Đồ án Thủy công - Đồ án số 2 Thiết kế đập đất

Theo chiều cao công trình và loại nền :  Xác định chiều cao của đập ta tính sơ bộ cao trình đỉnh đập : b.. Thiết bị chống thấm : - Theo tài liệu cho, đất đắp đập và đất nền có hệ số thấ

ĐỒ ÁN SỐ 2

THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT

PHẦN I : TÀI LIỆU CHO TRƯỚC

I Nhiệm vụ công trình :

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

1 Cấp nước tưới cho 1650 ha 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 ở dưới đập để lấy nước

III Tóm tắt một số tài liệu cơ bản :

1 Địa hình : Cho bình đồ vùng tuyến đập.

2 Địa chất : Cho mặt cắt địa chất dọc tuyết 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 xây dựng vị trí đập có các lọai bải vật liệu như sau :

- Bải vật liệu A có : trữ lượng 800.000 m3, cự ly 800 m

- Bải vật liệu B có : trữ lượng 600.000 m3, cự ly 600 m

- Bải vật liệu C có : trữ lượng 1.000.000 m3, cự ly 1 km

- Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nước tương đối mạnh, các chỉ tiêu như ở bảng1 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 tại vị trí cách sông 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo đắp đập,

lát mái Một số chỉ tiêu cơ lý :  = 300 ; 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

Bảng 1 : Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu đắp đập

Tựnhiên Bảohòa nhiênTự BảohòaĐất đắp đập

1

4 Đặc trưng của hồ chứa :

- Các mực nước trong hồ và mực nước hạ lưu cho ở bảng 3

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

- Vận tốc gió tính toán ứng với mức đảm bảo P% cho ở bảng dưới :

- Chiều dài truyền sóng ứng với MNDBT :D (bảng 3);ứng với MNDGC :D’ = D + 0,3km

- Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua

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

D(km)

MNC(m)

MNDBT(m)

Bình

KhiMNC(QTK)

KhiMNDBT

5 Tài liệu thiết kế cống :

- Lưu lượng lấy nước ứng với MNDBT và MNC (QTK) : cho ở bảng 3

- Mực nước khống chế đầu kênh tưới : bảng 3

- Tài liệu về kênh chính : hệ số mái m = 1,5; độ nhám n = 0,025 ;

độ dốc đáy : i = (35).10-4

PHẦN II : NỘI DUNG THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT

1 Thuyết minh :

- Phân tích chọn tuyến đập, hình thức đập

- Xác định các kích thước cơ bản của đập

- Tính toán thấm và ổn định

- Chọn cấu tạo chi tiết

2 Bản vẻ :

- Mặt bằng đập

- Mặt cắt dọc đập (hoặc chính diện hạ lưu )

- Mặt cắt ngang đại diện ở giữa lòng sông và thêm sông

- Các cấu tạo chi tiết

PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT

A NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG :

I Nhiệm vụ công trình :

- Cấp nước tưới cho 1650 ha ruộng đất canh tác

- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 hộ dân

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

II Chọn tuyến đập :

- Dựa vào bình đồ khu đầu mối đã cho, phân tích các điều kiện cụ thể ( địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng…) để chọn tuyến đập hợp lý

III Chọn loại đập :

- Căn cứ vào điều kiện địa hình địa chất và vật liệu xây dựng, phân tích để xác định loại đập Ơû đây ta chọn phương án là đập đất

IV Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế :

1 Cấp công trình : Được xác định từ 2 điều kiện sau :

a Theo chiều cao công trình và loại nền :

 Xác định chiều cao của đập ta tính sơ bộ cao trình đỉnh đập :

b Theo nhiệm vụ công trình và vai trò của công trình trong hệ thống :

 Công trình có nhiệm vụ là cung cấp nước sinh hoạt nhiều hơn là cho tười

 Tra bảng phụ luc (P2-1) với nhiệm vụ tưới là thứ yếu và mức tưới là 1650 ha

ta được  Cấp công trình của đập là : cấp III

3

 Vậy trong hai điều kiện chon trên ta chọn công trình có cấp lớn nhất Vậy cấp của

công trình là cấp III

2 Các chỉ tiêu thiết kế : Từ cấp công trình (cấp III) xác định được :

- Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất để tính ổn định, kết cấu công trình tra bảng phụ lục (P1-3) ta được : P% =1,0

- Ưùng với cấp công trình tra bảng phụ lục (P1-6) ta được hệ số tin cậy Kn = 1,15

- Tần suất gió lớn nhất và gió bình quân lớn nhất :

P% = 4 và Vmax = 28 (m/s)

- Các mức đảm bảo sóng tra bảng phụ lục (P2-1)

 Mức bảo đảm của mực nước tính toán %lớn nhất là 5% và thấp nhất là 100%

 Mức bảo đảm của vận tốc gió lớn nhất P% = 50 là V = 12 (m/s ) ( cấp III )

B XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA ĐẬP ĐẤT :

I Đỉnh đập :

1 Cao trình đỉnh đập : Xác định từ 2 mực nước : MNDBT và MNDGC.

Z1 = MNDBT +  h + hsl + a (2-1)Z2 = MNDGC +  h’ + h’sl + a’ (2-2) Trong đó :

 h và  h’ : độ dềnh do gió ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất

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

 a và a’ : độ vượt cao an toàn

 Cao trình đỉnh đập chọn theo trị số nào lớn nhất trong các kết quả tính theo (2-1) và (2-2)

a Xác định  h và h sl ứng với gió lớn nhất V :

- Xác định h theo công thức sau :

h = 2.10-6.V g2.H.D cosB = 2.10-6 2892,.812,2.28.103 = 0,013 (m)

Trong đó : V = 28 (m/s)

D = 2.2 km

g = 9,81 (m2/s)

H : chiều sâu nước trước đập :

H = MNDBT – cao trình mặt đất = 108 – 80 = 28 (m)

cosB = 0 : là góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió

- Xác định hsl :

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

hsl1% = k1.k2.k3.k4.hs1% (*)Trong đó : hs1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%;

- k1.k2.k3.k4 các hệ số hs1% xác định như sau ( theo QPTL C1-78)

- Giả thiết đây là trường hợp sóng nước sâu : ( H > 0,5. )

- Tính các đại lượng không thứ nguyên :

V

t g.

= 9,81.2821600 = 7567,7

10.2,2.81,

Tra đồ thị (P2-1) ứng với 2 đại lượng không thứ nguyên trên ta được các cặp giá trị sau

 Ưùng với g. V t = 7567,7 tra đồ thị ta được :

07 , 0

2

V g V h

= 27,53 tra đồ thị ta được :

009 , 0

2

V g V h

003 , 0

2

V g V h



) ( 0 , 3 81 , 9

28 05 , 1

05

,

1

) ( 72 , 0 81 , 9

28 009 , 0

009

,

s g

V

m g

s h

 = 1,15,512.10 3 = 0,001Tra bảng ta được : 





 9 , 0 1

2 1

K K

- Hệ số K3 được tra ở bảng (P2-4), phụ thuộc vào vận tốc gió và hệ số mái m

Ta chọn : m = 3 và với V = 28 (m/s) > 20 (m/s)  K3 = 1,5

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

% 1

% 1

h

m

 tra đồ thị được K4 = 1,4

- Thay tất cả vào (*) ta được : hsl1% = k1.k2.k3.k4.hs1% = 1.0,9.1,5.1,4.1,512 = 2,86 (m)

b Xác định  h’ và h’ sl ứng với gió lớn nhất V’ :

- Xác định  h’ theo công thức sau :

h’ = 2.10-6.V g2.H.D''.cosB = 2.10-6 1292,.812,5.31.103 = 0,0024 (m)

Trong đó :

5

g = 9,81 (m/s2)

D’ = D + 0,3km = 2,2 + 0,3 = 2,5 (km)

V = 12 (m/s) Ứng với MNDGC công trình cấp III

và P% = 50% tra bảng (P21)

H’ = MNDGC - Zmặt đất = (MNDBT + Hmax ) – Z mặt đất

= (108 + 3) – 80 = 31 ( m).

- Xác định h’sl :

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

h’sl1% = k1.k2.k3.k4.hs1% (*)Trong đó :

 hs1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%; k1.k2.k3.k4 – các hệ số hs1% xác địnhnhư sau ( theo QPTL C1-78)

- Giả thiết đây là trường hợp sóng nước sâu : ( H’ > 0,5. ')

- Tính các đại lượng không thứ nguyên :

'

.

V

t g

'

V

D g

12

10.5,2.81,9

=170,31Tra đồ thị (P2-1) ứng với 2 đại lượng không thứ nguyên trên ta được các cặp giá trị sau

= 17658tra đồ thị ta được :

09 , 0 '

'

2

V g V h

= 170,31tra đồ thị ta được :

024 , 0 '

'

2

V g V h

02 , 0 '

'

2

V g V h



) ( 3 , 2 81 , 9

12 85 , 1 ' 85

,

1

'

) ( 35 , 0 81

, 9

12 024 , 0 ' 024

,

0

s g

V

m g

'  2

V

D g

= 170,31

ta được K1% = 2,12

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

hinh 2-1 : sơ đồ minh họa xác định mái đập và cơ đập

h

 = 1,05,.74210 3 = 0,002Tra bảng ta được : 



