THUYẾT MINH ĐỒ ÁN CÔNG TRÌNH THỦY

PHẦN I ĐỀ BÀI ĐỒ ÁN CÔNG TRÌNH THỦY SỐ II THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC A TÀI LIỆU CHO TRƯỚC: I Nhiệm vụ công trình: Một hồ chứa nước được xây dựng trên song với mục đích phát điện là chính và đảm nhận các nhiệm vụ sau: 1. Phát điện là chính, với công suất lắp máy N=150MW. 2. Cấp nước sinh hoạt cho 10000 dân. 3. Kết hợp nuôi trồng thủy sản và du lịch sinh thái. 4. Kết hợp dùng nước sau nhà máy thủy điện tưới cho 1000ha đất canh tác. 5. Phòng lũ cho hạ du. II Các hạng mục công trình đầu mối Tại đầu mối có 3 hạng mục công trình chủ yếu được xây dựng: 1. Đập chính ngăn sông – được chọn phương án là đập Bê tông trọng lực. 2. Công trình tháo lũ với phương án tràn tự do đặt trong thân đập Bê tong trọng lực.

MỤC LỤC

PHẦN I

ĐỀ BÀI

ĐỒ ÁN CÔNG TRÌNH THỦY SỐ II THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰCA- TÀI LIỆU CHO TRƯỚC:

I- Nhiệm vụ công trình:

Một hồ chứa nước được xây dựng trên song với mục đích phát điện là chính vàđảm nhận các nhiệm vụ sau:

1 Phát điện là chính, với công suất lắp máy N=150MW

2 Cấp nước sinh hoạt cho 10000 dân

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

4 Kết hợp dùng nước sau nhà máy thủy điện tưới cho 1000ha đất canh tác

5 Phòng lũ cho hạ du

II- Các hạng mục công trình đầu mối

Tại đầu mối có 3 hạng mục công trình chủ yếu được xây dựng:

1 Đập chính ngăn sông – được chọn phương án là đập Bê tông trọng lực

2 Công trình tháo lũ với phương án tràn tự do đặt trong thân đập Bê tong trọnglực

3 Công trình lấy nước và nhà máy Thủy điện sau đập

III- Tài liệu cơ bản cho trước :

1 Tài liệu địa hình :

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

- Tuyến đập thiết kế đã được chọn trước trên bình đồ

- Tài liệu địa chất: Địa chất nền tuyến đập tương đối đơn giản, trên mặt cóphủ một lớp đất thịt dày từ 1-5m Nền đá gốc có độ phong hóa nứt nẻtrung bình

a- Tài liệu ép nước tuyến đường tại tuyến đập:

+ Cường độ chịu nén giới hạn: R = 1700 kg/cm2

- Từ bình đồ địa hình, tuyến đập sinh viên phải vẽ được mặt cắt dọc địa hìnhtuyến đập

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

3 Các đặc trưng của hồ chứa :

Sau khi tính toán thủy văn công trình và thủy năng xác định được các đặc trưngchủ yếu của hồ chứa Các số liệu đã cho bao gồm :

- D(km) : Chiều dài truyền sóng (còn gọi là đà gió) ứng vớiMNDBT

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

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

- Trạm thủy điện có 4 tổ máy, trong bảng 3 cho lưu lượng qua 1 tổ máy Qtm

- MNLTK(m) : Mực nước lũ thiết kế được tính bằng MNDBT cộng thêm cộtnước lớn nhất trên đỉnh tràn tự do : MNLTK = MNDBT + Ht max (Ht max làcột nước lớn nhất trên tràn tự do khi xảy ra lũ thiết kế - Ht max và lưu lượng xã

lũ lớn nhất Qmax phụ thuộc tần suất lũ thiết kế - được cho ở bảng sau:

- MNLKT(m) : Mực nước lũ kiểm tra, là mực nước lớn nhất trong hồ khi xảy

ra lũ kiểm tra Ở đây giả định cho : MNLTK = MNLTK + 1m

- Quan hệ giữa lưu lượng và mực nước hạ lưu tuyến đập được cho theo bảng :

