ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY: THIẾT kế đập dâng

CHƯƠNG 1. 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 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 5m. Đường đồng mức cao nhất trong khu vực là 240m, thấp nhất là 215m, đáy sông ở cao trình 210m. 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. 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 =2268m3s • Qkt = 3063 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 GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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 5m Đường đồng mức cao khu vực 240m, thấp 215m, đáy sông cao trình 210m 1.1.2 a) Điều kiện khí tượng thủy văn 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 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 = 2268m3/s • Qkt = 3063 m3/s Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG Vận tốc dòng chảy lòng sông nhỏ vận tốc cho phép chống xói mực nước khác b) 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 1.1.2.1.b.1 Lưu lượng (m / s) Bảng giá trị mực nước hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Qtt Qkt 2263 3063 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 thô vừa với chiều dày 0.5m Trong trường hợp ta bóc lớp đặt công trình lên lớp thứ (dăm cuội) Lớp 2: lớp đá granit dày 30m hệ số thấm lớn nên cần có biện pháp chống thấm Lớp 3: Lớp đá điorit 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: Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG • 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 • 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 2.1.2 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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 lợi Chú ý lợi dụng công trình phục vụ cho thi công đê quai, đường hầm… làm công trình hệ thống • 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 2.2.2 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG • 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 đá vôi dày 40m, lớp đá granit 60m 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 đồng chất sét • Đập cuội sỏi, đá thải có lớp chống thấm • Đập đá đổ có chống thấm a) Đập đồng chất sét: Ưu nhược điểm bật việc lựa chọn đập đất đồng chất: • Ưu điểm: - Tận dụng vật liệu đắp đập chỗ, khu vực xây dựng có nhiều đất sét, cự ly gần, có đặc trưng lý tốt - Nước ta có nhiều đập đất sét đồng chất xây dựng nên loại đập có ưu điểm có nhiều kinh nghiệm thiết kế thi công • Nhược điểm: - Mái dốc lớn, dẫn đến hố móng rộng - Thi công phụ thuộc nhiều vào yếu tố thời tiết - Xử lý thoát nước thân đập khó khăn, đặc biệt khó khăn xử lý chống động vật đào hang (chuột, mối) b) Đập cuội sỏi, đá thái có lớp chống thấm Ưu nhược điểm bật việc lựa chọn đập cuội sỏi, đá thái: • Ưu điểm: Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG - 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 • Nhược điểm: Việc xử lý chống thấm cho đập phức tạp c) Đập đá đổ có vật chống thấm Ưu 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 đập sét đồng chất hợp lý nhất, phương án lựa chọn là: “ĐẬP ĐÁ ĐỔ CÓ CHỐNG THẦM BẰNG TƯỜNG NGHIÊNG SÂN TRƯỚC” 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 = 47.9m Ta có Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG ∇ dd = 47.9 + = 49.9(m) Chiều cao đập lớn trường hợp đập lớp số H max = ∇ dd − CTDS = 49.9 − 20 = 29.9(m) Theo bảng 2.2 (trang 5, TCXDVN-285-2002) Nền đập đá chiều cao 29.9m nên cấp công trình cấp III 3.3 THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG ĐẬP DÂNG 3.3.1 Tính toán thông số sóng xác định cao trình đỉnh đập a) Số liệu ban đầu dùng tính toán MNDBT 46m Cao trình đáy sông 20m MNKT 229.5m Hệ số mái dốc thượng lưu m1 MNC 47.9m Kiểu gia cố mái dốc thượng lưu Đá lát khan T 21600s Góc hướng gió với trục đập a 00 Mực nước thượng lưu b) MNDBT=46m MNKT=47.9m Cột nước trước đập H(m) H1=28m H2=29.5m Đà gió D (m) D = 5736m D = 6120m Vận tốc gió W W10%=30.6m/s[1] W50%=22.95m/s Xác định cao trình đỉnh đập CTĐĐ Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG dlun a Đường mực nước hồ dềnh gió d hsl h MNTL Dh l/2 Hình 3.1 Sơ đồ tính toán cao trình đỉnh 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 : Độ dềnh mực nước gió ứng với MNDBT MNKT hs11, hs12 : Chiều cao sóng leo ứng với MNDBT MNKT a1, a2 c) : Độ vượt cao an toàn ứng với MNDBT MNKT 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: Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY ∆ h1 = 0.014m trường hợp MNDBT ∆ h2 = 0.008m d) GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG trường hợp MNKT 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    ÷ ÷ ÷ ÷        ⇒ 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 =21600s g.τ λ= 2π (3-9) 0.625 w  g.h  τ = 19,5  ÷ gw  So sánh chọn lấy h 0.782 0.588 h, t λ 16.92 13.68 giá trị Chiều cao sóng leo lên mái dốc có tần suất i% tính theo công thức sau: Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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 MNDBT (hsl1) 0.9 1.5 MNKT (hsl2) 0.9 1.1 e) Xác định độ vượt cao an toàn K4 Ki h1% hsl 2.5 2.6 2.08 2.1 1.65 1.23 5.57 3.17 Công trình thuộc cấp III Theo bảng 4.1 14TCN-157-2005 ta có độ vượt cao an toàn Trường hợp tính toán MNDBT=46m MNKT=47.9m Độ vượt cao an toàn a (m) 0.7 0.2 Kết tính toán cao trình đỉnh đập ghi bảng sau: Trường hợp tính toán MNDBT=46m MNKT=47.9m Cao trình đỉnh đập (m) 51.07m 51.27m Cao trình đỉnh đập max giá trị Ta chọn cao trình đỉnh đập 55m 3.3.2 Thiết kế mặt đập (Tính cho hai trường hợp) Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY • • • • GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG Bê tông atphan Kim loại Gỗ Chất dẻo Ở ta chọn VCT tường nghiêng với vật liệu là: Đất sét b) Thiết kế thông số tường nghiêng Tường nghiêng sét có J = 4-6m Ta có tỉ số H/b= 2-10 => b = 1.8m-9m với b chiều dày trung bình tường nghiêng • Chọn chiều dày tường nghiêng đỉnh là: b1 = 2.5m • Chiều dày tường nghiêng đáy đập : b2 = 10m c) Kết cấu phần sân trước Các kết cấu chống thấm phần sân trước đập đá đổ sử dụng để giảm lưu lượng thấm, loại bỏ biến dạng thấm nền, hạ thấp đường bão hòa chuyển động thấm vòng quanh hai đầu đập Ngoài ra, kết cấu chống thấm có tác dụng loại trừ khiếm khuyết không phát giai đoạn điều tra khảo sát địa chất công trình Loại kết cấu chống thấm lựa chọn xác định vào điều kiện địa chất loại kết cấu chống thân đập Ở ta chọn phương pháp bóc bỏ lớp trầm tích mỏng bề mặt sử dụng vật liệu sét Ta chọn kích thước phần sân trước sau: • Chiều dài: LS = (3 ÷ 5)H = 30 ÷ 50m - Với H độ chênh cột nước trước sau công trình Ta chọn Ls = 40m • Chiều dày lớp sân trước: theo yêu cầu thi công cấu tạo, với đất sét đầu sân td ≥ 0.5 ÷ 1m , cuối sân chỗ tiếp giáp với đáy tc ≥ 1m Ta chọn td=1m ; tc=1.5m 3.3.6 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 • Ở 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: Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY - GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG Lớp sỏi đệm t=0.3m Lớp cát chuyển tiếp t=0.3m 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: • 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 4.1.1 • • • • 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 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 15 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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: • 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 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 16 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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(=46m) • Thượng lưu MNKT(=47.9m) 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 kiểm tra ổn định trượt mái 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 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 17 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY 4.2.2 GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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 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) Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 18 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG Sơ đồ lực tác dụng tổng quát lên cột đất tính toán 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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 ; 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); Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 20 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY • • GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 21 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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 cosα − p L ) tgϕ + ∑ C L d a a ∑ G sin α ± D R ± W R ± W R n n c) n n n n nm tl tl nm n hl hl 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 22 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG Sơ đồ lực tác dụng lên cột đất theo PP Terzaghi – Florin • Công thức tính toán Công thức Terzaghi - Florin kể đến ngoại lực, áp lực nước thượng, hạ lưu tổ hợp tải trọng (THCB): K= ∑ ( G − P b ) cos α tgϕ d ∑ G sin α ± D R ± W n n d) n n n + ∑ Cnm Ln atl a ± Whl hl R R nm tl 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 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 23 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG • Phần áp lực thấm kể đến trọng lượng khối đất bão hòa nước phạm vi từ đường bão hoà đến mực nước hạ lưu 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): ∑ G cos α tgϕ K= ∑ 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 24 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY • GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG γ 2" dung trọng đất trạng thái bảo hòa, nằm đường bão hòa nằm đường mực nước hạ lưu • e) γ 2' , γ 3' , γ 4' , γ 5' 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; 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 25 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG 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) 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 Nguyễn văn thắng - Lớp Xây Dựng Hạ Tầng Cơ Sở - K58 - MSSV: 13210179 26 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY GVHD: TH.S BÙI ANH THẮNG Sơ đồ xác định tâm trượt nguy hiểm 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