đồ án môn học công trình thủy

Theo chiều cao đập, bố trí hành lang ở các tầng khác nhau, tầng nọ cách tầng kia 15÷20m.Khoảng cách từ mặt thượng lưu đến mép trước của hành lang chọn theo điều kiện chống thấm: J H l1 

PHẦN II THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

A- Mở Đầu:

I- Vị trí và nhiệm vụ công trình :

1.Phát điện là chính, với công suất lắp máy N=150MW

2.Cấp nước sinh hoạt cho 10000 dân

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

4.Kết hợp dùng nước sau nhà máy thủy điện tưới cho 1000 ha đất canh tác

5.Phòng lũ cho hạ du

II- Chọn tuyến đập và bố trí công trình đầu mối:

1 Tuyến đập: Để cho đập làm việc ổn định, ta chọn tuyến đập có 2 vai đập cắm vào

sườn núi, và tuyến phải đi qua vùng có mặt cắt tốt để tránh lún, lật Chọn tuyến đập phải ngắn nhất để khối lượng đào, xây là ngắn nhất Chọn tuyến phải thuận lợi và có khả năng thi công

dễ dàng, tiện lợi bố trí tràn, nhà máy thủy điện

2 Chọn loại đập: Dựa vào tài liệu địa chất và vật liệu xây dựng ta chọn đập bê tông

trọng lực

3 Bố trí tổng thể công trình đầu mối:

- Bố trí tràn : Để tránh hiện tượng gây xói lở ở 2 bên lòng sông ta bố trí tràn ở giữatuyến

- Nhà máy thủy điện : Nhà máy được bố trí ở bờ trái do địa hình tương đối bằng phẳng

III- Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế:

1 Cấp công trình: Xác định theo 2 điều kiện

a- Theo chiều cao đập và loại nền:

Tra bảng P1-1 ta có cấp công trình tương ứng là cấp II

b- Theo nhiệm vụ của công trình:

Công trình có nhiệm vụ chính là phát điện với công suất chính là 150.000 KW Tra bảng P1-2 ta có cấp công trình chính là cấp II

Vậy ta xác định được cấp công trình là cấp II

2 Các chỉ tiêu thiết kế:

- Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất tính toán: P = 0,5%

- Tần suất lớn nhất: P = 2% ứng với vận tốc gió V= 32 m/s

- Tần suất gió bình quân lớn nhất P = 25% ứng với vận tốc gió V=15,5m/s

- Hệ số vượt tải: n = 1,05

- Hệ số điều kiện làm việc: m = 0,95

- Hệ số tin cậy: Kn = 1,2

- Hệ số tổ hợp tải trọng: nc = 1

- Các độ vượt cao an toàn đỉnh đập:

+) MNDBT : a = 1,2m +) MNLTK: a = 1 m +) MNLKT : a = 0,3m

Ht: cột nước siêu cao

Với công trình cấp II, có P = 1% tra bảng ta có Ht = 5,0 m

- Chiều rộng đáy đập là B, trong đó đoạn hình chiếu của mái thượng lưu nB, hình chiếucủa mái hạ lưu (1-n)B Trị số n có thẻ chọn trước theo kinh nghiệm, chọn n = 0 Trị số của B xác định theo các điều kiện ổn định và ứng suất

H K

B

n c

 : dung trọng của đập, 1 = 2,4 T/m3.

n : dung trọng của nước, n = 1,0 T/m3

1 : hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm Vì đập cao, công trình quan trọng nêncần thiết phải xử lý chống thấm cho nền bằng cách phụt vữa tạo màn chống thấm, sơ bộ chọn

1=0,5; 1 sẽ được chính xác hóa bởi việc tính toán xử lí nền sau này

- Kc: hệ số an toàn ổn định cho phép Theo quan điểm tính toán ổn định cho các quyphạm mới, ổn định của công trình được đảm bảo khi:

R K

m N n

n tt

K c  c. n =

95,0

25,1.1

= 1,26

n f

H K

B

n

5,001

4,2.6,0

7,5226

,1

1

)2.(

)1

H B

n

5,01.1

4,2

7,

-h: Độ dềnh do gió ứng với vận tốc gió tính toán lớn nhất

s H

g

D V

10.2

2 6





Trong đó:

D: đà gió ứng với MNDBT, D = 4600 m

H: chiều sâu nước trước đập ứng với, H = MNDBT - đáy = 95 – 47,3 = 47,7 m

s: góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, s = 00

Suy ra: h cos0o 0,02m

7,47.81,9

4600.32.10.2

k s: tra đồ thị hình P2-4

h: chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng

Giả thiết sóng đang xét là sóng nước sâu: H >

32

4600.81,9

2

V gD

7,26622

2

V h V g

V gt

33,107

,44

2 2

V h V g

V gD



Ta chọn cặp giá trị

V

g = 1,33; 2

V

h g

= 0,013

81,9

32.013,0.013,

m g

V

81,9

32.33,1.33,1

_

s g



Bước sóng trung bình được xác định theo công thức :

m

g

29,2914

,3.2

33,4.81,92

_ 2 _

29,

95,

 đ1 = MNDBT + h + s + a = 95 + 0,02 + 3,629 + 1,2 = 99,85 m

b- Theo MNLTK:

đ2 = MNLTK + h' + s' + a'Trong đó:

-h': độ dềnh do gió ứng với vận tốc gió bình quân lớn nhất

-'s: độ dềnh cao nhất của sóng ứng với vận tốc gió bình quân bé nhất

s g

D V

H

' 10.2'

2 6





Trong đó:

- V': vận tốc gió bình quân bé nhất ứng với tần suất P=25%, V' = 15,5 m/s

- D': đà gió ứng với MNLTK, D' = 4600 + 500 = 5100 m

- g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2

- H’: chiều sâu trước đập, H’ = MNLTK- đáy = 100 – 47,3 = 52,7 m

-s: góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, s = 00

7,52.81,9

4900.5,15.10.2'

- h: chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng

Giả thiết sóng đang xét là sóng nước sâu: H’ >

7,52.81,9' 

V

gH

= 2,15

71,136705

,15

3600.6.81,9

5100.81,9'

'

2

V gD

71.13670

' 

V gt

7,4'

2

V h V

g

246,208'

'

2 

V gD

98,1'

2

V h V

V

h g

Từ đó ta tính được: h 0,612m

81,9

5,15.025,0

2





128,381,9

5,15.98,



Bước sóng trung bình được xác định theo công thức:

284,1514

,3.2

128,3.81,92

_ 2 _

284,15

346,

3 Bố trí các lỗ khoét: Các hành lang trong thân đập có tác dụng tập trung nước thấm

trong thân đập và nền, kết hợp để kiểm tra, sửa chửa; hành lang ở gần nên để sử dụng phụt vữa chống thấm

Theo chiều cao đập, bố trí hành lang ở các tầng khác nhau, tầng nọ cách tầng kia 15÷20m.Khoảng cách từ mặt thượng lưu đến mép trước của hành lang chọn theo điều kiện chống thấm:

J

H

l1 

Trong đó: H là cột nước tính đến đáy hành lang

J là gradien thấm cho phép của bê tông, J = 20

Ta bố trí 2 hành lang, khoảng cách giữa các hành lang là 20 m

Hành lang dưới cùng phụt vữa cách đáy 3 m, hành lang này do phải tính đến kích thước máy khoan phụt vữa và khoảng không cần thiết cho thi công nên ta chọn kích thước là 4x4 m Còn hành lang trên chọn kích thước là 2x2,5m

Khoảng cách từ thượng lưu và hạ lưu đến mép trước và mép sau của hành lang





III- Mặt cắt thực dụng của đập tràn:

