Đồ án Thiết kế cống lộ thiên, tính toán lực và thấm cho công trình

Tinh toan luc va tham

GVHD

đồ án số 1
tính toán lực và thấm
A . tính toán lực tác dụng lên công trình
I . Xác định các yếu tố của sóng
Có nhiều công thức khác nhau để xác định các đặc trng của sóng. ở đây trình bày
cách tính theo qui phạm hiện hành QPTL C1-78, theo đó có thể xác định đợc các yếu tố của
_
_
_
sóng trung bình ( h , , ) và sóng có mức bảo đảm P% (theo đề ra, ở đây P = 1% ).
1. Các yếu tố của sóng trung bình
Cần phân biệt hai trờng hợp : sóng nớc sâu (H1 >



) và sóng nớc nông (H1 ).
2
2

Vì ban đầu cha biết nên có thể giả thiết là sóng nớc sâu để tính.
Giả thiết sóng trong hồ là sóng nớc sâu : Sử dụng đồ thị hình P2-1 (phụ lục 2)
- Tính các giá trị không thứ nguyên để tra các yếu tố của sóng (sử dụng đồ thị P2-1)
gt
9.81 ì 6 ì 3600
=
= 7063.2
V

30

gD
9.81 ì 3 ì 1000
= 32.7
2 =
V
30 2

trong đó : g - gia tốc trọng trờng (m2/2)
t - thời gian gió thổi liên tục (s)
V - vận tốc gió tính toán (m/s)
D - chiều dài truyền sóng (đà gió )
Tra đồ thị P2-1, ứng với đờng bao trên cùng xác định đợc cặp trị số không thứ nguyên
_

_

g và g h
V
V2
_

_

gt
ứng với
= 7063.2 tra đợc g =3.8 và g h = 0.074
V
V

V2
_
_
gD
g

g
h
ứng với 2 = 32.7 tra đợc
=1.2 và
= 0.01
V
V
V2

SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

_

_

_
Ta lấy cặp giá trị nhỏ nhất là g =1.2 và g h = 0.01 để tính chiều cao trung bình h và
V
V2

_

chu kỳ sóng trung bình

0.01 ì V 2 0.01 ì 30 2
=
= 0.92( m)
g
9.81
1.2 ì V
1.2 ì 30
_
=
= 3.67(m)
= g
9.81
_

h =

_

2
2
- Bơc sóng trung bình = g = 9.81 ì 3.67 = 21(m)
2
2ì
_

Kiểm tra điều kiện sóng nớc sâu :

độ sâu trong hồ H1 = MNDBT - CTDCT 142.5-100 = 42.5 (m)
_

H1=42.5 > = 21 = 10.5
2 2
Vậy giả thiết sóng nớc sâu là đúng
2 . Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1%
Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1% đợc xác định theo công thức
_
h1%=k1%ì h
Từ đồ thị hình P2-2( phụ lục 2 ) ta tra đợc k1% =2.365 , ta có :
h1%= 2.365ì0.92 =2.18 (m)
3 . Độ dềnh cao nhất của sóng
Độ dềnh cao nhất của sóng đợc tính theo công thức sau
s = ks ì h
_

trong đó : ks tra đồ thị P2-3 ( phụ lục 2 ) từ

h

21
h 0.92
= 0.044 và
= _=
=

21
H 34.5

=0.608 đợc ks = 0.875 .
h _ chiều cao sóngvới mức bảo đảm 1%
Vậy độ dềnh cao nhất của sóng :
= 0.875 ì 2.18 = 1.9 (m)
II . Xác định các lực tác dụng lên công trình (theo bài toán phẳng)

SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

1. áp lực thuỷ tĩnh : tác dụng ở mặt thợng và hạ lu đập , bao gồm các thành phần thẳng
đứng và nằm ngang (xem hình 1-1)
a) Mặt thợng lu :
- Thành phần thẳng đứng :
1
2

W1 = nn'H12
Trong đó : n' hệ số mái thợng lu
n' = cotag =

nB
0.2 ì 0.8 ì 42.5
=
= 0.16
H1

42.5

n - trọng lợng riêng của nớc
W1 =

1
ì10ì0.16ì(34.5)2 = 952 (KN/m)
2

- Thành phần nằm ngang :
W2 =

1
1
nH12 = 10ì(42.5)2 = 9031 (KN/m)
2
2

b) Mặt hạ lu
- Thành phần thẳng đứng :
W3 =
Trong đó :

1
n m'h22
2

m = cotag =
W3 =

(1 n) B
0.8 ì 0.8 ì 42.5
=
= 0.79
H1
34.5

1
ì10ì0.79ì52 = 98.75 (KN/m)
2

- Thành phần nằm ngang :
W4 =

1
1
nh22 = ì10ì 52 =125 (KN/m)
2
2

Điểm đặt các lực này tại trọng tâm biểu đồ phân bố áp lực trên hình 1-1
2. áp lực sóng
Nói chung khi sóng dềnh cao nhất , áp lực sóng lên mái đập không phải là lớn nhất .
áp lực sóng lớn nhất đạt đợc ứng cới độ dềnh cao
SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

đ = kđ .h
Trong đó : kđ xác định trên đồ thị hình (2-5c), giáo trình thuỷ công tập k đ = 0.2
h là chiều cao sóng với mức đảm bảo tơng ứng , h = 2.18 (m)
đ = 0.2 ì 2.18 = 0.436
- Trị số áp lực sóng lứn nhất lên mặt đập đợc xác định theo công thức :
h
2

Ws = kđ .n h (H1 + )
Trong đó hệ số kđ tra ở đồ thị hình P2-4c đợc kđ = 0.14
Ws =0.14 .10. 2.18 (42.5 +

2.18
) = 133 (KN/m)
2

- Mômen lớn nhất đối với chân đập do sóng gây ra :
h 2 h.H 1 H 1 2

+
Mmax =km . n . h +

6
2
2



Trong đó hệ số Km tra ở đồ thị hình P2-4d đợc km = 0.15

2.18 2 2.18 ì 42.5 42.5 2

+
+
2
2
6

Mmax =0.15 . 10 . 2.18
= 3107 (KNm)
3. áp lực thấm

Do có chênh lệch cột nớc thợng hạ lu nên phát sinh dòng thấm từ thợng về hạ lu công
trình , gây nên áp lực thấm dới đáy của nó . Ngoài ra , do đáy công trình ngập dới nớc hạ lu
nên đập còn chịu tác dụng của lực đẩy nổi thuỷ tĩnh .
- Lực thấm đẩy ngợc : Biểu đồ phân bố áp lực thấm ngợc coi gần đúng là hình tam giác
(hình 1-1) có cờng độ lớn nhất ở đầu (sau màn chống thấm ):
Pmax = n . 1 H
Trong đó : 1 - hệ số cột nớc thấm còn lại sau màn chống thấm
H - cột nớc thấm ; H= Hđ -h2 = 37.5 (m)
Pmax= 10 ì 0.5 ì37.5 = 187.5 (KN/m2)

SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

Tổng áp lực thấm đẩy ngợc sẽ là :

Wth =

1
1
n . 1 H B = ì 187.5 ì 0.8 ì42.5= 3187.5 (KN/m)
2
2

- Lực thuỷ tĩnh đẩy ngợc :
W5 = n B h2 = 10 ì 0.8ì42.5 ì 5 = 1720 (KN/m)
4. áp lực bùn cát : do khối bùn cát lắng đọng trớc đây gây ra. Do mái đập thợng lu
nghiêng nên áp lực bùn cát có 2 thành phần : thẳng đứng và nằm ngang .
- Thành phần thẳng đứng :
W6 =

