Công trình thủy lợi - Chương 4

Thi công công trình thuỷ lợi là môn khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu các biện pháp kỹ thuật, tổ chức và quản lý để tiến hành thi công các công trình thuỷ lợi một cách nhanh, tốt, rẻ, an toàn

Chương 4

ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC 4.1 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 của đập giữ cho đập không bị đẩy nổi, trượt và lật

Đập 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 bêtông, không cần mác cao, một phần đập có thể dùng bằng đá

Để đảm bảo tính ổn định cao người ta xây dựng đập bằng bêtông nên có thể gọi là đập bêtông trọng lực

4.1.1 Phân loại

1) Đập trọng lực không tràn: ít xây dựng vì tốn kém

2) Đập trọng lực tràn nước: loại này xây dựng nhiều Hiện nay người ta xây dựng đập bêtông trọng lực tràn nước trên nền đất với cột nước H ≥ 30m Việc xây dựng đập trên nền đá thuận lợi hơn

4.1.2 Ưu, khuyết điểm

4.1.2.1 Ưu điểm

+ Có thể xây dựng được đập cao (Đập Gởrăngđixây cao 284m);

+ Có thể bố trí cho tràn trên mặt hoặc tháo nước trong thân đập, bố trí ống đẫn nước vào nhà máy thuỷ điện trong thân đập;

+ Có thể làm rỗng thân đập, trong đó bố trí nhà máy thuỷ điện;

+ Tính bền vững cao

4.1.2.2 Nhược điểm

+ Việc xây dựng đập tốn rất nhiều vật liệu;

+ Yêu cầu về nền và móng cao hơn nhiều so với các loại đập khác

4.2 Thiết kế mặt cắt ngang của đập bêtông trọng lực

4.2.1 Phân tích mặt cắt kinh tế của đập

Mặt cắt ngang kinh tế của đập là mặt cắt ngang có chiều rộng nhỏ nhất và thoả mãm

ba điều kiện:

+ Điều kiện ổn định: đảm bảo hệ 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 kiện về kinh tế: đảm bảo điều kiện khối lượng công trình là nhỏ nhất

4.2.2 Xác định bề dày đế đập theo điều kiện ứng suất

Xét một đoạn đập có chiều dài bằng 1m, mặt cắt ngang tam giác ABC: chiều rộng

là b chiều cao là h

Hình chiếu của mái dốc thượng lưu là n.b Hình chiếu mái dốc hạ lưu là (1-n).b

Cỏc lực tỏc dụng lờn đập gồm:

- Trọng lực bản thõn G;

- Áp lực nước thượng lưu nằm ngang , thẳng đứng W1, W2;

- Áp lực thấm dưới đỏy cụng trỡnh dạng tam gớac Wt cú chiều cao α1.h với α1 <1 là

hệ số ỏp lực thấm

ứng suất pháp theo phương thẳng đứng

Hỡnh 4- 1: sơ đồ ỏp lực nước tỏc dụng lờn đập

- Áp lực nước ở hạ lưu bằng khụng

Nhiệm vụ tỡm b nhỏ nhất khi cho trước chiều cao h

- Ứng suất trờn mặt cắt ngang đập tớnh theo cụng thức nộn lệch tõm:

b

M b

V ∑

=

Trong đú :

ΣV: Tổng cỏc lực thẳng đứng vuụng gúc với nền

ΣM0: Mụmen của tất cả cỏc lực đối với trọng tõm O của tiết diện (O là điểm giữa

của BC)

∑G = G + W2 -Wt

Do đú ta cú :

2

*

* 2

*

* 2

*

1 1

h b h

b n h b

G=γ +γ ưα γ

∑

2

.

1

h b

Trong đú : γ; γ1: trọng lượng riờng của nước và của vật liệu xõy dựng

α1: hệ số ỏp lực thấm do tỏc dụng cản trở của màng chống thấm

∑M0 = (2 3 2 2 )

12

1 1

2 1

2

2 2

n n

n h

b

h h

Thay kết quả tìm được vào công thức (4.1) ta được σ1 là ứng suất pháp ở mép

thượng lưu khi hồ đầy nước tại mặt cắt đáy đập:

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

−

− +

−

h n

n n

Ứng suất pháp tại mép hạ lưu:

( 1 1 ) 23

b

h n h

Khi thượng lưu không có nước (tức là khi mới thi công) ứng suất pháp tại mép

thượng lưu và hạ lưu:

) 1 (

1

1 =γ h −n

h n.

1

2 γ

Khi hồ đầy nước với điều kiện ứng suất pháp tại mép thượng lưu σ1 = 0:

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

−

− +

−

2

0

b

h n

n n

h

n

λ

→

1 ) 2 ( ) 1

γ

γ

−

− +

−

=

n n n

h b

b

(4.8)

Đập có bmin tức là có mẫu số max Đạo hàm biểu thức (4-6) cho bằng O khi đó ta

có:

0 ) ) 2 (

) 1 ( [ 1 − + − − 1 =

∂

γ

γ

n n n n

2

2 1

γ

γ

−

=

Chú ý:

Nếu đập làm bằng bêtông có γb = 2.4 T/m3, γ = 1 T/m3 khi đó n = -0.2 mái thượng

lưu dốc ngược Xét về mặt thực tế thì mặt cắt như thế không ổn định khi hạ lưu không có

nước Do vậy người ta chọn mặt cắt đập bêtông là tam giác cong có mái dốc thượng lưu

thẳng đứng (n=0)

Hình 4- 2: Mái thượng lưu dốc ngược

Trong trường hợp này chiều rộng đáy đập tính theo công thức:

1 α γ

γ

−

=

b

h

Với mặt cắt cơ bản là tam giác vuông, mái thượng lưu thẳng đứng thì ứng suất mép

thượng, hạ lưu là :

+ Khi hồ đầy nước :

+ Khi hồ không có nước:

σ01 = γ1.h ; σ02 = 0

Từ công thức (4.10) với =2.4

γ

γb

thì:

α 1= 0 → b = 0.65.h

α1 = 0.5 → b = 0.72.h

Khi α 1= 0 trường hợp không áp lực thấm dưới nền thì chiều rộng đáy đập b nhỏ

hơn khi có áp lực thấm dưới nền và khối lượng vật liệu giảm 10÷25%.Vì vậy cần có biện

pháp phòng chống thấm dưới đáy công trình để giảm áp lực thấm

4.2.3 Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trượt

Điều kiện tối thiểu để đảm bảo điều kiện ổn định của đập :

∑

= f G W

Trong đó:

f: hệ số ma sát giữa đập và nền;

Kc: hệ số an toàn ổn định của đập;

ΣG: tổng các lực tác dụng lên mặt cắt;

Từ công thức (4.12) ta có thể viết :

)

.(

2

2

2

γ α γ γ

γ h = f b h + n−

) (

1

γ

γ

− +

=

n f

h k

Nếu n = 0, f = 0.7, =2.4

γ

γb

, α1 = 0.5 kc = 1 thì b = 0.75h Trường hợp α1 = 0 thì b = 0.6.h

Nhận xét :

+ Từ kết quả tính toán b trên, nếu áp lực thấm nhỏ thì bề rộng đáy đập do điều kiện

cường độ quyết định Khi áp lực thấm lớn thì b do điều kiện ổn định khống chế

+ Với nền đá có hệ số ma sát nhỏ, để thoả mãn điều kiện ổn định thì chiều rộng đáy

đập phải tăng nhiều đồng thời mái dốc thượng lưu phải nghiêng (n>0) Vì vậy để tăng

điều kiện ổn định người ta đào móng nghêng vè phía thượng lưu

Hình 4- 3

Lúc đó :

∑

∑ ∑ −∑

+

=

β β

β β

sin cos

¦

sin cos

G s

W

W G

4.2.4 Mặt cắt thực tế của đập

Trong thực tế công trình thuỷ lợi còn kết hợp với giao thông nên đỉnh đập không thể

nhọn như trên được mà phải mở rộng ra hoặc vì tiết kiệm vật liệu mà khoét rỗng

Đối với đập tràn do yêu cầu tháo nước đỉnh đập được hạ thấp xuống nên trọng

lượng bản thân giảm Mái đập hạ lưu thường có dạng cong ở chân đập để đảm bảo nơi

tiếp xúc với công trình tiêu năng thường uốn cong theo một cung tròn có bán kính R

Hình 4- 4: Mặt cắt thực tế của đập Bêtông trọng lực

4.3 Phân tích ứng suất đập bê tông trọng lực

Việc tính toán ứng suất thân đập được tiến hành trong các trường hợp sau:

4.3.1 Trường hợp khai thác

Trường hợp này đập làm việc dưới điều kiện tác đụng của hai tổ hợp lực sau:

+ Tổ hợp lực cơ bản;

+ Tổ hợp lực đặc biệt

4.3.2 Trường hợp thi công

Đập vừa thi công xong chưa có nước tiến hành khai thác ngay trong thời gian thi công, cột nước trước đập chỉ dâng lên đến một độ cao nào đó, trường hợp này cũng tiến hành xem xét

4.3.3 Trường hợp sửa chữa

Tính toán ứng suất trong thân đập được tiến hành theo bài toán phẳng, nghĩa là khảo sát một đoạn đập có chiều dài đơn vị bỏ qua ảnh hưởng của các lực tác dụng theo phương song song trục đập

Hiện nay việc phân tích ứng suất có hai phương pháp: phương pháp lý thuyết và phương pháp thí nghiệm mô hình

4.4 Tính ổn định chống trượt của đập dọc theo nền

4.4.1 Khái niệm

Khi đập chịu tác dụng của các lực tại các điểm trong thân đập sẽ phát sinh ứng suất tiếp τ Nếu τ >[τ] thì sẽ phá hoại trượt Sự phá hoại do cắt có thể xảy ra ở tất cả các mặt cắt nhất là mặt cắt giữa đập và nền

Căn cứ vào các thí nghiệm về cường độ chống cắt tại tất cả các điểm là hàm số của ứng suất σ tại điểm đó và được biểu thị bằng :

Trong đó :

f, C là hệ số ma sát và lực dính đơn vị của vật liệu

Tại mặt cắt giữa đập và nền thì:

τ: ứng suất cắt dọc theo nền;

σ: ứng suất pháp tại mặt cắt qua nền;

C: lực dính đơn vị giữa bêtông và nền;

F: hệ số phụ thuộc vào tính chất vật liệu và dạng tiếp giáp giữa đập và nền

4.4.2 Kiểm tra ổn định trượt

Kiểm tra ổn định chống trượt khi có lực dính giữa đập và nền cho một nhịp đập Trường hợp này thường xảy ra trên nền đá cường độ chống trượt của mặt cắt tại nền được tính bằng công thức sau:

(4.15)

(P Ư W ) C F

f B b c db f.

B Q

db C f B db B Q

t b

0 0

b

0

b

0 0

+

−

= +

σ

=

+ σ

= τ

=

∫

∫

∫

Trong đú :

P: lực thẳng đứng

Wt: lực đứng ở đỏy trờn một nhịp đập

F = b.B (B: chiều dài một nhịp đập )

Lực gõy trượt là tổng lực ngang Q (ỏp lực thuỷ tĩnh ,bựn cỏt )

Hệ số an toàn chống trượt :

chân khay

sơ đồ mặt cắt đập tính toán

Hỡnh 4- 5: Sơ đồ mặt cắt đập tớnh toỏn

2 / 40 20

65 0 75 0

)

Ư (

m T C

f

Q

F C W P f

t

→

=

→

=

+

−

=

Hệ số kt được quy định như sau :

Khi khụng cú lực dớnh C = 0 thỡ

Q

W P f

k t ( −Ư t)

= Lỳc đú lực ma sỏt giữa betụng và đất lấy f= tgϕ (ϕ gúc nội ma sỏt đất )

Cuội sỏi f = 0.5ữ0.6

Cỏt f = 0.4ữ0.5

ỏ cỏt f = 0.3ữ0.4

á sét f = 0.25÷0.35

sét f = 0.2÷0.3

Đá yếu f = 0.3÷0.5

Nếu đáy đập nghiêng thì hệ số kt lấy nghư sau :

α α

α α

sin cos

sin cos )

¦ (

P Q

Q W

P f

−

+

−

Nếu đáy đập có chân khay ở thượng lưu hoặc chôn sâu dưới nền thì sức chông trượt

tăng thêm lực C3 :

Q

C F C W P f

t

3

)

¦ ( − + +

4.4.3 Kiểm tra ổn định trượt đẩy nổi

Dưới tác dụng của lực thấm có thể bị đẩy nổi :

kđn = P/Wt = 1.15 ÷1.25