+ Dung trọng khô : γk = 1,2 T/m3

+ Góc nội ma sát ở trạng thái bão hòa nước : ϕbh = 120

- Vận tốc gió tính toán ứng với các tần suất P%

- Khu vực xây dựng có động đất cấp 7

- Đỉnh đập không có yêu cầu giao thông chính đi qua

B YÊU CẦU VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

1 Yêu cầu:

- Hiểu được cách bố trí đầu mối thủy lợi và phương án chọn đập bê tông

- Nắm được các bước thiết kế đập bê tông trọng lực tràn nước và không trànnước (trong giai đoạn thiết kế sơ bộ)

+ Các chi tiết cấu tạo: khớp nối, hành lang, đỉnh đập

Bản vẽ phải theo đúng quy định bản vẽ kỹ thuật

PHẦN II THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH VÀ CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN.

1.1. Vị trí và nhiệm vụ công trình:

1.Phát điện là chính, với công suất lắp máy N=150MW

2.Cấp nước sinh hoạt cho 10.000 dân

3.Kết hợp nuôi trồng thủy sản và du lịch sinh thái

4.Kết hợp dùng nước sau nhà máy thủy điện tưới cho 1000 ha đất canh tác

5.Phòng lũ cho hạ du

1.2. Chọn tuyến đập và bố trí công trình đầu mối:

1.2.1 Tuyến đập:

Để cho đập làm việc ổn định, ta chọn tuyến đập có 2 vai đập cắm vào sườn núi,

và tuyến phải đi qua vùng có mặt cắt tốt để tránh lún, lật Chọn tuyến đập phải ngắn nhất để khối lượng đào, xây là ngắn nhất Chọn tuyến phải thuận lợi và có khả năng thicông dễ dàng, tiện lợi bố trí tràn, nhà máy thủy điện

1.2.2 Chọn loại đập:

Dựa vào tài liệu địa chất và vật liệu xây dựng ta chọn đập bê tông trọng lực

1.2.3 Bố trí tổng thể công trình đầu mối:

- Bố trí tràn: Để tránh hiện tượng gây xói lở ở 2 bên lòng sông ta bố trí tràn ởgiữa tuyến

- Nhà máy thủy điện: Nhà máy được bố trí ở bờ trái do địa hình tương đối bằngphẳng

1.3. Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế:

1.3.1 Cấp công trình: Xác định theo 2 điều kiện

a- Theo chiều cao đập và loại nền:

Sơ bộ chọn cao trình đỉnh đập là:

∇đỉnh đập= MNLTK + d = 139.5 + 3 = 142.5 m (chọn d = 3m)

∇đáy đập = 100 – 3.5 = 96.5 mChiều cao mặt cắt:

H = 142.5 – 96.5 = 46 m Chọn H = 46 m

Tra bảng 1 – Phân cấp công trình thủy lợi của QCVN 04 – 05 : 2012, ta có cấpcông trình tương ứng là cấp II

b- Theo nhiệm vụ của công trình:

Công trình có nhiệm vụ chính là phát điện với công suất chính là 150.000 KW.Tra bảng 2.1 Cấp thiết kế của công trình theo năng lực phục vụ của TCXDVN 285 :

2002, ta có cấp công trình chính là cấp II

Vậy ta xác định được cấp công trình là cấp II.

