Đồ án công trình thủy

1.1. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 1.1.1. Điều kiện tự nhiên Khu vực công trình nằm trong vùng địa hình dốc trung bình, những dải đồi có chiều cao trung bình trải dài theo hướng BắcNam. Tuyến sống khá thẳng chảy theo hướng Nam Đông Nam – Bắc Tây Bắc. Đầu nguồn sông chảy trong lòng dẫn tương đối rộng với 2 bên bờ sông thấp, lòng sông thu hẹp dần khi đi qua dải đồi, vị trí hẹp nhất của lòng sông có chiều rộng khoảng 2530m. Về phía hạ lưu lòng sông mở rộng dần. Lập bản đồ khi vực xây dựng công trình với tỉ lệ 1:1000, độ chênh cao giữa đường đồng mức chính 10m. Đường đồng mức cao nhất trong khu vực là 110m, thấp nhất là 0m, đáy sông ở cao trình 5m. 1.1.2. Điều kiện khí tượng thủy văn a) Khí hậu lưu vực Các tài liệu về mưa, bốc hơi, nhiệt độ không khí, độ ẩm, gió... được thống kê theo các số liệu đã đo được trong nhiều năm tại các trạm khí tượng thuỷ văn xung quanh khu vực công trình. Nhìn chung, khí hậu lưu vực tương đối thuận lợi cho việc khai thác và công tác thi công công trình. b) Dòng chảy Dòng chảy vào hồ chứa được xác định bằng mô hình tất định mưa – dòng chảy (mô hình TANK), mô hình cho ta chuỗi dòng chảy nhiều năm (20 năm) tại khu vực tuyến công trình. Dựa vào tài liệu dòng chảy lũ tại các trạm thuỷ văn đặt trong lưu vực sông, bằng phương pháp tính toán quy đổi về khu vực tuyến công trình, ta cũng xác định được đường quá trình lũ với các tần suất khác nhau. Bằng phương pháp điều tiết lũ, các giá trị lưu lượng tính toán và lưu lượng kiểm tra qua công trình tháo lũ được xác định: • Qtt =1944 m3s • Qkt = 2973 m3s Vận tốc dòng chảy trong lòng sông luôn nhỏ hơn vận tốc cho phép chống xói tại các mực nước khác nhau.

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY CHƯƠNG PHÂN TÍCH SỐ LIỆU BAN ĐẦU VÀ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 1.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 1.1.1 Điều kiện tự nhiên Khu vực công trình nằm vùng địa hình dốc trung bình, dải đồi có chiều cao trung bình trải dài theo hướng Bắc-Nam Tuyến sống thẳng chảy theo hướng Nam Đông Nam – Bắc Tây Bắc Đầu nguồn sông chảy lòng dẫn tương đối rộng với bên bờ sông thấp, lòng sông thu hẹp dần qua dải đồi, vị trí hẹp lòng sông có chiều rộng khoảng 25-30m Về phía hạ lưu lòng sông mở rộng dần Lập đồ vực xây dựng công trình với tỉ lệ 1:1000, độ chênh cao đường đồng mức 10m Đường đồng mức cao khu vực 110m, thấp 0m, đáy sông cao trình -5m 1.1.2 Điều kiện khí tượng thủy văn a) Khí hậu lưu vực Các tài liệu mưa, bốc hơi, nhiệt độ không khí, độ ẩm, gió thống kê theo số liệu đo nhiều năm trạm khí tượng thuỷ văn xung quanh khu vực công trình Nhìn chung, khí hậu lưu vực tương đối thuận lợi cho việc khai thác công tác thi công công trình b) Dòng chảy Dòng chảy vào hồ chứa xác định mô hình tất định mưa – dòng chảy (mô hình TANK), mô hình cho ta chuỗi dòng chảy nhiều năm (20 năm) khu vực tuyến công trình Dựa vào tài liệu dòng chảy lũ trạm thuỷ văn đặt lưu vực sông, phương pháp tính toán quy đổi khu vực tuyến công trình, ta xác định đường trình lũ với tần suất khác Bằng phương pháp điều tiết lũ, giá trị lưu lượng tính toán lưu lượng kiểm tra qua công trình tháo lũ xác định: • Qtt =1944 m3/s • Qkt = 2973 m3/s Vận tốc dòng chảy lòng sông nhỏ vận tốc cho phép chống xói mực nước khác c) Quan hệ lưu lượng – mực nước hạ lưu Tại hạ lưu tuyến công trình, quan hệ lưu lượng với mực nước xây dựng theo công thức thủy lực chảy lòng sông thiên nhiên dựa số liệu mặt cắt ngang long sông, cắt dọc sông điều tra lũ Bảng giá trị mực nước hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Lưu lượng Q Q tt LƯƠNG HÔNG TRUNG kt 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY 1944 (m / s) 2973 Mực nước (m) 1.1.3 Điều kiện địa chất Dựa sở khảo sát, thăm dò toàn khu vực