Chuyên đề Kỹ thuật tính thấm và xử lý thấm qua đập và nền Hồ chứa nước IaM’la - Gia lai

ược cao trình đỉnh đập : Zđđ=212,39(m) Kiểm tra lại cao trình đỉnh đập ứng với tần suất lũ kiểm tra: Mục đích của việc kiểm tra này là đảm bảo khi có lũ kiểm tra, nước không tràn qua đỉnh đập. Cao trình đỉnh đập phải thoả mãn điều kiện lớn hơn MNDGC ứng với tần suất lũ kiểm tra. Tính toán điều tiết lũ ứng với tần suất lũ kiểm tra ta có: Btr=15m MNLTK=211.443(m) MNLTK+a’= 211.443+0,4=211,843 m < Zdd =212.39m Vậy điều kiện trên được thoả mãn. Cao trình đỉnh đập tính toán là phù hợp. Bề rộng đỉnh đập: Chọn bề rộng đỉnh đập là B=5m, mặt đỉnh đập làm dốc về 2 phía với độ dốc 2%để nước trên mặt đập do mưa hoặc do sóng có thể dễ dàng chảy xuống. Trên bề mặt đập có dải một lớp dăm cuội sỏi bảo vệ dày 30cm. Mái và cơ đập: Ta bố trí một cơ ở cao trình +198m ở cả hai mái thượng và hạ lưu, chiều rộng cơ lấy bằng 4m, hệ số mái từ đỉnh đập đến cao trình cơ là m=2,5; từ cao trình cơ đến chân mái thượng lưu là 3,5. Bố trí thiết bị chống thấm cho thân đập bằng tường lõi có hệ số thấm nhỏ, chống thấm cho nền đập bằng cách đắp chân khay xuống đến tầng không thấm. Hệ số mái của tường lõi chọn là 0,35. tính toán thấm qua đập đất. Mục đích và các trường hợp tính thấm: Mục đích tính thấm: Do chịu tác động của cột nước thượng lưu nên trong thân đập và nền sẽ xuất hiện dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu gây mất ổn định cho công trình và gây tổn thất về lưu lượng. Tính toán thấm nhằm giải quyết những vấn đề sau: -Xác định lưu lượng dòng thấm qua thân đập và qua nền. Trên cơ sở đó tìm lượng nước tổn thất của hồ do thấm gây ra và có biện pháp phòng chống thấm thích hợp. -Xác định vị trí đường bão hoà, từ đó tìm được áp lực thấm dùng trong tính toán ổn định của mái đập. -Xác định gradien thấm ( hoặc lưu tốc thấm) của dòng chảy trong thân, nền đập, nhất là ở chỗ dòng thấm thoát ra ở hạ lưu để kiểm tra hiện tượng xói ngầm, chảy đất và xác định kích thước, cấu tạo của tầng lọc ngược. Các trường hợp tính toán: Theo tài liệu ‘Quy phạm thiết kế đập đất đầm nén QPVN 11-77’, tính thấm qua đập đất theo các trường hợp sau: -Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước min(TH1) -Thượng lưu là MNLTK, hạ lưu là mực nước tương ứng.(TH2) -Thượng lưu mực nước hạ thấp từ mực nước bình thường đến mực nước thấp nhất trong thời gian khai thác và hạ lưu có mực nước thấp nhất. Trong phạm vi của đồ án ta tính thấm cho 2 trường hợp đầu. Các mặt cắt tính toán : Xét các mặt cắt đại biểu: -Mặt cắt lòng sông -Mặt cắt sườn đồi (2 mặt cắt). Xác định lưu lượng thấm và đường bão hoà thấm cho các mặt cắt từ đó tính tổng lưu lượng thấm qua đập. Phương pháp tính thấm: Ta sử dụng phương pháp phân đoạn để tính thấm. Xét đập có lõi giữa hình thang, có hệ số mái dốc là 0.35. Mái hạ lưu của lõi giữa ta bố trí ống khói thoát nước để dẫn nước về hạ lưu tránh cho khối đập hạ lưu tiếp xúc với nước, đảm bảo ổn định cho khối hạ lưu đập. Đập được chia thành 2 đoạn:phần thượng lưu đập và lõi giữa. Tính toán thấm qua phần đập thượng lưu ta dùng phương pháp biến đổi mái thượng lưu thành thẳng đứng. Xác định lưu lượng thấm qua thân đập, ta biến đổi mái thượng lưu từ mái nghiêng về mái thẳng đứng bằng cách thay tam giác thượng lưu bằng một hình chữ nhật rộng DL, đảm bảo lưu lượng thấm không thay đổi. Dựa trên phân tích cơ học chất lỏng và kinh nghiệm C.K.Mikhaylop đưa ra công thức tính DL như sau : DL= Trong đó: m: Hệ số mái thượng lưu h1:Cột nước thượng lưu trước đập Theo thiết kế đập đất của Nguyễn Xuân Trường, nếu nền đập có hai hệ số thấm khác nhau mà độ chênh lệch giữa chúng >100 thì ta coi như lớp này không thấm so với lớp kia. Do điều kiện địa chất ở khu vực này ta thấy lớp đá phong hoá hoàn toàn ở nền đập có hệ số thấm K=10-4(cm/s); đất lớp 1 ở phía trên có hệ số thấm là 5x10-2 và lần do đó ta có thể bỏ qua tính thấm cho lớp đá PHHT. Tính toán thấm cho các mặt cắt : Mặt cắt lòng sông: Trường hợp MNDBT: Sơ đồ và số liệu tính toán : Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt lòng sông –MNDBT -Zđđ=212.39m -MNDBT=206.9m -MNHL=+184(MNHLmin) -Hệ số thấm: Kl=3x10-5(cm/s) Kđ=5x10-4(cm/s) Kn=5x10-2(cm/s) lớp đất 1. - Zđáy=184m h1=206,9-184=22,9(m) -Với phân đoạn 1:Theo tài liệu thiết kế đập đất của Nguyễn Xuân Trường ta có: Lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức: qđ=Kđ. Trong đó: h1:Cột nước trước đập h3:Cột nước thượng lưu của tường lõi DL===11,625m l1=2,5.(210,59-206,9)-0,35[210,59-(h3+184)]=0,35h3-0,082 q=5.10-6.=2,5.10-6 T:Chiều dày tầng thấm của nền. Với mặt cắt lòng sông, lớp đất nền là lớp 1 với chiều dày là 5m Bố trí chân khay cùng một lớp đất với tường lõi và có chiều dày chân khay là 5m. -Với phân đoạn 2: Lưu lượng thấm qua tường lõi được xác định theo công thức: q=Kl. Trong đó: h4: Chiều cao cột nước ở hạ lưu tường lõi :Chiều dày trung bình của tường lõi và chân khay Thay số: q=3.10-7.0,0123.10-6.(h3+h4+10)(h3-h4) Vì nước thấm qua tường lõi đi theo ống khói về hạ lưu nên ta có thể áp dụng phương trình tính lưu lượng theo đường làm với độ dốc mái tường lõi độ dốc 1:0.5(đường này gần như trùng với đường đẳng thế và chia tường lõi thành 2 đoạn để tính toán ). Do MNHL=184m(Tra quan hệ Q~H tuyến đập ứng với Qmim) nên chân khay bị ngập dưới nước. Ta chia phần hạ lưu của tường lõi thành 2 phần : phần nằm trên MNHL và phần nằm dưới MNHL Viết phương trình cho 2 phần này ta được: q=Kl. Trong đó: m2: Hệ số mái hạ lưu tường lõi (m2=0,3) h2: Cột nước hạ lưu đập (so với đáy chân khay) h2=184-179=5m thay số: =0,234 Vậy : q=3.10-7=0,375.10-6.h4.(1+) Ta có hệ 3 phương trình 3 ẩn sau: q =2,5.10-6 q=0,0123.10-6.(h3+h4+10)(h3-h4) q=0,375.10-6.h4.(1+) Giải hệ phương trình này ta được kết quả sau: q=5,85.10-6(m2/s) h3=22,086m h4=11,08m Phương trình đường bão hoà trong phân đoạn thượng lưu được xác định theo công thức: y=. Thay số ta có: y== Trường hợp MNDGC: Sơ đồ và số liệu tính toán : Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt lòng sông MNDGC -Zđđ=212.39m - MNGC=210.19m - MNHL=+190,44(MNHLmax) - Hệ số thấm: Kl=3x10-5(cm/s) Kđ=5x10-4(cm/s) Kn=5x10-2(cm/s) - Zđáy=184m -h1=210,19-184=26,19(m) -Với phân đoạn 1:Theo tài liệu thiết kế đập đất của Nguyễn Xuân Trường ta có: +Lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức: qđ=Kđ. Trong đó: h1:Cột nước trước đập h3:Cột nước thượng lưu của tường lõi DL===13m L1=2,5.