Đồ án Thủy Công (Thiết kế đập đất và Tính toán công trình )
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (440.53 KB, 34 trang )
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
ĐỒ ÁN SỐ 1: TÍNH TOÁN
LỰC VÀ THẤM
PHẦN I – ĐỀ BÀI
A. TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH
I.
Tài liệu: Trong thành phần của cụm công trình đầu mối ở vùng núi có một đập
ngăn sông bằng bê tông. Các tài liệu thiết kế như sau:
1. Các mực nước và cao trình
- Cao trình đáy đập (chỗ thấp nhất): +100.
- MNDBT của hồ: Xem bảng A.
- Cao trình bùn cát (CTBC) lắng đọng: +108.
- Mực nước hạ lưu: +105.
2. Tài liệu mặt cắt đập (xem hình A)
- Cao trình đỉnh đập = MNDBT + 5m.
- Đỉnh của phần mặt cắt cơ bản (hình tam giác) ở ngang MNDBT.
- Bề rộng đỉnh: b = 5 (m); đáy B = 0,8. Hd với Hd là chiều cao mặt cắt cơ bản.
- Phần hình chiếu của mái thượng lưu trên mặt bằng: nB ; trong đó n = 0,2 (xem hình vẽ)
- Đập có màn chống thấm ở sát mép thượng lưu.
- Hệ số cột nước còn lại sau màn chống thấm α 1 = 0,5.
- Vật liệu thân đập có dung trọng γ b = 2,4 (T/m3)
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
b
5m
MNDBT
τ
Hd
CTBC = 108
MNHL = 105
100
(1-n)B
nB
Mµn chèng thÊm
Hình A : Sơ đồ mặt cắt đập
Bảng A – Số liệu bài tập phần lực
Đề số
MNDBT ( m )
V ( m/s )
D ( km )
82
145,5
22
6,5
3.Các tài liệu khác
- Tốc độ gió tính toán: V ; Chiều dài truyền sóng: D (ứng với MNDBT) xem bảng A.
- Thời gian gió thổi liên tục: 6 (giờ)
- Vùng xây dựng có động đất cấp 8; (K =
1
)
20
0
- Các chỉ tiêu bùn cát lắng đọng: γ k = 1,0 T/ m 3 ; nb = 0, 45 ; ϕbh = 10 ;
II. Các yêu cầu tính toán
1. Xác định các yếu tố của sóng bình quân
• Sóng có mức bảo đảm : P = 1% ( h , λ , τ , hs1% )
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
• Độ dềnh cao nhất của sóng η s
2. Vẽ giản đồ áp lực sóng lên mặt đập thượng lưu. Tính trị số áp lực tác dụng sóng nằm
ngang ( pmax ) và mô men của nó vói đáy đập ( M max ) – Tính cho một mét dài của đập.
3. Xác định (trị số, phương, chiều, điểm đặt) và vẽ tất cả các lực tác dụng lên 1 mét dài
của đập (trường hợp MNDBT, có động đất).
B. TÍNH THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH
I. Tài liệu: Các cống B và C có sơ đồ và kích thước như trên hình B, hình C và bảng B.
Nền cống và đát cát pha (đồng nhất đẳng hướng) có các chỉ tiêu như sau:
γ k = 1,55 T/ m 3 ; n = 0,35;
K = 2.10−6 ( m / s ) ; ϕ k = 20 0 ; C = 0 ; η =
d 60
= 15 ; d 50 = 0,15 m
d10
II. Yêu cầu tính toán
1. Dùng các phương pháp tính thấm đã học (tỷ lệ đường thẳng, hệ số sức kháng và đồ
giải) để xác định lưu lượng thấm q , vẽ biểu đồ và tính tổng áp lực đẩy ngược lên bản đáy
cống, tính gradien thấm bình quân và gradient thấm cục bộ ở cửa ra.
2. So sánh các kết quả giải được bằng phương pháp nêu trên và cho nhận xét.
3. Kiểm tra khả năng mất ổn định về thấm của nền và nêu biện pháp xử lý (nếu cần)
4. a- Nếu kết cấu đường viền thấm không đổi nhưng hệ số thấm K thay đổi thì các kết
quả tính toán trên thay đổi như thế nào?
b- Nếu kết cấu đường viền thấm không đổi nhưng chênh lệch cột nước H thay đổi thì
kết quả tính toán trên thay đổi như thế nào?
5. Nếu cống xây dựng ở vùng triều (làm việc 2 chiều) khi chênh lệch cột nước đổi chiều
(giả sử trị số tuyệt đối của H không đổi) thì các kết quả tính toán nào còn có thể sử dụng
được, tại sao? Các kết cấu đường viền thấm có cần thay đổi gì không, tại sao?
