Đồ án Môn học thuỷ công

Đồ án môn học thuỷ công thiết kế cống lộ thiên (đề số 20) phần I: tài liệu thiết kế I- Nhiệm vụ công trình Công trình A xây dựng ven sông X để làm nhiệm vụ dâng nước tưới cho 60.000 ha ruộng.Ngăn nứơc sông vào đồng khi có lũ. Kết hợp với đường giao thông có xe 8 - 10 tấn đi qua. II- Các mực nước và lưu lượng tiêu : Lấy nước Chống lũ Qmaxlấy (m3/s) Zđầu kênh (m) Zsôngmin (m) Zsôngmax (m) Zsông max (m) Z đồngmin (m) 88 3,46 3.70 7,40 8,20 2.48 III- Tài liệu về kênh hạ lưu: Zđáy kênh = + 0,00 ; Độ dốc đáy i = 2.10 –4 Độ dốc mái m = 1,5 ; Độ nhám n = 0,025; IV- Tài liệu về gió và chiều dài truyền sóng: Tần suất P% 2 3 5 20 30 50 V(m/s) 28 26 22 18 16 14 Trường hợp Zsông bình thường Zsông max D (m) 200 300 V- Tài liệu địa chất : Đất thịt từ cao độ : + 3,5 á 0,5 Đất cát pha từ : 0,5 I -10,0; Đất sét từ : -10,0 I -30 VI- Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống Loại đất Thịt Cát pha Sét Chỉ tiêu gk (T/m3) 1,47 1,52 1,41 gNT (T/m3) 1,7 1,75 1,69 Độ rỗng n 0,4 0,38 0,45 jNT (độ) 19 0 23 0 12 0 jhb (độ) 16 0 18 0 10 0 Ctn (T/m2) 1,50 0,50 3,50 Ctn (T/m2) 1,00 0,3 2,5 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 (m2N) 2,2 2,0 2,3 Hệ số không đều h 8 9 7 VII- Thời gian thi công 2 năm Bài làm I-. Giới thiệu về công trình : 1. Vị trí, nhiệm vụ công trình : Theo dự án quy hoạch và phát triển vùng. Cống lộ A thiên xây dựng ven sông X để làm nhiệm vụ dâng nước tưới cho 60.000 ha ruộng, tiêu nước cho khu vực trên ngăn lũ từ sông vào, kết hợp làm đường giao thông 8-10 (m). 2. Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế: a/ Cấp công trình Theo tiêu chuẩn VN 5060 - 90 cấp công trình xác định dựa theo tiêu chí sau: Theo nhiệm vụ công trình : công trình có nhiệm vụ tưới cho 60.000 ha , tra quy phạm ta được cấp của công trình là : cấp II b/ Các chỉ tiêu thiết kế : Dựa vào cấp công trình (cấp II) ta xách định được: Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất tính toán: Theo bảng P1-3 ta có: P% = 0,5; Hệ số vượt tải n = 1,0: Hệ số điều kiện làm việc: Theo bảng P1-5 có m= 1,00 Hệ số tin cậy: theo bảng P1-6 có Kn = 1,2 Tần suất mực nước lớn nhất ngoài sông khai thác P% = 10%; II. Tính toán thuỷ lực cống : 1. Mục đích : Xác định khẩu diện và tính toán tiêu năng phần lập quy trình đóng mở 2. Tính toán kênh hạ lưu: Bài toán đặt ra là : Ta biết i = 2.10-4; h = 3,46 - 0 = 3,46 m; m = 1,5; n = 0,025; Q = 88 (m3/s) ; Tính B =? Dựa vào phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực f(Rln)= ; mo = 2 - m = 2 - 1,5 = 2,11 ; = 0.001354 Tra bảng 8-1 đ Rln = 2.976 (m). = Tra bảng 8-3 ta được = 6,133 ; đ b = Rln.6,133 = 2,976.6,133 = 18.25 m. Chọn b = 18,5 m. đw = (b +mh)h = (18,5+ 1,5.3,46). 3,46= 81,967m2. B = b + 2mh =18,5 + 2.1,5.3,46 = 28,88 m. ãKiểm tra lại mặt cắt đã chọn với m = 1,5 ; b = 18,5 m; h = 3,46 m. Xác định theo công thức V >[ Vkx] = k Q0.1 ; Với k = 0.53 , Q=88 (m3/s) [Vkx ]=0,53 . 880.1 = 0.829(m/s) ; V= Vậy V > {Vkx} thảo mãn điều kiện thuỷ lực: không xói, không lắng 2. Tính toán khẩu diện cống a/ Trường hợp tính toán: Chọn khi chênh lệch mức nước thượng hạ lưu nhỏ, cần tháo Qtk Chọn Zhạ lưu = Z đầu kênh = 3,46 (m). ZT lưu = Z sông min = 3,70 (m). Qtk = Qmax = 88 (m/s). z = 3,7-3,46= 0,24 (m) b/ Chọn loại đập và cao trình ngưỡng cống Chọn ngưỡng cống ngang với cao trình đáy kênh ngưỡng = 0,000(m). - Hình thức ngưỡng cống là: Đập tràn đỉnh rộng c/ Xác định bề rộng cống Sơ đồ tính toán khẩu diện cống 4444.14m H=3,70 +0 hh Zhp = 3,46 ã Định trạng thái chảy : hn = hh - P1 = 3,46- 0 = 3,46 m. Ho= H + = 3,70 + 0 = 3,70 m; = = 0,935 > ()pg = 0,7 á 0,8 đ có thể xảy ra chảy ngập : hk = hkcn (1- - 0,105.sn2) ; hkcn= = = 1,321 m ; sn = = = 0,107 đ hk = 1,321.