 9 , 0 1

2 1

K K

- Hệ số K3 được tra ở bảng (P2-4), phụ thuộc vào vận tốc gió và hệ số mái m

Ta chọn : m = 3 và với V’ = 12 (m/s) < 20 (m/s)  K3 = 1,5

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

% 1

% 1

s

h m

 Tra đồ thị ta được K4 = 1,5Thay tất cả vào (*) ta được :

h’sl1% = k1.k2.k3.k4.hs1% = 1.0,9.1,5.1,5.0,742 = 1,51 (m)

 Đây là công trình cấp III có mức bảo đảm tính toán của chiều cao sóng 1% và độ bền các công trình là 5 Hệ số Ki để tính sóng leo có mức đảm bào 1% là :

c Tính độ vượt cao an toàn a và a’ :

- Tra theo bảng (2 – 1 ) sách GTTC tập I, ứng với công trình cấp III ta được :

) ( 5 , 0

m a

m a

Thay tất cả các giá trị trên vào hệ pt (2-1) và (2-2) ta được :

) ( 373 , 111 5 , 0 86 , 2 013 , 0 108

2 1

m a

h h MNDGC Z

m a

h h MNDBT Z

sl

s l

- Vậy chọn chiều cao đỉnh đập theo trị số lớn nhất trong hệ trên

Cao trình đỉnh đập là : Zđđ = 113 (m)

2 Bề rộng đỉnh đập B :

- Xác định theo yêu cầu giao thông, thi công và cấu tạo Khi không có yêu cầu giao thông, có thể chọn B = 5  6m

- Ơû đây ta chọn B = 6 m

II Xác định mái đập và cơ đập :

1 Mái đập :

- Sơ bộ định theo công thức kinh nghiệm, sau này trị số mái được chính xác hóa qua tính toán ổn định :

- Ta sơ bộ xác định hệ số mái như sau :

 Đối với mái thượng lưu : m1 = 0,05.H + 2,00 = 0,05.33 + 2 = 3,65

 Ta chọn lại chop phù hợp m1 = 4

Trong đó H : là Chiều cao của đập H = Zđđ - Zđáy = 113 – 80 = 33 (m)

 Đối với mái hạ lưu : m2 = 0,05.H + 1,50 = 0,05.33 + 1,5 = 3,15

' 1

' 1

m m

m2 = 3,15 ta chọn 





 5 , 3 15 , 3

' 2

' 2

m m

- 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

7

III Thiết bị chống thấm :

- Theo tài liệu cho, đất đắp đập và đất nền có hệ số thấm khá lớn nên cần phải có thiết

bị chống thấm cho thân đập và cho nền

- Theo bản đồ địa hình ta thấy tầng thấm rất dày (T = 19 m)

- Chọn thiết bị chống thấm cho đập và nền : ở đây ta chọn kiểu tường nghiêng + sân phủ để chống thấm cho đập

- Ta có sơ đồ hình vẻ thể hiện dưới đây :

- Vật liệu làm tường và sân phủ là đất sét theo tài liệu cho

Trong phần chọn sơ bộ kích thước ban đầu cần xác định :

a Chiều dày tường nghiêng :

- Trên đỉnh : thường 1 >= 0,8 m chọn 1 = 1 m

- Dưới đáy : thường 2 = 101 H = 101 (MNDGC - Zđáy) = 101 (111-80) = 3,1 m Chọn 2 = 4 m

b Cao trình đỉnh tường nghiêng :

- Ta chọn : Zđt = 113 m ( nhằm thõa mãn là không thấp hơn MNDGC ở thượng lưu )

c Chiều dày sân phủ :

- Ơû đầu : t1  0,5 m ta chọn t1 = 1 m

- Ơû cuối : t2 

10

1.H ta chọn t2 = 3,5 m

d Chiều dài sân phủ L S : 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 chọn LS = (3  5).H như sau:

- Chọn LS = 4.H trong đó H là cột nước lớn nhất ứng với MNDGC

H = MNDGC – Zđáy = 111 – 80 = 31 mVậy LS = 4.33 = 124 m

IV Thiết bị thoát nước thân đập :

1 Đoạn lòng sông : Hạ lưu có nước

- Khi chiều sâu nước hạ lưu không quá lớn, có thể chọn thoát nước kiểu lăng trụ Cao trình đỉnh lăng trụ chọn cao hơn mực nước hạ lưu lớn nhất, đảm bảo trong mọi trường hợp đường bảo hòa không chọc ra mái hạ lưu (để đạt được điều này, thường độ vượt cao của đỉnh lăng trụ so với mực nước hạ lưu max phải bằng 1 - 2 m) Bề rộng đỉnh lăng trụ thường  2m; mái trứơc và sau lăng trụ chọn theo mái tự nhiên của đống đá Mặt tiếp giáp của lăng trụ với đập và nền có tầng lọc ngược

