Thiết kế đập đất đồng chất có tường lỏi mềm - P1

Thiết kế đập đất đồng chất có tường nghiêng mềm

PHẦN I : NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN.

Đề bài:

-Thiết kế đập đồng chất có tường lỏi mềm

-Thiết kế đập BTTL theo phương pháp hệ số kháng

-Thiết kế đập đồng chất có tường lỏi mềm

Sinh viên: Nguyễn Văn Định

Ngày giao:… /… /2010

Ngày nộp:…/…./2010

I/ Số liệu ban đầu

1.1.Tài liệu địa chất:

Loại đất:

0

γ (T/m3)

a

γ (T/m3)

bt

0

γ (T/m3)

[ ]σ (T/m2)

(T/m2)

kn (m/24h) (m)T

0

tn

(m)

S1 (m)

S2 (m)

S3 (m)

kt (m/24h) ϕ0

tb

H1bt (m)

Hdđât (m)

Hdđa (m)

kđ (m/24h) 31,5 26,5 26,5

PHẦN II : NỘI DUNG TÍNH TOÁN.

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT ĐỒNG CHẤT CÓ TƯỜNG LỎI MỀM

Số liệu :

- Mực nước thượng lưu : H1 = 26,5 m

- Mực nước hạ lưu : H2 = 0

- Chiều sâu tầng thấm : T = 5 m

- Hệ số thấm của đập : Kđ

- Hệ số thấm của vật liệu làm tường : Kvl

- Đất sét pha cát có trọng lượng riêng : γĐ = 1.7 T/m3

- Trọng lượng riêng của tường : γT = 2,2 T/m3

- Hệ số thấm của nền : Kn = 10-2 cm/s

Lực dính : C = 1,5 T/m2

I Xác định các kích thước cơ bản của đập :

1 Cao trình đỉnh đập :

CTĐĐ = MNTL + d CTĐĐ = 26,5 + 1.5 = 28m 2.Chiều rộng đỉnh đập : chọn sơ bộ chiều rộng đỉnh đập B = 5 m

3.Mái dốc thân đập :

Mái dốc tường thượng lưu : m = 3.5

Mái dốc đập thượng lưu : m1 = 3.0

Mái dốc đập hạ lưu : m1 = 3.0

II Tính toán lưu lượng thấm qua đập và nền :

- Theo tài liệu của Pavelốpki ta biến đổi đập có lõi với hệ số thấm K0 rất nhỏ thành đập đồng chất có cùng hệ số thấm K ,khi đó ta trở lại bài toán thấm của đập đồng chất Vì tính chất không thay đổi lưu lượng ,ta có thể viết phương trình lưu lượng thấm qua lõi thực và qua lõi biến đổi như sau

2 2

2 2 2

2

0 a b h a h b

T

K h h t

K

t

K

K

0

= Như vậy sau khi biến đổi từ đập lõi ta được đập đồng chất qui ước và chiều rộng đỉnh đập B được tính theo công thức

( 1 )

0

− +

=

K

K t b B

Trong đó

t:Chiều dày trung bình của tường lõi(=0.8m tại đỉnh đập,=2m tại chân đập) T:Chiều dày tính đổi

b: Chiều rộng đỉnh đập thực b=5m

B: Chiều rộng đỉnh đập biến đổi

Thay số vào ta tính được :B=84.2m.Ta tính toán như đập đồng chất như sau

Để giải bài toán xác định lưu lượng thấm , tạm thay tam giác thượng lưu đập bằng một hình chữ nhật có chiều rộng ∆L ∆L được xác định theo công thức :

Trong đó :

m – mái dốc đập thượng lưu ( m = 3 )

H1 – mực nước thượng lưu ( H1 = 26,5m )

Vậy : ∆L = 11,37

Bài toán thấm qua đập có mái thượng lưu nghiêng được chuyển về bài toán thấm qua đập có mái thượng lưu thẳng đứng

Chiều dài thân đập : L = 589.4 m

Trong đó :

q1 – lưu lượng thấm qua đập tính cho 1 m dài ( m/s)

K – hệ số thấm của đập ( K = 10-5 cm/s = 10-7 m/s )

H – mực nước thượng lưu ( H = 26,5m )

m – mái dốc hạ lưu đập ( m = 3 )

L – chiều dài chân đập sau khi quy đổi ( L = 589.4 m )

Giải phương trình trên ta có :

a = 8.5m

q1 = 2.42*10-7 m/s 2.Tính lưu lượng thấm qua nền :

Lưu lượng thấm qua nền được xem như là chảy qua đường ống

Given

2

a2

−

2 L a m ⋅ ( − ⋅ )

Find a q_1 ( , )

8.4932457221250321487

463.02675427787496784













→

Trong đó :

Kn – hệ số thấm của nền đất ( Kn = 10-4 cm/s = 10-6 m/s )

L – chiều dài chân đập thực tế

T – chiều sâu tầng thấm ( T = 5 m )

Vậy lưu lượng thấm tổng cộng qua đập và qua nền :

Q = q1 + q2 = ( 2.42 + 9.81 )*10-7 = 12.23*10-7 m/s

II.Kiểm tra ổn định của đập:

(*)Xác định các lực tác dụng lên đập:Tính cho một mét dài đập

1)Áp lực thuỷ tĩnh :

Tính cho một mét dài tường

m = 3 m = 2,5

W1

W2

W3

Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy:

P = γ.H = 26,5 T/m2

W1 = P.H/2 = 26,5.26,5/2 = 351,1 T

e = H/3 = 8,8m

Áp lực nước tác dụng trên mái dốc :

W2 = Vn.γn = 26,5*8,8*26,5*1/2 = 3090 T

áp lực đẩy nổi :

W3 = 0,5.26,5.(26,5.3 + 5 + 26,5.3)/2 = 1086,5 T Trọng lượng bản thân đập :

G1 = 32.3.32.1,45/2 = 2227.2 T G2 = 32.5.1,45 = 232 T

G3 = 32.3.32.1,45/2 = 2227.2 T Tổng trọng lượng : G = 4686.4 T

n -He so dieu chinh chieu dai dong tham

L

n L ⋅

⋅ :=

q_2 = 9.81 10 × −7

2)Tải trọng súng tỏc dụng lờn đập :

Sơ đồ tớnh ỏp lực súng lờn cụng trỡnh dạng mỏi nghiờng:

MNTT

đỉnh đê

f

0.1Pd

0.4Pd

Pd

0.4Pd 0.1Pd

Tải trọng súng tỏc dụng lờn đập dạng mỏi nghiờng được xỏc định theo cụng thức:

).

m / T ( h P k k

2 nb no

Trong đú:

γ-Trọng lượng riờng của nước (γ=1T/m3)

h=13,5m-Chiều cao súng

2

P -ỏp lực súng tuơng đối lớn nhất trờn điểm 2 theo bảng 2.5 với h=13,5m⇒P2 =1,9

knb-Hệ số xỏc định theo bảng 2.4 với 1 , 6

5 , 13 5 ,

=

h

λ ta cú knb=0,85

kno-Hệ số xỏc định

18 , 1 ) 5 , 21

5 , 13 15 , 1 028 , 0 (

5 , 3 5 , 21

3 8 , 4 85 , 0 ) 15 , 1 028 , 0 (

8 , 4

85

,

=

λ λ

h m

h

k no

Vậy thay vào cụng thức 2-4 ta cú Pd=4,8T/m2

Xỏc định tung độ z2:

).

)(

1 2 1 (

2

m A

Trong đú:

9

10 ) 5 , 13

5 , 21 23 , 0 47 , 0 ( 5 , 13 1

) 23 , 0 47 , 0

m

m h

B=h 0 , 95−( 0 , 84 m−0 , 25 ).λh=1 , 36

Thay A, B và m=3 vào cụng thức 2-5 ta cú z2= 2,55m

Xỏc định cỏc khoảng cỏch li:

l1=0,0125Lα ;l2=0,0265Lα ; l3=0,0325Lα ; l4=0,0675Lα (2-6)

Với Lα= 24 , 97 m

8

14 3 1 m

m

4

4 2 = =

−

λ

Thay Lα vào hệ thống cụng thức 2-6 ta cú l1=0,312m; l2=0,662m ; l3=0,812m;

l4=1,685m

(*)Kiểm tra ổn định của đập :

1)Kiểm tra ổn định trượt phẳng:

Tổng lực giữ :

Pgiữ = (G + W2 – W3 + 2.Pd.cosα).0,7 = (4686.4 + 3656 – 1387.5 + 2*4,75.cos18,43 ).0,7 = 4281.02 T

Tổng lực gây trượt :

Ptr = W1 + 2.Pd.sinα = 392 + 2.4,75.sin18,43 = 401.1 T

Hệ số ổn định trượt : Ktr = 10 7 [ ] 1 , 5

1 401

02 4281

=

>

=

tr

giu

K P

P

Vậy đập ổn đinh trượt

2)Kiểm tra ổn định lật :

Tổng mô men giữ :

Mgiữ = G1.e1 + G2.e2 + G3.e3 + W2.e4 = 278385 Tm

Tổng mô men lật :

Mlật = W1.e5 + W3.e6 = 65298 Tm

Hệ số ổn định lật Kl = 4 26 [ ] 1 , 5

65298

278385

=

>

=

l

giu

K M

M

Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật

CHƯƠNG2:THIẾT KẾ ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ

SỐ SỨC KHÁNG

I Cơ sở lý luận.

1 Sơ đồ tính (Hình 2.1)

TÇng Kh«ng thÊm nuíc

T S1

Lo H

MNTK

L1

b

Trong đó:

H : mực nước thượng lưu

B: bề rộng đáy đập

b : bề rộng đỉnh đập

S1 , S2: chiều cao 2 hàng cừ

T: chiều sâu tầng không thấm

2 Lý thuyết đập bê tông trọng lực

a) Khái niệm chung

Đập trọng lực là loại đập mà sự ổn định chủ yếu dựa vào trọng lượng bản thân của nó Trọng lượng đập giữ cho đập không bị đẩy nổi, trượt và lật

Đập bê tông trọng lực có khối lượng lớn nên không lợi dụng hết được khả năng làm việc của vật liệu Vì vậy vật liệu xây dựng đập không có yêu cầu cao như

bê tông , không cần mác cao, một phần đập có thể dùng bằng đá…

Để đảm bảo tính ổn địhh cao người ta xây dựng đập bằng bê tông nên có thể gọi đập bê tông trọng lực

b) Thiết kế mặt cắt ngang của đập bê tông trọng lực

Mặt cắt ngang kinh tế của đập là mặt cắt ngang có chiều rộng nhỏ nhất và thoả mãn ba điều kiện:

+ Điều kiện ổn định: đảm bảo hện số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt nguy hiểm nhất phải lớn hơn trị số cho phép

+ Điều kiện ứng suất: khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép thượng lưu hoặc có xuất hiện phải nhỏ hơn trị số cho phép

+ Điều khiện về kinh tế: đảm bảo điều kiện khối lượng công trình là nhỏ nhất (*)Xác định bề dày đế đập theo điều kiện ứng suất:

2 0

* 6

b

M b

V ∑

= σ

n.b (1-n).b

H

Dựa vào sơ đồ lực tác dụng vào đập và quá trình biến đổi toán học, ta có công thức xác định chiều rộng b như sau:

1

) 2 ( ) 1

γ

=

n n n

h b

b , khi bmin=> n=

2

2 γ

γb

−

(*)Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trượt

∑

W

K c. 1 .

Từ đó ta xác định được chiều rộng đáy đập theo công thức sau:

)

γ

γ + −

=

n f

h k

b

b c

Trong đó:

+ f: hệ số ma sát giữa đập và đất nền

+ Kc: hệ số an toàn ổn định của đập

+ ∑G: tổng các lực tác dụng lên mặt cắt

c) Tính toán ổn định trượt, lật của đập dọc theo nền

Q

F C W P f

t

) )

=

25 1 15

=

=

t dn

W P k

II Ưng dụng:

1 Số liệu :

-Mực nước thượng lưu : H1 = 26,5m

-Mực nước hạ lưu : H2 = 0

-Trọng lượng riêng của tường : γđ = 2,2m3

-Hệ số thấm của nền : Kn = 10-1 cm/s

-Lực dính : C = 1,5 T/m2

-Hệ số ma sát f=0,6

-Chiều sâu tầng không thấm : 5 m

-Chiều sâu cừ giữa: 18,5m

2 Tính toán

(*)Xác định bề dày của đập :Ta thiết kế cho đập trọng lực tràn nước

a Cao trình đỉnh đập :

CTĐĐ = MNTL => CTĐĐ = 26,5 m

b Xác định chiều rộng của đập theo điều kiện ứng suất và điều kiện trượt

Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao là 30 m và chiều rộng đáy là B hình chiếu mái thượng lưu là nB ,hình chiếu mái hạ lưu là (1-n)B

Có n=1- γ

γ

2

1

=>n=- 0.1.Vì n=- 0,1 nghĩa là mái dốc thượng lưu đập có độ dốc ngược ,gây khó khăn cho việc thi công ,mặt khác có thể phát sinh ứng suất kéo trên mặt hạ lưu,do đó lấy n=0 Vậy chiều rộng đáy đập tính theo công thức sau:

1

γ

γ −

= h

B

(lấy α1=0,5)⇒B=0,77h

=>B=24m.Và thoả mãn ổn định trựơt vì B∈[0,87.h;0,7.h]

c Mái dốc thân đập :

Mái dốc đập thượng lưu : m0 = 0

Mái dốc đập hạ lưu : m1 = 0,55

d Xác định ứng suất của đập

ưng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên một mặt cắt ngang của đập có thể xác định theo công thức nén lệch tâm

6* 2 0

b

M b

V ∑

= σ Trong đó:

ΣV= W2+G- Wt

W2:áp lực nước thẳng đứng tác dụng lên mái đập thượng lưu (=0)

G:Trọng lượng bản thân công trình

Wt :áp lực đẩy nổi dưới đáy đập

( )

2

.

1

γ −

=

α1 :Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=0.5) γ1 :Trọng lượng riêng của vật liệu làm thân đập (=2,2T/m3)

γ :Trọng lượng riêng của nước (=1T/m3)

( 2 3 2 2 )

12

.

1 1

2 1

2

2 2

B

h h B

M = γ +α γ − γ + γ −γ + γ

∑

Thay số ta có ΣG=1208,5 T

ΣM0= 6989,5 T.m

Vậy ứng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập là:

6 2 0

B

M B

G ∑

= σ Thay số vào ta có σ= 2

24

5 , 6989 6

24

5 ,

σmax= 123,16 T/m2

σmin=- 2.45 T/m2

Các giá trị trên đều nhỏ hơn cường độ tính toán của bê tông về khả năng chịu kéo và nén

e Kiểm tra lại điều kiện ổn định trượt của đập

Ta có điều kiện ổn định trượt của đập là:

K c.W1 =f.∑G

Trong đó

f:Hệ số ma sát giữa đập và nền(=0.6)

Kc:Hệ số an toàn ổn định của đập (=1)

ΣG:Tổng các lực tác dụng lên mặt cắt

W1:áp lực nước nằm ngang tác dụng lên mái đập thượng lưu

W .H γn

2

1

1 = =>W1=450 T

Ta có:

ΣG= G- Wt

Trong đó:

G:Trọng lượng bản thân công trình:

G=1/2.(b+B).H.γđ=1/2*(10+24)*30*2.3=1020 T

Wt: áp lực đẩy nổi dưới đáy đập

1

2

α1 :Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=0.5)

=>Wt=1/2*24*30*1*0,5=180 T

Vậy: ΣG= G- Wt=1020-180=840 T

⇒Ta có :

W1=450T<f.ΣG=0,7.840=588T Đập là ổn định với kích thước trên

(*)Xác định lưu lượng thấm qua đáy đập theo phương pháp hệ số sức kháng

Đây là phương pháp gần đúng để xác định lưu lượng thấm qua đáy đập.Trong

-Bộ phận cửa vào có cừ thượng lưu.

-Bộ phận giữa thường có cừ

-Bộ phận cửa ra có cừ hạ lưu

Khi đó lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức sau:

∑

=

i

H k q

ξ

. (1-1)

Trong đó:

H-Độ chênh cột nước trên các đoạn đường viền.(H=44m)

k-Hệ số thấm (k=0,01 m/ngđ)

∑ξi = ξv+ ξn' + ξn'' + ξc+ ξr

ξc-Hệ số sức kháng của cừ

ξv-Hệ số sức kháng bộ phận cửa vào

ξr-Hệ số sức kháng bộ phận cửa ra

ξn’ ξn’’ -Hệ số sức kháng bộ phận nằm ngang

Trong trường hợp tổng quát ta có:

ξc=

2 2 2 2

2

2 1

2

75 , 0 1

5 , 0

5 , 1

T S T S T

S T

a

−

+ + ; ξv=ξr=

1 1 1 1

1

1 0

1

75 , 0 1

5 , 0

5 , 1 44

, 0

T S T S T

S T

a

−

+ +

Với:

S1=16,5 m ; S2=18,5m

T1 ;T2 ;T Lần lượt là chiều sâu tầng thấm ở sân trước ,sân sau và thượng lưu

a1; ξb Lần lượt là chiều cao bậc và hệ số sức kháng của bậc

Theo giả thiết ta chọn công trình không có bậc a1=a2= 0; và T=T1=T2=5 m

Ta có sơ đồ tính như sau:

TÇng Kh«ng thÊm nuíc

T

1.8m 2.5m

Lo 30m

MNTK

L1

10m

24m

Thay các giá trị trên vào công thức trên ta có:

ξc=0,56; ξv=ξr=0.83 ; ξn=3,37 ⇒ ∑ξi = 4 , 76

Thay số ta có q=9,24.10-2 m2/ngđ

Vậy qua tính toán ta có lưu lượng thấm qua nền công trình là q=9,24.10-7m3/ngđ (*).Xác định tải trọng tác dụng lên đập

Tải trọng tác dụng lên đập gồm có : Tải trọng bản thân , tải trọng sóng, áp lực nước áp lực đẩy nổi

a Xác định tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng tường đứng

Tải trọng ngang lớn nhất tác dụng lên công trình là:

).

2 (

.

max

h H h k

P = d γ +

Mô men lớn nhất tác dụng lên công trình là:

) 2 2

12 (

.

2 2

max

H H h h h k

Trong đó:

km;kd- Là hệ số phụ thuộc vào tỷ số λ

h

và Hλ

được tra theo bảng 2.5 giáo trình thuỷ công Với λ

h

=0,62 và

H

λ

=0,8 ta có km=0,25 ; kd=0,32

λ-Chiều dài sóng (λ=21,5m)

h=13,5 m-Chiều cao sóng

H=26,5m-Chiều cao cột nước thượng lưu

γ=1T/m3-trọng lượng riêng của nứơc

Thay số vào các công thức ta có Pmax=143,64T; Mmax=6098Tm

b.Xác định tải trọng bản thân, áp lực nước, áp lực đẩy nổi

Các tải trọng này được tính toán ở phần trên Vậy ta có sơ đồ lực như sau:

TÇng Kh«ng thÊm nuíc Fnc

(*).Tính toán ổn định công trình

a.Xác định ổn định trượt của công trình

Do việc xác định bề rộng đập thoả mãn điều kiện trượt phẳng Tuy nhiên công trình có thêm cừ càng làm tăng ổn định Vậy ta không cần kiểm tra điều kiện này b.Tính toán ổn định lật của công trình quanh điểm A

Từ sơ đồ lực như trên ta có:

Tổng mô men giữ là:

M =968*29+1161,6*16=46657,6Tm

Hệ số ổn định lật là:

KL= 1 65 [ ] 1 2

05 , 28165

6 ,

l

M M

Vậy công trình đảm bảo ổn định lật

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ ĐẬP ĐÁ CÓ TƯỜNG LÕI MỀM.

I Cơ sở lý luận

1 Sơ đồ tính.(Hình 3.1)

m2 m1

MNTK

α

l b

L

H 2

H 0 H1

d

B

H 0 b

JP J JT

α

H1

H2

l

2 Lý thuyết đập đá có tường lõi mềm

a) Khái niệm chung

Đập đá là loại đập được xây dựng bằng đá Đá được đổ tự do hoặc được xây khan không cần chất kết dính Đây là một loại đập được xây dựng ở những nơi có nhiều đấ giao thông thuận lợi Những đập được xây dựng bằng đá theo một trình tự nhất định gọi là đập đá xây khan

Đập đá có tường lõi mềm là dùng hình thức chống thấm bằng lõi đất mềm, mặt trước mặt sau tường lõi đều phảI làm tầng lọc ngược để chống thấm và xói ngầm b) Thấm qua đập đá có lõi giữa

Khi tính thấm qua đập đá có lõi giữa ngưòi ta giả thiết rằng mực nứơc thượng lưu kéo dài tới mép của lõi giữa, tức là tổn thất cột nước trong phần đá đổ trước lõi giữa

là không đáng kể

Khi tính thấm chỉ xét dòng thấm qua lõi, dựa vào lưới thấm qua lõi để tính

Khi H1/L < 0.5 có thể xác định theo ct:

) 2 / ( 1 65 0

b h

Gradien của dòng thấm khi ra ở mép thượng lưu:

Jt=sinα ; JP= sinα tgβ=> J = sinα /cosβ

β: góc đường dòng tạo với mặt hạ lưu tại điểm đang xét.

Lưu lưọng thấm qua lõi được xác định theo công thức:

Q= k1 Ω

K1 : hệ số thấm của lõi

Ω : diện tích của biểu đồ J

II Ung dụng

(*) Xác định các kích thước cơ bản của đập :

1.Cao trình đỉnh đập :

CTĐĐ = CTMN_dâng bình thường + d Hoặc :

CTĐĐ = CTMN_lũ + d’

Trong đó :

d , d’ - độ vượt cao của đỉnh đập so với MN_dâng và MN_lũ

Ta chọn d=2m với cấp công trình là cấp 1

CTĐĐ = 26,5 + 2 = 28,5 m 2.Chiều rộng đỉnh đập :

Chiều rộng đỉnh đập được xác định theo yêu cầu cấu tạo , giao thông

B = 0.1 H Lấy chiều rộng đỉnh đập : B = 5 m

3.Mái đập :

Độ dốc mái đập phụ thuộc vào chiều cao đập , loại đất đắp , tính chất nền Sơ bộ chọn mái dốc đập như sau :

Khi H = 26,5 m:

Mái thượng lưu m = 2.5

Mái hạ lưu m1 = 1.5

Ta tính toán cho trường hợp mái dốc không đổi và không có bậc cơ

4.Xác định kích thước của tường lõi

Chọn bề dày blõi = 3 m

Chọn bề dày llõi = 5 m

Mặt cắt ngang đập như hình vẽ: