Đồ án thủy công 1 Thiết kế đập đất

Tuyến được chọn phải thuận lợi cho việc bố trí đường tràn tháo lũ và giá thành đường tràn tháo lũ là rẻ nhất, hạn chế dòng chảy theo mái đập và thuận lợi cho việc bố trí các công trình n

PHẦN I - GIỚI THIỆU CHUNG

VỀ CÔNG TRÌNH VÀ CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN

I Nhiệm vụ công trình

Xây dựng hồ chứa nước trên sông với các nhiệm vụ chính là:

1 Cấp nước tưới cho 5000 ha ruộng đất canh tác

2 Cấp nước sinh hoạt cho 7000 dân

3 Kết hợp nuôi trồng thủy sản và du lịch sinh thái

4 Kết hợp thủy điện nhỏ với công suất N= 1000KW

II Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối

Tại đầu mối có 3 hạng mục công trình chủ yếu được xây dựng:

1 Đập chính ngăn sông – được chọn phương án là đập đất

2 Công trình tràn tháo lũ với 2 phương án có thể lựa chọn là Đường tràn dọc hoặc máng tràn ngang; Tràn hoạt động theo kiểu tràn tự do

3 Một cống ngầm lấy nước có tháp đóng mở đặt dưới thân đập đất để lấy nước phục vụ tưới

III Các tài liệu cơ bản dùng để thiết kế

1 Tài liệu địa hình

2 Tài liệu về vật liệu xây dựng

3 Các đặc trưng của hồ chứa

4 Tài liệu phục vụ việc thiết kế cống lấy nước

IV Phân tích chọn tuyến đập và tuyến cống lấy nước

Việc chọn tuyến xây dựng công trình phải dựa vào bình đồ khu vực cần xây dựng công trình và kết quỏ trình khảo sỏt tỡnh hình địa chất của khu vực:

+ Về mặt địa hình : cần phải cố gắng chọn tuyến hẹp để giảm được khối lượng đắp đập chính nhưng củng phải cần quan tâm đến tuyến đập phụ (nếu có) để tổng khối lượng của cả công trình là nhỏ nhất

Ngoài ra cần phải tìm cách để giảm diện tích mặt hồ (nếu có thể được) để cho diện tích ngập lụt nhỏ nhất để giảm thiệt hại và lượng bóc hơi mặt thoáng

Tuyến được chọn phải thuận lợi cho việc bố trí đường tràn tháo lũ và giá thành đường tràn tháo lũ là rẻ nhất, hạn chế dòng chảy theo mái đập và thuận lợi cho việc bố trí các công trình nối tiếp ở hạ lưu cùng với các công trình trong hệ thống

+ Về mặt địa chất chọn tuyến có nền đồng chất và vững chắc không có nứt gãy lớn, các chỉ số , C lớn, hệ số thấm bộ, chiều dày tầng thấm nhỏ

+ Về điều kiện thi công : tuyến được chọn phải thuận lợi cho việc dẫn dòng thi công, giao thông đi lai vận chuyển vật liệu thi công và máy móc thiết bị thi công dể dàng thuận lợi

V Phân tích chọn loại đập

Căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và căn cứ vào vật liệu xây dựng đó đã nêu ở trên ta thấy điều kiện điều kiện về vật liệu xây dựng rất thuận lợi để tiến hành xây dựng

đập đất, ta chọn loại hình đập là đập đất để hạ giá thành sản xuất, và tận dụng được

nguồn vật liệu địa phương, rút ngắn thời gian thi công

b Theo nhiệm vụ của công trình: Tra bảng P1-2

Tưới cho 5000 ha: công trình cấp III

Phát điện với công suất 1000 kW: công trình cấp IV

- Tần suất kiểm tra: P = 0,1%

- Hệ số tin cậy kn : Tra bảng P1-6 ta có kn = 1,20

- Tần suất gió lớn nhất và gió bình quân lớn nhất (QPTL C1-78), các mức đảm bảo sóng (Bảng P2-1)

1.1 Cao trình đỉnh đập

Khi thiết kế đập cần xét điều kiện không cho nước tràn qua đỉnh đập trong mọi trường hợp làm việc; mặt khác đập không quá cao để đảm bảo điều kiện kinh tế Để quyết định chọn cao trình đỉnh đập nên tiến hành tính toán trong hai trường hợp sau