- Khi mực nước hạ lưu thay đổi nhiều ( hmax  hmin ), có thể chọn thiết bị thoát nước kiểu lăng trụ kết hợp với áp mái: (cao trình đỉnh lăng trụ chọn cao hơn mực nước hạ lưu min, còn cao trình đỉnh áp mái chọn cao hơn điểm ra của đường bảo hòa ứng với trường hợp mực nước hạ lưu max)

2 Đoạn trên sườn đồi : 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

9

C TÍNH TOÁN THẤM QUA ĐẬP VÀ NỀN :

I Nhiệm vụ và các trường hợp tính toán :

1 Nhiệm vụ tính thấm :

- Xác định lưu lượng thấm

- Xác định đường bảo hòa trong đập

- Kiểm tra độ bền thấm của đập và nền

2 Các trường hợp tính toán : Trong thiết kế đập cần tính thấm với các trường hợp làm

việc khác nhau của đập :

- Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước max tương ứng

- Ơû 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

3 Các mặt cắt tính toán : Yêu cầu tính với 2 mẵt cắt đại biểu.

- Mặt cắt lòng sông ( chỗ tầng thấm dày nhất)

- Mặt cắt sườn đồi (đập trên nền không thấm)

II Tính thấm cho mặt cắt lòng sông :

- Theo tài liệu mặt cắt lòng sông, hạ lưu có nước, thiết bị thoát nước chọn loại lăng trụ

- Sữ dụng sơ đồ đập có tường nghiêng + sân phủ ( hình 2-2)

a Xác định lưu lượng thấm : Dùng phương pháp phân đoạn để tính Bỏ qua độ cao hút

nước a0 ở cuối dòng thấm, lưu lượng thấm q và độ sâu h3 sau tường nghiêng xác định từ

1 2 3 3

1 2 2

3 1 3 1

' 44 , 0

2

.

44 , 0

.

h m T h m L

T h h K

h m L h h K q

h m L T T h h K q

n d

S n

(*)

- Các thông số của đập :

 Chiều cao của đập :

hđ = 33 m

 Chiều rộng đỉnh đập :

Bđđập = 6 m ( chọn để thiết kế )

 Chiều cao mực nước phía thượng lưu đập :

- Đối với thoát nước kiểu lăng trụ :

 Theo hình vẻ ta có :

h

= h.m2 + '

1

m (h – h2) = 9.3,15 + 2.(9 – 5) = 36,4 m

- Vậy chiều dài tính toán L của đập là :

1 2 3 3

1 2 2

3 3 1

' 44 , 0

.

2

44 , 0

.

h m T h m L

T h h K

h m L h h K q

h m L T T h h K q

n d

S n

19 5

10 65 , 3 194 2 5

10

65 , 3 124 19 44 , 0

19 28 10

3 3 6

3 2 2 5

3 3 6

h h h

h q

h h q

19 , 2 97 , 8

3 5 3

m s m q

m h

0

b Phương trình đường điều hòa trong hệ tọa độ như trên hình (2 – 1) có dạng :

h m L

h h

3

1

2 2

2 3 2 3

h h

3

1

2 2

2 3





 Y2 = 8.972 - .X

97 , 8 65 , 3 194

5 97





= 80,5 – 0,34.X

c Kiểm tra độ bền thấm :

Với đập đất, độ thấm bình thường (xói ngầm cơ học, trôi đất) có thể đảm bảo được nhờbố trí tầng lọc ngược ở thiết bị thoát nước ( mặt tiếp giáp với thân đập và nền) Ngoài

ra cần kiểm tra độ bền thấm đặc biệt để ngăn ngừa sự cố trong trường hợp xảy ra hangthấm tập trung tại một điểm bất kỳ trong thân đập hay nền :

- Kiểm tra điều kiện với thân đập :

Jkđ   J k d

Trong đó :  J k d - là gradien cho phép của đất đắp đập được tra ở bảng (P3-3)

Ưùng với công trình cấp III và vật liệu là đất sét chặt ta được :  J k d = 1,80

Jkđ =

3 1

2 3

h m L

h h

- Kiểm tra điều kiện với nền đập :

Jkn  J kn

Trong đó : J kn - là gradien cho phép của đất đắp đập được tra ở bảng (P3-3)

Ưùng với công trình cấp III và vật liệu là đất sét ta được : J kn = 0,90

Jkn =

2 2

2 1

88,

0 T m h L

L

h h

III 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 :

- Theo phương pháp phân đoạn, lưu lượng thấm q và các độ sâu h3, a0 được xác định từ hệ phương trình sau đây :

.

2

sin 2

2 0

0 2 3

1

2 2

0

2 2

2 0

m a K

q

a m h

m L

a h

K q

Z h

h K q