ChØ trõ trêng hîp cÇn më réng diÖn trµn níc th× míi lµm tuyÕn ®Ëp cong låi lªn thîng lu.. Ngoµi ra còng cã thÓ xem xÐt kh¶ n¨ng cho trµn níc trªn ®Ønh nhµ m¸y thuû ®iÖn..[r]
(1)Đập bê tông bê tông cốt thép
(2)Đập bê tông bê tông cốt thép
(3)Chương Đập bêtơng trọng lực
Biªn soạn: PGS.TS Nguyễn Chiến
1.1 Phân loại đập yêu cầu thiết kế
I Phân loại đập
Trong chng ny trỡnh by cỏc kin thức đập bêtông trọng lực đá Đập trọng lực loại đập có khối lượng lớn trì ổn định nhờ trọng lượng thân đập Có thể phân loại đập theo nhiều cách khác
1 Theo chiều cao đập. Chiều cao đập loại tiêu chuẩn dùng để phân cấp đập cơng trình đầu mối
Theo tài liệu giới, đập thường phân thnh:
a Đập cao: có chiều cao Hđ 70m;
b Đập cao trung bình: 30m Ê Hđ < 70m
c Đập thấp: HđÊ 30m
Theo Ngh định 209/2004/NĐ-CP, cấp đập bêtông đá sau: - Đập cấp đặc biệt : Hđ > 150m
- Đập cấp I: 100m Ê Hđ < 150m - Đập cấp II: 50m Ê Hđ < 100m - Đập cấp III: 15m Ê Hđ < 50m - §Ëp cÊp IV: H® < 15m
2 Theo kết cấu mặt cắt ngang đập, có loại: a Đập trọng lực đặc (hình - 1a);
b §Ëp trọng lực khe rỗng (hình - 1b);
c Đập trọng lực có khoét lỗ lớn sát (hình - 1c); d Đập có neo vào (h×nh - 1d)
(b) (c)
(a)
(4)3 Theo chức đập:
a Đập trọng lực khơng tràn: Đập có chức chắn nước, khơng cho nước tràn qua (hình 1- 1)
b Đập trọng lực tràn nước: đập có chức vừa chắn dâng nước, vừa cho tràn nước qua Cú th phõn bit:
- Đập tràn mặt: tràn tự có cửa van (hình - 2a)
- Đập có lỗ xả sâu: lỗ xả lưng chừng, đáy đập (sát nền), hình - 2b - Đập kết hợp tràn mặt xả sâu (hình - 2c)
Hình - Các hình thức đập trọng lực tràn nước a- Tràn mặt; b- Xả sâu; c-Kết hợp tràn mặt + xả sâu
4 Theo d¹ng bè trÝ đập mặt
p bờtụng thng l loại kết hợp đoạn đập tràn không tràn tuyến Tuỳ theo điều kiện địa hình, địa chất yêu cầu mở rộng diện tràn nước, bố trí tuyến đập theo dạng sau:
a Đập tuyến thẳng: địa chất cho phép, chiều dài tuyến đủ để bố trí đoạn tràn nước
b §Ëp tun cong, sư dơng khi:
- Địa chất có chỗ yếu, khơng cho phép bố trí tuyến thẳng; - Cần mở rộng diện tràn (bố trí tuyến cong lồi thượng lưu)
c) a)
H
o
(5)II Các yêu cầu thiết kế đập
Khi thiết kế đập bêtông trọng lực, phải tuân theo đầy đủ yêu cầu kỹ thuật kinh tế, sau:
1 Đập phải thoả mãn nhiệm vụ thiết kế đặt (dâng nước, tràn nước, lợi dụng tổng hợp)
2 Đập phải đảm bảo ổn định điều kiện thi công, quản lý khai thác sửa chữa
3 Đập phải đủ độ bền, chống tác động phá hoại ngoại lực, tải trọng nhiệt, biến hình ảnh hưởng môi trường, đảm bảo tuổi thọ theo quy định
4 Bố trí mặt kết cấu đập phải thoả mãn điều kiện thi công, quản lý vận hành, sửa chữa, đảm bảo mỹ quan
5 Đập phải có tính đại, áp dụng công nghệ thiết kế, thi công quản lý tiên tiến phù hợp với điều kiện chỗ xu hướng phát triển địa phương
6 Gi¸ thành đập phải hợp lý, phù hợp với nhiệm vụ với điều kiện nơi xây dùng
1.2 Bố trí đập bêtơng trọng lực cụm đầu mối Trong cụm cơng trình đầu mối thường có đập dâng, đập tràn cơng trình khác để thoả mãn điều kiện khai thác cơng trình bảo vệ môi trường (cống lấy nước, nhà máy thuỷ điện, âu thuyền hay cơng trình nâng tàu, đường thả bè, đường cá đi, cơng trình phục vụ du lịch )
Với đập bêtông đá, thường kết hợp đập dâng đập tràn tuyến Đập tràn thường bố trí đoạn lịng sơng để tránh làm biến đổi nhiều đến điều kiện nối tiếp dòng chảy hạ lưu so với chưa có đập, cịn phần đập khơng tràn thường bố trí đầu tuyến, nơi tiếp giáp với bờ
Hình 1.3 Ví dụ bố trí mặt đập bêtông đá 1- Đập không tràn; 2- Tràn mặt; 3- Xả đáy; 4- Cống lấy nước
Điều kiện địa chất đóng vai trị quan trọng việc bố trí mặt Nói chung,
1 2 3 1
(6)cơc bé, ph¶i xư lý phøc t¹p
2.Khi tuyến có điều kiện địa chất nhau, nên chọn tuyến đập thẳng, nơi lịng sơng thu hẹp để giảm khối lượng cơng trình Chỉ trừ trường hợp cần mở rộng diện tràn nước làm tuyến đập cong lồi lên thượng lưu
Cũng chọn tuyến đập gãy khúc phải né tránh vùng có địa chất yếu cục
3 Bố trí đập tràn phải phù hợp với điều kiện tháo lưu lượng thi công phương pháp thi công
4 Khi tuyến có bố trí nhiều hạng mục khác (đập tràn, nhà máy thuỷ điện, âu thuyền ) cần phải phân tích để chọn vị trí đặt thích hợp cho hạng mục để giảm nhỏ ảnh hưởng việc tháo lũ qua tràn đến làm việc bình thường hạng mục cơng trình khác Trong nhiều trường hợp, cần bố trí tường ngăn cách đủ dài hạ lưu để thoả mãn yêu cầu
5 Khi tháo lũ thiết kế, cần huy động đến khả tháo phần lưu lượng lũ qua công trình khác cụm đầu mối nhà máy thuỷ điện, âu thuyền, đường thả bè Ngoài xem xét khả cho tràn nước đỉnh nhà máy thuỷ điện
Lưu lượng cần xả qua đập tràn xác định sau:
Qtr = Qth - aQ0, (1-1)
trong đó:
Qth - lưu lượng cần tháo, xác định theo kết tính tốn điều tiết lũ;
Q0 - tổng khả tháo qua cơng trình khác trạm thủy điện, cống lấy nước, âu thuyền, đường thả bè
a - hệ số lợi dụng cơng trình khác để tháo lũ, lấy a = 0,75 - 0,90 (xét đến trường hợp tất tổ máy thuỷ điện làm việc, cửa van xả bị cố cửa van )
6 Khi bố trí mặt đập, cần nghiên cứu tổng thể tốn nối tiếp dịng chảy hạ lưu điều kiện khai thác bình thường tháo lũ, để đảm bảo điều kiện khơng xói lở bờ đáy lòng dẫn hạ lưu
1.3 Mặt cắt đập bêtông trọng lực
I Các yêu cầu tính toán mặt cắt đập
1 Điều kiện ổn định:
Đập phải đảm bảo điều kiện ổn định chống trượt:
Kt³ Kcp, (1-2)
trong đó:
(7)Kcp - hệ số an toàn ổn định cho phép, phụ thuộc vào cấp đập tổ hợp tải trọng, xác định theo tiêu chuẩn hành
Khi tính đập theo trạng thái giới hạn, trị số Kcp xác định theo công thức: ,
m k n
K c n
cp = (1-3)
trong đó:
nc - hệ số tổ hợp tải trọng; nc = 1,0 với tổ hợp tải trọng bản; nc=0,9 với tổ hợp tải trọng đặc biệt nc = 0,95 với tổ hợp tải trọng thi công, sửa chữa
kn - hƯ sè tin cËy, phơ thuộc vào cấp công trình, tra theo tiêu chuẩn hµnh
m - hệ số điều kiện làm việc Đối với đập bêtông trọng lực đá, trị số m lấy sau:
+ Khi mặt trượt qua khe nứt đá nền: m = 1,0
+ Khi mặt trượt qua mặt tiếp xúc bêtông đá đá có phần qua khe nứt, phần qua đá nguyên khối: m = 0,95
2 Điều kiện cường độ
- ứng suất nén lớn mép đập không vượt khả chịu nén vật liệu nền:
N1£ Rn, (1-4)
trong đó: Rn - cường độ chịu nén tính tốn vật liệu
- Tại mép đập, đặc biệt mép thượng lưu hồ đầy nước không cho phép phát sinh ứng suất kéo:
N’2³ 0, (1-5)
trong đó: N2’ - ứng suất nhỏ biên thượng lưu đập (ứng suất nén mang dấu dương, ứng suất kéo mang dấu âm)
Trong điều kiện định, cho phép phát sinh ứng suất kéo, trị số tuyệt đối khơng vượt q cường độ chịu kéo vật liệu hay nền:
,
R '
N 2 < k (1-6)
trong đó: Rk cường độ chịu kéo tính tốn vật liệu hay
3 Điều kiện kinh tế: mặt cắt đập phải có diện tích nhỏ sau thoả mãn điều kiện
4 Điều kiện sử dụng: mặt cắt đập cần phải thoả mãn yêu cầu sử dụng, vận hành cần có đường giao thơng đỉnh đập, có đường hầm thân đập để lại kiểm tra, sửa chữa, đặt thiết bị quan trắc thí nghiệm, bố trí hành lang nước Ngồi ra, phải lưu ý đến việc tạo dáng kiến trúc đẹp cơng trình
(8)dẫn tháo nước, kiểm tra, sửa chữa mà bố trí thêm phần cấu tạo đỉnh đập, đường ống tháo, lấy nước thân đập, hệ thống đường hầm hành lang thân đập, phận nối tiếp với hạ lưu đập tràn
Sau tu chỉnh, thêm bớt phận đập, cần tiến hành tính tốn ổn định phân tích ứng suất để kiểm tra điều kiện bền đập
II Tính toán mặt cắt đập
1 Hình dạng mặt cắt
Mặt cắt đập bêtông trọng lực có nhiều dạng hình 1-4
Hình 1-4 Các dạng mặt cắt đập bêtông trọng lực
a Mặt cắt ngang đập có dạng hình tam giác có hệ số mái thượng lưu m1, hạ lưu m2 (hình 1-4a) Đây dạng cổ điển mặt cắt đập, phù hợp với tình hình chịu lực đập (áp lực nước xơ ngang có biểu đồ phân bố dạng tam giác) Việc chọn m1ạ nhằm lợi dụng thêm phần trọng lượng nước đè lên mái thượng lưu làm tăng thêm ổn định cho đập
b Mặt cắt ngang đập dạng đa giác (hình 1-4 b, c, d, e): tuỳ theo điều kiện chịu lực cụ thể (cao trình bùn cát, mực nước hạ lưu, áp lực sóng gió ) mà sử dụng dạng để tăng tính hợp lý (tận dụng hết khả chịu lực vật liệu mặt cắt, giảm khối lượng đập ) Dạng mặt cắt hình 1-4b hợp lý, sử dụng nhiều nhất, dễ bố trí kết hợp phần đập tràn khơng tràn, thuận tiện cho việc bố trí bệ đặt lưới chắn rác cửa van ống tháo nước sâu
2 Xác định mặt cắt kinh tế (mặt cắt bản) đập không tràn
a Mặt cắt dạng tam giác, h2ạ 0: Với đập có chiều cao khơng lớn, sơ xác định nhanh mặt cắt kinh tế theo biểu đồ lập sẵn tham khảo quy phạm Liên Xơ CH123-60 (hình 1-5) Các biểu đồ thiết lập dựa giả thiết sau:
- Mặt cắt đập dạng tam giác có hệ số mái thượng lưu m1, hệ số mái hạ lưu m2;
h
H
m1
(e) (d)
m1
(b) (a)
2 m
m1
2
m
2
m 2
m
m '
2
(c)
m'
(9)- Mực nước thượng lưu ngang đỉnh tam giác; chiều sâu nước thượng lưu h1, chiều sâu nước hạ lưu h2;
- Trọng lượng riêng bêtông: g1 = 2,4 x 104 N/m3; nước g = 1,0 x 104 N/m3 - Có xét đến áp lực đẩy áp lực sóng
Biểu đồ kết tính tốn cho nhiều đập với tham số biến đổi trị số h2/h1, ứng suất nén lớn khống chế mép thượng lưu N1’, hệ số mái thượng lưu m1, tiêu kháng cắt hệ số an toàn cho phép fc/Kcp Kết tính tốn xác định hệ số mái hạ lưu m2 hợp lý, thoả mãn điều kiện ổn định, cường độ kinh tế
Hình 1-5 Biểu đồ dùng để sơ chọn mặt cắt kinh tế đập dạng tam giác Trong biểu đồ, trị số fc tiêu kháng cắt nền:
, σ c tg
fc = j+ (1-7)
trong tgj c đặc trưng chống cắt: tgj xem hệ số ma sát, cịn c lực dính đơn vị mặt bị cắt; s - trị số ứng suất nén trung bình đáy đập, xét cho đơn vị chiều dài đập (bài tốn phẳng), ta có: s = SP/B, với SP - tổng lực đứng, B - bề rộng đáy mặt cắt
Trị số ứng suất nén lớn biên thượng lưu N1’ khống chế (có dự trữ an tồn) trị số 1,1gh 0,2gh Nếu trị số thực tế nằm khoảng dùng phép
s2p s2p
s2p s2p
s2p s2p
s2p
s2p
s2p
s2p s2p
s2p s2p
s2p
s2p
h
1
h2
m=m +m1 2
(10)kh«ng lớn 0,25gh1 (tức 15 x 104 N/m2), trị số tgj = 0,62; c = 20 x 104 N/m2; s = 70 x 104 N/m2; f
c = tgj + c/s = 0,91; Kcp = 1,21; fc/Kcp = 0,75 Tra biểu đồ ứng với h2 = 0,1h1 được: m1 = 0; m1 + m2 = 0,69, tức m2 = 0,69
b Mặt cắt dạng tam giác, h2 =
Trường hợp này, tính trực tiếp bề rộng đáy đập B theo chiều cao đập h1 tương ứng với điều kiện ứng suất ổn định sau:
- Điều kiện cường độ: khống chế ứng suất theo phương thẳng đứng mép biên thượng lưu đế đập hồ đầy nước sy’ = giải được:
B = 1 α n) n( n) ( γ γ h -+
-, (1-8)
trong đó:
g1 - trọng lượng riêng vật liệu thân đập; g - trọng lượng riêng nước;
a1 - hệ số cột nước thấm lại sau chống thấm;
n - tỷ lệ chiều dài hình chiếu mái đập thượng lưu so với toàn bề rộng đáy đập B
Quan hệ n hệ số mái thượng lưu m1 sau: n = m1
B
h1 (1-9)
Trong thực tế thường chọn trị số m1 ³ vì, m1 < khó khăn việc bố trí thi cơng mặt thượng lưu đập đập “chúi thượng lưu” sinh ứng suất kéo mép hạ lưu hồ chưa tích nước (mới thi cơng xong), mực nước hồ rút xuống thấp (thời kỳ khai thác)
Trong trường hợp m1 = (tức n = 0), ta có: B = 1 α γ γ h
- (1-10)
Khi đó, hệ số mái hạ lưu mặt cắt đập là: m2 =
1 α γ γ
- (1-11)