ĐỒ án CÔNG TRÌNH TRÊN hệ THỐNG THỦY lợi THIẾT kế CỐNG NGẦM đề 17b

Tuy nhiên khi tầng phủ khá dầy thì cũng có thể đặtcống trên nền đất - Đáy cống ở thượng lưu chọn cao hơn mực nước bùn cát lắng đọng và thấphơn mực nước chết trong hồ... 3- Sơ bộ bố trí c

ĐỒ ÁN CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

THIẾT KẾ CỐNG NGẦM

ĐỀ 17B

A – TÀI LIỆU CHO TRƯỚC

I Nhiệm vụ công trình:

Hồ chưa nước H trên sông S đảm nhiệm các nhiệm vụ sau:

1 Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác

2 Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

3 Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái và phục vụ

du lịch

II Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối:

1 Một đập chính ngăn sông

2 Một đường tràn xả lũ

3 Một cống đặt duới đập để lấy nước

III Tóm tắt một số tài liệu cơ bản

1 Địa hình: Cho bình đồ và vùng tuyến đập

2 Địa chất: Cho mặt cắt địa chất dọc tuyến đập, chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tíchlòng song cho ở bảng 1 Tầng đá gốc rắn chắc mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phonghóa dày 0,5 ÷ 1m

3 Vật liệu xây dựng

a, Đất: Xung quanh vị trí đập có bãi vật liệu A ( Trữ lượng 800,000m3 , cự ly800m); B ( Trữ lượng 600,00m3, cự ly 600m); C ( Trữ lượng 1,000,000m3 , cự ly1km) Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nước tương đối mạnh, các chỉ tiêu như

ở bảng 1 Điều kiện khai thác bình thường

Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4km, trữ lượng để làm thiết bị chốngthấm

b, Đá: Khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảmbảo đấp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lý:  = 320 , n = 0,35 (của đống đá);

k = 2,5 T/m3 (của hòn đá)

c, Cát, sỏi: Khai thác ở bãi dọc song, cự ly xa nhất là 3km, trữ lượng đủ làm

Độ ẩmW%

k

(T/m3) (m/s)k

Tựnhiên Bảohoà nhiênTự BảohoàĐất đắp đập

D(km) MNC(m) MNBT(m) Thường MaxBình MNC(QKhi tk) MNBTKhi

- Mực nước hạ lưu bình thường 62,5(m)

- Mực nước hạ lưu max 64,5(m)

- Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua.

5.Tài liệu thiết kế công :

- Mực nước khống chế đầu kênh 69,33(m)

- Lưu lượng ứng với MNDBT là: Qcống = 3,3 (m3/s);

- Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác

- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

2 Cấp công trình:

- Theo nhiệm vụ: cấp III(Tra bảng 1 QCVN 04-05)

- Theo cấp công trình đầu mối: cấp III

Khi chọn tuyến đặt cống cần lưu ý:

- Đặt cống trên nền đá Tuy nhiên khi tầng phủ khá dầy thì cũng có thể đặtcống trên nền đất

- Đáy cống ở thượng lưu chọn cao hơn mực nước bùn cát lắng đọng và thấphơn mực nước chết trong hồ

2- Hình thức cống:

- Vì cống đặt dưới đập đất, mực nước thượng lưu khi lấy nước thay đổi nhiều(từ MNC đến MNDBT) nên hình thức hợp lý là cống ngầm lấy nước không áp

- Vật liệu làm cống là bê tông cốt thép; mặt cắt cống hình chữ nhật

- Dùng tháp van để khống chế lưu lượng Trong tháp có bố trí van công tác vàvan sửa chữa Vị trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoảng giữa mái đập thượng lưu tại vị tríđặt cống

3- Sơ bộ bố trí cống:

Từ vị trí đặt cống và mặt cắt đập đất đã có, sơ bộ bố trí cống để từ đó xác định được chiều dài cống (đoạn trước cửa van, sau cửa van), làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực cống Để sơ bộ xác định chiều dài cống, có thể chọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC 1 (m) Cao trình đáy cống sẽ được chính xác hoá bằng tính toán thuỷ lực sau này

III Thiết kế kênh hạ lưu cống:

