Đồ án thủy công 1 Thiết kế đập đất

ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH VÀ CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN I Nhiệm vụ công trình Xây dựng hồ chứa nước sông với nhiệm vụ là: Cấp nước tưới cho 5000 ruộng đất canh tác Cấp nước sinh hoạt cho 7000 dân Kết hợp nuôi trồng thủy sản du lịch sinh thái Kết hợp thủy điện nhỏ với công suất N= 1000KW II Các công trình chủ yếu khu đầu mối Tại đầu mối có hạng mục công trình chủ yếu xây dựng: Đập ngăn sông – chọn phương án đập đất Công trình tràn tháo lũ với phương án lựa chọn Đường tràn dọc máng tràn ngang; Tràn hoạt động theo kiểu tràn tự Một cống ngầm lấy nước có tháp đóng mở đặt thân đập đất để lấy nước phục vụ tưới III Các tài liệu dùng để thiết kế Tài liệu địa hình Tài liệu vật liệu xây dựng Các đặc trưng hồ chứa Tài liệu phục vụ việc thiết kế cống lấy nước IV Phân tích chọn tuyến đập tuyến cống lấy nƣớc Việc chọn tuyến xây dựng công trình phải dựa vào bình đồ khu vực cần xây dựng công trình kết quỏ trình khảo sỏt tỡnh hình địa chất khu vực: + Về mặt địa hình : cần phải cố gắng chọn tuyến hẹp để giảm khối lượng đắp đập củng phải cần quan tâm đến tuyến đập phụ (nếu có) để tổng khối lượng công trình nhỏ Ngoài cần phải tìm cách để giảm diện tích mặt hồ (nếu được) diện tích ngập lụt nhỏ để giảm thiệt hại lượng bóc mặt thoáng Tuyến chọn phải thuận lợi cho việc bố trí đường tràn tháo lũ giá thành đường tràn tháo lũ rẻ nhất, hạn chế dòng chảy theo mái đập thuận lợi cho việc bố trí công trình nối tiếp hạ lưu với công trình hệ thống + Về mặt địa chất chọn tuyến có đồng chất vững nứt gãy lớn, số , C lớn, hệ số thấm bộ, chiều dày tầng thấm nhỏ + Về điều kiện thi công : tuyến chọn phải thuận lợi cho việc dẫn dòng thi công, giao thông lai vận chuyển vật liệu thi công máy móc thiết bị thi công dể dàng thuận lợi V Phân tích chọn loại đập Căn vào điều kiện địa hình, địa chất vào vật liệu xây dựng nêu ta thấy điều kiện điều kiện vật liệu xây dựng thuận lợi để tiến hành xây dựng SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH đập đất, ta chọn loại hình đập đập đất để hạ giá thành sản xuất, tận dụng nguồn vật liệu địa phương, rút ngắn thời gian thi công SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH PHẦN II: THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT I CẤP CÔNG TRÌNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ Cấp công trình: a Theo chiều cao công trình loại : Cao trình đỉnh đập: Zđỉnhđập = MNDGC + d = 189,3 + = 191,3 (m) (chọn d = 2m) Vậy chiều cao đập H = Zđỉnhđập - Zđáyđập = 191,3 - 150,0 = 41,3 (m) Tra bảng P1-1  Công trình cấp II b Theo nhiệm vụ công trình: Tra bảng P1-2 Tưới cho 5000 ha: công trình cấp III Phát điện với công suất 1000 kW: công trình cấp IV So sánh tiêu ta chọn cấp công trình cấp II Chỉ tiêu thiết kế: Từ cấp công trình xác định được: - Lưu lượng, mực nước lớn để thiết kế, kiểm tra công trình (bảng 4.2 TCXDVN 285:2002) - Tần suất thiết kế: P = 0,5% - Tần suất kiểm tra: P = 0,1% - Hệ số tin cậy kn : Tra bảng P1-6 ta có kn = 1,20 - Tần suất gió lớn gió bình quân lớn (QPTL C1-78), mức đảm bảo sóng (Bảng P2-1) MNDBT : P = 2% MNDGC: P = 25% - Theo quan hệ tài liệu : Vận tốc gió tính toán với mức bảo đảm P% P = 2%  v = 32m/s : MNDBT P = 25%  v = 15,5m/s : MNDGC - Độ vượt cao đỉnh đập đỉnh sóng ( Chiều cao an toàn a) ứng với MNDBT : a = 1,2 m MNDTK: a = 1,0 m MNLKT: a = 0,3 m II Xác định kích thƣớc đập đất Đỉnh đập SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG 1.1 GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH Cao trình đỉnh đập Khi thiết kế đập cần xét điều kiện không cho nước tràn qua đỉnh đập trường hợp làm việc; mặt khác đập không cao để đảm bảo điều kiện kinh tế Để định chọn cao trình đỉnh đập nên tiến hành tính toán hai trường hợp sau - Tương ứng với MNDBT thượng lưu có xét tới chiều cao sóng