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
Hình B: Sơ đồ cắt dọc cống B
Bảng B – Số liệu bài tập phần thấm
Đề số
Sơ đồ
L1( m )
L2 ( m )
S1 ( m )
Z1( m )
Z2 ( m )
T(m)
82
C
23,0
12,5
4,0
7,0
1,5
13,5
PHẦN 2 – BÀI LÀM
A. TÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH
I. Xác định các yếu tố của sóng
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
Có nhiều công thức khác nhau để xác định các đặc trưng của song. Ở đây trình bày cách
tính theo quy phạm hiện hành QPTL C1-78, theo đó có thể xác định được các yếu tố của
sóng trung bình ( h , λ , τ ) và sóng có mức đảm bảo P% (theo đề ra, ở đây P =1%)
1. Các yếu tố của sóng trung bình
Cần phân biệt hai trường hợp: Sóng nước sâu ( H1 >
λ
λ
) và sóng nước nông ( H1 ≤ ) .Vì
2
2
ban đầu chưa biết λ nên có thể giả thiết là sóng nước sâu để tính.
Trường hợp sóng nước sâu: Sử dụng đồ thị hình P2-1 (phụ lục 2)
- Tính các giá trị không thứ nguyên
Trong đó:
gt
gD
và 2
V
V
g = 9,81 là gia tốc trọng trường ( m/s2)
t = 6 giờ = 21600 giây là thời gian gió thổi liên tục
V = 22 (m/s) là vận tốc gió tính toán
D = 6,5 (km) = 6500 (m) là chiều dài truyền sóng
Thay các giá trị vào ta được:
−
−
gh
g
τ
= 0,083
gt 9,81.21600
2
= 4,16
= 9632 Tra đồ thị P2-1 ta được: V
• V =
;
v
22
(1)
−
•
−
gh
=
0,
019
gD 9,81.6500
gτ
=
= 131, 75 Tra đồ thị P2-1 ta được: V 2
;
= 1,68
V2
222
v
(2)
So sánh 2 kết quả (1) và (2) ta chọn kết quả nhỏ nhất là (2) ứng với:
gD
= 131, 75 ;
V2
SVTH: Ngô Quang Tuấn
−
gh
= 0,019 ;
V2
−
gτ
=1, 68
v
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
−
−
Từ 2 giá trị này ta xác định được chiều cao sóng trung bình h và chu kỳ sóng trung bình τ
−
- Chiều cao sóng trung bình h là:
g h V2
222
h = 2 ÷.
= 0, 019.
≈ 0,94 ( m )
9,81
V g
−
−
- Chu kỳ sóng trung bình τ
−
gτ ÷ V
22
τ =
. = 1, 68.
≈ 3, 77 ( s )
V ÷g
9,81
- Bước sóng trung bình xác định theo công thức
−
2
gτ
9,81.3,77 2
λ=
=
≈ 22, 20 (m)
2π
2.π
λ
2
= 145,5 − 100 = 45,5
m
- Từ đó kiểm tra được điều kiện sóng nước sâu đã giả thiết ban đầu H1 >
−∇
Ta có mực nước dâng trước hồ là : H1 = H d = ∇MNDBTĐáy
Ta thấy rằng H1 = 45,5 ( m ) >
( )
λ 22, 2
=
= 11,1 ( m )
2
2
Vậy thỏa mãn điều kiện sóng nước sâu ( giả thiết đã cho đúng )
Vậy sóng tác dụng lên công trình là sóng nước sâu với các thông số sau:
+ Bước sóng là:
λ = 22,2 (m)
+ Chu kì sóng là: τ = 3,77 (s)
2. Chiều cao sóng và mức bảo đảm i%:
Xác định theo công thức: hi % = ki % .h
(1-2)
Trong đó ki % tra theo đồ thị hình P2-2 (phụ lục 2).
Với i = 1% ta có công thức xác định chiều cao sóng là: h1% = k1%. .h
Trong đó:
h
là chiều cao sóng trung bình ( h = 1,12 m)
k1%. Tra theo đồ thị hình P2-2 với p = 1% và
gD
= 131, 75 ⇒k1% = 2,12
V2
⇒ h1% = 2,12.1,12 = 2,37 (m)
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
3. Độ dềnh cao nhất của sóng
ηs =kηs .h1%
Xác định theo công thức:
Trong đó : h1% - chiều cao sóng ứng với mức bảo đảm 1%.
kηs tra đồ thị hình P2-4
λ
Để tra giá trị kηs ta tính giá trị H và
1
λ
Ta có
H1
=
22, 2
= 0, 49
45,5
;
(1-3)
h1%
λ
h1%
λ
=
2, 37
= 0,107
22, 2
Tra phụ lục P2-4a ta được: ⇒ kη s = 1, 22
thay vào công thức (1-3) ta được:η s = 1,22.2,37=2,89 (m).
Ta có bảng kết quả
H1 ( m )
h1% ( m )
h( m )
ηs ( m )
λ(m)
τ(m)
45,5
2,37
0,94
2,89
22,2
3,77
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
b
nB/2
5m
hs
τ
W1
H
H1
W2
WS
W6
Wd
O
M max
W
s
H1
3
h3
W8
G
α
W7
m'h2/3
Fd
100
(1-n)B
nB
W5
B/2
Wth
B/3
Hình 1-1 : Sơ đồ các lực tác dụng lên đập
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
W3
β
W4
h2
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
II. Xác định các lực tác dụng lên công trình (theo bài toán phẳng)
1. Áp lực thủy tĩnh: Tác dụng ở mặt thượng lưu và hạ lưu đập, bao gồm các thành
phần thẳng đứng và nằm ngang (xem hình 1-1).
a) Mặt thượng lưu:
• Thành phần thẳng đứng:
+ Phương : Thẳng đứng.
+ Chiều
: Hướng vào mái đập.
+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của tam giác phân bố áp lực cách chân mái hạ lưu 1 đoạn
bằng
=>
2nB
+ ( n − 1) B Với B = 0,8.H1 = 0,8.45.5 = 36.4 (m) ; n = 0,2
3
2nB
2.0, 2.36, 4
+ ( 1− n) B =
+ ( 1 − 0, 2 ) .36, 4 ≈ 33,97 (m)
3
3
1
2
+ Độ lớn: W1 = .γ n .n, H12
(1-4)
Trong đó: γ n : Trọng lượng riêng của nước: γ n = 9,81 (KN/m3)
H1: Mực nước thượng lưu ; H1 = 45.5 (m).
n , - Hệ số mái nghiêng thượng lưu ; ⇒ n ' = cotg ==
n.0,8.H1
= n.0,8 = 0,16
H1
1
1
⇒ W1 = .γ n .n, H12 = .9,81.0,16.45.52 = 1624,7 ( kN )
2
2
• Thành phần nằm ngang:
+ Phương : Ngang.
+ Chiều
: Hướng vào mái đập.
+ Điểm đặt : Cách đáy công trình một khoảng là:
+ Độ lớn
: Tính theo công thức:
H1 45.5
=
= 15,17 (m)
3
3
1
W2 = .γ n .H12
2
(1-5)
1
⇒ W2 = .9,81.45,52 = 10154, 6 ( kN )
2
b)Mặt hạ lưu
• Thành phần đứng
+ Phương : Thẳng đứng
+ Chiều
: Từ trên xuống
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
+ Điểm đặt : Tại trọng tâm biểu đồ phân bố áp lực cách mép hạ lưu đập 1 đoạn bằng
m '.H 2
3
(1 − n) B (1 − 0, 2).36, 4
=
= 0,82
H1
45,5
−∇
= 105 − 100 =m5 ( )
H2 là mực nước dâng sau đập ; H 2 =∇MNHLĐáy
Trong đó : m’ là hệ số mái nghiêng hạ lưu ; m' = cotg β .
⇒
m '.H 2 0,82.5
=
≈ 1,37 ( m)
3
3
+ Độ lớn : Tính theo công thức W3 =
1
. γ n . m’.H22
2
(1-6)
1
⇒ W3 = .9,81.0,82.52 = 100,55 ( kN )
2
• Thành phần ngang:
+ Phương : Nằm ngang.
+ Chiều
: Hướng vào mái hạ lưu đập.
+ Điểm đặt : Cách đáy công trình 1 khoảng
+ Độ lớn
:
W4 =
H2 5
= ≈ 1, 67
3
3
( m)
1
.γn .H22
2
(1-7)
1
⇒ W4 = .9,81.52 = 122, 63 ( kN )
2
2. Áp lực sóng
Khi xác định áp lực sóng tác dụng lên công trình cần xác định: độ dềnh lên η s ; độ hạ
thấp so với mực nước tĩnh η ch ; áp lực sóng lớn nhất Pmax ; mômen đẩy M max .
Nói chung khi sóng dềnh cao nhất, áp lực sóng lên mái đập không phải là lớn nhất.
+ Áp lực sóng lên mái đập lớn nhất ứng với độ dềnh: η d
Trong đó:
= kη d h
(1-8)
h – chiều cao sóng với mức đảm bảo tương ứng 1%.
kη d có thể xác định đồ thị hình 3-7c (giáo trình thủy công tập 1)
λ
h1%
Để tra được kη d ta tính các giá trị H1 và λ
Ta có
λ 22, 2
=
= 0, 49
H1 45.5
h1% 2,37
=
= 0,1
λ
22, 2
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
Tra biểu đồ 3-7c ta được k ηd =0,19
ηd = kηd .h = 0,19.2, 37 = 0, 45
- Trị số áp lực sóng lớn nhất lên mặt đập xác đập xác định theo công thức
h
)
(1-9)
2
Với hệ số kd = 0,21 tra ở đồ thị hình 3-7d (Giáo trình thủy công tập 1)
Các đại lượng khác như đã giải thích ở trên.
h
2,37
=> Ws = kd .γ n .h.( H1 + ) = 0, 21.9,81.2,37. 45,5 +
÷ ≈ 227,94 (kN)
2
2
- Mômen lớn nhất đối với chân đập do sóng gây ra:
Ws = kd .γ n .h.( H1 +
M max = k mγ n h(
h 2 hH1 H12
+
+
)
6
2
2
( 1 −10 )
Với hệ số km = 0,2 tra ở đồ thị hình 3-7 d (Giáo trình thủy công tập 1)
=>M max = kmγ n h(
2,37 2 2,37.45,5 45,52
h 2 hH1 H12
+
+
) = 0, 2.9,81.2,37.
+
+
÷ ≈ 5, 671, 7 (kN.m)
6
2
2
2
2
6
• Vậy áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên đập được xác định :
+ Phương
: Ngang
+ Chiều
: Hướng vào thân đập
+ Điểm đặt : Cách mép đáy của công trình đoạn
M max
5671, 7
=
≈ 24,88 ( m)
Ws
227, 94
+ Độ lớn
:
Ws = 227,94 (kN)
+ Mô men áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên công trình là
M max = 5671, 7 ( kN .m)
3. Áp lực nước thấm
- Do có chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nên phát sinh dòng thấm từ thượng về hạ
lưu công trình, gây nên áp lực thấm dưới đáy của nó. Ngoài ra, do đáy đập ngập dưới
mực nước hạ lưu nên đập còn chịu tác dụng của lực đẩy nổi thủy tĩnh.
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
- Lực thấm đẩy ngược: Biểu đồ phân bố áp lực thấm ngược coi gần đúng là hình tam
giác ( hình 1-1 ) có cường độ lớn nhất ở đầu (sau màn chống thấm):
Pmax = γ n .α 1.H
Trong đó:
α 1 = 0,5 là hệ số cột nước thấm còn lại sau màn chống thấm;
H = H1- H2 = 45,5 – 5 = 40,5 (m) là cột nước thấm
γn = 9.81 ( kN/m3 ) là trọng lượng riêng của nước
⇒ Pmax = 9,81.0,5.40, 5 = 198, 65 ( kN )
1
Tổng áp lực thấm đẩy ngược sẽ là: Wth = .γ n .α1.H .B
(1-11)
2
Với B = 0,8.H1 = 0,8.45,5 = 36,4 ( m ) là bề rộng đáy đập
1
⇒Wth = .9,81.0, 5.40, 5.36, 4 = 3615, 48 ( kN )
2
• Áp lực thấm đẩy ngược dưới đáy đập phân bố dạng tam giác có:
+ Phương : Thẳng đứng;
+ Chiều
: Hướng từ dưới lên;
+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của tam giác phân bố áp lực cách mép đáy hạ lưu một
2 B 2.36, 4
=
≈ 24, 27 ( m )
3
3
- Lực thủy tĩnh đẩy ngược: W5 = γ n .B.H 2
khoảng
(1-12)
⇒ W5 = 9,81.36, 4.5 = 1785, 42 ( kN )
• Áp lực thấm đẩy ngược dưới đáy đập phân bố dạng hình chữ nhật có:
+ Phương : Thẳng đứng;
+ Chiều
: Hướng từ dưới lên;
+ Điểm đặt : Tại trọng tâm của hình chữ nhật cách mép đáy hạ lưu một khoảng
B 36, 4
=
= 18, 2 (m)
2
2
4. Áp lực bùn cát:
Do tính chất của đập là ngăn nước ngang dòng chảy. Bởi vậy nó sẽ làm cho các hạt
bùn cát chuyển động trong nước lắng đọng ngay trước thượng lưu đập. Khối bùn cát
này sẽ gây ra áp lực tác động lên thân đập.
Do khối bùn cát lắng đọng trước đập gây ra. Do mái đập thượng lưu nghiêng nên áp
lực bùn cát có 2 thành phần: Thẳng đứng và nằm ngang.
• Thành phần thẳng đứng
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
+ Phương
+ Chiều
GVHD: Lê Thị Huệ
: Thẳng đứng
: Từ trên xuống
+ Điểm đặt : Cách mép chân đập phía hạ lưu một khoảng bằng :
n '.H 3
0,16.8
B−
= 36, 4 −
= 35,97 ( m )
3
3
Với: H3 = 108 - 100 = 8 (m) là chiều sâu bùn cát lắng đọng trước công trình;
n’- Hệ số mái nghiêng thượng lưu ; n’ = cotg α =
+ Độ lớn
:
nB 0, 2.36, 4
= 0,16
=
H1
45,5
1
W6 = γ bc .H32 .n '
2
(1-13)
Với γbc là trọng lượng riêng của bùn cát trong nước (dung trọng đẩy nổi)
γbc = γk – γn.(1-nb)
Với:
(1-14)
γk = 1,0T/m3 = 10 kN/ m3 là trọng lượng riêng khô của bùn cát
nb = 0,45là độ rỗng của bùn cát lắng đọng
γbc = 10 – 9,81 (1 – 0,45) = 4,6 kN/ m3
W6 = 0,5.4,6.82.0,16 = 23,55 kN
• Thành phần nằm ngang:
+ Phương : Ngang
+ Chiều
: Hướng từ thượng lưu về phái hạ lưu;
H 8
+ Điểm đặt : Cách đáy đập một đoạn: 3 = ≈ 2,67 (m)
3 3
1
2
+ Độ lớn
: W7 = .γ bc H 3 K a
(1-15)
2
Trong đó
: Ka là hệ số áp lực ngang ( áp lực chủ động ) ; với ϕbh = 100
ϕ
⇒ K a = tg 2 . 450 − bh ÷
2
(1-16)
10
2
0
K a = tg 2 . 450 −
÷ = tg . ( 40 ) ≈ 0, 7
2
0
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
1
⇒ W7 = .4,6.82.0, 7 = 103, 04 ( kN )
2
5. Trọng lượng của thân đập
Để dễ dàng tính toán lực do trọng lượng bản thân và điểm đặt của nó, mặt cắt đập
được chia thành các phần hình tam giác và chữ nhật.
Trọng lượng của phần đập có diện tích mặt cắt F i sẽ là Gi = γb. Fi ; Trọng lượng của
toàn đập sẽ là G = ∑Gi .Điểm đặt của G được tìm theo quy tắc hợp các lực song song.
Hình 1-2. Sơ đồ tính toán trọng lượng thân đập
Gọi hệ trục tọa độ Oxy có O = (0 ; 0) là hệ trục tọa độ gốc.
C1 (x1 ; y1) là tọa độ trọng tâm của phần tam giác thượng lưu.
C2 (x2 ; y2) là tọa độ trọng tâm của phần hình chữ nhật.
C3 (x3 ; y3) là tọa độ trọng tâm của phần tam giác hạ lưu.
F1 ; F2 ; F3 lần lượt là diện tích của: Hình tam giác thượng lưu, hình chữ nhật và hình
tam giác hạ lưu.
- Tìm C1 ( x1 ; y1 )
SVTH: Ngô Quang Tuấn
x1 =
2
2
nB = .0, 2.36, 4 = 4,85 (m)
3
3
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
1
1
y1 = H d = .45,5 = 15,16 (m)
3
3
x2 = OA +
- Tìm C2 ( x2 ; y2 )
y2 =
OF
OF
5
= nB +
= 0, 2.36, 4 + = 9, 78 (m)
2
2
2
AG H d + 5 45,5 + 5
=
=
= 25, 25 (m)
2
2
2
- Tìm C3 ( x3 ; y3 )
Ta có:
FD = ( 1 − n ).B − AF = ( 1 - 0,2 ). 36,4 – 5 = 24,12 (m)
với (m’ = cotg β = 0,82)
FD = EF.m’
⇒ EF =
FD 24,12
=
= 29, 41 (m)
m'
0,82
1
1
x3 = OA + AF + .FD = 0, 2.36, 4 + 5 + .24,12 = 20,32 (m)
3
3
1
1
y3 = EF = .29, 41 = 9,8 (m)
3
3
- Tính diện tích:
1
1
1
F1 = OA. AB = .n.B.H d = .0, 2.36, 4.45,5 = 165, 62 ( m 2 )
2
2
2
F2 = AF . AG = 5.( H d + 5) = 5.(45,5 + 5) = 252,5 ( m 2 )
F3 =
1
1
FD.EF = .24,12.29, 41 = 354, 49 (m 2 )
2
2
Vậy tọa độ trọng tâm của cả hình là C=( xc ;yc )
xc =
x1.F1 + x2 .F2 + x3 .F3 4,85.165, 62 + 9, 78.252,5 + 20,32.354, 49
=
= 13,56 (m)
F1 + F2 + F3
165, 62 + 252,5 + 354, 49
yc =
y1.F1 + y2 .F2 + y3 .F3 15,16.165, 62 + 25, 25.252,5 + 9,8.354, 49
=
= 16 (m)
F1 + F2 + F3
165,62 + 252,5 + 354, 49
Vậy tọa độ trọng tâm đập là C =(13,56; 16)
- Tính trọng lượng thân đập:
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
+ Phần tam giác thượng lưu: G1 = γ b .F1
Trong đó: γ b - Trọng lương riêng vật liệu làm đập; γ b =2,4 T/m3 = 24 kN/m3
⇒ G1 = 24.165,62 = 3974,88 ( kN )
+ Phần hình chữ nhật trong thân đập:
⇒ G2 = γ b .F2 = 24.252,5 = 6060 ( kN )
+ Phần tam giác hạ lưu đập:
⇒ G3 = γ b .F3 = 24.354, 49 = 8507, 76 ( kN )
Vậy trọng lượng của đập là:
G = G1 + G2 + G3 = 3974,88 + 6060 + 8507,76 = 18542, 64 ( kN )
Điểm đặt cách mép chân đập phía hạ lưu một đoạn bằng :
B - xc = 36,4 – 13,56 = 22,84 (m)
6. Lực sinh ra khi có động đất:
Công trình được xây dựng phải đảm bảo ổn định ngay cả trong trường hợp bất lợi
nhất. Đó là khi có sự xuất hiện của các lực đặc biệt như lực động đất. Vì vậy khi tính
toán ta phải tính đến cả lực này mặc dù nó ít xuất hiện.
Bao gồm các thành phần sau:
a) Lực quán tính động đất của công trình.
- Phương : Ngang
- Chiều : Từ phía thượng lưu về phía hạ lưu;
- Điểm đặt : Tại trọng tâm mặt cắt tính toán, cách đáy đập một đoạn bằng yc =16 (m)
- Độ lớn :
Fđ = K.α.G
1
Trong đó: K =
= 0,05 là hệ số động đất của vùng xây dựng
20
α =1 + 0,5
Với:
h1
là hệ số đặc trưng động lực của công trình
h0
h1 là khoảng cách từ điểm tính toán đến mặt nền
h0 là khoảng cách từ trọng tâm công trình đến mặt nền
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
Ta có h1 = h0
⇒ α =1+0,5 = 1,5
G là trọng lượng công trình.
⇒ Fđ = K .α .G = 0, 05.1,5.18542, 64 = 1390, 7 ( kN )
Lực quán tính động đất cùng phương ngược chiều với gia tốc động đất, điểm đặt tại
trọng tâm mặt cắt tính toán.
Ở đây chọn chiều bất lợi của lực động đất là chiều từ thuợng về hạ lưu đập (phương
ngang).
b) Áp lực nước tăng thêm khi động đất
- Phương
: Ngang
- Chiều
: Hướng từ phía thượng lưu về phái hạ lưu đập
H 45,5
= 15,17 ( m )
- Điểm đặt
: Cách đáy đập một khoảng: 1 =
3
3
1
1
2
2
- Độ lớn
: Wd = K .γ n .H1 = 0,05.9,81.45,5 = 507,73 (kN )
2
2
c) Áp lực bùn cát tăng thêm khi có động đất
Theo chiều bất lợi đã chọn, động đất làm tăng áp lực chủ động của bùn cát thượng lưu.
W8 = 2.K .tgϕ bh .W7
K là hệ số động đất; ϕbh là góc ma sát trong của bùn cát
Trị số áp lực tăng thêm là:
Trong đó:
W7 là thành phần áp lực đất nằm ngang, như đã xác định ở trên.
⇒ W8 = 2.0,05. tg100.103,04 = 1,82 (kN )
Áp lực bùn cát tăng thêm W8 có
- Phương : Ngang
- Chiều : Hướng từ thượng lưu về hạ lưu
H 8
- Điểm đặt : Cách đáy công trình một đoạn: 3 = = 2,67 ( m )
3 3
- Độ lớn : W8 = 1,82 (kN)
Tổng hợp tất cả các lực tác dụng lên công trình (bài toán phẳng) và mômen của
chúng đối với mép biên hạ lưu đế đập (điểm D) theo bảng sau:
TT
Lực tác dụng
Ký hiệu
SVTH: Ngô Quang Tuấn
Trị số ( kN )
Mômen đối với A
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
( kN.m )
P ↓ (+)
W1
1
Áp lực thủy tĩnh
2
3
3
4
5
Áp lực sóng
1624,7
W2
W3
Q → (+)
10154,6
10,55
Tay đòn
(m)
MA(+)
33,97
-55191,06
15,17
154045,28
1,37
-14,45
W4
-122,63
1,67
-204,79
Ws
227,94
24,88
5671,15
Wth
-3615,48
18,2
65801,74
W5
-1785,42
24,27
43332,14
W6
23,55
35,97
-847,09
2,67
275,12
22,84
-42513,9
Áp lực thấm
Áp lực bùn cát
Trọng lượng
thân đập
Lực sinh ra khi có
động đất
Tổng
W7
G
103,04
18542,64
Fđ
1390,7
16
22251,2
Wđ
507,73
15,17
7702,26
W8
1,82
2,67
4,86
12508,46
214,85
397855,04
25602,34
B. TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH
Đất nền và hai bên bờ công trình thuỷ lợi là loại đất thấm nước chỉ trong một số
trường hợp đặc biệt là đất sét hoặc đá được xử lý tiếp giáp tốt thì mới được coi là không
thấm nước. khi công trình làm việc sẽ tạo ra chênh lệch mực nước thượng hạ lưu dòng
nước di động qua các kẽ rỗng hai bên vai và qua đất nền tạo thành dòng thấm.
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
Tác hại của dòng thấm:
• Gây mất nước cho hồ chứa.
• Gây ra những áp lực tác động lên công trình.
• Gây ra biến dạng đất nền và hai vai công trình.
• Đối với dòng thấm hai vai công trình khi thoát nước ra ở hạ lưu sẽ gây ra hiện
I.
1.
-
tượng làm ngập lụt trong một khu vực rộng lớn ở thượng lưu.
Nhiệm vụ và các phương pháp tính toán
Nhiệm vụ: Giải các bài toán thấm dưới đáy công trình cần xác định
Lưu lượng thấm q
Áp lực thấm lên bản đáy công trình Wt
Trị số gradien thấm bình quân toàn miền thấm và cục bộ ở cửa ra để kiểm tra độ bền
thấm của nền J
- Vận tốc thấm V
Căn cứ vào các đại lượng tính toán người thiết kế sẽ xác định được các cách bố trí các
bộ phận của công trình mang tính hợp lý về cả mặt kinh tế và kỹ thuật.
2. Các phương pháp tính toán
Theo yêu cầu của đầu bài, ở đây tiến hành tính thấm theo các phương pháp :
• Tỷ lệ đường thẳng
• Hệ số sức kháng
• Vẽ lưới
Việc tính toán tiến hành cho bài toán phẳng
II. Tính thấm theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng
SVTH: Ngô Quang Tuấn
(sơ đồ hình 1-2)
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
Hình 1-2 : Sơ đồ tính thấm theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng
Theo Lence đoạn đường viền thấm thẳng đứng có khả năng tiêu hao cột nước thấm lớn
hơn đoạn nằm ngang m lần. Chiều dài tính toán của đường viền thấm xác định theo
công thức:
Trong đó:
Ln
m
Ld là chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên có góc
Ltt = Ld +
nghiêng so với phương ngang lớn hơn 450.
Ln là chiều dài tổng cộng của các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có góc
nghiêng so với phương ngang nhỏ hơn 450.
m là hệ số phụ thuộc vào số hàng cừ trong sơ đồ đường viền thấm
Ta có:
• Ld = AB + BC + DE + EF + GH + HI
Ld = 3,5 + 3,0 + 4,5 + 4,0 + 1,0 + 1,0 = 17 (m)
• Ln = CD + FG
Ln = 23,00 + 12,50 = 35,50 (m)
Vì công trình có hai hàng cừ nên m = 3
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
Ltt = Ld +
Ln
35,5
= 17 +
= 28,83 ( m)
m
3
1. Tính toán lực đẩy ngược lên bản đáy
a) Áp lực thấm
Cột nước thấm tại mỗi điểm cách điểm cuối của đường viền một đoạn dài tính toán
hx =
Xtt (Xtt xác định tương tự như Ltt ) là:
Trong đó :
X tt
H
Ltt
H là cột nước thấm toàn bộ; H = Z1 – Z2 = 7 – 1,5 = 5,5 (m)
Ltt = 28,83 (m) chiều dài tính toán đường viền thấm.
Xtt là chiều dài tính toán đường viền thấm tại điểm tính toán, tổng áp
lực thấm lên bản đáy công trình là : Xtt = Xd +
Xn
m
XF
• Tại E:
hF = L H
tt
XF = XdF +
X nF
m
XdF = DE + EF = 4,5 + 4 = 8,5 (m)
XnF = FG = 12,5 (m)
⇒ XF = XdF +
⇒ hF =
X nF
12,5
= 8,5 +
= 12,67 (m)
3
3
12, 67
.5,5 = 2,42 (m)
28,83
• Tại G:
XG
hG = L H
tt
XG = XdG +
SVTH: Ngô Quang Tuấn
X nG
m
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
XdF = GH + GI = 1 + 1= 2 (m)
XnF =0
⇒ XG = XdG +
⇒ hG =
X nG
0
= 2 + = 2 (m)
3
3
2
.5,5 = 0,38 (m)
28,83
Theo sơ đồ công trình như hình ( 1-2 ) , tổng áp lực thấm lên bản đáy cống sẽ là:
Wth = γ n .
hF + hG
.L2
2
⇒ Wth = 9,81.
2, 42 + 0, 38
.12, 5 = 171, 68 ( kN )
2
b) Áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược:
Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược được tính theo công thức :
W1 = γn.( H2 + t ).L2
Trong đó : γn = 9,81 là trọng lượng riêng của nước
L2 = 12,5 (m) là chiều dài bản đáy công trình
H2 = 1,5 (m) là chiều cao mực nước hạ lưu
t = 1 (m) là chiều dày bản đáy công trình
=> W1 = γn.( H2 + t ).L2 = 9,81.( 1,5 + 1 ).12,5 = 306,56 (kN)
c) Kết luận :
• Áp lực thấm dưới đáy công trình phân bố dạng hình thang có :
+ Phương thẳng đứng
+ Chiều hướng vào đáy công trình
+ Điểm đặt tại trọng tâm hình thang
+ Độ lớn :
Wth= 171,68 (kN)
• Áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược dưới bản đáy công trình phân bố dạng hình chữ nhật có:
+ Phương thẳng đứng
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
+ Chiều hướng vào bản đáy công trình
+ Điểm đặt tại trọng tâm hình
+ Độ lớn :
W1 = 306,56 ( kN)
2. Tính gradien thấm và lưu tốc thấm bình quân
Trên đoạn đường viền thẳng đứng:
H
5,5
Jd =
=
= 0,19
+ Gradien thấm :
Ltt 28,83
+ Lưu tốc thấm bình quân :
Vd = K.Jd
Với K = 2.10-6 (m/s) là hệ số thấm của đất nền
=> Vd = K.Jd = 2.10-6.0,19 = 0,38.10-6 (m/s)
• Trên đoạn đường viền nằm ngang:
Jn =
J d 0,19
=
= 0, 063
m
3
Gradien thấm :
Lưu tốc thấm bình quân : Vn = K.Jn = 2.10-6.0,063 = 0,126.10-6 (m/s)
3. Tính lưu lượng thấm:
Khi chiều dài bản đáy khá lớn, có thể tính lưu lượng thấm đơn vị theo công thức:
q = K.Jn .T1
Trong đó:
K = 2.10-6 (m/s) là hệ số thấm
Jn = 0,063 gradien thấm theo phương ngang
T1- Chiều dày tầng thấm dưới bản đáy cống
T1 = TTB =
(T − 0,5) + (T − 1) (13,5 − 0,5) + (13,5 − 1)
=
= 12, 75 (m)
2
2
-6
-6
2
=> q = 2.10 .0,063.12,75 = 1,6065.10 (m /s)
Vậy lưu lượng thấm là : q = 1,6065.10-6 ( m2/s)
4. Kiểm tra độ bền thấm của nền:
Theo phương pháp này chỉ có thể sơ bộ kiểm tra độ bền thấm chung của nền theo công
thức:
Ltt ≥ C.H
Trong đó:Ltt = 28,83 (m) là chiều dài tính toán đường viền thấm
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
H = 5,5 (m) là cột nước thấm
C là hệ số phụ thuộc tính chất đất nền ; tra bảng P3-1 (phụ lục 3) ta có C = 4
=> C.H = 4.5,5 = 22 (m)
=> Ltt = 28,83 (m) > C.H = 22 (m)
Vậy chiều dài đường viền thấm đã đủ dài để đảm bảo dộ bền thấm chung.
III.
Tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng (sơ đồ hình 1-3)
Với các đường viền thấm phức tạp có hai hay nhiều hàng cừ thì nhà bác học
Pavơlôpxki đã dùng phương pháp phân đoạn và Trugarap đã phát triển thành phương
pháp hệ số sức kháng.
Theo phương pháp này thấm dưới đáy công trình chia thành các đoạn chứa đường
viền thấm nằm ngang Đường ranh giới hai bộ phận kề nhau chính là đường thế đi qua
giao điểm các đoạn đường viền thẳng đứng và các đoạn đường thẳng nằm ngang.
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
Đồ án môn học: Thủy Công
GVHD: Lê Thị Huệ
Hình 1-3 : Sơ đồ tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng
1. Phân đoạn: Dùng các đường thế đi qua các điểm đường viền chuyển tiếp từ đoạn
thẳng đứng sang đoạn nằm ngang hoặc ngược lại để chia miền thấm thành các miền con
(bộ phận) khác nhau (các bộ phận 1, 2, 3, 4, 5 như trên hình 1-3).
2. Xác định hệ số sức kháng của từng bộ phận
a) Bộ phận cửa vào và cửa ra:
- Tại vị trí cửa vào: Có cừ, có bậc nên
S
0,5
T1
a
S
ξv = 0,44 + +1,5 +
S
T0
T1
1 − 0,75
T1
Trong đó: a = 0,5 ( m ) là độ cao của bậc
S = 3 (m) là chiều sâu đóng cừ tại cửa vào
T0 = 13,5 (m) là chiều sâu của tầng thấm bên ngoài sân phủ
SVTH: Ngô Quang Tuấn
MSV: 1251051984
