Bài giảng công trình thủy chương 2 PGS nguyễn thống

CÔNG TRÌNH THỦY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - BM KTTNN

NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1. Tổng quan về Tài ngun nước VN.
Chương 2. Cơ sở kỹ thuật thiết kế cơng trình
thủy lợi (CTTL).
Chương 3. Hồ chứa nước.
Chương 4. Đập dâng nước
Chương 5. Cơng trình tháo lũ
Chương 6. Cơng trình dẫn nước.
Chương 7. Máy thủy lực.
Chương 8. Thủy điện.
Chương 9. Trạm bơm

Giảng viên: PGS. TS. NGUYỄN THỐNG
E-mail:
Web: www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/index
7/21/2014

1

Tél. (08) 38 691 592 - 098 99 66 719

7/21/2014

2

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

CƠ SỞ KỸ THUẬT THIẾT KẾ CTTL
Bốn giai đoạn thực hiện dự án:
1- Khảo sát.
2- Thiết kế :
- Lập Báo cáo kỹ thuật (nghiên cứu Tiền khả
thi), Lập Dự án đầu tư (nghiên cứu Khả thi).
- Thiết kế kỹ thuật.
- Thiết kế thi công.
3- Thi công.
4- Quản lý.
7/21/2014

CƠ SỞ DỮ LIỆU THIẾT KẾ

1- Đòa hình (tỷ lệ 1/50000, 1/10000,1/2000,
1/1000, 1/500).
2- Đòa chất: Đòa chất kiến tạo, điạ chất
thủy văn, đòa chất công trình, đòa chất
thổ nhưỡng.
3. Khí tượng - Thủy văn.
4. Môi trường.

3

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

4

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

CƠ SỞ TÍNH TOÁN

2. NỘI DUNG TÍNH TOÁN
- Tính toán thủy văn;
- Tính toán thủy năng;
- Tính toán thủy lực;
- Tính toán lực tác dụng lên CTTL;
- Tính toán thấm;

1. Phân cấp CTTL (cấp I, II,III,IV,V).
- Công trình (CT) lâu dài.
- CT tạm thời.

- CT chủ yếu.
- CT thứ yếu.

ý nghóa của phân cấp ???
7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

5

7/21/2014

6

PGS. Dr. Nguyễn Thống

1


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

- Tính toán ổn đònh và biến dạng;
- Tính toán kết cấu;
- Tính toán và dự báo tác động môi trường;

- Tính toán kinh tế.

TẢI TRNG, LỰC

7/21/2014

7

PGS. Dr. Nguyễn Thống

* Tải trọng và lực tác dụng thường xuyên:
Bao gồm: Áp lực nước tỉnh, động, đẩy nổi,
thấm, áp lực nước trong các lỗ rỗng...
ứng với MNDBT và thiết bò chống thấm,
thoát nước làm việc bình thường, áp lực
đất có xét đến tải trọng trên mặt, ứng
suất trước của kết cấu.
7/21/2014

8

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

* Tải trọng và lực tác dụng tạm thời dài hạn:
• (áp lực đất bổ sung do biến dạng nền, kết
cấu, nhiệt, áp lực bùn cát, từ biến, co ngót
kết cấu).
* Tải trọng và lực tác dụng tạm thời ngắn hạn:
• (Thiết bò nâng, tàu thuyền vật trôi va chạm,
sóng, gió, nước va).
* Tải trọng và lực tác dụng tạm thời đặc biệt:
• (Động đất, nổ mìn, gió khi bão, nước va khi
cắt tải hoàn toàn).
7/21/2014

9

PGS. Dr. Nguyễn Thống

TỔ HP TẢI TRỌNG

7/21/2014

10

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

1- Tổ hợp TT cơ bản = thường xuyên + tạm thời
dài hạn + tạm thời ngắn hạn.

