Báo cáo thủy công 1 ( Xây dựng thủy lợi)

II.MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ: - Nhằm xác định mực nước lũ thiết kế MNLTK và mực nước lũ kiểm tra MNLKT khi đã biết bề rộng tràn B∑b của công trình tháo lũ và lưu lượng xả lũ tối đ

(%)  o

C (kG/cm2)

K (cm/s)



(%)

T (m)

lũ td

Qmax T TL Thời

gian đỉnh

lũ td m/s km m/s km m3/s giờ giờ m3/s giờ giờ

9 26 16 30 4.8 24 5.6 0.415 3300 2.8 150 30 10 3 225 36 12 3

a hl

Z Q : Quan hệ giũa mực nước sông hạ lưu Zhl (m) và lưu lượng sông Q(m3/s)

c ho

V bZ : Quan hệ giữa dung tích hồ V(m3) và mực nước hồ Z(m)

+50 +40

+30 +20

+10 +0

+10 +20

Hình 0.1 Mặt bằng công trình

PHẦN I: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ

A CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN:

I HỒ CHỨA VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỒ CHỨA:

Hồ chứa là công trình có tác dụng điều chỉnh và phân phối lại dòng chảy trong thiên nhiên sao cho phù hợp với nhu cầu sử dụng nước

Các thông số cơ bản của hồ chứa:

- Mực nước chết (MNC): là mực nước thấp nhất của hồ chứa, nếu mục nước trong hồ thấp hơn MNC thì hồ chứa không làm việc Dung tích từ đáy hồ đến MNC gọi là dung tích chết

- Mực nước dâng bình thường (MNDBT): là mực nước cao nhất trong hồ chứa khi vận hành bình thường Dung tích hồ giữa MNC và MNDBT gọi là dung tích hữu ích Vm tức là dung tích phục vụ nhu cầu dùng nước

- Mực nước lũ thiết kế (MNLTK): là dung tích cao nhất trong hồ xuất hiện trong quá trình tháo lũ thiết kế p% khi công trình tháo lũ mở hoàn toàn và các công trình tháo nước khác hoạt động bình thường

- Mực nước lũ kiểm tra (MNLKT): là dung tích cao nhất trong hồ xuất hiện trong quá trình tháo lũ kiểm tra p% khi công trình tháo lũ mở hoàn toàn, các công trình tháo nước khác hoạt động bình thường và công trình tháo lũ dự trữ hoạt động

- Mực nước phòng lũ (MNPL): là mực nước được chủ động tháo xuống thấp hơn MNDBT

để chuẩn bị đón lũ lớn về sao cho hồ chứa đủ khả năng cắt lũ để lưu lượng tháo xuống hạ lưu không vượt quá độ ngập cho phép

II.MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ:

- Nhằm xác định mực nước lũ thiết kế (MNLTK) và mực nước lũ kiểm tra (MNLKT) khi đã biết bề rộng tràn B(∑b) của công trình tháo lũ và lưu lượng xả lũ tối đa cho phép xuống hạ lưu(qx)

- Với đường quá trình lũ theo thời gian ta xác định được tổng lũ đến W Tổng lũ này một phần được giữ lại trong hồ, một phần được tháo xuống hạ lưu

Do đó, nếu chọn trước MNLTK tức xác định lượng nước giữ lại trong hồ nghĩa là định được lượng nước tháo xuống hạ lưu từ đó xác định được bề rộng B Sau đó so sánh tương quan các kết quả tính toán để tìm ra giá trị thích hợp nhất

B.TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ: (theo phương pháp đơn giản)

I TÍNH MNLTK:

Ký hiệu Đơn vị Độ lớn

Lưu lượng lũ thiết kế Qmax (m3/s) 150

Thời gian lũ lên TL Giờ 10

Thời gian kéo dài đỉnh lũ td Giờ 3

Hình 1.1 - Biểu đồ quá trình lũ thiết kế

Thông thường: ZLTK = ZBT+(0.5m÷2m)

