: + 100 m

- MNDBT của hồ: 145 m

- Hđ = H1= MNDBT - đáy = 145-100 = 45 m

- Cao trình bùn cát lắng đọng: +108 m

- Mực nước hạ lưu: +105 m

2 Tài liệu mặt cắt đập (hình vẽ)

- Cao trình đỉnh đập: = MNDBT+5 m = 150 m

- Đỉnh mặt cơ bản nằm ngang MNDBT

- Bề rộng đỉnh B=5m; đáy B=0,8H1= 36 m

- Hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm: α1= 0,5

- Thành phần hình chiếu của mái thượng lưu trên mặt bằng : nB, trong đó n = 0,2

- Dung trọng bê tông: �b = 2,4 T/m3 = 24 KN/m3

3 Các tài liệu khác

Tốc độ gió tính toán: V = 28 m/s

Chiều dài truyền sóng: D = 2 km

Thời gian gió thổi liên tục: 6 giờ

Vùng xây dựng có động đất cấp 8: K=

Chỉ tiêu bùn cát lắng đọng: ɣk = 1,0 T/m3; nbc =0,45; φbc = 100

II Các yêu cầu tính toán

1 Xác định các yếu tố của sóng bình quân, độ dềnh cao nhất của sóng

2 Vẽ giản đồ áp lực sóng lên mặt đập thượng lưu, tính Pmax và Mmax

3 Xác định trị số và vẽ tất cả các lực lên 1 mét dài đập

B TÍNH THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH

I Tài liệu

Cống B có sơ đồ và kích thước như hình vẽ: L1=20 m, L2=11,5 m, S1=6 m, S2=3m, Z1=11 m, Z2=1 m, T0=12,5 m

II Yêu cầu tính toán

1 Dùng các phương pháp tính thấm đã học để xác định lưu lượng thấm q, vẽ biểu

đồ áp lực thấm lên bản đáy

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

3 Kiểm tra khả năng mất ổn định về thấm của nền.

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 thì các kết quả tính toán trên thay đổi như thế nào?

5 Nếu cống xây dựng ở vùng triều, khi cột nước đổi chiều các kết quả tính nào còn

sử dụng được? tại sao? Các đường viền thấm có cần thay đổi gì không? Tại sao?

A TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH

I Xác định các yếu tố của sóng

1.Các yếu tố sóng trung bình

Giả thiết là sóng nước sâu: sử dụng đồ thị hình P2-1 (trang 115 Đồ án Thủy Công) Tính các giá trị không thứ nguyên :

Tra đồ thị hình P2-1 ta được:

Lấy cặp giá trị nhỏ hơn:

Bước sóng trung bình được xác định theo công thức:

Kiểm tra điều kiện ban đầu:

H1= 45 m > = 6,75 (m) Vậy sóng là sóng nước sâu với các đặc trưng:

2 Chiều cao sóng với mức đảm bảo i% xác định theo công thức:

Trong đó ki% tra theo đồ thị hình P2-2 (trang 116 Giáo trình Đồ án Thủy Công)

Với  ki = 2,1

Vậy hi% = h’ = 2,1.0,72 = 1,512

3 Độ dềnh cao nhất của sóng :

ηs = kηs.h’

Trong đó : kηs xác định theo đồ thị P2-4a (trang 116 Đồ án Thủy Công)

Với  kηs = 1,13

h : Chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng (1%)

Vậy ηs = 1,13.1,512 = 1,71

(mực nước dâng bình thường nằm trên phần mái nghiêng của Đập nên không

có sóng leo)

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

a) Mặt thượng lưu :

.H1

Trong đó : n’ - hệ số mái nghiêng thượng lưu

n’ = cotgα = =

- Khối lượng riêng của nước (10KN/m3)

 W1 = 10.0,16.452 = 1620 (KN) Điểm đặt cách A về phía trái 1 đoạn :

x1 = B- = 36 - = 33,6 (m) Thành phần nằm ngang :

.H12 = 10.452 = 10125 (KN) Điểm đặt cách đáy : (m)

b) Mặt hạ lưu :

Thành phần thẳng đứng : h2

Trong đó :

 (KN) Điểm đặt cách A về phía trái :

Thành phần ngang : h22 = 125 (KN)

Điểm đặt cách đáy :

2 Áp lực sóng

Áp lực sóng lớn nhất được ứng với độ dềnh :

ηd = kηd.h’

Trong đó : kηd tra theo đồ thị hình (3-7c),Giáo trình thủy công tập I;

Với  kηs = 0,3

h : chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng (1%)

 ηd = kηd.h’ = 0,454 Trị số áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên mặt đập xác định theo công thức :