1
bc h32. n'
2

Trong đó : bc là trọng lợng riêng của bùn cát trong nớc (dung trọng đẩy nổi ):
bc = k - n(1-nb ) = 10- 10( 1 - 0.45 ) = 4.5 (KN/m3)
ở đây k - trọng lợng riêng khô của bùn cát
nb - độ rỗng của bùn cát lắng đọng
h3 - chiều sâu bùn cát lắng đọng trớc công trình :
W6 =

1
ì 4.5 ì 82 ì0.2 = 28.8 (KN/m)
2

- Thành phần nằm ngang :
W7 =

1
bc h32Ka
2

Trong đó : Ka - hệ số áp lực ngang ( áp lực chủ động )

10 0
2
0
Ka = tg (45 - ) =tg (45 ) = 0.704
2
2
2

0

ở đây - góc ma sát của bùn cát bão hoà nớc
W7 =

1
4.5 ì82ì0.704 = 101.4 (KN/m)
2

5. Trọng lợng của thân đập

SV : Nguyen Minh Sang

Tinh toan luc va tham

GVHD

Để dễ dàng tính toán lực do trọng lợng bản thân và điểm đặt của nó , mặt cắt đập đợc
chia thành các phần hình tam giác và chữ nhật . Trọng lợng của phần đập có diện tích mặt
cắt i sẽ là Gi = i . i ; Trọng lợng của toàn đập sẽ là G = Gi . Điểm đặt của G đợc tìm
theo quy tắc hợp các lực song song
G1 =

1
ì6.8ì42.5ì24 = 3468 (KN/m)
2

G2 =

1
ì27.2ì42.5ì24 = 13872 (KN/m)
2

G3 =

5
1
1
5
ì
ì5ì10 = ì
ì5ì24 = 380 (KN/m)

2 cot ag
2 0.79

G4 = 5ì5ì24 = 600 (KN/m)
Tổng trọng lợng bản thân của đập là : G = 3468 + 13872 + 380 + 600 = 18320 (KN/m)
6. Lực sinh ra khi có động đất : bao gồm các thành phần sau
a) Lực quán tính động đất của công trình
Fđ = k G
Trong đó : k - hệ số động đất
-hệ số đặc trng động lực của công trình
G - trọng lợng cồng trình
Fđ =

1
ì 1,5 ì7633 = 572 (KN/m)
20

Lực quán tính động đất cùng phơng ngợc 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 thợng về hạ lu đập ( phơng ngang )
b) áp lực nớc tăng thêm khi động đất
Wđ =
Điểm đặt của Wđ ở độ cao

1
1
k n H12 = ì 1.5 ì 10 ì 42.5 = 320 (KN/m)
2
2
H1

so với đáy đập
3

SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

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 thợng lu .
Trị số áp lực tăng thêm là :
W8 = 2 k tg W7 = 2 ì1.5 ì tg100 ì 101.4 = 53.64 (KN/m)
Trong đó : k - hệ số động đất ;
- góc ma sát trong của bùn cát ;
W7 - thành phần áp lực đất nằm ngang ;

Bảng tổng hợp lực tác dụng lên công trình và momen đối với biên hạ lu

Lực tác dụng
áp lực thuỷ tĩnh TL
áp lực thuỷ tĩnh HL
áp lực sóng
Lực thấm đẩy ngược
Lực thuỷ tĩnh đẩy ngược
áp lực bùn cát

Trị số
Đứng

Ngang
952
9031
98.7
-125
133
-3187
-1720
28.8
101.4
18320

Trọng lượng bản thân
Lực tăng thêm khi dộng đất
Lực quán tính
áp lực nước
áp lực bùn cát

14492.5

572
320
53.64
10086.04

Mômen đối với A
Tay đòn
MA
22.600
-21515

14.167
127939
1.317
-130
1.667
-208
3107
22.667
72239
17.000
29240
2.667
-77
33.573
3404
20.520
-375926
14.200
14.167
2.667