ÁP LỰC NƯỚC

2- Tổ hợp TT đặc biệt = thường xuyên + một
trong số tạm thời đặc biệt.
 Xét cả 2 tổ hợp và chọn trường hợp nguy hiểm

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

11

7/21/2014

12

PGS. Dr. Nguyễn Thống

2


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy
M

Nước

hA

pA=ghA
F

A

pA áp śt
nước tác dụng
tại A
F lực tác dụng
lên mặt MN

N
7/21/2014

13

PGS. Dr. Nguyễn Thống

ÁP SUẤT NƯỚC
TÁC DỤNG LÊN
THÀNH PHẲNG

h

p

Nước, 

A

ÁP SUẤT: Biểu diễn bằng 1 vectơ:
• Phương : thẳng góc với mặt tác dụng.
• Chiều: hướng vào mặt tác dụng.
• Cường độ: p   gh(N / m2 )
(p tỷ lệ tuyến tính với chiều sâu)
7/21/2014

14

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

1. ÁP LỰC THỦY TỈNH:
Áp suất nước p tại độ sâu h so với mặt thoáng:

B
H/2

2H/3

p  gh( N / m2 )

po
C

F

với =1000kg/m3: khối lượng riêng nước.
Áp lực tương đương tác dụng lên mặt phẳng S:

G

F  p0S( N)

A’

F=p0S=p0bH=

p0: áp suất tại tâm mặt xét, S diện tích mặt xét.
7/21/2014

15

PGS. Dr. Nguyễn Thống

pA

A

gbH2/2

H

p0=gH/2

pA  gH

7/21/2014

16

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

• Tính và vẽ áp lực tương đương F

pB  0

(vì hB=0)

2H/3

H

B

F

A’

p A  gH
7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

F  g

hC

G

C pC

A

pc  ghC

H

H
H
17
.(b.L AB )  g .b.
2
2 sin 

7/21/2014

18

PGS. Dr. Nguyễn Thống

3


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Bài tập:
Cho một đập bê tông có kích thước như hình vẽ.
Xác đònh áp lực nước tác dụng lên công trình
(tính cho b=1m chiều rộng):
- Thủy tỉnh.
- Đẩy nổi.

- Thấm (hệ số giảm áp lực 1=1).
- Bùn cát với dung trọng đẩy nổi đn=0.7 t/m3 và
góc nội ma sát =200.

Màng chớng thấm
1H
1 Hệ sớ giảm áp
7/21/2014

19

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

!!! Đẩy nổi+Thấm  Áp lực ngượ20c

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy
ÁP LỰC THỦY ĐỘNG

MNDBT=55m

Khi nước đến gần một vật cản cố đònh, ngoài áp lực
thủy tỉnh còn có thêm một tác dụng lực bổ sung
 áp lực thủy động P.

A

Bùn cát, +30m

P  k VV 2 A(1  cos ) ( N)

MNHL=20m
C/t m/đ=15m
B

với V vận tốc trung bình,  góc giữa hướng dòng
chảy và mặt tác dụng, A diện tích, kv hệ số chảy
vòng lấy như sau:

C
a=5m

b=25m

7/21/2014

21

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

22

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

ÁP LỰC THỦY ĐỘNG



Bài tập:
Xác đònh áp lực thủy động tác dụng lên trụ
pin có dạng lượn tròn. Diện tích A=80m2,
vận tốc trung bình dòng chảy là 4m/s, góc
đến =750.

kv =0.4

kv =1
kv =0.7

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

23

7/21/2014

24

PGS. Dr. Nguyễn Thống

4


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

λs  Bước sóng

ÁP LỰC SÓNG

Trục sóng
hs
h' s
Mực nước hồ tỉnh

7/21/2014

25

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

26

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Vận tốc gió: 10  k (m / s)

Tần suất phụ thuộc cấp công trình:
Cấp CT

 vận tốc gió thực đo ở cao độ Z, 10 tốc độ gió ở cao
độ 10m so với mặt hồ.
kω hệ số quy đổi khi Z khác cao độ 10 m so với mặt
hồ.
Chiều cao

thực đo (m)
k

2

6.5

8

1.25 1.05 1.03

10

12

17

20

1

.98

.94

.89

7/21/2014

27

PGS. Dr. Nguyễn Thống

I
II
II
IV
V

Tần suất gió p%
MNDBT
2
2
4
4
10

MNGC
20
20
30
50
50

7/21/2014

28

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

ĐÀ GIÓ (D): Phụ thuộc hình dạng hồ.

XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ SÓNG

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

29

7/21/2014

30

PGS. Dr. Nguyễn Thống

5


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy
XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ SÓNG
- Khu nước sâu: H > λs/2 đáy không ảnh hưởng đến
hình dạng và kích thước sóng.
- Khu nước cạn: Hpg < H < λs/2 đáy có ảnh hưởng
đến hình dạng và kích thước sóng.

Khu tiếp bờ
Khu xô va
Khu cạn H
pg
H=s/2

Khu sâu

H pg  h s (0, 47  0, 23

Đáy

s 1  m2
hs

)

m2

với m=ctg(α) mái dốc bờ.

CÁC KHU NƯỚC TRONG VÙNG GÂY RA SÓNG
7/21/2014

31

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

32

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Công thức thực nghiệm tính thông số sóng:
Andreanov:

Lapzovski - Khu nước sâu:

h 0s  0, 073k s10 D

h s  0, 0208105/ 4 D1/ 3

0s  0, 07310

s  0,30410 D

1/ 2

D



với  chỉ độ dốc sóng:

Đà gió D tính bằng km.
7/21/2014

33

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

34

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Lapzovski - Khu nước cạn:

0,4D

ks  1  e


h 0s

0s

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống



10

h s  k1h 0s , s  k 2 0s

1
14

9  19e 10
35

H/s

0.01

0.1

0.2

0.4

0.6

1

k1

.119

.435

.652

.823

.904

1

k2

.251

.564

.703

.832

.904

1

7/21/2014

36

PGS. Dr. Nguyễn Thống

6


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

BIỂU ĐỒ TÍNH ÁP LỰC SÓNG
hs+h's

E
H

P0   (h s  h s' )

B

P0

3hs

3hs

D

ch

hs
2 H

s

Độ dâng cao trục sóng so với mực nước tỉnh:

h s'  

P3h

C

PH 

A

h s2

s

cth

2 H

s

PH
7/21/2014

37

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

38

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Trường hợp mặt nghiêng

CÔNG THỨC GẦN ĐÚNG TÍNH ÁP LỰC
TƯƠNG ĐƯƠNG P

(H  h s  hs )(H  p H )
H2
Ps   n
 n
2
2

3hs

H

ex  ex
ex  ex
ch ( x ) 
; sh( x ) 
2
2

sh( x )
ch ( x )
th( x ) 
; cth( x ) 
ch ( x )
sh( x ) 39

7/21/2014

hs

PGS. Dr. Nguyễn Thống

p'3h
β

P3h'  P3h (
7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống


450

 1)

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Bài tập: Cho biết vận tốc gió tại cao độ
10m so với mặt hồ là 20m/s. Đà gió hồ là
D=2 km. Kích thước và mực nước hồ
như hình vẽ sau.
- Tính áp lực sóng (Andreanov) tác dụng
lên mặt đập bê tông thẳng đứng.
- Giả thiết bây giờ mặt đập nghiêng 600 so
với phương ngang. Tính áp lực sóng
tương ứng.
7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

40

H=15m

41

7/21/2014

42

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

GIỚI THIỆU
- Thấm là sự chuyển động của chất
lỏng trong môi trường có các lỗ
hoặc khe rỗng (đất, đá, bê tông,…).
- Khi có công trình (cống, đập,…)  tạo
nên chênh lệch cột nước thượng và
hạ lưu công trình  xuất hiện dòng
thấm trong môi trường rỗng.

