Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi Phần I : Nhiệm vụ tập lớn Đề bài: -Thiết kế đập BTTL theo phơng pháp hệ số kháng -Thiết kế đập ®¸ cã têng lâi mỊm -ThiÕt kÕ ®Ëp ®ång chÊt có tờng nghiêng chân khay Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Ngày giao: / /2008 Ngày nộp:/./2008 I/ Số liệu ban đầu 1.1.Tài liệu địa chất: Loại đất: T k1 k2 k3 a {} (m) (m/ngđêm) (m/ngđêm) (m/ngđêm) 3 (T/m ) (T/m ) (T/m ) 1,52 1,7 0,8 10-1 ∞ S1 (m) S2 (m) S3 (m) C (T/m2) f t (m) θ 23 1,8 2,5 1,5 0,7 k1-HƯ sè thÊm cđa ®Êt nỊn.k2-HƯ sè thÊm cđa ®Ëp k3-HƯ sè thÊm cđa têng 1.2.Tµi liƯu vỊ thủ văn: Mực nớc TL Mực nớc HL H1(m) 30 II.Yêu cầu: STT Chiều cao sóng Hs(m) Công Việc Thiết kế mặt cắt đập Xác định kích thớc tờng Xác định lu lợng thấm đờng bÃo hoà đập Kiểm tra ổn định đập: -Kiểm tra ổn định trợt phẳng -Kiểm tra ổn định lật -Kiểm tra ổn định trợt mái dốc theo phơng pháp trợt cung tròn Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Hệ số thÊm α1 0,5 Bíc sãng TB λ (m) 14 TiÕn độ (tuần) Thực Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi Phần II : Nội dung tính toán Chơng 1: thiết kế đập đất đồng chất có tờng nghiêng mềm I Cơ sở lý luận Sơ đồ tÝnh.(H×nh 1.1) y B d MNTK m2 m H1 L a o x O L Trong ®ã: + d: độ vợt cao đỉnh so với mực nớc dâng bình thờng mực nớc lũ + B: chiều rộng đỉnh đập đợc xác định theo yêu cầu giao thông( 3-5 m) + m1, m2: mái dốc thọng lu hạ lu đập + xoy : hệ trục toạ độ giả định tính toán thấm Lý thuyết đập đất đồng chất có tờng nghiêng mềm a) Khái niệm: Đập đất loại đập đợc cấu tạo từ loại đất có khả chịu đợc ổn định nhờ trọng lợng thân Đặc điểm đập đất cho dòng thấm chảy qua b) Nguyên tắc bớc thiết kế đập đất + Nguyên tắc: Đập nên phải ổn định điều kiện làm việc Thấm qua thấm qua thân đập không tiêu hao cột nớc qua lớn, không xói ngầm, nớc thấm qua thân không làm h hỏng đập Đập phải đủ cao, phải có công trình tháo lũ đảm bảo hệ thống làm việc an toàn Có thiết bị bảo vệ mái đập chống tác hại sóng, gió, ma, nhiệt độ Giá thành đập kinh phi quản lý rẻ Việc lựa chọn loại đập, cấu tạo phận thời gia phơng pháp thi công phải dựa vào tình hình hệ thống công trình + Các bớc thiết kế: So sánh lựa chọn loại đập Xác định kích thớc chủ yếu phận đập Tính toán thấm ổn định độ lún Chọn cấu tạo chi tiết phận Tính toán khối lợng công trình nhân công (*) Tính toán thấm qua ®Ëp ®Êt q = k h12 − a 2.