Đề tài Tổng quan thiết kế cống lộ thiên

Thiết kế cống lộ thiên A. Tài Liệu: cống A. Nhiệm vụ: Cống A xây dựng ven sông X để: Lấy nước tưới cho 60.000 ha ruộng; Ngăn nước sông vào đồng khi có lũ; Kết hợp tuyến đường giao thông với loại xe 8–10 tấn đi qua. Các lưu lượng và mực nước thiết kế (Bảng số liệu và các mức nước cống A). Trường hợp Lấy nước Chống lũ Chỉ tiêu (m3/s) Z đầu kênh (m) Zsôngmin (m) Zsôngmax (m) Zsôngmax (m) Zđồngmin (m) 105 3,45 3,62 7,70 8,40 2,60 3. Tài liệu về kênh hạ lưu: Z đáy kênh = 0,00; Độ dốc mái m =1,5; độ nhám n = 0,025; Độ dốc đáy i = 2. 10-4. Tài liệu về gió: Tần suất p% 2 3 45 20 30 50 V (m/s) 28 26 22 18 16 14 Chiều dài truyền sóng: Trường hợp Zsông bình thường Zsông max D (m) 200 300 Tài liệu địa chất: Đất thịt cao độ +3,5 đến 0,5; Đất cát pha từ +0,5 đến -10; Đất sét từ -10 đến -30. Chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống: Loại đất Chỉ tiêu Thịt Cát pha Sét gk (T/m3) 1,47 1,52 1,41 gtn (T/m3) 1,70 1,75 1,69 Độ rỗng n 0,40 0,38 0,45 jtn (độ) 19o 23o 12o jbh (độ) 16o 18o 10o Ctn (T/m2) 1,50 0,50 3,50 Cbh (T/m2) 1,00 0,30 2,50 Kt (m/s) 4.10-7 2.10-6 1.10-8 Hệ số rỗng e 0,67 0,61 0,82 Hệ số nén a (m2N) 2,2 2,0 2,3 Hệ số không đều h 8 9 7 Thời gian thi công: 2 năm. B. YÊU CầU đồ án: Xác định cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế. Tính toán thuỷ 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 bản vẽ A1, thể hiện được mặt cắt dọc, mặt bằng, chính diện thượng, hạ lưu, mặt cắt ngang cống và các cấu tạo chi tiết. Thiết kế cống lộ thiên I. Giới thiệu chung: Vị trí, nhiệm vụ công trình: Dựa vào địa hình, địa mạo, địa chất và nhiệm vụ của khu vực khảo sát, chúng ta xây dựng cống A ven sông X để đảm bảo nhiệm vụ: - Lấy nước tưới cho 60.000 ha ruộng; - Ngăn nước sông tràn đồng khi có lũ; - Kết hợp tuyến đường giao thông với loại xe 8–10 tấn đi qua. 2. Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế: Cấp công trình (xác định theo TCVN 5060 – 90): Tra bảng 1-2 quy phạm ta xác định được cấp công trình A : Theo nhiệm vụ tưới cho 60.000 ha (hệ thống thuỷ nông: tưới) > 50.103 ha. Nên công trình thuộc công trình cấp II. Các chỉ tiêu thiết kế: Với công trình cấp II: Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhấtđể tính P = 0,5% Tần suất mực lớn nhất ngoài sông khai thác; Các hệ số: + Các hệ số vượt tải tra Bảng P1-4. + Hệ số điều kiện làm việc: m = 1, với CT bê tông và bê tông cốt thép trên nền đất. + Hệ số tin cậy: Kn = 1,2. II. Tính toán thuỷ lực cống: 1. Tính toán kênh hạ lưu: a) Tính theo PP đối chiếu m/c lợi nhất về thuỷ lực Chọn độ dốc kênh i = 2.10-4 m = 1,5; n = 0,025; Q = 80m3/s; Với m = 1,5 thì 4mo = 8,424 à Rln = 3,43 và b = 16,77; chọn b = 17m. 2. Tính toán khẩu diện cống Trường hợp tính toán Chọn khi chênh lệch MN thượng lưu nhỏ, cần tháo Q thiết kế: Qtk Chọn Zhl = Z đầu kênh = 3,43m DZ =Ztl – Zhl = 3,68 – 3,43 = 0,25m Qtk = Qlấymax = 80 m3/s Chọn loại và cao trình ngưỡng cống Cao trình ngưỡng: Chọn cao trình ngưỡng = cao trình đáy kênh = 0 m Hình thức ngưỡng: Đập tràn đỉnh rộng * Xác định bề rộng cống: Định trạng thái chảy: Theo QPTL C8-76, Ta có: Hn = hh – P = hh =Zhl – Zđáy kênh = 3,43 m Ho= H+ a. Bỏ qua lưu tốc tới gần Vo nên Ho = H =Ztl- Zđáy kênh = 3,68 – 0 = 3,68 m = 0,932 > ()ng=(0,7 – 0,8) à Đập chảy ngập Tính bề rộng cống Từ công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập: Vì độ cao hồi phục Zhp thường nhỏ, có thể bỏ qua nên h =hn = hh = 3,43 m Trong đó: jn : H/s lưu lượng, lấy theo trị số của h/s lưu lượng m (Tra bảng của Cumin) jn =0,96 jg : h/s co hẹp bên, jg= 0,5.eo +0,5 ; Chọn sơ bộ eo = 0,95; jg =0,975. Q= Qtk =80 m3/s Thay các gt vào biểu thức trên ta được: (m) Chọn b =11,4 m, cống có 3 cửa mỗi cống rộng 3,8 m cách nhau bằng mố trụ dày 1,0 m; mố bên dày 0,5 m Tính lại và theo trị số của m và : = Trong đó: : Tổng chiều dày các mố jg= 0,5.eo +0,5 = 0,5.0,792+0,5 = 0,896 m tra bảng của Cumin (với cotgq =1;b =m) à m = 0,385 (m) Chọn lại: Cống có 3 cửa, bề rộng mỗi cửa là 4,5m; cách nhau bằng mố trụ dày 1m,mố bên dày 0,5m. III.Tính toán tiêu năng phòng xói Trường hợp tính toán: Khi thoá lưu lượng qua cống với chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn Z= - Z = 7,2 - 3,43 = 3,77 (m). Cống được mở đều các cửa. Lưu lượng tính toán tiêu năng Do đây là cống lấy nước: Mực nước hạ lưu phụ thuộc lưu lượng lấy (khi Zsông đã có). Để xác định lưu lượng tính toán tiêu năng, cần tính toán với các cấp lưu lượng từ Qmin đến Qmax, với mỗi cấp lưu lượng, cần xác định độ mở cửa cống a, độ sâu liên hiệp hc’’ và độ sâu hạ lưu hh: Qtt là trị số ứng với (hc’’ – hh)max: Cách xác định : Tính theo phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực: Tính: tra bảng 8-1, các bảng tính thuỷ lực được Rln. Lập tỉ số tra bảng ứng với m=1,5 ta được à h = hh = Tính độ sâu liên hiệp hc’’: Giải theo bài toán phẳng; Eo = P + Ho (ta đã chọn cống không có ngưỡng nên P =0; Ho = H = 7,2m do bỏ qua lưu tốc tới gần ). Từ F()=, ta có và tính ra . Bảng tính chiều dài hh Q(m3/s) f(Rln) Rln(m) hh(m) 80 0,001489 2,8801 3,8083 70 0,001702 2,7394 3,5388 60 0,001985 2,5856 3,2495 50 0,002382 2,4147 2,9349 40 0,002978 2,2209 2,5884 30 0,00397 1,9937 2,1972 20 0,005955 1,7125 1,7393 10 0,011911 1,3205 1,1599 Bảng tính chọn Qtn Q (m3/s) q (m3/s.m) F() 80 5,925926 0,322875 0,47065 3,38868 3,8083 -0,41962 70 5,185185 0,282515 0,444 3,1968 3,5388 -0,342 60 4,444444 0,242156 0,4144 2,98368 3,2495 -0,26582 50 3,703704 0,201797 0,38 2,736 2,9349 -0,1989 40 2,962963 0,161437 0,3425 2,466 2,5884 -0,1224 30 2,222222 0,121078 0,2988 2,15136 2,1972 -0,04584 20 1,481481 0,080719 0,25 1,8 1,7393 0,0607 10 0,740741 0,040359 0,175 1,26 1,1599 0,1001 Dựa vào các bảng tính trên ta có:Lưu lượng tính toán tiêu năng Qtn = 10 m3/s, tương ứng với q = 0,74 m3/s.m và với ()max = 0,1 m + Eo = 7,2 m + = 1,26 m + = 1,16 m Do > nên sau khi ra khỏi cống nước chảy tự do (chảy không ngập) à Lưu lượng qua cống Q = Trong đó: + : hệ số lưu tốc (Đối với cống có đáy ở ngang đáy kênh có thể lấy = (0,95 1), chọn = 0,95 + hệ số co hẹp bên a: độ mở cống Độ mở cống được xác định: Từ F() = 0,040359 à=0,611, = 0,062 nên a = m à =0,45 m Tính toán kích thước thiết bị tiêu năng a> Chọn biện pháp tiêu năng: Do cống được đặt trên nền đất, nên ta chọn biện pháp tiêu năng là đào bể b> Tính toán kích thước bể * Chiều sâu bể d = s. Trong đó: s : hệ số chảy ngập, ta chọn = 1,1 : độ sâu liên hiệp sau nước nhảy = 1,26 m Z2 : chênh lệch đầu nước ở cuối bể vào kênh, tính như đập tràn đỉnh rộng chảy ngập: à d =1,1.1,26 – (1,16 + 0,0085) = 0,22 m à Chọn theo kích thước bể cấu tạo: d=0,5m Chiều dài bể tiêu năng: Lb = L1 + b.Ln Trong đó: L1: chiều dài nước rơi từ ngưỡng xuống sân tiêu năng, ta tính theo Trectôuxốp: L1 = Do , P: Chiều cao ngưỡng cống so với bể = d = 0,5 m Ln: Chiều dài nước nhảy, ta tính theo công thức kinh nghiệm: Ln = 5. () =5. (1,26 – 0,45) 4,1 m, hệ số b= 0,8. à Chiều dài bể tiêu năng: Lb = L1 + b.Ln =6,5 + 0,8.4,1 9,8 m Bố trí các bộ phận cống Thân cống: Bao gồm bản đáy, trụ và các bộ phận bố trí trên đó. Cửa van: Do kích thước cống trung bình nên ta chọn cửa van hình phẳng. Tường ngực: Ta bố trí để giảm chiều cao van và lực đóng mở. Các giới hạn của tường ngực: + Cao trình đáy tường ngực: Zđt = Ztt + d Trong đó: Ztt = 3,68 m, mực nước tính toán khẩu diện cống, tức cần đảm bảo ứng với trường hợp, khi mở hết cửa van chế độ chảy qua cống phải không áp; d: Độ lưu không lấy = 0,6 m à Zđt = Ztt + d = 3,68 + 0,6 = 4,28 m. + Cao trình tường ngực = ẹ đỉnh cống. Zđỉnh cống = + + + a Trong đó: : Mực nước lớn nhất của sông, =8,6 m. : Độ dềnh do gió ứng với gió bình quân lớn nhất = m : Độ dềnh cao nhất của sóng = h: Chiều cao sóng ứng với tần suất bảo đảm1%. Giả thiết sóng nước sâu: H1 > l/2 ta có: Các giá trị không thứ nguyên Trong đó: t: thời gian gió thổi liên tục (sec), do khônh có tài liệu nên ta lấy t = 6h D: chiều dài truyền sóng, ứng với trường hợp , D = 300m. V: Vận tốc gió tính toán, ứng với tần suất P% = 50%; v = 14 m/s Tra đồ thị P2-1, ứng với đường bao trên cùng ta xác định được cặp nhỏ nhất trong hai giá trị : ; à s ; m Bước sóng trung bình: Ta thấy thoả mãn điều kiện sóng nước sâu à điều ta giả thiết trên là đúng. Chiều cao sóng với mức bảo đảm 1%: Tra đồ thị hình P2-2 ứng với ta được Độ dềnh cao nhất của sóng : được tra đồ thị hình P2-3a với và ta được = 1,25 - a: Độ vượt cao an toàn, ta chọn a =0,5 m à Zđỉnh cống = + + + a = 8,60 + 1,39.10-3 + 0,74 + 0,5 = 9,84 m. ta chọn Zđỉnh cống = 10 m Kết cấu tường: Gồm bản đáy và các dầm đỡ. Do chiều cao tường không lớn, chỉ cần bố trí 2 dầm đỡ (ở đỉnh và đáy tường); Bản mặt đổ liền với dầm, chiều dày bản mặt chọn bằng 0,4 m và các kích thước khác cho trên hình vẽ, và sẽ được tính toán kết cấu. Cầu công tác: là nơi đặt máy đóng mở và thao tác van. Kết cấu cầu bao gồm bản mặt, dầm đỡ và các cột chống. Kích thước các bộ phận được tính toán: Chiều cao cầu công tác tính toán phải đảm bảo khi kéo hết cửa van lên vẫn còn khoảng không cần thiết để đưa van ra khỏi vị trí cống khi cần.Ta chọn sơ bộ kích thước như trên hình vẽ: khe phai và cầu thả phai: ta bố trí phía đầu và cuối cống để ngăn nước giữ cho khoang cống khô giáo khi cần sửa chữa. Ta chọn kích thước phai: 40 x 40cm, trên cầu thả phai ta bố trí đường ray cho cần cẩu thả phai (hình vẽ). Cầu gia thông: Theo yêu cầu giao thông ta bố trí cầu bắc qua cống với loại xe 8 á10 tấn lưu thông. Cao trình mặt cầu chọn ngang bằng đỉnh cống. Bề rộng và kết cấu cầu chọn theo yêu cầu giao thông và được tính toán. Chọn sơ bộ mặt cắt ngang cầu như hình vẽ: Mố cống: Bao gồm hai mố giữa và hai mố bên. Trên mố bố trí khe phai và khe van, hình dạng đầu mố dạng nửa tròn có bán kính r = 0,5 m để đản bảo điều kiện thuận dòng, chiều cao mố thay đổi từ thượng lưu về hạ lưu và tại hạ lưu mặt đường cao bằng đỉnh cống. Khe lún: Do cống rộng nên ta dùng khe lún để phân cống thành từng mảng độc lập. Khe lún bố trí ở hai mố giữa, trên khe lún bố trí thiết bị chống rò nước. Bản đáy; Dựa vào điều kiện thuỷ lực, ổn định của cống và yêu cầu bố trí kết cấu bên trên. Thường chiều dài bẩn đáy chọn từ điều kiện bố trí các kết cấu bên trên, sau kiểm tra lại bằng tính toán ổn định cống và độ bền của nền. Theo kinh nghiệm ta chọn kích thước bản đáy sơ bộ: Đường viền thấm: Bao gồm bản đáy cống, sân trước, các bản cừ, chân khay. Ta chọn kích thước sơ bộ như sau: Sân trước: Để tận dụng vật liệu tại chỗ và điều kiện ta là bằng đất sét: - Chiều dài sân: Ls Ê (3 á 4). H Trong đó: H- là cột nước tác dụng nên cống, H = (ứng với TH chống lũ trường hợp bất lợi nhất) à Ls = 3,5.5,9 =20,6m; chọn Ls = 20 m. Chiều dày sân: Chiều dày sân thay đổi từ đầu sân đến cuối sân, chiều dày đầu sân chọn theo cấu tạo t1 = 0,6 (m). Chiều dày cuối sân t2 = Trong đó: [J] = 5 – gradien thấm cho phép, đối với đất sét làm nền (4 á 6). DH: Chênh lệch cột nước ở mặt trên và mặt dưới của sân H = 5,9 (m); hh = 1,16 (m); LS = 20 (m); LC =15 (m) DH = H – (hh - ) = 5,9-(1,16 + (m) H DH H hh hh LS LC Hình 3: Biểu đồ áp lực t2 = 0,54 (m) Chọn t2 = 1 (m) Bản cừ Vị trí đặt: Do cống chịu tác dụng của đầu nước hai chiều, nhưng đầu nước phía trong đồng cao hơn, vì vậy đóng cừ ở phía đầu cống thượng lưu. Chiều sâu đóng cừ: Do tầng thấm rất dày, không thể đóng cừ đến tầng không thấm, ta đóng cừ treo với chiều sâu S = 5 (m). Chân khay: Để tăng thêm tính ổn định của cống ta bố trí chân khay ở hai đầu cống. Kích thước chân khay như hình vẽ. 0,5 0,5 0,5 0,5 Hình 4: Chi tiết chân đanh Thoát nước thấm ở sân tiêu năng bố trí các lỗ thoát nước. Vị trí lỗ thoát nước cách bản đáy cống 2 m về phía hạ lưu, việc chừa lại một phần tiêu năng không đục lỗ là do cống làm việc hai chiều. Khoảng cách giữa các lỗ là 1,5 m. Phía sân tiêu năng bố trí tầng lọc ngược. Sơ bộ kiểm tra chiều dài đường viền thấm Theo công thức tỷ lệ đường thẳng ltt C.H Trong đó: ltt là chiều dài tính toán của đường viền chống thấm tính theo phương pháp của Len. ltt = lđ + ln/m; khi có một hàng cừ thì m = 1, lđ = 0,6 + 4 +3+2 = 9,6 (m) ln = 20 + 15 = 35 (m) ị ltt = 9,6 + 35/1 = 44,6 (m) C : Hệ số phụ thuộc tính chất nền, tra bảng 3-1 ta có C = 6 ứng với cát hạt nhỏ. H: Độ chênh mực nước thượng hạ lưu, H = = 8,6-2,7 =5,9 (m) ltt =44,6 C.H = 6.5,9 = 35,4 (m). Kết luận: Đường viền thấm hợp lý. III. Nối tiếp cống với thượng, hạ lưu. Nối tiếp thượng lưu. Chọn hình thức nối tiếp dạng xoắn võ đỗ, với góc mở q có tgq =1/4. Đáy đoạn nối tiếp thượng lưu cần có lớp phủ chống xói bằng đá xây dày 0,4 m. Chiều dài lớp phủ lP = 4.H1, với H1 là chiều sâu nước chảy vào cống, H1 = 5,9(m) ị lP = 4.5,9 = 23,6 (m). Chọn lP = 24 (m). Phía dưới lớp đá bảo vệ có tầng đệm cát dày 15 cm. Nối tiếp hạ lưu Tường cánh: Chọn dạng xoắn vỏ đỗ tgq1 = 1/5. Sân tiêu năng: Bằng bê tông đổ tại chổ có bố trí lỗ thoát nước. Chiều dày sân tiêu năng xác định theo công thức Dômbrốpxki: t = 0,15.V1 Trong đó: h1 chiều sâu đoạn đầu nước nhảy h1 = hc + d = 0,45 + 0,5 = 0,95 (m) V1 lưu tốc đầu đoạn nước nhảy V1 = (m/s) Thay vào công thức trên ta có: t = 0,15.0,35. , chọn t = 0,5 (m). Sân sau: Làm bằng đá xếp 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 lSS = K. Trong đó: q lưu lượng đơn vị cuối sân tiêu năng q = = = 0,6 (m3/s.m) DH: Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, DH = 5,9 (m) K : Hệ số phụ thuộc tính chất lòng kênh, với đất cát, cát pha chọn K = 20. ị lSS = 20. = 24 (m)à Chọn lSS = 24 m. Phần IV: Tính toán thấm dưới đáy cống Những vấn đề chung Mục đích: Xác định lưu lượng thấm q, lực thấm đẩy ngược lên cống Wt và gradien thấm J, Trong đồ án này ta chỉ tính Wt và J. Trường hợp tính toán: Tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất. Phương pháp tính: Sử dụng phương pháp đồ giải vẽ lưới thấm bằng tay. Tính thấm cho trường hợp đã chọn Phương pháp vẽ lưới thấm bằng tay Xây dựng lưới thấm Lưới thấm được xây dựng bằng phương pháp vẽ gần đúng. Cách xác định áp lực thấm Sơ đồ lưới thấm có 14 dải (n=14) và có 4 ống dòng (m=4). Cột nước thấm tổn thất qua mỗi dải là DH = = 0,42 (m). Cột nước thấm tại một điểm x nào đó cách dải cuối cùng i dải là : hx = i. Xác định lưu lượng thấm q = K. với nền cống làm bằng cát pha, tra bảng D (Chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống) ta được K = 2.10-6 (m/s) q = 2.10-6 . = 3,37.10-6 (m3/s). Gradien thấm Gradien tại ô lưới bất kỳ có trung đoạn là DS sẽ là: Jtb = Theo công thức này ta xác định được gradien thấm tại cửa ra Bảng 4 DS (m) 0.88 1,89 3,34 Jtb 0,48 0,22 0,126 Tính thấm theo phương pháp tỉ lệ đường thẳng Chiều dài tính toán