(1- 0,107/3 - 0,105.0,1072) = 1,272 m ; = = 2,72 > ()pg = 1,2 á 1, 4 .Vậy chế độ chảy là chảy ngập Trong tính toán gần đúng bỏ qua Zhp đ h =hn = 3,46 m. ãTính bề rộng cống ồb Từ công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập co hẹp bên: Q = jn. jg. ồb.h Trong đó: Q= 88 m3/s ; g=9,81 m 3/s ; Ho = 3,70 m ; h = 3,46 m. Chọn cửa vào rất thuận. Tra bảng cumin 14-12 ta có: m = 0,37.bảng 14-13 jn= 0,98 jg : hệ số co hẹp bên ; jg = 0,5 e0 +0,5 Sơ bộ định trước e0 = 0,95đ jg = 0,5 .0,95 +0,5 = 0,975 đ ồb= = 12,26 m vậy chọn sơ bộ ồb = 12.5 (m) Chia làm 3 khoang và chiều dày của mố giữa d= 1 m, mố bên d' = 0.5 m. Suy ra e0’ = = = 0,862 ; jg = 0,5 e0 +0,5đ eg’ = 0,5.0,862 + 0,5 = 0,931 ; Tính lại ồb = m. Chọn ồb =13,5 m. chia làm 3 khoang mỗi khoang rộng bi = 4,5 m , mố trụ dày d = 1 m , mố bên dày d’ = 0.5 m. Kiểm tra lại trạng thái chảy đã định ở trên Ta có: q = = = 6,519 m3/s.m. đ hk == 0,614 m ; đ = = 5,635 > ()pg . Trạng thái chảy ngập không cần tiêu năng với Qtk 3. Tính toán tiêu năng phòng xói : Trường hợp tính toán : Khi lấy nước lưu lượng qua cống với chênh lệch mực nước thượng , hạ lưu lớn nhất. Zmaxsông = 7,40 m ; ZminđồngNó phụ thuôc vào lưu lượng lấy .ở đây tính với trường hợp đơn giản mở đều tất cả các cửa cống Lưu lượng tính toán tiêu năng: Mực nước hạ lưu phụ thuộc vào lưu lượng lấy , để xác định lưu lượng tính toán tiêu năng ta cần tính với các cấp lưu lượng từ Qmin Qmax , với mỗi cấp Qi cần xác định độ mở cống a , độ sâu hc”, độ sâu hh . Lưu lượng tính toán tiêu năng là lưu lượng cho ta hiệu số (hc” - hh)max với các cấp lưu lượng Từ Qmin Qmax Tìm hh từ mặt cắt lợi nhất về mặt thuỷ lực , ta có ứng với mỗi giá trị Qi cho ta một giá trị hh Tính hc’’ : giải theo bài toán phẳng E0 = p + Ho , Po = 0 suy ra Eo = Ho = 3,7 (m) Ta có : Eo = Ho + P = 3,70 + 0 = 3,70 m ; F (tc) = ; hc” =tc”.Eo ; hc =tc.Eo Với đập tràn đỉnh rộng ta tính với trường hợp j = 0,9 ; -xác định độ mở cửa cống ứng với các cấp lưu lượng : Nếu hc’’>= hh chảy không ngập khi đó công thức xác định lưu lượng qua cống là Q= j* ồb*hc* j = 0,9 ~ 1 cống ngang bằng đáy kênh H= Ho , hc = e*a , có hc , e ta có a cần tìm Nếu hc’’< hh chảy ngập khi đó công thức xác định lưu lượng qua cống Q= Q= j* ồb*hc** ồb*hc* . hz + A* - B = 0 A=2**ao*j*q ; B= hh+ Kết quả tính toán tiêu năng được cho như bảng sau Bảng Tính Toán chiều sâu nước hạ lưu hh Q(m3/s) f(Rln) R(ln) b/Rln h/Rln hh 88 0.00135 2.976 6.2164 1.155 3.43728 80 0.00149 2.872 6.4415 1.133 3.263 70 0.00170 2.73 6.7766 1.1074 3.0232 60 0.00199 2.577 7.1789 1.074 2.7673 50 0.00238 2.4 7.7083 1.038 2.491 40 0.00298 2.21 8.3710 0.99 2.1886 30 0.00397 2 9.2500 0.925 1.8502 20 0.00596 1.71 10.8187 0.848 1.4579 10 0.01191 1.32 14.0152 0.7324 0.9668 Bảng tính toán tiêu năng sau cống Q q Eo hc'' hc hh hc''-hh a 88 6.519 7.4 0.3598 0.4610 0.0849 3.411 0.628 3.437 -0.026 0.617 1.018 80 5.926 7.4 0.3271 0.4425 0.0769 3.275 0.569 3.263 0.012 0.617 0.922 70 5.185 7.4 0.2862 0.4174 0.0669 3.089 0.495 3.023 0.066 0.616 0.804 60 4.444 7.4 0.2453 0.3897 0.0570 2.884 0.422 2.767 0.116 0.615 0.686 50 3.704 7.4 0.2044 0.3513 0.0450 2.600 0.333 2.491 0.109 0.614 0.542 40 2.963 7.4 0.1635 0.3241 0.0388 2.398 0.287 2.189 0.210 0.614 0.468 30 2.222 7.4 0.1227 0.2889 0.0329 2.138 0.243 1.850 0.288 0.613 0.397 20 1.481 7.4 0.0818 0.2342 0.0187 1.733 0.138 1.458 0.275 0.612 0.225 10 0.741 7.4 0.0409 0.1665 0.0927 1.232 0.686 0.967 0.265 0.612 1.122 Từ bảng kết quả tính toán ta thấy lưu lượng tính toán tiêu năng ứng với (hc’’-hh)max = 0.288 Từ đó ta thấy Qtn = 30 (m/s) có Ho = 7.4 (m); hc’’=2.138; hh = 1.85(m); a= 0.397(m) Tính toán thiết bị tiêu năng: ãChọn biện pháp tiêu năng : Có thể đào bể, xây tường hoặc đào bể xây tường kết hợp. Trong trường hợp này cống đặt trên nền đất,biện pháp đào bể thường hợp lý hơn các biện pháp khác. Vậy ta chọn hình thức tiêu năng ở đây là đào bể. ã Tính toán bể tiêu năng : *Chiều sâu đào bể d: d = s.h”c - (hh + Z2) ; Trong đó : s = 1,1 (hệ số ngập) hc” :Độ sâu liên hiệp sau nước nhảy; hh :Mực nước hạ lưu, hh = 