Bài tập lớn: Thiết kế đập đất đồng chất có tường lõi mềm

PHẦN I : NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN. Đề bài: -Thiết kế đập đồng chất có tường lỏi mềm. -Thiết kế đập BTTL theo phương pháp hệ số kháng. -Thiết kế đập đồng chất có tường lỏi mềm. Sinh viên: Nguyễn Văn Định. Ngày giao:…. /…../2010. Ngày nộp:…/…./2010. I/ Số liệu ban đầu. 1.1.Tài liệu địa chất: Loại đất: (T/m3) (T/m3) (T/m3) (T/m2) f C (T/m2) 1,45 1,7 2,2 0,6 0,6 1,5 kn (m/24h) T (m) hs (m) 0,01 5 190 13,5 21,5 0,5 S1 (m) S2 (m) S3 (m) kt (m/24h) j0tb 16,5 18,5 16,5 16 H1bt (m) Hdđât (m) Hdđa (m) kđ (m/24h) 31,5 26,5 26,5 PHẦN II : NỘI DUNG TÍNH TOÁN. CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT ĐỒNG CHẤT CÓ TƯỜNG LỎI MỀM Số liệu : Mực nước thượng lưu : H1 = 26,5 m Mực nước hạ lưu : H2 = 0 Chiều sâu tầng thấm : T = 5 m Hệ số thấm của đập : Kđ Hệ số thấm của vật liệu làm tường : Kvl Đất sét pha cát có trọng lượng riêng : gĐ = 1.7 T/m3 Trọng lượng riêng của tường : gT = 2,2 T/m3 Hệ số thấm của nền : Kn = 10-2 cm/s Lực dính : C = 1,5 T/m2  I . Xác định các kích thước cơ bản của đập : 1. Cao trình đỉnh đập : CTĐĐ = MNTL + d CTĐĐ = 26,5 + 1.5 = 28m 2.Chiều rộng đỉnh đập : chọn sơ bộ chiều rộng đỉnh đập B = 5 m 3.Mái dốc thân đập : Mái dốc tường thượng lưu : m = 3.5 Mái dốc đập thượng lưu : m1 = 3.0 Mái dốc đập hạ lưu : m1 = 3.0 II. Tính toán lưu lượng thấm qua đập và nền :- Theo tài liệu của Pavelốpki ta biến đổi đập có lõi với hệ số thấm K0 rất nhỏ thành đập đồng chất có cùng hệ số thấm K ,khi đó ta trở lại bài toán thấm của đập đồng chất .Vì tính chất không thay đổi lưu lượng ,ta có thể viết phương trình lưu lượng thấm qua lõi thực và qua lõi biến đổi như sau.  Như vậy sau khi biến đổi từ đập lõi ta được đập đồng chất qui ước và chiều rộng đỉnh đập B được tính theo công thức  Trong đó  t:Chiều dày trung bình của tường lõi(=0.8m tại đỉnh đập,=2m tại chân đập) T:Chiều dày tính đổi  b: Chiều rộng đỉnh đập thực b=5m B: Chiều rộng đỉnh đập biến đổi Thay số vào ta tính được :B=84.2m.Ta tính toán như đập đồng chất như sau1.Tính toán lưu lượng thấm qua thân đập ( nền không thấm nước ) Để giải bài toán xác định lưu lượng thấm , tạm thay tam giác thượng lưu đập bằng một hình chữ nhật có chiều rộng DL . DL được xác định theo công thức : Trong đó : m – mái dốc đập thượng lưu ( m = 3 ) H1 – mực nước thượng lưu ( H1 = 26,5m ) Vậy : DL = 11,37 Bài toán thấm qua đập có mái thượng lưu nghiêng được chuyển về bài toán thấm qua đập có mái thượng lưu thẳng đứng Chiều dài thân đập : L = 589.4 m Trong đó : q1 – lưu lượng thấm qua đập tính cho 1 m dài ( m/s) K – hệ số thấm của đập ( K = 10-5 cm/s = 10-7 m/s ) H – mực nước thượng lưu ( H = 26,5m ) m – mái dốc hạ lưu đập ( m = 3 ) L – chiều dài chân đập sau khi quy đổi ( L = 589.4 m )Giải phương trình trên ta có : a = 8.5m q1 = 2.42*10-7 m/s 2.Tính lưu lượng thấm qua nền : Lưu lượng thấm qua nền được xem như là chảy qua đường ống Trong đó : Kn – hệ số thấm của nền đất ( Kn = 10-4 cm/s = 10-6 m/s ) L – chiều dài chân đập thực tế . T – chiều sâu tầng thấm ( T = 5 m ) Vậy lưu lượng thấm tổng cộng qua đập và qua nền : Q = q1 + q2 = ( 2.42 + 9.81 )*10-7 = 12.23*10-7 m/s II.Kiểm tra ổn định của đập: (*)Xác định các lực tác dụng lên đập:Tính cho một mét dài đập 1)Áp lực thuỷ tĩnh : Tính cho một mét dài tường Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy: P = γ.H = 26,5 T/m2 W1 = P.H/2 = 26,5.26,5/2 = 351,1 T e = H/3 = 8,8m Áp lực nước tác dụng trên mái dốc : W2 = Vn.gn = 26,5*8,8*26,5*1/2 = 3090 T áp lực đẩy nổi : W3 = 0,5.26,5.