thiết kế đập bê tông trọng lực

Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC Phần 1: MỞ ĐẦU I. Vị trí và nhiệm vụ công trình. 1. Nhiệm vụ chính là phát điện. Trạm thủy điện có công suất N=120.000 kW; 2. Phòng lũ cho hạ du với phạm vi ảnh hưởng mà công trình có thể phát huy là 250.000 ha. 3. Tăng mực nước và lưu lượng sông trong mùa kiệt để có thể tưới cho 150.000 ha ruộng đất và phục vụ giao thông thủy, tạo nguồn cấp nước cho sinh hoạt 1.000.000 người. II. Địa hình, địa chất thủy văn. 2.1. Bình đồ khu đầu mối công trình: Tỷ lệ 1/2000: Tuyến đã được xác định và sơ bộ bố trí các hạng mục công trình đầu mối như sau: - Đập bê tông trọng lực dâng nước, có đoạn tràn nước; - Nhà máy thủy điện đặt ở hạ lưu đập về phía bờ trái, nước qua tuabin sẽ được trả lại sông để cấp nước cho hạ du. Có 4 đường hầm để dẫn nước vào nhà máy thủy điện; - Công trình nâng tàu (âu tàu) bố trí ở bờ trái, cách xa nhà máy thủy điện. 2.3. Địa chất khu vực công trình: a) Nền tuyến đập công trình: Nền sa thạch phân lớp, trên mặt có phủ một lớp đất thịt dày từ 3 đến 5m. Đá gốc có độ phong hóa, nứt nẻ trung bình. b) Tài liệu ép nước thí nghiệm tại tuyến đập: Độ sâu (mét) 10 15 20 Độ mất nước (l/ph): 0,05 0,03 0,01 c) Chỉ tiêu cơ lý của đất nền: - Hệ số ma sát: f=0,65 - Các đặc trưng chống cắt: f o = 0,63; c=2 kG/cm 2 . - Cường độ chịu nén giới hạn: R=1600 kG/cm 2 . 2.3. Vật liệu xây dựng: Tại khu vực này đất thịt hiếm, cát và đá có trữ lượng lớn, khai thác ngay ở hạ lưu đập, chất lượng đảm bảo tiêu chuẩn dùng vật liệu bê tông, gỗ, tre có trữ lượng lớn, tập trung ở thượng lưu. 2.4. Tài liệu thủy văn :  SVTH : Phạm Văn Lạc 1 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện - Cao trình bùn cát lắng đọng (sau thời gian phục vụ công trình): Đầu đề I Cao trình bùn cát (m) 40 - Chỉ tiêu cơ lý của bùn cát: n=0,45; γ k =1,15 T/m 3 ; ϕ bh =11 0 - Lưu lượng tháo lũ (Q tháo ) và cột nước siêu cao trên mực nước dâng bình thường (H t ) Bảng 4: Tần suất P% 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 Q tháo (m3/s) 1330 1230 1190 1120 1080 H t (m) 5,5 5,1 4,8 4,3 4,0 - Đường quan hệ Q~Z ở hạ lưu tuyến đập: Bảng 5: Q ( m 3 /s) Đầu đề I 300 33.5 500 34.4 700 35.2 900 35.8 1000 36.1 1100 36.4 1200 36.6 1550 37  SVTH : Phạm Văn Lạc 2 GVHD : Lê Văn Hợi Z(m) Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện 2.5.Tài liệu về thủy năng: - Trạm thủy điện có 4 tổ máy. - Mực nước dâng bình thường(MNDBT),mực nước chết (MNC),lưu lượng qua 1 tổ máy (Q tm ) Bảng 6 – Tài liệu thủy năng: Đề số Đầu bài MNDBT (m) MNC Q TM (m 3 /s) 13 I 89,5 45,6 120 2.6.Các tài liệu khác: - Tốc độ gió ứng với tần suất P(%): Tần suất P% 2 3 5 20 30 50 V(m/s) 36 34 30 22 20 18 - Chiều dài truyền sóng D = 6 Km (ứng với MNDBT) D’ = 6,5Km (ứng với MNDGC) - Khu vực xây dựng công trình có động đất cấp 8. - Đỉnh đập không có giao thông chính đi qua. II. Chọn tuyến đập và bố trí công trình đầu mối.  