1,85 m; Z2 :chênh lệch đầu nước và cuối bể vào kênh Z2 = - (1) Vì hc” và Z2 đIều phụ thuộc vào d nên phải tính gần đúng theo phương pháp thử dần *Giả thiết : do = hc’’-hh = 2,138- 1,85 = 0.288 (m) Thì Eo’ = Eo + do = 7,4 + 0.288 = 7,688 m. ( Eo = Ho + P với P = 0 ) F (tc) = = = 0,1158 ị tc” = 0,286; tc = 0,03107 ; ị hc” =tc”.Eo = 0,286.7,688 = 2,199 m; hc = 0,03107.7,688 = 0,.239 m. Thay các giá trị vào biểu thức (1) ta được : Z2 = - = do' = 1,1.2,199 - (1,85 + 0,0385) = 0,53 m. Ta thấy do ạ do' do đó ta chọn lại d , giả sử lại d = 0,55 (m). Thì Eo’ = Eo + do = 7,4 + 0,55 = 7,95 m. ( Eo = Ho + P với P = 0 ) F (tc) = = = 0,11 ị tc” = 0,284; tc = 0,0296; ị hc” =tc”.Eo = 0,284.7,95 = 2,258 m; hc = 0,0296.7,95 = 0,.235 m. Thay các giá trị vào biểu thức (1) ta được : Z2 = - = do' = 1,1.2,258 - (1,85 + 0,0407) = 0,593m. Ta thấy do ằ do' do đó ta chọn d = 0.6 (m) H E0 =H0 d0 hh E0 Chiều dài bể tiêu năng lb lb = l1 + 0,7ln Trong đó l1 : chiều dài nước rơi từ ngưỡng xuống sân tiêu năng có thể tính theo công thức Trectôuxôp: l1 = 2. hk ằ 2/3.Ho = 2/3.7,4 = 4,933(m). l1 = 2.= 5,837 m. ln = 4,5 (hc” - hc) = 4,5.(2,258 - 0,235) = 9.1 m. Vậy lb = 4,933 + 0,7.9,1 = 11,3 m. Vậy ta chọn chiều dàI bể là : lb = 11,5 (m) III. Bố trí các bộ phân thân cống : 1. Thân cống: a.Cửa van: Vì kích thước của khoang cống b = 4.5 m, do đó chọn của van phẳng b. Tường ngực : Bố trí để giảm chiều cao van và lực đóng mở *Các giới hạn của tường : - Cao trình đáy tường: Zđt = Ztt + d Trong đó: Ztt là mực nước tính toán khẩu diện cống, tức cần đảm bảo ứng với trường hợp này khi mở hết cửa van chế độ chảy qua cống là không áp Ztt = Zsông min = 3,7 m đ Zđt = 3,7+ 0,5 = 4,2 m. - Cao trình đỉnh tường : Lấy bằng cao trình đỉnh cống xác định bằng trị số lớn nhất theo 2 điều kiện sau: Z1 = MNDBT + Dh + hs + a (1) Z2 = MNDGC +Dh’+ hs’ + a’(2) Trong đó : Dh , hs xác định với vận tốc gió tính toán lớn nhất Dh’, hs’ xác định với vận tốc gió bình quân lớn nhất a, a’ : Độ vượt cao an toàn Trường hợp xác định với vận tốc gió tính toán lớn nhất: Z1 = MNDBT + Dh + hs + a - a: độ vượt cao an toàn theo quy phạm a = 0,5 m; - Xác định Dh: Dh = 2.10-6.*cosa V : Vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P = 2% đ V = 28 m/s; D: Đà gió ứng với MNDBT ta có D = 200 m; H: Cột nước phía trước cống : H= 4,3 m; đ Dh = 2.10-6 = 0,0043 m. - Xác định hs : Độ dềnh cao nhất của sóng hs = khs . hs1% Giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu H > 0,5l Từ đ (I) = 7568 đ (II) (Thời gian gió thổi liên tục t = 6h) chọn cặp nhỏ (I) - Bước sóng trung bình xác định theo công thức = 3.438 m. Ta thấy H = 7,4 m > 0,5 = 1.72 m. Vậy giả thiết ở trên sóng nước sâu là đúng + Chiều cao sóng ứng với mực nước đảm bảo P= 1% xác định theo công thức: h1% = k1%. Từ đ tra đồ thị P2-2 đ K1% = 2,0 đ h1%= 2,0.0,24 = 0,48 m. + Độ dềnh cao của sóng: hs = khs.h1% Từ = 0,1396 và = 0,465 tra đồ thị P2-4 đ khs = 1,225 đ hs = 1,225.0,48 = 0,588 m. Thay các giá trị vào (1) ta có: Z1= 7,4 + 0,0043 + 0,588 + 0,5 = 8,4923 m. * Trường hợp 2: Z2 = MNDGC +Dh’ + h’s + a’ - Độ cao an toàn a’ = 0,4 m; - với V’ = VP20% = 18 m/s D’= 300 m H = MNDGC - ẹđáy = 8,2 m đ -Xác định h’s : Để xác định độ dềnh cao nhất của sóng trước hết ta giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu H > 0,5 đ đ Ta chọn cặp: đ = 0,192 m. = 1,43 đ = 3.198 đ H > 0,5 = 1,60 m. Vậy giả thiết sóng nước sâu là đúng +Chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1%: h1%=k1% h Từ = 9.08 đ Tra đồ thị P2-2 đ k1%=2,01 đ h1% =2,01.0,192 = 0,386 m. +Độ dềnh cao của sóng : hs’= khs.h1% Từ = 0,12 và = 0,39 tra đồ thị P2-4 đ khs= 1.225 đ hs’=1.225.0,386 = 0,473 m. Thay các giá trị vào ta được Z2 = 8,2 + 0,0024 + 0,473 + 0,5 = 9,175 m So sánh Z1 ,Z2 , ta lấy Z2 làm cao trình đỉnh tường ngực ẹđỉnh= Z2 = 9.2 m ẹđáy = 4,2 m Và cao trình đỉnh cống cũng là cao trình đỉnh tường ngực ẹ đỉnh cống = 9,2 (m) ãKết cấu của tường : gồm bản mặt và các dầm đỡ. -Bố trí hai dầm đỡ: ở đỉnh tường và đáy tường -Bản mặt đổ liền khối với dầm chiều dày bản mặt chọn sơ bộ bằng 20 cm. c-Cầu công tác Là nơi đặt máy đóng mở và thao tác van. Cao trình cầu công tác và kết cấu được chính xác bởi tính toán kết cấu phần sau. d-Khe phai và cầu thả phai : ta bố trí ở đầu và cuối cống để đảm bảo khô ráo cống khi sửa chữa . e- Cầu giao thông : cao trình cầu đặt ngang đỉnh cống , chiều rộng cầu lấy theo yêu cầu về giao thông . f- Mố cống : Bao gồm mố giữa và các mố bên, trên mố bố trí khe phai và khe van. -Chiều dày mố giữa sơ bộ chọn d=1m, mố bên d = 0.5m. -Chiều cao mố chọn không thay đổi từ thượng lưu về hạ lưu i-Khe lún: Vì cống có bề rộng lớn ồb=13,5 m chia làm 3 khoang do đó không cần dùng khe lún và ta tính cho một mảng g- Bản đáy: Chiều dài bản đáy cần thoả mãn điều kiện thuỷ lực, ổn định của cống và yêu cầu bố trí kết cấu bên trên. Chiều dày bản đáy cống chọn theo điều kiện bố trí các kết cấu bên trên và tính chất nền. Chọn theo kinh nghiệm, ta chọn chiều dày đáy là 1m, chiều dài bản đáy l = 15,0m, sau đó chính xác hoá bằng tính toán kết cấu bản đáy. 2. 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 chọn như sau a-Sân trước: -Vật liệu được dùng làm sân là: đất sét -Chiều dài sân : Ls < (3á4) H trong đó H:cột nước tác dụng H= 3.7 m ở đây ta chọn Ls= 4H = 4.3,7 = 14,8 do đó ta chọn Ls = 15 m. +Chiều dày đầu sân :Được lấy theo điều kiện câú tạo t1 = 0,6 m +Chiều dày cuối sân: xác định theo yêu cầu chống thấm t2 ỏ trong đó: DH: độ chênh lệch cột nước ở 2 mặt sân (trên và dưới) [J]: građien thấm phụ thuộc vào vạt liệu làm sân thường lấy 4á6, ta lấy J = 4 đt ³ = 0,06 lấy t2 = 1m Vậy t1 = 0,6 m t2 = 1m b-Bản cừ: ãVị trí đặt: Cống chịu đầu nước 2 chiều ta đóng cừ ở phía nước cao hơn ã chiều sâu đóng cừ: Chiều sâu đóng cừ phụ thuộc vào chiều dày tầng thấm, vật liệu làm cừ và điều kiện thi công. ở đây ta thấy tầng thấm không dày nên ta đóng cừ cắt ngang tầng thấm đầu sân trước đóng cừ sâu 2,5 (m), đoạn tiếp giáp sân trước với bản đáy đóng cừ sâu 5 m , đoạn cuối bản đáy đóng cừ sâu 1,5 m . c- Chân khay: ở 2 đầu bản đáy ta làm chân khay cắm sâu đóng cừ để tăng ổn định và góp phần kéo dài đường viền thấm. Kích thước chân khay chọn như hình vẽ t1=0,6 S=2,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,5 d-Thoát nước thấm: Các lỗ thoát nước thấm thường bố trí ở sân tiêu năng: dưới sâu, khi đó phải bố trí tầng lọc ngược. Đường viền thấm được tính đến vị trí bắt đầu có tầng lọc ngược. Trong trường hợp này vì cống làm việc với cột nước hai 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 ngắn khi cột nước đổi chiều. e-Sơ bộ kiểm tra chiều dài đường viền thấm: Dựa vào công thức Ltt ³ C.H Trong đó : H = 3,7 m C = 5,0 Dựa vào bảng P3-1 đ C.H = 5*3,7 = 18,5 m Ltt = Lđ + Lđ = 0,6 + 2,5 + 2,5 + 1,5 + 0,5 = 7,6 m Ln =15 + 15 =30 m m = 1,0 á 1,5 chọn m = 1 đLtt = 7,6 + 30 = 34,6 m. Ta thấy Ltt > C.H = 18,5 m Vậy chiều dài đường viền thấm đã đủ dài để đảm bảo độ bền thấm chung. 3- Nối tiếp với thượng hạ lưu a-Nối tiếp thượng lưu Góc mở của đường phía trước chọn với tgq =1/3 . Hình thức thức tường cánh phụ thuộc quy mô cống, có thể là tường thẳng, tưòng xoắn vỏ đỗ. Đáy đoạn nối tiếp thượng lưu cần có lớp phủ chống xói bằng đá xây khan dày 0,5m. Phía dưới lớp đá bảo vệ có tầng đệm bằng dăm cát dày 10cm. b- Nối tiếp hạ lưu -Tường cánh: +góc mở chọn tgq = 1/5 + Hình thức giống tường cánh thượng lưu -Sân tiêu năng: bằng bê tông đổ tại chỗ có bố trí lỗ thoát nứơc. Chiều dày sân được xác định theo công thức Đônbrốpxki: t = 0,15 V Trong đó: V1, h1 là lưu tốc và chiều sâu chỗ đoạn đầu nước nhảy - Sân sau : làm bằng đá xếp hoặc lỗ bê tông có đục lỗ thoát nước, phía dưới có tầng đệm theo hình thức tầng lọc ngược. Chiều dài sân sau xác định theo công thức kinh nghiệm: Lss = k. Trong đó : DH : Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu = Zsôngmax – Zdồng = 4,92 m k: Hệ số phụ thuộc tính chất lòng kênh , k = 10 q: lưu lượng đơn vị ở cuối sân tiêu năng, q = Q: lưu lượng tháo, Q = 88 m3/s; btn: bề rộng đáy kênh ở cuối sân tiêu năng, btn = Sb + Sd + 2* tgq.Lstn b =18,5 + 3 + 2*11,5*1/3 = 29,16 m. q= 3,017 m3/ms Lss = 10 = 25,86 m. Vậy ta chọn Lss = 26 m IV. Tính toán thấm ở dưới đáy cống 1. Những vấn đề chung: a-Mục đích: Xác định lưu lượng thấm q, lực thấm đẩy ngược lên đáy cống Wt và građien thấm J, ở đây do đặc điểm của cống chỉ yêu cầu xác định Wt , J b-Trường hợp tính toán: Tính toán cho trường hợp chênh lệch cột nước thượng hạ lưu là lớn nhất c-Phương pháp : Dùng phương pháp đồ giải vẽ lưới thấm bằng tay ta có. Hình 4 : Sơ đồ lưới thấm + Số dải thế n = 18; + Số ống dòng m = 4 Cột nước tổn thất của mỗi dải DH = = 0,318 m Cột nước thấm tại một diểm x bất kỳ cách đường thế cuối cùng i dải hx = i. DH Ta xác định được: HA = 8,8.0,318 = 2,798 m. HB = 4.0,318= 1,272 m. đ Biểu đồ áp lực thấm được vẽ như hình vẽ . -Tính áp lực thấm : Lực thấm tác dụng lên bản đáy cống là : Wt = g. .l = 1. .15 = 30,53 (T/m). áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược tác dụng lên bản đáy là: Wtt = g.( h+ t) L = 1 . (2,48+1,5) . 15 = 59,7 (T/m). Tổng áp lực thấm đẩy ngược tác dụng lên bản đáy cống là: Wthấm = Wt + W tt = 30,53 + 59,7 = 80,23 (T/m). -Xác định građien thấm tại cửa ra: JTb = Tại điểm I đ DS = 0,752 đ JITb = 0,423 Tại diểm II đ DS = 1,105đ JIITb = 0,288 Tại diểm III đ DS = 1,83 đ JIIITb = 0,174 Vẽ biểu đồ građien thấm tại mặt cắt cửa ra(hình vẽ) 2. Kiểm tra lại độ bền thấm của nền: a-Kiểm tra lại độ biền thấm chung: JTb Ê Trong đó : Jtbk : građien cột nước tới hạn tính toán (lấy theo bảng 2 tiêu chuẩn) Jtbk =0,25 kn = hệ số tin cậy ; kn = 1,2 JTb:građien cột nước thấm trung bình trong vùng thấm tính toán JTb = H là cột nước tác dụng , H = 8,2 – 2,48 = 5,76 m Ttt: chiều sâu tính toán của nền , Tt= 10 (m) ồx : tổng hệ số cản của đường viền thấm , tính theo phương pháp trugaep. ồx = xv + xr + xg + xn’ + xn” n: xv = = = 1,06 = = 0,806 + xgiữa = = 1,559 +xn’:ta có l1 = 15m > 3,75m l2 = 15m > 3,75m Khi đó: xn’= ; xn” = Vậy Sx =1,06+ 0,806+ 1,559 + 0,75+0,783 = 4,958 đ JTb = < đ Thoả mãn độ bền thấm chung b-Kiểm tra độ bền thấm cục bộ. Jra Ê Jk Trong đó: Jra trị số građien cục bộ ở cửa ra xác định theo kết quả tính toán ở trên Jk građien tới hạn cục bộ Theo tiêu chuổn đã nêu nên Jk cần xác định theo thí nghiệm mô hình hoặc ỏ hiện trường. Vì ở đây chưa có tài liệu dựa vào hệ số không đều hạt h = d60/d10 . ta có = 9 tra bảng ta có Jgh = 0.6 So sánh ta thấy Jra max = 0,423 > = 0,4 Vậy đất nền đoạn đầu cửa ra cần xử lí chống xói lở cụ bộ bằng cách dùng tầng lọc ngược để tránh hiện tượng trôi đất. V. Tính toán ổn định cống: 1. Mục đích và trường hợp tính toán : a-Mục đích: Kiểm ta ổn định của cống về trượt lật, đẩy nổi. Trong đồ án này chỉ giới hạn tính toán trong việc kiểm tra ổn định trượt. b- Trường hợp tính toán: Chỉ tính toán với trường hợp là khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu cống lớn nhất. 2. Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn a- xác định các lực tác dụng lên mảng tính toán: ãCác lực đứng: Bao gồm trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai,cửa van tường ngực ,mố cống ,bản đáy , nước trong cống ,phần đất giữa 2 chân khay(trong phạm vi khối trượt ) , các lực đẩy ngược ( lực thấm , lực thuỷ tĩnh) . ãCác lực ngang: áp 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) b- Xác định áp lực đáy móng: Theo sơ đồ nén lệch tâm Trong đó: SP-tổng lực đứng; SMo- tổng mô men các lực tác dụng lên mảng lấy đối với tâm mảng; F- Diện tích đáy mảng, F = 15.13,5 =202,5 m2 ; W-Mô đun chống uốn của đáy mảng, W = = 680,625 m3. 15m 0,5 0,5 0,5 05 0,5 1,5 *Xác định các lực tác dụng Các lực đứng : -Trọng lượng đứng của bản đáy: Chiều rộng bản đáy B=13,5 + 2 + 1=16,5 (m) +Diện tích mặt cắt ngang của bản đáy dọc theo chiều dàI cống. S= 15.1 + 2. (1/2*0,5*0,5) + 2*(0,5*0,5) = 15,75 m2 +Khối lượng bản đáy: Gđ = gV = g.S.B = 2,4.15,75.16,5 = 623,7 (T). -Trọng lượng trụ giữa : +Chiều cao trụ pin: H = 9,2 - 1 = 8,2 m. +Diện tích mặt cắt: F = 15.1 + p.0,52 = 15,78 m2. +Thể tích trụ V = F.H = 15,78*8,2 =129,4 m3. đ G trụ giữa = 2,4*129,4 = 310,55 T. Vậy 2G trụ giữa = 621,1 (T). -Trọng lượng trụ bên: +Diện tích mặt cắt: F = 0,5.15 +1/2( p.0,5) = 7,89 m2. Gtb = g.H.F = 2,4.8,2.7,89= 155,28 (T). Vậy 2G tb = 310,55(T) -Trọng lượng cầu giao thông 1m 4m 1m 0,2m 0,3 0,3m 0,3m 0,3m +Chiều dài cầu: L = 16,5 m. +Diện tích mặt cắt ngang: F = 2.0,2.1 + 2.0,3.0,3 +4.0,3 = 1,78 m2. đ Ggt =g.L.F = 2,4.16,5.1,78 = 70,5 ( T) . 0,5 2m 0,5 0,3,3 0,25 0,2 -Trọng lượng cầu công tác: +diện tích khung đỡ: F1 = 2.(6,5.0,25 +0,25.1,5) = 4 m2. + Chiều dài cầu: L = 13,5 + 0,5 + 0,5+2 = 16,5 m . + Thể tích khung đỡ : V1= 4.16,5 = 66 m3. 6,5m +Thể tích bản mặt : V2 = 3*0,2(13,5 +2* 0,5 + 2*1 ) = 9,9 m3. đ V =V 1 + V 2 = 75,9 m3. đ Gcầu = g.V = 2,4.75,9 = 182,16 T. 0,25 -Trọng lượng cửa van: làm bằng thép G = g*H*lo Với g : trọng lượng trung bình của 1m cửa van được xác định như sau: . g = 600.(-1) (N/m) H – chiều cao cửa van , H = 4,2 + 0.5 = 4,7 m H0 _ cột nước tính đến tâm cống . . l _ Chiều rộng cống , l = 4,5 m l0 _ chiều rộng cửa van , l0 = 4,5 + 0,3 = 4,8 (m) thay số vào ta có : Ho = 4,2/2 =2,1 (m), l = 4,5 m g = 600.(-1) = 1494,27(N/m) = 1,494 (KN/m). G = 1,494*4,7*4,8 = 33,7 (T) do có 3 cửa cống do đó có 3 cửa van nên trọng lượng các cửa van là: G cvan = 3*33,7 = 101,1(T) 1-Trọng lượng nước trong cống: Trọng lượng nước tác dụng lên 1 khoang cống Gn 1 = V.gn = 13*4,5*2,48 = 145,1 T Vậy 3Gn = 435,3 T Trọng lượng nước phía trước cống tác dụng lên bản đáy . Gn2 = V*g = 13,5*2*8,2*1 = 221,4 (T) -Trọng lượng tường ngực: Gtn = g.V Chiều dài của tường L = 16,5 m 0,3 Diện tích mặt cắt ngang F = 5*0,3+2*(0,3*0,3) = 1,68 m Gtn = g.V = 2,4* 1,68*16,5 = 65,53 (T) Vậy G tn = 65,53 (T) 5,0 áp lực thấm = 503,7(T) 0,3 -áp lực thuỷ tĩnh: W tt =gn.(H2+t).Lc.b = 1.(2,48+1,5).15.16,5 = 985,1 (T) Các lực ngang: gồm có: -áp lực nước thượng lưu: W= g* H*b = 1*0,5*8,2*16,5 = 554,73 (T) -áp lực nước hạ lưu: WHL=gn.Hh2.b/2 = 1*2,48*16,5 * 0,5 = 50,74 (T) -áp lực chủ động ở chân khay thượng lưu: Chân khay thượng lưu chia làm 2 lớp . lớp trên là sét dày 1 m, lớp dưới Là cát pha dày 0,5 m - áp lực đất chủ động lớp phía trên là. Với k c = tg2(450- j/2) = tg2(45 - 10/2) = 0,704 q = gn.H1 = 1.8,2 = 8,2 T/m. C = Cbh = 2,5T/m2; gđ = gđn = gk - (1- n) = 0,86 T/m3; H = 1 m = 31 (T/m) - áp lực đất chủ động lớp phía dưới là.( lớp cát pha). Với k c = tg2(450- j/2) = tg2(45 - 18/2) = 0,528 q = gn.H1 = 1.8,2 = 8,2 T/m. C = Cbh = 0,3T/m2; gđ = gđn = gk - (1- n) = 0,9 T/m3; H = 0,5 m =33,1 (T) tổng áp lực đất chủ động là : Ecđ = Ecđ1 + Ecđ2 = 31 + 33,1 = 64,1 (T) -áp lực đất bị động ở chân khay hạ lưu: kb= tg2(45 +18/2) = 1,894 q = kn.H2 = 1.2,2 = 2,48 = 119 (T/m) phần đất giữa 2 chân khay : W ck = g * F* b = 0,9**0,5*16,5 = 92,8 (T/m) Kết quả tính toán các lực được tổng hợp ở bảng dưới ( trang sau): Bảng Kết quả tính toán các lực tác dụng STT Tên lực KH SP(T) ST(T) Tay đòn (m) SM P+ (Tm) ¯(+) ư(-) đ(+) ơ(-) 1 Bản đáy Gđ 623,7 0 0 2 Trụ giữa Gtp 621,1 0 0 3 Trụ bên Gtb 310,55 0 0 4 Cầu giao thông Ggt 70,5 4,5 -317,25 5 Tường ngực Gtn 65,53 4,2 -275,23 6 Cầu công tác Gct 182, 16 3 -546,48 7 Cửa van Gcv 101,1 4,2 -424,62 8 Nướctrongcống Gn1 435,3 0 0 9 Nước trước cống Gn2 221,4 4,5 -996,3 10 áp lực thấm đoạn hình chữ nhật Gth cn 314,82 0 0 áp lực thấm đoạn hình tam giác GTG 188,84 2,5 472,1 11 áp lực thuỷ tĩnh Wtt 985,1 0 0 12 Ap lực nước thượng lưu WnTL 554,73 2,73 1514,41 13 Ap lực nước hạ lưu WnHL 50,74 0,827 -41,96 14 áp lực đất bị động EbHL 119 1,0 119 15 áp lựcđấtchủđộng EcTL 64,1 1,0 -64,1 16 áp lực đất trong chân khay Wck 92,81 0 0 Tổng 2724,15 1488,8 618,83 169,74 -560,43 1235,35 449,09 Xác định áp lực đáy móng : theo sơ đồ nén lệch tâm = ; Với _ Tổng lực đứng ; = 1235,35(T) _ Tổng mô men các lực tác dụng lên đáy mảng ; = -560,43(T.m) F _ diện tích đáy mảng ; F = 15*16,5 = 247,5 (m2). W_ mô đun chống uốn của đáy mảng; W = = = 680,63(m3) = = 5,815(T/m2) , = 4,168 (T/m) ứng suất đáy móng bình quân : = (5,9+5,286)/2 = 4,992 (T/m) c-Phán đoán khả năng trượt: Xét 3 điều kiện: - Chỉ số mô hình: Trong đó: +B:Chiều rộng mảng , B = 15 m +g1 : Dung trọng đất nền (dung trọng đẩy nổi) ; g1 = 0,9 = 1 (cát chặt ) đ -Chỉ số kháng trượt: tgy = tgj + CI/stb > 0,45 j: góc ma sát trong = 180 CI: lực dính đợn vị của đất nền = 0,3 T/m2. tgy = tg18 +0,3/4,992 = 0,385 < 0,45 _ hệ số mức độ cố kết : Cv = 4 Kt – hệ số thấm ; kt = 2*10(m/s) e _ hệ số rỗng của đất tự nhiên ; e = 0,61 t - thời gian thi công công trình , t =2*365*24*3600 = 63072000(s). a – hệ số nén của đất , a = 2 (m/N) - dung trọng của nước , = 10000(N/m) h -chiều dày tính toán của lớp cố kết , h = 10 m Cv = = 1,015*10< 4 Do không đồng thời thoả mãn cả 3 điều nên có thể xảy ra cả trượt hỗn hợp, trượt sâu và trượt phẳng , trong đồ án này ta chỉ xét cho trường hợp trượt phẳng d- Tính toán trựot phẳng: ổn định của cống về trượt được đảm bảo khi thoả mãn điều kiện sau: nc.Ntt Ê (*) Trong đó: nc:: Hệ số tổ hợp tải trọng , nc=1 m: Hệ số điều kiện làm việc , m = 1 kn: Hệ số tin cậy = 1,2 Ntt: Giá trị tính toán của lực tổng quát gây trượt Ntt= WTL + EcTL - Whl = 554,73 + 64,1 – 50,74 = 568,09 (T). R: Giá trị tính toán của lực chống trượt giới hạn R = SP.tgjI + m1Ebhl +F.C1 = 1235,35.tg18 +0,7.119 + 247,5.0,3 = 558,94 T. Thay vào (*) ta được : nc.Ntt = 568,09 < = = 465,78 (T) đ Kết luận: Cống có thể bị trượt phẳng , do đó cần có biện pháp xử lí thích hợp để tránh trượt phẳng như tăng chiều sâu chân răng cắm vào nền , tăng kích thước bản đáy lên , đóng cọc ghim bản đáy xuống . . . VI. Tính toán kết cấu bản đáy cống : 1. Mở đầu: a- 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 yêu cầu tính với 1 trường hợp : khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất ( trường hợp đã tính toán ổn định ở trên) b- Chọn băng tính toán: Trong đồ án này yêu cầu tính cho 1 đoạn băng cống b = 1m ở phía sau cửa van 2. Tính toán ngoại lực tác dụng lên băng đã chọn. Trên 1 băng của mảng các ngoại lực tác dụng lên mảng đáy bao gồm: lực tập trung từ các mố, lực phân bố trên băng và các tải trọng bên. a - Lực tập trung từ các mố : Là tổng hợp của áp lực đáy các mố trong phạm vi của băng đang xét Sơ đồ tính toán lực của mố truyền cho bản đáy như hình vẽ -G1, :Trọng lượng các của mố. -G3 : Trọng lượng tường ngực -G4 :Trọng lượng cầu công tác -G5 :Trọng lượng cầu giao thông -G6  :Tải trọng do người và xe cộ trên tàu -T1,T2 : áp lực nước ngang từ thượng, hạ lưu truyền qua khe van (khi đóng van) Bảng tính các lực tác dụng lên mố Loại mố Trị số các lực tác dụng lên mố G1 G3 G4 G5 G6 T1 T2 Mố giữa 310,55 21,78 60,72 23,5 3 184,91 16,91 Mố bên 155,28 10,89 30,36 11,75 1,5 92,46 8,46 Thành lập bảng tính như sau Mố giữa Mố bên Tải trọng Trị số Tay đòn MoP+ Tải trọng Trị số Tay đòn MoP+ G1 310,55 0 0 G1 155,28 0 0 G3 21,78 4,2 -91,48 G3 10,89 4,2 -45,74 G4 60,72 3,0 -182,16 G4 30,36 3 -91,08 G5 23,5 4,5 105,75 G5 11,75 4,5 52,86 G6 3,0 4,5 13,5 G6 1,5 4,5 6,75 T1 184,91 2,733 505,36 T1 92,46 2,733 252,69 T2 16,91 0,827 -13,98 T2 8,46 0,827 -6,996 419,55 336,99 209,78 168,48 ứng suất thẳng đứng ở đáy mố xác định theo công thức nén lệch tâm. - tổng lực thẳng đứng , - tổng mô men ngoại lực lấy đối tâm đáy mố F – mô men chống uốn của đáy mố *Tính cho mố bên Fmb = 0,5.15 = 7,5 (m2) Wmb = d.l2/6 = 0,5.152/6 = 18,75 (m3) = 209,78 , = 168,48Tm Từ biểu đồ ứng suất đáy móng ta xác định được trị số bình quân Pk ở giữa băng tính toán: Pk = 29,269 (T) đLực tác dụng của mố bên truyền cho bản đáy coi là lực tập trung có trị số như sau: P’kb = Pk.b.d với : b: chiều rộng băng tính toán , b=1m d: chiều dày mố, d = 0,5m P’kb = 29,269*1*0,5 = 14,64 (T) *Mố giữa: Fmg = 15*1 = 15 (m2) Wmg = d.l2/6 = 1.152/6 = 37,5 (m3) Từ biểu đồ ứng suất đáy móng ta xác định được trị số bình quân Pk ở giữa băng tính toán: Pkg = 31,33 (T/m) đLực tác dụng của mố giữa truyền cho bản đáy coi là lực tập trung có trị số như sau: P’kg = Pkg.d.b (b=1m, d = 1m) P’kg = 31,33*1*1 = 31,33 (T/m) b-Các lực phân bố trên băng: -Trọng lượng nước trong cống: qo = go.hn.b trong đó: hn: chiều dày lớp nước tại băng tính toán, hn = 2,48 m b=1m, đqo = 1*2,48*1 = 2,48 (T/m) -Trọng lượng bản đáy: q1 = gb*t*b Trong đó: gb -Dung trọng bê tông = 2,4(T/m) t: Chiều dày bản đáy tại băng tính toán t = 1,5 (m) đ q1 = 2,4*1,5*1 = 3,6 (T/m) -Lực đẩy nổi (lực thấm và lực thuỷ tĩnh) q2 = gn.hđn.b hđn : Cột nước đẩy nổi taị băng tính toán hđn =htt + ht = (2,48+1,5 ) + 1,272 +1,017 = 6,269 (m) đ q2 = 1*6,269*1 = 6,269 (T/m) -Phản lực nền (sơ bộ coi là phân bố đều) q3 = Pp.b Pp : cường độ áp lực đáy móng tại băng tính toán đqp = 4,684 (T/m). q3 =4,684.1 = 4,684(T/m) c- Lực cắt không cân bằng: (Q) *Trị số: xác định từ phương trình cân bằng tĩnh: Q + SPk + 2*l*Sqi = 0 Trong đó: 2l: là chiều dài băng tính toán đang xét, 2l =16,5 (m) SP’k = P’kb + P’kg = 12,74 +27,9 = 40,64(T) Sqi = qo + q1 + q2 + q3 = 2,48 + 3,6 - 6,296- 4,684 = -4,9 (T) đQ = 4,9*15- 40,64 = 32,86 (T) *Phân phối Q mố và bản đáy: -Vị trí trục trung hoà: Yo= Vẽ biểu đồ mô men tĩnh Sc của băng tính toán Sc = Fc.yc Trong đó: Fc: diện tích phần bị cắt yc :khoảng cách từ trọng tâm phần diện tích cất đến trục trung hoà. Xét 2 phần Phần 1: Bản đáy Phần 2: Tường mố Ta lập bảng tính Sc như sau: Thứ tự Fc Yc Sc 1 0 5,66 0 2 8,04 4,245 34,13 3 16,98 2,83 48,05 4 19 1,84 34,96 5 9,5 2,09 19,855 6 0 2,34 0 Từ biểu đồ Sc ở trên ta tìm được diện tích A1 và A2 A1=98m2 A2=12,7m2 -Phân phối Q cho mố (Qm) và bản đáy (Qd) Qđ = Q - Qm = 290 – 256,73 =33,27(T) -Phân Qm cho các mố theo tỷ lệ diện tích + Mố giữa +Mố bên +Phân Qđ cho bản đáy: d- Tải trọng bên: *Đầu mảng tính toán giáp với bờ đất,mố bên giáp với bờ đất. Phạm vi đất đắp do đào móng. 7,16 E yđ Tải trọng đứng : Lấy : b=1(m) hd=8(m) đ S=1,65.8.1=13,20(T/m). áp lực đất ngangE: Trị số Vị trí E so với đáy là Yd=hd/3=8/3=2,7 (m). Mô mem do áp lực đất nằm ngang gây ra(lấy dối với đáy móng) Md=E.yd=52,8.2,7=140,8(T.m). Tải trọng của xe cộ trên đường: qs=9 (T/m). e-Sơ đồ ngoại lực cuối cùng gồm có: * Các lực tập chung tại mố: Pk=p”k+p’k - Đối với mố bên. P1=p’k + p”k =12,74+85,57=98,31 (T). - Đối với mố giữa: P2=p”k + p’k =171,15+27,9=79,04 199,05(T). *lực phân bố đều trên băng: q=q0+q1+q2+q3+q4=2,2+2,4+4,254+27,9+1,75=38,5(T). *lực bên từ phía giáp với đất: S=13,2(T/m) Md=140,8(T.m) qs=4,5(T/m) 3. tính toán nội lực và lực phân bố cốt thép: Dựa vào sơ đồ phân tích lực tác dụng trên ta tt nội lực (M,Q) phát sinh trong dầm và bố trí cốt thép. Trong đồ án này cho phép ta không cần tính toán cụ thể mà chỉ nêu phương pháp tính toán và bố trí vật liệu. Phần III kết luận Qua đồ án này em đã hiểu đuợc thế nào là cống lộ thiên . Mục đích thiết kế cống lộ thiên, tính toán các lực tác dụng lên cống. Cách chia khoang sao cho đảm bảo lấy đủ lượng nước yêu cầu hoặc tiêu nước kịp thời khi có lũ. Đây là đồ án mang tính tổng hợp bao gồm việc tính toán thấm , chiều cao sóng leo, thiết kế kênh.....nên do kiến thức bị hạn chế và em đã cố gắng rất nhiều nhưng không tránh những sai sót, có phần em chưa thật sự hiểu sâu nên em mong được sự giúp đỡ của các thầy cô để em nắm chắc hơn nữa và phục vụ cho việc làm đồ án sau này Em xin trân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giúp em hoàn thành đồ án này Hà Nội, ngày 20-10-2003 Sinh viên thực hiện Nguyễn Quang Huy