Tính toán ổn định tường tràn

Tớnh toỏn n nh tng trn
Trường Đại học thuỷ lợi
Khoa công trình


CHUYÊN Đề

TíNH TOáN ổN ĐịNH tường TRàN

Hà nội 02-20...

TH:

Page 1


Tính toán ổn định tường tràn

Mục Lục
I. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRÀN ...................................................................................... 3
I.1. Mục đích .................................................................................................................... 3
I.2. Tính toán ổn định tường cánh thượng lưu ................................................................. 3
I.2.1 Tài liệu tính toán ................................................................................................... 3
I.2.2. Yêu cầu tính toán :............................................................................................... 4
I.2.3. Trường hợp tính toán : ......................................................................................... 4
Trường hợp 1 : Thi công đất đắp ở ngang cao trình đỉnh tường. ........................................ 4
Trường hợp 2 : Công trình vận hành bình thường, hồ ở MNDBT, áp lực đất tác dụng với
tổ hợp lực cơ bản hoặc có lực động đất tác dụng (tổ hợp lực đặc biệt)............................... 4
Trường hợp 3 : Trường hợp sửa chữa (hoặc trường hợp nước rút nhanh ở mái thượng
lưu). ...................................................................................................................................... 5
I.2.4. Tính toán ổn định trường hợp mới thi công xong ............................................... 5

a) Sơ đồ tính toán: ........................................................................................................ 5
b.Các lực tác dụng lên tường ........................................................................................ 5
c) Kiểm tra ổn định của tường: .................................................................................... 7
I.2.5. Tính toán ổn định trường hợp MNTL rút xuống đột ngột: ................................. 9
a) Sơ đồ tính toán: ........................................................................................................ 9
b)Các lực tác dụng lên tường: .................................................................................... 10
c) Kiểm tra ổn định của tường: .................................................................................. 13

TH:

Page 2


Tính toán ổn định tường tràn

I. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRÀN
I.1. Mục đích
Công trình tràn xả lũ là một trong những hạng mục chủ yếu trong hệ thống công trình
đầu mối. Đây là loại công trình vừa làm nhiệm vụ ngăn nước, vừa làm nhiệm vụ tháo
nước từ hồ chứa. Do đó, sự ổn định của công trình tràn có ý nghĩa hết sức to lớn đối với
sự làm việc và an toàn của hệ thống công trình nói chung.
Từ những yêu cầu trên, cần tính toán ổn định tràn nhằm đảm bảo cho các bộ phận của
tràn: tường cánh thượng lưu, ngưỡng tràn, tường bên dốc nước, dốc nước, v.v.. làm việc
bình thường trong mọi trường hợp. Từ đó, xác định được kết cấu và kích thước các bộ
phận của tràn hợp lý cả về kĩ thuật và kinh tế.
Trong phạm vi đồ án này do thời gian có hạn và được sự đồng ý của giáo viên hướng
dẫn, nên chỉ kiểm tra ổn định cho tường cánh thượng lưu
I.2. Tính toán ổn định tường cánh thượng lưu
I.2.1 Tài liệu tính toán
Tại vị trí tường có chiều cao lớn nhất thì khả năng mất ổn định là lớn nhất. Do đó, tiến

hành tính toán kiểm tra ổn định về trượt , lật và ứng suất nền cho mặt cắt tại đầu ngưỡng
tràn.
Kích thước sơ bộ của tường cánh tại mặt cắt đầu tràn là tường sườn có bản chống như
sau:
Cao trình đỉnh tường

: Zđỉnh tường = 58 m

Chiều rộng bản đáy trước tường : b1 = 2m
Chiều rộng bản đáy tường
Chiều dày bản chống

: b2 =6,5m
: tbản chống = 0,5m. Khoảng 5m thì bố trí một bản chống.

Chiều dày tấm đáy tường : tđáy tường = 0.6m.
Vật liệu tường bằng bê tông cốt thép M200, bt = 2.5 T/m3.

TH:

Page 3


Tính toán ổn định tường tràn

Lưng tường phía đất đắp nghiêng góc tg 

1
.
10

Mặt tường trơn nhẵn   0 .
Tài liệu về địa chất nền: Toàn bộ tường cánh đặt trên nền đá.Hệ số ma sát giữa đáy
tường và nền đá f = 0,7 (Sổ tay KTTL 3).
Tài liệu đất đắp sau lưng tường: Đất đắp đập có các chỉ tiêu cơ lý như sau:
Lực dính đơn vị

: Ctn = 2.4T/m2 ; Cbh = 2T/m2.

