ĐỒ ÁN THỦY CÔNG I - THUYẾT MINH - PDF - BÁCH KHOA

Mục đích, phương pháp tính toán - Mục đích tính toán:  Xác định mực nước lớn nhất thiết kế, mực nước lớn nhất kiểm tra và bề rộng tràn theo phương pháp điều tiết lũ đơn giản..  Tính to

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

BẢNG KÝ HIỆU, VIẾT TẮT 5

SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 6

1 Mặt bằng khu vực, mặt cắt dọc tuyến đập 6

2 Số liệu địa chất 7

3 Số liệu thủy văn hồ chứa 7

4 Số liệu điều tiết lũ 7

PHẦN I: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ 8

I Mục đích, phương pháp tính toán 8

II Tính toán điều tiết lũ 8

1 Trường hợp lũ thiết kế 8

1.1 Phương pháp giải tích đơn giản: 8

1.2 Tính toán với lưu lượng lũ thực 10

2 Tính theo trường hợp lũ kiểm tra 13

PHẦN II: THIẾT KẾ ĐẬP CHẮN NƯỚC 15

I Thiết kế sơ bộ mặt cắt ngang đập 15

1 Xác định sơ bộ cấp công trình 15

2 Xác định bề rộng đỉnh đập 15

3 Mái đập, cơ đập và bề rộng đáy đập 15

3.1 Mái đập 15

3.2 Cơ đập 17

3.3 Bề rộng đáy đập 17

4 Bộ phận chống thấm (BPCT) 17

4.1 Nhiệm vụ 17

4.2 Xác định chiều dài đập: 17

4.3 Kiểm tra lưu lượng thấm 18

5 Bộ phận thoát nước (BPTN) 19

II Tính toán cao trình đỉnh đập thiết kế 19

1 Trường hợp tính theo ZMNDBT 20

2 Trường hợp tính theo ZMNLNTK 22

3 Trường hợp tính theo mực nước ZMNLNKT 22

III Tính toán thấm qua thân đập 22

1 Mục đích, trường hợp và số liệu tính thấm 22

1.1 Mục đích 22

1.2 Các trường hợp (tổ hợp) tính thấm 23

1.3 Số liệu tính thấm 23

2 Tính toán thấm 23

2.1 Trường hợp 1: ZMNTL = ZMNDBT, ZMNHL thấp nhất 24

2.2 Trường hợp 2: ZMNTL = ZMNLNTK, ZMNHL cao nhất 25

3 Tính toán ổn định mái dốc của đập đất 26

3.1 Chỉ tiêu cơ lý của đập 26

3.2 Các trường hợp, kết quả tính toán 26

PHẦN III: THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THÁO LŨ 29

I Mục đích, đặc điểm thiết kế và cấu tạo CTTL 29

1 Mục đích thiết kế 29

2 Đăc điểm thiết kế 29

3 Cấu tạo công trình tháo lũ 29

II Tính toán thiết kế 29

1 Phân đoạn dẫn vào 29

2 Phân đoạn tràn 31

3 Phân đoạn nối tiếp: Thiết kế dốc nước 32

3.1 Nhiệm vụ, số liệu tính toán: 32

3.2 Thiết kế đoạn chuyển tiếp 32

3.3 Tính toán thủy lực dốc nước 32

4 Phân đoạn dẫn ra 35

4.1 Thiết kế kênh dẫn hạ lưu 35

4.2 Tiêu năng sau dốc nước 36

Hình 1 Mặt bằng khu vực C – Tỷ lệ 1/5000 6

Hình 2 Biểu đồ lưu lượng lũ vào hồ 7

Hình 3 Biểu đồ lũ kiểm tra 8

Hình 4 Biểu đồ lũ thiết kế 8

Hình 5 Biểu đồ qua hệ giữa B t và H 10

Hình 6 Đường MNGC ứng với trường hợp lũ thiết kế 12

