Thiết Kế đập Bê Tông Trọng Lực - 123doc

Bình đồ khu đầu mối công trình: Tỷ lệ 1/2000: Tuyến đã được xác định và sơ bộ bố trí các hạng mục công trình đầu mối như sau: - Đập bê tông trọng lực dâng nước, có đoạn tràn nước; - Nhà

THIẾT KẾ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

Phần 1: MỞ ĐẦU

I Vị trí và nhiệm vụ công trình.

1 Nhiệm vụ chính là phát điện Trạm thủy điện có công suất N=120.000 kW;

2 Phòng lũ cho hạ du với phạm vi ảnh hưởng mà công trình có thể phát huy là 250.000ha

3 Tăng mực nước và lưu lượng sông trong mùa kiệt để có thể tưới cho 150.000 ha ruộngđất và phục vụ giao thông thủy, tạo nguồn cấp nước cho sinh hoạt 1.000.000 người

II Địa hình, địa chất thủy văn.

2.1 Bình đồ khu đầu mối công trình: Tỷ lệ 1/2000: Tuyến đã được xác định và sơ bộ

bố trí các hạng mục công trình đầu mối như sau:

- Đập bê tông trọng lực dâng nước, có đoạn tràn nước;

- Nhà máy thủy điện đặt ở hạ lưu đập về phía bờ trái, nước qua tuabin sẽ đượctrả lại sông để cấp nước cho hạ du Có 4 đường hầm để dẫn nước vào nhà máythủy điện;

- Công trình nâng tàu (âu tàu) bố trí ở bờ trái, cách xa nhà máy thủy điện

2.3 Địa chất khu vực công trình:

a) Nền tuyến đập công trình: Nền sa thạch phân lớp, trên mặt có phủ một lớp đấtthịt dày từ 3 đến 5m Đá gốc có độ phong hóa, nứt nẻ trung bình

b) Tài liệu ép nước thí nghiệm tại tuyến đập:

Vật liệu xây dựng: Tại khu vực này đất thịt hiếm, cát và đá có trữ lượng lớn, khai

thác ngay ở hạ lưu đập, chất lượng đảm bảo tiêu chuẩn dùng vật liệu bê tông, gỗ, tre cótrữ lượng lớn, tập trung ở thượng lưu

Tài liệu thủy văn :

- Cao trình bùn cát lắng đọng (sau thời gian phục vụ công trình):

Cao trình bùn cát (m) 40

- Chỉ tiêu cơ lý của bùn cát: n=0,45; k=1,15 T/m3 ; bh=110

- Lưu lượng tháo lũ (Qtháo) và cột nước siêu cao trên mực nước dâng bình thường (Ht)

Quan hệ Q-Z( hl)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

2.5.Tài liệu về thủy năng:

- Trạm thủy điện có 4 tổ máy

- Mực nước dâng bình thường(MNDBT),mực nước chết (MNC),lưu lượng qua 1 tổ máy(Qtm) Bảng 6 – Tài liệu thủy năng:

- Khu vực xây dựng công trình có động đất cấp 8

- Đỉnh đập không có giao thông chính đi qua

II Chọn tuyến đập và bố trí công trình đầu mối.

1 Cấp công trình: Xác định theo hai điều kiện:

- Theo chiều cao đập và loại nền (ở đây là đập bê tông trên nền đá)

Bảng P1-1 Cấp thiết kế của công trình theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục

công trình thủy công trình cấp III

- Theo nhiệm vụ (tưới, phát điện, phòng lũ)

Bảng P1-2 Cấp thiết kế của công trình theo năng lực phục vụ: Nhà máy thủy

điện có công suất 120.000 kW công trình cấp II.

Vậy chọn cấp công trình cấp II.

2 Các chỉ tiêu thiết kế: với công trình cấp II và đập bê tông trọng lực xác định được

- Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất tính toán bảng P1-3 cấp thiết kế0,5%

- Tần suất gió lớn nhất và bình quân lớn nhất tính toán bảng P2-1

Trường hợp tính toán Cấp thiết kế

- Các hệ số vượt tải,

- Hệ số điều kiện làm viêc (bảng P1-5 Hệ số điều kiện làm việc)

m=1 Khi mặt trượt đi qua các khe nứt trong đá nềnm=0,95 Khi mặt trượt qua mặt tiếp xúc giữa bê tông và đá, hoặc một phầnqua đá nguyên khối

+ Mực nước dâng bình thường hồ chứa MNDBT = 89,5 (m)

+ Mực nước dâng gia cường MNDGC= MNDBT+5,1 = 89,5+5,1 = 94,6 (m)Vậy chiều cao đập cho mặt cắt cơ bản là Hđ= MNDGC-

) ( 6 , 63 31 6 ,



Ở đây chọn n=(0÷0,1) ta chọn n=0

2 Xác định chiều rộng đáy đập

a) Theo điều kiên ổn định:

) (

H K

=(0,4÷0,6) Trị số α1 được chính xác hóa ở đây ta chọn α1=0,5

Kc : Hệ số an toàn ổn định cho phép Theo quan điểm tính toán ổn định trong các quy phạm mới, ổn định của các công trình trên nền được đảm bảo khi

R K

m N n

n tt

Trong đó: nc: Hệ số tổ hợp tải trọng

m: Hệ số điều kiện làm việc

Kn: Hệ số đọ tin cậy

Ntt và R lần lượt là giá trị tính toán của lực tổng quát gây ra trượt của lực chống giới hạn

Có thể coi  

m

K n

4 , 2 (

65 , 0

5 , 63

1 ,

0 ) 0 1 ( 1

4 , 2

5 , 63 )

2 (

) 1

H B

Vậy so sánh hai trường hợp trên ta chọn B =57 (m)

II Mặt cắt thực dụng của đập không tràn:

∆h’ và s' xác định với vận tốc gió tính toán bình quân lớn nhất Pmax

a và a' là độ vượt cao an toàn

a) Xác định h và s

a-1) Xác định h theo công thức:

) ( cos 10 2

2

gH

D V



 Trong đó:

6000 36 6 10 2

h: chiều cao sóng với mức bảo đảm tương ứng

- Giả sử rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu: (H  0 , 5  )

Thông số Công thức Trường hợp MNDBT = 89,5 (m)

3600 6 81 , 9





V gt

4 , 45 36

6000 81 , 9

2

V gD

Tra đồ thị ta có được: 2  0 , 043

V

h g

36 64 , 2





14 , 3 2

69 , 9 81 , 9 2

2 2

Kiểm tra điều kiện: H  58 , 5  0 , 5  (không thoã mãn điều kiện)

Vậy đây là vùng sóng nước nông

36

5 , 58 81 , 9

2

V gH

Tra đồ thị ta có được:

28 , 10 81 , 9

36 8 , 2 8

η s = Kηs.h

=> 165 ( )

14 , 3 2

28 , 10 81 , 9 2

2 2

, 9

36 013 , 0 013

, 0

2

V

h g

=> 2 , 87

5 , 57

72 , 1

10

2 6 2 '

gH

D V



 Trong đó:

6500 22 10

9632 22

3600 6

81 , 9

132 22

6500 81

, 9

2 2

287 , 1 22

5 , 63 81 , 9

2

V gH

Tra đồ thị ta có được:

26 , 3 81

, 9

22 066 , 0 066

85 , 7 81 , 9

22 5 , 3 5

14 , 3 2

85 , 7 81 , 9 2

2 2

26 , 3







h

Ta thấy H = 61,5 > 0,5λ sóng nước sâu

Tra đồ thi ta có được: ' 1

)(87,980,126,301,06,94' ' '

Hành lang ở gần nền để sử dụng phụn vữa chống thấm với kích thước chọn theo yêu cầu thi công công trình Các hành lang khác chọn bằng 1,2 x 1,6 (m).

