thiết kế sơ bộ đập đất và cống ngầm

 Từ các căn cứ điều kiện địa hình, địa chất, điều kiện vật liệu xây dựng ta thấy việc chọn phương án xây dựng đập đất có các ưu điểm sau đây : Tận dụng được vật liệu địa phương, giá thà

mục lục

Chương 1: Tài liệu thiết kế 3

1.1 Tài liệu cho trước : 3

1.1.1 Nhiệm vụ công trình : 3

1.1.2 Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối 3

1.1.3 Tóm tắt một số tài liệu cơ bản 3

1.2 Nội dung thiết kế 4

1.2.1 Đập đất 4

1.2.2 Cống ngầm 5

Chương 2: thiết kế đập đất 5

2.1 Những vấn đề chung 5

2.1.1 Nhiệm vụ công trình : 5

2.1.2 Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối 5

2.1.3 Chọn tuyến đập 5

2.1.4 Chọn loại đập 5

2.1.5 Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế : 6

2.2 Các kích thước cơ bản của đập đất 7

2.2.1 Tính toán xác định cao trình đỉnh đập 7

2.2.2 Bề rộng đỉnh đập : 10

2.2.3 Mái đập và cơ đập 10

2.2.4 Thiết bị chống thấm : 11

2.2.5 Thiết bị thoát nước thân đập : 11

2.3 Tính toán thấm qua đập và nền 12

2.3.1 Nhiệm vụ và các trường hợp tính toán : 12

2.3.2 Tính thấm cho mặt cắt lòng sông 12

2.3.3 Tính thấm cho mặt cắt sườn đồi 15

2.4 Tính toán ổn định mái đập 17

2.4.1 Trường hợp tính toán : 17

2.4.2 Tài liệu tính toán 17

2.4.3 Phương pháp tính toán 18

2.4.4 Đánh giá sự hợp lý của mái 20

2.5 Cấu tạo chi tiết 20

2.5.1 Đỉnh đập 20

2.5.2 Bảo vệ mái đập 20

2.5.3 Nối tiếp đập với nền và bờ : 21

Chương 3: thiết kế cống ngầm 21

3.1 Những vấn đề chung 21

3.1.1 Nhiệm vụ cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế 21

3.1.2 Chọn tuyến và hình thức cống 22

3.2 Thiết kế kênh hạ lưu cống 22

3.2.1 Thiết kế mặt cắt kênh 22

3.3 Tính khẩu diện cống 25

3.3.1 Trường hợp tính toán : Cống ngầm được phân làm 2 đoạn : 25

3.3.2 Tính bề rộng cống bc 25

3.3.3 Tính chiều cao cống và cao trình đặt cống 28

3.4 Kiểm tra trạng thái chảy và tính toán tiêu năng 29

3.4.1 Trường hợp tính toán 29

3.4.3 Kiểm tra dòng chảy trong cống : 30

3.4.4 Tính toán tiêu năng 32

3.5 Chọn cấu tạo cống 33

3.5.1 Cửa vào, cửa ra 33

3.5.2 Thân cống 33

3.5.3 Tháp van 33

3.6 Tính toán kết cấu cống 34

3.6.1 Mục đích tính toán 34

3.6.2 Trường hợp tính toán : 34

3.6.3 Xác định ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống : Tính cho 1m dài 34

o0o

Chương 1: Tài liệu thiết kế

1.1.1 Nhiệm vụ công trình :

Hồ chứa 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 1.1.2 Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối

1) Một đập chính ngăn sông

2) Một đường tràn tháo lũ sang lưu vực khác

3) Một cống đặt dưới đập để lấy nước tưới

1.1.3 Tóm tắt một số tài liệu cơ bản

1.1.3.1 Địa hình : Cho bình đồ vùng tuyến đập

1.1.3.2 Địa chất : Cho mặt cắt địa chất dọc tuyến đập Chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tích

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

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

đập, lát mái.Một số chỉ tiêu cơ lý : =320 ; n=0.35 ; k=2.5T/m3.(của hòn đá)

 Cát sỏi : Khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3 km, trữ lượng đủ làm tầng lọc Cấp phối như bảng 2

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

Chỉ tiêu

Loại

Hệ số rỗng

n

Độ ẩm W(%)

(T/m3)

K (m/s)

ẩm bão hoà ẩm bão hoà

Bảng 1 - 2 : Cấp phối của các vật liệu đắp đập d(mm)

MNDBT (m)

Bình thường

Max Khi MNC

(Qtk)

