Thiết kế đập đất đồng chất có tường lỏi mềm - P2

Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi
PHẦN I : NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN.
Đề bài:
-Thiết kế đập BTTL theo phương pháp hệ số kháng.
-Thiết kế đập đá có tường lõi mềm.
-Thiết kế đập đồng chất có tường nghiêng và chân khay.
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên.
Ngày giao:…. /…../2008.
Ngày nộp:…/…./2008.
I/ Số liệu ban đầu.
1.1.Tài liệu địa chất:
Loại đất:
γ
0
(T/m
3
)
γ
a
(T/m
3
)
{σ}
(T/m
2
)
T
(m)
k
1
(m/ngđêm)

k
2
(m/ngđêm)
k
3
(m/ngđêm)
1,52 1,7 0,8 ∞ 10
-1
θ
S
1
(m) S
2
(m) S
3
(m) C (T/m
2
) f t (m)
23 1,8 2,5 1,5 1 0,7
k
1
-Hệ số thấm của đất nền.k
2
-Hệ số thấm của đập. k
3
-Hệ số thấm của tường.
1.2.Tài liệu về thuỷ văn:
Mực nước TL
H
1

(m)
Mực nước HL Chiều cao sóng
H
s
(m)
Bước sóng TB λ
(m)
Hệ số thấm
α
1
30 0 3 14 0,5
II.Yêu cầu:
STT Công Việc Tiến độ
(tuần)
Thực hiện
1 Thiết kế mặt cắt của đập
2 Xác định kích thước của tường
3
Xác định lưu lượng thấm và đường bão hoà của đập và
nền.
4
Kiểm tra ổn định của đập:
-Kiểm tra ổn định trượt phẳng.
-Kiểm tra ổn định lật.
-Kiểm tra ổn định trượt của mái dốc theo phương pháp
trượt cung tròn.
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Trang: 1
Lớp : CTT45ĐH1
Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi
PHẦN II : NỘI DUNG TÍNH TOÁN.

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT ĐỒNG CHẤT CÓ TƯỜNG NGHIÊNG
MỀM.
I. Cơ sở lý luận.
1. Sơ đồ tính.(Hình 1.1)

MNTK
m1
m
2
B
d
H1
y
x
O
L
L
a
o
Trong đó:
+ d: độ vượt cao của đỉnh so với mực nước dâng bình thường và mực nước lũ.
+ B: chiều rộng đỉnh đập được xác định theo yêu cầu giao thông( 3-5 m).
+ m
1
, m
2
: mái dốc thưọng lưu và hạ lưu đập.
+ xoy : hệ trục toạ độ giả định khi tính toán thấm.
2. Lý thuyết đập đất đồng chất có tường nghiêng mềm.
a) Khái niệm:

Đập đất là loại đập được cấu tạo từ loại đất có khả năng chịu được ổn định nhờ trọng
lượng bản thân. Đặc điểm của đập đất là cho dòng thấm chảy qua.
b) Nguyên tắc và các bước thiết kế đập đất.
+. Nguyên tắc:
Đập và nên phải ổn định trong mọi điều kiện làm việc.
Thấm qua nền và thấm qua thân đập không tiêu hao cột nước qua lớn, không
xói ngầm, nước thấm qua thân không làm hư hỏng đập
Đập phải đủ cao, phải có công trình tháo lũ đảm bảo hệ thống làm việc an toàn
Có thiết bị bảo vệ mái đập chống tác hại của sóng, gió, mưa, nhiệt độ…
Giá thành đập và kinh phi quản lý rẻ nhất.
Việc lựa chọn các loại đập, cấu tạo các bộ phận thời gia và phương pháp thi
công phải dựa vào tình hình hệ thống công trình.
+. Các bước thiết kế:
So sánh lựa chọn các loại đập
Xác định các kích thước chủ yếu các bộ phận của đập
Tính toán thấm ổn định và độ lún
Chọn cấu tạo chi tiết các bộ phận
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Trang: 2
Lớp : CTT45ĐH1
Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi
Tính toán khối lượng công trình và nhân công.
(*) Tính toán thấm qua đập đất.
)..(2
.
01
2
0
2
1
amL

ah
kq
−
−
=
(*) Phương trình của đường bão hoà:
x
LL
hh
y .
)(
)(
21
2
∆+
−
=
II. Ung dụng.
(*)Xác định các kích thước cơ bản của đập :
1.Cao trình đỉnh đập :
CTĐĐ = CTMN_dâng bình thường + d
Hoặc :
CTĐĐ = CTMN_lũ + d’
Trong đó :
d , d’ - độ vượt cao của đỉnh đập so với MN_dâng và MN_lũ
Ta chọn d=2m với cấp công trình là cấp 1.
CTĐĐ = 30 + 2 = 32 m .
2.Chiều rộng đỉnh đập :
Chiều rộng đỉnh đập được xác định theo yêu cầu cấu tạo , giao thông nhưng
bề rộng nhỏ nhất phải ≥ 3 ÷ 5 m .

Lấy chiều rộng đỉnh đập : B = 5 m
3.Mái đập :
Độ dốc mái đập phụ thuộc vào chiều cao đập , loại đất đắp , tính chất nền . Sơ bộ
chọn mái dốc đập như sau :
Khi H = 30 m < 40 m thì :
Mái thượng lưu m = 0,05.H + 2 = 3,5
Mái hạ lưu m
1
= 0,05.H + 1,5 = 3
Vậy ta chọn m=3.5; m
1
=3.Ta tính toán cho trường hợp mái dốc không đổi và không
có bậc cơ.
(*)Xác định kích thước của tường nghiêng và chân khay:
1) Kích thước tường nghiêng:
Chọn bề dày t1 = 1 m
t2 = 0,1.H = 0,1.30 = 3 m ,chọn t2 = 3 m
2) Kích thước chân khay:
Chân khay có bề dày không thay đổi t = t2 = 2 m
Chiều cao chân khay : T bằng chiều sâu từ chân đập đến tầng không thấm
nước : T = ∞ m : lấy T= 10m
Mặt cắt ngang đập như hình vẽ:
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Trang: 3
Lớp : CTT45ĐH1
Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi
m = 3,5
m = 3

30m
10m

(*). Tính toán lưu lượng thấm qua đập và nền :
Trường hợp đập có tường nghiêng và chân khay,theo tính chất liên tục của dòng
chảy ta thiết lập công thức tính lưu lượng như sau : Theo giáo trình Thuỷ Công
Given
q k0 h1 h3−( )
T
t
⋅
h1
2
h3
2
− z0
2
−
2 δ⋅ sin α
( )
⋅
+






⋅
q
k T h3+( )
2
T

2
−




⋅
2 δ m h3⋅−
( )
⋅
Trong đó :
m – mái dốc đập thượng lưu ( m = 3,5)
h
1
– mực nước thượng lưu ( h
1
= 30m )
q – lưu lượng thấm qua đập tính cho 1 m dài ( m/s)
K – hệ số thấm của đập ( K = 0,1m/24h)
k
0
: hệ số thấm của tường (k
0
= 0,001 m/24h)
δ : chiều dày trung bình của tường δ = 2 m
m
1
– mái dốc hạ lưu đập ( m
1
= 3 )

T : chiều dày tầng không thấm T = 10 m
Giải 2 phương trình trên ta tìm được : q , h
3
q = 0.39 m/ngđ = 4.47.10
-6
m/s ; h
3
= 2,70 m
-)Đường bão hoà
Ta có q =
hmmqa
m
a
o
o
24/05.1)5,03.(39,0)5,0.(
5,0
1
1
=+=+=⇒
+
Đường bão hoà như hình vẽ :
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Trang: 4
Lớp : CTT45ĐH1
Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi
m = 3,5
m = 3

30m
10m

(*)Xác định các lực tác dụng lên đập:Tính cho một mét dài đập
1)Áp lực thuỷ tĩnh :
Tính cho một mét dài tường
m = 3
m = 2,5
W1
W2
W3
G1
G2
G3
Thành phần lực thuỷ tĩnh lớn nhất tại đáy:
P = γ.H = 30 T/m
2
W
1
= P.H/2 = 30.30/2 = 450 T
e = H/3 = 9.3m
Áp lực nước tác dụng trên mái dốc :
W
2
= V
n
.γ
n
= 30*9.3*30*1/2 = 3656 T
áp lực đẩy nổi :
W3 = 0,5.30.(30.3 + 5 + 30.3)/2 = 1387.5 T
Trọng lượng bản thân đập :
G1 = 32.3.32.1,45/2 = 2227.2 T

G2 = 32.5.1,45 = 232 T
G3 = 32.3.32.1,45/2 = 2227.2 T
Tổng trọng lượng : G = 4686.4 T
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Trang: 5
Lớp : CTT45ĐH1
Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi
2)Tải trọng sóng tác dụng lên đập :
Sơ đồ tính áp lực sóng lên công trình dạng mái nghiêng:
MNTT
®Ønh ®ª
f
0.1Pd
0.4Pd
Pd
0.4Pd
0.1Pd
Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng được xác định theo công thức:
).m/T(h..P.k.kP
2
2nbnod
γ
=

Trong đó:
γ-Trọng lượng riêng của nước (γ=1T/m
3
).
h=2,5m-Chiều cao sóng.
2
P

-áp lực sóng tuơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với
h=2,5m⇒
2
P
=1,9.
k
nb
-Hệ số xác định theo bảng 2.4 với
6,5
5,2
14
h
==
λ
ta có k
nb
=0,85.
k
no
-Hệ số xác định
18,1)
14
3
15,1028,0.(5,3
14
3
.8,485,0).15,1028,0.(.8,485,0
=−++=−++=
λλ
h

m
h
k
no
Vậ
y thay vào công thức 2-4 ta có P
d
=4,8T/m
2
.
Xác định tung độ z
2
:
).)(1.21(
1
2
2
2
BAm
m
Az
++−+=
(2-5).
Trong đó:
A=
88,4
9
10
)
5,2

14
.23,047,0(5,2
m
m1
)
h
23,047,0.(h
2
2
=+=
+
+
λ
B=
.36,1
h
).25,0m84,0(95,0.h
=






−−
λ
Thay A, B và m=3 vào công thức 2-5 ta có z
2
= 2,55m.
Xác định các khoảng cách l

i
:
l
1
=0,0125L
α
;l
2
=0,0265L
α
; l
3
=0,0325L
α
; l
4
=0,0675L
α
(2-6).
Với L
α
=
.m97,24
8
14.3
1m
.m
4
4 2
==

−
λ
Thay L
α
vào hệ thống công thức 2-6 ta có l
1
=0,312m; l
2
=0,662m ; l
3
=0,812m;
l
4
=1,685m.
(*)Kiểm tra ổn định của đập :
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Trang: 6
Lớp : CTT45ĐH1
Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi
1)Kiểm tra ổn định trượt phẳng:
Tổng lực giữ :
P
giữ
= (G + W2 – W3 + 2.P
d
.cosα).0,7 = (4686.4 + 3656 – 1387.5 +
2*4,75.cos18,43 ).0,7 = 4281.02 T
Tổng lực gây trượt :
P
tr
= W1 + 2.P

d
.sinα = 392 + 2.4,75.sin18,43 = 401.1 T
Hệ số ổn định trượt : K
tr
=
[ ]
5,17.10
1.401
02.4281
=>==
tr
tr
giu
K
P
P
Vậy đập ổn đinh trượt
2)Kiểm tra ổn định lật :
Tổng mô men giữ :
M
giữ
= G1.e1 + G2.e2 + G3.e3 + W2.e4 = 278385 Tm
Tổng mô men lật :
M
lật
= W1.e5 + W3.e6 = 65298 Tm
Hệ số ổn định lật K
l
=
[ ]

5,126.4
65298
278385
=>==
l
l
giu
K
M
M
Vậy công trình đảm bảo điều kiện ổn định lật.
3) Kiểm tra trượt cung tròn trên mái dốc:
Để kiểm tra điều kiện trên ta phải xác định tâm trượt và bán kính cung trượt.
a.Xác định tâm trượt.
Tại K là trung điểm mái dốc ta kẻ một đường với mái dốc đập một góc 85
0
và
một đường thẳng đứng. Tâm trượt nguy hiểm nhất nằm trong vùng dẻ quạt giới hạn
bởi 2 cung R
1
=H=8,442m và R
2
=2,3H=19,417m. Sau đó ta chọn một tâm O như hình
vẽ sau:
R
1
=
8
,
4