leo nước dềnh gió lớn tính toán Z1= MNDBT + h + hSL + a - Tương ứng với MNDGC thượng lưu (Khi xả lưu lượng lũ lớn tính toán) đồng thời có xét tới chiều cao sóng leo lên mái đập nước dềnh gió bình quân lớn (Không kể hướng ) Z2 = MNDGC + h ’ + hsl’ + a’ - Tương ứng với MNLKT thượng lưu Z3 = MNLKT + a” Trong + h , h ’: Độ dềnh gió ứng với gió tính toán lớn gió bình quân lớn + hsl, hsl’ : Chiều cao sóng leo (Có mức đảm bảo 1%) ứng với gió tính toán lớn gió bình quân lớn + a, a’ a” : Độ vượt cao an toàn (tra bảng 4-1 14TCN 157-2005) Cao trình đỉnh đập lấy tương ứng với trường hợp bất lợi trường hợp Ngoài đỉnh đập không thấp mực nước lũ kiểm tra (Với tần suất lũ kiểm tra xác định theo quy phạm) a) Xác định Δh, hsl ứng với gió lớn V : * Xác định h : h = 2.10-6 Trong đó: V D cos  S (m) g.H V- Vận tốc gió tính toán lớn ứng với p = 2%: v= 32(m/s) D - Đà sóng ứng với MNDBT: D=4,7.103 (m) g- Gia tốc trọng trường (m/s2) g = 9,81 (m/s2) H- Chiều sâu nước trước đập (m) H =  MNDBT -  đáy sông = 185,3 - 150 = 35,3(m)  S - Góc kẹp trục dọc hồ hướng gió  S = 00; SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG h = 2.106 GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH 322.4, 7.103 cos 00  0, 0278(m) 9,81.35,3 * Xác định hsl: Theo QPTL C1-78 chiều cao sóng leo có mức bảo đảm 1% xác định sau: hsl(1%) = K1 K2 K3 K4 hs1% Trong đó: hs1% - Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1% K1,K2: hệ số phụ thuộc vào độ nhám tương đối đặc trưng vật liệu gia cố mặt đậ tra bảng P2-3 K3: Hệ số phụ thuộc vào tốc độ gió hệ số mái nghiêng m Tra bảng P2-4 K4: Hệ số xác định nhờ đồ thị hình P2-3 phụ thuộc vào hệ số mái nghiêng công trình m ; trị số Xác định hs1% Giả thiết sóng sóng nước sâu tức : H  0,5  gt gD va V V ; + Tính giá trị không thứ nguyên g : gia tốc trọng trờng lấy g = 9,81 ( m/s2) t : thời gian gió thổi liên tục Lấy t = 6giờ = 21600s V : vận tốc gió tính toán V = 32 m/s D : chiều dàI truyền sóng ứng với MNDBT ; D = 4700 m Thay số ta tính đợc : gt 9,81.6.3600   6621, 75; V 32 gD 9,81.4700   45, 03 V2 322 tra đồ thị hình P2-1 ứng với đờng bao ta :  gt gh   6621, 75   0, 071 V V (1)   gt  3, 75  V  gh  gD gh  0, 011   45, 03   0, 011  2  V V V (3)  Chọn cặp giá trị nhỏ nhất    g  1,17  g  1,17   V V Theo quy phạm ta chọn cặp giá trị nhỏ Chiều cao sóng trung bình : SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH  gh   V  322 h       0, 011  1.148  m  9,81 V   g  chu kỳ sóng trung bình : 32  g.  V    3,817 (m)   1,17   V  g 9,81 Bước sóng trung bình xác định theo công thức sau : g 9,81.3,8172    22, 75(m) so sánh ta có : 2 2 H = 35.3 m ; 0,5. = 0,5.22,75 = 11,375 m suy H > 0,5 giả thiết đúng, sóng sóng nước sâu Chiều cao sóng ứng với mực nớc đảm bảo 1% xác định theo công thức sau: hs1%=K1% h h : chiều cao sóng trung bình K1% tra theo đồ thị P2-2 với : gD  45,03; P  1% tra phụ lục P2-2 suy K1% = 2,1 V2 chiều cao sóng ứng với mực nước đảm bảo P=0,5% : hs1% =K1% h = 2,1x1,148 =2,41 (m) tra hệ số K1 ,K2 ; chọn lớp vật liệu gia cố mái đá lát bình thờng suy  =0,02 (m)  0, 02   0, 0073 tra bảng P2-3 suy giá trị K1 = ; K2 =0,9 hs1% 2, 74 K3 giả thiết hệ số mái m = (3- 5) ; V =32m/s tra bảng P2-4 ta đợc K3 =1,5 Tra K4 : ta có  hs1%  22, 75  9, 440 tra đồ thị hình P2-3 suy K4=1,05 2, 41 K :  =0 tra bảng P2-6 suy K=1 chiều cao sóng leo có mức bảo đảm 1% hsl1% = K1.K2.K3.K4.K.hs1%=10,91,5.1,05.1.2,41 = 3,42 (m) Vậy cao trình đỉnh đập ứng với MNDBT : Z1 = MNDBT + h + hsl + a = Z1 = 185,3 + 0,0278 + 3,42 +1,2 = 189,9 (m) b) Xác định h’ hsl’ ứng với gió bình quân lớn V’ * Xác định h’ h’ xác định theo công thức sau: h '  2.10 6 V' D ' cos  ' ' gH V’ : vận tốc gió lớn với gió bình quân lớn P25% suy V’ = 15,5 m/s SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH D’ đà sóng ứng với MNLTK D’ = D + 0.5km = 4700 + 500 = 5200 (m) H’ chiều sâu nước trứơc đập ứng với MNLTK H’ = MNLTK - Zđáyđập= 189.4 - 150 = 39,4 m  s góc kẹp hướng dọc hồ hớng thổi gió tính toán cho trờng hợp bất lợi , lấy  ‘s = => cos ‘s =1 Thay số vào công thức ta tính đợc h’ h'  2.106 V'2 D' ' 6 15,5 5200 cos   2.10  0, 0065 (m) gH ' 9,81.39, Xác định hsl’ : theo QPTL C178 , chiều cao sóng leo có mức bảo đảm 1% đợc tính sau : hsl1%’ = K1’ k2’ K3’.K4’ K ‘s.hsl’ hsl’1% : chiều cao sóng với mức bảo đảm 1% tính với trường hợp gió bình quân lớn V’= 15,5m/s K1’ ,K2’ : hệ số tra bảng P2-3 phụ thuộc vào đặc trng lớp gia cố mái và độ nhám tương đối mái  = 0,02 K3’ Hệ số tra bảng phụ lục P2-5 phụ thuộc vào vận tốc gió hệ số mái K4’ : hệ số tra đồ thị hình P2-8 phụ thuộc vào trị số mái m tb/hsl1% K ‘s : hệ số phụ thuộc vào s’ tra bảng P2-8 Xác định hsl1%’ theo qptl c1-78 Giả thiết trờng hợp tính sóng nước sâu ( H’  0,5 ’ ) tương tự ta tính giá trị không thứ nguyên : gt 9,81.6.3600   13670, V' 15,5 gD ' 9,81.5200   212,33 V '2 15,52 (1)  (2)  (1) (2)  gt gh   13670,   0,11 V' V'  g   4,8  V'  gD ' gh   212,33   0,024 V ' V'  g   1,92  V' Ta lấy trị số nhỏ (1) (2), ta trị số cặp (2) SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH 0, 032.V '2 0, 024.15,52 h'    0, 612(m) g 9,81  ' 1,92.V ' 1,92.15,5   3, 034 (s) g 9,81 ' g. '2 9,81.3, 0342   14,372(m) 2. 2 Kiểm tra lại điều kiện sóng nước sâu: H’ > 0,5 ' H’ =39,4 > 0,5 14,372 = 7,186(m) Vậy thoả mãn điều kiện giả thiết Tính h’s1% = K1%.hs’ Trong đó: Trong K1% tra đồ thị hình P2-2 ứng với đại lượng g.D '  212,33 V '2  K1% = 2.12 h’s1% =2,12.0,47 =0,9964 (m) - Hệ số K1, K2 tra bảng P2-3, phụ thuộc vào đặc trưng lớp gia cố mái độ nhám tương đối mái Lấy = 0,02   0, 02   0, 02  K’1 = 0,90 ; K’2 =0,80 h 's1% 0,9964 - Hệ số K’3 tra P2-4, phụ thuộc vào vận tốc gió hệ số mái m - Chọn sơ hệ số mái: m= (3-5) - Tra bảng P2-4 cách nội suy ta  K’3 = 1,32 (20 m/s > Vgió = 12 m/s > 10m/s) - Hệ số K’4 tra đồ thị hình P2-3, phụ thuộc vào hệ số mái m trị số ' h ' S 1% Ta có:  '  14,372  14, 424  K’4 = 1.3 h 'S1% 0,9964 h’sl1% = K’1.K’2.K’3.K’4 K ‘s.h’s1% = 0,9.0,8.1,32.1,3.1.0,9964= 1,23 (m) Vậy Z2 = MNDGC + h ’ + h’sl + a’ SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH = 189,3+ 0,0065 + 1,23 + 1,0 = 191,5 (m) Tính Z3 = MNLKT + a” Z3 = 190,3 + 0,3 = 190,6 (m) Chọn cao trình đỉnh đập: Zđỉnhđập >= max(Z1; Z2; Z3) = max(189,9 ; 191,5 ; 190,6) Lấy tròn Zđỉnhđập = +192,0 (m) Tính lại H = Zđỉnhđập - Zđáyđập = 192,0 - 150 = 42 (m) 1.2 Bề rộng đỉnh đập B Chiều rộng đỉnh đập xác định theo yêu cấu tạo, theo điều kiện giao thông quốc phòng Khi sử dụng đỉnh đập làm đường giao thông chiều rộng định phải xác định theo quy định giao thông, có xét tới nhu cầu quản lý khai thác Khi không sử dụng đỉnh đập làm đường giao thông chiều rộng đỉnh phải xác định theo kích thước máy móc dùng xây dựng quản lý, đảm bảo lại thuận lợi cho công cụ vận chuyển cầu trục thi công đập yêu cầu giao thông nên B = (m) Mái đập đập 2.1 Mái đập Độ dốc mái đập cotang góc nghiêng so với mặt nằm ngang Độ dốc mái đập phụ thuộc vào hình thức, chiều cao đập, loại đất đắp, tính chất v.v Khi thiết kế phải qua tính ổn định để chọn mái Mái dốc đập sơ sau: Mái thượng lưu: chọn m1 = 4,0 Mái hạ lưu : chọn m2 = 3,5 Mái thượng lưu thoải mái hạ lưu chủ yếu thường xuyên bão hoà nước chịu tác dụng sóng, gió SVTH: Trang ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH Cơ đập 2.2 Đập có chiều cao H = 42 (m) , nên ta bố trí đập phía mái hạ lưu Độ cao theo chiều cao chọn từ 10 - 25m Bề rộng chọn theo yêu cầu giao thông thi công Chọn BCƠ = m Mái thượng lưu: 150 đến 165 chọn m = 4,5 165 đến 180 chọn m = 4,0 180 đến 192 chọn m = 3,5 Mái hạ lưu: 160 đến 175 chọn m = 3,75 175 đến 192 chọn m = 3,25 Thiết bị chống thấm Theo tài liệu cho, đất đắp đập đất có hệ số thấm lớn nên cần có thiết bị chống thấm cho thân đập - Nếu tầng thấm tương đối