ĐỒ án môn học THIẾT kế CỐNG NGẦM

Mặt cắt kênh dước tính toán với lưu lượng thiết kế Qtk = 3,6 m3/s tức là thu lưu lượng lớn nhất theo tài liệu đã cho.. Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lưu lượng : Trong tài liệu c

THIẾT KẾ CỐNG NGẦM

-*** -A TÀI LIỆU CHO TRƯỚC :

I Nhiệm vụ công trình :

Hồ chứa H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau :

1- Cấp thoát nước cho 1650 ha ruộng đất canh tác

2- Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ và cấp nước phục vụ dân sinh

ở hạ du

II Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối :

1- Một đập chính ngăn sông

2- Một đường tràn tháo lũ sang lưu vực khác

3- Một cống đặt dưới đập để lấy nước tưới

III Tóm tắt một số tài liệu cơ bản :

1 Địa hình :

Cho bình đồ vùng tuyến đập

2 Địa chất :

Cho mặt cắt địa chất dọc tuyến đập Chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tích dòng sông cho ở bảng 1 Tầng đá gốc rắn chắc mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hóa dày 0,5 ÷ 1 m

3 Vật liệu xây dựng :

a Đất : Xung quanh vị trí đập có các bãi vật liệu A ( trữ lượng 800.000 m3 cự ly 800 m ) ; B ( trữ lượng 1.000.000 m3 cự ly 1 km ) Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nước tương đối mạnh, các chỉ tiêu như ở bảng 1 Điều kiện khai thác dễ

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

b Đá : Khai thác ở vị trí cách công trình 48 km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo đắp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lý :

ϕ = 36o, n = 0,4 ; γk = 2,55 T/m3 (của hòn đá )

c Cát sỏi : Khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3

km trữ lượng đủ làm tầng lọc

Bảng 1 : Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu đắp đập Chỉ tiêu

n

Độ ẩm W

%

ϕ (độ) C (T/m2 ) γk

(T/m3

)

k (m/s )

Aå

m Bão hò a

hòa

Đất đắp

đập

Sét

Cát

Đất nền

0,35 0,38 0,40 0,39

20 22 18 24

23 17 30 26

20 13 27 22

3,0 5,0 0 1,0

2,4 3,0 0 0,7

1,62 1,58 1,60 1,59

10-5

4.10-8

10-4

10-6

Bảng 2 : Cấp phối của các vật liệu đắp đập

d (mm)

Đất thịt pha

cát

Cát

0,005 0,05 0,5

0,05 0,35 3,00

0,08 0,40 5,00

4 Đặc trưng hồ chứa :

- Các mực nước trong hồ và mức nước lưu :

Bảng 3 : Tài liệu thiết kế đập đất và cống ngầm : Sơ

đồ Đặc trưng của hồchứa Mực nướchạ lưu (m) Q cống (m

3/s)

Mực nước đầu kênh (m)

D

(km) MNC(m) MNDBT(m) thườBình

ng

MNC (Qtk)

Khi MNDBT

Tràn tự động có cột nước trên đỉnh tràn H max = 3

- Các vận tốc gió

- Chiều dài truyền sóng sóng với MNDBT : D (bảng 3)

- Đỉnh đập không có đường giao thông chạy qua

- Mái thượng lưu : m = 3,95

Mái hạ lưu : m = 3 ; m’ = 3,5

- Tài liệu thiết kế cống :

Lưu lượng lấy nước ứng với MNDBT và MNC (Qtk) : Bảng 3 Mực nước khống chế đầu kênh dưới : bảng 3

- Tài liệu về kênh chính :

m = 1,5

n = 0,025

i = 10-3 ÷10-4

B NỘI DUNG THIẾT KẾ CỐNG NGẦM

I – Những vấn đề chung :

1 Nhiệm vụ, cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế

a Nhiệm vụ : Cung cấp tưới nước cho diện tích 1650 ha

b Cấp công trình :