1 Mặt cắt đập tràn:

1.1 Hạ lưu công trình nối tiếp bể tiêu năng hoặc tường tiêu năng

Chọn mặt tràn dạng Ôphixêrốp không chân không Loại này có hệ số lưu lượng tươngđối lớn và chế độ làm việc ổn định

Cách xây dựng mặt cắt đập như sau:

a. Chọn cao trình ngưỡng tràn ngang với MNDBT = 95 m

b Chọn hệ trục oxy có: trục ox ngang cao trình ngưỡng tràn, hướng về hạ lưu; trục

oy hướng xuống dưới gốc o ở mép thượng lưu đập, ngang cao trình ngưỡng tràn

c Vẽ đường cong theo tọa độ Ôphixêrốp trong hệ trục đã chọn với Htk = Ht = 5,0 m

X ,Y các giá trị được tra trong bảng (14-2)/ Bảng tính thủy lực

d Từ bảng tọa độ ta vẽ đường cong mặt đập.

e Tịnh tiến đường cong đó theo phương ngang về hạ lưu cho đến khi tiếp xúc với

biên hạ lưu của mặt cắt cơ bản tại điểm D

f. Mặt cắt hạ lưu nối tiếp với sân sau bằng mặt cong có bán kính R

R = (0,2  0,5).(P + Ht) = 0,5.(47,7 + 5) = 26,35 Chọn R = 26,35 m

Trong đó:

+ P : chiều cao đập tràn ứng với MNDBT , P = 47,7 m

+ Ht: cột nước trên đỉnh tràn

Mặt tràn cuối cùng sẽ là mặt ABCDEF trong đó:

AB: Nhánh đi lên của đường cong Ôphixêrốp ( khi mặt thượng lưu đập tràn là nghiêng,

cần kéo dài đoạn BA về phía trước cho đến khi gặp mái thượng lưu tại A);

BC: Đoạn nằm ngang trên đỉnh

CD: Một phần của nhánh đi xuống của đường cong Ôphixêrốp

DE: Một đoạn của mái hạ lưu mặt cắt cơ bản

EF: Cung nối tiếp với sân sau

Sơ đồ tính toán tiêu năng đáy

1.2 Hạ lưu công trình được cấu tạo bằng mũi phun

Cách gán trục tọa độ và vẽ đường cong Ôphixêrốp giống như trường hợp 1.1 nhưng trong trường hợp này ở phía chân đập hạ lưu ta bố trí mũi phun xa để làm tiêu hao năng lượng nước phía trên không trung

Mực nước hạ lưu của công trình :

Ứng với tần suất lũ thiết kế P = 1% , suy ra được Qmax = 1300 m3/s => cao trình mực

nước ở hạ lưu Z = 57,25 m ( từ quan hệ giữa lưu lượng và mực nước hạ lưu tuyến đập được

cho từ số liệu )

Suy ra được Hhl= 57,25 – 47,3 = 9,95 m

Độ cao mũi phun : h = Hhl + z

Trong đó z là khoảng cách từ mặt nước hạ lưu đến mũi phun z =( 1  2 )m, chọn z =

1,5m

 h = 9,95 + 1,5 = 11,45 m

Mặt cong mũi phun có bán kính R = ( 6  10 ) * hc ( hc là độ sâu co hẹp của nước) Trong

trường hợp chưa có hc ta chọn R trước , chọn R = 8,5 m , sau đó tính lại hc và kiểm tra lại điều kiện của R trong khoảng trên

Góc nghiêng của mũi phun so với mặt nằm ngang là θ0 = ( 300 350 ) Chọn θ0 = 300

 Vẽ được mặt cắt thực dụng như hình dưới

O1

F E

A

B C D

R= 26,35 m

Trong trường hợp bất lợi nhất là lưu lượng qua tràn = Qmax bỏ qua Qtm tính toán sơ bộ tổng chiều dài tràn nước ∑b

Q n

Tính sơ bộ chiều sâu nước tại mặt cắt co hẹp h c

Viết phương trình Becnully cho 2 mặt cắt I-I và II-II chọn mặt chuẩn tại đáy đập ta được :