Khi MNDBT

Đầu kênh

 Đỉnh đập không có đường giao thông chạy qua

1.1.3.5 Tài liệu thiết kế cống

 Lưu lượng lấy nước ứng với MNDBT và MNC (QTK) : bảng 3

 Mực nước khống chế đầu kênh cấp dưới : bảng 3

1.2.1.2 Bản vẽ

 Mặt bằng đập

 Cắt dọc đập (hoặc chính diện hạ lưu)

 Các mặt cắt ngang đại biểu ở giữa lòng sông và bên thềm sông

 Các cấu tạo chi tiết

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

 Cấp nước tưới cho 1650 ha ruộng đất canh tác

 Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

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

2.1.2 Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối

2.1.4 Chọn loại đập

 Căn cứ vào điều kiện địa hình : Theo bình đồ vùng tuyến (sơ đồ A) đập chính : mặt

đất ở thượng lưu - hạ lưu có độ dốc đều thay đổi từ 5m 50m vùng thấp nhất 5m , tuyến được nối bởi 2 ngọn đồi có 50m Tuyến đã được chọn ở vị trí có hình thế hẹp

 Căn cứ vào điều kiện địa chất : Tuyến công trình nằm trên tầng đá gốc rắn chắc mức

độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hoá dày 0.5 - 1m

 Căn cứ vào điều kiện vật liệu xây dựng :

 Đất : Xung quanh vị trí đập có các bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000m3, Cự

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

 Từ các căn cứ điều kiện địa hình, địa chất, điều kiện vật liệu xây dựng ta thấy việc chọn phương án xây dựng đập đất có các ưu điểm sau đây :

Tận dụng được vật liệu địa phương, giá thành công trình rẻ hơn là xây dựng đập

bê tông trọng lực Đập đất có cấu tạo đơn giản, bền, chống chấn động tốt, dễ quản lý, tôn cao, đắp dày thêm, có thể đắp đập trên mọi loại nền Điều kiện thi công rộng mở hơn so với đập bê tông Từ các phân tích trên đây ta chọn phương

án : Đập đất

2.1.5 Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế :

2.1.5.1 Cấp công trình :Xác định theo TCXDVN 285-2002 theo 2 điều kiện sau :

 Cấp thiết kế của công trình theo năng lực phục vụ Tức là theo nhiệm vụ công trình và vai trò công trình trong hệ thống Tra bảng 2.1 Trang 3 TCXDVN 285 - 2002 Hồ chứa nước H có nhiệm vụ tưới cho 1650ha ruộng đất canh tác Như vậy công trình H trên sông S thuộc công trình cấp V.(< 2  0.2 x 103ha)

 Cấp thiết kế của công trình theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục công trình thuỷ (Loại công trình thuỷ, loại đất nền) Tra bảng 2.2 Trang 5 TCXDVN 285-2002 : Xác

định chiều cao đập như sau :

Hđập= Đỉnh đập - Đáy suối (2.1-1) Trong đó :

Như vậy ta có Đáy suối = -3.00m

Thay số vào (2.1-1) ta được : Hđập= 36.2 - (-3) = 39.2 m

Đập vật liệu bằng đất, nền là đá thuộc nhóm A : Tra bảng được cấp công trình là cấp III Như vậy cấp công trình là cấp III

2.1.5.2 Các chỉ tiêu thiết kế : Từ cấp công trình là cấp III

 Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất : P = 1% (Theo bảng P1-3 “Đồ án môn học Thuỷ Công” Trang 133)

 Hệ số tin cậy : Kn=1.15 (Theo bảng P1-6 “ĐAMH Thuỷ Công” Trang 134)

 Tần suất lưu lượng, mực nước đảm bảo tưới P = 75%

 Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất dẫn dòng thi công : P = 10%

 Tần suất gió lớn nhất P = 4% ứng với MNDBT tốc độ gió tính toán được tính theo tần suất

 Đập cấp III tần suất gió tính toán P = 4% theo hướng gió bất lợi nhất mà thuỷ văn cung

cấp Trong đồ án này theo tài liệu thuỷ văn lấy V = 28m/s

 ứng với MNDGC tốc độ gió tính toán lấy bằng tốc độ gió bình quân lớn nhất nhiều

năm không kể hướng Trong đồ án này lấy V = 12m/s ứng với tần suất P = 50%

 Độ vượt cao an toàn của đỉnh đập trên đỉnh sóng (Theo QPVN 11-77 Trang18 bảng 3.2)

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

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

 a, a’: Độ vượt cao an toàn

D V

  2 10 cos 

2

' 2 ' 6 '

gH

D V

Trong đó :

 V : Vận tốc gió tính toán lớn nhất V = 32 (m/s)

