Bài giảng công trình thủy chương 2 PGS nguyễn thống

Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY Chương 2 : Cơ sở thiết kế Công trình thủy CƠ SỞ TÍNH TOÁN 1.. Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY Chương 2 : Cơ sở thiết kế Công trình thủy TỔ HỢP TẢI TRỌNG

Trang 1

7/21/2014 1

Giảng viên: PGS TS NGUYỄN THỐNG

E-mail: nthong56@yahoo.fr

Web: www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/index

Tél (08) 38 691 592 - 098 99 66 719

NỘI DUNG MÔN HỌC Chương 1 Tổng quan về Tài nguyên nước VN

Chương 2 Cơ sở kỹ thuật thiết kế cơng trình

thủy lợi (CTTL)

Chương 3 Hồ chứa nước

Chương 4 Đập dâng nước Chương 5 Cơng trình tháo lũ Chương 6 Cơng trình dẫn nước

Chương 7 Máy thủy lực

Chương 8 Thủy điện

Chương 9 Trạm bơm

PGS Dr Nguyễn Thống

CƠ SỞ KỸ THUẬT THIẾT KẾ CTTL

Bốn giai đoạn thực hiện dự án:

1- Khảo sát

2- Thiết kế :

- Lập Báo cáo kỹ thuật (nghiên cứu Tiền khả

thi), Lập Dự án đầu tư (nghiên cứu Khả thi)

- Thiết kế kỹ thuật

- Thiết kế thi công

3- Thi công

4- Quản lý

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2 : Cơ sở thiết kế Công trình thủy

CƠ SỞ DỮ LIỆU THIẾT KẾ

1- Địa hình (tỷ lệ 1/50000, 1/10000,1/2000, 1/1000, 1/500)

2- Địa chất: Địa chất kiến tạo, điạ chất thủy văn, địa chất công trình, địa chất thổ nhưỡng

3 Khí tượng - Thủy văn

4 Môi trường

CƠ SỞ TÍNH TOÁN

1 Phân cấp CTTL (cấp I, II,III,IV,V)

- Công trình (CT) lâu dài

- CT tạm thời

- CT chủ yếu

- CT thứ yếu

ý nghĩa của phân cấp ???

2 NỘI DUNG TÍNH TOÁN

- Tính toán thủy văn;

- Tính toán thủy năng;

- Tính toán thủy lực;

- Tính toán lực tác dụng lên CTTL;

- Tính toán thấm;

Trang 2

7/21/2014 7

- Tính toán ổn định và biến dạng;

- Tính toán kết cấu;

- Tính toán và dự báo tác động môi trường;

- Tính toán kinh tế

TẢI TROïNG, LỰC

* Tải trọng và lực tác dụng thường xuyên : Bao gồm: Áp lực nước tỉnh, động, đẩy nổi, thấm, áp lực nước trong các lỗ rỗng ứng với MNDBT và thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường, áp lực đất có xét đến tải trọng trên mặt, ứng suất trước của kết cấu

* Tải trọng và lực tác dụng tạm thời dài hạn:

• (áp lực đất bổ sung do biến dạng nền, kết

cấu, nhiệt, áp lực bùn cát, từ biến, co ngót

kết cấu)

* Tải trọng và lực tác dụng tạm thời ngắn hạn:

• (Thiết bị nâng, tàu thuyền vật trôi va chạm,

sóng, gió, nước va)

* Tải trọng và lực tác dụng tạm thời đặc biệt:

• (Động đất, nổ mìn, gió khi bão, nước va khi

cắt tải hoàn toàn)

TỔ HỢP TẢI TRỌNG

1- Tổ hợp TT cơ bản = thường xuyên + tạm thời

dài hạn + tạm thời ngắn hạn

2- Tổ hợp TT đặc biệt = thường xuyên + một

trong số tạm thời đặc biệt

 Xét cả 2 tổ hợp và chọn trường hợp nguy hiểm

ÁP LỰC NƯỚC

Trang 3

7/21/2014 13

A

h A

F

M

N

pA=  ghA

A áp suất nước tác dụng tại A

pA áp suất nước tác dụng tại A

F lực tác dụng lên mặt MN

ÁP SUẤT NƯỚC TÁC DỤNG LÊN THÀNH PHẲNG

ÁP SUẤT: Biểu diễn bằng 1 vectơ:

• Phương : thẳng góc với mặt tác dụng

• Chiều : hướng vào mặt tác dụng

• Cường độ : (p tỷ lệ tuyến tính với chiều sâu) PGS Dr Nguyễn Thống

2

p   gh(N / m )

1 ÁP LỰC THỦY TỈNH:

Áp suất nước p tại độ sâu h so với mặt thoáng:

với =1000kg/m 3 : khối lượng riêng nước

Áp lực tương đương tác dụng lên mặt phẳng S:

p 0 : áp suất tại tâm mặt xét, S diện tích mặt xét

) / ( N m2 gh

p  

) N ( S p

A

B

C

A ’

H/2

p A

p o

A

p   gH

F

G

p0=  gH/2

F=p0S=p0bH=  gbH2/2

• Tính và vẽ áp lực tương đương F

A

B

H

C

hC

pC

C

p  

gH

pA  

0



B

p



(vì h B =0)

G

F 2H/3





sin

H b 2

H g ) L b (

2

H g

A’

Trang 4

7/21/2014 19

1 H

1 Hệ sớ giảm áp

Màng chớng thấm

Bài tập:

Cho một đập bê tông có kích thước như hình vẽ Xác định áp lực nước tác dụng lên công trình (tính cho b=1m chiều rộng):

- Thủy tỉnh

- Đẩy nổi

- Thấm (hệ số giảm áp lực 1=1)

- Bùn cát với dung trọng đẩy nổi đn=0.7 t/m3 và góc nội ma sát  =200.

!!! Đẩy nổi+Thấm  Áp lực ngược

MNDBT=55m

MNHL=20m C/t m/đ=15m

a=5m b=25m

A

Bùn cát, +30m

ÁP LỰC THỦY ĐỘNG

Khi nước đến gần một vật cản cố định, ngoài áp lực thủy tỉnh còn có thêm một tác dụng lực bổ sung

 áp lực thủy động P

với V vận tốc trung bình,  góc giữa hướng dòng chảy và mặt tác dụng, A diện tích, k v hệ số chảy vòng lấy như sau:

) N ( ) cos 1 ( A V k

ÁP LỰC THỦY ĐỘNG

k v =1

k v =0.7

k v =0.4



Bài tập:

Xác định áp lực thủy động tác dụng lên trụ pin có dạng lượn tròn Diện tích A=80m2, vận tốc trung bình dòng chảy là 4m/s, góc đến  =750

Trang 5

7/21/2014 25

PGS Dr Nguyễn Thống PGS Dr Nguyễn Thống 7/21/2014 26

λs Trục sóng

Mực nước hồ tỉnh

h' s

hs

Vận tốc gió:

 vận tốc gió thực đo ở cao độ Z, 10 tốc độ gió ở cao

độ 10m so với mặt hồ

k ω hệ số quy đổi khi Z khác cao độ 10 m so với mặt

hồ

) / (

Chiều cao

thực đo (m) 2 6.5 8 10 12 17 20

k 1.25 1.05 1.03 1 98 94 89

Tần suất phụ thuộc cấp công trình:

Cấp CT Tần suất gió p%

ĐÀ GIÓ (D): Phụ thuộc hình dạng hồ

XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ SÓNG

Trang 6

7/21/2014 31

H=s /2 H pg

Khu sâu Khu cạn

Khu xô va

Khu tiếp bờ

Đáy

CÁC KHU NƯỚC TRONG VÙNG GÂY RA SÓNG

XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ SÓNG

- Khu nước sâu : H > λ s /2 đáy không ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước sóng

- Khu nước cạn : H pg < H < λ s /2 đáy có ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước sóng

với m=ctg(α) mái dốc bờ

2 s

s

1 m

Công thức thực nghiệm tính thông số sóng:

Andreanov :

Đà gió D tính bằng km

h  0, 0208  D

1/ 2

Lapzovski - Khu nước sâu:

với  chỉ độ dốc sóng:

D

0, 073





10

0,4D

s



 