TÍNH TOÁN THẤM

7/21/2014

43

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

44

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

THẤM CÓ ÁP DƯỚI CÔNG TRÌNH
7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

45
THẤM CÓ ÁP DƯỚI CÔNG TRÌNH

7/21/2014

46

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Đường
bão hòa
Vùng không
có nước
Vùng bão
hòa nước

7/21/2014

THẤM VÒNG QUANH CÔNG TRÌNH
(Nhìn từ trên xuống)

PGS. Dr. Nguyễn Thống

THẤM KHÔNG ÁP QUA CÔNG TRÌNH
47

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

48

8


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

TÁC HẠI DO THẤM GÂY RA

7/21/2014

49

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

50

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

TÁC HẠI DO THẤM GÂY RA

LƯỚI THẤM
Đường dòng

Đường thế

7/21/2014

51

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

7/21/2014

52

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

PGS. Dr. Nguyễn Thống

53

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

54

9


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Trọng lượng riêng:



Thể tích

W
(kN / m3 )
V

Trọng lượng
riêng ướt:

Vr

V

W  Wn
  h
(kN / m3 )
V
7/21/2014

55

PGS. Dr. Nguyễn Thống

Vk

Khí

Wk

Vn

Nước

Wn

Vh

Hạt

7/21/2014

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

 bh

Với Wn’ trọng lượng nước chiếm đầy Vr.
Trọng lượng riêng đẩy nổi:

G

Wh   n Vh
(kN / m3 )
V

Chứng minh:

G<0,5 đất hơi ẩm
0,5G>0,8 đất bão hoà

 dn   bh  1

7/21/2014

57

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Độ rỗng: Tỷ lệ giữa thể tích lỗ rỗng và tổng thể
tích mẫu.
Vr
Hệ số rỗng:

PGS. Dr. Nguyễn Thống



58

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

V

Vn
Vr

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

n %  100

W

Độ ẩm của đất: Tỷ lệ giữa nước trong đất và
trọng lượng hạt.
W
%  100 n %
Wh
Độ bão hoà của đất:

W  Wn
 h
(kN / m3 )
V

 dn 

Wh

56

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

Trọng lượng riêng bão hòa:

7/21/2014

Trọng lượng

%

Vr
Vh

59

2. Phương trình cơ bản của dòng thấm
Trong lý thuyết thấm, vận tốc thấm V là
giả đònh và xem dòng thấm đi qua cả
môi trường thấm (V=Q/).
V: vận tốc thấm trung bình.
Q: lưu lượng thấm.
: diện tích mặt cắt thấm thẳng góc với
dòng thấm.
Thực tế, dòng thấm đi qua các khe và lỗ
rỗNguyễn
ng có
vận tốc thực Vi >V.
PGS. Dr.
Thống
7/21/2014

60

10


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 1: Thấm qua công trình

MÔ HÌNH HOÁ TRONG NGHIÊN CƯÚ THẤM QUA
MÔI TRƯỜNG RỖNG

MÔ PHỎNG dùng U

THỰC, ui

Q


ui

V



U

HỆ SỐ THẤM k

ui = U/n
với n=Vr/V
U=Q/
 diện tích
thấm.

7/21/2014

61

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

62

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Hệ số thấm

Loại đất X

7/21/2014

63

PGS. Dr. Nguyễn Thống

-100

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

p suất

0

10
64

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy
Phương trình vi phân hiện tượng thấm phẳng –
Công thức Darcy V= - kJ:

H
x
H
U y  f 2 ( x , y)   k y
y

U x  f1 ( x, y)  k x

K = hằng số

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

p suất

65

Ux, Uy: hình chiếu vận tốc thấm V xuống x, y.
kx, ky: hệ số thấm theo phương x, y.
H =H(x,y)=y+p/ : cột nước tác dụng dòng thấm.
p(x,y): áp suất.
7/21/2014
y: thế năng.

PGS. Dr. Nguyễn Thống

(1)

66

11


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Xét phương trình liên tục cho khối vi phân:

Uy 

U y
y

Ux

dy

dx

(
7/21/2014

Y

dy

dz

Ux 
Uy

Phối hợp với hệ phương trình (1):

U x
dx
x


H

H
(k x
)  (k y
)0
x
x
y
y

Z

X

U y
U x
dx )dydz  (
dy)dxdz  0
x
y

67

PGS. Dr. Nguyễn Thống

(2)

Đây là phương trình vi phân cơ bản của
dòng thấm phẳng ổn đònh.

