Đồ án môn học Thiết kế cống ngầm

- Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân - Kết hợp nuôi cá lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái phục vụ du lịch Vậy cấp thiết kế của công t

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

THIẾT KẾ CỐNG NGẦM

MÃ ĐỀ: 56

A TÀI LIỆU CHO TRƯỚC

I Nhiệm vụ công trình

Hồ chứa nước H trên sông S đảm nhận 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 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 tháo lũ

3 Một công đặt dưới đập để lấy nước

III Tóm tắt một số tài liệu cơ bản:

1 Địa hình: Cho bình đồ vùng tuyến đập.

2 Địa chất: Cho mặt cắt dọc tuyến đập, chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tích lòng sông

cho ở bảng 1.Tầng đá gốc rắn chắc, mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hoá dày0,5÷ 1m

3 Vật liệu xây dựng:

a) Đất: xung quanh vị trí đập có các bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000m3, cự ly800m); B (trữ lượng 600.000m3, 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 tiêunhư ở bảng 1 Điều kiện khai thác bình thường

Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4km, trữ lượng đủ làm thiết bị chống thấm

b) Đá: khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo

đắp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lí :ϕ = 23o; n = 0,35(của đống đá); gk = 2,5T/m3

c) Cát, sỏi: khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3km, trữ lượng đủ làm

tầng lọc Cấp phối như ở bảng 2

Bảng 1- Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liêu đắp đập Chỉ tiêu Hệ số Độ ẩm j (độ) C (T/m2) gk k

Loại rỗng n W(%) (T/m

3) (m/s)

Tự nhiên

Bãohoà

Tựnhiên

BãohoàĐất đắp đập

- Tràn tự động có cột nước trên đỉnh tràn Hmax = 3m

- Vận tốc gió tính toán ứng với mức đảm bảo P%:

MNC(m)

MNDBT(m)

Bình

Khi MNC(Qtk)

KhiMNDBT

5- Tài liệu thiết kế cống:

- Lưu lượng thiết kế lấy ứng với MNDBT: Qcống = 3,5 m3/s và MNC Qtk = 4 m3/s

- Mực nước khống chế đầu kênh tưới: Zkt = 11.05 m

- Tài liệu về kênh chính: hệ số mái m = 1,5; độ nhám n = 0,025:độ dốc đáy i

- Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác

- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

- Kết hợp nuôi cá lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái phục vụ du lịch

Vậy cấp thiết kế của công trình là cấp II

Khi chọn tuyến đặt cống cần lưu ý:

- Vì tầng phủ khá dầy nên ta đặt cống trên nền đất

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

b) Hình thức cống

- Vì cống đặt dưới đập đất, mực nước thượng lưu khi lấy nước thay đổi nhiều (từMNC 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 và vansửa chữa Vị trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoảng giữa mái đập thượng lưu tại vị trí đặt cống

c) Sơ bộ bố trí cống

- Phía dưới cơ đập độ dốc m3= 3,25

Cơ đập: bố trí cơ đập phía hạ lưu ở cao trình + 27.4m rộng 3m

Căn cứ vào việc chọn tuyến cống như trên sơ bộ trọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC 1.4m Vậy cao trình đáy cống là +10m và vị trí tháp cống ở giữa mái thượng lưu đập Sơ bộ ta có: L = 189m

II Thiết kế kênh hạ lưu cống

1.3 Xác định bề rộng đáy kênh và chiều sâu nước trong kênh

- Sơ bộ xác định vận tốc không xói

VKX = KQ0.1 = 0,53.40.1 = 0.61 m/sChiều sâu nước theo công thức kinh nghiệm:

m Q

V

h=0,5.(1+ KX)3 = 0,5.(1+0,61)3 4 =1,3Bán kính thủy lực lợi nhất:

ln

1,3 1.389 0,936

h R

2 Kiểm tra điều kiện không xói

Vì kênh dẫn nước từ hồ chứa nên hàm lượng bùn cát trong nước nhỏ, không cần kiểm tra điều kiện bồi lắng Ngược lại cần kiểm tra điều kiện xói lở, tức khống chế:

V = = < m s thỏa mãn điều kiện

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

Tính toán theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực ta có:

Chênh lệch mực nước thượng, hạ lưu:

[∆Z] = MNC - Zđk = 11,4 – 11.05 = 0,35 (m)Lúc này để lấy đủ lưu lượng thiết kế cần mở hết cửa van Sơ đồ tính toán như hìnhvẽ:

Z 1 Z p Z l

Z = +Z Z + +Z Z +Z +iL

∑

Ở đây: i – độ dốc dọc cống, L – tổng chiều dài cống

Trị số bc được tính bằng phương pháp thử đúng dẫn hay phương pháp đồ thị Các bước thực hiện: Giả thiết bc, tính toán các tổn thất thủy lực, lập bảng và lựa chọn bc

Với mỗi giá trị bc, các tổn thất được tính như sau:

Trong đó:

+ Q = 4 m3/s

+ b: chiều rộng cuối bể tiêu năng, chọn bằng bề rộng kênh; b=2.5m

+ hh: chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng Q = 4m3/s, hh=1.5m

2.2 Tổn thất dọc đường từ cửa ra đến tháp van

Coi dòng chảy trong cống là đều với độ sâu:

h1 = hh+Z2 = 1,5 + 0,042 = 1,542m

Khi đó tổn thất được xác định bằng công thức: iL2 với i là độ dốc dọc cống, L là chiều dài cống đoạn từ cửa ra đến tháp van; L2=141m.

Độ dốc dọc cống được xác định như sau:

2

Q i

V Z

g

αζ

2.4 Tổn thất dọc đường từ tháp van đến lưới chắn rác

Tổn thất được xác định bằng công thức: iL1 với

2

Q i

2

α

Trong đó: + ξl: Hệ số tổn thất qua lưới chắn rác ξl = 0,2

v v

2.6 Tổn thất cục bộ qua khe phai

Vì ta bố trí 2 khe phai nên:

Zp = 2.ξp

g

2

Q

= .( )

l l

c h z b

Q

2

.) (

2

2 0 2

1

2 1

αω

ϕ

=Ζ

Trong đó:

+ϕ và ε: Hệ số lưu tốc và hệ số co hẹp bên ở cửa vào ε = 0,98

Tra phụ lục 14-8(Các bảng tính thủy lực)được m=0,36

Tra bảng 12QP.TL.C-8 -76(trang 43) với m=0,36 được ϕ=0,96

+ω1: Diện tích mặt cắt ướt sau cửa vào ω1 = bc.h

Chọn bề rộng cống b=2m

3 Xác định cao trình cống và cao trình đặt cống

3.1 Chiều cao mặt cắt cống

hc=h1+∆

Với h1=1.542m, ∆ là độ lưu không, chọn bằng 0.958m -> hc=2.5m

• Cao trình đáy cống cửa vào

=> Zv=11.4-0.283-1.452 = 9,665 Chọn cao trình cửa vào Zv = 9,6m

• Cao trình đáy cống cửa ra:

Zr=Zv-iL=9.6-0.184-0.045=9.37

Vậy đặt Zr=9,3m, cao trình đáy kênh trùng với cao trình đáy cống Khi đó chiều dài của cống là L = 176m, chiều dài trước van L1 = 49m, chiều dài sau van L2=127m Độ dốc đáyi=0.0002

4 Kiểm tra trạng thái chảy và tính toán tiêu năng

4.1 Trường hợp tính toán:

Khi mực nước thượng lưu cao chỉ cần mở một phần cửa van đề lấy được lưu lượngcần thiết Do năng lương của dòng chảy lớn, dòng chảy ở ngay sau cửa van thường là dòng xiết Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lưu qua nước nhảy Do đó cần tính toán để:

- Kiểm tra nước nhảy có ở trong cống không Thường với các mực nước cao ở thượng lưu cần khống chế không cho nước nhảy trong cống để tránh rung động bất lợi Còn với mực nước thấp ở hạ lưu, nước nhảy trong cống là không tránh khỏi Tuy nhiên khi đó năng của dòng chảy không lớn nên mức đọ rung động nguy hiểm không đáng kể

- Xác đinh chiều sâu bể cần thiết để giới hạn nước nhảy ngay sau cửa ra của cống, tránh xói lở kênh hạ lưu

Hình 2: Sơ đồ tính toán thủy lực khi mực nước cao ở thượng lưu

4.2. Xác định độ mở cống

Tính theo sơ đò chảy tự do qua lỗ

Q = ϕ.α.a.bc 2 .( ' )

0 a H

2 0

2 0

2 0

Hệ số co hẹp đứng α phụ thuộc tỷ số a/H, có thể xác định a bằng cách sử dụng bảngquan hệ của Jucốpxki như sau:

( )

2

3 '

c o

c

H b

Q F

=

→Tra bảng 15-1 có: τc = 0,004→ hc = τc.H'

0 = 0,004.21,753= 0,087 (m)Tra bảng 16-1 có: α = 0,611

0,004

0,0065 0,611

Vậy: Giá trị ε = 0,611 và a = 0,14 (m) xác định ở trên có thể chấp nhận được

4.3. Kiểm tra nước nhảy trong cống

4.3.1 Vẽ đường mặt nước để tìm độ sâu cuối cống h r

a) Định tính: cần xác định hc, ho, hk

Độ sâu co hẹp sau van: hc=α.a=0,611.0,14=0,085 (m)

Độ sâu phân giới: hk = 3

Độ sâu dòng đều ho tính theo phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thủy lựcVới i=0.0002

Tại cửa ra không bố trí bậc nên sau nước nhảy là dòng chảy đều ho=2,26m và hn=1,5m >

hk => hr =1,5m

• Xác định vị trí nước nhảy:

Vận dụng lý thuyết về sự nối tiếp, trước nước nhảy là đoạn chảy xiết theo đường nước dâng CI bắt đầu từ mặt cắt co hẹp có độ sâu hc đến mặt cắt (I-I) có độ sâu h’ Sau nước nhảy là dòng chảy êm theo đường nước hạ b1 bắt đầu từ mặt cắt II-II có độ sâu h’’ đến mặt cắt cửa ra có độ sâu hr

Trong đó: + L: giá trị lấy từ bảng tính đường mặt nước trong cống

+ l: khoảng cách từ mặt cắt co hẹp c-c đến măt cắt (I-I) có độ sâu trước nước nhảy tương ứng

+ L+ln: khoảng cách từ mặt cắt co hẹp c-c đến mặt cắt (II-II) có độ sâu sau nước nhảy

Hình 7-3: Sơ đồ tính toán nước nhảy trong cống

II

II

ln

Bảng tính đường mặt nước (e-e) và (f-f)

0.085 0 2.428 12.006 12.0060.135 5.793 2.084 9.379 15.1720.185 12.746 1.747 7.861 20.6070.235 20.171 1.517 6.825 26.9960.285 27.695 1.344 6.050 33.7450.335 35.059 1.208 5.436 40.4950.385 42.050 1.095 4.929 46.9790.435 48.473 1.000 4.501 52.9730.485 54.138 0.918 4.130 58.2680.535 58.854 0.845 3.804 62.6590.585 62.425 0.781 3.515 65.9410.635 64.646 0.724 3.257 67.9020.678 65.305 0.679 3.054 68.359

Ta thấy, độ sâu lớn nhất là 2.428m <hc=2.5m => nước nhảy không chạm trần cống

Vẽ đường nước đổ bI trong cống: Sau nước nhảy bắt đầu từ mặt cắt II-II có độ sâu liên hiệp h’’ và tận cùng ở cửa ra có độ sâu hr = 1,5m và vẽ ngược lên thượng lưu

Đường nước đổ bI về phía hạ lưu xuất phát từ độ sâu hh của kênh ngay tại cửa ra của cống h=1,5m, tính với hmax=h’’ = 2,428 là độ sâu liên hiệp của hc Lập bảng tính theo phương phá cộng trực tiếp với L=130,804 là đoạn tính từ mặt cắt co hẹp (c-c) tới cuối cống Kết quả tính như sau:

5 Chọn cấu tạo cống:

5.1. Cửa vào, cửa ra

Cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng, hạ lưu Thường bố trí tường hướng dòng theo hình thức mở rộng dần Góc chum của hai tường hướng dòng ở cửa vào là 20o, ở cửa ra là 10o để tránh hiện tượng tách dòng Các tường cánh làm hạ thấp dần theo mái

[ ] 21,815 1, 45

H t J

Trong đó: H là cột nước lớn nhất; H=MNDBT - ∆dc=31,4-9,6=21,8m

[ ]J là gradien thấm cho phép của vật liệu Với bê tông cốt thép thông thường

[ ]J =15

Do quá dày nên chọn t=0,5m

Khi chế tạo có sử dụng phụ gia chống thấm

và được tính chính xác sau khi

tính toán kết cấu

Hình 4: Mặt cắt thân cống t

bc b

hc h

Do cống có chiều dài lớn nên cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn để tránh rạn nứt do lun không đều Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất nền và tải trọng trên cống, chọn bằng 10m

Tại khe nối cần đặt thiết bị chống rò nước thiết bị chống rò bằng tấm kim loạidùng cho tấm ngang và tấm đứng của cống hộp có cấu tạo như hình 5:

1: Bao tải tẩm nhựa đường 4: Tấm kim loại phẳng

3: Tấm kim loại hình Ω

Hình 5: Khớp nối thân cống

5.2.3 Nối tiếp thân cống với nền

Cống hộp có thể đổ trực tiếp lên nền hoặc trên lớp bê tông lót dày 10÷15cm Khi nền không phải là đá và tải trọng lên cống lớn cần tăng bề rộng đáy để hạn chế áp suất đáy móng Ở đây ta đổ 1 lớp bê tông lót dày 10cm ở mặt tiếp xúc giữa cống và nền

5.2.4 Nối tiếp thân cống với đập

Dùng đất sét nện chặt thành một lớp bao quanh cống dày 0,5m Tại chỗ nối tiếp các đoạn cống, làm thành các gờ để nối tiếp cống với đất được tốt hơn

6.2. Trường hợp tớnh toỏn

Cần tớnh toỏn cống với cỏc trường hợp làm việc khỏc nhau

- Khi mới thi cụng xong, cống chưa cú nước

- Khi thượng lưu là MNDBT, cống mở để lấy nước

- Khi thượng lưu là MNDGC, cống đúng

p'1 p'2B

p'1p'2

Mực n ớc ngầm Mặt đất đắp

- Zi: chiều dày cỏc lớp đất đắp trờn đỉnh cống

- γ: dung trọng cỏc lớp đất đắp trờn đỉnh cống

- k: hệ số phụ thuộc điều kiện đặt cống: k = f H

B

 , tra bảng với loại đất nền là

cát trung bình , đất thịt chặt vừa, sét dẻo, cống đặt trên nền đất và 25,05 8,35

Vậy trên đỉnh cống có 2 loại đất:

• Lớp đất trên đường bão hòa:

p1’ = 43,88 tg2(45o -

2

20) = 21,51 (T/m)

6.3.2 Áp lực nước

Áp lực nước gồm áp lực nước bên ngoài và bên trong cống Áp lực nước ngoài cống tác dụng ở trên đỉnh, hai bên và dưới đáy cống Áp lực nước bên trong tác dụng ở hai bên và trên đáy cống Cường độ áp lực nước xác định theo quy luật thủy tĩnh

a) Trên đỉnh

q2 = γn.Z2 = 1.16,7= 16,7(T/m)b) Hai bên

Biểu đồ phân bố phản lực nền phụ thuộc vào loại nền và cách đặt cống,

thường phân bố không đều, song khi tính toán xem gần đúng là phân bố đều Khi đó phản lực nền r được tính như sau:

r = q1 + q2 + q4 + q6 - q3 + 2.q5

B

t t

H− d − n

= 40,58+16,7+1,2+1,2-20,2+2.1,2 3,5 0,5 0,52 0,5.2− −

+

= 41,48 (T/m)

6.3.5 Sơ đồ lực cuối cùng trong trường hợp cống không có nước