 V’ : Vận tốc gió bình quân lớn nhất V’= 12 (m/s)

3000 32

10 2

3300 12

10 2 '

2 6

3) Xác định chiều cao sóng leo h sl

Theo QPTL C1-78, chiều cao sóng leo được tính toán ứng với mức bảo đảm P = 1%

 Giả thiết sóng tạo dòng vùng nước sâu : H > 0.5

 Lúc đó chiều cao sóng leo được xác định theo công thức :

gt

' V

' gD

Trong đó : t là thời gian gió thổi liên tục, với hồ chứa lấy t = 6h = 21.600 s

32

21600 81

9

9





V gt

32

3000 81 9 2

'

2

V gD

24 0 32

2 25 81 9 2

2 2

V gH

01 0 32 h 01 0

026 0 12 ' 026 0 '

10 1 32 10

98 1 12 ' 98 1

59 3 81 9 2

2 2

42 2 81 9 2

' '

2 2

h K

 h’S1% = h’i = KI.h's = 2.08  0.38 = 0.79 (m)

 K1, K2 (tra bảng 6trang 14 QPTL C1-78) phụ thuộc vào lớp gia cố mái và độ nhám tương đối trên mái Độ nhám mặt bằng đá lát  = 0.02

 Với MNDBT: 0 01 k 0 95 ; k 0 85

16 2

02 0

02 0

9 16 2

11 20

16 9 '

'

4

% 1



Thay các giá trị trên vào (2-6) :

hsl1% = 0.95 x 0.85 x 1.5 x 1.12 x 2.16 = 2.93 (m) h'sl1% = 0.90 x 0.80 x 1.5 x 1.4 x 0.79 = 1.2 (m) Kết quả tính toán cao trình đỉnh đập

Mái đập phải được ổn định trong mọi điều kiện làm việc của đập

Độ xoải của mái đập phải được qui định tuỳ thuộc chất đất thân đập và mức độ

đầm nén đất, chiều cao đập, tính chất đất nền, điều kiện nước thấm, ngoại lực tác dụng lên mái, điều kiện xây dựng và quản lý khai thác công trình

Sơ bộ mái đập được định theo công thức kinh nghiệm, sau đó trị số mái được chính xác hoá qua tính toán ổn định

 Cao trình đỉnh tường lõi : Chọn đỉnh tường= 33.20 m

 Trên đỉnh :   0.8m Để đảm bảo điều kiện chống thấm và thi công cơ giới dễ dàng nên chọn 1 = 3 m

 Dưới đáy: 2 ≥ 33 2 3 32

10

1 10

 Mái lăng trụ : Mái thượng lưu : m = 1.5

Mái hạ lưu : m = 2.0

 Mặt tiếp giáp của lăng trụ với đập và nền có bố trí tầng lọc ngược

2.2.5.2 Đoạn trên sườn đồi :

ứng với trường hợp hạ lưu không có nước, sơ đồ đơn giản nhất có thể chọn là thoát nước kiểu áp mái

2.3.1 Nhiệm vụ và các trường hợp tính toán :

2.3.1.1 Nhiệm vụ tính toán :

 Xác định lưu lượng thấm

 Xác định đường bão hoà trong đập

 Kiểm tra độ bền thấm

2.3.1.2 Các trường hợp tính toán

Trong thiết kế đập đất cần tính thấm với các trường hợp khác nhau của đập :

 Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước min tương ứng, thiết bị chống thấm, thoát nước làn việc bình thường

 Thượng lưu là MNDGC hạ lưu là mực 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

Trong đồ án này chỉ tính với thấm với một trường hợp (Trường hợp thứ nhất)

2.3.1.3 Các mặt cắt tính toán : Tính toán thấm với hai mặt cắt đại biểu

 Mặt cắt lòng sông (Chỗ tầng thấm dày nhất)

 Mặt cắt sườn đồi.(Đập trên nền không thấm, hạ lưu không có nước)

2.3.2.1 Lưu lượng thấm :

Dùng phương pháp phân đoạn để tính.Trong đó ao tính theo các công thức tuỳ

thuộc vào hình thức thoát nước ở hạ lưu Đối với trường hợp này thì lưu lượng

thấm không lớn lắm nên ao rất bé và có thể bỏ qua Lưu lượng thấm qvà các độ

sâu h3, h4 trước và sau tường lõi xác định từ hệ phương trình :

m L

T h h K

L

h h K

q

T h T h K

q

T h

m L

T h h K

L L

h h K

q

n d

n d

44 0

) (

2

2

) ( ) (

44 0

) (

) (

2

2 1 2

2 4 2

2 2 2 4

2 4 2 3 0

1 1

3 1 1

2 3 2 1

Trong đó :

 q : là lưu lượng thấm (m3/s.m)