- Tương ứng với MNDBT ở thượng lưu có xét tới chiều cao sóng leo và nước dềnh do gió lớn nhất tính toán

Z1= MNDBT +  h + hSL + a

- Tương ứng với MNDGC ở thượng lưu (Khi xả lưu lượng lũ lớn nhất tính toán) đồng thời có xét tới chiều cao sóng leo lên mái đập và nước dềnh do gió bình quân lớn nhất (Không kể hướng )

+ a, a’ và a” : Độ vượt cao an toàn (tra bảng 4-1 14TCN 157-2005)

Cao trình đỉnh đập được lấy tương ứng với trường hợp bất lợi nhất trong 3 trường hợp trên Ngoài ra đỉnh đập không được thấp hơn mực nước lũ kiểm tra (Với tần suất lũ kiểm tra được xác định theo quy phạm)

a) Xác định Δh, h sl ứng với gió lớn nhất V :

* Xác định  h: h = 2.10-6 S

H g

D

.2

hs1% - Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1%

K1,K2: các hệ số phụ thuộc vào độ nhám tương đối và đặc trưng vật liệu gia

cố mặt đậ được tra bảng P2-3

K3: Hệ số phụ thuộc vào tốc độ gió và hệ số mái nghiêng m Tra bảng P2-4

K4: Hệ số được xác định nhờ đồ thị hình P2-3 phụ thuộc vào hệ số mái nghiêng của công trình m ; và trị số

Xác định hs1%

Giả thiết sóng là sóng nước sâu tức là : H 0,5 

+ Tính các giá trị không thứ nguyên 2

V

gD va V

45, 03 32

gt V gD V

Theo quy phạm ta chọn cặp giá trị nhỏ nhất là

Chiều cao sóng trung bình :

2 0, 011

(3)1,17

g h V g V

H > 0,5 giả thiết là đúng, vậy sóng là sóng nước sâu

Chiều cao sóng ứng với mực nớc đảm bảo 1% xác định theo công thức sau:

' 2 ' 6 '

cos10

gH

D V



trong đó

V’ : vận tốc gió lớn nhất với gió bình quân lớn nhất P25% suy ra V’ = 15,5 m/s

g V

 s góc kẹp giữa hướng dọc của hồ và hớng thổi của gió

tính toán cho trờng hợp bất lợi nhất , lấy ‘s = 0 => cos‘s =1

Thay các số vào công thức ta tính đợc h’

K3’ Hệ số tra ở bảng phụ lục P2-5 phụ thuộc vào vận tốc gió và hệ số mái K4’ : hệ số tra

ở đồ thị hình P2-8 phụ thuộc vào trị số mái m và tb/hsl1%

K‘s : hệ số phụ thuộc vào s’ tra ở bảng P2-8

Xác định hsl1%’ theo qptl c1-78

Giả thiết trờng hợp đang tính là sóng nước sâu ( H’  0,5 ’ )

tương tự ta tính các giá trị không thứ nguyên :

g V

Kiểm tra lại điều kiện sóng nước sâu: H’ > 0,5'

H’ =39,4 > 0,5 14,372 = 7,186(m) Vậy thoả mãn điều kiện giả thiết

Vậy Z2 = MNDGC +  h’ + h’sl + a’

2 Mái đập và cơ đập

2.1 Mái đập

Độ dốc mái đập là cotang góc nghiêng so với mặt nằm ngang Độ dốc mái đập phụ thuộc vào hình thức, chiều cao đập, loại đất đắp, tính chất nền v.v Khi thiết kế phải qua tính ổn định để chọn mái

Mái dốc của đập có thể sơ bộ như sau:

Mái thượng lưu: chọn m1 = 4,0

Mái hạ lưu : chọn m2 = 3,5

Mái thượng lưu thoải hơn mái hạ lưu chủ yếu vì nó thường xuyên bão hoà nước

và chịu tác dụng của sóng, gió

2.2 Cơ đập

Đập có chiều cao H = 42 (m) , nên ta sẽ bố trí cơ đập ở phía dưới mái hạ lưu Độ cao giữa 2 cơ theo chiều cao chọn từ 10 - 25m Bề rộng cơ chọn theo yêu cầu giao thông

và thi công Chọn BCƠ = 3 m

Mái thượng lưu: 150 đến 165 chọn m = 4,5

165 đến 180 chọn m = 4,0

180 đến 192 chọn m = 3,5 Mái hạ lưu: 160 đến 175 chọn m = 3,75

Trong đó: H là cột nước chênh lệch trước và sau tường

 J - gradien thấm cho phép của vật liệu làm tường

a) Chiều dài sân (L S ):

Được xác định theo các yêu cầu kinh tế và kĩ thuật Thường sơ bộ định trước LS , Sau đó tính toán thấm và ổn định công trình, dựa vào các kết quả tính toán này để điều chỉnh lại LS cho hợp lý

Công thức kinh nghiệm sơ bộ định LS như sau :

LS = (35) H ; H là độ chênh cột nước trước và sau công trình Lấy trường hợp bất lợi nhát H là cột nước lớn nhất ứng với trường hợp hạ lưu không có nước; thượng lưu ứng với MNLKT

hạ lưu của tường và lõi

- Với tường nghiêng phải có một lớp bảo hộ ơ thượng lưu để trành nứt nẻ do thay đổi nhiệt độ, cần có lớp bảo vệ bằng cát hoặc sỏi cuội với chiều dày không nhỏ hơn 1m Mái tường nghiêng phải đảm bảo ổn định trượt cho cả tường nghiêng

và lớp bảo vệ

- Nếu đập được xây dựng trên nền đất không thấm nước hoặc ít thấm thỡ lõi giữa hoặc tường nghiêng phải chôn sâu vào nền một độ sâu lớn hơn 0,5 m để chống thấm tiếp xúc

- Nếu đập được xây dựng trên nền đá không thấm nước thì vật chống thấm phải nối tiếp với nền bằng gối bê tông

b) Chiều dày sân phủ

- Mặt trên của sân phủ phủ một lớp sạn dày 1m để đảm bảo sân trước khi thi công hoặc tháo nước trong hồ không bị nứt nẻ

4 Thiết bị thoát nước thân đập

Thường phân biệt 2 đoạn theo chiều dài đập

4.1 Đoạn lòng sông : Hạ lưu có nước

- Chiều sâu nước ứng với MNHL Max và MNHL TB

HHLmax = MNHLmax – Zđáyđập = 158,5 – 150,0 = 8,5 (m)

= 1,25 ; m’2 = 1,5)

PHẦN III - TÍNH TOÁN THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ NỀN

I NHIỆM VỤ VÀ CÁC TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN

Nhiệm vụ tính thấm

- Xác định đường bão hòa trong thân đập và các bờ vai đập (để xác định áp lực thấm khi tính ổn định đập)

- Lưu lượng nước thấm qua đập, nền và vai đập

- Gradient của dòng thấm trong thân đập và nền (để xác định độ bền thấm của đập và nền)

1 Các trường hợp tính toán

a Đối với mái hạ lưu

- Ở thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước lớn nhất có thể - THCB

- Ở thượng lưu là MNLTK, hạ lưu là mực nước ứng với Qxả thiết kế – THCB

- Ở thượng lưu là MNLKT, hạ lưu là mực nước ứng với Qxả kiểm tra – THĐB

- Ở thượng lưu là mực nước dâng bình thường, hạ lưu là MNTB trong thời kỳ cấp nước – THĐB

b Đối với mái thượng lưu

- Ở thượng lưu là MNLTK rút xuống đến mực nước khai thác ổn định (MNC),

hạ lưu tương ứng với Qxa thiết kế -THCB

- Ở thượng lưu là MNLKT rút xuống đến mực nước khai thác ổn định (MNC),

hạ lưu là mực nước ứng với Qxa kiểm tra- THĐB

- Ở thượng lưu là MNDBT rút xuống đến mực nước đảm bảo an toàn cho đập khi có nguy cơ sự cố, mực nước hạ lưu tương ứng với Qmax khi tháo nước từ hồ(THĐB)

2 Các mặt cắt tính toán: yêu cầu tính với 2 mặt cắt đại biểu

- Mặt cắt lòng sông (chỗ tầng thấm dày nhất)

- Mặt cắt vai đập (đập trên nền không thấm)

II Tính toán cho các trường hợp

1 Tính toán cho mặt cắt lòng sông

Theo tài liệu mặt cắt lòng sông, hạ lưu có nước, thiết bị thoát nước chọn loại lăng trụ Vì hệ số thấm của tường nghiêng nhỏ hơn rất nhiều so với hệ số thấm của nền

và thân đập nên có thể áp dụng phương pháp giải gần đúng Pavlopxi: bỏ qua lưu lượng thấm ở tường nghiêng – sân phủ

1.1 Xác định lưu lượng thấm

Dùng phương pháp phân đoạn, bỏ qua độ cao hút nước a0, ta có hệ phương trình sau để xác định q và h3

m’ – hệ số mái thượng lưu VTN (m’ = 1,25)

L – chiều dài đáy đập (L = 267,194 m)

Ls – chiều dài sân trước (Ls = 160,0 m)

Phương trình đường bão hòa trong hệ trục tọa độ như trên hình (1-1) có dạng:

n

K

S

h h J

Z h h K

q

2 0

2 3

2 1

Lưu lượng thấm qua thân đập

 1 3 2 0

2 0

2 3 d

a m h m L 2

a h K

a K

6,5

267.194 160.000

y

- m2 : Hệ số mái dốc mái hạ lưu (m2 =3,5)

- L : Chiều dài đáy đập (L = 156,569 m)

-  : Chiều dày trung bình tường nghiêng.( = 3,5 m )

q

a q

Phương trình đường bão hoà

Trong hệ trục như sơ đồ thấm ta có phương trình bão hoà:

0.450

Kâ

K05.500

y

132.994 +192,0 +185,3

B Trường hợp: Thượng lưu là MNLTK ; hạ lưu là mực nước Max tương ứng

I Tính thấm cho mặt cắt lòng sông

Theo tài liệu ở mặt cắt lòng sông, hạ lưu có nước, thiết bị thoát nước chọn loại lăng trụ Vì hệ số thấm của tường nghiêng và sân phủ nhỏ hơn rất nhiều hệ số thấm của nền và thân đập nên có thể áp dụng phương pháp gần đúng của Pavơlôpxki : bỏ qua lưu lượng thấm của tường nghiêng và sân phủ

3 1 n

h m L T 44 , 0

T ) h h ( K

1

2 3 n

3 1

2 2 2 3 d

h m T 44 , 0 h m L

T ) h h (

K ) h m L ( 2

h h K

- T : Chiều dày miền thấm ( T = 17 m )

- m1 : Hệ số mái dốc mái thượng lưu (m1 = 4,0)

- m2 : Hệ số mái hạ lưu (m2 = 3,5)

- m' : Hệ số mái dốc của thiết bị tháo nước.(m' = 1,25)

- L : Chiều dài đáy đập (L = 269,694 m)

- Ls : Chiều dài sân phủ ( Ls = 160m)

Phương trình đường bão hoà trên trục toạ độ (hình 2) có dạng:

2 2

2 3 2 3

K

S

h h J

II Tính thấm cho mặt cắt sườn đồi

Với lưu lượng đã cho, sơ đồ chung của mặt cắt sườn đồi là đập trên nền không thấm, hạ lưu không có nước, thoát nước kiểu áp mái

Z h h K

q

2 0

2 3

2 1

- Lưu lượng thấm qua thân đập

 1 3 2 0

2 0

2 3 d

a m h m L 2

a h K

a K

- K0 : Hệ số thấm của vật liệu làm tường nghiêng (K0 = 10-9 m/s)

- h1 : Cột nước trước đập

h1 = MNLTK – Zmặtcắt = 189,3 - 170 =19,3(m)

- sin α = 0,2425

- m1 : Hệ số mái dốc mái thượng lưu (m1 = 4,0)

- m2 : Hệ số mái dốc mái hạ lưu (m2 =3,5)

- L : Chiều dài đáy đập (L = 156.569 m)

-  : Chiều dày trung bình tường nghiêng, ( = 3,5 m)

