thiết kế và thi công đập đất

Hồ chứa nước H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau: 1. Cấp nước tưới cho 2650 ha 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. 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. III . Tóm tắt một số tài liệu cơ bản : 1. Địa hình: Cho bình đồ vùng tuyến đập. 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 hoá dày 0.5  1m.

ĐỒ ÁN THUỶ CÔNG SỐ II THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT

A TÀI LIỆU CHO TRƯỚC

I Nhiệm vụ công trình :

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

1. Cấp nước tưới cho 2650 ha 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 dulịch

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

III Tóm tắt một số tài liệu cơ bản :

1. Địa hình: Cho bình đồ vùng tuyến đập.

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

Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nước tương đối mạnh, các chỉ tiêu như ở bảng 1.

Điều kiện khai thác bình thường

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

b)Đá: Khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo đắp

đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lý :ϕ = 320 ; n = 0,35 (của đống đá) ; γk = 2,5 T/m3(củahòn đá)

c)Cát, sỏi: Khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3km, trữ lượng đủ làm tầng

lọc Cấp phối như bảng 2.

Bảng 1- Chỉ tiêu cơ lý của nền đất và vật liệu đắp đập

Chỉ tiêu

Loại

HSrổngn

Độ ẩmW%

ϕ (độ) C (T/m3) γk

(T/m3)

k(m/s)

Tựnhiên

Bảohoà

Tựnhiên

BảohoàĐất đắp đập

(km)

MNC(m)

MNBT(m)

BìnhThường Max

KhiMNC(Qtk)

KhiMNBT

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

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

- Chiều dài tuyền sóng ứng với MNBT : D ứng với MNDGC :

- D’= D + 0.3km=2.4+0.3=2.7

- Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua.

5.Tài liệu thiết kế công :

- Tài liệu về kênh chính : hệ số mái m = 1.5 ; độ nhám n = 0.025 ; độ dóc đáy: i = (3 ÷5).10-4

B -Trình tự tính toán thiết kế

I Chọn tuyến đập :

Việc chọn lựa vị trí đập là một bước quan trọng trong thiết kế đập Vị trí tuyến đập phải đảm nhịêm được tất cả các nhiệm vụ đề ra như tạo được hồ thượng lưu đủ lớn,đủ điều kiện để cung cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác, cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân, kết hợp nuôi cá lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái và phục vụ

du lịch Ngoài ra vị trí đập cũng phải xem xét đến các tác động (tiêu cực) đến khu vực thượng lưu tuyến đập và lòng hồ như tài nguyên, chất lượng môi trường, cuộc sống dân

cư trong vùng lòng hồ, vùng hạ lưu đập

Việc lựa chọn tuyến đập còn dựa trên một tiêu chí vô cùng quan trọng đó là kết quả

từ tài liệu địa chất công trình, tài liệu thuỷ văn, địa chất thuỷ văn,tình hình vật liệu…để

vị trí đập đảm bảo thuận lợi, an toàn cho công tác thi công và vận hành sau này.Sau khi xem xét ta chọn tuyến đập B – B như hình vẽ vì :

- Tuyến đập B – B ngắn và có địa hình dốc

Tại tuyến đập có nền đá gốc rắn chắc sẽ đảm bảo ổn định trong thời gian thi công và cóthể chịu được áp lực của công trình sau khi xây dựng và hạn chế được khả năng thấmqua nền công trình.Tuy nhiên, tuyến đập có lớp phủ tàn tích và lớp bồi tích thềm sôngkhá dày (khoảng 0.5÷15m) nhưng với biện pháp cơ giới hiện nay thì hoàn toàn có thểbóc bỏ sao cho đạt yêu cầu

- Ngoài ra tuyến đập này tận dụng được vật liệu địa phương gần với vị trí xây dựng đập

và có trữ lượng lớn

II – Chọn hình thức đập :

Sau khi so sánh các phương án, nhận thấy phương án đập đất là hợp lý nhất, bởi vì:

- Đập đất là loại đập đơn giản và có giá thành rẻ

- Tận dụng được vật liệu tại chổ, trử lượng lớn tốn ít công vận chuyển hơn dùng đá

và tiết kiệm được vật liệu có giá thành đắt như sắt, thép, ximăng

- Đập đát cũng tương đối bền và chống chấn động tốt

- Vị trí xây dựng đập có nền đá gốc rắn chắc, tầng đất đá phong hoá bồi tích sẽ đượcbóc bỏ bớt nên tính thấm và lún dưới nền có thể xây dựng đập đất

- Để xử lý thấm qua thân đập ta có thể xử lý thấm trong thân đập

III – Xác định các chỉ tiêu thiết kế :

a) Xác định cấp công trình : Xác định theo hai điều kiện:

 Theo chiều cao công trình và loại nền: Để xác định chiều cao đập, sơ bộđịnh cao trình đỉnh đập như sau:

Cao trình đập : ∇đđ = MNDGC + d

= MDDBT + Hmax +d

Vậy chiều cao đập : Hđ = ∇đập - ∇đáy đập = 83 – 52 =31 (m)

Tra phụ lục P1-1 ta có : Đập thuộc công trình cấp III

 Theo nhiệm vụ của công trình và vai trò của công trình trong hệ thống : Theo đầu bài,Thì nhiệm vụ của công trình là cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đấtcanh tác, tra phụ lục P1-2 thì công trình thuộc hệ thống thuỷ nông tưới cho 2650> 2.103

ha nên công trình thuộc công trình cấp III

Vậy, để đáp ứng hai điều kiện trên ta chọn công trình cấp III

b) Các chỉ tiêu thiết kế :

- Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất để tính ổn định kết cấu công trình: Trabảng phụ lục P1-3 ứng với công trình cấp III ta có: P% = 1

- Tra bảng phu lục P1-6 ta được hệ số tin cậy là : kn = 1.15

- Tần suất gió lớn nhất và gió bình quân lớn nhất tương ứng với P = 4%vàP =50% (theo bảng P2-1, QPTL11-77,trang 113 gtđ.a)

Theo quan hệ tài liệu đã cho ta có : P = 4% ⇒ v = 28 m/s

P = 50% ⇒ v = 12 m/s

-Độ vượt cao trên đỉnh đập của đỉnh sóng (tra từ bảng tra qui phạm thiết kế đập đất ứng với công trình cấp III) :

Ứng với MNDBT ⇒ a = 0,7 Ứng với MNDGC ⇒ a’ = 0,5

hsl và hsl’ : Chiều cao sóng leo (có mức đảm bảo 1%) ứng với gió tính toán lớnnhất và gió bình quân lớn nhất.

a, a’ và a’’: Độ vượt cao an toàn tra từ bảng tra qui phạm thiết kế với cấp côngtrình tương ứng như đã tra ở trên

a/ Xác định cao trình đỉnh đập ứng với mực nước dâng bình thường

D V

α

2

(m) Trong đó: V: Vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P=4%: V=28(m/s)

D : Đà sóng ứng với MNDBT: D = 2.4km = 2.4*103 (m)

g : Gia tốc trọng trường (m/s2) : g = 9,81 (m/s2)H: Chiều sâu nước trước đập (m) :

gh V g V

gh V g V

- Hệ số K1, K2 tra ở bảng P2-3, phụ thuộc vào đặc trưng lớp gia cố mái và độ nhám tươngđối trên mái

Mái đập được gia cố bằng đá xây,BT nên ∆ =(0.015÷0.02), Ta lấy ∆= 0.02

1%

0.02

0.0111.67

s h

Chọn sơ bộ hệ số mái: mt = 3 ; mh =2.5Tra bảng P2-4 ⇒ K3 = 1,5 (Vgió = 28m/s > 20m/s)

- Hệ số K4 tra ở đồ thị hình P2-3, phụ thuộc vào hệ số mái m và trị số SL1%

hλ

15.4

9.2221.67

SL h

λ = =

⇒ K4=1,3 ⇒ hsl1% = K1.K2.K3.K4.hs1% = 0.95*0.85*1.5*1.3*1.67 = 2.63 (m)

+ Xác định ∆h

’:

'cos.'H.g

'D.'V.10.2'

H’ : Chiều sâu nước trước đập

H’ = MNDGC - ∇đáy = MNDBT + Hmax -∇đáy = 78 + 3 - 52 = 29(m)

αB’: Góc kẹp giữa trục dọc của hồ với hướng gió , lấy αB’ = 00

)(0027.00cos.29

*81.9

10

*7.2

*12.10.2

* 6

* 81 9

V gt

184 12

10 7 2

* 81 9 '

Tra phụ lục P2-1 ta có :

Với

17658 ' =

12 0 ' 2

V g V

h g

τ

(1)

Với

184 '

1.85 '

gh V g V

π

(m)Kiểm tra lại điều kiện sóng nước sâu: H’ > 0,5λ'

'

h

∆

→ K’1 = 0.87 ; K’2 = 0.77

- Hệ số K’3 tra P2-4, phụ thuộc vào vận tốc gió và hệ số mái m

Chọn sơ bộ hệ số mái : mt = 3

Tra bảng P2-4 với Vgió =12 m/s ta được K’3 = 1,2

- Hệ số K’4 tra ở đồ thị hình P2-3, phụ thuộc vào hệ số mái m và trị số h'SL1%

'λ

Ta có: 1%

' 8.0

11.268'SL 0.71

h

⇒ K'4=1.6 ⇒ h’sl1% = K’1.K’2.K’3.K’4.h’s1% = 0.87*0.77*1.2*1.6*0.71 = 0.913(m) Vậy Zđđ2 = MNDGC + ∆h

’ + h’sl + a’ = MNDBT + Hmax + ∆h

’ + h’sl + a’ = 78+3+ 0.0027 + 0.913+ 0.5 = 82.416(m)

b) Bề rộng đỉnh đập:

Theo yêu cầu thiết kế, vì không có đường giao thông nên để thuận tiện cho thi công

và phù hợp với cấu tạo đập ta chọn B=5m

2- Mái đập:

- Chiều cao đập H= Zđđ - Zđáy = 82,5-52 = 30,5(m)

Sơ bộ hệ số mái: Do chiều cao của đập H=30,5m<40m nên mái dốc của đập có thể sơ

bộ định theo công thức đơn giản sau:

+ Mái thượng lưu: mt = 0.05H +2.00 = 0.05*30.5 +2 = 3.525

+ Chống thấm kiểu tường nghiêng + chân răng (cắm xuống tận tầng khôngthấm)

+ Chống thấm kiểu tường lõi + chân răng

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

Theo đề bài hình B cho tầng thấm T=13m > 10 m Ta chọn phương án: Dùngthiết bị chống 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

, Trong đó: Với vật liệu làm tường bằng đất sét,tra bảng tiêu chuẩn ngành ta có:

[ ]J

=(5÷10) ⇒ Lấy [ ]J

= 6 H- Là cột nước chênh lệch trước và sau tường chống thấm,ở đây ta tínhtrong trường hợp mực nước phía sau tường cực tiểu (tức bằng 0) và trước tường là Hmax H= Hmax = MNDGC - ∇đáy = MNDBT + Hmax -∇đấy = 78 + 3 – 52 = 29 (m)

+) Cao trình đỉnh tường nghiêng:

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

+) Chiều dày sân phủ :

+) 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= 29 => Ls= 4* 29 = 116 (m)

4- 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 = 63.7 - 52 =11.7 ( m)

HHLBT = MNHLBT - Zđáy = 61.5 - 52 = 9.5( 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 1,8

- Do đó chiều cao lăng trụ = 11.7 + 1,8= 13.5m

- Bề rộng đỉnh lăng trụ: chọn b =4m

- Mái sau của lăng trụ m4 = (1 ÷ 1.5) ⇒ chọn m3=1.5

- Mái trước của lăng trụ m5 =(1.5 ÷ 2) ⇒ chọn m4=2

b) Cơ đập:

- Đập cao 30.5m> 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 +65.5)

- Bề rộng cơ Bcơ = 4m như ta đã chọn ở trên thoả mãn yêu cầu giao thông đi lại

Sơ đồ mặt cắt ngang đập

+82.5 +78

+61.5 +82.5

1m

5.5m 1m

b) Đoạn sườn đồi:

ứng với trường hợp hạ lưu không có nước Ta chọn thoát nước kiểu áp mái.

V- Tính toán thấm qua đập và nền :

1 - Nhiệm vụ và các trường hợp tính toán:

a) Nhiệm vụ tính toán:

- Xác định lưu lượng thấm q

- Xác định đường bão hòa trong đập

- Kiểm tra độ bền thấm của đập và nền

b) Các trường hợp tính toán:

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

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

- Thượng lưu là MNDGC, hạ lưu là mực nước max

- ở thượng lưu mực nước rút đột ngột

- Trường hợp thoát nước làm việc không bình thường

- Trường hợp thiết bị chống thấm bị hỏng

Đồ án này ta chỉ tính thấm cho trường hợp thứ nhất Cụ thể là:

Thượng lưu là MNDBT: H1 = MNDBT - Zđáy = 78 - 52 = 26(m)

Hạ lưu là mực nước min: H2 = MNHLBT - Zđáy = 61.5 - 52 = 9.5(m)

Thiết bị thoát nước chọn loại lăng trụ, sơ đồ đập có tường nghiêng + sân phủ

2- Tính thấm cho mặt cắt lòng sông:

a) Sơ đồ đập có tường nghiêng + sân phủ:

+88 +82

+62 +62,5 1m

5m 1m

kn

+76

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

*)Dùng phương pháp phân đoạn,xét cho đoạn phía trước h3 Vì hệ số thấm của vật liêulàm tường và sân phủ nhỏ hơn nhiều so với hệ số thấm của nền nên xét gần đúng ta bỏqua lưu lượng thấm của tường nghiêng và sân phủ

q q= n =k J n .nωn (với

1 3

3 0.44

n s

h h J

−

= + +

và ω =T

)

⇒

q = kn. 3

3 1

44 0

) (

mh L T

T h h

s + +

−

(1)Đoạn thân đập sau h3 :

h a h K

44 , 0

)]

( [ 2

)

2 0

2 3

+

+

− +

+

−

=

; Trong đó:

- Hệ số thấm của đất đắp đập: Kđ = 10-5 m/

- Hệ số thấm của nền kn = 10-6m/s

L = H.m1+B+17m2-m1.h3 -m31.8

=30.5*3,75+5+17*3.25-3.75*h3 -1.8*1.5= 171.925-3.75* h3

LS = 116 m ; T =13 m ; h1 = 26 m ; h2 = 9.5 m

δ

: Chiều dày trung bình của tường nghiêng = 3.25m

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

Thay và giải hệ phương trình :

Dùng phương pháp thử dần để giải hệ phương trình(1)(2)(3) ta được:

h3 = 11 (m) ; a0 = 0,0088 m

q = 1,194.10-6(m/s)b) Phương trình đường bão hòa:

Vậy phương trình đường bão hoà là: Y2 =2.a0.x =2*0.0088x = 0,0176 x

Từ đó ta xây dựng được phương trình đường bão hoà như sau:

*) Kiểm tra độ bền thấm :

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

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

d

k≤

[Jk]đ

Trong đó : J

d k

=

h h L

−

=

11 9.5 171.925 3.25*11

−

−

≈ 0.011Tra Phụ lục P3-3 với công trình cấp III và loại đất làm đập là cát pha thì : [Jk]đ = 0.65

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

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

a) Sơ đồ đập có tường nghiêng (hình dưới) :

+82.5 +78

1m 5m

2 2

3

1 3 2 0 0

b) Đường bão hòa:

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

y =

2 3

- 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 MNDGC, sự làm việc bình thường của thiết bị thoát nước bịphá hoại (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(cơ bản)

- Khi mực nước thượng lưu ở cao trình thấp nhất (nhưng không nhỏ hơn 0.2Hđập) tổ hợp cơ bản

- Khi mực nước hồ rút nhanh từ MNDGC đến mực nước thấp nhất có thể xảy ra(tổ hợp 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=3.25 ta có

0

0 ; 25 25

30.5 M2

M1

O1 A

c

d

e f

B

Trên đó ta giả thiết các tâm O1, O2, O3 Vạch các cung trượt đi qua một điểm P ở chânđập, tiến hành tính hệ số an toàn ổn định K1, K2, K3 cho các cung trượt tương ứng, vẽbiểu đồ quan hệ giữa Ki và vị trí tâm Oi ta xác định được trị số Kmin ứng với các tâm Otrên đường thẳng AB Từ vị trí của tâm O ứng với Kmin đó kẻ đường thẳng X-X vuônggóc với đường AB Trên đường X-X ta lại lấy các tâm O khác vách các cung cũng điqua điểm P1 ở chân đập Tính K với các cung này, vẽ biểu đồ trị số K, theo tâm O ta xácđịnh được trị số Kmin ứng 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 đượctrị số Kmin tương ứng Vẽ biểu đồ quan hệ giữa Kmin với các điểm ra của cung Pi ta tìmđược 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) Tuỳ vào các tâm trượt khác nhau ta có các R khác nhau RO1 = 80 (m)

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

13.0427