Đồ án môn học thủy côngThiết kế đập đất

Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4km trữ lượng đủ làm thiết bị chống thấm.. - Tại tuyến đập có nền đá gốc rắn chắc có thể chịu được áp lực của công trình sau khi xây dựng và

Đồ án môn học thủy công Thiết kế đập đất Sinh Viên : Đinh Công Đôn

Lớp : 50 CDC1

Số Đề : 96

Đầu Bài : D

A Tài liệu cho trước

I Nhiệm vụ công trình

Hồ chứa H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau:

1 Cấp nước tưới cho 2650ha ruộng đất canh tác

2 Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

3 Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái và phục vụ du lịch

II Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối

1 Một đập chính ngăn sông

2 Một đường tràn tháo lũ

3 Một cống đặt dưới đập để lấy nước

III Tóm tắt một số tài liệu cơ bản

1 Địa hình

Cho bình đồ vùng tuyến đập có ∇max = 130 m ; ∇min = 80 m

2 Địa chất

Cho mặt cắt địa chất dọc tuyến đập Chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tích lòng sông cho ở bảng 1 Tầng đá gốc rắn chắc, mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hóa dày 0,5 1m

3 Vật liệu xây dựng

a) Đất: Xung quanh vị trí đập có bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000m3 ,cự ly 800m),

B (trữ lượng 600.000m3, cự ly 600m); C (trữ lượng 1.000.000m3, cự ly 1km) Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nước tương đối mạnh các chỉ tiêu như ở bảng 1 Điều kiện khai thác bình thường

Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4km trữ lượng đủ làm thiết bị chống thấm

b) Đá: Khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo

đắp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơlý:  = 320 ; n = 0,35 (của đống đá); k = 2,5 T/m3(của hòn đá)

c) Cát sỏi:Khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3km, trữ lượng đủ làm

tầng

lọc Cấp phối như ở bảng 2

Bảng1 - Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu đắp đập

Chỉ tiêu

Loại

HS rỗng n

Độ

ẩm W

%

 (độ) C (T/m2)

k

(T/m3)

k (m/s)

Tự nhiên

Bão hoà

Tự nhiên

Bão hoà

Đất đắp đập

(chế bị)

Bảng 2 - Cấp phối của các vật liệu đắp đập

d (mm)

Loại

4 Đặc trưng hồ chứa

- Các mực nước trong hồ và mực nước hạ lưu: Bảng 3

- Tràn tự động có cột nước trên đỉnh tràn: Hmax = 3m

- Các vận tốc gió tính toán ứng với mức đảm bảo P%:

- Chiều dài truyền sóng ứng với MNDBT: D = 3,0km;

ứng với MNDGC: D’ = D + 0,3 = 3,0 + 0,3 = 3,3 km

- Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua

5 Tài liệu thiết kế cống

+ Lưu lượng lấy nước ứng với: MNDBT : Qcống = 3,8 (m3/s)

MNC : Qtk = 4,2 (m3/s)

+ Mực nước khống chế đầu kênh tưới : 115,31 (m)

+ Tài liệu về kênh chính: Hệ số mái m = 1,5 ; độ nhám n = 0,025; độ dốc đáy;

i = (35)10-4

Bảng 3- Tài liệu thiết kế đập đất và cống ngầm

Đề

số

Sơ

đồ

Đặc trưng hồ chứa Mực nước hạ

lưu (m)

Qcống (m3/s) Mực

nước đầu kênh (m)

D (km)

MNC (m)

MNDB

T (m)

Bình thường

MNC (Q tk )

Khi MNDBT

B -Trình tự tính toán thiết kế

I – Chọn tuyến đập :

Ta chọn tuyến đập D-D như hình vẽ, vì :

- Tuyến đập D-D ngắn và có địa hình dốc

- Tại tuyến đập có nền đá gốc rắn chắc có thể chịu được áp lực của công trình sau khi xây dựng và hạn chế được khả năng thấm qua nền công trình.Tuy nhiên, tuyến đập có tầng đất đá phong hoá tương đối dày (khoảng 0,5÷15m) nhưng với biện pháp cơ giới hiện nay thì có thể bóc bỏ dễ dàng

- Ngoài ra tuyến đập này tận dụng được vật liệu địa phương gần với vị trí xây dựng đập và có trữ lượng lớn

II – Chọn hình thức đập :

Sau khi so sánh các phương án, nhận thấy phương án đập đất là hợp lý nhất, bởi vì:

- Đập đất là loại đập đơn giản và có giá thành rẻ

- Tận dụng được vật liệu tại chổ, trử lượng lớn tốn ít công vận chuyển hơn dùng

đá và tiết kiệm được vật liệu có giá thành đắt như sắt, thép, ximăng

- Đập đát cũng tương đối bền và chống chấn động tốt

- Đập xây dựng trên nền đá gốc rắn chắc, tầng đất đá phong hoá bồi tích đã được bóc bỏ nên tính thấm và lún dưới nền nhỏ

- Đẻ xử lý thấm qua thân đập ta có thể xử lý thấm trong thân đập

III – Xác định các chỉ tiêu thiết kế :

a) Xác định cấp công trình : Xác định theo hai điều kiện:

• Theo chiều cao công trình và loại nền:

Cao trình đập : ∇đập = MNDGC + d

= MDDBT + Hmax +d Trong đó : MNBT = 109 m (Theo đề bài phân công)

d : độ cao an toàn, chọn d = 2 m

Hmax : cột nước trên đỉnh tràn, Hmax = 3 m

⇒ ∇đập = 109 + 3 + 2 = 114 (m)

Mặt khác, từ bình đồ ta có ta có : ∇đáy đập = 79 m

Vậy chiều cao đập : Hđ = ∇đập - ∇đáy đập = 114 – 79 = 35 (m)

Tra phụ lục P1-1 ta có : Đập thuộc công trình cấp II

• Theo nhiệm vụ của công trình và vai trò của công trình trong hệ thống : Theo đầu bài,Thì nhiệm vụ của công trình là cấp nước tưới cho 1650 ha ruộng đất canh tác, tra phụ lục P1-2 thì công trình thuộc hệ thống thuỷ nông tưới cho < 2.103 ha nên công trình thuộc công trình cấp III

Vậy, để đáp ứng hai điều kiện trên ta chọn công trình cấp II

b) Các chỉ tiêu thiết kế :

- Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất để tính ổn định kết cấu công trình: Tra bảng phụ lục P1-3 ứng với công trình cấp II ta có: P% = 0,5

- Tra bảng phu lục P1-6 ta được hệ số tin cậy là : kn = 1,2

- Tần suất gió lớn nhất và gió bình quân lớn nhất tương ứng vớiP = 2%vàP = 50%

Theo quan hệ tài liệu đã cho ta có : P = 2% ⇒ v = 32 m/s

P = 20% ⇒ v = 17 m/s

- Độ vượt cao của đỉnh đập trên đỉnh sóng: Tra Bảng 5-1 Giáo trình Thuỷ Công

ta có : ứng với MNDBT ⇒ a = 0,7 ứng với MNDGC ⇒ a’ = 0,5

IV- Xác định các kích thước cơ bản của đập :

1- Đỉnh đập:

a) Cao trình đỉnh đập:

- Xác định từ 2 mực nước: MNDBT và MNDGC

Z1 = MNDBT + ∆h + hsl + a

Z1 = MNDGC + ∆h’ + hsl’ + a’

Trong đó: h∆ và h∆ ’ : Độ dềnh do gió ứng với tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất

hsl và hsl’ : Chiều cao sóng leo (có mức đảm bảo 1%) ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất

a và a’: Độ vượt cao an toàn

*) Xác định h∆ , h sl ứng với gió lớn nhất V :

+) Xác định h∆ : h∆ = 2.10-6 cos S

H g

D

V2 α (m) Trong đó: V: Vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P=2%: V=32(m/s)

D : Đà sóng ứng với MNDBT: D = 3,8km = 3,8.103 (m)

g : Gia tốc trọng trường (m/s2) : g = 9,81 (m/s2) H: Chiều sâu nước trước đập (m) :

H = ∇MNDBT - ∇đáy sông = 109 - 79 = 30 (m)

αs: Góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió.Lấy αs = 00; ⇒ h∆ = cos 0 0 , 026 ( )

30 81 , 9

10 8 , 3 32 10

+) Xác định h sl :

Theo QPTL C1-78 chiều cao sóng leo có mức bảo đảm 1% xác định như sau:

hsl 1% = K1 K2 K3 K4 hs 1%

Trong đó:

hs 1% - Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1%

K1 , K2, K3, K4 - Các hệ số

- Xác định h s1% :

+ Giả thiết trường hợp này là sóng nước sâu : (H > 0,5λ)

Ta có : 662175

32

3600 6

81 9

,

, V

4 36 32

10 8 3 81

9

2

3

V

Tra đố thị ở phụ lục P2-1 ta được :

Với 6621,75

V

gt

= ⇒













=

=

5 3

064 0

2

, V g

, V

h g

τ

Với 2 36,4

V

gD

= ⇒













=

=

2 1

011 0

2

, V g

, V

h g

τ

So sánh hai cặp giá trị ta chọn cặp giá trị bé : 2 (0,011;1,2)

V

g

; V

h







 τ

,

, g

V V

h g

81 9

32 011

2









=

91 3 81 9

32 2

, , g

V V









= τ

) m ( , ,

.

, ,

g

88 23 14

3 2

91 3 81 9 2

2 2

=

=

= π

τ λ Kiểm tra lại sóng nước sâu: H > 0,5λ

H = 38(m) > 0,5λ = 0,5.23,88 = 11,94 (m)

- Tính hS1% : hS1% = K1% hS

Trong đó K1% tra ở đồ thị hình P2-2 ứng với đại lượng 2 36,4

V

gD

= ⇒K1% =2,1 ⇒ h1% = 2,1.1,15= 2,42(m)

- Hệ số K1, K2 tra ở bảng P2-3, phụ thuộc vào đặc trưng lớp gia cố mái và độ nhám tương đối trên mái

Mái đập được gia cố bằng đá xây,BT nên ∆ =(0,015÷0,02), Ta lấy ∆= 00,2

008 0 42 2

02 0

1

, ,

,

- Hệ số K3 tra P2-4, phụ thuộc vào vận tốc gió và hệ số mái m :

Chọn sơ bộ hệ số mái: mt = 3,5 ; mh = 3

Tra bảng P2-4 ⇒ K3 = 1,5 (Vgió = 32m/s > 20m/s)

- Hệ số K4 tra ở đồ thị hình P2-3, phụ thuộc vào hệ số mái m và trị số

% 1 SL

h λ

42 2

88 23

1

, ,

,

h SLλ% = =

⇒K4=1,3

⇒ hsl1% = K1.K2.K3.K4.hs1% = 1.0,9.1,5.1,3.2,42 = 4,25 (m)

Vậy Z1 = MNDBT + h∆ + hsl + a

= 109 + 0,021 + 4,25 + 0,7 ≈ 113,97(m)

b) Xác định ∆ h’, hsl’ ứng với gió bình quân lớn nhất V’ :

+ Xác định ∆h’:

' cos ' H g

' D ' V 10

2

'

2

=

∆ −

Trong đó:

V’: Là vận tốc gió bình quân lớn nhất : V’ =17 (m/s)

D’: Đà sóng ứng với MNDGC (D’ = 3,8 + 0,3 = 4,1km = 4,1.103 (m) g: Gia tốc trọng trường , g = 9,81 m/s2

H’ : Chiều sâu dưới đập

H’ = MNDGC - ∇đáy = MNDBT + Hmax -∇đáy = 109 + 3 - 79= 33(m)

αB’: Góc kẹp giữa trục dọc của hồ với hướng gió , lấy αB’ = 00

) ( 007 , 0 0 cos 33 81 , 9

10 1 , 4 17 10 2

+ Xác định hsl’:

Chiều cao sóng leo có mức bảo đảm 1% xác định như sau:

h’sl 1% = K’1 K’2 K’3 K’4 h’s1%

Trong đó: h’s1% - Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1%

K’1 , K’2, K’3, K’4 - Các hệ số

- Xác định h’s1%:

Giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu H’ > 0,5λ'

Ta có : 1246447

17

3600 6

81 9

,

, ' V

17

10 1 4 81

9

2

3

' V

'

Tra phụ lục P2-1 ta có :

Với 12464,47

' V

gt

= ⇒













=

=

2 4

085 0

2

, ' V g

, ' V

h g

τ (1)

Với 2 139,17

' V

' gD

= ⇒













=

=

7 1

02 0

2

, ' V g

, ' V

h g

τ (2)

So sánh (1) và (2), ta lấy giá trị bé là: 2 (0,02;1,7)

V

g

; V

h







 τ

,

, g

V V

h g '

81 9

17 02

2









=

95 2 81 9

17 7

,

, g

V V

g









= τ

594 13 14

3 2

95 2 81 9 2

2 2

, ,

.

, ,

' g

π

τ

Kiểm tra lại điều kiện sóng nước sâu: H’ > 0,5λ'

H’ =41 > 0,5 'λ = 0,5.14 = 7 (m)

- Tính h’s1% = K1%.h ' S

Trong đó: K1% tra ở đồ thị hình P2-2 ứng với đại lượng 2 139,17

' V

' D

g = →K1% =2,15

h’s1% = 2,15.0,59 = 1,27 (m)

- Hệ số K1, K2 tra ở bảng P2-3, phụ thuộc vào đặc trưng lớp gia cố mái và độ nhám tương đối trên mái

Mái đập được gia cố bằng đá xây,BT nên ∆ =(0,015÷0,02), Ta lấy ∆= 00,2

27 1

02 0

1

, ,

, '

h∆s % = =

→ → K’1 = 0,9 ; K’2 = 0,8

- Hệ số K’3 tra P2-4, phụ thuộc vào vận tốc gió và hệ số mái m.