Theo chiều cao đập, bố trí hành lang ở các tầng khác nhau, tầng nọ cách tang kia 15÷20 (m) Khoảng cách từ mặt thượng lưu đến mép trước của hành lang chọn theo điều kiện chống thấm: l1= H J , trong đó H: Cột nước tính đến đáy hành lang; J: Gradien thấm cho phép của bê tông J=20

l1 = H/j =61,5/20 = 2.615 (m)

H=58.5 m

Đi?nh dâ?p= 99 m MNDBT=58.5 m

Đa´y=31 m

III Mặt cắt thực dụng của đập tràn.

1 Mặt cắt đập tràn: Chọn mặt tràn dạng Ôphixêrốp không chân không Loại này

có hệ số lưu lượng tương đối lớn và chế độ làm việc ổn định

- Cao trình ngưỡng tràn ngưỡng =MNDBT= 89,5 (m)

- Chọn hệ trục Oxy có trục Ox ngang cao trình ngưỡng tràn, hướng về hạ lưu;trục Oy hướng xuống dưới gốc O ở mép thượng lưu đập, ngang cao trìnhngưỡng tràn

- Vẽ đường cong theo toạ độ Ôphixêrốp trong hệ trục đã chọn

- Tịnh tiến đường cong đó theo phương ngang về hạ lưu của mặt cắt cơ bản tạiđiểm D

- Mặt cắt hạ lưu nối tiếp với sân sau bằng mặt cong có bán kính R

R= (0,2 0,5)(P + Ht) = 0,3×(58,5+5,1)=19,08 (m).

R= (6 10)hcTrong đó: P = 58,5(m) là chiều cao đập tràn

Ht = 5,1 (m) là cột nước trên đỉnh tràn

Mặt tràn nước cuối cùng sẽ là mặt ABCDEF trong đó:

- AB: nhánh đi lên của đường cong Ôphixêrốp (khi mặt thượng lưu đập tràn là nghiêng,cần kéo dài đoạn BA về phía trước cho đến khi gặp mái thượng lưu tại A)

- BC: là đoạn nằm ngang trên đỉnh

- CD: là một phần của nhánh đi xuống của đường cong Ôphixêrốp

- DE: là một đoạn của mái thượng lưu của mặt cắt cơ bản

- EF: là cung nối tiếp với sân sau

Chọn góc nghiêng hợp lý của mũi phun là (30o 35o) là hợp lý, vậy chọn α=30o

30°

hl=36 m 19

y

2 Trụ pin và cầu giao thông

Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua, nhưng để đi lại kiểm tra và khaithác công trình, vẫn phải làm cầu giao thông qua đập tràn, trường hợp bề rộng tràn lớn,cần phải làm các trụ pin để đở cầu Mặt trụ thượng hạ lưu cần đảm bảo điều kiện chảybao hợp lý Cao trình đỉnh cầu giao thông chọn ngang cao trình đỉnh đập, bề rộng mặt cầuchọn bằng mặt đập

- Chọn cao trình đỉnh cầu giao thông ngang với đỉnh đập, bề rộng mặt cầu chọn bằng mặtđập b = 5m

- Chọn mố trụ bin có dạng nửa tròn, mố bên là cung tròn

mb= 0,7 mt=0,45 d = 2m

§3 TÍNH TOÁN MÀN CHỐNG THẤM

I- Mục đích

Xác định các thông số cần thiếc của màng chống thấm (chiều sâu, chiều dày, vị tríđặt) để đảm bảo được yêu cầu chống thấm đề ra (hạn chế lượng mất nước, giảm nhỏ áplực thấm lên đáy đập)

II- Xác định các thông số của màng chống thấm

1 Chiều sâu phụt vữa S1 phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ của nền và chiều cao đập:theo quy phạm Liên Xô CH 123-60, chiều sâu xử lý chống thấm xác định như sau:

- Khi H < 25 (m): xử lý đến độ sâu có độ mất nước 0,05 l/ph

- Khi 25 (m) ≤ H < 75 (m): Tương ứng đến 0,03 (l/ph)

- Khi H ≥ 75 (m): Tương ứng đến 0,01 (l/ph)

Trong đó: H là cột nước thấm lớn nhất của đập

Từ tài liệu ép nước đã cho, ta xác định được chiều sâu màng S 1 15 (m)

2 Chiều dày màn chống thấm

Xác định theo điều kiện chống thấm cho bản thân màn:

  15 2,31( )

2 , 69 5 , 0

m J

Màng chống thấm bố trí càng gần mặt thượng lưu càng tốt Nhưng để chống thấm cho

thành phía trước của hành lang phụt vữa cần khống chế

Trong đó: H1- Cột nước lớn nhất tính đến đáy hành lang;

J b- Gradient thấm cho phép của bê tông : J b  20

III-Kiểm tra trị số của  1

Trong thiết kế sơ bộ có thể áp dụng phương pháp của Pavơlốpxki, theo đó:

1

2 1

 

x

4 , 2 15

55 1 0 1 2

1 1

1 2

1 2 2

L a

4 , 1 0 1 15

55 1 2

1 1

1 2

1 1 2

L b

1 arccos 14 , 3

§4 TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐẬP TRÀN I- Tính toán khẩu diện tràn

1 Công thức chung

Sử dung công thức chung của đập tràn:

2

3 0

2

m b g H

Qt   n Trong đó:  - hệ số co hẹp bên

Q t   t

Trong đó:

Q = 1230 (m³/s) - lưu lượng tháo lũ lớn nhất;

) / (

b) Hệ số lưu lượng m của đập tràn:

432 , 0 504 , 0 95 , 0 903 , 0



tc

m -Hệ số lưu lượng của đập tràn tiêu chuẩn với Cơrigiơ-Ôphixêrop;

903 , 0



H

 -hệ số sửa chữa do cột nước thay đổi;

95 , 0



hd

 -hệ số sửa chữa do thay đổi hình dạng so với mặt cắt tiêu chuẩn

c) Hệ số co hẹp bên  phụ thuộc số khoang và dạng mố, xác định theo công thức:

Trong đó: V0 - lưu tốc tới gần lấy bằng 0

n: Hệ số ngập, trường hợp tràn chảy tự do thì lấy bằng 1

+ Chọn sơ bộ  = 0,95

1 , 5 81 , 9 2 432 , 0 1 95 , 0

870

2

0

m H

g m

Q b

0 1 ,



+ Tính lại : 0 , 943 0 , 95

9

1 , 5 5

45 , 0 ) 1 5 ( 7 , 0 2 , 0





Vậy chọn tràn có 5 khoang mỗi khoang rộng 9 (m).

II- Tính toán tiêu năng

Chọn hình thức và biện pháp tiêu năng phóng xa.

a) Tìm góc nghiêng hợp lý của mũi phun

Chọn trước cao trình mũi phun Để tìm góc nghiêng hợp lý của mũi phun im, giả thiếtcác phương án im khác nhau, tính với lưu lượng xã Qmax, tìm được chiều dài phóng xa lp

và chiều sâu xói dx tương ứng

Giá trị im được coi là hợp lý khi tỉ số dx/lp là nhỏ nhất

b) Xác định đường mặt nước trên đập tràn:

b.1 Xác định cột nước trên đỉnh đập tràn theo biểu thức

0

Q Q

i

h h

b.2 Tính lưu tốc và độ sâu dòng chảy tại mặt cắt A-A

Phương trình becnoulli cho mặt cắt 1-1 và A-A: (Lấy mặt cắt 0-0 làm chuẩn) trong đó tổnthất thủy lực của dòng chảy ở đỉnh không đáng kể có thể bỏ qua

w A a

a a

g

v P

h d g

v P

2

)

cos (

2

b.3 Đường mặt nước trong đoạn từ mặt cắt A-A đến mặt cắt B-B.

