Đồ án môn học thủy công

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 cụm công trình đầu mối vùng núi có đập ngăn sông bê tông Các tài liệu thiết kế sau: Các mực nước cao trình - Cao trình đáy đập ( chỗ thấp ): +100 - MNDBT hồ: Xem bảng A - Cao trình bùn cát ( CTBC ) lắng đọng: +108 - Mực nước hạ lưu: +105 Tài liệu mặt cắt đập ( xem hình A ) - Cao trình đỉnh đập = MNDBT + 5m - Đỉnh phần mặt cắt ( hình tam giác ) ngang MNDBT - Bề rộng đỉnh: b = ( m ); đáy B = 0,8 Hd với Hd chiều cao mặt cắt - Phần hình chiếu mái thượng lưu mặt bằng: nB ; n = 0,2( xem hình vẽ ) - Đập có chống thấm sát mép thượng lưu - Hệ số cột nước lại sau chống thấm α = 0,5 - Vật liệu thân đập có dung trọng γb = 2,4 T/ m b 5m MNDBT τ Hd CTBC = 108 MNHL = 105 100 (1-n)B nB Mµn chèng thÊm Hình A : Sơ đồ mặt cắt đập Bảng A – Số liệu tập phần lực Đề số MNDBT ( m ) V ( m/s ) D ( km ) 148 25 5,0 3.Các tài liệu khác - Tốc độ gió tính toán: V ; Chiều dài truyền sóng: D ( ứng với MNDBT ); xem bảng A - Thời gian gió thổi liên tục: - Vùng xây dựng có động đất cấp 8; ( K = - Các tiêu bùn cát lắng đọng: γk = 20 ) 1,0 T/ m ; nb = 0, 45 ; γ bh = 10 ; II Các yêu cầu tính toán Xác định yếu tố sóng bình quân • Sóng có mức bảo đảm : P = 1% ( h , λ , τ , hs1% ) • Độ dềnh cao sóng η s Vẽ giản đồ áp lực sóng lên mặt đập thượng lưu Tính trị số áp lực tác dụng sóng nằm ngang ( pmax ) mô men vói đáy đập ( M max ) – Tính cho mét dài đập Xác định ( trị số, phương, chiều, điểm đặt ) vẽ tất lực tác dụng lên mét dài đập ( trường hợp MNDBT, có động đất ) B TÍNH THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH I Tài liệu: Các cống B C có sơ đồ kích thước hình B, hình C bảng B Nền cống đát cát pha ( đồng đẳng hướng ) có tiêu sau: γ k = 1,55 T/ m ; n = 0,35; K = 2.10−6 ( m / s ) ; ϕk = 20 ; C=0; η= d 60 = 15 ; d 50 = d10 0,15 m II Yêu cầu tính toán Dùng phương pháp tính thấm học ( tỷ lệ đường thẳng, hệ số sức kháng đồ giải ) để xác định lưu lượng thấm q , vẽ biểu đồ tính tổng áp lực đẩy ngược lên đáy cống, tính gradien thấm bình quân gradient thấm cục cửa So sánh kết giải phương pháp nêu cho nhận xét Kiểm tra khả ổn định thấm nêu biện pháp xử lý (nếu cần) a- Nếu kết cấu đường viền thấm không đổi hệ số thấm K thay đổi kết tính toán thay đổi nào? b- Nếu kết cấu đường viền thấm không đổi chênh lệch cột nước H thay đổi kết tính toán thay đổi nào? Nếu cống xây dựng vùng triều (làm việc chiều) chênh lệch cột nước đổi chiều ( giả sử trị số tuyệt đối H không đổi ) kết tính toán sử dụng được, sao? Các kết cấu đường viền thấm có cần thay đổi không, sao? Z1 Z2 A 0,00 0,5 m 1m B F H G C E S1 T D L1 S = 3,0 m L2 Hình B: Sơ đồ cắt dọc cống B Bảng B – Số liệu tập phần thấm Đề số Sơ đồ L1( m ) 53 B 17,0 L2 (m) 8,5 S1 ( m ) Z1( m ) 7,0 8,0 Z2 (m) 2,5 T(m) 15,5 PHẦN – BÀI LÀM A-TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH I Xác định yếu tố sóng Có nhiều công thức khác để xác định đặc trưng song Ở trình bày cách tính theo quy phạm hành QPTL C1-78, theo xác định yếu tố sóng trung bình ( h , λ , τ ) sóng có mức đảm bảo P% (theo đề ra, P =1%) Các yếu tố sóng trung bình Cần phân biệt hai trường hợp: Sóng nước sâu ( H1 ≤ λ ) Vì ban đầu chưa biết λ H1 > λ ) sóng nước nông ( nên giả thiết sóng nước sâu để tính Trường hợp sóng nước sâu: Sử dụng đồ thị hình P2-1 ( phụ lục ) - Tính giá trị không thứ nguyên gt V gD V2 Trong đó: g = 9,81 gia tốc trọng trường ( m/ s ) t = = 21600 giây thời gian gió thổi liên tục ( giây ) V = 25 ( m/s ) vận tốc gió tính toán ( m/s ) D = 5,0 ( km ) = 5000 ( m ) chiều dài truyền sóng Thay giá trị vào ta được: − − gh gt 9,81.21600 = 0,079 g τ = = 8476 • V Tra đồ thị P2-1 ta được: V ; v = 3,9 25 (1) − • gD 9,81.5000 = = 78,5 V2 252 Tra đồ thị P2-1 ta được: − gh = 0, 016 g τ V2 = 1, 49 ; v (2) So sánh kết ( ) ( ) ta chọn kết nhỏ ( ) ứng với − gD = 78,5 V2 gh = 0,016 ; V ; − gτ =1, 49 v Từ giá trị ta xác định chiều cao sóng trung bình − h chu kỳ sóng − trung bình τ − - Chiều cao sóng trung bình h là: g h  V2 252 h =  ÷ = 0, 016 ≈ 1, 02 ( m ) 9,81 V  g − − - Chu kỳ sóng trung bình τ  − gτ ÷ V 25 τ = = 1, 49 ≈ 3,8 ( s )  V ÷g 9,81   − - Bước sóng trung bình xác định theo công thức gτ 9,81.3,82 λ= = ≈ 22,55 (m) 2π 2.π - Từ kiểm tra điều kiện sóng nước sâu giả thiết ban đầu H1 > λ Ta có mực nước dâng trước hồ : Ta thấy H1 = H d = ∇MNDBTĐáy −∇ λ 20, H1 = 48 ( m ) > = = 10 ( m ) 2 = 148 − 100 = 48 m ( ) Vậy thỏa mãn điều kiện sóng nước sâu ( giả thiết ) Vậy sóng tác dụng lên công trình sóng nước sâu với thông số sau: + Bước sóng là: λ = 22,55 ( m ) + Chu kì sóng là: τ = 3,8 ( s ) Chiều cao sóng mức bảo đảm i%: Xác định theo công thức: hi % = ki % h ( 1- 2) Trong ki % tra theo đồ thị hình P2-2 ( phụ lục ) Với i = 1% ta có công thức xác định chiều cao sóng là: Trong đó: h h1% = k1% .h chiều cao sóng trung bình ( h = 1,02 m ) k1% Tra theo đồ thị hình P2-2 với p = 1% gD = 78,5 ⇒k1% = 2, V2 ⇒ h1% = 2, 4.1,02 = 2, 44 ( m) Độ dềnh cao sóng Xác định theo công thức: ηs =kη h1% Trong : h1% - chiều cao sóng ứng với mức bảo đảm 1% kηs tra đồ thị hình P2-4 s λ Để tra giá trị kηs ta tính giá trị H h1% λ ( 1-3 ) λ Ta có H1 = 22, 55 = 0, 47 48 ; h1% λ = 2, 44 = 0,1 22, 55 Tra P2-4a ta được: ⇒ kη = 1, 22 thay vào công thức (1-3) ta được:η s = s 1,22.2,44=2,97(m) Ta có bảng kết H1 ( m) 48 h1% ( m) 2,44 h( m) 1,02 ηs ( m) 2,97 λ( m) 22,55 τ (m) 3,8 b nB/2 5m hs τ W1 H H1 W2 WS W6 Wd O M max W s H1 h3 W8 G α W7 m'h2/3 Fd 100 (1-n)B nB W5 B/2 Wth B/3 Hình 1-1 : Sơ đồ lực tác dụng lên đập W3 β W4 h2 Wth = γ n hE + hF L2 ⇒ Wth = 9,81 1,97 + 1,18 ≈ 123, 61 ( kN ) b) Áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược: Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược tính theo công thức : W1 = γn.( H2 + t ).L2 Trong : γn = 9,81 trọng lượng riêng nước L2 = 15 ( m ) chiều dài đáy công trình H2 = ( m ) chiều cao mực nước hạ lưu t = ( m ) chiều dày đáy công trình => W1 = γn.( H2 + t ).L2 = 9,81.( + ).8 = 313,92 ( kN ) c) Kết luận : • Áp lực thấm đáy công trình phân bố dạng hình thang có : + Phương thẳng đứng + Chiều hướng vào đáy công trình + Điểm đặt trọng tâm hình thang + Độ lớn : Wth= 123,61 ( kN ) • Áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược đáy công trình phân bố dạng hình chữ nhật có: + Phương thẳng đứng + Chiều hướng vào đáy công trình + Điểm đặt trọng tâm hình + Độ lớn : W1 = 313,92 ( kN) Tính gradien thấm lưu tốc thấm bình quân Trên đoạn đường viền thẳng đứng: Jd = + Gradien thấm : H = ≈ 0,19 Ltt 30,5 + Lưu tốc thấm bình quân : Vd = K.Jd Với K = 2.10-6 ( m/s ) hệ số thấm đất => Vd = K.Jd = 2.10-6.0,19 = 0,38.10-6 ( m/s ) • Trên đoạn đường viền nằm ngang: Jn = J d 0,19 = = 0, 095 m Gradien thấm : Lưu tốc thấm bình quân : Vn = K.Jn = 2.10-6.0,095 = 0,19.10-6 ( m/s ) Tính lưu lượng thấm: Khi chiều dài đáy lớn, tính lưu lượng thấm đơn vị theo công thức: q = K.Jn T1 Trong đó: K = 2.10-6 ( m/s ) hệ số thấm Jn = 0,095 gradien thấm theo phương ngang T1- Chiều dày tầng thấm đáy cống T1 = TTB = (T − 0,5) + (T − 1) (16,5 − 0,5) + (16,5 − 1) = = 15, 25 ( m ) 2 -6 -6 => q = 2.10 0,095.15,25 = 2,897 10 ( m /s ) Vậy lưu lượng thấm : q = 2,987 10-6 ( m2/s ) Kiểm tra độ bền thấm nền: Theo phương pháp sơ kiểm tra độ bền thấm chung theo công thức: Ltt ≥ C.H Trong đó:Ltt = 30,5 ( m ) chiều dài tính toán đườn viền thấm H = ( m ) cột nước thấm C hệ số phụ thuộc tính chất đất ; tra bảng P3-1 ( phụ lục ) ta có C = => C.H = 4.6 = 24 ( m ) => Ltt = 30,5 ( m ) > C.H = 24 ( m ) Vậy chiều dài đường viền thấm 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 đường viền thấm phức tạp có hai hay nhiều hàng cừ nhà bác học Pavơlôpxki dùng phương pháp phân đoạn Trugarap phát triển thành phương pháp hệ số sức kháng Theo phương pháp thấm đáy công trình chia thành đoạn chứa đường viền thấm nằm ngang Đường ranh giới hai phận kề đường qua giao điểm đoạn đường viền thẳng đứng đoạn đường thẳng nằm ngang Z1 H H1 Z2 A H2 0,00 0,5 m t =1 m B S0 = T C T1 F E T2 D L1 S = 3,0 m G S1 H L2 W1 ( H2 + t ) h5 h4 h3 H W th h2 h1 Hình 1-3 : Sơ đồ tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng Phân đoạn: Dùng đường qua điểm đường viền chuyển tiếp từ đoạn thẳng đứng sang đoạn nằm ngang ngược lại để chia miền thấm thành miền ( phận ) khác ( phận , , , 4, hình 1-3 ) Xác định hệ số sức kháng phận a) Bộ phận cửa vào cửa ra: - Tại vị trí cửa vào: Do cừ, có bậc nên ξv = 0,44 + a S +1,5 + T0 T1 0,5 S T1 − 0,75 S T1 Trong đó: a = 0,5 ( m ) độ cao bậc S = ( m ) chiều sâu đóng cừ cửa vào ( cừ ) T0 = 16,5 ( m ) chiều sâu tầng thấm bên sân phủ T1 chiều dày miền thấm đáy sân phủ 0, ⇒ξv =0, 44 + =0, 47 16, - Tại vị trí cửa ra: Do có cừ, bậc nên 0,5 S2 ξ r = 0,44 + 1,5 T + S2 T2 − 0,75 S2 T2 Trong : S2 = 3,0 m chiều sâu đóng cừ cửa T2 = 16,5 – = 15,5 ( m ) chiều sâu tầng không thấm cửa ⇒ ξr = 0,44 + 1,5 + 15,5 15,5 − 0, 75 15, 0,5 ≈ 0,84 b) Bộ phận ( phận hình 1-3 ) Với điều kiện: 0,5 ≤ T2 ≤ 1,0 T1 Với : S1 = ( m ) T2 = T – = 15,5 ( m ) 0≤ S2 ≤ 0,8 T2 T1 = TTB = ( T − 0,5 ) + ( T − ) ( 16,5 − 0,5 ) + ( 16,5 − = 2  S2 =  T 15,5 ≈ 0,39  ⇒ Vậy ta thấy:  T2 = 15,5 ≈ 0,98  T1 15, 75 ) = 15, 75 Vậy hai điều kiện thoả mãn nên: 0,5 S1 T2 a1 S +1,5 + S T1 T2 −0,75 T2 Ở phận bậc, có cừ ⇒ a1 = ; S1 = ( m ) 6 15,5 ξ g = 1,5 + ≈ 0,86 15,5 − 0,75 15,5 0,5 c) Bộ phận nằm ngang S1 + S2 + = = 4,5 ( m ) 2 S + S2 = 4, ( m ) • Ta thấy L2 = ( m ) > Ta có Vậy ξn = m )  S2 0< T ≈ 0,19 < 0,8  ⇒ điều kiện  T 0,5< 0,98 < 1,0  T1 thoả mãn ξg = ( L2 −0, ( S1 + S2 ) T2 Với T2 = 15,5 ( m ) chiều dày thấm nằm S1, S2 L2 − 0,5.( S1 + S2 ) − 0,5.(6 + 3) = ≈ 0, 23 T2 15,5 S + S1 + = = 3( m) Ta thấy L1= 16 ( m ) > 2 L − 0, ( S0 + S1 ) ξn1 = T1 ⇒ ξ n2 = • Vậy Với T2 = TTB = 15,75 ( m ) chiều dày thấm nằm S0, S1 S0 = cừ AB ⇒ξn1 = L1 − 0, ( S0 + S1 ) 16 − 0, ( + ) = ≈ 0,83 T1 15, 75 Tính áp lực thấm - Cột nước thấm tổn thẩt qua phận xác định theo công thức: hi = ξi H ∑ ξi Trong đó: ξi : Hệ số sức kháng phận xét H : Cột nuớc thấm ∑ξi : Tổng hệ số sức kháng toàn hệ thống ∑ ξi = ξn2 + ξn1 + ξr + ξg + ξv ∑ ξi = 0,23 +0,83 + 0,84 + 0,86 + 0,47 = 3,23 + Tại phận cửa vào: hv = ξv H ∑ξ i hv = 0,47 3, 23 = 0,873 ( m ) + Tại phận cửa ra: hr = ξ r H ∑ξi h r = 0,84 3, 23 = 1,560 ( m ) H hg = ξg ∑ξi +Bộ phận giữa: 3, 23 h g = 0,86 +Bộ phận nằm ngang:hn = ξn = 1,597 ( m ) H ∑ξ i  h n1 = 0,83 3, 23 = 1,54 ( m )  h n2 = 0,23 3, 23 = 0,427 ( m ) Nhận xét: Ta thấy: ∑hi= 0,427 + 1,54 + 1,597 + 1,560 + 0,873 = ( m ) = H ( thoả mãn ) Ta có: hF = hr = 1,560 ( m ) hE = hr+ hn2 = 1,560 + 0,427 = 1,987 ( m ) Tổng áp lực thấm: Wth = γ n hE + hF L 2 => Wth = 9,81 1, 560 +1, 987 ≈ 169,18 ( kN/m ) - Ngoài áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược lên đáy tính phương pháp nêu Tính lưu lượng thấm: Theo phương pháp này, lưu lượng thấm đơn vị xác định theo công thức: q =K H ∑ξ i Trong đó: K= 2.10-6 ( m/s ) hệ số thấm đất H = ( m ) cột nước thấm ∑ξ i = 3, 23 tổng hệ số sức kháng toàn miền thấm => q = 2.10-6 3, 23 = 3,72 10-6 ( m2/s ) Tính gradient thấm: Theo phương pháp phân đoạn này, xác định trị số J V bình quân đoạn miền thấm Còn để tìm J V cục bộ, cần sử dụng phương pháp khác Ở đây, ta tính cho phần đáy: J= q K T2 Trong đó: q = 3,72.10-6 ( m3/s ) lưu lượng thấm K = 2.10-6 ( m/s ) hệ số thấm T2 = 15,5 ( m ) chiều sâu tầng thấm J= 3, 72.10 −6 = 0,12 2.10−6.15, Xác định lưu tốc thấm bình quân: q 3, 72.10−6 = 0, 24.10−6 ( m/s ) V= = T2 15, IV Tính thấm theo phương pháp vẽ lưới Xây dựng lưới thấm: Lưới thấm xây dựng phương pháp vẽ dần Để kiểm tra độ xác luới thấm cần dựa vào điều kiện sau: - Tất đường dòng đường đẳng phải trực giao - Các ô lưới phải hình vuông cong ( trung đoạn ô lưới phải ) - Tiếp tuyến đường đẳng vẽ từ điểm góc đường viền phải trùng với đường phân giác góc - Các giới hạn lưới thấm + Đường đầu tiên: Mặt thấm phía thượng lưu + Đường cuối cùng: Mặt thấm phía hạ lưu + Đường dòng đầu tiên: Đường viền thấm đáy công trình + Đường dòng cuối cùng: Mặt tầng không thấm Miền thấm đường kề gọi dải Miền thấm đường dòng kề gọi ống dòng Sơ đồ thấm hình ( 1- ) có 24 dải ống dòng J tb J tb1 J tb2 J tb3 J tb4 H H1 L1 L2 H2 t E 24 F S1 S2 A 23 B 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 ( H2+ t ) h N h E Hình 1-4 : Sơ đồ lưới thấm biểu đồ áp lực ngược lên đáy cống Jtb5 Xác định áp lực thấm Gọi n số dải lưới thấm Cột nước tổn thất qua dải là: ∆H = Trong : H n n = 24 số dải thấm, H = ( m ) cột nước thấm ⇒ ΔH = = 0,25 ( m ) 24 Cột nước thấm điểm x cách đường cuối i dải ( i số thập phân x không nằm đường lưới ) là: hx = i H = i.∆H n Từ ta có cột nước thấm điểm E,F : hE = 12,8.0,25 = 3,2 ( m ) hF = 8,5.0,25 = 2,13 ( m ) Từ ta tính áp lực thấm lên đáy công trình : Wt = γ n hE + hF 3, + 2,13 L2 = 9,81 .8 = 209,15 2 ( kN / m ) Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên đáy công trình: Wtt = γ n ( Z + t ) L2 = 9,81 ( + 1) = 313,92 ( kN / m ) Xác định lưu lượng thấm Theo lưới thấm vẽ ta có ống dòng Lưu lượng thấm đơn vị là: q =K m H n Trong đó: m số ống dòng m = n số dải thấm n = 24 K = 2.10-6 ( m/s2 ) lưu lượng thấm đơn vị H = ( m ) cột nước thấm Thay giá trị vào ta có : q = 2.10-6 = 3,5.10-6 ( m2/s ) 24 Xác định gradient thấm Gradien thấm ô lưới có trung đoạn ∆S là: J TB = ∆H H = ∆S n.∆S Dựa vào sơ đồ lưới thấm vẽ ta thấy ống dòng cửa có ΔS1 = 3,18 m ; ΔS2 = 3,26 m ; ΔS3 = 3,50 m ; ΔS4= 3,82 m ; ΔS5 = 3,96 m 0, 25 ⇒ J TB1 = 3,18 ≈ 0, 079 J TB2 = 0, 25 ≈ 0, 076 3, 26 J TB3 = 0, 25 ≈ 0, 071 3,50 J TB4 = 3,82 ≈ 0, 065 J TB5 = 0, 25 ≈ 0, 063 3,96 Kiểm tra độ bền thấm Có biểu đồ Jra, kiểm tra độ bền thấm cục cửa Vì đất cống cát pha nên khả phá hoại dòng thấm xói ngầm học Điều kiện bền thấm là: Trong đó: J ≤ [J] J gradien thấm cục cửa [J] gradient thấm cho phép không xói ngầm, xác định theo biểu đồ Itômina, theo [J] phụ thuộc vào hệ số không hạt đất η= d 60 = 15 d10 Tra hình P3-1 ta có: [J]=0,375 > J Vậy điều kiện độ bền thấm thoả mãn IV SO SÁNH CÁC KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT Từ kết giải ta thấy kết có sai khác Cụ thể lưu lượng thấm tính qua ba phương pháp : + 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 phương pháp cho kết quả, nói phương pháp có xác tương đối Trường hợp tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng có độ xác cao hai phương pháp lại Phương pháp tính thấm cách vẽ lưới cho phép ta tính Gradien thấm điểm mà hai phương pháp tính được, mà tính vị trí Đặc biệt có vẽ lưới tính Gradien thấm, cửa hạ lưu nơi mà đất hay bị lở Trường hợp tính toán cho công trình cấp thấp sử dụng ba phương pháp, nhiên ta cần xác tính cho ba phương pháp lấy kết trung bình : qtb = q1 + q2 + q3 ( 2,987 + 3,72 + 3,5 ) −6 = 10 ≈ 3, 41.10 −6 3 ( m / s) Do trị số gradien thấm phương pháp tính khác khác nên ta không so sánh ... d 50 = d10 0,15 m II Yêu cầu tính toán Dùng phương pháp tính thấm học ( tỷ lệ đường thẳng, hệ số sức kháng đồ giải ) để xác định lưu lượng thấm q , vẽ biểu đồ tính tổng áp lực đẩy ngược lên đáy... B: Sơ đồ cắt dọc cống B Bảng B – Số liệu tập phần thấm Đề số Sơ đồ L1( m ) 53 B 17,0 L2 (m) 8,5 S1 ( m ) Z1( m ) 7,0 8,0 Z2 (m) 2,5 T(m) 15,5 PHẦN – BÀI LÀM A-TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH... Fd 100 (1-n)B nB W5 B/2 Wth B/3 Hình 1-1 : Sơ đồ lực tác dụng lên đập W3 β W4 h2 II Xác định lực tác dụng lên công trình ( theo toán phẳng ) Áp lực thủy tĩnh: Tác dụng mặt thượng hạ lưu đập, bao