4
2
m
R
2
=
1
9
,
4
1
7
m
o
k
9m
3m
b.Xác định bán kính cung trượt.
Chọn t/H =0,25 và m=2,5 ta có: R/H=(2,3÷3)
⇒R=(19,4166÷25,326)m.
Vậy ta chọn R=21m.
c.Công thức kiểm tra điều kiện ổn định trượt là:
K=
∑ ∑
∑
+
+
aH
R
W

tgWlC
ii
iiiii
..
1
sin.
sin).).cos(..(
'
α
αϕα

Trong đó :
K- Hệ số ổn định trượt, với đê mái nghiêng K >1,3.
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Trang: 7
Lớp : CTT45ĐH1
Bài Tập Lớn: Công Trình Thuỷ Lợi
R=21m-Bán kính cung trượt.
C
i
-Lực dính của đất lấy theo quy định trạng thái giới hạn I.(Ta chọn
C
i
=1,5T/m
2
).
ϕ
i
-Góc nội ma sát lấy theo quy định trạng thái giới hạn I.(Ta chọn ϕ
i
=23

0
).
l
i
-Chiều dài đoạn cung trượt tròn của phân tố thứ i.
α
i
-Gradien của đường đáy phân tố thứ i.
H-Ngoại lực tối đa theo phương ngang (áp lực sóng, áp lực thuỷ tĩnh...).
a-Cánh tay đòn của ngoại lực.
W
’
-Tổng trọng lượng thực của phân tố thứ i.
W
i
- Tổng trọng lượng hữu hiệu của phân tố chia nhỏ thứ i .
Ta chia nhỏ phạm vi cung trượt làm 5 mảnh nhỏ có bề rộng như nhau.Dựa vào hình
vẽ ta xác định được α
1
=36
0
; α
2
=15
0
; α
3
=5
0
; α

4
=26
0
; α
5
=51
0
.Trong tính toán ta coi như
bỏ qua áp lực sóng (vì áp lực này gây ổn định hơn) , áp lực thuỷ tĩnh phân bố hình
tam giác khi tham gia vào ổn định làm đê càng ổn định vì vậy giá trị ở mẫu của thành
phần này mang giá trị âm. Coi đất nền và cát có γ=1,8T/m
3
.Ta coi C
i
=0; ϕ
i
=45
0
tại vị
trí cung trượt đi qua phần đất của mảnh5.Xét các lực tác dụng lên mảnh thứ 5 như
sau:
Tổng trọng lượng bản thân (hữu hiệu) là:
W
5
=
1..1..
11
j
n
j

ji
n
i
dni
FF
∑∑
==
+
γγ
=2,5.7,85+4,7.(2,5-1,025)+21,73.(2,2-1,025)
+6,4.(1,8-1,025)=59T.
Tổng trọng lượng thực là:
W
’
=2,5.7,85+4,7.2,5+21,73.2,2+6,4.1,8=90,7T.
Chiều dài cung tròn trong đoạn 5 là:
l
5
=α
5
.π.R/180=51. π.21/180=18,7m.
⇒
TtgWlC 31,4451sin).45).51cos(..(
'
55
=+
W
5
.sin51=44,297T.
R

=
2
1
m
5
1
°
f
giò
c
i
W =57T
5
f
g©y tr¦ät
1
W
2
W
3
W
4
W
o
Và tương tự với các mảnh còn lại dựa vào mặt cắt ta tính toán như bảng sau:
Mảnh C
i
(T/m
2
) l

i
(m) W
’
(T) W(T)
α ϕ
H(T) a(m) R(m)
Tử
số
Mẫu
số
1 1.5 13.2 56 26 36 23 24 12 21 23 15
Sinh viên: Nguyễn Trung Kiên Trang: 8
Lớp : CTT45ĐH1