Chuyên đề kỹ thuật công trình kiểm soát nguồn nước THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN cống b đề số 67

Các mực nước và lượng tiêu Bảng 1: Lưu lượng và mực nước cống B 3.. 2.3 Tính toán khẩu diện cống a Trường hợp tính toán Chọn tính toán trong trường hợp chênh lệch mực nước thượng và hạ l

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM

KHOA TÀI NGUYÊN NƯỚC

PHẦN 1 Tài Liệu

1 Nhiệm vụ công trình

 Cống B xây dựng ven sông Y là vùng chịu ảnh hưởng thủy triều

 Tiêu nước, ngăn triều và trữ ngọt

 Diện tích tiêu 30000ha

 Cống xây dựng trên tuyến giao thông có loại xe 8-10 tấn đi qua

2 Các mực nước và lượng tiêu

Bảng 1: Lưu lượng và mực nước cống B

3 Tài liệu về kênh

Bảng 2: Tài liệu về gió

Bảng 3: Chiều dài truyền sóng

5 Tài liệu địa chất

Bảng 4: Tài liệu địa chất

Bảng 5: Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống

6 Thời gian thi công

Thời gian thi công trình là 2 năm

7 Yêu cầu đồ án

 Xác định cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế

 Tính toán thủy lực xác định chiều rộng cống và giải quyết tiêu năng

 Chọn cấu tạo các bộ phận cống

 Tính toán thấm và ổn định cống

 Chuyên đề: tính toán bản đáy cống theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi

 Bản vẽ 1-2 bản khổ A1, thể hiện được cắt dọc, mặt bằng, chính diện thượng và hạ lưu, mặt cắt ngang cống, các cấu tạo chi tiết

Phần 2: Thuyết Minh

 Theo quy hoạch và phát triển của vùng Cống lộ thiên xây dựng ven sông Y là vùng chịu ảnh hưởng thủy triều có nhiệm vụ tiêu nước cho 30000ha, ngăn triều và giữ ngọt cho ruộng

 Các công trình và chỉ tiêu thiết kế

+ Cấp công trình

Theo QCVN 04-05: 2012 cấp công trình được xác định theo các tiêu chí sau:

 Theo chiều cao công trình và loại nền: tra theo bảng 1 với đối tượng là đập bê tông trên nền đất nhóm B Ta có sơ bộ công trình thuộc công trình cấp II.

 Theo nhiệm vụ công trình, thì cấp công trình là cấp thiết kế công trình là cấp II

Vậy chọn cấp công trình là cấp II

+ Các chỉ tiêu thiết kế: dựa vào cấp công trình ( cấp II ) xác định được

 Tần suất lưu lượng, mực nước nhất để tính toán ổn định, kết cấu là P% =0,5% ( theo bảng P1-3)

 Tần suất mực nước lớn nhất ngoài sông khai thác P=10%

 Hệ số lệch tải n=1,00

 Hệ số tin cậy Kn=1,20 ( theo bảng P1-6)

2.2 Tính toán kênh hạ lưu

Bài toán ở đây có i, m, n, Q, h (do khống chế cao trình đáy và mực nước thiết kế ) từ

đó có thể tìm được B Có thể gải bằng phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về

n=0,025

Chiều sâu cột nước trong kênh là h=Z TK sông–Z đáy kênh= 3,38-(-1.00)=4,38

Lưu lượng tính toán Q =Q max tiêu =86 m3/s

 Sử dụng phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực

 Kiểm tra điều kiện không xói trong kênh

Sơ bộ xác định vận tốc không xói (Vkx) theo công thức ( theo 4118:2012): Vkx = 0,53

860,1 = 0,827 m/s

trong đó Vmax là lưu tốc lớn nhất trong kênh ứng với lưu lượng Qmax = 86 m3/s.

Sau đó, cần xác định hmax theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về mặt thủy lợi

Tra bảng 8-1 ở các bảng tính thủy lực với n= 0,025, thì giá trị Rln= 3,23m

Vận tốc lớn nhất trên kênh hạ lưu:

Vmax= Q ω max

max = Q max

¿ ¿ = (1,5+ 1,5.4,0302).4,30286 = 0,93m Vậy Vmax > Vkx nên kênh tiêu sẽ bị xói Phải có biện pháp tiêu năng phòng xói tiêu năng cụ thể như làm sân tiêu năng bằng bê tông có lỗ thoát nước thấm

2.3 Tính toán khẩu diện cống

a) Trường hợp tính toán

Chọn tính toán trong trường hợp chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu nhỏ, cần tháo với lưu lượng thiết kế ( do ta không mở hết cửa van vì cống còn làm nhiệm vụ giữa nước)

b) Chọn loại và cao trình ngưỡng

 Cao trình ngưỡng

Đối với cống tiêu và cống lấy nước tưới khi chênh lệch mực nước khống chế nhỏ, ta chọn ngưỡng thấp để tăng khả năng tháo Trong đồ án này ta chọn ngưỡng cống ngangđáy kênh thượng lưu ∇ đk= - 1,00m

 Hình thức ngưỡng

Do chọn cao trình ngưỡng là ngưỡng thấp nên chọn hình thức ngưỡng là đập tràn đỉnh rộng

Hình 1 Sơ đồ tính khẩu diện khi ngưỡng đỉnh rộng

Do hn > n.H0, trạng thái chảy trong đập là chảy ngập

Từ công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập

Q= φ n φ g Ʃ b h √2 g (H0−h)

Trong đó:

φ n: hệ số lưu tốc, lấy theo trị số của hệ số lưu lượng m’

Từ hình thức cửa vào của ngưỡng, tra bảng 14-3 ( các bảng tính thủy lực ), sơ bộ chọn

hệ số lưu lượng của ngưỡng là m= 0,35 Từ m= 0,35 tra bảng 14-4 ( các bảng tính thủylực ) ta chọn được giá trị hệ số lưu tốc φ n=0,93

bởi các mố trụ dày 1m Mố bên dày 0,5m

Tiến hành tính lại các giá trị φ n , φ g theo trị số m và ε0:

ε0= Ʃ + d b Ʃ b Ʃ = 11+(0,5+1+0,5)11 = 0,846

Trong đó Ʃd: là tổng chiều dài các mố

φ g= 0,5 ε0+ 0,5= 0,5 + 0,8333 + 0,5 = 0,92

Chọn góc mở rộng θ có cₒtgθ=1; ta có tỉ số β= Ʃ b

B BH = 1115 = 0,73m, phụ thuộc vào chiều

14-9 thuộc các bảng tính thủy lực) và sử dụng phương pháp nội suy một chiều thì giá trị m= 0,336 Từ giá trị m đã tra được, tra tiếp ở bảng 14-4 thì có được giá trị hệ số lưutốc φ n = 0,98

Từ đó thay vào công thức tính bề rộng cống

Hình 2 Mặt bằng của cống với mố trụ giữa hai cửa cống

 Kiểm tra lại trạng thái chảy của cống

Kiểm tra lại tiêu chuẩn chảy ngập:

Tính toán trong trường hợp tháo lưu lượng qua cống với chêch lệnh mực nước hạ lưu lớn Với loại công stieeu vùng triều, trường hợp mực nước triều hạ thấp nhất ( chân triều); ở phía đồng là mực nước đã khống chế Trường hợp này thường tranh thủ mở hết cửa van để tiêu, lưu lượng tiêu qua cống có thể lớn hơn lưu lượng thiết kế Tuy nhiên chế độ đó không duy trì trong một khoảng thời gian dài

 Z đ ng kh ng ồ ố chế

= 3,60m ( phía thượng lưu)

 Z sông min = 0,10m (phía hạ lưu)

b) Lưu lượng tính tiêu năng

Vì cống đặt gần sông nên nói chung mực nước hạ lưu cống không phụ thuộc vào lưu lượng tháo qua cống Khi đó Qtt là khả năng tháo lớn nhất ứng với các mực nước tính toán đã chọn ở trên Vì vậy, Qtt = Q max tiêu = 86m3/s

c) Tính toán kích thước thiết bị tiêu năng

 Chọn biện pháp tiêu năng

Có thể tiêu năng theo phương pháp đào bể hoặc làm bể tường kết hợp Trong đồ án này với cống trên nền đất, tiến hành tiến hành tiêu năng bằng phương pháp đào bể là phương pháp hợp lý hơn

 Tính toán kích thước bể tiêu năng

Chiều sâu đào bể: d= σ h c¿

– (hh – Z2)Trong đó:

σ là hệ số ngập sơ bộ chọn bằng 1,05

h c¿

là độ sau liên hiệp sau nước nhảy

Z2 là chênh lệch đầu nước cuối bể vào kênh, tính như đập tràn đỉnh rộng chảy ngập

φ là hệ số lưu tốc xác định theo bảng 15-1 ở các bảng tính thủy lực

E0 là cột nước toàn phần của thượng hạ lưu so với đáy sân sau tại mặt cắt co hẹp c-c.Tra bảng 15-1 (các bảng tính thủy lực), từ giá trị F(τ c¿ tính được hệ số lưu tốc φ

E0 là cột nước toàn phần của thượng lưu so với đáy sân sau tại mặt cắt co hẹp c-c

Hình 4 Nước nhảy ở cống tiêu

Chiều dài bể tiêu năng Lb

hk= 23H0= 23 4,60= 3,06m

ln= 4,5h c¿

= 4,5 3,23= 14,53mVậy Lb= 3,82 + 0,8 14,53= 15,44m => Lấy Lb= 16m

Tường ngực được bố trí giảm chiều cao van và lực đống mở

 Các giới hạn của tường ngực

Cao trình đáy tường ngực

Zđt= Ztt + δ

Trong đó

Ztt là mực nước tính toán khẩu diện cống, ứng với trường hợp khi mở hết cửa van chế

độ chảy qua cống là chảy không áp => Ztt= Z đ ng kh ng ồ ố chế = 3,60

δ là độ lưu không có giá trị từ 0,5 ÷ 0,7 Lấy δ = 0,5

∆h và ∆ h ' là độ dềnh do gió ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất

η s và η s ' là độ dềnh cao nhất của sóng ( có mức bảo đảm 1% ) ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất

a và a ' là độ vượt cao an toàn

Trường hợp 1: Xác định ∆h và η s ứng với gió tính toán lớn nhất

∆h= 2.10-6 282.200

9,81.4,38 cos0

ᵒ= 0,007 m Xác định η s độ dềnh cao nhất của sóng

Giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu ( H > 0,5λ )

Ta có nước t là thời gian gió thổi liên tục Do không có tài liệu nên ta lấy t=6h

Vậy điều kiện giả thiết là đúng

Chiều cao sóng h ứng với mức đảm bảo 5%: h s 5 %=k5% ´h

Giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu ( H > 0,5λ )

Ta có nước t là thời gian gió thổi liên tục Do không có tài liệu nên ta lấy t=6h

Vậy có: H=4,38m > 0,5λ =2,647m

Vậy điều kiện giả thiết là đúng

Chiều cao sóng h ứng với mức đảm bảo 5%: h s 5 %=k5% ´h

Chiều cao tường ngực Htường = Zđỉnh – Zđáy tường = 8,3 – 4,1= 4,2m

Cần bố trí hai dầm ( ở đỉnh và đáy tường) Bản mặt được đổ liền khối với dầm, sơ bộ chọn chiều dày bản mặt là 0,2m

c) Cầu công tác

Cầu công tác là nơi đặt máy đóng mở và thao tác van Chiều cao cầu công tác cần tính toán để đảm bảo khi kéo hết cửa van lên vẫn còn khoảng không cần thiết để đưa van rakhỏi vị trí của cống khi cần Kết cấu bao gồm bản mặt, dầm đở và các cột chống Kích thước các bộ phận của cầu công tác có thể chọn được như sau:

 Chiều cao cầu 6,5m

 Bề rộng cầu 3m

 Chiều cao lan can 0,8m

d) Khe phai và cầu thả phai

Thường bố trí phía đầu và cuối cống để ngăn nước giữ cho khoang cống khô ráo khi cần sửa chữa Với các cống lớn, trên cầu thả phai cần bố trí đường ray cho cần cẩu thả phai

e) Cầu giao thông

Đặt dầm cầu lên cao trình bằng cao trình đỉnh cống Dầm cầu coa 50cm, bề dày của mặt cầu là 30cm

Zmặt cầu = 8,3+0,5+0,3= 9,1m

Theo yêu cầu về giao thông, bề rộng mặt cầu là 6m

Cầu giao thông được đặt vị trí sao cho không ảnh hưởng đến việc thao tác van và phai f) Mố cống

Bao gồm mố giữa và các mố bên trên mố bố trí khe phai và bộ phận đở trục quay van cung (tai van)

0,5m Chiều cao mố bên là hmố = Zđỉnh – Zđáy =8,3 – (-1)= 9,3m

Mố giữa cũng có chiều cao là 9,3m, chọn moos giữa có chiều dày d= 1m Hình dạng đầu mố được lượn tròn để đảm bảo điều kiện thuận dòng Chiều cao mố chọn không đổi từ thượng lưu về hạ lưu

g) Khe lún

Do cống rộng nên cần dùng khe lún để phân cống thành từng mảng độc lập Bề rộng

Mỗi mảng có thể gồm 1,2 hay 3 khoang Các mảng được bố trí giống nhau để tiện thiết

kế, thi công và quản lý

Khe lún thường được bố trí ở mố giữa, mố có chứa khe lún là mố kép Trên khe lún có

bố trí các thiết bị chống rò rỉ nước, lỗ để đổ nhựa đường

h) Bản đáy

Chiều dài bản đáy cần thỏa mãn các điều kiện thủy lực, ổn định của cống và yêu cầu

bố trí bên trên Ta thường chọn chiều dài bản đáy theo yêu cầu bố trí các kết cấu bên trên, sau đó kiểm tra lại bằng tính toán ổn định chống và độ bền của nền Sơ bộ chọn L=15m

Chiều dày bản đáy được chọn theo điều kiện chịu lực nó phụ thuộc vào bề rộng

khoang cống, tải trọng bên trên và tính chất đất nền Chiều dày bản đáy thường được chọn theo kinh nghiệm, sau đó được chính xác hóa bằng tính kết cấu bản đáy Sơ bộ

Bao gồm bản đáy cống, sân trước, các bản cừ, chân khay Kích thước bản đáy cống có thể chọn như trên, còn kích thước của bộ phận khác có thể chọn như dưới đây

a) Sân trước

Vật liệu làm sân có thể là đất sét, sét, bê tông, bê tông cốt thép hay bitum

Chiều dài sân sân:

Được xác định theo công thức

Ls≤(3 ÷ 4)H

Trong đó

H là cột nước tác dụng lên cống, H= Z đ ng kh ng ồ ố chế−Z sông min= 3,60 – 0,10= 3,5m

Vậy chiều sân trước phải thỏa mãn điều kiện: Ls≤(3 ÷ 4).3,5= (10,5 ÷14 ) Chọn chiều dài sân trước là 12m

Chiều dày sân trước

Khi sân bằng đất sét hay đá sét thường được làm chiều dày thay đổi từ đầu đến cuối sân

 Chiều dày ở đầu sân thường được lấy theo điều kiện cấu tạo: chọn t= 0,5m

[J]

Trong đó:

∆ H là độ chênh lệch mặt nước ở 2 mặt sân ( trên và dưới )

[J] là gradient thấm cho phép giá trị [J]¿4 ÷6 Từ đó chọn J= 4

sự ổn định của cống khi cột nước thay đổi

Chiều sâu đóng cừ

Tùy theo chiều dày tầng thêm vật liệu làm cừ và điều kiện thi công ở đây ta thấy tầng thấm dày do đó ta làm cừ treo Đóng hai cừ ở đầu và cuối bản đáy cống,

Cuối bản đáy cống được đóng cừ S2= 6m

c) Chân khay

Hai đầu bản đáy cần làm chân khay cắm sâu vào nền để tăng ổn định và góp phần kéo dài đường viền thấm Kích thước chân khay như hình vẽ

0.5 0.5 0.5

Hình 5 kích thước chân khay

d) Thoát nước thấm

Các lỗ thoát nước thấm thường bố trí ở sân tiêu năng và phần sau của bể tiêu năng, để giảm áp lực đẩy nổi, dưới sân bể khi bố tri tầng lọc ngược Đường viền thấm được tínhđến vị trí bắt đầu có tầng lọc ngược

Trường hợp cống làm việc với cột nước 2 chiều, có thể sử dụng một đoạn sân tiêu năng không đục lỗ (đoạn giáp với bản đáy) Đoạn này đóng vai trò như một sân trước khi cột nước đổi chiều

e) Sơ đồ kiểm tra chiều dài, đường viền thấm

Hình 6 Kích thước đường viền thấm

Do có hai hàng cừ nên hệ số m=2 Vậy chiều dài tính toán của đường viền thấm

Ltt = 22+272 = 35,5m

Cột nước lớn nhất tác dụng lên cống

H= Z sông max−Z đ ng min ồ =6,20−1,00=5,20 m

C: hệ số phục thuộc loại đất nền Tra bảng P3-1 ta có C = 5

Ltt¿35,5 ≥ C.H= 5 5,2= 26m

 Thỏa mãn điều kiện về độ dài đường viền thấm

3.3 Nối tiếp cống với thượng lưu

a) Nối tiếp thượng lưu

Góc mở của tường về phía trước, chọn góc tgθ=13, hình thức tường cánh là tường xoắn