xây dựng công trình số liệu thu kết thí nghiệm cho thấy địa chất khu vực xây dựng công trình bao gồm lớp đất đá phân bố đồng đều: • Lớp 1: lớp cát vừa với chiều dày 0.5m Trong trường hợp ta bóc lớp đặt công trình lên lớp thứ (phong hoá) • Lớp 2: lớp phong hoá dày 15m dọc theo tuyến công trình xuất vài khe nứt co chiều sâu nứt khoảng từ 2-5m Khi xây dựng công trình cần có biện pháp sử lý khe nứt khoan phun xi măng gia cố chống thấm Địa chất đất thích hợp cho loại đập dâng nước vật liệu địa phương • Lớp 3: lớp sét hệ số thấm nhỏ nên tính chống thấm cho tốt tiêu học bé nên ổn định chống trượt 1.2 NHIỆM VỤ CÔNG TRÌNH Hệ thống công trình đầu mối có nhiệm vụ lợi dụng tổng hợp nguồn nước phân phối lợi ích ngành, phân phối chi phí cho ngành hợp lý sở nâng cao hiệu sử dụng nguồn nước đến mức cao Dự án xây dựng công trình chủ yếu trữ nước cung cấp nước tưới cho vùng nông nghiệp phía hạ lưu công trình, công trình kết hợp thực nhiệm vụ sau: dọc theo tuyến công trình xuất vài khe nứt co chiều sâu nứt khoảng từ 2-5m Khi xây dựng công trình cần có biện pháp sử lý khe nứt khoan phun xi măng gia cố chống thấm • Phát điện • Nuôi trồng thuỷ sản, du lịch, cải tạo môi trường CHƯƠNG CHỌN TUYẾN VÀ BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH 2.1 CHỌN TUYẾN Trong việc thiết kế xây dựng cụm công trình đầu mối, vấn đề chọn tuyến đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng định đến kết cấu cách bố trí công trình cụm đầu mối, ảnh hưởng đến điều kiện thi công quản lý, khai thác, đến hiệu ích dự án công trình cuối đến giá thành dự án Tuyến hệ thống công trình đầu mối sông đồ án bố trí công trình hệ thống đập dâng nước, công trình tháo lũ, công trình lấy nước 2.1.1 Nguyên tắc chọn tuyến LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY 2.1.2 • Theo điều kiện địa hình nên chọn tuyến vùng có thung lũng hẹp để có khối lượng nhỏ cần phải đủ chỗ để bố trí công trình • Theo điều kiện địa chất, tuyến công trình nên có địa chất phù hợp với loại công trình để đảm bảo ổn định toàn công trình (lún, trượt, độ bền), phải đảm bảo yêu cầu chống thấm tốt quanh bờ • Theo điều kiện thi công, vùng tuyến cần có đủ mặt bố trí công trình phụ trợ phục vụ cho công tác xây dựng công trình • Đảm bảo dẫn dòng thi công thuận lợi • Gần vị trí có sẵn mỏ vật liệu đáp ứng yêu cầu xây dựng • Theo điều kiện vận hành: điều kiện vận hành thuận tiện, chi phí vận hành nhỏ • Theo điều kiện môi trường, di dân tái định cư: giảm thiểu tối đa mức ngập lụt đất canh tác, di dân, đền bù ít, bảo tồn giá trị văn hoá • Có hiệu tổng hợp cao Chọn tuyến xây dựng công trình Chiều rộng đáy sông vào mùa kiệt chỗ hẹp vào khoảng 129.27m, bố trí tuyến chiều dài tuyến khoảng 455m Tuyến áp lực chọn vị trí tựa vào hai bờ, có chiều dài tuyến nhỏ, đủ bố trí công trình đầu mối tiện dẫn dòng thi công Phía thượng hạ lưu tuyến có độ dốc nhỏ hơn, thuận lợi cho việc bố trí công trình phụ trợ cho trình thi công 2.2 BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH 2.2.1 Nguyên tắc chung bố trí công trình • Yêu cầu quản lý kỹ thuật: Mỗi công trình hệ thống phải thoả mãn điều kiện làm việc đồng thời không làm ảnh hưởng đến công trình khác Khi bố trí cần ý đến điều kiện thuỷ lực dòng vào, dòng tránh việc xói lở bờ, vấn đề tháo vật nổi, tháo phù sa… loại công trình, đập tràn, nhà máy thuỷ điện, công trình lấy nước… • Điều kiện kỹ thuật: Công trình thiết kế phải đảm bảo ổn định, độ bền, kích thước công trình tháo đảm bảo đáp ứng yêu cầu khả tháo, nối tiếp thượng hạ lưu, chế độ làm việc, vận hành bình thường • Điều kiện kinh tế kỹ thuật: Giá thành công trình phải nhất, hiệu đầu tư cao Bố trí công trình phải tận dụng vật liệu, lao động, tài nguyên khác Như cần tận dụng vật liệu địa phương, ứng dụng loại kết cấu xây dựng công công trình • Điều kiện kỹ thuật thi công: Hình dạng kết cấu cách bố trí công trình cần tiện lợi cho việc tổ chức thi công thời gian ngắn cần đặc biệt lưu ý đến phương pháp dẫn dòng thi công thuận LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY lợi Chú ý lợi dụng công trình phục vụ cho thi công đê quai, đường hầm… làm công trình hệ thống • 2.2.2 Những điều kiện khác: Ngoài yêu cầu điều kiện bố trí công trình cần ý đến điều kiện mỹ thuật, kiến trúc tạo cảnh quan đẹp hài hoà Cần ý biện pháp công trình cho hư hỏng quan sát sửa chữa Bố trí công trình Trên sở phân tích số liệu ban đầu bình đồ khu vực xây dựng, điều kiện địa chất, điều kiện thi công sơ bố trí công trình sau • Đập dâng nước vật liệu địa phương bố trí toàn tuyến • Công trình tháo lũ dạng đường tràn tháo lũ bố trí hai bê bờ, song khu vực bờ trái dự kiến bố trí công trình lấy nước nên bố trí công trình tháo lũ bên bờ phải hợp lý Tuyến đường tràn xác định dựa vào yếu tố thuỷ lực độ dốc cho phép đường tràn đất • Công trình lấy nước bố trí thân đập, nối tiếp sau hệ thống kênh dẫn nước chạy dọc theo bờ sông • Khu phụ trợ (trạm trộn, lán trại, khu tập kết vật liệu ) bố trí hai bên bờ phía hạ lưu CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐẬP DÂNG 3.1 CHỌN LOẠI ĐẬP DÂNG NƯỚC Theo điều kiện địa hình khu vực tuyến công trình rộng tương đối thoải thuận lợi cho việc thi công xây dựng công trình đập dâng nước VLĐP Hơn nữa, địa chất công trình có lớp lớp phong hoá dày 15m, lớp sét nên việc xây dựng đập dâng BTTL không khả thi, phù hợp loại đập dâng VLĐP Đập dâng nước đập VLĐP, vào địa chất phương án chọn loại đập đề xuất: • Đập cuội sỏi, đá thải có lớp chống thấm • Đập đá đổ có lớp chống thấm a) Đập cuội sỏi, đá thái có lớp chống thấm Ưu nhược điểm bật việc lựa chọn đập cuội sỏi, đá thái: • Ưu điểm: • Tận dụng nguồn vật liệu nhiều mỏ vật liệu số (cuội sỏi) nguồn vật liệu rẻ tiền (đất, đá thải) • Đối với đập thấp kết cấu đập dạng thích hợp LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY • Nhược điểm: • Việc xử lý chống thấm cho đập phức tạp b) Đập đá đổ có vật chống thấm Uu nhược điểm bật việc lựa chọn đập đá đổ: • Ưu điểm: • Mái dốc nhỏ, thể tích đập nhỏ so với dạng đập khác • Tính ổn định mái dốc cao • Nhược điểm: • Trọng lượng đập lớn Qua phân tích ưu nhược điểm phương án đập trên, thấy rằng: Địa chất tuyến công trình đá cứng không thích hợp với đập đất; phương án đập cuội sỏi, đá thải đồng chất hợp lý nhất, phương án lựa chọn là: “ĐẬP ĐÁ CÓ LỚP CHỐNG THẤM” 3.2 XÁC ĐỊNH CẤP CÔNG TRÌNH Cấp công trình số quan trọng định lớn đến kích thước, giá thành công trình Cấp công trình xác định dựa vào yếu tố sau: • Loại đập, chiều cao đập, đập • Năng lực công trình (diện tích tưới) • Dung tích hồ chứa Do diện tích tưới nên ta xác định cấp công trình theo yếu tố: loại đập, chiều cao đập, loại Cao trình đỉnh đập sơ xác định theo công thức: ∇ dd = MNLN + d (3-1) • d: Độ vượt cao đỉnh đập so với MNTL Để xác định cấp công trình theo chiều cao đập sơ lấy d = 2m • MNTL = MNKT = 45.8m ∇ = 45.8 + = 47.2(m) Ta có dd Chiều cao đập lớn trường hợp đập lớp số H max = ∇ dd − CTDS = 47.8 − (− 5) = 52.8( m) Theo bảng 2.2 (trang 5, TCXDVN-285-2002) Nền đập đá chiều cao 52.8m nên cấp công trình cấp III LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY 3.3 THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG ĐẬP DÂNG 3.3.1 Tính toán thông số sóng xác định cao trình đỉnh đập a) b) Số liệu ban đầu dùng tính toán MNDBT 43m Cao trình đáy sông -5m MNKT 45.8m Hệ số mái dốc thượng lưu m1 MNC 21.5m Kiểu gia cố mái dốc thượng lưu Đá lát khan T 21600s Góc hướng gió với trục đập a 00 Mực nước thượng lưu MNDBT=48m MNKT=45.8m Cột nước trước đập H(m) H1=48m H2=50.8m Đà gió D (m) D = 6475m D = 6906.7m Vận tốc gió W W10%=34.533m/s[1] W50%=25.9m/s Xác định cao trình đỉnh đập CTĐ Đ dlun Đường mực nước hồ dềnh gió d h MNTL a hsl Dh l/2 Hình 3.3.1.1.b.1.1 LƯƠNG HÔNG TRUNG Sơ đồ tính toán cao trình đỉnh 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY đập ∇ dd = MNTL + d (3-3) d = ∆ h + hs1 + a Ta tính cho trường hợp: ∇ dd1 = MNDBT + d1; d1 = ∆ h1 + hs11 + a1 (3-4) ∇ dd2 = MNKT + d ; d = ∆ h2 + hs12 + a2 Trong đó: • ∆ h1 , ∆ h2 • hs11, hs12 : Chiều cao sóng leo ứng với MNDBT MNKT • a1, a2 : Độ dềnh mực nước gió ứng với MNDBT MNKT : Độ vượt cao an toàn ứng với MNDBT MNKT c) Xác định độ dềnh mặt nước gió ∆ h Độ dềnh mực nước gió xác dịnh theo công thức: ∆h = 2.10 −6.W D cos α g.H (3-5) Lần lượt thay số vào ta có: • ∆ h1 = 0.038m trường hợp MNDBT ∆ h = 0.0218m • trường hợp MNKT d) Xác định chiều cao sóng leo (hsl) theo quy phạm Xác định thông số sóng khu nước sâu cho hai trường hợp: MNDBT MNKT (3-6)    w2   h1 = 0,16 1−  g   g D −3   + 6.10 w2   (3-7)       ÷ w2   ÷ h2 = 0,16 1− 0.635   ÷ g   + 1, 04.10−3  g t ÷ ÷    w   LƯƠNG HÔNG TRUNG  ÷ ÷ ÷ ÷        1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY ⇒ h = { h1; h2 } (3-8) Trong đó: W: vận tốc gió(m/s) D: đà gió (m) T: thời gian phát triển gió t=6h g.τ λ= 2π (3-9) 0.625 w  g.h  τ = 19,5  ÷ gw  So sánh chọn lấy giá trị h, t h 1.81 1.37 λ 36.71 39.93 Chiều cao sóng leo lên mái dốc có tần suất i% tính theo công thức sau: hsl=K1.K2.K3.K4.hi% (3-10) Trong • K1, K2: Hệ số phụ thuộc vào độ nhám vật liệu gia cố mái tra theo bảng • K3: Hệ số phụ thuộc tốc độ gió w hệ số mái dốc thượng lưu m tra theo bảng • K4: Hệ số phụ thuộc độ dốc sóng, lấy theo đồ thị hi%: chiều cao sóng tính toán ứng với tần suất i% tính theo công thức: hi = Ki % h • Trường hợp tính sóng leo lấy i=1% • Ki% Được tra theo đồ thị hình ứng với đường cong 1% Hệ số K1 K2 K3 K4 Ki h1% hsl MNDBT (hsl1) MNKT (hsl2) 1 0.9 0.9 1.4 1.4 1.71 2.20 2.01 2.02 3.63 2.76 7.82 7.65 e) Xác định độ vượt cao an toàn Công trình thuộc cấp III Theo bảng 4.1 14TCN-157-2005 ta có độ vượt cao an toàn: Trường hợp tính toán LƯƠNG HÔNG TRUNG MNDBT=43 MNKT=45.8 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Độ vượt cao an toàn a (m) 1.2 0.3 Kết tính toán cao trình đỉnh đập ghi bảng sau: Trường hợp tính toán MNDBT=43m MNKT=45.8m Cao trình đỉnh đập (m) 51.48m 54.12m Cao trình đỉnh đập max giá trị Tăng thêm độ an toàn cho đập ta chọn cao trình đỉnh đập 54.5m 3.3.2 Thiết kế mặt đập (Tính cho hai trường hợp) Lựa chọn hình dạng, kích thước hình thức gia cố mặt đập phải dựa yêu cầu: điều kiện làm việc; đảm bảo điều kiện ổn định đập, yêu cầu giao thông., yêu cầu thi công Trong trường hợp đặc biệt cần phải xét đến an ninh quốc phòng có chiến tranh xảy • • Theo yêu cầu cấu tạo điều kiện thi công chiều rộng nhỏ mặt đập theo công thức: Bmin = 0,1.Hđ = 0,1*63 = 6.3m (3-12) Hđ: chiều cao đập Hđ = CTDĐ-CTĐS=54.5-(-5)=59.5m • Đối với yêu cầu thi công: Chiều rộng mặt đập phụ thuộc vào kích thước máy thi công phạm vi hoạt động nó, nghĩa chiều rộng mặt đập phải đảm bảo cho máy móc sử dụng trình thi công đập công trình khác hệ thống dễ dàng Chiều rộng đỉnh đập tối thiểu Bmin=5m • Theo yêu cầu giao thông ta lựa chọn chiều rộng đỉnh khoảng 10-12m Từ yêu cầu ta chọn chiều rộng mặt đập giá trị B ta chọn B=10m Mặt đập sử dụng làm đường giao thông phục vụ cho giao thông nên mặt đường dải lớp bê tông atphalt Để nước mặt đập (do mưa) dễ dàng chảy xuống, mặt đập cần làm dốc hai phía với độ dốc 2% Dọc theo hai phía mặt đập, cần xây dựng trụ lan can cọc sắt để đề phòng tai nạn cho xe người lại 3.3.3 Thiết kế hình dạng mái dốc kích thước đập (Tính cho trường hợp) a) Mái dốc Chọn mái dốc đập phải đảm bảo yêu cầu ổn định trường hợp khai thác thi công Mái dốc thượng lưu thường xuyên chịu tác dụng áp lực nước, áp lực sóng, giảm đột ngột mực nước, áp lực va đập vật Mặt khác đặc trưng vật liệu: góc ma sát j, lực dính đơn vị C bị giảm đất bão hoà nước gần toàn LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY khu mái dốc thượng lưu, mái dốc thượng lưu thường chọn thoải so với mái dốc hạ lưu Khi xác định mái dốc đập ta dựa vào yếu tố như: loại đập, chiều cao đập, lực tác dụng, đặc tính đất xây dựng đập, đặc tính nền, điều kiện thi công, điều kiện khai thác dựa vào kinh nghiệm đập xây dựng làm việc tốt với điều kiện chiều cao, loại đập địa chất Đối với đập dâng công trình đập đồng chất, vật liệu đắp đập đá đổ ta chọn hệ số mái dốc: • Mái thượng lưu: m1=1.5 • Mái hạ lưu: m2=2 b) Cơ đập Cơ đập đoạn nằm ngang mái dốc có tác dụng tăng thêm ổn định cho mái dốc, thu thoát nước mưa mái dốc, lại để theo dõi, kiểm tra đập thời gian khai thác Ngoài đập có tác dụng phục vụ thi công đặt máy móc Thông thường 15 – 20m người ta làm cơ, thượng lưu thường đặt thấp mực nước chết đoạn 2h1%, chiều rộng b = 3m để đảm bảo thi công giới dễ dàng Phía hạ lưu đặt cơ thứ cao trình 20m thứ ta đặt cao trình 40m Phía thượng lưu đặt cơ, thứ cao trình 10m thứ ta đặt cao trình 30m 3.3.4 Kết cấu chống thấm đập đá đổ Chiều dày tối thiểu tường lõi không nhỏ 3m Chiều rộng đáy không nên nhỏ ¼ chiều cao cột nước tường lõi, chiều dày tường lõi phải thỏa mãn điều kiện độ bền chống thấm theo biểu thức: δ≥ - Z [ J ] cp Trong thực tế, thường xác định chiều dày đỉnh sau vẽ mái dốc thường m=0.2-0.5 kéo dài xướng tới đáy, sau kiểm tra lại điều kiện δ  Chọn chiều dày tường đỉnh 8m • Chọn mái dốc VCT 0.4, với chiều cao tường đỉnh 50.8m t có chiều dày tường đáy 51m Kiểm tra: δ≥ Z 43 − 0.9 = = 8.42 => TM [ J ] cp Đỉnh tường lõi sau đạt độ lún cuối phải cao mực nước dâng bình thường có kể sóng leo độ dềnh gió không thấp mực nước lũ thiết kế cộng với chiều cao an toàn Chiều cao an toàn chiều cao từ mực nước lũ thiết kế hồ chứa tới đỉnh tường chống thấm Đối với công trình cấp 3, VCT tường lõi theo TC 14TCN157-2005 ta có chiều cao an toàn 0.4m Như đỉnh tường lõi nằm cao trình 50.85m LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY 3.3.5 Tính toán thiết kế tầng lọc ngược • Tầng lọc ngược (TLN) lớp độ nối tiếp tầng đất hạt nhỏ bảo vệ với tầng đất hạt lơn Nhiệm vụ chủ yếu ngăn tượng sói ngầm đất hạt nhỏ cần bảo vệ với tầng đất hạt lơn, tham gia nhiệm vụ gia tải chống tượng đùn đất • Do hạn chế đồ án môn học ta chọn tầng lọc ngược theo cấu tạo không tính toán chi tiết đường kính hạt lớp: Tầng lọc ngược gồm lớp bố trí khu vực chuyển tiếp lớp gia cố thượng lưu lớp chuyển giao VCT với thân đập: • Lớp sỏi đệm t=1m • Lớp cát chuyển tiếp t=1m CHƯƠNG TÍNH TOÁN THẤM VÀ KIỂM TRA ỔN ĐỊNH MÁI ĐẬP 4.1 TÍNH TOÁN THẤM Do có chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập, nên xuất dòng chảy qua thân đập đập qua lỗ rỗng hạt đất, dòng chảy gọi dòng thấm Sự xuất dòng thấm qua đập gây nên tổn thất lưu lượng tính bền vững công trình Do thiết kế xây dựng đập đất, việc đánh giá thấm khâu quan trọng thiếu Tính thấm qua thân đập nhằm giải vấn đề sau đây: 4.1.1 • Xác định lưu lượng thấm qua thân đập, bờ để đánh giá tổn thất nước tính toán cân nước hồ chứa • Xác định đường bão hoà để bố trí vật liệu thân đập đánh giá ổn định mái dốc • Xác định Gradient thấm để tính toán xói ngầm chung xói ngầm cục vùng nguy hiểm đáy công trình nơi dòng thấm vào vật thoát nước hay hạ lưu Các trường hợp tính toán thấm Trong tính toán thấm ta cần tính thấm cho trường hợp sau: • Thượng lưu MNDBT hạ lưu MN thấp • Thượng lưu MNGC hạ lưu MN cao • Thượng lưu từ MNDBT giảm xuống MNC hạ lưu có MN thấp LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY 4.1.2 Phương pháp tính toán thấm Tính toán thấm qua công trình thuỷ lực nghiên cứu thấm nước môi trường rỗng nói chung thường ba phương pháp: • Phương pháp học chất lỏng • Phương pháp gần • Thuỷ lực học • Phương pháp số (Sai phân, PTHH ) • Phương pháp thực nghiệm Khi tính toán thấm qua đập VLĐP, phương pháp đơn giản thường sử dụng phương pháp thuỷ lực học Trong tính toán thấm qua đập đất, phương pháp thuỷ lực học dựa vào định luật chuyển động nước ngầm môi trường xốp, định luật Darcy: V=KJ (4-1) • V: Vận tốc thấm • K: Hệ số thấm môi trường thấm • J: Gơrađiêng thấm Dựa định luật Darcy, để xác định lưu lượng thấm vẽ đường bão hoà thấm đập VLĐP, công thức áp dụng rộng rãi công thức Duypy với hai giả thiết bản: Hình 4.1.2.1.a.1.1 • Độ dốc thuỷ lực (Gradient) J số • Các đường dòng gần song song nằm ngang Các đường gần song song thẳng đứng Sơ đồ tính toán theo công thức Duypy LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY q h12 − h22 = K 2L • Trong đó: • q: Lưu lượng thấm • K: Hệ số thấm môi trường thấm • h1: Cột nước thấm mặt cắt trước • h2: Cột nước thấm mặt cắt sau • L: Chiều dài đoạn tính toán Đối với đoạn vào đoạn dòng thấm qua đập VLĐP, độ đốc thuỷ lực dốc có biến đổi, việc áp dụng công thức Duyp không xác, cần sử dụng phương pháp khác biến đổi tương đương đoạn dạng áp dụng công thức Duypy 4.1.3 Tính toán thấm Tính toán thấm đồ án tính cho trường hợp: • Thượng lưu MNDBT(=43m) hạ lưu MN thấp (MNHLmin=0m) • Thượng lưu MNKT(=45.8m) hạ lưu MNHL Max (=0.9m) 4.2 TÍNH TOÁN KIỂM TRA ỔN ĐINH MÁI ĐẬP DÂNG NƯỚC Đối với đập đất vấn đề ổn định thường xảy dạng trượt hai mái thượng lưu hạ lưu Khi thiết kế đập, hệ số mái dốc thường xác định theo kinh nghiệm, không tránh khỏi lựa chọn không hợp lý đặc điểm điều kiện tự nhiên đặc điểm kết cấu công trình khác nhau, công trình cụ thể cần có tính toán M 4.2.1 Trường hợp tính toán Tính toán ổn định mái dốc đập đất thường tiến hành trường hợp tính toán sau đây: • Trường hợp xây dựng công trình xây dựng xong mà thượng lưu chưa có nước • Trường hợp công trình xây dựng xong nước chứa phần hồ chứa • Trường hợp khai thác: • Khi thượng lưu MNDBT hạ lưu mực nước thấp • Khi thượng lưu MNGC hạ lưu ứng với lưu lượng tháo thượng lưu có mực nước cao • Khi mực nước thượng lưu hạ thấp đột ngột LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Tính toán ổn định mái dốc dùng phương pháp dựa giả thiết mặt trượt có dạng vòng cung có dạng mặt phẳng gãy khúc Phương pháp tính toán dựa giả thiết mặt trượt vòng cung dùng để tính toán cho trường hợp thực tế, phương pháp tính toán dựa giả thiết mặt trượt gãy khúc dùng trường hợp mái dốc gồm nhiều lớp đất có độ vững khác có tầng đất yếu 4.2.2 Phương pháp tính toán Cho đến tính toán ổn định mái dốc có nhiều phương pháp: Cân vật thể mái dốc; Mặt trượt gãy khúc; Mặt trượt trụ tròn; Mặt trượt qua khu vực có hệ số ổn định nhỏ thông qua tính toán trạng thái ƯS&BD v.v Từ năm 1916, sau kỹ sư Petterson người Thụy Điển đề xuất đánh giá ổn định mái dốc theo giả thiết “Mặt trượt trụ tròn”, tính riêng theo phương pháp có nhiều tác giả nghiên cứu, mà đại diện Terzaghi, Fellenius, Florin,Nhichiporivich, Trugaev, Taylor, Bishop, Janbu, Spencer v.v dựa vào việc cân cột đất tính toán mặt trượt, phương trình dùng phương trình Mohr-Coulomb a) Phương pháp phân cột đất tính toán ổn định mái đất Trong phương pháp phân cột đất, khối lượng đất phân thành cột đất thẳng đứng, cột đất đánh số thứ tự từ đến n tính từ đáy cung trượt (Hình 4-5) Như cột đất có mặt bên mặt cắt đứng, điểm mặt bên mặt trượt Đáy cột đất mặt trượt giả định Hình 4.2.2.1.a.1.1 Sơ đồ chia cốt đất theo phương pháp mặt trượt trụ tròn Tách riêng cột đất, xét lực tác dụng lên cột đất trường hợp tổng quát ( Hình 4-3) LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Sơ đồ lực tác dụng tổng quát lên cột đất tính toán Hình 4.2.2.1.a.1.2 • Trong đó: • áp lực đất lên biên cột đất En+1, En • áp lực nước lên biên cột đất Wn, Wn+1 • áp lực khe rỗng lên mặt trượt Pn.Ln • Lực ma sát theo biên cột đất Tn,Tn+1 • ứng suất pháp sn ứng suất tiếp tn Mỗi cột đất chia thành mảnh đất khác vùng vật liệu khác nhau: mái đất, đường bão hoà, MNHL, mặt trượt.v.v (Hình 4-4) Mỗi mảnh đất có tiêu lý khác theo giới hạn biên vùng LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Hình 4.2.2.1.a.1.3 Sơ đồ chia mảnh cột đất tính toán • b : chiều rộng cột đất • Gn=(gn+qn) : trọng lượng cột đất có kể đến thành phần trọng lượng qn khối nước cột đất • , Zj - Dung trọng chiều cao mảnh cột đất tương ứng thứ j; • qn - Trọng lượng nước phía mái dốc cột đất : qn = go.hw.b; • go - Trọng lượng riêng nước; • hw - Chiều cao trung bình cột nước cột đất; • jmn, Cmn - Góc ma sát lực dính mảnh đất thứ m (mảnh đất cột đất n mặt trượt); • pn - áp lực khe rỗng áp lực thấm Wf trình cố kết hoàn thành (tđà) Pn = hn.go.b; • hn - Cột nước đo từ đáy cột đất đến đường bão hoà (trường hợp có lưới thấm cột nước đo áp); • Ln - Chiều dài mặt trượt cột đất thứ n Ln= b/cosan; • Wtl, Whl- áp lực nước nằm ngang tác dụng lên phần cung trượt mái dốc thượng, hạ lưu: • atl, ahl - cánh tay đòn tương ứng Khi tính cho mái thượng lưu Wtl=+Wtl, Whl=-Whl; Khi tính cho mái hạ lưu Wtl=-Wtl, Whl=+Whl ; LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY • D - Tải trọng đặt phần mái dốc tính toán; • d - Cánh tay đòn tải trọng D lấy với tâm trượt O ; • Sn - Lực động đất cột đất thứ n; ; • Kc - Hệ số động đất (Phụ thuộc vào cấp động đất); • ynj, yc - Toạ độ trọng tâm mảnh đất thứ j đập; • anj - Cánh tay đòn lực động đất Sn lấy với tâm trượt O Ứng suất tiếp cột đất thứ n ( thành phần ma sát ) xác định phương trình Coulomb: τ n = ( σ n − pn ) tgϕ nm + Cnm = σ on tgϕ nm + Cnm Lực bị động ( thành phần chống cắt ): Tn = σ o tgϕ nm Ln + Cnm Ln Lực chủ động ( thành phần gây trượt ) Ta = Gn sin α n Gn Là trọng lượng cột đất thứ n Các phương pháp tính khác cách xác định trị số so=(sn-pn) - ứng suất hiệu với sơ đồ lực tác dụng khép kín, không khép kín, đặc biệt xét tới áp lực khe rỗng p Giả sử chia thành n cột đất số ẩn số chưa biết cao nhiều so với số phương trình có được, cần giả thiết sinh nhiều phương pháp tính toán khác b) Phương pháp Terzaghi • Giả thiết phương pháp: • Khi ổn định khối đất trượt lúc theo mặt trượt trụ tròn; • Hệ số ổn định xét cho toàn khối đất; • Các lực tương tác cột đất: En+1, En; Wn, Wn+1; Xn, Xn+1 tự cân bỏ qua; • áp lực khe rỗng coi ngoại lực tác dụng vuông góc với mặt cung trượt LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Hình 4.2.2.1.b.1.1 Sơ đồ lực tác dụng lên cột đất theo PP Tezaghi • Công thức tính toán: Công thức Terzaghi kể đến ngoại lực, áp lực nước thượng, hạ lưu tổ hợp tải trọng (THCB) K= ∑ ( G cos α − p L ) tgϕ + ∑ C L d a a ∑ G sin α ± D R ± W R ± W R n n n n n n nm tl tl nm n hl hl c) Phương pháp Terzaghi – Florin Florin cho , áp lực khe rỗng thường nhỏ cột nước thấm đo từ đường bảo hòa đến mặt trượt, đặc biệt đoạn đường bảo hòa có độ dốc lớn, nên xác định áp lực khe rỗng theo Terzaghi hệ số ổn định K thường cho kết thiên nhỏ, theo quan niệm Florin, Ông giả thiết áp lực khe rỗng tác dụng vào đáy cung trượt không pháp tuyến với mặt trượt, mà có phương ngược chiều so với trọng lượng thân cột đất Gn • Giả thiết phương pháp: • Khi ổn định khối đất trượt lúc theo mặt trượt trụ tròn • Hệ số ổn định xét cho toàn khối đất trượt • Các lực En+1, En; Wn, Wn+1; Xn, Xn+1 tự cân bỏ qua • áp lực khe rỗng coi ngoại lực tác dụng vào mặt cung trượt có phương ngược chiều so với trọng lượng thân cột đất Gn LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Sơ đồ lực tác dụng lên cột đất theo PP Terzaghi – Florin Hình 4.2.2.1.c.1.1 • Công thức tính toán Công thức Terzaghi - Florin kể đến ngoại lực, áp lực nước thượng, hạ lưu tổ hợp tải trọng (THCB): + ∑ Cnm Ln atl a ± Whl hl n n tl R R d) Phương pháp "áp lực trọng lượng" R.R.Trugaev Phương pháp áp lực trọng lượng cho kết qủa có sai số không đáng kể so với công thức xác, tính đơn giản nên áp dụng quy phạm số nước có Việt Nam K= • ∑ ( G − P b ) cosα tgϕ d ∑ G sin α ± D R ± W n n n nm Giả thiết phương pháp: • Khi ổn định khối đất trượt lúc theo mặt trượt trụ tròn • Hệ số ổn định xét cho toàn khối đất trượt • Các lực En+1, En; Wn, Wn+1; Xn, Xn+1 tự cân bỏ qua • áp lực thấm tác dụng nội lực, tham gia vào thành phần trọng lượng cột đất vào thành phần gây trượt • Phần áp lực thấm kể đến trọng lượng khối đất bão hòa nước phạm vi từ đường bão hoà đến mực nước hạ lưu LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Hình 4.2.2.1.d.1.1 Sơ đồ lực tác dụng lên cột đất theo R.R.Trugaev • Công thức tính toán: Công thức R.R.Trugaev kể đến ngoại lực, áp lực nước thượng, hạ lưu tổ hợp tải trọng (THCB): K= ∑ G cos α tgϕ ∑ G sin α ' n n " n + ∑ Cnm Ln d n ± D R nm • Gn' = h1γ + h2γ 2' + h3γ 3' + h4γ 4' + h5γ 5' • Gn" = h1γ + h2γ 2" + h3γ 3' + h4γ 4' + h5γ 5' • h1, h2, h3, h4, h5 chiều cao mảnh cột đất ( hình 4-6) • Gn" = h1γ + h2γ 2" + h3γ 3' + h4γ 4' + h5γ 5' • γ dung trọng đất khô đất tự nhiên • γ 2" dung trọng đất trạng thái bảo hòa, nằm đường bão hòa nằm đường mực nước hạ lưu LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY γ ' ,γ ' ,γ ' ,γ ' e) • dung trọng đất trạng thái đẩy Phương pháp Bishop đơn giản • Giả thiết phương pháp: • Khi ổn định khối đất trượt lúc theo mặt trượt trụ tròn; • Bỏ qua thành phần lực đứng (X) lực tương tác cột đất; • Hệ số hiệu chỉnh cột đất; Hình 4.2.2.1.e.1.1 Sơ đồ lực tác dụng lên cột đất theo PP Bishop đơn giản • Công thức tính toán: Công thức Bishop kể đến ngoại lực, áp lực nước thượng, hạ lưu tổ hợp tải trọng (THCB): ∑ ( G − p b ) tgϕ + C b  m K= ∑ G sin α ± Dd ± W a ± W a n n nm nm ' n n m = cos α n + sin α n 4.2.3 tl ' tl hl ' hl tgϕ nm K Xác định tâm trượt nguy hiểm Trong thực tế mái dốc bị trượt trượt theo mặt trượt định gọi mặt trượt nguy hiểm Nhưng công thức xác xác định vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất, mà phải xác định qua loạt cung trượt, so sánh hệ số ổn định trượt K cung trượt chọn hệ số Kmin cung trượt nguy hiểm Miền tâm cung trượt nguy hiểm xuất xác định theo ba phương pháp: a) Phương pháp thứ (M.M.Xô-côn-xki) LƯƠNG HÔNG TRUNG 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Mặt trượt mái dốc ăn sâu xuống thường không 1,5h tâm trượt thường nằm vùng giới hạn hai đường thẳng đứng thẳng góc với mái dốc qua điểm trung tâm mái dốc hình 4-12 Bán kính cung trượt phụ thuộc hệ số mái dốc đập chiều sâu mặt trượt Tỷ số R/h lấy theo bảng 6-9 [tr145, 1] b) Phương pháp thứ hai (Phanđêep) Tâm trượt mái dốc nằm giới hạn hình quạt làm hai đường thẳng qua trung tâm mái dốc: đường thẳng đứng đường làm với mái dốc góc 85o Hai cung hình quạt có bán kính R1 R2 lấy theo bảng 6-10 [tr146, 1] Sơ đồ xác định miền tâm trượt nguy hiểm c) Phương pháp thứ ba Xác định điểm S nằm mặt đập độ sâu 2H cách điểm B đoạn nằm ngang 4,5H Từ hai điểm A B vẽ hai đường thẳng Aa Bb mà phương chúng xác định hai góc b1 b2 (lấytheo bảng 6-10 [tr146, 1] Hai đường Aa Bb cắt điểm S1 Nối SS1 kéo dài ta có phạm vi tâm trượt nguy hiểm nằm vung lân cận đoạn thẳng S1 Hình 4.2.3.1.b.1.1 Hình 4.2.3.1.c.1.1 LƯƠNG HÔNG TRUNG Sơ đồ xác định tâm trượt nguy hiểm 1321070687 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY Để giảm nhẹ khối lượng tính toán nhanh chóng xác định trị số hệ số ổn định nhỏ phối hợp với phương pháp thứ hai để tìm tâm trượt nguy hiểm d) Hệ số ổn định cho phép Trong thiết kế, sau xác định trị số hệ số ổn định nhỏ mái dốc thực tế cần đem so sánh với hệ số ổn định cho phép công trình Phải đảm bảo điều kiện : Kmin => [K] • [K] hệ số ổn định cho phép: ( tra theo bảng đây) Khi hệ số ổn định chống trượt Kmin