Giả sử: ZLTK=ZBT+1m=26+1=27m

Gọi: Qmax: Lưu lượng đỉnh lũ

qmax: Lưu lượng tháo lũ max xuống hạ lưu

T: Thời gian lũ

t: Thời gian kéo dài đỉnh lũ

T =10L

t =3dQ(m3/s)

σn: Hệ số ngập, vì công trình tháo lũ là đập tự tràn chảy không ngập nên lấy σ n =1

ε: Hệ số co hẹp bên, vì không có co hẹp bên nên lấy ε=1

B: Bề rộng đập tự tràn ( tổng chiều dài tràn nước Σb)

27.30 1.3 83.05 36.14 55.4% 27.9 1.9 42.77 10.53 28.5%

27.40 1.4 76.45 29.77 51.0% 28.0 2.0 35.91 8.19 23.9%

27.50 1.5 69.80 24.51 46.5% 28.1 2.1 28.99 6.15 19.3%

Hình 1.3 - Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa q max và B

Z Z

Giải thử dần: Áp dụng phép tính lặp lên phương trình (*) (dùng hàm GOAL SEEK trong ECXEL)

 ZLKT1 = 27.40m Tương tự, ứng với mỗi ZLKT2, ZLKT3… ta tính được các MNLKT tương ứng

Hình 1.4 - Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa Z LKT và B

Từ những số liệu đã tính toán ở trên và 2 đồ thị (1.3;1.4), để thỏa các yêu cầu về tính toán và

mặt kinh tế ta chọn bề rộng đập tự tràn B=30(m)

Với giá trị B=30(m) ta thay vào 2 phương trình sau, và thử lại kết quả với các giá trị lân cận,

để tìm được ZLTK , Z LKT và q max (dùng hàm Goal Seek)

PHẦN II: THIẾT KẾ ĐẬP DÂNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG

A KHÁI NIỆM VỀ ĐẬP DÂNG NƯỚC:

I ĐỊNH NGHĨA:

Công trình dâng nước là một trong những hạng mục cơ bản của hồ chứa Đập dâng là công trình có nhiệm vụ ngăn sông để tạo nên cột nước thường xuyên trước đập, điều khiển dòng nước theo yêu cầu của người sử dụng, giữ nước lại trong hồ và dâng cao mực nước để hình thành hồ chứa

II PHÂN LOẠI:

Theo vật liệu xây dựng đập, người ta chia đập thành 2 nhóm:

 Đập vật liệu địa phương: Bao gồm những loại đập sử dụng vật liệu tại chỗ để đắp đập như đập đất, đập đá, đập đất đá hỗn hợp, đập gỗ, Ưu điểm là chi phí vật liệu rẻ

 Đập bê tông: Đập có thể chỉ bằng bê tông như đập bê tông trọng lực, đập vòm… hoặc có bố trí thêm cốt thép chịu lực như đập bản tựa

Ở Việt Nam, các công trình đập dâng thường là đập vật liệu địa phương vì giá thành vật liệu rẻ

do sử dụng vật liệu tại chỗ như đập đất, đập đá, đập đất đá hỗn hợp, đập gỗ…Vì vậy ở đồ án này sử dụng thiết kế đập dâng nước bằng vật liệu địa phương

B THIẾT KẾ ĐẬP DÂNG BẰNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG:

I XÁC ĐỊNH SƠ BỘ CẤP CÔNG TRÌNH:

Cấp công trình là một chỉ số rất quan trọng quyết định rất lớn đến kích thước, giá thành công

trình.Cấp thiết kế của công trình theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục công trình thủy (theo

Với: * D: chiều dài khuếch tán của sóng hay đà gió (km)

* 10: vận tốc gió ở độ cao 10m trên mực nước tĩnh (m/s)



(%)  o

C (kG/cm2)

K (cm/s)



(%)

