đồ án thiết kế đập đất

Hồ chứa H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau: 1. Cấp nước tưới cho 2650ha ruộng đất canh tác 2. Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân 3. Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái và phục vụ du lịch. 1. Địa hình: Cho bình đồ vùng tuyến đập có Zmin =55 m ; Zmax=100 m 2. Địa chất: Cho mặt cắt địa chất dọc tuyến đập. Chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tích lòng sông cho ở bảng 1. Tầng đá gốc rắn chắc mức độ nứt nẻ trung bình. lớp phong hóa dày 0,51m. 3. Vật liệu xây dựng: a) Đất: Xung quanh vị trí đập có bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000m3 ,cự ly 800m), B(trữ lượng 600.000m3, cự ly 600m); C(trữ lượng 1.000.000m3, cự ly 1 km). Chất đất thuộc loại thịt pha cát ,thấm nước tương đối mạnh các chỉ tiêu như ở bảng1 Điều kiện khai thác bình thường.

THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT

ĐỀ SỐ: B- 15

A-TÀI LIỆU CHO TRƯỚC

I - Nhiệm vụ công trình:

Hồ chứa H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau:

1. Cấp nước tưới cho 2650ha ruộng đất canh tác

2. Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

3. Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái vàphục vụ du lịch

II - Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối:

1. Một đập chính ngăn sông;

2. Một đường tràn tháo lũ

3. Một cống đặt dưới đập để lấy nước tưới

III - Tóm tắt một số tài liệu cơ bản

2 Địa chất: Cho mặt cắt địa chất dọc tuyến đập Chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi

tích lòng sông cho ở bảng 1 Tầng đá gốc rắn chắc mức độ nứt nẻ trung bình lớpphong hóa dày 0,5-1m

3 Vật liệu xây dựng:

a) Đất: Xung quanh vị trí đập có bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000m3 ,cự ly800m), B(trữ lượng 600.000m3, cự ly 600m); C(trữ lượng 1.000.000m3, cự ly 1

km) Chất đất thuộc loại thịt pha cát ,thấm nước tương đối mạnh các chỉ tiêu như ởbảng1 Điều kiện khai thác bình thường.

Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4 km ,trữ lượng đủ làm thiết bịchống thấm

b) Đá: Khai thác ở vị trí cách công trình 8 km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bỏ đắpđập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lý: ;

2 T m

K =

γ

(củahòn đá)

c) Cát sỏi: Khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3 km, trữ lượng đủ làmtầng lọc.Cấp phối như ở bảng 2

Bảng1 - Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu đắp đập

Chỉ tiêu

Loại

HSrỗng n

ĐộẩmW%

ϕ (độ) C (T/m

2)

K

γ

(T/m3)

k(m/s)

Tựnhiên Bãohòa nhiênTự Bãohòa

20

221824

23

173026

20

132722

3,0

5,001,0

2,4

3,000,7

1,62

1,581,601,59

0,080,405,00

4- Đặc trưng hồ chứa:

- Các mực nước trong hồ và mực nước hạ lưu: Bảng 3

- Tràn từ động có cột nước trên đỉnh tràn : Hmax = 3m

- Vận tốc gió tính toán ứng với mức đảm bảo P% :

- Chiều dài truyền sóng ứng với MNDBT: D = 3,4 km

- ứng với MNLTK : D’ = D + 0,3 = 3,4 + 0,3 = 3,7 km

- Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua

5- Tài liệu thiết kế đập đất:

- Cắt dọc đập (hoặc chính diện hạ lưu) ;

- Các mặt cắt ngang đại biểu ở giữa lòng sông và bên thềm sông ;

- Các cấu tạo chi tiết

PHẦN THIẾT KẾ

A-NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG:

I - Nhiệm vụ của công trình:

1 - Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng canh tác

2 - Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

3 - Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ,tạo cảnh quan môi trường, sinh thái và phục vụ du

lịch

Để thực hiện nhiêm vụ trên cần phải xây dựng các công trình đầu mối:

1 - Đập chính ngăn sông

2 - Một đường tràn tháo lũ sang lưu vực khác

3 - Một cống lấy nước tưới đặt dưới đập

- Đập đất đồng chất là loại đập có kết cấu đơn giản, dễ thi công, giá thành rẻ so vớicác loại đập khác, vì vậy loại đập này được ưu tiên khi xét đến các hình thức đập