(210,59-206,9)-0,35[210,59-(h3+184)]=0,35h3-0,082 qđ=5.10-6.=2,5.10-6 T:Chiều dày tầng thấm của nền. Bố trí chân khay cùng một lớp đất với tường lõi và có chiều dày chân khay là 5m. -Với phân đoạn 2: Lưu lượng thấm qua tường lõi được xác định theo công thức: q=Kl. Trong đó: h4: Chiều cao cột nước ở hạ lưu tường lõi :Chiều dày trung bình của tường lõi và chân khay Thay số: q=3.10-7.0,0123.10-6.(h3+h4+10)(h3-h4) Do MNHL=190,44m(Tra quan hệ Q~H tuyến đập ứng với Qmax) nên chân khay bị ngập dưới nước. Ta chia phần hạ lưu của tường lõi thành 2 phần : phần nằm trên MNHL và phần nằm dưới MNHL Viết phương trình cho 2 phần này ta được: q=Kl. Trong đó: m2: Hệ số mái hạ lưu tường lõi (m2=0,3) h2: Cột nước hạ lưu đập (so với đáy chân khay) h2=190,44-179=11,44m thay số: =0,234 Với ao=h4-6,44 ta có: q=3.10-7=0,375.10-6.(h4 -6,44).(1+) Ta có hệ 3 phương trình 3 ẩn sau: q=2,5.10-6 q= 0,0123.10-6.(h3+h4+10)(h3-h4) q= 0,375.10-6.(h4 -6,44).(1+) Giải hệ phương trình này ta được kết quả sau: q=5,67.10-6(m2/s) h3=25,39m h4=16,5m Phương trình đường bão hoà trong phân đoạn thượng lưu được xác định theo công thức: y=. Thay số ta có: y== Mặt cắt sườn đồi 1 –1: Trường hợp MNDBT: Sơ đồ và số liệu tính toán : Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt sườn đồi -MNDBT Zđđ=212.39m MNGC=206,9m MNHL=+184(MNHLmin) Hệ số thấm: Kl=3x10-5(cm/s) Kđ=5x10-4(cm/s) Kn=5x10-3(cm/s) lớp đất 4 Zđáy=189,52m h1=206,9-189,52=17,38(m) -Với phân đoạn 1:Theo tài liệu thiết kế đập đất của Nguyễn Xuân Trường ta có: +Lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức: qđ=Kđ. Trong đó: h1:Cột nước trước đập h3:Cột nước thượng lưu của tường lõi DL===8,28m L1=2,5.(210,59-206,9)-0,35[210,59-(h3+189,52)]=0,35h3+1,85 qđ=5.10-6.=2,5.10-6 T:Chiều dày tầng thấm của nền. Với mặt cắt sườn đồi, lớp đất nền là lớp 4 với chiều dày là 2,5m Bố trí chân khay cùng một lớp đất với tường lõi và có chiều dày chân khay là 2,5m. -Với phân đoạn 2: Lưu lượng thấm qua tường lõi được xác định theo công thức: q=Kl. Trong đó: h4: Chiều cao cột nước ở hạ lưu tường lõi :Chiều dày trung bình của tường lõi và chân khay d=12,43m Thay số: q=3.10-7.0,012.10-6.(h3+h4+5)(h3-h4) -Viết phương trình nêm hạ lưu: q=Kl. Trong đó: m2: Hệ số mái hạ lưu tường lõi (m2=0,3) Vậy : q=3.10-7=0,375.10-6.h4 Ta có hệ 3 phương trình 3 ẩn sau: q=2,5.10-6 q= 0,012.10-6.(h3+h4+5)(h3-h4) q= 0,375.10-6.(h4+2,5) Giải hệ phương trình này ta được kết quả sau: q=3,4.10-6 (m2/s) h3=16,81m h4=6,8m Phương trình đường bão hoà trong phân đoạn thượng lưu được xác định theo công thức: . Thay số ta có: = Trường hợp MNDGC(Mặt cắt1-1) Sơ đồ và số liệu tính toán : Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt sườn đồi, MNDGC Zđđ=212.39m MNGC=210,19m MNHL=+190,44(MNHLmax) Hệ số thấm: Kl=3x10-5(cm/s) Kđ=5x10-4(cm/s) Kn=5x10-3(cm/s) lớp đất 4 Zđáy=189,52m h1=210,19-189,52=20,67(m) -Với phân đoạn 1:Theo tài liệu thiết kế đập đất của Nguyễn Xuân Trường ta có: +Lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức: qđ=Kđ. Trong đó: h1:Cột nước trước đập h3:Cột nước thượng lưu của tường lõi DL===9,654m L1=2,5.(210,59-206,9)-0,35[210,59-(h3+189,52)]=0,35h3+1,85 qđ=5.10-6.=2,5.10-6 T:Chiều dày tầng thấm của nền. Với mặt cắt sườn đồi, lớp đất nền là lớp 4 với chiều dày là 2,5m Bố trí chân khay cùng một lớp đất với tường lõi và có chiều dày chân khay là 2,5m. -Với phân đoạn 2: Lưu lượng thấm qua tường lõi được xác định theo công thức: q=Kl. Trong đó: h4: Chiều cao cột nước ở hạ lưu tường lõi :Chiều dày trung bình của tường lõi và chân khay d=12,43m Thay số: q=3.10-7.0,012.10-6.(h3+h4+5)(h3-h4) Do MNHL=190,44m(Tra quan hệ Q~H tuyến đập ứng với Qmax) nên một phần ống khói bị ngập dưới nước. Ta chia phần hạ lưu của tường lõi thành 2 phần : phần nằm trên MNHL và phần nằm dưới MNHL Viết phương trình cho 2 phần này ta được: q=Kl. Trong đó: m2: Hệ số mái hạ lưu tường lõi (m2=0,3) h2: Cột nước hạ lưu đập (so với đáy chân khay) h2=190,44-187,02=3,42m thay số: =0,234 q=3.10-7=0,375.10-6.(h4 -0,92).(1+) Ta có hệ phương trình: q=2,5.10-6 q=0,012.10-6.(h3+h4+5)(h3-h4) q=0,375.10-6.(h4 –0,92).(1+) Giải hệ phương trình này ta được kết quả sau: q=4,3.10-6(m2/s) h3=19,96m h4=9,52m Phương trình đường bão hoà trong phân đoạn thượng lưu được xác định theo công thức: . Thay số ta có: = Mặt cắt sườn đồi 2-2: Trường hợp MNDBT Sơ đồ và số liệu tính toán : Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt sườn đồi -MNDBT Zđđ=212.39m MNDBT=206.9m MNHL=+184(MNHLmin) Hệ số thấm: Kl=3x10-5(cm/s) Kđ=5x10-4(cm/s) Kn=5x10-3(cm/s) đất lớp 4 Zđáy=193,12m h1=206,9-193,12=13,78(m) Trường hợp này do đáy đập đặt trên mực nước hạ lưu nên hạ lưu không có nước. -Với phân đoạn 1:Theo tài liệu thiết kế đập đất của Nguyễn Xuân Trường ta có: +Lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức: qđ=Kđ. Trong đó: h1:Cột nước trước đập h3:Cột nước thượng lưu của tường lõi DL===7m L1=2,5.(210,59-206,9)-0,35[210,59-(h3+193,12)]=0,35h3+3.11 qđ=5.10-6.=2,5.10-6 T:Chiều dày tầng thấm của nền. Với mặt cắt sườn đồi, lớp đất nền là lớp 4 với chiều dày là 3m Bố trí chân khay cùng một lớp đất với tường lõi và có chiều dày chân khay là 3m. -Với phân đoạn 2: Lưu lượng thấm qua tường lõi được xác định theo công thức: q=Kl. Trong đó: h4: Chiều cao cột nước ở hạ lưu tường lõi :Chiều dày trung bình của tường lõi và chân khay d=10,55m Thay số: q=3.10-7.0,0142.10-6.(h3+h4+6)(h3-h4) Vì nước thấm qua tường lõi đi theo ống khói về hạ lưu nên ta có thể áp dụng phương trình tính lưu lượng theo đường làm với độ dốc mái tường lõi độ dốc 1:0.5(đường này gần như trùng với đường đẳng thế và chia tường lõi thành 2 đoạn để tính toán ). q=Kl. Trong đó: m2: Hệ số mái hạ lưu tường lõi (m2=0,3) Vậy : q=3.10-7=0,375.10-6.(h4+3) Ta có hệ 3 phương trình 3 ẩn sau: q =2,5.10-6 q=0,0142.10-6.(h3+h4+6)(h3-h4) q=0,375.10-6.