T (m) 0.70 17-19 0.28-0.30 3.10-5 14 0.72 19-21 0,10-0,12 6.10-4 14 10

Khi chọn loại đập dâng nước bằng vật liệu địa phương, ta phải căn cứ trữ lượng các loại đất ở địa phương, địa chất nền, khí hậu, lưu lượng thấm cho phép, chiều cao đập…

Ở đề 9, vật liệu địa phương sẵn có là đất có hệ số thấm k=3.10-5

cm/s (thấm ít), và vì chỉ có 1

loại đất có thể dùng để đắp đập và được xây dựng trên nền đất thấm nước nên chọn đập đất đồng

chất trên nền thấm nước

Khi thiết kế đập đất, cần chú ý đến các ưu khuyết điểm của nó như sau:

Ưu điểm: - Tận dụng vật liệu tại chỗ nên giá thành hạ

- Khả năng cơ giới hóa cao

- Có thể xây dựng ở mọi loại nền khác nhau

- Quản lý sửa chữa đơn giản

- Nước ta hiện nay có rất nhiều đập á sét đồng chất đã được xây dựng nên

loại đập này còn có ưu điểm và có nhiều kinh nghiệm và thi công

Khuyết điểm: - Không cho phép nước tràn qua trong mọi điều kiện

- Thi công phụ thuộc nhiều vào yếu tố thời tiết

III XÁC ĐỊNH SƠ BỘ MẶT CẮT NGANG ĐẬP:

1 BỀ RỘNG ĐỈNH ĐẬP:

Chiều rộng đỉnh đập bđ được xác định theo các điều kiện:

- Thi công (kích thước và lưu thông của máy móc, công cụ xây dựng)

- Quản lý (dùng đỉnh đập làm đường giao thông)

Với: Hđ =31(m)>20m, đập cấp III (chọn bđ=5m÷10m)nên ta chọn chiều rộng đập bđ=10(m)

Hình 2.1 Cấu tạo mặt đập

MÁI ĐẬP VÀ CƠ ĐẬP:

a MÁI ĐẬP:

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

- Mái TL thoải hơn mái HL

- Nhằm giảm khối lượng và tăng ổn định đập ta thay đổi hệ số mái dốc m

Ở MÁI TL: cứ giảm 10m chiều cao ta thay đổi m và Δm=0.5 Tính từ đỉnh đập hệ số mái

dốc lần lược là 3; 3.5; 4

Ở MÁI HL: cứ giảm 10m chiều cao ta thay đổi m và Δm=0.25 Tính từ đỉnh đập hệ số mái

dốc lần lược là 2.5; 2.75; 3

b CƠ ĐẬP: Là đoạn nằm ngang trên mái dốc, được thiết kế do yêu cầu:

- Thi công: máy móc đi lại và làm việc

- Kiểm tra sửa chữa mái trong thời gian khai thác

- Thu thoát nước mưa để tránh xói lỡ

- Giao thông đối với mái HL

- Tăng ổn định đập

- Thường bố trí cơ đập tại chổ thay đổi m

Chọn bề rộng cơ đập 3m và bố trí 2 cơ đập trên mái TL,HL

Chiều rộng đáy đập:

Lđ= 410.5+3+3.510.5+3+310+10+2.510+3+2.7510.5+3+310.5 = 214(m)

3 GIA CỐ MÁI ĐẬP:

a Gia cố mái thượng lưu(TL):

Mái thượng lưu đập cần được gia cố để chống lại áp lực sóng nhằm bảo vệ khối đất trong thân

đập

Trong đồ án, vì cường độ sóng khá lớn nên chọn hình thức gia cố thượng lưu là bê tông cốt thép đổ liền khối để tranh thủ áp dụng biện pháp cơ giới hóa đồng bộ công tác đổ bê tông, tăng cường độ và giảm thời gian thi công, tạo lớp phủ liên tục không thấm nước, không trôi đất

- Phần gia cố chính: Có giới hạn trên là đỉnh đập và giới hạn dưới nằm dưới MNC của hồ

một chiều sâu hgcc =2h s =2.033x2=4.07(m) (hs: Chiều cao sóng xét cho MNDBT sẽ tính ở phần sau)