( L − m1 a ) (*) Ph¬ng trình đờng bÃo hoà: Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thủ Lỵi y2 = (h1 − h2 ) x ( L + L) II Ung dụng (*)Xác định kích thớc đập : 1.Cao trình đỉnh đập : CTĐĐ = CTMN_dâng bình thờng + d Hoặc : CTĐĐ = CTMN_lũ + d Trong : d , d - độ vợt cao đỉnh đập so với MN_dâng MN_lũ Ta chọn d=2m với cấp công trình cấp CTĐĐ = 30 + = 32 m 2.ChiỊu réng ®Ønh ®Ëp : ChiỊu réng ®Ønh đập đợc xác định theo yêu cầu cấu tạo , giao thông nhng bề rộng nhỏ phải ÷ m LÊy chiỊu réng ®Ønh ®Ëp : B = m 3.Mái đập : Độ dốc mái đập phụ thuộc vào chiều cao đập , loại đất đắp , tính chất Sơ chọn mái dèc ®Ëp nh sau : Khi H = 30 m < 40 m : Mái thợng lu m = 0,05.H + = 3,5 Mái hạ lu m1 = 0,05.H + 1,5 = VËy ta chän m=3.5; m1=3.Ta tính toán cho trờng hợp mái dốc không đổi bậc (*)Xác định kích thớc tờng nghiêng chân khay: 1) Kích thớc tờng nghiêng: Chọn bỊ dµy t1 = m t2 = 0,1.H = 0,1.30 = m ,chän t2 = m 2) Kích thớc chân khay: Chân khay có bề dày không thay ®ỉi t = t2 = m ChiỊu cao chân khay : T chiều sâu từ chân đập đến tầng không thấm nớc : T = m : lấy T= 10m Mặt cắt ngang đập nh hình vÏ: 30m m = 3,5 m=3 10m (*) TÝnh to¸n lu lợng thấm qua đập : Trờng hợp đập có tờng nghiêng chân khay,theo tính chất liên tục dòng chảy ta thiết lập công thức tính lu lợng nh sau : Theo giáo trình Thuỷ Công Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi Given q T  t k0⋅ ( h1 − h3 ) ⋅ k⋅ ( T + h3 ) − T  q 2⋅ ( δ − m⋅ h3) h1 − h3 − z0  + 2⋅ δ⋅ sin( α )   2  Trong ®ã : m mái dốc đập thợng lu ( m = 3,5) h1 – mùc níc thỵng lu ( h1 = 30m ) q lu lợng thấm qua đập tính cho m dµi ( m/s) K – hƯ sè thÊm cđa ®Ëp ( K = 0,1m/24h) k0 : hƯ sè thÊm cđa têng (k0 = 0,001 m/24h) δ : chiỊu dày trung bình tờng = m m1 mái dốc hạ lu đập ( m1 = ) T : chiều dày tầng không thấm T = 10 m Giải phơng trình ta tìm đợc : q , h3 q = 0.39 m/ng® = 4.47.10-6 m/s ; h3 = 2,70 m -)Đờng bÃo hoà Ta cã q = ao ⇒ a o = q.(m1 + 0,5) = 0,39.(3 + 0,5) = 1.05m / 24h m1 + 0,5 Đờng bÃo hoà nh hình vẽ : 30m m = 3,5 m=3 10m (*)Xác định lực tác dụng lên đập:Tính cho mét dài đập 1)áp lực thủ tÜnh : TÝnh cho mét mÐt dµi têng Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi W2 W1 G1 m=3 G2 G3 m = 2,5 W3 Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn đáy: P = .H = 30 T/m2 W1 = P.H/2 = 30.30/2 = 450 T e = H/3 = 9.3m áp lực nớc tác dụng m¸i dèc : W2 = Vn.γn = 30*9.3*30*1/2 = 3656 T áp lực đẩy : W3 = 0,5.30.(30.3 + + 30.3)/2 = 1387.5 T Trọng lợng thân ®Ëp : G1 = 32.3.32.1,45/2 = 2227.2 T G2 = 32.5.1,45 = 232 T G3 = 32.3.32.1,45/2 = 2227.2 T Tổng trọng lợng : G = 4686.4 T Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi 2)Tải trọng sóng tác dụng lên đập : Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng: đỉnh đê Pd MNTT 0.1Pd 0.4Pd 0.4Pd 0.1Pd f Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng đợc xác định theo công thức: Pd = k no k nb P2 γ h( T / m ) Trong đó: -Trọng lợng riêng nớc (=1T/m3) h=2,5m-Chiều cao sóng P2 -áp lực sóng tuơng đối lớn điểm theo bảng 2.5 với h=2,5m P2 =1,9 knb-Hệ số xác định theo bảng 2.4 với kno-Hệ số xác định k no = 0,85 + 4,8 λ 14 = = ,6 ta cã knb=0,85 h ,5 h h 3 + m.