- Theo nhiệm vụ ta  công trình cấp IV

- Theo cấp chung của công trình đầu mốita có :

Hđập = 95 – 55 +1 = 41 (m) và địa chất lòng sông ta có cấp công trình là cấp II

Từ 2 diều kiện trên ta chọn cấp công trình chung cho cống và đập là cấp II

c Các chỉ tiêu thiết kế :

- Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất để tính ổn định kết cấu công trình (p%) P% = 0,5

- Hệ số vượt tải (n)

- Hệ số điều kiện làm việc (m)

- Hệ số tin cậy Kn = 1,2

2 Chọn tuyến và hình thức cống :

a, Tuyến cống :

Phụ thuộc vào vị trí khu dưới cao trình khống chế tuyến tưới, điều kiện địa chất nền và quan hệ với các công trình khác

Ở đây vì đường tràn độ sang lưu vực khác nên có thể đặt cống ở bờ phải hay bờ trái đều dược Khi đó việc đặt cống ở bờ nào phụ thuộc vị trí khu dưới và điều kiện địa chất

Khi chọn tuyến cụ thể cần lưu ý :

- Cố gắùng đặt cống trên nền đá Tuy nhiên khi tầng phủ khá dày thì cũng có thể đặt cống trên nền đất, khi đó không nên đặt nổi cống trên nền, mà phải có độ chôn sâu nhất định

b, Hình thức cống :

- Vì cống dưới đập đất, mực nước thượng lưu khi lấy nước thay đổi nhiều (từ MNC đến MNDBT) nên hình thức hợp lý là cống ngầm lấy nước không áp

- Vật liệu làm cống chọn 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 van sữa chữa, vi trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoảng giữa mái đập thượng lưu tại vị trí đặt cống

c, Sơ bộ bố trí cống : Từ vị trí đặt cống và mặt cắt đập đã có (Đồ án thiết kế đồ đất), sơ bộ tính cống để từ đó xác định chiều dài cống, có thể chọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC từ 1 ÷ 1,5 m Cao trình đáy cống sẽ đượ ctính toán chính xác hóa thuỷ lực sau này

II- Thiết kế kênh hạ lưu cống :

Kênh hạ lưu đươcï thiếtkế trước để làm căn cứ cho việc tính toánt hủy lực cống

1 Thiết kế mặt cắt kênh.

Mặt cắt kênh dước tính toán với lưu lượng thiết kế Qtk = 3,6 (m3/s) tức là thu lưu lượng lớn nhất theo tài liệu đã cho

Dựa vào điều kiện địa chất nơi kênh chạy qua ( trong đồ án này cho là đất cát pha), sơ bộ chọn được các chỉ tiêu sau :

- Độ dốc đáy kênh ( từ

1000

1 đến

000 10

1 ) chọn i =

5000 1

- Độ nhám lòng kênh n=0,025

- Hệ số mái kênh m = 1,5

Tiếp theo cần xác định bề rộng đáy kênh (b0 và chiều sâu nước trong kênh h0 ), có thể giải theo trình tự sau :

- Sơ bộ xác địng vận tốc xói theo công thức : V kx = K Q0,1

Trong đó :

Q - lưu lượng của kênh : Q = Qtk = 3,9 (m3/s)

K – Hệ số phụ thuộc đất lòng kênh, với cát pha : K = 0,53

 V kx = 0,53 3,90,1 = 0,607 (m/s)

- Sơ bộ định chiều sâu h0 theo công thức :

H = 0,5 ( 1 – V kx ) 3 Q = 0,5 ( 1 + 0,607 ) 3 3,9 = 1,26 (m)

- Có q,h  xác định b theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực ( tính theo f (Rln), tra bảng tìm Rln, tính

ln

R

h

; tra

bảng tìm được

ln

R

b

, cuối cùng tính được b Trình tự tính toán như sau :

Tính theo công thức Agơrotskin : m0 = 2 1+m2 −m

f (Rln) =

Q

i

m0

4

tra phụ lục (8-1) bảng tra thủy lực với

f (Rln) = 0,0305

n = 0,025

 R ln = 0,93



ln

R

h

= 93 , 0

26 , 1 = 1,355 tra phụ lục (8-3) bảng tra thủy lực với

ln

R

h

= 1,355

m = 1,5

 b =

ln

R

b

Rln = 4,45 0,93 = 4,14 ≈ 4,2 (m)

Kiểm tra lại :

h

b

= 228 , 1

03 , 4 = 3,28 ∈ (2÷5) (thỏa mãn điều kiện)

c Kiểm tra điều kiện không xói :

Vì kênh dẫn 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 :

Vmax < V KX (*)

Trong đó : Vmax – lưu tốc lớn nhất trogn kên, tính với lưu lượng Qmax

Qmax = K Q; (Q = Qtk)

k- hệ số phụ thuộc Q, có thể lấy k = 1,2

 Qmax = 1,2 3,9 = 4,68 (m3/s)

Để xác định Vmax khi đã biết Qmax và mặt cắt kênh ta phải xác định độ sâu h tương ứng trong kênh ( bằng phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thủy lực ) từ đó ta có :

Vmax =

ωmax

Q

Ta có : ω = (b + m.h) h = (4,2 + 1,5.1,38)1,38 = 8,65 m2

=> Vmax =

ωmax

Q

= 35 , 8

68 , 4 = 0,54 (m/s)

Ta thấy Vmax = 0,54 (m/s) < = Vkx = 0,607 (m/s)

Như vậy thỏa mãn điều kiện không xói

d Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lưu lượng :

Trong tài liệu cho 1 cấp số lượng để tính toán cống với các trường hợp khác nhau, ứng với mỗi cấp lưu lượng cần xác định độ sâu dóng đều tương ứng trong kênh tức là xác định quan hệ Q ~ h Bài toán này có thể giải theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực

Ở đồ án này cho 2 cấp lưu lượng tương ứng là :

- Khi MNC : Q = Qtk = 3,9 (m3/s)

- Khi MNDBT : Q = 3,3 (m3/s)

Như ở trên ta đã tính được bề rộn của kênh theo phương pháp đối chiếuvới mặt cắt lợi nhất về thủy lực và xác định bề rộng của kênh : b = 4,03 (m) thường chọn b = 4,1 (m)

Bây giờ ta đi xác định lại độ sâu dòng đều (h0) trong trường hợp ứng với cấp lưu lượng khi MNC : Q = 3,3 (m3/s) và b = 4,2 (m), tính :f (Rln) = 4.m0 i

Q í

f (Rln) =

Q

i

m0

4

= 0,0361 tra bảng (8-1) – bảng tra thủy lực ta có :

với f (Rln) = 0,0361

n = 0,025

 Rln = 0,88



ln

R

b

= 88 , 0

2 , 4

= 4,77 tra bảng (8-3) bảng tra thủy lực ta có với m = 1.5



ln

R

h

= 1,32

 h0 = 1,32 0,88 = 1,16 (m)

Vậy h0 = 1.26(m) ứng với Q = 3,3 (m)

III Tính khẩu diện cống :

1- Trường hợp tính toán :

Khẩu diện cống được tínht oán với trường hợp chênh lệch mực nước ở hạ lưu nhỏ và lưu lượng nuớc tương đối lớn> Thường được tính với trường hợp MNC ở thượng lưu còn mực nướic ở hạ lưu là mực nước khống chế đầu kênh tưới Zkc ; Chênh lệch mực nước hạ lưu khi đó sẽ là :

[∆Z] = MNC – Zkc = 69,5 –69,33 = 0.17 m

Lúc này, để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần mở hết van

Ta có :

