THIẾT kế CỐNG lộ THIÊN 2

Chuyên đề : tính toán bản đáy cống theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi.. Bản vẽ : khổ A1, thể hiện được cắt dọc, mặt bằng, chính diện thượng lưu, hạ lưu, mặt cắt ngang cống và các cấu

THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN

PHẦN I: ĐỀ BÀI

A TÀI LIỆU :

Cống A, Đề 33 :

1 Nhiệm vụ : Cống A xây dựng ven sông X để :

- Lấy nước tưới cho 60.000 ha ruộng

- Ngăn nước sông vào đồng khi có lũ

- Kết hợp tuyến đường giao thông với xe loại 8 – 10 tấn đi qua

2 Các lưu lượng và mực nước thiết kế :

Chỉ tiêuĐề

max lÊyQ(m3/s)

nh ª Çuk

§Z(m)

min ng

« sZ(m)

max ng

« sZ(m)

max ng

« sZ(m)

min ång

§Z(m)

5 Chiều dài truyền sóng :

Trường hợp ZSông bình thường ZSông max

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

2 Tính toán thuỷ 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 : khổ A1, thể hiện được cắt dọc, mặt bằng, chính diện thượng lưu, hạ lưu, mặt cắt ngang cống và các cấu tạo chi tiết

PHẦN II: THUYẾT MINH CHI TIẾT

A.GIỚI THIỆU CHUNG

I Vị trí nhiệm vụ công trình : Cống A xây dựng ven sông X để :

- Lấy nước tưới cho 60.000 ha ruộng

- Ngăn nước sông vào đồng khi có lũ

- Kết hợp tuyến đường giao thông với xe loại 8 – 10 tấn đi qua

II Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế :

1 Cấp công trình: (Xác định theo TCVN 285 – 2002)

a) Theo chiều cao công trình :

Hct = Zmaxs « ng + d - Zđáy kênh = 7,8 + 0,7 - 0 = 8,5 mTrong đó: d là độ vượt cao an toàn, lấy d = 0,7 m

Tra bảng P1-1 (Phụ lục 1 - Đồ án môn học Thuỷ công) tương ứng với côngtrình đập bê tông trên nền đất ta có cấp công trình là cấp IV

b) Theo nhiệm vụ công trình :

Tra bảng P1-2 (Phụ lục 1 - Đồ án môn học Thuỷ công) tương ứng công trình tướicho 60.000 ha ta có công trình Cấp I

→ Chọn cấp công trình là cấp I

2 Các chỉ tiêu thiết kế :

- Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất để tính ổn định, kết cấu : P = 0,2 %

- Tần suất gió lớn nhất: p = 2 %

- Tần suất gió bình quân: p = 50%

- Tần suất mực nước lớn nhất ngoài sông khai thác: p = 10% (Bảng 4–4TCVN285 – 2002)

- Hệ số vượt tải : (Tra bảng P1 – 4)

+ Trọng lượng bản thân công trình: 1,05

+ Áp lực thẳng đứng của trọng lượng đất: 1,1

+ Áp lực bên của đất: 1,20

+ Áp lực nước tĩnh, áp lực thấm ngược, áp lực sóng: 1,00

+ Tải trọng do gió: 1,30

* Độ sâu mực nước trong kênh:

H = Zđầu kênh - Zđáy kênh = 3,43 – 0 = 3,43 m

* Chiều rộng đáy kênh:

Với : m = 1,5 → 4m0 = 8,424

→f ( RLn)=

Q

i m

Lập tỷ số

lnR

H

=3,433,24 = 1,058Tra bảng 8-2 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta được :

ln

R

B

= 7,35 → B = 7,35.3,33 = 23,8 m ≈ 24 m

* Kiểm tra điều kiện không xói : Vmax < [Vkx]

- Lưu tốc không xói:

[Vkx] = k 0 , 1

max

Q = 0,53.1100,1 = 0,848 (m/s)Với K: hệ số quyết định bởi tính chất đất nơi kênh đi qua, với đất cát pha K= 0,53

- Tốc độ dòng chảy trong kênh khi dẫn với Qmax: Vmax=

ωmax

So sánh:Vmax = 1,1003( m/s) >[Vkx]= 0,854 (m/s) ⇒Kênh bị xói

Do không thỏa mãn điều kiện xói , ta có nhiều cách giải quyết khác nhau

Có thể giảm độ dốc của kênh (i) , hoặc tăng bề rộng kênh (b) để giảm lưu tốc, hoặc có thể gia cố kênh bằng bê tông hóa

ở đây ta giải quyết theo cách thứ thứ nhất : giảm độ dốc kênh chiều i = 1.10-4

Lập tỷ số

lnR

H

=3,433,69 = 0,929Tra bảng 8-2 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta được :

ln

R

B

= 9,43 → B = 9,43.3,69 = 34,79 m ⇒ta chọn : B = 35(m)

Kiểm tra đ iều kiện không xói

Để xác định Vmax ta phải xác định h ứng với Qmax

So sánh:Vmax = 0,799 m/s< [Vkx]= 0,854 (m/s)

→Kênh hạ lưu không bị xói Vậy ta chọn chiều rộng kênh là B = 35 (m)

* Kiểm tra điều kiện không lắng:

[Vkl]= AQ0min,2= 0,33.(0,5.110)0,2= 0,735 (m/s)

Với Qmin: lưu lượng nhỏ nhất, lấy Qmin =0,5 Qtk

A: hệ số phụ thuộc tốc độ lắng chìm của bùn cát, đất cát pha A = 0,33

- Tốc độ dòng chảy trong kênh khi dẫn với Qmin:

Lập tỷ số

ln

35 2,85

→Không thoả mãn không bồi lắng

Ở đây số liệu tính toán bồi lắng chưa chính xác (Qmin không có số liệu thực) nênkết quả bồi lắng có thể chấp nhận được Trên thực tế kênh tưới lấy nước từ sông vẫnhay bị bồi lắng ta cần sử lý thường xuyên bằng nạo vét và làm bể lắng cát ở thượnglưu

Vậy ta chọn bề rộng kênh B = 35 m

II Tính toán khẩu diện cống :

1 Trường hợp tính toán : chọn khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu là nhỏ,

cần lấy nước vào đồng với lưu lượng QTK:

∆Z = Zmins « ng - Zđầu kênh = 3,72 - 3,43 = 0,29 m

QTK= QmaxlÊy = 110 m3/s

2 Chọn loại và cao trình ngưỡng cống :

a) Cao trình ngưỡng : để tăng khả năng tháo ta chọn ngưỡng cống ngang với đáy

kênh thượng lưu, Znc = 0,0 m

V2 0

Bỏ qua lưu tốc tới gần Vo , do chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu nhỏ độ caohồi phục ∆Z có thể bỏ qua, ta có:

Ho= H =Zminsong- Zđáy kênh = 3,72 – 0 = 3,72 m

h)pg=(0,7 – 0,8) →Cống chảy ngập

b) Tính bề rộng cống :

Từ công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập:

Q =ϕgϕnh ∑ b 2 g ( H0− h )Trong đó:

jn : H/s lưu tốc, lấy theo trị số của h/s lưu lượng m (Tra bảng của Cumin)

Σ = h 2Qg(H h)

o n

ϕ =0,975.0,93.3, 43 2.9,81.(3,72 3, 43)110 − =14,827 (m)Chọn Σb= 15 m , cống có 3 cửa mỗi cống rộng 5 m cách nhau bằng mố trụ dày1,0 m; mố bên dày 0,5 m

Tính lại jn và jg theo trị số của m và eo :

eo =

d b

b

Σ + Σ

Σ

= 15 2 2.0,5+ +15 = 0,833Trong đó:

k

nh

h)pg = (1,2 ÷ 1,4) → thoả mãn tiêu chuẩn chảy ngập

III Tính tiêu năng phòng xói :

1 Trường hợp tính toán :

Khi tháo lưu lượng qua cống với chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn

∆Z=Zmaxsong - Zdaukenh=7,8 – 3,43 = 4,37 (m)Cống lấy nước tưới: khi Zsông lớn, Zđồng phụ thuộc lưu lượng lấy Chế độ nối tiếp

hạ lưu phụ thuộc quy trình vận hành (chế độ đóng mở cửa van) Trường hợp đơn giảntính toán khi mở đều các cửa

2 Lưu lượng tính toán tiêu năng :

Cống lấy nước: Mực nước hạ lưu phụ thuộc lưu lượng lấy (khi Zsông đã có)

Để xác định lưu lượng tính toán tiêu năng, cần tính toán với các cấp lưu lượng từQmin đến Qmax, với mỗi cấp lưu lượng, cần xác định độ mở cửa cống a, độ sâu liên hiệp''

ln = , với i = 10− 4 tra bảng 8-1 (bảng tra thuỷ lực) được Rln

Lập tỉ số

lnR

b, với b = bk=35 m tra bảng với m = 1,5 ta được

lnR

* Tính độ sâu liên hiệp hc'':

Giải theo bài toán phẳng : Eo = P + Ho(Cống không có ngưỡng : P = 0)

Ho = H = 7,8 m (bỏ qua lưu tốc tới gần

g 2

V2 0

α

)→ E0 = 7,8 m

Từ F(τc)=

2 3 0

E

q

ϕ , với q = c

Q b

∑ ta có τc'' và tính ra hc'' = τc''E0Trong đó : ϕ là hệ số lưu tốc , đánh giá sự tổn thất năng lượng của dòng chảy, theo Pavơlôpski , với đập tràn đỉnh rộng có : ϕ = 0,85 ÷ 0,95

Ta chọn ϕ = 0,9

Với cống có đáy ở ngang đáy kênh có thể lấy ϕ= (0,95 ÷ 1), chọn ϕ= 0,95

+ hc= α a _ độ sâu dòng chảy tại mặt cắt co hẹp

3 Tính toán thiết bị tiêu năng :

a) Chọn biện pháp tiêu năng :

Trường hợp này kênh làm trên nền đất nên ta chọn hình thức làm bể tiêu năng

nE

q

2, 670,9.8, 273 =0,125Tra bảng ta được ''

=1,05.1,366=2,484m

c

2 2

h

2 n

2

)h(g2

qh

nE

q

2, 670,9.8,33 = 0,123

2,67 2,672.9,81.0,95 1,845 −2.9,81.2, 478 = 0,073 (m)

→d2 = 2,478 – (1,845 + 0,073) = 0,55 (m)≅ d1=0,53m

Vậy chọn theo kích thước bể cấu tạo: d = 0,55 m

Vì khi tính toán ta tính cho trường hợp nước nhảy tại chỗ

* Chiều dài bể tiêu năng :

Lb= L1 + βLnTrong đó:

L1: chiều dài nước rơi từ ngưỡng xuống sân tiêu năng, tính theo Trectôuxốp

L1= 2 hk( P + 0 , 35 hk)

hk ≈

3

2H0 = 3

2.7,8 = 5,2 (m)

P : Chiều cao ngưỡng cống so với bể, P = d = 0,55 m

⇒ L1=2 5, 2.(0,55 0,35.5, 2)+ = 7,02 (m)

Ln: Chiều dài nước nhảy, ta tính theo công thức kinh nghiệm:

Ln=5 (hc''- hc)= 5.(2,36 – 0,246) = 10,57 (m)Chọn hệ số β= 0,7÷0,8.

→Chiều dài bể tiêu năng:

Lb= L1 + βLn=7,02 + 0,7.10,57= 14,42(m) → Chọn Lb= 14,5 m

C BỐ TRÍ CÁC BỘ PHẬN CỐNG

I Thân cống : Gồm bản đáy, trụ và các bộ phận bố trí trên đó

1 Cửa van : Do kích thước cống trung bình nên ta chọn cửa van hình phẳng.

2 Tường ngực : bố trí để giảm chiều cao cửa van và lực đóng mở.

a) Các giới hạn của tường ngực :

* Cao trình đáy tường ngực :

Zđt= Ztt + δ

Trong đó :

+ Ztt = 3,72 m, mực nước tính toán khẩu diện cống, tức cần đảm bảo ứng vớitrường hợp khi mở hết cửa van chế độ chảy qua cống phải không áp.

+ δ : Độ lưu không (0,5 – 0,7 m), lấy δ = 0,65 m

Trong đó:

+∆h, ηs: Tính với vận tốc gió tính toán lớn nhất

+∆h' , '

s

η : Tính với vận tốc gió bình quân lớn nhất

+ a, a’: độ vượt cao an toàn (a = 1,5m; a’ =0,7m)

• Tính ∆hvà ηs

•Tính ∆h :

2 6

12.10 cos

V D h

−

∆ =Trong đó:

V: vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P = 2% có V = 28 m/s

D : đà sóng ứng với mực nước sông bình thường D = 200 m

g : gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2

H : Chiều sâu cột nước trước cống H = 3,72 – 0 =3,65( m)

α1 : Góc kẹp giữa trục dọc hồ và hướng gió Chọn α1 = 0 Cos α1 =1

Thay số ta có:

2

6 28 200 0 32.10 cos 0 8,59.109,81.3,65

•Tính ηs :

ηs = k η s hTrong đó:

kηs : tra đồ thị P 2-4, kηs phụ thuộc vào λ/H và h1%/λ

h : chiều cao truyền sóng

H : chiều sâu nước sông

λ : chiều dài sóng

 Vì chưa biết λ nên ta giả thiết là trường hợp sóng nước sâu Tức H > λ/ 2

 Tính các giá trị không thứ nguyên, trong đó t là thời gian gió thổi liên tục (Khikhông có tài liệu lấy t = 6 h)

gt V gh V

gt V gh V

+ Chọn cặp giá trị nhỏ nhất trong 2 cặp giá trị trên ta tính được các giá trị sau: chu

kỳ sóng bình quân τ , chiều cao sóng bình quân h, chiều dài sóng bình quân λ⇒Vậy tacó:

53,0

2

V h V

t g

0,14163,56

H h

λλ

2

'H.g

'D'V10.2'

Trong đó:

V': vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P = 50% có V = 14( m/s)

D’ : đà sóng ứng với mực nước sông lớn nhất D' = 300 m

2

6 14 300 0 32.10 cos 0 1,35.109,81.8,85

• Tính η's :

η's = k'ηs h'Trong đó:

k'ηs : tra đồ thị P2-3, k'ηs phụ thuộc vào λ/H' và h1%/λ

h': chiều cao truyền sóng

H' : chiều sâu nước sông

V

t g

Tra đường bao đồ thị P2-1 được các giá trị không thứ nguyên:

2

4, 2(1)0,086

gt V gh V

9,0

2

V h V

t g

9,0

2

V h V

t g

)(146,081.9

14.0073,0

2 '

'

g

V V

h g

π

 Kiểm tra H' = 8,85> λ'/2 = 2,574/2 = 1,287( m)⇒ thoả mãn điều kiện sóng nướcsâu.

 Tính chiều cao sóng với mức đảm bảo i = 1% là: h'1% = k'1% h'

0,307

0,1192,574

H h

λλ

Gồm bản mặt và các dầm đỡ Do chiều cao tường không lớn, chỉ cần bố trí 2 dầm

đỡ (ở đỉnh và đáy tường); Bản mặt đổ liền với dầm, chiều dày bản mặt chọn bằng 0,3

2,0

3 Cầu công tác :

Là nơi đặt thiết bị đóng mở và thao tác van Kết cấu cầu bao gồm bản mặt, dầm

đỡ và các cột chống Chiều cao cầu công tác đảm bảo khi kéo hết cửa van lên vẫn cònkhoảng không cần thiết để đưa van ra khỏi vị trí cống khi cần.Ta chọn kích thước các

bộ phận:

• Chiều cao cầu : chọn Hcầu = 6,2m

• Bề rộng cầu : 3,0m

4 Khe phai và cầu thả phai :

Ta bố trí phía đầu và cuối cống để ngăn nước giữ cho khoang cống khô ráo khicần sửa chữa Ta chọn kích thước khe phai : 30 x 30cm, trên cầu thả phai ta bố tríđường ray cho cần cẩu thả phai như hình vẽ Cầu thả phai có chiều dài bằng chiều dàicống, chiều rộng 1m , dày 20cm

5 Cầu giao thông :

Theo yêu cầu giao thông ta bố trí cầu bắc qua cống với loại xe 8÷10 tấn lưuthông Cao trình mặt cầu chọn ngang bằng đỉnh cống Bề rộng và kết cấu cầu chọntheo yêu cầu giao thông Chọn kích thước cầu :

• Đặt dầm cầu lên cao trình bằng cao trình đỉnh tường ngực, dầm cao50cm, mặt cầu dày 30cm

• Cao trình mặt cầu: Zmặt cầu = +10,0 m

• Bề rộng cầu, theo yêu cầu của giao thông chọn b = 5m

L = 15m

t = 1 m

II Đường viền thấm :

Bao gồm bản đáy cống, sân trước, các bản cừ, chân khay Kích thước bản đáycống đã chọn ở trên Các kích thước khác sơ bộ chọn như sau:

1 Sân trước :

Để tận dụng vật liệu tại chỗ ta làm bằng đất sét

* Chiều dài sân :Ls ≤ (3 ÷ 4)H

Trong đó: H là cột nước tác dụng lên cống, H = Zmaxs « ng- min

ång

§

Z = 8,85 – 2,6 = 6,25 m(ứng với TH chống lũ - trường hợp bất lợi nhất)

→Ls= 4.6,25= 24,80 m→chọn Ls = 25 m

* Chiều dày sân :

Chiều dày sân thay đổi từ đầu sân đến cuối sân, chiều dày đầu sân chọn theo cấutạo t1= 0,6 (m) Chiều dày cuối sân t2 ≥ [ ] J

H

∆

Trong đó:

[J] = 5 – gradien thấm cho phép, đối với đất sét làm nền (4 ÷ 6)

∆H : Chênh lệch cột nước ở mặt trên và mặt dưới của sân Do chưa biết ∆H nênlấy t2 theo cấu tạo Chọn t2=1m

Để bảo đảm chống xói, chống nứt nẻ trên mặt sân trước ta phủ một lớp cát sỏi dày 20cm

5 Sơ đồ kiểm tra chiều dài đường viền thấm :

Theo công thức tỷ lệ đường thẳng :

Ltt ≥ C.HTrong đó:

Ltt là chiều dài tính toán của đường viền chống thấm tính theo phương pháp của Len

Ln: Chiều dài tổng cộng các đoạn nằm ngang và các đoạn nghiêng góc so vớiphương ngang một góc ≤ 45o

C : Hệ số phụ thuộc tính chất nền, tra bảng 3-1 ta có C = 5 ứng với cát pha

H : Độ chênh mực nước thượng hạ lưu, H = 6,25 (m)

Kiểm tra :

Ltt= 35,67≥ C.H = 5.6,25 = 31,25 (m) ⇒ Đường viền thấm hợp lý

III Nối tiếp cống với thượng, hạ lưu :

1 Nối tiếp thượng lưu :

Chọn hình thức nối tiếp dạng xoắn vỏ đỗ, với góc mở θ có tgθ =

4

1 Hình thứctường cánh là tường thẳng nối tiếp với kênh thượng lưu

Đáy đoạn nối tiếp thượng lưu cần có lớp phủ chống xói bằng đá xây dày 0,4 m.Chiều dài lớp phủ : lP=4H1, với H1 là chiều sâu nước chảy vào cống, H1 = 6,25 m

→lP = 4.6,25 = 25 (m) Chọn lP = 25 (m)

Phía dưới lớp đá bảo vệ có tầng đệm bằng dăm cát dày 15 cm

2 Nối tiếp hạ lưu :

* Tường cánh : Chọn dạng xoắn vỏ đỗ tgθ1 =

5 1

* Sân tiêu năng: Bằng bê tông đổ tại chổ có bố trí lỗ thoát nước Phía dưới có

tầng đệm theo hình thức lọc ngược Chiều dày sân tiêu năng xác định theo công thứcDômbrốpxki:

t = 0,15V1 h1Trong đó : h1 chiều sâu đầu đoạn nước nhảy, h1= hc = 0,246 (m)

V1 lưu tốc đầu đoạn nước nhảy

→t = 0,81 m , chọn t = 0,8 m

* Sân sau : Làm bằng đá xếp để tiêu hao nốt phần năng lượng thừa còn lại, phía

dưới có tầng đệm theo hình thức lọc ngược

Chiều dài sân sau nối tiếp với hạ lưu được xác định theo công thức kinh nghiệm :

lSS= K q ∆ HTrong đó :

q lưu lượng đơn vị cuối sân tiêu năng q =

kb

Q

= 40

35= 1,14 (m3/s.m)

∆H : Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, ∆H = 6,25 m

K : Hệ số phụ thuộc tính chất lòng kênh, với đất cát, cát pha chọn K = 15

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (dùng phần mềm Geo slop V6.2 )

II Tính thấm bằng phương pháp vẽ lưới thấm bằng tay :

1 Xây dựng lưới thấm :

Sơ đồ lưới thấm:

2 Cách xác định áp lực thấm :

Sơ đồ lưới thấm có 21 dải (n = 21) và có 6 ống dòng (m = 6)

Cột nước thấm tổn thất qua mỗi dải là ∆H = H 6,25

n = 21 = 0,297 (m)Cột nước thấm tại một điểm x nào đó cách dải cuối cùng i dải là : hx= i.∆HVới: iA = 2 → hA= 2.0,297 = 0,594 (m)

Với: H = 6,25 m ; Ttt = 10 m ⇒Jtb=

4,5.10

9,5

- Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu lớn nhất

- Trường hợp sửa chữa

Trong đồ án này chỉ kiểm tra với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưulớn nhất

II Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn :

1 Xác định các lực tác dụng lên mảng tính toán :

a Các lực đứng :

Bao gồm trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai van, cửa van,tường ngực, mố cống, bản đáy, nước trong cống, phần đất giữa 2 chân khay và các lựcđẩy ngược (Thấm, thuỷ tĩnh)

• Trọng lượng toàn bộ của 1 cửa van : Gv= gHL0

Trong đó :

H : Chiều cao cửa van : H =Zđaytuong - Z đk +δ = 4,5 – 0 + 0,2 = 4,7 m

L0: Chiều rộng cửa van: L0= bkhoang + 0,3 + 0,3= 5 + 0,3 + 0,3 = 5,6 m

g : Trọng lượng riêng của 1 m2 mặt cửa van ( cửa van có bánh xe lăn) :

g=640( 3 2

0L

H -1 )=640( 3 6, 6.5 2 - 1)=2870,276 (N/m2)H0: Cột nước tính đến trung tâm lỗ cửa van

H0= HTL - 0,5Hlc = 8,85 - 0,5.4,5= 6,6 (m)

L : Chiều rộng của lỗ cửa van: L= 5 m

→Gv= 2870,276.4,7.5,6=75545,66(N)= 75,54 (KN)

⇒ do đó , trọng lượng của 3 cửa van : 3 Gv = 226,62(KN)

• Trọng lượng cầu giao thông :

1 2

π }= 9830,592(KN)

• Trọng lượng bản đáy: G5=(15.1+ 2 0,5

2

15,

0 + ).21.24= 7938 (KN)

• Trọng lượng nước trong cống thượng, hạ lưu :

G6tl= (8,85 4+ 4,5.0,6)15.10= 5715 (KN)

G6hl= 2,6.11.15.10= 4290 (KN)