Chọn sơ bộ hệ số mái : mt = 3,5

Tra bảng P2-2 với Vgió = 17m/s ta được K’3 = 1,38

- Hệ số K’4 tra ở đồ thị hình P3-2, phụ thuộc vào hệ số mái m và trị số

% 1 SL

' h

' λ

Ta có: 1102

27 1

14

1

, ,

' h

'

% SL

=

=

λ

⇒ K '4=1,25

⇒ h’sl1% = K’1.K’2.K’3.K’4.h’s1% = 0,9.0,8.1,38.1,25.1,1,27 ≈ 1,58(m) Vậy Z2 = MNDGC + h∆ ’ + h’sl + a’ = MNDBT + Hmax + h∆ ’ + h’sl + a’

= 109 + 3 + 0,006 + 1,58+ 0,5 = 114,086(m) Chọn cao trình đỉnh đập:Z = max (Z1, Z2) = max(113,97;114,086)

= 114,086(m) ≈ 114 (m)

b) Bề rộng đỉnh đập:

Vì không có đường giao thông chạy qua đỉnh đập nên ta lấy bề rộng đỉnh đập là B=5m để thi công thuận tiện và phù hợp với chiều cao đập

2- Mái đập và cơ đập:

a) Mái đập:

- Chiều cao đập H= Zđ - Zđáy = 114-79 = 35,1(m)

Sơ bộ hệ số mái:

+ Mái thượng lưu: mt = 0,05H +2,00 = 0,05.35,1 +2 = 3,8

+ Mái hạ lưu : mh = 0,05H + 1,5 = 0,05.35,1 + 1,5 = 3,3

Lấy mt = 4 ; mh =3,5 (Đây là hệ số mái trung bình)

b) Cơ đập:

- Đập cao 35,1m > 10m nên bố trí cơ ở mái hạ lưu.Do đập cao nên ta bố trí cơ và các hệ số mái như hình vẽ :

88

Bc¬=3m B=5m

4m

m = 25

109

m = 3,53

m = 3,252

m = 41

m = 1,54

114

79

- Chọn cơ đập ở cao trình ∇100 như hình vẽ

- Bề rộng cơ chọn theo yêu cầu giao thông và lấy không nhỏ hơn 2m Lấy Bcơ = 3m

3- Thiết bị chống thấm:

Theo tài liệu cho, đất đắp đập và đất nền có hệ số thấm khá lớn nên cần có thiết bị chống thấm cho thân đập và nền

- Nếu tầng thấm tương đối mỏng (T≤ 5m) có thể chọn các thiết bị chống thấm cho đập và cho nền thích hợp sau:

+ Chống thấm kiểu tường nghiêng

+ chân răng (cắm xuống tận tầng không thấm)

+ Chống thấm kiểu tường lõi + chân răng

- Nếu tầng thấm dày (T >10m) : phương án hợp lý là dùng thiết bị chống thấm kiểu tường nghiêng + sân phủ

Theo đề bài hình D cho tầng thấm T=19m > 10m Ta chọn phương án: Dùng thiết bị chống thấm kiểu tường nghiêng + sân phủ

*) Chọn sơ bộ kích thước ban đầu:

+) Chiều dày tường (nghiêng hay lõi):

- Trên đỉnh : δ1 ≥ 0,8m ⇒ Chọn δ1 = 1 m

- Dưới đáy: δ2 ≥ [ ]J

H

, Trong đó: Với vật liệu làm tường bằng đất sét thì [ ]J =(4÷6) ⇒ Lấy [ ]J = 5

H- Là cột nước lớn nhất

H= Hmax = MNDGC - ∇đáy = MNDBT + Hmax -∇đấy = 109 + 3 – 79 = 33 (m)

⇒ δ2 ≥ [ ]J

H

=

5

33 = 6,6 chọn δ2 = 7 (m)

+) Cao trình đỉnh tường nghiêng:

Chọn cao trình đỉnh tường nghiêng bằng cao trình đỉnh đập đất

+) Chiều dày sân phủ :

- ở đầu : chọn t1 = 1m

- ở cuối : t2 ≥ [ ]J

H

=

5

33 = 6,6 ⇒ chọn t2 = 7 m

+) Chiều dài sân phủ:

Trị số hợp lý của Ls xác định theo điều kiện khống chế lưu lượng thấm qua đập

và nền và điều kiện không cho phép phát sinh biến dạng thấm nguy hiểm của đất nền

Sơ bộ có thể lấy Ls = (3 ÷ 5) Hmax .Trong đó Hmax= 33 => Ls= 3,5 33 = 115,5 (m)

4- Thiết bị thoát nước thấm đập:

Thường phân biệt 2 đoạn theo chiều dài đập

a) Đoạn lòng sông: Hạ lưu có nước

- Chiều sâu nước hạ lưu:

HHL max = MNHLmax - Zđáy = 85,8 - 79 = 6,8 m

HHLBT = MNHLBT - Zđáy = 84,1 - 79 = 5,1 m Chọn thoát nước kiểu lăng trụ

- Độ vượt cao của đỉnh lăng trụ so với mực nước hạ lưu max ta chọn 2m.

Do đó chiều cao lăng trụ = 6,8 + 2 = 8,8(m) ta lấy 9(m)

- Bề rộng đỉnh lăng trụ b = 4 m

- Mái sau của lăng trụ m4 = (1 ÷ 1,5) ⇒ chọn m4 =1,5

- Mái trước của lăng trụ m5 =(1,5 ÷ 2) ⇒ chọn m5 =2

b) Đoạn sườn đồi:

ứng với trường hợp hạ lưu không có nước Ta chọn thoát nước kiểu áp mái.

V- Tính toán thấm qua đập và nền :

1 - Nhiệm vụ và các trường hợp tính toán:

a) Nhiệm vụ tính toán:

- Xác định lưu lượng thấm q

- Xác định đường bão hòa trong đập

- Kiểm tra độ bền thấm của đập và nền

b) Các trường hợp tính toán:

Trong thiết kế đập đất cần tính thấm cho các trường hợp làm việc khác nhau của đập

- Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước min tương ứng; thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường

- Thượng lưu là MNDGC, hạ lưu là mực nước max

- ở thượng lưu mực nước rút đột ngột

- Trường hợp thoát nước làm việc không bình thường

- Trường hợp thiết bị chống thấm bị hỏng

Đồ án này ta chỉ tính thấm cho trường hợp thứ nhất Cụ thể là:

Thượng lưu là MNDBT: H1 = MNDBT - Zđáy = 109 - 79 = 30(m)

Hạ lưu là mực nước min: H2 = MNHLBT - Zđáy = 84,1 - 79 = 5,1(m)

Thiết bị thoát nước chọn loại lăng trụ, sơ đồ đập có tường nghiêng + sân phủ

2- Tính thấm cho mặt cắt lòng sông:

a) Sơ đồ đập có tường nghiêng + sân phủ:

109

m = 41

4

m = 1,5 m = 2,55

m = 3,252

m = 3,53

H =30m

H =5,1m 2 Y

X

T = 19m

0

h3

K ®

K n

1m

7m 1m

Vì hệ số thấm của tường nghiêng + sân phủ nhỏ hơn rất nhiều hệ số thấm của nền và đập nên có thể áp dụng phương pháp gần đúng của Pavơlốpxki: bỏ qua lưu lượng thấm qua tường nghiêng sân phủ

*)Dùng phương pháp phân đoạn, bỏ qua độ cao hút nước a0, ta có hệ phương trình sau :

q = kn

3

3 1

55

T ) h h (

s + +

−

(1)

q = Kd

) mh L

(

h h

3

2 2

2 3

−

+ kn

2 3

2 3

44

0, T m ' h mh

L

T ) h h (

− +

−

−

(2)

Trong đó :

h2=5,1m, Ls=115,5m,

L = m1.Hđỉnh + B+ m2.(∇đỉnh- ∇cơ) + Bcơđập+ m3.(∇cơ - ∇lăngtrụ) - m4(∇lăngtrụ- MNHLBT) = 4.(114,1- 79) + 5 + 3,25.(114,1- 100)+ 3 + 3,5.(100 - 88) – 1,5.(88 – 84,1)

= 230(m)

Mặt khác : m = m2 = 3,5 ; m’= m1 = 4 ; kđ = 10-5(m/s) và kn = 10-6(m/s)

Sử dụng phương pháp thử dần từ (1) và (2)ta tính được: q = 1,67.10− 6(m/s)

h3=8,8 (m).

*) Phương trình đường bão hoà trong hệ trục toạ độ như hình trên có dạng.

h m L

h h h

3

2 2

2 3 2

−

− = 77 , 44 − 0 , 258x