CHƯƠNG 9 THIẾT KẾ TRÀN XẢ LŨ VÀ DỐC NƯỚC
9.7 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NGƯỠNG TRÀN
9.7.1 Mục đích:
Kiểm tra ổn định ngưỡng tràn là kiểm tra khả năng trượt, khả năng lật của ngưỡng tràn để đánh giá xem việc bố trí các bộ phận trên ngưỡng và lựa chọn kích thước ngưỡng như trên đã hợp lý hay chưa.
9.7.2 Trường hợp tính toán:
Căn cứ vào điều kiện làm việc của công trình, tính toán với các trường hợp sau đây với tổ hợp cơ bản (chính) sau đó chọn trường hợp bất lợi nhất kiểm tra lại với tổ hợp lực đặc biệt.
- Trường hợp mới thi công xong, công trình còn nằm trên khô.
- Khi hồ chứa nước nằm ở MNDBT.
- Khi hồ xả nước với lưu lượng thiết kế.
Ngoài ra tùy điều kiện cụ thể, có thể kiểm tra hồ xả nhanh nước xuống hạ lưu.
Do hình thức đập tràn đỉnh rộng, khi mực nước thượng lưu ở MNDBT, cửa van đóng hoàn toàn thì tràn làm việc bất lợi nhất, khi đó hạ lưu ngưỡng không có nước, áp lực nước thượng lưu lớn. Vậy chọn trường hợp tính toán ổn đinh ngưỡng như sau:
Cửa van đóng hoàn toàn, nước trong hồ ở MNDBT, các thiết bị thoát nước và chống thấm làm việc bình thường.
9.7.3 Tính toán cụ thể:
Với kết cấu ngưỡng tràn như trên hình 9.7.3.1 Điều kiện ổn định về lật:
Kl > [K] (10.7 – 1) Trong đó:
Kl - Hệ số an toàn về lật, được xác định theo công thức:
gl cl
l M
K M
∑
= ∑ (10.7 - 2) ΣMcl - Tổng mômen chống lật
ΣMgl - Tổng mômen gây lật
[K] - Hệ số ổn định về lật cho phép:
Với công trình cấp III: Tổ hợp lực cơ bản [K] = 1,2;
Tổ hợp lực đặc biệt [K] = 1,1.
9.7.3.2 Điều kiện ổn định về trượt:
n
c K
. m R N .
n ≤ (10.7 - 3) Trong đó:
nc - Hệ số tổ hợp tải trọng: nc = 1 (tổ hợp lực cơ bản) nc = 0,9 (tổ hợp lực đặc biệt)
N, R - Giá trị của tính toán của các lực tổng quát gây trượt và chống trượt giới hạn.
m - Hệ số điều kiện làm việc: m = 1 Kn - Hệ số tin cậy: Kn = 1,15
* Chỉ tiêu thiết kế:
Vật liệu làm ngưỡng tràn: Bê tông cốt thép M200
Đất nền thuộc lớp 2, với các chỉ tiêu cơ lý như sau:
γtn = 1,79 (T/m3); γbh = 1,97 (T/m3) Ctn = 2 (T/m2); Cbh = 1,8 (T/m2) ϕtn = 18o ϕbh = 16o
9.7.3.3 Các lực tác dụng lên bản đáy ngưỡng:
1. Trọng lượng bản thân của các mố:
(kể cả mố giữa và mố bên)
Gm = 2. γbt. (dmg . Hm + ωmb) .Lng
= 2. 2,5. (1. 8,28 + 6,21). 20 =1449(T) (10.7 -4) Trong đó:
γbt - Trọng lượng riêng của bê tông: γbt
= 2,5 (T/m3)
dm - Bề dày của mố: dm = 1m
Lng - Chiều dài ngưỡng: Lng = 20m Hm - Chiều cao của mố: Hm = 8,28m 2. Trọng lượng bản thân bản đáy ngưỡng:
Gbđ = γbt.Bbđ.ωbđ (10.7 -5) Trong đó:
Bbđ - Bề rộng bản đáy: Bbđ = 24 + 3 = 27m ωbđ - Diện tích mặt cắt dọc bản đáy:
ωbđ = 20.2-0,8(16,8+18,4)/2 = 25,92 (m2)
=> Gbđ = 2,5.27.25,92 = 1749,6 (T) 3. Trọng lượng cửa van:
a. Trị số:
Trọng lượng cửa van được xác định theo công thức Berezinxki : G5 = 1500F.4 F
Trong đó: F – diện tích của bản chắn nước:
F = 2. .R.B 360ϕ π Với : ϕ = 250 : Góc ở tâm vật chắn nước R : Bán kính vật chắn nước. R = 6m
Hình 10 - 19: Các lực tác dụng lên ngưỡng tràn
B : phần bề rộng do mố phụ trách B = 8m
H : Chiều cao cửa van theo phương thẳng đứng: H = 8,28m
→ F = .2.3,14.6.8 360
' 40 . 51
. . 3602
= 0
B π R
ϕ = 43,26m2.
→ Gcv = 1500.43,26.4 43,26 = 16,64 T.
b. Điểm đặt:
Theo kinh nghiệm thì điểm đặt Gcv nằm trên đường phân giác của góc ở tâm bản chắn nước và cách tâm bản chắn nước một đoạn Lo theo phương phân giác:
L0 = 0,8R = 0,8. 6 = 4,8m.
→ Gcv cách tâm bản chắn nước một khoảng l3 = 4,13m theo phương ngang Trọng lượng cửa van chia làm 2 phần: một phần tác dung lên bản đáy (G5a) và một phần tác dụng lên khớp quay (G5b). Ta cần xác định rõ 2 phần trên.
Để xác định được G5a và G5b ta dựa vào phương trình cân bằng lực và mômen đối với tâm quay như sau: (Giả sử các lực G5a và G5b có chiều như hình và cửa van đóng hoàn toàn)
ΣG = G5 - G5a + G5b = 0 ΣMo = 4,13. G5 - 3,32. G5a = 0
Giải hệ phương trình trên ta được: G5a = 20,7T; G5b = 4,06T.
Do G5a và G5b có chiều như chiều giả thiết nên ngoại lực do cửa van tác dụng:
Lên mố giữa G5b = 4,06T. (↑) Lên bản đáy G5a = 20, 7T (↓)
Lực do cửa van tác dụng lên bản đáy: Gcv = 3.G5a = 3. 20, 7 = 62,1(T) 4. Áp lực nước:
- Áp lực nước theo phương ngang:
W1 = .1.4.27 216( ) 2
. 1 . 2.
1 2 2
1 B T
H ng
n = =
γ - Áp lực nước theo phương đứng:
Xác định theo (10.6-7): W2 = 3.54,08 = 162,24 (T) 5. Áp lực sóng:
+ Thành phần lực:
Ws = Kđ.γn.hs1%(H1 + 0,5.hs1%).Bng (10.7- 6) Trong đó:
Kđ - Hệ số, phụ thuộc vào cột nước trước cửa van, bước sóng và chiều cao sóng h1%: kđ = 0,25
hs1% - Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1%: hs1% = 0,948m H1 - Chiều cao cột nước trước cửa van: H1 = 4m
Bng - Bề rộng ngưỡng: Bng = 27m
=> Ws = 0,25.1.0,948(4+0,5.0,948).27 = 28,63 (T) + Thành phần mômen:
ng 2 1 1
% 1 s 2
% 1 s
% 1 s n m
max .B
2 H 2
H . h 6 h h
. . K
M
+ + γ
=
(10.7- 7) Km - Hệ số: Km = 0,26
=> .27 66,96( )
2 4 2
4 . 948 , 0 6 948 , 948 0 , 0 . 1 . 26 , 0
2 2
max T
M =
+ +
=
6. Trọng lượng phần nước trong ngưỡng:
Gn = γn.Σb.ωn (10.7 - 8) Trong đó:
γn - trọng lượng riêng của nước: γn = 1 (T) Σb - Tổng bề rộng tràn nước: Σb = 24m
ωn - Diện tích mặt cắt ướt của nước trong ngưỡng theo phương dọc ngưỡng:
ωn = 19,5 (m2)
=> Gn = 1. 24. 29,39 = 705,36 (T) 7. Trọng lượng cầu thả phai:
Gph = γbt.ωph.Lph (10.7 - 9) Trong đó:
ωph - Diện tích mặt cắt ngang của cầu thả phai, theo sơ đồ bố trí như hình10 - 13, ta có: ωph = 2. 0,42 = 0,84 (m2)
Lph - Chiều dài cầu thả phai: Lph = 27m
=> Gph = 2,5. 0,84. 27 = 56,7 (T) 8. Trọng lượng của cầu giao thông:
Ggt = γbt. ωgt . Lgt= 2,5. 2,71. 27 = 182,93 (T) 9. Trọng lượng của cầu công tác:
Gct = γbt. ωct . Lct = 2,5. 2,82. 27 = 190,35 (T) 10. Áp lực thấm dưới đáy ngưỡng:
Wth = 0,5. γn. H1. Lng. Bbđ
= 0,5. 1. 4. 20. 27 = 1080 (T)
Bảng 10 -10: Bảng tổng hợp các lực tác dụng lên ngưỡng tràn TT Lực Giá trị lực Hệ số
vượt Giá trị Cánh tay đòn Mômen (T.m)
↓ → → ← Chống
lật Gây lật
1 Gm 1499.00 1.05 1521.45 10 1521.45 0
2 Gbđ 1749.60 1.05 1837.08 10 18370.8 0
3 Gcv 62.10 1.20 74.52 12.13 903.9 0
4 W1 216.00 1.00 0.00 2 0 432.00
5 W2 -162.24 1.00 -162.24 12.39 0 2010.15
6 Ws 28.63 1.00 0.00 4.34 0 124.25
7 Gn 705.36 1.00 705.36 16.74 11807.7 0
8 Gph 56.70 1.20 68.04 18.64 1268.3 0
9 Ggt 182.93 1.05 192.08 3 576.2 0
10 Gct 190.35 1.05 199.87 13.12 2622.3 0
11 Wt -1080.00 1.00 -1080.00 13.33 14396.4
Σ 3360.80 244.63 3573.504 52937.2 16962.8
9.7.3.4 Kiểm tra an toàn cho ngưỡng:
Hệ số an toàn chống lật:
Theo (10.6 - 2), ta có: 3,12 8 , 16962
2 , 52937 =
l =
K > [K] = 1,2
Như vậy: Kl > [K], ngưỡng tràn không bị mất ổn định lật.
Kiểm tra khả năng trượt:
Lực tổng quát R, xác định theo công thức:
R = P.tgϕI + F.CI (10.7 - 10) Trong đó:
P - Tổng các lực tác dụng lên bản đáy ngưỡng theo phương thẳng đứng:
P = 3573,504(T)
ϕI, CI - Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền nơi mặt trượt đi qua: (ở đây là nền đá) ϕI = 20o; CI = 0 (T/m2)
R =3573,504.tg20o + 0 = 1300,46(T) Theo (10.7- 3), ta có:
nc.N = 1.244,63 = 244,63 (T) < . =1300,46.1,151 =1130,84
Kn
R m (T)
Vậy ngưỡng tràn không bị trượt.