Đồ an môn học cống lộ thiên đề a 18

PHẦN II: THIẾT KẾ SƠ BỘ CỐNG LỘ THIÊN O0O 1. GIỚI THIỆU CHUNG I. VỊ TRÍ NHIỆM VỤ CÔNG TRÌNH: Cống B được xây dựng ven sông Y để tiêu nước, ngăn triều và giữ ngọt. Cống có nhiệm vụ tiêu nước cho 30.000 ha. II. CẤP CÔNG TRÌNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ: 1. Tra bảng P12 ta có diện tích tiêu là 30.000 ha nên công trình thuộc cấp III. 2. Các chỉ tiêu thiết kế: Với công trình cấp III ta xác định được: Từ P13 ta xác định được tần suất thiết kế lưu lượng P=1%. Hệ số vượt tải (P14) n = 1,20. Hệ số điều kiện làm việc (P15) : m =1 Hệ số tin cậy (P16) : Kn=1,15. 2. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG Mục đích: Xác định khẩu diện và tính toán tiêu năng cống. I. TÍNH TOÁN KÊNH HẠ LƯU: Ta có số liệu về kênh: Độ dốc mái m = 1,5. Độ dốc đáy kênh i = 104 Độ nhám n = 0,025. Lưu lượng tính toán Q = Qtiêumax = 60 m3s. ZĐáykênh = 1,00m. hh = ZsôngTKế Zđáy kênh = 3,36(1,0) = 4,36m Ta tìm được chiều rộng đáy kênh theo phương pháp mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực: Tính: Tra theo phụ lục (81) bảng tra thuỷ lực ta được : Rln = 2,9357 hRln = 4,362,9357 = 1,4852. Tra theo phụ lục (83) bảng tra thuỷ lực ta được : bRln = 3,587.

Muc LễC:

MễC LễC: 1

Phần I: Tài liệu tính toán 2

Phần II: Thiết kế sơ bộ cống lộ thiên 4

1 Giới thiệu chung 4

I Vị trí nhiệm vụ công trình: 4

II Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế: 4

2 Tính toán thủy lực cống 4

I Tính toán kênh hạ lu: 4

II Tính toán khẩu diện cống: 5

III - Tính tiêu năng phòng xói 7

3 Bố trí các bộ phận cống 9

I - thân cống: 9

II Đờng viền thấm: 10

III Nối tiếp thợng lu và hạ lu: 12

4 Tính toán thấm dới đáy công trình 13

I Những vấn đề chung: 13

II Tính thấm cho trờng hợp đã chọn: 13

III Kiểm tra độ bền thấm của nền: 15

5 Tính toán ổn định cống 16

I Mục đích và trờng hợp tính toán: 16

II TíNH TOáN ổn định: 16

6 Tính kết cấu bản đáy cống 20

I Mở đầu 20

ii tính toán ngoại lực: 20

kết luận và kiến nghị 25

Đồ án môn học

- Cống B xây dựng ven sông Y (cùng chịu ảnh hởng thuỷ triều)

để tiêu nớc, ngăn triều và giữ ngọt

- Diện tích tiêu 30.000 ha

- Cống xây dựng trên đờng giao thông có loại xe 8 -10 tấn điqua

đồng

(m)

ZTK sông

min sông

max sông

- Đất cát pha từ -1.00 đến -20.00

- Đất sét từ -20.00 đến -40.00

Chỉ tiêu cơ lý (Bảng 1)

Thời gian thi công là 2 năm

Bảng 1: Chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống

-1 Giới thiệu chung

I Vị trí nhiệm vụ công trình:

Cống B đợc xây dựng ven sông Y để tiêu nớc, ngăn triều và giữngọt Cống có nhiệm vụ tiêu nớc cho 30.000 ha

II CấP CôNG TRìNH VΜ CáC CHỉ TIêU THIếT Kế:

1 Tra bảng P1-2 ta có diện tích tiêu là 30.000 ha nên công

trình thuộc cấp III

2 Các chỉ tiêu thiết kế: Với công trình cấp III ta xác định

im4)R(F

4 0

Vậy: Vmax<Vkx  Thoả mãn để kênh không bị xói lở.

Vì kênh sâu >4m nên ta chia thành 2 cấp, bờ kênh có cơ rộng2m ( nh hình vẽ):

II Tính toán khẩu diện cống:

1 Tr ờng hợp tính toán: Chọn khi chênh lệch mực nớc thợng hạ lu

10,6

2,36

1,20

+3,96 +3,36

Q ng  o 

g2.h

Qb

o g

Hg2.h

Qb

o g

Hg.h

Qb

o g

Hg.h

Qb

o g

III - Tính tiêu năng phòng xói

1 Tr ờng hợp tính toán: khi tháo lu lợng qua cống với chênh

lệch mực nớc thợng hạ lu lớn nhất là Zmax lúc này mực nớc triều hạxuống thấp nhất (chân triều), phía đồng là mực nớc đã khống chế.Trờng hợp này thờng tranh thủ mở hết cửa van để tiêu, lu lợng tiêuqua cống có thể lớn hơn lu lợng tiêu thiết kế Tuy nhiên chế độ đókhông duy trì trong một thời gian dài Lúc này: Zkc

đồng= 3,54(m)

2 L u l ợng tính toán tiêu năng:

Vì cống đặt gần sông nên mực nớc hạ lu cống không phụthuộc lu lợng tháo qua cống Khi đó lu lợng tiêu năng chính là khảnăng tháo lớn nhất ứng với mực nớc tính toán H = 4,66m

+ Tính độ cao mở cống a:

Xác định theo công thức tính lu lợng qua cống chảy tự do:

)hh(g2bh

,4.0,7.95,0

60H

.b

Q

0 c

hh

3

c

k c

' c

Với: hc = c.H0 = 0,236.4,6 = 1,086

086,1

957,1812

3.Tính toán kích thớc thiết bị tiêu năng:

a) Chọn biện pháp tiêu năng:

Với cống xây trên nền đất ta chọn biện pháp tiêu năng bằng bể

E

q)

Có F(c ), tra phụ lục (15-1) - bảng tra thuỷ lực đợc c'' , hc''= c ''.E0

Với Z2 là chênh lệch mực nớc ở cuối bể vào kênh, tính nh đậptràn đỉnh rộng chảy ngập

n

' c

2 2

n

2 n

2 2

h.g2

qh

g2

qZ

 Chiều dài bể:

Lb = L1+ Ln

L1: Chiều dài nớc rơi: L1 2 hkP 0,35hk

hk  2/3.Ho = 2/3.4,6 = 3,067 (m)

P : chiều cao ngỡng cống so với bể P = 0,6 m

0,6 0,35.3,067 4,531(m)067

,3

a, a': độ cao an toàn với công trình cấp III a = 0,7(m)

a' = 0,5(m)

 Z1 = 3,36 + 0,4 + 0,7 = 4,46m

Z2 = 6,4 + 0,4 + 0,5 = 7,3 m

 Zđỉnh tờng = 7,3m

- Cao trình đỉnh cầu: Zđc = Zđt + h + l +  =

7,3+7+1,5+0,5 = 16,3m

- Bề rộng cầu 3m

- Kích thớc cột chống (3030)cm

- Chiều cao lan can 0,8m

4 Khe phai và cầu thả phai:

Đợc bố trí ở đầu và cuối cống để ngăn nớc và giữ cho khoảng không khô ráo khi sửa chữa cống, trên cầu thả phai ta bố trí đờng ray cho cầu thả phai

5 Cầu giao thông:

Cao trình mặt cầu bố trí cao hơn đỉnh cống khoảng 0,5m

Bề rộng mặt cầu do yêu cầu giao thông có xe qua lại từ 8 10 tấn,

ta chọn b = 5m

Vị trí đặt cầu chọn sao cho không cản trở thao tác van, phai

6 Mố cống: Bao gồm mố giữa và mố bên

- Do bố trí cửa van phẳng nên trên mố có khe van và khe phai

- Chiều dày mố giữa d = 1m Chiều cao đỉnh mố: Zđm = Zđt =7,3

- Mố giữa phải bố trí đầu mố tròn để đảm bảo điều kiệnthuận dòng

- Chiều dày mố bên cần đủ để chịu áp lực đất nằm ngang,chọn db=0,8m Đầu mố dạng nửa tròn để thuận dòng

7 Khe lún: Do bề rộng cống không lớn lắm nên không cần bố trí

khe lún

8 Bản đáy:

Chiều dài bản đáy thờng thoả mãn điều kiện thuỷ lực, ổn

định của cống và yêu cầu bố trí kết cấu bên trên Sơ bộ chọnchiều dài bản đáy từ điều kiện bố trí kết cấu bên trên L = 18m.Chiều dài bản đáy chọn theo điều kiện thuỷ lực, nó phụ thuộc

bề rộng cống, tải trọng bên trên và tính chất đất nền Thông thờng

ta chọn theo kinh nghiệm  = 1m, sau đó kiểm tra lại bằng tínhtoán kết cấu bản đáy.

II Đờng viền thấm:

Bao gồm bản đáy cống, sân trớc, các bản cừ, chân khay, kíchthớc bản đáy cống

Khi sân bằng bê tông thờng làm chiều dày không thay đổi từ

đầu đến cuối sân Chiều dày ở đầu sân thờng lấy theo điềukiện cấu tạo t = 0,5m

Sân trớc bằng bê tông M200 đổ tại chỗ, dới có lớp bê tông lótM100 dày 10cm

2 Chân khay:

ở hai đầu bản đáy, sân trớc và sân sau, sân tiêu năng cầnlàm chân khay cắm sâu vào nền để tăng ổn định và góp phầnkéo dài đờng viền thấm

Sơ bộ chọn kích thớc bản đáy nh hình vẽ:

4 Thoát n ớc thấm:

Các lỗ thoát nớc thấm thờng bố trí ở sân tiêu năng, dới sân phải bốtrí tầng lọc ngợc bao gồm lớp cát lọc dày 20cm, lớp dăm (sỏi) lọc dày20cm, sân tiêu năng đợc làm bằng bê tông M200, dày 1m đổ tạichỗ

1,0 1,0

1,0

5 Sơ bộ kiểm tra chiều dài đ ờng viền thấm:

lđ: Chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng và các

đoạn xiên góc có góc nghiêng so với phơng ngang  45o

lđ= 0,5 + 1,5 + 1,4 + 1,4 + 2 = 6,8 m

ln= 14 + 2 +10 = 26 m

m = (11,5) Chọn m = 1,0

 Ltt= 6,8 + 26/1,0 = 32,8 m

 Ltt > C.H thoả mãn điều kiện

III Nối tiếp thợng lu và hạ lu:

1 Nối tiếp th ợng l u:

Góc mở của tờng về phía trớc, chọn với tg = 1/4 ( = 14o) Vìcống dẫn lu lợng thiết kế tơng đối lớn QTK = 60m3/s nên ta chọn t-ờng cánh là mặt nón góc mở 14o nối tiếp với kênh thợng lu

Đáy đoạn nối tiếp kênh thợng lu cần có lớp phủ chống xói bằng

đá xây vữa M100, dới lớp đá xây có tầng đệm bằng dăm cát dày15cm Chiều cao lớp phủ chống xói ta chọn bằng 0,8m, Lsân phủ =0,8.10 = 8,0m

2 Nối tiếp kênh hạ l u:

- Tờng cánh hình thức giống tờng cánh thợng lu, mặt nón, góc

mở nhng góc mở 1 nhỏ hơn sao cho tg1 = 1/4  1,6 Ta lấy 1 = 12o

- Sân tiêu năng: bằng bê tông M200 đổ tại chỗ, có bố trí lỗthoát nớc Chiều dày sân đợc xác định nh sau: t 0,15V1 h1

V1,h1: lu tốc và chiều sâu đoạn nớc nhảy

h1= .hc = 1,05.1,086 = 1,14 m

V1= Q1/1 = 60/(bk.h1) = 60/(7.1,14) = 7,52 (m/s)

m2,114,152,

Lss  

Trong đó:

H: chênh lệch cột nớc thợng hạ lu, H = 3,54 - 3,36 = 0,18 m.k: hệ số phụ thuộc tính chất lòng kênh Do đất lòng kênh là loại

đất cát pha nên k = 10 20, lấy k = 10

q: lu lợng đơn vị cuối sân tiêu năng

q = Q/b = 60/7 = 8,571 (m3/s.m)

069,1918,0.571,810

Lss   m Chọn Lss= 19 m

4 Tính toán thấm dới đáy công trình

I NHữNG VấN đề CHUNG:

1 Mục đích:

Xác định lu lợng thấm q, lực thấm đẩy ngợc lên bản đáy cống

Wt và Gradien thấm J ở đây do đặc tính của cống chỉ yêu cầuxác định Wt và J

2 Tr ờng hợp tính toán:

Khi chênh lệch mực nớc thợng - hạ lu lớn nhất

3 Ph ơng pháp tính: Vẽ lới thấm bằng tay.

II Tính thấm cho trờng hợp đã chọn:

1 Vẽ l ới thấm:

- Tất cả các đờng dòng và đờng đẳng thế phải trực giaonhau

- Các ô lới là hình vuông cong

- Đờng thế đầu tiên là mặt nền thấm phía thợng lu

- Đờng thế cuối cùng là mặt nền thấm phía hạ lu

- Đờng dòng cuối cùng là tầng không thấm nớc ở -40

Sơ đồ lới thấm dới công trình:

2 Dùng l ới thấm xác định các đặc tr ng của dòng thấm:

Từ chiều dày địa chất đã cho và chiều dài công trình, ta vẽ lớithấm có:

- Có 7 ống dòng

- Có 22 dải

+ Cột nớc tổn thất qua mỗi dải:

H = H/n với H = ZSôngmax - Zđồngmin = 6,4 - 0,9 = 5,5m  H

Từ đó tính đợc tổng áp lực thấm đẩy ngợc lên bản đáy:

Wt = Wđn+ Wtt

2

18 25 , 2 5 , 4 1 2

L h h

K là hệ số thấm của đất cát pha, lấy K = 2.10-6 m/s

3 Xác định Gradien thấm ở cửa ra:

Gradien thấm tại một ô lới bất kỳ có trung đoạn S sẽ là:

S.n

H

Jtb



Dựa vào lới thấm ta tính đợc Jtb1, Jtb2, Jtb3, , kết quả tính toán ghi

III Kiểm tra độ bền thấm của nền:

1 Kiểm tra độ bền thấm chung:

Kiểm tra theo công thức:

n

K tb tb



.T

HJ

tt tb

Trong đó:

H - Cột nớc tác dụng, H = 5,5m

Ttt: Chiều sâu tính toán của nền

 - Tổng hệ số cản của đờng viền thấm tính theo

n = L/T = 18/19 = 0,947

  = 0,493+0,493+0,053+0,947 = 1,985

 Jtb = 5,5/(19.1,985) = 0,146

Vậy: Jtb = 0,146 < JKtb/Kn = 0,22/1,15 = 0,193

 Thoả mãn độ thấm chung

2 Kiểm tra thấm cục bộ:

Ta có công thức:

JK  Jra

Trong đó:

Jra: tri số gradien cục bộ ở cửa ra, xác định theo kết quả trên

JK: gradien thấm cục bộ

Theo tiêu chuẩn đã nêu, JK cần xác định theo thí nghiệm môhình hoặc ở hiện trờng ở đây vì cha có tài liệu nh vậy nên cóthể tham khảo các trị số của Ixtomina: Theo đó trị số JK phụ thuộctrị số không đều của hạt s= d60/d10 theo đề ra s= d60/d10= 9

Ta tra phụ lục P3-1:

Kiểm tra ổn định của cống về trợt, lật, đẩy nổi Trong phạm

vi đồ án này chỉ giới hạn phần tính toán ổn định trợt

Vì cống không có khe lún nên sơ đồ tính toán là toàn bộ bản

đáy với tất cả các bộ phận trên nó

II TíNH TOáN ổn định:

1 Xác định các lực tác dụng lên bản đáy:

a) Các lực đứng: Bao gồm: trọng lợng cầu giao thông, cầu

công tác, cầu thả phai, cữa van, tờng ngực, mố cống, bản đáy, nớctrớc cống (nếu có), phần đất giữa hai chân khay (trong phạm vikhối trợt) và các lực đẩy ngợc (thấm, thủy tĩnh)

+ Trọng lợng cầu công tác G3:

G3 = (Vtrụ+Vdầm dọc+Vdầm ngang ).b = ( 6.0,4.0,4.9 + 2.0,3.0,6.9,6 +

6 0,3.0,3.4).2,5 = 35,64 (T), a3 = 5m

+ Trọng lợng cầu giao thông G4: Sơ bộ chọn G4 = 100 T, a4 =4m

+ Trọng lợng cửa van G5: Sơ bộ chọn G5 = 50T, a5 = 5m

+ Trọng lợng bản đáy G6

G6 = {1.18.9,6+[2.(1+2)/2]9,6}2,5 = 504(T), a6 = 0+Trọng lợng nớc phía sông G7

G7= 7.7,4.14.1 = 725,2T, a7 = 2m+ Trọng lợng nớc phía đồng G8:

G8= 7.1,9.4.1 = 53,2 (T), a8 = 7m+ áp lực thủy tĩnh đẩy ngợc G9:

G9 = Wtt .Bc= 1.3,9.18.7 = 491,4(T), a9 = 0+ áp lực thấm G10:

G10 = Wt .Bc= 1.[(2,25+4,5)/2].18.7 = 425,25(T), a10 =3m

b).áp lực ngang: gồm áp lực nớc thợng, hạ lu, áp lực đất chủ động

ở chân khay

+ áp lực nớc thợng lu:

T1= n.H12/2.bc = 1.7,42/2.9,6 = 262,848(T)

Điểm đặt cách đáy: y1 = Hđ/3 +0,5 = 7,4/3 +0,5 =2,967(m).

+ áp lực nớc hạ lu:

T2 = n.H2 /2.bc = 1.1,92/2.9,6 = 17,33(T), y2 = 1,9/3 + 0,5 =1,133(m)

+ áp lực đất chủ động ở chân khay thợng lu Ecđ:

Ecđ = đ.H2.c/2

Trong đó:

đ - Dung trọng của đất, đ = 1,7 T/m3

H - Chiều cao cột đất tác dụng, H = 2m

Với  =  = 0  c = tg2(45o -/2) = tg2(45o - 18o/2) = tg236o =0,528

 Ecđ = 1,7.22.0,528/2 = 1,795 T/m

 Toàn bộ chân khay: Ecđ = 1,795.9,6 = 17,23 T, ycđ = 0,833+ áp lực đất bị động ở chân khay hạ lu:

P: tổng các lực thẳng đứng

Mo: tổng mô men của các lực tác dụng lên cống, lấy đối vớitâm đáy cống.

Thay số liệu vào công thức trên ta đợc:

Nlim- Chỉ số không thứ nguyên, Nlim = 3

 N = 23,55/18.0,88 = 1,486 < Nlim = 3

b Chỉ số kháng trợt:

tg 1 = tg1 + C1/tb  0,45Trong đó:

1, C1 - Góc ma sát trong và lực dính đơn vị của đất nền chỉ

số 1 là tơng ứng khi tính toán đất nền theo trạng thái giới hạn thứnhất: 1 = 18o, C1 = 0,3 T/m2

 tg1 = tg18o+0,3/20,135 = 0,34 < 0,45

 Không thoả mãn điều kiện chỉ số kháng trợt, nh vậy, ngoàitrợt phẳng ta phải xét đến trợt sâu và trợt hỗn hợp Tuy nhiên trongphạm vi đồ án môn học này chỉ tính toán cho trờng hợp trợt phẳng

4 Tính toán tr ợt phẳng:

Sự ổn định của cống đợc đảm bảo về trợt khi: R

K

mN

n

n tt

Ntt = T1+Ecđ+T2 = 262,848+1,795+17,33 = 281,973 T

Với công thức tính R, m1 là hệ số điều kiện làm việc xét đếnquan hệ giữa áp lực bị động của đất với chuyển vị ngang củacống, lấy m1 = 0,7

 R = 3639,28.tg18o+0,7.69,6+180,75.0,3 = 1285,42T

Thay các kết quả trên vào điều kiện (*), ta đợc:

ncNtt = 1,2.281,973 = 338,367 < (m/Kn).R = (1/1,15).1285,42

1117,76 (T)Vậy công trình ổn định về trợt phẳng

6 Tính kết cấu bản đáy cống.

I Mở đầu.

1 Mục đích: Xác định sơ đồ ngoại lực, tính toán nội lực và bố

trí cốt thép trong bản đáy cống Trong phạm vi đồ án này, ta chỉxác định sơ đồ ngoại lực để tính kết cấu bản đáy theo phơngpháp dầm trên nền đàn hồi

ii tính toán ngoại lực:

Trên 1 băng của mảng, ngoại lực tác dụng lên bản đáy gồm lực tập trung từ các mố, lực phân bố trên băng và các tải trọng bên

1 Lực tập trung truyền từ mố:

Đây chính là tổng hợp của các áp lực đáy các mố trong phạm vi của băng đang xét, thờng xét riêng cho từng mố Sơ đồ tính toán cho một mố nh sau:

0 m

max min m

W

MF

18.8,06

L.dW

2 2

m

68,142

,43

16,2484

,14

77,128W

MF

G

m

o m

2,32

,43

16,2484

,14

77,128W

MF

G

m

o m

 TÝnh cho mè gi÷a:

Fm = 1.18 = 18 (m2)

Wm = 54 (m3).

56,2554

5,49518

89,294W

MF

G

m

o m

206,754

5,49518

89,294W

MF

G

m

o m

9)

2,368,14(2,3x.L

9)

2,756,25(2,7x.L

i i

q = -30,69 + 9,6.19,605 = 157,517 T

Q = -157,2 + 12,78.15,81 = 73,85 (T).

b) Phân phối lực cắt cho mố và bản đáy:

+ Tính Yc:

718,36

,9.13,8.13,8.8,0.2

5,0.6,9.115,5.3,8.115,5.3,8.8,0.2F

FF2

YFYFY

F

2

Y

d g n ê b

cd d cg g n ê cb n

+ Vẽ biểu đồ mô men tĩnh Sc của băng tính toán:

- Vẽ từ trục trung hoà trở lên:

Sc = Fc.Yc = 2.5,582.0,8.5,582/2+5,582.1.5,582/2 = 40,506

- Vẽ từ đáy mố trở xuống:

Sc = Fc.Yc = 1.9,6.(3,718-0,5) = 30,89+ Xác định biểu đồ Sc:

- Phần A1: SA1 = 5,582.40,506/2+(40,506+30,89).2,718/2 =210,08 m2

- Phần A2: SA2 = 30,89.1/2 = 15,45m2

 Tổng diện tích: Sc = SA1 + SA2 = 225,53m2

+ Phân phối Q cho mố (Qm) và bản đáy (Qđ):

73,14645

,1508,210

08,210

517,157A

A

A.QQ

2 1

Q

+ Phân Qđ đều cho bản đáy: q4 = Qđ/2l = 10,79/9,6 = 1,124T/m

c).Tải trọng bên (mảng giáp với bờ đất):

Mô men do áp lực đất nằm ngang gây ra:

22

.HE

2 c

c

2 d

KÕT LUËN VΜ KIÕN NGHÞ

Sau quá trình học tập môn Thuỷ công - Phần 2, emđược giao Đồ án môn học Thiết kế sơ bộ Cống lộ thiên -Đề số 18 (B-3) Mặc dù đã rất cố gắng tìm tòi, học hỏinhưng vì thời gian có hạn, kiến thức còn nhiều hạn chế,bước đầu làm quen với công tác tính toán thiết kế nênchắc chắn đồ án này không tránh khỏi sai sót Kính mongđược sự quan tâm, chỉ bảo của thầy giáo bộ môn vàcác bạn trong lớp giúp em được bổ sung kiến thức cũngnhư kinh nghiệm nhằm phục vụ cho việc làm đồ án tốtnghiệp cũng như công tác thực tế sau này được tốt hơn.Nhân đây, em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn sâusắc của mình về sự tận tình chỉ dẫn của thầy giáo bộmôn và các bạn trong lớp đã giúp em hoàn thành đồ ánmôn học này

Em xin chân thành cảm ơn !

Phan Rang, ngày 28 tháng 1 năm

2007

Sinh viên thực hiện

Vũ Đình Tuấn Lớp TH13 - Trung tâm ĐH2 - Trường ĐHTL