Đồ án Thủy công Thiết kế đập đất đầm nén

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỦY CÔNG ĐỒ ÁN SỐ 2 : THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT Đề số : 19B A. TÀI LIỆU CHO TRƯỚC I. Nhiệm vụ công trình . Hồ chứa nước H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau : 1/. Cấp nước tưới cho 2.650 ha ruộng đất canh tác. 2/. Cấp nước sinh hoạt cho 5.000 dân. 3/. Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái và phục vụ du lịch. II. Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối 1/. Một đập chính ngăn sông. 2/. Một đường tràn tháo lũ. 3/. Một cống đặt dưới đập để lấy nước. III. Tóm tắt các tài liệu cơ bản 1/. Địa hình : Cho bình đồ vùng tuyến đập. 2/. Địa chất : Cho mặt cắt dọc tuyến đập, chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tích lòng sông cho ở bảng 1. Tầng đá gốc rắn chắc, mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hóa dày 0,5 ÷ 1m. Bảng 1 – Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu đắp đập Chỉ tiêu Loại HS rỗng n Độ ẩm W% j (độ) C (T/m2) γk (T/m3) k (m/s) Tự nhiên Bảo hòa Tự nhiên Bảo hòa Đất đắp đập (chế bị) 0,35 20 23 20 3,0 2,4 1,62 10-5 Sét (chế bị) 0,42 22 17 13 5,0 3,0 1,58 4.10-9 Cát 0,40 18 30 27 0 0 1,60 10-4 Đất nền 0,39 24 26 22 1,0 0,7 1,59 10-6 3/. Vật liệu xây dựng a). Đất : Xung quanh vị trí đắp đập có bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000 m3, cự ly 800m); B (trữ lượng 600.000 m3, cự ly 600 m); C (trữ lượng 1.000.000 m3, cự ly 1 km). Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nuốc tương đối mạnh, các chỉ tiêu ở bảng 1. Điều kiện khai thác bình thường. Đất sét có thể khai thác tại các vị trí cách đập 4 km, trử lượng đủ làm thiệt bị chống thấm. b). Đá : Khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo đắp đập, lát mái. Một số chỉ tiêu cơ lý : j= 300; n = 0,35 (của đống đá); γk = 2,5 T/m3 (của hòn đá). c). Cát, sỏi : Khái thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3 km, trữ lượng đủ làm tầng lọc. Cấp phối như ở bảng 2. Bảng 2 – Cấp phối của các vật liệu đắp đập d (mm) Loại d10 d50 d60 Đất thịt pha cát 0,005 0,05 0,08 Cát 0,050 0,35 0,40 Sỏi 0,500 3,00 5,00 4/. Đặc trưng của hồ chứa - Các mực nước trong hồ và mực nước hạ lưu : bảng 3. - Tràn tự động có cột nước trên đỉnh tràn : Hmax = 3 m. - Vận tốc gió tính toán với mức đảm bảo P% : P % 2 3 5 20 30 50 V (m/s) 32 30 26 17 14 12 - Chiều dài truyền sóng ứng với MNDBT : D (bảng 3); và ứng với MNDGC : D’ = D + 0,3km. - Đỉnh đập không có đường giao thông chạy qua. Bảng 3 – Tài liệu thiết kế đập và cống ngầm Đề số Sơ đồ Đặc trưng hồ chứa Mực nước hạ lưu (m) Mực nước đầu kênh (m) D (km) MNC (m) MNDBT (m) Bình thường Max 19 B 2,6 60 77,0 60,5 62,8 59,82 B. CÁC BƯỚC THIẾT KẾ 1/. Thuyết minh - Phân tích tuyến đập, hình thức đập. - Xác định các kích thước cơ bản của đập. - Tính toán thấm và ổn định. - Chọn cấu tạo chi tiết. 2/. Bản vẽ - Mặt bằng đập. - Cắt dọc đập (hoặc chính diện hạ lưu). - Cắt ngang đại biểu ở giữa lòng sông và bên thềm sông. - Các cấu tạo chi tiết. C. NỘI DUNG THIẾT KẾ §1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG I. Nhiệm vụ công trình Hồ chứa nước H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau : - Cấp nước tưới cho 2.650 ha ruộng đất canh tác. - Cấp nước sinh hoạt cho 5.000 dân. - Nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái và phục vụ du lịch. Các thành phần chủ yếu của công trình đầu mối : - Một đập chính ngăn sông. - Một tràn tháo lũ. - Một cống đặt dưới đập để lấy