Trong đó : hệ số Kd xác định theo đồ thị hình P2-4c(trang 116 Đồ án Thủy Công)

Với  kd = 0,14

 = 96,86(KN) Momen lớn nhất đối với chân đập do sóng gây ra :

Trong đó hệ số Km xác định theo đồ thị P2-4d (trang 116 Đồ án thủy công)

Với  Km =0,21

 = 3324,12 (KNm) Điểm đặt cách đáy 1 đoạn :

3 Áp lực đẩy ngược

Công trình chịu 2 loại áp lực thấm đẩy ngược là Lực thấm đẩy ngược và Lực thủy tĩnh đẩy ngược (Do đập ngập phía hạ lưu)

- Áp lực thấm đẩy ngược :

Cường độ thấm đẩy ngược sau màn chống thấm là

Pmax = �n.α1.H Trong đó : α1 – hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm

H – cột nước thấm , H= H1 – h2 = 40 (m)

 Pmax = �n.α1.H = 10.0,5.40 = 200(KN) Tổng áp lực thấm đẩy ngược là :

Điểm đặt cách A về phía trái 1 đoạn :

Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược :

W5 = �n.B.h2 = 10.36.5 = 1800 (KN) Điểm đặt cách A về phía trái 1 đoạn x5= B/2 =

4 Áp lực bùn cát

- Thành phần thẳng đứng :

Với = 4,5 (KN/m3)

 = 23,04 (KN) Điểm đặt cách A về phía trái 1 đoạn :

- Thành phần nằm ngang:

Điểm đặt cách đáy :

5 Trọng lượng thân đập

Chia đập ra làm 3 hình nhỏ rồi xác định trọng lượng của từng phần rồi cộng lại

G= G1 + G2 + G3

Điểm đặt cách A về phía trái 1 đoạn:

Điểm đặt cách A về phía trái 1 đoạn :

 Tổng trọng lượng đập :

G = 3888 + 6000 + 10620,75 = 20508,75(KN)

6 Lực sinh ra khi có động đất

a) Lực quán tính động đất của công trình

Fđ = Kđ.α.G Trong đó: K – hệ số động đất (1/20)

α - hệ số đặc trưng động lực công trình

1 0

1 0,5.h

h

α = +

= 1,5

Lực động đất cùng phương ngược chiều với gia tốc động đất, điểm đặt tại trọng tâm mặt cắt tính toán

Điểm đặt cách đáy :

b) Áp lực nước thượng lưu tăng thêm do động đất

Wdt = K.�n.H1 = 0,5.0,05.10.422 = 506,25 (KN) Điểm đặt cách đáy:

c) Áp lực nước hạ lưu tăng thêm do động đất

Wđ = K.�n.h2 = 0,5.0,05.10.52 = 6,25(KN) Điểm đặt cách đáy : yđ = = 1,67(m)

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

W8 = 2.K.tg.W7

K- hệ số động đất

- góc ma sát trong của bùn cát ( = 100)

W7 – thành phần nằm ngang của áp lực bùn cát

 W8 = 2.0,05.tg100.101,39 = 1,79 (KN)

Điểm đặt cách đáy : y8=

3

3

h

=

8 3

= 2,67 m

Sơ đồ các lực tác dụng lên đập

Bảng tổng hợp lực tác dụng lên công trình

Thứ

tự

Lực tác dụng

P↓ ( + ) Q→ ( + ) Tay đòn MA (+)↷

III Kiểm Tra Ổn Định

Với hệ số an toàn: f = 0,65

Công trình cấp 3: Kn = 1,15

Điều kiện ổn định: f.∑P/∑Q ≥ Kn

f.∑P/∑Q = 0,377 <1,15 -> Vậy công trình bị trượt

B TÍNH THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH

I Tính theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng

Theo Lence đường viền thấm thẳng đứng có khả năng tiêu hao cột nước thấm lớn hơn đoạn nằm ngang m lần

Chiều dài tính toán của đường viền thấm xác định theo công thức:

Ltt = Lđ +

n

L m

Trong đó :

Lđ – chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên có góc nghiêng so với phương ngang lớn hơn hoặc bằng 450

Ln – chiều dài tổng cộng các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có góc nghiêng nhỏ hơn

450

m – hệ số phụ thuộc vào hàng cừ với 2 hàng cừ lấy m = 2,5

Lđ = 0,5+2S1 + 2S2 = 0,5+2.6+2.3 = 18,5 (m)

Ln = L1 + L2 = 20 +11,5 = 31,5 (m)

Ltt = 18,5 +

31,5 2,5 = 31,1 (m)

1) Tính toán lực đẩy ngược lên bản đáy

a) Áp lực thấm

Cột nước thấm tại 1 điểm cách điểm cuối đường viền thấm 1 đoạn dài tính toán

Xtt (xác định như Ltt) là :

 hE =

E tt

X L

.H =

10,6 31,1 10 = 3,41(m)

và hF =

F tt

X L

.H =

6 31,1 10 = 1,93 (m) Tổng áp lực thấm lên bản đáy cống:

Wth = �n 2

h + h

L2 = 10

3, 41 1,93 2

+ 11,5 = 307,05 (KN)

b) Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược

W1 = �n .(H2 +t).L2 = 10.(1+1).11,5 = 230 (KN)

2) Tính gradient thấm và lưu tốc thấm bình quân

- Trên đoạn đường viền đứng

Jđ =

tt

H L

=

10 11,5

= 0,87

Vđ = K.Jđ = 2.10-6 0,87 = 1,74.10-6 (m/s)

- Trên đoạn đường viền ngang

Jđ =

Jđ

m

=

0,87 2,5

= 0,348

3) Tính lưu lượng thấm

T1 - chiều dày tầng thấm dưới bản đáy cống T1 = 11,5m

q = K.J.T1 = 2.10-6.0,348.11,5 = 8.10-6(m2/s)

4) Độ bền thấm của nền

Nền là cát pha (đồng nhất đẳng hướng) Lấy C = 5

Kiểm tra theo công thức: Ltt >C.H

 31,1 < 5.10

 Nền không đảm bảo độ bền

II Tính theo phương pháp hệ số sức kháng

1) Phân đoạn

Chia miền thấm thành các bộ phận khác nhau 1, 2, 3, 4, 5 như trên hình vẽ

2) Xác định hệ số sức kháng của từng bộ phận

a) Bộ phận cửa vào và cửa ra

- Cửa vào (không cừ)

ào

0,5

0, 44 0, 44 0, 48

12,5

v

a T

- Cửa ra (không bậc)

S2 = 3m , T3 = T2 = T-1 = 12,5-1 = 11,5 m

2 3 2

2 3

3

0,5

0, 44 1,5

1 0,75

ra

S T S

S T

T

−

= 0,993 b) Bộ phận giữa (không bậc, cừ S1 = 6m,T1 = 11,5m)

Với điều kiện :

2 1

0,5 T 1 1

T

≤ = ≤

và 0<

2

S T

< 0,8 => thỏa mãn

1

1 2

2

0,5

1,5

1 0,75

g

S

S T

T

−

= 1,21 c) Bộ phận nằm ngang 1 (L1 = 20 m , S1 = 6 m, T1 = 11,5 m)

Kiểm tra điều kiện L1 = 20m >

1

2

S

= 3 m

1

1

0,5

n

T

= 1,48

Bộ phận nằm ngang 2

Kiểm tra điều kiện L2 = 11,5 >

2

S +S

= 4,5 (L2= 11,5 m , S2 = 3m , T2 = 11,5m)

2

2

0,5( )

n

T

= 0,61

Vậy

i v ra g n n

ξ ξ= +ξ + +ξ ξ +ξ

∑

= 0,48 + 0,993 + 1,21 + 1,48 + 0,61 = 4,773

3) Tính áp lực thấm

Tổn thất qua mỗi bộ phận được xác định theo công thức

hi =

i i

H

ξ ξ

∑ Trong đó :

i

ξ

- hệ số sức kháng của bộ phận đang xét ;

i

ξ

∑

- tổng hệ số sức kháng của toàn hệ thống

H – cột nước thấm (=10m)

10

0, 48

4, 773

h =

= 1,005 m

2

10 0,993

4, 773

h =

= 2,08 m

3

10

1, 21

4,773

h =

= 2,53 m

4

10

1, 48

4, 773

h =

= 3,1 m

5

10

0, 61

4,773

h =

= 1,28 m

Áp lực thấm lên bản đáy: Wth = �n

2

h +h +h

.L2 = 430,1 KN

Áp lực thủy tĩnh : Wtt = �n.(H2+t).L2 = 10(1+1)11,5 = 230 KN

4) Tính lưu lượng thấm

Công thức: q = K

i

H

ξ

∑

= 2.10-6.2,1 = 4,19.10-6 (m2/s)

5) Tính gradient thấm :

Xác định theo công thức

Jra =

1

H T

1

i

α ξ∑ Với α - hệ số

theo Antipov :

2

2

T S

π

;

T1 – lấy phía tầng thấm dày;

T2 – lấy phía tầng thấm mỏng;

S – chiều dày cừ tại cửa ra

 = 0,085

Vậy Jra =

10 11,5

1 0,085.4,773

= 2,14