Tính toán ổn định các bộ phận của tràn

Bảng 4.14: Tính chiều dài nước rơ

4.5. Tính toán ổn định các bộ phận của tràn

4.5.1. Tính toán ổn định ngưỡng tràn

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 81 Ngành Kỹ thuật công trình

Hình 4.7: Sơ đồ các lục tác dụng lên tràn

Ta tiến hành tính toán cho hai trường hợp sau:

+ TL là MNDBT, cửa van đóng hoàn toán (tổ hợp tại trọng lực cơ bản). + TL là MNDBT, cửa van đóng, có động đất (tổ hợp tải trọng đặc biệt). 4.5.1.1. Số liệu tính toán

+ MNDBT : +103.2m, bán kích cửa van : Rv =9.5m + cột nước trước tràn với MNDBT: Htr = 6.5m

+ chiều dài ngưỡng tràn (theo chiều dòng chảy) : L = 18m

+ chiều rộng tràn nước : Btr = 14m, chiều rộng tràn tính cả trụ pin : B = 17.6m + BT M200 có dung trọng = 2.4 (T/m3)

+ dung trọng khô lớp đá nền = 2.22 (T/m3), độ rỗng : n =19.3%

+ dung trọng bão hòa lớp đá nền : = +n = 2.22+0.193*1 = 2.413(T/m3) 4.5.1.2. Phương pháp tính toán

Theo QCVN04-05 :2012/BNNPTNT, ta có điều kiện ổn định về chống trượt, lật là : nc*Ntt *R

Hoặc đưa về công thức : K = Trong đó :

- nc : hệ số tải trọng, với : + tổ hợp lực cơ bản : nc = 1.0 + tổ hợp lực đặc biệt : nc = 0.9

- Ntt : giá trị tính toán các lực gây trượt

- R : giá trị tính toán các lực chống trượt giới hạn

- Kn : hệ số độ tin cậy, với công trình cấp II ta lấy Kn = 1.15 - m: hệ số điều kiện làm việc, m = 1.

4.5.1.3. Tính toán cho các trường hợp

a) Xác định các lực tác dụng lên tràn - Áp lực thủy tĩnh :

+ áp lực ngang ở thượng lưu được xác định như sau :

W1 = **H12*Btr = *1*(6.5+2.5+0.5)2*(14+1.6+1+1) = 794.2 (T) Điểm đặt lực W1 nằm cách đáy một khoảng : H1= *9.5 = 3.17m + áp lực thẳng đứng ở thượng lưu :

W1’ = *F* = 1*35.75*14 = 500.5 (tấn)

Trong đó : F là diện tích mặt cắt dọc nước trên tràn(bố trí cửa van cách đầu mố trụ phía TL một đoạn là 5.5m, F = 5.5*6.5 = 35.75m2).

- Áp lực sóng :

Trị số áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên mặt đập :

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 82 Ngành Kỹ thuật công trình

Ws = Kd**h*(H1’ + )*B Trong đó :

+ H1’ : chiều cao cột nước trước tràn, H1’= 6 .5m

+ h : chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo tương ứng 1%, h = 1.26m

+ Kd : hệ số Kd = f() tra theo đồ thị hình 3-7d (giáo trình thủy công tập 1), với = 10.105m như đã tính ở Ch3, ta có : Kd = 0.25

Vậy : Ws = 0.25*1*1.26*(6.5+ *1.26)*17.6 = 39.53 (tấn).

Mômen lớn nhất đối với chân tràn do sóng gây ra là : Mmax = Km**h*(+ + )*B

Với : Km là hệ số tra ở đồ thi 3-7e (GT thủy công T1) ta có Km = 0.25

Vậy : Mmax = 0.25*1*1.26*(+ + ).17.6 = 141.29 (T.m) Điểm đặt cách chân tràn một khoảng : = = 3.57m

- Áp lực thủy tĩnh hạ lưu :

W2 = **h22*B = 0.5*1**17.6 = 79.2(T) + h2 : chiều dày bản đáy và chân khay

+ điểm đặt cách mép hạ lưu một đoạn Lw2 = *3 = 1m, chiều

- Trọng lượng khối đá nằm giữa chân khay : Gđck Gđck = *Fđck*B = 2.413*12.917*17.6 = 548.57(T)

Điểm đặt cách mép hạ lưu ngưỡng tràn : Lđck = 0.5*18 = 9m, chiều

- Áp lực nước đẩy ngược của cột nước trên tràn lên cửa van W : W = *n*b*S = 1*2*7*8.135 = 113.89(T), chiều

+ S : diện tích được xác định bởi 2 đường : mặt cong bản mặt chắn nước và đường kéo dài mặt thoáng.

+ điểm đặt cách mép hạ lưu tràn : L = 11.61m.

- Áp lực thấm :

Biểu đồ lực thấm đẩy ngược coi như gần đúng có dạng tam giác với giá trị lớn nhất được tính theo công thức : Wth = **H*Ltr*B

Trong đó :+ H : cột nước thấm , H = 6.5m

+ B : chiều rộng tràn kể cả trụ pin, B = 17.6m + Ltr : chiều dài ngưỡng tràn, Ltr = 18m

Vậy : Wth = *1*6.5*18*17.6 = 1029.6 (T)

Điểm đặt của áp lực thấm cách mép HL tràn : Lth = *18 = 12m, có chiều - Áp lực đất : Do tràn được đặt trên nền đá, mặt tiếp xúc giữa tràn và nền đá

có biến dạng thẳng đứng nên áp lực đất thượng hạ lưu hầu như không đáng kể. Vì vậy ta sẽ không tính toán áp lực đất thượng hạ lưu lên tràn.

- Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược :

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 83 Ngành Kỹ thuật công trình

Wđn = *Ltr*h2*B = 1*18*2.5*17.6 = 792 (T) - Trọng lượng bản thân ngưỡng tràn : G = *Ftr*B = 2.4*32.5*17.6 = 1372.8 (T)

Trong đó : Ftr là diện tích mặt cắt dọc ngưỡng tràn - Trọng lượng cửa van : Gv = 42.1(T)

- Trọng lượng trụ pin và trụ biên : Gtp = (Fp*dtp + 2Fb*dtb)*

Trong đó :+ Fb = Fp = 18*(107.8-96.7) = 199.8m2

+ dtp = 1.6m, db = 1m

Vậy : Gtp = (199.8*1.4 + 2*199.8*1)*2.4 = 1630.37 (T) - Trọng lượng cầu công tác : Gcct = Vcct*

Trong đó : Vcct là thể tích cầu công tác, ta có

Vcct=1*0.3*8*17.6+1*0.3*8*15.6 + 8*0.3*0.3*2.5+ 8*0.5*0.5*2.5 = 83.28m2 Vậy : Gcct = 83.28*2.4 = 199.872 (T)

- Trọng lượng cầu giao thông : Ggt = *Vgt = 2.4*2.02*17.6 = 85.325(T) - Trọng lượng cầu thả phai:Gctp=Vctp*=(Fctp trupin*lctp trupin+Fsan tp*lsan tp)*

Gctp =( 0.45*0.35 + 0.21*14)*2.4 = 10.836(T)

- Lực quán tính động đất : Fđ = kc**Gct

Trong đó :+ kc : hệ số động đất, ứng với động đất cấp 7 có kc = 0.025 + : hệ số đặc trưng động đất, = 1+0.5 = 1+0.5 =1.5

h1, h2 là khoảng cách từ điểm tính toán và tự trọng tâm công trình đến nền, lấy h1 = h2

+ Gct : trọng lượng công trình, Gct = 3341.303(T) Vậy : Fđ = 0.025*1.5*3341.303 = 125.30 (T)

Điểm đặt của lực quán tính động đất : đặt tại trọng tâm mặt cắt tính toán(xem như đặt tại trọng tâm tràn) và có chiều từ TL về HL (chọn chiều bất lợi).

- Áp lực nước tăng thêm khi có động đất :

Wđ = *kc**H2*B = *0.025*1*9.52*17.6 = 19.855 (T) Điểm đặt Wđ cách đáy : 0.42H = 0.42*9.5 = 3.99m Bảng 4.17 : Kết quả xác định các lực tác dụng lên tràn TT Lực Trị số lực (T) l 0 M0 Pi Qi n Pitt Qitt m T.m (+) (+) (+) (+) (+) 1 G 1372.8 0.9 5 1304.16 0 0 2 Gtp 1630.37 0.9 5 1548.85 0 0 3 Ggt 85.325 0.9 5 81.09 6.5 -527.1 4 Gcct 199.872 0.9 5 189.88 4 +759.5 5 Gcv 42.1 0.8 33.68 2.33 +78.47 6 Gp 10.836 0.9 10.29 8.5 +87.47

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 84 Ngành Kỹ thuật công trình 5 7 W1 794.2 1 794.2 3.17 -2517.6 8 W1’ 500.5 1 500.50 6.5 +3253 9 Ws 56.16 1 56.16 3.57 -200.5 10 Wth -1029.6 1 -1029.6 3 -3088.8 11 Wđn -792 1 -782 0 0 12 W -113.89 1 -113.89 2.61 -297.25 13 W2 -79.2 1 -79.2 1 +79.2 14 Gđck 265.43 0.9 238.89 0 0 15 Fđ 125.30 1.1 137.8 2.35 -323.83 16 Wđ 19.855 1.1 21.84 3.99 -87.14 Tổng TH1 1981.8 5 771.2 -2373.6 TH2 1981.8 5 930.8 -2784.6

Trong đó : +l0 :cánh tay đoàn đối với tâm O, là điểm chính giữa bản đáy công trình tiếp giáp với đất nền.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 85 Ngành Kỹ thuật công trình

b) Tính ứng suất đáy móng.

Do tràn đặt trên nền đá nên ta chỉ xét ổn định trượt phẳng. Ứng suất đáy móng tràn được tính theo công thức nén lệch tâm :

= Trong đó :

+ W : mômen chống uốn đáy móng lấy đối với trục Oy đi qua tâm móng : W = = = 950.4 m3

+: tổng mômen các lực đối với trọng tâm tính toán (M0>0 là mômen quay ngược chiều kim đồng hồ)

+ : tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên đáy móng, + F : diện tích đáy tràn, F = 17.6*18 = 316.8m2

Bảng 4.18: Kết quả kiểm tra điều kiện nền

Trường hợp σmax σmin

T/m2 T/m2

1 8.75 3.8

2 9.2 3.3

c) Kiểm tra điều kiện chống trượt TH1

Do tràn đặt trên nền đá có = 8.75 T/m2 < Rn = 4700 T/m2 nên ta chỉ kiểm tra điều kiện trượt phẳng. Lực chống trượt R được tính theo công thức :

R = + A*C Trong đó :

+ R : lực chống trượt

+ : tổng các lực tác dụng theo phương thẳng đứng + f : hệ số ma sát, f = = = 0.7

+ C : lực dính đơn vị, C = 0 T/m (do BT và bề mặt đá nền không bám tốt) + F = A : diện tích đáy móng, F = 316.8 m2

Thay vào công thức ta được : R = 1981.85*0.7 + 316.8*0 = 1387.3 (T) *Kiểm tra ổn định theo công thức :

K = = 1.8 > = = 1.15. Vậy tràn ổn định về trượt phẳng.

d) Kiểm tra điều điện chống trượt phẳng TH2

Tương tự như TH1 : ta có = 9.2 T/m2 < Rn = 4700 T/m2 nên ta chỉ kiểm tra điều kiện trượt phẳng. Lực chống trượt R tính theo công thức :

R = + A*C

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 86 Ngành Kỹ thuật công trình

Thay vào công thức ta được : R = 1981.85*0.7 + 316.8*0 = 1387.3 (T) *Kiểm tra ổn định theo công thức :

K = = 1.5 > = = 1.15. Vậy tràn ổn định về trượt phẳng.

e) Kiểm tra điều kiện chống lật :

Nhận thấy = 3.8 T/m2 > 0 và = 3.3 T/m2 > 0 nên tràn không thể lật.

4.5.2. Tính toán ổn định tường cánh thượng lưu

4.5.2.1. Các trường hợp tính toán

TH1 :trường hợp vừa thi công xong, có xe máy chạy ở trên (tải trọng thi công) TH2 : mực nước TL rút nhanh từ MNTK xuống cáo trình ngưỡng tràn (tải trọng cơ bản).

4.5.2.2. Số liệu tính toán

Đất đắp tường bên có các chỉ tiêu cơ lí như sau : + dung trọng khô đất đắp : = 1.57 (T/m3)

+ dung trọng ướt đất đắp : = 1.83 (T/m3) + dung trọng bão hòa : = + n*

+ độ ẩm : = 16.8% + hệ số rỗng :

+ độ rỗng của đất:

Vậy: γbh = 1.57 + 0.42396*1.0 = 1.994 (T/m3). + góc ma sát đất bão hòa trong: ϕ = 160

+ lực dính đất bão hòa đơn vị: C = 2.5 (T/m2) + góc ma sát đất tự nhiên: ϕ = 17030.

+ lực dính đất tự nhiên đơn vị: C = 3 (T/m2) + BT M200 có dung trọng: = 2.5 (T/m3)

+ mặt cắt tính toán: xét mặt cắt TL gần tràn nhất. 4.5.2.3. Trường hợp 1

Cắt một dải tường có chiều dài l = 1m để tính toán, sơ đồ lực tác dụng như sau

Sinh viên: Nguyễn Anh Tuấn Lớp 50C-TH3

( ) ( ) 1 0,736 83 , 1 168 , 0 1 . 1 . 72 , 2 1 1 . . + − = + − = ∆ = ω γ ω γ ε n % 396 , 42 100 . 736 , 0 1 736 , 0 100 . 1 = + = + = ε ε n

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 87 Ngành Kỹ thuật công trình

Hình 4.6: sơ đồ tính toán ổn định tường cánh thượng lưu TH1

a) Các lực tác dụng lên tường:

- Trọng lượng bản thân tường và khối đất tác dụng lên tường: P = F*B* Trong đó:

+ F: diện tích mặt cắt tường hoặc khối đất (m2)

+ : trọng lượng riêng của khối bê tông hoặc đất (T/m3) Kết quả tính toán: P1 = 0.5*(107.8-96.7)*1*2.4 = 13.32 (T), chiều P2 = *0.5*(107.8-96.7)*1*2.4 = 6.66 (T), chiều P3 = *0.5*(107.8-96.7)*1*1.83 = 5.08 (T), chiều P4 = 1.5*8*1*2.4 = 28.8 (T), chiều P5 = 6.5*(107.8-96.7)*1*1.83 = 132.03 (T), chiều - Áp lực đất chủ động: Pcđ= *Z*Kc – 2*C* + q*Kc

+ q: tải trọng phân bố trên bề mặt đất TL, q = qxe = 2 (T/m2) + Kc: hệ số chủ động, Kc = = = 0.538

+ C: lực dính đơn vị, C = 3 (T/m2)

+ Z: tọa độ điểm đang xét tính từ mặt đất trở xuống

Tại Z = 0m: Pcđ1 = -2C + q = -2*3* + 2*0.538 = -3.32 (T/m2)

Tại Z =(107.8 – 96.7 +1.5) = 12.6m: Pcđ2=1.83*12.6*0.538 + Pcđ1= 9.1(T/m3) Với: Z0 = - = - 3.38 (m), tại Z0 thì Pcđ = 0.

Ecđ = *(H*Pcđ2) = 0.5*(12.6-3.38)*9.1 = 41.95 (T), chiều Điểm đặt của Ecđ cách chân tường một khoảng là: = = 3.07m

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 88 Ngành Kỹ thuật công trình

Bang 4.21: Tổng hợp các lực tác dụng lên tường cánh thượng lưu TH1

STT Lực Giá trị tiêu chuẩn (T) lệchh/s tải Giá trị tính toán (T) l 0 (m) l 01 (m) M 0(T.m) M1(T.m) (+) (+) (+) (+) (+) (+) 1 P1 12.32 0.95 11.7 3.2 5 0.75 38.025 -8.775 2 P2 6.66 0.95 6.33 2.8 3 1.1 7 17.914 -7.406 3 P3 5.08 0.95 4.83 2.6 7 1.33 12.896 -6.424 4 P4 28.8 0.9 25.9 0 4 0 -103.6 5 P5 132.03 0.9 118.83 0.7 5 4.75 -89.124 -564.443 6 Ecđ 41.95 1.2 -50.3 3.0 7 3.0 7 154.421 154.421 Tổng 184.89 41.95 167.59 50.3 4 134.132 -536.227

b) Tính ứng suất đáy móng tường: =

W: mômen chống uống đáy móng tường, W= = = 10.67 m2

: tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên đáy móng, =167,59 (T)

M0: tổng mômen các lực lấy đối với tâm đáy móng O, M0 = 134.132 (T.m) F : diện tích đáy móng, F = 1*8 = 8m2

Thay các giá trị ta được: = 33.52 (T/m2), = 8.38 (T/m2) *Kiểm tra điều kiện ổn định trượt:

Do tràn đặt trên nền đá có σmax = 33.52 T/m2 < Rn = 4700 T/m2 nên ta chỉ kiểm tra điều kiện trượt phẳng. Lực chống trượt R được tính theo công thức sau :

R = *f + F*C Trong đó : + R : lực chống trượt + : tổng các lực tác dụng theo phương thẳng đứng + f : hệ số ma sát, f = = 350 = 0.7 + C : lực dính đơn vị, C = 0 T/m + F : diện tích đáy móng, F = 8m2

Thay vào công thức ta được : R = 167.59*0.7 + 8*0 = 117.3 (T) *Kiểm tra ổn định trượt theo công thức :

K = = = 2.33 > = = 1.09. Vậy tràn ổn định về trượt phẳng

*Kiểm tra điều kiện chống lất : nhận thấy = 8.38 (T/m2) >0 nên tràn không thể lật.

4.5.2.4. Trường hợp 2

Mực nước TL rút nhanh từ MNLTK xuống cao trình ngưỡng tràn. Cắt một dải tường có chiều dài l = 1m để tính toán. Sơ đồ lực tác dụng như sau :

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 89 Ngành Kỹ thuật công trình

Hình 4.7 : Sơ đồ các lực tác dụng lên tường cánh thượng lưu TH2

a) Xác định các lực tác dụng

Tính toán tương tự như TH1 ta thu được kết quả sau: P1 = 12.32 (T), chiều P2 = 6.66 (T), chiều P3 = *(105.98-96.7)*0.5*1*1.994 = 4.63 (T), chiều P4 = 28.8 (T), chiều P5 = 6.5*(105.98-96.7)*1*1.994 = 120.28 (T), chiều P7 = *((107.8-105.98)*0.5*)*1.83 = 0.14 (T), chiều .

(do kích thước và tải trọng rất nhỏ nên ta bỏ qua P7 để thuận lợi khi tính) P6 = 6.5*(107.8-105.98)*1*1.83 = 21.65 (T), chiều

*Áp lực đất chủ động: Pcđ = *Z*Kc – 2C + q* Kc

+ q: tải trọng phân bố trên mặt đất TL, q = 2 (T/m2) + Kc: hệ số chủ đọng, Kc = = = 0.538

+ C: lực dính đơn vị, C = 3 (T/m2)

+ Z: tọa đọ điểm đang xét, tính từ mặt đất trở xuống Tại A: ZA = 0, Pcđ = -2C= -2*3* = -4.52 (T/m2) Tại B: ZB = 107.8 – 105.98 = 1.82m, Pcđ = *Z*Kc – 2C Pcđ = 1.83*1.82*0.568 – 2*3* = -2.63 (T/m2) Tại C:có, C = 2.5 T/m2 , γđn = 0.994 T/m3, Zc =11.1m, q=1.83*1.82 = 3.33T/m2 Vậy: Pcđ2 = 0.994*11.1*0.568 – 2*2.5* + 3.33*0.568 = 4.39 (T/m2) Tại Z0 = - = – = 3.32m, thì Pcđ = 0 T/m2

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trang 90 Ngành Kỹ thuật công trình

Áp lực đất chủ động TL: Ecđ=0.5*(h2– Z0)*Pcđ2 = 0.5*(105.98-96.7-3.32)*4.39 Vậy, Ecđ = 13.1 T/m2

Điểm đặt cách đáy móng: l = = = 1.99m

*Áp lực thấm do chênh lệch cột nước phía trong và phía ngoài tường. Wth = **1*h2*B = 0.5*1*1*9.28*8 = 37.12 (T), chiều

Điểm đặt cách tâm O1 một khoảng: Lth = *B = *8 = 5.33m

*Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược: Wđn = *1*h3*B = 1*1*1.5*8 = 12 (T), chiều Điểm đặt cách tâm O1 một khoảng: Lđn = *B = *8 = 4m

*Áp lực thủy tĩnh sau tường:Wst= **h22*b = *1*9.282*1=43(T), chiều Điểm đặt cách tâm O1 một khoảng: Lst = *h2 = *9.28 = 3.1m

*Áp lực thủy tĩnh trước tường:Wtt =**h32*b= *1*1.52*1=1.13(T), chiều Điểm đặt cách tâm O1 một khoảng: Ltt = *h3 = *1.5 = 0.5m

Bảng 4.22: Tổng hợp các lực tác dụng lên tường cánh thượng lưu TH2

STT Lực Giá trị tiêu chuẩn (T) lệchh/s tải Giá trị tính toán (T) l 0 (m) l 01 (m) M 0(T.m) M1(T.m) (+) (+) (+) (+) (+) (+) 1 P1 12.32 0.95 11.7 3.25 0.75 38.03 -8.78 2 P2 6.66 0.95 6.33 2.8 3 1.1 7 17.9 -7.4 3 P3 4.63 0.95 4.4 2.67 1.33 11.75 -5.85 4 P4 28.8 0.9 25.9 0 4 0 -103.6 5 P5 120.2 8 0.9 108.3 0.75 4.75 -81.2 -514.4 6 P6 21.65 0.9 19.5 0.5 4.5 -9.75 -87.8 7 Wth 37.12 1 37.1 2 1.33 5.33 49.4 197.8 8 Wđn -12 1 -12 0 4 0 48 9 Wst -43 1 -43 3.1 3.1 133.3 133.3 10 Wtt 1.13 1 1.13 0.5 0.5 -0.57 -0.57 11 Ecđ -13.1 1.2 -15.7 1.9