8122
4533
143
-149129

SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

B. Tính toán thấm dới đáy công trình
I. Nhiệm vụ và các phơng pháp tính toán
1. Nhiệm vụ : giải bài toán thấm dới đáy công trình cần xác định :
- Lu lợng thấm q;
- áp lực thấm lên bản đáy công trình ;
- Trị số gradien thấm bình quân toàn miền thấm và cục bộ ở cửa ra để kiểm tra độ bền
thấm của nền
2. Các phơng pháp tính toán
Theo yêu cầu của đầu bài , ở đây tiến hành tính thấm theo các phơng pháp :
- Tỷ lệ đờng thẳng ;
- Hệ số sức kháng ;
-Vẽ lới
Việc tính toán tiến hành cho bài toán phẳng.
II. Tính thấm theo phơng pháp tỷ lệ đờng thẳng
Theo Lence đoạn đờng viền thấm thẳng đứng có khả năng tiêu hao cột nớc thấm lớn hơn
đoạn viền thấm nằm ngang m lần . Chiều dài tính toán của đờng viền thấm xác định theo
công thức :
Ltt = Lđ +

33
Ln
= 19.5 +
= 36 (m)
2
m

Trong đó :

Lđ - chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên có góc nghiệng so
với phơng ngang lớn hơn hoặc bằng 450 .
Ltt -chiều dài tổng cộng các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có góc nghiêng nhỏ hơn
450
m - hệ số phụ thuộc vào số hàng cừ trong sơ đồ đờng viền thấm. (ở đây có hai hàng cừ
nên lấy m = 2 )
1. Tính toán lực đây ngợc lên bản đáy
SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

Cột nớc thấm tại một điểm cách điểm cuối của đờng viền thấm một đoạn dài tính toán
Xtt (Xtt xác định tơng tự nh Ltt) là
hx =

X tt
H
Ltt

Trong đó : H - cột nớc thấm toàn bộ
Cột nớc thấm tại điểm E cách điểm cuối của đờng viền thấm một đoạn dài tính toán
XttE = Xđ +
hE =

14
Xn
= 6+ = 13

2
m

13
ì 6 =2.17 (m)
36

Cột nứoc thấm tại điểm F cách điểm cuối đờng viền thấm một đoạn dài tính toán
XttF = Xđ +
hE =

Xn
= 6 (m)
m

6
ì 6 = 1 (m)
36

Theo sơ đồ công trình nh hình 1-2 , tổng áp lực thấm lên bản đáy công trình sẽ là
hE + hF
2.17 + 1
2
Wth = n 2
14 = 222 (KN/m)
. L2 = 10

b) áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngợc
W1 = n(h2 + t) L2 = 10(3+1)14 = 560 (KN/m)
2. Tính gradien thấm và lu tốc thấm bình quân

-Trên đoạn đờng viền thấm thẳng đứng :
Jđ =

H
6
=
= 0.167
Ltt
36

Vđ = K . Jđ =2ì 10-6 ì 0.167 = 3.34 ì 10-7 (m/s)
- Trên đoạn đờng viền nằm ngang :
Jn =

0.167
Jd
=
= 0.0835 (m/s)
2
m

Vn = K . Jn = 2ì 10-6 ì0.0835 = 1.67ì 10-7
SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

3. Tính lu lợng thấm : Khi chiều dài vản đáy khá lớn , có thể tính lu lợng thấm đơn vị

theo công thức :
q = K . Jn . T1 = 2 ì 10-6 ì 0.0835 ì 11 = 1.837 ì 10-6 (m3/s)
Trong đó : T1 - chiều dày tầng thấm dới đáy bản cống ; K - hệ số thấm
4 . Kiểm tra độ bền thấm cua nền : Theo phơng pháp này chỉ có thể sơ bộ kiểm tra độ
bền thấm chung của nền theo công thức :
Ltt C . H
Trong đó : C - hệ số phụ thuộc tính chất đất nền , tra bảng P3-1 ( phụ lục 3 ) ta đợc
C=5.5 , từ đó ta có C . H = 5.5 ì 6 = 33 ( m ). Với Ltt = 36 (m) biểu thức trên thoả mãn
Kl : chiều dài đờng viền thấm đủ dài đêt đảm bảo độ bền thấm chung.

III. Tính thấm theo phơng pháp hệ số sức kháng (Sơ đồ 1-3)
1. Phân đoạn : Dùng các đờng thế đi qua các điểm đờng viền chuyển tiếp từ đoạn thẳng
đứng sang đoạn nằm ngang hoặc ngợc lại để chia miền thấm thành các miền con (bộ phận )
khác nhau ( các bộ phận 1 , 2 , 3 , 4 , 5 nh trên hình 1-3 ).
2. Xác định hệ số sức kháng của từng bộ phận
a) Bộ phận cửa vào và của ra :
a

v = 0.44+ T = 0.44 +
0

S2

r = 0.44 + 1.5 T +
2

0.5
= 0.48545
11
0.5

1 0.75
0.5

=0.44 + 1.5

S2
T2
S2
T2

3
10

3
+
= 1.0835
10 1 0.75 3
10

Trong đó: a - độ cao của bậc tại của vào
S - chiều sâu đóng cừ tại của ra
T1 - Chiều sâu từ bản đáy đến tầng không thấm
SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

T0 - Chiều sâu tầng không thấm
b) Bộ phận giữa ( bộ phận 3 trên hình 1 -3 ).
Xét điều kiện :
T2
10
=
= 0.952 < 1.0
T1
10.5

0.5 <
và

0<

S1 6.5
=
=0.65 < 0.8
T 2 10
a1

S1

1

2

g = T + 1.5 T +

Vậy :

0.5

S1
T2

1 0.75

S1
T2

6.5
0.5
6.5
10
=
+ 1.5
+
= 1.657
6.5
10.5
10
1 0.75
10
0.5

Trong đó : a1 - độ cao của bậc ; S1 - chiều sâu cừ
c) Bộ phận nằm ngang (bộ phận 2 và 4 )
- Bộ phận 4
Khi khoảng cách giữa 2 cừ : l2 = 14 (m) >

4n =

S1 + S 2
= 4.75 , do đó
2

14 0.5(6.5 + 3)
l 2 0.5( S1 + S 2)
=
= 0.925
10
T2
l1

19

n2 = T =
= 1.81
10.5
1

- Bộ phận 2 :
3. Tính áp lực thấm

- Cột nớc thấm tổn thất qua mỗi bộ phận xác định theo công thức :
H
hi = i i

i = 0.48545 + 1.0835 + 1.657 + 0.925 +1.81 = 5.961
+ Tổn thất thấm qua bộ phận 1 : h1 = 0.48545ì

6
= 0.4886 (m)
5.961
SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

+ Tổn thất thấm qua bộ phận 2 : h2 = 1.81ì

6
= 1.822 (m)
5.961

+ Tổn thất thấm qua bộ phận 3 : h3 = 1.657ì

6
=1.668 (m)
5.961

+ Tổn thất thấm qua bộ phận 4 : h4 = 0.925ì

6
= 0.931 (m)
5.961

+ Tổn thất thấm qua bộ phận 5 : h2 = 1.0835ì

6
= 1.09 (m)
5.961

Từ các tổn thất thấm tính đợc ta vẽ biểu đồ áp lực thấm ngợc lên đáy công trình ( nh
hình 1-3 )
Tổng áp lực thấm đẩy ngợc lên bản đáy :
hE + hF
2.021 + 1.09
2
Wth = Wth = n 2
14= 218(KN/m)
. L2 = 10

Tổng áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngợc lên bản đáy : Tính nh ở phơng pháp trên
4. Tính lu lợng thấm : Theo phơng pháp này , lu lợng đơn vị đợc xác định theo công
thức:
q=k.

