Bài tập lớn công trình thủy lợi: Thiết kế đập bêtông trọng lực

PhầnI : NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN. Đề số 12 : (8-6-9). -Thiết kế đập BTTL theo phương pháp tỷ lệ đương thẳng -Thiết kế đập đồng chất có tường nghiêng và chân khay -Thiết kế đập đá có tường nghiêng Sinh viên: Nguễn Duy Tuyên Ngày giao:14/01/2005. Ngày nộp:04/2005. I/ Số liệu ban đầu. 1.1.Tài liệu địa chất: Loại đất: g0 (T/m3) ga (T/m3) s kG/cm2 T m k1 (m/s) k2 m/24h k3 m/24h 1.5 1,7 0.8 8 10-7 0,4 0,004 q S1 (m) S2 (m) S3 (m) C (T/m2) f t (m) 23 0 2.9 0 1 0.7 k1-Hệ số thấm của đất nền. k2-Hệ số thấm của đập. k3-Hệ số thấm của tường. 1.2.Tài liệu về thuỷ văn: Mực nước TL H1(m) Mực nước HL Chiều cao sóng Hs(m) Bước sóng TB l (m) Hệ số thấm a1 28 0 4.1 22 0,5 II.Yêu cầu: STT Công Việc Tiến độ (tuần) Thực hiện 1 Thiết kế mặt cắt của đập 2 Xác định kích thước của tường nghiêng và chân khay 3 Xác định lưu lượng thấm và đường bão hoà của đập. 4 Xác định các lực tác dụng lên đập. 5 Kiểm tra ổn định của đập: -Kiểm tra ổn định trượt phẳng. -Kiểm tra ổn định lật. -Kiểm tra ổn định trượt của mái dốc theo phương pháp trượt cung tròn. Phần II : NỘI DUNG TÍNH TOÁN. Chương1:THIẾT KẾ ĐẬP BÊTÔNG TRỌNG LỰC. Số liệu : -Mực nước thượng lưu : H1 = 28 -Mực nước hạ lưu : H2 = 0 -Trọng lượng riêng của tường : gđ = 2.3m3 -Hệ số thấm của nền : Kn = 10-7 cm/s -Lực dính : C = 1 T/m2 -Hệ số ma sát f=0,7 -Chiều sâu tầng không thấm : 8 m -Chiều sâu cừ giữa: 2,5m. I. Xác định bề dày của đập : -Ta thiết kế cho đẩp trọng lực tràn nước . 1. Cao trình đỉnh đập : CTĐĐ = MNTL + d CTĐĐ = 28+ 1.5 = 29.5 m2. 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 29.5m 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=0,78.h=>B=23m.Và thoả mãn ổn định trựơt vì BÎ[0,87.h;0,7.h].3.Mái dốc thân đập : Mái dốc đập thượng lưu : m0 = 0 Mái dốc đập hạ lưu : m1 = 0,74.Xác định ứng suất của đập.- ứng 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 SG= W2+G- WtW2:áp lực nước thẳng đứng tác dụng lên mái đập thượng lưu (=0)G:Trọng lượng bản thân công trìnhWt :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=424T SM0= 2172T.mVậy ứng suất theo phương thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập là: Thay số vào ta có s= smax=43.07T/m2 smin=-6.2T/m2 Các giá trị trên đều nhỏ hơn cường độ tính toán của bê tông về khả năng chịu kéo và nén. 5.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=392 TTa có: SG= W2+G- Wt Trong đó:  G:Trọng lượng bản thân công trình G=1/2.(b+B).H.gđ=1/2*(5+23)*29.5*2.3=950T. W2:áp lực nước thẳng đứng tác dụng lên mái đập thượng lưu (=0) 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*23*29.5*1*0,5=170 TVậy SG= W2+G- Wt=950-170=780 T.ÞTa có : W1=392T<f.SG=0,7.780=564T. Đập là ổn định với kích thước trên . II.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=28m). k-Hệ số thấm. (k=10-7m/s). 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= (1-2). xv=xr= (1-3) xn’ + xn’’ =xn= (1-4). Với: S1=0 S2=3m-Chiều sâu cừ giữa. S3=0 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=0; xb=0 và T=T1=T2=8m. Ta có sơ đồ tính như sau: Thay các giá trị trên vào công thức 1-2 ;1-3; 1-4 ta có: xc=0; xv=xr=0.44 ; xn=2.375. Þ Từ công thức 1-1 ta có q=8.17.10-7m3/s. Vậy qua tính toán ta có lưu lượng thấm qua nền công trình là q=8.17.10-7m3/s. III.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. 3.1.Xác định tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng tường đứng. Tải trọng ngang lớn nhất tác dụng lên công trình là: (1-5). Mô men lớn nhất tác dụng lên công trình là: (1-6). Trong đó: km;kd- Là hệ số phụ thuộc vào tỷ số và được tra theo bảng 2.5 giáo trình thuỷ công .Với =0.186 và =0.957 ta có km=0.25 ; kd=0.28. l-Chiều dài sóng (l=14,5m). h=4.1m-Chiều cao sóng. H=28 m-Chiều cao cột nước thượng lưu. g=1T/m3-trọng lượng riêng của nứơc. Thay số vào các công thức 1-5 ;1-6 ta có Pmax=28.76T; Mmax=705.9Tm. 3.2.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: IV.Tính toán ổn định công trình. 4.1.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. 4.2.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=442.5*21+763.75*12=18447Tm. Tổng mô men lật là: Ml=392*9.333+548.4*14.75+705.9=13915.4Tm. Hệ số ổn định lật là: KL= Vậy công trình đảm bảo ổn định lật. Chương II : THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT ĐỒNG CHẤT CÓ TƯỜNG NHIÊNG VÀ CHÂN KHAY. I. 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 = 28 + 2 = 30 m . 2.Chiều rộng đỉnh đập : Chiều rộng đỉnh đập được xác định theo yêu cầu cấu tạo , giao thông nhưng bề rộng nhỏ nhất phải ³ 3 ¸ 5 m . 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 = 19 m < 40 m thì : - Mái thượng lưu m = 0,05.H + 2 = 3,15 -Mái hạ lưu m1 = 0,05.H + 1,5 = 1.65 Vậy ta chọn m=3; m1=2,5.Ta tính toán cho trường hợp mái dốc không đổi và không có bậc cơ. II)Xác định kích thước của tường nghiêng và chân khay: Kích thước tường nghiêng: Chọn bề dày t1 = 1 m t2 = 0,1.H = 0,1.28 = 2.8 m ,chọn t2 = 3 m Kích thước chân khay: Chân khay có bề dày không thay đổi t = t2 = 2 m Chiều cao chân khay : T bằng chiều sâu từ chân đập đến tầng không thấm nước : T = 9,5 m : Mặt cắt ngang đập như hình vẽ: III). Tính toán lưu lượng thấm qua đập và nền : Trường hợp đập có tường nghiêng và chân khay,theo tính chất liên tục của dòng chảy ta thiết lập công thức tính lưu lượng như sau : Theo giáo trình Thuỷ Công Trong đó : m – mái dốc đập thượng lưu ( m = 3) h1 – mực nước thượng lưu ( h1 = 28m ) q – lưu lượng thấm qua đập tính cho 1 m dài ( m/s) K – hệ số thấm của đập ( K = 0,4m/24h) k0 : hệ số thấm của tường (k0 = 0,004 m/24h) δ : chiều dày trung bình của tường δ = 2 m m1 – mái dốc hạ lưu đập ( m1 = 2,5 ) T : chiều dày tầng không thấm T = 9,5 m Giải 2 phương trình trên ta tìm được : q , h3 Giải hệ : q = 0.386 m/ngđ = 4.468.10-6 m/s h3 = 2,674 m -)Đường bão hoà Ta có q = Đường bão hoà như hình vẽ : IV)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 = 28 T/m2 W1 = P.H/2 = 28.28/2 = 392 T e = H/3 = 9.3m Áp lực nước tác dụng trên mái dốc : W2 = Vn.gn = 28*9.3*28*1/2 = 3645.6 T áp lực đẩy nổi : W3 = 0,5.28.(30.3 + 5 + 30.2,5)/2 = 1365 T Trọng lượng bản thân đập : G1 = 30.3.30.1,45/2 = 1957.5 T G2 = 30.5.1,45 = 217.5 T G3 = 30.2,5.30.1,45/2 = 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=2,5m-Chiều cao sóng. -áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h=2,5mÞ=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=4,75T/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. V)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 = (3806.25 + 3645.6 – 1365 + 2*4,75.cos18,43 ).0,7 = 4267.2 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 = 278486 Tm Tổng mô men lật : Mlật = W1.e5 + W3.e6 = 65315 Tm -)Hệ số ổn định lật Kl = Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật. Chương III : THIẾT KẾ ĐẬP ĐÁ CÓ TƯỜNG NGHIÊNG I. 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 = 28 + 2 = 30 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 = 30 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 nghiêng : Chọn bề dày t1 = 1 m Chọn bề dày t2 = 3 m Mặt cắt ngang đập như hình vẽ: II). Tính toán lưu lượng thấm qua đập : Mục đích chủ yếu tính thấm qua đập đá là xác định lưu lượng thấm qua tương nghiêng. 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 : Trong đó : q-lưu lượng thấm đơn vị k-hệ số thấm của đá a-bề dày trung bình của tường nghiêng (a= =2 m ) a-góc nghiêng của đường trung bình trong tường nghiêng so với đường nằm ngang(20.50) Khi hạ lưu đập không có nước H2 =0 lưu lượng được tính gần đúng theo công thức : m/ngđ III)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 = 28 T/m2 W1 = P.H/2 = 28.28/2 = 392 T e = H/3 = 9.3m Áp lực nước tác dụng trên mái dốc : W2 = Vn.gn = 28*9.3*28*1/2 = 3645.6 T áp lực đẩy nổi : W3 = 0,5.28.(30.3 + 5 + 30.2,5)/2 = 1365 T Trọng lượng bản thân đập : G1 = 30.3.30.1,45/2 = 1957.5 T G2 = 30.5.1,45 = 217.5 T G3 = 30.2,5.30.1,45/2 = 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=2,5m-Chiều cao sóng. -áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h=2,5mÞ=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=4,75T/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)