Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi

Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
PhầnI : Nhiệm vụ bài tập lớn.
-Thiết kế đập BTTL theo phơng pháp tỷ lệ đơng thẳng
I. Số liệu ban đầu.

0
(T/m
3
)

a
(T/m
3
)

0BT
kG/cm
2
T
m
k
n
(m/24h)
[ ]

kg/cm
2
1,61 1,8 2,4 9 0,001 0,8

m
C

(T/m
2
)
f H
1

(m)
0
TN

h
s
m
15 2 0.7 26,5 12 7
II. Yêu cầu:
STT Công Việc Tiến độ
(tuần)
Thực hiện
1 Thiết kế mặt cắt của đập
2 Xác định kích thớc của tờng nghiêng và chân khay
3 Xác định lu lợng thấm và đờng bão hoà của đập.
4 Xác định các lực tác dụng lên đập.
5
Kiểm tra ổn định của đập:
-Kiểm tra ổn định trợt phẳng.
-Kiểm tra ổn định lật.
-Kiểm tra ổn định trợt của mái dốc theo phơng pháp tr-
ợt cung tròn.
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 1

Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
Phần II : Nội dung tính toán.
Chơng1 :
Thiết kế đập bêtông trọng lực.
Số liệu :
- Mực nớc thợng lu : H
1
= 26,5
- Mực nớc hạ lu : H
2
= 0
- Trọng lợng riêng của tờng :
đ
= 2,4 m
3
- Hệ số thấm của nền : K
n
= 0,001m/24h
- Lực dính : C = 2 T/m
2

- Hệ số ma sát f = 0,6
- Chiều sâu tầng không thấm : T = 9 m
A. Cơ sở lí thuyết
I. Thiết kế mặt cắt đập
Phân tích mặt cắt kinh tế của đập
Khi thiết kế mặt cắt của đập thờng xét tới 3 điều kiện:
- Điều kiện ổn định:
Đảm bảo hệ số an toàn ổn định trợt trên mặt cắt nguy hiểm nhất phải lớn hơn
một trị số cho phép.

Điều kiện ứng suất: khống chế không đợc xuất hiện ứng suất kéo ở mép thợng
lu, hoặc có xuất hiện nhng phải nhỏ hơn một trị số cho phép. ứng suất nén chính ở
mép hạ lu phải không đợc lớn hơn trị số cho phép.
Điều kiện kinh tế: đảm bảo điều kiện khối lợng công trình là nhỏ nhất.
II. Xác định bè dày đế đập theo điều kiện ứng suất
- Xét 1 đoạn đập có chiều dài 1m, tiết diện ngang là ABC, chiều cao h, chiều
rộng đáy B. Hình chiếu mái TL là nB, hình chiếu mái HL là (1-n)B, MN TL ngang
đỉnh đập, HL đập không có nớc. Các lực tác dụng lên đập gồm có:
- Trọng lợng bản thân đập: G
- áp lực nớc nằm ngang và thẳng đứng: W
1
, W
2
.
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 2
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
- áp lực thấm dới đáy đập có chiều cao là
1
.h
1
(
1
: hệ số áp lực thấm)
Nhiệm vụ là tìm b
min
khi biết h.
ứng suất nén theo phơng thẳng đứng lên mặt cắt ngang đập đợc xác định theo
nén lệch tâm :
2

0
6
B
M
B
G

=

Trong đó:
G - tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt ngang
M
0
- tổng mô men các lực thẳng đứng đối với điểm O
G = G + W
2
- W
t
2
.
.
2
..
2
.
11
hBhBnhB
G

+=

1
: Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm

1
: Trọng lợng riêng của vật liệu làm thân đập
: Trọng lợng riêng của nớc








+++=

nnn
B
hhB
M ..2..2..3...2.
12
.
11
2
1
2
22
0

ứng suất theo phơng thẳng đứng ở mép thơng lu và hạ lu đập khi hồ đầy nớc:

1
= h.[
1
.(1-n) +.(2-n).n -
1
- h
2
/B
2
]

