Đồ án: Thiết kế cống lộ thiên

Đồ án: Thiết kế cống lộ thiên

Trang 0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI CƠ SỞ II

BỘ MƠN THUỶ CƠNG

Cống xây dựng trên tuyến đường giao thơng cĩ loại xe 8-10 tấn đi qua

II Các lưu lượng và mực nước thiết kế :

Bảng : Lưu lượng và các mực nước thiết kế

Chỉ tiêu

Đề số

max tiêuQ

(m 3 /s)

khốngchế đồngZ

(m)

TK sông

Z (m)

min sông

Z (m)

max sông

Z (m)

min đồng

Z (m)

IV Tài liệu về giĩ và chiều dài truyền sĩng :

Tài liệu về giĩ

GVHD: Lê Trung Thành Sinh viên : Trịnh Xuân Nhật Lai Lớp : S3-K42C

Đề số : 41

s L

1 Xác định cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế

2 Tính toán Thủy Lực xác định chiều rộng cống và giải quyết tiêu năng

3 Chọn cấu tạo các bộ phận cống

4 Tính toán thấm và ổn định cống

5 Chuyên đề : tính toán bản đáy cống theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi

6 Bản vẽ : 1-2 bản vẽ khổ A1, thể hiện được cắt dọc, mặt bằng, chính diện thượng hạ lưu, mặt cắt ngang cống và các cấu tạo chi tiết

1.GIỚI THIỆU CHUNG

I Vị trí, nhiệm vụ công trình :

Cống B xây dựng ven sông Y ( vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều ) để tiêu nước, ngăn triều và giữ ngọt Diện tích tiêu : 30.000 ha

Cống xây dựng trên tuyến đường giao thông có loại xe 8-10 tấn đi qua

II Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế :

1 Cấp công trình : (xác định theo TCVN 5060-90) dựa vào 2 điều kiện :

- Chiều cao công trình , sơ bộ có thề xác định :

Trang 2

0 10 45 2 0 1 55

d Z Z

d : độ vượt cao an tồn d = 1,5  3,0 (m)

 tra theo TCVN 5060-90 so với đối tượng là đập bê tơng trên nền đất ta được cấp cơng trình :

cấp IV

- Nhiệm vụ cơng trình : tiêu nước, ngăn triều và giữ ngọt với diện tích tiêu 30.000 ha 

tra bảng P1-2 ta được cấp cơng trình : cấp III ( thuộc cơng trình chủ yếu )

2 Các chỉ tiêu thiết kế : Dựa vào cấp cơng trình xác định được :

- Tần suất lưu lượng : P = 1 % ( bảng P1-3 Giáo trình Thủy Cơng )

- Mức bảo đảm của vận tốc giĩ lớn nhất đối với cơng trình : P = 3 % ( bảng P2-1 GTTC )

 vmax = 26,0 (m/s)

- Mức bảo đảm của vận tốc giĩ bình quân : P = 30 % ( bảng P2-1 GTTC )

 vmax = 16,0 (m/s)

- Tần suất mực nước lớn nhất ngồi sơng khai thác :

- Hệ số vượt tải : n = 1,00 ( bảng P1-4 GTTC ứng với Cơng trình chịu Aùp lực nước tĩnh,

Mục đích : xác định khẩu diện và tính tốn tiêu năng.

I Tính tốn kênh thượng hạ lưu :

a Kênh hạ lưu : theo tài liệu về kênh hạ lưu :

- Cao trình đáy : Zđáy kênh = -1,00 (m)

- Cao trình mực nước thiết kế : ZsơngTK = 3,42 (m)

 Độ sâu nước trong kênh hạ lưu : h = ZsơngTK – Zđáy kênh = 3,42 – (-1,00) = 4,42 (m)

- Độ dốc mái : m = 1,5  tra Phụ lục 8 -1 Bảng tra Thủy lực ta được 4m0 = 8,424

Q

i m R

62 4

, ,

, R

b Kênh thượng lưu : tính tốn tương tự :

- Cao trình mực nước đồng khống chế : Z khongche 3,78

 Độ sâu nước trong kênh thượngï lưu : hTL = 3,78 – (-1,00) = 4,78 (m)

- Các thơng số kênh : m = 1,5 (  4m0 = 8,424 ); n = 0,025; i = 10-4; Qtiêumax = 82 (m3/s)

82

10 424 8

Q

i m R

78 4

,

, R

Trang 3

H P

P1

Zhp

hh

Sơ đồ tính khẩ u diệ n cố ng khi ngưỡ ng đỉ nh rộ ng

Tra PL 8 -3 Bảng tra Thủy lực ứng với m = 1,5

Z Z

Z  dong khongche song TK   

- Lưu lượng tháo thiết kế : Qtk = 82 (m3/s)