ZI + 0 +

g

V I

.2 2



+ hf

A

B C D

G

O 1

MNHL 11.45 Hhl =9.95

R = 8.5m MNDBT

A

B C D

Vì vận tốc VI và tổn thất hf không đáng kể nên bỏ qua 2 đại lượng này

Áp suất dư tại 2 mặt cắt này bằng 0 vì tiếp xúc với khí trời

Cho α = 1, ta được :

PT  52,7 = 10 + hc +

g

Q II

.2

2 Trụ pin và cầu giao thông:

Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua, nhưng để đi lại kiểm tra và khai thác công trình, vẫn phải làm cầu giao thông qua đập tràn, bề rộng tràn lớn nên cần làm các trụ pin để đỡ cầu.Mặt trụ thượng lưu chọn là mặt tròn có R = 0.5m, dày 1m để đảm bảo điều kiện để chảy bao hợp lý Cao trình đỉnh cầu giao thông chọn ngang đỉnh đập, bề rộng mặt cầu chọn bằng mặt đập b = 6m

C- TÍNH TOÁN MÀN CHỐNG THẤM:

I.Mục đích: Xác định các thông số cần thiết của màn chống thấm(chiều sâu, chiều dày,vị

trí đặt) để đảm bảo được yêu cầu chống thấm đề ra (hạn chế lượng mất nước, giảm nhỏ áp lực

thấm lên đáy đập)

II Xác định các thông số của màn chống thấm:

1 Chiều sâu phụt vữa: (S 1 ) Phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của nền và chiều cao đập

Lưu lượng tháo qua nhà máy thủy điện:

Trường hợp mực nước thượng lưu là MNDBT :

Trong trường hợp này thì nước không chảy qua tràn, để xét cho trường hợp bất lợi nhất công trình thì ta không tính Qtm

Từ tài liệu ép nước thí nghiệm đã cho, ta xác định được chiều sâu màn chống thấm là

7,47.5,0

Trong đó:

- .H là cột nước tổn thất qua màn,  = 1 - 1 = 1 - 0,5= 0,5.( Giả thiết 1 = 0,5)

- [J] là gradien thấm cho phép của vật liệu làm màn chống thấm

H1

= 2,485m

20

7,

III Kiểm tra trị số của 1 :

Trong thiết kế sơ bộ, có thể áp dụng phương pháp của Pavơloopsxki, theo đó:

1 =

1

2

p p

2 11.1

Trong đó: x =

2

 =

2

5,1

1

1

11

2

1

S

L S

5,17

50,5415

,17

5,212

1

2

11

2

1

S

L S

L

5,17

5,215

,17

5,5412

Như vậy trị số 1 giả thiết gần đúng.kiểm ta lại kết quả của  = 1,5 vẫn thỏa mãn

D- TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐẬP TRÀN:

I Tính toán khẩu diện tràn:

1 Công thức chung: Tài liệu đã cho cao trình ngưỡng, cột nước lớn nhất trên tràn( ứng

với tần suất thiết kế) và lưu lượng cần tháo Cần xác định bề rộng tràn để tháo được lưu

m = H hd.mtc Trong đó:

- mtc: Hệ số lưu lượng của đập tràn tiêu chuẩn với đập Cơrigơ-Ôphixêrốp loại 1, mtc = 0,504

-   

tk H

P

e f

hd  

 : Là hệ số sửa chữa do thay đổi hình dáng so với mặt

cắt tiêu chuẩn, với  = 400 , và

07,47

n mt

1

2,0

V H

.2

020





Trong đó: V0 là lưu tốc tới gần, lấy V0 = 0

→ H0 = Ht = 5 m

3 Xác định lại khẩu diện:

b =

2 0 2

Q n

5.4

45,0.147,0.2,0



Giả thiết ε = 0,945 là phù hợp

II Tính toán tiêu năng:

1 Chọn hình thức và biện pháp tiêu năng:

a) Hình thức: Có thể là tiêu năng đáy hoặc tiêu năng phóng xa

b) Biện pháp:

- Tiêu năng đáy: Làm bể tường kết hợp

- Tiêu năng phóng xa: Làm mũi phun cuối đập tràn Cao trình mũi phun chọn cao hơn mực nước hạ lưu max

c) Chọn hình thức tiêu năng :

Trong trường hợp này với nền là nền đá cứng dày vô cùng , và các chỉ tiêu cơ lý của nền đá đã cho và cấu tạo mặt cắt sơ bộ đã tính , ta nên dùng hình thức tính toán tiêu năng phun xa cho trường hợp này ứng với mặt cắt đập đã chọn sơ bộ như trên

d) Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng đáy:

 

0 0

0 1 0 , 01071

52 , 9

4

45 , 0 ).

1 4 ( 7 , 0 2 , 0 1

1

2 , 0

b

H n

Q

; Bđ = ∑b + (n - 1).d + 2.d’ = 38,09 + (4 – 1).1 + 2.0,5 = 42,09 m ( d, d’ là bề rộng của các trụ pin và mố bên )

tm t

  với  = 0,95 là hệ số lưu tốc ở cửa ra của bể

c,: Tra bảng phụ lục 15-1, bảng tra thủy lực

 hc''

(m)

Q (m3/s)

 Vậy lưu lượng tính toán tiêu năng là Qtn = 869,215 m3/s

e) Lưu lượng tính toán tiêu năng phun xa

Qtn = Qt = Qmax – 0,8*4Qtm = 868 m3/s

2 Tính toán cho hình thức tiêu năng phun xa :

Đặc điểm tiêu năng phun xa là lợi dụng hình thức phun ở chân đập để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa ra khỏi chân đập Dòng chảy được khuếch tán trong không khí sau đó đổ xuống lòng sông và giảm ảnh hưởng nguy hại đến an toàn đập Với hình thức này, năng lượng được tiêu hao ở không khí và một phần ở lòng sông Dòng chảy phóng xuống hạ lưu và gây ra

hố xói có độ sâu nhất định thì năng lượng thừa của dòng chảy được tiêu hao hoàn toàn bằng

ma sát nội bộ, do đó chiều sâu nước hạ lưu càng lớn thì càng giảm xói lở ở dòng sông

Điều kiện: đỉnh mũi phun phải cao hơn mực nước lớn nhất tại hạ lưu, chiều cao cột nước trước đập đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa và mực nước hạ lưu đủ lớn để hố xói không quá sâu Với đập tràn có cột nước cao và địa chất nền tốt thì sử dụng tiêu năng phun xa

là hợp lý và kinh tế

Để đạt hiệu quả tiêu năng cao thì chiều dài phóng xa phải lớn Tuy nhiên, ta lại muốn mức độ xói lở ít Thực tế chiều dài càng lớn thì hố xói càng sâu, do đó trong thiết kế ta chọn

dx/L nhỏ nhất (dx là chiều sâu hố xói, L khoảng cách từ đáy hối xói đến chân đập)

Cao trình mũi phun đã chọn : mũi phun = MNHL + z = 9,95 + 1,5= 11,45 ( ứng với Qmax ta tìm được Zhl và từ đó suy ra được Hhl = 9.95m

Mũi phóng hình trụ có bán kính cong R=9,5 m, góc ngiêng tại cuối mũi phun  =30o Xác định đường mặt nước và lưu tốc tại một mặt cắt bất kỳ trên mặt tràn theo quy phạm liên xô cũ “ tính toán thủy lực của đập tràn trọng lực cao BCH-01-65” Ở đây ta tính toán cho mặt cắt tại A , B , C, D

Ứng với trường hợp cotgθ  (0,7  0,8) thì tta xác định đường mực nước theo Becnully cho tại các mặt cắt đã chọn ( Theo giáo trình “ Công trình tháo lũ hệ thống đầu mối thủy lợi của Nguyễn Văn Cung , Nguyễn Xuân Đặng , Ngô Trí Viềng “)