H
6
= 2ì10-6
= 2.013ì10-6 (m3/s)
i
5.961

5. Tính gradien thấm: Theo phơng pháp phân đoạn này , có thể xác định đợc trị số J và
V bình quân trong từng đoạn của miền thấm
Ji =

hi
li

IV. Tính thấm theo phơng pháp vẽ lới
1. Xây dựng lới thấm: Lới thấm có thể đợc xây dựng bằng phơng pháp vẽ đứng dần.
Để kiểm tra độ chính xác của đờng lới thấm cần dựa vào các điều kiện :
-Tất cả các đờng dòng và đờng đẳng thế phải trực giao nhau.
- Các ô lới phải là các hình vuông cong( các trung đoạn của mỗi ô lới phải bằng nhau)
- Tiếp tuyến của các đờng đẳng thế vẽ từ các điểm góc của đờng viền phải trùng với
phân giác của góc đó.
SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

- Các giới hạn của lới thấm:
+ Đờng thế đầu tiên: Mặt nền thấm phía thợng lu
+ Đờng thế cuối cùng: Mặt nền thấm phía hạ lu;
+Đờng dòng đầu tiên : Đờng viền thấm dới đáy công trình;
+Đờng dòng cuối cùng : Mặt tầng không thấm;
Miền thấm giữa 2 đờng thế kế nhau gọi là dải; miền giữa 2 đờng dòng kế nhau gọi là
ống dòng
Sơ đồ lới thấm trên hình (1-4) có 24dải và 7 ống .
2. Xác định áp lực thấm
Gọi n là số dải của lới thấm : cột nớc thấm tổn thất qua mỗi dải sẽ là
H =

H
6
=
= 0.25 (m)
n
24

Cột nớc thấm tại một điểm x nào đó cách đờng thế cuối cùng i dải sẽ là
hx = i

H
n

Cột nớc thấm tại điểm E là
hE = 12.5

6
= 3.125 (m)
24

Cột nớc thấm tại điểm F là
hF = 8.5

6
= 2.125 (m)
24

Từ đó tính đợc áp lực thấm đẩy ngợc lên đáy công trình
Wth = n .

hE + hF
3.125 + 2.125
2
2
.14 = 367 (KN/m)
. l2 = 10.

3. Xác định lu lợng thấm
Gọi m lá số ống dòng của lới thấm .
Lu lợng đơn vị sẽ là :
q= K

m
7
H = 2ì10-6 6 =1.75 ì 10-6
n
24

SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

4. Xác định gradien thấm
Gradien thấm tại ô lới bất kì có trung đoạn la S sẽ là ;
JTB =

H

H
=
S nS

JTB1 =

H 0.25
= 0.167
=
S
1.5

JTB2 =

H 0.25
= 0.125
=
S
2.0

JTB3 =

H 0.25
= 0.07
=
S
3.5

JTB4 =

H 0.25
= 0.05
=
S
5

5. Kiểm tra độ bền thấm của nền
Điều kiện bền thấm của nền la :
Jr < [ J ]
ở đây xét cho gradien lớn nhất tại cửa ra là J tb1 = 0.167 < [J] =0.32
[J] tra ở bảng P3-2 (phụ lục 3)
Cống thoả mãn độ bền thấm

V . Kết luận :
Do các phơng pháp tính còn có nhiều sai số , đặc biệt là phơng pháp thứ 3 còn phụ thuộc
vào chủ quan ngời vẽ lới thấm nên giữa các phơng pháp cho các kết quả còn sai khác nhau
nhiều .

Lời kết : Do thời gian và trình độ còn có nhiều hạn chế nên còn có nhiều sai sót , mong
đựơc cac thây cô hớng dẫn thêm những phần còn cha đúng.
Em xin cảm ơn sự hớng dẫn tận tinhf của thầy giáo vũ hoàng hải

SV : Nguyen Minh Sang


Tinh toan luc va tham

GVHD

SV : Nguyen Minh Sang