Góc nội ma sát

: tn = 23o ; bh = 20o.

Dung trọng tự nhiên : tn = 1,995T/m3
Dung trọng bão hoà : bh = 2,31T/m3
Các chỉ tiêu về hệ số an toàn : Với công trình cấp III theo bảng (4-6) trang 39
14TCN 157-2005, hệ số an toàn ổn định như sau :
K = 1,3 : Tổ hợp tải trọng và lực tác dụng chủ yếu.
K = 1,0: Tổ hợp tải trọng và lực tác dụng đặc biệt.
I.2.2. Yêu cầu tính toán :
Tính toán ổn định tường chắn đất được dựa trên bài toán phẳng (tính cho 1m chiều dài
tường).
Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn nên chỉ tính
toán dựa trên hai điều kiện sau :
Điều kiện ổn định trượt theo mặt đáy móng tường.
Điều kiện ổn định lật quanh gờ phía trước.
I.2.3. Trường hợp tính toán :
Tường cánh cần phải được kiểm tra ổn định trong các trường hợp sau :
Trường hợp 1 : Thi công đất đắp ở ngang cao trình đỉnh tường.
Trường hợp 2 : Công trình vận hành bình thường, hồ ở MNDBT, áp lực đất tác dụng

với tổ hợp lực cơ bản hoặc có lực động đất tác dụng (tổ hợp lực đặc biệt).
TH:

Page 4


Tính toán ổn định tường tràn

Trường hợp 3 : Trường hợp sửa chữa (hoặc trường hợp nước rút nhanh ở mái thượng
lưu).
Thông thường, đối với tường cánh thượng lưu thì chỉ có trường hợp 1 và trường hợp 3
là gây nguy hiểm cho công trình.
I.2.4. Tính toán ổn định trường hợp mới thi công xong
a) Sơ đồ tính toán:
Để dễ dàng trong tính toán, sử dụng sơ đồ tính toán như hình (10-13), xét cho 1m
chiều dài của tường.
Zdinh=58m

q = 3T/m

0.50

Z0=
9.50

P3

.
.

P

4.78
P1
2.62

hp

E cd
hc

1.25

0.60

A
2.00

P2

B

6.50

γtn.H.Kcđ-2.Ctn.

Hình 10.13 Sơ đồ các lực tác dụng lên tường
b.Các lực tác dụng lên tường
Các lực tác dụng thẳng đứng:
- Trọng lượng bản thân tường

+ Bản mặt tường :
Giá trị: P1=F1.1. bt với F1 :Diện tích bản mặt tường đứng,F1=

0,5  1, 25
2
.9,5  8,31 m
2

Điểm đặt: Cách A (A ở mép dưới cùng bên trái tường) một đoạn x1=2,62.
TH:

Page 5


Tính toán ổn định tường tràn

+ Bản đáy tường :
P2=F2.1. bt với F2 :Diện tích bản đáy tường ngang,F2= 0, 6.6, 5  3,9 m2

Giá trị:

Điểm đặt: Cách A (A ở mép dưới cùng bên trái tường) một đoạn x2=3,25m.
- Trọng lượng đất đắp sau lưng tường
Giá trị : P3=F3.1. tn với F3 :Diện tích khối đất đắp sau lưng tường,
F3=

3, 63  3, 25
.9,5  32, 68 m2
2

Điểm đặt: Cách A (A ở mép dưới cùng bên trái tường) một đoạn x3=4,73m.
Các lực tác dụng nằm ngang:
-Biểu đồ áp lực đất chủ động được vẽ ở sơ đồ tính toán:
Kcđ=tg2(450-

Z0 

2.Ctn

 . Kcd

tn
2

=

)=tg2(450-

230
)=0,438
2

2.2, 4
=3,64m
1,995. 0, 438

Tổng áp lực đất chủ động tác dụng lên tường chắn đất:
Ecđ=

( tn .H .K cd  2.Ctn . K cd ).( H  Z0 )

