Bài giảng kênh và công trình trên kênh

- Cần xây dựng các kênh tiêu nước sườn dốc 2, chảy về những nơi trũng, rồi qua cống luồn hoặc tràn băng để tiêu qua kênh... Mặt cắt ngang của cầu máng thường có dạng hình bán nguyệt, hìn

CHƯƠNG 5: KÊNH VÀ CÔNG TRÌNH TRÊN KÊNH

GS TS Phạm Ngọc Quý

Hình 5-1 Một số hình dạng mặt cắt kênh

5.1 KấNH

- Khi thiết kế kờnh cần chỳ ý:

Là mặt cắt cú lợi nhất về thủy lực

Kờnh đào: nếu ω khụng đổi, tăng h, giảm b thỡ cú lợi

Kờnh đắp: dựng mặt cắt nụng và rộng thường cú lợi

m = f (địa chất, điều kiện thi cụng ): chọn theo đ/k ổn định

Đảm bảo kờnh khụng bị xúi thỡ V < Vkx tớnh theo (5-2) với kờnh đất

đối với đất tốt, nén chặt A = 1,4 đất t ơng đối rời A = 1,2

Đảm bảo kờnh khụng bị bồi lắng thỡ hàm lượng bựn cỏt phải nhỏ hơn năng lực vận chuyển bựn cỏt của dũng chảy P tớnh theo (5-3)

(5 - 3)

tb

n tb kx

D 7

R L D g A

3

m/kgRJVV

700P

ωω

=

5.1 KÊNH

5.1.2 Thấm và biện pháp chống thấm cho kênh

- Nước trong kênh bị bốc hơi và thấm

- Thấm từ kênh phụ thuộc vào:

K h 2 b K q

2

1

2

K K

0 2

2

hH

4B

l2HB

l2HK

q = + − − + + − −

- Các tấm bê tông, bê tông cốt thép.

- Dùng bê tông nhựa đường

5.1.4 Chọn tuyến kênh

- Sao cho khối lượng đào đắp gần bằng nhau

- Cố gắng chọn tuyến kênh thẳng hoặc theo đường đổng mức

- Không chọn qua vùng đá, vùng đất dễ trượt, thấm lớn

- Tránh sông ngòi, đường giao thông để giảm công trình

- Phù hợp với biện pháp thi công

- Không qúa cong: R ≥ 5L (L chiều dài đoàn thuyền)

5.1 KÊNH

)

2 Cống tháo cuối kênh (hình 5-6).

Để tháo cạn kênh hoặc xả bớt lượng nước thừa

C¾t däc

MÆt b»ng

5.1 KÊNH

3 Kênh tiêu sườn dốc (hình 5-7).

- Kênh đi qua sườn dốc (3) về mùa mưa thường bị sạt lở hoặc kênh bị lấp đầy bùn cát

- Cần xây dựng các kênh tiêu nước sườn dốc (2), chảy về những nơi trũng, rồi qua cống luồn hoặc tràn băng để tiêu qua kênh

Kênh qua thung lũng, khe lạch (hai bờ dốc).

Qua con kênh, con sông khác

Qua vùng đất thấm nhiều, vùng lầy thụt (hình 5-10)

Hình 5-10

a)

b)

5.2 CẦU MÁNG

)

§16.4 CẦU MÁNG

- Cầu máng có cấu tạo:

+ Cửa vào, cửa ra (hình 5-11): thuận, có tường cánh

và sân.

Hình 5-11 Cöa vµo, cöa ra cña cÇu m¸ng

+ Thân là bộ phận chuyển nước chủ yếu.

+Giá đỡ: kê tự do theo dạng dầm đơn hoặc liên tục.

5.2 CẦU MÁNG

5.2.2 Tính toán thủy lực:

- Công thức cơ bản theo (5-6): (5-6)

- Độ dốc của cầu máng, tính như dòng đều và thường chọn 1/500 ÷1/1200 Vận tốc trong máng chọn 1 ÷ 2 (m/s), không nên chọn lớn hơn

Nếu Q* ≠ Q, thay lại b và tính lại

+ Xử lý cửa vào kênh hạ lưu để tránh ảnh hưởng của độ cao hồi phục Z' (Z' lấy theo bảng 5-2) bằng cách hạ đáy kênh xuống một đoạn P3 theo

P3 = hh - (h + z’) (5 - 11)

, gz 2 h b

1 8

4 5

Hình 5 - 14 Cầu máng gỗ

1 Khung nẹp; 2 ván gỗ thành máng; 3 khung chống; 4 dầm dọc;

5 thanh gỗ đỉnh; 6 cột đứng; 7 thanh giằng chéo; 8 cầu người đi.