2 Chọn loại và cao trình ngưỡng cống :

a.Cao trình ngưỡng : Cĩ thể chọn bằng hoặc cao hơn đáy kênh Nĩi chung đối với cống tiêu

và cống lấy nước tưới khi chênh lệch mực nước khống chế nhỏ, nên chọn ngưỡng thấp để

tăng khả năng tháo (cĩ thể chọn ngưỡng cống ngang với đáy kênh thượng lưu)

Ở trường hợp bài tốn ta chọn : Zngưỡng = Zđáy kênh = -1,00 (m)

b Hình thức ngưỡng : Vì ngưỡng thấp nên ta chọn hình thức ngưỡng cĩ dạng đập tràn đỉnh rộng

3 Xác định bề rộng cống : ta cĩ sơ đồ tính khẩu diện cống khi ngưỡng đỉnh rộng

a Định trạng thái chảy :

Theo QPTL C8-76, đập chảy ngập khi hn>nH0 trong đĩ hn = hh – P1 ( như hình vẽ )

78 4 1 78

Z Z

H  dong khongche day     (m)

818 4 81

9 2

78 4 78 4 5 1 57 12

82 78

4 2

2 2

0

,

, ).

, , ( ,

g

V H

Zhp thường nhỏ, cĩ thể bỏ qua, khi đĩ lấy h = hh = 4,62 (m)

b Tính bề rộng cống b: từ cơng thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập :

).(

2

Qng  Trong đĩ :

n - Hệ số lưu tốc, lấy theo trị số của hệ số lưu lượng m (tra bảng của Cumin - QPTL C8 – 76)

g – Hệ số co hẹp bên g = 0,50 + 0,5

Sơ bộ cĩ thể định trước e0 (trong khoảng 0,95 - 1)

Trình tự xác định khẩu diện cống như sau :

- Định trước n, g ( từ m và 0 ), thay vào cơng thức tính Q, xác định được b

- Tiến hành phân khoang và chọn mố

0

 với d - Tổng chiều dày các mố

m – phụ thuộc chiều cao ngưỡng P, độ co hẹp

82

h

Q b

g n

523 9

) ,

* (

d

82

h

Q b

g n

 Vậy đập chảy ngập như đã định ở trên

III Tiêu năng phịng xĩi :

1 Trường hợp tính tốn : (trường hợp cống tiêu vùng triều)

Trường hợp mực nước triều hạ xuống thấp nhất ( chân triều ); ở phía đồng là mực nước đã khống chế Trường hợp này thường tranh thủ mở hết cửa van để tiêu, lưu lượng tiêu qua cống

cĩ thể lớn hơn lưu lượng thiết kế Tuy nhiên chế độ đĩ khơng duy trì trong một thời gian dài

- Mực nước phía đồng (thượng lưu): khốngchế

đồng

Z =3,78 (m)  H = 3,78 - (-1,0) = 4,78 (m)

- Mực nước phía sơng (hạ lưu): Zsôngmin =-0,2 (m)  hh = 0.2 – (-1,0) = 1.2 (m)

2 Lưu lượng tính tốn tiêu năng :

Vì cống đặt gần sơng nên nĩi chung mực nước hạ lưu cống khơng phụ thuộc lưu lượng lưu lượng tháo qua cống Khi đĩ Qtt là khả năng tháo lớn nhất ứng với mực nước tính tốn đã chọn

ở trên Ta chọn Qtt = Qtiêumax = 82 (m3/s)

Khi đĩ ta xác định độ mở cống a theo cơng thức :

Trang 5

c g H h h

b

Trong đó : hc = .a với  - hệ số co hẹp đứng ; a - độ mở của cống

11

82

b

2 2

0

, )

, (

,

E

4 1 62 4 281 0 291

15 3 818 4 654 0 654

c '' c ''

Vậy : độ mở cống là a = 1,4 (m)

Ta thấy hh = 1.2 (m) < hc'' = 3,15 (m) do đó có nước nhảy phóng xa

3 Tính toán kích thước thiết bị tiêu năng :

a Chọn biện pháp tiêu năng :

Với cống trên nền đất, ta chọn biện pháp đào bể tiêu năng

46 7

2 2

0

, )

, (

,

, E

.

q F

b h '' b c

với b b bb moátruï111,012 (m) Diện tíchc mặtt cắt ướt ở hạ lưu sau bể :

3 18 2 1 2 1 5 1 431

13 , , ) , , (

h ).

h m b ( h h h

Độ lệch mực nước ở cửa ra của bể :

82 0 22 43

1 2

18 1

1 81 9 2

82 1

1

2 2

2 2

2

, ,

,

g

Q Z

b h n

46 7

2 2

0

, ,

,

, E

.

q F

'



Tra PL 15-1 Bảng tra Thủy lực ta được :

43 3 63 6 5421 0 5421

0, h c '' c '' E '0 , , ,

''

Trang 6

Diện tích mặt cắt ướt cuối bể :

10 42 11 43 3 05

b h c '' b

Độ lệch mực nước ở cửa ra của bể :

83 0 10 42

1 3

18 1

1 81 9 2

82 1

1

2 2

2 2

2

, ,

,

g

Q Z

b h n

46 7

2 2

0

, ,

,

, E

.

q F

'



Tra PL 15-1 Bảng tra Thủy lực ta được :

73 0 706 6 108 0 108

0, h c c E0' , , ,

38 3 706 6 504 0 504

b h '' b c

Độ lệch mực nước ở cửa ra của bể :

834 0 59 42

1 2

18 1

1 81 9 2

82 1

1

2 2

2 2

2

, ,

,

g

Q Z

b h n

Vậy : ta chọn chiều sâu bể tiêu năng là d = 1,74 (m)

Chiều dài bể tiêu năng: Lb = L1 + .Ln

Trong đĩ : L1 - chiều dài từ ngưỡng xuống sân tiêu năng, cĩ thể tính theo Trectơuxốp :

) h , P (

h

L1 2 k  0 35 k

3

2 3

2

H

P - chiều cao ngưỡng cống so với bể P = 1,35 (m)

Ln - chiều dài nước nhảy, cĩ thể tính theo cơng thức kinh nghiệm ;

Ln = (4,5 - 5,0 ).(hc'' - hc) = 4,5.( 3,38 - 0,73 ) = 11,95 (m) chọn Ln = 12 (m)

b - hệ số, cĩ thể lấy bằng 0,7 - 0,8 Tính được : L1 2. 3,212.(1,350,35.3,212) 5,64 (m)

Vậy : Lb = 5,64 + 12 = 17,64 (m) ta chọn Lb = 18 (m)

IV BỐ TRÍ CÁC BỘ PHẬN CỐNG

I Thân cống : bao gồm bản đáy, trụ và các bộ phận trên đĩ

1 Cửa van : cĩ thể chọn van phẳng hay van cung Van cung thích hợp khi kích thước lỗ cống

lớn; van phẳng hay dùng với các lỗ cống nhỏ hơn; Trong thực thế thường phải thơng qua so sánh

kinh tế – kĩ thuật để chọn phương án hợp lý Trường hợp bài tốn ta chọn cửa van phẳng

2 Tường ngực : bố trí để giảm chiều cao van và lực đĩng mở

1 Các giới hạn của tường ngực :

- Cao trình đáy tường ngực :

δZtt

Zdt  Trong đĩ : Ztt – mực nước tính tốn khẩu diện cống, tức cần đảm bảo với trường hợp

này, khi mở hết cửa van chế độ chảy qua cống phải là khơng áp

Ztt = khốngchếđồng

+ h và h’ – là độ dềnh do gió ứng với gió lớn nhất và gió bình quân

+ s và s’ – là độ dềnh cao nhất ứng với 2 mực nước

+ a và a’ – là độ vượt cao an toàn ứng với 2 mực nước Tra bảng phụ lục 5-1 GTTC tập I

ta được : a = 0,5 ; a’ = 0,4

¤ Xác định cao trình cống ứng với trường hợp mực nước sông bình thường :

Z1 = ZTKsoâng+ h + s + a Trong đó : ZsoângTK = 3,62 (m)

h = 2.10-6

H.g

D

200

162,.,

1 = 0,0024 (m)

Xác định  s : s =

s

K h1%

Trong đó : h1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%

Giả sử trường hợp sóng nước sâu tức ( H >

2

 ) + Tính các giá trị không thứ nguyên:

216

20081

Vg

= 0,75

V

hg

819

16005300053

,,

.,g

V.,

1675075

0

,

.,g

V.,

g 2 =

14 3 2

22 1 81

,

, ,

= 3,325 (m)

+ Kiểm tra lại điều kiện giả thiết ta thấy : H = 4,62 >

2

 = 1,663 m + Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng

04203253

140λ

750434

3253λ

K,

,

,h

,,

,H

Vậy : Z1 = ZTKsoâng+ h + s + a = 3,62 + 0,0024 + 0,3125 + 0,5 = 4,2449 (m)

¤ Xác định cao trình cống ứng với trường hợp mực nước sông lớn nhất:

Z2 = ZMAXsoâng+ h’ + s’ + a’

Trong đó : ZsoângMAX= 6,70 (m)

h = 2.10-6

''H.g

''D.''

V 2

.cosB V’ = 26 (m/s)

D = 300 (m)

với cosB = 1 (tính cho trường hợp bất lợi nhất B =0)

H = ZsoângMAX - Zđáy =6,55 – (-1) = 7,55 (m)

 h = 2.10-6

55 7 81 9

300

26 2

, ,

.

.1 = 0,0055 (m) Xác định  s : s’ =

s

K h1%

Trong đó : h1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%

Giả sử trường hợp sóng nước sâu tức ( H >

2

 ) + Tính các giá trị không thứ nguyên:

9,

= 8149,85

Trang 9

2

V

gD =

226

30081

V

g

= 0,3087 + Chọn cặp giá trị tương ứng với 2

V

gD = 4,354 (tra P2-2  K1% = 2,0) :

2

V

hg

819

26001300013

,,

.,g

V.,h

26308703087

0

,

.,g

'V.,

g 2 =

1432

82081

,

,.,

= 1,05 (m)

+ Kiểm tra lại điều kiện giả thiết ta thấy : H = 7,55 >

2

 = 0,525 m + Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng

086 0 05 1

09 0

139 0 55 7

05 1

, K

, ,

, h

, ,

, H

+ Xác định chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% h1% :

h1% = K1% h = 2,0.0,09 = 0,18 (m) Thay tất cả vào trên ta được :  = 1,2.0,18 = 0,216 (m) s

Vậy : Z2 = ZMAXsoâng+ h’ + s’ + a’= 6,55 + 0,0055 + 0,216 + 0,4 = 7,2 (m)

Vậy, ta chọn cao trình ngưỡng cống là Zngưỡng = Z2 = 7,2 (m)  chọn Zngưỡng = 7,2 (m)

2 Kết cấu tường : gồm bản mặt và các dầm đỡ

- Vì chiều cao tường không lớn, chỉ cần bố trí 2 dầm đỡ ở đỉnh và đáy tường

- Bản mặt đổ liền khối với dầm Chiều dày bản mặt chọn khoảng 0,3 (m)

Việc tính toán được chính xác hóa bởi tính toán kết cấu sau này

3 Cầu công tác : là nơi đặt máy đóng mở và thao tác van Chiều cao cầu công táccần tính toán

đảm bảo khi kéo hết cửa van lên vẫn còn khoảng không cần thiết để đưa van ra khỏi vị trí cốnh

khi cần Kết cấu bao gồm bản mặt, dầm đỡ và các cột chống

Việc chính xác hóa được thông qua tính toán kết cấu

4 Khe phai và cầu thả phai : Thường bố trí phía đầu và cuối cống để ngăn nước giữ cho

khoang cống khô ráo khi cần sửa chữa Với các cống lớn, trên cầu thả phai cần bố trí đường ray

cho cần cầu thả phai; Với các cống nhỏ, việc thả phai có thể tiến hành bằng thủ công

Trang 10

Khe phai rộng 0,2 m Cịn khe van thường rộng từ 0,3 m

5 Cầu giao thơng : Cao trình mặtcầu ngang hoặc thấp hơn đỉnh cống; bề rộng và kết cấu cầu

chọn theo yêu cầu giao thơng Vị trí đặt cầu giao thơng cần chọn sao cho khơng cản trở việc thao

tác van và phai

Xây dựng theo yêu cầu thiết kế cho các loại xe 810 tấn đi qua Kết cấu gồm 3 dầm đỡ dọc

Bề rộng cầu : Bcầu = 6m, gồm 2 lề người đi bộ, mỗi bên rộng 1 m

6 Mố cống : bao gồm mố giữa và các mố bên Trên mố bố trí khe phai và khe van (khi van

phẳng) hoặc bộ phận đỡ trục quay van cung (tai van) Chiều dày mố khi dùng van phẳng cần lớn hơn khi dùng van cung Chiều dày mố bên cần đủ để chịu áp lực đất nằm ngang Hình dạng đầu

mối giữa cần đảm bảo điều kiện thuận dịng, thường chọn dạng nửa trịn, lưu tuyến hoặc tam giác

Chiều cao mố cĩ thể thay đổi từ thượng lưu về hạ lưu tùy theo mực nước cao thấp ở mỗi phía Theo tính tốn khẩu diện cống ta chọn :

- Chiều dày mố giữa là : dmg = 1m, cịn chiều dày mố bên là : dmb = 0,5 m

- Mố giữa và mố bên cĩ dạng hình nửa trịn

7 Khe lún : Khi cống rộng, cần dùng khe lún phân cống thành từng mảng độc lập Bề rộng mỗi

mảng phụ thuộc điều kiện địa chất nền, thường khơgn vượt quá 15 – 20 (m) Mỗi mảng cĩ thể

gồm 1,2 hoặc 3 khoang Các mảng nên bố trí giống nhau để tiện thiết kế, thi cơng và quản lý

Khe lún thường bố trí ở mố giữa Mố cĩ chứa khe lún là mố kép Trên khe lún cần bố trí thiết

bị chống rị nước, lỗ để đổ nhựa đường

8 Bản đáy : Chiều dài bản đáy cần thỏa mãn cá điều kiện thủy lực, ổn định của cống và yêu cầu

bố trí kết cấu bên trên Thường chọn chiều dài bản đáy từ điều kiện bố trí các kết cấu bên trên,

sau đĩ kiểm tra lại bằng tính tốn ổn định chống và độ bền của nền

Chiều dài bản đáy chọn theo điều kiện chịu lực – nĩ phụ thuộc vào bề rộng khoang cống, tải trọng bên trên và tính chất nền Thường chọn theo kinh nghiệm sau đĩ chính xác hĩa bằng tính tốn kết cấu bản đáy

- Ta cĩ thể sơ bộ chọn chiều dài của bản đáy theo điều kiện thủy lực như sau :

[2  3]H < Lbđ < [8  10]H Vậy ta chọn : Lbđ = 20m

- Chiều dày bản đáy t chọn theo điều kiện chịu lực Ta chọn như trên hình vẽ

t = 1,2m

II Đường viền thấm : Bao gồm bản đáy cống, sân trước, các bản cừ, chân khay Kích thước bản

đáy cống như đã chọn ở trên Kích thước các bộ phận khác cĩ thể chọn như sau :

1 Sân trước : Vật liệu làm sân cĩ thể là đất sét,á sét, bê tơng, bê tơng cốt thép hay bitum Khi

cĩ sẵn vật liệu tạo chỗ (đất sát, á sét) nên cố gắng tận dụng :

- Chiều dài sân : L (3 4).H

Trong đĩ H là cột nước tác dụng lên cống : H = ZMAXsông - Zđồngmin = 6,55 – 1,2 = 5,35(m)

 Ta chọn L = 20 (m)

- Chiều dày : Khi sân làm bằng đất sét hay á sét thường làm chiều dày thay đổi từ đầu đến cuối sân Chiều dày ở đầu sân thường lấy theo điều kiện cấu tạo : t1  0,6 (m) Chiều dày cuối sân xác định theo yêu cầu chống thấm : t2 

 JH

Trang 11

Trong đó : ΔH – Độ chênh cột nước ở 2 mặt sân (trên và dưới);

[ J ] – Gradien thấm cho phép, phụ thuộc vào vật liệu làm sân

Vì tầng thấm không dày nên ta đóng cừ cắt ngang tầng thấm (cừ chống)

Cừ chính đóng ở mép thượng lưu bản đáy ta chọn :

S = ( 0,6  1 )H = ( 0,6  1 ).5,35 Vậy ta chọn : S = 4 m

Chân khay : ở 2 đầu bản đáy cần làm chân khay cắm sâu vào nền để tăng ổn định và góp phần kéo dài đường viền thấm

Sơ bộ chọn chiều sâu của chân khay là : hck = 1m và mỡ 1 góc 450

0 Thoát nước thấm : các lỗ thoát nước thấm thường bố trí ở sân tiêu năng; dưới sân khi đó phải bố trí tầng lọc ngược Đường viền thấm được tính đến vị trí bắt đầu có tầng lọc ngược

1 Sơ đồ kiểm tra chiều dài, đường viền thấm :

Theo công thức : Ltt C.HTrong đó Ltt – chiều dài tính toán của đường viền thấm theo phương pháp của Len

+ m – là hệ số phụ thuộc vào hàng cừ trong sơ đồ đường viền thấm Chọn : m= 1,5

Ta có sơ đồ đường viền thấm dưới đáy công trình cho như hình vẽ :

Zbq =0.8m b

S =4 m

a

Lbñ = 20m

e d

c f

h

g k