ĐỒ ÁN CÔNG TRÌNH THỦY THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT – CỐNG NGẦM

Một hồ chứa nước được xây dựng trên sông với mục đích tưới là chính và đảm nhận các nhiệm vụ sau : 1. Cấp nước tưới cho 5000 ha 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

ĐỒ ÁN CÔNG TRÌNH THỦY THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT – CỐNG NGẦM

1 Cấp nước tưới cho 5000 ha 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

1.2 Các hạng mục công trình 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

1.3 Tài liệu cơ bản cho trước

1 Tài liệu địa hình :

- Cho trước bình đồ địa hình vùng tuyến tỷ lệ 1:2000

- Tuyến đập thiết kế đã được chọn trước trên bình đồ

- Có 8 bình đồ 01-02-03-04-05-06-07-08 – Sinh viên được chỉ định làm đồ án với 1

bình đồ cụ thể (theo số đề trong bảng 3)

- Tài liệu địa chất : Địa chất tuyến đập tương đối đơn giản, có 3 lớp, từ trên xuống :

o Lớp 1 : Lớp phủ tàn tích dày từ 0,5-1,2m phân bố ở 2 bên bờ

o Lớp 2 : Lớp bồi tích lòng sông thấm mạnh, có bề dày từ 1-20m

o Lớp 3 : Lớp dưới cùng là đá gốc rắn chắc, mức độ nứt nẽ trung bình

o Chỉ tiêu cơ lý của lớp nền bồi tích được cho ở bảng 1

- Từ bình đồ địa hình, tuyến đập sinh viên phải vẽ được mặt cắt dọc địa hình tuyến

đập

- Sau đó căn cứ vào số liệu về vị trí các lổ khoan và bề dày các lớp đất tại từng lỗ

khoan để vẽ mặt cắt địa chất dọc tuyến đập

2 Tài liệu về vật liệu xây dựng :

- Đất đắp đập : Trong khu vực xây dựng có 3 bãi vật liệu, đất thuộc loại thịt pha cát,

thấm nước tương đối mạnh, đất ở các bãi vật liệu là tương đối đồng nhất, có đủ trữ

lượng để đắp đập đồng chất Điều kiện khai thác bình thường Chỉ tiêu cơ lý cho ở

bảng 1

- Đất sét : có thể khai thác cách vị trí xây dựng đập 4km, đủ yêu cầu và trữ lượng để

làm vật chống thấm

- Đá : Có trữ lượng lớn, đủ để xây dựng bảo vệ mái, vật thoát nước và tường chắn

sóng… Đá có các chỉ tiêu cơ lý như sau :

o Góc ma sát trong : φ = 30o

o Độ rỗng của đống đá: n = 0,35

o Dung trọng khô của hòn đá: k = 2,4t/m3

o Hệ số thấm qua đống đá : k = 10-2m/s

- Cát sỏi : Được khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3km, trữ lượng đủ để

xây dựng tầng lọc (cấp phối hạt cho ở bảng 2)

n

Độ ẩm W%

(m/s)

Tự nhiên

Bão hòa

Tự nhiên

Bão hòa

D (km)

MNC (m)

MNDBT (m)

-D(km) : Chiều dài truyền sóng (còn gọi là đà gió) ứng với MNDBT

-D’(km) : Chiều dài truyền sóng ứng với MNLTK

D’=D+0,5km = 5+0.5 = 5,5 (km) -MNC(m) : Cao trình mực nước chết của hồ chứa : 115,5 (m)

-MNHL max (m) : Mực nước hạ lưu lớn nhất: 114,3(m)

Thiết kế đập đất

2.1 Cấp công trình và các chi tiêu thiết kế:

2.1.1 Cấp công trình:

a Theo chiều cao công trình và lọai nền:

Giả thiết sơ bộ cao trình đỉnh đập:

Ta có:

𝑍đ𝑖𝑛ℎ đậ𝑝= MNLTK + d = 143,8 + 2= 145,8(m) ( chọn d=2m) Chiều cao đập :

𝐻Đậ𝑝 = 𝑍Đ𝑖𝑛ℎ đậ𝑝- 𝑍 đá𝑦= 145,8 - 105 = 40,8 (m)

Tra Bảng 1 trang 10 phân cấp công trình thủy lợi (QCVN 04-05:2012/BNNPTNT )

Ứng với chiều cao đập bằng40,8(m) thì đây là công trình cấp II

Từ công trình cấp II xác định được các chỉ tiêu sau :

Ta có P= 1%

+ Hệ số tin cậy : Tra bảng 9 ta có ứng với công trình cấp I , ta có 𝐾𝑛 =1,15

+ Tần suất gió lớn nhất và gió bình quân lớn nhất, các mức đảm bảo sóng :

Theo bảng 2 của TCVN 10396 : 2015 Ta có :

MNDBT : P = 4%

MNLTK : P =50%

Từ đó suy ra vận tốc gió ứng với các tần suất P% như sau:

Khi thiết kế đập đất cần xét điều kiện không cho nước tràn qua đỉnh đập trong mọi điều

kiện làm việc Mặt khác đập đất không được quá cao để đảm bảo các điều kiện kinh tế Để xác định cao trình đỉnh đập cần tính toán các trường hợp sau:

 Ứng với MNDBT ở thượng lưu có xét tới chiều cao sóng leo và độ dềnh mực nước trong hồ do gió lớn nhất tính toán gây ra

Z1= MNDBT + h + hSL + a

 Ứng với MNLTK ở thượng lưu ( khi xả lưu lượng lũ lớn nhất tính toán), có xét tới

chiều cao sóng leo ở mái đập và đồ dềnh trong hồ do gió bình quân lớn nhất gây ra

Z2= MNLTK + ∆ℎ′ +ℎ′𝑆𝐿 + 𝑎′

 Ứng với MNLKT ở thượng lưu:

Z3 = MNLKT + a’’

Trong đó:

 h, h’ : Độ dềnh do gió ứng với gió tính toán lớn nhất và gió tính toán bình quân.

 hsl, hsl’: Chiều cao sóng leo (ứng với tần suất đảm bảo thiết kế 1%) do gió tính toán lớn nhất và gió tính toán bình quân

 a ,a’ : đồ vượt cao an toàn

 g : gia tốc trong trường ; g = 9,81/s

hsl = H1% = k1.k2.k3.k4.h1%

Trong đó:

 h1% :chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%

 kr,kp: hệ số nhám và hệ số hút nước của mái dốc xác định theo bảng 6 TCVN

8421:2010

 ksp :hệ số theo vận tốc xác đinh theo bảng 7 TCVN 8421:2010

 krun :hệ số được lấy theo bảng 11 TCVN 8421:2010(tùy thuộc vào độ thoải của sóng

=> 𝑉𝑔.ℎ̅

𝑤 2 = 0,045 𝑔.𝜏̅

𝑉𝑤 = 2,9

w V

gt

2

w V gL

w

V

gt

= 9,81.5000

22,68.22,68 = 95,36 => 𝑉𝑔.ℎ̅

𝑤 2 = 0,017 𝑔.𝜏̅𝑉

𝑤 = 1,53

 Chọn cặp giá trị nhỏ nhất

=> 𝑉𝑔.ℎ̅

𝑤 2 = 0,017 𝑔.𝜏̅𝑉

Kiểm tra lại điều kiện sóng sâu d= 34,8 (m) > 0,5 =0,5.19,58 = 9,79 m

Vậy giả thiết sóng sâu là đúng

Chiều cao sóng nước sâu ứng với mực nước đảm bảo 1%,xác định :

hs1%=K1%.h

Trong đó:

 ℎ̅: chiều cao sóng trung bình(m)