- Hệ số điều kiện làm việc: m = 0.95 (bảng B.1 QCVN 04 – 05 : 2012)

- Hệ số tin cậy: Kn = 1.15 (trang 45 QCVN 04 – 05 : 2012)

- Độ vượt cao của đỉnh đập: d = 1.5 ÷ 3m

- Độ cao an toàn a: (bảng 4.2 sách công trình thủy)

+ Mực nước bình thường: a = 1.2 m+ Mực nước lũ thiết kế: a = 1 m+ Mực nước lũ kiểm tra: a = 0.3 m

Ht: cột nước siêu cao

Với công trình cấp II, có P = 1% tra bảng ta có Ht = 5 m

- Chiều rộng đáy đập là B, trong đó đoạn hình chiếu của mái thượng lưu nB, hìnhchiếu của mái hạ lưu (1-n)B Trị số n có thẻ chọn trước theo kinh nghiệm (n = 0 ÷ 0,1),

sơ bộ chọn n = 0, nghĩa là mặt thượng lưu thẳng đứng Trị số của B xác định theo cácđiều kiện ổn định và ứng suất

2.1.2 Xác định chiều rộng đáy đập:

a- Theo điều kiện ổn định:

Trong đó:

α1 : hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm Vì đập cao, công trình quantrọng nên cần thiết phải xử lý chống thấm cho nền bằng cách phụt vữa tạo màn chốngthấm Trị số α1 xác định theo mức độ xử lý nền, sơ bộ có thể chọn α1 = 0,4÷0,6, sơ bộchọn α1=0.5; α1 sẽ được chính xác hóa bởi việc tính toán xử lí nền sau này.

- Kc: hệ số an toàn ổn định cho phép Theo quan điểm tính toán ổn định chocác quy phạm mới, ổn định của công trình được đảm bảo khi:

(*)Trong đó:

45

2.2. Mặt cắt thực dụng đập không tràn: Tại mặt cắt cơ bản, tiến hành bổ sung

một số chi tiết ta được mặt cắt thực dụng

2.2.1 Xác định cao trình đỉnh đập:

Cao trình đỉnh đập được xác định theo 2 điều kiện :

a) Theo MNDBT:

∇đ1 = MNDBT + ∆h + ηs + a Trong đó:

- ∆h: Độ dềnh do gió ứng với vận tốc gió tính toán lớn nhất

kη s: tra đồ thị hình P2-4

Giả thiết sóng đang xét là sóng nước sâu: H >

Từ P = 2% → v = 32 (m/s) Giả sử sóng nước sâu, sơ bộ giả sử thời giangió thổi liên tục là 6h

Ta có:

Tra bảng PL (2 – 1)

→ Bước sóng trung bình được xác định theo công thức:

Kiểm tra: H = 38 m > = 12.162 m Vậy giả thiết sóng nước sâu làđúng

- ∆h': độ dềnh do gió ứng với vận tốc gió bình quân lớn nhất

Trong đó:

H’: chiều sâu trước đập, H’ = MNLTK- ∇đáy = 139.5 – 96.5 = 43 m.

αs: góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, αs = 00

- η’s: độ dềnh cao nhất của sóng xác định với vận tốc gió tính toán bé nhất

η's = kη 's.hTrong đó:

kη's: tra đồ thị P2-4

Giả thiết sóng đang xét là sóng nước sâu: H’ >

Từ P = 25% v = 15.5 (m/s) Giả sử sóng nước sâu, sơ bộ giả sử thờigian gió thổi liên tục là 6h

Theo chiều cao đập, bố trí hành lang ở các tầng khác nhau, tầng nọ cách tầng kia15÷20m.Khoảng cách từ mặt thượng lưu đến mép trước của hành lang chọn theo điều

kiện chống thấm:

Trong đó: H là cột nước tính đến đáy hành lang

J là ‹radient thấm cho phép của bê tông, J = 20

Ta bố trí 3 hành lang, khoảng cách giữa các hành lang lần lượt là 15 m và 15 m.Hành lang dưới cùng phụt vữa cách đáy 3 m, hành lang này do phải tính đến kíchthước máy khoan phụt vữa và khoảng không cần thiết cho thi công nên ta chọn kíchthước là 4x4 m Còn 2 hành lang trên đều chọn kích thước là 2x2,5m

Khoảng cách từ thượng lưu đến mép trước và mép sau của hành lang:

H = 40 m →

99.5 114.5 129.5

96.5

133.77 2x2.5

2x2.5

4x4 139.5

2.3 Mặt cắt thực dụng của đập tràn:

2.3.1 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.