Hình 7 Lưu lượng vào và lưu lượng ra khỏi hồ 12

Hình 8 Đường MNGC ứng với trường hợp lũ kiểm tra 14

Hình 9 Lưu lượng vào và lưu lượng ra khỏi hồ 14

Hình 10 Gia cố mái đập thượng lưu 16

Hình 11 Gia cố mái đập hạ lưu 16

Hình 12 Mặt cắt ngang địa hình dọc tuyến đập 17

Hình 13 Đường bão hòa và lưu lượng thấm qua đập đồng chất 18

Hình 14 Đường bão hòa và lưu lượng thấm qua đập có BPCT 18

Hình 15 BPCT và BPTN của đập 19

Hình 16 Đường bão hòa và lưu lượng thấm TH1 – Đập có VTN 24

Hình 17 Đường bão hòa và lưu lượng thấm TH1 - Đập không có VTN 24

Hình 18 Đường bão hòa và lưu lượng thấm TH2 - Đập có VTN 25

Hình 19 Đường bão hòa và lưu lượng thấm TH2 - Đập không có VTN 26

Hình 20 Khối trượt và hệ số an toàn TH1 - Tố hợp cơ bản 27

Hình 21 Đường bão hòa và hệ số an toàn TH1 - Tố hợp đặc biệt 27

Hình 22 Đường bão hòa và hệ số an toàn TH2 - Tổ hợp cơ bản 28

Hình 23 Cấu tạo công trình tháo lũ trên mặt 29

Hình 24 Tường cánh TL 31

Hình 25 Đường mặt nước trong dốc nước 35

Hình 26 Sơ đô tính bể tiêu năng 36

Hình 27 Kích thước bể tiêu năng 38

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Tính chất cơ lý của đất đắp có sẵn tại địa phương 7

Bảng 2 Tính chất cơ lý của đất nền tại khu vực thiết kế 7

Bảng 3 Số liệu thủy văn hồ chứa 7

Bảng 4 Các hệ số dùng trong tính toán điều tiết lũ 7

Bảng 5 Các trường hợp tính toán điều tiết lũ 8

Bảng 6 Kết quả tính bề rộng tràn 𝐵𝑡 9

Bảng 7 MNLNTK theo phương pháp điều tiết lũ thực 11

Bảng 8 MNLKT theo phương pháp điiều tiết lũ thực 13

Bảng 9 Độ vượt cao an toàn a (m) 20

Bảng 10 Bảng tra hệ số kinh nghiệm K w 21

Bảng 11 Bảng tra hệ số tần suất Kp 21

Bảng 12 Các trường hợp tính thấm qua đập 23

Bảng 13 Tổ hợp tính ổn định TH1 26

Bảng 14 Tổ hợp tính ổn định TH2 28

Bảng 15 Kết quả tính toán thủy lực dốc nước 34

Ký hiệu Ý nghĩa, đơn vị

C Lực dính (kPa)

D Đà sóng (km)

K Hệ số thấm (m/s)

Q Lưu lượng nước sông (m3/s)

Qlũ Lưu lượng nước lũ đổ về hồ (m3/s)

ZMNLNKT Mực nước lớn nhất kiểm tra (m)

ZMNGC Mực nước gia cường (m)

3 Số liệu thủy văn hồ chứa

Bảng 3 Số liệu thủy văn hồ chứa

MNDBT

(m)

MNC (m)

Gió (MNDBT) Gió (MNLTK) Zha (m) = Qa Vhồ = bZc

ω10 (m/s) D (km) ω10 (m/s) D (km) a b c

4 Số liệu điều tiết lũ

Lưu lượng lũ 𝑄𝑙ũ (𝑚3⁄ ), theo thời gian 𝑡 (𝑠) có dạng: 𝑠

𝑄𝑙ũ =𝑚

𝑡 𝑒𝑥𝑝

−(𝑙𝑛𝑡 − 𝑛)2𝑙với m, n, l lần lượt là các hệ số đo đạc

Bảng 4 Các hệ số dùng trong tính toán điều tiết lũ

PHẦN I: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ

I Mục đích, phương pháp tính toán

- Mục đích tính toán:

 Xác định mực nước lớn nhất thiết kế, mực nước lớn nhất kiểm tra và bề rộng tràn theo phương pháp điều tiết lũ đơn giản

 Tính toán lại mực nước trong hồ trong thời gian có lũ theo phương pháp điều tiết lũ thực

- Phương pháp tính toán: phương trình cân bằng nước

II Tính toán điều tiết lũ

Các trường hợp tính toán:

Bảng 5 Các trường hợp tính toán điều tiết lũ

Trường hợp lũ thiết kế Trường hợp lũ kiểm tra

số lần lượt là 1, 1, 0.35

- Quy trình tính toán:

Hình 4 Biểu đồ lũ thiết kế Hình 3 Biểu đồ lũ kiểm tra

η ) = 181 × (1 −

3144013.315680424

 Cột (7): chiều cao mực nước trong hồ: Zo = ZMNDBT = 25 (m)

- Khi lũ về: t1 = 3 (h) Quy trình tính toán như sau:

= (27087115.7

1 2.8

⁄

≈ 25 (m)

 Cột (8) = (cột7− ZMNDBT): chiều cao cột nước tràn H

0 0.5 1 1.5 2 2.5

H1 = Z1− ZMNDBT = 25 − 25 = 0 (m)

 Cột(9): lưu lượng xả tính toán q′(m3⁄ ) s

q1′ = ε × σn × m × Bt× √2g × H132Với: ε, σn, m lần lượt là các hệ số co hẹp bên, hệ số ngập và hệ số lưu lượng Với các điều kiện không co hẹp, chảy không ngập qua đập tràn đỉnh rộng, giá trị các hệ số lần lượt là: 0.35, 1, 1

⟹ q1′ = 0.35 × 1 × 1 × 35 × √2 × 9.81 × 032 = 0 (m3⁄ ) s

 Cột (10) = (cột9 − cột4): chênh lệch lưu lượng xả ∆q (m3⁄ ) s

∆q1 = (q′1− q1) × 106 = 0 (m3⁄ ) s

⟹ Tiến hành giải lặp giá trị cột (4) để cột (10) bằng 0

- Tính toán tương tự các giờ tiếp theo, ta được bảng kết quả tính toán dưới đây:

Bảng 7 MNLNTK theo phương pháp điều tiết lũ thực

(m)

q' (m3/s)

Δq (m3/s) 0.0 0.0 0.0 0.00 0.0 27086068.0 25.0 0.0 0.00 0.0

(m)

q' (m3/s)

Δq (m3/s)

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0

Hình 6 Đường MNGC ứng với trường hợp lũ thiết kế

Hình 7 Lưu lượng vào và lưu lượng ra khỏi hồ

2 Tính theo trường hợp lũ kiểm tra

- Mực nước lũ kiểm tra tính theo phương pháp điều tiết lũ thực: Tính tương tự như trường hợp lũ thiết kế được bảng kết quả tính toán sau:

Bảng 8 MNLKT theo phương pháp điiều tiết lũ thực

(m)

q' (m3/s)

Δq (m3/s) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 27086068.0 25.0 0.0 0.0 0.0

⟹ ZMNLKT = 27.59 (m) tại thời gian t = 22 (h) ứng với HGC = 2.59 (m)

Hình 8 Đường MNGC ứng với trường hợp lũ kiểm tra

Hình 9 Lưu lượng vào và lưu lượng ra khỏi hồ

PHẦN II: THIẾT KẾ ĐẬP CHẮN NƯỚC

I Thiết kế sơ bộ mặt cắt ngang đập

⟹ Chọn loại đập: đập đất có lõi giữa trên nền không thấm

- Dung tích hồ: theo trường hợp lũ thiết kế: Vhồ = 32870066.4 (m3)

- Đập đất có 2 mái dốc: mái thượng lưu (TL) và mái hạ lưu (HL)

- Mái thượng lưu thoải hơn mái hạ lưu

- Nhằm giảm khối lượng đất đắp (đào), ta thay đổi hệ số mái dốc m như sau:

 Ở mái thượng lưu: cứ giảm 10 (m) chiều cao đập, ta thay đổi m với Δm = 0.5 Tính từ đỉnh đập trở xuống, hệ số mái dốc lần lượt là: m1 = 5; m2 = 4.5; m3 = 4

 Ở mái hạ lưu: cứ giảm 10 (m) chiều cao đập, ta thay đổi m với Δm = 0.25 Tính từ đỉnh đập trở xuống, hệ số mái dốc lần lượt là: m1 = 3; m2 = 3.75; m3 = 4

a) Gia cố mái đập thượng lưu:

- Mục đích: chống lại áp lực sóng nhằm bảo vệ mái đập và chống thấm cho thân đập

- Phương pháp gia cố: mái TL được gia cố bằng tấm bê tông cốt thép dày 0.1 (m), giữa lớp gia cố và thân đập có lớp đệm gồm nhiều lớp vật liệu như cát, sỏi cuội

- Gia cố chính:

 Giới hạn trên: đỉnh đập

 Giới hạn dưới được xác định theo:

GHDc = MNC – 2 × hs = 12 − 2 × 2.46 = 7.08 (m) (hs: chiều cao sóng)

 Cuối phần gia cố chính bố trí các gối tựa bằng đá để giữ cho lớp gia cố không bị trượt,

bố trí tầng đệm (cát, sỏi, cuội) ngay dưới lớp gia cố đóng vai trò tầng lọc nước

b) Gia cố mái đập hạ lưu:

- Mái hạ lưu được gia cố nhằm chống tác hại do mưa, động vật Gia cố như nhau trên toàn

bộ mái hạ lưu

- Phương pháp gia cố:

 Rải một lớp đá dăm hoặc cuội sỏi dày 0.2 (m)

 Phủ đất, bề mặt kết hợp trồng cỏ

 Thiết kế các rãnh thoát nước bằng đá hoặc bê tông, xiên góc 45o

Hình 10 Gia cố mái đập thượng lưu

Hình 11 Gia cố mái đập hạ lưu

3.2 Cơ đập

- Cơ đập là đoạn nằm ngang trên mái dốc, được thiết kế theo yêu cầu:

 Thi công: máy móc đi lại và làm việc

 Kiểm tra sửa chữa mái đập trong thời gian vận hành

 Giao thông (đối với mái hạ lưu)

 Thu và thoát nước mưa, tránh xói lở, tăng ổn định mái dốc

 Giảm khối lượng đất đào, đắp

 Bố trí cơ đập tại vị trí thay đổi hệ số mái dốc m

- Chọn bề rộng cơ đập: bcđ = 3 (m), bố trí 2 cơ đập trên mái thượng lưu và hạ lưu

3.3 Bề rộng đáy đập

Lđ = 5 × 10 + 3 + 4.5 × 10 + 3 + 4 × 10 + 10 + 3.5 × 10 + 3 + 3.75 × 10 + 3 + + 4 × 10 = 262 (m)

4 Bộ phận chống thấm (BPCT)

4.1 Nhiệm vụ

- Bộ phận chống thấm có nhiệm vụ: hạ thấp đường bão hòa, giảm gradient thấm

⟹ Giảm lưu lượng thấm và tăng ổn định cho mái hạ lưu

4.2 Xác định chiều dài đập:

- Từ mặt bằng khu vực, ta xác định được mặt cắt ngang dọc tuyến đập: hình 13

- Dựa vào cao trình đỉnh đập ∇đỉnh đập= 30 (m) và mặt cắt ngang dọc theo tuyến đập với cao độ địa hình tương ứng ⟹ Chiều dài đập: Lđập = 168 (m)

50 45 40 35 30 25 20 25 30

30 25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

4.3 Kiểm tra lưu lượng thấm

- Xét đập đồng chất, có bộ phận chống thấm: vật thoát nước (VTN) lăng trụ

- Tính thấm theo trường hợp: ZMNTL = ZMNDBT, ZMNHL thấp nhất Sử dụng phần mềm GEO – Studio – SEEP/W: mô hình hóa bài toán thấm