nước. II. Chọn tuyến đập Căn cứ vào bình đồ khu vực đầu mối đã cho, xác định tuyến A-A là tuyến đập, do các điều kiện cụ thể sau : - Địa hình : Các đường đồng mức sát nhau dần ra 2 phía đồi (dày dần ra 2 bên), mặt cắt có độ dốc lớn. Do đó tuyến đập có chiều dài ngắn nhất, khối lượng đào đắp ít nhất - Địa chất : Tầng đá gốc rắn chắc, mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hóa dày 0,5 ÷ 1 m, lớp bồi tích thềm sông dày trung bình 4,5 m. - Vật liệu : Điều kiện khai thác vật liệu bình thường, thuận lợi. + Đất đắp : cự ly khai thác 600 ÷ 1000 m, trữ lượng dồi dào. + Đất sét : cự ly khai thác 4 km, trữ lượng đủ làm thiết bị chống thấm. + Đá : cự ly khai thác 8 km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo. + Cát, sỏi : cự ly khai thác < 3 km, trữ lượng đủ cho làm tầng lọc. Vậy việc chọn tuyến đập trên là hợp lý. III. Chọn loại đập Căn cứ điều kiện địa hình địa chất và vật liệu xây dựng đã phân tích ở trên, xác định loại đập để xây dựng là đập đất vì : - Dùng vật liệu tại chổ, tiết kiệm các vật liệu quí như sắt, thép, xi măng. Công tác tác chuẩn bị trước khi xây dựng không tốn kém nhiều cong sức như các loại đập khác. - Cấu tạo đập đất đơn giản, yêu cầu về nền không cao, giá thành hạ. - Bền và chống chấn động tốt. - Dễ quản lý, tôn cao, đắp đầy thêm. - Thế giới đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm về thiết kế, thi công và quản lý đập. IV. Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế 1/. Cấp công trình : Xác định từ 2 điều kiện : Theo chiều cao công trình và loại nền, theo năng lực phục vụ của công trình. a) Theo chiều cao công trình và loại nền : - Sơ bộ định cao trình đỉnh đập : Ñđỉnh đập= ÑMNDGC + d, ở đây lấy d = 2,6 m. Trong đó : ÑMNDGC = ÑMNDBT + Hmax = 77,0 + 3,0 = 80,0 m. và d = 1,5 ÷ 3 m. ở đây lấy d = 3 m. Þ Ñđỉnh đập = 80,0 + 2,0 = 82,0 m. Chiều cao đập = Ñđỉnh đập - Ñđáy sông = 82,0 – 55,0 = 27,0 m. - Loại nền : nền là đá gốc rắn chắc, mức độ nứt nẻ trung bình Þ nền loại A. Tra bảng P1-1, phụ lục 1 (TCXDVN 285 – 2002), ta được cấp công trình là cấp III. b) Theo năng lực phục vụ của công trình : Cấp nước tười cho 2.650 ha ruộng canh tác, cấp nước sinh hoạt cho 5.000 dân. Tra bảng P1-2, phụ lục 1 (TCXDVN 285 – 2002), ta được cấp công trình là cấp III. Kết luận : Cấp công trình là cấp III. 2/. Các chỉ tiêu thiết kế : Từ cấp công trình là cấp III và nhiệm vụ của công trình là phục vụ cho nông nghiệp, xác định được : - Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất PTK(%). Tra bảng P1-3 phụ lục 1 (theo TCXDVN 285 – 2002), ta được : PTK =1%. - Hệ số tin cậy Kn. Tra bảng P1-6, phụ lục 1 (theo TCXDVN 285 – 2002 ), ta được : Kn = 1,15. - Tần suất gió lớn nhất và gió bình quân lớn nhất. Tra bảng P2-1, phụ lục 2 (theo QPTL 11 – 77), ta được : + Tần suất gió lớn nhất ứng với trường hợp MNDBT: Pmaxgió Pmaxgió = 4% ® Vmaxgió = 28 m/s. + Tần suất gió bình quân lớn nhất ứng với trường hợp MNDGC: Pbqgió Pbqgió = 50% ® Vbqgió = 12 m/s. - Mức đảm bảo sóng công trình có biên dạng bờ nghiêng gia cố bằng các tấm bê tông. Tra bảng P2-2, phụ lục 2 (theo QPTL C1 – 78), ta được : i = 1%. - Độ vượt cao của đỉnh đập trên đỉnh sóng. Tra bảng 6-1, Giáo trình Thủy công tập 1- 2004 trang 113, ta có được : + Độ vượt cao của đỉnh đập trên đỉnh sóng ứng với MNDBT : a = 0,5 m. + Độ vượt cao của đỉnh đập trên đỉnh sóng ứng với MNDGC : a’ = 0,4 m. - Hệ số an toàn ổn định trượt với tổ hợp cơ bản và dặc biệt. Tra bảng P1-7, phụ lục 1 (theo QPVN 11 – 77), ta có được : + Hệ số an toàn ổn định trượt ứng với tổ hợp cơ bản : KC = 1,20. + Hệ số an toàn ổn định trượt ứng với tổ hợp đặc biệt : KC = 1,10. §2. CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA ĐẬP I. Đỉnh đập 1/. Cao trình đỉnh đập : Xác định từ 2 mực nước : MNDBT và MNDGC. Z1 = ÑMNDBT + Dh + hsl + a (2-1) Z2 = ÑMNDGC + Dh’ + h’sl + a’ (2-2) Trong đó : - Dh và Dh’ : độ dềnh do gió ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất. - hsl và hsl’ : chiều cao song leo (có mức đảm bảo 1%) ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất. - a và a’ : độ vượt cao an toàn. a = 0,5 m và a’ = 0,4 m. Cao trình đỉnh đập chọn theo trị số nào lớn nhất giữa Z1 và Z2. a). Xác định Dh và hsl với gió lớn nhất V * Xác định Dh theo công thức : (m) (2-3a) Trong đó : - V : vận tốc gió tính toán lớn nhất, V = Vmaxgió = 28 m/s. - D : đà sóng ứng với MNDBT, D = 2.600 m. - g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2. - H : chiều sâu nước trước đập, H = ÑMNDBT - Ñđáy sông = 77,0 – 55,0 = 22,0 m. - as : góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, as = 500 (gió Đông bắc). Thay các trụ số trên vào (2-3a) được : m. * Xác định hsl : Theo QPTL C1 – 78, chiều cao sóng leo có mức đãm bảo 1% xác định như sau : hsl 1% = K1.K2.K3.K4.Ka.hs 1%. (2-4a) Trong đó : - hs 1% : chiều cao sóng với mức đảm bảo 1%. - K1, K2, K3.K4, Ka : các hệ số * hs 1% xác định như sau (theo QPTL C1 – 78) : - Giả thiết rằng trường hợp đang xét là nước sóng sâu ( H > 0,5 ) (2-5a) - Tính các đại lượng thứ nguyên ; ; ; trong đó t là thời gian gió thổi liên tục (s). Khi không có tài liệu, thì đồi với hồ chứa có thể lấy t = 6 giờ. - Theo đường cong bao đồ thị xác định các yếu tố của sóng ở hình P2-1, phụ lục 2, chọn trị số nhỏ trong 2 trị số tra được, từ đó xác định được : 1 và 1,18 - Kiểm tra lại điều kiện sóng sâu theo (2-5a) : H = 22 m > 0,5 = 10,52 m. Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng. - Tính hs1% = K1%.. ® hs 1% = 0,88.K1% trong đó K1% = 2,18 được tra ở đồ thị hình P2-2, ứng với đại lượng Vậy hs 1% = 0,88´2,18 = 1,92 m. - Hệ số K1, K2 tra ở bảng P2-3, phụ lục 2 (theo QPTL C1-78), ứng với lớp gia cố mái bằng tấm bê tông có độ nhám tương đối D/h1% < 0,002, ta được : K1 = 1; K2 = 0,9. - Hệ số K3 tra ở bảng P2-4, phụ lục 2 (theo QPTL C1-78), ứng với vận tốc gió > 20 m/s và hệ số mái ma, ở đây chọn sơ bộ ma = 4, ta được : K3 = 1,5. - Hệ số K4 tra ở đồ thị hình P2-3, phụ lục 2, ứng với hệ số mái ma = 4 và trị số = ta được : K4 = 1,3. - Hệ số Ka tra ở bảng P2-6, phụ lục 2 (theo QPTL C1-78), ứng với as : góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, as = 500, ta được : Ka = 0,82. Thay các trị số đã tính trên vào (2-4a) được : hsl 1% = 1´0,9´1,5´1,3´0,82´1,92 = 2,73 m. b). Xác định Dh’ và hsl’ với gió bình quân lớn nhất V’ (tương tự như Dh và hsl) * Xác định Dh’ theo công thức : (m) (2-3b) Trong đó : - V’ : vận tốc gió bình quân lớn nhất, V’ = Vbqgió = 12 m/s. - D’ : đà sóng ứng với MNDGC, D’ = D + 300 = 2.600 + 300 = 2.900 m. - H’ : chiều sâu nước trước đập, H’ = ÑMNDGC - Ñđáy sông = 80,0 – 55,0 = 25,0 m. Thay các trụ số trên vào (2-3b) được : m. * Xác định hsl’ : h’sl 1% = K1’.K2’.K3’.K4’.Ka’.h’s 1%. (2-4b) Trong đó : - h’s 1% : chiều cao sóng với mức đảm bảo 1%. - K1’, K2’, K3’, K4’, Ka’ : các hệ số * h’s 1% xác định như sau : Giả thiết rằng trường hợp đang xét là nước sóng sâu ( H > 0,5 ) (2-5b) - Tính các đại lượng thứ nguyên ; ; Tra đồ thị của sóng ở hình P2-1, phụ lục 2, từ đó xác định được : và 1,9 - Kiểm tra lại điều kiện sóng sâu theo (2-5b) : H = 22 m > 0,5 = 4,22 m. Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng. - Tính hs1% = K1%.. ® hs 1% = 0,35.K1% trong đó K1% = 2,3 được tra ở đồ thị hình P2-2, ứng với đại lượng Vậy hs 1% = 0,35´2,3 = 0,81 m. - Hệ số K1’ = 1; K2’ = 0,9. - Hệ số K3’ = 1,5. ứng với vận tốc gió > 20 m/s và hệ số mái bộ ma = 4. - Hệ số K4’ tra ở đồ thị hình P2-3, phụ lục 2, ứng với hệ số mái ma = 4 và trị số = ; ta được : K4’ = 1,50. - Hệ số Ka’ = 0,82 với as = 500 Thay các trị số đã tính trên vào (2-4b) được : h’sl 1% = 1´0,9´1,5´1,50´0,82´0,81 = 1,345 m. Từ công thức (2-1) Þ Z1 = 77,0 + 0,015 + 2,72 + 0,50 = 80,25 m. Từ công thức (2-2) Þ Z2 = 80,0 + 0,0028 + 1,345 + 0,40 = 81,75 m. Với kết quả tính toán như trên, chọn cao trình đỉnh đập là : Ñđỉnh đập = 82,0 m. 2/. Bề rộng đỉnh đập B : Do không có yêu cầu giao thông và đập có chiều cao Hđ = Ñđỉnh đập - Ñđáy sông = 82,0 – 55,0 = 27,0 m. Do đó chọn B = 5 m. II. Mái đập và cơ đập 1/. Mái đập : Sơ bộ định theo công thức kinh nghiệm, sau này hệ số mái được chính xác hóa qua tính toán ổn định. Sơ bộ định hệ số mái ứng với chiều cao đập Hđ = 37,0 m như sau : - Mái thượng lưu : mTL = 0,05Hđ + 2,00 = 0,05´27,0 + 2,00 = 3,35 Làm tròn mTL = 3,5 - Mái hạ lưu : mHL = 0,05Hđ + 1,50 = 0,05´27,0 + 1,50 = 2,85 Làm tròn mHL = 3,0 2/. Cơ đập : Do đập có chiều cao 27,0 m nên bố trí cơ đập ở mái thượng và hạ lưu. - Mái thượng lưu : + Cao trình cơ đập thượng lưu : Ñcơ TL = 70 m. + Bề rộng cơ thượng lưu : bcơ TL = 3,0 m. + Hệ số mái trên cơ thượng lưu : m1 = 2,5 + Hệ số mái dưới cơ thượng lưu : m2 = 3,5 - Mái hạ lưu : + Cao trình cơ đập hạ lưu : Ñcơ HL = 70 m. + Bề rộng cơ hạ lưu : bcơ HL = 2,5 m. + Hệ số mái trên cơ hạ lưu : m3 = 2,5 + Hệ số mái dưới cơ hạ lưu : m4 = 3,0 III. Thiết bị chống thấm Theo tài liệu đã cho, đất đắp đập và đất nền có hệ số thấm khá lớn, nên cấn có thiết bị chống thấm cho thân đập và cho nền. Từ tài liệu đã cho ta nhận thấy : - Đoạn lòng sông dài khoảng 200 m, có lớp tích thềm sông với chiều dày trung bình 4,5 m; hệ số thấm của lớp bồi tích kn = 10-6 m/s. - Đoạn thềm phải dài khoảng 147 m và đoạn thềm phải dài khoảng 154 m, có lớp phủ tàn tích với bề dày 0,5 ÷ 1 m. Từ phân tích trên, chọn kiểu chống thấm kiểu tường nghiêng + chân răng. Đoạn lòng sông dài khoảng 200 m chân răng cắm xuống qua tầng đá gốc 0,5 m. Ở hai bên vai trái và vai phải cho bốc hết lớp phủ tàn tích rồi đắp đập. Vật liệu làm tường nghiêng và chân răng là đất sét có các chỉ tiêu cơ lý như tài liệu đã cho, khai thác cách đập 4 km với trữ lượng đủ để làm thiết bị chống thấm. Sơ bộ chọn kích thước thiết bị chống thấm 1/. Chiều dày tường nghiêng - Trên đỉnh : thường d1 ³ 0,8 m. Chọn d1 = 1,0 m - Dưới đáy : thường Trong đó : H = ÑMNDGC - ÑHL max = 80,00 – 62,80 = 17,20 m. [J] là gradien thấm cho phép của vật liệu làm tường, với đất sét [J] = 4÷6. Þ Chọn d2 = 3,0 m 2/. Cao trình đỉnh tường nghiêng Không thấp hơn MNDGC ở thượng lưu. Chọn Ñđỉnh tường = 80,50 m. 3/. Chiều dày chân răng - Trên đỉnh : t1 = d2/sina1 = 3,0/sin18,4350 » 9,49 m. - Dưới đáy : t2 = 3,0 m. Chân răng cắm sâu vào tầng đá gốc, a1 là góc tương ứng với hệ số mái mtl = 3. IV. Thiết bị thoát nước thân đập 1/. Đoạn lòng sông : Hạ lưu có nước. hhl max = ÑMNDGC - ÑHL max = 80,00 – 62,80 = 17,20 m. hhl min = ÑMNDBT - ÑHL bình thường = 77,00 – 60,50 = 16,50 m. Ta thấy, chiều sâu mực nước hạ lưu không quá lớn, mực nước hạ lưu không thay đổi nhiều. Chọn thoát nước kiểu lăng trụ xếp đá hộc với các số liệu sau : - Cao trình đỉnh lăng trụ : Ñđỉnh ltru = ÑHL max + (1÷2) = 62,8 + 1,2 = 64,00 m. Để đảm bảo trong mọi trường hợp đường bão hòa không chọc ra mái hạ lưu của đập. - Bề rộng đỉnh lăng trụ : Bltru = 2m. - Mái trước và mái sau lăng trụ : mt ltru = 1,0; ms ltru = 1,5; theo mái tự nhiên của đống đá. - Mặt tiếp giáp của lăng trụ với đập và nền có tầng lọc ngược bằng vải địa kỷ thuật và lớp đá 1x2. 