Tài liệu đồ án thiết kế cống lộ thiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI CƠ SỞ II BỘ MÔN THUỶ CÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC SỐ 5 : THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN sL GVHD: Lê Trung Thành Sinh viên : Trịnh Xuân Nhật Lai Lớp : S3-K42C Đề số : 41 A.TÀI LIÊU ( Cống B ): I. Nhiệm vụ : Cống B xây dựng ven sông Y ( vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều ) để tiêu nước, ngăn triều và giữ ngọt. Diện tích tiêu : 30.000 ha. Cống xây dựng trên tuyến đường giao thông có loại xe 8-10 tấn đi qua. II. Các lưu lượng và mực nước thiết kế : Bảng : Lưu lượng và các mực nước thiết kế. Trường hợp Chỉ tiêu Đề số 41 Tiêu nước Qmax tieâu Ngăn triều khoángcheá TK Z ñoàng Z soâng (m3/s) (m) (m) 82 3,78 3,62 min Z soâng max (m) Z soâng (m) 0.2 6.55 min Z ñoàng (m) 1.2 III. Tài liệu về kênh tiêu : - Zđáy kênh = -1,00 (m). - Độ dốc mái m = 1,5. - Độ dốc đáy i = 10-4. - Độ nhám n = 0,025. IV. Tài liệu về gió và chiều dài truyền sóng : Tài liệu về gió Trang 0 Tần suất P% 2 v (m/s) 28,0 3 5 26,0 22,0 Chiều dài truyền sóng 20 30 50 18,0 16,0 14,0 Trường hợp Zsông bình thường Zsông max D (m) 200 300 V. Tài liệu địa chất : - Đất thịt từ cao độ +1,00 đến –1,00 - Đất cát pha từ –1,00 đến –20,00 - Đất sét từ –20,00 đến –40,00 Chỉ tiêu Chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống. Loại đất Đất thịt Đất cát pha Đất sét k (T/m3) 1,47 1,52 1,41 m (T/m3) 1,70 1,75 1,69 Độ rỗng n 0,40 0,38 0,45 tn (độ) 19 23 12  bh (độ) 16 18 10 Ctn (T/m2) 1,50 0,50 3,50 Cbh (T/m2) 1,00 0,30 2,50 Kt (m/s) 4.10-8 2.10-8 1.10-8 Hệ số rỗng e 0,67 0,61 0,82 Hệ số nén a (m2N) 2,20 2,00 2,30 8 9 7 Hệ số không đều  VI. Thời gian thi công : 2 năm. B.YÊU CẦU ĐỒ ÁN : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 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 vẽ khổ A1, thể hiện được cắt dọc, mặt bằng, chính diện thượng hạ lưu, mặt cắt ngang cống và các cấu tạo chi tiết. 1.GIỚI THIỆU CHUNG. I. Vị trí, nhiệm vụ công trình : Cống B xây dựng ven sông Y ( vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều ) để tiêu nước, ngăn triều và giữ ngọt. Diện tích tiêu : 30.000 ha. Cống xây dựng trên tuyến đường giao thông có loại xe 8-10 tấn đi qua. II. Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế : 1 Cấp công trình : (xác định theo TCVN 5060-90) dựa vào 2 điều kiện : - Chiều cao công trình , sơ bộ có thề xác định : Trang 1 song H  Z max  Z day  d  6,55  ( 1,0)  2,45  10,0 (m) d : độ vượt cao an toàn d = 1,5  3,0 (m).  tra theo TCVN 5060-90 so với đối tượng là đập bê tông trên nền đất ta được cấp công trình : cấp IV. - Nhiệm vụ công trình : tiêu nước, ngăn triều và giữ ngọt với diện tích tiêu 30.000 ha  tra bảng P1-2 ta được cấp công trình : cấp III ( thuộc công trình chủ yếu ). 2 Các chỉ tiêu thiết kế : Dựa vào cấp công trình xác định được : - Tần suất lưu lượng : P = 1 % ( bảng P1-3 Giáo trình Thủy Công ) - Mức bảo đảm của vận tốc gió lớn nhất đối với công trình : P = 3 % ( bảng P2-1 GTTC )  vmax = 26,0 (m/s) - Mức bảo đảm của vận tốc gió bình quân : P = 30 % ( bảng P2-1 GTTC )  vmax = 16,0 (m/s) - Tần suất mực nước lớn nhất ngoài sông khai thác : - Hệ số vượt tải : n = 1,00 ( bảng P1-4 GTTC ứng với Công trình chịu Aùp lực nước tĩnh, áp lực sóng, áp lực thấm ngược ). - Hệ số điều kiện làm việc : m = 1,0 ( bảng P1-5 GTTC ứng với Công trình bê tông trên nền đất ) - Hệ số tin cậy : Kn = 1,15 ( bảng P1-6 GTTC ) 2 TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG. Mục đích : xác định khẩu diện và tính toán tiêu năng. I. Tính toán kênh thượng hạ lưu : a. Kênh hạ lưu : theo tài liệu về kênh hạ lưu : - Cao trình đáy : Zđáy kênh = -1,00 (m) - Cao trình mực nước thiết kế : ZsôngTK = 3,42 (m)  Độ sâu nước trong kênh hạ lưu : h = ZsôngTK – Zđáy kênh = 3,42 – (-1,00) = 4,42 (m) - Độ dốc mái : m = 1,5  tra Phụ lục 8 -1 Bảng tra Thủy lực ta được 4m0 = 8,424 - Độ nhám : n = 0,025 - Độ dốc đáy : i = 10-4 max 3 - Qtiêu = 82 (m /s) 4m 0 . i 8,424. 104   0,00103 Q 82 Tra PL 8 -1 Bảng tra Thủy lực ứng với n = 0,025  Rln = 3,3 (m) h 4,62 Từ đó tính được   1,4 Rln 3,3 Tra PL 8 -3 Bảng tra Thủy lực ứng với m = 1,5 b Ta được  4,07  b = 4,07.Rln =4,07.3,3 = 13.431 (m)  13.4 (m) Rln b. Kênh thượng lưu : tính toán tương tự : khongche - Cao trình mực nước đồng khống chế : Z dong  3,78 (m)  Độ sâu nước trong kênh thượngï lưu : hTL = 3,78 – (-1,00) = 4,78 (m) - Các thông số kênh : m = 1,5 (  4m0 = 8,424 ); n = 0,025; i = 10-4 ; Qtiêumax = 82 (m3/s) Ta tính f Rln   4m 0 . i 8,424. 104   0,00103 Q 82 Tra PL 8 -1 Bảng tra Thủy lực ứng với n = 0,025  Rln = 3,3 (m) h 4,78 Từ đó tính được TL   1.448 Rln 3,3 Tính f Rln   Trang 2 Tra PL 8 -3 Bảng tra Thủy lực ứng với m = 1,5 b Ta được  3.81  b = 3.81.Rln =3.81.3,3 = 12.57 (m)  13,6 (m) Rln II. Tính toán khẩu diện cống : 1. Trường hợp tính toán : - Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu : khongche TK Z  Z dong  Z song  3,78  3,62  0,16 (m) - Lưu lượng tháo thiết kế : Qtk = 82 (m3/s) 2. Chọn loại và cao trình ngưỡng cống : a.Cao trình ngưỡng : Có thể chọn bằng hoặc cao hơn đáy kênh. Nói chung đối với cống tiêu và cống lấy nước tưới khi chênh lệch mực nước khống chế nhỏ, nên chọn ngưỡng thấp để tăng khả năng tháo (có thể chọn ngưỡng cống ngang với đáy kênh thượng lưu). Ở trường hợp bài toán ta chọn : Zngưỡng = Zđáy kênh = -1,00 (m) b. Hình thức ngưỡng : Vì ngưỡng thấp nên ta chọn hình thức ngưỡng có dạng đập tràn đỉnh rộng. 3. Xác định bề rộng cống : ta có sơ đồ tính khẩu diện cống khi ngưỡng đỉnh rộng Zhp H hn h P hh P1 Sô ñoàtính khaå u dieä n coá ng khi ngöôõ ng ñæ nh roä ng a. Định trạng thái chảy : Theo QPTL C8-76, đập chảy ngập khi hn>nH0. trong đó hn = hh – P1 ( như hình vẽ ) khongche H  Z dong  Z day  3,78  ( 1)  4,78 (m) 2  82    2 ( 12.57  1,5.4,78).4,78   .V 0  H0  H   4,78   4.818 (m) 2.g 2.9,81 n – hệ số, sơ bộ có thể lấy 0,75  n  (0,83 – 0,87) Khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, thường xảy ra chảy ngập. Độ cao hồi phục Zhp thường nhỏ, có thể bỏ qua, khi đó lấy h = hh = 4,62 (m) b. Tính bề rộng cống  b : từ công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập : Q   n . g . b.h. 2 g.( H 0  h) Trong đó : n - Hệ số lưu tốc, lấy theo trị số của hệ số lưu lượng m (tra bảng của Cumin - QPTL C8 – 76) g – Hệ số co hẹp bên g = 0,50 + 0,5 Sơ bộ có thể định trước e0 (trong khoảng 0,95 - 1) Trình tự xác định khẩu diện cống như sau : - Định trước n, g ( từ m và 0 ), thay vào công thức tính Q, xác định được  b - Tiến hành phân khoang và chọn mố. Trang 3 - Tính lại n và g theo trị số của m và 0 b với 0  b  d d - Tổng chiều dày các mố. m – phụ thuộc chiều cao ngưỡng P, độ co hẹp bd và dạng mố, tra theo các bảng của b Cumin. Thay vị trí mới của n và g vào công thức tính Q để tính lại  b . Cuối cùng kiểm tra lại trang thái chảy đã tính ở trên. Tính toán khẩu diện cống : Tính lần 1 : - Giả thiết n = 0,96 - Giả thiết 0 = 0.97  g = 0,5.0 + 0,5 = 0,5.0.97 + 0,5 = 0,985 - Có Q = 82 (m3/s); h = 4,62 (m); H0 = 4,818 (m)  Q 82  b   . .h. 2g .( H  h )  0,96.0,985.4,62. 2.9,81.( 4,818  4,62)  9.523(m) n g 0 Sơ bộ ta chọn 2 khoang n = 2, mỗi khoang rộng b = 4,76 (m), mố trụ dày 1 (m), mố bên dày 0,5 (m) Tính lần 2 : - Hệ số ngập n = 0,974 ( Tra bảng 14-13 Bảnng tra Thủy lực ) 9.523 b  - 0   0,805  b   d 9.523 ( 1  2* 0,5)  g = 0,5.0 + 0,5 = 0,5.0,805+0,5 = 0,903 Q 82   10.24 (m)  b   n . g .h. 2 g .( H 0  h ) 0,974.0,903.4,62. 2.9,81.( 4,818  4,62) Vậy : ta chọn  b = 11 (m) chia làm 2 khoang với mố trụ dày 1 (m), mố bên dày 0,5 (m) Kiểm tra trạng thái chảy : - hn = hh – P1 = 4,62 (m) - Chọn n = 0,87  hn = 4,62 (m) > n.H0 = 0,87.4,818 = 4,19 (m)  Vậy đập chảy ngập như đã định ở trên. III. Tiêu năng phòng xói : 1. Trường hợp tính toán : (trường hợp cống tiêu vùng triều) Trường hợp mực nước triều hạ xuống 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 thời gian dài. khoángcheá - Mực nước phía đồng (thượng lưu): Z ñoàng =3,78 (m)  H = 3,78 - (-1,0) = 4,78 (m) min - Mực nước phía sông (hạ lưu): Z soâng=-0,2 (m)  hh = 0.2 – (-1,0) = 1.2 (m) 2. Lưu lượng tính toán tiêu năng : Vì cống đặt gần sông nên nói chung mực nước hạ lưu cống không phụ thuộc lưu lượng lưu lượng tháo qua cống. Khi đó Qtt là khả năng tháo lớn nhất ứng với mực nước tính toán đã chọn ở trên. Ta chọn Qtt = Qtiêumax = 82 (m3/s) Khi đó ta xác định độ mở cống a theo công thức : Trang 4 Q  .. b.hc . 