Cuối phần gia cố chính làm các gối tựa bằng đá để giữ cho lớp gia cố không bị trượt

- Phần gia cố nhẹ: Nằm dưới phần gia cố chính, có giới hạn dưới được xác định theo chiều

sâu h gcn =1.05(0.58+1/m 1 )h s =1.05(0.58+1/3)x2.033=1.95(m)

Mái thượng lưu được gia cố bằng tấm bê tông cốt thép dày 10cm

Giữa lớp gia cố và đất thân đập có một lớp đệm, gồm nhiều lớp vật liệu thoát nước tốt như cát, sỏi, cuội

Hình 2.2 Hình thức gia cố mái thượng lưu

b Gia cố mái hạ lưu (HL):

- Mái HL cần được gia cố để dề phòng các tác hại do gió, mưa, nhiệt độ và động vật đào hang

- Gia cố mái hạ lưu bằng cách:

- Rải một lớp đá dăm hoặc cuội sỏi dày khoảng 0.2m Bên trên mái trồng một lớp cỏ

- Làm các rãnh thoát nước nghiêng 450 trên mái HL

Hình 2.3 Hình thức gia cố mái hạ lưu

4 BỘ PHẬN CHỐNG THẤM (BPCT):

Thấm là hiện tượng nước chuyển động trong môi trường rỗng hay xốp (đất, đá đổ, nền đá nứt nẻ) khi có sự chênh lệch mực áp giữa mặt nước thượng lưu và mặt hạ lưu của môi trường Khi xây dựng đập dâng nước sẽ có sự chênh lệch mực nước trước và sau công trình, như vậy sẽ xuất hiện các loại dòng thấm:

- Xuyên qua công trình: thấm qua đập

- Dưới nền công trình: thấm dưới đập Dòng thấm có thể có những tác dụng hữu ích, nhưng đối với đập dâng, dòng thấm gây ra những tác hại sau:

Công trình không giữ được nước: nước trong hồ chứa sẽ thấm qua đập ra hạ lưu

Gây ra xói ngầm (dòng thấm mang những hạt mịn theo làm rỗng cốt đất, làm giảm khả năng chịu lực của đất) hay đùn đất (dòng thấm thoát ra hạ lưu, nâng hạt cát hạ lưu thành

lơ lửng không còn khả năng chịu lực)

Tạo áp lực thấm lên đáy đập, làm giảm khả năng chống trượt của đập dâng

-Vì đập là đập đồng chất nên không thể dùng các biện pháp chống thấm trong thân đập và đập

có hệ số thấm K khá nhỏ nên không quan tâm đến thấm trong thân đập

Nhưng vì đập xây dựng trên nền đất thấm nước nên phải tính toán chống thấm dưới nền đập

để tránh gây ra xói ngầm, hạ thấp đường bão hòa, hạn chế lưu lượng thấm và chống trượt cho đập

Với T=10m thì làm bộ phận chân khay BPCT Chân khay làm khi T≤ 5m÷10m Tính toán thấm sẽ đề cập đến trong phần sau

5 BỘ PHẬN THOÁT NƯỚC (BPTN):

Nhiệm vụ không cho dòng thấm thoát ra trên mái HL đập và hạ thấp đường bảo hòa (ĐBH)

Hình 2.4 Bộ phận thoát nước

a.Nhiệm vụ của bộ phận thoỏt nước: Thu và thoỏt nước thấm trong thõn đập và nền ra hạ

lưu, ngăn ngừa xúi ngầm và đựn đất cho thõn đập và nền, cú tỏc dụng hạ thấp đường bóo hũa đối với cỏc VTN lăng trụ, gối phẳng, ống dọc, khụng cho nước thấm thoỏt ra mỏi đập

b.Vật liệu: Để thoỏt nước được thỡ nú bộ phận thoỏt nước phải làm bằng vật liệu cú độ rỗng