(0,028 − 1,15 ) = 0,85 + 4,8 + 3,5.(0,028 − 1,15 ) = 1,18 VËy 14 14 λ λ thay vµo công thức 2-4 ta có Pd=4,8T/m2 Xác định tung độ z2: z2 = A + Trong ®ã: (1 − 2.m + 1)( A + B ) (2-5) m λ 1+ m2 14 10 ) = ,5 ( ,47 + ,23 ) = ,88 h ,5 m h B= h 0 ,95 − ( ,84 m − ,25 )  = ,36  λ   Thay A, B m=3 vào công thức 2-5 ta có z2= 2,55m Xác định khoảng cách li: l1=0,0125L ;l2=0,0265L ; l3=0,0325Lα ; l4=0,0675Lα (2-6) m λ 3.14 = = 24 ,97 m Víi Lα= m Thay L vào hệ thống công thức 2-6 ta cã l1=0,312m; l2=0,662m ; l3=0,812m; l4=1,685m A= h ( ,47 + ,23 (*)Kiểm tra ổn định đập : 1)Kiểm tra ổn định trợt phẳng: Tổng lực giữ : Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi Pgiữ = (G + W2 – W3 + 2.Pd.cosα).0,7 = (4686.4 + 3656 – 1387.5 + 2*4,75.cos18,43 ).0,7 = 4281.02 T Tæng lực gây trợt : Ptr = W1 + 2.Pd.sin = 392 + 2.4,75.sin18,43 = 401.1 T Hệ số ổn định trỵt : Ktr = Pgiu Ptr = 4281.02 = 10.7 > [ K tr ] = 1,5 401.1 VËy ®Ëp ổn đinh trợt 2)Kiểm tra ổn định lật : Tổng mô men giữ : Mgiữ = G1.e1 + G2.e2 + G3.e3 + W2.e4 = 278385 Tm Tỉng m« men lËt : MlËt = W1.e5 + W3.e6 = 65298 Tm HÖ số ổn định lật Kl = M giu Ml = 278385 = 4.26 > [ K l ] = 1,5 65298 Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật 3) Kiểm tra trợt cung tròn mái dốc: Để kiểm tra điều kiện ta phải xác định tâm trợt bán kính cung trợt a.Xác định tâm trợt Tại K trung điểm mái dốc ta kẻ đờng với mái dốc đập góc 850 đờng thẳng đứng Tâm trợt nguy hiểm nằm vùng dẻ quạt giới hạn cung R1=H=8,442m R2=2,3H=19,417m Sau ta chọn tâm O nh h×nh vÏ sau: 9m ,44 =8 R1 k R2=19,417m 3m o 2m b.Xác định bán kính cung trợt Chọn t/H =0,25 m=2,5 ta có: R/H=(2,3ữ3) R=(19,4166ữ25,326)m Vậy ta chọn R=21m c.Công thức kiểm tra điều kiện ổn định trợt lµ: ∑ (Ci li + W ' cos(α i ).tgϕ i ).sin α i K= ∑Wi sin α i + ∑ H a R Trong ®ã : K- Hệ số ổn định trợt, với đê mái nghiêng K >1,3 R=21m-Bán kính cung trợt Ci-Lực dính đất lấy theo quy định trạng thái giới hạn I.(Ta chọn Ci=1,5T/m2) i-Góc nội ma sát lấy theo quy định trạng thái giới hạn I.(Ta chọn i=230) li-Chiều dài đoạn cung trợt tròn phân tố thứ i i-Gradien đờng đáy phân tố thứ i H-Ngoại lực tối đa theo phơng ngang (¸p lùc sãng, ¸p lùc thủ tÜnh ) Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi a-Cánh tay đòn ngoại lực W-Tổng trọng lợng thực phân tố thứ i Wi- Tổng trọng lợng hữu hiệu phân tố chia nhá thø i Ta chia nhá ph¹m vi cung trợt làm mảnh nhỏ có bề rộng nh nhau.Dựa vào hình vẽ ta xác định đợc 1=360; 2=150; α3=50; α4=260; α5=510.Trong tÝnh to¸n ta coi nh bá qua áp lực sóng (vì áp lực gây ổn định hơn) , áp lực thuỷ tĩnh phân bố hình tam giác tham gia vào ổn định làm đê ổn định giá trị mẫu thành phần mang giá trị âm Coi đất cát có =1,8T/m3.Ta coi Ci =0; i=450 vị trí cung trợt qua phần đất mảnh5.Xét lực tác dụng lên mảnh thứ nh sau: Tổng trọng lợng thân (hữu hiệu) là: n n i =1 j =1 W5= ∑ γ dni Fi + ∑ γ j F j =2,5.7,85+4,7.(2,5-1,025)+21,73.(2,2-1,025) +6,4.(1,8-1,025)=59T Tỉng träng lỵng thực là: W=2,5.7,85+4,7.2,5+21,73.2,2+6,4.1,8=90,7T Chiều dài cung tròn đoạn lµ: l5=α5.π.R/180=51 π.21/180=18,7m ' ⇒ (C l5 + W cos(51).tg 45) sin 51 = 44,31T W5.sin51=44,297T o m 21 R= 51… ci W W W fgiũ W f trƯọt gây W =57T Và tơng tự với mảnh lại dựa vào mặt cắt ta tính toán nh bảng sau: Tử Mẫu Mảnh Ci(T/m2) li(m) W’(T) W(T) α ϕ H(T) a(m) R(m) sè sè 1.5 13.2 56 26 36 23 21 23 15 1.5 115 115 53 15 23 21 57 13.8 1.5 1.83 161 78 23 21 6.2 6.8 1.5 9.53 172 87 26 23 21 35 38.1 18.7 90.6 57 51 45 24 12 21 44 44.3 NhËn xÐt : Ta thÊy m¶nh có xu giữ cho đê ổn định tức lực gây trợt Vì số hạng tham gia mẫu mảnh mang dấu âm Mặt khác lực ngang H giữ cho đoạn đập ổn định lên mang dÊu ©m VËy ta cã : K= 22,9 + 56,6 + 6,2 + 35,1 + 44,3 = 4,14 > 1,5 − 15,05 − 13,77 + 6,8 + 38,1 + 44,3 13,67 Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi Vậy đoạn đê tính toán đảm bảo ổn dịnh trợt cung tròn Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi Chơng2:Thiết kế đập bêtông trọng lực I Cơ sở lý luận Sơ đồ tính (Hình 2.1) b MNTK H L1 B Lo S2 S1 T Tầng Không thấm nuớc Trong đó: H : mực nớc thợng lu B: bề rộng đáy ®Ëp b : bÒ réng ®Ønh ®Ëp S1 , S2: chiều cao hàng cừ T: chiều sâu tầng không thấm Lý thuyết đập bê tông trọng lực a) Khái niệm chung Đập trọng lực loại đập mà ổn định chủ yếu dựa vào trọng lợng thân Trọng lợng đập giữ cho đập không bị đẩy nổi, trợt lật Đập bê tông trọng lực có khối lợng lớn nên không lợi dụng hết đợc khả làm việc vật liệu Vì vật liệu xây dựng đập yêu cầu cao nh bê tông , không cần mác cao, phần đập dùng đá Để đảm bảo tính ổn địhh cao ngời ta xây dựng đập bê tông nên gọi đập bê tông trọng lực b) Thiết kế mặt cắt ngang đập bê tông trọng lực Mặt cắt ngang kinh tế đập mặt cắt ngang có chiều rộng nhỏ thoả mÃn ba điều kiện: + Điều kiện ổn định: đảm bảo hện số an toàn ổn định trợt mặt cắt nguy hiểm phải lớn trị số cho phép + Điều kiện ứng suất: khống chế không để xuất ứng suất kéo mép thợng lu có xuất phải nhỏ trị số cho phép + Điều khiện kinh tế: đảm bảo điều kiện khối lợng công trình nhỏ (*)Xác định bề dày đế đập theo điều kiện ứng suất: = V ± * ∑ M b b Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: 10 Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi H n.b (1-n).b Dựa vào sơ đồ lực tác dụng vào đập trình biến đổi toán học, ta có công thức xác ®Þnh chiỊu réng b nh sau: h γ b= 2− b , bmin=> n= γb γ (1 − n) + n(2 − n) − α γ (*)X¸c định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trợt K c W1 = f G Từ ta xác định đợc chiều rộng đáy đập theo công thøc sau: h b = kc f ( γb + n − α1 ) γ Trong ®ã: + f: hƯ số ma sát đập đất + Kc: hệ số an toàn ổn định đập + G : tổng lực tác dụng lên mặt cắt c) Tính toán ổn định trợt, lật đập dọc theo nÒn f (( P − Wi ) + C.F ) Q P = = 1.15 ÷ 1.25 Wt kt = k dn Sinh viªn: Ngun Trung Kiªn Líp : CTT45ĐH1 Trang: 11 Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi II Ưng dụng: Số liệu : -Mực nớc thợng lu : H1 = 30m -Mùc níc h¹ lu : H2 = -Trọng lợng riêng tờng : đ = 2,3m3 -HƯ sè thÊm cđa nỊn : Kn = 10-1 cm/s -Lùc dÝnh : C = 1,0 T/m2 -HÖ số ma sát f=0,7 -Chiều sâu tầng không thấm : m -Chiều sâu cừ giữa: 2,5m Tính toán (*)Xác định bề dày đập :Ta thiết kế cho đập trọng lực tràn nớc a Cao trình đỉnh ®Ëp : CT§§ = MNTL => CT§§ = 30 m b Xác định chiều rộng đập theo điều kiện ứng suất điều kiện trợt Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao 30 m chiều rộng đáy B hình chiếu mái thợng lu nB ,hình chiếu mái hạ lu (1-n)B Có n=1- =>n=- 0.1.Vì n=- 0,1 nghĩa mái dốc thợng lu đập có độ dốc ngợc ,gây khó khăn cho việc thi công ,mặt khác phát sinh ứng suất kéo mặt hạ lu,do lấy n=0 Vậy chiều rộng đáy đập tính theo công thøc sau: B= h (lÊy α1=0,5)⇒B=0,77h γ1 − α1 γ =>B=24m.Và thoả mÃn ổn định trựơt B[0,87.h;0,7.h] c Mái dốc thân đập : Mái dốc đập thợng lu : m0 = Mái dốc đập hạ lu : m1 = 0,55 d Xác định ứng suất đập ng suất theo phơng thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt ngang đập xác định theo công thøc nÐn lƯch t©m σ= ∑V ± * ∑ M b Trong ®ã: b ΣV= W2+G- Wt W2:áp lực nớc thẳng đứng tác dụng lên mái đập thợng lu (=0) G:Trọng lợng thân công trình Wt :áp lực đẩy dới đáy đập V = B.h (γ − α 1γ ) α1 :HÖ sè áp lực thấm lại tác dụng cản trở màng chống thấm (=0.5) :Trọng lợng riêng vật liệu làm thân đập (=2,3T/m3) :Trọng lợng riêng cđa níc (=1T/m3) ∑M0 = B h h2 (2γ + α 1γ − 3γ n + 2γ n − γ + 2γ n) 12 B Thay sè ta cã ΣG=1208,5 T ΣM0= 6989,5 T.m Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Lớp : CTT45ĐH1 Trang: 12 Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi Vậy ứng suất theo phơng thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập là: σ= ∑ G ± 6.∑ M B B 1208,5 ì 6989,5 Thay số vào ta có σ= 24 24 σmax= 123,16 T/m2 σmin=- 2.45 T/m2 Các giá trị nhỏ cờng độ tính toán bê tông khả chịu kéo nén e Kiểm tra lại điều kiện ổn định trợt đập Ta có điều kiện ổn định trợt ®Ëp lµ: K c W1 = f ∑ G Trong f:Hệ số ma sát đập nền(=0.7) Kc:Hệ số an toàn ổn định đập (=1) G:Tổng lực tác dụng lên mặt cắt W1:áp lực nớc nằm ngang tác dụng lên mái đập thợng lu Ta có: W1 = H 12 γ n =>W1=450 T G= G- Wt Trong đó: G:Trọng lợng thân công trình: G=1/2.(b+B).H.đ=1/2*(10+24)*30*2.3=1020 T Wt: áp lực đẩy dới đáy ®Ëp Wt = B.h.γ n α α1 :Hệ số áp lực thấm lại tác dụng cản trở màng chống thấm (=0.5) =>Wt=1/2*24*30*1*0,5=180 T Vậy: G= G- Wt=1020-180=840 T Ta có : W1=450T