vỏ đỗ nối tiếp với kênh thượng lưu ( do phụ thuộc vào quy mô cống ) Đáy đoạn nối

có sân phủ chống thấm thì lớp bảo vệ ít nhất phải dày bằng sân chống thấm Phía dưới lớp đá bảo vệ cần tầng đệm bằng dăm cát dày 10-15cm

b) Nối tiếp hạ lưu

Tường cánh: chọn phương án tường cánh xoắn võ đỗ Chọn góc mở nhỏ hơn so với

Chiều dày sân tiêu năng là

Đồ án này tính thấm với trường hợp khi chênh lệch nhau mực nước thượng và hạ lưu lớn nhất.

∆ H =Z sông max−Z sông min=6,20−0,1=5,1 m

Hình 7 Chênh lệch độ cao mực nước ở thượng và hạ lưu

Đường thế đầu tiên trùng với biên của tầng lọc ngược dưới đáy bể hạ lưu

Đường thế cuối cùng là mặt cắt nằm ngang

Sơ đồ áp lực thấm đẩy ngược tác dụng lên công trình

Hình 9 Sơ đồ áp lực thấm đẩy ngược

Áp lực thấm đảy ngược tác dụng 1m lên bề rộng công trình

Wth= γ n h A

h B Lbđ= 1 2,703+0,7952 15=26,23T /m

Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược tác dụng 1m lên bề rộng công trình

Wtt= γ n(h2+t).L= 1.(1,1+1).15= 31,5 T/m

Gradient thấm tại cửa ra

Vậy không có khả năng xói ngầm

4.3 Kiểm tra độ bền thấm của nền

Độ bền thấm của nền được tính toán theo TCVN 4253-86

a) Kiểm tra độ bền thấm chung

JTB≤ J K

TB

K n

Trong đó:

JTB là gradient cột nước trung bình của vùng thấm tính toán

J TB K là gradient cột nước tới hạn trung bình tính toán, lấy theo bảng P2-3 trong đồ án mônhọc Thủy công J TB K

Ttt là chiều sâu tính toán của nền

∑ξ i là tổng hệ số sức cản của đường viền thấm tính theo P.P Trugaep

Hình 11 Sơ đồ đường viền thấm

Theo sơ đồ ta có:

L0 là hình chiếu ngang của đường viền thấm, L0 = 42,3m

S0 là hình chiếu đứng của đường viền thấm, S0 = 10m

0,5 418,251−0,75 4

K n=0,2083. Thỏa mãn điều kiện trên

b) Kiểm tra độ bền thâm scucj bộ

Kiểm tra theo công thức Jra≤Jk

Trong đó

Jra là trị số gradient cục bộ ở cửa ra, xác định theo kết quả tính ở trên, Jra= 0,386

Jk là trị số gradient tới hạn cục bộ, phụ thuộc vào hệ số không đều hạt η= d60

d10= 9 tra phục P3-1, ta có Jk = 0,51

Vậy Jra <Jk thoải mãn điều kiện trên

Các trường hợp bất lợi có thể xảy ra với cống là

 Mới thi công xong, trong cố chứa có nước

 Mực nước phía đồng lớn nhất mực nước dưới sông nhỏ nhất

 Mực nước phía sông lớn nhất, mực nước phía đồng nhỏ nhất

Trong đồ án này tiến hành tính toán kiểm tra với trường hợp chênh lệch mực nước thượng lưu lớn nhất

∆ H =Z sông max−Z sông min=6,20−0,1=5,1 m

Trong thực tế, khi thi công phân thành nhiều mảng bởi các khớp lún thì cần kiển tra cho tất cả các khớp lún đó Trong đồ án này chỉ kiểm tra cho 1 mảng

5.2 Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn

a) Xác định các lực tác dụng lên mảng tính toán

 Các lực đứng

Bao gồm trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác, cửa van, tường ngực, mố cống, bảnđáy, nước trong cống( nếu có), phần đất giữa 2 chân khay ( trong phạm vị khối trượt )

và các lực đẩy ngược ( thấm thủy tĩnh )

 Trọng lượng cơ bản đáy