2
= n.h(
1
- + n.) + .h
3
/B
2
Khi TL không có nớc (mới thi công) ứng suất pháp tại mép TL và HL:

o1
=
1
.h.(1-n)

o2
=

1
.h.n
Khi ta thấy khả năng chịu kéo của BT nhỏ tại mép TL không cho phép xuất
hiện khe nứt nên
1
= 0
h.[
1
(1-n) + .(2-n)n -
1
- .h
2
/B
2
] = 0
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 3
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
1
1
)2()1(



+
=
nnn
h
B
Đập có B

min
khi
1
1
)n2(n)n1( +


max
Đạo hàm
1
1
)n2(n)n1( +


và cho bằng 0
0)n2(n)n1(
1
1
n
=






+

0n.22
1
=+




2
2
n
1



=
Cho
1
= 2,4 T/m
3
; = 1 n = -0,2 n< 0. Mái TL dốc ngợc. Xét về mặt
thực tế mặt cắt nh vậy là không ổn định khi TL không có nớc. Do vậy ngời ta chọn
mặt cắt đập BT là vuông có mái TL thẳng đứng. (n = 0)
Trờng hợp này bề rộng đáy đập tính theo công thức
1
1

=
h
B
Với mặt cắt cơ bản là D vuông mái TL thẳng đứng, thì ứng suất mép TL, HL
đập là:
- Khi hồ đầy nớc
1
= 0.
2
= (
1
- .).h
- Khi hồ không có nớc
o1
=
1
.h ,
o2
= 0
Nếu
1
= 0,5 ;
1
/ = 2,4 B = 0,72.h
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 4
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
Nếu
1

= 0 ;
1
/ = 2,4 B = 0,65.h
Khi
1
= 0, trờng hợp không có áp lực thấm thì bề rộng b nhỏ hơn áp lực thấm
dới nền, khối lợng vật liệu giảm từ 10 - 25%. Vì vậy cần có biện pháp chống thấm d-
ới đáy công trình để làm giảm áp lực thấm.
III. Xác định chiều dày đế đập theo điều kiện ổn định trợt:
Điều kiện tối thiểu để đảm bảo ổn định là:
k
C
.W
1
= f.G
Trong đó:
f - hệ số ma sát giữa đập và đất nền
k
C
- hệ số an toàn của đập.
( )

...
2
.
.
2
..
1
2

+= n
hB
f
h
k
bc








+
=
1
1



nf
hk
B
c
Nếu n = 0, f = 0,7;
1
/

=

2,4 ;
1
= 0,5 ; k
c
= 1 B = 0,75h
Nếu n = 0, f = 0,7;
1
/

=

2,4 ;
1
= 0 ; k
c
= 1 B = 0,6h
Nhận xét: từ kết quả tính b nh trên, nếu áp lực thấm nhỏ thì bề rộng đế đập
theo điều kiện cờng độ quyết định, nếu áp lực thấm thì bề rộng đế đập theo điều kiện
ổn định khống chế.
Với nền đá có hệ số ma sát nhỏ, để thỏa mãn điều kiện ổn định trợt thì bề rộng
đế đập phải tăng nhiều đồng thời mái TL phải nghiêng ( n > 0). Vì vậy để tăng cờng
ổn định ngời ta đào móng nghiêng về phía TL.
f
WG
WG
K
C

+
=


sin.cos.
sin.cos.
IV. Phơng pháp tỉ lệ đờng thẳng (phơng pháp kéo dài đờng chu vi thấm)
- Nguyên tắc: kéo dài toàn bộ chu vi thấm dới đáy công trình thành đờng nằm
ngang
- Sau khi kéo dài chu vi thấm thành đờng nằm ngang, từ điểm 12 ta dóng lên
cột nớc H = H
1
- H
2
. Vì tổn thất cột nớc tỉ lệ bậc nhất với chiều dài đờng viền nên ta
nối điểm O với điểm 1.
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 5
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
- Muốn tìm áp lực thấm tại 1 điểm nào đó ta kẻ 1 đờng thẳng góc với đờng 12-
1. Cột nớc thấm tại 1 điểm cách mép HL đờng viền 1 đoạn x là:
H
L
x
h
tt
x
=
Trong đó:

L
tt
> C.H
L
tt
= L
d
+ L
n
/m
L
d
- chiều dài tổng cộng các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên so với đờng
nằm ngang có góc > 45
0
L
n
- chiều dài tổng cộng của đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có góc so với
phơng nằm ngang < 45
0
C - hệ số phụ thuộc vào tính chất của đất nền đợc tra bảng 3.2/GT Thủy công.
m - hệ số tiêu hao cột nớc trên các đoạn thẳng đứng hoặc nằm ngang. Hệ số
này lấy theo sơ đồ đờng viền thấm dới đáy công trình
Khi có 1 hàng cừ: m = 1 - 1,5
Khi có 2 hàng cừ: m = 2 - 2,5
Khi có 3 hàng cừ: m = 3 - 3,5
B. Điều kiện áp dụng
I. Xác định bề dày của đập theo điều kiện ứng suất :
Ta thiết kế cho đập tràn nớc.
1. Cao trình đỉnh đập

ĐĐ = MNTL
ĐĐ = 26,5 m
Mặt cắt thân đập dạng tam giác có chiều cao là 28m và chiều rộng đáy là B.
Hình chiếu mái thợng lu là nB, hình chiếu mái hạ lu là (1-n)N.
- Có
2,0
2
4,22
2
2
1
=

=

=


n
. Vì n = - 0,2 nghĩa là mái dốc thợng lu đập có
độ dốc ngợc, gây khó khăn cho việc thi công, mặt khác có thể phát sinh ứng suất kéo
trên mặt hạ lu, do đó lấy n = 0. Vậy chiều rộng đáy đập tính theo công thức sau:
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 6
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
m
h
B 2,19
5,04,2
5,26

1
1
=

=

=



B = 20 m
2. Mái dốc thân đập
Mái dốc đập thợng lu : m
0
= 0
Mái dốc đập hạ lu : m
1
= 0,7
3. Xác định chiều rộng của đập theo điều kiện ứng suất
ứng suất theo phơng thẳng đứng tác dụng lên một mặt cắt ngang của đập có
thể xác định theo công thức nén lệch tâm
2
0
.6
B
M
B
G

=

Trong đó
G = W
2
+ G - W
t
W
2
: áp lực nớc thẳng đứng tác dụng lên mái đập thợng lu ( = 0)
G : Trọng lợng bản thân công trình
W
t
: áp lực đẩy nổi dới đáy đập
2
.
.
2
..
2
.
11
hBhBnhB
G

+=



1
: Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm (=

0,5)

1
: Trọng lợng riêng của vật liệu làm thân đập (= 2,4T/m
3
)
: Trọng lợng riêng của nớc (=1T/m
3
)








+++=

nnn
B
hhB
M ..2..2..3...2.
12
.
11
2
1
2
22

0

- Thay số ta có G = 503,5T
M
0
= 1423,3 T.m
Vậy ứng suất theo phơng thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đập :
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 7
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
2
0
6
B
M
B
G

=

Thay số vào ta có
2
20
3,1423.6
20
5,503
=


max

=46,5T/m
2

min
= 3,8T/m
2
Các giá trị trên đều nhỏ hơn cờng độ bê tông về khả năng chịu kéo và nén.
II. Xác định đáy đập theo điều kiện ứng suất
Xác định chiều rộng đáy đập theo điều kiện ổn định trợt, theo điều kiện tối
thiểu để đảm bảo ổn định của đập.