2/. Đoạn trên sườn đồi : Ứng với trường hợp hạ lưu không có nước, sơ đồ đơn giản nhất có thể chọn là thoát nước kiểu áp mái. Khi cần thiết phải hạ đường bảo hòa có thể chọn thoát nước kiểu gối phẳng hay ống dọc. §3. TÍNH TOÁN THẤM QUA ĐẬP VÀ NỀN I. Nhiệm vụ và trường hợp tính toán 1/. Nhiệm vụ tính toán : - Xác định lưu lượng thấm. - Xác định đường bão hòa trong đập. - Kiểm tra độ bền thấm của đập và nền. 2/. Trường hợp tính toán : Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước min tương ứng. Thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường. 3/. Các mặt cắt tính toán : Yêu cầu tính với 2 mặt cắt đại biểu - Mặt cắt lòng sông (chỗ tầng thấm dày nhất). - Mặt cắt sườn đồi (đập trên nền không thấm). II. Tính thấm cho mặt cắt lòng sông 1/. Sơ đồ đập có tường nghiêng + chân răng 2/. Lưu lượng thấm : Dùng phương pháp phân đoạn để tính. Bỏ qua độ cao hút nước a ở cuối dòng thấm, lưu lượng thấm q và độ sâu h3 sau tường nghiêng xác định từ hệ phương trình sau : (3-1) (3-2) Trong đó : - T : chiều dày tầng thấm (bồi tích thềm sông), T = 4,5 m. - t : chiều dày trung bình của chân răng, t = (9,49 + 3,0)/2 = 6,25 m. - d : chiều dày trung bình của tường nghiêng, d = (d1+ d2)/2 = (1,00 + 3,0)/2 = 2,0 m. - L : chiều dài đáy đập, với m1 = m2 = 2,5 là mái thượng hạ lưu đập L = m1Hđ + Bđ + m2(Ñđđập - Ñđ.ltrụ) + bcơ HL – mt ltrụ(Ñđ.ltrụ - ÑHL bth) – t1 = 2,5´27 + 5 + 2,5(82 – 64,0) + 2,5 – 1(64,0 – 60,5) – 9,49 = 127,51 m. - h1 : cột nước thượng lưu, h1 = ÑMNDBT - Ñđáy sông = 77,00 – 55,00 = 22,00 m. - h2 : cột nước hạ lưu, h2 = ÑHL bình thường - Ñđáy sông = 60,5 – 55,00 = 5,50 m. - h3 : chiều cao phía thượng lưu của đường bão hòa. - K0 = 4.10-9 m/s (đất sét); Kđ = 10-5 m/s (đất dắp); Kn = 10-6 m/s(đất nến) - m : mái đập tiếp giáp với tường nghiêng chống thấm, m = 2,645. - m’ : mái lăng trụ thoát nước (đá hộc), m’ = mt ltrụ = 1,0. - a = 20,710. là góc tương ứng với hệ số mái m = 2,645. - Z0 = d1.sina1 = 1,0 ´ sin18,4350 = 0,949. Thay các trị số trên vào (3-1), (3-2) và giải hệ phương trình trên, với ẩn số là h3 và q, phương pháp giải bằng cách giả thiết các trị số h3 và thử dần. Ở đây, ta lập bảng tính trên Exel. Sau khi lập bảng tính thử dần, được kết quả như sau : h3 = 6,857 m. và q = 0,827.10-6 m3/s-m. 3/. Đường bảo hòa : Trong hệ trục tọa độ như sơ đồ hình trên, phương trình đường bão hòa có dạng : (3-3) Từ kết quả này, ta vẽ được đường bão hòa trong thân đập như ở sơ đồ hình 1. 3/. Kiểm tra độ bền thấm : Với đập đất, độ bền thấm bình thường (xói ngần cơ học, trôi đất) có thể đảm bảo được nhờ bố trí tầng lọc ngược ở thiết bị thoát nước (mặt tiếp giáp với thân đập và nền). Ngoài ra cần kiểm tra độ bền thấm đặc biệt để ngăn ngừa sự cố trong trường hợp xảy ra hang thấm tập trung tại một điểm bất kỳ trong thân đập hay nền. - Với thân đập, cần đảm bảo điều kiện : (3-4) Trong đó : = 0,65. Tra ở bảng P3-3, phụ lục 3 (theo CHuÕ II-53-73), với loại đất là cát hạt nhỏ, công trình cấp III. So sánh ta thấy . Vậy an toàn về xói trong thân đập. - Với nền, cần đảm bảo điều kiện : (3-5) Trong đó : J = 0,011. Tra ở bảng P3-2, phụ lục 3 (theo CHuÕ II-N.12-67), với loại đất là cát hạt nhỏ, công trình cấp III. So sánh ta thấy . Vậy an toàn về xói ngầm trong nền. II. Tính thấm cho mặt cắt sườn đồi. 1/. Sơ đồ đập có tường nghiêng: 2/. Lưu lượng thấm : Theo phương pháp phân đoạn, lưu lượng thấm q và các độ sâu h3, a0 được xác định từ hệ phương trình sau : (3-6) (3-7) (3-8) Trong đó : - a0 : chiều cao phía hạ lưu của đường bão hòa. - d : chiều dày trung bình của tường nghiêng, d = d1 = 1,00 m. - L : chiều dài đáy đập, với m1 = m2 = 3,00 là mái thượng hạ lưu đập L = 2m1(Ñđđập - Ñđáy MC) + Bđ - d1/sina1 L = 2´2,5´(82 – 55,00) + 5,0 – 1,00/sin18,4350 = 136,84 m. - h1 : cột nước thượng lưu, h1 = ÑMNDBT - Ñđáy MC = 77,0 – 55,0 = 22,0 m. - h3 : chiều cao phía thượng lưu của đường bão hòa. - K0 = 4.10-9 m/s (đất sét); Kđ = 10-5 m/s (đất dắp). - m1 = m2 = 3,00 là mái thượng hạ lưu đập - a1 = 18,4350. là góc tương ứng với hệ số mái m = 2,5. - Z0 = d1.sina1 = 1,0 ´ sin18,4350 = 0,949. Thay các trị số trên vào (3-6), (3-7), (3-2) và giải hệ phương trình trên, với ẩn số là h3, a0 và q, phương pháp giải bằng cách thử dần như sau : + Giả thiết các h3 thay vào phương trình (3-6), tính được q. + Thay q vào phương trình (3-8), tính được a0. + Thay a0 và h3 vào phương trình (3-7), tính được q. Ở đây, ta lập bảng tính trên Exel để tính thử dần và được kết quả như sau : h3 = 5,08 m ; a0 = 0,275 m và q = 1,04.10-6 m3/s-m. 3/. Đường bảo hòa : Trong hệ trục tọa độ như sơ đồ hình trên, phương trình đường bão hòa có dạng như sau : (3-9) Từ kết quả này, ta vẽ được đường bão hòa trong thân đập như ở sơ đồ hình 2. 3/. Kiểm tra độ bền thấm đặc biệt : Đới với thân đập, cần kiểm tra điều kiện : (3-10) Trong đó : = 0,65. Tra ở bảng P3-3, phụ lục 3 (theo CHuÕ II-53-73) So sánh ta thấy . Vậy an toàn về xói trong thân đập. §4. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI ĐẬP I. Trường hợp tính toán Theo qui định của qui phạm, khi thiết kế đập, cần kiểm tra ổn định với các trường hợp sau : 1/. Cho mái hạ lưu - Khi thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là chiều sâu nước lớn nhất có thể xảy ra, thiết bị chống thấm và thoát nước làm việc bình thường (tổ hợp cơ bản). - Khi thượng lưu có MNDGC, sự làm việc bình thường của thiết bị thoát nước bị phá hoại (tổ hợp đặc biệt). 2/. Cho mái thượng lưu - Khi mực nước rút nhanh từ MNDBT đến mực nước thấp nhất có thể xảy ra (cơ bản). - Khi mực nước thượng lưu ở cao trình thấp nhất, nhưng không nhỏ hơn 0,2H đập (tổ hợp cơ bản). - Khi mực nước rút nhanh từ MNDGC đến mực nước thấp nhất có thể xảy ra (tổ hợp đặc biệt). II. Tính toán ổn định bằng phương pháp cung trượt 1/. Tìm vùng có cung trượt nguy hiểm : Trong thực tế mặt trượt mái đập là một đường cong, song để đơn giản trong tính toán ta coi là một phần của mặt trụ, cắt một dãi thân đập có l = 1 m và tính toán theo bài toán phẳng. Kết hợp 2 phương pháp của Filennit và của Fanđêep, để xác định cung tâm trượt nguy hiểm. a). Phương pháp Filennit : Đầu tiên xác định đường thẳng MM1 như trong hình 3 - trang 17. Điểm M được xác định dựa vào các góc a = 350 và b = 250, các trị số góc này được tra ở bảng (6-5) sách giáo trình thủy công tập 1, ứng với độ dốc mái m = 2.5. Điểm M1 được xác định như hình vẽ. Tâm trượt nguy hiểm nằm ở lân cận đường này. b). Phương pháp Fanđêep : Đầu tiên xác định hình thang cong bcde như trong hình 3 - trang 17. Để xác định hình thang cong này, từ điểm O giữa mái đập AB, kẻ một đường thẳng đứng và một đường thẳng hợp với mái dốc AB một góc 850. Từ O làm tâm, kẻ các cung tròn có bán kính R = 2,3Hđ = 2,3´27 = 62,1 m và r = 1,0Hđ = 27,0 m; các trị số R và r được tra ở bảng (6-5) sách giáo trình thủy công tập 1, ứng với độ dốc mái m = 2,5. Điểm M1 được xác định như hình vẽ. Tâm trượt nguy hiểm nằm ở lân cận hình thang cong được giới hạn bởi 2 đường thẳng và 2 cung tròn trên. c). Tìm vùng có cung trượt nguy hiểm : Kết hợp cá 2 phương pháp, tìm được phạm vi có khả năng chứa tâm cung trượt nguy hiểm nhất là đoạn CD. Trên đó giả định các tâm O1, O2, O3, … Vạch các cung trượt đi qua điểm B ở chân đập, tiến hàng tính các hệ số an toàn ổn định K1, K2, K3, … cho các cung tương ứng, vẽ biểu đồ Ki và vị trí tâm Oi, xác định được trị số Kmin ứng với các tâm O trên đường thẳng MM1. Từ vị trí tâm O ứng với Kmin đó, kẻ đường N-N vuông góc với đường MM1. Trên đường N-N lại lấy các tâm O khác, vạch các cung cũng đi qua điểm B ở chân đập, tính K ứng với các cung này, vẽ biểu dồ K theo tâm O, xác định được hệ số Kmin ứng với điểm B ở chân đập. Với các điểm B1, B2, B3, … ở mặt nền hạ lưu đập, bằng cách tương tự, cũng tìm được các hệ số Kmin tương ứng. Vẽ biểu đồ quan hệ giữa Kimin với các điểm ra của cung Bi, tìm được hệ số an toàn nhỏ nhất Kminmin cho mái đập. Trong đồ án này, chỉ yêu cầu tìm Kmin ứng với điểm ra B ở chân đập. 2/. Xác định hệ số an toàn K cho 1 cung trượt bất kỳ : Theo phương pháp mặt trượt trụ tròn, có nhiều công thức xác định hệ số an toàn K cho 1 cung trượt. Khác nhau giữa các công thức chủ yếu là cách xác định lực thấm. Sau đây giới thiệu công thức Ghécxêvanốp với giả thiết xem khối trượt là vật thể rắn, áp lực thấm được chuyển ra ngoài thành áp lực thủy tĩnh tác dụng lên mặt trượt và hướng vào tâm (xem sơ đồ hình 4, trang 1763). Chia khối trượt thành các dải có chiều rộng b như hình vẽ 4. Ta có công thức tính toán như sau : (4-1) Trong đó : - jn và Cn : góc ma sát trong và lực dính đơn vị ờ đáy dãi thứ n. - ln : bề rộng đáy dải thứ n; ln = b/cosan. - Wn : áp ực thấm ở đáy dải thứ n; Wn = gnhnln. hn là chiều cao cột nước tính từ đường bão hòa đến đáy dải. - Nn và Tn : thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của trọng lực dải Gn. Nn = Gncosan; Tn = Gnsinan. với Gn = b(SgiZi) Zi : chiều cao của phần dải tương ứng với dung trọng gi. gi : với đất, đá ở trên đường bão hòa lấy theo dung trọng tự nhiên, còn phần dưới đường bão hòa lấy theo dung trọng bão hòa nước. Qui định này chỉ phù hợp với phương pháp Ghécxêvanốp đang xét. : Tổng mô men chống trượt : Tổng mô men gây trượt . Bảng tính các chỉ tiêu cơ lý của các loại đất Để tiện xác định hệ số an toàn K cho 1 cung trượt bất kỳ, ta vẽ sơ đồ tính toán cho từng trường hợp và lập bảng tính các đại lượng trong công thức (4-1) cho từng sơ đồ ti1ng toán đã vẽ. Ở đây xác định, vẽ sơ đồ tính toán và lập bảng tính cho 6 trường hợp ở các trang 20, 21, 22, 23, 24, 25. a). Tính toán ổn định cung trượt O1 (ÑMNDBT và ÑHL bình thường) b). Tính toán ổn định cung trượt O2 (ÑMNDBT và ÑHL bình thường) c). Tính toán ổn định cung trượt O3 (ÑMNDBT và ÑHL bình thường) d). Tính toán ổn định cung trượt O4 º D (ÑMNDBT và ÑHL bình thường) e). Tính toán ổn định cung trượt O5 (ÑMNDBT và ÑHL bình thường) f). Tính toán ổn định cung trượt O6 (ÑMNDBT và ÑHL bình thường) j). Xác định hệ số an toàn Kmin ứng với điểm B ở chân đập Từ 6 sơ đồ tính toán và bảng tính cho các trường hợp ở trên, ta xác định hệ số an toàn bé nhất ứng với điểm B ở chân đập là : Kmin = 1,3836, có tâm cung trượt nguy hiểm nhất tại RO5, với bán kính cung trượt nguy hiểm nhất RO5 = 113,487 m . 3/. Đánh giá tính hợp lý của mái Mái đập đảm bảo an toàn về trượt nếu thỏa mãn điều kiện : Kmin ³ [K] (4-2) Tuy nhiên để đảm bảo kinh tế cần khống chế : Kmin £ 1,15 [K] (4-3) Trong đó [K] phụ thuộc vào cấp công trình và tổ hợp tải trọng. Ở đây cấp công trình là cấp III và tổ hợp tại trọng là tổ hợp cơ bản. Tra ở bảng P1-7, phụ lục 1 (theo QPVN 11-77), được [K] = 1,20. Từ các điều kiện (4-2) và (4-3), suy ra : [K] = 1,2 £ Kmin = 1,378 £ 1,15 [K] = 1,15´1,2 = 1,380. Vậy mái đập hạ lưu đảm bảo an toàn về ổn định và hợp lý về điều kiện kinh tế. §5. CẤU TẠO CHI TIẾT I. Đỉnh đập Vì trên đỉnh đập không làm đường giao thông, nên chỉ cần phủ một lớp dăm-sỏi dày 20cm để bảo vệ. mặt đỉnh đập làm dốc về hai phía với độ dốc i = 3% để thoát nước mưa. II. Bảo vệ mái đập 1/. Mái thượng lưu : Hình thức bảo vệ mái thượng lưu chủ yếu phụ thuộc vào các yêu tố của sóng và khả năng cung cấp vật liệu. - Căn cứ vào kết quả tính chiều cao sóng leo (có mức đảm bảo 1%), khi thượng lưu là MNDBT ở mục §2, ta có hsl 1% = 2,72 m > 1,25 m. - Điều kiện khai thác đá ở vị trí cách công trình 8km, trử lượng lớn, chất lượng đảm bảo đắp đập lát mái, có các chỉ tiêu cơ lý sau : j= 300; n = 0,35 (của đống đá); γk = 2,5 T/m3 (của hòn đá). Do đó chọn hình thức bảo vệ mái bằng các tấm đá xây, chiều dày tấm được xác định theo điều kiện chống đẩy nổi và lật. Sơ bộ dùng công thức Anđrâytruc đề xác định chiều dày hb mái. Trong đó : + B =1,5 m : bề rộng tấm, chọn theo điều kiền bền khi chịu áp lức sóng. + a = 18,4350 : góc nghiêng của mái với mặt phẳng nằm ngang (m=3). + K = 0,23 : hệ số khi tấm đặt trên lớp lọc liện tục bằng hạt lớn. + hs = hsl 1% = 2,72 m : chiều cao sóng. + Ls = = 21,04 m : chiều dài sóng (hay bước sóng) đã tính ở mục §2. + gd = 2,5 T/m3; gn = 1 T/m3 : dung trọng của đá (hòn đá) và của nước. Thay các trị số vào công thức trên, ta được : m. Chọn chiều dày tấm đá xây : hb = 0,40 m. kích thước (a´b) = (1,5´1,5)m. 2/. Mái hạ lưu : Mái hạ lưu đập cần được bảo vệ chống xói do nước mưa gây ra, dùng hình thức trồng cỏ. trên mái đào các rãnh nhỏ nghiêng với trục đập góc 450, trong rãnh bỏ đá dăm để tập trung nước mưa. Mước từ các rãnh tập trung vào mương ngang bố trí ở cơ, mương có độ dốc về 2 bên bờ để nối với mương dọc dẫn nước về hạ lưu. II. Bảo vệ mái đập 1/. Nối tiếp đập với nền : Về hình thức chống thấm cho nền đã nêu ở trên. Ở đây đề cập đến việc xử lý mặt tiếp giáp giữa thân đập và nền. Bóc một lớp phong hóa dày 0,5 ÷ 1,0m trên mặt nền. 2/. Nối tiếp đập với bờ : Cần đảm bảo các yêu cầu như nối tiếp đập với nền. - Bóc hết lớp đất phong hóa (lớp phủ tàng tích) đến tầng đá gốc và làm sạch mặt. - Mặt nối tiếp thân đập với bờ không đáng cấp, không làm quá dốc, không cho phép làm dốc ngược. §5. KẾT LUẬN - Trong quá trình tính toán và trình bày đồ án Thiết kế đập đất, luôn tuân thủ và áp dụng các kiến thức Thầy giáo bộ môn Thủy công đã dạy, cũng như sự hướng dẫn tận tình của Thầy trong quá trình thực hiện đồ án. - Cách trình bày đồ án và các bước tính toán dựa sát theo sườn bài của đồ án môn học Thủy công. - Mặc dù rất cố gắng, nhưng đây là lần đầu tiên thiết kế đập đất, ít nhiếu có thiếu xót. Rất mong thầy hướng dẫn và chỉ dạy thêm, để em có nhiều kinh nghiệm hơn. Bản vẽ kèm theo tập đồ án + Mặt bằng đập tỷ lệ : 1/1.000 + Mặt cắt dọc đập tỷ lệ : 1/1.000 + Mặt cắt ngang đập ở lòng sông và mặt cắt ngang đập ở sườn đồi. + Các chi tiết : đỉnh đập, bảo vệ mái thượng lưu, mái hạ lưu, cơ đập, thiết bị thoát nước thân đập. Phan rang, tháng năm 2009 Sinh viên thực hiện