 Kđ : Hệ số thấm cử đất đắp đập Kđ = 10-5(m/s)

 Kn : Hệ số thấm của đất nền Kn = 10-6(m/s)

 K0 : Hệ số thấm của tường lõi(đất sét) K0 = 4 x 10-9(m/s)

 h1 : Độ sâu mực nước trước đập h1= MNDBT - Đáy sông = 30.2 – 0 = 30.2 (m)

 h2 : Độ sâu mực nước hạ lưu đập h2= MNHL - Đáy sông = 7.2 – 0 = 7.2 (m)

 h3 : Độ sâu mực nước trước tường lõi (chưa biết)

 h4 : Độ sâu mực nước sau tường lõi (chưa biết)

 T : Chiều dày tầng thấm T = 4.5 m

  : Chều dày trung bình của tường lõi (m)

Xác định chiều dày trung bình của tương lõi :Theo kết quả lựa chọn ở trên ta có :

2 2

3 4 2

 m : Hệ số mái đập trung bình ở thượng lưu : m =3.75

 m1 : Hệ số mái đập trung bình ở hạ lưu : m = 3.5

 L1 : Khoảng cách từ giao điểm MNDBT với mái đập thượng lưu đến giao điểm của

ĐBH với phía trước tường lõi (sau khi đã qui đổi )

75 18 2

5 3 5 ) 2 30 35 ( 75 3 2 ) (

MNDBT Z

5 3 - 5 ) 15 - 35 ( 5 3 2

)

-∇ -

∇ ( 1

m

 L : là chiều dài qui đổi xem mái đập TL từ mái nghiêng thành mái thẳng đứng

1 16 1 75 3 2

2 30 75 3 1 2

5 4 ) 2 7 ( 10

75 70 2

2 7 10

5 3 2

) 5 4 ( ) 5 4 ( 10 4

5 4 44 0 2 30 75 3 75 18

5 4 ) 2 30 ( 10

) 1 16 75 18 ( 2

2 30 10

4 6

2 2 4 5

-2 4

2 3

9

3 6

2 3 2 5

h h

q

h h

q

h h

2.3.2.2 Đường bão hoà :

 Đoạn trước tường lõi h3 = 30.13 (m) gần bằng MNDBT do vậy ĐBH gần như là đường thẳng

 Đoạn sau tường lõi, với hệ trục toạ độ như hình vẽ, phương trình đường bão hoà có dạng:

X X

L

h h

Y     0 0039 

75 70

) 2 7 - 34 7 ( )

2

2 2 4 2

(m)

2.3.2.3 Kiểm tra độ bền thấm :

Với đập đất để đảm bảo được xói mòn cơ học, trôi đất nhờ bố trí tầng lọc ngược

ở thiết bị thoát nước ngoài ra cần kiểm tra độ bền thấm để ngăn ngừa trường hợp hang thấm tập trung tại một điểm bất kỳ trong thân đập hoặc nền

13 30 2

J k d

So sánh J k d  0 37  103  J k d  0 45(Theo 14TCN 157-2005)

5 3

73 7 - 13 30

2 7 - 73 7 -

J k d

So sánh J k d  0 75  103  J k d  0 45(Theo 14TCN 157-2005)

13 30 2 30 88

0

h h

J k n

5 3 45 0 88 0

73 7 - 13 30 88

0

2 7 - 73 7 88

0

h h

J k n

So sánh ta thấy  0 3  10 - 3 ; n  0 71  10 - 3  k n  0 28

k n

Theo bảng P3-2 (theo CIII-12-67) với công trình cấp III, nền bồi tích thềm sông Vậy mặt cắt lòng sông đảm bảo không bị xói ngầm Trong thân và nền đập

2.3.3 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 Chọn mặt cắt tính toán là mặt cắt ở cao trình 20 Các kích thước như hình vẽ : (Hình : 2.3-3)

2.3.3.1 Lưu lượng thấm : Giải bằng phương pháp biến đổi đồng chất, theo các

3 10 4

10

5 -

1 - 2

-a m

K L L

a h K

q

d d



(2.3-3)

5 0 m

a K

q

1

0 d

2 10 75 3 1 m 2

h m

-5 -

2 0 2 5

-75 3 5 3 1 - 10 4

10 5

75 5 4 2

2 10 10

-a

a

5 0 5

.

