CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ĐẬP ĐẤT
4.2. Tính toán thấm qua thân và nền đập
+ Xác định lưu lượng thấm qua thân đập và qua nền, từ đó tính lượng nước tổn thất của hồ do thấm gây ra và có biện pháp phòng chống thích hợp.
+ Xác định vị trí đường bão hoà, từ đó tìm được áp lực thấm dùng trong tính toán ổn định mái đập.
+ Xác định gradien thấm (hoặc lưu tốc thấm) của dòng chảy trong thân, nền đập.
4.2.2. Các trường hợp tính toán
Trong thiết kế đập đất cần tính thấm cho các trường hợp làm việc khác nhau:
- Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước min tương ứng, thiết bị chống thấm, thiết bị thoát nước làm việc bình thường.
- Thượng lưu là MNLTK, hạ lưu là mực nước lớn nhất tương ứng.
- Thượng lưu là MNLKT, hạ lưu là mực nước ứng với Qxả kiểm tra.
- Ở thượng lưu mực nước rút đột ngột.(MNLTK->MNDBT) - Trường hợp thiết bị thoát nước làm việc không bình thường.
- Trường hợp thiết bị chống thấm bị hỏng.
Tuy nhiên trong phạm vi đồ án, chỉ tiến hành tính toán thấm qua thân và nền đập với 1 trường hợp đầu.
4.2.3. Tài liệu tính toán
Tính toán cho 1 mặt cắt lòng sông và 2 mặt cắt sườn đồi - Hệ số thấm của của đập:
Bãi vật liệu
(T/m3)
c (T/m3)
cb (T/m3)
Wcb (%)
K (cm/s)
0bh C (Kg/cm2)
4a 1,63 1,16 1,48 25 510-5 17o 0,28
4b 1,86 1,47 1,54 24 210-5 18o 0,27
4 1,55 1,13 1,35 29 110-5 16o 0,25
+ Vì trữ lƣợng đất lớp 4a lớn hơn lƣợng đất đắp yêu cầu cho nên chỉ cần sử dụng vật liệu đất đắp lớp 4a
- Hệ số thấm của nền:
Đất nền
(T/m3)
c (T/m3)
K (cm/s)
0bh C (Kg/cm2)
4a 1,61 1,16 110-4 15o 0,20
4b 810-4 17o 0,12
4 1,65 1,19 410-4 15o 0,19
Đá PHHT 1,67 1,27 510-4 14o 0,12
- Hệ số thấm của của nền: Kn = 8.10-6m/s - Hệ số thấm của của đập: Kđ = 5.10-7m/s
- Mặt cắt sườn đồi tính theo sơ đồ đập trên nền không thấm - Với mặt cắt lòng sông tính toán 1 trường hợp MNDBT - Với mặt cắt sườn đồi tính toán với MNDBT
- Cao trình MNDBT: +206,48m
Đ-ờng đỉnh t-ờng chắn sóng
4a Đ-ờng mặt đập
§-êng viÒn bãc mãng
§-êng bãc mãng ch©n khay
Đ-ờng mặt đất tự nhiên
I
I
II
II
III
III
Hình : 4.2 Phân chia mặt cắt tính toán thấm
4.2.4. Mặt cắt lòng sông (Tính cho trường hợp MNDBT và hạ lưu không có nước ) Tính toán cho trường hợp thượng lưu là MNDBT, hạ lưu là mực nước min tương ứng, thiết bị chống thấm, thiết bị thoát nước làm việc bình thường.
a) Tính toán bằng công thức:
- sơ đồ tính toán:
Hình 4.3 :Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt lòng sông
+ Thượng lưu là MNDBT, hạ lưu không có nước
Tại mặt cắt lòng sông , hạ lưu không có nước, thiết bị thoát nước là loại lăng trụ
L’ : Chiều dài tính từ chân đập phần thượng lưu đến vật thoát nước L’= (31.3,5)+3+5+(10.3)+3+7.3+3+(7.3)+2,5+(1,5.7)=208,5 m Chiều sâu nước thượng lưu:
h1 = MNDBT - đáy đập = 206,48-179= 27,48 (m) Đây là sơ đồ tính thấm qua đập đòng chất trên nền thấm, vật thoát nước hạ lưu kiểu lăng trụ, hạ lưu không có nước
Khi tính toán trên nền thấm hữu hạn ta xem nền nhƣ không thấm để xác định lưu lượng thấm qua đập qd. Sau đó tính thấm qua nền với giả thiết thân đập là không thấm ta đƣợc qn
210
195
179
200
193
186 m=3
m=3
m=3 m=1,5 m=3 m=3,5
m=3,5
177
Y
X
O ao/2 206,48
∆L đƣợc tính theo công thức của Mikhailốp ta có:
L =
1 . 2
. 1
m
h
m = 3, 5.27, 48
2.3, 5 1 = 12,0225 (m) L = 208,5-27,48.3,5-3-2,5-2.7.1,5
L = 85,82 (m).
a0: độ cao hút nước
a0 h12 (LL)2 (LL)
= 27, 482(85,82 12, 0225) 2 (85,82 12, 0225) = 3,79 (m) - Lưu lượng thấm qua 1 đơn vị chiều dài đập tại mặt cắt lòng sông tính theo công thức :
+ Lưu lượng thấm qua đập:
qđ =
) (
2
2 0 2 1
L L
a kd h
= 5.10-7.
2 2
27, 48 3, 78 2.(85,82 12, 0225)
= 1,89.10-6(m3/s.m) + Lưu lượng thấm qua nền:
qn= kn.T.
T L
h h
88 , 0 '
2 1
= 4.10-6.2. 27, 48 0 208, 5 0,88.2
= 1,05 .10-6 (m3/s.m) q = qđ+qn =1,89.10-6 + 1,05.10-6 = 2,94.10-6 (m3/s.m)
- Phương trình đường bão hoà :Với hệ toạ độ như hình trên ta có phương trình bão hoà nhƣ sau :
y2 = 2a0.x = 2.3,79.x = 7,58x . - Kiểm tra độ bền thấm
K d
d
K J
J Trong đó:
+ JKd : građien thấm trung bình của đập
+ JK d: građien thấm cho phép. Tra theo bảng 4-4 TCVN 8216 - 2009 với đất á sét ta đƣợc JK d = 0,85
b) Tính toán bằng phần mềm geoslope:
Trong đó:
Hệ số thấm của đập: Kđ = 5.10-7 m/s Hệ số thấm của nền Kn = 8.10-6m/s Mực nước thượng lưu h1 = 27,48 m Mực nước hạ lưu :h2 = 0 m
m1: Hệ số mái thượng lưu = 3,5 m2: Hệ số mái hạ lưu = 3
m’: Hệ số mái lăng trụ thoát nước = 1,5
Hình 4.4 :Lưu lượng thấm của mặt cắt lòng sông Ta tính đƣợc q = 4,987.10-6 (m3.s/m)
4.2.5. Mặt cắt sườn đồi (Tính cho trường hợp MNDBT và hạ lưu không có nước )
* Trường hợp 1 : Tính cho mặt cắt có đáy = 187m (nằm bên phải đập đất)
MNDBT = 206,48
Mặt cắt lòng sông
4.9872e-006 m³/sec
truc X
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210
Truc Y
170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245
Hình 4.5 :Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt sườn đồi TH1 a) tính bằng công thức:
- MNDBT = 206,48(m) h1 = 206,48-187 = 19,48 m + Tính qđ :
Trường hợp này lưu lượng thấm qua đập tính theo công thức.
0) m2 - L 2(L
a h12 20 d a
đ k
q
Lưu lượng thấm qua nêm hạ lưu xác định như sau :
2 0
m 0,5
d.a k qđ
Với:
1 2.m
h ΔL m
1 1 1.
= 3,5.19, 48
2.3,5 1 = 8,52 (m).
L =(210-206,48).3,5+6+3.103+3.7+3+3.6=93,32 (m).
Do lưu lượng thấm qua đập bằng lưu lượng thấm qua nêm hạ lưu nên.
0)
2 2 0 2 1 2
0
.a m L L 2(
a h m
0,5 a
(0,5 m2).a20 2(LL).a0 (0,5m2).h12 0
187
ao
L
X 210
195
200
193 m=3
m=3
m=3 m=3 m=3,5
m=3,5
6.0 Y
O L
206,48
Thay số: - 2,5a02 + 203,68.a0 – 1328,15.= 0
a0 = 7,15 (m).
Lưu lượng thấm qua mặt cắt là :
7 0 6
2
5.10 .7,15
1, 02.10 0,5 3
q k.a
d 0,5 m
(m3/s.m).
+ Xác định vị trí đường bão hoà :
Phương trình đường bão hoà theo hệ trục toạ độ Oxy như hình vẽ có dạng sau:
qd =kd x
y h
2
2 2
1
thay số vào ta đƣợc 1,02.10-6= 5.10-7
2 2
19, 48 2
y x
Vậy y2 = 379,47 – 2,01x + Kiểm tra độ bền thấm :
Độ bền thấm đặc biệt trong thân đập cần đảm bảo điều kiện : Jkđ < [ Jk]đ
Jkđ = L
a h1 0
= 93, 32 19, 48 - 7,15
= 0,132 Với :
[ Jk]đ = 0,85 => Jkđ = 0,132 < [ Jk]đ = 0,85.
b) tính bằng phần mềm geoslope:
Trong đó:
Hệ số thấm của đập: Kđ = 5.10-7 m/s Hệ số thấm của nền Kn = 8.10-6m/s Mực nước thượng lưu h1 = 19,48 m Mực nước hạ lưu :h2 = 0 m
m1: Hệ số mái thượng lưu = 3,5 m2: Hệ số mái hạ lưu = 3
m’: Hệ số mái lăng trụ thoát nước = 1,5
Hình 4.6 :Lưu lượng thấm của mặt cắt sườn đồi TH1 Ta tính đƣợc q = 1,238.10-6 (m3.s/m)
* Trường hợp 2 : Tính cho mặt cắt có đáy = 194m (nằm bên phải đập đất)
Hình 4.7 :Sơ đồ tính thấm cho mặt cắt sườn đồi TH2 a) tính bằng công thức:
Tính toán bằng công thức MNDBT = 206,48 (m).
h1 = 206,48 - 194= 12,48m + Tính lưu lượng thấm qua đập qđ :
MNDBT = 206,48m
Mặt cắt sườn đồi 1
1.238e-006 m³/sec
Truc X
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170
Truc Y
180 185 190 195 200 205 210 215 220
210
195
m=3 200
m=3 m=3,5
6.0 Y
206,48
X
L L
0) m2 - L 2(L
a h12 20 d a
d k
q
Lưu lượng thấm qua nêm hạ lưu xác định như sau :
2 0
m 0,5
d.a k qd
Trong đó :
1 2.m
h ΔL m
1 1 1.
= 3, 5.12, 48
2.3,5 1 =5,46 (m).
L = (210-206,48).3,5+6+3.10+3+3.6= 69,32 (m).
Ta có phương trình sau :
0)
2 2 0 2 1 2
0
.a m L L 2(
a h m
0,5 a
Đưa phương trình về dạng :
(0,5 m2).a02 2(LL).a0 (0,5 m2).h12 0 Thay số vào ta đƣợc : - 2,5a02 + 149,56a0 – 545,13 = 0
Giải ra và chọn nghiệm hợp lý ta đƣợc: a0 = 3,9 (m).
7 0 7
2
5.10 .3,9
5,57.10 0,5 3
q k.a
d 0,5 m
(m3/s.m).