7/21/2014

68

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Xét trường hợp môi trường đồng chất và
đẳng hướng :
kx=ky=k=hằng số

Xét trường hợp môi trường đồng chất :
kx=k1 : hằng số
ky =k2: hằng số

 2H
 2H
k1 2  k 2 2  0
x
y

 2H  2H

0
x 2 y 2

(3)

7/21/2014

Phương trình (4) trên gọi là phương trình
Laplace.
69

PGS. Dr. Nguyễn Thống

(4)

7/21/2014

70

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Xét trường hợp môi trường đồng chất và
đẳng hướng.
Gọi   kH
hàm thế.

Xét trường hợp môi trường đồng chất và
đẳng hướng.
Gọi  hàm dòng với:



;
Uy 
x
y

 2  2
 2  2 0
x
y

Ux 

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

(x, y)  const  Đường đẳng thế
71



;
Uy  
y
x
 2  2
 2  2 0
x
y
(x, y)  const

Ux 

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

 Đường dò
ng
72

12


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Họ đường: (x, y)  const

Xét giữa 2 đường đẳng thế h1 và h2 ta có:

(x, y)  const

k1

Tạo thành lưới thấm.

dh
dh
ds1  k 2

ds 2
ds1.tg1
ds 2 .tg 2
J1

k1 tg1

k 2 tg 2

ds1
k1

7/21/2014

73

PGS. Dr. Nguyễn Thống

2

k2

7/21/2014

h1

1

PGS. Dr. Nguyễn Thống

h2

ds2

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

74

Công thức J. Dupuit
y

THẤM KHÔNG ÁP QUA
MÔI TRƯỜNG XỐP

H

H1

k(m/s)

h
V

O

X

x
7/21/2014

75

PGS. Dr. Nguyễn Thống

L

7/21/2014

76

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Công thức Darcy:

V  kJ  k

dh
( m / s)
dx

(2)

Xét dòng thấm đi qua mặt phẳng cách O giá
trò x. Lưu lượng thấm qua 1 đơn vò chiều
rộng:

k : hệ số thấm (m/s)
J : độ dốc thủy lực
dh : tổn thất năng lượng (mH2O)
dx : vi phân đường đi dòng thấm.
7/21/2014

H2

PGS. Dr. Nguyễn Thống

q  V  k

77

7/21/2014

dh
(h.1)(m 2 / s)
dx

q
dx  hdh
k

PGS. Dr. Nguyễn Thống

78

13


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Tích phân phương trình với điều kiện biên tại
x=0, h=H1 và x=L, h=H2:

Tích phân phương trình (1) với điều kiện biên
tại (x=0, h=H1 và x có cột nước h ) 
Phương trình xác đònh đường bão hòa. (2)

H12  H 22 3
qk
( m / s / m)
2L

qk

Phương trình cho phép xác đònh l/lượng thấm
q khi biết các tham số còn lại.
7/21/2014

79

PGS. Dr. Nguyễn Thống

2x

q
 h  H12  2 x
k

 Phương trình parabole nằm ngang.
7/21/2014

80

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

y

Đường bão hòa có
p/t như trước

k(m/s)

h

Tổng lưu lượng thấm qua công trình
li

qi

H

H1

V

O

Q   q i li

H2
X

x

i

L

7/21/2014

81

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

82

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Bài tập: Cho mợt khới đất hình chữ nhật có
L=100m và H=10m. Đất có hệ sớ thấm
k=10-6cm/s. Nước phía trước và sau khới
chử nhật có chiều sâu lần lượt là 9m và
4m.

a. Tính lưu lượng thấm đơn vị q.
b. Xác định phương trình đường bão hòa.
c. Xác định vị trí đường bão hòa ở vị trí
x=50m. Lấy x=0 tại mặt đứng chữ nhật
phía trước. g=10m/s2.
7/21/2014

H12  h 2

PGS. Dr. Nguyễn Thống

83

THẤM DƯỚI CÔNG TRÌNH

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

84

14


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

1. Phương pháp Lane (1934).

ABCD : đường viền thấm
LABCD : chiều dài đường viền thấm.

L  Ld 

H

L : chiều dài đường viền thấm quy đổi
Với Ld = LAB+LBC: đường viền thấm đứng
Lng = LCD : đường viền thấm ngang.
m=1,5-2 (có 1 bản cọc); m=2,5-3 (có 2 bản cọc)

D
A

1
L ng
m

C

Nền thấm nước
B
7/21/2014

85

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Điều kiện không sinh ra xói ngầm theo Lane

Lquydoi  Ld 

1
L ng  CH
m

Sét
Sét
chặt trung
1,8

2,0

7/21/2014

87

PGS. Dr. Nguyễn Thống

Sét
dẻo
3,0

Cuội Cuội Cuội
lớn trung nhỏ
3,0

3,5

Cát
lớn

Cát
trung

5,0

6,0

4,0

Bảng xác định giá trị C
P/P Lane

H : chênh lệch cột nước thượng và hạ lưu.

C = 1.6  8.5: hệ số phụ thuộc loại đất nền
(xem bảng sau).
7/21/2014

88

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chiều dài đường viền thấm tự nhiên: ABCD

A
Biến đổi

B
LAB

C
LBC

H

D

LCD

C

pc/γ

D’

PGS. Dr. Nguyễn Thống

Chú ý:
- Cột nước thấm tại các điểm dưới nền tính
bằng quy tắc tam giác đồng dạng.
- pB/ chỉ áp suất tại B tính bằng m H2O.
-

1
L CD  L CD
3

: chiều dài đường viền ngang
quy đổi.
- Hệ số giảm áp qua màng chống thấm AB:
p c / i
pc/ chỉ cột nước đo áp tại C.
•  vớ

pB/γ

L

7/21/2014

86

PGS. Dr. Nguyễn Thống

H

89

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

90

15


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Bài tập: Cho cống ngăn nước như hình sau. Với
H1=8m, H2=2m, L1=9m, L2=12m, a=b=0.5m. Nền là
sét dẻo. Lấy m=3 (pp Lane).

a. Xác đònh tmin để không xãy ra xói ngầm.
b. Tính áp lực thấm tác dụng lên đáy với tmin câu a
(T/m)  Áp lực thấm tác dụng lên L1 và L2.
H

H1
a

b

L1
7/21/2014

H2

t

L2

PGS. Dr. Nguyễn Thống

t/2

91

7/21/2014

92

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

H=4m
H1=5m

H2=1m
a2=1m

a1=0.5m
S1=4m

l1=3m

l2=7m

7/21/2014

93

PGS. Dr. Nguyễn Thống

Bài tập: Cho một đập có mặt cắt dạng tam
giác vuông như sau. Nền có C=2.0. Chiều

cao cột nước H=20m, đáy đập có chiều
rộng b=12m. Chống thấm cho nền có một
màng chống thấm sâu LAB=18m. Cho biết
m=2.
a. Kiểm tra điều kiện thấm theo Lane.
b. Tính áp lực thấm tại C. Vẽ biểu đồ áp lực
thấm và tính lực thấm trên 1m chiều rộng
đáy.
7/21/2014

94

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

H

A

7/21/2014

Bài tập: Cho cống ngăn nước như hình sau.
Đất nền có C=4. Dùng phương pháp tính

thấm của Lane. Lấy m=2.
a. Tính áp lực thấm dưới đáy công trình.
Kiểm tra điều kiện ổn đònh thấm theo
Lane.
b. Vẽ biểu đồ áp lực thấm.
c. Tính hệ số giảm áp .

PGS. Dr. Nguyễn Thống

C
B

D

Màng chớng thấm
95

Bài tập: Số liệu như bài trên.
Cho biết chiều sâu nước hạ lưu
là 4m (hình sau).
 Tính áp lực ngược (thấm + đẩy
nổi) tác dụng lên đáy công
trình.
 Vẽ biểu đồ áp lực ngược.
7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

96

16


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Phương pháp hệ số cản Tsugaev

H
h=4m
A

C

D

Màng chớng thấm

B

7/21/2014

97

PGS. Dr. Nguyễn Thống

7/21/2014

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy
H=4m
H2=1m
H1=5m
1
a1
S0=
4m

3S

4 a2
6

1

2

2

7

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

a3=1m

S3

T2
T1

1

9
S2

8

5

98

PGS. Dr. Nguyễn Thống

4
5

- Đường viền thấm : Tiếp xúc giữa đáy nền và
CT (1-2-3-4-5-6-7-8-9)
- Phần vào, phần ra : bản cọc vào (1-2-3), bản
cọc ra (7-8-9).
- Phần bản cọc trong : 4-5-6
- Phần nằm ngang : 3-4 và 6-7.

T

l1

3

l2
l0

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn ThốngTầng

khơng thấm

99

7/21/2014

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy
Khi thấm qua nhiều vùng:

Công thức Darcy.

q  VT  kJT  k


dL
T

dH
dL q
q
T  dH 

dL
T k
k

hệ số cản

Và ta có:

q
k

q q
  i
k k i
i
i
q
H

H

 dH i  i
k  i
 i
i

PGS. Dr. Nguyễn Thống

dH i  i

H   dH i   i

J độ dốc thủy lực

7/21/2014

100

PGS. Dr. Nguyễn Thống

101

i


Tính được I sẽ xác đònh dHi
7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

102

17


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Xác đònh i: Tổng quát ta có:

Phần nội bản cọc:
- Khi T2/T1>0,5 và S2/T2<0,8

   i   vao   coc    ngang   ra
i

 vao ,  ra

i

S2
a
S
T2

 coc  2  1,5 2 
T1
T2 1  0,75 S2
T2

i

0,5

 hệ số cản phần vào, ra

coc ,  ngang  hệ số cản phần nội bản cọc và
phần ngang.

Khi không có bản cọc S2=0
7/21/2014

103

PGS. Dr. Nguyễn Thống

 coc   bac 

7/21/2014

a2
T1

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

- Trường hợp 0,8
 coc 

-

S

a2
 1,2 2  0,8   2,2
T1
 T2


Trường hợp chỉ có bậc

 vao   b,vao  0,44 &  ra   b,ra  0,44

Phần nằm ngang:

Phần vào, phần ra:

- Khi l2>0,5(S2+S3)   ng 

 vao  coc,vao  0,44 &  ra  coc,ra  0,44

- Khi l2<0,5(S2+S3)

7/21/2014

105

PGS. Dr. Nguyễn Thống

104

l2  0,5(S2  S3 )
T2

  ng  0

7/21/2014

106

PGS. Dr. Nguyễn Thống

CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Trường hợp tầng thấm sâu
•

Chiều sâu tính : T=min(Ttt,T)
l0/S0

>5

5-3,4

3,4-1

1-0

Ttt

0,5l0

2,5l0

0,8S0+0,5l0

S0+0,3l0

Tổn thất cợt nước
Phần nằm ngang L1
7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

107

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

108
Tổn thất cợt nước phần vào

18


CÔNG TRÌNH THỦY

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

Bài tập: Dùng phương pháp hệ số
cản Tsugaev tính áp lực thấm tác
dụng lên đáy công trình:
 Vẽ biểu đồ áp suất thấm dưới đáy
công trình.
 Vẽ biểu đồ lực đẩy nổi dưới đáy
công trình.

H=4m
H1=5m

a2=1m

a1=0.5m
S1=4m

T=10m
l1=3m

7/21/2014

109

PGS. Dr. Nguyễn Thống

H2=1m

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

l2=7m
110

Tầng khơng thấm

CÔNG TRÌNH THỦY

Chương 2: Cơ sở thiết kế Công trình thủy

HẾT CHƯƠNG 2

7/21/2014

PGS. Dr. Nguyễn Thống

111

19