thiet ke cong lo thien

Các chỉ tiêu thíêt kế :Dựa vào cấp công trình xác định được - Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất tính toán:... PHẦN II: TÍNH TOÁN THUỶ LỰC CỐNG: Mục đích: - Xác định khẩu diện mở cố

ĐỒ ÁN THỦY CÔNG

THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN

ĐỀ C96 A- TÀI LIỆU

I VỊ TRÍ NHIỆM, VỤ CÔNG TRÌNH

Công trình C được xây dựng ven sông Z Cống xây dựng trên đường giao thông có xe 8-10 tấn đi qua Cống thực hiện nhiệm vụ nhiệm vụ:

- Dâng nước tưới cho 35.000 ha ruộng;

- Tiêu nước cho khu vực trên và ngăn lũ từ sông vào

II CÁC MỰC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG TIÊU:

Qmax

tiêu

(m3/s)

Zđồngmin(m)

ZTK đồng(m)

Zđồngmax(m)

Zsôngmin(m)

Zsôngmax(m)

Z đồngmin(m)

III TÀI LIỆU VỀ KÊNH TIÊU

Z đáy kênh = + 1,00 ; Độ dốc đáy i = 10 –4÷ 10 –5

VI THỜI GIAN THI CÔNG

Thời gian thi công của công trình là 2 năm

- Dâng nước tưới cho 35.000 ha ruộng;

- Tiêu nước cho khu vực trên và ngăn lũ từ sông vào;

II CẤP CÔNG TRÌNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ

2.1 Cấp công trình

Xác định theo QCVN 04-05-1012 ta dựa vào tiêu chí sau:

- Dựa vào nhiệm vụ công trình: Tra bảng 1- QCVN với hệ thống thuỷ nông cấp nước và tiêu cho 35.000 ha ta có công trình cấp II

- Theo chiều cao công trình và loại nền: Sơ bộ chọn chiều cao công trình là: ∇ = Zmax

sông(chống lũ) + d với d = 2m;

= 6,15 +2 = 8,15 m tra bảng P 1-1 ta có công trình cấp IIISuy ra ta chọn cấp công trình là công trình cấp II

2.2 Các chỉ tiêu thíêt kế :Dựa vào cấp công trình xác định được

- Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất tính toán:

PHẦN II: TÍNH TOÁN THUỶ LỰC CỐNG:

Mục đích:

- Xác định khẩu diện mở cống;

- Tính toán tiêu năng

I TÍNH TOÁN KÊNH HẠ LƯU

• Số liệu về kênh hạ lưu:

- Lưu lượng tiêu : Q = 106 (m3/s)

Ta tiến hành tính toán xác định bề rộng đáy kênh B

• Ta sử dụng phương pháp mặt cắt lợi nhất về mặt thuỷ lực để xác định:

- Tính f(Rln) = Q

im

4 o

00005 0 424 , 8

=0.000562 tra bảng (8-1) bảng trathuỷ lực ta có: Rln = 4,18(m);

- Tính R ln

h = 4,18

4 = 0,96 tra bảng (8-3) bảng tra thuỷ lực ta được :

106

= 0,63 (m/s) TínhQ = 1,2

Qmax = 1,2106 = 88,33(m3/s)

k = 0,53 hệ số phụ thuộc vào đất long kênh

Ta thấy 0,4 < V < 0,83 thoả mãn điều kiện thuỷ lực : không xói, không lắng

II TÍNH TOÁN KHẨU DIỆN CỐNG

2.1 Trường hợp tính toán

Chọn khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, cần tháo Qtk

2.2 Chọn loại đập và cao trình ngưỡng cống

- Chọn ngưỡng cống ngang với đáy kênh;

- Hình thức ngưỡng cống là đập tràn đỉnh rộng

2.3 Xác định bề rộng cống

- Xác định trạng thái chảy của cống

Ta có thể xác định dựa trên hai điều kiện:

o

n H

h

> ( o

nH

h)pg = 0,7 ÷ 0,8Hoặc k

nh

h > ( k

nh

h)pg = 1,2 ÷ 1, 4

 Tính hn = hh - P1 = 4- 0 = 4,0

 Ho= H + g

V 2

α

=4,0+ 2.9,81

63,0

=4,05 (m)

n H

h

=

4, 00.95

4, 2=

> ( o

n H

h)pg = 0,7 ÷ 0,8

→ Cống có thể chảy ngập

 hk = hkn(1- 3

n

δ

- 0,105.δn2) Trong đó :

 hkn = 2

2 gb

Q

3 α

236.81,9

106.13

= 0,96 (m)

 δn = b

h

m kn

96,0.5,1

= 0,04

 hk = 0,96.(1-0,04 - 0,105.0,042) = 0,921(m)

nh

h =

4, 00,921 = 4,34 > ( k

nh

h)pg = 1,2 ÷ 1, 4

Kết luận: chế độ chảy của cống là chế độ chảy ngập

Vì chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ ta coi gần đúng Zhp = 0

Thay các giá trị vao công thức trên ta có:

∑b = h g(H h)

Q 0 n

ϕ

=

106 0,975.0,9.4, 0 2.9,81.(4, 2 4,0) − =15.2 m

Ta chia cống thành 3 khoang, một mố trụ dày 2m và 2 mố bên mỗi mố 0,5m

→ ϕg = 0,5 0,88+0,5 = 0,94

Với ∑b =

106 0,94.0,9.4,0 2.9,81.(4, 2 4,0) − =15.3(m) Chọn ∑b=15(m)

- Kiểm tra lại trạng thái chảy :Dựa vào điều kiện : k

n h

h

>( k

n h

h)pg

Ta có q = ∑b

Q =

106

15 = 7,07 (m2/s)

 q=7,07(m2/s) Tra bảng (9-1) bảng tra thuỷ lực ta được hk = 1,72m

 Thay vào điều kiện trên ta thấy :

k

n h

h)pg =1,2 ÷ 1, 4 Vậy chế độ chảy của cống là chảy ngập

Chọn Σ b= 15 m , cống có 3 khoang, mỗi khoang rộng 5 m cách nhau bằng

mố trụ dày 1,0 m; mố bên dày 0,5 m

5

5

5B

III TÍNH TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI

min ô

s ng

Vì cống làm việc hai chiều nên ta tính toán tiêu năng cho cả hai chiều sửdụng số liệu ở trên để tính

3.2 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

từ Qmin đến Qmax, với mỗi cấp lưu lượng, cần xác định độ mở cửa cống a, độ sâu liênhiệp hc'' và độ sâu hạ lưu h

h : Qtt là trị số ứng với (hc'' – h

h)max Cách xác định : Tính theo phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực:

* Tính độ sâu hạ lưu h h :

i m R

f 4 o

)( ln =

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

Lập tỉ số Rln

b, với b = bk=48 m tra bảng với m = 1,5 ta được Rln

* Tính độ sâu liên hiệp hc'':

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

Ho = H = 7,2 m (bỏ qua lưu tốc tới gần 2g

V2 0

α

) → E0 = 7,2 m

Từ F(τc)= 2

3 0

E

q

Q b

Trong 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

hc''-0.00079

5

3.636

0.07896

-0.00087

8

3.500

0.06986

-0.00098

0

3.456

0.17076

-0.00110

8

3.200

0.05766

-0.00127

6

3.045

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

= 0,292(m)

3.3 Tính toán chọn thiết bị tiêu năng;

3.3.1 Tính toán thiết bị tiêu năng :

a) Chọn biện pháp tiêu năng :

q

ϕ =0,95.7,23 / 2

87,1

=0,1Tra bảng ta được τc''=0,284 → hc''= 0,284.7,2 = 2,04 m

σ : hệ số chảy ngập (1,05 – 1,10) , ta chọn σ = 1,05 ta có σhc''

=1,05.2,04=2,14m

2 2

h

2 n

2

)h(g2

qh

g2

2

2

14,2.81,9.2

87,1907

,1.95,0.81,9.2

87,1

−

=0,015mTính lại chiều sâu bể theo công thức:

d = σhc''- (h

h + ∆Z)=2,14 -(1,907 + 0,015) = 0,218m = do, Vậy chọn theo kích thước bể cấu tạo: d = 0,3 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 theoTrectôuxốp

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

hk ≈3

2

H0 = 3

2.4,05 = 2,7 (m)

P : Chiều cao ngưỡng cống so với bể, P = d = 0,3 m

⇒ L1= 2 hk( P + 0 , 35 hk)=2 2, (0,3+0,35.2,7)= 3,67 (m)

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

Ln =4,5.hc''= 4,5.2,138 = 9,62 (m)Chọn hệ số β= 0,7÷0,8

→ Chiều dài bể tiêu năng:

Ztt - mực nước tính toán khẩu diện cống, tức cần đảm bảo ứng

với trường hợp này khi mở hết cửa van chế độ chảy trongcống là chảy không áp

Z1 = Z đgmin + ∆h + ηs + a (1)

Z2 =

tk Sông

ηs và η’ - độ dềnh cao nhất (có mức bảo đảm 5%) ứng với gió tính

toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất; a và a’- độ vượtcao an toàn

a,a’: Độ vượt cao an toàn

1.2.1.1 Xác định Δh và h sl ứng với gió lớn nhất V:

- Xác định Δh theo công thức

D V

α

cos2

Trong đó:

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

 D : đà sóng ứng với MNDBT (m) → D = 200m

 g : gia tốc trọng trường (m/s2)

 H : chiều sâu trước cống H=4,0

 αs : góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió lấy hướng bất lợinhất là αs = 0 0

 Δh = 2.10-6

2

28 200

.19,81.4, 2 = 0.0076 m

- Xác định ηs :

• Tính ηs :

ηs = kη s hTrong đó:

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

h : chiều cao truyền sóng

H : chiều sâu nước song

λ : chiều dài sóng

Xác định hs1% như sau:

 Giả thiết là sóng nước sâu ( H > 0,5λ)

 Tính các đại lượng không thứ nguyên:

200 81 , 9 V gD

7 , 7567 28

3600 6 81 , 9 V gt

2 2

7 , 7567 V

075 0 V h

8 3 V g

2

 Với V2

gD =2,5 ta tra được: 

0033 0 V h

53 , 0 V g

0033 0 V h

53 0 V g

m 264 , 0 h

m 513 , 1

Vậy chu kỳ sóng trung bình là τ = 1,513 m

Chiều cao sóng trung bình là h = 0,264 m Bước sóng trung bình xác định theo công thức:

π

τ

=λ

2

g 2 = 2 π

513 , 1 81 ,

= 3,576m

 Kiểm tra lại điều kiện sóng sâu:

K1% = 2 → hs1% = 2 0,26 = 0,52 m

- Hệ số k η s: 3,576 0,14 5

52 , 0

h1%

=

=

λ tra đồ thị (P2-4) được k η s=1.25 Thay tất cả vào công thức (1) ta được :

ηs = 1,25.0,264 = 0,33 m

1.2.1.2 Xác định Δh và h sl ứng với gió bình quân lớn nhất:

- Xác định Δh theo công thức

2cosgH

DV

 H : chiều sâu trước cống H=MNLTK-∇day=6,2

 αs : góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió lấy hướng bất lợinhất là αs = 0 0

 Δh = 2.10-6

2

17 300

.19,81.6, 2 = 0.0028 m

- Xác định ηs :

Theo QPTL C1-78, chiều cao sóng leo có mức bảo đảm 50% (bảng

P2-1) xác định như sau:

 Giả thiết là sóng nước sâu ( H > 0,5λ)

 Tính các đại lượng không thứ nguyên:

300.81,9

5,1246417

3600.6.81,9

2 2

V gD V gt

6 , 4

8 , 0

8 0

18.006,0

2 '

'

g

V V

h g

18.8,0

Chiều cao súng trung bỡnh là h = 0,198m Bước súng trung bỡnh xỏc định theo cụng thức:

 Kiểm tra lại điều kiện súng sõu:

41,0

83,005,4

38,3

% 1

λ

λ

h H

Từ đú tra được trờn đồ thị P2-4 được kηs = 1,24

Vậy, chọn cao trình đỉnh tờng là ∇ =DC 8, 2( )m

Gồm bản mặt và cỏc tường đỡ

- Bố trớ hai dầm đỡ: Tại đỉnh tường và đỏy tường

- Bản mặt đổ liền khối với dầm, chọn chiều dày bản mặt = 0,2m

Chiều cao tờng ngực: Chiều cao tờng ngực:

Ht = ∇đỉnh tờng - ∇đáy tờng = 8,2 -3,2 = 5(m)

1.2 Cầu cụng tỏc

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 lênvẫn còn khoảng không cần thiết để đưa van ra khỏi vị trí cống khi cần.Ta chọn kíchthước các bộ phận:

- ChiÒu cao cÇu: 5 m

- BÒ réng: 3m

- KÝch thíc cét chèng: 30x30 cm

- ChiÒu cao lan can: 0,9 m

1.3 Khe phai và cầu thả phai

Thường bố trí phía đầu và cuối cống để ngăn nước giữ cho khoang cống khôráo khi cần sửa chữa

1.4 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 cao1200cm, mặt cầu dày 30cm

• Cao trình mặt cầu: Zmặt cầu = 8,2(m)

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

Bao gồm hai mố giữa và hai mố bên Trên mố bố trí khe phai và khe van, hìnhdạng đầu mố dạng nửa tròn có bán kính r = 0,5 m để đảm bảo điều kiện thuậndòng Chiều dày mố bên cần đủ lớn để đảm bảo chịu áp lực đất nằm ngang.Chọn mố giữa d = 1m, mố bên d’ = 0,5m

ta chän L=15(m)

t=1(m)

II ĐƯỜNG VIỀN THẤM

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

2.1 Sân trước

- Được bảo vệ cứng bằng bê tông cốt thép

- Chiều dài sân: : Ls < (3÷4) H Chọn Ls = 3,5H

Trong đó:

Trong đó: H là cột nước tác dụng lên cống:H=4,2

Suy ra Ls= 3,5.4,2=14,7 m chọn 15 m

- Chiều dày sân được sơ bộ t = 0.8 m

-Chiều dày cuối sân :xác định theo yêu cầu chống thấm

[ ]J :Gradien thấm phụ thuộc vào vật liệu làm sân thường lấy [ ]J =4÷6

Trong trường hợp này vỡ cống làm việc với cột nước hai chiều, nờn ta sử dụngmột đoạn sõn tiờu năng khụng đục lỗ(đoạn giỏp với bản đỏy) Đoạn này đúng vai trũnhư một sõn trước ngắn khi cột nước đổi chiều Sơ bộ chọn chiều dài là 5m

2.2.5 Sơ bộ kiểm tra chiều dài đường viền thấm

III NỐI TIẾP CỐNG VỚI THƯỢNG, HẠ LƯU

3.1 Nối tiếp thượng lưu:

Bộ phận nối tiếp thợng lu phải đảm bảo nớc chảy vào cống

ổn định ,xuôi thuận ,tổn thất cột nớc ít.Bộ phận này có tờngcánh thợng lu để hớng dòng chảy vào cửa cống xuôi thuận ,tácdụng chống xói chống thấm 2 bên bờ.Góc mở của tờng phía trớc

,chän víi tgθ= 4

13

3.2 Nối tiếp hạ lưu

- Tường cánh:

 Góc mở chọn tgθ = 1/5

 Hình thức giống tường cánh thượng lưu

- Sân tiêu năng:

 Vật liệu : bê tông đổ tại chỗ có bố trí lỗ thoát nước

 Chiều dày sân được xác định theo công thức Đônbrốp

t = 0,15V1 h 1

Trong đó :

h1- Chiều sâu đầu đoạn nước nhảy h1 = hc = 0,75m

V1- Vận tốc đầu đoạn nước nhảy

- Sân sau :

 Vật liệu : đoạn đầu được bảo vệ cứng bằng bê tông cốt thép Đoạngiữa được bảo vệ nửa cứng bằng rọ sắt bọc PVC bỏ đá đặt trê lớp

đá khan Đoạn cuối được bảo vệ mềm bằng đá xếp

 Cấu tạo: Chiều dài sân sau xác định theo công thức kinh nghiệm:

106 m3 s m b

4.1.3 Phương phỏp

1- Vẽ lới thấm:

- Đờng dòng đầu tiên trùng với bản đáy cống và đi qua các biên của

cừ nh hình vẽ

- Đờng dòng cuối cùng là biên lớp đất sét

- Đờng thế đầu tiên trùng với biên của tầng lọc ngợc dới đáy bể hạ u

l Đờng thế cuối cùng là mặt đất nằm ngang

Biểu đồ áp lực thấm tác dụng lên đáy cống.

j = =

4.2 Kiểm tra độ bền thấm của nền

4.2.1 Kiểm tra độ bền thấm chung:

n

tb k

Ttt – Chiều sâu tính toán của nền T = 16 m

Σξ= ξv + ξn1 + ξd1 +ξ 2+ ξ

n2 + ξrVới :

 ξr = 0,44+T 0

a

=0,44+16

8,0

1

1

1 1 0 , 75

5 , 0 5

, 1 44 , 0

T S T S T

S

44,

0 (do cửa vào không có cừ)

a

1 2 1

2 1

T

s 75 0 1 T

s 5 , 0 T

S 5 , 1

−

+

= 15

8,0

5,375.0115

5.35,015

5,35,1

a

2 3 2

3 2

T

s 75 0 1 T

s 5 , 0 T

S 5 , 1

−

+

= 15

5,0

2 75 0 1

8 , 14

2 5 , 0 8 , 14

2 5 , 1

,15

)20.(

,014).(

,01

2 1

T

S S L

Ta có: 2

S

S1+ 2

=2,75 l2 = 15m >2,75m

ξn2=

76,08

,14

5,32(5,015)(

5,02

2 1

T

S S L

,14

)05,3.(

5,05)0(5,03

2

T

S L

Vậy: ∑ξ = 3,61

→ JTB =

4,05

0,06218.3,61=

Tra bảng P3-2 ta có: Jk TB = 0,25

→JTB =0,062< n

k TB

K

J

= 1,15 0,217

25,0

=

4.2.2 Kiểm tra độ bền thấm cục bộ : Jra≤ Jk ,

Trong đú :

Jra - trị số gradient cuả bộ ở cửa ra

JK – Građien tới hạn cục bộ, do chưa cú tài liệu thớ nghiệm nờn cú thể

tham khảo cỏc trị số của Ixtụmina hỡnh P3-1, phụ thuộc vào hệ sốkhụng đều η

Vậy Jr = < Jk → thoả mãn ổn định thấm cục bộ

Ta tiến hành tính toán với trờng hợp cống làm việc bất lợi nhất làkhi chênh lệch cột nớc thợng hạ lu cống lớn nhất.Do bề rộng cốngkhông lớn lắm nên ta không phân chia cống ra làm nhiềumảng ,để nguyên bản cống đáy thành một mảng.

5.2 Tớnh toỏn

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

a- Các lực đứng:

Bao gồm trọng lợng cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai,

cửa van, tờng ngực, mố cống, bản đáy, nớc trong cống và các lực

đẩy ngợc,phần đất giữa 2 chân khay(trong phạm vi khối trợt)

Chiều dài cầu :Lc=B= 18 (m)

Diện tích mặt cắt ngang cầu :

F=0,3.5+0,5.0,5.2+12.0,5.2=14(m2)

⇒Gc=G4=2,4*18*14=604,8(TÊn)

•Träng lîng têng ngùc:

-ChiÒu dµi dµi têng ngùc :Lt=∑b=15(m)

-DiÖn tÝch mÆt c¾t ngang têng:

1 γn = 1,52 + 1 0,61

61,0

→ G®ck =

13 111,9 .1.18 410, 42

B¶ng tæng kÕt c¸c lùc

STT

Lo¹ilùc

-567

34

93.75

-182.652

Hình 8: Sơ đồ tính toán

G3 G4 G6tl

G6hl G5,G7

=

18,3 9,932

a Hệ số mức độ cố kết : Cv0= n 20

0 t

ha

te1(k

γn = 10000 (N/m3) dung trọng của nước

h0 = 16 (m) chiều dày tính toán của lớp đất cố kết

3 Tính toán ổn định trượt phẳng :

Ổn định của cống về trượt phẳng được đảm bảo khi :

ncNtt

RK

mn

Kết luận : Cống đảm bảo ổn định trượt phẳng.

6- Tính toán kết cấu bản đáy cống:

I- Mở đầu:

1- Mục đích:

Xác định sơ đồ ngoại lực, tính toán nội lực và bố trí cốtthép trong bản đáy cống Trong đồ án này chỉ yêu cầu xác địnhsơ đồ ngoại lực để tính kết cấu bản đáy cống theo phơng phápdầm trên nền đàn hồi

2- Trờng hợp tính toán:

Trong đồ án này ta chỉ tính toán với trờng hợp mực nớc

đồng max, mực nớc sông min kết hợp với động đất

- Zđồngmax = 6,2 (m); Zsongmin = 2,15(m)

3- Chọn băng tính toán:

Việc tính toán bản đáy cống cần tiến hành cho các băng khácnhau (gọi băng là phần cống có chiều rộng 1m, giữa hai mặt cắtvuông góc với chiều dòng chảy qua cống).

Trong đồ án này chỉ yêu cầu tính một băng ở sau cửa van

II- Tính ngoại lực tác dụng lên băng đã chọn:

Trờng hợp cống gồm nhiều mảng ngăn cách bởi các khớp lúnthì việc tính kết cấu cũng tiến hành cho từng mảng độc lập.Trên một băng của mảng, các ngoại lực tác dụng lên bản đáy baogồm lực tập trung từ các mố, lực phân bố trên băng và các tảitrọng bên

1- Lực tập trung truyền từ các mố:

Đây chính là tổng hợp của áp lực đáy các mố trong phạm vi

đang xét Thờng xét riêng cho từng mố