của đường viền thấm (theo mục I- 5 phần III) ltt = 44,6(m). áp lực đẩy ngược lên bản đáy áp lực thấm: Cột nước thấm tại một điểm cách điểm cuối đường viền thấm một đoạn dài tính toán hx = .H XA = 2,3 ị hA = = 0,3 (m) XB = 7,2 ị hB = = 0,95 (m) Wtt = .LC = .15 = 93,75 (KN/m) áp lực đẩy nổi: hđn = hh + t = 2,7 + 1 = 3,7 (m) Wđn = gn.hđn.LC = 10.3,7.15 = 555 (KN/m) Gradien thấm Trên đoạn đường viền thẳng đứng: Jđ = = = 0,13 Trên đoạn đường viền nằm ngang: Jn = = = 0,13 Lưu lượng thấm Chiều dài bản đáy khá lớn có thể tính thấm theo công thức: q = K.Jn.T1 trong đó: T1 = 10 – 1 = 9 (m): Chiều dày tầng thấm dưới đáy cống K = 2.10-6 (m/s) q = 2.10-6.0,13.9 = 2,38.10-6 (m3/s.m) Kiểm tra độ bền của nền thấm( đã kiểm tra ở phần trên). Tính thấm theo phương pháp hệ số sức kháng Phân đoạn: Phân thành 5 đoạn khác nhau (như hình 5) h1 H t hh T0 (1) T1 (2) S (3) T2 (4) (5) Hình 5: Biểu đồ tính thấm Xác định hệ số sức kháng của từng bộ phận. Cửa vào và cửa ra (Bộ phận 1 và 5): xv = 0,44 + = 0,44+ = 0,5 Bộ phận giữa (Bộ phận 3): ta thấy 0,5 < <1,0; 0 < < 0,8 xg = = = 0,797 Bộ phận nằm ngang (Bộ phận2 và 4): Bộ phận 2: = 1,5 < Ls = 20 (m) Bộ phận 4: = 1,5 < LC = 15 (m) ị xn = = 0,833 Tổng hệ số sức kháng: Sx = xv + xn + xg + xr = 0,5 + 2.0,833 + 0,797 + 0,5 = 3,46 Tổng áp lực thấm: Cột nước thấm tổn thất qua mỗi bộ phận xác định theo công thức: hi = xi ta có bảng tính sau: Bảng 5 Đoạn (1) (2) + (4) (3) (5) hi(m) 0,85 1,42 1,36 0,85 áp lực thấm: Wth = gn..LC .bc =10.1,56.15.5,5 = 1287 (KN/m) 2,27 0,85 Hình 6: Biểu đồ áp lực thấm áp lực đẩy nổi: Wđn = gn.hđn.LC bc = 10.3,7.15.5,5 = 3052,5(KN/m) Kiểm tra độ bền thấm 1. Kiểm tra độ bền thấm chung Jtb Trong đó: Jtb : Cột nước trung bình trong vùng thấm tính toán, có thể xác định theo công thức: Jtb = với H = 5,9 (m), Ttt = 9 (m) thay vào công thức trên ta có : Jtb = JKtb = 0,65 : cột nước tới hạn trung bình tính toán, theo bảng P3- 3. (Cát pha – CT cấp 2). Kn = 1,2 : Hệ số độ tin cậy, tra bảng P1-6. (CT cấp 2) Jtb = 0,189 Kết luận: Thoả mãn độ bền thấm. 2. Kiểm tra độ bền thấm cục bộ Theo công thức : Jr /m. Trong đó: Jr Trị số gradien cục bộ ở cửa ra, theo kết quả của phương pháp vẽ lưới thấm ta có bảng Jr JK gradien tới hạn cục bộ, do chưa có tài liệu thí nghiệm nên có thể tham khảo các trị số của Ixtômina hình P3-1, phụ thuộc hệ số không đều h. Với h = 9 (Cát pha) ị Jk = 0,5, m: hệ số an toàn chọn =1 Theo bảng 5 thoả mãn điều kiện Jr . Phần V: Tính toán ổn định cống Mục đích và trường hợp tính toán Mục đích: Kiểm tra ổn định của cống về trượt, lật, đẩy nổi. Trong đồ án này ta chỉ kiểm tra ổn định trượt. Trường hợp tính toán: Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu lớn nhất. Trường hợp sửa chữa. Trong đồ án này chỉ kiểm tra với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất. Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn Xác định các lực tác dụng lên mảng tính toán Các lực đứng: Bao gồm trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai van, cửa van, tường ngực, mố cống, bản đáy, nước trong cống, phần đất giữa 2 chân khay và các lực đẩy ngược (Thấm, thuỷ tĩnh). Trọng lượg toàn bộ cửa van: Trong đó: H: Chiều cao cửa van H = 4,3+0,2=4,5 m : Chiều rộng cửa van, = +0,2+0,2= 4,5+0,2+0,2= 4,9 m g: Trọng lượng riêng của 1m2 mặt cửa van và được xác định theo công thức kinh nghiệm của van có bánh xe lăn, g= 640.N/m2 Với : Cột nước tính đến trung tâm lỗ cưả van=- 0,5.=5,9 - 0,5.4,5=3,65 L: Chiều rộng của lỗ cửa van L = 4,5m. = 2045,9.4,5.4,9 = 4511N = 45,11 (KN) Trọng lượng cầu giao thông: = = (2.0,4.0,5.5,5+2.1.0,2.5,5+4,4.0,3.5,5).2,4.10 = 279,84(KN). Trọng lượng cầu công tác: ==(2.5,5.0,2+4.0,4.0,3.4,3+2.0,3.0,4.5,5).2,4.10= 134(KN). Trọng lượng tường ngực: = (4,5.0,2.5,7+2.0,3.0,3.4,5).2,4.10=142,6(KN). Trọng lượng mố cống: =2.0,5.10.15.2,4.10 = 3600(KN). Trọng lượng bản đáy: =(15.1.1.5,5+.2,4.10 =2010(KN). Trọng lượng nước trong cống thượng, hạ lưu: = (8,6.3.4,5+12.2,7.4,5).10= 2619(KN). Trọng lượng của đất giữa 2 chân khay: = (KN). KN/m3 - áp lực đẩy ngược: Wth + Wđn = 1287+3052,5 = 4339,5(KN). b. Các lực nằm ngang: áp lực nước thượng, hạ lưu, áp lực đất chủ động ở chân khay thượng, áp lực đất bị động ở chân khay hạ lưu. áp lực nước thượng lưu:(KN). áp lực nước hạ lưu: ( (KN). áp lực đất chủ động ở chân khay thượng lưu: Trong đó : Tải trọng phân bố trên mặt đất q=10 + 16,9 = 26,9KN/m3 = 0,528 C: lực dính bão hoà của đất cát pha, C = 3 KN/m2 Z: Toạ độ tính từ mặt đất. * Tại Z = 0 à KN/m2 * Tại Z =1,2m à KN/m2 àáp lực đất chủ động thượng lưu: Ectl = (KN). áp lực đất bị động ở dưới chân khay hạ lưu: Trong đó: Tải trọng phân bố trên mặt đất q=10 +24 = 34 KN/m3 Tại Z = 0 =2.3.=72,65 KN/m2 Tại Z =1 =108,64 KN/m2 àEbhl = (KN). STT Lực tác dụng Trị số Mô men đối với điểm O (+) (+) Tay đòn Mo 1 G1 45,11 3 135,33 G2 134 4,85 -649,9 Gv 45,11 4,85 -218,78 G3 142,6 5,35 -762,91 G4 1800 0 0 1800 0 0 G5 2010 0 0 G6 TL 1161 4,8 -5572,8 HL 1458 1,85 2697,3 G7 618,75 0 0 W Wdn -3052,5 0 0 Wth -1287 0,4 514,8 E Ecd -104,68 0,82 -85,84 Ebd 498,54 1,03 513,5 Wtt TL 2033,9 3,37 6854,24 HL -200,48 1,4 -280,67 ồ 4741,07 3144,27 Xác định áp lực đáy móng Theo công thức nén lệch tâm: smax(min) = Trong đó: ồP Tổng lực đứng, chiều dương là chiều đi xuống. ồP = 4741,07(KN). ồM0 tổng mô men các lực lấy đối với tâm bản đáy cống O, bằng tích của lực và cánh tay đòn tương ứng, với quy ước lấy dấu dương khi quay ngược chiều kim đồng hồ ta có: ồM0 = 3144,27 (KN.m) F = 15.5,5 = 82,5 (m2) : diện tích bản đáy W = = 206,25 (m3) : Mô men chống uốn của bản đáy Thay vào công thức trên ta có: smax = (KN/m2) smin = (KN/m2) stb = = (KN/m2) Phán đoán khả năng trượt: Xét 3 điều kiện Chỉ số mô hình hoá N = Trong đó: LC =15 (m) : chiều dài cống. g: Dung trọng đẩy nổi của đất nền, gđn = gck - gn(1-n) = 1,52 – 1(1-0,38) = 0,9 (T/m3) = 9 (KN/m3) : Chuẩn số không thứ nguyên, với đất chặt = 1 ị N = 0,6 < = 1 Chỉ số kháng trượt tgy1 = tgj1 + 0,45 Trong đó: j1,C1: Góc ma sát trong và lực dính đơn vị đất nền khi tính toán theo nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất. j1 = 180, C1 = 0,3 (T/m2) = 3 (KN/m2) stb = 53,11 (KN/m2) ị tgy1 =0,38 < 0,45. Hệ số mức độ cố kết Cv0 = 4 Trong đó: K = 2.10-6 hệ số thấm e = 0,61 hệ số rổng đất tự nhiên t0 thời gian thi công t0 = 2 (năm) 6,3.107 (s) a = 2 (m2/N) hệ số nén của đất nền gn = 10000 (N) dung trọng của nước h0 = LC = 10 (m) chiều dày tính toán của lớp đất cố kết Cv0 = = 1.10-4 < 4. Trong 3 điều kiện có 2 điều kiện không thoả mãn, như vậy ngoài trượt phẳng còn phải xét cả trượt sâu và trượt hổn hợp. Trong đồ án này chỉ kiểm tra trượt phẳng. Tính toán ổn định trượt phẳng ổn định của cống về trượt phẳng được đảm bảo khi: nc.Ntt Trong đó: nc = 1 hệ số tổ hợp tải trọng m = 1 hệ số điều kiện làm việc, tra bảng P1-5 Kn = 1,2 hệ số độ tin cậy, tra bảng P1-6 với công trình cấp II Ntt và R là giá trị tính toán của lực tổng quát gây trượt và chống trượt giới hạn. Khi mặt trượt nằm ngang các giá trị này được xác định như sau: Ntt = Ttl + Ectl – Thl = 498,54 + 2033,9 – 200,48 = 2331,96 (KN) Trong đó: Ttl và Thl: Tổng giá trị tính toán các thành phần nằm ngang của các lực chủ động tác dụng từ phía thượng lưu, trừ áp lực chủ động của đất. R = SP.tgj1 + m1Ebhl + F.C1 SP: Tổng các lực thẳng đứng, SP = 4381,07 (KN) Các giá trị khác được giải thích như ở trên. m1: hệ số điều kiện làm việc, xét đến quan hệ giữa áp lực bị động của đất với chuyển vị ngang của cống, khi không có số thí liệu nghiệm có thể lấy m1 = 0,7. R =4381,07.tg180 + 0,7.104,68 +82,5 .3 = 1744,27 (KN). Thay vào công thức trên ta có: nc.Ntt = 2331,96 (KN) < = 1453,56 (KN) Kết luận: Đảm bảo ổn định trượt phẳng. Phần VI: Tính toán kết cấu bản đáy cống Mở đầu Mục đích: Xác định sơ đồ ngoại lực, tính toán nội lực và bố trí cốt thép trong bản đáy cống. Trong đồ án này chỉ xác định sơ đồ ngoại lưc để tính kết cấu bản đáy theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi. Trường hợp tính toán Khi cống có chênh lệch cột nước thượng hạ lưu lớn nhất. Khi cống tháo lưu lượng lớn nhất. Khi cống sửa chữa. 500 10 68,35 ,37,86 5,5 Hình 7: Biểu đồ áp lực dọc đáy Trong đồ án này chỉ tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất. Chọn băng tính toán Chọn băng ngay sau cửa van. Tính toán ngoại lực tác dụng lên băng đã chọn Theo phần V kiểm tra ổn định ta có: smax = 68,35(KN/m2) smin = 37,86 (KN/m2) ị sA = 60,4 (KN/m2) ị pA = sA = 60,4 (KN/m2) 1. Lực tập trung truyền từ các mố xuống: Xét đối với mố trụ bên G1: Trọng lượng phần của mố G1 = 15.1.24.9 = 3240KN G2 : Trọng lượng tường ngực G2 == 71,3 KN G3 : Trọng lượng cầu công tác G3 =KN G4 : Trọng lượng cầu giao thông G4 =KN G5 : Tải trọng do người và xe cộ qua lại G5 =KN T1, T2 : áp lực nước ngang từ thượng lưu, hạ lưu truyền qua khe van (Khi van đóng) T1 =KN T2 =KN Các lực trên tính trong phạm vi phụ trách của mố( nửa nhịp cống khi tính cho mố bên, hai nửa nhịp cống khi tính cho mố giữa). Tương tự như trên ta tính tiếp cho 2 mố bên.Ta có bảng tính sau đây: Bảng tính ngoại lực hai mố bên STT Lực tác dụng Trị số Mô men đối với điểm O (+) (+) Tay đòn Mo 1. G1 1080 0 0 G2 71,3 5,35 -762,91 G3 67 4,85 -324,96 G4 139,92 3 419,76 G5 50 3 150 T T1 1016,95 2,13 -2166,1 T2 100,24 4,1 410,98 ồ 1408,22 -2273,23 Bảng tính ngoại lực mố giữa STT Lực tác dụng Trị số Mô men đối với điểm O (+) (+) Tay đòn Mo 1. G1 2160 0 0 G2 71,3 5,35 -762,91 G3 67 4,85 -324,96 G4 139,92 3 419,76 G5 50 3 150 T T1 1016,95 2,13 -2166,1 T2 100,24 4,1 410,98 ồ 2488,22 -2273,23 Theo bảng tính ta xác định được : ồG : Tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên mố thứ k, với quy ước lấy chiều dương là chiều đi xuống. ồM0: Tổng các mô men lấy với tâm của tiết diện đáy mố trụ thứ k theo quy ước lấy dấu dương khi ngược chiều kim đồng hồ. Mố trụ Mố bên Mố giữa Mố giữa Mố bên ồG (KN) 1408,22 2488,22 2488,22 1408,22 ồM0(KN.m) -2273,23 -18829 -18829 -2273,23 Theo công thức nén lệch tâm: smax(min) = Ta có bảng tính sau: Trong đó: ồG, ồM0 đã tính ở trên. F: diện tích mặt cắt mố trụ, đối với hai mố bên F = 15.0,5 = 7,5 (m2), mố giữa F = 15 (m2) = (m3), = (m3) : mô men chống uốn diện tích mặt cắt mố trụ. Mố trụ Bên Giữa Giữa Bên smax(KN/m2) 309 226,5 226,5 309 smin(KN/m2) 66,52 105,26 105,26 66,52 stb(KN/m2) 187,76 165,88 165,88 187,76 Pk(KN) 220,1 182,05 182,05 220,1 G4 G3 G2 G5 G1 T1 T2 Hình 8: Biểu đồ áp lực dọc mố trụ Cuối cùng lực của mố truyền cho bản đáy được coi là lực tập trung có trị số như sau: Pk = stb.b.d Trong đó : b = 1 (m) _ chiều rộng băng tính toán. d = 1 (m)_ Chiềudày mố ở đáy. k : thứ tự của mố. 2. Các lực phân bố trên băng Trọng lượng nước trong cống: q0 = gn.hh.b = 27 (KN/m) Trong đó: hh là chiều dày lớp nước tại băng tính toán Trọng lượng bản đáy: q1 = gbt.t.b = 24.1.1 = 24 (KN/m) Lực đẩy nổi: q2 = gn.hđn.b Trong đó: hđn = t + hh = 0,8 + 2,7 = 3,5 (m) q2= 10.3,5.1 = 35 (KN/m) Phản lực nền: q3 = pp.b = 60,4.1 = 