3

a 10

5 +

2.3.3.2 Đường bão hoà :

Trong đập biến đổi và chọn hệ toạ độ như hình vẽ thì phương trình đường bão hoà có dạng :

X 10

10 013 0 2 2 10 X k

q h

6 2

8750 - 5 8751 ) 2 30 - 35 ( 75 3 5 4 2

' ) -

-∇ (

3  Lm MNDBT  B      

Tính hoành độ của h4 :

25 8773 8750

25 23 3

4  h     

 Tính h3, h4, theo công thức (2.3-5) ta được : h3 = 10.19 m ; h4 = 1.71 m

2.3.3.3 Kiểm tra độ bền thấm :

Vì vùng thân đập ở phía trước tường lõi đường bão hòa gần như nằm ngang (h3

h1) nên gradien thấm j  0

Ta chỉ cần kiểm tra độ bền thấm của tường lõi và vùng thân đập sau tường lõi

 Đoạn tường lõi : 2 42

5 3

71 1 - 19 10

0.023 - 1.71 -

J k d

So sánh J k d  0 032  J k d  0 45(Theo 14TCN 157-2005)

Kết luận : Với kích thước mặt cắt đã chọn đập tường lõi chân răng đảm bảo về

điều kiện thấm

2.4.1 Trường hợp tính toán :

Theo điều 4.9 QPVN-11-77 : Khi tính toán mái đập nên nghiên cứu các trường hợp sau đây:

2.4.1.1 Đối với mái hạ lưu :

a) Trường hợp tính toán thứ nhất (tổ hợp chủ yếu)

Thượng lưu MNDBT, bộ phận tiêu nước làm việc bình thường, ở thân công trình

có dòng thấm ổn định, ở hạ lưu chiều sâu nước lấy trị số lớn nhất có thể xảy ra nhưng không lấy lớn hơn 0.2H

b) Trường hợp tính toán thứ hai (tổ hợp đặc biệt)

Thượng lưu MNDGC, bộ phận tiêu nước bị phá hoại không còn làm việc bình thường Các điều kiện khác như trường hợp a

2.4.1.2 Đối với mái thượng lưu :

2.4.2 Tài liệu tính toán

2.4.2.1 Tài liệu địa chất

Dựa vào tài liệu địa chất trong đầu bài chỉ tiêu cơ lý đất nền và vật liệu đắp đập (bảng 1.1-1) ta tính thêm một số chỉ tiêu cơ lý tính đổi như bảng sau

No Loại đất

Độ

ẩm W%

k tn bh đn tn

tgtn

bh

tgbh(T/m3) (T/m3) (T/m3) (T/m3) (Độ) (Độ)

2.4.2.2 Tài liệu thấm :

Từ kết quả tính thấm ở phần 2.3 cho mặt cắt lòng sông và vẽ được đường bão hoà trong thân đập như hình 2.3-1

2.4.3 Phương pháp tính toán

Tính toán ổn định mái đập đất theo phương pháp cung trượt

Nội dung phương pháp : Mặt trượt của mái đập đất là mặt cong Để đơn giản tính toán ta xem nó là một phần của mặt trụ tròn và giải theo bài toán phẳng tức

là xét môt đoạn đập có chiều dài 1m Đất ở trên và dưới đường bão hoà có các chỉ tiêu cơ lý khác nhau

Giả thiết một cung trượt bất kỳ tâm O bán kính R Nguyên tắc để đảm bảo ổn

định mái đập là thoả mãn bất đẳng thức sau đây :

 K M

M K

 Mc : Tổng các mô men chống trượt đối với tâm O

 Mt : Tổng các mô men gây trượt đối với tâm O

 [K] : Hệ số an toàn phụ thuộc vào cấp công trình lấy theo qui phạm

2.4.3.2 Tìm vùng có tâm trượt nguy hiểm :

Trong thiết kế cần xác định cung trượt nguy hiểm nhất (tức là hệ số an toàn nhỏ nhất) Kmin min Tìm Kmin min bằng cách kết hợp cả hai phương pháp Filennít và Fanđêép để tìm vùng chứa tâm trượt nguy hiểm nhất

Nội dung phương pháp như sau :

 Từ đáy hạ lưu đập dựng một đường thẳng có độ sâu H = Hđập = 30m Từ điểm đó dựng

đường nằm ngang có độ dài 4.5H = 135 m xác định được điểm M

 Từ mép trên mái hạ lưu, dựng đường thẳng hợp với phương ngang 1 góc  = 350 Từ mép dưới mái hạ lưu dựng đường thẳng hợp với mái hạ lưu (m = 3.0) một góc  = 250 (Trong đó ,  : phụ thuộc vào hệ số mái hạ lưu - tra bảng 6-5 giáo trình TC tập 1)