lớn như đỏ đổ… Nhưng giữa nú và thõn đập và nền phải cú lớp lọc bằng “cỏt to – cuội – sỏi” hay bằng vải địa kĩ thuật

c.Phõn loại: Vật thoỏt nước bề mặt, lăng trụ, gối phẳng, ống dọc, hỗn hợp

Trong cỏc vật thoỏt nước trờn, vật thoỏt nước bề mặt khụng cú tỏc dụng hạ thấp đường bóo hũa, chỉ dựng cho đập cú chiều cao thấp; vật thoỏt nước gối phẳng và ống dọc hạ thấp đường bóo hũa rất nhiều nhưng khụng sử dụng được khi hạ lưu cú nước Vỡ vậy cú thể chọn bộ phận thoỏt nước cho đập như sau:

Đối với mặt cắt lũng sụng: chọn bộ phận thoỏt nước lăng trụ

Đối với mặt cắt thềm và bờ sụng: chọn bộ phận thoỏt nước bề mặt

CHỌN BỘ PHẬN THOÁT NƯỚC LĂNG TRỤ

Hỡnh 2.5 Bộ phận thoỏt nước lăng trụ

Mực nước hạ lưu đập lớn nhất ứng với MNLTK: a 0.415

IV TÍNH TOÁN CAO TRèNH ĐỈNH ĐẬP THIẾT KẾ:

Khuyết điểm của đập dõng bằng vật liệu địa phương là khụng cho phộp nước tràn qua trong mọi điều kiện Vỡ vậy phải thiết kế cao trỡnh đỉnh đập dõng nước bằng vật liệu địa phương sao cho trong mọi trường hợp mực nước trong hồ kết hợp với độ dềnh nước do giú, chiều cao súng leo khụng được vượt tràn qua đập Chọn lớp gia cố thượng lưu đập là đan bờ tụng cốt thộp cú K1=0.9 Xỏc định sơ bộ mỏi dốc thượng lưu đập m1=3và mỏi dốc hạ lưu đập m2=2.5

CTĐĐ

dh

m1’=12,5

1:3.0 Đá đổ

MNHLmax=6.06m

m2’=1.5 7m 3m

Tính toán cao trình đỉnh đập trong 3 trường hợp sau:

2K * hh

I II III IV V MNDBT 1.5 1.2 0.7 0.5 0.5 MNLTK 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 MNLKT 0.5 0.3 0.2 0.2 0

Ta có: a=0.7m; a’=0.5m; a’’=0.2m

Tổng 3 đại lượng hl+Δh+a=d gọi là độ vượt cao

TÍNH TOÁN CHO TỪNG TRƯỜNG HỢP:

o Xét trường hợp MNDBT: Tính toán với trường hợp sóng do gió lớn nhất

Giả sử sóng trong khu nước sâu:H 1

H/s=0.611>0.5 (thỏa, sóng khu nước sâu)

o Xét trường hợp MNLTK: tính toán với trường hợp sóng do gió lớn nhất

10

24 s

H/s=0.781>0.5 (thỏa, sóng khu nước sâu)

o Xét trường hợp MNLKT: tính toán với trường hợp không có gió,Δh3 = 0; hl3 =0 Vậy cao trình đỉnh đập:

- Xác định vị trí đường bảo hòa (ĐBH) trong thân đập

- Xác định lưu lượng thấm trong thân đập

- Kiểm tra hiện tượng xói ngầm (XN) trong thân đập

Các trường hợp tính toán: ứng với các tổ hợp MN TL, HL

Bảng 2.4

1 MNDBT MNHL min (thường HL không có nước) ĐBH thấp nhất

2 MNLTK MNHL max (ứng với Qxmax) ĐBH cao nhất

Mặt cắt tính toán: mặt cắt ở lòng sông, ứng với chiều dài thân đập dài nhất

Khi tính toán thấm qua đập VLĐP, phương pháp đơn giản và thường được sử dụng nhất là phương pháp thuỷ lực học Trong tính toán thấm qua đập đất, phương pháp thuỷ lực học dựa vào định luật cơ bản của chuyển động nước ngầm trong môi trường xốp, định luật Darcy: V=KJ

V: Vận tốc thấm, K: Hệ số thấm của môi trường thấm, J: Gơrađiêng thấm

Dựa trên định luật cơ bản Darcy, để xác định lưu lượng thấm và vẽ được đường bão hoà thấm trong đập VLĐP, công thức được áp dụng rộng rãi nhất là công thức Duypy với hai giả thiết

cơ bản:

Độ dốc thuỷ lực (Gradient) J là hằng số

Các đường dòng gần như song song và nằm ngang Các đường thế gần như song song và thẳng đứng

Hình 2.7 Sơ đồ tính toán theo công thức Dupuit

L2

hhK

q 21  22



Trong đó:

q: Lưu lượng thấm K: Hệ số thấm của môi trường thấm

h1: Cột nước thấm tại mặt cắt trước

h2: Cột nước thấm tại mặt cắt sau L: Chiều dài đoạn tính toán Đối với những đoạn vào và đoạn ra của dòng thấm qua đập VLĐP, độ đốc thuỷ lực rất dốc

và có sự biến đổi, vì vậy việc áp dụng công thức Duypy sẽ không chính xác, khi đó cần sử dụng các phương pháp khác hoặc biến đổi tương đương đoạn đó về dạng có thể áp dụng được công thức Duypy

1 PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN (PAVLOSKI): (không có BPCT chân khay, VTN lăng trụ)

- Tính thấm qua đập (xem nền không thấm)  qđ

- Tính thấm qua nền (xem như đập không thấm)  qn

Số liệu tính toán chung:

Nhận xét: Lưu lượng thấm qua đập nhỏ hơn thấm qua nền

Lưu lượng thấm qua cả đập và nền là:

qtổng = qd + qn = 1.17*10-6 + 9.67*10-6 = 1.08*10-5 (m2/s)

Nhận xét: Lưu lượng thấm qua đập nhỏ hơn thấm qua nền

Lưu lượng thấm qua cả đập và nền là:

qtổng = qd + qn = 1.15*10-6 + 7.94*10-6 = 9.08*10-6 (m2/s)

Nhận xét: Qua 2 cách tính toán cho thấy, với trường hợp 1: ĐBH thấp nhất, trường hợp 2 với

MNL=MNLKT thì ĐBH cao nhất, trường hợp này ta thấy ĐBH quá cao so với yêu cầu chưa đảm bảo yêu cầu Do đó, ta cần bố trí thêm bộ phận chống thấm Với yêu cầu của đồ án ta chọn BPCT là Chân Khay

2 ĐẬP ĐẤT CÓ CHÂN KHAY: VTN lăng trụ

Số liệu tính toán chung:

Hđ=31m, bđ=10m, m1=3, m2=2.5, HVTN=7m, m3=1.5, Kđ=3x10-7m/s, T=10m, Kn=6x10-6m/s Chân khay: lck,d=5m; vói m4=1lck,t = T*m4*2+ lck,d = 10*2+5=25m

Với T=10m thì làm bộ phận chân khay, BPCT chân khay làm khi T≤5m÷10m

+6.06 m MNHL

2300

m=1.5 m=1 25

+16m MNC

300

300

300

300 MNDBT

d -5

C = 0.10-0.12 (kG/cm)

 = 19-21

2 0

Hình 2.11 Mặt cắt ngang đập

a Trường hợp MNTL=MNDBT=26m, MNHL=0: H 1 =26m, H 2 =0m, ĐBH thấp nhất

 Phương pháp thủy lực học theo giả thiết Dupit, bài toán 1D:

Sơ đồ tính toán:

Hình 2.12 Sơ đồ tính toán trường hợp có chân khay

- Sơ đồ đập có lõi giữa (LG) abcd với chiều dài trung bình l và K1=Kd