Cách xây dựng mặt cắt đập như sau:

- Chọn cao trình ngưỡng tràn ngang với MNDBT = 134.5 m.

- Chọn hệ trục Oxy có: trục Ox đi ngang cao trình ngưỡng tràn, hướng về hạ lưu;

trục Oy hướng xuống dưới, gốc O ở mép thượng lưu đập, ngang cao trình ngưỡngtràn

- Vẽ đường cong theo tọa độ Ôphixêrốp trong hệ trục đã chọn với Htk = Ht = 5m

- , các giá trị được tra trong bảng (14-2)/ Bảng tính thủy lực.

(X = Htk, Y = Htk):

- Tịnh tiến đường cong đó theo phương ngang về hạ lưu cho đến khi tiếp xúc với biên

hạ lưu của mặt cắt cơ bản tại điểm D

- Mặt cắt hạ lưu nối tiếp với sân sau bằng mặt cong có bán kính R.

R = (0.2 ÷ 0.5).(P + Ht) = (0.2 ÷ 0.5).( 38+ 5) = 8.6 ÷ 21.5Chọn R = 17.2 m

Trong đó:

+ P : chiều cao đập ứng với MNDBT, P = 38 m

+ Ht: cột nước trên đỉnh tràn Mặt tràn cuối cùng sẽ là mặt ABCDEF trong đó:

AB: Nhánh đi lên của đường cong Ôphixêrốp (khi mặt thượng lưu đập tràn là nghiêng, cần kéo dài đoạn BA về phía trước cho đến khi gặp mái thượng lưu tại A);BC: Đoạn nằm ngang trên đỉnh

CD: Một phần của nhánh đi xuống của đường cong ÔphixêrốpDE: Một đoạn của mái hạ lưu mặt cắt cơ bản

EF: Cung nối tiếp với sân sau

R= 17.2 m 38.00

5.00

96.5

y

x MNDBT

F E

D C B A O

O'

45.00

2.3.2 Trụ pin và cầu giao thông:

Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua, nhưng để đi lại kiểm tra vàkhai thác công trình, vẫn phải làm cầu giao thông qua đập tràn, trường hợp bề rộngtràn lớn nên cần làm các trụ pin để đỡ cầu Mặt trụ thượng lưu chọn là mặt tròn có R =0.5m, dày 1m để đảm bảo điều kiện để chảy bao hợp lý Cao trình đỉnh cầu giao thôngchọn ngang đỉnh đập, bề rộng mặt cầu chọn bằng mặt đập b = 6m

3 TÍNH TOÁN MÀN CHỐNG THẤM

3.1 Mục đích:

Xác định các thông số cần thiết của màn chống thấm(chiều sâu, chiều dày,vị trí đặt) đểđảm bảo được yêu cầu chống thấm đề ra (hạn chế lượng mất nước, giảm nhỏ áp lực thấm lên đáy đập)

3.2 Xác định các thông số của màn chống thấm:

3.2.1 Chiều sâu phụt vữa: S1 phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của nền và chiều cao đập.Lưu lượng tháo qua nhà máy thủy điện:

(m3/s)Lưu lượng qua tràn:

(m3/s)Tra quan hệ (Q~ZHL) với Qtran = 880 (m3/s) tra quan hệ Qthao~Z

3.2.4 Kiểm tra trị số của α1 :

Trong thiết kế sơ bộ, có thể áp dụng phương pháp của Pavơloopsxki, theo đó:

α1 = Với:

- p1 = γn.H

Từ đó:

Trong đó: x = = = 0.7 m

4 TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐẬP TRÀN:

4.1 Tính toán khẩu diện tràn:

4.1.1 Công thức chung:

Tài liệu đã cho cao trình ngưỡng, cột nước lớn nhất trên tràn (ứng với tần suất thiết kế)

và lưu lượng cần tháo Cần xác định bề rộng tràn để tháo được lưu lượng cần thiết

Sử dụng công thức chung của đập tràn:

Q0: Khả năng tháo lớn nhất của nhà máy thủy điện, lấy trong trường hợp 4

tổ máy đều làm việc, Q0 = 1054 = 420 m3/s

Giả thiết ε là chưa phù hợp.

