đồ án công trình thủy đập đất

đồ án công trình thủy đập đất đại học bách khoa đà nẵng

o Cấp nước tưới cho 5000 ha đất canh tác.

o Cấp nước sinh hoạt cho 7000 dân

o Kết hợp nuôi trồng thủy sản và du lịch sinh thái

o Kết hợp thủy điện nhỏ với công suất N = 1000 KW

II. CÁC HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH

- Tại đầu mối có 2 hạng mục công trình chủ yếu được xây dựng

o Đập chính ngăn sông – được chọn phương án là đập đất

o Công trình tràn tháo lũ với 2 phương án có thể lựa chọn là đường tràn dọc hoặc máng tràn ngang, tràn hoạt động theo kiểu tràn tự do

o Một cống ngầm lấy nước có tháp đóng mở dưới thân đập đất để lấy nước phục vụ tưới

III. TÀI LIỆU CƠ BẢN DÙNG ĐỂ THIẾT KẾ

1. Tài liệu địa hình:

- Cho trước bình đồ địa hình vùng tuyến tỷ lệ 1:2000

- Tuyến đập thiết kế đã chọn trước trên bình đồ

- Tài liệu địa chất tuyến đập tương đối đơn giản, có 3 lớp, từ trên xuống:

• Lớp 1: Lớp phủ tàn tích dày từ 0.5 – 1.2 m phân bố ở 2 bên bờ

• Lớp 2: Lớp bồi tích lòng sông thấm mạnh, có bề dày từ 1 – 20 m

Độ dày lớp

đất 2 (m) 0.00 0.00 0.00 2.80 4.00 5.50 4.70 3.00 2.00 0.00 0.00 0.00

- Từ bình đồ địa hình, tuyến đập vẽ được mặt cắt dọc địa hình tuyến đập

Sau đó căn cứ vào số liệu về vị trí các lổ khoan và bề dày các lớp đất tại từng lỗ khoan để

vẽ mặt cắt địa chất dọc tuyến đập

Hình 1.Bình đồ địa hình của tuyến đập

2. Tài liệu về vật liệu xây dựng

- Đất đắp đập: Trong khu vực xây dựng có 3 bãi vật liệu, đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nước tương đối mạnh, đất ở các bãi vật liệu là tương đối đồng nhất, có đủ trữ lượng để đắp đập đồng chất Điều kiện khai thác bình thường Chỉ tiêu cơ lý cho ở bảng 1

- Đất sét: có thể khai thác cách vị trí xây dựng đập 4km, đủ yêu cầu và trữ lượng để làm vật chống thấm

- Đá: Có trữ lượng lớn, đủ để xây dựng bảo vệ mái, vật thoát nước và tường chắn sóng…

Đá có các chỉ tiêu cơ lý như sau:

• Góc ma sát trong: = 30o

• Độ rỗng của đống đá: n = 0.35

• Dung trọng khô của hòn đá: Ϫk = 2.4 t/m3

Độ ẩmW%

)

K(m/s)

Tự nhiên Bảo hòa Tự nhiên Bảo hòa

3. Các đặt trưng của hồ chứa

Bảng 4 Tài liệu thiết kế đập đất và cống ngầm.

MNHLMAX

Qtk

(MNC)

Q(MNBT)

o Các số liệu đã cho bao gồm:

o D (km): Chiều dài truyền sóng (còn gọi là đà gió) ứng với MNDBT

o D’(km): Chiều dài truyền sóng ứng với MNLTK D’ = D + 0.5 = 5.5 km

o MNC(m): Cao trình mực nước chết của hồ chứa

MNDBT(m): Cao trình mực nước dâng bình thường của hồ chứa

o MNLTK (m) : Mực nước lũ thiết kế được tính bằng MNDBT cộng thêm cột nước lớnnhất trên đĩnh tràn tự do : MNLTK = MNDBT + Ht max = 79.6 + 4 = 83.6 (m) (Ht max

là cột nước lớn nhất trên tràn tự do khi xãy ra lũ thiết kế - cho Ht max = 4m

o MNLKT(m): Mực nước lũ kiểm tra, là mực nước lớn nhất trong hồ khi xãy ra lũ kiểm tra Ở đây cho : MNLKT = MNLTK + 1m = 84.6 (m)

o MNHL max (m): Mực nước hạ lưu lớn nhất

o MNHL bt (m): Mực nước hạ lưu bình

Bảng 5 Vận tốc gió tính toán ứng với các tần suất P%.