(26,5.3 + 5 + 26,5.3)/2 = 1086,5 T Trọng lượng bản thân đập : 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 lượng : G = 4686.4 T 2)Tải trọng sóng tác dụng lên đập : Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng: Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng được xác định theo công thức: Trong đó: g-Trọng lượng riêng của nước (g=1T/m3). h=13,5m-Chiều cao sóng. -áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h=13,5mÞ=1,9. knb-Hệ số xác định theo bảng 2.4 với ta có knb=0,85. kno-Hệ số xác định Vậy thay vào công thức 2-4 ta có Pd=4,8T/m2. Xác định tung độ z2: (2-5). Trong đó: A= B= Thay A, B và m=3 vào công thức 2-5 ta có z2= 2,55m. Xác định các khoảng cách li: l1=0,0125La ;l2=0,0265La ; l3=0,0325La ; l4=0,0675La (2-6). Với La= Thay La vào hệ thống công thức 2-6 ta có l1=0,312m; l2=0,662m ; l3=0,812m; l4=1,685m. (*)Kiểm tra ổn định của đập : 1)Kiểm tra ổn định trượt phẳng: Tổng lực giữ : Pgiữ = (G + W2 – W3 + 2.Pd.cosα).0,7 = (4686.4 + 3656 – 1387.5 + 2*4,75.cos18,43 ).0,7 = 4281.02 T Tổng lực gây trượt : Ptr = W1 + 2.Pd.sinα = 392 + 2.4,75.sin18,43 = 401.1 T Hệ số ổn định trượt : Ktr = Vậy đập ổn đinh trượt 2)Kiểm tra ổn định lật : Tổng mô men giữ : Mgiữ = G1.e1 + G2.e2 + G3.e3 + W2.e4 = 278385 Tm Tổng mô men lật : Mlật = W1.e5 + W3.e6 = 65298 Tm Hệ số ổn định lật Kl = Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật. CHƯƠNG2:THIẾT KẾ ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ SỐ SỨC KHÁNG I. Cơ sở lý luận. 1. Sơ đồ tính. (Hình 2.1) Trong đó: H : mực nước thượng lưu. B: bề rộng đáy đập. b : bề rộng đỉnh đập. S1 , S2: chiều cao 2 hàng cừ. T: chiều sâu tầng không thấm. 2. Lý thuyết đập bê tông trọng lực. a) Khái niệm chung. Đập trọng lực là loại đập mà sự ổn định chủ yếu dựa vào trọng lượng bản thân của nó. Trọng lượng đập giữ cho đập không bị đẩy nổi, trượt và lật. Đập bê tông trọng lực có khối lượng lớn nên không lợi dụng hết được khả năng làm việc của vật liệu. Vì vậy vật liệu xây dựng đập không có yêu cầu cao như bê tông , không cần mác cao, một phần đập có thể dùng bằng đá… Để đảm bảo tính ổn địhh cao người ta xây dựng đập bằng bê tông nên có thể gọi đập bê tông trọng lực. b) Thiết kế mặt cắt ngang của đập bê tông trọng lực. Mặt cắt ngang kinh tế của đập là mặt cắt ngang có chiều rộng nhỏ nhất và thoả mãn ba điều kiện: + Điều kiện ổn định: đảm bảo hện số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt nguy hiểm nhất phải lớn hơn trị số cho phép. + Điều kiện ứng suất: khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép thượng lưu hoặc có xuất hiện phải nhỏ hơn trị số cho phép + Điều khiện về kinh tế: đảm bảo điều