Giả thiết ε = 0,94 → ∑b = 41.835 m → b = 8.367 m

Kiểm tra lại ε = 0.94

→ Giả thiết ε = 0.94 là phù hợp

Vậy bề rộng một khoang tràn là b = 8.37 (m) → ∑b = 41.85 (m)

4.2 Tính toán tiêu năng:

4.2.1 Chọn hình thức và biện pháp tiêu năng:

a) Hình thức: Có thể là tiêu năng đáy hoặc tiêu năng phóng xa

b) Biện pháp:

- Tiêu Tiêu năng đáy: Làm bể tường kết hợp

- Tiêu năng phóng xa: Làm mũi phun cuối đập tràn Cao trình mũi phunchọn cao hơn mực nước hạ lưu max

c) Chọn hình thức tiêu năng:

Với nền là nền đá cứng, dày vô cùng → ta chọn hình thức tiêu năng phóng xa

d) Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng:

Bđập = 2.d’ + (n-1).d + n.b = 20,5 + (5-1)1+ 58.37 = 46.85 (m)

Bề rộng phần đập tràn: Btràn = Bđập – 2d’ = 46.85 - 2×0.5 = 45.85

với ϕ = 0,95 là hệ số lưu tốc ở cửa ra của bể.

: Tra bảng phụ lục 15-1, bảng tra thủy lực

q(m2/s)

hc''(m) (mQ3/s) (m)Zhl (m)hh h(m)c''-hh

4.2.2 Tính toán cho hình thức tiêu năng phun xa:

Đặc điểm tiêu năng phun xa là lợi dụng hình thức phun ở chân đập để dòng chảy có lưu tốc lớn phóng xa ra khỏi chân đập Dòng chảy được khuếch tán trongkhông khí sau đó đổ xuống lòng sông và giảm ảnh hưởng nguy hại đến an toàn đập Với hình thức này, năng lượng được tiêu hao ở không khí và một phần ở lòng sông Dòng chảy phóng xuống hạ lưu và gây ra hố xói có độ sâu nhất định thì năng lượng thừa của dòng chảy được tiêu hao hoàn toàn bằng ma sát nội bộ,

do đó chiều sâu nước hạ lưu càng lớn thì càng giảm xói lở ở dòng sông

Điều kiện: đỉnh mũi phun phải cao hơn mực nước lớn nhất tại hạ lưu, chiều cao cột nước trước đập đủ lớn để tạo ra dòng phun phóng xa và mực nước hạ lưu

đủ lớn để hố xói không quá sâu Với đập tràn có cột nước cao và địa chất nền tốt thì sử dụng tiêu năng phun xa là hợp lý và kinh tế

Để đạt hiệu quả tiêu năng cao thì chiều dài phóng xa phải lớn Tuy nhiên, ta lại muốn mức độ xói lở ít Thực tế chiều dài càng lớn thì hố xói càng sâu, do đó trong thiết kế ta chọn dx/L nhỏ nhất (dx là chiều sâu hố xói, L khoảng cách từ đáyhối xói đến chân đập)

Chọn cao trình mũi phun : ∇mũi phun = Zhl + a

= 105.25 + 2= 107.25 Bán kính cong của ngưỡng phun: 6hc ≤ R ≤ 10hc (hc: độ sâu cột nước tại mặt cắt co hẹp trên mủi phun) → Chọn sơ bộ R=8m

Góc nghiêng của mũi phun: α = 30º

 Tính sơ bộ độ sâu cột nước tại mặt cắt co hẹp trên mủi phun:

38.00 5.00

D C B A O

Viết phương trình Becnulli cho mặt cắt I-I và II-II: Chọn mặt cắt chuẩn tại đáy đập:

a) Tính vận tốc và chiều cao cột nước tại mũi phun

38.00 5.00

96.5

MNDBT

D B

Các thông số cơ bản của tiêu năng phun xa

b) Chiều dài phóng xa:

Khoảng cách theo phương ngang từ mũi phun đến trung tâm dòng chảy tại đáy kênh hạ lưu Chiều dài phóng xa chỉ có thể xác định bằng công thức kinh nghiệm

trong đó: ϕ: hệ số kể đến tổn thất cột nước ϕ = 0.98

S1: chênh lệch cao độ MNTL và mũi phun

S: chênh lệch cao độ MNTL và đáy kênh hạ lưu S1

h: chiều sâu dòng nước trên mũi phun

α0: góc nghiêng của mũi phun

- V1: lưu tốc dòng chảy ở mũi phun V1= VD = 23,59 m/s

phun so với MNHL)

q: Lưu lượng đơn vị, q = 21.033 (m3/s/m)

a: Chiều cao của mũi phun so với MNHL, a = 2m

e) Chiều dài hố xói:

Với quan điểm cho rằng hố xói có dạng hình thang, đáy rộng 2hpg, mái thượnglưu m1 = 1:3, mái hạ lưu m2 = 1:1.5

Độ sâu phân giới:

Lx = 2hpg + 4.5t= 2×3 + 4.5×18.15 = 87.675 (m)

5 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP:

5.1. Mục đích:

Kiểm tra ổn định trượt, lật cho các mặt cắt đập không tràn và đập tràn

Trong đồ án này, yêu cầu tính ổn định trượt cho phần đập không tràn( kiểm tra cho mặt cắt có chiều cao lớn nhất của phần này)

5.2. Các trường hợp tính toán: Cần kiểm tra với các trường hợp làm việc khác nhau

Trong đồ án này yêu cầu kiểm tra với trường hợp 2 và 3 ứng với 1m bề dày

5.3. Kiểm tra ổn định trượt cho các trường hợp:

= 24,323 m → tra ta được Kηđ = 0.18

→ ηđ = 0,18×2.02 = 0,364 m

 Trị số áp lực sóng lớn nhất lên mặt đập:

Ws = Tra đồ thị P2-4c (đồ án TC) ta có: Kđ = 0.2

Do chênh lệch mực nước thượng lưu và hạ lưu nên phát sinh dòng thấm từ thượng lưu

về hạ lưu, công trình gây nên áp lực thấm dưới đáy công trình

Biểu đồ phân bố áp lực thấm coi gần đúng là hình tam giác

Pmax = Trong đó:

- : hệ số cột nước thấm còn lại sau màn chống thấm, = 0.5

- H: cột nước thấm, H = 38 (m)

→ Pmax = 1×0,5×38 = 19 (T/m)Tổng áp lực thấm đẩy ngược sẽ là:

Wth = 1.B.Pmax = × 1 ×45 × 19 = 427.5 (T)Điểm đặt cách mép hạ lưu là:

W2 = Trong đó: Ka là hệ số áp lực ngang

Ka = φ: góc ma sát trong của bùn cát, φ = 120

 Trọng lượng của thân đập:

Để dễ dàng tính toán lực do trọng lượng bản thân và điểm đặt của nó Mặt cắt đậpđược chia thành các phần hình tam giác và chữ nhật Trọng lượng của phần đập có mặtcắt Ωi sẽ là:

Gi = γh.Ωi ; Trọng lượng của toàn đập G = Σ Gi

α: hệ số đặc trưng động lực,

Fđ1 = 0.05×1.5×682.5 = 51.1875 T, cánh tay đòn:

Fđ2 = 0.05×1.5×1816.913 = 136.2685 T, cánh tay đòn: