Công trình đường thủy - Chương 9

Danh mục ký hiệu Chương 1: Khái niệm chung Chương 2: Quy hoạch tuyến chỉnh trị Chương 3: Tuyến chỉnh trị Chương 4: Tính toán kè mỏ hàn Chương 5: Tính toán đập khóa Chương 6: Kè hướng dòng Chương

Chương 9

ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH CHỈNH TRỊ 9.1 Ổn định kè mỏ hàn:

Trong tính toán của kè mỏ hàn ta cần tính toán ổn định về trượt và lún của kè Tính

toán hố xói đầu kè và hố xói sau thân kè về phía HL để xác định chiều dài của đệm chống

xói (bè chìm) Ngoài ra cần tính toán ổn định của vật liệu nằm trên mái dốc và mặt kè sao

cho những vật liệu này không bị mang đi do tác dụng của dòng nước

Tính lún của kè mỏ hàn và đập khóa được thực hiện giống như trong môn cơ đất,

nền móng

Việc tính toán ổn định của kè điều chỉnh lưu lượng, kè hướng dòng và đập đinh

tương tự như kè mỏ hàn

9.1.1 Chiều sâu hố xói đầu kè:

Theo công thức của Macaveev:

d

V tg k k

2

2 27

2 2

=

(9-1)

§Çu kÌ

∆h

h h 0

kÌ

Hình 9-1 Sơ đồ hố xói đầu kè

Trong đó:

V- vận tốc đầu kè;

k1, k2 - hệ số được tính như sau:

k gl V

e

k

2

1 , 5 1

−

e

k2 = −0,2

m - mái dốc đầu kè;

lk - chiều dài kè;

α - góc hợp giữa trục kè và phương dòng chảy khi α>900 lấy

2 α

d - đường kính hạt tại đầu kè

Theo 22 TCN 241-98:

α

ω LK K

V V h

L

h

⎦

⎤

⎢

⎣

+ +

=

0

0 0207 , 0 5

, 0

84 , 1

Trong đó:

hP - chiều sâu nước cực đại của hố xói tính từ mặt nước (m);

h - chiều sâu nước tại đầu kè khi chưa có hố xói;

L - chiều dài hình chiếu của kè lên mặt cắt ướt;

Km - hệ số liên quan tới mái dốc, lấy theo bảng sau:

m 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Km 0,71 0,55 0,44 0,37 0,32 0,28

Kα - hệ số liên quan tới góc hợp của trục kè và hướng dòng chảy, α - góc phía

ngoài kè, khi α > 90 thì kè hướng ngược chiều dòng chảy Khi đó Kα tính theo

công thức sau:

3 / 1

90⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

= α

α

K

ω0 - là độ thô thuỷ lực của bùn cát;

V - vận tốc lớn nhất của dòng chảy đầu kè;

V0 - vận tốc không xói tính theo công thức sau:

V0 =3,69(hd)1/4

d - đường kính hạt;

Theo công thức Antunin:

h - chiều sâu dòng chảy nơi có hố xói đầu kè (m);

h0- chiều sâu của dòng chảy đầu kè (m);

Kα - hệ số tính đến góc hợp giữa dòng chảy với kè, tra bảng 9-1;

KQ - hệ số co hẹp lòng sông tra bảng 9-2

Bảng 9-1 Xác định hệ số Kα

Kα 1,18 1,07 1,00 0,96 0,84

Bảng 9-2 Xác định hệ số K Q

Q 1 /Q 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

KQ 2,0 2,65 3,22 3,45 3,64 3,87 4,06 4,2

Q - lưu lượng sông;

Ql- lưu lượng qua phần diện tích kè (trước khi có kè)

Bảng 9-3 Xác định hệ số K m

m 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0

km 1,00 0,91 0,85 0,83 0,61 0,50 Chiều dài hố xói xác định theo công thức 9-10

Chiều sâu hố xói của kè cọc, chảy xuyên xác định theo công thức:

g

V P k

2

2 2 / 3

=

∆

Trong đó:

ka - hệ số thực nghiệm bằng 50;

P - hệ số kín nước bằng tỷ số diện tích của hệ thống cọc và diện tích kè

9.1.2 Tính trượt phẳng thân kè

α G

G +G N

G 1 2

1 2

Hình 9-2 Sơ đồ tính trượt phẳng kè mỏ hàn

Để tính ổn đinh trượt kè mỏ hàn cần xác định hệ số ổn định:

T P

f G G k

+

⋅ +

= ( 1 2) cosα

P - lực thủy động;

T - lực gây trượt, T = (G1 + G2)sinα;

θ γ

β sin

2

g

V H

β- hệ số thủy động, xác định theo bảng 9-4;

θ - góc hợp giữa trục kè và phương dòng chảy;

V - vận tốc tới gần kè mỏ hàn;

γ - trọng lượng riêng;

H - độ sâu của nước về phía thượng lưu;

f - hệ số ma sát

Bảng 9-4 Xác định hệ số thuỷ động

β h sinθ 0,6 ÷ 0,8 1,0 1,5 ÷ 2,0

Bảng 9-5 Xác định hệ số ma sát Nền Đá Cát Đất cát Đất thịt Đất sét

f 0,75 0,45 0,35 0,25 0,2 Giá trị của k cho phép không nhỏ hơn 1,2÷1,5

9.1.3 Tính toán bè chìm

Nhiệm vụ của việc tính toán bè chìm là tính toán số lượng đá đặt lên bè để cho bè

có thể chìm được xuống đáy sông

Nếu gọi t , γ , n là chiều dày, dung trọng, hệ số rỗng của đá

t2, γ2, n2 là chiều dày, dung trọng, hệ số rỗng của bè

t t

1

2

γ1,n1

γ2,n2

Hình 9-3 Sơ đồ tính toán bè chìm

Trọng lực của bè và của đá trong nước được xác định như sau:

P n

P n

Để cho bè và đá chìm được thì n.Pbè=Pđá nên:

n.t2(1- n2)(1 - γ2)= t1(1- n1)( γ1 - 1) (9-7)

t2 - chiều dày của bè (0,3 ÷ 0,4m);

n n

n t

) 1 )(

1 (

) 1 )(

1 (

1 1

2 2

2

−

−

=

γ

γ (9-8) n- hệ số dự phòng

Trên thực tế chiều dày của lớp đá không lớn lắm nên có thể dùng t1 làm đường kính

của viên đá để chọn đá ví dụ:

n1 = n2; γ1 = 2,4 T/m3; γ2 = 0,7T/m3, n = 1,5 ⇒ t1=(1/3).t2

Tuy nhiên còn cần kiểm tra ổn định của đá dưới tác dụng của dòng chảy

9.2 Ổn định đập khóa:

α

Z

h

HP

Hình 9-4 Sơ đồ tính hố xói đập khoá

Đầu tiên phải tính hố xói hạ lưu của thân đập:

6 / 1 3 / 1

332 , 0

h d

q

hP - chiều sâu của đập tại nơi có hố xói;

q - lưu lượng đơn vị trên mặt đập;

d - đường kính hạt trung bình;

h - chiều sâu dòng chảy

Sau khi tính được chiều sâu của hố xói đầu kè thì chúng ta cần tính được chiều dài

của hố xói và dựa vào chiều dài này áp dụng các biện pháp gia cố, hoặc đặt bè chìm

Chiều dài của vùng bị xói:

m - hệ số mái dốc hạ lưu

Ổn định trượt phẳng của đập khoá tính toán giống như kè mỏ hàn Tuy nhiên còn

phải kể đến áp lực tĩnh do độ chênh lệch MN

9.3 Ổn định vật liệu:

Việc tính toán ổn định vật liệu gia cố được thực hiện tại các nơi xung yếu của công

trình:

- Mặt đập và các loại kè;

- Mái dốc hạ lưu kè, đập;

- Mái dốc thượng lưu kè hướng dòng;

- Mái dốc đầu kè

Trước hết cần xác định các vận tốc lớn nhất tại các vị trí xung yếu

- Đường kính của viên đá gia cố trên mặt kè, đập được tính theo công thức sau:

14 , 0 max 36

,

0

45 , 5

.

kh

V

Vmax - vận tốc trên mặt kè;

η - hệ số an toàn lấy bằng 1,2÷1,5;

k - hệ số điều chỉnh lưu tốc khởi động bằng 0,6÷0,9;

Hoặc công thức Gôntrarôp

( )

3 / 10

2 , 0

max

%

50

0 ,

3 ⎥⎥⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

=

ε

k

h

V

Trong đó:

% 90

% 50

d

d

=

ε ;

hk - chiều sâu dòng chảy trên mặt kè

- Đường kính viên đá nằm trên mái dốc lấy theo công thức trong phần gia cố bờ

- Đường kính viên đá đầu kè, do chịu tác động mạnh của chảy rối nên sử dụng công

thức Balanin:

(γ ) α

α β

cos 1

cos 44

0 15 , 0

2 max

2 max

−

⋅ +

=

d

v v

Trong đó:

vmax - vận tốc đầu kè (m/s);

β - hệ số có giá trị bằng 0,2÷0,3;

α - góc nghiêng của mái dốc (độ);

d

γ - khối lượng riêng của đá (T/m3)

9.4 Lún công trình:

Phương pháp tính cộng lún từng lớp: là phương pháp hiện nay đang được sử dụng

rộng rãi, thường được áp dụng vào trường hợp nền có nhiều lớp đất khác nhau có tính

chất biến đổi rõ rệt theo chiều sâu

9.4.1 Sơ đồ và nội dung phương pháp:

Cho sơ đồ một móng băng như hình vẽ chịu tải trọng phân bố q:

q

σz

zi

σ

b

Hình 9-5 Sơ đồ phân bố ứng suất phụ tải

Để tính lún tại một điểm nào ta chia đất nền thành từng lớp phân tố mỏng có chiều

dày hi (để đảm bảo độ chính xác khi tính toán chiều dày hi nên nhỏ hơn b/4) Sau đó tính

độ lún si của từng lớp phân tố, cuối cùng độ lún của nền bằng tổng độ lún của các lớp

phân tố: S =∑s i

Các lớp phân tố sẽ được tính đến hết chiều sâu H được gọi là chiều sâu (hay phạm

vi) chịu lún của công trình Trị số H được xác định một cách quy ước theo mức độ so

sánh ứng suất gây lún σ z và ứng suất do trọng lượng bản thân đất gây ra σbt, theo quy

định tỷ số này không lớn hơn 0,2

9.4.2 Phương pháp để tính độ lún h i của từng lớp phân tố:

Để tính toán độ lún của từng lớp phân tố chúng ta có thể áp dụng nhiều phương

pháp để tính, ở dây chúng ta sử dụng công thức nén đơn:

i i

i i

E

Trong đó:

Ei - môđun biến dạng của lớp đất chứa lớp đất phân tố thứ i;

σi - ứng suất gây lún trên lớp đất phân tố thứ i (do tải trọng công trình gây ra,

không kể trọng lượng bản thân của đất);

hi - chiều dầy của lớp phân tố i;

βi - hệ số điều chỉnh để xét đến ảnh hưởng cần chú ý Theo quy phạm có thể lấy

bằng 0.8, hoặc theo công thức sau:

i

i

µ β

−

−

=

1

2 1

2 (9-15)

i

µ - hệ số nở hông của lớp i

9.4.3 Xác định ứng suất gây lún σi :

Ứng suất gây lún σi là ứng suất gây ra do tải trọng gây lún dưới đáy móng công

trình, để tính toán thì có nhiều phương pháp, ở đây chúng ta sử dụng sơ đồ đơn giản để

tính ứng suất gây lún trong nền đất:

α 1

α2

q

h h 1

2

α 1

σ z

q

z

σ

Hình 9-6 Sơ đồ truyền tải trọng theo chiều sâu

Ta hình dung trên bề mặt bán không gian-nền đất có tác dụng một tải trọng phân bố

đều q trên diện tích của một móng băng có bề rộng b, thì với chiều sâu tải trọng này sẽ

khuyếch tán theo một góc mở nào đó Trong môi trường rời thuần tuý (các hạt chỉ có ma

sát với nhau mà không có lực dính) thì góc truyền ứng lực này sẽ bằng góc ma sát trong

của vật liệu rời Đối với đất, vì giữa các hạt ngoài lực ma sát còn có lực dính nên góc

truyền ứng suất phải lớn hơn góc ma sát trong nên nếu chỉ tính đến ma sát thì tính toán sẽ

thiên về an toàn hơn

Khi đó ta có:

σz

∑

=

+

i

i

i h tg b

b q

1

(9-16)

Trong đó:

B - bề rộng đáy móng;

hi - chiều dầy lớp đất phân tố thứ i;

α - góc truyền của lớp đất thứ i lấy bằng góc ma sát trong;

n - số lớp đất phân tố được xét

Chương 9 9-1

9.1 Ổn định kè mỏ hàn: 9-1 9.2 Ổn định đập khóa: 9-4 9.3 Ổn định vật liệu: 9-5 9.4 Lún công trình: 9-6