đồ án thủy công 1 thiết kế đập chưa nước

đồ án thủy công 1 thiết kế đập chưa nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT KHOA XÂY DỰNG THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THỦY CÔNG 1

THIẾT KẾ ĐẬP CHỨA NƯỚC

- 2009 -

I Giới thiệu tổng quát công trình :

1.1Nhiệm vụ của công trình :

Công trình chính là xây dựng hồ chứa chủ yếu là cấp nước tưới cho 16500 ha đất canh tác Ngoài ra còn cung cấp nước sinh hoạt phòng lũ và nuôi trồng thủy sản

+ Đập đất ngăn sông tạo hồ chứa

+ Đập tràn xả lũ bằng bêtông cốt thép, dạng tràn tự do đặt ngoài thân đập Phần nối tiếp với công trình tiêu năng ở hạ lưu là dốc nước, bậc nước tùy theo địa hình cụ thể

+ Cống ngầm bằng bêtông cốt thép đặt dưới thân đập để lấy nước

1.2 Các tài liệu cơ bản :

Theo quá trình khảo sát, đả có được một số tài liệu cơ bản sau đây :

* Bình đồ tuyến đập tỉ lệ 1/2000

* Mặt cắt địa chất đặc trưng vùng tuyến đập Tại lòng sông, nền đập có hai lớp ( lớp bồi tích gồm cát cuội sỏi thấm mạnh cần phải xử lý, lớp nền dưới cùng là đá gốc có hệ số thấm bé Các chỉ tiêu cơ lý cho ở bảng 1

* Vật liệu xây dựng đập có đủ khối lượng cần thiết, bao gồm : đất đắp thân đập, đất đắp vật liệu chống thấm, đá, sỏi, cát dùng cho tầng đệm và tầng lọc ngược, đá dùng cho vật thoát nước và bảo hộ mái thượng lưu

* Các thông số sóng và gió:

+ Vận tốc gió lớn nhất theo tâng suất thiết kế : v10 Tk = 12 m/s

+ Vận tốc gió bình quân nhiều năm : v10 max = 32 m/s

+ Chiều dài truyền sóng D (đà gió ) tính bằng km , được xem là có hướng thẳng góc với trục đập (cho trong bảng số liệu kèm theo bình đồ )

* Không có yêu cầu giao thông trên đỉnh đập (bề rộng dỉnh đập B = 5 ÷ 6m ) 1.3 Phân tích chọn tuyến và bố trí tổng thể các hạng mục công trình :

a) Phân tích chọn tuyến xây dựng công trình :

Việc chọn tuyến xây dựng công trình phải dựa vào bình đồ khu vực cần xây dựng công trình và kết qúa trình khảo sát tình hình địa chất của khu vực

+ Về mặt địa hình : cần phải cố gắng chọn tuyến hẹp để giảm được khối lượng đắp đập chính nhưng củng phải cần quan tâm đến tuyến đập phụ ( nếu có ) để tổng khối lượng của cả công trình là nhỏ nhất

Ngoài ra cần phải tìm cách để giảm diện tích mặt hồ (nếu có thể được ) để cho diện tích ngập lụt nhỏ nhất để giảm thiệt hại và lượng bóc hơi mặt thoáng

Tuyến được chọn phải thuận lợi cho việc bố trí đường tràn tháo lũ và giá thành đường tràn tháo lũ là rẽ nhất, hạn chế dòng chảy theo mái đập và thuận lợi cho việc bố trí các công trình nối tiếp ở hạ lưu cùng với các công trình trông hệ thống

+ Về mặt địa chất chọn tuyến có nền đồng chất và vửng chắc không có nứt gảy lớn, các chỉ số ϕ, C lớn, hệ số thấm bé, chiều dày tầng thấm nhỏ

+ Về điều kiện thi công : tuyến được chọn phải thuận lợi cho việc dẩn dòng thi công, giao thông đi lai vận chuyển vật liệu thi công và máy móc thiết bị thi công dể dàng thuận lợi

b) Bố trí tổng thể các hạng mục công trình đầu mối :

Theo quy hoach công trình đập dâng nước làm hồ chứa để phục vụ tưới là chủ yếu nên công trình đầu mối phải đảm bảo các yêu cầu sau :

+ Cống lấy nước :

- Đảm bảo tưới tự chảy với cao trình 67,75m

- Lưu lượng tưới QTK = 4,2 m3/s

- Điều kiện ổn định lâu dài

- Bố trí công trình phải phù hợp với tình hình địa chất, địa hình và vị trí khu tưới

+ Công trình tràn xã lũ :

- Đảm bảo tháo được lưu lượng lũ thiết kế ứng với tần suất thiết kế

- Cao trình đỉnh tràn là cao trình MNDBT = 84m

- Tràn được bố trí mằm trên nền đất thiên nhiên với khối lượng đào nhỏ nhất 1.4Xác định cấp công trình và các chỉ tiêu tính toán :

HSb = ∇MNDBT −∇L Sông = 84 − 53 = 31 m

25 m < hSb = 31 m < 50 m ⇒ Theo quy phạm thì cấp công trình là cấp II

- Phân cấp công trình dựa vào nhiệm vụ chủ yếu của công trình, công trình xây dựng phải đảm bảo tưới cho 165000 ha đấtcanh tác ⇒ Theo quy pham thì cấp công trình là cấp II

⇒ Kết hợp hai cách phân loại trên ta chọn cấp công trình là cấp II để xác định các tần suất và các chỉ tiêu thiết kế công trình

+ Các chỉ tiêu tính toán : công trình cấp II

- Tần thiết kế P = 2,0%

- Cao trình MNDBT ;∇MNDBT = 84 m

- Chênh lệch MNDGC va MNDBT :∆h = 3 m

- Cao trình MNC : ∇MNC = 68 m

- Vận tốc gió tính toán ứng với MNDBT : V2% = 32 m/s

- Vận tốc gió tính toán ứng với MNDGC : V50% = 12 m/s

- Chiều dài truyền sống : D = 8 km

II Thiết kế đập đất dâng nước :

2.1 Phân tích chọn hình thức kết cấu của đập :

Đập đất là loại đập đập dùng vật liệu địa phương, dùng để ngăn dòng chảy cho nên

nó là loại đập không thể cho nước tràn qua

Đập đất là loại đập có cấu tạo đơn giản, kết cấu vững chắc, có khã năng thi công cơ giới cao và rẽ tiền cho nên nó được xây dựng rộng rải trông thực tế

Các yêu cầu về việc chọn hình thức và kết cấu của đập đất :

- Phía thượng lưu của đập luôn luôn ngập trong nước làm cho tính chất cơ lý bị giảm yếu nên kích thước mặt cắt phải đảm bảo đập được ổn định trông mọi trường hợp

- Đập đất dâng nước tạo hồ chứa nên khi có gió thì gây nên sóng xô lên mái làm cuốn trôi các hạt đất tạo lổ trống gây mất ổn định và làm sạt mái thượng lưu vì vậy phải có biện pháp gia cố chống sạt lở mái thượng lưu do sóng gây nên

- Khi có mưa một phần lượng nước mưa thấm vào thân đập làm mực nước bảo hòa dâng cao gây mất ổn định của đập

- Do có sự chênh lệch mực nước ở thượng và hạ lưu nên sẽ hình thành dòng thấm qua thân đập, nền đập và vòng quanh qua thân đập về phía hạ lưu Dòng thấm gây tác hại đến công trình :

+ Làm giảm lượng nước trông hồ

+ Phần đất dưới đường bảo hòa vừa chịu áp lực thủy động của dòng thấm vừa phải chịu áp lực đẩy nổi của nước đồng thời tính chất cơ lý của đất củng bị giảm theo khi độ ẩm thay đổi

+ Dòng thấm sẽ gây nên xói ngầm trong thân đập và nền đập gây mất ổn định nên cần phải có bbiện pháp xử lý : chống thấm, xây dựng vật thoát nước, tầng lọc ngược

+ Nếu mực nước trong hồ hạ xuống đột ngột sẽ hình thành dồng thấm ngược từ thân đập về phía thượng lưu và có thể gây sạt lở mái thượng lưu

- Đập đất không cho phép nước tràn qua vì vậy cần có một độ cao an toàn cho hệ thống đập

* Kết luận : Trong các yêu cầu trên thì yêu cầu thấm qua thân đập và đập không cho phép nước tràn qua có ý nghĩa quan trọng trong việc quyết định chọn hình thức, mặt cắt, kích thước đập và các bộ phận khác của đập

2.2 Thiết kế các kích thước cơ bản của đập :

a) Cao trình đỉnh đập :

- Đập đất không cho phép nước tràn qua vì vậy đỉnh đập phải nằm trên mực nước hồ một độ cao nhất định gọi là độ vượt cao d

Theo quy phạm, cao trình đỉnh đập được xác định theo trường hợp :

Trường hợp ứng với mực nước dâng bình thường :

∇ 'đđ = ∇MNDBT + d Trường hợp ứng với mực nước dâng gia cường :

1.8.32.10

.8.32.904,1.073,0

Trong đó :

Ưïng với điều kiện : H ≥ 0,5 λo

8 4 , 0 4

, 0

10 = + =+

−

e e

D

047,0

g

3

cos

D

k

h

2

10 βω

=

∆

chọn k1= 0,75

chọn m = 3,5

78,2

1,585

,3

78,2.75,0

1.8.12.10

8.12.766,1.073,0

Trong đó :

Ưïng với điều kiện : H ≥ 0,5 λo

8 4 , 0 4

, 0

10 = + =+

=

−

−

e e

D

061,0

34,335

,3

094,1.75,0

b) Phương án chọn tường chắn sóng :

+ Mục đích của việc xây dựng tường chắn sóng là nhằm giảm bớt khối lượng đất đấp thân đập và hạ thấp mặt đập xuống Phưong án này có ý nghĩa về giảm khối lượng đất đắp và nhân công đắp đập nhưng vẩn đảm bảo về yêu cầu kỷ thuật

+ Phương án xây dựng tường chắn sóng còn tận dụng được vật liệu đá địa phương

+ Yêu cầu kỷ thuật khi thiết kế và xây tường chắn sóng là cao trình mặt của đỉnh đập phải nằm trên cao trình thiết kế của MNDGC ít nhất là 0,3 m Tường chắn sóng phải được ổn định vể trượt và ổn định về kết cấu

+ Chọn kích thước của tường chắn sóng theo cấu tạo :

- Vửa xây mác 75

C Thiết kế đỉnh đập :

+ Chiều rộng mặt đập : mặt đập không có yêu cầu về giao thông Nên ta chỉ cần chọn theo cấu tạo, chọn B = 6,0 m

+ Để thoát nước mưa được tốt về phía thượng và hạ lưu nên ta chọn mặt đập có độ dóc i = 2% Mặt đập được gia cố bằng một lớp đá sỏi có liên kết nhựa đường dày 15cm, dưới là một lớp đá sỏi dăm dày 10cm, dưới là lớp cát hạt trung dày 10cm cuối cùng là lớp đất đắp đập

D Chọn mái dốc đập và cơ đập:

Mái dốc đập căn cứ vào chiều cao của đập, tính chất cơ lý của đất đắp đập và điều kiện thi công Theo kinh nghiệm của các đập đất đả thi công và sử dụng khai thác với chiều cao H = 36 m , có thể chọn sơ bộ mái dốc của đập như sau :

Thượng lưu :

∇ 53 đến ∇65 chọn m = 4

∇ 65 đến ∇77 chọn m = 3,5

7 35 15 70

8 15 60 15 8

10 20

Đá vữa

∇77 đến ∇89 chọn m = 3

Hạ lưu

∇ 535 đến ∇65 chọn m = 3,5

∇ 65 đến ∇77 chọn m = 3 ∇77 đến ∇89 chọn m = 2,5

Các chỉ số mái dốc đập vừa chọn chỉ là chọn sơ bộ việc quyết định chọn mái dốc cuối cùng phải thông qua bài toán kiểm tra thấm và tính toán ổn định của đập và so sánh kinh tế

* Cấu tạo cơ đập :

+ Cơ đập là đoạn nằm ngang trên mái dóc Cơ đập có tác dụng làm tăng ổn định cho mái đập, Thu và thoát nước mưa mặt trên mái đập, đi lại và kiểm tra trong thời gian thi công, khai thác và quản lý đập

+ Ngoài ra cơ đập còn phục vụ cho việc đăt máy cẩu,xe vận chuyển vật liệu cho việc thi công, sửa chửa à gia cố mái đập vv

+ Cơ đập ở mái thượng lưu chọn theo yêu cầu cơ giới trông thi công bề mặt, gia cố chọn B = 4,5 m

+ Cơ đập ở mái hạ lưu chọn theo yêu cầu cơ giới và làm rảnh thoát nước từ mái chọn B = 4,5m

+ Chọn độ dốc sơ bộ cho cơ đập của mái dốc thượng lưu và hạ lưu : icơ = 2%

Sơ đồ mái dốc và cơ đập

E. Gia cố mái thượng lưu và hạ lưu :

* Gia cố mái đập thượng lưu :

Mái Thượng lưu thường xuyên chịu tác dụng của sóng, áp lực thủy động của dòng chảy, lực xô va của các vật trôi nổi vì vậy cần có biện pháp bảo vệ để tránh xói lở mái dốc bằng cách lát đá khan dày 30cm, lớp đệm đá sỏi dày 15cm, lớp cát dày 10cm theo nguyên tắc cấu tạo của tầng lọc ngược

m=3,5

m=2,5

m= 3m=3,5

3m

Giới hạn trên của lớp bảo vệ mái thượng lưu là đỉnh đập., Giới hạn dưới của lớp bảo vệ mái là thấp hơn MNC một đoạn (h = 2h1% ); Trong đó h1% là chiều cao sóng ứng với tần suất 1% )

1031,28

061,019

9

119

9

1

12 / 14 /

14 10

>

=

=+

=+

h

e e

- K :hệ số kể đến sự phát triển của sóng ở đầu chiều dài khuyết tán

8 , 0 4

, 0

10 = + =+

= e− e−

D

- D = 8 km ⇒ h=0,073×1,766×12 8×0,061=1,081m

Theo kinh nghiệm của một số tác giả h có thể được tính theo công thức

* Gia cố mái hạ lưu :

Để tránh mái kênh bị xói lở do mưa và phá hoại của động vật đào hàng ta cần phải có biện pháp xử lý mái Ta chọn biện pháp xử lý là rải lên bề mặt một lớp đất màu rồi trồng cỏ lên trên toàn bộ diện tích mái hạ lưu

Để cho việc thoát nước mưa dể dàng và chống trượt ta chia mái thành các ô vuông xiên góc 450 với kích thước 0,8×0,8 m, trong các rảnh phân cach rải đá dăn 1×2 nhằm chống xói mòn

F. Thiết kế vật thoát nước : ( VTN )

+ Mục đích và yêu cầu của việc thiết kế VTN :

VTN được xây dựng nhằm mục đích tâp trung lượng nước thấm qua thân đập một cách chủ động, hạ thấp đường bảo hòa, không cho dòng thấm đi ra mái hạ lưu nhờ đó làm tăng ổn định của mái hạ lưu, hạn chế xói lở mái hạ lưu

+ Yêu cầu khi thiết kế vật thoát nước ;

Vật thoát phải bảo đảm thường xuyên làm việc tốt, có khả năng thoát nước tốt Đảm bảo đường bảo hòa không lộ ra mái hạ lưu Không cho phép xói ngầm thân và nền đập và trong cả bản thân vật thoát nước

+ Cấu tạo vật thoát nước : Phần thoát nước bằng đá học 4×6, đá 1×2, cát thô Có cấu tạo theo nguyên tắc cấu tạo tầng lọc ngược

+ Kích thước VTN:

- Cao trình đỉnh VTN : (∇VTN )

∇VTN = ∇đs + HVTN Trông đó : ∇đs : cao trình đáy sông ∇đs = 53 m

HVTN : Chiều cao vật thoát nước

HVTN = hhl + d Trông đó : hhl = ∇hl - ∇đs = 60 − 53 = 7 m Chọn độ cao an toàn d = 0 ,5 m

⇒ HVTN = 7 + 0,5 = 7,5 m

⇒∇VTN = 53 + 7,5 = 60,5 m + Chọn vật thoát nước kiểu lăng trụ Khi hạ lưu có nước kích thước VTN lấy theo cấu tạo :

- Bề rộng đỉnh VTN chọn B = 2 m

- Độ dốc mái thượng lưu VTN m’1 = 1,25

- Độ dốc mái hạ lưu VTN m’2 = 1,5

- Bề rộng đáy vật thoát nước BđVTN = 7,5(1,25 +1,5 ) + 2 = 22,625m

+ Khi hạ lưu không có nước kích thước VTN lăng trụ lấy theo cấu tạo :

* Tính toán thấm sơ bộ cho mặt cắt đập đả chọn :

+ Sơ đồ tính toán :

+ Các số liệu tính toán :

* Các mặt cắt tính toán được chọn bao gồm 3 mặt cắt :

1 Mặt cắt lòng sông

2 Mặt cắt hai bên bờ có nền là lớp đất bồi tích

3 Mặt cắt bên bờ có nền là sét

Đất dùng để đắp đập có hệ số thấm kđ = 10-5 (m/s)

Đất dùng để làm tường nghiêng sân trước có hệ số thấm bằng 4.10- 8 (m/s)

q : tổng lưu lượng thấm qua đập và nền đập

qđ : lưu lượng của dòng thấm qua thân đập

qn : lưu lượng thấm qua nền đập

a

B

A A’

+ khi cân bằng nước ta chọn lưu lưọng thấm trung bình qua đập là q = 1/l/phút, để

quyết định xem có cần xử lý thấm cho nền đập hay không ta đánh giá độ mất nước qua nền

Đoan dòng sông thấm khá mạnh, nền là lớp bồi tích dày 14 (m), có thể tính lưu lượng thấm qua theo công thức :

T L

H H K

q n n

880

0

2 1,+

−

=H1, H2 : cột nước thượng lưu và hạ lưu; H1 = 36,; H2 = 10

Lo : chiều rộng đáy đập tính từ thượng lưu đến vật thoát nước; Lo = 240m

T : chiều sâu tầng thấm nước; T = 14 (m)

10.99,714.88,0240

1473110

10

12

110

1

2 2

24 =

=

c

- Chia đập thành hai phần, phần bên phải trục oy và phần bên trái trục oy

- Xét phần bên phải trục oy :

Ta có :

)44,0(

)(

)(

2

q

3 1

2 3

3 1

2 2 2 3

T H

m L

T H H k

H m L

H H k q q

o n o

d n

−+

−

−

=+

Xét phần bên trái trục oy

T H

m

L

T H H

)(

3 1

3 1

++

x x

H m L

H H

H

y

79,1011

2 2 2

3 1

2 2 2 3 2

- Chia đập thành hai phần, phần bên phải trục oy và phần bên trái trục oy

- Xét phần bên phải trục oy :

Ta có :

)44,0(

)(

)(

2

q

3 1

2 3

3 1

2 2 2 3

T H

m L

T H H k

H m L

H H k q q

o n o

d n

−+

−

−

=+

Xét phần bên phải trục oy

T H

m

L

T H H

)(

3 1

3 1

++

2,94,124,12

2 2 2

3 1

2 2 2 3 2

H H

Với tài liệu đã cho và từ sơ đồ mặt cắt sườn đồi, là đập trên nền không thấm vì phía dưới là nền đá, hạ lưu không có nước, thoát nước kiểu áp mái

Chọn ∇bờ = 70 (m)

1 Trường hợp MNTL = MNDBT = 84 (m); MNHL = 60 (m)

chiều cao mực nước thượng lưu : H1 = ∇MNDBT - ∇bờ = 84 - 70 = 14 (m)

chiều cao cột nước hạ lưu : H2 = 0

Sơ đồ tính toán :

Lưu lượng thấm : dùng phương pháp phân đoạn để tính, lưu lượng thấm q và độ sâu H3,

ao được xác định từ phương trình sau :

sin.2

2 3 1

o

Z H H

a H k

q

2 3 1

2 2 3 d

2 − −

−

5,0

y

2m

x x

2

3

10

10.29,3.299,7

chiều cao mực nước thượng lưu : H1 = ∇MNDBT - ∇bờ = 87 - 70 = 17 (m)

chiều cao cột nước hạ lưu : H2 = 0

Tương tự MNDBT ta có hệ phương trình :

sin.2

2 3 1

o

Z H H

a H k

q

2 3 1

2 2 3 d

2 − −

−

5,0

2

3

10

10.2,5.29

C Kiểm tra độ bền đặc biệt :

I Kiểm tra gradien thấm cho mặt cắt lòng sông :

711

3 3

L

H H

J k d

[Jk]đ : phụ thuộc loại đất và cấp công trình Tra bảng có [Jk]đ = 0,65

73188

,01

2

++

−

=+

+

−

=

T T

L

H H J

s

n k

[Jk]n : phụ thuộc đất nền và cấp công trình, tra bảng có [Jk]n = 0,25

2,99,10

3 3

L

H H

125,3988

,01

2

++

−

=+

+

−

=

T L

H H J

s

n k

[Jk]n : phụ thuộc đất nền và cấp công trình, tra bảng có [Jk]n = 0,25

Vậy n k n

II Kiểm tra gradien thấm hai bên vai đập :

1 Trường hợp MNTL = MNDBT = 84 (m); Hạ lưu không có nước H2 = 0

- Với thân đập cần đảm bảo điều kiện : d k d

Trong đó :

0377,099,7.0,3240

099,7

3 3

L

H H

01688

,01

2

++

−

=+

+

−

=

T L

H H J

s

n k

[Jk]n : phụ thuộc đất nền và cấp công trình, tra bảng có [Jk]n = 0,25

015,10

3 3

L

H H

J k d