kiện khối lượng công trình là nhỏ nhất. (*)Xác định bề dày đế đập theo điều kiện ứng suất: Dựa vào sơ đồ lực tác dụng vào đập và quá trình biến đổi toán học, ta có công thức xác định chiều rộng b như sau: , khi bmin=> n= (*)Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trượt. Từ đó ta xác định được chiều rộng đáy đập theo công thức sau: Trong đó: + f: hệ số ma sát giữa đập và đất nền + Kc: hệ số an toàn ổn định của đập + : tổng các lực tác dụng lên mặt cắt. c) Tính toán ổn định trượt, lật của đập dọc theo nền. II. Ưng dụng: 1. Số liệu : -Mực nước thượng lưu : H1 = 26,5m -Mực nước hạ lưu : H2 = 0 -Trọng lượng riêng của tường : gđ = 2,2m3 -Hệ số thấm của nền : Kn = 10-1 cm/s -Lực dính : C = 1,5 T/m2 -Hệ số ma sát f=0,6 -Chiều sâu tầng không thấm : 5 m -Chiều sâu cừ giữa: 18,5m. 2. Tính toán. (*)Xác định bề dày của đập :Ta thiết kế cho đập trọng lực tràn nước . a. Cao trình đỉnh đập : CTĐĐ = MNTL => CTĐĐ = 26,5 m b. Xác định chiều rộng của đập theo điều kiện ứng suất và điều kiện trượt. Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao là 30 m và chiều rộng đáy là B hình chiếu mái thượng lưu là nB ,hình chiếu mái hạ lưu là (1-n)B.Có n=1-=>n=- 0.1.Vì n=- 0,1 nghĩa là mái dốc thượng lưu đập có độ dốc ngược ,gây khó khăn cho việc thi công ,mặt khác có thể phát sinh ứng suất kéo trên mặt hạ lưu,do đó lấy n=0. Vậy chiều rộng đáy đập tính theo công thức sau: (lấy a1=0,5)ÞB=0,77h. =>B=24m.Và thoả mãn ổn định trựơt vì BÎ[0,87.h;0,7.h]. c. Mái dốc thân đập : Mái dốc đập thượng lưu : m0 = 0 Mái dốc đập hạ lưu : m1 = 0,55 d. Xác định ứng suất của đập. ưng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên một mặt cắt ngang của đập có thể xác định theo công thức nén lệch tâm Trong đó:  SV= W2+G- Wt W2:áp lực nước thẳng đứng tác dụng lên mái đập thượng lưu (=0) G:Trọng lượng bản thân công trình Wt :áp lực đẩy nổi dưới đáy đập a1 :Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=0.5) g1 :Trọng lượng riêng của vật liệu làm thân đập (=2,2T/m3) g :Trọng lượng riêng của nước (=1T/m3) Thay số ta có SG=1208,5 T SM0= 6989,5 T.mVậy ứng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập là: Thay số vào ta có s= smax= 123,16 T/m2 smin=- 2.45 T/m2 Các giá trị trên đều nhỏ hơn cường độ tính toán của bê tông về khả năng chịu kéo và nén. e. Kiểm tra lại điều kiện ổn định trượt của đập. Ta có điều kiện ổn định trượt của đập là: Trong đó  f:Hệ số ma sát giữa đập và nền(=0.6) Kc:Hệ số an toàn ổn định của đập (=1) SG:Tổng các lực tác dụng lên mặt cắt  W1:áp lực nước nằm ngang tác dụng lên mái đập thượng lưu =>W1=450 TTa có: SG= G- Wt Trong đó:  G:Trọng lượng bản thân công trình: G=1/2.(b+B).H.gđ=1/2*(10+24)*30*2.3=1020 T. Wt: áp lực đẩy nổi dưới đáy đập  a1 :Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=0.5) =>Wt=1/2*24*30*1*0,5=180 TVậy: SG= G- Wt=1020-180=840 T.ÞTa có : W1=450T<f.SG=0,7.840=588T. Đập là ổn định với kích thước trên . (*)Xác định lưu lượng thấm qua đáy đập theo phương pháp hệ số sức kháng. Đây là phương pháp gần đúng để xác định lưu lượng thấm qua đáy đập.Trong thực tế xây dựng các đoạn thẳng đường viền có thể chia làm 3 bộ phận: -Bộ phận cửa vào có cừ thượng lưu. -Bộ phận giữa thường có cừ. -Bộ phận cửa ra có cừ hạ lưu. Khi đó lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức sau: (1-1). Trong đó: H-Độ chênh cột nước trên các đoạn đường viền.(H=44m). k-Hệ số thấm. (k=0,01 m/ngđ). xc-Hệ số sức kháng của cừ. xv-Hệ số sức kháng bộ phận cửa vào. xr-Hệ số sức kháng bộ phận cửa ra. xn’ xn’’ -Hệ số sức kháng bộ phận nằm ngang. Trong trường hợp tổng quát ta có: xc= ; xv=xr= Với: S1=16,5 m ; S2=18,5m T1 ;T2 ;T Lần lượt là chiều sâu tầng thấm ở sân trước ,sân sau và thượng lưu. a1; xb Lần lượt là chiều cao bậc và hệ số sức kháng của bậc. Theo giả thiết ta chọn công trình không có bậc a1=a2= 0; và T=T1=T2=5 m. Ta có sơ đồ tính như sau: Thay các giá trị trên vào công thức trên ta có: xc=0,56; xv=xr=0.83 ; xn=3,37. Þ Thay số ta có q=9,24.10-2 m2/ngđ. Vậy qua tính toán ta có lưu lượng thấm qua nền công trình là q=9,24.10-7m3/ngđ. (*).Xác định tải trọng tác dụng lên đập. Tải trọng tác dụng lên đập gồm có : Tải trọng bản thân , tải trọng sóng, áp lực nước áp lực đẩy nổi. a. Xác định tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng tường đứng. Tải trọng ngang lớn nhất tác dụng lên công trình là: Mô men lớn nhất tác dụng lên công trình là: Trong đó: km;kd- Là hệ số phụ thuộc vào tỷ số và được tra theo bảng 2.5 giáo trình thuỷ công .Với =0,62 và =0,8 ta có km=0,25 ; kd=0,32. l-Chiều dài sóng (l=21,5m). h=13,5 m-Chiều cao sóng. H=26,5m-Chiều cao cột nước thượng lưu. g=1T/m3-trọng lượng riêng của nứơc. Thay số vào các công thức ta có Pmax=143,64T; Mmax=6098Tm. b.Xác định tải trọng bản thân, áp lực nước, áp lực đẩy nổi. Các tải trọng này được tính toán ở phần trên .Vậy ta có sơ đồ lực như sau: (*).Tính toán ổn định công trình. a.Xác định ổn định trượt của công trình. Do việc xác định bề rộng đập thoả mãn điều kiện trượt phẳng. Tuy nhiên công trình có thêm cừ càng làm tăng ổn định. Vậy ta không cần kiểm tra điều kiện này. b.Tính toán ổn định lật của công trình quanh điểm A. Từ sơ đồ lực như trên ta có: Tổng mô men giữ là: Mg=968*29+1161,6*16=46657,6Tm. Tổng mô men lật là: Ml=968*14,67+347*22,67+6098=28165,05Tm. Hệ số ổn định lật là: KL= Vậy công trình đảm bảo ổn định lật. CHƯƠNG III : THIẾT KẾ ĐẬP ĐÁ CÓ TƯỜNG LÕI MỀM. I. Cơ sở lý luận. 1. Sơ đồ tính.(Hình 3.1) 2. Lý thuyết đập đá có tường lõi mềm. a) Khái niệm chung. Đập đá là loại đập được xây dựng bằng đá. Đá được đổ tự do hoặc được xây khan không cần chất kết dính. Đây là một loại đập được xây dựng ở những nơi có nhiều đấ giao thông thuận lợi. Những đập được xây dựng bằng đá theo một trình tự nhất định gọi là đập đá xây khan. Đập đá có tường lõi mềm là dùng hình thức chống thấm bằng lõi đất mềm, mặt trước mặt sau tường lõi đều phảI làm tầng lọc ngược để chống thấm và xói ngầm. b) Thấm qua đập đá có lõi giữa. Khi tính thấm qua đập đá có lõi giữa ngưòi ta giả thiết rằng mực nứơc thượng lưu kéo dài tới mép của lõi giữa, tức là tổn thất cột nước trong phần đá đổ trước lõi giữa là không đáng kể. Khi tính thấm chỉ xét dòng thấm qua lõi, dựa vào lưới thấm qua lõi để tính. Khi H1/L < 0.5 có thể xác định theo ct: Gradien của dòng thấm khi ra ở mép thượng lưu: Jt=sin; JP= sin.tg=> J = sin/cos : góc đường dòng tạo với mặt hạ lưu tại điểm đang xét. Lưu lưọng thấm qua lõi được xác định theo công thức: Q= k1. K1 : hệ số thấm của lõi : diện tích của biểu đồ J. II. Ung dụng. (*) Xác định các kích thước cơ bản của đập : 1.Cao trình đỉnh đập : CTĐĐ = CTMN_dâng bình thường + d Hoặc : CTĐĐ = CTMN_lũ + d’ Trong đó : d , d’ - độ vượt cao của đỉnh đập so với MN_dâng và MN_lũ Ta chọn d=2m với cấp công trình là cấp 1. CTĐĐ = 26,5 + 2 = 28,5 m . 2.Chiều rộng đỉnh đập : Chiều rộng đỉnh đập được xác định theo yêu cầu cấu tạo , giao thông B = 0.1 H Lấy chiều rộng đỉnh đập : B = 5 m 3.Mái đập : Độ dốc mái đập phụ thuộc vào chiều cao đập , loại đất đắp , tính chất nền . Sơ bộ chọn mái dốc đập như sau : Khi H = 26,5 m: Mái thượng lưu m = 2.5 Mái hạ lưu m1 = 1.5 Ta tính toán cho trường hợp mái dốc không đổi và không có bậc cơ. 4.Xác định kích thước của tường lõi. Chọn bề dày blõi = 3 m Chọn bề dày llõi = 5 m Mặt cắt ngang đập như hình vẽ: (*). Tính toán lưu lượng thấm qua đập : Mục đích chủ yếu tính thấm qua đập đá là xác định lưu lượng thấm qua tương lõi. Do môi trường đá đổ có khe rỗng đá lớn cho nên sự chuyển động của nước không tuân theo định luật Đacxy dòng thấm qua đá là dòng chảy rối có thể tính gần đúng theo công thức của Pa vơ lốp ki sơ đồ tính như hình vẽ trên. Ta có phương trình lưu lượng thấm như sau : =1.95m Trong đó : Khi hạ lưu đập không có nước H2 =0 lưu lượng được tính gần đúng theo công thức : Q= k1. =0.001*250=0.25m/24h (*)Xác định các lực tác dụng lên đập:Tính cho một mét dài đập 1)Áp lực thuỷ tĩnh : Tính cho một mét dài tường Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy: P = γ.H = 26,5 T/m2 W1 = P.H/2 = 26,5.26,5/2 = 351,125 T e = H/3 = 8,83m Áp lực nước tác dụng trên mái dốc : W2 = Vn.gn = 26,5*8,83*26,5*1/2 = 3100,4 T áp lực đẩy nổi : W3 = 0,5.26,5.(26,5.3 + 5 + 26,5.2,5)/2 = 998,7 T Trọng lượng bản thân đập : G1 = 1957.5 T G2 = 217.5 T G3 = 1631.25 T Tổng trọng lượng : G = 3806.25 T 2)Tải trọng sóng tác dụng lên đập : Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng: Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng được xác định theo công thức: (2-4). Trong đó: g-Trọng lượng riêng của nước (g=1T/m3). h=13,5m-Chiều cao sóng. -áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h=13,5mÞ=1,9. knb-Hệ số xác định theo bảng 2.4 với ta có knb=0,85. kno-Hệ số xác định theo công thức: Vậy thay vào công thức 2-4 ta có Pd=48,8T/m2. Xác định tung độ z2: (2-5). Trong đó: A= B= Thay A, B và m=3 vào công thức 2-5 ta có z2= 2,55m. Xác định các khoảng cách li: l1=0,0125La ;l2=0,0265La ; l3=0,0325La ; l4=0,0675La (2-6). Với La= Thay La vào hệ thống công thức 2-6 ta có l1=0,312m; l2=0,662m ; l3=0,812m; l4=1,685m. IV)Kiểm tra ổn định của đậpViệc kiểm tra ổn định của đập tương tự như đập đất đồng chất do đó ở đây ta không tính lại nữa.(do đậpcó trọng lượng lớn hơn đập đât và có áp lực đẩy nổi nhỏ hơn do co hệ số rỗng lớnnên ta coi là an toàn và không cân kiểm tra).