SVTH : Phạm Văn Lạc 3 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện 1. Cấp công trình: Xác định theo hai điều kiện: - Theo chiều cao đập và loại nền (ở đây là đập bê tông trên nền đá) Bảng P1-1. Cấp thiết kế của công trình theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục công trình thủy công trình cấp III - Theo nhiệm vụ (tưới, phát điện, phòng lũ). Bảng P1-2. Cấp thiết kế của công trình theo năng lực phục vụ: Nhà máy thủy điện có công suất 120.000 kW công trình cấp II. Vậy chọn cấp công trình cấp II. 2. Các chỉ tiêu thiết kế: với công trình cấp II và đập bê tông trọng lực xác định được - Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất tính toán bảng P1-3 cấp thiết kế 0,5% - Tần suất gió lớn nhất và bình quân lớn nhất tính toán bảng P2-1 Trường hợp tính toán Cấp thiết kế Mực nước dâng bình thường 2 Mực nước dâng gia cường 50 - Các hệ số vượt tải, - Hệ số điều kiện làm viêc (bảng P1-5. Hệ số điều kiện làm việc) m=1 Khi mặt trượt đi qua các khe nứt trong đá nền m=0,95 Khi mặt trượt qua mặt tiếp xúc giữa bê tông và đá, hoặc một phần qua đá nguyên khối. - Hệ số tin cậy K n =1,2 (bảng P1-6) - Các độ vượt cao của đỉnh đập Phần 2: TÍNH TOÁN MẶT CẮT ĐẬP I . Mặt cắt cơ bản 1. Dạng mặt cắt cơ bản: Do đặc điểm chịu lực mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực có dạng tam giác + Mực nước dâng bình thường hồ chứa MNDBT = 89,5 (m) + Mực nước dâng gia cường MNDGC= MNDBT+5,1 = 89,5+5,1 = 94,6 (m) Vậy chiều cao đập cho mặt cắt cơ bản là Hđ= MNDGC- )(6,63316,94 m đay =−=∇ Ở đây chọn n=(0÷0,1) ta chọn n=0  SVTH : Phạm Văn Lạc 4 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện 2. Xác định chiều rộng đáy đập a) Theo điều kiên ổn định: ).( ].[ 1 1 α γ γ −+ = nf H KB b Trong đó : H 1 : Chiều cao mặt cắt H 1 =63,5 (m) f : Hệ số ma sát f = 0,65 γ 1 : Dung trọng của đập = 2,4 (T/m 3 ) γ n : Dung trọng của nước = 1 (T/m 3 ) n : Trị số n = 0 α 1 : Hệ số cột nước còn lại sau màng chống thấm. Vì đập cao, công trình quan trọng nên cần thiết phải xử lý chống thấm cho nền bằng cách phụt vữa tạo màng chống thấm. Trị số α 1 xác định theo mức độ xử lý nền sơ bộ có thể chọn α 1 =(0,4÷0,6). Trị số α 1 được chính xác hóa ở đây ta chọn α 1 =0,5. K c : Hệ số an toàn ổn định cho phép. Theo quan điểm tính toán ổn định trong các quy phạm mới, ổn định của các công trình trên nền được đảm bảo khi R K m Nn n ttc ≤ . Trong đó: nc: Hệ số tổ hợp tải trọng m: Hệ số điều kiện làm việc Kn: Hệ số đọ tin cậy Ntt và R lần lượt là giá trị tính toán của lực tổng quát gây ra trượt của lực chống giới hạn  SVTH : Phạm Văn Lạc 5 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện Có thể coi == m Kn K nc c . 1,1 56,56 )5,00 1 4,2 .(65,0 5,63 .1,1 = −+ = B (m) chọn B= 57 (m) b) Tính B theo điều kiện ứng suất: 07,46 5,0)02.(0)01( 1 4,2 5,63 )2.()1( 1 1 = −−+− = −−+− = α γ γ nnn H B b (m) Vậy so sánh hai trường hợp trên ta chọn B =57 (m) II. Mặt cắt thực dụng của đập không tràn: 1. Xác định cao trình đỉnh đập: Đỉnh đập bê tông phần không tràn xác định theo 2 điều kiện: 1 đ ∇ = MNDBT +Δh + η s +a (m) (1) 2 đ ∇ = MNDGC+Δh’+η s ’+a’ (m) (2) Trong đó: h ∆ và s η xác định với vận tốc gió lớn nhất. ∆h’ và ' s η xác định với vận tốc gió tính toán bình quân lớn nhất Pmax. a và a' là độ vượt cao an toàn. a) Xác định h ∆ và s η a-1) Xác định h ∆ theo công thức: )(cos . .10.2 2 6 m gH DV h s α − =∆ Trong đó: V = 36(m/s): Vận tốc gió tính toán lớn nhất. D = 6 (Km) = 6000 (m): Đà sóng ứng với MNDBT. g = 9,81(m/s²): gia tốc trọng trường. H = 58,5(m): chiều sâu nước trước đập. (MNDBT) 0 = s α : góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió.  SVTH : Phạm Văn Lạc 6 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện => )(0271,01. 5,58.81,9 6000.36 . 6 10.2 2 mh = − =∆ a-2) Xác định η s : Trong đó: s K η : Tra đồ thị. h: chiều cao sóng với mức bảo đảm tương ứng. - Giả sử rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu: )5,0( λ > H Thông số Công thức Trường hợp MNDBT = 89,5 (m) Cách tính Giá trị A gt/V 9,81*6*3600/36 5886 B gD/V 2 9,81*6000/36 2 45,4 C gH/V 2 9,81*58,5/36 2 0,443 - Tính các đại lượng: 5886 36 3600.6.81,9 == V gt 4,45 36 6000.81,9 22 == V gD Tra đồ thị ta có được: 043,0 2 = V hg và 64,2= V g τ => 69,9 81,9 36.64,2 == τ và )(68,146 14,3.2 69,9.81,9 2 22 m g === π τ λ => 34,735,0 = λ Kiểm tra điều kiện: λ 5,05,58 <= H (không thoã mãn điều kiện). Vậy đây là vùng sóng nước nông. Ta có: 443,0 36 5,58.81,9 22 == V gH Tra đồ thị ta có được: 28,10 81,9 36.8,2 8,2 ===>= τ τ V g  SVTH : Phạm Văn Lạc 7 GVHD : Lê Văn Hợi η s = K ηs .h Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện => )(165 14,3.2 28,10.81,9 2 22 m g === π τ λ 72,1 81,9 36.013,0 013,0 2 2 ===>= h V hg => 87,2 5,57 165 == H λ 01,0 165 72,1 == λ h Tra đồ thị ta có được: 1= s K η Vậy: )(72,172,1.1. mhK s s === η η b) Xác định ' h ∆ và ' s η * Xác định ' h ∆ : )(cos 10.2 '2 6' m gH DV h s α − =∆ Trong đó: V = 22 (m/s): Vận tốc gió bình quân lớn nhất. D' = 6,5 (Km) = 6500 (m): Chiều dài truyền sóng ứng với MNDGC. g = 9,81 (m/s²): Gia tốc trọng trường. H = 63,5 (m): Chiều sâu cột nước trước đập ứng với MNDGC. 0 = s α : Góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió. )(01,01. 5,63.81,9 6500.22 10.2 2 6' mh ==∆=> − * Xác định ' s η : Trong đó: h : Chiều cao sóng với mức bảo đảm tương ứng. ' s K η : Tra đồ thị phụ thuộc h, H, và i.  SVTH : Phạm Văn Lạc 8 GVHD : Lê Văn Hợi η s ’ = K ηs’ .h Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện -Tính các đại lượng: 9632 22 3600681,9 = ×× = V gt 132 22 650081,9 22 ' = × = V gD 287,1 22 5,63.81,9 22 == V gH Tra đồ thị ta có được: 26,3 81,9 22.066,0 066,0 2 2 ===>= h V hg 85,7 81,9 22.5,3 5,3 ===>= τ τ V g => 26,96 14,3.2 85,7.81,9 2 22 === π τ λ g => 034,0 26,96 26,3 == λ h Ta thấy H = 61,5 > 0,5λ sóng nước sâu Tra đồ thi ta có được: 1 ' = s K η => )(26,326,3.1. ' ' mhK s s === η η c ) Xác định a và a': Ta có: Độ vượt cao an toàn: a =1,2 và a' = 1,0 (m) Tra bảng 4.2 đ< vượt cao an toàn a trang 48 sách Bài giảng Thủy Công tập 1. Vậy ta có: )(45,922,172,10271,05,89 1 mahMNDBTđ s =+++=++∆+=∇ η )(87,980,126,301,06,94 ' ' ' 2 mahMNDGCđ s =+++=++∆+=∇ η Như vậy ta chọn cao trình đỉnh đập là 99 (m), từ đó có chiều cao đập H đ = 68 (m) 2. Bề rộng đỉnh đập: Đỉnh đập không có yêu cầu giao thông nên chọn b=5 (m) 3. Bố trí các lỗ khoét:  SVTH : Phạm Văn Lạc 9 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện Các lỗ khoét có tác dụng tập trung nước thấm trong thân đập và nền kết hợp để kiểm tra, sữa chữa Hành lang ở gần nền để sử dụng phụn vữa chống thấm với kích thước chọn theo yêu cầu thi công công trình. Các hành lang khác chọn bằng 1,2 x 1,6 (m). Theo chiều cao đập, bố trí hành lang ở các tầng khác nhau, tầng nọ cách tang kia 15÷20 (m). Khoảng cách từ mặt thượng lưu đến mép trước của hành lang chọn theo điều kiện chống thấm: l 1 = J H , trong đó H: Cột nước tính đến đáy hành lang; J: Gradien thấm cho phép của bê tông J=20. l 1 = H/j =61,5/20 = 2.615 (m). H=58.5 m Đi?nh dâ?p= 99 m MNDBT=58.5 m Đa´y=31 m III. Mặt cắt thực dụng của đập tràn. 1. Mặt cắt đập tràn: Chọn mặt tràn dạng Ôphixêrốp không chân không. Loại này có hệ số lưu lượng tương đối lớn và chế độ làm việc ổn định. - Cao trình ngưỡng tràn ∇ ngưỡng = ∇ MNDBT= 89,5 (m) - Chọn hệ trục Oxy có trục Ox ngang cao trình ngưỡng tràn, hướng về hạ lưu; trục Oy hướng xuống dưới gốc O ở mép thượng lưu đập, ngang cao trình ngưỡng tràn. - Vẽ đường cong theo toạ độ Ôphixêrốp trong hệ trục đã chọn. - Tịnh tiến đường cong đó theo phương ngang về hạ lưu của mặt cắt cơ bản tại điểm D.  SVTH : Phạm Văn Lạc 10 GVHD : Lê Văn Hợi [...]... Điện §5 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP I- Mục đích của việc tính toán ổn định Đập bê tông trọng lực là loại đập chủ yếu dựa vào trọng lượng bản thân để duy trì ổn định đập. Đập bê tông có khối lượng lớn cho nên không mất ổn định về lật mà chủ yếu là do sự phá hoại cục bộ và khi chịu tác dụng của tải trọng động thì sinh ra các ứng suất kéo nén ở hai mép thượng lưu và hạ lưu của đập nếu ứng suất lớn sẽ gây ra... Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện 2_ Tính toán ngoại lực tác dụng lên thân đập ứng với các mặt cắt nằm ngang khác nhau chỉ tính các lực tác dụng lên đập phần trên mặt cắt ngang đang xét) Các lực cần tổng hợp là ΣG- tổng lực thẳng đứng; ΣP- tổng lực nằm ngang; ΣM- tổng moomen đối với tâm mặt cắt BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH ỔN ĐỊNH TT Lực nc Ntt(T) tay đòn (m) M (Tm) Hướng Ws Ntc (T) 44.037 1 1... Lợi - Thuỷ Điện III-Tính toán ổn định theo sơ đồ trượt phẳng Xác định các lực tác dung lên đập : Xét bài toán phẳng Tính toán ổn định trượt cho phần đập không tràn ứng với hai trường hợp: Ứng với MNBT, có động đất (đặc biệt): a) Áp lực thủy tĩnh: Thượng lưu: 1 1 2 W1 = γ n H 1 = 1.58,52 = 1711,125 (T) 2 2 b) Áp lực sóng: ' Áp lực sóng lớn nhất đạt được với độ dềnh: η s = Kη h = 1.3,26 = 3,26(m) s '... Trị số áp lực sóng lớn nhất lên mặt đập:  SVTH : Phạm Văn Lạc 26 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện Ws =kđ.γn.h(H+h/2)=0,211.1.3,26.(58,5+3,26/2)=41,361 (T) Trong đó kđ = 0,211 tra đồ thị (P2-4c) c) Áp lực thấm: Lực thấm đẩy ngược: Pmax = γn.α1.H Trong đó: α1 _ hệ số cột nước thấm còn lại sau màn chống thấm (α1 = 0,5) H _ cột nước thấm ( H= 58,5) Tổng áp lực thấm... (T) 2 2 d) Áp lực bùn cát: 1 1 Ws = γ bc h '2 k a = 0,6.9 2.0,68 = 16,524 (T) 2 2 Trong đó: h’ = ∇bùn cát - ∇ đáy = 40 – 31 = 9 (m) ka: Hệ số áp lực ngang ( áp lực chủ động ) ϕ 11 k a = tg 2 (45 0 − ) = tg 2 (45 0 − ) = 0,68 2 2 ϕ: góc ma sát của bùn cát bão hòa nước γbc = γk - γn.(1-nb) = 1,15 – 1.(1 – 0,45) = 0,6 e) Trọng lượng bản thân: G = G1+G2= γb.(ω1 + ω2).1 (tính cho 1 m chiều dài đập) - ω1 =... (T) t t Vậy K > [K ] đập đảm bảo ổn định Kết quả: với nc = 1,0; m = 0,95; Kn = 1,1 Lực gây trượt: Ntt= 1761,834 (T) Lực chống trượt: R= 2743,22 (T) nc.Ntt ≤ m 0.95 × 2743,22 =2369,144 (T) R ⇔ 1 × 1761,834 =1761,834 ≤ kn 1.1 Kt = ∑ T ct 2743,22 = = 1,55 ∑ T gt 1761,834  SVTH : Phạm Văn Lạc 28 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II t Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện t Vậy K > [K ] đập đảm bảo ổn định... Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II t Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện t Vậy K > [K ] đập đảm bảo ổn định §6 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT THÂN ĐẬP Trường hợp tính toán: Tính cho mặt cắt đập không tràn (mặt cắt đã kiểm tra ổn định trên) Ta sử dung phương pháp phân tích trọng lực 1_ Chia lưới Chia mặt cắt đập ra các phần bởi một lưới vuông,kích thước mắt lưới là 10x11,2m và 5x11,2m riêng phần trên đỉnh có kích thước là 5x9,6m... : Phạm Văn Lạc 16 GVHD : Lê Văn Hợi Bài Tập Lớn Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện §4 TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐẬP TRÀN I- Tính toán khẩu diện tràn 1 Công thức chung Sử dung công thức chung của đập tràn: Qt = ε σ n m.∑ b 2 g H 0 3 2 Trong đó: ε - hệ số co hẹp bên σ n - hệ số ngập, trường hợp đập tràn chảy tự do thì σ n = 1 ; m - hệ số lưu lượng ∑ b - tổng chiều dài tràn nước H - cột nước trên đỉnh... pin và cầu giao thông Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua, nhưng để đi lại kiểm tra và khai thác công trình, vẫn phải làm cầu giao thông qua đập tràn, trường hợp bề rộng tràn lớn, cần phải làm các trụ pin để đở cầu Mặt trụ thượng hạ lưu cần đảm bảo điều kiện chảy bao hợp lý Cao trình đỉnh cầu giao thông chọn ngang cao trình đỉnh đập, bề rộng mặt cầu chọn bằng mặt đập - Chọn cao trình đỉnh... chống thấm cho thành phía trước của hành lang phụt vữa cần khống chế l1 ≥ H1 Jb Trong đó: H 1 - Cột nước lớn nhất tính đến đáy hành lang; J b - Gradient thấm cho phép của bê tông : J b = 20 III-Kiểm tra trị số của α 1 Trong thiết kế sơ bộ có thể áp dụng phương pháp của Pavơlốpxki, theo đó: α 1 = Với : P1 = γ n H = 1.65,5 = 65,5(T / m ) 2 2     x γ n H 1   P2 = arccos 1 +   − b  S   . Thuỷ Công II Khoa XD Thuỷ Lợi - Thuỷ Điện -Tính các đại lượng: 96 32 22 3600681,9 = ×× = V gt 1 32 22 650081,9 22 ' = × = V gD 28 7,1 22 5,63.81,9 22 == V gH . được: 26 ,3 81,9 22 .066,0 066,0 2 2 ===>= h V hg 85,7 81,9 22 .5,3 5,3 ===>= τ τ V g => 26 ,96 14,3 .2 85,7.81,9 2 22 === π τ λ g => 034,0 26 ,96 26 ,3 == λ h