⟹ Thỏa điều kiện lưu lượng thấm cho phép ⟹ Không cần bố trí BPCT

- Tuy nhiên, việc thiết kế thêm lõi giữa trong thân đập vừa giảm được lưu lượng thấm qua thân đập vừa giảm được khối lượng đào đắp (giảm hệ số mái dốc) mà vẫn đảm bảo được điều kiện kỹ thuật

Hình 13 Đường bão hòa và lưu lượng thấm qua đập đồng chất

Hình 14 Đường bão hòa và lưu lượng thấm qua đập có BPCT

⟹ Thỏa điều kiện lưu lượng thấm cho phép

- Vậy: ta thiết kế BPCT lõi giữa để chóng thấm cho thân đập

5 Bộ phận thoát nước (BPTN)

- Nhiệm vụ:

 Tập trung dòng thấm xuống hạ lưu

 Không cho dòng thấm thoát ra trên mái hạ lưu

 Hạ thấp đường bão hòa

 Ngăn ngừa các hiện tượng xói ngầm, đùn đất

- Chọn bộ phận thoát nước: vật thoát nước (VTN) lăng trụ (vì hạ lưu có nước):

 Mực nước hạ lưu lớn nhất (ứng với trường hợp điều tiết lũ theo lũ thiết kế):

II Tính toán cao trình đỉnh đập thiết kế

- Cao trình đỉnh đập thiết kế tính theo 3 trường hợp sau:

Hình 15 BPCT và BPTN của đập

∇đỉnh đập≥ ztk + hd ⟺ ∇đỉnh đập≥ {

zMNDBT+ (∆h1+ hsl1+ a1)

zMNLNTK+ (∆h2+ hsl2+ a2)

zMNLNKT+ (∆h3+ hsl3+ a3)Trong đó: ∆hi: chiều cao mực nước dềnh do gió

hsli: chiều cao sóng leo

ai: độ vượt cao an toàn (tra mục 6.1.3, bảng 2 – chiều cao an toàn của

đập – TCVN 8216 : 2009 – Thiết kế đập đất đầm nén)

Bảng 9 Độ vượt cao an toàn a (m)

Điều kiện làm việc của hồ

Độ vượt cao an toàn a (m) phân theo cấp

- Theo tính toán sơ bộ cấp công trình: công trình cấp III

⟹ Độ vượt cao an toàn a (m) tương ứng với từng điều kiện làm việc của hồ lần lượt là:

 m: hệ số mái dốc trung bình mái TL, m = 4.5

Bảng 10 Bảng tra hệ số kinh nghiệm K w

̅

2.66 2.23 2.07 1.97 1.9 1.84 1.64 1.54 1.39 0.96 0.1 - 0.3 2.44 2.08 1.94 1.86 1.8 1.75 1.57 1.48 1.36 0.97

2 Trường hợp tính theo ZMNLNTK

Tính toán tương tự như thường hợp ZMNDBT:

- Tính chiều cao sóng leo:

hsl2 =KΔ2× Kw2× Kp2

√1 + m2 × √hs2 × Ls2Trong đó:

3 Trường hợp tính theo mực nước ZMNLNKT

- Tính toán với trường hợp không có gió: hsl3 = 0, ∆h3 = 0

- Xác định lưu lượng thấm đơn vị qua thân đập, nền

Trường hợp lưu lượng thấm vượt qua giới hạn cho phép:

 Bố trí hoặc xác định lại kích thước vật chống thấm

 Điều chỉnh (gia tăng) kích thước mặt cắt đập

 Tăng cường chống thấm cho nền (bản cọc, sân trước, chân khay,…)

- Xác định vị trí đường bão hòa trong thân đập

- Kiểm tra hiện tượng xói ngầm trong thân đập,nền

 Cao độ đỉnh lõi giữa: ∇LG= 28 (m)

b) Bộ phận thoát nước: vật thoát nước lăng trụ

 Chiều cao VTN lăng trụ: HVTN = 9 (m)