2

=

(1,995.10,1.0, 438  2.2, 4. 0, 438)(10,1  3, 64)
2

=18,23T.
Điểm đặt:cách đáy 1 đoạn hc=

H  Z 0 10,1  3, 64

 2,15m
3
3

-Trọng lượng phân bố của của người và máy thi công q=3T/m.
Giá trị:P=q.H.Kcđ=3.10,1.0,438=65,2T
Bảng 10.17 Bảng tính toán tải trọng tác dụng lên tường bên

TH:

Page 6


Tính toán ổn định tường tràn

Lực tác dụng

Tay

toán

đòn

Trị số lực

hệ số

tt

Trị số lực tính

Đứng

MA

kí

tải

MCl

MGL

hiệu

trọng

m

(T.m)

(T.m)

P1

0.95

20.78

19.74

2.62

51.72

P2

0.95

9.75

9.26

3.25

30.10

P3

0.9

65.20

58.68

4.78

280.48

P

1.2

13.26

15.91

5.05

80.34

E cđ

0.8

18.23

14.58

2.12

30.91

Đứng(T) ngang(T)

(T)

ngang(T)

Trọng lượng
1

BT tấm đứng
Trọng lượng

2

BT tấm ngang
Trọng lượng
đất đắp mang

3

tràn
Tải trọng do
người,máy thi

4

công
Áp lực đất

5

ngang

6

Tổng

7

K lật

3.26

8

K trượt

2.52

87.68

30.49

362.30

Chú ý: Các giá trị mômen đều tính với điểm góc A phía trước của tường.
c) Kiểm tra ổn định của tường:
Ổn định về lật:

KL 

M
M

CL

  KL 

GL

Trong đó:
MCL: Tổng momen chống lật lấy đối với điểm A,
MGL: Tổng momen gây lật lấy đối với điểm A
[KL] : Hệ số an toàn cho phép về lật.
Đối với tổ hợp tải trọng cơ bản : [KL] = 1.3
Đối với tổ hợp tải trọng đặc biệt : [KL] = 1.1
TH:

Page 7

111.25


Tính toán ổn định tường tràn

Thay vào công thức:  K L   1.3  K L 

M
M

CL
GL



362,3
 3, 26.
111, 25

→Vậy tường đảm bảo ổn định về lật
Ổn định về trượt:
KT 

 P. f  B.C  K
Q

C

Trong đó:
P : Tổng các lực tác dụng theo phương đứng, P = 87,68T.
Q : Tổng các lực tác dụng theo phương ngang, Q = 30,49T.
f : Hệ số ma sát giữa tường và nền, f = 0,7
B : Chiều rộng đáy tường, B = 6,5 m.
C : Lực dính đơn vị của nền (hệ số kháng cắt), Ctn=2.4T/m2.
Kc : Hệ số an toàn ổn định cho phép, K c 

nc  K n 1  1.15

 1.15
m
1

nc : hệ số tổ hợp tải trọng.
Đối với tổ hợp tải trọng cơ bản : nc = 1.0
Đối với tổ hợp tải trọng đặc biệt : nc = 0.9
Kn : Hệ số tin cậy phụ thuộc vào cấp công trình và tổ hợp tải trọng. Công trình cấp
III, Kn = 1.15.
m : Hệ số điều kiện làm việc phụ thuộc vào loại công trình và loại nền. Đối với
công trình bêtông và bêtông cốt thép trên nền đá, m = 1.
Thay vào công thức, ta được: KT 

87, 68  6,5.2, 4
 2.52  KC  1.15
30, 49

→Vậy tường đảm bảo ổn định về trượt.

Kiểm tra ứng suất nền:
TH:

Page 8


Tính toán ổn định tường tràn

Vì tường được xây dựng trên nền đá tương đối vững chắc nên ở đây không cần kiểm
tra điều kiện ứng suất nền.
I.2.5. Tính toán ổn định trường hợp MNTL rút xuống đột ngột:
Đây là trường hợp đặc biệt thường xuất hiện khi có yêu cầu sửa chữa tràn, nước trong
hồ được tháo tới mực nước yêu cầu. Khi đó phía thượng lưu tường (tức phía ngưỡng tràn)
nước rút đến cao trình ngưỡng tràn(+51,5), phía hạ lưu tường thì mực nước ngầm (MNN)
chưa rút hết. Trường hợp này là rất nguy hiểm gây mất ổn định lớn nhất.
MNN xác định từ việc tính toán đường bão hòa cho mặt cắt tính toán, để thiên về an
toàn ta chọn trương hợp bất lợi nhất MNN = MNLTK = 56,37m.
Khi đó,Đoạn trên MNN: h1 =58-546,37=1,63m.
Cột nước hạ lưu tường là:h2=56,37-(48,5-0,6)=8,47m
Cột nước thượng lưu tường là :h3=51,5-(48,5-0,6)=3,6m
a) Sơ đồ tính toán:
Để dễ dàng trong tính toán, sử dụng sơ đồ tính toán như hình (10-14), xét cho 1m
chiều dài của tường.

TH:

Page 9


Tính toán ổn định tường tràn
Zdinh=58m
0.50
MNLTK=56.37

T1

4.70

h1

P3

9.50

4.80

Znguong=51.5

y1

P1

W2

h2
T3

W1

P4
h3

T2

y2

Zday=48.5m

y3
1.25

0.60

A

P2

2.00

B

6.50

γn.h3

3.73

γn.h2

W dn

Hình 10.14 Sơ đồ các lực tác dụng lên tường khi MNTL rút đột ngột
b)Các lực tác dụng lên tường:
Các lực tác dụng thẳng đứng:
- Trọng lượng bản thân tường:P1,P2 tương tự như mục 10.5.2.4 khi không có mực nước
ngầm
- Trọng lượng đất đắp sau lưng tường
+Đoạn trên mực nước ngầm :

Giá trị : P3=F3.1. tn với F3 :Diện tích khối đất đắp sau lưng tường trên mức nước
ngầm,F3=6,64 m2
Điểm đặt : Cách A (A ở mép dưới cùng bên trái tường) một đoạn x3=4,7m
+Đoạn dưới mực nước ngầm :
TH:

Page 10


Tính toán ổn định tường tràn

Giá trị : P4=F4.1. bh với F4 :Diện tích khối đất đắp sau lưng tường trên mức nước
ngầm,F4=29,05 m2
Điểm đặt : Cách A (A ở mép dưới cùng bên trái tường) một đoạn x4=4,8m
-Áp lực đẩy nổi :Wđn=

( n .h2   n .h3 ).LAB (1.8, 47  1.3,6).6,5
=
=39,23T.
2
2

Điểm đặt : A (A ở mép dưới cùng bên trái tường) một đoạn x5=3,37m.
Các lực tác dụng theo phương ngang:
Xác định áp lực chủ động của đất Ecđ lên tường chắn với trường hợp lưng tường
nghiêng và mặt đất đắp nằm ngang theo phương pháp Rankine. Để đảm bảo an toàn, tính
gần đúng bằng cách tính áp lực đất lên mặt phẳng thẳng đứng (   0 ) đi qua góc chân
tường chắn, đồng thời trọng lượng khối đất phía trên bản đáy tường là thành phần thẳng
đứng của áp lực đất (   0 ) và bỏ qua phần do lực dính gây ra áp lực âm (– 2.Ctn. K c )
có tác dụng níu tường, tức là làm giảm áp lực đất lên tường.

- Biểu đồ áp lực đất chủ động được vẽ ở sơ đồ tính toán .
- Áp lực đất chủ động tác dụng lên tường chắn: T1, T2, T3.
+ Áp lực đất chủ động trên đường bão hòa:
tn
1
1
230 
2
2
0
2
2
0
T


.
h
.
tg
(45

)


1.995

1,
63


tg
45

Giá trị T1: 1

  1,16T
tn 1
2
2
2
2


1
3

Điểm đặt: y1   h1  8, 47 

1, 63
 8, 47  9, 01m
3

+ Áp lực đất chủ động do trọng lượng lớp đất trên đường bão hòa phân bố đều liên tục
trên mặt lớp đất dưới đường bão hòa :
Giá trị

: T2   tn .h1 .tg 2 (450 

Điểm đặt : y2 
TH:


230 
).h2  1,995 1, 63  tg 2  450 
  8, 47  12, 05T
2
2 


tn

h2 8, 47

 4, 235m
2
2

Page 11


Tính toán ổn định tường tràn

+ Áp lực đất chủ động do lớp đất dưới đường bão hòa gây ra :
Giá trị :