=
GfWk
c
..
1
Trong đó
f : Hệ số ma sát giữa đập và nền(= 0,7)
k
c
: Hệ số an toàn ổn định của đập ( = 1)
G : Tổng các lực tác dụng lên mặt cắt
W
1
: áp lực nớc nằm ngang tác dụng lên mái đập thợng lu
n
HW

..
2

1
2
11
=
W
1
= 351,1 T
Trờng hợp n
0
= 0,
1
= 0,5, k
c
= 1,
đ
= 2,4T/m
3
thì lấy B = 0,75h
B = 0,75.28 = 21 m
G = W
2
+ G - W
t
Trong đó :
G : Trọng lợng bản thân công trình
G =1/2.(b+B).H.
đ
= 1/2.(7+21).26,5.2,4 = 890,4 T
W
2

: áp lực nớc thẳng đứng tác dụng lên mái đập thợng lu (=0)
W
t
: áp lực đẩy nổi dới đáy đập
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 8
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
1
....
2
1

nt
hBW =

1
: Hệ số áp lực thấm còn lại do tác dụng cản trở của màng chống thấm
(=0.5)
W
t
=1/2.21.26,5.2,4.0.5 = 333,9 T
Vậy G = W
2
+ G - W
t
= 890,4 333,9 = 556,5 T
Có W
1
= 351,1T < f.G = 389,55 T
Đập ổn định.

III. Tính lu lợng thấm theo phơng pháp tỉ lệ đờng thẳng
Đối với nền cát, không có tầng lọc ngợc ở hạ lu, lấy J = 0,2

J.kv2,0
L
H
J
===
k - hệ số thấm của đất nền ( = 0,001)
v = 0,0002 m/s
Cột nớc thấm tại tại một điểm cách mép hạ lu đờng viền thấm một đoạn dài
tính toán x là:
H.
L
x
h
x
=
L
tt
> C.H
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 9
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
26500
7000
21000
7000
IV. Xác định tải trọng tác dụng lên công trình
Tải trọng tác dụng lên 1m dài công trình gồm có: tải trọng do sóng, trọng lợng

nớc đè, trọng lợng bản thân đập, áp lực đẩy nổi, áp lực nớc.
1. Xác định tải trọng do sóng
Tải trọng sóng tác dụng lên đập dạng mái nghiêng đợc xác định theo công
thức:
)/(....
2
2
2
mThPkkP
nbno

=

Trong đó:
- Trọng lợng riêng của nớc (=1T/m
3
).
h - Chiều cao sóng(= 7m).
2
P
- áp lực sóng tơng đối lớn nhất trên điểm 2 theo bảng 2.5 với h = 7m

2
P
= 2,3
k
nb
- Hệ số xác định theo bảng 2.4 với
14,2
7

15
==
h

ta có k
nb
= 1,5.
k
no
- Hệ số xác định theo công thức:
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 10
Bài tập lớn môn học Công Trình Thuỷ Lợi
564,1
)
15
7
15,1028,0.(3
15
7
.8,485,0
).15,1028,0.(.8,485,0
=
++=
++=

h
m
h
k

no
Vậy thay vào công thức ta có P
2
= 37,8 T/m
2
.
Xác định tung độ z
2
:
))(1.21(
1
2
2
2
BAm
m
Az
+++=

Trong đó:
A=
5,7
9
10
)
7
15
.23,047,0(7
1
)23,047,0.(

2
2
=+=
+
+
m
m
h
h

B =
765,0).25,084,0(95,0. =








h
mh
Thay A, B và m=3 vào công thức trên ta có z
2
= 4,99 m.
Xác định các khoảng cách l
i
:
l
1

=0,0125L

;l
2
=0,0265L

; l
3
=0,0325L

; l
4
=0,0675L


Với L

=
.76,26
8
15.3
1
.
4
4
2
m
m
m
==

Thay L

vào hệ thống công thức ta có l
1
= 0,33m; l
2
= 0,71m ; l
3
= 0,87m; l
4
=
1,81m.
2. Xác định trọng lợng nớc đè, áp lực nớc, áp lực đẩy nổi.
1) Xác định áp lực nớc .(W)
áp lực nớc tác dụng lên tờng nghiêng ta coi nh theo phơng ngang và ta có:
W
1
=
.13,3515,26.1.5,26.
2
1
T
=
2) Xác định áp lực nớc đẩy nổi.(W
3
).
Ta có W
2

= 0,5 .W
1
= 175,56T.
Sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Tơi
Lớp : CTT46 - ĐH2 11