mỏng (T ) chọn thiết bị chống thấm cho đập cho thích hợp sau: + Chống thấm kiểu tương nghiêng + chân (cắm xuống tận tầng không thấm) + Chống thấm kiểu tờng lõi + chân - Nếu tầng thấm dày (T>10m) : phơng án hợp lý dùng thiết bị chống thấm kiểu tờng nghiêng + sân phủ Theo đề cho tầng thấm T=17m > 10 m Ta chọn phơng án: Dùng thiết bị chống thấm kiểu tờng nghiêng +sân phủ Trong trường hợp hợp lý dùng thiết bị chống thấm kiểu tường nghiêng + Sân phủ Sơ chọn kích thước sau 3.1 Tƣờng nghiêng a) Chiều dày tƣờng nghiêng - Trên đỉnh : thường 1  0,8 m Chọn 1 = 1,0m Dưới đáy : Thường   H J  Trong đó: H cột nước chênh lệch trước sau tường J  - gradien thấm cho phép vật liệu làm tường Tính  = 6m b) Cao trình đỉnh tường nghiêng : Chọn không thấp MNDGC thượng lưu 3.2 Sân phủ Sân phủ (Sân trước) bố trí phía thượng lưu tiếp giáp với đáy Nó có tác dụng nhiều mặt, chủ yếu giảm lưu lượng thấm giảm áp lực thấm lên đáy công trình Kết cấu kích thước sân phủ phải thoả mãn yêu cầu sau : thấm nước, có tính mềm, dễ thích ứng với biến hình nền, dùng loại vật liệu Các kích thước sân trước sau: SVTH: Trang 10 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH xác định quan hệ Q~h Bài toán giải theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi mặt thủy lực III TÍNH KHẨU DIỆN CỐNG Trƣờng hợp tính toán: Khẩu diện tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ lưu lượng lấy nước tương đối lớn Thường tính với trường hợp MNC thượng lưu, hạ lưu mực nước khống chế đầu kênh tưới Zkc, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu [Z] = MNC – Zkc Lúc này, để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần mở hết cửa van Sơ đồ tính toán hình vẽ Thượng lưu MNC = 162,5 ( m) Hạ lưu mực nước đầu kênh đk = 161,3 ( m) Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu [Z] = 162,5– 161,3 = 1,2 (m) Lúc để lấy đủ nước phải mở hết cửa van ( a = d) Các tổn thất: Z1 – tổn thất cột nước cửa vào; Zp – tổn thất khe phai ( có); Zl – tổn thất qua lưới chắn rác; Zv – tổn thất qua tháp van; Z2 – tổn thất cửa iL – tổn thất dọc đường Sơ đồ tính toán thủy lực xác định diện cống Z1 Zp Zv Zl h2 Z2 h1 hh d Tính bề rộng cống bc: Bề rộng cống phải đủ lớn để lấy lưu lượng cần thiết Q chênh lệch mực nước thượng hạ lưu [Z] khống chế, tức phải đảm bảo điều kiện: Zi # [Z] Trong đó: Zi = Z1 + Zp + Zl + Zv + Z2 + i.L Với: i – độ dốc dọc cống L – tổng chiều dài cống Sơ chọn bể rộng cống theo cấu tạo thuận tiện cho thi công, sửa chữa, chọn bc= (m) SVTH: Trang 46 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH Với bc chọn xác định giá trị tổn thất: a Tổn thất cửa ra: Dòng chảy từ bể tiêu kênh hạ lưu coi sơ đồ đập tràn đỉnh rộng chảy ngập, đó: Z2   Vb Q2  2g g ( n bhh ) Trong đó: b – bề rộng cuối bể tiêu năng; b = (m) hh – chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Q; hh = (m) n – hệ số lưu tốc Chọn n = 0,95 Vb – lưu tốc bình quân bể tiêu Vb  Q , Chọn d = m (chiều sâu bể tiêu năng) bk (hk  d )  Vb  4,8  0, 40 (m/s) 4.(2  1)  Z2  4,82 1.0, 402   0, 012 (m) 2.9,81.(0,95.4.2) 2.9,81 b Tổn thất dọc đƣờng: Coi dòng chảy cống với độ sâu h1 = hh + Z2 = + 0,012 = 2,012 (m) Khi tổn thất dọc chiều dài cống iL Trong đó: i độ dốc dọc cống  4,8  Q   i    0, 0015    C R   4, 024.37, 42 0, 67  Với  = h1.bc = 2,012.2 = 4,024 (m2)  = bc + 2h1 = + 2.2,012 = 6,024 (m)  4,024 R   0,67 (m)  6,024 C 16 R  37,42 n Tổn thất dọc đường: iL = 0,0015.240 = 0,36(m) c Các tổn thất cục Zv, Zl, Zp:  Tổn thất tháp van: Zv  v Vv2 2g Theo QPTL tính toán cống nước sâu v = 0,1 (mở hết cửa van) Vv  SVTH: Q   4,8  1,193 (m/s) 4, 024 Trang 47 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG  GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH Z v  0,1 1.1,1932  0, 00725 (m) 2.9,81  Tổn thất lưới chắn rác: Zl  l V 2g Theo cẩm nang tính toán thủy lực l = 0,2 Vl   Q   Zl  0, 4,8  1,1886 (m/s) 2.(2, 012  0, 00725) 1.1,18862  0, 0144 (m) 2.9,81  Tổn thất khe phai: Zp  p V p 2g Theo QPTL tính toán cống nước sâu p = 0,06 Vp   Q   4,8  1,180 (m/s) 2.(2, 012  0, 00725  0, 0144) Z p  0, 06 1.1,1802  0, 0043 (m) 2.9,81  Tổn thất cửa vào: Xác định theo công thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập: Z1  Trong đó: V Q2  2 g ( ) 2g  - hệ số co hẹp cửa vào;  =  - diện tích mặt cắt ướt sau cửa vào;  = 2.(2,012+ 0,00725+ 0,0144+0,0043) = 4,0759(m2) Vo – lưu tốc tới gần; Vo = 1,180 (m/s) Vậy: SVTH: Z1  4,82 1.1,1802   0, 0074 (m) 2.9,81.(1.0,95.4, 0759) 2.9,81 Trang 48 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH Ta có: Zi = Z1 + Zp + Zl + Zv + Z2 + i.L  Zi = 0,0074+0,0043+0,0144+ 0,00725+0,012+0,36 = 0,41(m) Zi = 0,41 (m) < [Z] = 1,3 (m), thỏa điều kiện Vậy bc = (m) chọn hợp lý Xác định chiều cao cống cao trình đặt cống: a Chiều cao mặt cắt cống: Hc = h +  Trong đó:  - độ lưu không,  = 0,5 ÷ 1m h1 = 2,012 (m) Vậy ta chọn Hc = (m) b Cao trình đặt cống: - Cao trình đáy cống cửa ra: đcra = Zr = MNĐK = 161,3 (m) - Cao trình đáy cống cửa vào: Zv = Zr + i.L = 161,3 + 0,36 = 161,7(m) H1 IV.KIỂM TRA TRẠNG THÁI CHẢY VÀ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG: Trƣờng hợp tính toán: Khi mực nước thượng lưu cao cần mở phần cửa van để lấy lưu lượng cần thiết Do lượng dòng chảy lớn, dòng chảy sau cửa van thường dòng xiết Dòng xiết nối tiếp với hạ lưu dòng êm kênh hạ lưu qua nước nhảy Do cần tính toán để: - Kiểm tra xem nước nhảy có xảy cống hay không Thường với mực nước cao thượng lưu, cần khống chế không cho nước nhảy cống để tránh rung động bất lợi Còn với mực nước thấp thượng lưu, nước nhảy cống không tránh khỏi Tuy nhiên lượng dòng chảy không lớn nên mức độ rung động nguy hiểm không đáng kể - Xác định chiều sâu bể cần thiết để giới hạn nước nhảy sau cửa cống, tránh xói lở kênh hạ lưu a Z2 hc hr L2 SVTH: d Lb Trang 49 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH Xác định độ mở cống: Tính theo sơ đồ chảy tự qua cống Q  . a.bc g.( H 0'   a) Trong đó:  - hệ số lưu tốc;  = 0,95  - hệ số co hẹp đứng; H0’ - cột nước tính toán trước cửa van; H0’ = Ho – hw hw – tổn thất cột nước từ cửa vào vị trí cửa van H0  H   V02 2g ; V0 = 1,180 (m/s) Trường hợp tính toán: Trường hợp bất lợi lượng dòng chảy: H = MNDBT - đcvào = 185,3 – 161,0 = 24,3 (m) H  24,3  Ta có: 1.1,1802  24,37 (m) 2.9,81 Tổn thất từ đoạn cửa vào cống đến tháp van đóng mở là: hw = Z1 + Zl + Zp + i.L1 Với L1 chiều dài từ đầu cống đến cửa van Chọn sơ vị trí đặt tháp cống cách cửa vào cống đoạn L1= 60 (m) phía đỉnh đập Từ ta có: hw = 0,0074 + 0,0043 + 0,0144 + 0,0015.60 = 0,116 (m)  H0’ = H0 - hw = 24,30 – 0,116 = 24,18 (m) Hệ số co hẹp đứng  phụ thuộc tỷ số a/H, xác định a cách sử dụng bảng quan hệ Jucốpxki (giáo trình Thủy lực tập II) sau: Tính F(c): F ( c )  Q .bc H 0' 3/ Từ theo bảng xác định trị số: a , c H h a ' .H (m), hc = c.H’0 (m)    c a H Theo ta có: a   Q (m3/s) 4.80 4.60 4.40 4.20  0.95 0.95 0.95 0.95 bc (m) 2 2 H'0 (m) 24.18 24.18 24.18 24.18 F (c) a/H c a (m) 0.0212 0.0204 0.0195 0.0186 0.0080 0.0077 0.0074 0.0070 0.0050 0.0048 0.0046 0.0044 0.193 0.186 0.179 0.169 hc (m) 0.121 0.116 0.111 0.106  0.625 0.623 0.622 0.629 1.1 Kiểm tra chảy cống:  Vẽ đường mặt nước: Để tìm độ sâu cuối cống hr a Định tính: Cần xác định đại lượng hc, h0, hk - Độ sâu co hẹp sau van: hc = 0,116(m); Q = 4,6 (m3/s) SVTH: Trang 50 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH - Độ sâu phân giới hk; với kênh chữ nhật  hk  hk  q g , q  Q 4,   2,3 (m /s.m) bc 1.2,32  0,814 (m) 9,81 - Độ sâu dòng h0 xác định theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi thủy lực Ta có m =  m0   m2  m   f  Rln   4m0 i   0, 0015   0, 0674 Q 4, Tra bảng ta Ta có Rln = 0,69m bc h   2,90 , tra bảng ta  2,83 Rln 0, 69 Rln h   h0    Rln  2,83.0, 69  1,95 (m)  Rln  Vậy ta thấy hc < hk < h0 nên dạng đường mặt nước sau van đường nước dâng C1 b Định lƣợng: Vẽ đường mặt nước từ mặt cắt co hẹp C – C cuối cửa Mặt cắt co hẹp cách cửa van đoạn 1,4a = 1,4.0,2= 0,28 (m) Chiều dài tính từ mặt cắt co hẹp C-C đến cuối cống là: l = L – 1,4a = 240 – 0,28 = 239,72 (m) - Dùng phương pháp cộng trực tiếp để vẽ đường mặt nước Theo phương pháp khoảng cách hai mặt cắt có độ sâu h1, h2 là: L  Trong đó: E iJ E = E2 - E1 V  V Q , (m / s) , E  h  W 2g R 1 W (m) , C  R X n  V J  C R   (V n) J J , J     R3 Kết tính toán thể bảng sau: SVTH: Trang 51 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG 0.116 W (m2) 0.23 0.3 0.60 h (m) GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH V2/2g E R J 2.23 V (m/s) 19.83 20.037 20.153 0.104 5.028 2.60 7.67 2.996 3.296 0.231 0.260 X (m) Jtb 1.20 3.20 3.83 0.749 1.349 0.375 ΔL ƩΔL 0.0 2.644 0.6 ΔE 16.858 6.4 6.4 0.147 1.947 13.4 0.023 0.116 5.5 0.034 0.9 1.80 3.80 2.56 0.333 1.233 0.474 0.011 1.2 2.40 4.40 1.92 0.187 1.387 0.545 0.005 19.8 25.3 0.008 3.00 5.00 1.53 0.120 1.620 0.600 0.003 1.8 3.60 5.60 1.28 0.083 1.883 0.643 0.002 23.4 48.7 0.004 1.5 0.154 0.233 92.0 140.7 0.002 0.263 302.2 442.9 Ta có: Ứng với l = 239,72m => hk = 1,60m Có: hk = 0,814m < hcuối = 1,6m < hcống = 2m Vậy có nước nhảy cống chế độ chảy nửa áp (nước nhảy không chạm đỉnh cống) Các biện pháp xử lý - Thay đổi độ dốc đáy cống - Thay đổi vị trí đặt tháp van , cần dịch chuyển tháp van phía hạ lưu - gia cố khớp nối thi công cống đoạn có nước nhảy đảm bảo cho cống làm việc bình thường có nước nhảy cống Tính toán tiêu năng: Bài toán đặt xác định chiều sâu bể d để đảm bảo xảy nước nhảy sau cửa cống (trong phạm vi bể) Giả sử d = 1(m) Muốn cần có: hb  hc” Trong đó: hb = hh + d + Z2 = + + 0,012 = 3,012 (m)  - hệ số ngập,  = 1,05 ÷ 1,10 hc” – độ sâu liên hiệp với độ sâu co hẹp đầu bể, tính với lượng toàn phần Eo  hr  Eo Vr  d  P2 2g Ở đây: hr Vr độ sâu lưu tốc bình quân dòng chảy mặt cắt cuối cống, có: hr=1,60 (m), Vr=1,45 (m/s) P2 – chênh lệch cao độ đáy mặt cắt cuối cống đáy đầu kênh hạ lưu, P2 =  1, 452 Eo  1, 60     2, 71 (m) 2.9,81 Ta tính được: F ( c )  SVTH: Q 4,   0,543 3/ .bc E0 0,95   2, 713/ Trang 52 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH Tra bảng 15.1- Bảng tra thủy lực, ta có: c = 0,136 c” = 0,5862 Mà  c "  hc "  hc” = c”.E0 = 0,5862.2,81 = 1,65 (m) E0 Kiểm tra điều kiện: hc” = 1,1.1,65 = 1,815 (m) < hb = 3,012 (m) Vậy điều kiện thỏa mãn, chiều sâu chôn bể d = 1(m) Chiều dài bể tiêu năng: Lb = Lr + .Ln Trong đó:  - hệ số;  = 0,7 ‚ 0,8; chọn  = 0,8 Ln – chiều dài nước nhảy, tính theo công thức Saphơranét Ln = 4,5.hc” = 4,5.1,65 = 7,425 (m) Vì dòng chảy khỏi cống xuống bể tiêu tính trường hợp chảy từ bậc xuống nên Lr = d + hr = + 1,60 = 2,60 (m) => Lb = 2,60 + 0,8.7,425 = 8,54 (m) Vậy, chọn bể tiêu có chiều sâu d = 1(m); có chiều dài Lb = 8,70 (m) V CHỌN CẤU TẠO CỐNG: Cửa vào, cửa ra: Cửa vào, cửa cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng, hạ lưu Bố trí tường hướng dòng hình thức mở rộng dần  Cửa vào: - Chọn góc chụm hai tường hướng dòng cửa vào khoảng 20o - Tường cách hạ thấp dần theo mái thượng lưu - Sân trước làm Bêtông để chống xói  Cửa ra: - Chọn góc chụm cửa 10o - Cửa kết hợp với bể tiêu năng, cuối bể tiêu có phận chuyển tiếp kênh hạ lưu - Sau bể tiêu năng, cần bố trí đoạn bảo vệ kênh hạ lưu có chiều dài bằng: Lsn = (2,5 ÷ 3)Ln = (2,5 ÷ 3).7,425 = 18,56 ÷ 22,28; Chọn Lsn = 20 (m) Thân cống: a Mặt cắt: - Mặt cắt ngang cống có dạng mặt cắt chữ nhật kích thước b x h = (2x3) m - Cống hộp làm BTCT M200 đổ chỗ, góc làm vát để tránh ứng suất tập trung - Chiều dày thành cống xác định theo điều kiện chịu lực, chống thấm yêu cầu cấu tạo - Theo điều kiện chống thấm cần đảm bảo: t H [ J] Trong đó: H - Cột nước lớn thượng lưu SVTH: Trang 53 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH [J] - Gradien cho phép thấm vật liệu bê tông Sơ chọn chiều dày cống t = 0,5 m b Phân đoạn cống: Chia cống thành đoạn có chiều dài từ 10 ‚ 20 (m) Tại khe nối cần bố trí thiết bị chống rò rỉ nước Thiết bị chống rò rỉ kim loại dùng cho ngang đứng hộp cống hình vẽ: a1 4 b- Sơ đồ khớp nối cống hộp Bêtông a – Khớp nối ngang; b – Khớp nối đứng; – Bao tải tẩm nhựa đường; – Đổ nhựa đường; – Tấm kim loại hình Ù; – Tấm kim loại hình phẳng; – Vữa Bêtông đổ sau c Nối tiếp thân cống với nền: Cống hộp đổ lớp Bêtông lót dày 10cm Nối tiếp thân cống: Phần tiếp giáp thân cống đất đắp đập bọc lớp đất sét nện chặt thành lớp bao quanh cống dày 0,5 m Tại đoạn nối cống làm gờ để nối tiếp cống với đất đắp đập cao khoảng 0,5m Tháp van: - Vị trí tháp van cách chân đập phía thượng lưu đoạn 80m - Mặt cắt ngang tháp van hình vuông (1,2m x 1,2m), chiều dày xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm điều kiện cấu tạo, bên sườn tháp van đặt ống thoát khí (đường kính 30cm) cống - Bên tháp van đặt van: van phía trước van sửa chữa cố van phía sau van công tác, phía tháp van bố trí nhà để đặt máy đóng mở van; có cầu công tác nối tháp van với đỉnh đập - Khi thiết kế tháp van cần ý tới yêu cầu kiến trúc, tạo cảnh quan đẹp phục vụ mục đích dân sinh kinh tế khác SVTH: Trang 54 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH 50 VI.TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỐNG: Mục đích tính toán: Xác định nội lực phận cống ứng với trường hợp làm việc khác để từ bố trí cốt thép kiểm tra tính hợp lý chiều dày thành cống chọn Chọn sơ kích thước thành cống 0,5 (m) Kích thước cửa cống xác định 2x3 (m) 400 50 300 BTCT M200 50 200 50 300 Trƣờng hợp tính toán  Tính toán ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống đỉnh đập (trường hợp cột đất cống cao nhất), chiều cao đường bão hòa cao nhất, cống nước (cống đóng) mực nước thượng lưu MNDGC - Cao trình đáy cống mặt cắt tính toán: đc = (160,5+ 160,1)/2 – 0,5 = 159,8 (m) - Chiều cao cột đất mặt cắt tính toán: H = 185,3 – (159,8 + + 2.0,5) = 21,5(m)  Các tiêu lý đất đắp đập: - Dung trọng tự nhiên tn = 1,944 (T/m3) - Góc nội ma sát tn = 23o - Lực dính đơn vị Ctn = 3,0 (T/m2) Xác định ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống: Trường hợp cống hộp, tính cho mét dài Zl ql Z2 q2 p2 p1 q4 p1 p2 H q5 Sơ đồ lực tác dụng lên cống ngầm q5 SVTH: Trang 55 p'2 p'1 p'1 B qn p'2 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH Trong đó: + q1 : áp lực đất đỉnh cống + q2 : áp lực nước đỉnh cống + q3 : áp lực nước đáy cống + q4 : trọng lượng thân nắp cống + q5 : trọng lượng thân bên cống + q6 : trọng lượng thân đáy cống + p1, p1' : áp lực đất bên thành cống + p2, p2' : áp lực nước bên tác dụng lên bên cống + r : phản lực 3.1 Xác định đƣờng bão hòa thân đập Sơ đồ tính: y +192.0 +185.3 25.5 100.0 m=4 m=3.5 Kâ Kn +158.3 +159.8 1.5 a0 L = 233.1 Hình 1.1: Sơ đồ tính thấm qua đập đất mặt cắt cống ngầm a Xác định lƣu lƣợng thấm Dùng phương pháp phân đoạn, bỏ qua độ cao hút nước a0, ta có hệ phương trình sau để xác định q h3 SVTH: Trang 56 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG q  Kn GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH (h1  h3 )T 0, 44.T  Ls  m1h3 h32  h2 (h3  h2 )T q  Kd  Kn 2( L  m1h3 ) L  m1.h3  0, 44T Trong đó: -q : Lưu lượng thấm - Kd : Hệ số thấm đập (Kd = 10-5 m/s) - Kn : Hệ số thấm (Kn = 10-6 m/s) - h1 : Cột nước trước đập h1 = MNDGC - Zđáyđập = 185,3-159,8 = 25,5 m - h2 : Cột nước sau đập, h2 = -T : Chiều dày miền thấm ( T = 1,5 m ) - m1 : Hệ số mái dốc mái thượng lưu (m1 = 4,0) -L : Chiều dài đáy đập (L = 233,1 m) - Ls : Chiều dài sân phủ, Ls = 4.h1 = 100 m q  105 q  106 (25,5  h3 ).1,5 ; 0, 44.1,5  100,  4, 0.h3 h32  02 (h3  0).1,5  105 2(233,1  4, 0.h3 ) 233,1  4, 0.h3  0, 44.1,5 Giải hệ phương pháp thử dần (Dùng bảng Exel)  h3 = 12,0 (m) q = 1,36.10-6 (m3/s) b Phƣơng trình đƣờng bão hoà Phương trình đường bão hoà trục toạ độ (hình 2) có dạng: Y  h32  h32  h22 x L  m1.h3  Y = 122  x Y x Y SVTH: 12.00 120 7.12 122  02 x  144  0, 778.x 233,1  4.12 20 11.33 140 5.92 40 10.62 160 4.42 60 9.87 180 1.99 80 9.04 185.1 0.00 100 8.14 Trang 57 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH y +192.0 +185.3 25.5 12.0 m=3.5 Kâ m=4 Kn +158.3 +159.8 a0 1.5 185.1 100.0 L = 233.1 c Xác định cao trình đƣờng bão hòa mặt cắt tính toán Tại mặt cắt đỉnh cống, ta có độ cao đường bão hòa y = 9,5 m Cao trình đường bão hòa mặt cắt tính toán Zđbh = Zmặt cắt + 9,59 = 159,8 + 9,5 = 169,3 (m) 3.2 Áp lực đất a Trên đỉnh: q1 = KiZi Trong đó: Zi i tương ứng chiều dày dung trọng lớp đất đắp đỉnh cống (phần đường bão hòa tính theo trọng lượng tự nhiên; phần đường bão hòa tính theo dung trọng đẩy nổi) γtnđập = 1,944 (T/m3) Z1 = Ztnđập = 185,3 – 169,3 = 16 (m) γđnđập = γtnđập – γ0 = 1,944 – = 0,944 (T/m3) Z2 = Zđnđập = 169,3 – (159,8+3+ 2.0,5) = 5,5 (m) K : hệ số tập trung áp lực thẳng đứng, phụ thuộc vào điều kiện đặt ống, tra bảng 4–5 (Tính toán CTTL – Trịnh Bốn) trang 206, ta có K = 1,4  q1 = 1,4.(1,944.16 + 0,944.5,5) = 50,81 (T/m) b Hai bên: Biểu đồ áp lực bên có dạng hình thang, với:   23o   - Trên đỉnh: P1  q1.tg  45o    50,81.tg  45o    22, 26 (T/m) 2       - Dưới đáy: P1 '  q1 '.tg  45o   , với q1’ = q1 + đ.H  2 Trong đó: đ dung trọng đất đắp hai bên thành cống, lấy đn (do cống nằm đường bão hòa) H = + 2.0,5 = (m)  q1’ = q1 + đnđập.H = 50,81 + 0,944.4 = 54,59 (T/m) 23o  2 o P '  54,59 tg 45      23,92 (T/m)   Áp lực nước: - Trên đỉnh cống (q2): q2 = n.Z2 =1,0.5,5 = 5,5 (T/m) - Hai bên thành cống (p2, p2'): SVTH: Trang 58 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH P2 = n.Z2 =1,0.5,5 = 5,5 (T/m) P2’ = n.(Z2 + H) =1,0.(5,5+4,0) = 9,5 (T/m) c Dƣới đáy cống: q3 = n.(Z2 + H) =1,0.(5,5+4,0) =9,5 (T/m) 3.3 Trọng lƣợng thân: Tấm nắp: q4 = b.tn = 2,5.0,5 = 1,25 (T/m), với tn: Chiều dày nắp Tấm bên: (phân bố theo phương đứng) q5 = b.tb = 2,5.0,5 = 1,25 (T/m), với tb: Chiều dày bên Tấm đáy: q6 = b.tđ = 2,5.0,5 = 1,25 (T/m), với tđ: Chiều dày đáy 3.4 Phản lực nền: Biểu đồ phân bố phản lực phụ thuộc loại cách đặt cống, thường r phân bố không đều, song tính toán xem gần phân bố đều, đó: q5 ( H  t đ  t n ) , với B = + 2.0,5 = 3(m) B 1, 25.(4  0,5  0,5) r  50,81  5,5  1, 25  1, 25  9,5   70,81 (T/m) r  q1  q2  q4  q6  q3  => Sơ đồ lực cuối trƣờng hợp cống nƣớc: 4.1 Các lực thẳng đứng: Phân bố đỉnh: q = q1 + q2 + q4 = 50,81 + 5,5 + 1,25 = 57,56 (T/m) - Phân bố hai bên thành: q5 = 1,25 (T/m) - Phân bố đáy: qn = r – q6 + q3 = 70,81 – 1,25 + 9,5 = 79,06 (T/m) 4.2 Các lực nằm ngang: - Bộ phận đều: P = P1 + P2 = 22,26 + 5,5 = 27,76 (T/m) - Bộ phận tuyến tính: Pt = P1’+ P2’– P1– P2 = 23,92 + 9,5 – 22,26 - 5,5 = 5,66 (T/m) SVTH: Trang 59 ĐỒ ÁN THỦY CÔNG GVHD: Th.S ĐỖ THỊ KIM ANH PHỤ LỤC: KIỂM TRA KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THẤM VÀ ỔN ĐỊNH BẰNG PHẦN MỀM GEO-SLOPE (TRƢỜNG HỢP MNDBT VÀ MNHLbt) TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT TÍNH ỔN ĐỊNH MÁI HẠ LƢU TÍNH ỔN ĐỊNH MÁI THƢỢNG LƢU SVTH: Trang 60 ... 0.364 10 4.550 8 1. 944 20.3 31 1.97 1. 1 41 1.98 0.000 2.4 2.75 41. 770 28. 819 0.482 0.876 1. 1 41 334 .16 2 16 1.082 292.774 9 .13 1 10 . 414 2.4 21. 914 20 0.364 10 2.7 71 1.944 18 .983 1. 97 0.000 1. 98 0.000 2.4... 9.4042 1. 98 3.766 2.4 2.75 45.546 6.922 0 .12 1 0.993 13 .17 0 364.367 43. 910 3 61. 711 8.059 10 6 .13 5 0.7 5.6 41 22 0.404 10 3.259 1. 944 11 .694 1. 97 10 .0593 1. 98 2.546 2.4 2.75 47.5 91 10. 415 0 .18 1 0.984 12 .606... 0.20,88 435,9744  1, 9537x x 20 40 60 80 10 0 Y 20.88 19 .92 18 .92 17 .85 16 .72 15 . 51 x 12 0 14 0 16 0 18 0 18 6 .17 4 Y 14 .20 12 .75 11 .11 9 .18 8.50 1. 3 Kiểm tra độ bền thấm Với đập đất, độ bền thấm bình