Kênh hạ lưu được thiết kế để làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực

Tiếp theo cần xác định bề rộng đáy kênh (b) và chiều sâu nước trong kênh (h)

Có thể giải theo trình tự sau :

a, Sơ bộ xác định vận tốc không xói theo công thức :

Vkx = K Q0,1 (m/s)

Trong đó :

Q : Lưu lượng của kênh, Q = Qtk = 3,9 (m3/s);

K : Hệ số phụ thuộc đất lòng kênh, với cát pha : K = 0,53

Thay số được :

- Kiểm tra thấy = = 1,613  (0,5 2)  Như vậy b, h đã tìm được làhợp lý

Vậy có thể chọn bề rộng kênh là ; b = 2,5 (m),

Và chiều sâu nước trong kênh là ; h = 1,55 (m),

2, Kiểm tra điều kiện không xói :

Vì kênh dẫn nước từ hồ chứa nên hàm lượng bùn cát trong nước nhỏ, khôngcần kiểm tra điều kiện bồi lắng Ngược lại cần kiểm tra điều kiện xói lở, tức khốngchế : Vmax  Vkx

Trong đó :

Vmax : Lưu tốc lớn nhất trong kênh, tính với lưu lượng Qmax;

Qmax = K Q = K Qtk

Với :  = (b + m h) h = (2,5+ 1,5 1,662) 1,662 = 8,298 (m2);

 Vmax = = 0,564 (m/s)  Vkx = 0,607 (m/s)

Thoả mãn Điều kiện không xói do đó mặt cắt trên là hợp lí

Vậy mặt cắt kênh hạ lưu có các đặc trưng sau : b = 2,5 m , m = 1,5 , i = 2.10

3 Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lưu lượng :

Trong tài liệu cho một số cấp lưu lượng để tính toán cống với các trường hợpkhác nhau Ứng với mỗi cấp lưu lượng cần xác định độ sâu dòng đều tương ứngtrong kênh, tức là xác định quan hệ Q~h Bài toán này giải theo phương pháp đốichiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực,

Trong đồ án này cho hai cấp lưu lượng :

Khẩu diện cống được tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưunhỏ và lưu lượng lấy nước tương đối lớn Thường tính với trường hợp MNC ởthượng lưu, còn hạ lưu là mực nước khống chế đầu kênh tưới Zkc, chênh lệch mựcnước thượng hạ lưu khi đó sẽ là :

Theo đồ án thiết kế đập đất ta có ĐĐ = 96,2 m , mái thượng lưu m =4,25,

hạ lưu m =3,75

Chiều rộng đỉnh B = 5 m ; chiều rộng cơ b = 3 m

L = H.4,25 + B +H.3,75 + 3 = 229,6 (m) ;

(H = ĐĐ - MNC -1 = 96,2 –( 69,5-1) =27,7 m )

Đoạn từ của vào đến tháp van có chiều dài là L1 = 60m

Đoạn từ tháp van đến của ra có chiều dài là L2 = 169,6m

+ Tổn thất cửa ra :

Dòng chảy từ bể tiêu năng ra kênh hạ lưu như sơ dồ đập tràn đỉnh rộng chảyngập, khi đó :

Z2 = Trong đó

b : Bề rộng ở cuối bể tiêu năng, b = bkênh = 2,5 (m);

hh : Chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Qtk ;

n : Hệ số lưu tốc (trường hợp chảy ngập), lấy n = 0,96;

Vb : Lưu tốc bình quân trong bể tiêu năng được tính như sau :

Ta giả thiết chiều sâu bể có thể lấy như sau :

Giả thiết chiều sâu bể d = 0,5 m ; bb = bk = 2,5 (m), hh = h0 = 1,55(m)

i = Với : Q = 3,9 (m /s ) ;  = bc h = bc 1,577 ; c = ; R = ;

Do khoảng cách từ tháp van đến cửa ra xấp xỉ bằng chiều dài cống, vì vậy ta

có thể lấy chiều sâu cột nước ngay sau cửa van là : hv = h1 + i.L

Từ đó tính được tổn thất qua van là :Zv =

+ Tổn thất tại cửa vào :

Xác định theo công thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập

Z1 = n = 0,95 ;  = 0,611 ; h1 = hp + zp

Thay số vao các công thức trên ta có kết quả tính khẩu diện cống,

Bảng 4.1 Bảng tính toán khẩu diện cống

bc Z2 i i.L VV ZV VL ZL VP ZP V0 Z1

0,8 0,0270 0,0086 1,9724 3,091 0,097 2,911 0,0354 2,851 0,0829 2,719 0,0579 2,27 1,2 0,0270 0,0025 0,5805 2,061 0,043 2,006 0,0168 1,985 0,0402 1,938 0,0294 0,74 1,6 0,0270 0,0011 0,2502 1,546 0,024 1,522 0,0097 1,513 0,0233 1,491 0,0174 0,35 1,8 0,0270 0,0008 0,1785 1,374 0,019 1,357 0,0077 1,351 0,0186 1,335 0,0140 0,27 2,2 0,0270 0,0004 0,1014 1,124 0,013 1,115 0,0052 1,111 0,0126 1,103 0,0095 0,17 2,5 0,0270 0,0003 0,0712 0,989 0,010 0,983 0,0040 0,981 0,0098 0,975 0,0074 0,13

3 0,0270 0,0002 0,0434 0,824 0,007 0,821 0,0028 0,819 0,0068 0,816 0,0052 0,09

Vẽ quan hệ giữa bc  ta được

Hình 4.2 Đồ thị quan hệ bc 

Từ kết quả tính toán ở bảng trên ta vẽ được biểu đồ quan hệ giữa Zi ~ b

Từ đó ta chọn được trị số bc = 2,1 (m) vừa đủ để lấy được lưu lượng cần thiết với

Cao trình đáy cống ở cửa vào : Zv = MNC – h - Zi

Trong đó :

h : độ sâu dòng đều trong cống khi tháo Qtk : h = 1,55 (m)

Zi :Tổng tổn thất cụ bộ ở cửa vào , khe phai , lưới chắn rác ,tháp van khi tháo Qtk

Zi = 0,0095 +0,0126 + 0,0052 + 0,013 = 0,0403 (m)

Zv = 69,5 – 1,55 – 0,0403 = 67,91 (m)

Cao trình đáy cống cửa ra : Z r = Z v - i L

i.L _ tổn thất dọc đường ; i.L = 0,1014 (m)

Kiểm tra xem mức nước nhảy có xảy ra trong cống không Thường với mựcnước thượng lưu cao, cần khống chế cho mực nước trong cống để tránh rung độngbất lợi Còn đối với các mực nước thấp ở thượng lưu, nước chảy trong cống làkhông tránh khỏi Tuy nhiên khi đó năng lượng của dòng chảy không lớn nên mức

độ rung động nguy hiểm không đáng kể

Xác định chiều sâu bể cần thiết để giới hạn nước chảy ngay sau cửa ra củacống, tránh xói lở ở bờ kênh hạ lưu

Trong phần đề ra đã giới hạn việc tính toán cho hai trường hợp mực nước caovới các lưu lượng tương ứng Sơ đồ tính toán cho các trường hợp này như hình vẽsau Ở bài này tính với trường hợp là MNDBT, tương ứng với lưu lượng Qtk

2 Xác định độ mở cống :

Tính theo sơ đồ chảy tự do qua lỗ

Q = Trong đó :

 : Hệ số lưu tốc lấy  = 0,95;

 : Hệ số co hẹp đứng lấy  = 0,611

H0’ : Cột nước tính toán trước cửa vào đến vị trí của van;

H0’ = H0 - h ; H0 = ,

h : tổn thất cột nước từ cửa vào đến vị trí cửa van :

h  0 m: Vì tại vị trí cửa vào (đoạn cống trước van) nước chảy đầy cống do

đó w lớn mà lưu lượng QTK không thay đổi nên V nhỏ, mà V tỷ lệ với V2 hên tổnthất hw không đáng kể có thể bỏ qua

có : H =MNDBT - đáy cống =MNDBT - Zv =113,0 – 90,8 =22,2 (m)

 H0’ = 22,2+0,038 = 22,238 (m), (Với hw 0)

Hệ số co hẹp đứng  = f có thẻ xác định a bằng phương pháp sử dụng bảngquan hệ của Jucốpki

Như vậy ta thấy F(c)  0,264 Sử dụng bảng (15-1) tra được c = 0,00425

và tra bảng (16-1) được :  =  = 0,611 a = = = 0,15(m)

Tính lại  và a tương ứng đã chọn :

Q =

Ta thấy : Q = .100% = 1,3%  Q  5% Chấp nhận được

3, Kiểm tra chảy trong cống :

Vẽ đường mặt nước để tìm độ sâu cuối cống hr

Trong đó :

 = 2 - 1 ; 2 = ; 1= ; = (J1 + J2)/2 ; J1 = ; J2 =

L: Khoảng cách giữa hai mặt cắt tính toán

: Chênh lệch tỷ năng giữa hai mặt cắti: Độ dốc của cống, i = 8,4.10-4

: Độ dốc thủy lực trung bình giữa hai mặt cắt tính toán

Để thuận tiện cho việc tính toán, lập bảng tính toán:

Giải thích các đại lương trong bảng tính

Cột 1: Thứ tự mặt cắt tính toán

Cột 2: Chiều sâu cột nước giả thiết tại mặt cắt tính toán hi , giá trị bắt đầu hc

Cột 3: Diện tích ướt tại mặt cắt tính toán i = bc.hi

Cột 4: Lưu tốc tại mặt cắt tính toán

Cột 5: Tỷ năng tại mặt cắt tính toán 1

Cột 6: Chênh lệch tỷ năng giữa hai mặt cắt:  = 2 - 1

Cột 7: Chu vi ướt tại mặt cắt tính toán: i = bc + 2hi

Với chiều sâu cột mực nước tại mặt cắt đầu tiên là hc (m) cách vị trí cửa van mộtđoạn là Lc = 1,4a Giả thiết h tăng dần tính cho tới khi hết chiều dài cống

Kết quả tính toán ở trên ta thấy đường mắt nước cắt đường K-K trong cống khichưa ra khỏi cống (L=76,06m < L2 = 146m) nên xảy ra hiện tượng nước nhảytrong cống

c, Xác định vị trí và chiều cao nước nhảy

+, Vẽ đường C1 theo phương pháp cộng trực tiếp

+, Vẽ đường e – e (C1’’) là đường liên hiệp với đường C1 với

+, Dịch đường e – e xuống hạ lưu được đường f-f với độ dịch chuyển

Ln = 4,5h’’

+, Với độ sâu hr = hh nên đường mặt nước trong cống sau nước nhảy là đườngnước hạ b1 Vẽ đường b1 bắt đầu từ cửa ra và ngược lại, đường b1 cắt đường f-f tạiđiểm S có độ sâu h’’ Đó chính là độ sâu sau nước nhảy xảy ra trong cống

Bảng 5.2 Bảng tính đường mặt nước từ cuối cống lên

Kết quả tính toán:

+, Độ sâu trước nước nhảy: h’=0,336(m)

+, Độ sâu sau nước nhảy: h”= 1,280(m)

+, Chiều dài nước nhảy: Ln = 5,760(m)

Nước nhảy trong cống gây bất lợi cho cống về mặt ổn định trong quá trình làm việc,

vì sẽ xảy ra hiện tượng chân không ở khu vực sau của van cũng như là hiện tượng xâm thực vật liệu làm cống, không đảm bảo chế độ sử dụng nước

Ta có thể sử dụng các biện pháp để đẩy nước nhảy ra ngoài như thay đổi kích thước cống, dịch tháp van gần về phía hạ lưu, tăng độ dốc đáy cống nhưng các biện pháp này cũng gây bất lợi cho một số điều kiện khác của cống

Do cống có chiều cao Hc = 2,5m , trong khi h” = 1,280(m) nên nước nhảy không chạm trần cống, ta có thể dùng cách gia cố khớp nối thì công cống để đảm bảo cho cống vẫn làm việc bình thường khi có nước nhảy trong cống

4, Tiêu năng sau cống

Theo điều kiện cấu tạo, tại của ra của cống ta phải bố trí tiêu năng để dòng chảy ra hạ lưu cống được an toàn Chọn hình thức tiêu năng năng cho cống tại cửa ra là tiêu năng đáy,làm bể tiêu năng cấu tạo

Chiều dài bể tiêu năng lb = 5(m); bể sâu db = 0,5m

Dưới đáy bể bố trí tầng lọc ngược, trong bể có đục các lỗ thoát nước

VI : Ch ọ n c ấ u t ạ o c ố ng :

I C ử a vào c ử a ra :

Cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng, hạ lưu Thường bốtrí tường hướng dòng hình thức mở rộng dần Góc chụm của 2 tường hướng dòng ở cửavào lấy khoảng 180  230 hoặc lớn hơn, ở đây lấy 200 Góc chụm ở cửa ra không vượt quá

80  120 để tránh hiện tượng tách dòng, ở đồ án này ta lấy bằng 100

Các tường cách có thể làm thấp dần theo mái Cấu tạo cửa ra cần kết hợp với việc bố trícác thiết bị tiêu năng Cuối bể tiêu năng cần có bộ phận chuyển tiếp ra kênh hạ lưu (thườngbằng đá lát) , sau bể tiêu năng cần bố trí một đoạn bảo vệ kênh hạ lưu có chiều dài bằng

Lsn xác định theo công thức :

Lsn = (2,5  3)Ln , chọn bằng 3 Lsn = 3.Ln = 3.5,760 = 17,28 (m)

II Thân c ố ng :

1/ Mặt cắt :

Cống hộp thường làm bằng bê tông cốt thép, đổ tại chỗ Mặt cắt ngang của cống có kết cấukhung cứng, thường làm vát các góc để tránh ứng suất tập trung Chiều dày thành cống xácđịnh theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo Theo điều kiệnchống thấm cần đảm bảo :

t  Trong đó : H : Cột nước lớn nhất, H = 14,5 (m),

[J] : Gradien cho phép về thấm của vật liệu bê tông, [J] = 10  15, ở đây ta chọn [J] = 15

 t = = = 0,967 (m)Chọn theo tính toán là quá lớn vì vậy ta chọn theo cấu tạo t = 0,5 (m)

2/ Phân đoạn cống :

Khi cống dài, cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn nhỏ để tránh rạn nứtdo lúnkhông đều Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất nền và tải trọng trên cống, thường

từ khoảng 10  20 (m) ở đây ta chọn Lđoạn = 20 (m)

Tại khe nối cần đặt thiết bị chống rò nước, thiết bị chống rò nước được làm bằng tấm kimloại dùng cho tấm ngang và tấm đứng của cống hộp

Khi cột nước tác dụng không cao có thể làm thiết bị chống rò tại khớp nối kiểu dây thừngtẩm nhựa đường Chi tiết tấm nối ngang và tấm đứng được thể hiện chi tiết như trong bảnvẽ

3/ Nối tiếp thân cống với nền :

Cống hộp có thể đổ trực tiếp trên nền hay trên lớp bê tông lót dày khoảng 10  15 (cm),khi nền không phải là đá và tải trọng lên cống lớn cần tăng bề rộng đáy cống để hạn chếứng suất đáy móng

4/ Nối tiếp thân cống với đập :

Thường dùng đất sét nện chặt thành một lớp bao quanh cống dày khoảng 0,5  1 (m) Tạichỗ nối tiếp các đoạn cống, làm thành các gờ để nối tiếp cống với đất đắp được tốt hơn

III Tháp van :

Vị trí tháp van thường bố trí ở khoảng giữa mái thượng lưu đập để đảm bảo không sinh ranước nhảy trong cống ứng với các mực nước cao và đảm bảo các yêu cầu khác.

Trong tháp thường bố trí van công tác và van sửa chữa sự cố, cần bố trí lỗ thông hơi khicần thiết (khi có nước nhảy trong cống và chiều sâu sau nước nhảy xấp xỉ tới trần cống) Mặt cắt ngang tháp thường dạng chữ nhật Chiều dày thành cũng xác định theo điều kiệnchịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo Thường thành tháp có chiều dày thayđổi (kiểu dật cấp) theo sự thay đổi của áp lực ngoài

Phía trên tháp có nhà để đặt máy đóng mở và thao tác van; có cầu công tác nối tháp vanvới đỉnh đập