Z1 - tổn thất cột nước cửa vào

Zp tổn thất do khe phai (nếu có)

Zl - tổn thất qua lưới chặn rác

Zv – tổn thất qua tháp van

Z2 – tổn thất cửa ra

Bề rộng cống phải đủ lớn để lấy đựoc lưu lựong cần thiết

Q khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu [Z} đã khống chế, tức phải đảm bảo điều kiện :

a) Tổn thất cửa ra :

Ta giả thiết các chiều rộng của cống là bc và tiến hành tính toán các tổn thất

Tổn thất cửa ra là :

2

) (

2g n b h h

Q

v b

2

2 α

Trong đó :

B – chiều rộng ở cuối bể tiêu năng : b = bkênh = 4,1 (m)

hh – Chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Qtk = 3,9 (m3/s)

hh = hk = 1,26 (m)

ϕn – Hệ số lưu tốc ( trường hợp chảy ngược) ta lấy ϕn = 0,96

Vb – Lưu tốc bình quân trong bể tiêu năng Vb = 0.5 (m/s)

 Z2 = 0.18 (m)

b) Tổn thất dọc đường:

Coi dòng chảy trong cống là dòng chảy đều với độ sâu là

h1

h1 = hh + z2 = (m)

Khi đó tổn thất dọc đường là i.L với i là độ sâu dốc cống, xác định theo công thức :

i = (

R C

Q

với ω = bc h1; L = 185(m) ; n =0.025

c) Tổn thất do tháp van:

Do khoảng cách từ tháp van đến cửa ra xấp xỉ bằng chiều dài cống Vì vậy ta có thể lấy chiều sâu cột nước ngay sau cửa van là : hv = h1 + i.L

Từ đó ta tính được tổn thất qua van là :

Zv = 2 ξv

g

v

2

2 α

(2) với ξv = 0,05 ÷ 0,1

Vv =

ω

Q

=

ci

b

Q

d) Tổn thất qua luới chắn rác :

Z1 = ξ α.v2

g

2

1 ; ε = 0,1 ; hp = h1 + zk

Vp =

ω

Q

=

) (L1 Z1 bc

Q

+ (4)

e) Tổn thất tại cửa vào :

Từ công thức Q = ϕn b2 h1 2 Z g 1

1

2

) (

2g b h

Q

nε

ϕn = 0,95; ε = 0,1; h1 = hp + zp

Thay số vào các công thức từ (1)÷(5) ta có kết quả tính toán như ở bảng dưới, và từ kết quả ở bảng ta vẽ được đường quan hệ bc~ ∑Zi (hình vẽ)

1.5 0.018 24.16 0.0071 1.3119 0.0158 0.0618 0.0141 0.0397 1.461 2.0 0.018 24.86 0.0038 0.6970 0.0089 0.0351 0.0083 0.0288 0.796 2.5 0.018 30.22 0.0016 0.3019 0.0076 0.0225 0.0072 0.0201 0.377 3.0 0.018 32.25 0.0010 0.1841 0.0053 0.0157 0.0051 0.0149 0.243 3.5 0.018 33.93 0.0007 0.1222 0.0039 0.0116 0.0038 0.0114 0.171 4.0 0.018 35.42 0.0005 0.0858 0.0030 0.0089 0.0029 0.0089 0.127

Tra trên đường quan hệ bc ~ ∑Zi ứng với [∆Z]= 0.17 (m) chọn

bc = 3.5(m)

3- Xác định chiều cao cống

a, Chiều cao mặt cắt cống :

Hc = h1 + ∆

h1 = 1.26(m)

∆ : độ lưu không chọn từ từ 0,5÷1m, ở đây ta chọn ∆ = 0.7(m)

 Hc = 2 (m)

b, Cao trình đặt cống:

- Cao trình đáy cống ở cửa ra

Zr = Zkc – h’h =69.33 –1.26 = 68.07 (m)

Zkc- cao trình mực nước khống chế đầu kênh

 Zr = 68.07 (m)

- Cao trình đáy cống ở cửa vào

Zv = Zr + i.L = 68.07 + 0.122 = 68.2(m)

IV Kiểm tra trạng thái chảy và tính toán tiêu năng :

1- Trường hợp tính toán :

Khi mực nước thượng lưu cao chỉ cần mở một phần cửa van để lấy được lưu lượng cần thiết Do năng lượng của dòng chảy lớn 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 xem nước nhảy có xảy ra ở trong cống không, thường với mức thượng lưu cao, cần khống chế cho mực nước

trong cống để tránh rung động bất lợi, cònối với các mực nước thấp ở thượng lưu nước nhảy trong cống là không tránh khỏi Tuy nhiên khi đó năng lượng của dòng chảy không lớn nên mức độ rung động nguy hiểm không đáng kể

- Xác dịnh chiều sâu bể cần thiết để giớin hạn nước nhảy ngay sau cửa ra cống để tránh xói lở bờ kênh hạ lưu

- Trong phần đề ra đã giới hạn cho 2 trường hợp mực nước cao với các lưu lượng tương ứng Sơ đồ tính toán cho trường hợp này như hình vẽ sau Ở bài này với 1 trường hợplà MNDBT, tương ứng với lưu lượng Q

2- Xác định độ mở rộng cống :

Tính theo sơ đồ chảy tự do qua lỗ

Q = ϕ α a b .c 2g(H0−α.a) (**)

Trong đó :

ϕ - hệ số lưu tốc, lấy ϕ = 0,95

α - hệ số co hẹp đứng

H’0 – cốt nước tính toán trước cửa vào đến vị trí của van H’0 = H0 – hw = 20.8 – 0.0268 = 20.77

Với H0 = H + αv2

g

2

1 = H (do v0 << H) mà H = MNDBT - ∇ đáy cống = 89 – 68.2 = 20.8 (m)

hw = Zp + Zl + Zv = 0.0114 + 0.0038 + 0.0116 =0.0268 (m) Hệ số co hẹp đứng α = f (

H

a

) ; Có thể xác định a bằng phương pháp sử dụng bảng hệ của Jaloxki

Tính F(τc) =

2

3 ' 0

H b

Q

h

Trabảng (15-1) ta được τc = 0,0028 => hc = 0,0028 20,77 = 0,06 (m)

Tra bảng (16-1) ta được α = ε = 0.611

Ta có : α =

c

h

a

 a =

αc

h =

611 0

06 0

= 0.1 (m)

ta tính lại giá trị ε và a tương úng đã chọn :

Q* = 2g(H0−α.a) ϕ α a bc

= 4.09(m3/s)

Ta thấy

∆Q = *

*

Q

Q

Q−

= 0.047

∆Q = < 5%

Vậy giá trị ε và a ta tìm ở trên có thể chấp nhận được

2 Kiểm tra nước nhảy trong cống :

* Vẽ đường mặt nước để tìm độ sâu cuối cống h

a Định tính : cần xác định hc, h0, hk

+ Độ sâu co hẹp sau van : hc = α a = 0,611 0,1 = 0,061(m)

hc ≈ 0,06(m)

+ Độ sâu phân giới hk : với kênh chữ nhật hk được tính theo công thức :

hk = 3

2

g

q

α

với q =

bc

Q

= 1,11 (m3/s.m)

 hk = 3

2

81 , 9

11 , 1 1

= 0.5(m) + Độ sâu dòng đều h0 : Tính với Q, hc, i đã biết, có thể đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực để tính h0

ta tính f (Rln) =

Q

i

m0

4

= 0.054 với m = 0  m0 = 2

i = 7.10-4

=>Rln = 0.75

Tra bảng (8-3) – bảng tra thủy lực suy ra

ln

R

b

= 4,67

ln

R

h

= 1,69

 h0 =1,69 0,75 = 1,27(m)

Vậy h0 = 1,27 m

So sánh 3 trị số hc, h0, hk ta thấy hc < hk < h0

Nên dạng đường mặt nước sau van là đường dâng G

b Định lượng :

Xuất phát từ mặt cắt co hẹp C-C vẽ về mặt cắt cuối cống Mặt cắt C-C thường lấy cánh cửa van một khoảng :

L = 1,4 a = 0.14(m)

∆l =

j

i−

∋

∆

trong đó ∆∋ = ∋2 - ∋1

∋2 = h2 +

g

v

2

2 2 α

∋1 = h1 +

g

v

2

2 1 α

j =

2

2

1 j

j +

j1 = (

2

1

R c

v

)2

j2 = (

2

2

R c

v

)2

Bằng cách đó ta xác định độ sâu cuối cống h2

Theo bảng số liệu tính toán như trên ta thấy trong cống có xảy ra hiện tượng nước nhảy Do vậy bằng cách vẽ đường mặt nước xuất phát từ mặt cắt C-C trở đi ta không thể xác định được độ sâu cuối cống hr , mà ta phải vẽ đường mặt nước

xuất phát từ hạ lưu trở lên tức là bắt đầu từ dòng đều hh ở hạ lưu trở lên ta xác định được độ sâu tại mặt cắt cửa ra của cống Tuy nhiên trong phạm vi chương trình có hạn ta tạm coi dòng chảy ra khỏi cống là chảy ngậm, do vậy ta có thể lấy :

hr = hh = 0,5(m)

Kiểm tra nước nhảy trong cống :

Trong cống không xảy ra nước nhảy khi thỏa mãn điều kiện sau :

hr < hk và hr < h’h

- Ta thấy ta có hr ≥ hk Do đó trong cống có hiện tượng nước nhảy xảy ra Do đó cần phải làm bể tiêu năng trong cống

4 Tính toán tiêu năng :

Bài toán đặt ra là xác định chiều sâu bể d để đảm bảo xảy ra nước nhảy ngậm sau cửa ra cống ( trong phạm vi bể ) Muốn vậy cần có điều kiện :

hb≥ δ.hc’

trong đó : hb = hh + d +Z2

δ - hệ số ngập ta lấy 1,1

hc’ – độ sâ liên hiệp với độ sâu co hẹp đầu bể

Tính với năng lượng toàn phần

E0 = hr +

g

v

2

2

2 + d

Sơ bộ chọn d = 0,5 m

- Ở đây hr , hv là độ sâu và lưu tốc bình quân của dòng chảy tại mặt cắt cuối cống

hr ≈ hh ≈ 0.5(m)

ωr = hr bc = 0,5 3,5 = 1,75(m2) suy ra vr =

r

Q

ω = 2,23(m/s)

 E0 = 1,25(m)

Ta tính

F(τc) =

0

3

E b

Q

b

Tra phụ lục (15-1) – bảng tra thủy lực với ϕ = 0,95  τ”c =0,7003 Vậy hc” = τ”c E0 = 0,7003 1,25 = 0,875 (m)

 δ.hc” = 1,1 0,875 = 0,96 (m)

Mặt khác ta có :

hb = hh + d+ Z2 = 1,26 + 0,5 =1,76(m)

ta thấy điều kiện

hb = 1,76 > δ.hc” = 0,96(m) thỏa mãn

Vậy chiều sâu bể tiêu năng = 0,5 (m)

- Chiều dài bể được xác định theo công thức :

Lb = Lt + β Ln

Trong đó :

Lt – chiều dài nước rơi, được tính như qua đập tràn đỉnh rộng

lrơi = 1,64 H0(p+0,24H0) = 0

β - hệ số lấy β = 0,7÷0,8

Ln – chiều dài nước nhảy, có thể tínht heo công thức gần đúng Saphơret