(h4+3) Giải hệ phương trình này ta được kết quả sau: q=2,9.10-6 (m2/s) h3=13,26m h4=4,74m Phương trình đường bão hoà trong phân đoạn thượng lưu được xác định theo công thức: . Thay số ta có: Trường hợp MNDGC Sơ đồ và số liệu tính toán : Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt sườn đồi -MNDGC Zđđ=212.39m MNDGC=210.19m MNHL=+190,44(MNHLmax) Hệ số thấm: Kl=3x10-5(cm/s) Kđ=5x10-4(cm/s) Kn=5x10-3(cm/s) Zđáy=193,12m h1=210,19-193,12=17,07(m) Hạ lưu không có nước: -Với phân đoạn 1:Theo tài liệu thiết kế đập đất của Nguyễn Xuân Trường ta có: +Lưu lượng thấm qua đập được xác định theo công thức: qđ=Kđ. Trong đó: h1:Cột nước trước đập h3:Cột nước thượng lưu của tường lõi DL===8,36m L1=2,5.(210,59-206,9)-0,35[210,59-(h3+193,12)]=0,35h3+3,11 qđ=5.10-6.=2,5.10-6 T:Chiều dày tầng thấm của nền. Với mặt cắt sườn đồi, lớp đất nền là lớp 4 với chiều dày là 3m Bố trí chân khay cùng một lớp đất với tường lõi và có chiều dày chân khay là 3m. -Với phân đoạn 2: Lưu lượng thấm qua tường lõi được xác định theo công thức: q=Kl. Trong đó: h4: Chiều cao cột nước ở hạ lưu tường lõi :Chiều dày trung bình của tường lõi và chân khay d=10,55m Thay số: q=3.10-7.0,0142.10-6.(h3+h4+6)(h3-h4) Vì nước thấm qua tường lõi đi theo ống khói về hạ lưu nên ta có thể áp dụng phương trình tính lưu lượng theo đường làm với độ dốc mái tường lõi độ dốc 1:0.5(đường này gần như trùng với đường đẳng thế và chia tường lõi thành 2 đoạn để tính toán ). q=Kl. Trong đó: m2: Hệ số mái hạ lưu tường lõi (m2=0,3) Vậy : q=3.10-7=0,375.10-6.(h4+3) Ta có hệ 3 phương trình 3 ẩn sau: q =2,5.10-6 q=0,0142.10-6.(h3+h4+6)(h3-h4) q=0,375.10-6.(h4+3) Giải hệ phương trình này ta được kết quả sau: q=3,8.10-6(m2/s) h3=16,4m h4=7,2m Phương trình đường bão hoà trong phân đoạn thượng lưu được xác định theo công thức: . Thay số ta có: = KIểm tra ổn định thấm thân đập: Với [Jk] theo phụ lục 3- bảng P3-3 Đồ án môn học thuỷ công, đối với công trình cấp III, đất ásét ta có: [Jk]=1,25 Với thân đập cần đảm bảo điều kiện: Jkđ [Jk]đ Đoạn trước tường lõi: Jkđ= Tính toán ta có kết quả sau: Bảng kết quả tính Jk ứng với trường hợp MNDBT Mặt cắt h1 h3 l1 Jk Lòng sông 22.9 22.08 7.646 0.107 1-1 17.38 16.81 7.734 0.074 2-2 13.78 13.26 7.751 0.067 Bảng kết quả tính Jk ứng với trường hợp MNDGC Mặt cắt h1 h3 l1 Jk Lòng sông 26.19 25.39 8.805 0.09 1-1 20.67 19.96 8.836 0.08 2-2 17.07 16.4 8.85 0.075 Đoạn tường lõi: Jkđ= Bảng kết quả tính Jk ứng với trường hợp MNDBT tính cho đoạn lõi Mặt cắt h3 h4 Jk Lòng sông 22.08 11.08 12.17 0.903 1-1 16.81 6.8 12.43 0.805 2-2 13.26 4.74 10.55 0.808 Bảng kết quả tính Jk ứng với trường hợp MNDGC tính cho đoạn lõi Mặt cắt h3 h4 Jk Lòng sông 25.39 16.5 12.17 0.73 1-1 19.96 9.55 12.43 0.837 2-2 16.4 7.4 10.55 0.85 Như vậy cả hai đoạn này đều đảm bảo ổn định thấm. Tính tổng lượng nước thấm qua đập: Tổng lưu lượng nước thấm của đập là lượng nước thấm qua đập trong một đơn vị thời gian. Chia đập làm nhiều đoạn nhỏ, sao cho trong mỗi đoạn có những đặc trưng về thấm gần như nhau. Khi đó tổng lưu lượng thấm được xác định theo công thức: Q= [q1.l1+ (q1+q2).l2+. . .+ (qn-2+qn-1).ln-1 + qn-1.ln] Trong đó: q1,q2,qn-1:Lưu lượng thấm đơn vị tại mặt cắt chọn tính toán . l1,l2,ln-1:Chiều dài của các đoạn tương ứng. Ta chọn tính với 4 đoạn, kết quả tính toán như sau: Trường hợp l1 q1 l2 q2 l3 q3 l4 Q m 10-6 (m3/s.m) m 10-6 (m3/s.m) m 10-6 (m3/s.m) m 10-6 (m3/s) MNDBT 99.18 3.4 44 5.85 74.49 2.9 107.65 854.09 Lượng thấm mất nước lớn nhất trong một tháng của hồ: Vt=Qt.=854,09.10-6.30.24.3600=2213,8(m3) Lượng thấm mất nước trong một tháng của hồ chứa phải nhỏ hơn lượng mất nước cho phép đã định trong phần tính điều tiết hồ chứa. Vcp=1%.Vhồ =0,01.26,143.106=26,143.104(m3) Vậy ta thấy lượng thấm mất nước thực tế của hồ nhỏ hơn nhiều so với lượng thấm mất nước cho phép. Do đó đập đảm bảo độ bền thấm. tính toán ổn định đập đất. Mục đích- nguyên lí và các trường hợp tính toán: Mục đích: Đập đất là công trình chắn nước có mặt cắt ngang hình thang, mái dốc tương đối thoải, trọng lượng rất lớn nên rất khó có thể bị đẩy trượt ngang. Song mái đập có thể bị trượt, có khi kéo theo cả một phần nền.Bởi vậy, cần kiểm tra ổn định chống trượt của mái đập và nền. Trường hợp tính toán: Dựa vào đặc điểm làm việc của đập đất, cần tính toán ổn định của đập đất trong các trường hợp sau: -Thời kì thi công và đập vừa xây xong. -Khi hồ đã chứa đầy nước với các mực nước thượng hạ lưu khác nhau. -Khi mực nước trong hồ chứa rút nhanh( đột ngột). Trong phạm vi của đồ án này ta chỉ tính toán ổn định cho mái hạ lưu, mặt cắt lòng sông, trường hợp hồ có MNLTK. Nguyên lý tính toán: Tính toán ổn định mái đập theo phương pháp vòng cung trượt với các giả thiết sau: -Coi mặt trượt là mặt trụ tròn, xem khối trượt là vật thể rắn, áp lực thấm được chuyển ra ngoài thành áp lực thuỷ tĩnh tác dụng vào mặt trượt và hướng vào tâm cung trượt. -Hiện tượng trượt xảy ra nhanh chóng và đồng thời theo suốt chiều dài mặt dọc đập. -Giải theo bài toán phẳng. Tính ổn định mái hạ lưu đập: Tìm vùng có tâm trượt nguy hiểm: Dựa vào phương pháp kinh nghiệm của Filennit: Tâm trượt nguy hiểm nhất nằm ở lân cận đường MM1 thể hiện trên hình vẽ. Vị trí của M và M1 được xác định như sau: -M:Có vị trí dưới nền đập, cách chân hạ lưu một khoảng là 4,5H về phía thượng lưu và cách đáy đập một khoảng là H.(H là chiều cao đập) -M1: Từ điểm A ở đầu đập, vẽ đường thẳng hợp với mặt đập một góc .Từ điểm B vẽ đường thẳng hợp với mái đập một góc . Các giá trị của và được xác định theo bảng 4-1 giáo trình thuỷ công tập 1. Với m=3 ta có: =35° ; =25° Trên đường MM1 ta lấy các điểm O1, O2, O3, vẽ các cung trượt cùng đi qua điểm B ở chân đập. Từ đó tính giá trị K tương ứng với mỗi điểm, vẽ đường cong biểu diễn của các giá trị K đó. Đường cong này sẽ cho một trị số nhỏ hơn cả tương ứng với một điểm O nào đấy. Qua điểm này ta kẻ một đường thẳng góc với MM1. Trên đường này ta tiếp tục lấy các điểm O4, O5, O6 làm tâm vẽ các cung tròn đi qua điểm B và cũng theo cách xác định như trên tìm được trị số K nhỏ nhất so với các trị số khác của các vòng tròn đi qua B. Ta có :Hđ=Zđđ-Zđáy=212,39-184=28,39m 4,5.Hđ=4,5.28,39=127,76m Xác định hệ số an toàn cho một cung trượt bất kì: Chia khối trượt thành các dải có chiều rộng b. Hệ số an toàn K được xác định theo công thức sau: K= Trong đó: n,Cn: Góc ma sát trong và lực dính đơn vị ở đáy dải thứ n ln:Bề rộng đáy dải thứ n; ln= Wn: áp lực thấm ở đáy dải thứ n Wn=.hn.ln hn: Chiều cao cột nước từ đường bão hoà đến đáy dải. Nn; Tn: thành phần lực pháp tuyến và tiếp tuyến của trọng lượng dải Gn Nn=Gn.cos Tn=Gn.sin Gn=b.(.hi)n hi: chiều cao phần dải có dung trọng tương ứng là h0: chiều cao phần dải tương ứng với đất đắp đập ở trạng thái tự nhiên h1: chiều cao phần dải tương ứng với đất đắp đập ở trạng thái bão hoà h2: chiều cao phần dải tương ứng với đất nền ở trạng thái bão hoà hn được xác định theo công thức: hn=h1+h2 : Đối với đất ở trên đường bão hoà lấy với dung trọng tự nhiên, dưới đường bão hoà lấy với dung trọng bão hoà. sin= cos= n: Số thứ tự giải. Các kết quả được thể hiện ở các bảng sau: Sơ đồ tính ổn định mái hạ lưu cung trượt O1 Sơ đồ tính ổn định mái hạ lưu cung trượt O2 Sơ đồ tính ổn định mái hạ lưu cung trượt O3 Sơ đồ tính ổn định mái hạ lưu cung trượt O4 Sơ đồ tính ổn định mái hạ lưu cung trượt O5 Đánh giá tính hợp lí của mái: Mái đập đảm bảo an toàn về trượt khi thoả mãn các điều kiện sau: Kmin Trong đó: [K]: Hệ số an toàn cho phép về ổn định mái của đập đất. [K] phụ thuộc vào cấp công trình và tổ hợp tải trọng. Theo bảng P1-7 phụ lục 1 Đồ án môn học thuỷ công, với công trình cấp III và tổ hợp tải trọng đặc biệt ta có : [K]=1,1. Tuy nhiên để đảm bảo điều kiện kinh tế cần khống chế: Kmin1,15[K] Mái được gọi là hợp lí nếu thoả mãn đồng thời cả hai điều kiện trên. Qua tính toán ta thấy Kmin =1,12 Vậy 1,1< Kmin =1,12 < 1,15.1,1=1,265. Mái được thiết kế hợp lí. Chọn cấu tạo đập. Bảo vệ mái: Mái thượng lưu: Do đất đắp đập có tính chất đặc biệt như co ngót, trương nở, tan rã nên bề mặt tiếp xúc trực tiếp với nước cần phải có biện pháp làm hạn chế những tính chất đặc biệt này của đất. Mái thượng lưu đập thường xuyên tiếp xúc với nước nên ta phải có biện pháp bảo vệ mái .Các hình thức bảo vệ mái thượng lưu chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố của sóng và khả năng cung cấp vật liệu. Mái đập phía thượng lưu được bảo vệ bằng các khối đá xây có chiều dày 25cm, dưới lớp đá là tầng lọc ngược bao gồm lớp dăm dày 15cm và cát lọc dày 15cm. Phía dưới lớp bảo vệ là lớp gia tải đắp bằng các sản phẩm đất đá đào từ hố móng tràn đầm chặt, chiều dày lớp gia tải trên đỉnh t=1m; chân đập t=3m (Theo kinh nghiệm của các đập tương tự) để đảm bảo chống được sự trương nở của lớp đất bên trong. Mái hạ lưu: Cần được bảo vệ chống xói do nước mưa gây ra, chọn hình thức trồng cỏ bảo vệ. Trên mái cần đào các rãnh nhỏ, trong rãnh bỏ đá dăm để tập trung nước mưa. Sơ đồ trồng cỏ mái hạ lưu Thiết bị thoát nước: Do có sự chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu nên trong thân đập xuất hiện dòng thấm, dòng thấm này có thể gây ra hiện tượng bất lợi như: trôi đất, xói mòn, sạt lở mái đập dẫn đến phá huỷ đập. Do đó ta phải bố trí thiết bị thoát nước để đưa nước ra hạ lưu được an toàn đảm bảo ổn định cho đập đất. Do khối hạ lưu của đập đất được đắp bởi đất lớp 5 là loại đất có tính tan rã và trương nở lớn khi tiếp xúc với nước nên để tránh hiện tượng này ta bố trí ống khói thoát nước ở hạ lưu tường lõi để dòng thấm sau khi ra hạ lưu của tường lõi sẽ theo ống khói thoát nước về hạ lưu đập, đảm bảo khối hạ lưu đập luôn khô ráo.Vật liệu làm ống khói là cát-sỏi. Để tiêu nước thấm trong thân đập ra hạ lưu, dùng thiết bị thoát nước hạ lưu kiểu áp mái. Thiết bị chống thấm: Do đất đắp đập và nền có hệ số thấm khá lớn nên cần có thiết bị chống thấm cho thân đập và nền đập. Các thiết bị chống thấm này có tác dụng làm hạ thấp đường bão hoà trong thân đập, giảm gradient thấm và giảm lưu lượng nước thấm qua thân đập và nền. Đối với thân đập: Bố trí tường lõi ở giữa đập, tường lõi được đắp bằng đất lớp 2. Đây là lớp có hệ số thấm nhỏ. Chọn hệ số mái của tường lõi là m=0,35. Đối với nền đập: Do đất nền - lớp 1- là lớp cát nên có hệ số thấm lớn do đó ta cần có biện pháp xử lí để giảm tính thấm qua nền đập. Dùng biện pháp đào chân khay đến lớp đá phong hoá để giảm tính thấm qua nền đập. Chương VI Thiết kế cống lấy nước bố trí cống Nhiệm vụ: Cống lấy nước dưới đập sau khi xây dựng xong có nhiệm vụ lấy nước từ hồ chứa để tưới cho 5150ha, cấp nước sinh hoạt cho khoảng 36000 dân cư sinh sống trong vùng dự án. Cấp công trình : Cấp III. Vị trí tuyến cống: Do diện tích tưới nằm chủ yếu ở bên phải sông Mla nên cống lấy nước được đặt ở bờ phải của tuyến đập. Đáy cống được đặt trên nền đá nên tăng tính ổn định cho cống. Bố trí cống: Vật liệu làm cống là thép và BTCT, mặt cắt cống là thép tròn có hành lang bêtông cốt thép. Dùng tháp van để khống chế lưu lượng. Trong tháp van có bố trí van công tác và van sửa chữa. Vị trí đặt tháp van sơ bộ chọn ở giữa mái đập thượng lưu tại vị trí đặt cống. Do cống có nhiệm vụ cấp nước tưới nên mực nước thượng lưu thay đổi từ MNDBT đến MNC do đó ta phải đặt cống ở một độ sâu nhất định. Cao trình ngưỡng cống được chọn đảm bảo yêu cầu tươí tự chảy và đưa nước xuống khu tưới được thuận. Từ vị trí đặt cống và mặt cắt đập đất đã có ta sơ bộ bố trí cống như sau: Chiều dài cống: L=98m. Cống được chia làm 2 đoạn: +Đoạn trước tháp cống từ cửa vào đến tháp van dài L1=30m bằng BTCTM200 có tiết diện hình chữ nhật với kích thước BxH=(1,6x2)m +Đoạn sau tháp cống dài L2=55m bằng ống thép đặt trong hành lang kiểm tra bằng BTCT M200 dạng vòm . Các tài liệu cơ bản dùng trong tính toán cống: Tài liệu địa hình tuyến cống. Tài liệu địa chất tuyến cống. MNC=196,8m MNHL=194,33m Qtk=2,75m3/s thiết kế kênh hạ lưu: Do điều kiện địa chất của khu vực, để kênh làm việc đảm bảo tính kinh tế và kĩ thuật ta chọn hình thức kênh dẫn nước hạ lưu sau cống là kênh hộp chữ nhật. Thiết kế kênh hạ lưu với : -Độ dốc đáy kênh: i=0,0003 -Độ nhám lòng kênh: n=0,017 -Hệ số mái m=0 Sơ bộ chọn chiều rộng của kênh hạ lưu là b=2m. Tính độ sâu hoứng với Qtk theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực. Ta có: f(Rln)===0,05 Tra phụ lục 8-1 bảng tra thuỷ lực Rln=0,66 h=2,6.0,66=1,7m Vậy mặt cắt kênh hạ lưu cống có kích thước: bxh=2x1,7(m) . tính toán khẩu diện cống: Trường hợp tính toán : Khẩu diện cống được tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ và lưu lượng lấy nước tương đối lớn. Tính khẩu diện cống với trường hợp hồ ở MNC, cống tháo với lưu lượng Qtk, hạ lưu là mực nước khống chế đầu kênh tưới. Bố trí các bộ phận: Ta thiết kế cống lấy nước có áp. Chia cống làm 2 đoạn để tính toán. Sơ bộ chọn các thông số của cống như sau: -Đoạn cống từ hồ đến khe van tháp cống bằng BTCT (cống hộp chữ nhật) có diện tích mặt cắt ướt là =bxh=(1,6x2)m +Độ dốc đáy cống: i=0,003 +Cao độ ngưỡng cống tại cửa vào: 193,8m +Cao độ ngưỡng cống tại tháp: 193.71m +Chiều dài cống:L=30m -Đoạn cống từ khe van tháp cống đến van côn là cống tròn bằng thép có có đường kính D=1,4m +Độ dốc đáy cống: i=0,003 +Cao độ ngưỡng cống tại tháp: 193,71m +Cao độ ngưỡng cống tại cửa ra: 193,54m +Chiều dài cống:L=55m Công thức tính toán: Giả thiết cống chảy có áp, lưu lượng lấy được qua cống khi mở van hoàn toàn được xác định như sau: Q= Trong đó:w: Diện tích mặt cắt tính toán, lấy theo mặt cắt cống tròn(trước vancôn). Zo: Cột nước công tác toàn phần Zo=Z+ Z: Cột nước công tác được xác định như sau: Z=MNC-MNHL Bỏ qua cột nước lưu tốc tới gần ta có: Z=Zo=196,8-194,33=2,47m m: Hệ số lưu lượng của cống, trường hợp mặt cắt cống thay đổi, m được xác định theo công thức: Trong đó: Kh= Với wh: Diện tích mặt cắt hạ lưu sau cống Ki= Với wi: Diện tích tính toán tương ứng với hệ số tổn thất cột nước xi. Các hệ số tổn thất cột nước của cống được xác định như sau: Tổn thất cửa vào: xcv:Hệ số tổn thất ở cửa vào. Tra Sổ tay KTTL với trường hợp cửa vào có mép cạnh tròn và lối vào thuận thì xcv=0,2 Tổn thất ở khe phai : xp: Hệ số tổn thất qua khe phai Bố trí cống gồm 2 khe phai với bề rộng mỗi khe là 0,15m bn: Chiều rộng khe phai b:Chiều rộng của cống trên phần bố trí cửa van Ta có : <0,1 .Theo QPTLC1-75 ta được xp=0,05 Tổn thất qua 2 khe phai: xp=2.0,05=0,1 Tổn thất qua khe van: xv: Hệ số tổn thất đối với khe van Gọi bv là chiều rộng của khe van Ta có: . Vậy xv=0,05 Vv: Vận tốc sau khe van được xác định theo công thức: Vv===0,86 Tổn thất qua lưới chắn rác: xl: Hệ số tổn thất qua lưới chắn rác Theo cẩm nang tính toán thuỷ lực ta có: xl=b.(1-)4/3.sina Chọn S=10mm, B=50mm, a=75°=2,42. Thay số ta có: xl =0,27 Vl: Vận tốc dòng chảy qua lưới chắn rác xác định theo công thức: Tổn thất qua phần thu hẹp: xth: Hệ số tổn thất tại chỗ thu hẹp được xác định theo công thức: xth=h(1-) ( Theo QPTL C1-75) w1 : Diện tích mặt cắt trước chỗ thu hẹp w1=1,6.2=3,2(m2) và w2: Diện tích mặt cắt sau chỗ thu hẹp w2=(m2) h: Hệ số phản ánh hình dạng phần thu hẹp (đoạn chuyển tiếp) ; Lấy h=0,5 xth=h(1-)=0,5.(1-=0,25 Tổn thất qua van côn: Chọn kiểu van nón có ; A=0,68D;a=50°, van mở hoàn toàn Tra QPTL C1-75 ta được xvc=0,52. Tổn thất dọc đường : Đoạn cống chữ nhật: xdd: Hệ số tổn thất dọc đường được xác định theo công thức: xdd = Trong đó: L: Chiều dài đoạn 1 của cống. R: Bán kính thuỷ lực. R ==(đoạn cống chữ nhật) C: Hệ số Sêdi. C== Thay số ta có: xdd1 = Đoạn cống thép tròn: Tổn thất dọc đường qua đoạn ống thép tròn được xác định theo công thức: xdd2 = Trong đó: L: Chiều dài đoạn 2 của cống. R: Bán kính thuỷ lực. R == C: Hệ số Sêdi. C== Thay số ta có: xdd2 = Thay vào công thức trên : (0,2+0,1+0,05+0,27+0,51).()2+0,25.()2+(0,52+0,63)()2 1,52 Thiết kế kênh dẫn nước hạ lưu sau cống là kênh hộp như trên với diện tích mặt cắt kênh hộp là: 2x1,7=3,4(m2). Vậy wh=3,4(m2) =0,64 Vậy ta có: Q=0,64.1,54.=6,86(m3/s) > Qtk Vậy cống đủ khả năng tháo lưu lượng thiết kế. 4.Kiểm tra điều kiện chảy có áp: -Theo QPTLC1-75, cống làm việc trong chế độ có áp ổn định khi: +Bố trí cửa van tại cửa ra. +Cửa cống đặt tại đầu vào, mở hoàn toàn và thoả mãn điều kiện: . Cửa vào thuận . Thoả mãn bất đẳng thức: Trong đó: xv: Hệ số tổn thất tại đầu vào bao gồm tổn thất qua khe phai, lưới chắn rác, cửa vào. xv=0,1+0,27+0,2=0,57 wv: Diện tích mặt cắt tại cống ngay sau cửa vào: wv=1,6.2=3,2(m2) Zv: Hiệu số cao độ mực nước thượng lưu ngay đầu cống và cao độ trần cống tại mặt cắt cuối đầu vào. Zv=196,8-(193,8+2)=1m Z : Cột nước tác dụng Thay số ta có: Vế trái = Vế phải ==1,54 Ta thấy 2,55>1,54 . Đẳng thức trên luôn đúng. Vậy cống thoả mãn điều kiện chảy có áp. tính toán tiêu năng sau cống: Chọn biện pháp tiêu năng: Vì hạ lưu cống đặt van côn nên ta dùng hình thức tiêu năng kiểu va đập, cho dòng nước va đập vào tường để tiêu hao năng lượng dòng chảy trước khi ra hạ lưu. Thiết kế buồng van côn: Thiết kế tiêu năng sau van công theo ‘Sổ tay tính toán thuỷ lực công trình tháo nước’ của Liên Xô. Dòng chảy trước khi đi ra kênh dẫn hạ lưu sẽ được tiêu hao một phần năng lượng trong buồng van côn. Buồng van côn gồm các thanh chắn đứng, thanh chắn ngang, tường chắn, tường phản xạ( như hình vẽ). Các thanh chắn phân bố quanh mép côn của van, ở cuối buồng bố trí một tường chắn nghiêng. Các kích thước của buồng tiêu năng được xác định như sau: Chiều cao của buồng van : H=3.D=3.1,4=4,2(m). D: Đường kính của ống thép. D=1,4m Khoảng cách từ cửa ra của van côn đến thanh chắn đứng: L=2.D=2.1,4=2,8m Khoảng cách từ cửa ra của van côn đến thanh chắn ngang là: 3.D=4,2m. Góc tạo bởi tường chắn và phương thẳng đứng là: 400 Chênh lệch từ đáy buồng tiêu năng đến đáy lòng dẫn là: 1,5D=1,5.1,4=2,1m Bề dày của thanh chắn ngang: 0,3.D=0,3.1,4=0,42m. Chọn t=0,5m. Bề dày của thanh chắn ngang: 0,3.D=0,3.1,4=0,42m. Chọn t=0,5m. Chiều rộng của buồng tiêu năng: B=3.D=3.1,4=4,2m. Chọn B=5m. Chiều dài đoạn bảo vệ: Lbv=7,3.D=7,3.1,4=10,22m. Sơ đồ buồng tiêu năng sau van côn Chọn cấu tạo cống: Hình thức cửa vào – cửa ra: Cửa vào và cửa ra cần đảm bảo yêu cầu nối tiếp thuận với kênh thượng, hạ lưu. Cửa vào: Thường bố trí tường hướng dòng mở rộng dần. Góc chụm của hai tường hướng dòng ở cửa vào lấy bằng 200; góc chụm ở cửa ra lấy bằng 100 để tránh hiện tượng tách dòng. Các tường cánh làm hạ thấp dần theo mái, cấu tạo cửa ra kết hợp với các thiết bị tiêu năng. Cửa ra: Thiết kế cống chảy có áp, bố trí van côn ở hạ lưu với hình thức tiêu năng theo kiểu buồng van côn. Năng lượng của dòng nước được tiêu hao bằng một tường tiêu năng . Thân cống: Mặt cắt cống: Mặt cắt cống được phân thành 2 đoạn: Đoạn cống trước tháp có tiết diện hình chữ nhật, kích thước là (1,6x2)m bằng BTCTM200, đổ tại chỗ. Mặt