4. Tài liệu phục vụ việc thiết kế cống lấy nước

- Lưu lượng qua cống Q cống (m3/s) : được cho với 2 trường hợp :

o Khi mực nước hồ = MNC : Qtk dùng để tính toán khẩu diện cống

o Khi mực nước hồ = MNDBT: Qbt dùng để kiểm tra chế độ chảy và tính toán tiêu năng saucống

MNđk(m) : Cao trình tối thiểu của mực nước đầu kênh (sau cống) để bảo đảm yêu cầu

tưới tự chảy của công trình

IV. PHÂN TÍCH CHỌN TUYẾN ĐẬP, CÔNG TRÌNH TRÀN VÀ TUYẾN CỐNG LẤY

là phải 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 bốc hơi qua bề mặt

thoáng Tuyến được chọn phải thuận lợi cho việc bố trí đưởng tràn tháo lũ và giá thành đường tràn tháo lũ là rẻ nhất, hạn chết 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 trong hệ thống

o Về mặt địa chất chọn tuyến đập có nền đồng chất và vững chắt không nứt gãy lớn, hệ sốthấm bé, chiều dày tần thấm nhỏ

o Về điều kiện thi công: tuyến được chọn phải thuận lợi cho việc dẫn dòng thi công, giao thông đi lại, vận chuyển vật liệu thi công và máy móc và thiết bị thi công dễ dàng thuậnlợi

V. PHÂN TÍCH CHỌN LOẠI ĐẬP, HÌNH THỨC TRÀN VÀ CỐNG LẤY NƯỚC

- Căn cứ vào điều kiện địa hình địa chất và vật liệu xây dựng, phân tích để xác định loại đập có thể xây dựng, chọn phương án hợp lý là đập đất

PHẦN B – THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT

I. CẤP CÔNG TRÌNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ

Dựa vào tiêu chuẩn QCVN 04-05: 2012;

1. Cấp công trình

Xác định từ 2 điều kiện:

a. Theo chiều cao công trình và loại nền

Giả thiết sơ bộ cao trình đỉnh đập:

Zđỉnh đập = MNLTK + d = 83.6 + 3 = 86.6 (m) với (d là chiều cao an toàn chọn 3 m)

Chiều cao trình đập

Hđập = Zđỉnh đập – Zđáy = 86.6 – 35= 51.6 (m)Tra bảng 1 – phân cấp công trình thủy lợi

 Ứng cới chiều cao đập bằng 51.6 (m) và nền đá suy ra cấp công trình tương đương là công trình cấp II

b. Theo năng lực phục vụ của công trình

Mục đích chính là cấp nước cho 5000 ha đất canh tác

Tra bảng 1 – phân cấp công trình thủy lợi

 Cấp công trình tương ứng là công trình cấp I

Cấp của đập lấy theo trị số nào quan trọng nhất khi xác định theo 2 điều kiện trên

 Vậy ta xác định được cấp công trình là cấp I

Bảng 6 Phân cấp công trình thủy lợi.

Loại công trình và

năng lực phục vụ

Loại nền

Cấp công trình

1 Diện tích được tưới hoặc diện

tích tự nhiên khu tiêu, 103 ha - > 50 >10 ÷ 50 >2 ÷ 10 ≤ 2

2 Hồ chứa nước có dung tích ứng

5 Đập bê tông, bê tông cốt thép các

loại và các công trình thủy lợi chịu

C - - >10 ÷ 15 >4 ÷ 10 ≤ 4CHÚ THÍCH:

1) Đất nền chia thành 3 nhóm điển hình:

- Nhóm A: nền là đá ;

- Nhóm B: nền là đất cát, đất hòn thô, đất sét ở trạng thái cứng và nửa cứng;

- Nhóm C: nền là đất sét bão hòa nước ở trạng thái dẻo;

2) Chiều cao công trình được tính như sau:

- Với đập vật liệu đất, đất – đá: chiều cao tính từ mặt nền thấp nhất sau khi dọn móng (không kểphần chiều cao chân khay) đến đỉnh đập;

- Với đập bê tông các loại và các công trình xây đúc chịu áp khác: chiều cao tính từ đáy chânkhay thấp nhất đến đỉnh công trình

o Tần suất gió lớn nhất và gió bình quân lớn nhất, các mức đảm bảo sóng:

Theo bảng 2 - Tần suất gió thiết kế TCVN 8216:2018 Với cấp công trình là cấp I

Cao trình đỉnh đập là cao trình lớn nhất đảm bảo nước không tràn qua đỉnh đập Mặt khác đập cũng không được quá cao để đảm bảo các điều kiện kinh tế Xác định cao trình đỉnh đập trên cơ sở tính toán độ vượt cao của đỉnh đập trên các mực nước tính toán của hồ gồm mực nước dâng bình thường, mực nước lớn nhất khi có lũ thiết kế và

lũ kiểm tra theo công thức sau:

Zđ = Zh + ∆h + Rslp + aTrong đó: + Zđ là cao trình đỉnh đập m

+ Zh là mực nước tính toán của hồ chứa m

+ ∆h là chiều cao nước dềnh do gió m

+ Rslp là chiều cao sóng leo lên mái đập m

+ a là chiều cao an toàn m

• Ở mực nước dâng bình thường

Vw = kfl kl Vl

+ Vl vận tốc gió ứng với P = 2% → V1 = 30 m/s (theo điều A.3.1 TCVN 8421:2010)

+ kfl là hệ số tính chuyển các số liệu vận tốc gió, được tính theo công thức

kfl = 0.675 + 4.5/Vl, nhưng không lớn hơn 1 kfl = 0.825

+ kl là hệ số quy đổi vận tốc gió về điều kiện mặt thoáng của các vùng nước (kể cảcác vùng nước đang được thiết kế) có chiều dài đặc trưng dưới 20 km kl = 1

Vw = kfl kl Vl = 0.825 1 30 = 24.75 m/s+ kw là hệ số theo vận tốc gió, theo bảng A2 TCVN8421:2010, kw = 3 10-6

trong đó: + h1% là chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%

+ kr,kp là hệ số nhám và hệ số hút nước của mái dốc xác định theo bảng 6 TCVN8421:2010

+ ksp là hệ số theo vận tốc xác đinh theo bảng 7 TCVN 8421:2010.

+ krun là hệ số được lấy theo bảng 11 TCVN 8421:2010.

 Xác định h1%: giả thiết sóng nước sâu , tính toán các đại lượng không thứ nguyên ,

Trong đó: + g là Gia tốc trọng trường; g = 9.81 m/s2

+ t là thời gian gió thổi; t = 6 giờ

+ Vw là vận tốc gió tính toán (m/s); Vw = 24.75 m/s

+ L là chiều dài đường sóng ứng với mực nước dâng bình thường

+ d là chiều sâu ứng với mực nước tính toán; d = 44.6 m

 Thay số kết hợp với đồ thị xác định các yều tố sóng, ta được:

Kiểm tra lại điều kiện sóng sâu d = 44.6 m > 0.5 20.92 = 10.46 m

 Vậy giả thiết sóng nước sâu đúng

 Chiều cao sóng nước sâu ứng với mực nước đảm bảo 1%, được xác định:

Giả thiết hệ số mái m = 3, và Vw = 24.75 (m/s)

∆h = kw = 2.51 10-6

 ∆h = 0.0069 m

 Xác định Rsl theo công thức: Theo TCVN 8421:2010 chiều cao sóng leo ứng với tần suất sóng leo 1% được xác định như sau:

Rsl = Hrun1 % = kr kp ksp krun h1 %

Trong đó:

+ h1% là chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%

+ kr, kp là hệ số nhám và hệ số hút nước của mái dốc xác định theo bảng 6

TCVN8421:2010

+ ksp là hệ số theo vận tốc xác đinh theo bảng 7 TCVN 8421:2010

+ krun là hệ số được lấy theo bảng 11 TCVN 8421:2010

 Xác định h1%: giả thiết sóng nước sâu , tính toán các đại lượng không thứ nguyên , Trong đó: + g là Gia tốc trọng trường; g = 9.81 m/s2

+ t là thời gian gió thổi; t = 6 giờ

+ Vw là vận tốc gió tính toán (m/s); Vw = 15.5 m/s

+ L là chiều dài đường sóng ứng với mực nước dâng bình thường

+ d là chiều sâu ứng với mực nước tính toán; d = 44.6 m

 Thay số kết hợp với đồ thị xác định các yều tố sóng, ta được:

o = 1.82.

