Đồ án Thiết kế Đập đất

cũng có thể khai thác vận chuyển ở các vị trí cách không xacông trình đầu mối.- Vì vậy hình thức đập thiết kế là đập đất đồng chất, không tràn nước, tuyếnđập thẳng, tim đập là mặt cắt B

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:

phục vụ du lịch

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

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 trungbình lớp phong hóa dày 0,5-1m

3 Vật liệu xây dựng:

a) Đất: Xung quanh vị trí đập có bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000m,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 cácchỉ tiêu như ở bảng1 Điều kiện khai thác bình thường

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

bị chống thấm

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

bỏ đắp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lý: ; , n = 0,35 (của đống đá), (của hòn đá)

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

(T/m 3

)

k(m/s)

Tựnhiên

Bãohòa

Tựnhiên

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 MNDGC: 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:

Bình thường Max

- 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 với các loại đập khác, vì vậy loại đập này được ưu tiên khi xét đến các hình thứcđập

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

và quản lý đập đất

- Ngoài ra, các loại vật liệu dùng để làm các bộ phận như: chống thấm, bảo vệmái, tầng lọc ngược cũng có thể khai thác vận chuyển ở các vị trí cách không xacông trình đầu mối.

- Vì vậy hình thức đập thiết kế là đập đất đồng chất, không tràn nước, tuyếnđập thẳng, 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 vệmái đập

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 :

- Đập vật liệu đất

- Chiều cao đập :37 (m)

- Nền đất thuộc nhóm B. Công trình cấp II

b) Theo nhiệm vụ của công trình: Tưới cho 2650ha Tra bảng P1-2, phụ lục 1

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(Theo QPVN 11-77)

Tra 14TCN-157-2005 Tiêu chuẩn thiết kế đập đầm nén bảng 4-2:Tần suất giólớn nhất 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)

- 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

- 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 :

Ta có : Chiều cao an toàn : a = 0,7 ( m )

+ Mực nước dâng gia cường :

Ta có : Chiều cao an toàn : a' = 0,5 ( m )

+ Mực nước lũ kiểm tra : a’’= 0,3

B - KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA ĐẬP ĐẤT

+ 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 a) Xác định , h sl ứng với gió lớn nhất V :

- Góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió Theo tài liệu trắc

đạc, gió tính toán là vô hướng, nên ta chọn hướng bất lợi nhất = 0.

+ Giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu : (H > 0,5).Tính các đạilượng không thứ nguyên: (, ) 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)

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

(1) ; (2)

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

=1,049.=3,42 (s) ;

= (m)Trị số dược xác định như sau : =g.(m)

- Kiểm tra điều kiện sóng nước sâu :

Có H=33,5 (m)> 0,5=0,5 18,26= 9,13(m)

Giả thiếtsóng nước sâu là đúng

Tính hs1%=k1%.= 2,1 0,96= 2,016(m)

(K1%= 2,1 , K1% được tra ở đồ thị hình P2-2 ứng với đại lượng :

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

K1 = 0,95 ; K2 =0,85

- 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 = 0,05H+ 2,00 = 0,05.39,5+2 = 3,98

+ Mái hạ lưu : m2 =0,05H+ 2,00 = 0,05.39,5+1,5 = 3,48

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=3) và trị số

sl ứng với gió bình quân lớn nhất V ’ = 15,5 m/s

Tương tự như xác định , hsl nhưng với V’=15,5 m/s và D’=D + 0,3 =3,0 + 0,3

H: Là chiều sâu dưới đập

+ Giả thiết là sóng nước sâu : (H > 0,5)

Tính các đại lượng không thứ nguyên:

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

(1) ; (2)

Từ các giá trị tra được chọn cặp (2)

=1,62.=2,56 (s) ; = (m) =g.(m)

Có H=36,5 > 0,5=0,5.10,23=5,115Giả thiết sóng nước sâu là đúng

Tính h s1%=k1%.= 2,1.0,47 =0,99(m)

K1% =2,12 được tra ở đồ thị hình P2-2ứng với đại lượng =118,41

- Hệ số K1, K2 tra ở bảng P2-3, phụ thuộc vào đặc trưng lớp gia cố mái và độnhám tương đối trên mái Lấy =0,02

K1 = 0,9 ; K2 =0,8

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

Chọn sơ bộ hệ số mái: m1 = 3,98 ; m2 = 3,5

Với Vgio=15,5 m/s tra bảng P2-2 K3 = 1,32

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

2 Bề rộng đỉnh đập:

Tại tuyến công trình, việc giao thông không thuận lợi do vậy đỉnh đậpkhông có yêu cầu giao thông Vậy ta chọn bề rộng đỉnh đập dựa theo yêu cầu thicông và cấu tạo cũng như yêu cầu khai thác, quản lý vận hành và sửa chữa đập dễdàng

Chọn B = 10 (m)

II- MÁI ĐẬP VÀ CƠ ĐẬP:

1 Mái đập:

- Chiều cao đập H= Zđ -( Zđáy- 1) = 39,2 – (1 – 1) = 39,2 (m)

- Sơ bộ hệ số mái: Mái dốc đập phảI đảm bảo điều kiện ổn định của đập trongmọi trường hợp, mái càng thoải càng tốt nhưng phải phù hợp về mặt kinh tế Độthoải của mái phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình thức đập, chiều cao đập, các loạiđất đắp đập, tính chất cơ lý và loại nền

- Khi tính toán sơ bộ chọn mái theo công thức kinh nghiệm Sau này hệ sốmái được tính chính xác hơn theo điều kiện ổn định

định cho mái, tập trung và thoát nước mưa đồng thời bảo đảm thuận lợi cho quátrình thi công, phục vụ tốt cho quá trình quản lý, vận hành và phòng chống lũ saunày.

Trong trường hợp này, chiều cao đập là 39,2 m, vì vậy ta bố trí một cơ ở cao trình 20m, rộng 3 m ở mái hạ lưu, độ dốc mái đập không thay đổi là m 2 = 3 Trên

cơ có bố trí rãnh thoát nước ngang để tập trung nước mưa từ mái trên đổ xuống.Đỉnh cơ có độ dốc i = 3 % về phía hạ lưu, trên đỉnh được phủ 1 lớp bảo vệ gồmdăm, sỏi dày 20 cm

ở phía thượng lưu ta không làm cơ

Chọn sơ bộ kích thước ban đầu:

a) Chiều dày tường nghiêng:

- Trên đỉnh: m Chọn

- Dưới đáy: thường

chọn thoả mãn điều kiện :

Để thuận tiện cho thi công chọn cao trình đỉnh tường nghiêng bằng cao trìnhđỉnh đập

b) Chiều dày chân răng:

Chọn bằng chiều dày đáy bản tường nghiêng Ngoài ra còn đảm bảo điềukiện nối tiếp đều đặn giữa tường nghiêng với chân răng

- Không cho dòng thấm thoát ra trên mái hạ lưu

- Hạ thấp đúng đắn và kinh tế đường bão hòa để nâng cao ổn định

- Dẫn nước thấm qua thân, nền đập đập xuống hạ lưu

- Ngăn ngừa biến dạng do thấm

Thiết bị chống thấm thường được phân biệt thành 2 đoạn :

1 Đoạn lòng sông:

Hạ lưu có nước với MNHLBT=6,7 m ; MNHLMa x=8,7 m

Hạ lưu có nứoc Mực nước hậ lưu tại vị trí công trình không quá lớn nên trongtrường hợp này ta chọn hình thức thoát nước kiểu lăng trụ

Độ vượt cao của đỉnh lăng trụ so với mực nước hạ lưu max thường bằng (12).Chọn 1,5 m, đảm bảo trong mọi trường hợp đường bão hoà không chọc ra máI hạlưu

Cao trình đỉnh lăng trụ là: ZLT= MNHLMa x+1,5=8,7 + 1,5 = 10,2 (m)

Bề rộng đỉnh lăng trụ b Chọn b = 2m

Mái dốc thượng lưu của khối lăng trụ làm dốc 1:1;(m’ = 1)

Mái dốc hạ lưu cuae khối lăng trụ làm dốc 1:1,5; (m’’=1,5)

2 Đoạn sườn đồi:

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

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

C- 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 chốngthấm, thoát nước làm việc bình thường

- Thượng lưu là MNDGC, 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 h= 33,5m , hạ lưu là mực nước min h= 6,7m tương ứng; thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường.)

T

39,2

-4

Sơ đồ thấm qua đập mặt cắt lòng sông.

Dùng phương pháp phân đoạn, bỏ qua độ cao hút nước ao ở cuối dòng thấm,lưu lượng thấm q và độ sâu h3 sau tường nghiêng xác định từ hệ phương trình sau

m1- Hệ số mái thượng lưu: m1 =4 Ta có cotg=4=14,2o

m’: Hệ số mái lăng trụ hệ thoát nước: m’=1,5

Giải hệ trên bằng phương pháp thử dần ta có bảng tính sau:

Với đập đất, độ bền thấm bình thường ( xói ngầm cơ học, trồi đất) có thể đảmbảo được nhờ bố trí tầng lọc ngược ở thiết bị thoát nước ( mặt tiếp giáp với thân đập

và nền) Ngoài ra ta còn kiểm tra độ bền thấm đặc biệt để ngăn ngừa sự cố trongtruờng hợp xảy ra hàng thấm tập trung tại một điểm bất kỳ trong thân đập hay nền

a) Với thân đập cần bảo đảm điều kiện:

[Jkn] phụ thuộc loại đất nền và cấp công trình theo Trugaep

Tra bảng P3-2 với đất cát pha và điều kiện công trình cấp II ta được [Jkn] = 0,8

Vậy Jkn < [Jkn] Nền đảo bảo ổn định thấm

III - TÍNH THẤM CHO MẶT CẮT SƯỜN ĐỒI :

Với lưu lượng đã cho, sơ đồ chung của mặt cắt sườn đồi là đập trên nền khôngthấm, hạ lưu không có nước, thoát nước kiểu áp mái

1 - Lưu lượng thấm:

H1

39,2

Sơ đồ tính cho đập mặt cắt sườn đồi

Theo phương pháp phân đoạn, lưu lượng thấm q và các độ sâu h3, ao được xácđịnh từ hệ sau:

(*)Trong đó:

m2: Hệ số mái hạ lưu: m =3

Z0 =.cos =3cos(1402’ ) =2,91 (m)

L=m1(Zđỉnh-Zsđ)+Bđ +m2(Zđỉnh-Zcơ)

=4.(39,2-20,0)+10+3,0.(39,2-20,0=144,3 (m) Vậy

Giải hệ bằng phương pháp thử dần ta có bảng sau:

2- Phương trình đường bão hoà:

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

y ==

3- Kiểm tra độ bền thấm đặc biệt :

a) Với thân đập cần bảo đảm điều kiện:

Trong đó: Jkđ =

[Jkđ] phụ thuộc vào loại đất đắp và cấp công trình theo Trugaep.Tra phụ lục P3-3 với đất cát pha và điều kiện công trình cấp II ta được [Jkđ] = 0,65

Jkđ < [Jkđ] Đập đảm bảo ổn định thấm

D - TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI ĐẬP:

I- TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN

Theo quy phạm, khi thiết kế đập đất, cần kiểm tra ổn định các trường hợp sau:

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 cơ bản)

- Khi thượng lưu có MNDGC, sự làm việc bình thường của thiết bị thoát nước

bị phá hoại (tổ hợp đặc biệt)

2- Cho mái thượng lưu:

- Khi mực nước hồ rút nhanh từ MNDBT đến mực nước min có thể xảy ra (cơ bản)

- 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 MNDGC đến mực nước thấp nhất có thể xảy ra (tổ hợp đặc biệt)

II - TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI BẰNG PHƯƠNG PHÁP CUNG TRƯỢT:

1- Tìm vùng có tâm trượt nguy hiểm:

Sử dụng 2 phương pháp:

a) Phương pháp Filennít:

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 hệ sốmái tra bảng 6_5 giáo trình Thuỷ Công:

Tacó

m=

Tra bảng ta được:  = 35o và  = 25o

Xác định điểm M :

- Điểm M cách điểm Q theo phương thẳng đứng một khoảng là H = 39,2(m)

- Điểm M cách điểm Q theo phương nằm ngang một khoảng là:

4,5.H = 176,4(m) về phía hạ lưu

Đoạn thẳng M M được xác định như hình Vẽ

20

10.2 39.2

Hình 1 Sơ đồ xác định MM

b) Phương pháp Fanđêep:

Theo phương pháp này tâm cung trượt nguy hiểm nằm ở lân cận hình thangcong abcd (hình vẽ) Cách xác định: từ điểm giữa mái đập hạ lưu (O) ta kẻ mộtđường thẳng đứng và một đường hợp với mái dốc một góc 85o Lấy O làm tâm vẽcác cung tròn có bán kính R và r, các bán kính này phụ thuộc vào chiều cao đập và

hệ số mái Tra bảng 6_6 giáo trình Thuỷ Công tập I:

Với m=2,86R/H=2,228 và r/H=0,965

Có Hđ = 39,2 m  R=87,34 m ; r=37,83 m

Kết hợp hai phương pháp, ta tìm được phạm vi có khả năng chứa tâm cungtrượt nguy hiểm nhất là đoạn AB Trên đó ta giả định các tâm O1 , O2 ,O3 Vạchcác cung trượt đi qua điểm Q1 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 taxác định được trị số Kmin ứng với các tâm O Từ vị trí của tâm O ứng với Kminđó kẻđường thẳng NN vuông góc với đường MM1 ,trên đường NN ta lại lấy các tâm Okhác vạch các cung cũng đi qua điểm Q1 ở chân đập, tính K ứng với các cung này,

vẽ biểu đồ quan hệ giữa Kvà vị trí tâm Ota xác định được trị số Kmin ứng với điểm

Q1 ở chân đập

Với các điểm Q2,Q3 ở mặt nền hạ lưu đập ,làm tương tự ta cũng tìm được trị

số Kmintương ứng Vẽ biểu đồ quan hệ giữa Kmini với các điểm ra của cung Qi ta tìmđược hệ số Kmin min cho mái đập

Trong đồ án này chỉ tìm Kmin cho một điểm ra Q1