lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
ĐỒ ÁN MÔN HỌC THUỶ CÔNG
THIẾT KẾ CỐNG NGẦM
CHƯƠNG 1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG :
I. Nhiệm vụ, cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế.
1. Nhiệm vụ công trình :
+ Lấy nước cho 2650 ha ruộng đất canh tác.
+ Lấy nước sinh hoạt cho 5000 dân.
2. Cấp công trình : Xác định theo hai điều kiện :
- Theo nhiệm vụ công trình :
Cống có nhiệm vụ lấy nước cho 2650 ha ruộng đất canh tác. Tra bảng 2 – 1 TCXDVN
285 – 2002 ta có cấp công trình là cấp III.
- Theo cấp công trình đầu mối :
Công trình đầu mối đã được xác định cấp trong đồ án đập đất (cấp II). Cống lấy nước là
công trình chủ yếu của đầu mối công trình nên tra bảng 2 – 3 TCXDVN 285 – 2002 ta có cấp
công trình (cống ngầm) là cấp II.Vậy cấp của công trình được lấy là cấp II
3 . Các chỉ tiêu thiết kế :
Căn cứ cấp công trình tra TCXDVN 285 – 2002 ta được các chỉ tiêu thiết kế như sau :
+ Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất thiết kế : Ptk = 0,5% (bảng 4 – 2) + Hệ
số lệch tải n đước xác định cho các tải trọng như bảng 6 – 1 .
+ Hệ số điều kiện làm việc : m = 1 (Phụ Lục B ).
+ Hệ số tin cậy Kn = 1,20
+ Tần suất gió lớn nhất tính toán với MNDBT là 2% và MNDGC là 50%
II. Chọn tuyến và hình thức cống :
1. Tuyến cống :
Vị trí của tuyến cống phụ thuộc vào :
+ Vỉ trí khu tưới tự chảy.
+ Cao trình mực nước khống chế tưới tự chảy.
+ Điều kiện địa chất nền và quan hệ với công trình khác.
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 1 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
Ở đây căn cứ vào điều kiện địa chất và vị trí khu tưới chọn tuyến cống nằm trên bờ phải.
Khi đó nền cống là đá gốc. Cao trình đặt cống phụ thuộc vào tính toán thuỷ lực (cao hơn cao
trình bùn cát lắng đọng và thấp hơn mực nước chết).
2. Hình thức cống : -
Vì cống đặt dưới đập và mực nước thượng lưu khi lấy nước thay đổi nhiều
nên chọn hình thức cống là cống ngầm và lấy nước không áp. -
Vật liệu làm cống là bêtông cốt thép và mặt cát cống hình chữ nhật. -
Dùng tháp van đệ khống chế lưu lượng chảy qua cống. Trong tháp van bố
trí van công tác và van sữa chữa. Vỉ trí của tháp van chọn sơ bộ khoảng giữa mái đập tậi vỉ trí đặt cống.
3. Sơ bộ bố trí cống :
Căn cứ vào việc chọn tuyến cống như trên sơ bộ chọn cao trình đáy cống thấp hơn
MNC 1,5 (m). Vậy cao trình đáy cống là + 118 (m). Cống được đặt trên nền đá và vỉ trí tháp
Hình 1.1 Sơ bộ bố trí tuyến cống Như vậy sơ bộ ta có :
+ Chiều dài toàn bộ cống là : L = 210 (m ).
+ Chiều dài phần cống trước cửa van là : L1 = 82,5 (m).
+ Chiều dài phần cống sau cửa van là : L2 = 127,5 (m).
Các kích thước trên chỉ là sơ bộ đệ tính toán thuỷ lực và kích thước sẽ được tính toán chính xác
sau khi tính được cao trình đáy cống chính xác.
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 2 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ KÊNH HẠ LƯU CỐNG
I. Thiết kế mặt cắt kênh :
Dựa vào địa hình kênh chảy qua là đất cát pha ta chọn các thông số của kênh hạ lưu như sau :
+ Hệ số mái kênh : m = 1, 5. + Độ nhám : n = 0,025.
+ Độ dốc đáy kênh : i = 0,0002.
Lưu lượng tính toán mặt cắt kênh là lưu lượng lớn nhất khi lấy qua cống : QTK = 4,5 (m3/s).
Như vậy cần tìm chiều rộng đáy kênh b và chiều sâu nước trong kênh khi biết các thông
số Q, m, n, i. Bài toán được giải theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực.
Biết : m = 1,5 ; n = 0,025 ; i = 0,0002, Q = 4,5 (m3/s) Đi
tính bề rộng đáy kênh : b = ?
Tìm chiều sâu dòng chảy trong kênh : h = ?
1. Sơ bộ xác định độ sâu h :
Ta có thể xác định sơ bộ chiều sâu dòng chảy như sau : h = 0,5 (1 + VKX) (2.1) Trong (2.1) :
+ Q = 4,5 (m3/s) : Là lưu lượng lớn nhất lấy qua cống.
+ VKX : Là vận tốc không xói trong kênh được xác định như sau : VKX = K.Q0,1(2.2) Trong (2.2) : + Q = 4,5 (m3/s)
+ K = 0,53 : Hệ số phụ thuộc đất lòng kênh (lấy với đất cát pha ). Thay vào (2.2) ta có :
VKX = K.Q0,1 = 0,53.4,50,1 = 0,616 (m/s). Thay vào (2.1) ta có : h = 0,5 (1 + 0,616) = 1,33 (m).
2. Tính chiều rộng đáy kênh :
Sau khi có h tính b theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực. Trình tự tính toán như sau :
Với m = 1,5 tra PL 8 – 1 (bảng tra thuỷ lực) ta có : 4mo = 8,424 = Tính : f(Rln) = = 0,0265
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 3 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
Với f(Rln) = 0,0265 tra PL 8 – 1 (bảng tra thuỷ lực) với n = 0,025 ta có : Rln = 0,98 (m). = Tính : = 1,357
Với h/Rln = 1,357 tra PL 8 – 3 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta có : b/Rln = 4,41. Vậy : b = = 0,98.4,41 = 4,32(m)
Kiểm tra : b/h = 4,32/1,33 = 3,25.
Vậy phải chọn lại b để tính toán h tương ứng. = * Chọn b = 3,00 (m) : Tính : = 3,06
Với b/Rln = 3,06 tra PL 8 – 3 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta có : h/Rln = 1,573. Vậy : h = = 0,98.1,573 = 1,54 (m)
Kiểm tra : b/h = 3,00/1,54 = 1,95 thoã mãn điều kiện 0,5 < b/h < 2.
Vậy chọn : b = 3,00 (m) . Khí đó h = 1,54 (m).
Vậy ta có sơ đồ mặt cắt kênh hạ lưu như Hình 2.1.
II. Kiểm tra điều kiện không xói:
Vận tốc dòng chảy trong kênh không gấy ra xói lòng kênh khi thoã mãn điều kiện sau : Vmax < VKX (2.3)
Trong (2.3) + Vmax : Vận tốc lớn nhất trong kênh ứng với lưu lượng Qmax.
+ VKX : Vận tốc cho phép không xói.
1. Xác định Vmax :
Vận tốc lớn nhất trong kênh Vmax là vạn tốc được tính với lưu lượng Qmax .
Trong đó : Qmax = 1,2.QTK = 1,2.4,5 = 5,4 (m3/s).
- Tính chiều sâu dòng chảy trong kênh ứng với Qmax : = Tính : f(Rln) = = 0,0221
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 4 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
Với f(Rln) = 0,0221 tra PL 8 – 1 (bảng tra thuỷ lực) với n = 0,025 ta có : Rln = 1,05 ( m ). = Tính : = 2,86
Với b/Rln = 2,86 tra PL 8 – 3 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta có : h/Rln = 1,61. Vậy : h = = 1,05.1,61 = 1,69 (m ).
- Diện tích mặt cắt ướt ứng vói Qmax là : = (b + mh)h = ( 3,00 +1,5.1,69)1,69 = 9,35 (m2).
- Vận tốc lớn nhất trong kênh : Vmax = = = 0,58 (m/s).
2. Xác định VKX :
Vận tốc không xói được xác định như công thức (2.2) với lưu lượng Qmax = 5,4 (m3/s).
VKX = K.Q0,1 = 0,53.5,40,1 = 0,63 (m3/s).
Kết luận : Vmax = 0,58 m/s < VKX = 0,63 m/s. Vậy lòng kênh không bị xói.
III. Xác định quan hệ Qi h :
Chỉ cần tính cho trường hợp mục nước dâng bình thường MNDBT = 140 ( m) và lưu
lượng lầy qua cống là Q = 3,9 (m3/s). Tính toán theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi
nhất về thuỷ lực ta được : h = 1,43 (m).
CHƯƠNG 3. TÍNH KHẨU DIỆN CỐNG
I. Trường hợp tính toán :
Khẩu diện cống được tính toán với trường hợp chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu
là nhỏ nhất và lưu lượng tương đối lớn. Khi đó mực nước thượng lưu là MNC và hạ lưu là
mực nước khống chế đầu kênh tưới Z . Lúc nầy đệ lấy được lưu lượng Q KC TK thì phải mở
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 5 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
Hình 3.1 Sơ đồ tính khẩu diện cống
Trong đó : + QTK = 4,5 (m3/s) : Là lưu lượng lớn nhất lấy qua cống + MNC
= +119,5 (m) : Cao trình mực nước chết.
+ ZKC = 119,25 (m) : Cao trình khống chế tưới tự chảy đầu kênh.
+ Z1 (m): Tổn thất thuỷ lực qua cửa vào.
+ Zp (m) : Tổn thất thuỷ lực cục bộ tại vỉ trí phai.
+ ZL (m) : Tổn thất thuỷ lực cục bộ qua lưới chắn rác.
+ ZV (m) : Tổn thất thuỷ lực cục bộ tại cửa van.
+ Z ( m) : Tổn thất thuỷ lực cục bộ ở cửa ra. 2
Khi đó chênh lệch mực nước khống chế là : [ Z] = MNC – ZKC = 119,5 – 119,25 = 0,25 ( m )
II. Tính toán bề rộng cống :
Bề rộng kênh phải đủ lớn đệ lấy được lưu lượng QTK = 4,5 (m3/s) khi chênh lệch mực
nước thượng và hạ lưu [ Z] = 0,25 (m). Vậy phải đạm bảo điều kiện sau đây : Zi < [ Z] (3.1)
Trong (3.1) : + Zi = Z1 + ZP + ZL + ZV + Z2 + iL : Là tổng tổn thất thuỷ lực qua cống.
+ i : Là độ dốc đáy cống tính theo công thức dòng đều.
+ L = 210 (m) : Là tổng chiều dài cống.
Vì các tổn thất phụ thuộc vào bề rộng cống b nên ta giả thiết các giá trị bi đi tính các
tổn thất và vẽ quan hệ bi Zi . Dựa vào đường quan hệ bi Zi ứng với Zi = [ Z] ta tìm
được bề rộng cống thoã mãm yêu cầu.
Ứng với các giá trị bi tính các tổn thất như sau :
1 . Tính tổn thất cửa ra :
Khi tính toán coi dòng chảy ra khỏi bể tiêu năng vào kênh chính hạ lưu như dòng chảy
qua đập tràn đỉnh rộng chảy ngập. Khi đó tổn thất cửa ra được xác định như sau : – Z2 = (3.2)
Trong (3.2) : + b : Là bề rộng cuối bể tiêu năng. Lấy b = bk = 3,00 (m).
+ Q = Qmax = 4,5 (m3/s) : Lưu lượng lớn nhất qua cống.
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 6 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
+ n = 0,85 ÷ 1 : Hệ số lưu tốc của đậo tràn đỉnh rộng chảy ngập. Lấy n = 0,95.
+ hh = 1,54 (m) : Độ sâu dòng chảy trong kênh hạ lưu khi dẫn lưu lượng Qmax.
+ Vb : Vận tốc dòng chảy trong bể tiêu năng. Phụ thuộc chiều sâu bể hb.
Sơ bộ chọn chiều sâu bể d = 0,5 (m) khi đó hb d + hh = 0,5 + 1,54 = 2,04 ( m ).
Vậy : Vb = Q/(hb.bk) = 4,5/(2,04.3) = 0,74 (m/s ). –
Thay số vào (3.2) ta có: Z2 = = 0,026 (m).
Vậy : Z2 = 0,026 (m)
2 .Tính tổn thất dọc đường :
Khi tính tổn thất dọc đường coi trong cống là dòng đều với độ sâu dòng chảy là : h2 = hh + Z2
Khi đó tổn thất dọc đường là : hd = i.L (3.3)
Trong (3.3) : + L = 210 (m) : Tổng chiều dài cống.
+ i : độ dốc đáy cống tính như sau : i = (3.4).
Trong (3.4) : + Q = 4,5 (m3/s).
+ , C, R : Là điện tích mặt cắt ướt, hệ số sedi, bán kính thuỷ lực tính với bề
rộng cống là bi và chiều sâu dòng chảy là h1 = hh + Z2 = 1,54 + 0,026 = 1,566 (m).
Tính C theo cônh thức sedi : C = R1/6 với độ nhám n = 0,012.
3. tính tổn thất cục bộ qua khe van :
Do khoảng cách từ van đến cửa ra L = 127,5 m, nên có thể lấy chiều sâu cột nước ngay sau tháp 2 van là hv = h1 + i.L2 = 1,566 + i.L2 Tổn thất qua khe van .vv 2 Zv = v. ( 2 ) 2.g
theo quy phạm tính toán thuỷ lực cống dưới sâu xác định được: v = 0,1 Q Q
vv = v = bc .h v
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 7 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
4. Tổn thất cục bộ qua lưới : .vl 2 Zl = l . ( 3) 2.g
l : hệ số tổn thất, lấy theo quy phạm tính toán thuỷ lực cống dưới sâu: l = 0,1 Q Q
vl = = bc .h l l với: hl = hv + Zv
5. Tổn thất qua khe phai : .v p 2 Zp = p. ( 4 ) 2.g
p : hệ số tổn thất, theo quy phạm tính toán thuỷ lực cống dưới sâu p = 0,1 Q Q
vp = p = bc .h p với: hp = hl + Zl
6. Tổn thất tại cửa vào :
Tổn thất cửa vào được xác định theo công thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập : – Z1 = (3.6)
Trong (3.6) : + Q = 4,5 (m3/s).
+ : hệ số lưu tốc, = 0,96
+ : hệ số co hẹp bên tại cửa vào, = 0,7
+ = b .h : diện tích mặt cắt ướt sau cửa vào ứng với h = h c p + Zp vo :
lưu tốc tới gần, coi vo = 0
Bảng 3.1 Bảng tính tổn thất qua cống bi Z2 i.L Zv Zl Zp Z1 1.5 0.026 0.274 0.015 0.015 0.015 0.321 0.667
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 8 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện 1.6 0.026 0.228 0.014 0.014 0.013 0.293 0.588 1.7 0.026 0.191 0.013 0.012 0.012 0.267 0.522 1.8 0.026 0.162 0.011 0.011 0.011 0.244 0.467 1.9 0.026 0.139 0.010 0.010 0.010 0.224 0.420 2.0 0.026 0.121 0.010 0.009 0.009 0.205 0.381 2.1 0.026 0.108 0.009 0.009 0.009 0.192 0.353 2.2 0.026 0.092 0.008 0.008 0.008 0.174 0.317 2.3 0.026 0.082 0.007 0.007 0.007 0.161 0.291 2.4 0.026 0.073 0.007 0.007 0.007 0.149 0.268 2.5 0.026 0.065 0.006 0.006 0.006 0.139 0.249 2.6 0.026 0.058 0.006 0.006 0.006 0.129 0.231 2.7 0.026 0.053 0.006 0.006 0.005 0.120 0.215 2.8 0.026 0.048 0.005 0.005 0.005 0.112 0.201 2.9 0.026 0.043 0.005 0.005 0.005 0.105 0.189 3.0 0.026 0.040 0.005 0.005 0.004 0.099 0.178
Hình 3.2 Biểu đồ quan hệ bi Zi
Với tổn thất khống chế [ Z] = 0,25 (m) dựa vào biểu đồ Hình 3.2 ta có chiều rộng mặt
cắt cống là : bc = 2,5 (m).
Vậy chọn chiều rộng của cống là : bc = 2,5 m .
III. Xác định chiều cao và cao trình đặt cống :
1 Chiều cao mặt cắt cống :
Chiều cao mặt cắt cống được xác định như sau : Hc = h1 + (3.7)
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 9 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
Trong (3.7) : + h1 = 1,566 (m) : Là độ dâu dòng đều sau van công tác.
+ = 0,5 1 (m) : Là độ lưu không. Thay vào (3.7) ta có :
Hc = h1 + = 1,566 + (0,5 1) = 2,5 (m )
vậy ta chọn chiều cao của cống là : Hc = 2,5 (m).
2 Cao trình đặt cống :
+ Cao trình đáy cống ở cửa vào được xác định như sau : ZCV = MNC – h – Zi (3.8) Trong (3.8) :
+ MNC = 119,5 (m) : là cao trình mực nước chết.
+ h = h = 1,566 (m) : là độ sâu dòng đều trong cống khi dẫn lưu lượng Q 1 TK.
+ Zi = 0,158 (m) : la tổng tổn thất dòng chảy qua cống.
Thay số vào (3.8) : ZCV = MNC – h – Zi = 119,5 – 1,566 – 0,158 = 117,78 (m).
Vậy chọn cao trình cửa vào : ZCV = 117,78 (m)
+ Cao trình đáy cống ở cửa ra tính như sau : ZCR = ZCV – i.L (3.9) Trong (3.9) : + ZCV = 117,78 (m).
+ L = 210 (m) : tổng chiều dài cống.
+ i = 0,0003: là độ dốc đáy cống tính theo công thức dòng đều (3.4) với bc = 2,7 (m).
Thay số vào (3.9) ta có : ZCR = 117,78 – 0,0003.210 = 117,71 (m). Vậy
chọn coa trình cửa ra : ZCR = 117,71 (m)
Chương 4. KIỂM TRA TRẠNG THÁI CHẢY VÀ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG
I. Trường hợp tính toán :
Tính toán cho trường hợp khi mực nước thượng lưu cao chỉ cần mở một phần cửa van
đã lấy được lưu lượng cần thiết. Do năng lựơng dòng chảy lớn nên sau van là dòng chảy xiết
và khi nối tiếp với dòng êm ở hạ lưu dễ sinh ra nước nhảy. Vậy cần tính toán để :
+ Kiểm tra nước nhảy có xẩy ra trong cống không. Khi mực nước thượng lưu cao
khống chế không cho nước nhảy trong cống vì như vậy sẽ gây rung động. Khi mực nước
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 10 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
thượng lưu thấp không trành khỏi nước nhảy trong cống nhưng gây rung động không lớn lắm.
+ Xác định chiều sâu bể để nước nhảy ngay cửa ra của cống tránh hiện tượng xói lở kênh hạ lưu.
Vậy chỉ cần tính toán với trường hợp ở thượng lưu là MNDBT = 140 (m), lưu lượng cần
lấy qua cống là : Q = 3,9 (m3/s) độ sâu hh = 1,43 (m).
Hình 4.1 Sơ đồ tínhtrạng thái chảy và tiêu năng
II. Xác định độ mở cống :
Khi tính toán xem dòng chảy qua cánh cống như dòng chảy tự do qua lỗ và lưu lượng
được xác định như sau : Q = ab c (4.1).
Trong (4.1) : + Q = 3,9 (m3/s) : là lưu lượng lấy qua cống.
+ = 0,95 : là hệ số lưu tốc qua lỗ nhỏ thành mỏng. PL 5 – 1 bảng tra TL.
+ : là hệ số co hẹp đứng của lỗ nhỏ thành mỏng.
+ H ’ (m) : là cột nước tính toán trước van. Xác định như sau : H ’ = H o o o – hw Ho = H +
= 22,25 (bỏ qua lưu tốc tới gần vo) trong đó:
H = MNDBT - đc = MNDBT – ( đáy cửa vào - i.L1)
= 140 – (117,78 – 0,0003.82,5) = 22,24 m L1 : khoảng
cách từ cửa vào tới tháp van, L1 = 82,5 m hw : tổn thất cột nước từ cửa vào
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 11 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
cho đến vị trí cửa van hw = Z1 + Zp + ZL + Zv + i.L1 = 0,158 + 0,0003.82,5 = 0,18 m Vậy : H ’ = H o
o – hw = 22,24 – 0,18 = 22,06 (m). Dựa vào hệ số co hẹp
đứng , có thể xác định a bằng cách sử dụng bảng quan hệ Jucôxki như sau: = - Tính: = 0,0158
tra bảng tính thuỷ lực (15.1 và 16.1): c = 0,0036 = 0,611 c = = 0,006 a = 0,006.22,06 = 0,13 m hc = ’
c.Ho = 0,0036.22,06 = 0,08 m Thay trở lại công thưc trên: Q = = 3,92 m3 /s 3,9 m3 /s
Như vậy giá trị và a xác định ở trên đạt độ chính xác kỹ thuật yêu cầu.
Vậy đổ mở cống trong trường hợp tính toán này là : a = 0,13 (m) III.
Kiểm tra trạng thái chảy trong cống :
1. Định tính đường mặt nước trong cống :
Để định tính đường mặt nước trong kênh ta phải so sánh ba độ sâu : hc, hk, ho .
+ Độ sâu co hẹp sau van là : hc = a = 0,611.0,13 = 0,08 (m). =
+ Độ sâu phân giới là : hk = = 0,63 (m).
+ Độ sâu dòng đều h : được tính theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về o
thuỷ lực với Q = 3,9 m3/s, bc = 2,5 m, i = 0,0003, m = 0, n = 0,012. - Ta có f(Rln) = => Rln = 0,66
- b/Rln = 2,5/ 0,66 = 3,79 => h/Rln = 2,152
Tính toán ta được : ho = 1,42 (m).
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 12 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
So sánh thấy : hc < hk < ho .
Vậy trong cống là đường nước dâng C1.
2. Định lượng đường mặt nước :
Ta đi về đường mặt nước xuất phát từ mặt cắt co hẹp C – C có độ dâu là hc = 0,08 ( m )
Và vỉ trí mặt cắt C – C được lấy cách van một đoạn Lo = 1,4a = 1,4.0,13 = 0,18 (m).
Vẽ đường mặt nước bằng phương pháp cộng trực tiếp. Theo phương pháp này khoảng cách
giữa hai mặt cắt có độ sâu h1 và h2 đã biết sẽ là : L = (4.2) Trong (4.2) = –
+ : Là hiệu năng lượng của hai mặt cắt. 2 1 = h1 + = h 2 +
+ i = 0,0003 : là độ dốc đáy cống. +
: độ dốc thuỷ lực trung bình xác định như sau : trong đó : J2 = và J1 =
Với : + V: là lưu tốc qua mặt cắt. + C : hệ số sedi.
+ R : bán kính thuỷ lực.
V,C, R được tính với độ sâu h tương ứng. i
Tính toán theo phương pháp trên ta được kết quả như Bảng 4.1.
Bảng 4.1. Bảng tính đường mặt nước trong cống hi V R J L Stt (m) (m2) (m) (m/s) (m) (m) (m) (m) ( m ) (m) C 1 0.08 0.20 2.66 19.50 19.38 19.46 0.08 54.14 1.7254 0.00 2 0.14 0.34 2.77 11.47 6.71 6.84 0.12 58.74 0.3109 1.0182 -12.62 12.40 12.40 3 0.19 0.48 2.88 8.13 3.36 3.56 0.17 61.81 0.1038 0.2074 -3.29 15.87 28.26 4 0.25 0.62 3.00 6.29 2.02 2.26 0.21 64.09 0.0465 0.0752 -1.29 17.25 45.51 5 0.30 0.76 3.11 5.13 1.34 1.65 0.24 65.90 0.0248 0.0357 -0.62 17.49 63.00 6 0.36 0.90 3.22 4.33 0.96 1.32 0.28 67.38 0.0148 0.0198 -0.33 16.88 79.88 7 0.42 1.04 3.33 3.75 0.72 1.13 0.31 68.63 0.0096 0.0122 -0.18 15.52 95.40 8 0.47 1.18 3.44 3.31 0.56 1.03 0.34 69.71 0.0066 0.0081 -0.10 13.40 108.79
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 13 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện 9
0.53 1.32 3.56 2.95 0.44 0.97 0.37 70.65 0.0047 0.0056 -0.06 10.46 119.25 10 0.58 1.46 3.67 2.67 0.36 0.95 0.40
71.47 0.0035 0.0041 -0.03 6.62 125.88 11 0.61 1.53 3.72 2.56 0.33 0.94 0.41 71.82 0.0031 0.0033 -0.004 1.45 127.32
Vậy ứng với: l = L = 127,5 – 0,18 = 127,32 m hr = 0,61 m
3 . Kiểm tra nước nhảy trong cống
Tính độ sâu liên hiệp với hr : = h ’= r = 0,65 (m).
Vậy : h ’ = 0,65 (m) < h r h = 1,43 (m). (*) hr = 0,61 < hk = 0,63 (**)
Kết luận : không có nước nhảy trong cống.
IV. Tính toán tiêu năng :
I. Tính chiều sâu đào bể :
Bài toán đặt ra là xác định chiều sâu đào bể đạm bảo nước nhảy xẩy ra trong phạm vi bể . Muốn vậy phải đạm bảo : h ’’ (4.2) b hc
Trong (4.2) : + hb : Chiều sâu nước trong bể. Xác định như sau : hb = hh + d + Z2 (4.3)
Ta có : hh = 1,43 (m) : mực nước đầu kênh hạ lưu.
Z2 = 0,026 (m) : là tổn thất cửa ra.
d : là chiếu sâu đào bể.
+ = 1,05 ÷ 1,10 : là hệ số ngập. Lấy = 1,1.
+ h ’’ : là độ sâu liên hiệp với độ sâu co hẹp ở cửa ra (h c r = 0,61 m).
Năng lượng toàn phần : Eo = hr + + d (4.4)
Trong (4.3) : + hra = 0,61 (m) : độ sâu tại mặt cắt cửa ra.
+ V : vận tốc trung bình ở cửa ra. Xác định như sau : ra
Vra = Q/ ra = 3,9/(0,61.2,5) = 2,56 (m/s). + d : chiều sâu bể.
Vậy để tìm chiều sâu bể phải tính đường dần như sau :
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 14 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện Giả thiết : d = 0,5 (m) :
Thay vào (4.4) ta có : E0 = 0,61+0,33+0,5 = 1,44 (m).
Tính h ’’ theo Agơrôtski như sau : c = F( c) = = 0,9503 Với F( ’’ = 1,016 ( m ).
c) = 0,9503 tra PL 15 – 1 bảng tra thỷ lực ta có : = 0,705 hc Thay h ’’ = 1,016 (m) c
vào (4.3) ta có : hb = hh + d + Z2 = 1,43 + 0,5 + 0,026 = 1,956 (m) So sánh thấy : h
’’ = 1,1.1,016 = 1,118 (m) Kết b = 1,967 (m) hc
luận : Với d = 0,5 (m) nước nhảy ngập trong bể. Vậy chọn : d = 0,5 (m) II.
Chiều dài bể tiêu năng :
Chiều dài bể tiêu năng được xác định theo công thức Lb = L1 + .Ln
L : chiều dài nước rơi, được tính như qua đập tràn đỉnh rộng 1 L1 = 1,64. = 1,44 m P = d = 0,5 m Ho = hr + = 0,61 + 0,33 = 0,94 m : hệ số, = 0,75
L : chiều dài nước nhảy, có thể tính gần đúng theo công thức của Saphơraret n L ”
n = 4,5.hc = 4,5.1,016 = 4,57 m Vậy
chiều dài bể tiêu năng:
Lb = 0,94 + 0,75.4,57 = 4,38 m
Kết luận, thiết kế bể tiêu năng với các thông số sau:
Chiều sâu bể tiêu năng: d = 0,5 m
Chiều dài lòng bể tiêu năng: L = 4,5 m
Chương 5. CẤU TẠO BỘ PHẬN CỐNG I. Cửa ra, cửa vào :
Hai bộ phận này có tác dụng nối tiếp thân cống với mái đập và hướng dòng chảy vào ra được
thuận. Do vậy cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng, hạ lưu
và sự phân bố lưu tốc đều đặn ở cửa vào, ra. Bố trí tường hướng dòng theo hình thức lượn
tròn cho thượng lưu và hạ lưu cống. Để tránh hiện tượng tách dòng các tường cánh được làm
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 15 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
hạ thấp dần theo mái. Sau cửa ra thì bố trí một đoạn bảo vệ kênh hạ lưu (lát bằng đá) có chiều dài Lss
Lss = (2,5 3)Ln = 11,4 13,7 Thiết
kế với chiều dài sân sau: Lss = 12 m II. Thân cống : 1 Mặt cắt :
Lựa chọn hình thức cống hộp có mặt cắt chữ nhật. Mặt cắt ngang có kết cấu dạng
khung và có vát góc tránh ứng suất tập trung. Kích thước mặt cắt đã được xác định trong
phân tính toán thuỷ lực. Chiều dày thành cống được xác định theo điều kiện chịu lực và điều
kiện chống thấm. Điều kiện chịu lực được xác định trong phân tính toán kết cấu.
Xác định chiều dày theo điề kiện chống thấm như sau : t (5.2)
Trong (5.2) : + H : là chênh lệch cột nước lớn nhất. Sơ bộ lấy H = 22,22 (m).
+ [J] = 15 : gradien chống thám cho phép của bêtông. Thay vào (5.2) ta có : t = = 1,48 (m).
Nếu chọn t = 1,5 (m) là quá lớn và không kinh tế vì vậy ta chọn theo điều kiện chịu lực trong
tính toán kết cấu và nâng cao khả năng chống thấm bằng phụ gia trong bê tông.
Sơ bộ chọn : t = 0,4 (m). Vậy mặt cắt ngang cống như Hình 5.1
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 16 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
2. Phân đoạn cống :
Vì chiều dài cống lớn (L = 210 m) nên phải phân khe kết cấu để tránh trường hợp lún
không đều gây ra hiện tượng nứt nẻ công trình. Chiều dài mỗi đoạn cống phụ thuộc vào lực
tác dụng và địa chất nền. sơ bộ chọn chiều dài mỗi đoạn là 15 (m) và được tính toán kiểm tra
trong tính toán kết cấu.
Tại khe lún cần phải bố trí khớp nối phòng thấm. Khớp nối gồm hai loại : khớp nối
đứng và khớp nối ngang. Cấu tạo khớp nối như Hình 5.1. 1 2
Hình 5.2 Cấu tạo khớp nối chống thấm (khớp ngang và đứng)
1 – Bê tông ; 2 – bao tải tẩm nhựa đường 3 – Bi
tum chống thấm ; 4 - Tấm đồng chống thấm
3. Nối tiếp thân cống với nền :
Dựa vào mặt cắt địa chất tuyến đập ta thấy nền cống là đá nên sau khi đào móng cống
ta đổ một lớp bê tông lót M100 dày khoảng 10 cm. Vì nên đá điều kiện chịu lực tốt nên không
cấn mở rộng đáy cống.
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 17 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
4. Nối tiếp thân cống với đập :
Sau khi đổ bê tông cống ta đắp và nện chặt thành một lớp dày 1 m bao quanh thân
cống. Sau khi bọc đất sét ta thi công đập đất phía trên cống. Tại vỉ trí khớp nối làm thành gờ
cao 0,4 (m) để nối tiếp giữa cống và đất đắp tốt hơn và tăng ổn đỉnh cho cống. III. Tháp van :
Tháp van được đặt tại vỉ trí cách cửa vào một khoảng L1 = 82,5 (m).
Trong tháp van có bố tí van công tác và van sữa chữa sự cố. Phía sau tháp van bố trí lỗ
thông hơi để tránh trường hợp nước nhay chạm trần cống.
Mặt cắt ngang tháp hình chữ nhật. chiều dày thành cũng được xác định theo điều kiện
chịu lực, điều kiện chống thấm và diều kiện cấu tạo. Chiều dày tháp thay đổi dần từ trên
xuống theo sự thay đổi của ngoại lực tác dụng.
Phía trên tháp có nhà để đặt máy đóng mở và thao tác van, có cầo công tác nối liền tháp van với đỉnh đập.
Sơ bộ chọn kích thước các bộ phận tháp van (kích thước này phải được kiểm tra thông qua tính toán kết cấu).
Chương 6 TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỐNG
I. Mục đích tính toán :
Xác định nội lực trong cống với các trường hợp tính toán khác nhau để bbố trí cốt thép
và kiểm tra lại các kích thước của thành cống đã chọn.
II. Tường hợp tính toán :
Cần tính toán cho các trường hợp làm việc khác nhau :
+ Khi mới thicông xong trong cống chưa có nước.
+ Khi thương lưu là MNDBT, cống mở để lấy nước.
+ Khi thượng lưu là mực nước dang gia cường, cống đóng.
+ Khi có lực dộng đất, . . .
Ta tính toán cho một mặt cắt ở giữa đỉnh đập và tính toán cho trường hợp khi thượng lưu là MNDGC và cống đóng.
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 18 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
III. Xác định ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống :
Lực tác dụng lên cống gồm : áp lực đất chủ động, áp lực nước, trọng lượng bản thân, phản lực nền.
1 Áp lực đất :
1.1 Áp lực đất trên đỉnh cống :
Áp lực đất trên đỉnh được xác định theo công thức sau: q1 = K iZi (6.1)
Trong (6.1) : + Zi : chiều dày lớp đất thứ i.
+ i : dung trọng của lớp đất thứ i.
+ K : hệ số phụ thuộc vào điều kiện đặt cống. k = = 0,85
Xét mặt cắt đập đi qua tim tuyến cống, chống thấm qua đập bằng cách dùng tường nghiêng chân
răng, có phương trình đường bão hoà: y =
Từ phương trình đường bão hoà, tại mặt cắt ở giữa đỉnh đập, mặt cắt I - I có X = 81,49 m Y = 5,71 m
đường bão hoà = đáy + Y = 117,75 + 5,71 = 123,46 m
Z1 = đỉnh đập - đường bão hoà = 145 – 123,46 = 21,54 m
Z2 = đường bão hoà - đỉnh cống = 123,46 – 121,05 = 2,41 m
H = 2,5 + 2.0,4 = 3,3 m Lớp đất trên đường bảo hoà : + Z1 = 21,54 (m )
+ 1 = k = tn(1 +W) = 1,62(1 + 0,2) = 1,944 (T/m3) – Bảng 1.
Lớp đất dươid đường bãn hoà : + Z2 = 2,41 (m ).
+ 2 = dn = bh – n = k(1 + n) – n = 1,62(1 + 0,26) – 1 = 1,041 (T/m3).
Thay số vào (6.1) ta có : q1 = K iZi = 0,85.(21,54.1,944 + 2,41.1,041) = 37,73 (T/m).
Vậy : q1 = 37,73 (T/m).
1.2 Áp lực đất hai bên :
Bỏ qua khả năng chống cắt C của đất đắp đập áp lực đất chủ động hai bên phân bố dạng
hình thang và giá trị áp lực đất phía trên đỉnh và dới đáy như sau :
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 19 Lớp:47C4 lOMoAR cPSD| 46672053
Đồ Án Thiết Kế Cống Ngầm GVHD : Nguyễn Thế Điện
+ Trên đỉnh : p1 = q1tg2(450 – /2) = 37,73.tg2(45o – 200/2) = 18,5 (T/m). + Dưới đáy : p ’ = q ’tg2 1 1 (450 – /2) Trong đó : q ’ = q 1
1 + dn.H = 37,73 + 1,041.3,3 = 41,17 (T/m). p ’ = q ’tg2 1 1
(450 – /2) = 41,17.tg2(45o – 200/2) = 20,2 (T/m) Vậy : p
’ = 20,2 (T/m).
1 = 18,5 (T/m) và p1
2. Áp lực nước :
Bao gồm áp lực nước bên ngoài và bên trong cống. Áp lực nước bên ngoài cống gồm
áp lực nước trên đỉnh, hai bên và dưới đáy cống. cường độ áp lực nước theo quy luật thuỷ tĩnh.
+ Trên đỉnh : q2 = n.Z2 = 1.2,41 = 2,41 (T/m).
+ Dưới đáy : q3 = n.(Z2 + H) = 1.(2,41 + 3,3) = 5,71 (T/m). + Hai bên : p ’ =
2 = nZ2 = 1.2,41 = 2,41 (T/m). p2 n.(Z2 +
H) = 1.(2,41 + 3,3) = 5,71 (T/m).
3. Trọng lượng bản thân :
+ Tấm nắp : q4 = b.tn = 2,4.0,4 = 0,96 (T/m).
+ Tấm bên : q5 = b.tb = 2,4.0,4 = 0,96 (T/m) - phân bố đều theo phương đứng. + Tấm
đáy : q6 = b.td = 2,4.0,4 = 0,96 (T/m)
4. Phản lực nền :
Phản lực nền r phân bố phụ thuộc vào loại nền và cách đặt cống, thường phan bố không
đều, song trong tính toán gần đúng xem là đều, khi đó : r = q1 + q2 + q3 + q4 + q6 + 2 = 37,73 + 2,41 + 5,71 + 0,96 + 0,96 + 2 = 49,22 (T/m).
5. Sơ đồ lực cuối cùng : (sơ đồ lực cuối cùng trong tường hợp không có nước)
5.1. Lực thẳng đứng :
+ Lực phân bố trên đỉnh : q = q1 + q2 + q4 = 37,73 + 2,41 + 0,96 = 41,1 (T/m) + Phân
bố 2 bên thành : q5 = 0,96 (T/m).
SVTH : Nguyễn Quốc Hương 20 Lớp:47C4