Đồ án môn học thủy công

-B- TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNHĐất nền và hai bên bờ công trình thuỷ lợi là loại đất thấm nước chỉ trong một số trường hợp đặc biệt là đất sét hoặc đá được xử lý tiếp giáp tốt thì

ĐỒ ÁN SỐ 1: TÍNH TOÁN LỰC VÀ THẤM

PHẦN I – ĐỀ BÀI

A - TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH

I Tài liệu: Trong thành phần của cụm công trình đầu mối ở vùng núi có một

đập ngăn sông bằng bê tông Các tài liệu thiết kế như sau:

- Đỉnh của phần mặt cắt cơ bản ( hình tam giác ) ở ngang MNDBT

- Bề rộng đỉnh: b = 5 ( m ); đáy B = 0,8 Hd với Hd là chiều cao mặt cắt cơ bản

- Phần hình chiếu của mái thượng lưu trên mặt bằng: nB ; trong đó n = 0,2( xem hình vẽ )

- Đập có màn chống thấm ở sát mép thượng lưu

- Hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm α 1 = 0,5

- Vật liệu thân đập có dung trọng γb = 2,4 T/m3

( 1 - n ) B nB

II Các yêu cầu tính toán

1 Xác định các yếu tố của sóng bình quân

• Sóng có mức bảo đảm : P = 1% ( h , λ , τ , h s1 % )

• Độ dềnh cao nhất của sóng ηs

2 Vẽ giản đồ áp lực sóng lên mặt đập thượng lưu Tính trị số áp lực tác dụng sóng nằm ngang ( pmax ) và mô men của nó vói đáy đập ( Mmax ) – Tính cho một mét dài của đập

3 Xác định ( trị số, phương, chiều, điểm đặt ) và vẽ tất cả các lực tác dụng lên

1 mét dài của đập ( trường hợp MNDBT, có động đất )

B TÍNH THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH

I Tài liệu: Các cống B và C có sơ đồ và kích thước như trên hình B, hình C

và bảng B Nền cống và đát cát pha ( đồng nhất đẳng hướng ) có các chỉ tiêu như sau:

k

γ = 1,55 T/m3; n = 0,35; K = 2.10−6(m s/ ) ; ϕk = 20 0; C = 0 ; 60

10 15

d d

2 So sánh các kết quả giải được bằng phương pháp nêu trên và cho nhận xét.

3 Kiểm tra khả năng mất ổn định về thấm của nền và nêu biện pháp xử lý

(nếu cần)

4 a- Nếu kết cấu đường viền thấm không đổi nhưng hệ số thấm K thay đổi thì

các kết quả tính toán trên thay đổi như thế nào?

b- Nếu kết cấu đường viền thấm không đổi nhưng chênh lệch cột nước H thay đổi thì kết quả tính toán trên thay đổi như thế nào?

5 Nếu cống xây dựng ở vùng triều (làm việc 2 chiều) khi chênh lệch cột nước

đổi chiều ( giả sử trị số tuyệt đối của H không đổi ) thì các kết quả tính toán nào còn có thể sử dụng được, tại sao? Các kết cấu đường viền thấm có cần thay đổi gì không, tại sao?

H S = 3,0 m2

S1

F G

C E D

1 Các yếu tố của sóng trung bình

Cần phân biệt hai trường hợp: Sóng nước sâu ( 1

2

H >λ ) và sóng nước nông (

1

2

H ≤λ ) Vì ban đầu chưa biết λ nên có thể giả thiết là sóng nước sâu để tính.

Trường hợp sóng nước sâu: Sử dụng đồ thị hình P2-1 ( phụ lục 2 )

- Tính các giá trị không thứ nguyên V gt và 2

V gD

Trong đó: g = 9,81 là gia tốc trọng trường ( m/s2 )

t = 6 giờ = 21600 giây là thời gian gió thổi liên tục ( giây )

V = 25 ( m/s ) là vận tốc gió tính toán ( m/s )

D = 5,0 ( km ) = 5000 ( m ) là chiều dài truyền sóng Thay các giá trị vào ta được:

; g vτ− = 3,9

( 1 )

9,81.5000

78,5 25

- Từ đó kiểm tra được điều kiện sóng nước sâu đã giả thiết ban đầu H1 > λ2

Ta có mực nước dâng trước hồ là :

Vậy thỏa mãn điều kiện sóng nước sâu ( giả thiết đúng )

Vậy sóng tác dụng lên công trình là sóng nước sâu với các thông số sau:

Trong đó k i% tra theo đồ thị hình P2-2 ( phụ lục 2 )

Với i = 1% ta có công thức xác định chiều cao sóng là: h1 %=k 1%.h

Trong đó: h là chiều cao sóng trung bình ( h= 1,02 m )

λ

Tra P2-4a ta được: 1, 22

5m

τ

100 ( 1 - n ) B nB

II.Xác định các lực tác dụng lên công trình ( theo bài toán phẳng )

1 Áp lực thủy tĩnh: Tác dụng ở mặt thượng và hạ lưu đập, bao gồm các

thành phần thẳng đứng và nằm ngang ( xem hình 1-1 )

a) Mặt thượng lưu:

• Thành phần thẳng đứng:

+ Phương : Thẳng đứng

+ Chiều : Hướng vào mái đập

+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của tam giác phân bố áp lực cách chân mái

Trong đó: γn: Trọng lượng riêng của nước: γn= 9,81 ( KN/m3 )

H1: Mực nước thượng lưu ; H1 = 48 ( m )

n,- Hệ số mái nghiêng thượng lưu ; n’ = cotg α =

1

nB H

+ Chiều : Hướng vào mái đập

+ Điểm đặt : Cách đáy công trình một khoảng là: 1 48

2 n

2 2

1 9,81.48 11301,1 ( ) 2

b)Mặt hạ lưu

• Thành phần đứng

+ Phương : Thẳng đứng

+ Chiều : Từ trên xuống

+ Điểm đặt : Tại trọng tâm biểu đồ phân bố áp lực cách mép hạ lưu đập

48

n B H

1.9,81.0,64.5 78, 48 ( )2

•Thành phần ngang:

+ Phương : Nằm ngang

+ Chiều : Hướng vào mái hạ lưu đập

+ Điểm đặt : Cách đáy công trình 1 khoảng 2 5 ( )

Nói chung khi sóng dềnh cao nhất, áp lực sóng lên mái đập không phải là lớn nhất

+ Áp lực sóng lên mái đập lớn nhất ứng với độ dềnh: ηd = k hηd ( 1-8 )

Trong đó: h – chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng 1%

kη có thể xác định đồ thị hình 3-7c( giáo trình thủy công tập 1 )

Để tra được kηdta tính các giá trị H1

H

1% 2, 44

0,1 22,55

Với hệ số kd = 0,19 tra ở đồ thị hình 3-7d ( Giáo trình thủy công tập 1)

Các đại lượng khác như đã giải thích ở trên

2, 44 ( ) 0,19.9,81.2, 44 48 223,85 ( kN )

+ Chiều : Hướng vào thân đập

+ Điểm đặt : Cách mép đáy của công trình đoạn

max 6380, 04

28,5 ( ) 223,85

Trong đó: α1 = 0 , 5là hệ số cột nước thấm còn lại sau màn chống thấm;

+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của tam giác phân bố áp lực cách mép đáy

+ Chiều : Hướng từ dưới lên;

+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của hình chữ nhật cách mép đáy hạ lưu một

Do khối bùn cát lắng đọng trước đập gây ra Do mái đập thượng lưu nghiêng nên áp lực bùn cát có 2 thành phần: Thẳng đứng và nằm ngang

• Thành phần thẳng đứng

+ Phương : Thẳng đứng

+ Chiều : Từ trên xuống

+ Điểm đặt : Cách mép chân đập phía hạ lưu một khoảng bằng :

Với: h3 = 108 - 100 = 8 ( m ) là chiều sâu bùn cát lắng đọng trước công trình;

n’- Hệ số mái nghiêng thượng lưu ; n’ = cotg α =

1

nB

H = 0, 2.38,4 0,16

48 =

+ Độ lớn : 2

1 '

2 bc

Với γbc là trọng lượng riêng của bùn cát trong nước ( dung trọng đẩy nổi )

γbc = γk – γn.( 1-nb ) ( 1-14 )Với: γk = 1,0T/m3 = 10 kN/ m3 là trọng lượng riêng khô của bùn cát

+ Chiều : Hướng từ thượng lưu về phái hạ lưu;

+ Điểm đặt : Cách đáy đập một đoạn: 3 8

1

W 4,6.8 0,7 103,04 ( )

5 Trọng lượng của thân đập

Để dễ dàng tính toán lực do trọng lượng bản thân và điểm đặt của nó, mặt cắt đập được chia thành các phần hình tam giác và chữ nhật

Trọng lượng của phần đập có diện tích mặt cắt Fi sẽ là Gi = γb Fi ; Trọng lượng của toàn đập sẽ là G = ∑Gi Điểm đặt của G được tìm theo quy tắc hợp các lực song song.

MNDBT = 149 m

( 1 - n ) B nB

Hd

5 m Y

0,16

Hình 1-2 Sơ đồ tính toán trọng lượng thân đập

Gọi hệ trục tọa độ Oxy có O ( 0 ; 0) là hệ trục tọa độ gốc

C1 ( x1 ;y1 ) là tọa độ trọng tâm của phần tam giác thượng lưu

C2 ( x2 ; y2 ) là tọa độ trọng tâm của phần hình chữ nhật

C3 ( x3 ; y3 ) là tọa độ trọng tâm của phần tam giác hạ lưu

F1 ; F2 ; F3 lần lượt là diện tích của: Hình tam giác thượng lưu, hình chữ nhật

và hình tam giác hạ lưu

- Tìm C3 ( x3 ; y3 )

Ta có: FD = ( 1 −n B) − OF= ( 1 - 0,2 ) 38,4 – 5 = 25,72 ( m ) m’ = cotgβ = 0,64

Vậy tọa độ trọng tâm đập là C ( 15,13 ; 17,45 )

- Tính trọng lượng thân đập:

+ Phần tam giác thượng lưu: G1 = γb.F1

Trong đó: γb- Trọng lương riêng vật liệu làm đập; γb=2,4 T/m3 = 24 kN

- Điểm đặt : Tại trọng tâm mặt cắt tính toán, cách đáy đập một

đoạn bằng yc = 18,06 ( m )

- Độ lớn : Fđ = K.α.G

Trong đó: K = 1

20 = 0,05 là hệ số động đất của vùng xây dựng

0

1

5 , 0 1

h

h

+

=

α là hệ số đặc trưng động lực của công trình

Với: h1 là khoảng cách từ điểm tính toán đến mặt nền

h0 là khoảng cách từ trọng tâm công trình đến mặt nềnTa có h1 = h0

- Chiều : Hướng từ phía thượng lưu về phái hạ lưu đập

- Điểm đặt : Cách đáy đập một khoảng: 1 48 ( )

c) Áp lực bùn cát tăng thêm khi có động đất

Theo chiều bất lợi đã chọn, động đất làm tăng áp lực chủ động của bùn cát thượng lưu Trị số áp lực tăng thêm là: W8 = 2 .K tgϕbh.W7

Áp lực bùn cát tăng thêm W 8 có

- Phương : Ngang

- Chiều : Hướng từ thượng lưu về hạ lưu

- Điểm đặt : Cách đáy công trình một đoạn: 3 8 ( )

-B- TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH

Đất nền và hai bên bờ công trình thuỷ lợi là loại đất thấm nước chỉ trong một số trường hợp đặc biệt là đất sét hoặc đá được xử lý tiếp giáp tốt thì mới được coi là không thấm nước khi công trình làm việc sẽ tạo ra chênh lệch mực nước thượng hạ lưu dòng nước di động qua các kẽ rỗng hai bên vai và qua đất nền tạo thành dòng thấm

Tác hại của dòng thấm:

+ Gây mất nước cho hồ chứa.

+ Gây ra những áp lực tác động lên công trình

+ Gây ra biến dạng đất nền và hai vai công trình

+ Đối với dòng thấm hai vai công trình khi thoát nước ra ở hạ lưu sẽ gây ra hiện tượng làm ngập lụt trong một khu vực rộng lớn ở thượng lưu

I Nhiệm vụ và các phương pháp tính toán

1 Nhiệm vụ: Giải các bài toán thấm dưới đáy công trình cần xác định

- Lưu lượng thấm q

- Áp lực thấm lên bản đáy công trình Wt

- Trị số gradien thấm bình quân toàn miền thấm và cục bộ ở cửa ra để kiểm

tra độ bền thấm của nền J

- Vận tốc thấm V

Căn cứ vào các đại lượng tính toán người thiết kế sẽ xác định được các cách

bố trí các bộ phận của công trình mang tính hợp lý về cả mặt kinh tế và kỹ thuật

II Tính thấm theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng ( sơ đồ hình 1-2 )

Hình 1-2 : Sơ đồ tính thấm theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng

Theo Lence đoạn đường viền thấm thẳng đứng có khả năng tiêu hao cột nước thấm lớn hơn đoạn nằm ngang m lần Chiều dài tính toán của đường

viền thấm xác định theo công thức: n

Trong đó: Ld là chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng và các đoạn

xiên có góc nghiêng so với phương ngang lớn hơn 450

Ln là chiều dài tổng cộng của các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có góc nghiêng so với phương ngang nhỏ hơn 450

m là hệ số phụ thuộc vào số hàng cừ trong sơ đồ đường viền thấm

Ta có:

o Ld = AB + CD + DE + FG + GH

Ld = 0,5 + 6 + 6 + 3,0 + 3,0 = 18,5 ( m )

o Ln = BC + EF

BC2 = L12 + ( t – AB )2 Với t =1,0 m là chiều dày bản đáy

Cột nước thấm tại mỗi điểm cách điểm cuối của đường viền một đoạn dài

tính toán Xtt ( Xtt xác định tương tự như Ltt ) là:

H L

X h

Ltt = 30,5 ( m ) chiều dài tính toán đường viền thấm

Xtt là chiều dài tính toán đường viền thấm tại điểm tính toán, tổng áp lực thấm lên bản đáy công trình là : Xtt = Xd +

b) Áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược:

Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược được tính theo công thức :

W1 = γn.( H2 + t ).L2

Trong đó : γn = 9,81 là trọng lượng riêng của nước

L2 = 15 ( m ) là chiều dài bản đáy công trình

H2 = 3 ( m ) là chiều cao mực nước hạ lưu

t = 1 ( m ) là chiều dày bản đáy công trình

=> W1 = γn.( H2 + t ).L2 = 9,81.( 3 + 1 ).8 = 313,92 ( kN )

c) Kết luận :

• Áp lực thấm dưới đáy công trình phân bố dạng hình thang có :

+ Phương thẳng đứng

+ Chiều hướng vào đáy công trình

+ Điểm đặt tại trọng tâm hình thang

+ Điểm đặt tại trọng tâm hình

+ Độ lớn : W1 = 313,92 ( kN)

2 Tính gradien thấm và lưu tốc thấm bình quân

Trên đoạn đường viền thẳng đứng:

30,5

d tt

H J L

d n

J J m

Jn = 0,095 gradien thấm theo phương ngang

T1- Chiều dày tầng thấm dưới bản đáy cống

Theo phương pháp này chỉ có thể sơ bộ kiểm tra độ bền thấm chung của nền theo công thức: Ltt ≥ C.H

Trong đó:Ltt = 30,5 ( m ) là chiều dài tính toán đườn viền thấm

Vậy chiều dài đường viền thấm đã đủ dài để đảm bảo dộ bền thấm chung

III Tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng ( sơ đồ hình 1-3 )

Với các đường viền thấm phức tạp có hai hay nhiều hàng cừ thì nhà bác học Pavơlôpxki đã dùng phương pháp phân đoạn và Trugarap đã phát triển thành phương pháp hệ số sức kháng

Theo phương pháp này thấm dưới đáy công trình chia thành các đoạn chứa đường viền thấm nằm ngang Đường ranh giới hai bộ phận kề nhau chính là đường thế đi qua giao điểm các đoạn đường viền thẳng đứng và các đoạn đường thẳng nằm ngang

S = 3,0 m2

S1

F G

Hình 1-3 : Sơ đồ tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng

1 Phân đoạn: Dùng các đường thế đi qua các điểm đường viền chuyển tiếp

từ đoạn thẳng đứng sang đoạn nằm ngang hoặc ngược lại để chia miền thấm thành các miền con ( bộ phận ) khác nhau ( các bộ phận 1 , 2 , 3 , 4, 5 như trên hình 1-3 )

2 Xác định hệ số sức kháng của từng bộ phận

a) Bộ phận cửa vào và cửa ra:

- Tại vị trí cửa vào: Do không có cừ, có bậc nên

1 1

5 , 0 5

, 1 44

, 0

T S T S T

S T

a v

−

+ +

+

=ξ

Trong đó: a = 0,5 ( m ) là độ cao của bậc

S = 0 ( m ) là chiều sâu đóng cừ tại cửa vào ( do không có cừ )

T0 = 16,5 ( m ) là chiều sâu của tầng thấm bên ngoài sân phủ

T1 là chiều dày miền thấm dưới đáy sân phủ

75 , 0 1

5 , 0

T S T S

− Trong đó :

S2 = 3,0 m là chiều sâu đóng cừ tại cửa ra

T2 = 16,5 – 1 = 15,5 ( m ) là chiều sâu tầng không thấm tại cửa ra

⇒ ξr = 0,44 + 1,5.15,53 +

3 0,5.

15,5 3

( ) ( ) ( )

1 TB

16,5 0,5 16,5 1 ( 0,5 ) ( 1 )

15,5

0,98 15,75

S 0< 0,19 0,8 T

T 0,5< 0,98 < 1,0

2

1 1

1

75 , 0 1

5 , 0 5

, 1

T S T S T

S T

a g

−

+ +

= 1,5 + 0,86

615,5 1 0,75.

2 1 2 2

2

0,5.( ) 8 0,5.(6 3)

0,23 15,5

Ta thấy: ∑hi= 0,427 + 1,54 + 1,597 + 1,560 + 0,873 = 6 ( m ) = H ( thoả mãn ).

ξTrong đó: K= 2.10-6 ( m/s ) là hệ số thấm của đất nền

Ở đây, ta chỉ tính cho phần bản đáy:

J =

2

.T

K q

Trong đó: q = 3,72.10-6 ( m3/s ) là lưu lượng thấm

K = 2.10-6 ( m/s ) là hệ số thấm của nền

T2 = 15,5 ( m ) là chiều sâu tầng thấm

6 6

6

6 2

3,72.10

0, 24.10 15,5

q T

- Tất cả các đường dòng và đường đẳng thế phải trực giao nhau

- Các ô lưới phải là các hình vuông cong ( các trung đoạn của mỗi ô lưới phải bằng nhau )

- Tiếp tuyến của các đường đẳng thế vẽ từ các điểm góc của đường viền phải trùng với đường phân giác của góc đó

- Các giới hạn của lưới thấm

+ Đường thế đầu tiên: Mặt nền thấm phía thượng lưu

+ Đường thế cuối cùng: Mặt nền thấm phía hạ lưu

+ Đường dòng đầu tiên: Đường viền thấm dưới đáy công trình

+ Đường dòng cuối cùng: Mặt tầng không thấm

Miền thấm giữa 2 đường thế kề nhau gọi là dải

Miền thấm giữa 2 đường dòng kề nhau gọi là ống dòng

Sơ đồ thấm trên hình ( 1- 4 ) có 24 dải và 7 ống dòng

H L

1

2

3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

H i n

H i

H n

m K

H S

5 Kiểm tra độ bền thấm của nền

Có biểu đồ Jra, sẽ kiểm tra được độ bền thấm cục bộ của nền ở cửa ra Vì đất nền cống là cát pha nên khả năng phá hoại do dòng thấm có thể là xói ngầm

cơ học Điều kiện bền thấm của nền khi đó là: J ≤ [J]

Trong đó: J là gradien thấm cục bộ tại cửa ra

[J] là gradient thấm cho phép không xói ngầm, có thể xác định theo biểu đồ của Itômina, theo đó [J] phụ thuộc vào hệ số không đều hạt của đất

Từ các kết quả đã giải được ta thấy các kết quả có sự sai khác nhau Cụ thể

là lưu lượng thấm tính qua ba phương pháp là :

+ Theo phương pháp tỉ lệ đường thẳng : q = 2,987.10-6 ( m2/s )

+ Theo phương pháp hệ số sức kháng : q = 3,72 10-6 ( m2/s )

+ Theo phương pháp vẽ lưới thấm : q = 3,5.10-6 ( m2/s )

Qua tính toán mỗi phương pháp cho một kết quả, vì vậy có thể nói các

phương pháp có sự chính xác tương đối Trường hợp tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng có độ chính xác cao hơn hai phương pháp còn lại

Phương pháp tính thấm bằng cách vẽ lưới sẽ cho phép ta tính được Gradien thấm tại mọi điểm mà hai phương pháp trên không thể tính được, mà chỉ tính được một vị trí Đặc biệt là chỉ có vẽ lưới mới tính được Gradien thấm, cửa

ra ở hạ lưu là nơi mà đất hay bị lở Trường hợp tính toán cho công trình cấp thấp thì có thể sử dụng một trong ba phương pháp, tuy nhiên nếu ta cần sự chính xác thì tính cho cả ba phương pháp rồi lấy kết quả trung bình :