Đoạn này chúng ta cần tính và vẽ đường mặt nước trên dốc nước với i=1,11; m= 0,432; n=0,025; Q=174 (m3/s)

)47,19(2

47,19)(

h b

Vậy hB=0.8627 (m) và VB=22,41 (m/s)

) / ( 33 , 19 9

m s m b

Q

k

k k k

k

B

B h B g

1

2 3

2

22

12

22

cos

V h g V h R

h g

V z h

g

tb C

C

C

C B

R1 – Bán kính cong tại mũi phun

Giải phương trình trên với cách thử dần, trước tiên giả thiết trước hc để tính VC =

Vậy suy ra do lực hút ly tâm nên VC bé thua VB và VC =21,41 (m/s); hC=0,9028 (m)

b.5 Tính lưu tốc và chiều sâu dòng chảy cuối mũi phun

Viết phương trình Becnoulli cho mặt cắt C-C và cuối mũi phun

4

2 4

2 2

1

2

2

cos2

212

2

V h z h

g

V g V h R

h g

tb D

D C

Hệ số lưu tốc cuối mũi phun được xác định theo công thức:

871 , 3 ) 866 , 0 8339 , 0 55 , 2 ( 81 , 9 2

18 , 23 )

cos (

h z g V

c) Vẽ đường bao hố xói

Tính với các cấp lưu lượng xả qua tràn từ 0 đến Qmax (Ht thay đổi từ 0 đến Hmax) Vớimỗi cấp lưu lượng tính được lp và dx, chọn hệ số mái của hố xói mx, vẽ được hố xói tươngứng Nối các điểm ngoài cùng của các hố xói ta được đường bao hố xói Tính chiều dàiphóng xa L của dòng chảy theo biểu thức:

sin

1 1 1

1 2 sin

T D

z

z z

K L

Trong đó: z – Độ chênh lệch mực nước thượng hạ lưu = 59,15 (m)

z1 – Độ chênh mực nước từ thượng lưu đến mũi phun = 56,6 (m)

φD – Hệ số lưu tốc cuối mũi phun = 3,871

K < 1 – Hệ số xét đến ảnh hưởng của hàm khí và khuếch tán của dòng chảy

Hệ số Frout được xác định theo biểu thức 156,581

3498,081,9

18,

gR v

§5 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP I- Mục đích của việc tính toán ổn định

Đập bê tông trọng lực là loại đập chủ yếu dựa vào trọng lượng bản thân để duy trì ổnđịnh đập.Đập bê tông có khối lượng lớn cho nên không mất ổn định về lật mà chủ yếu là

do sự phá hoại cục bộ và khi chịu tác dụng của tải trọng động thì sinh ra các ứng suất kéonén ở hai mép thượng lưu và hạ lưu của đập nếu ứng suất lớn sẽ gây ra hiện tượng trượt ởmặt tiếp xúc giữa đáy đập và nền Do đó ta chủ yếu kiểm tra ổn định trượt phẳng ở dướiđáy đập

II-Các trường hợp tính toán:

Do thời gian có hạn va do yêu cầu của chương trình nên trong trường hợp này ta chi

tính cho một trường hợp ứng với MNDBT, có động đất (đặc biệt)

III-Tính toán ổn định theo sơ đồ trượt phẳng

Xác định các lực tác dung lên đập : Xét bài toán phẳng.

Tính toán ổn định trượt cho phần đập không tràn ứng với hai trường hợp:

2

h: là chiều cao sóng ứng với mức bảo đảm tương ứng (h = 3,465)

knd: tra đồ thị (2-C) giáo trình thủy công tập I

Trị số áp lực sóng lớn nhất lên mặt đập:

H _ cột nước thấm ( H= 58,5).

Tổng áp lực thấm đẩy ngược là:

347 , 804 55 5 , 58 5 , 0 2

1 2

1 2

11 45 ( ) 2 45

G = G1+G2= b.(1 + 2).1 (tính cho 1 m chiều dài đập)

- 1 = 65,5.5 = 327,5 => G1 = 327,5 (m2) phần diện tích của hình chữ nhật

Tgα = B/H = 55/61,5 = 0,894

- 2 = 1/2 55,9.50 = 1397,5 (m2) => G2 = 0,5.1397,5 = 698,75 (T) phần diện tích củahình tam giác

=> G = 2,4.1.( 327,5 + 1397,5 ) = 4140 (T)

f) Áp lực đẩy nổi: W 4 = n *B*H 2 = 1.55.3,66 = 201,3 (T).

g) Áp lực nước hạ lưu: MNHL trong trường hợp này là trạm thủy điện hoạt động hết

công suất, (lưu lượng xả ra xuống hạ lưu tương ứng là 870 (m 3 /s) nên MNHL=36 (m) suy

ra H hl = 36-31= 5 (m) ).

09 , 11 71 , 4 1 2

1

2

2

95.0

2743,22 =2369,144 (T)

834,1761

22,2743gt

T

ct T

§6 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT THÂN ĐẬP

Trường hợp tính toán: Tính cho mặt cắt đập không tràn (mặt cắt đã kiểm tra ổn định trên)

Ta sử dung phương pháp phân tích trọng lực

1_ Chia lưới

Chia mặt cắt đập ra các phần bởi một lưới vuông,kích thước mắt lưới là 10x11,2m và

5x11,2m riêng phần trên đỉnh có kích thước là 5x9,6m

Sơ đồ tính toán:

2_ Tính toán ngoại lực tác dụng lên thân đập ứng với các mặt cắt nằm ngang khác

nhau chỉ tính các lực tác dụng lên đập phần trên mặt cắt ngang đang xét) Các lực cần tổng hợp là ΣT chống trượt = GG- tổng lực thẳng đứng; ΣT chống trượt = GP- tổng lực nằm ngang; ΣT chống trượt = GM- tổng moomen đối với tâm mặt cắt

BẢNG TÍNH NGOẠI LỰC TÁC DỤNG LÊN MẶT CẮT 0-0

TT H cộtnước H chữnhật H tamgiác H bùncát B B1 B2 V P Tay đòn Mômen

Tên lực Giá trị Mômen

TT H cộtnước H chữnhật H tamgiác H bùncát B B1 B2 V P Tay đòn Mômen

Tên lực Giá trị Mômen

TT H cộtnước H chữnhật H tamgiác H bùncát B B1 B2 V P Tay đòn Mômen

BẢNG TÍNH NGOẠI LỰC TÁC DỤNG LÊN MẶT CẮT 3-3

TT H cộtnước H chữnhật H tamgiác H bùncát B B1 B2 V P Tay đòn Mômen

TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TẠI BIÊN ĐẬP

BẢNG TÍNH ỨNG SUẤT TẠI NHỮNG ĐIỂM BẤT KỲ TRÊN MẶT CẮT 0-0

BẢNG TÍNH ỨNG SUẤT TẠI NHỮNG ĐIỂM BẤT KỲ TRÊN MẶT CẮT 2-2

BẢNG TÍNH ỨNG SUẤT TẠI NHỮNG ĐIỂM BẤT KỲ TRÊN MẶT CẮT 4-4 Điểm X(m) a 2 b 2 yi a 1 b 1 c 1 τ i a 3 b 3 xi N 1 N 2 T

3 Tính ứng suất biên trên từng mặt cắt

a) Ứng suất pháp:

2 06

B

M B

Trong đó: y''  trị số ứng suất pháp y tại biên hạ lưu;

2  góc giữa mái hạ lưu đập và phương thẳng đứng;

c) Ứng suất pháp x :

2 '

)'

' '



tg y

- Biên hạ lưu: N2"  0

2 2