- Z0 = .cos = 3,5.0,9701 = 3,3955 (m)

Thay các giá trị vào hệ phương trình ta có:

q

a q

2.2 Phương trình đường bão hoà

Trong hệ trục như sơ đồ thấm ta có phương trình bão hoà:

156.569

Kâ

K0

+170,0+189.3

0.740

PHẦN IV – TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI ĐẬP

I TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN

Theo quy định của quy phạm, khi thiết kế đập đất, cần kiểm tra ổn định với các trường hợp sau:

1 Cho mái hạ lưu

- Khi thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là chiều sâu nước lớn nhất có thể xảy ra, thiết bị chống thấm và thoát nước làm việc bình thường (tổ hợp lực cơ bản)

- Khi thượng lưu có MNLTK, sự làm việc bình thường của thiết bị thoát nước bị phá hoại (tổ hợp lực đặc biệt)

2 Cho mái thượng lưu

- Khi mực nước hồ rút nhanh từ MNDBT đến mực nước thấp nhất có thể xảy ra(cơ bản)

- Khi mực nước thượng lưu ở cao trình thấp nhất (nhưng không nhỏ hơn 0,2Hđập) tổ hợp lực cơ bản

- Khi mực nước hồ rút nhanh từ MNLTK đến mực nước thấp nhất có thể xảy ra (tổ hợp lực đặc biệt)

II TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG TRƯỢT

1 Tìm vùng có tâm trượt nguy hiểm

Để giảm bớt khối lượng tính toán trước khi tính hệ số ổn định K, ta cần xác định vùng chứa tâm trượt nguy hiểm bằng cách sử dụng kết hợp hai phương pháp:

- Phương pháp Filennit:

Theo Filennit, tâm trượt nguy hiểm nằm ở lân cận đường MM1 (hình vẽ)

Điểm M1 được xác định dựa vào các góc  và , các góc này phụ thuộc độ dốc mái đập Bảng 6-5 giáo trình Thuỷ Công

Trong trường hợp này:

85o Cũng lấy điểm đó làm tâm vẽ các cung tròn có bán kính R và r, các bán kính này phụ thuộc vào chiều cao đập và độ dốc mái trung bình Tra Bảng 6-6 GT Thuỷ Công

Ta có: m = 3,5 => r/H = 1,25 ;

R/H = 3,025 ; Với Hđ = 42 m  r = 52,5 m

R = 127,05 m

Kết hợp hai phương pháp ta tìm được phạm vi có khả năng chứa tâm cung trượt nguy hiểm nhất là đoạn AB Trên đó ta giả định các tâm O1 , O2 ,O3 vạch các cung trượt đi qua điểm P1 ở chân đập, tiến hành tính toán hệ số an toàn ổn định K1, K2 ,K3 cho các cung tương ứng, vẽ biểu đồ quan hệ giữa K i và vị trí tâm Oi ta xác định được trị

số Kmin ứng với các tâm O Từ vị trí của tâm O ứng với Kmin đó kẻ đường thẳng NN vuông góc với đường MM1 ,trên đường NN ta lại lấy các tâm O khác vạch các cung cũng

đi qua điểm P1 ở chân đập, tính hệ số K ứng với các cung này, vẽ biểu đồ quan hệ giữa Ki

và vị trí tâm Oi ta xác định được trị số Kmin min ứng với điểm P1 ở chân đập

Trong đồ án này do thời gian có hạn ta chỉ tính cho trường hợp Kminmin cho một điểm ở chân đập

2 Xác định hệ số an toàn K cho một cung trƣợt bất kỳ

Có nhiều phương pháp tính hệ số an toàn K cho một cung trượt, điều khác nhau chủ yếu giữa các công thức đó là cách xác định lực thấm

Ta xét theo công thức của Ghecxevanốp: Với giả thiết xem khối trượt là vật thể rắn,

áp lực thấm được chuyển ra ngoài thành áp lực thủy tĩnh tác dụng lên mặt trượt và hướng vào tâm

Chia khối trượt thành các dải có chiều rộng b như hình vẽ Ta có công thức tính toán sau:

: C

hn: Chiều cao cột nước, từ đường bão hoà đến đáy dải

Nn, Tn: Thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của trọng lượng dải Gn:

Nn = Gncosn

Tn = Gn.sinn

Gn = b(  i Z )i n

Trong đó:

- Zi: Là chiều cao của phần dải tương ứng có dung trọng là i

- Với đất trên đường bão hòa lấy theo dung trọng tự nhiên

(1 + w) = 1,62.(1+0,2) = 1,944(T/m3) + Trọng lượng riêng bão hoà của đất đắp đập

γbhđập

= γkđập

+n γn = 1,62 + 0,35.1 = 1,97(T/m3) + Trọng lượng riêng bão hoà của đất nền

γbhnền

= γknền

+n γn = 1,59 + 0,39.1 = 1,98(T/m3)

+ Trọng lượng riêng tự nhiên của của đá ( Thiết bị thoát nước)

γtnđá

= γkđá

= 2,4(T/m3) +Trọng lượng riêng bão hoà của đá

γbhđá

= γkđá

+n γn = 2,4+0,35.1 = 2,75(T/m3) Lập bảng tính Excel với 28 cột, tính toán trượt như sau:

Cột 1: Ghi thứ tự của các dải, được xác định dựa vào sơ đồ tính ổn định trượt mái đập đất theo phương pháp Ghecxevanop

Cột 2: bề rộng cột đất đang xét (b), chọn b = 8m

Cột 3: Dung trọng tự nhiên của đất đắp đập (γtnđập)

Cột 4: Chiều sâu đất đắp đập ở trên đường bão hòa (htnđập)

Cột 5: Dung trọng riêng bão hòa của đất đắp đập (γbh đập

) Cột 6: Chiều sâu đất đắp đập từ đường bão hòa đến đáy đập (hbhđập)

Cột 7: Dung trọng bão hòa của lớp đất nền (γbhnền)

Cột 8: Chiều sâu của đất nền từ đáy đập đến đáy cung trượt (hbhnền)

Cột 9: Dung trọng bão hòa của đá (γđá)

Cột 10: Chiều sâu của đá ở trên đường bão hòa (htn đá

)

Cột 11: Dung trọng bão hòa của đá (γbhđá)

Cột 12: Chiều sâu của đá từ đường bão hòa đến đáy đập (hbhđá)

Cột 18: Trọng lượng của khối đất dải thứ n

Gn=b ihi =

m

R

 i h i

Cột 19: Thành phần tiếp tuyến của trọng lượng dải Gn: Tn = Gnsin

Cột 20: Thành phần pháp tuyến của trọng lượng dải Gn: Nn = Gn cos

Cột 21: Giá trị ln =

cos

Cột 25: Giá trị góc ma sát trong φn Lấy ntuỳ theo điểm đang xét như trường hợp của Cn

Cột 26: Giá trị tan φn

Cột 27: Giá trị (Nn-Wn).tan φn

Cột 28: Giá trị hệ số ổn định K

Kết quả tính toán ở các bảng 1,2,3,4,5 : Ta được Kmin = 1,391

3 Đánh giá hợp lý của mái

Mái đập đảm bảo an toàn về trượt nếu thoả mãn điều kiện:

Kmin   K

Trong đó:  K phụ thuộc cấp công trình và tổ hợp tải trọng, xem bảng P1-7,

 [K] = 1,3 Tuy nhiên để đảm bảo điều kiện kinh tế, cần khống chế :

Kmin  1,15 K =1,15x1,3 = 1,495

Từ đó ta có: [K]=1,3 < Kmin=1,391 < 1,15.[K]=1,495

Kết luận: Đập vừa thỏa mãn yêu cầu ổn định, vừa thỏa mãn yêu cầu kinh tế Thực

tế, đồ án chỉ mới tính 5 cung trượt nên chưa thể khẳng định được K=1,391 chính là Kmin , tính càng nhiều tâm trượt với các cung trượt khác nhau, ta sẽ có được chính xác Kmin Với mức yêu cầu như trong đồ án là biết cách tính toán, ta coi đập ổn định với hệ số

Kmin=1,391

SƠ ĐỒ TÍNH ỔN ĐỊNH TÂM O1

0 -1 -2 -3 -41

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12