cắt ngang có kết cấu khung cứng thường làm vát các góc để tránh ứng suất tập trung. Chiều dày thành cống được xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo. Theo điều kiện chống thấm cần đảm bảo điều kiện: t Trong đó: H: Cột nước thấm lớn nhất tính với MNDBT H=196,8-193,8=3m [J]: Gradien cho phép về thấm của vật liệu. Với vật liệu làm cống là BTCT [J]=10. Vậy t0,3m Chọn chiều dày thành cống là 0,4m. Mặt cắt cống đoạn trước tháp Đoạn cống sau tháp có tiết diện hình tròn, đường kính Phân đoạn cống: Khi cống dài cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn để tránh rạn nứt do lún không đều, chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất nền và tải trọng trên cống. Phân đoạn cống ( đoạn trước tháp van) thành hai đoạn có chiều dài mỗi đoạn là 15m. Tại khe nối cần đặt thiết bị chống rò nước. Thiết bị chống rò bằng kim loại dùng cho tấm ngang và tấm đứng của cống hộp. Sơ đồ khớp nối ngang. Sơ đồ khớp nối đứng Nối tiếp thân cống với nền: Cống hộp được đổ trực tiếp trên lớp bêtông lót dày 10cm. Tháp van: Vị trí tháp van được bố trí ở phía thượng lưu đập. Trong tháp van thường bố trí van công tác và van sửa chữa sự cố. Mặt cắt ngang tháp van có dạng chữ nhật. Chiều dày tháp van được xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo. Phía trên tháp có nhà để đặt máy đóng mở và thao tác van. Bố trí cầu công tác để nối tháp van với đỉnh đập hoặc bờ. Chương VII: chuyên đề kỹ thuật Tính thấm và xử lý thấm qua đập và nền giới thiệu chung: Với các đập mà đất đắp có một số tính chất bất lợi như trương nở, tan rã mạnh trong nước thì phương án kết cấu đập nhiều khối được xem là hợp lí.Với đập IaM’la, khối chống thấm bố trí ở giữa đập có chiều dày không lớn, phía sau nó là thoát nước kiểu ống khói. Khi đó một nhiệm vụ quan trọng của tính toán thấm là kiểm tra độ bền thấm của toàn đập nói chung và đặc biệt là độ bền thấm cục bộ ở mặt tiếp giáp của các khối và ở phần cửa ra của dòng thấm từ đó có các biện pháp xử lí thích hợp. Ngoài ra, việc tính toán thấm cũng cần xác định lưu lượng thấm và vị trí đường bão hoà thấm trong thân đập. Phương pháp Tính toán thấm : Bài toán lí thuyết thấm: Đất được tạo thành bởi các hạt đất, các hạt đất tự sắp xếp với nhau tạo thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng, trong lỗ rỗng thường chứa nước và khí. Do đó, đất gồm 3 thành phần hợp thành: thể rắn, thể lỏng và thể khí. Dưới tác dụng của trọng lực, nước có thể xuyên qua lỗ rỗng trong đất để chuyển động. Dòng thấm của nước trong đất tuân theo định luật Đacxy được viết dưới dạng: V=K.j Trong đó: V: Vận tốc thấm K: hệ số thấm J:Độ dốc thuỷ lực Môi trường vận động của nước trong đất là môi trường ba pha. Ta không thể nghiên cứu sự vận động của nước trong các lỗ hổng hay khe nứt riêng biệt không có quy luật của đất mà chỉ xét cho dòng chất lỏng tượng trưng chứa đầy trong toàn bộ thể tích lỗ hổng và cốt rắn. Những đặc trưng của dòng thấm được thay thế bằng những giá trị trung bình của dòng chảy như: lưu tốc, áp lực, lưu lượng. Trong đó, lưu tốc trung bình mang giá trị tượng trưng và nhỏ hơn giá trị thực 1/n lần với n: độ rỗng của đất. Còn áp lực và lưu lượng có giá trị thực. Phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm ổn định: Kx. Kx,Ky: hệ số thấm theo phương x và y H: Cột nước áp lực. Các điều kiện biên: +Biên cột nước: HS1=H(x,y) +Biên lưu lượng : Các phương pháp tính toán thấm: Có rất nhiều phương pháp tính thấm khác nhau. Bên cạnh các mô hình toán học kết hợp với phương pháp tính toán, phương pháp giải các bài toán trên mô hình vật lí và thực nghiệm cũng giữ một vai trò quan trọng. Cụ thể, các phương pháp tính thấm bao gồm: Phương pháp giải tích: Phương pháp cơ học chất lỏng: +Các phương trình cơ bản: Trong bài toán phẳng thấm ổn định tuân theo định luật Darcy, các thành phần của vận tốc được xác định bởi: Vx=-kx. Vy=-ky. Trong đó: kx, ky là những hệ số thấm theo các phương x và y của một hệ trục toạ độ Đề các tuỳ chọn. h(x,y): là cột nước tại điểm xét ở môi trường đồng nhất, đẳng hướng, hệ số thấm k là một hằng số: kx =ky=k=const Công thức trên trở thành: Vx=-k. Vy=-k. Khi trong miền thấm không có điểm cấp nước cũng không có điểm thoát nước, dòng chảy thoả mãn phương trình liên tục: Ñh= +Phương pháp giải: Công cụ thường dùng là các hàm giải tích biến phức z=x+i.y. Yêu cầu của bài toán là xác định được trong miền thấm: h= h(x,y) hoặc thế vị phức: w= j+iy Với: j : Hàm thế cột nước Hàm dòng Đây là những hàm điều hoà. Chúng thoả mãn điều kiện biên Côsi: - Phương pháp cơ học chất lỏng mới giải được một số bài toán đơn giản, do đó bị hạn chế ít được sử dụng trong thực tế. Phương pháp thuỷ lực: Phương pháp thuỷ lực đã được sử dụng sớm nhất để nghiên cứu dòng chảy của nước ngầm. Phương pháp này sử dụng định luật Darcy, từ mối quan hệ giữa vận tốc thấm và gradien thấm J : v=k.J Sau đó các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra các công thức xác định lưu lượng bằng các phương pháp khác nhau. . . Hiện nay, phương pháp thay thế mái thượng lưu nghiêng bằng mái thượng lưu thẳng đứng hay thay thế nêm tam giác thượng lưu bằng hình chữ nhật tương đương đảm bảo lưu lượng thấm qua đập thực bằng lưu lượng thấm qua đập đã biến đổi đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong việc tính toán thấm của đập bằng phương pháp thuỷ lực. Tuy nhiên, phương pháp thuỷ lực mới chỉ đạt đến việc tìm biên tự do của bài toán thấm, chưa xác định được các yếu tố của dòng chảy trong miền thấm nhằm phục vụ cho công tác thiết kế để tìm mặt cắt tối ưu của đập . Các phương pháp mô hình vật lý: Trong phòng thí nghiệm và trong thực tế sản xuất người ta đã dùng rất nhiều loại mô hình và thiết bị khác nhau để giải bài toán thấm. Gồm các phương pháp thí nghiệm điển hình sau: -Phương pháp tương tự Darcy- Poison -Phương pháp thí nghiệm trong máng kính trên mô hình cát -Phương pháp mô hình thuỷ lực -Phương pháp tương tự điện thuỷ động lực học Trong các phương pháp trên thì phương pháp tương tự điện thuỷ động lực học được sử dụng rộng rãi nhất bởi tính chính xác và đơn giản. Cơ sở của phương pháp : Phương pháp dựa trên sự tương tự giữa phương trình chuyển động của dòng thấm trong môi trường xốp với dòng điện trong môi trường dẫn điện, hai phương trình vi phân này đều có dạng Laplat cùng với các điều kiện biên tương tự nhau. Ưu điểm : Phương pháp đơn giản, rõ ràng, cho phép vẽ được lưới thấm trên cơ sở có thể xác định được các yếu tố của dòng thấm và ổn định chống trượt. Có thể giải được các trường hợp đất không đồng chất, không đẳng hướng hoặc gồm nhiều lớp đất thấm nước khác nhau. Nhược điểm: Phương pháp này còn có một số nhược điểm đó là chỉ cho Gradien thấm trung bình của mắt lưới; muốn khái quát được những kết quả thu được cần phải kết hợp với phương pháp đại số. Các phương pháp số: Phương pháp số là sự kết hợp giữa phương pháp lí thuyết cơ bản với máy tính điện tử để mô hình hóa các thông số của bài toán thấm. Các phương pháp số thông dụng là phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp sai phân hữu hạn : -Miền thấm được chia thành những ô hình chữ nhật có kích thước đều bằng nhau (hình vẽ) Các đại lượng vi phân dh, dx, dy được chuyển thành những đại lượng sai phân tương ứng là Dh, Dx, Dy. Những đạo hàm riêng cấp một và cấp hai : , ,, được chuyển sang tỷ sai phân dựa vào các công thức sau: ® ® ® ® Trong đó x, y là toạ độ của điểm nút cần xét thuộc lưới. Việc tìm nghiệm của phương trình Dh=0 chuyển thành việc giải một hệ phương trình đại số tuyến tính để tìm các giá trị h(x,y) tại những điểm nút. -Phương pháp sai phân có ưu điểm là đơn giản nhưng ít được dùng để giải các bài toán thấm có mặt thoáng do những nhược điểm về kĩ thuật chia lưới (miền thấm được chia thành các ô hình chữ nhật có các kích thước bằng nhau) và độ chính xác không cao ở khu vực hạ lưu của miền thấm. Phương pháp phần tử hữu hạn : -Phương pháp phần tử hữu hạn coi miền thấm gồm tập hợp những miền được gọi là phần tử, các phần tử này có thể là các tam diện, tứ diện, ngũ diện, bát diện được nối với nhau tại các điểm nút. -Trong bài toán thấm phẳng, ổn định, sự phân bố cột nước H tại các đỉnh i, j, k của một phân tố tam giác được biểu thị dưới dạng ma trận: . Trong đó : Nm(m=i,j,k) là các hàm phụ thuộc vào toạ độ điểm xét(x,y) Theo nguyên lí biến phân, việc tìm nghiệm của bài toán thấm đã cho hoàn toàn tương ứng với việc làm cực tiểu phiếm hàm: L(H)= với p là phân tố được chia trong miền với w: diện tích của phân tố. Giải hệ phương trình đại số: =0 Nghiệm của phương trình thu được là cột nước tại từng điểm nút của các phần tử. -Ưu điểm : Phương pháp này có thể giải bài toán thấm có hình dạng miền thấm bất kì, không đồng nhất, dị hướng, điều kiện biên phức tạp về cột nước, lưu tốc thấm, lưu lượng phân bố,... +Từ cột nước tại từng điểm nút của các phần tử, ta có thể tìm được tất cả các yếu tố khác: lưu tốc, gradien thấm của từng phần tử, lưu lượng thấm qua từng mặt cắt. Kích thước của các phần tử là tuỳ ý chọn. -Nhược điểm: Khối lượng tính toán lớn, không thể tính thủ công được mà phải lập trình để tính. Lựa chọn phương pháp tính thấm: Như vậy, có rất nhiều phương pháp tính thấm khác nhau. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp thường được sử dụng trong công tác thiết kế khi tính toán kiểm tra về thấm là phương pháp thủy lực. Phương pháp này nói chung là đơn giản, các lời giải của các sơ đồ tính theo phương pháp này đều dựa trên lời giải của bài toán cơ bản: thấm qua khối đất hình chữ nhật có đáy nằm ngang. Tuy nhiên, trong quá trình giải có nhiều giả thiết nên kết quả tính toán còn bị hạn chế về mức độ chính xác. Phương pháp cơ học chất lỏng mới giải được một số bài toán đơn giản, chưa xác định được những yếu tố của dòng thấm trong miền thấm phục vụ cho việc tìm mặt cắt hợp lí của đập vì vậy ít được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Phương pháp thí nghiệm có ưu điểm là thể hiện được những điều kiện thực tế ,đơn giản rõ ràng nhưng chỉ áp dụng với những trường hợp đơn giản, với các trường hợp phức tạp thì tốn kém và ít chính xác. Phương pháp số là phương pháp biến đổi và giải trực tiếp từ phương trình vi phân .Phương pháp này có thể giải với sơ đồ tổng quát nhất và cho lời giải tương đối chính xác với những giả thiết sát thực tế, khối lượng tính toán của phương pháp này là rất lớn không thể dùng tính toán thủ công được mà phải sử dụng công cụ máy tính để xử lý số liệu. Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay do các đặc tính ưu việt của nó. Nó cho phép giải bài toán thấm với nhiều loại vật liệu khác nhau với các hệ số thấm khác nhau, đường bao giới hạn miền thấm cho phép có hình dạng bất kì và đặc biệt là biên của bài toán có thể cho ở nhiều dạng như: biên về cột nước, biên về lưu tốc tại các điểm khác nhau trên miền thấm. Tính ưu việt của phương pháp này được thể hiện ở chỗ :kết quả của phương pháp là giới hạn thực của miền thấm và các thông số của dòng thấm (lưu tốc, gradien thấm, cột nước thấm) tại từng vùng nhỏ của miền thấm. Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn : Thuật toán giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn: Phương trình liên tục được viết cho bài toán lý thuyết thấm hai chiều ổn định có dạng: +=0 Trong đó : Kx, Ky là hệ số thấm theo hai hướng trực giao x, y phụ thuộc vào toạ độ của điểm trong miền thấm. Trong mỗi phần tử xem Kx=const, Ky=const ® +=0 Bỏ qua quá trình bay hơi bề mặt . Các điều kiện biên như sau: -Biên Điricle trên S1: =H(x,y) -Biên Neiman trên S2: Với bài toán thấm ổn định, đại lượng: Do đó phiếm hàm cần tìm cực tiểu có dạng: Không gian khảo sát của bài toán hai chiều được đặt trong hệ toạ độ phẳng Đề các xoy và được chia thành các phần tử nhỏ dạng tam giác nối với nhau tại điểm nút. Coi gần đúng quy luật biến thiên giá trị H(x,y) trong mỗi phần tử dưới dạng đa thức bậc nhất. H=a1+a2x+a3y Hàm H trên phải thoả mãn các điều kiện biên của các phần tử .Với các phần tử có nút thuộc biên S1 phải thoả mãn biên Diricle. Tại nút i, j, k, H phải nhận các giá trị tương ứng: Hi=a1+a2xi+a3yi Hj=a1+a2xj+a3yj Hk=a1+a2xk+a3yk Giải các hệ này ta xác định được các thông số hình học của mỗi phần tử a1=aiHi+ajHj+akHk a2=biHi+bjHj+bkHk a3=qiHi+qjHj+qkHk Trong đó: với i=1,2,3 đối với j=2,3,1; k=3,2,1 2S= xi(yj-yx)+xj(yk-yj)+xk(yj-yj) Hàm H có dạng sau: H=(ai+bix+qiy)Hi+(aj+bjx+qjy)Hj+(ak+bkx+qky)Hk