THIẾT KẾ CÔNG LỘ THIÊN

Nhiệm vụ công trình : - Cống C xây dựng ven sông Z để làm nhiệm vụ dâng nướctưới cho 35.000ha ruộng, tiêu nước cho khu vực trên vàngăn lũ từ sông vào.. Các mực nước và lưu lượng tiêu cốn

ĐỒ ÁN SỐ 5

THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN

PHẦN I : TÀI LIỆU CHO TRƯỚC

1 Nhiệm vụ công trình :

- Cống C xây dựng ven sông Z để làm nhiệm vụ dâng nướctưới cho 35.000ha ruộng, tiêu nước cho khu vực trên vàngăn lũ từ sông vào Cống xây dựng trên tuyến đườnggiao thông có xe 8 – 10 tấn đi qua

2 Các mực nước và lưu lượng tiêu cống C :

- Số liệu được thể hiện qua bảng sau :

Bảng C – lưu lượng và các mực nước cống CTrường

Chỉ

tiêu

Đề số

max tiêuQ(m3/s)

min đồngZ(m)

tk sôngZ(m)

max đồngZ(m)

min sôngZ(m)

max sôngZ(m)

min đồngZ(m)

3 Các tài liệu về kênh tiêu :

- Cao trình đáy kênh : Zđáy kênh = +1.0 m

- Độ dốc đáy : i = 10-4 ÷ 10-5

- Độ dốc mái : m = 1,5

- Độ nhám : n = 0,025

4 Tài liệu về gió và chiều dài truyền sống :

a Tài liệu về gió :

- Được thể hiện ở bảng sau :

b Tài liệu về chiều dài truyền sống :

Trường hợp Z sông bình thường Z sông max

5 Tài liệu về địa chất :

- Đất thịt từ độ cao : +2.5 ÷ 1.0

- Đất cát pha : +1.0 ÷ -15.0

Heä soá neùn a

PHẦN II : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

A CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ :

I Vị trí , nhiệm vụ công trình :

- Cống C xây dựng ven sông Z để làm nhiệm vụ dâng nướctưới cho 35.000ha ruộng, tiêu nước cho khu vực trên vàngăn lũ từ sông vào Cống xây dựng trên tuyến đườnggiao thông có xe 8 – 10 tấn đi qua

II Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế :

7 Cấp công trình : ( Xác định theo TCVN 5060 –90 ) Dựa

vào 2 điều kiện )

a Dựa vào chiều cao của công trình :

- Chiều cao của công trình được xác định như sau :

H = ∇đỉnh cống - ∇đáy kênh = d + Zđồngmax- K

đ

Z = 1 + 6,85 –1 = 6,85m

Trong đó : d – là độ vượt cao an toàn, ta chọn d = 1 m

- Tra bảng phụ lục 1-1 ta được công trình cấp IV

b Dựa vào nhiệm vụ của công trình :

- Dựa vào nhiệm vụ của công trình là dâng tưới cho 35.000haruộng ta tra bảng phụ lục 1-2 ta được công trình có cấp III

- Vậy từ 2 điều kiện trên ta chọn được công trình có cấp III

8 Các chỉ tiêu thiết kế : Dựa vào cấp công trình tra bảng

- Tần suất mực nước lớn nhất ngoài sông khai thác :

- Hệ số vượt tải tra phụ lục P1-4 : n = 1,10

- Hệ số điều kiện làm việc của ct tra phụ lục P1-5: m = 1,00

- Hệ số tinh cậy tra phụ lục P1-6 : Kn = 1,15

B TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG :

I Tính toán kênh hạ lưu :

- Theo đề bài thì ta có : Q = 92 (m3/s) ; n = 0,025 ; m = 1,5 ; chọn :

i = 10-4

- Cao trình đáy kênh là : Zđáy kênh = +1.0m ; Zđồngmin = 5,10m

- Chiều cao mực nước : h = Zminđồng−Zđáykênh= 5,10 – 1 = 4,10 m

- Bài toán coi như biết Q, i, m, n, h tìm B theo mặt cắt lợi nhấtvề thủy lực :

h

:

- Ta có :

lnR

h = 42,3

10,4 = 1,19

- Tra phụ lục 8-3 , ứng với m = 1,5 ta được :

lnR

b.Rln = 5,82.3,42 = 19,904 m

- Vậy ta chọn lại chiều rộng của kênh là : bk = 20 m

∗ Kiểm tra lại khẩu diện kênh hạ lưu :

- Ta có : = =

10,4

20h

bk

4,87 ∈ β = [2 ÷ 5]

- Vậy bề rộng kênh được chọn là hợp lý

II Tính toán khẩu diện cống :

Mục đích là : Xác định khẩu diện cống và và tính toán tiêunăng

1 Trường hợp tính toán :

- Ta chọn trường hợp khi chênh lệch mực nước thượng ha lưunhỏ, cần tháo lưu lượng Q = 92 (m3/s)

- Chênh lệch mực nước :

∆Zmin = ∇Zminđồng - ∇ tk

sông

Z = 5,10 – 4,92 = 0,18m

2 Chọn loại và cao trình ngưỡng cống :

a Cao trình ngưỡng cống :

- Với trường hợp thiết kế cống tiêu và chênh lệch mựcnước thượng hạ lưu nhỏ ta chọn cao trình ngưỡng cống bằngvới cao trình đáy kênh

- Ta có cao trình ngưỡng cống :

∇ngưỡng cống = ∇đáy kênh = +1,0m

b Hình thức ngưỡng :

- Khi ngưỡng thấp nên ta chọn đây là đập tràn đỉnh rộngvới cao trình ngưỡng bằng cao trình đáy kênh

3 Xác định bề rộng cống : (Tính với trường hợp đập tràn

a Định trạng thái chảy :

- Theo QPTL C8-76 thì đập chảy ngập khi tỉ số :

0

nH

h

≥ 0,75 ÷ 0,85(*)

- Do chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ nên thường xảy

ra chảy ngập Độ cao phục hồi Zph thường nhỏ nên có thểbỏ qua

- Khi đó ta có thể lấy : h = hn = hh =Ztksông- Z = 4,92 – 1 = 3,92 mđk

- Với H0 được xác định như sau :

H0 = H +

g.2

V 02

α = 4,10 +

81,9.2

86,0

1 2 = 4,14 mTrong đó ta có :

+ Với α - hệ số cột nước lưu tốc ta chọn : α = 1

+ V0 – lưu tốc đến gần, và được tính toán theo công thức sauđây:

92,3H

h0

n = =0,95 >

pg 0

nH

b Tính toán bề rộng cống ∑b :

∗ Aùp dụng theo công thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập ta có :

Q = ϕnϕg.Bc.h g.(H0−h)

Trong đó ta có :

+ ϕg – là hệ số co hẹp bên được xác định theo công thức sau :

ϕg = 0,5.ε0 + 0,5 = 0,5.0,96 + 0,5 = 0,98+ Với ε0 ta chọn như sau : ε0 =0,96

+ ϕn – là hệ số lưu tốc chảy ngập, được tra theo bảng thủy lựctheo hệ số lưu lượng m (theo bảng tra của cumin) : ϕn = 0,98+ Lưu lượng Q = 92(m3/s) ; g = 9,81(m/s2)

+ Chiều cao h = 3,92m ; H0 = 4,14m

- Thay tất cả các giá trị vào trên ta được :

Bc = h g(H h)

Q0 g

- Để đảm bảo lưu lượng tháo qua cống ta chọn : Bc = 12m

- Vậy ta chia ra làm n = 2 khoang, mỗi khoang rộng b = 6m

∗ Kiểm tra lại B C và lưu lượng tháo qua cống :

- Tính lại hệ số co hẹp :

ε0 =

∑ ∑b∑+ d

b = 14

12= 0,86Trong đó :

+ ∑b - là tổng bề rộng của cống : ∑b = 12m

+ ∑d - là chiều dày các mố : ∑d = ξmt + 2 ξmb = 2 m

+ trong đó ta chọn ξmt = 1m; ξmb = 0,5m

∗ Từ tính toán trên ta thấy :

- Từ tính toán trên ta thấy : Qtt ≈ Qtk vậy bề rộng cống chọnđược đảm bảo về mặt lưu lượng

- Vậy ta chọn lại bề rộng của cống là : Bc = 13m được chialàm n = 2 khoang, mỗi khoang là : b = 6.5m

III Tính toán tiêu năng phòng xói :

1 Trường hợp tính toán : (Với cống tiêu kết hợp dâng

- Ta có : Zminsông= 3,55m; Zmaxđồng= 6,85m.

∆Zmax = Zmaxđồng- min

sông

Z = 6,85 – 3,55 = 3,30m

- Tính toán với chế độ mỡ đều các cữa van

- Chiều cao mực nước tính toán tiêu năng là :

Hmax = Zmaxđồng- k

đ

Z = 6,85 – 1 = 5,85 m

hh = Zminsông- Z = 3,55 – 1 = 2,55 mđk

2 Lưu lượng tính toán tiêu năng :

- Với trường hợp cống tiêu kết hợp dâng tưới Ta xét trườnghợp mực nước hạ lưu cống không phụ thuộc lưu lượng tháoqua cống Khi mực nước thượng lưu đã khống chế, Qtt chính làlưu lượng tháo thiết kế của cống : Qtt = Qtk = 92 (m3/s)

- Xác định độ cao mỡ cống a theo công thức chảy dưới cữacống :

Q = ε.ϕ.Bc.hc g(H0−hc) (**)Trong (**) ta có :

+ ε - là hệ số co hẹp bên, ta chọn : ε = 0,98

+ ϕ - là hệ số lưu tốc, ta chọn : ϕ = 0,95

+ hc – là độ sâu tại mặt cắt co hẹp : hc = α.a

+ α - là hệ số co hẹp đứng : α = f 

H0 = H +

g

V 2

α = 5,85 +

81,9.2

55,

0 2 = 5,87 mTrong đó :

V = ( ) 5,85.(20 1,5.5,85)

92H

.mb.H

QQ

max k

571,0

130,0

=

=

=τ

=

m35,387,5.571,0E.h

m77,087,5.130,0E.h

α = 0,621

- Xác định độ cao mỡ cống :

a =

621,0

77,0

hc

=

∗ Kiểm tra lại lưu lượng qua cống :

- Từ công thức tính lưu lượng trên ta có :

∗ Kiểm tra trạng thái chảy qua cống :

- Từ tính toán hc, hh, hc” trên so sánh ta thấy :

hc < hh < h"c

- Vậy chế độ chảy qua cống là có nước nhảy phóng xa Vìvậy mà cần phải thiết kế thiết bị để tiêu hao hết nănglượng thừa từ lượng nước thượng lưu đổ về hạ lưu và đảmbảo cho cống làm việc an toàn

3 Tính toán kích thước thiết bị tiêu năng :

a Chọn biện pháp thiết bị tiêu năng :

- Để tiêu hao phần năng lượng của dòng chảy và không chophát sinh dòng chảy xiết hoặc xãy ra trường hợp nướcnhảy phóng xa, nhằm đưa cho nước nhảy sau cống về trạngthái chảy ngập, và dòng chảy đều đặn thì cần phải thiếtkế thiết bị tiêu năng

- Theo tài liệu về thiết kế cống thì cống được xây dựng trênnền đất, nên dùng thiết bị là đào bể để tiêu năng làhợp lý hơn

b Tính toán kích thước bể :

∗ Tính chiều sâu đào bể :

Chiều dâu đào bể tiêu năng được xác định theo công thứcthủy lực sau :

d = σ.( )"

c

h - hh – Z2

Trong đó :

+ σ - là hệ số an toàn ngập, ta chọn : σ = 1,10

+ h - là độ sâu liên hợp với độ sâu co hẹp h"c c.

+ hh – là độ sâu mực nước ha lưu khi chưa đào bể

- Chiều sâu đào bể được xác định theo công thức thủy lựctính toán theo phương pháp đúng dần :

- Giả thiết 1 giá trị d1 như sau :

d= h - h"c h = 3,35 – 2,55 = 0,8m

- Tính E :'0

' 0

2 c

2 2

h

2 c 2

2

h.B.g2

Q.g

.h.B

Q

σ

α

−ϕ

=

2

2 2

2 2

2

50,3.05,1.13.81,9.2

9281

,9.2.55,2.13.95,0

- Từ d và d1 tính toán ở trên ta thấy : d1≈ d = 0,88

- vậy ta chọn lại chiều sâu đào bể sao cho đảm bảo tiêunăng tốt nhất trong mọi trường hợp bất lợi nhất có thểxảy ra là : d = 0,9 m

∗ Tính chiều dài bể tiêu năng L b :

- Chiều dài bể tiêu năng được xác định theo công thức sau :

Lb = L1 + β.Ln

Trong đó :

+ β - là hệ số, ta chọn β = 0,75

+ L1 – là chiều dài nước rơi từ ngưỡng xuống sân tiêu năng,được tính theo Trectôuxốp

L1 = 2 hk.(P+0,35.hk) = = 2 3,91.(0,9+0,35.3,91)

= 5,95mVới :P – là chiều cao ngưỡng cống so với bể : P = d = 0,9m

hk = H03

2

= .5,873

2 = 3,91 m+ Ln – là dài nước nhảy, tính theo công thức kinh nghiệm :

Ln = 4,5.(h"c−hc) = 4,5.(3,5 – 0,77) = 12,28 m

- Thay tất cả vào trên ta được :

Lb = 5,95 + 0,75.12,28 = 15,16 m

- Vậy ta chọn lại chiều dài của bể là :

Lb = 16 m

C BỐ TRÍ CÁC BỘ PHẬN CỐNG :

I Thân cống : Bao gồm bản đáy, trụ và các bộ phận bố trí

trên nó.

1 Thiết kế cửa van :

Ta chọn phương án làm cửa van phẳng, có cấu tạo bằngthép, cao trình của cửa van phải cao hơn cao trình đáy tườngngực khoảng :

2 Thiết kế tường ngực :

a Các giới hạn của tường ngực :

∗ Xác định cao trình đáy tường ngực :

- Cao trình đáy tường ngực được xác định theo công thức sau :

Zđt = Ztt + δ

Trong đó :

+ Ztt – là mực nước tính toán khẩu diện cống, ta có :

Ztt = H = Zminđ −Zđk = 5,10 – 1 = 4,10 m+ δ - là độ lưu không , chọn : δ = 0,7

- Thay tất cả vào trên ta được :

Zđt = 4,10 + 0,7 = 4,8 m

∗ Xác định cao trình đỉnh tường ngực : Lấy cao trình đỉnh

tường ngực bằng với cao trình đỉnh cống Được xác định nhưđỉnh đập bê tông

- Cao trình đỉnh tường ngực được xác định theo 2 mực nướcMNDBT và MNDGC :

∇đ1 = Zminđ + ∆h +ηs + a (1)

∇đ2 = max

đ

Z + ∆h’ +ηs’ + a’ (2)Trong đó :

+ a và a’ – là độ vượt cao an toàn ứng với 2 mực nước Trabảng phụ lục 5-1 GTTC tập I ta được : a = 0,5 ; a’ = 0,4

+ ηs và ηs’ – là độ dềnh cao nhất ứng với 2 mực nước

+ ∆h và ∆h’ – là độ dềnh do gió ứng với gió lớn nhất vàgió bình quân

Xác định ∆h và ηs ứng với : ( V = 28 m/s và D = 200m ) :

- Xác định ∆ h :

∆h = 2.10-6

H.g

D

V2 .cosαB = 2.10-6

10,4.81,9

200

- Xác định ηs :

ηs = Kηs.h1% (*)Trong đó :

+ h1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% Và đượcxác định như sau :

+ Giả sữ đây là trường hợp sóng nước sâu tức ( H >2λ).

+ Tính các giá trị không thứ nguyên:

V

gt =

28

60.60.6.81,

2V

gD = 2

28

200.81,9

= 2,5025

+ Tra đồ thị P(2-1), ứng với Vgt = 7657,71 đường bao trên cùng tanhận được :

2V

h

g = 0,0032 V

gτ = 0,54

+ Chọn cặp giá trị nhỏ nhất là :

2V

h

81,9

28.0032,0g

V.0032,0

28.54,0g

V.54,

=τ

14,3.2

54,1.81,

9 2= 3,70 m+ Kiểm tra lại điều kiện giả thiết ta thấy :

H = 4,10 > 2λ = 1,85 m

+ Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng

+ Tra đồ thị P2-3 ứng với K 1,18

07,070,3

26,0h

90,010,4

70,3H

=

=λ

η

+ Xác định chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% h1% :

h1% = K1% h = 2,01.0,26 = 0,52 mTrong đó : tra đồ thị P2-2 ứng với : 2

'D

V'2 .cosαB = 2.10-6

10,4.81,9

300

162 = 0,00382 (m).Trong đó :

+ V’ = 16 (m/s) ; D’ = 300m ; g = 9,81 (m/s2) ; H = 4,10 m

+ αB – là góc kẹp giữa cống với hướng gió Ta chọn αB = 0

- Xác định η ’ s :

η’s = K'ηs.h’1% (*)Trong đó :

+ h1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% Và đượcxác định như sau :

+ Giả sữ đây là trường hợp sóng nước sâu tức ( H > 2λ')

+ Tính các giá trị không thứ nguyên:

'

Vgt = 9,81.166.60.60 = 13243,52

'V

'gD = 2

16

300.81,9

= 11,496

+ Tra đồ thị P(2-1), ứng với 'Vgt đường bao trên cùng ta nhậnđược :

2'V

'h

2 'V

'h

g = 0,0075 '

V'

gτ = 0,93

+ Chọn cặp giá trị nhỏ nhất là :

2 'V

'h

81,9

16.0075,0g

'V.0075,0'

16.93,0g

'V.93,0

14,3.2

52,1.81,

9 2= 3,61 m

+ Kiểm tra lại điều kiện giả thiết ta thấy :

H = 4,10 > 2λ' = 1,805 m + Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng

+ Tra đồ thị P2-3 ứng với K' 1,14

053,061,3

19,0'

'h

88,010,4

61,3H'

=

=λ

η

+ Xác định chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% h1% :

'

% 1

h = K1'% 'h = 2,02.0,19 = 0,38 mTrong đó : tra đồ thị P2-2 ứng với : '2'

- Vậy ta chọn cao trình đỉnh tường ngực là : ZTNđỉnh= 7,8m

- Vậy chiều cao tường ngực là : Htn = ZđỉnhTN - ZTNđt = 7,8 –4,8 = 3.0m

b Chọn kết cấu tường :

- Với chiều cao của tường không lớn lắm nên ta chọn chiềudày của bản mặt tường là 0,3m

- Chọn kết cấu làm tường ngực là bê tông cốt thép

3 Cầu công tác :

- Cầu công tác là nơi đặt máy đóng mỡ và thao tác van.Chiều cao của cầu công tác cần tính toán đảm bảo khikéo hết cữa van thì vẫn còn khoảng không cần thiết đểđưa van ra khỏi vị trí cống khi cần.

- Kết cấu cầu bao gồm bản mặt, dầm đỡ và các cộtchống, kích thước được thể hiện trên hình vẻ

4 Khe phai và cầu thả phai :

- Bố trí ở đầu và cuối cống để ngăn nước, khoảng cách từkhe phai và khe van trên 1m, giữ cho khoang trống cống đượckhô ráo khi cần sửa chữa

- Khe phai rộng 0,2 m Còn khe van thường rộng từ 0,3 m Trêncầu thả phai còn bố trí đường ray để di chuyển phai khi hưhỏng cần sửa chữa

5 Cầu giao thông :

- Xây dựng theo yêu cầu thiết kế cho các loại xe 8÷10 tấn điqua Kết cấu gồm 3 dầm đỡ dọc

- Bề rộng cầu : Bcầu = 6m, gồm 2 lề người đi bộ, mỗi bênrộng 1 m

- Dầm ngang, bản mặt, lan can: kết cấu và khối lượng đượctính chi tiết khi tính kết cấu

- Chiều dày bản đáy t chọn theo điều kiện chịu lực Ta chọnnhư trên hình vẻ

t = 1,2m

II Đường viền thấm : Bao gồm bản đáy cống, sân trước,

các bản cừ, chân khay Kích thước được chọn theo các điều kiện sau :

2 Bản cừ :

a Xác định vị trí đặt bản cừ :

- Trong trường hợp cống làm nhiệm vụ tiêu nước và tưới, tacó thể bố trí cừ ở đầu bản đáy

b Xác định chiều sâu đóng cừ :

- Với điều kiện là công trình làm trên nền đất không dínhnên ta có thể đóng một hàng cừ ở mép thượng lưu bảnđáy ( hàng cừ chính)

- Cừ chính đóng ở mép thượng lưu bản đáy ta chọn :

- Sơ bộ chọn chiều sâu của chân khay là : hck = 1m và mỡ 1góc 450

4 Lỗ thoát nước :

- Các lỗ thoát nước được bố trí ở sân tiêu năng, dưới sânđược bố trí cấu tạo theo từng lọc ngược

- Khi tính thấm thì đường viền thấm được tính đến vị trí bắtđầu có tầng lọc ngược

- Nhằm đảm bảo cho việc thoát nước được tốt, ứng vớichiều dài của bể là Lb = 16m ta chia ra làm 8 lỗ, có đườngkính là d=20cm Khoảng cách từ tân của mỗi lỗ là 2 m

5 Sơ đồ kiểm tra chiều dài, đường viền thấm :

- Điều kiện để chiều dài dưới đáy công trình đảm bảo về

dk thấm :

Ltt ≥ C.HTrong đó :

+ H – là cột nước lớn nhất của cống : H = Zmaxđồng−Zđáyk = 6,85 – 1

= 5,85 m

+ C – là hệ số phụ thuộc vào loại đất nền Tra bảng phụ lụcP3-1( ứng với loại đất cát pha ) : C = 5.

+ Ltt – là chiều dài tính toán đường viền thấm (theo PP LEN).Được xác định như sau :

+ Ln – là chiều dài tổng cộng của các đoạn nằm ngang vàcác đoạn xiên có góc nghiêng nhỏ hơn 450

+ m – là hệ số phụ thuộc vào hàng cừ trong sơ đồ đườngviền thấm Chọn : m= 1,5

- Ta có sơ đồ đường viền thấm dưới đáy công trình cho nhưhình vẻ

9,37 = 37,30 m

- Vậy ta có :

Ltt = 37,30m > C.H = 29,25 m

- Vậy chiều dài bản đáy cũng như chiều dài sân trước đảmbảo điều kiện chống thấm

III Nối tiếp cống với thượng, hạ lưu :

1 Nối tiếp thượng lưu :

- Góc mỡ của tường về phía trước, ta chọn góc mỡ φt là :

tgφt =

3

1 Hình thức của tường cánh phụ thuộc vào quy môcống