60,4 (KN/m). Trong đó pp: là cường độ áp lực đáy móng tại băng tính toán 3. Lực cắt không cân bằng: Trị số: Xác định từ phương trình cân bằng tĩnh học Q + ồPk + 3l. ồqi = 0 Trong đó: Chiều dài băng đang xét 3l = 3.6,5 = 19,5 (m) ồPk =220,1 + 182,05 + 182,05 + 220,1 = 804,3(KN) ồqi = 27 + 24 - 35 – 60,4= - 44,4 (KN/m) Q = -ồPk - 3l. ồqi = - 402,15 + 19,5.44,4 = 463,65 (KN) Phân bố Q cho mố trụ và bản đáy Xác định vị trí trục trung hoà: y0 = Trong đó: ồFm = 2.0,5.9 +2.1.9 = 27(m2) : tổng diện tích mặt cắt ngang mố trụ Fbd = 19,5.1=19,5 (m2) : diện tích mặt cắt ngang móng y1 = 5 (m) : toạ độ diện tích mặt cắt ngang mố trụ y2 = 0,5 (m) : toạ độ diện tích mặt cắt ngang móng Thay vào ta có: y0= Vẽ biểu đồ mô men tĩnh: SC = FC.yC Trong đó: FC _ diện tích phần mặt cắt xét yC _ toạ độ trọng tâm mặt cắt Tính diện tích biểu đồ SC A1 = (m4) phần diện tích SC của mố trụ A2 = Fbđ.(yo-y2) = 19,5.(3,11 - 0,5) = 50,9(m4) phần diện tích SC của bản đáy Phân phối Q cho mố (Qm) và cho bản đáy (Qđ) Qm = Q. = (KN) Qđ = Q. = (KN) Phân bố đều Qm cho các mố: pK = = (KN) Phân Qđ đều cho bản đáy: q4 = = (KN/m) Tải trọng bên Đầu mảng tính toán giáp với bờ đất. Xác định phạm vi đất đắp (do đào móng) Dưới đáy: lđđ = 1 (m), hệ số mái đào m = 1,5 ; h = 10 (m) Tải trọng thẳng đứng: S = gđ.hđ.b Trong đó : gđ = 17 (KN/m3) dung trọng đất thịt hđ = 10 (m), b = 1 (m). S = 17.10.1 = 170 (KN/m) Mô men do áp lực đất nằm ngang gây ra (lấy với đáy) Mđ = E.yđ Trong đó: E _ áp lực đất ngang E = = (KN) yđ = = Mđ = E.yđ = 432,47.3,33 = 1440,13 (KN.m) Tải trọng do xe cộ: q5 = (KN/m) Khi đầu mảng tính toán tiếp giáp với các mảng khác: Sơ bộ có thể lấy tải trọng bên bằng phản lực nền của chính mảng đang xét, S’= q3 = 40,1 (KN/m). Sơ đồ ngoại lực cuối cùng gồm có: Các lực tập trung tại mố: Pb = ồPb + PK = 220,1 + 45 = 265,1 (KN) Pg =ồPg + PK = 182,05 + 45 = 227,05 (KN) Các lực phân bố đều trên băng: q = q0 + q1 + q2 + q4 = 27 + 24 – 35 – 14,55 =1,45 (KN/m) Lực bên từ phía giáp với đất: S = 170 (KN/m), Mđ = 1440,13 (KN.m), q5 = 5,13 (KN/m) Lực bên từ phía giáp với mảng khác: S = 170 (KN/m) Tính toán nội lực và cốt thép Tính toán nội lực: Sau khi phân tích lực ta tiến hành tính toán nội lực: Mô men, lực cắt, sử dụng phương pháp dầm trên nền đàn hồi. Dưới tác dụng của tải trọng công trình q(x) và phản lực nền p(x) dầm bị uốn và trục võng của nó được xác định theo phương trình vi phân : Điều kiện tiếp xúc giữa bản đáy và nền sau khi lún: w(x) = S(x) Phương trình quan hệ giữa độ lún của mặt nền với áp lực đáy móng: S(x) = f1[p(x)] hoặc P(x) = f2[S(x)] Từ hệ 3 phương trình này ta tính được nội lực của bản đáy. Tính toán cốt thép: Dựa vào nội lực đã tính được, tiết diện mặt cắt đã chọn, theo kinh nghiệm chọn đặt thép. Dựa trên các điều kiện ứng suất cho phép kiểm tra cốt thép đã chọn. Sơ đồ ngoại lực cuối cùng Phần VII: Kết luận Sau khoảng thời gian không dài, dưới sự hướng dẫn tận tình của hai thầy giáo Nguyễn Quyền , Phạn Văn Quốc em đã hoàn thành đồ án này. Qua quá trình làm đồ án em đã ôn lại được rất nhiều kiến thức đã học trên lớp. Ngoài ra nhờ sự hướng dẫn của các thầy em còn khám phá được rất nhiều điều bổ ích như cách chọn kích thước các tiết diện sao cho phù hợp với quy mô công trình, phù hợp với điều kiện chịu lực và điều kiện kinh tế. Tuy nhiên với kiến thức thực tế còn có hạn, với khoảng thời gian ngắn trong đồ án không thể tránh khỏi sự sai sót. Kính mong các thầy, các bạn sinh viên đóng góp và sửa chữa để cho đồ án được hoàn thiện. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quyền, Phạm Văn Quốc ! Hà nội, ngày 30 tháng 9 năm 2002 Sinh viên Đặng Công Cường