- Đập đất là loại đập có yêu cầu về nền không cao ( có khả năng đắp đập đất trênmọi nền) nên có khả năng áp dụng rộng rãi, bền và chịu được biến dạng, chấn động tốt

- Đây là loại đập dễ quản lý, có khả năng tôn cao, đắp dày thêm

- Thế giới và Việt Nam tích lũy được nhiều kinh nghiệm về thiết kế, thi công vàquản lý đập đất

- Ngoài ra, các loại vật liệu dùng để làm các bộ phận như: chống thấm, bảo vệ mái,tầng lọc ngược cũng có thể khai thác vận chuyển ở các vị trí cách không xa công trìnhđầu mối

- Vì vậy hình thức đập thiết kế là đập đất đồng chất, không tràn nước, tuyến đậpthẳng, tim đập là mặt cắt B - B trên bình đồ

Các loại vật liệu khác: Đá, cát, cuội sỏi ta dùng làm tầng lọc ngược và bảo vệ máiđập.

IV- CẤP CÔNG TRÌNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ:

1 Cấp công trình: Xác định từ hai điều kiện :

a) Theo chiều cao công trình và loại nền :

Cấp thiết kế của công trình theo năng lực phục vụ với các điều kiện :

-Công trình thuỷ nông

- Tần suất lưu lượng, mức nước lớn nhất: Tra bảng P1-3 ta có :

+Tần suất thiết kế : P = 0,5% (tương ứng với chu kỳ lặp 200 năm)

+Tần suất kiểm tra :P=0,1% (tương ứng với chu kỳ lặp 1000 năm)

- 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, các mức bảo đảm sóng (TheoQPVN 11-77)

Tra 14TCN-157-2005 Tiêu chuẩn thiết kế đập đầm nén bảng 4-2:Tần suất gió lớnnhất tính toán khi xác định cao trình đỉnh đập đất

Với : + Công trình cấp II

+ Mực nước dâng bình thường :

Ta có : Tần suất gió lớn nhất : P = 2% ⇒ V = 32 (m / s)

+ Mực nước lũ thiết kế:

Ta có : Tần suất gió bình quân lớn nhất : P = 25% ⇒ V = 15,5( m / s)

d Hệ số an toàn cho phép về ổn định mái đất ( Theo QPVN 11-77 )

Tra Bảng P1-7 Hệ số an toàn cho phép về ổn định mái đất

Với : + Công trình cấp II

+ Tổ hợp tải trọng chủ yếu

Ta có : Hệ số an toàn cho phép về ổn định mái đất : [ K ] = 1,3

e Độ vượt cao của đỉnh đập trên đỉnh sóng

Tra 14TCN-157-2005 Tiêu chuẩn thiết kế đập đầm nén bảng 4-1

Với Công trình cấp II

- Mực nước dâng bình thường chiều cao an toàn : a = 1,2 (m)

+ a, a’ và a’’: Độ vượt cao an toàn

Cao trình đỉnh đập được chọn từ trị số lớn nhất trong các kết quả tính theo Z 1 , Z 2 , Z 3

a Cao trình đỉnh đập ứng với MNDBT Xác định ∆ h

, h sl ứng với gió lớn nhất (áp dụng công thức (1)):

= 2.10-6

SH

g

D V

α cos

.2

(m)Trong đó: V- Vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P=2%: V= 32 (m/s)

D - Đà sóng ứng với MNDBT: D= 3,4.103 (m)g- Gia tốc trọng trường: g = 9,81 (m/s2)

H- Chiều sâu nước trước đập (m)

10.4,3

Trong đó: K1 , K2, K3, K4 - Các hệ số tra trong QPTL C1 - 78

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

- Xác định hs1%: (Theo QPTL C1-78).

+ Giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu : (H > 0,5

−

λ).Tính các đại

lượng không thứ nguyên: ( V

t.

g,

2 V

D g) trong đó t là thời gian gió thổi liên tục (sec) Khikhông có tài liệu có thể lấy t = 6 giờ (đối với hồ chứa)

75 , 6621 32

3600 6 81 , 9

=

=

V gt

57,3232

10.4,3.81,92

3

V gD

Theo đường cong bao phía trên đồ thị ở hình P2-1 xác định được các đại lượngkhông thứ nguyên :

071,075

,

V g V

h g V

011,075

,

2

V g V

h g V

gD

τ

(2)

Từ các giá trị tra được chọn cặp (2) là cặp có trị số nhỏ

.τ

1,15

81,932

32.011,0

2 2

g

V V gh

(m)Bước sóng trung bình λ

được xác định như sau :

−

λ

=g

96 , 21 14 , 3 2

75 , 3 81 , 9 2

2 2

2 =

V gD

- Hệ số K1, K2 tra ở bảng P2-3, phụ thuộc vào đặc trưng lớp gia cố mái và độ nhámtương đối trên mái Chọn độ nhám tương đối mái ∆ = 0,02 m

0083,04108,2

02,0

% 1

- Hệ số K3 tra ở bảng P2-4, phụ thuộc vào vận tốc gió và hệ số mái m

Chọn mái dốc đập sơ bộ theo công thức sau:

+ Mái thượng lưu : m1 = 0,05Hd+ 2,00 = 0,05.37+2 = 3,85-> Chọn mái thượng lưu: m1 = 4

+Mái hạ lưu : m2 = 0,05Hd+ 1,5 = 0,05.37+1,5 = 3,35

-> Chọn mái hạ lưu: m2 = 3,5

Với Vgío =32 m/s >20 m/s tra bảng P2-4 →

K3 = 1,5

- Hệ số K4 tra ở đồ thị hình P2-3; phụ thuộc vào hệ số mái m (m=4) và trị số 1%

h

λ

Ta có:

11,94108,2

96,21

% 1

=

=

S h

D

' 2 '

Trong đó: V’: Là vận tốc gió bình quân lớn nhất: P = 25%

3 2

10.33,5cos34.81,9

10.7,3.5,15

(m)

* Xác định h’

sl:Theo QPTL C1-78 chiều cao sóng leo có mức bảo đảm 1% xác định như sau:

h ‘ sl(1%) = K1.K2.K3.K4.hs1%

Trong đó: hs1% - Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1%

Tính các đại lượng không thứ nguyên:

7,136705

,15

3600.6.81,9

V gt

08,1515

,15

10.7,3.81,9

2

3

2 '

'

=

=

V gD

Tra từ đồ thị xác định các yếu tố của sóng ta có:

112,07

,13670

'

2 ' '

V g V

h g V

021,008

,151

'

2 ' 2

' '

V g V

h g V

5,15

5 , 15 021 , 0

2 2

76,281,92

V gD

=151,08 tra ở đồ thị hình P2-2 được K1% =2,1)

- Hệ số K1, K2 tra ở bảng P2-3,và nội suy phụ thuộc vào đặc trưng lớp gia cố mái và

độ nhám tương đối trên mái Lấy ∆

=0,02018

,0079,1

02,0

% 1

9,11

% 1

S h

λ

→

K4 =1,2 ⇒

= (82 + 3 + 5,33.10-3 + 1,26 + 1 = 87,26 (m)

* Cao trình đỉnh đập ứng với mực nước lũ kiểm tra

Z3= MNLKT + a

'' = MNLTK + 1 + a’’

= 85 + 1 + 0,3 = 86,3 (m) Chọn cao trình đỉnh đập: Zđ= max(Z1;Z2 ; Z3) = max (86,43; 87,26; 86,3) => Chọn

157 - 2005, với công trình cấp II ta chọn bề rộng đỉnh đập là: B = 5 (m)

3- Mái đập:

- Chiều cao đập H= Zđđ - Zđáy = 88-51 = 37(m)

Sơ bộ hệ số mái: Do chiều cao của đập H=37m<40m nên mái dốc của đập có thể sơ bộđịnh theo công thức đơn giản sau:

+ Mái thượng lưu: mt = 0.05H +2.00 = 0.05*37 +2 = 3.85

+ Chống thấm kiểu tường nghiêng + chân răng (cắm xuống tận tầng không thấm).+ Chống thấm kiểu tường lõi + chân răng

- Nếu tầng thấm dày (T>10m) : phương án hợp lý là dùng thiết bị chống thấm kiểutường nghiêng + sân phủ

Theo đề bài hình B cho tầng thấm T=13m > 10 m Ta chọn phương án: Dùng thiết bịchống thấm kiểu tường nghiêng +sân phủ

*) Chọn sơ bộ kích thước ban đầu:

+) Chiều dày tường (nghiêng hay lõi):

- Trên đỉnh : δ1≥ 0,8m ⇒ Chọn δ1 = 1( m)

- Dưới đáy: Thường δ2 ≥[ ]J

H

, Theo TCVN 157-2005, tường làm đất sét, ta chọn δ2

phải thoả mãn điều kiện:

H

8 , 6 5 4

, 3

10 = ≤δ ≤ =

Vậy : Chọn δ2

=5,0 (m)

+) Cao trình đỉnh tường nghiêng:

Chọn cao trình đỉnh tường nghiêng bằng cao trình đỉnh đập đất

+) Chiều dày sân phủ :

- ở đầu : chọn t1 = 1 (m)

- ở cuối chọn: t2≥ [ ]J

H

Trong đó: H - Chênh lệch cột nước trên mặt và dưới sân H = 34 m

J - Gradient thấm cho phép của vật liệu làm sân, J = 8

Chọn : t2 = δ2

=5,0 (m)

+) Chiều dài sân phủ:

Trị số hợp lý của Ls xác định theo điều kiện khống chế lưu lượng thấm qua đập và nền và điều kiện không cho phép phát sinh biến dạng thấm nguy hiểm của đất nền

Sơ bộ có thể lấy Ls = (3 ÷ 5) Hmax .Trong đó Hmax= 34 => Ls= 4* 34 = 136 (m)

5- Thiết bị thoát nước thấm đập:

Thường phân biệt 2 đoạn theo chiều dài đập

a) Đoạn lòng sông: Hạ lưu có nước

- Chiều sâu nước hạ lưu:

HHL max = MNHLmax - Zđáy = 62 - 51 =11 ( m)

HHLBT = MNHLBT - Zđáy = 59,5 - 51 = 8.5( m) Chọn thoát nước kiểu lăng trụ

- Độ vượt cao của đỉnh lăng trụ so với mực nước hạ lưu max từ 1-2m Chọn 1,5

- Do đó chiều cao lăng trụ = 11 + 1,5= 12.5m

- Bề rộng đỉnh lăng trụ: chọn b =3m

- Mái sau của lăng trụ m4 = (1 ÷ 1.5) ⇒ chọn m4=1.5

- Mái trước của lăng trụ m3 =(1.5 ÷ 2) ⇒ chọn m5=1.5

b) Cơ đập:

- Đập cao 37m> 10m nên cần bố trí cơ đập ở mái hạ lưu Theo phương án thiết kế

ở trên ta lợi dụng luôn tường thoát nước làm cơ đập (bố trí ở cao trình +63.5) Ta bố trí thêm 1 cơ đập ở cao trình Z= +76m

- Bề rộng cơ Bcơ = 3m như ta đã chọn ở trên thoả mãn yêu cầu giao thông đi lại

C) Đoạn sườn đồi:

Ứng với trường hợp hạ lưu không có nước chọn thiết bị thoát nước kiểu áp mái

Cao trình áp mái phải cao hơn điểm của ra của đường bão hòa trên mái hạ lưu

Cần lưu ý, ở chỗ tiếp giáp của thiết bị thoát nước với thân đập và nền phải làm tầnglọc ngược

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THẤM QUA ĐẬP VÀ NỀN

I Nhiệm vụ và các trường hợp tính toán:

1 Nhiệm vụ tính toán

- Xác định lưu lượng thấm

- Xác định đường bão hòa trong đập

- Kiểm tra độ bền thấm của đập và nền

2 Các trường hợp tính toán

Trong thiết kế đập đất cần tính cho các trường hợp làm việc khác nhau của đập :

- Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước min tương ứng ; thiết bị chống thấm,thoát nước làm việc bình thường.

- Thượng lưu là MNLTK, hạ lưu là mực nước max tương ứng

- Ở thượng lưu nước rút đột ngột

- Trường hợp thiết bị thoát nước làm việc không bình thường

- Trường hợp thiết bị chống thấm bị hỏng

Trong phần này chỉ trình bày tính thấm với trường hợp đầu tiên :

Thượng lưu là MNDBT: H1 = MNDBT - Zđáy = 82 - 51 = 31(m)

Hạ lưu là mực nước min: H2 = MNHLBT - Zđáy = 59,5 - 51 = 8.5(m)

(Thượng lưu là MNDBT h1= 31m , hạ lưu là mực nước min h2= 8,5m tương ứng;thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường.)

+59,5 +63,5

1m

5m 1m

Vì hệ số thấm của tường nghiêng + sân phủ nhỏ hơn rất nhiều hệ số thấm của nền và đậpnên có thể áp dụng phương pháp gần đúng của Pavơlốpxki: bỏ qua lưu lượng thấm quatường nghiêng sân phủ.

