Trong phần thiết kế chọn phương án ta chỉ thiết kế sơ bộ đập dâng và tràn xả lũ để tính toán chọn phương án, còn cống lấy nước và những công trình bảo vệ khác do sự sai khác về khối lượng giữa các phương án là không đáng kể nên ta không đề cập đến.
Qua phân tích ở trên thấy phương án xây dựng đập đồng chất là hợp lý nhất, vì loại đập này có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, dễ quản lý, tận dụng được vật liệu địa phương, khả năng cơ giới hoá trong thi công cao.
Tràn xả lũ là loại tràn đỉnh rộng, có cửa van điều tiết.
5.2.1. Thiết kế sơ bộ đập ngăn sông 5.2.1.1. Các tài liệu thiết kế
Cấp công trình thuộc công trình cấp III.
Mực nước dâng bình thường: MNDBT = 28,5 (m).
Mực nước lũ thiết kế: Có 3 phương án BTr với mỗi phương án ta có MNLTK tương ứng như sau:
BTr = 24(m) => MNLTK = 31,38 (m) BTr = 30 (m) => MNLTK = 30,9 (m) BTr = 36 (m) => MNLTK = 30,52 (m)
Tốc độ gió tính toán, tần suất gió tương ứng theo QPTL C1-78 ta có: Khi tính với MNDBT với P = 4%, tương ứng với V4% = 39 m/s. Khi tính với MNLTK với P = 50%, tương ứng với V50% = 20 m/s.
Chiều dài gió thổi D được tính từ bờ hồ đến tuyến công trình theo hướng gió thổi (hướng gió thổi vuông góc tim tuyến công trình), dựa vào bình đồ khu vực lòng hồ của hồ chứa Cao Vân ta xác định được:
Khi tính với MNDBT : D = 1,02 (Km) = 1020 (m) Khi tính với MNLTK : D’= 1,1 (Km) = 1100 (m)
( Ứng với mỗi Btr ta xác định được D’ khác nhau, nhưng do chênh lệch không lớn nên ta có thể lấy một giá trị )
Cao trình đỉnh đập được xác định sao cho trong mọi trường hợp khi làm việc (lũ về, sóng hay có sự cố) thì nước không tràn qua đỉnh đập. Căn cứ vào 14TCN 157- 2005 cao trình đỉnh đập được xác định như sau :
Z1 = MNDBT + ∆h + hsl + a (5.16)
Z2 = MNLTK + ∆h' + hsl' + a’ (5.17)
Z3 = MNLKT + a” (5.18)
Trong đó:
∆h và ∆h’: Chiều cao nước dềnh do gió, ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất.
hsl và hsl': chiều cao sóng leo (mức bảo đảm 1%), ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất.
a , a’, a’’: Độ vượt cao an toàn.
Trong thiết kế sơ bộ xác định Btr kinh tế chỉ đi tính cao trình đỉnh đập theo hai mực nước là : MNDBT và MNLTK
Cao trình đỉnh đập chọn trị số lớn nhất trong hai trị số (Z1 và Z2).
1. Tính cao trình đỉnh đập theo MNDBT a. Xác định ∆h, ∆h’ theo công thức .cos . . . 10 . 2 2 6 β α H g D V h= − ∆ (5.19) Trong đó:
V: vận tốc gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất, V=39 m/s D: đà gió ứng với MNDBT, D = 1020m ;
H: chiều sâu nước trước đập, H = MNDBT - ∇đáy ; ∇đáy = +10m αβ: góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, αβ = 00 ;
b. Xác định chiều cao sóng leo hsl; hsl’
Theo QPTL C1-78 chiều cao sóng leo có mức bảo đảm 1% được xác định như sau:
hsl1% = K1.K2.K3.K4.Kα.hs1% (5.20) Trong đó :
hs1%: Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1%.
K1, K2, K3, K4: Là các hệ số.
K1, K2, K3, K4 tra theo quy phạm QPTL C1-78.
Xác định hs1%:
Giả thiết trường hợp đang xét là sóng nước sâu: H > 0,5λ. Theo QPTL C1-78 trang 45, hs1% được xác định như sau:
hs1% = k1%.hS
Với k1% tra ở đồ thị Hình 36 QPTL C1-78 ứng với đại lượng 2
VgD gD
Tính các đại lượng không thứ nguyên
V gt
; 2
V gD
, trong đó t là thời gian gió thổi liên tục (s). Khi không có tài liệu đối với hồ chứa thì lấy t = 6 giờ.
Tra đồ thị Hình35 QPTL C1-78 xác định được các đại lượng không thứ nguyên
2V V h g ; V gτ
Chọn cặp trị số nhỏ nhất trong hai trị số tra được ở trên, từ đó xác định được các trị số h; τ và λ như sau: g V V g ). ( τ τ = ; g V V h g h S s 2 2 ). . ( = ;λ = π 2 2 t g Trong đó:
hs: Chiều cao sóng bình quân τ : Chu kỳ sóng trung bình
λ: Trị số chiều dài sóng trung bình.
Kiểm tra lại điều kiện sóng nước sâu: 0,5.λ< H K1%: Hệ số tra đồ thị Hình 36 QPTLC1-78, ứng với 2
v gD
Xác định các hệ số K1, K2, K3, K4:
Hệ số K1, K2 tra Bảng 6 QPTL C1-78, phụ thuộc vào đặc trưng lớp gia cố mái và độ nhám tương đối trên mái.
Chọn hình thức gia cố mái bằng đá lát khan và kích thước đặc trưng về độ nhám Δ = 0,2m. Từ độ nhám tương đối: % 1 s h ∆ ta tra được: K1; K2.
Hệ số K3 Tra ở Bảng 7 QPTL C1-78, phụ thuộc vào vận tốc gió thổi và hệ số mái m.
Hệ số K4 Tra ở đồ thị Hình 10 QPTL C1-78, phụ thuộc vào trị số m và tỷ số
%1 1 S h λ , ta được K4.
Thay các trị số trên vào công thức ta được: hsl1%
Từ đó xác định được cao đỉnh đập theo MNDBT.
2. Tính cao trình đỉnh đập theo MNLTK
Áp dụng các bước tính toán xây dựng tương tự như ứng với MNDBT ta xác định được cao trình đỉnh đập ứng với MNLTK.
Kết quả tính toán cao trình đỉnh đập :
Đại lượng MNDBT MNLTK
Btr = 24m Btr = 30m Btr = 36m
Zdd (m) 30,4 32,5 32,0 31,6
Từ kết quả tính toán trên ta xác định được cao trình đỉnh đập ứng với ba trường hợp Btr khác nhau :
Btr = 24m → Zdd = 32,5 (m) Btr = 30m → Zdd = 32,0(m) Btr = 36m → Zdd = 31,6 (m)
5.2.1.3. Bề rộng đỉnh đập
Chiều rộng đỉnh đập cần xác định phụ thuộc vào điều kiện thi công và khai thác, có xét đến cấp công trình.
Đỉnh đập không có yêu cầu giao thông nên ta chọn chiều rộng B = 5m. Mặt đỉnh đập phủ lớp bảo vệ bằng đá dăm dày 0,3cm, dốc nghiêng về hai phía với độ dốc 3%.
5.2.1.4. Mái đập và cơ đập 1. Mái đập
Mái đập phải đảm bảo ổn định theo tiêu chuẩn quy định trong mọi điều kiện làm việc của đập. Độ dốc của mái đập phụ thuộc vào hình thức, chiều cao đập, loại đất đắp, tính chất nền, các lực tác động lên mái (như trọng lượng bản thân, áp lực nước, lực thấm, lực mao dẫn, lực động đất, lực thuỷ động, tải trọng ngoài trên đỉnh và mái đập…), điều kiện thi công và khai thác công trình.
Chiều cao đập H không quá 40m. Sơ bộ xác định mái dốc đập theo công thức kinh nghiệm sau:
- Mái thượng lưu : mT = 0,05.H + 2 - Mái hạ lưu : mh = 0,05.H + 1,5
Trong đó: H là chiều cao đập
Với mỗi phương án BTr khác nhau ta sẽ xác định được các hệ số mái thượng lưu, hạ lưu đập khác nhau. Kết quả tính toán hệ số mái đập ứng với các BTr khác nhau đượ ghi ở bảng sau:
Hệ số mái ứng với 3 phương án BTr :
BTr (m) Zđđ H (m) mT mh
24 32,5 22,50 3,13 2,63
30 32,00 22,00 3,10 2,60
36 31,60 21,60 3,08 2,58
Từ kết quả tính toán trên, ta sơ bộ xác định mái đập cho cả 3 phương án như sau:
- Mái thượng lưu: mT = 3,25 ; phía dưới cơ thượng lưu có mái mt = 3,5 - Mái hạ lưu: mh = 2,75 , phía dưới cơ hạ lưu có mái mh = 3,0
Việc tính toán chính xác hệ số mái được tiến hành qua tính toán ổn định
2. Cơ đập
Trên mái đập ta để tăng thêm độ ổn định cho đập, thoát nước trên mái dốc, thuận lợi trong thi công, quản lý và kiểm tra trong thời gian khai thác dễ dàng. Ta bố trí cơ đập ở thượng lưu và hạ lưu.
- Cơ thượng lưu: Ta bố trí cơ tại cao trình +25m, bề rộng cơ b=3m - Cơ hạ lưu: Bố trí 1 cơ có bề rộng b = 3m ; đặt ở cao trình +25m
1. Thiết bị chống thấm
Do đất đắp đập và đất nền có hệ số thấm khá lớn nên cần có thiết bị chống thấm cho thân và nền đập.
Tầng thấm ở nền dầy nên hợp lý nhất là dùng thiết bị chống thấm bằng tường nghiêng và chân khay.
2. Thiết bị thoát nước
Do cả 3 phương án BTr khác nhau có thiết bị thoát nước tương đương nhau nên không cần tính toán để so sánh.
3. Bảo vệ mái
Bảo vệ mái thượng lưu: Với cả 3 phương án dùng đá lát khan chiều dày 30 cm, dưới lớp đá là tầng lọc ngược dày 30cm, với công trình cấp III, phạm vi bảo vệ từ đỉnh đập đến cao trình thấp hơn MNC là 2,5 (m).
Bảo vệ mái hạ lưu: Mái hạ lưu được bảo vệ chống xói do nước mưa gây ra bằng hình thức trồng cỏ. Trên mái đào các rãnh nhỏ nghiêng một góc 45o để thoát nước. Trong rãnh bỏ đá dăm. Nước từ các rãnh được tập trung tại mương ngang bố trí ở cơ đập. Mương ngang này được nối với các mương dọc theo mái đập để thoát nước về hạ lưu.
5.2.2. Thiết kế sơ bộ tràn xả lũ
5.2.2.1.Vị trí, nhiệm vụ của công trình 1. Nhiệm vụ
Công trình đập tràn tháo lũ có nhiệm vụ tháo phần nước lũ thừa trong hồ khi mực nước hồ dâng cao hơn MNDBT, để đảm bảo cho hồ chứa làm việc an toàn trong toàn bộ hệ thống công trình và chống úng ngập thượng lưu.
2. Vị trí công trình
Căn cứ vào bản đồ địa hình, điều kiện địa chất cũng như khả năng thi công ta chọn tuyến tràn đặt trên yên ngựa vai hữu đập chính.
Tràn có ngưỡng = MNDBT - 2,5m.
5.2.2.2. Hình thức và quy mô công trình 1. Hình thức công trình
Do địa chất nền tuyến tràn là nền đá , tương đối thoải về phía hạ lưu nên ta chọn hình thức tràn ỏ đây là tràn đỉnh rộng tiết diện chữ nhật nối tiếp sau tràn là dốc
nước. Cuối dốc xây dựng bể tiêu năng và kênh tháo đưa nước xuống lòng sông tự nhiên.
2. Quy mô công trình a. Bộ phận cửa vào
Bộ phận cửa vào có nhiệm vụ đưa dòng chảy vào ngưỡng tràn được thuận dòng.
Kênh dẫn thượng lưu
Do tràn được bố trí ngay bên lưu vục hồ chứa, địa hình thượng lưu tràn thuận lợi. Vì vậy không cần bố trí xây dựng kênh dẫn thượng lưu .
Tường hướng dòng
Có nhiệm vụ dẫn nước chảy vào ngưỡng được thuận dòng, bảo vệ mái đất ở hai bên bờ. Tường hướng dòng có các thông số sau:
- Cao trình đỉnh tường bằng cao trình đỉnh đập - Góc mở của tường α =180 ÷230
- Tường là kiểu tường cánh đứng bằng bê tông M200 b. Ngưỡng tràn
Hình thức ngưỡng là tràn đỉnh rộng có cửa van điều tiết, có mặt cắt hình chữ nhật được xác định như sau:
- Cao trình ngưỡng tràn ∇ngtran= MNDBT – 2,5m = 28,5 -2,5 = 26 m - Đập tràn có 3 khoang có các mố trụ dày 1m, các mố lượn tròn r = 0,5m - Bề rộng ngưỡng tràn Btr = 3×8, 3×10, 3×12 m
- Chiều dài ngưỡng tràn chọn theo điều kiện tràn đỉnh rộng.
(2÷3)H ≤ δ ≤ (8÷10)H (5.21)
Chọn δ = 3H. Như vậy chiều dài ngưỡng tràn ứng với các Btr: Btr = 24 m → δ = 16,14 m
Btr = 30 m → δ = 14,7 m Btr = 36 m → δ = 13,56 m
Chọn chiều dài ngưỡng trong các trường hợp : δ = 14 m - Chiều dài bản đáy chọn t = 1m
- Ngưỡng tràn được làm bằng bê tông cốt thép M200, đổ trên lớp lót bê tông M100 dày 0,1m.
c. Dốc nước
Do địa hình khu vực xây dựng tuyến tràn là dốc dần về phía hạ lưu , địa chất tuyến nằm trên nền đá gốc trong phạm vi phong hoá nhẹ cho nên không có gì đáng ngại. Dọc tuyến tràn có lớp trầm tích chủ yếu cấu tạo lên dạng địa hình là sét, á sét, cát, á cát và cuội sỏi dày trung bình 1m, nhưng về phía hạ lưu tuyến là sườn đồi có chiều dày lớn vì vậy chọn hình thức nối tiếp sau ngưỡng là dốc nước, cuối dốc nước bố trí bể tiêu năng (có thể kết hợp bể tường tiêu năng ).
Dốc nước có mặt cắt ngang hình chữ nhật bề rộng không đổi : Bđầu dốc = Bcuối dốc = Btràn + ∑mố
Bdốc = 26 ; 32 ; 38 m
Kết cấu bằng bê tông cốt thép M200 , phía dưới lót lớp bê tông M100 dày 0,1 (m).
Sơ bộ ta bố trí dốc nước với độ dốc i = 10% Chiều dài dốc nước L = 140m
Chiều dày bản đáy dốc xác định sơ bộ theo biểu thức của V.M. Đombrovxki: t = 0,03.α.v. h (m)
Độ nhám trong dốc nước ∆ = 0,014 (tra phụ lục 4.3 Bảng tra thủy lực dốc nước làm bằng BTCT M200)
Tường bên dốc nước là tường bản sườn có chiều cao phụ thuộc đường mặt nước trong dốc ( đước tính toán cụ thể ở phần dưới). Chiều dày bản mặt tường bên không đổi là 0,5 m, chiều dầy bản đáy và bản chống là 0,5 m.
d. Bộ phận tiêu năng
Căn cứ vào điều kiện địa chất của khu vực tuyến tràn – có nền là đất nên, chọn hình thức tiêu năng đáy – đào bể tiêu năng. Bể tiêu năng có mặt cắt chữ nhật, chiều rộng bằng chiều rộng dốc nước + chiều rộng đoạn tăng thêm do đoạn nước rơi mở rộng. Bể tiêu năng được làm bằng BTCT M200 có bê tông lót dưới
e. Kênh dẫn hạ lưu
Kênh dẫn hạ lưu có nhiệm vụ dẫn nước từ dốc nước về hạ lưu. Mặt cắt kênh hình thang m = 1,5
Đáy kênh có độ dốc i =0,00035 Cao trình đáy kênh ∇đáykenh= +12,0m
5.2.2.3. Tính toán vẽ đường mặt nước trong dốc nước
Tính toán thủy lực dốc nước nhằm xác định đường mặt nước trong dốc, từ đó xác định chiều cao tường bên, chiều dày bản đáy và kiểm tra điều kiện không xói trên dốc nước. Ngoài ra còn xác định vận tốc cuối dốc nước để có biện pháp tiêu năng hợp lí.
1. Xác định độ sâu phân giới hk và độ dốc phân giới ik trong dốc Xác định độ sâu phân giới hk : 3
2g g q hk = α (5.22) Xác định độ dốc phân giới: : ik = k k k C R Q . . 2 2 2 ω (5.23) Trong đó:
q: lưu lượng xả lớn nhất thiết kế
g: là gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2
hk: là độ sâu phân giới của dòng chảy trên tràn. χk: chu vi ướt ứng với hk.
Bk: bề rộng mặt thoáng ứng với hk. α: hệ số lưu tốc, α = 1.
Ck: hệ số sêdi ứng với độ sâu phân giới, Ck =
n 1 .Rk1/6. n = 0,014: hệ số nhám Rk: bán kính thủy lực ứng với hk (m); Rk = k k χ ω
ωK: diện tích ướt : ωk =B.hk ;χ chu vi ướt χ = B+2 hk Bảng tổng hợp các đặc trưng thủy lực ứng với các phương án :
B (m) Q (m3/s) q(m3/s) hk (m) ωk (m2) Rk (m) Ck ik
24 450,37 18,77 3,30 79,17 2,59 83,692 0,00179
36 520,23 14,45 2,77 99,77 2,40 82,659 0,00166
2. Xác định độ sâu dòng chảy đều h0 trên dốc
Độ sâu dòng chảy đều trong dốc nước được xác định theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về mặt thủy lực của Agơrốtxkin.
Q i m R f 0 ln 4 ) ( = (5.24)
Trong đó: m0 = 2 (Phụ lục 8-1 Bảng tra thủy lực ) i: độ dốc đáy dốc nước, i = 0,1
Q: lưu lượng xả trên dốc nước
Từ giá trị f(Rln)tính được tra Phụ lục 8-1 (Bảng tra Thủy lực) với n= 0,014
ln R ⇒ . Từ đó ta có tỉ số: ln R bd ⇒Tra phụ lục 8-3 với m = 0 và ln R bd ⇒ ln R hd Độ sâu dòng đều: h0 = ln R hd . Rln Độ sâu dòng chảy đều trên dốc :
Btràn Q(m3/s) f(Rln) Rln bdoc b/Rln h/Rln h0
24 450,37 0,0056 1,42 26 18,31 0,632 0,90
30 489,30 0,0052 1,46 32 21,92 0,572 0,84
36 520,23 0,0049 1,48 38 25,68 0,558 0,83
3. Xác định độ sâu dòng chảy tại đầu dốc
Khi cửa van mở hoàn toàn chế độ trên đập tràn là chảy tự do. Độ sâu dòng chảy tại đầu dốc nước chính bằng chiều sâu dòng chảy tại cuối ngưỡng tràn. Do đập tràn là tràn đỉnh rộng không ngưỡng có chiều dài đỉnh đập δ+LT > 10H , như vậy đường mặt nước cuối ngưỡng sẽ đổ qua độ sâu phân giới hk :