+ Xác định vị trí đường bão hoà :
Phương trình đường bão hoà theo hệ trục toạ độ Oxy như hình vẽ có dạng sau:
qd =kd x
y h
2
2 2
1
thay số vào ta đƣợc 5,57.10-7= 5.10-7
2 2
12, 48 2
y x
Vậy y2 = 155,75 –2,228x + Kiểm tra độ bền thấm :
Độ bền thấm đặc biệt trong thân đập cần đảm bảo điều kiện : Jkđ < [ Jk]đ
Jkđ = L
a h1 0
= 69, 32 12, 48 3,9
= 0,12
[ Jk]đ = 0,85 => Jkđ = 0,12 < [ Jk]đ = 0,85.
Kết luận : thân đập không bị xói ngầm cơ học.
b) tính bằng phần mềm geoslope:
Trong đó:
Hệ số thấm của đập: Kđ = 5.10-7 m/s Hệ số thấm của nền Kn = 8.10-6m/s Mực nước thượng lưu h1 = 12,48 m Mực nước hạ lưu :h2 = 0 m
m1: Hệ số mái thượng lưu = 3,5 m2: Hệ số mái hạ lưu = 3
m’: Hệ số mái lăng trụ thoát nước = 2
Hình 4.8 :Lưu lượng thấm của mặt cắt sườn đồi TH2 Ta tính đƣợc q = 6,97.10-7 (m3.s/m)
4.2.6. Nhận xét kết quả
Mặt cắt sườn đồi 2
MNDBT = 206,48
6.9767e-007 m³/sec
Truc X
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135
Truc Y
185 190 195 200 205 210 215 220 225 230
STT Tính tay Tính máy q (m3/s.m) q (m3/s.m) MC lòng sông 2,94.10-6 4,987.10-6 MC sườn đồi(TH1) 1,02.10-6 1,238.10-6 MC sườn đồi(TH2) 5,57.10-7 6,97.10-7
Bảng 4.1:
Kết quả tính bằng phương pháp thủ công với sử dụng phần mềm Geoslope Ta thấy kết quả tính bằng phần mềm Geoslope và tính toán bằng tay có sự sai khác nhau không lớn. vì vậy kết quả tính toán có thể chấp nhận đƣợc.
4.2.7. Tổng lưu lượng thấm Ta có công thức:
Q = ( ( ) ... ( ) )
2 1
1 1 1 2 2
2 1 1
1l q q l qn qn ln qn ln
q
Hình 4.9 :Sơ đồ tổng lượng nước thấm qua tuyến đập Với: Mặt cắt I tại cao trình: 210 m. Lưu lượng thấm q=0
Mặt cắt II tại cao trình: 187 m. Lưu lượng thấm q= 1,02.10-6 m2/s Mặt cắt III tại cao trình : 179 m. Lưu lượng thấm q= 2,94.10-6 m2/s
Mặt cắt IV tại cao trình : 194 m. Lưu lượng thấm q= 5,57.10-7 m2/s Mặt cắt V tại cao trình : 210 m. Lưu lượng thấm q=0
L1 = 75,3 ; L2 = 1153,6 m ; L3= 22,2m ; L4 = 21,9 m Ta có:
Q = 1.10710, 2.75,3 (10, 2 29, 4).153, 6 (29, 4 5,57).22, 2 5,57.21,9
2
Q= 3874,47.10-7 (m3/s)
Ta tính cho thời đoạn 1 tháng, có 31 ngày ứng với mực nước trong hồ là MNDBT
→ T = 31.24.3600 = 2678400 (s)
→ Tổng lượng nước tổn thất do thấm qua đập trong tháng là:
Wth = Q.T = 3874,47.10-7.2678400 = 1037,74 (m3) [Wth ] - tổng lượng nước thấm cho phép
[Wth ] = 1%Whồ =5,04.106.1% = 50400 (m3|)
→ Wth = 3868,72 < [Wth ] = 50400 (m3)
Nhƣ vậy đập thiết kế đảm bảo đƣợc yêu cầu về chống thấm và hình thức đập chọn nhƣ vậy là hợp lý