+ ) Phương trình Becnulli cho mặt cắt I-I và mặt cắt A-A:

O

O 1 45°

35,35

)cos.(

v h

z g

v

B A A

2cos.2

cos

2 2





w B

B A A

A B

g

v g h

q

v    cos    cos 

2(2

2

g

v h

l

tb

i i w

2

2





= 20,651 m3/s ; xét tại điểm B, thì diện tích mặt cắt ướt lúc này có bề rộng B= Bđ = 42,09 m

5,8

h B B

2

R

v R C

l p

h g

v h

i C

C B

B

B

2

.1

2

2

.2

cos

2

2 1

2 2

2 2

Ta để ý rằng hc > hB nguyên nhân do bán kính cung tròn nhỏ mà độ ngiêng khá lớn nên nước tại C bị ngập trở lại

+ Tính thử dần đối với điểm D:

Các đại lượng được giải thích như trên , trong đó ZD = 1.35m LCD= 4,85

h R

L R C

v h

g

v z

tb D

D D C

C

2

.1

2

2

cos2

2

2 1

2

2 2

S1: chênh lệch cao độ MNTL và mũi phun

S: chênh lệch cao độ MNTL và đáy kênh hạ lưu

hD: chiều sâu dòng nước trên mũi phun

0: góc nghiêng của mũi phun

,50

*814,0

*98,0

*2

)814,01(

*7,50

*2)30cos(

*774,0)30sin(

)30[sin(

*)30cos(

*7,50

*814,0

*98

0 0

*774,0

*68,26

835,1

*81,9

*2577,

0 2  2 2  => θ = 32o19’25’’

Chiều sâu hố xói t theo M.X Vurgo

2 2

Trong đó q là lưu lượng đơn vị

A – hệ số giảm chiều sâu hố xói do có ngậm khí lấy theo bảng 3.11 trang 106 giáo trình thủy

lợi đầu mối của GS.TS Ngô Trí Viềng

K – hệ số xói lở lấy theo bảng 3.12

2 0

p h



2cos0

E-TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP:

I Mục đích:

Kiểm tra ổn định trượt, lật cho các mặt cắt đập không tràn và đập tràn

Trong đồ án này, yêu cầu tính ổn định trượt cho phần đập không tràn( kiểm tra cho mặt cắt có chiều cao lớn nhất của phần này)

II Các trường hợp tính toán: Cần kiểm tra với các trường hợp làm việc khác nhau

Trong đồ án này yêu cầu kiểm tra với trường hợp 2 và 3

III Kiểm tra ổn định trượt cho các trường hợp: Theo trình tự sau:

 Áp lực thủy tĩnh tác dụng ở thượng lưu đập ( hạ lưu không có nước) :

K đ n Tra đồ thị P2-4c( đồ án TC) ta có: Kđ = 0,2

 Ws = 0,2.1.2,407.(47,7+ 2, 407

2 ) = 23,54 T

 Momen lớn nhất đối với chân đập do sóng gây ra:

)22

.6.(

2 2

max

H H h h h K

Trong đó:

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

- H: cột nước thấm, H = 47,7 m

→ Pmax = 1.0,5.47, 723,85T Tổng áp lực thấm đẩy ngược sẽ là:

2 1

45

0 0 2 0

Điểm đặt cách đáy: 4 10, 7 3, 567

bc h

 Trọng lượng của thân đập:

Để dễ dàng tính toán lực do trọng lượng bản thân và điểm đặt của nó Mặt cắt đập được chia thành các phần hình tam giác và chữ nhật Trọng lượng của phần đập có mặt cắt Ωi sẽ là

Gi = γh.Ωi ; Trọng lượng của toàn đập G = Σ Gi

Trong đó: K = 0,05 hệ số động đất, tương ứng với động đất cấp 7

α: hệ số đặc trưng động lực, 10,5 1 1,5

o h

47, 315,8

bc h

1

H n