 Tra hình A1 – Các đồ thị xác định các yếu tố sóng do gió ở vùng nước sâu và nông ứng

với 2 đại lượng không thứ nguyên trên ta được các cặp giá trị sau:

Kiểm tra lại điều kiện sóng sâu: d = 44.6 m > 0.5 15.59 = 7.795 m vậy giả thiết sóng nước sâu đúng.

Chiều cao sóng nước sâu ứng với mực nước đảm bảo 1% được xác định: hs1% = kp

Với Kp tra đồ thị hình A2 TCVN 8421:2010 với = 224.57; i = 1%; kp = 2.1;

2. Mái đập và cơ

a. Mái đập

Trị số mái đập được chọn chỉ là sơ bộ, việc quyết định m cuối cùng phải qua tính toán yêu cầu kỹ thuật (tính toán ổn định) và kinh tế

Do H = 49.9 m có thể tính m theo công thức sau đây:

o Đối với mái thượng lưu: m1 = 0.05H + 2 = 0.0549.9 + 2 = 4.495 m1 = 4.5;

o Đối với mái hạ lưu: m2 = 0.05H + 1.5 = 3.995 m2 = 4;

- Ở mái thượng lưu, việc bố trí cơ đập phụ thuộc vào điều kiện thi công và hình thức bảo

vệ mái → Chọn cthượng lưu = 3m

- Các hình thức chon cơ đập làm sao cho hợp lý và để đảm bảo được về kinh tế và kỷ thuật

Và nhằm dể thi công và quản lý khai thác sau này

+ 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 > 10 m) phương án hợp lý là dùng thiết bị chống thấm kiểu tường nghiêng + sân phủ

- Hợp lý nhất là dùng thiết bị tường nghiêng + chân răng Chọn sơ bộ kích thước ban đầu:

a. Chiều dày tường nghiêng

+ Trên đỉnh thường: δ1 ≥ 0.8m → chọn δ1 = 1 m

+ Dưới đáy thường: δ2 ≥ H = 49.9, với cột nước cênh lệch trước sau tường

 Chọn δ2 = 5 m

b. Cao trình đỉnh tường nghiêng

+ Chọn không thấp hơn MNLTK = 83.6 m ở thượng lưu Chọn Ztường = 83.6 Thiết bị thoát nước chân đập

c. Chiều dày chân răng

+ Chọn như đối với đáy tường nghiêng Ngoài ra còn đảm bảo điều kiện nối tiếp đều đặngiữa tường nghiêng với chân răng.

+ Do hệ số mái thượng lưu là: m’ = cot ’ = = 4.59 = 12o16’

 Chiều dày phía chân răng trên là: t1 = = = 23.53 m

+ Chọn chiều dày phía dưới đáy cắm xuống

• Với mcr là hệ số mái chân răng Chọn bằng 0.75

• Từ hình vẽ ta tính được t2 = t1 – 2 0.75 T (với T = 4.5)

 t2 = 23.53 – 6.75 = 16.78 m

4. Thiết bị thoát nước chân đập

- Phân biệt 2 đoạn theo chiều dài đập:

a. Đoạn lòng sông: Hạ lưu có nước

o Chiều sâu nước hạ lưu:

Hhl max = MNHLmax - Zđáy = 46.9 – 35 = 11.9 (m)

Hhlbt = MNHLBT - Zđáy = 41.8 – 35 = 6.8 (m)

Với chiều sâu mực nước hạ lưu không quá lớn ta chọn nước kiểu lăng trụ

o Độ vượt cao của đỉnh lăng trụ so với mực nước hạ lưu max từ (1m – 2m)

b. Đoạn trên sườn đồi

o Ứng với trường hợp hạ lưu không có nước, cơ bộ đơn giản nhất có thể chọn là thoát nước kiểu áp mái Khi cần thiết phải hạ thấp đường bảo hòa có thể chọn kiểu gối phẳng hay ống dọc

III. 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 bảo hòa trong đập

- Kiểm tra độ bền thấm của đập và nền

c. 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

+ Thượng lưu là MNDGC, hạ lưu là mược nước max tương ứng

+ Ở thượng lưu mực nước rút đột ngột

+ Trường hợp thiết bị thoát nước làm việc không bình thường

+ Trường hợp thiết bị chống thấm bị hỏng

- Ta chỉ tính thấm cho trường hợp thứ nhất, thiết bị chống thấm làm việc bình thường.+ Thượng lưu là MNDBT: H1 = MNDBT - Zđáy = 79.6 – 35 = 44.6 m