10

0s

14 0s

9 19e





Lapzovski - Khu nước cạn:

s 0 2 s s 0 1

H/s 0.01 0.1 0.2 0.4 0.6 1

k 1 119 435 652 823 904 1

k 2 251 564 703 832 904 1

Trang 7

7/21/2014 37

BIỂU ĐỒ TÍNH ÁP LỰC SÓNG

h s +h ' s

3h s

P 3h

H

P 0

P H

3h s

B

A

E

Độ dâng cao trục sóng so với mực nước tỉnh:

'

P   (h  h ) s

H

s

h P

2 H





2

s



CÔNG THỨC GẦN ĐÚNG TÍNH ÁP LỰC

TƯƠNG ĐƯƠNG P

2

H 2

) p H )(

h h H

(

P

2 n H s

s n

) x ( sh

) x ( ch ) x ( cth

; ) x ( ch

) x ( sh ) x ( th

2

e e ) x ( sh

; 2

e e ) x ( ch

x x x

x









Trường hợp mặt nghiêng

hs

p' 3h

β

'

45



Bài tập: Cho biết vận tốc gió tại cao độ

10m so với mặt hồ là 20m/s Đà gió hồ là

D=2 km Kích thước và mực nước hồ

như hình vẽ sau

- Tính áp lực sóng (Andreanov) tác dụng

lên mặt đập bê tông thẳng đứng

- Giả thiết bây giờ mặt đập nghiêng 600 so

với phương ngang Tính áp lực sóng

tương ứng

H=15m

Trang 8

7/21/2014 43

TÍNH TOÁN THẤM

GIỚI THIỆU

- Thấm là sự chuyển động của chất lỏng trong môi trường có các lỗ hoặc khe rỗng (đất, đá, bê tông,…)

- Khi có công trình (cống, đập,…)  tạo nên chênh lệch cột nước thượng và hạ lưu công trình  xuất hiện dòng thấm trong môi trường rỗng

PGS Dr Nguyễn Thống THẤM CÓ ÁP DƯỚI CÔNG TRÌNH

THẤM CÓ ÁP DƯỚI CÔNG TRÌNH

THẤM VÒNG QUANH CÔNG TRÌNH

(Nhìn từ trên xuống)

Đường bão hòa

THẤM KHÔNG ÁP QUA CÔNG TRÌNH

Vùng không có nước Vùng bão

hòa nước

Trang 9

7/21/2014 49

TÁC HẠI DO THẤM GÂY RA

LƯỚI THẤM

Đường dòng Đường thế

Trang 10

7/21/2014 55

MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Trọng lượng riêng:

Trọng lượng riêng ướt:

Trọng lượng

Thể tích

V k

V n

V h

V r

W h

W n

W k

Hạt Nước Khí

) m / kN ( V





) m / kN ( V W





Trọng lượng riêng bão hòa:

Với Wn’ trọng lượng nước chiếm đầy Vr

Trọng lượng riêng đẩy nổi:

Chứng minh:

) m / kN ( V

W

bh









) m / kN ( V

V

dn









1

bh

dn   



Độ ẩm của đất: Tỷ lệ giữa nước trong đất và trọng lượng hạt

Độ bão hoà của đất :

G<0,5 đất hơi ẩm 0,5<G<0,8: đất ẩm G>0,8 đất bão hoà

% W

W 100

%

h n





r

n

V

Độ rỗng: Tỷ lệ giữa thể tích lỗ rỗng và tổng thể

tích mẫu

Hệ số rỗng :

% V

V 100

%

n  r

h

r

V





2 Phương trình cơ bản của dòng thấm Trong lý thuyết thấm, vận tốc thấm V là giả định và xem dòng thấm đi qua cả môi trường thấm (V=Q/  )

V: vận tốc thấm trung bình

Q: lưu lượng thấm

 : diện tích mặt cắt thấm thẳng góc với dòng thấm

Thực tế, dòng thấm đi qua các khe và lỗ rỗng có vận tốc thực Vi >V

Trang 11

7/21/2014 61

MÔ HÌNH HOÁ TRONG NGHIÊN CƯÚ THẤM QUA

MÔI TRƯỜNG RỖNG

ui

THỰC, ui

U

MÔ PHỎNG dùng U

V u với i = U/n n=Vr/V

U=Q/ 

 diện tích thấm



Q



HỆ SỐ THẤM k

Loại đất X

PGS Dr Nguyễn Thống Aùp suất 0

K = hằng số

Aùp suất

Phương trình vi phân hiện tượng thấm phẳng –

Công thức Darcy V= - kJ:

U x , U y : hình chiếu vận tốc thấm V xuống x, y

k x , k y : hệ số thấm theo phương x, y

H =H(x,y)=y+p/ : cột nước tác dụng dòng thấm

p(x,y): áp suất

y: thế năng

y

H k ) y , x ( f U

x

H k ) y , x ( f U

y 2

y

x 1

x













Trang 12

7/21/2014 67

Xét phương trình liên tục cho khối vi phân:

X

Y

U x

dx x

U

x 





dx

dy

U y

dy y

U





0 dxdz ) dy y

U ( dydz

)

dx

x

U







Z

dz

Phối hợp với hệ phương trình (1):

Đây là phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm phẳng ổn định

0 ) y

H k ( y

) x

H k (







Xét trường hợp môi trường đồng chất :

kx=k1 : hằng số

ky =k2: hằng số

0 y

H k

x

H

2

2 2

2







(3)

Xét trường hợp môi trường đồng chất và đẳng hướng :

kx=ky=k=hằng số

Phương trình (4) trên gọi là phương trình Laplace

0 y

H x

H

2









Xét trường hợp môi trường đồng chất và

đẳng hướng

Gọi    kH hàm thế

y U

; x

















0 y

2 2

2



















const ) y , x ( 

  Đường đẳng thế

Xét trường hợp môi trường đồng chất và

đẳng hướng

Gọi  hàm dòng với:

x U

; y



















0 y

2 2

2



















const )

y , x

Trang 13

7/21/2014 73

Họ đường:

Tạo thành lưới thấm

const )

y , x



const )

y , x



Xét giữa 2 đường đẳng thế h 1 và h 2 ta có:

h 1

h 2

ds 1

ds 2

1

2

k 1

k 2

2 2 2 2 1 1 1

tg ds

dh k

ds tg ds

dh k







2 1

2

1

tg

tg k

k



 J1

THẤM KHÔNG ÁP QUA

MÔI TRƯỜNG XỐP

Công thức J Dupuit

x

y

X

H1

H2 H

L

k(m/s)

V

O

h

Công thức Darcy:

k : hệ số thấm (m/s)

J : độ dốc thủy lực

dh : tổn thất năng lượng (mH2O)

dx : vi phân đường đi dòng thấm

(2)

) s / m ( dx

dh k kJ

Xét dòng thấm đi qua mặt phẳng cách O giá trị x Lưu lượng thấm qua 1 đơn vị chiều rộng:

hdh dx

k q

) s / m )(

1 h ( dx

dh k V















Trang 14

7/21/2014 79

Tích phân phương trình với điều kiện biên tại

x=0, h=H1 và x=L, h=H2:

Phương trình cho phép xác định l/lượng thấm

q khi biết các tham số còn lại

) m / s / m ( L 2

H H k

2 2

2



Tích phân phương trình (1) với điều kiện biên tại (x=0, h=H1 và x có cột nước h )  Phương trình xác định đường bão hòa

 Phương trình parabole nằm ngang.

(2)

x k

q 2 H h x

2

h H k

2 2



x

y

X

H1

H2 H

L

k(m/s)

V

O

h

Đường bão hòa cĩ p/t như trước

Tổng lưu lượng thấm qua công trình

l i





i i

i l q Q

i

q

Bài tập : Cho mợt khới đất hình chữ nhật cĩ

L=100m và H=10m Đất cĩ hệ sớ thấm

k=10-6cm/s Nước phía trước và sau khới

chử nhật cĩ chiều sâu lần lượt là 9m và

4m

a Tính lưu lượng thấm đơn vị q

b Xác định phương trình đường bão hòa

c Xác định vị trí đường bão hòa ở vị trí

x=50m Lấy x=0 tại mặt đứng chữ nhật

phía trước g=10m/s2

THẤM DƯỚI CÔNG TRÌNH

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	0,93 MB