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

h h J

(1)Đoạn thân đập sau h3 :

: Chiều dày trung bình của tường nghiêng = 3.m

n : Hệ số điều chỉnh chiều dài đường thấm = 0,44T

Thay và giải hệ phương trình :

2(235,75 4 ) 235, 75 4 0, 44.13 1,5.8,5

h h

1.2952810.8 1.42E-06 1.31E-06

1.08084

11 1.4E-06 1.45E-06 0.9674

12 1.302E-06 2.16E-06 0.60203

h3 = 11 (m)

q = 1,4.10-6(m/s) b) Phương trình đường bão hòa:

Vậy phương trình đường bão hoà là:

37.00

-1

-1 -1 +51

+88

*) Kiểm tra độ bền thấm :

Với đập đất độ bền thấm bình thường (xói ngầm cơ học,trôi đất) có thể đảm bảo đượcnhờ bố trí tầng lọc ngược ở thiết bị thoát nước(mặt tiếp giáp với thân đập và nền).Ngoài racần kiểm tra độ bền thấm đặc biệt để ngăn ngừa sự cố trong trường hợp xảy ra hang thấmtập trung tại một điểm bất kỳ trong thân đập hay nền.

- Với thân đập ,cần đảm bảo điều kiện : J

−

−

≈ 0.0129Tra Phụ lục P3-3 với công trình cấp II và loại đất làm đập là cát pha thì : [Jk]đ = 0.55

Ta thấy J

d k

≤ [Jk]đ , như vậy thân đập bảo đảm điều kiện thấm

- Với nền đập bảo đảm điều kiện :

J

n k

≤ [Jk]n

Trong đó : J

n k

=

1 2

3 20,88

Ta thấy J

n

k≤

[Jk]n⇒ nền đập thoả mãn điều kiện độ bền thấm

3- Tính thấm cho mặt cắt sườn đồi:

Với tài liệu 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.cao trình đáy đập trên nền đá +68m

+88 +82

q

h q

b) Đường bão hòa:

Trong hệ trục như trên hình vẽ, phương trình đường bão hoà có dạng:

y =

2 3

a) 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 cơ bản)

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

b) Cho mái thượng lưu :

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

- Khi mực nước thượng lưu ở cao trình thấp nhất (nhưng không nhỏ hơn 0.2H đập)

tổ hợp cơ bản

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

2 - Tính toán ổn định mái bằng phương pháp cung trượt:

a) Tìm vùng có tâm trượt nguy hiểm: Sử dụng 2 phương pháp:

*) Phương pháp Filennít.

Tâm trượt nguy hiểm nằm ở lân cận đường MN như trên hình vẽ

Tra bảng (6-5) Giao trình Thuỷ công ta có với m=3.5 ta có

35.5 ; 25

α = β =

*)Phương pháp V.V Fanđeep:

Tâm cung trượt nguy hiểm nằm ở lân cận hình thang cong CDEF như trên hình vẽ

Các trị số bán kính r, R phụ thuộc vào các hệ số mái và chiều cao đập Hđ, tra ở bảng 6) Giáo trình thủy công Với m = 3.5

AB Trên đường X-X ta lại lấy các tâm O khác vách các cung cũng đi qua điểm P1 ở chânđập Tính K với các cung này, vẽ biểu đồ trị số K, theo tâm O ta xác định được trị số Kminứng với điểm P1 ở chân đập.

Với các điểm P2, P3 ở trên mặt nền hạ lưu đập, bằng cách tương tự ta cũng tìm được trị

số Kmin tương ứng Vẽ biểu đồ quan hệ giữa Kmin với các điểm ra của cung Pi ta tìm được hệ

số an toàn nhỏ nhất Kmin min cho mái đập

Để tiện tính toán ta có thể lấy chiều rộng b = m

R

(lấy m =10) Trong đồ án này chỉ yêu cầu Kmin ứng với một điểm ra P1 ở chân đập

b) Xác định hệ số an toàn K cho một cung trượt bất kỳ :

Theo công thức của Ghecxevanốp: Với giả thiết xem khối trượt là vật thể rắn, áp lựcthấm được chuyển ra ngoài thành áp lực thủy tĩnh tác dụng lên mặt trượt và hướng vàotâm

Sơ đồ các cung trượt như hình vẽ sau

O1 O3 B

2 3 4 5 6

31.00

8.50 5.00

3.00