12.4.1. Sơ đồ tính toán
Hình 12-1. Sơ đồ tính toán bể tiêu năng 12.4.2. Trường hợp tính toán
Khi trong hồ có MNDBT cống tháo lưu lượng Qmax=1,2Qtk=0,384 m3/s.
12.4.3. Nội dung tính toán
- Giả thiết dbể - Tính: 3/2 0 . ) ( E q F c ϕ τ = Trong đó:
q: Lưu lượng đơn vị: = = 03,384,2
b
B Q
q = 0,12 m3/s.
ϕ: Hệ số lưu tốc, tra bảng (15-1) trang 65-Bảng tra thủy lực được ϕ = 0,95. E0 = Zcuối cống – Zđáy hạ lưu + V2/2g + db
Zcuối cống: Cao trình mặt cắt cuối cống = +36,9 m. Zđáy hạ lưu: Cao trình đáy kênh hạ lưu = +36,3 m.
V: Lưu tốc trong ống tại mặt cắt cuối = 2 0,764 / 2
4 / 8 , 0 . 14 , 3 384 , 0 s m Q = = ω . Từ F(τ ) tra phụ lục 15-1 BTTL ta có τ '' →h’’ = τ ''.E
hh: Độ sâu nước hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán = 0,246 m. - Tính Zr : độ hạ thấp mực nước từ bể ra kênh hạ lưu
2 '' 2 2 . 2 . − = g h q g h q Z c n h n r δ ϕ - Tính lại dbể = . '' ( ) r h c n h − h +Z δ
Bảng 12-3. Bảng tính chiều sâu đào bể
dgt q E0 F(τc) '' c τ hc'' hh Zr dtt 1,50 0,12 2,684 0,0287 0,1494 0,40104 0,246 0,00930 0,17 0,17 0,12 1,350 0,0805 0,2459 0,33193 0,246 0,00740 0,10 0,10 0,12 1,279 0,0873 0,2556 0,32702 0,246 0,00721 0,09 0,09 0,12 1,274 0,0878 0,2563 0,32667 0,246 0,00720 0,09 Chọn chiều sâu đào bể và chiều dài bể theo cấu tạo: Dbể = 1,2 m; Lbể = 5 m.
12.5. Cấu tạo chi tiết các bộ phận12.5.1. Thân cống 12.5.1. Thân cống
Cống được bố trí bên vai trái đập. Thân cống có kết cấu bằng ống thép dày 8mm, đường kính cống D = 0,8 m. Bảo vệ thân cống là lớp BTCT M-200.
12.5.2. Cửa vào
Cấu tạo chi tiết như hình vẽ.
Hình 12-2. Sơ đồ cấu tạo cửa vào cống 12.5.3. Van.
Van được bố trí ở cuối cống. Van có dạng van khóa, gồm 2 van; 1 van chính và 1 van sự cố.
Bể tiêu năng làm bằng BTCT M-200. đáy bể lót tấm thép có kích thước 3,5x2,5m dày 10 mm.
PHẦN IV
CHUYÊN ĐỀ KỸ THUẬT
Chương 13
TÍNH TOÁN THẤM VÀ ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT
- Khi xây dựng các công trình thủy lợi nói chung và đập đất nói riêng thường xuất hiện hiện tượng nước thấm trong đất hoặc đá nứt nẻ như thấm qua công trình đất, đá; thấm vòng quanh công trình bê tông v.v…
- Mặt khác đập đất lại thường xuyên chịu tác động của môi trường nước nếu không được tính toán kỹ, chính xác với nhiều trường hợp thì sẽ rất nguy hiểm đến sự ổn định của công trình cũng như tính mạng, tài sản của người dân. Vì vậy tính toán thấm và ổn định có tầm quan trọng đặc biệt và là một khâu không thể thiếu trong thiết kế công trình thủy lợi.
13.2. Mục đích tính toán
- Mục đích tính thấm qua đập đất :
+ Xác định lưu lượng nước thấm qua thân đập, nền và bờ để đánh giá tổn thất nước trong tính toán kinh tế và cân bằng hồ chứa, quyết định hình thức chống thấm trong thân đập.
+ Xác định vị trí của đường bão hòa để bố trí vật liệu xây dựng thân đập và đánh giá sự ổn định của mái dốc hạ lưu. Ngòai ra, việc xác định vị trí đường bão hòa để lựa chọn hình thức thoát nước trong thân đập.
+ Tính toán gradien thấm để đánh giá mức độ xói ngầm chung và xói ngầm cục bộ nhằm mục đích xác định kích thước hợp lý của thân đập, kết cấu chống thấm và thành phần của tầng lọc ngược.
- Mục đích tính ổn định đập đất:
+ Xác định hệ số an toàn ổn định nhỏ nhất Kminmin của mái dốc từ đó so sánh với hệ số an toàn cho phép theo quy phạm .
13.3. Nội dung tính toán
13.3.1. Các trường hợp tính toán
Do thời gian làm đồ án tốt nghiệp có hạn nên chỉ phân tích đánh giá các trường hợp sau để tính toán :
- Trường hợp 1: Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu không có nước, thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường.
- Trường hợp 2: Thượng lưu là MNLTK, hạ lưu là mực nước lớn nhất (ứng với lưu lượng xả lớn nhất từ hồ chứa), thiết bị thoát nước làm việc bình thường.
- Trường hợp 3: Thượng lưu là MNLKT, hạ lưu mực nước tương ứng, thiết bị thoát nước làm việc bình thường.
Phương pháp tính toán + Tính thấm qua đập đất:
Do tính toán kỹ thuật sử dụng phương pháp thủy lực tính toán nên trong phần chuyên đề sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm SEEPW trong bộ phần mềm Geo.Slope-Studio 2007 để tính toán và so sánh được sự khác nhau giữa 2 phương pháp.
+ Tính ổn định qua đập đất:
Trong phần tính toán kỹ thuật ổn định đập đất tìm tâm cung trượt nguy hiểm sử dụng phương pháp Filennít và Fandeep còn trong phần chuyên đề sử dụng phương pháp: Sử dụng phần mềm Slopew trong bộ phần mềm geo.slope-studio 2007
13.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạna. Tổng quan về phần mềm SEEP a. Tổng quan về phần mềm SEEP
Phần mềm SEEP/W là một phần mềm mạnh trong bộ Geo-slope của canada sử dụng để tính toán và xử lý thấm cho các công trình thủy: đê, đập, kè … và các công trình ngầm: hầm ngầm, đường hầm dẫn nước….
Ngoài ra, phần mềm SEEP/W còn kết hợp đươc với các phần mềm khác như SLOPE để tính ảnh hướng của thấm tới ổn định trượt của công trình.
b. Cơ sở lý thuyết của seep
Dòng thấm trong đất bão hòa theo định Darcy
Qvào – Qra = độ biến thiên độ ẩm thể tích ∆θ
Do trường hợp tính toán là đất bão hòa nên ∆θ=0 khi đó Qvào = Qra - Phương trình vi phân cơ bản trong phân tích thấm:
. . . x y H H k k Q x x y y t ∂ ∂ +÷ ∂ ∂ ÷+ =∂Θ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (14-1) Trong đó: H: Cột nước thấm tổng
kx: Hệ số thấm theo phương ngang ky: Hệ số thấm theo phương đứng
Q: Lưu lượng phụ thêm ( Lưu lượng biên tác dụng)
Θ: Hàm độ ẩm thể tích
t : Thời gian
Cơ sở thiết lập các công thức trong phân tích thấm chính là mối quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và hàm lượng nước. Khi có dòng chảy trong đất, chắc chắn có một lượng nước giữ lại trong kết cấu lỗ rỗng đất, lượng nước này chính là hàm số của áp lực nước lỗ rỗng và các đặc trưng khác của đất.
Hàm độ ẩm thể tích Θphụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng : w V V Θ = Trong đó: Vw : Thể tích nước V: Thể tích tổng
Do đang xét cho trường hợp đất bão hòa thì đất chứa đầy nước trong lỗ rỗng như vậy độ ẩm thể tích không đổi theo thời gian 0
t
∂Θ = ∂
+ Hệ số thấm k
Hệ số thấm phụ thuộc vào hàm độ ẩm thể tích, kích thước và thành phần hạt …
Trong đồ án này chỉ tính cho phần dưới đường bão hòa nên có thể coi hệ số thấm là một hằng số.
+ Đất đắp đập: k = 7,9.10-8 m/s + Lớp nền 1: k = 2,89.10-6m/s + Thiết bị thoát nước: k = 1.10-4 m/s Phương trình cột nước tổng: 2 w w 2. u v H y g γ = + + Trong đó: uw : Áp lực nước lỗ rỗng w
γ : Dung trọng riêng của nước y: Cao trình cột nước
v: Vận tốc thấm - Điều kiện biên:
+ Điều kiện Dirichtle: 1 ( , ) H H x y S = (14-2)
( ) 2 , s h q x y N ∂ = ∂ (14-3)
Như vậy: Từ phương trình cơ bản và các điều kiện biên là cơ sở để tính toán thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn.
13.3.3. Các bước tính thấm trong phần mềm SEEP
- Bước 1: Thiết lập mô hình bài toán
- Bước 2: Khai báo hệ số thấm và vật liệu cho lớp đất.
- Bước 3: Rời rạc hóa miền tính toán , chia miền V thành miền con V(e)
Tính thấm theo phương pháp này là miền thấm được chia ra thành nhiều phần tử nhỏ nối với nhau tại các nút có kích thước khác nhau và phù hợp với điều kiện biên và tính chất của các dòng thấm ở các khu vực khác nhau (khu vực dòng thấm mạnh thì chia thành phần tử có kích thước nhỏ và ngược lại). Với các phần tử được chia theo lưới hay dạng hình vuông, tam giác với độ chính xác khác nhau thông thường chia phần tử theo hình vuông là chính xác nhất.
- Bước 4: Khai báo điều kiện biên:
+ Điều kiện cột nước: Điều kiện cột nước áp dụng cho phía thượng lưu và hạ lưu công trình tại các nút biên nhưng khi đó cột nước tại thượng lưu và hạ lưu là cột nước tổng
+ Điều kiện biên lưu lượng tại nền: Đó chính là tại các nút không thấm. - Bước 5: Giải bài toán
13.4. Kết quả tính toán
13.4.1. Tính thấm cho mặt cắt sườn đồi
13.4.1.2. Mặt cắt sườn đồi 3-3
13.4.2. Tính thấm cho mặt cắt lòng sông
- Trường hợp 1: Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu không có nước, thiết bị thoát nước làm việc bình thường.
- Trường hợp 3: Thượng lưu là MNLKT, hạ lưu mực nước tương ứng, thiết bị thoát nước làm việc bình thường.
Bảng 14.1. Kết quả tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn
Mặt cắt 1-1 3-3 2-2 2-2 2-2 Trường hợp MNDBT MNDBT MNDBT MNLTK MNLKT Tổng lưu lượng thấm qua nền và đập (q) (m3/s) 2,35. 10 -6 2,2. 10-6 3,6. 10-6 4,33. 10-6 4,54.10-6 Gradien thấm 0,4 0,55 0,9 0,85 1,0
13.5. Tính tổng lưu lượng thấm qua đập
Khái niệm: Tổng lưu lượng thấm của đập (Q) là lượng nước thấm qua đập trong một đơn vị thời gian.
Mục đích tính toán: Kiểm tra sự tổn thất về thấm để đánh giá tính hợp lý của các thiết bị thoát nước, hình thức chống thấm như đã chọn ở trên.
Phương pháp tính: Dùng phương pháp phân đoạn để tính. Ta chia đập thành 4 đoạn, tính lưu lưu lượng thấm cho mỗi đoạn (chỉ tính cho trường hợp MNDBT, hạ lưu không có nước) theo công thức sau:
[l1.q1 (q1 q2).l2 ... (qn 2 qn 1).ln 1 qn 1l.n] 2 1 Q= + + + + − + − − + − =1/2[9,74.2,35+(2,35+3,6).23,5+(3,6+2,2).30,8+2,2.15,5].10-6=187,73.10-6(m3/s) Trong đó:
q1, q2....qn - Lưu lượng đơn vị tại các mặt cắt đặc trưng tính toán. l1, l2...ln - Chiều dài của các đoạn tính toán tương ứng.
Tính lượng tổn thất trong 1 năm:
Wth = Qt . t = 187,73.10-6.31,5.106 = 5913 m3
Lưu lượng thấm mất nước cho phép của hồ ứng với MNDBT theo tính toán điều tiết là: Wcp = 1,5%.Vhồ = 0,015.4,142.106 = 62130 m3
Nhận xét:
Kết quả tính toán cho thấy:Wth < Wcp
∗ Kết luận: với lưu lượng thấm qua đập như trên thì lượng mất nước trong hồ do thấm là
không đáng kể và hồ vẫn đảm bảo tích đủ nước.
* So sánh kết quả:
Dựa vào kết quả tính toán theo phương pháp thủy lực và kết quả tính toán bằng cách sử dụng phần mềm Geo-slope, ta nhận thấy:
+ Tổng lưu lượng thấm qua đập tính theo phương pháp thủy lực nhỏ hơn tổng lưu lượng thấm khi tính bằng phần mềm (174,27.10-6 m3/s < 187,73.10-6 m3/s). Do đó mà lượng nước bị tổn thất trong hồ khi tính theo phương pháp thủy lực cũng nhỏ hơn lượng tổn thất khi tính bằng phần mềm. Nhưng với cả 2 cách tính ta đều có lượng tổn thất do thấm gây ra so với lượng nước tích trong hồ là không đáng kể, hồ đảm bảo tích đủ nước.
+ Vị trí đường bão hòa khác nhau khi tính theo phương pháp thủy lực và tính bằng phần mềm.
+ Kết quả tính toán khi sử dụng phần mềm tương đối chính xác hơn so với tính tay.
13.6. Tính toán ổn định theo theo phần mềm slope13.6.1. Tổng quan về phần mềm slope 13.6.1. Tổng quan về phần mềm slope
- Giới thiệu về mô hình và môi trường làm việc:
SLOPE/W là một trong 6 phần mềm địa kỹ thuật trong bộ GEOSLOPE Officeb của Geo-Slope International – Canada.
SLOPE/W là phần mềm giao diện đồ họa, 32 bit có thể chạy trong hệ điều hành WIN 95/98/nt/2000 và xp
- Khả năng của SLOPE:
- SLOPE/W phân tích ổn định mái đất – đá theo phương pháp cân bằng giới hạn khối trong đất bão hòa và không bão hòa như:
+ Mái dốc chịu tải trọng ngoài và có cốt gia cố
+ Tích hợp với SEEP/W phân tích ổn định mái dốc trong điều kiện áp lực nước lỗ rỗng phức tạp
+ Phân tích ổn định mái dốc theo xác suất
13.6.2. Khái quát tính toán ổn định
- Mục đích và nhiệm vụ việc tính ổn định
Tích hợp với seep/w để xác định hệ số nhỏ nhất của mái đập - Cơ sở lý thuyết chung của phương pháp tính toán ổn định
+ Lựa chọn phương pháp:
Phần mềm Slope/W của Geoslope của Canada cho phép tính toán rất nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp Morgenstem, PP Bishop, Janbu, PP GLE...
Trong công thức này tính toán ổn định mái đập lựa chọn theo phương pháp Bishop để xác định hệ số an toàn K:
+ Giả thiết lực pháp tuyến giữa các cốt đất bằng không.
ß
α
ω
Hình 14.1. Các lực tác dụng lên mảnh
+ Hệ số an toàn theo phương pháp Bishop cho đất bão hòa:
( ) [ ] ' tan ' m x c R N u R F W Nf kWe Dd Aa β + − β ϕ = − + ± ± ∑ ∑ ∑ ∑ Trong đó:
Lực pháp tuyến tại đáy cốt đất:
[ ]
, ,
,
. sin sin tan
sin sin tan cos c u W D F N F β α β α ϕ ω α ϕ α + − + = + Trong đó:
W = tổng trọng lượng của dải đất
N = tổng lực pháp tuyến trên đáy dải đất S = lực cắt ở đáy mỗi dải
E = lực pháp tuyến giữa các dải theo phương ngang X = lực cắt giữa các giải theo phương đứng
D = tải trọng ngoài (phân bố theo đường thẳng) k = hệ số động đất
R = bán kính cung trượt hoặc cánh tay đòn của lực cắt S đối với mặt trượt.
f = khoảng cách theo phương vuông góc từ tâm trượt hoặc từ tâm moment đến lực pháp tuyến N. Đối với mái nghiêng âm, khi f nằm phía bên phải tâm quay thì lấy dấu âm, nằm bên trái thì lấy dấu dương. Với mái nghiêng dương dấu của f lấy ngược lại.
x = khoảng cách theo phương ngang từ đường tâm mỗi dải tới tâm quay hoặc tâm moment.
e = khoảng cách theo phương đứng từ trọng tâm mỗi dải tới tâm quay hoặc tâm moment.
d = khoảng cách theo phương vuông góc từ tải trọng ngoài D tới tâm quay hoặc tâm moment.
h = khoảng cách theo phương đứng từ tâm đáy mỗi dải tới đường cao nhất trong mặt cắt
a = khoảng cách theo phương vuông góc từ hợp lực của nước tới tâm quay hoặc tâm moment.
A = hợp lực của nước
w = góc của tải trọng ngoài theo phương ngang lấy ngược chiều kim đồng hồ tính từ chiều dương của trục x
a = góc giữa tiếp tuyến tại tâm đáy mỗi dải và phương ngang. Khi góc a cùng phương với góc nghiêng đập là dương và ngược lại.
b = chiều dài của đáy mỗi dải u = áp lực nước lỗ rỗng
ϕ’ = góc ma sát trong
- Các bước tính toán trong phần mềm:
+ Chuyển bài toán từ SEEP qua SLOPE + Khai báo vật liệu cho các lớp đất:
Phương pháp chọn phương pháp Morh-coulomb + Chọn vùng bán kính mặt trượt
+ Chọn vùng tâm mặt trượt
13.6.3. Kết quả tính toán
Trường hợp 1: Thượng lưu là MNLTK, hạ lưu là mực nước tương ứng, thiết bị thoát nước làm việc bình thường