+ Hạ lưu là mực nước min: H2 = MNHLBT - Zđáy = 41.8 - 35 = 6.8 m

- Thiết bị thoát nước chọn loại lăng trụ Sơ đồ đập có tường nghiêng + chân răng

2. Tính thấm cho mặt cắt lòng sông

a. Phương pháp tính

- Để tính thấm qua loại đập Pavlovxki xem dòng thấm qua thân đập và nền không phụ thuộc nhau, nghĩa là xem mặt tiếp giáp giữ đạp và nền là một đường dòng Như vật có thể xác định lưu lượng thấm qua qd xem như đập trên nền không thấm Lưu lượng toàn phần thấm qua thâm đập và nền khi đó tính bằng: q = qd + qn

b. Áp dụng

- Tính cho trường hợp 1: thương lưu là MNDBT, hạ hưu là mực nước min tương ứng

- Dùng phương pháp phân đoạn, bỏ qua độ cao hụt nước ao ở cưới dòng thấm, lưu lượng thấm q và độ sâu h3 sau tường nghiêng xác định từ hệ số sau:

- Đoạn 1: thấm qua tường nghiêng chân răng

(1)

- Đoạn 2: thấm qua đập

 Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình sau:

Trong đó: + kn là hệ số thấm của nền, kn = 10-5 m/s.

+ kđ là hệ số thấm của đất đắp đập, kđ = 10-6 m/s

+ ko là hệ số thấm của thiết bị chống thấm, ko = 10-9 m/s

+ Chiều dày trung bình của tường nghiêng, = 3 m

+ Chiều dày trung bình của chân răng, t = = 20.155 m

+ h1 = Chiều cao MNDBT – Z đáy = 44.6 m

+ h2 = Chiều cao MNHLBT – Z đáy = 6.8 m

+ T chiều dài miền thấm, T = 4.5 m

+ m1 là hệ số mái thượng lưu, m = 4.5 m và m2 hệ số hạ thượng lưu, m = 4 m + m‘ là hệ số mái trước lăng trụ, m‘1= 2m, m’2 = 2.5 m

+ Chiều cao của đập, hđ = 49.9 m

+ Chiều rộng đỉnh đập là Bđđập = 6 m

+ Sin( = sin(12o31’) = 0.2167 m

+ Z0 = δ.cosα = 2.92 m

= m1 => = ; = m2 => tan = ; + Chiều dài của chân đâp

Lcđ = Bdđập + hd = Bdđập + hd (m1 + m2) = 429.3

- Đối với thoát nước kiểu lăng trụ:

+ Cao trình đỉnh lăng trụ ZđTrụ = MNHLmax + d = 46.9 + 2 = 48.9 m

+ Chiều cao của lăng trụ hLTrụ = Zđỉnh - Zđáy = 48.9 – 35 = 13.9 m

+ Tính chiều dài tính toán l của kênh lăng trụ:

Llt= hlt m2 + m’1(hlt - h2) = 69.8 m + Vậy chiều dài tính toán L của đập là L = 429.3 – 69.8 = 359.5 m

- Thay tất cả vào hệ pt (*) trên ta được :

- Giải hệ phương trình ta được kết quả:

 Phương trình đường bão hoà

- Hệ trục toạ độ như trên hình có dạng: Y =

 Vậy điều kiện được đảm bảo

o Với nền đập, cần đảm bảo điều kiện: Jkn ≤ [Jk]n

 Trong đó Jkn = = = 0.033

 [Jk]n phụ thuộc loại đất đắp và cấp công trình, lấy theo số liệu của Trugaép với đất đập là đất thịt pha cát và cấp công trình cấp 2 → [Jk]n = 0.22 > Jkn (thỏa)

 Vậy điều kiện được đảm bảo

3. Tính thấm cho mặt cắt sườn đồi

- Với tài liệu đã cho, sơ đồ chung của mặt cắt sườn đồi là đập trên nền không thấm, hạ lưu không có nước, thoát nước kiểu áp mái

 Sơ đồ đập có tường nghiêng:

a. Lưu lượng thấm

o Theo phương pháp phân đoạn, lưu lượng thấm q và các độ sâu h3, a0 được xác định

từ hệ phương trình sau đây