1
1
200 

T3   dn .h22 .tg 2 (450  bh )  1,31 8, 47 2  tg 2  450 
  23, 01T
2
2
2
2 


Điểm đặt : y3 = y3 

h2 8, 47

 2,82m
3
3

Trong đó:
tn : Dung trọng tự nhiên của đất đắp sau tường, tn = 1,995T/m3.
bh : Dung trọng bão hòa của đất đắp sau tường, bh = 2,31T/m3.
dn : Dung trọng bão hòa của đất đắp sau tường, dn =bh -n=1,31 T/m3.
 tn : Góc ma sát trong của đất nền trên MNN ,  tn = 230
 bh : Góc ma sát trong của đất nền dưới MNN ,  bh = 200

- Áp lực thủy tĩnh :
+Phía thượng lưu tường :W2
Giá trị

:

1

2

W2=  n .h32 =0,5.1.3,62=6,48 T.

Điểm đặt :Cách đáy 1 đoạn y4=h3/3=1,2m.
+Phía hạ lưu tường :W1
Giá trị

:

1
2

W1=  n .h22 =0,5.1.8,472=35,87 T.

Điểm đặt :Cách đáy 1 đoạn y5=h3/3=1,2m.
Bảng 10.18: Kết quả tính ngoại lực tác dụng lên tường chắn, TH nước rút đột ngột

hệ số

tt

TH:

Lực tác dụng

kí

tải

hiệu

trọng

Trị số lực tính

Tay

toán

đòn

Trị số lực
Đứng
Đứng(T) ngang(T)

(T)

ngang(T)

m

MA
MCl

MGL

(T.m)

(T.m)

Page 12


Tính toán ổn định tường tràn
Trọng lượng BT
1

tấm đứng

P1

0.95

20.78

19.74

2.62

51.72

P2

0.95

9.75

9.26

3.25

30.10

P3

0.9

13.25

11.92

4.7

56.03

P4

0.9

67.11

60.39

4.8

289.90

W1

1

35.87

35.87

2.823

6.48

6.48

1.2

Trọng lượng BT
2

tấm ngang
Trọng lượng đất
đắp mang tràn

3

trên đường MNN
Trọng lượng đất
đắp mang tràn

4

dưới đường MNN

Áp lực thủy tĩnh

5

phía thượng lưu

101.3

Áp lực thủy tĩnh
6

phía hạ lưu

W2

1

7

Áp lực đậy nổi

Wđn

1

8

T1

1.2

1.16

9

T2

1.2

T3

1.2

39.23

39.23

7.776

3.73

146.3

1.16

9.01

10.5

12.05

12.05

4.24

51.0

23.01

27.61

2.82

78.0

10

Áp lực đất ngang

11

Tổng

12

K lật

1.13

13

K trượt

1.34

140.55

83.17

435.53

c) Kiểm tra ổn định của tường:
Ổn định về lật:

KL 

M
M

CL

  KL 

GL

Trong đó:
Các đại lượng giải thích tương tự mục trên 10.5.2.4
Đối với tổ hợp tải trọng đặc biệt : [KL] = 1.1
→ KL 

TH:

M
M

CL
GL



435,53
 1.13   K L   1.1 → Tường đảm bảo ổn định về lật.
387

Page 13

387.0


Tính toán ổn định tường tràn

Ổn định về trượt:

KT 

 P. f  B.C  K
Q

C

Trong đó:
Các đại lượng giải thích tương tự mục trên 10.5.2.4
Kc : Hệ số an toàn ổn định cho phép, K c 
nc

nc  K n 0,9 1,15

 1, 035
m
1

: hệ số tổ hợp tải trọng.
Đối với tổ hợp tải trọng cơ bản : nc = 1.0
Đối với tổ hợp tải trọng đặc biệt : nc = 0.9

Thay vào công thức, ta được: KT 

140,55.0, 7  6,5.2
 1.34  KC  1.035
83,17

→Vậy tường đảm bảo ổn định về trượt.
Kiểm tra ứng suất nền:
Vì tường được xây dựng trên nền đá tương đối vững chắc nên ở đây không cần kiểm
tra điều kiện ứng suất nền.

TH:

Page 14

Tính toán ổn định tường tràn

TH:

Page 15