 K1%: Tra đồ thị hình A 2 TCVN 8421:2010 với = 95,36 và P= 1%2

w V gL

2

w

V

gL

- w: góc giữa trục dọc của khu chứa nước và hướng gió, độ; 

w = 0.vì theo khảo sát gió di chuyển vô hướng,nên ta chọn hướng bất lợi nhất

-g: gia tốc trong trường ; g = 9,81𝑚2/s

-𝐿′: đà sóng, tính bằng mét; 𝐿′= 5+0,5=5,5 km =5500 m

-𝑑′: chiều sâu ứng với mực nước tính toán: 𝑑′=MNLTK-𝛻đ𝑖𝑛ℎ đậ𝑝= 143,8 – 105 = 39,8 m

-Vw′: vận tốc tính toán của gió ,được xác định theo công thức 115,điều A3.3

TCVN8421:2010

Vw′= 𝑘𝑓𝑙.𝑘𝑙.𝑉𝑙

Trong đó :

+ 𝑉 𝑙 : vận tốc gió ứng với P=50%𝑉 𝑙 = 12(m/s)

-kw: hệ số, được lấy theo Bảng A2 TCVN 8216-2009; dùng phương pháp nội suy ta có

được như sau : kw = 2,1.10-6

1% :chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%

+𝑘𝑟′,𝑘𝑝′: hệ số nhám và hệ số hút nước của mái dốc xác định theo bảng 6 TCVN8421:2010+𝑘𝑠𝑝′ :hệ số theo vận tốc xác đinh theo bảng 7 TCVN 8421:2010

+ 𝑘𝑟𝑢𝑛′ :hệ số được lấy theo bảng 11 TCVN 8421:2010(tùy thuộc vào độ thoải của sóng

gt

2

w V gL

 L: chiều dài đường sóng ứng với mực nước dâng bình thường; L=3600m

Thay số ta tính được

= 9,81.6.360012,6 =16817 Tra hình A1 TCVN 8421:2010

=> 𝑉𝑔.ℎ̅

𝑤 2 = 0,09 𝑔.𝜏̅

𝑉𝑤 = 4,2

= 9,81.550012,62 = 340

=> 𝑉𝑔.ℎ̅

𝑤 2 = 0,03 𝑔.𝜏̅

𝑉𝑤 = 2,2

 Chọn cặp giá trị nhỏ nhất

=> 𝑔.ℎ̅

𝑉𝑤2 = 0,03 𝑔.𝜏̅𝑉

𝑤 = 2,2

ℎ̅ =0,03.(𝑉𝑤2

𝑔 ) = 0,03.12,69,812 = 0,486(m) Chu kỳ sóng trung bình:

𝜏̅ =2,2.(𝑉𝑤

𝑔 ) = 2,2.12,69,81 = 2,83(s)Bước sóng trung bình:

Kiểm tra lại điều kiện sóng sâu d= 39,8 (m) > 0,5 =0,5.12,51 =6,26 m

Vậy giả thiết sóng sâu là đúng

Chiều cao sóng nước sâu ứng với mực nước đảm bảo 1%,xác định

ℎ′s1%=K1%.h Trong đó:

+ℎ̅: chiều cao sóng trung bình(m)+ K1%: Tra đồ thị hình A2 TCVN 8421:2010 với =340 và P = 1%⟹ ℎ ′

s1%= 2,1.0,486=1,021(m)Chọn kết cấu gia cố mái là đá lát bình thường có ∆= 0,02 ⟹ℎ′∆

𝑠1% = 1,0210,02=0,019Tra bảng 6 TCVN 8421:2010⟹ 𝐾1=0,91 ;𝐾2=0,81

Giả thiết hệ số mái m =(3-5), 𝑉𝑤= 12,6(m/s),

Tra bảng 7 TCVN8421:2010 và dùng phương pháp nội suy⟹ 𝐾3=1,2

Dựa theo TCVN 8216-2009 quy định:

- Chiều rộng đỉnh đập cần đươc xác định phụ thuộc vào điều kiện thi công và khai

thác, có xét đến cấp công trình, đồng thời không được nhỏ hơn 5m Như vậy, không xét tới yêu cầu về đường giao thông , với công trình cấp II ⟹ B = 10m

lựa chọn mái dốc căn cứ vào chiều cao đập, loại đập, tính chất của đất đắp đập và các điều kiện thi công khai thác

- Mái thượng lưu : mTL = 0,05Hđ + 2= 0,05.41+2= 4,05 ⟹ mTL= 4

Trong đó :H là cột nước trước đập

b Cao trình đỉnh tường nghiêng :

-Chọn không thấp hơn MNLTK ở thượng lưu.Theo TCVN 8216 :2009 ứng với công trình cấp II chọn chiều cao an toàn a=0,5

⟹ Cao trình đỉnh tường nghiêng Z tường nghiêng ≥ 143,8 + 0,5= 144,3 (m) nên ta chọn Ztn=145 (m)

Chân răng :

Theo đề bài tầng thấm nước là có hạn và có chiều dày T = 6,5 m nên ta kéo dài tường nghiêng tạo

thành tường chân răng cắm sâu xuống tầng không thấm nước

- Chọn sơ bộ kích thước chân răng :

Chiều dày tường răng phải bảo đảm ổn định về thấm, tức là J r <[J] Tường răng cắm xuống tầng

không thấm một độ sâu ≥ 0,5m Ngoài ra còn phải đảm bảo điều kiện tiếp nối đều đặn ( không có đột biến ) giữa tường nghiêng với chân răng.

Thượng Lưu

- Ta có cotg = 3.5∗16+4∗25

41 =3,804Tính t 1 = 𝛿

- Ứng với hạ lưu có nước.Chiều sâu mực nước hạ lưu ứng với MNHL Max và MNHLBT

H MNHLmax =MNHL Max - Z đáy = 114,3 - 105 = 9,3 m

HMNHLBT =MNHL BT- Zđáy = 111,5 - 105 =6,5 m

- VTN kiểu lăng trụ có cao trình cao hơn mực nước hạ lưu (ứng với trường hợp thượng lưu

là MNDBT) một độ cao an toàn, không tính với trường hợp thượng lưu là MNLTK (hạ lưu

là mực nước max) vì khi đó đường bão hoà (y) chưa kịp ra ở mái hạ lưu

Hlăng trụ= HMNHL max + 1,5 = 9,3 + 1,5 = 10,8 (m)

-Bề rộng lăng trụ thường ≥ 2m Chọn b=3m

-Mái trước và sau của lăng trụ chọn theo mái tự nhiên của đống đá (m′1=1,25m;

m′2=1,5m).Mặt tiếp giáp của lăng trụ với đập và nền cần có tầng lọc ngược





2 Đoạn sườn đồi

- Ứng với hạ lưu không có nước , chọn thoát nước kiểu áp mái

2.3 Tính toán thấm qua đập và nền

2.3.1 Tính thấm cho mặt cắt lòng sông:

-Ứng với hạ lưu có nước, sử dụng vất thoát nước lăng trụ.Vì hệ số thấm của tường nghiêng

và sân phủ nhỏ hơn hệ số thấm của nền và thân đập nên có thể áp dụng phương pháp gần

đúng của Pavolopxki : bỏ qua lưu lượng thấm qua tường nghiêng và sân trước

_ Cột nước trước đập H1=MNDBT- Zđáy= 139,8 – 105 = 34,8 (m)

_ Cột nước sau đập H2=MNHLBT- Zđáy= 111,5 - 105 = 6,5 (m)

_ Mái trước của lăng trụ : m′3=1,25 m

_ Mái sau của lăng trụ : m′4=1,5 m

_ Chiều cao của lăng trụ Hlăng trụ = 10,3 m



L CĐập = m 1 16 + 𝑚1′.25 + B cơ +B đập + m 2 16+ B cơ + 𝑚2′.14,2+ 𝑚4′.H trụ + B ltru

= 3,5.16 + 4.25 + 3 + 10 + 3.16 + 3,5.14,2 + 1,5.10,8 + 3 = 285.9 (m)

Từ (*) và các số liệu trên ta có :

Giải hệ phương trình trên ta ⟹h3= 10,15 (m) ; q = 7,36.10−7(m3/s)

b Phương trình đường bão hòa :

- Với đập đất độ bền thấm bình thường có thế đảm bảo được nhờ vào bố trí tầng lọc ngược

ở thiết bị thoát nước ( mặt tiếp giáp với thân đập và nền) Ngoài ra, cần kiểm tra độ bền

thấm đặc biệt để ngăn ngừa sự cố trong trường hợp xảy ra hang thấm tập trung tại 1 điểm

bất kỳ trong thân đập hay nền

-Với thân đập, cần đảm bảo điều kiện :

𝐽𝑘𝑑≤ [𝐽𝑘]đ

Trong đó : [𝐽𝑘]đ phụ thuộc vào đất đắp đập và cấp công trình Ứng với đất đắp đập là đất á

cát và công trình cấp II ,tra phụ lục 3-3.Chọn [𝐽𝑘]đ=0,65( theo tiêu chuẩn mới công trình cấp

II tương đương với công trình cấp III của tiêu chuẩn cũ)

𝐽𝑘𝑑 = h3 −h2

L−m1.h3 = 254.705−4∗10.1510.15−6.5 = 0,018

⟹ 𝐽𝑘𝑑≤ [𝐽𝑘]đ⟹ Thỏa mãn điều kiện thấm của đập

-Với nền đập, cần đảm bảo điều kiện :

⟹𝐽𝑘𝑛≤ [𝐽𝑘]𝑛 ⟹thỏa mãn điều kiện về thấm của đập

2.3.2 Tính thấm cho sườn đồi

Sườn đồi ứng với đập trên nền không thấm,hạ lưu ko có nước ,thoát nước kiểu áp mái

Bảng phương trình đường bão hòa

c Kiểm tra độ bền thấm đặc biệt :

-Cần đảm bảo điều kiện :𝐽𝑘đ≤ [𝐽𝑘]đ

Trong đó : [𝐽 ] phụ thuộc vào đất đắp đập và cấp công trình Ứng với đất đắp đập là đất

á cát và công trình cấp I ,tra phụ lục 3-3.Chọn [𝐽𝑘]𝑛=0,65( theo tiêu chuẩn mới công trình cấp I tương đương với công trình cấp II của tiêu chuẩn cũ)

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)

2.4.2 Tính toán ổn định bằng phương pháo 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 4.46 giáo trình Thuỷ Công I

Trong trường hợp này:

mhạlưu = 3,5 dùng phương pháp nội suy  = 35,5o ; = 25o

- Phương pháp Fanđeép:

Theo phương pháp này cho phép ta sơ bộ xác định được khu vực chứa tâm trượt Lúc này tâm cung trượt nguy hiểm nằm ở lân cận hình thang cong abcd (hình vẽ) Để xác định khu vực này thì từ trung điểm mái đập hạ lưu ,ta kẻ một đường thẳng đứng và một đường hợp với mái dốc một góc 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 4.5 GT Thuỷ Công I

Ta có: m = 3,5 => r/H = 1,25 ;

R/H = 3,025 ; Với Hđ = 41 m  r = 51,25 m, R = 125,03 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 Kminđó 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 Kmin min cho một điểm ở chân đập

2 Xác định hệ số an toàn K cho một cung trượt 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:

R : Là bán kính cung trượt (m)

Là góc ma sát trong và lực dính đơn vị ở đáy dải thứ n

Nếu điểm đang xét nằm trên đường bão hòa thì Cn=Ctự nhiên đất = 3,0 (T/m2), và φn = 23o.Nếu điểm đang xét nằm dưới đường bão hòa nhưng trên mặt nền thì Cn=Cbh đất = 2,4 (T/m2) và φn = 20o

Nếu điểm đang xét nằm trong đá của lăng trụ thoát nước thì Cn=Ctựnhiên đá=0(T/m2) và

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

Tn = Gn.sin

Gn = b

Trong đó:

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

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

+ Trọng lượng bão hoà của đất đắp đập

: C

, n

n



n n