Mặt cắt ngang của cầu máng thường có dạng hình bán nguyệt, hình chữ nhật (hình 5 - 14).

5.2 CẦU MÁNG

2 Cầu máng bằng gạch đá xây

-Loại này có thể sử dụng vật liệu địa phương

-Mặt cắt ngang thân máng thường là hình chữ nhật; đỡ cầu máng có thể là vòm -Dùng cho cầu máng vừa và nhỏ.

Hình 5 - 15 Cầu máng gạch đá có giá đỡ kiểu vòm

Chiều rộng của máng thông qua tính toán thuỷ lực

Chiều cao thành máng phải cao hơn mực nước lớn nhất trong máng Tính kết cấu trong hai trường hợp: 1.không có nước, gió lớn;

2.Nước trong máng lớn nhất.

I-I

5.2 CẦU MÁNG

)

5.2 CẦU MÁNG

3 Cầu máng bêtông cốt thép

-Thường có mặt cắt ngang là hình chữ nhật

- Thân máng đặt trên hệ thống giá đỡ

- Khi tính toán kết cấu thân máng theo phương ngang và

phương dọc

-Giá đỡ thường dùng kiểu khung cứng

-Tại nơi phân đoạn có thiết bị chống thấm bằng tấm kim loại, tấm cao su hay bao tải tẩm nhựa đường.

5.2 CẦU MÁNG

)

5.2 CẦU MÁNG

4 Cầu máng bằng vật liệu xi măng lưới thép:

-Ưu điểm: mỏng nhẹ; tiết kiệm xi măng, thép; chế tạo sẵn và xây dựng theo phương pháp lắp ghép thi công nhanh, chất lượng thi công đảm bảo (hình 5-18).

iii iii - iii

5.2 CẦU MÁNG

- Mặt cắt: Bán nguyệt, parabol,  (dùng với nhịp lớn, phần thẳng đứng bằng (0,1

÷ 0,3)D, phần dưới là nửa đường tròn)

Độ vượt cao mực nước max là δ = (0,1 ÷ 0,15)D.

Thanh giằng: cách nhau 1 m, kích thước 8 × 8 ÷ 6 × 6 (cm).

- Thân máng có cấu tạo lần lượt từ ngoài vào giữa:

Khung bê tông cốt thép.

Máy đặt lên theo dầm đơn hoặc dầm liên tục.

- Tính kết cấu:

Tính theo phương ngang và phương dọc.

Tính như không gian vỏ mỏng, hình trụ: nếu L/D < 3 tính theo lý thuyết

vỏ Nếu L/D > 3 tính theo lý thuyết dầm.

5.2 CẦU MÁNG

)

5.3 XI PHÔNG NGƯỢC

5.3.1 Bố trí xiphông ngược

-Xi phông ngược được đặt lộ thiên hoặc đi luồn bên dưới đáy kênh, sông, suối v.v

-Dùng ở nơi địa hình địa thay đổi đột ngột.

-Ưu điểm: dùng cả những nơi cầu máng không dùng được

- Nhược điểm: tổn thất cột nước lớn, quản lý, kiểm tra,

tu sửa khó khăn.

-Có loại xi phông giếng đứng và ống nghiêng (hình 5- 19)

5.3 XI PHÔNG NGƯỢC

Hình 5-19

Cửa vào, ra phải thuận

5.3 XI PHÔNG NGƯỢC

5.3 XI PHÔNG NGƯỢC

5.3 XI PHÔNG NGƯỢC

thất cột nước quá nhiều.

+ Số lượng ống xi phông chọn hợp lý để với các Q khác nhau thì V không thay đổi nhiều.

0

gz 2

5.3 XI PHÔNG NGƯỢC

kiểm tra lại điều kiện tổn thất:

Hình 5 - 20 Sơ đồ tính toán thuỷ lực xi phông ngược

nước nhảy ở cửa vào Nước nhảy không cố định làm cống bị rung, làm hư hỏng các khớp nối

z

5.3 XI PHÔNG NGƯỢC

-Để khắc phục hiện tượng ta có thể dùng một số biện pháp công trình:

Hình 5 - 21 Các hình thức để tiêu hao cột nước thừa ở xi phông ngược

+Đặt hàng song gỗ ở cửa ra.

+ Tạo ra đoạn quá độ ở cửa vào.

+ Tạo ra như một bể tiêu năng dùng khi cột nước thừa tương đối lớn.

max min

min

max

-Nhược điểm: không bền, thấm qua gỗ

-Ưu điểm: dùng ở nơi nhiều gỗ

5.3 XI PHÔNG NGƯỢC

2 Ống xi phông bằng bêtông và bêtông cốt thép

-Dùng luồn dưới các sông, kênh, chịu tác dụng của các ngoại lực lớn

-D không lớn (D < 1,2m), đúc thành từng đoạn, chỗ tiếp các đoạn ống có vòng đai BTCT

-Khi D lớn, hoặc mặt cắt chữ nhật thì thi công tại chỗ, cứ 10 - 15m làm một khe co giãn

b)

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

+Công trình tiêu ,cắt ngang đường giao thông thường là cống, cầu và ngầm

+Cầu là công trình vượt trên cao vì vậy khá tốn kém khi sông rộng

5.4.2.Cống qua đường

+Cống là đường ống chôn dưới khối đắp để dẫn nước,

có gia cố bảo vệ ở cửa vào và cửa ra

+ Cống làm co hẹp và tạo ra nước xoáy ngược, nước dâng trước cửa vào

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

a)

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

a) Tuyến cống:

Theo tuyến kênh và đảm bảo độ dốc để có thể giảm thiểu tổn thất cột nước và chống xói.

b) Kết cấu cửa vào cống :

*Cửa vào thẳng góc hoặc loe, có sân trước, có thể có lưới chắn rác

*Có thể dạng dốc nước hoặc bâc nước

*Mặt cắt ngang có thể là chữ nhật hoặc tròn Có thể

có lỗ thông khí

c) Kết cấu cửa ra của cống:

Cửa ra của cống cần phải bố trí với kết cấu hợp lý để chống xói (Tường biên, bản đáy, bảo vệ bờ).

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

d) Xói sau cửa ra của cống:

Dòng chảy qua cống có thể gây xói tại những vị trí cửa ra không

B =

3 1

( )gD U

F r 2 /

0

3 , 7 22

,

-Với cống chìa (ống công xôn) Blaisdell và Anderson

114 , 0 50 285

, 0 18

25 ,

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

a)Độ dềnh nước thượng lưu:

*Các co hẹp ngắn (không có xoáy):Tính như sơ đồ d/c qua đập

tràn đỉnh rộng chảy ngập-hình 5-27)

Hình 5-27 Mặt cắt dòng chảy qua cầu

khi đoạn co hẹp có chiều dài ngắn

( dòng chảy êm).

+Viết phương trình năng lượng cho m/c 1 và 2 là:

Với KB là hệ số tổn thất ; : hệ số lưu chuyển (bảng 5-3)

là hệ số hiệu chỉnh năng lượng, L chiều dài cầu,

là độ dốc trung bình của đáy dòng chảy tại cầu.

g V

L S g V

K

h B / 2 o / 2 / 2

1 1

+Phương trình (5-23) đưa ra kết quả khá chính xác, nhưng hệ số cản CD khó xác định chính xác.

+Số liệu thí nghiệm của Yarnell (1934) :

(5-24) Với: (5-25)

A y

∆

( ) { / + 2} 3 − 2

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

+ Trường hợp dòng chảy co hẹp, tổn thất năng lượng giữa mặt cắt 1 và 2 đựơc Yarnell đưa ra :

(5-27) Với CL là hệ số phụ thuộc hình dạng mố (bằng 0,35 với mố có cạnh vuông

và bằng 0,18 với các mố lượn tròn, tỷ số giữa chiều dài và rộng bằng 4) +Từ phương trình (5-27) chiều sâu nước ở thượng lưu cầu y1 có thể tính được, từ đó cũng tính được độ dềnh nước (bằng )

+Ảnh hưởng đến : Cầu xiên 100 không đáng kể ; cầu xiên 200 thì tăng đến 250%

Hình 5-28 Mặt cắt dòng chảy trong điều kiện dòng chảy co hẹp.

g V

C E

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

b) Tính toán lưu lượng tại các mố cầu:

1 Nagler (1918) đưa ra công thức tính lưu lượng cho dòng chảy chưa tới hạn và

gần tới hạn (hình 5.29 (a) ):

28)

Với : là nhân tố hiệu chỉnh có xu hướng giảm độ sâu từ tới

/

1 3

2 3

y g

b K

3 Chow (1983) đưa ra một suy luận tổng hợp về lưu

lượng qua các biểu đồ thiết kế

3

2 y 2 gh V b

K

A

K

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

c) Chiều sâu xói dưới cầu :

(5-30)

W chiều rông dòng chảy ;

L : chiều dài cầu( vuông góc với d/c)

d) Xói xung quanh mố cầu:

(5-35) Với: là hệ số nghiêng và là một hàm của mố

( / ')0.78 0 26

2 4

α

K

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

e) Bảo vệ xói xung quanh mố: Bảo vệ bằng đá đổ

Chiều dày đá đổ là b’/3, đường kính viên đá lớn nhất là :

(5-37)

U (m/s); d (mét) Vận tốc dòng chảy tới hạn trung bình :

(5-38)

d là đường kính viên đá tính bằng m ; chiều sâu dòng chảy

Với đáy ngang (Trung tâm nghiên cứu xây dựng biển-Quân đội Mỹ (1984) :

(5-39)

2

04 , 0 033

, 0 06

4 d

5.4 CỐNG NGẦM, CẦU VÀ NGẦM

5.4.4 Một số dốc tràn nước

+Mặt dốc tràn nước là kết cấu nông không có độ dốc quá lớn +Cửa vào thuận ;

+cuối dốc có tiêu năng

+Bề mặt dốc tràn phải không ảnh hưởng bởi vận tốc dòng chảy +Vận tốc trung bình cho phép của dòng chảy với các loại vật liệu bảo vệ được cho ở bảng 5-6 (theo Watkins và Fiddes, 1984).

+Lưu lượng tràn : tính bằng công thức đập tràn dạng :

(5-40) Với: C hệ số ngưỡng theo bảng 5-7 (hiểu C= m );

b là bề rộng nước tràn,

H là cột nước tổng ở thượng lưu ngưỡng.

2 3

CbH

0 < d y1 <

P

5.5.BẬC NƯỚC

2.Bậc nước kiểu Sarda (Ấn Độ):

+Là bậc nước có tường ngưỡng ở cửa vào (hình 5.34) +Chiều dài bậc thường

bằng bề rộng đáy kênh

Mặt cắt ngang chữ nhật.

+Cao trình đỉnh tường

cửa vào chọn sao cho

mực nước thượng lưu

không hạ thấp

Hình 5-34 Bố trí bậc Sarda

(Ví dụ 5-5) ; kích thước bằng m.

-Lưu lượng : (5-54)

2

55,

Q =

55

6

1 2

3

) / ( 99

,

5.5.BẬC NƯỚC

Hình 5-35 Đỉnh tràn dạng Sarda.

) (

3 2

)

(4

5.5.BẬC NƯỚC

3.Tràn tự do kiểu YMGT (Nhật Bản):

Dạng tràn này phổ biến với mặt cắt dạng máng chữ nhật,

thích hợp với lưu lượng kênh nhỏ, kênh tưới… với lưu lượng đạt đến 1 m3/s (hình 5-36)

Các tiêu chuẩn thiết kế

được trình bày dưới đây :

+Chiều cao ngưỡng:

) (

5 ,

155 , 1

D

1

/ cot g α = yc Ld

5.5.BẬC NƯỚC

2) Ghềnh tràn kiểu dốc (Ấn độ):

Kiểu tràn này rẻ, ngưỡng thấp, Q nhỏ (khoảng 0,75 m3/s) ; dốc xoải m=10-20 không cản trở sự giao thông của các phương tiện thuỷ loại nhỏ.

3)Tràn kiểu bậc:

Kiểu này gồm các bậc đá xếp liên tiếp; dùng trong kênh có lưu lượng nhỏ ( hình 5-38).

Hình 5-38 Tràn kiểu bậc

5.5.BẬC NƯỚC

5.5.4 Tràn kiểu ống

Là hình thức tràn kinh tế ; dùng với lưu lượng lớn nhất là 50

lít/s ; có thêm cửa van, lưới chắn rác.

1.Tràn kiểu giếng:

Tràn kiểu giếng (hình 5-39) bao gồm một giếng nối tiếp sau là đường ống dẫn

về hạ lưu ; dùng với lưu lượng lớn nhất đến 50l/s và chiều cao bậc trong

khoảng (2-3 m), và thường được dùng ở cuối

5.5.BẬC NƯỚC

5.5.5 Tràn nội đồng

-Dùng để phân phối nước trong kênh nội đồng ;

kích thước nhỏ và thi công cũng đơn giản.

-Có : Tràn bậc nước khe hở gồm một khe hình thang trên một

tường bê tông ngang kênh Dạng tràn này cũng được dùng để đo

Q trên kênh (Hình 5-40) đến 0,5 m3/s, độ sâu C= 0,2 m và

L=0,75-1,8 m ; D= 0,3-0,9 m

Hình 5-40 Máng kiểm tra lưu lượng

kiểu tràn khe hở (USA)

CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI