Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi

TÀI LIỆU THAM KHẢO - BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THỦY VĂN CÔNG TRÌNH CỦA TRƯỜNG CĐ THUỶ LỢI BẮC BỘ

PhầnI : Nhiệm vụ bài tập lớn.

(m/24h) [σ]kg/cm2

C (T/m2)

Kiểm tra ổn định của đập:-Kiểm tra ổn định trợt phẳng.-Kiểm tra ổn định lật.

-Kiểm tra ổn định trợt của mái dốc theo phơng pháp trợt cung tròn.

Phần II : Nội dung tính toán.

Chơng1 :

Thiết kế đập bêtông trọng lực.

Số liệu :

- Mực nớc thợng lu : H1 = 26,5- Mực nớc hạ lu : H2 = 0

- Trọng lợng riêng của tờng : đ = 2,4 m3

- Hệ số thấm của nền : Kn = 0,001m/24h- Lực dính : C = 2 T/m2

- Hệ số ma sát f = 0,6

- Chiều sâu tầng không thấm : T = 9 m

A Cơ sở lí thuyếtI Thiết kế mặt cắt đập

th-Điều kiện kinh tế: đảm bảo điều kiện khối lợng công trình là nhỏ nhất.

II Xác định bè dày đế đập theo điều kiện ứng suất

- Xét 1 đoạn đập có chiều dài 1m, tiết diện ngang là ABC, chiều cao h,chiều rộng đáy B Hình chiếu mái TL là nB, hình chiếu mái HL là (1-n)B, MN TLngang đỉnh đập, HL đập không có nớc Các lực tác dụng lên đập gồm có:

Trong đó:

G - tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt ngangM0 - tổng mô men các lực thẳng đứng đối với điểm O

γ (1−n )+n(2−n)−α1]=0

 −γ1

γ +2−2 n=0

Trờng hợp này bề rộng đáy đập tính theo công thức

Khi 1 = 0, trờng hợp không có áp lực thấm thì bề rộng b nhỏ hơn áp lựcthấm dới nền, khối lợng vật liệu giảm từ 10 - 25% Vì vậy cần có biện pháp chốngthấm dới đáy công trình để làm giảm áp lực thấm.

III Xác định chiều dày đế đập theo điều kiện ổn định trợt:

Điều kiện tối thiểu để đảm bảo ổn định là:kC.W1 = f.G

Trong đó:

f - hệ số ma sát giữa đập và đất nềnkC - hệ số an toàn của đập.

Nhận xét: từ kết quả tính b nh trên, nếu áp lực thấm nhỏ thì bề rộng đế đậptheo điều kiện cờng độ quyết định, nếu áp lực thấm thì bề rộng đế đập theo điềukiện ổn định khống chế.

Với nền đá có hệ số ma sát nhỏ, để thỏa mãn điều kiện ổn định trợt thì bềrộng đế đập phải tăng nhiều đồng thời mái TL phải nghiêng ( n > 0) Vì vậy để tăngcờng ổn định ngời ta đào móng nghiêng về phía TL.

KC=∑G cos β+∑W sin β

∑G cos β−∑W sin βf

IV Phơng pháp tỉ lệ đờng thẳng (phơng pháp kéo dài đờng chu vi thấm)

- Nguyên tắc: kéo dài toàn bộ chu vi thấm dới đáy công trình thành đờngnằm ngang

- Sau khi kéo dài chu vi thấm thành đờng nằm ngang, từ điểm 12 ta dóng lêncột nớc H = H1 - H2 Vì tổn thất cột nớc tỉ lệ bậc nhất với chiều dài đờng viền nên tanối điểm O với điểm 1.

- Muốn tìm áp lực thấm tại 1 điểm nào đó ta kẻ 1 đờng thẳng góc với đờng12-1 Cột nớc thấm tại 1 điểm cách mép HL đờng viền 1 đoạn x là:

hx= xLttH

Trong đó:Ltt > C.HLtt = Ld + Ln/m

Ld - chiều dài tổng cộng các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên so với đờngnằm ngang có góc > 450

Ln - chiều dài tổng cộng của đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có góc so vớiphơng nằm ngang < 450

C - hệ số phụ thuộc vào tính chất của đất nền đợc tra bảng 3.2/GT Thủycông.

m - hệ số tiêu hao cột nớc trên các đoạn thẳng đứng hoặc nằm ngang Hệ sốnày lấy theo sơ đồ đờng viền thấm dới đáy công trình

Khi có 1 hàng cừ: m = 1 - 1,5Khi có 2 hàng cừ: m = 2 - 2,5Khi có 3 hàng cừ: m = 3 - 3,5

B Điều kiện áp dụng

I Xác định bề dày của đập theo điều kiện ứng suất :

Ta thiết kế cho đập tràn nớc.

1 Cao trình đỉnh đập

ĐĐ = MNTL  ĐĐ = 26,5 m

Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao là 28m và chiều rộng đáy là B.Hình chiếu mái thợng lu là nB, hình chiếu mái hạ lu là (1-n)N.

3 Xác định chiều rộng của đập theo điều kiện ứng suất

ứng suất theo phơng thẳng đứng tác dụng lên một mặt cắt ngang của đập cóthể xác định theo công thức nén lệch tâm

6 ∑M0B2

Trong đó

G = W2 + G - Wt

W2: áp lực nớc thẳng đứng tác dụng lên mái đập thợng lu ( = 0)G : Trọng lợng bản thân công trình

Wt : áp lực đẩy nổi dới đáy đập∑G=γ1B h

Vậy ứng suất theo phơng thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập :

6∑M0B2

Các giá trị trên đều nhỏ hơn cờng độ bê tông về khả năng chịu kéo và nén.

II Xác định đáy đập theo điều kiện ứng suất

Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trợt, theo điều kiện tốithiểu để đảm bảo ổn định của đập

kc.W1=f ∑G

Trong đó

f : Hệ số ma sát giữa đập và nền(= 0,7)kc : Hệ số an toàn ổn định của đập ( = 1)G : Tổng các lực tác dụng lên mặt cắt

W1 : áp lực nớc nằm ngang tác dụng lên mái đập thợng lu

 W1 = 351,1 T

Trờng hợp n0 = 0, 1 = 0,5, kc = 1, đ = 2,4T/m3 thì lấy B = 0,75h  B = 0,75.28 = 21 m

 Đập ổn định.

III Tính lu lợng thấm theo phơng pháp tỉ lệ đờng thẳng

Đối với nền cát, không có tầng lọc ngợc ở hạ lu, lấy J = 0,2

Ltt > C.H

IV Xác định tải trọng tác dụng lên công trình

Tải trọng tác dụng lên 1m dài công trình gồm có: tải trọng do sóng, trọng ợng nớc đè, trọng lợng bản thân đập, áp lực đẩy nổi, áp lực nớc.

P2 - áp lực sóng tơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h = 7m

 P2 = 2,3

knb - Hệ số xác định theo bảng 2.4 với

7 =2,14 ta có knb= 1,5.kno - Hệ số xác định theo công thức:

λ+m.(0,028−1,15.hλ )

h (0 ,47+0 ,23λh)

m2=7 (0 , 47+0 ,23 157 )

109 =7,5

B =

Thay A, B và m=3 vào công thức trên ta có z2= 4,99 m.Xác định các khoảng cách li:

l1=0,0125L ;l2=0,0265L ; l3=0,0325L ; l4=0,0675L Với L=

m λ

Ta có W2 = 0,5 W1 = 175,56T.3) Trọng lợng nớc đè

W3 =1

2.26,5.3.26,5=1053,4T

3 Xác định trọng lợng bản thân công trình:

Sau khi đã vẽ đợc đờng bão hoà để thiên về an toàn ta coi đờng bãohoà là đờng thẳng từ thợng lu tới hạ lu Công trình có một phần bị đẩy nổi do ngậpnớc và một phần không bị đẩy nổi ở trên đờng bão hoà.

Trọng lợng bản thân công trình là:

G = G1 + G2 = 940,8 (T)

Qua tính toán tải trọng ở trên ta có sơ đồ lực nh sau:

8830W1 = 351,13T

210007000

Dựa vào sơ đồ lực đã tính toán ở trên ta có :Tổng các lực gây trợt là Ftr=351,13 T.

Tổng các lực đứng là N = 1818,64 T

Tổng lực giữ là Fg = N.fmas= 1818,64.0,7 = 1273,05 T.Vậy ta có hệ số ổn định trợt là:

Ml=11759,27Tm. Mg > Ml

Vậy đập ổn định lật.

CTĐĐ = CTMN_lũ + d’Trong đó :

d , d’ - độ vợt cao của đỉnh đập so với MN_dâng và MN_lũTa chọn d=2m với cấp công trình là cấp 1.

Vậy ta chọn m=3,5; m1=3.Ta tính toán cho trờng hợp mái dốc không đổi và không có bậc cơ.

II Xác định kích thớc của tờng nghiêng và chân khay

Chiều cao chân khay : T bằng chiều sâu từ chân đập đến tầng không thấm nớc : T = 9 m

III Tính toán lu lợng thấm qua đập và nền

Trờng hợp đập có tờng nghiêng và chân khay,theo tính chất liên tục của dòng chảy ta thiết lập công thức tính lu lợng nh sau : Theo giáo trình Thuỷ Công

qk0 h1(h3) Tt

h12h32z022 sin  

q k T( h3)

q – lu lợng thấm qua đập tính cho 1 m dài ( m/s)K – hệ số thấm của đập ( K = 0,4m/24h)

k0 : hệ số thấm của tờng (k0 = 0,001 m/24h) : chiều dày trung bình của t

δ : chiều dày trung bình của t ờng = 2 m δ : chiều dày trung bình của tm1 – mái dốc hạ lu đập ( m1 = 3 )

T : chiều dày tầng không thấm T = 9 mGiải 2 phơng trình trên ta tìm đợc : q , h3

k10.01k00.001k0.4h126.5T9t212 180

 

2 1.5 m h3()

Find h3 q() 0.2331.243

Giải hệ : q = 0.233 m/ngđ = 2,697.10-6 m/s h3 = 1,243 m

-)Đờng bão hoà

Đư ờngưbãoưhoà

IV Xác định các lực tác dụng lên đập

áp lực nớc tác dụng trên mái dốc :

W2 = Vn.n = 26,5.8,8.26,5.1/2 = 3089,9 Táp lực đẩy nổi :

W3 = 0,5.26,5.(28.3,5 + 5 + 28.2,5)/2 = 1053,4 TTrọng lợng bản thân đập :

G1 = 28.3,5.28.1,45/2 = 1957.5 TG2 = 30.5.1,45 = 217.5 T

G3 = 30.2,5.30.1,45/2 = 1989,4 TTổng trọng lợng : G = 4164,4 T

2 Tải trọng sóng tác dụng lên đập

Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng:

đỉnh đê

Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng đợc xác định theo công thức:

Trong đó:

-Trọng lợng riêng của nớc (=1T/m3).h = 7m-Chiều cao sóng

P2 -áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h = 7mP2 =2,7

knb-Hệ số xác định theo bảng 2.4 với

7 =2,14 ta có knb= 0,85kno-Hệ số xác định theo công thức:

h.(0 ,47+0 ,23λh)

m2 =2,5(0, 47+0, 23

157 )

13,2512,25=2,6

Thay A, B và m=3,5 vào công thức 2-5 ta có z2= 2,45m.Xác định các khoảng cách li:

l1=0,0125L ;l2=0,0265L ; l3=0,0325L ; l4=0,0675L (2-6).Với L=

V Kiểm tra ổn định của đập 1 Kiểm tra ổn định trợt phẳng

Tổng lực giữ :

Pgiữ = (G + W2 – W3 + 2.Pd.cos ).0,7 α).0,7

= (4164,4 + 3089,9 – 1053,4 + 2.21,05.cos12).0,7 = 4369,5 TTổng lực gây trợt :

Ptr = W1 + 2.Pd.sin = 351,13 + 2.21,05.sin12= 359,9 Tα).0,7  Pg > Ptr

Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật

Chơng 3

Thiết kế đập Đá có tờng nghiêng

I.Cơ sở lý thuyết

1 Khái niệm chung

Đập đá là loại đập đợc xây dựng bằng đá Đá đổ tự do hoặc xếp xây khan, không cần chất kết dính Đây là một loại đập đợc xây dựng ở nhiều nơi có nhiều đágiao thông thuận lợi

Những đập đợc xây dựng bằng đá, khai thác ở mỏ không gia công đợc gọi là đập đá đổ Những đập đợc xây dựng bằng đá theo một trình tự nhất định gọi là đập đá xây khan

Cao trình đỉnh đập: không cho tràn nớc và độ vợt cao của đập xác định giống nh đập đất

3 Tính them đập đá có tờng nghiêng

Đối với đập đá hỗn hợp có tờng nghiêng mềm bằng đất sét và phần hạ lu đá đổtrên nền không them Theo Pvơlôpki dùng công thức để tính lu lọng thấm:

q/k=(h1 -a2cos2 α -h2 )/2sin αHoặc công thức đơn giảnq/k=(h1 -h2 )/ 2δ sin α

k: hệ số thấm của tờng nghiêng

II áp dụng tính toán

1 Xác định các kích thớc cơ bản của đập a).Cao trình đỉnh đập

CTĐĐ = CTMN_dâng bình thờng + d Hoặc :

CTĐĐ = CTMN_lũ + d’Trong đó :

d , d’ - độ vợt cao của đỉnh đập so với MN_dâng và MN_lũTa chọn d=2m với cấp công trình là cấp 1.

Ta tính toán cho trờng hợp mái dốc không đổi và không có bậc cơ.

d).Xác định kích thớc của tờng nghiêng

Chọn bề dày t1 = 1 mChọn bề dày t2 = 3 m

Mặt cắt ngang đập nh hình vẽ:

3. Tính toán lu lợng thấm qua đập

Mục đích chủ yếu tính thấm qua đập đá là xác định lu lợng thấm qua tơng nghiêng Do môi trờng đá đổ có khe rỗng đá lớn cho nên sự chuyển động của nớc không tuân theo định luật Đacxy dòng thấm qua đá là dòng chảy rối có thể tính gầnđúng theo công thức của Pa vơ lốp ki sơ đồ tính nh hình vẽ trên.

Ta có phơng trình lu lợng thấm nh sau :

H12−t2sin α −H222 a sin α

Trong đó :

q-lu lợng thấm đơn vị k-hệ số thấm của đá

a-bề dày trung bình của tờng nghiêng (a=

Tính cho một mét dài tờng

tầng không thấm

Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy:P = H = 26,50 T/mγ.H = 26,5 T/m 2

W1 = P.H/2 = 26,50.26,50/2 = 351,13Te = H/3 = 8,8m

áp lực nớc tác dụng trên mái dốc :

W2 = Vn.n = 26,5.8,8.26,5.1/2 = 3089,9 Táp lực đẩy nổi :

W3 = 0,5.26,5.(28,5.3 + 5 + 28,5.2,4)/2 = 1052,7TTrọng lợng bản thân đập :

G1 = 28,5.3.28,5.1,45/2 = 1766,6 TG2 = 28,5.5.1,45 = 206,6 T

G3 = 28,5.2,4.28,5.1,45/2 = 2826,63 TTổng trọng lợng : G = 4799,83 Tb)Tải trọng sóng tác dụng lên đập

Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng:

đỉnh đê

Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng đợc xác định theocông thức:

P2=kno knb P2 γ h(T /m2) (2-4).Trong đó:

 - Trọng lợng riêng của nớc (=1T/m3).h - Chiều cao sóng(= 7m)

P2 - áp lực sóng tơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h = 7m P2  P2 =1,75

knb - Hệ số xác định theo bảng 2.4 với

7 =2,14 ta có knb= 0,85

kno - Hệ số xác định theo công thức:

λ+m.(0,028−1,15.hλ )

A= h (0 ,47+0 ,23λh)

m2 =7 (0 ,47+0 ,23

157 )

Thay L vào hệ thống công thức 2-6 ta có l1 = 0,335m; l2 = 0,709m ; l3 =0,87m; l4 = 1,81m.

5 Kiểm tra ổn định của đập

Việc kiểm tra ổn định của đập tơng tự nh đập đất đồng chất do đó ở đây ta không tính lại nữa.(do đậpcó trọng lợng lớn hơn đập đât và có áp lực đẩy nổi nhỏ hơn do co hệ số rỗng lớn nên ta coi là an toàn và không cân kiểm tra)