 Hệ số mái dốc mái thượng lưu: m1 = 4; m2 = 4.5; m3 = 5

 Hệ số mái dốc mái hạ lưu: m1 = 2.25; m2 = 2.5; m3 = 2.75

2 Mực nước lũ thiết kế Mực nước hạ lưu

lớn nhất

Đường bão hòa cao nhất

 Lưu lượng thấm qua thân đập: qthấm = 3.4295 × 10−6 (m3/s/m)

 Kiểm tra lưu lượng thấm:

Dung tích hồ ứng với MNDBT:

Vhồ= b × ZMNDBTc = 3300 × 252.8 = 27086069.0 (m3) Lượng thấm qua đập trong 1 năm:

⟹ Thỏa điều kiện lưu lượng thấm cho phép

 Trường hợp đập không có BPTN:

Hình 16 Đường bão hòa và lưu lượng thấm TH1 – Đập có VTN

Hình 17 Đường bão hòa và lưu lượng thấm TH1 - Đập không có VTN

 Lưu lượng thấm: qthấm = 2.9851 × 10−6 (m3/s/m)

- Nhận xét: đường bão hòa trường hợp không có VTN cao hơn trường hợp có VTN, lưu lượng thấm giảm khi đập có VTN

2.2 Trường hợp 2: ZMNTL = ZMNLNTK, ZMNHL cao nhất

- Phương pháp tính toán tương tự như trường hợp trên

- Điều kiện biên:

⟹ Thỏa điều kiện lưu lượng thấm cho phép

Hình 18 Đường bão hòa và lưu lượng thấm TH2 - Đập có VTN

 Trường hợp đập không có BPTN:

 Lưu lượng thấm: q = 3.6884 × 10−6 (m3/s/m)

- Nhận xét: đường bão hòa trường hợp không có VTN cao hơn trường hợp có VTN nhưng không chệnh lệch nhiều Lưu lượng thấm qua đập giảm khi không có VTN

3 Tính toán ổn định mái dốc của đập đất

3.1 Chỉ tiêu cơ lý của đập

3.2 Các trường hợp, kết quả tính toán

a) Trường hợp 1: Khi hồ đã chứa nước với các mực nước thượng hạ lưu khác nhau

⟹ Xem xét mái hạ lưu

Bảng 13 Tổ hợp tính ổn định TH1

Tổ hợp tải trọng Thượng lưu Hạ lưu

Cơ bản MNDBT Mực nước tương ứng

Hình 19 Đường bão hòa và lưu lượng thấm TH2 - Đập không có VTN

Tổ hợp tải trọng Thượng lưu Hạ lưu Đặc biệt MNLNTK Mực nước tương ứng

- Kết quả:

 Tổ hợp tải trọng cơ bản: ZMNTL = ZMNDBT, hạ lưu không có nước ZMNHL = 0

 Hệ số an toàn: Kcb = 1.495 > [K] = 1.3

⟹ Thỏa điều kiện ổn định

 Tổ hợp tải trọng đặc biệt: ZMNTL = ZMNLNTK, ZMNHL(max) = 7.54 (m)

 Hệ số an toàn: Kđb = 1.420 > [K] = 1.3

⟹ Thỏa điều kiện ổn định

- Nhận xét: Hệ số mái dốc thượng lưu và hạ lưu phù hợp vì hệ số an toàn tính toán đều thỏa điều kiện Ktt > [K] và chênh lệch không đáng kể

Kcb− Kđb

Kcb =

1.495 − 1.4201.420 × 100 = 5.3%

b) Trường hợp 2: Khi nước trong hồ rút nhanh xuống mực nước chết ⟹ Xem xét mái

thượng lưu

Hình 20 Khối trượt và hệ số an toàn TH1 - Tố hợp cơ bản

Hình 21 Đường bão hòa và hệ số an toàn TH1 - Tố hợp đặc biệt