Đặt Ni=ai+bix+qiy Nj=aj+bjx+qjy (*) Nk=ak+bkx+qky Được cho dưới dạng ma trận: H=[N] {H}e {H}e={Hi Hj Hk }t (**) [N]=[Ni Nj Nk] Lấy đạo hàm (*) và (**) theo x ,y: ® L= Thực hiện phép tính biến phân ta có: ® = Do các giá trị .. không phụ thuộc vào hàm dưới dấu tích phân nên dễ dàng thực hiện phép tính biến phân Đặt [k]=[kii kij kik] kij =S(kxbibj +kyqiqj) Tiến hành tương tự khi thực hiện biến phân đối với các nút Hj,Hk tổng hợp lại ta có hệ phương trình biểu diễn điều kiện cực tiểu hàm thử H trong phần tử e đang xét. [K]e {H}e=0 Với Knm=S(kxbnbm+kyqnqm) Phương trình trên viết cho các phần tử không thuộc biên. Với các phần tử có biên Diricle thì hàm {H}e nhận các giá trị tương ứng. Biên Neiman thì tự thoả mãn. Sau đó tiến hành thiết lập cực tiểu cho phiếm hàm L chung cho toàn miền khảo sát bằng tổng các thành phần tương ứng cùng với điều kiện cực tiểu tại các nút của mỗi phần tử. Ta lập được hệ phương trình đại số xác định điều kiện cực tiểu của phiếm hàm trong toàn miền khảo sát. [K] {H}={R} Trong đó: [K] có vai trò như ma trận cứng của hệ. {R} có vai trò như vécto tải của hệ [K]= với Ne: số phần tử trong miền xét [R]= Lựa chọn phần mềm tính thấm: Trong các phần mềm tính toán thấm hiện nay đang được sử dụng cho thiết kế các công trình thuỷ lợi thì phần mềm SEEP/W được sử dụng phổ biến nhất. Seep/W là một trong những phần mềm nằm trong bộ phần mềm GEO-SLOPE. Nó là một phần mềm có giao diện đồ hoạ, dùng để mô hình hoá chuyển động của nước và phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong môi trường đất đá theo PTHH. Phần mềm này có độ tin cậy cao, giao diện giữa người và máy thuận tiện, tự động hoá chia phần tử giúp người sử dụng giảm được khối lượng công tác vào số liệu. Những kết qủa của SEEP/W đưa ra giúp ta có thể quan sát được chân thực hình ảnh của dòng thấm. 7.3.3.Các bước cụ thể : Các trường hợp tính toán: Tính thấm cho mặt cắt lòng sông ứng với các trường hợp: Trường hợp 1: Mực nước thượng lưu là MNDBT, mực nước hạ lưu là MNmin Trường hợp 2: Mực nước thượng lưu là MNDGC, mực nước hạ lưu là MNmax. Các chỉ tiêu về hệ số thấm: -Khai báo các hàm thấm ứng với từng khối đất đắp đập: Khối gia tải phía thượng lưu:đất đá hỗn hợp :k=10-2(cm/s) Khối đất thượng lưu đập: đất đắp lớp 6: k=5.10-4(cm/s) Khối đất tường lõi : đất đắp lớp 2: k=3.10-5(cm/s) Khối đất hạ lưu đập: đất đắp lớp 5: k=1.10-4(cm/s) Đất nền lớp 1: k=5.10-2(cm/s) -Khai báo điều kiện biên: +Biên thượng lưu: Là biên thấm nước kéo dài từ mép nước thượng lưu đến chân mái thượng lưu , cột nước thấm thay đổi tuỳ theo các trường hợp tính toán. +Biên hạ lưu: Dùng hình thức thoát nước hạ lưu là hình thức áp mái. Do đập nhiều khối có thiết bị thoát nước là ống khói (được làm bằng vật liệu là cát) đặt ở hạ lưu của tường lõi nên dòng thấm khi qua tường lõi sẽ theo ống khói thoát nước dẫn nước về hạ lưu đảm bảo khối đất đắp phía hạ lưu đập đất không bị tiếp xúc với nước. Do đó khi khai báo cột nước hạ lưu ta khai báo cho đường ứng với MNHL ( hình vẽ). Trường hợp 1: Mực nước thượng lưu là MNDBT, mực nước hạ lưu là MNmin Trường hợp 2: Mực nước thượng lưu là MNDGC, mực nước hạ lưu là MNmax. Như vậy, theo kết quả tính thấm bằng phần mềm Seep/W ta xác định được các giá trị lưu lượng q và Jramax như sau: -Trường hợp 1: MNDBT=206,9m MNHL =184m q =1,05.10-5(m2/s) Jramax =2,4 - Trường hợp 2: MNDGC=210,19m MNHL =190,44m q =1,26.10-5(m2/s) Jramax =2,2 Theo phương pháp thuỷ lực ta có kết quả sau: -Trường hợp 1: MNDBT=206,9m MNHL =184m q =5,85.10-6(m2/s) - Trường hợp 2: MNDGC=210,19m MNHL =190,44m q =5,67.10-6(m2/s) Từ kết qủa trên ta thấy tính thấm bằng phần mềm Seep/W phản ánh chính xác điều kiện làm việc thực tế của đập hơn so với phương pháp thuỷ lực vì nó có thể khai báo hệ số thấm cho nhiều khối của đập, việc tính toán được xử lý dựa trên phương pháp PTHH và được lập trình để máy tính toán nên tính chính xác cao hơn. Theo quy phạm “Nền các công trình thuỷ công”TCVN4253-86, đối với đất đắp lõi đập là đất ásét nên tra bảng 2 ta được giá trị tính toán của gradient tới hạn cục bộ của cột nước ở vùng dòng thấm thoát ra ở hạ lưu là [Jra]=0,65. Ta thấy [Jra]max=2,4>0,65 do đó ta phải thiết kế lớp cát ống khói có cấp phối hạt cũng như chiều dày cần thiết để đảm bảo chống xói đất ở biên ra của dòng thấm. thiết kế tầng lọc ngược: Thiết kế tầng lọc ngược theo tiêu chuẩn của các nước phát triển. Nguyên tắc thiết kế tầng lọc ngược được đảm bảo bởi các điều kiện sau: Đất được bảo vệ không bị cuốn trôi vào lớp lọc, hoặc vật liệu lớp hạt nhỏ không bị cuốn trôi vào kẽ hở lớp hạt lớn: 5 Trong đó: D : Đường kính hạt của lớp hạt lớn. d: Đường kính hạt của lớp hạt nhỏ liền kề. Các chỉ số 15,50,85 tương ứng là số phần trăm của trọng lượng mẫu bị lọt xuống dưới mắt sàng đang xét. Đảm bảo khả năng thoát nước thấm: 5 Trong đó: D: Đường kính của lớp hạt lớn. d:Đường kính hạt của lớp hạt nhỏ liền kề. Vật liệu lớp lọc có cấp phối hợp lí, đảm bảo không bị phân tầng, tách lớp khi vận chuyển và có khả năng nén chặt tốt: Chỉ cần thiết kế lọc 1 lớp nếu D85 lớn hơn 2 lần đường kính của lỗ thoát nước ở tấm bêtông hoặc kẽ hở lớn nhất giữa các viên đá lát. Ta thiết kế tầng lọc ngược tại biên thoát nước của đập( mái hạ lưu của tường lõi). Do tường lõi được đắp bằng lớp vật liệu đất đắp lớp 2 nên ta chỉ cần thiết kế một lớp cát lọc sau tường lõi hạ lưu. Theo bảng thống kê chỉ số cát sỏi của các mỏ cát sỏi trong khu vực ta chọn vật liệu làm tầng lọc ngược là cát ở mỏ vật liệu 2. Cát ở mỏ vật liệu 2 có các thông số sau: Hệ số không đồng đều =5.8. D15=0.3mm. D85=3.8mm. Trong đó: D: Đường kính của hạt cát của lớp lọc. d: Kích thước của hạt đất cần được bảo vệ. Từ chỉ tiêu cơ lý của đất vật liệu lớp 2 của tường lõi ta xác định được các thông số sau: d15=0.003mm d85= 1mm Kiểm tra vật liệu được chọn: Ta có: Vậy tầng lọc ngược được thiết kế thoả mãn các yêu cầu trên. Do chiều dày của lớp lọc nếu tính theo lí thuyết thì thường rất nhỏ. Vì vậy trong thiết kế quy định chiều dày tối thiểu theo hình thức và điều kiện thi công. Trong trường hợp này để đảm bảo thoát nước tốt ta chọn chiều dày lớp cát lọc trung bình là 1,6m, có hình dạng được mô tả như trên hình vẽ. MỤC LỤC