2.gH 0  hc  Trong đó : hc = .a với  - hệ số co hẹp đứng ; a - độ mở của cống. Q 82   7.46 (m) Lưu lượng đơn vị qua cống : q   b 11 Năng lượng đơn vị : E0 = H0 = 4,818 (m) Ta xác định độ mở cống a như sau : q 7.46 Tính : F  c     0,74 3 3  .E 0  2 0,95.( 4,818) 2 Tra PL 16-1 Bảng tra Thủy lực ta được : a  0,291  a  0,281.4,62  1,4 (m) H  c  0,188  hc   c .E 0  0,188.4,818  0.9 (m)  'c'  0,654  hc''   'c' .E 0  0,654.4,818  3.15 (m) Vậy : độ mở cống là a = 1,4 (m) Ta thấy hh = 1.2 (m) < hc'' = 3,15 (m) do đó có nước nhảy phóng xa. 3. Tính toán kích thước thiết bị tiêu năng : a. Chọn biện pháp tiêu năng : Với cống trên nền đất, ta chọn biện pháp đào bể tiêu năng. b. Tính toán kích thước bể : d   .hc''  hh  Z 2  Chiều sâu bể : Ta xác định chiều sâu bể tiêu năng theo phương pháp thử dần : Giả thiết d 0   .hc''  hh  1,05.3,15  1,2  2,1 (m) Ta có :E0' = E0 + d0 = 4,818 + 2,1 = 6,93 (m) q 7,46 F  c     0,45 3 32 '  .E 2 0,9.( 6,93) 0 Tra PL 15-1 Bảng tra Thủy lực ta được :  'c'  0,495  hc''   'c' .E '0  0,495.6,93  3,43 (m) Diện tích mặt cắt ướt cuối bể :  b   .hc'' .bb  1,05.3,43.12  43,22 (m2) với bb   b  bmoátruï 11  1,0  12 (m) Diện tíchc mặtt cắt ướt ở hạ lưu sau bể :  h  ( bh  m.hh ).hh  ( 13.431 1,5.1,2 ).1,2  18,3 (m2) Độ lệch mực nước ở cửa ra của bể : Q2  1 1  822  1 1   2 2  2 Z2   2    0,82 (m) 2   2.g   n . h b  2.9,81  1 .18,2 43,222  Lần 1 : d   .hc''  hh  Z 2   1,05.3,43  1,2  0,82  1,8 (m) Ta tính lại : E0' = E0 + d = 4,818 + 1,8 = 6,63 (m) q 7,46 F  c     0,480 32 '3 0 , 9 . 6 , 63 2  .E 0 Tra PL 15-1 Bảng tra Thủy lực ta được :  'c'  0,5421 hc''   'c' .E '0  0,5421.6,63  3,43 (m) Trang 5 Diện tích mặt cắt ướt cuối bể :  b   .hc'' .bb  1,05.3,43.11  42,10 (m2) Độ lệch mực nước ở cửa ra của bể : Q2  1 1  822  1 1   2 2  2 Z2   2    0,83 (m) 2   2.g   n . h b  2.9,81  1 .18,3 42,102  Lần 2 : d   .hc''  hh  Z 2   1,05.3,43  1.2  0,83  1,88 (m) Ta tính lại : E0' = E0 + d = 4,818 + 1,88 = 6,706 (m) q 7,46 F  c     0,481 32 '3  .E 2 0,9.6,706 0 Tra PL 15-1 Bảng tra Thủy lực ta được :  c  0,108  hc   c .E '0  0,108.6,706  0,73 (m)  'c'  0,504  hc''   'c' .E '0  0,504.6,706  3,38 (m) Diện tích mặt cắt ướt cuối bể :  b   .hc'' .bb  1,05.3,38.12  42,59 (m2) Độ lệch mực nước ở cửa ra của bể : Q2  1 1  822  1 1  2 2  2 Z2   2  2   2.g   n . h b  2.9,81  1 .18,2 42,592    0,834 (m)  '' Lần 3 : d   .hc  hh  Z 2   1,05.3,28  1,2  0,834  1,52 (m) Vậy : ta chọn chiều sâu bể tiêu năng là d = 1,74 (m) Chiều dài bể tiêu năng: Lb = L1 + .Ln Trong đó : L1 - chiều dài từ ngưỡng xuống sân tiêu năng, có thể tính theo Trectôuxốp : L 1  2. hk .(P  0,35.hk ) 2 2 H 0  .4,818  3,212 (m) 3 3 P - chiều cao ngưỡng cống so với bể. P = 1,35 (m) Ln - chiều dài nước nhảy, có thể tính theo công thức kinh nghiệm ; Ln = (4,5 - 5,0 ).(hc'' - hc) = 4,5.( 3,38 - 0,73 ) = 11,95 (m) chọn Ln = 12 (m) b - hệ số, có thể lấy bằng 0,7 - 0,8 Tính được : L 1  2. 3,212.( 1,35  0,35.3,212)  5,64 (m) Vậy : Lb = 5,64 + 12 = 17,64 (m) ta chọn Lb = 18 (m) với hk  IV. BỐ TRÍ CÁC BỘ PHẬN CỐNG. I. Thân cống : bao gồm bản đáy, trụ và các bộ phận trên đó. 1. Cửa van : có thể chọn van phẳng hay van cung. Van cung thích hợp khi kích thước lỗ cống lớn; van phẳng hay dùng với các lỗ cống nhỏ hơn; Trong thực thế thường phải thông qua so sánh kinh tế – kĩ thuật để chọn phương án hợp lý. Trường hợp bài toán ta chọn cửa van phẳng. 2. Tường ngực : bố trí để giảm chiều cao van và lực đóng mở. 1. Các giới hạn của tường ngực : - Cao trình đáy tường ngực : Z dt  Ztt  δ Trong đó : Ztt – mực nước tính toán khẩu diện cống, tức cần đảm bảo với trường hợp này, khi mở hết cửa van chế độ chảy qua cống phải là không áp khoángcheá Ztt = Z ñoàng = 3,78 (m) Trang 6 d - độ lưu không lấy bằng 0,5 – 0,7 (m) Vậy : Z dt  3,78  0,62  4,4 (m) - Cao trình đỉnh tường ngực : lấy bằng cao trình cống, xác định theo 2 giá trị của mực nước sông min và mưc nước sông max. TK Z1 = Z soâng + h + s + a max Z2 = Z soâng + h’ + s’ + a’ Trong đó : + h và h’ – là độ dềnh do gió ứng với gió lớn nhất và gió bình quân. + s và s’ – là độ dềnh cao nhất ứng với 2 mực nước. + a và a’ – là độ vượt cao an toàn ứng với 2 mực nước. Tra bảng phụ lục 5-1 GTTC tập I ta được : a = 0,5 ; a’ = 0,4. ¤ Xác định cao trình cống ứng với trường hợp mực nước sông bình thường : TK Z1 = Z soâng+ h + s + a TK Trong đó : Z soâng= 3,62 (m) V 2 .D .cosB g.H V = 16 (m/s) D = 200 (m) với cosB = 1 (tính cho trường hợp bất lợi nhất B =0) h = 2.10-6. TK H = Z soâng - Zđáy = 3,92 – (-1) = 4,62 (m)  h = 2.10-6. Xác định s : 16 2.200 .1 = 0,0024 (m) 9,81.4,43 s = K s .h1% Trong đó : h1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%. Giả sử trường hợp sóng nước sâu tức ( H >  ) 2 + Tính các giá trị không thứ nguyên: 9,81.6.60.60 gt = = 13243,5 V 16 9,81.200 gD = = 7,664 2 V 16 2 + Tra đồ thị P2-1, ứng với + Với gt = 13243,5 V gD = 7,664 tra bảng ta được : V2 gh = 0,086 V2 g = 4,222 V gh = 0,0053 V2 g = 0,75 V Trang 7 + Chọn cặp giá trị tương ứng với gD = 7,664 (tra P2-2  K1% = 2,0) : V2 0,0053.V 2 0,0053.16 2 h   0,14 (m) g 9,81 0,75.V 0,75.16 τ   1,22 (m) g 9,81 gh = 0,0053 V2 g = 0,75 V 2 9,81.1,222 g  = = = 3,325 (m) 2. 2.3,14 + Kiểm tra lại điều kiện giả thiết ta thấy : H = 4,62 >  = 1,663 m 2 + Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng.  λ 3,325  0,75    H 4,43  K η  1,116 + Tra đồ thị P2-3 ứng với  S  h  0,14  0,042  λ 3,325 + Xác định chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% h1% : h1% = K1%. h = 2,0.0,14 = 0,28 (m) Thay tất cả vào trên ta được : s = 1,116.0,28 = 0,3125 (m) TK Vậy : Z1 = Z soâng + h + s + a = 3,62 + 0,0024 + 0,3125 + 0,5 = 4,2449 (m) ¤ Xác định cao trình cống ứng với trường hợp mực nước sông lớn nhất: MAX Z2 = Z soâng + h’ + s’ + a’ Trong đó : MAX Z soâng = 6,70 (m) h = 2.10-6. với V ' ' 2 .D' ' .cosB g.H' ' V’ = 26 (m/s) D = 300 (m) cosB = 1 (tính cho trường hợp bất lợi nhất B =0) MAX H = Z soâng - Zđáy =6,55 – (-1) = 7,55 (m) 262.300  h = 2.10 . .1 = 0,0055 (m) 9,81.7,55 Xác định s : s’ = K s .h1% -6 Trong đó : h1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%. Giả sử trường hợp sóng nước sâu tức ( H >  ) 2 + Tính các giá trị không thứ nguyên: 9,81.6.60.60 gt = = 8149,85 V 26 Trang 8 9,81.300 gD = = 4,354 2 V 26 2 gt + Tra đồ thị P2-1, ứng với =8149,85 V + Với gD = 4,354 tra bảng ta được : V2 + Chọn cặp giá trị tương ứng với gh = 0,075 V2 g = 3,875 V gh = 0,0013 V2 g = 0,3087 V gD = 4,354 (tra P2-2  K1% = 2,0) : V2 0,0013.V '2 0,0013.26 2   0,09 (m) g 9,81 0,3087.V ' 0,3087.26 τ   0,82 (m) g 9,81 gh = 0,0013 V2 h g = 0,3087 V 2 9,81.0,82 2 g  = = = 1,05 (m) 2. 2.3,14 + Kiểm tra lại điều kiện giả thiết ta thấy : H = 7,55 >  = 0,525 m 2 + Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng.  λ 1,05  0,139    H 7,55 + Tra đồ thị P2-3 ứng với   K η S  1,20  h  0,09  0,086  λ 1,05 + Xác định chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% h1% : h1% = K1%. h = 2,0.0,09 = 0,18 (m) Thay tất cả vào trên ta được : s = 1,2.0,18 = 0,216 (m) MAX Vậy : Z2 = Z soâng + h’ + s’ + a’= 6,55 + 0,0055 + 0,216 + 0,4 = 7,2 (m) Vậy, ta chọn cao trình ngưỡng cống là Zngưỡng = Z2 = 7,2 (m)  chọn Zngưỡng = 7,2 (m) 2. Kết cấu tường : gồm bản mặt và các dầm đỡ. - Vì chiều cao tường không lớn, chỉ cần bố trí 2 dầm đỡ ở đỉnh và đáy tường. - Bản mặt đổ liền khối với dầm. Chiều dày bản mặt chọn khoảng 0,3 (m) Việc tính toán được chính xác hóa bởi tính toán kết cấu sau này. 3. Cầu công tác : là nơi đặt máy đóng mở và thao tác van. Chiều cao cầu công táccần tính toán đảm bảo khi kéo hết cửa van lên vẫn còn khoảng không cần thiết để đưa van ra khỏi vị trí cốnh khi cần. Kết cấu bao gồm bản mặt, dầm đỡ và các cột chống. Việc chính xác hóa được thông qua tính toán kết cấu. 4. 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 cầu thả phai; Với các cống nhỏ, việc thả phai có thể tiến hành bằng thủ công. Trang 9 Khe phai rộng 0,2 m. Còn khe van thường rộng từ 0,3 m. 5. Cầu giao thông : Cao trình mặtcầu ngang hoặc thấp hơn đỉnh cống; bề rộng và kết cấu cầu chọn theo yêu cầu giao thông. Vị trí đặt cầu giao thông cần chọn sao cho không cản trở việc thao tác van và phai. Xây dựng theo yêu cầu thiết kế cho các loại xe 810 tấn đi qua. Kết cấu gồm 3 dầm đỡ dọc. Bề rộng cầu : Bcầu = 6m, gồm 2 lề người đi bộ, mỗi bên rộng 1 m. 6. Mố cống : bao gồm mố giữa và các mố bên. Trên mố bố trí khe phai và khe van (khi van phẳng) hoặc bộ phận đỡ trục quay van cung (tai van). Chiều dày mố khi dùng van phẳng cần lớn hơn khi dùng van cung. Chiều dày mố bên cần đủ để chịu áp lực đất nằm ngang. Hình dạng đầu mối giữa cần đảm bảo điều kiện thuận dòng, thường chọn dạng nửa tròn, lưu tuyến hoặc tam giác. Chiều cao mố có thể thay đổi từ thượng lưu về hạ lưu tùy theo mực nước cao thấp ở mỗi phía. Theo tính toán khẩu diện cống ta chọn : - Chiều dày mố giữa là : dmg = 1m, còn chiều dày mố bên là : dmb = 0,5 m. - Mố giữa và mố bên có dạng hình nửa tròn. 7. Khe lún : Khi cống rộng, cần dùng khe lún phân cống thành từng mảng độc lập. Bề rộng mỗi mảng phụ thuộc điều kiện địa chất nền, thường khôgn vượt quá 15 – 20 (m). Mỗi mảng có thể gồm 1,2 hoặc 3 khoang. Các mảng nên bố trí giống nhau để tiện thiết kế, thi công và quản lý. Khe lún thường bố trí ở mố giữa. Mố có chứa khe lún là mố kép. Trên khe lún cần bố trí thiết bị chống rò nước, lỗ để đổ nhựa đường. 8. Bản đáy : Chiều dài bản đáy cần thỏa mãn cá điều kiện thủy lực, ổn định của cống và yêu cầu bố trí kết cấu bên trên. Thường chọn chiều dài bản đáy từ điều kiện bố trí các kết cấu bên trên, sau đó kiểm tra lại bằng tính toán ổn định chống và độ bền của nền. Chiều dài bản đáy chọn theo điều kiện chịu lực – nó phụ thuộc vào bề rộng khoang cống, tải trọng bên trên và tính chất nền. Thường chọn theo kinh nghiệm sau đó chính xác hóa bằng tính toán kết cấu bản đáy. - Ta có thể sơ bộ chọn chiều dài của bản đáy theo điều kiện thủy lực như sau : [2  3]H < Lbđ < [8  10]H Vậy ta chọn : Lbđ = 20m. - Chiều dày bản đáy t chọn theo điều kiện chịu lực. Ta chọn như trên hình vẽ. t = 1,2m II. Đường viền thấm : Bao gồm bản đáy cống, sân trước, các bản cừ, chân khay. Kích thước bản đáy cống như đã chọn ở trên. Kích thước các bộ phận khác có thể chọn như sau : 1. Sân trước : Vật liệu làm sân có thể là đất sét,á sét, bê tông, bê tông cốt thép hay bitum. Khi có sẵn vật liệu tạo chỗ (đất sát, á sét) nên cố gắng tận dụng : - Chiều dài sân : L  (3  4).H min MAX Trong đó H là cột nước tác dụng lên cống : H = Z soâng - Z ñoàng= 6,55 – 1,2 = 5,35(m)  Ta chọn L = 20 (m) - Chiều dày : Khi sân làm bằng đất sét hay á sét thường làm chiều dày thay đổi từ đầu đến cuối sân. Chiều dày ở đầu sân thường lấy theo điều kiện cấu tạo : t1  0,6 (m). Chiều dày cuối sân xác định theo yêu cầu chống thấm : t2  H J Trang 10 Trong đó : ΔH – Độ chênh cột nước ở 2 mặt sân (trên và dưới); [ J ] – Gradien thấm cho phép, phụ thuộc vào vật liệu làm sân.  Ta chọn t1 = 0,6 (m) và t2 = 1 (m) Bản cừ : 1. Vị trí đặt : Trường hợp bài toán cống chịu đầu nước 2 chiều, có thể đóng cừ ở phía đầu nước cao hơn là khoángcheá phía đồng vì cống luôn đảm bảo mực nước phía đồng là Z ñoàng , còn phía sông mực nước triều lên xuống liên tục nên có thể không cần đóng cừ. 2. Chiều sâu đóng cừ : Phụ thuộc vào chiều dày tầng thấm, vật liệu làm cừ và điều kiện thi công. Vì tầng thấm không dày nên ta đóng cừ cắt ngang tầng thấm (cừ chống). Cừ chính đóng ở mép thượng lưu bản đáy ta chọn : S = ( 0,6  1 )H = ( 0,6  1 ).5,35 Vậy ta chọn : S = 4 m Chân khay : ở 2 đầu bản đáy cần làm chân khay cắm sâu vào nền để tăng ổn định và góp phần kéo dài đường viền thấm. Sơ bộ chọn chiều sâu của chân khay là : hck = 1m. và mỡ 1 góc 450 0. Thoát nước thấm : các lỗ thoát nước thấm thường bố trí ở sân tiêu năng; dưới sân khi đó phải bố trí tầng lọc ngược. Đường viền thấm được tính đến vị trí bắt đầu có tầng lọc ngược. 1. Sơ đồ kiểm tra chiều dài, đường viền thấm : Theo công thức : L tt  C.H Trong đó Ltt – chiều dài tính toán của đường viền thấm theo phương pháp của Len H - cột nước lớn nhất của cống : H =5,35 (m) C - hệ số phụ thuộc loại đất nền, tra ở bảng P3-1 (phụ lục 3) : C = 5 L  Xác định Ltt : Ltt = Lđ + n m Trong đó : + Lđ – là chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên có góc nghiêng so với phương ngang lớn hơn hoặc bằng 450. + Ln – là chiều dài tổng cộng của các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có góc nghiêng nhỏ hơn 450. + m – là hệ số phụ thuộc vào hàng cừ trong sơ đồ đường viền thấm. Chọn : m= 1,5 Ta có sơ đồ đường viền thấm dưới đáy công trình cho như hình vẽ : t1=0,6m a b t2=1m Zbq =0.8m c f e S=4m d Ls=20m t =1m d=1.35m g Lbñ=20m h k 1.7m Lb =17m Trang 11 Xác định Lđ và Ln từ hình vẽ ta có : Lđ = 0,8 + 2.S + hck + 2.hck. 2 = 12,63 (m) Ln = Ls + Lbđ + 1,7 = 20 + 20 + 1,7 = 41,7 (m) 41,7 Ln = 12,63 + = 40,43 (m) m 1,5 L tt  C.H <=> 40,43  5.5,35  16,27 Kiểm tra : Vậy : chiều dài bản đáy cũng như chiều dài sân trước đảm bảo điều kiện chống thấm. III. Nối tiếp cống với thượng, hạ lưu : 1. Nối tiếp thượng lưu : 1 1 2. Góc mở của tường về phía trước, chọn với tg = 3 4 3. Hình thức tường cánh phụ thuộc quy mô cống, ở đây ta chọn hình thức tường thẳng. - Đoạn đáy nối tiếp thượng lưu cần có lớp phủ chống xói (bằng đá xây khan dày 0,3 m). Chiều dài lớp phủ khoảng ( 3 – 5 ) H1 trong đó H1 là chiều sâu nước nhảy vào cống. - Phía dưới lớp đá bảo vệ cần có tầng đệm dăm cát dày 10-15 (cm) 4. Nối tiếp hạ lưu : - Tường cánh: hình thức có thể chọn như tường cánh thượng lưu, song góc mở q1 nhỏ hơn, 1 1 thường tg1 = 4 6 - Sân tiêu năng : thường bằng bê tông đổ tại chỗ có bố trí các lỗ thoát nước. Chiều dáy sân có thể xác định theo công thức Đômbrốpxki: t  0,15 .V1. h1 Trong đó V1 và h1 là lưu tốc và chiều sâu chỗ đầu đoạn nước nhảy. h1 = hc = 0,73 (m) Q 82   10,21 (m/s) V1 =  0,73.12 Từ đó tính được : Ltt = Lđ +  t  0,15.10,21 0,73  1,31 (m) - Sân sau : làm bằng đá xếp hoặc tấm bê tông có đục lỗ thoát nước, phía dưới có tầng đệm theo hình thức lọc ngược. Chiều dài sân sau xác định theo công thức kinh nghiệm : L ss  K . q H Trong đó : Vậy Q 82   6,1 (m3/m.s) bk 13,431 ΔH – chênh lệch cột nước thượng hạ lưu ΔH =5.35 (m) K – hệ số phụ thuộc tính chất lòng kênh. Với đất cát pha K = 10 q – lưu lượng đơn vị ở cuối sân tiêu năng q = L ss  10. 6,1 5,35  37,56 (m) 4.TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY CỐNG. I. Những vấn đề chung : 1. Mục đích : xác định lưu lượng thấm q, lực thấm đẩy ngược lên đáy cống Wt và Gradien thấm J. Ở đây do đặc điểm của cống, chỉ yêu cầu xác định Wt và J. 2. Trường hợp tính toán : tính toán ứng với trường hợp khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất. max - Mực nước sông : Z soâng=6,55 (m) - Mực nước đồng : Z ñoàng=1,2 (m) min Trang 12  Chênh lệch ΔHMAX =5,35 (m) 3. Phương pháp tính : có nhiều phương pháp tính nhưng ở đây yêu cầu dùng phương pháp đồ giải vẽ lưới bằng tay. II. Tính thấm cho trường hợp đã chọn : 1. Vẽ lưới thấm : Lưới thấm có thể được xây dựng theo phương pháp vẽ đúng dần. Để kiểm tra độ chính xác của lưới thấm cần dựa vào các điều kiện sau : - Tất cả các đường dòng và thế phải trực giao nhau. - Các ô lưới phải là hình vuông cong - Tiếp tuyến của các đường đẳng thế vẽ từ các điểm góc của đường viền phải trùng với phân giác của góc đó. - Các giới hạn của lưới thấm :  Đường thế đầu tiên : mặt nền thấm phía thượng lưu.  Đường thế cuối cùng : mặt nền thấm phía hạ lưu.  Đường dòng đầu tiên : đường viền thấm dưới đáy công trình.  Đường dòng cuối cùng : mặt tầng không thấm. Miền thấm giữa 2 đường thế liền nhau gọi là dải, giữa 2 đường dòng kề nhau gọi là ống dòng. Ta có sơ đồ lưới thấm như hình vẽ : +6.70 H -1.0 L st=20 m L bñ=20m 29 A +0.7 -2.35 28 1 B 27 26 25 2 4 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 (H 2 +t).n HB HA Wt + 8 đường dòng  m = 7 ống dòng. + 30 đường thế  n =29 dải. 2. Dùng lưới thấm xác định các đặc trưng của dòng thấm Wt, Jra : a. Tính áp lực thấm đẩy ngược Wt : - Tổn thất cột nước qua mỗi dải thế : H max 5,35 = = 0,184 (m) H = n 29 - Cột nước thấm tại một điểm x nào đó cách dải thế cuối cùng i dải Theo sơ đồ hình vẽ, ta có : Trang 13 H = 0,184.i n - Vậy tại mổi điểm trên sơ đồ lưới thấm hA = 0,184.15,5 =2,86 (m) hB = 0,184.2,0 = 0,37 (m) - Aùp lực thấm lên đáy công trình : h  hB 2,86  0,37 Wth = n. A .Lbđ = 1. .20 = 32,3 (T/m) 2 2 b. Xác định građien thấm J : - Građien thấm tại tại ô lưới bất kỳ có trung đoạn là S : H H  J= S n.S - Građien thấm tại ô lưới thứ 1 : H 0,184 J1 =   0,106 S1 1,74 0,184 H  0,096 J2 = = 1,91 S2 0,184 H J3 = =  0,108 1,71 S3 0,184 H  0,092 J4 = = 2,01 S4  Jtb = 0,1 III. Kiểm tra độ bền thấm của nền : theo công thức Jr  J Trong đó : [J] – gradien thấm cho phép : [J]  Jgh/m Jgh – gradien thấm cục bộ tới hạn, tham khảo các trị số của Ixtômina (P3-1), trị d số Jgh chủ yếu phụ thuộc trị số không đều hạt   60  9  Jgh = 0,57. d10 m – hệ số an toàn, m = 1,50. Ta có J = 0,1  Jgh/m = 0,57/1,5 = 0,38 Vậy : điều kiện thấm qua nền được đảm bảo. hx = i. .5.TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỐNG. I. Mục đích và trường hợp tính toán : 1. Mục đích : kiểm tra ổn định của cống về trượt, lật, đẩy nổi. Trong đồ án chỉ giới hạn phần tính toán trong việc kiểm tra ổn định trượt. 2. Trường hợp tính toán : yêu cầu tính với 1 trường hợp khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu cống là lớn nhất (trường hợp đã tính thấm ở trên). Khi cống phân thành nhiều mảng bởi các khớp lún, cần kiểm tra ổn định cho tất cả các mảng. Trong đồ án này chỉ yêu cầu tính cho 1 mảng. II. Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn : Trang 14 10 +7.4 10 10 60 +6.7 G3 G3 10 10 G2 G1 G5 G3 84 +4.3 P1 + 0.7 G6 G7 -1.0 P2 G8 10 G4 10 G9 200 M aë t caé t doïc coá ng 5 10 5 84 -1.0 12 105 Maë t caé t ngang coá ng 1. Xác định các lực tác dụng lên mảng tính toán : a. Các lực thẳng đứng : Bao gồm trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai, cửa van, tường ngực, mố cống, bản đáy, trọng lượng nước trong cống (phía thượng lưu cống và hạ lưu Trang 15 cống), trọng lượng phần đất giữa 2 chân khay ( trong phạm vi khối trượt) và các lực đẩy ngược (thấm, thủy tĩnh).  Trọng lượng cầu giao thông : thiết kế cho xe có tải trọng 8 – 10 Tấn đi qua. G1 = bt.Vcầu = 2,4. 1.8.13 = 249,6 (T)  Trọng lượng cầu công tác : G2 = 2,4.(6.0,5.6 + 4.0,5.9) = 86,4 (T)  Trọng lượng cầu thả phai : G3 = 2,4.1.0,5.13 = 15,6 (T)  Trọng lượng cửa van : G4 = 2.2,4.5,1.0,3 = 7,344 (T)  Trọng lượng tường ngực : G5 = 2,4.11.(1,4.1 + 0,5.2,3 + 0,8.1) = 88,44 (T)  Trọng lượng phần thân cống (mố cống, bản đáy) : G6 = 2,4.20.[(0,5 + 1 + 0,5).8,2 + 1,2.13] + 2,4.2.1,5.13= 1645,2 (T)  Trọng lượng phần nước phía thượng lưu : G7 = 1.6,55.5,35.11 = 385,468 (T)  Trọng lượng phần nước phía hạ lưu : G8 = 1.13,95.1,7.11 = 260,87 (T)  Trọng lượng phần đất giữa 2 chân khay : G9 = 1,75.13.(20.1 – 2.1,5) =386,75 (T)  Áp lực thủy tỉnh đẩy ngược : G10 = 1.20.1,7.13 = 442 (T) b. Các lực ngang : Aùp lực nước thượng, hạ lưu, áp lực đất chủ động ở chân khay thượng lưu (Ectl), áp lực đất bị động ở chân khay hạ lưu (Ebhl).  Áp lực nước thượng lưu : T1 = 0,5.1.(7,55)2.13 = 370,52 (T)  Aùp lực nước hạ lưu : T2 = 0,5.1.(2,2)2.13 = 31,46 (T)  Aùp lực đất chủ động ở chân khay thượng lưu Ectl = áp lực đất bị động ở chân khay thượng lưu Ebhl đn = k - (1 – n).n = 1,52 – ( 1 - 0,38 ).1 = 0,9 (T/m3) Ectl = Ebhl = 0,5.0,9.12 = 0,45 (T) c. Tổng hợp lực : Trị số và chiều của lực TT Thành phần lực Khoảng cách a (m) 1 G1 249.6 4.30 2 G2 86.400 -4.10 3 G3(1) 15.600 -9.00 4 G3(2) 15.600 -6.60 5 G3(3) 15.600 9.05 6 G4 7.344 -4.10 Momen M0 (Tm) P (T) -195.05 2454 Trang 16 7 G5 88,440 -3.15 8 G6 1645.2 0.00 9 G7 385.468 -7.10 10 G8 260.87 3.06 11 G9 12 G10 13 T1 14 T2 - 386.75 0.00 442.000 0.00 370.52 3.71 31.46 1.936 Quy ước : chiều dương là thuận chiều kim đồng hồ. 2. Xác định áp lực đáy móng : theo sơ đồ nén lệch tâm : P  M0  F W Trong đó : Tổng lực đứng.  P = 2454 (T) Tổng momen các lực lấy đối với tâm đáy mảng  M 0 = -195.05 (T.m) diện tích đáy mảng F = 20.13 = 260 (m2) . B.L2 13.202 mođun chống uốn của đáy mảng W = = =866.67 (m3) 6 6 Ta tính được : 2454  195.05  MIN    9.2 (T/m2) 260 866.67 2454  195.05  MAX    9.43 (T/m2) 260 866.67 Ứng suất đáy móng bình quân :    MIN 9.66  9.2  bq  MAX   9.43 (T/m2) 2 2 3. Phán đoán khả năng trượt : xét 3 điều kiện : a. Chỉ số mô hình hóa : N .  MAX  N Lim B. 1 Trong đó : B = 10,5 (m) - Chiều rộng mảng. 1 = đn = k - (1 – n).n = 1,52 – ( 1 - 0,38 ).1 = 0,9 (T/m3) N Lim = 3 - chuẩn số không thứ nguyên 9.66  0.82  N Lim  3  N  13.0,9 b. Chỉ số kháng trượt : C 0,3 tg 1  tg1  1  tg 18   0,356  0,45  tb 9.43 - dung trọng đất nền Trang 17 Trong đó : 1, C1 – góc masát trong và lực dính đơn vị của đất nền, chỉ số 1 tương ứng khi tính tóan nền theo trạng thái giới hạn thứ nhất. 1 = 180 C1 = 0,3 (T/m2) c. Hệ số mức độ cố kết : K .(1  e).t 0 CV0  t 4 a. n .h02 Trong đó : Kt = 2.10-6 - hệ số thấm đối với đất cát pha. e = 0,61 - hệ số rỗng của đất tự nhiên. t0 = 2 (năm) = 2.365.86400 = 63.072.000 (s) - thời gian thi công. a = 2,0 (m2/N) - hệ số nén của đất. n= 9810 (N/m3) - dung trọng của nước. h0 = 13 (m) - chiều dày tính toán của lớp cố kết, lấy bằng chiều dày của lớp có sét nhưng không lớn hơn B. 6 2.10 ( 1  0,61).63072000  6.125.105  4  CV0  2 2.9810.13 Vậy, điều kiện thứ 3 không thỏa mãn, ta tiến hành kiểm tra trượt phẳng. 4. Tính toán trượt phẳng : ổn định của cống về trượt được đảm bảo khi : m nc .N tt  .R Kn Trong đó : nc = 1,0 - hệ số tổ hợp tải trọng. m = 1,0 - hệ số điều kiện làm việc. Kn = 1,15 - hệ số tin cậy. Ntt và R là giá trị tính toán của lực tổng quát gây trượt và của lực chống tới hạn. Khi mặt trượt nằm ngang các giá trị này được tính như sau : Ntt = Ttl + Ectl - Thl R =  P .tg1 +m1.Ebhl + F.C1 Trong đó : - Ttl và Thl là tổng các giá trị tính toán các thành phần nằm ngang của các lực chủ động tác dụng từ phía thượng và hạ lưu, trừ áp lực chủ động của đất. Ntt = 370.52 + 0,45 – 31.46 = 339.51 (T) - m1 – hệ số điều kiện làm việc, xét đến quan hệ giữa áp lực bị động của đất với áp lực ngang của cống, khi không có số liệu thí nghiệm có thể lấy m1 = 0,7. R = 2454.tg180 + 0,7.0,45 + 260.0,3 = 860.66 (T) Thay vào công thức ta có : m 1 nc .N tt  1.339.51  .R  .866.66  747,83 Kn 1,15 Vậy : điều kiện về trượt phẳng được đảm bảo. 6. TÍNH TOÁN 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. Trường hợp đồ án yêu cầu xác định sơ đồ ngoại lực để tính kết cấu bản đáy theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi. 2. Trường hợp tính toán : Tính cho trường hợp khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất. max - Mực nước sông : Z soâng=6,55 (m) - Mực nước đồng : Z ñoàng=1.2 (m) min Trang 18  Chênh lệch ΔHMAX = 5.35 (m) 3. Chọn băng tính toán : Việc tính toán kết cấu bản đáy cần tiến hành cho các băng khác nhau ( gọi bằng phần cống có chiều rộng b – thường bằng 1 m – giữa 2 mặt cắt vuông góc với chiều dòng chảy qua cống. Trong đồ án yêu cầu tính với 1 băng sau cửa van. II. Tính tùoán ngoại lực tác dụng lên băng đã chọn : Trường hợp cống gồm nhiều mảng ngăn cách bởi các khớp lún thì việc tính kết cấu cũng tiến hành cho từng mảng độc lập. Trên 1 băng của mảng, các ngoại lực tác dụng lên bản đáy bao gồm lực tập trung từ các mố, lực phân bố trên băng và các tải trọng bên. 1. Lực tập trung truyền từ các mố : Đây chính là tổng hợp của các áp lực đáy các mố trong phạm vi của băng đang xét. Thường xét riêng cho từng mố. Sơ đồ tính toán cho 1 mố như trên hình vẽ. G4 G6 Baê ng tính toaù n G3 G5 G2 G1 T1 T2 b Lk ñaù y moá Pk Sô ñoàtính toaù n löïc cuû a moátruyeà n cho baû n ñaù y Từ sơ đồ cần xác định : +G1, G2 : trọng lượng của các phần của mố. G1 = 2,4.0,5.8,2.13,95 = 137.27 (T) G2 = 2,4.0,5.8,2.6,05 = 59.53 (T) +G3 : trọng lượng tường ngực. 88.43 G3   22.11 (T) 4 +G4 : trọng lượng cầu công tác. 86,4 G4   21,6 (T) 4 +G5 : trọng lượng cầu giao thông. 249.6 G5   62.4 (T) 4 +G6 : tải trọng do người và xe cộ trên cầu. 20 G6   5 (T) 4 +T1, T2 : áp lực nước ngang từ thượng và hạ lưu truyền qua khe van (khi van đóng). 370.52 T1   185.26 (T) 2 Trang 19