Đồ án Thiết kế cống ngầm

Đồ án Thiết kế Cống ngầm A. Những vấn đề chung : I. Nhiệm vụ cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế : 1. Nhiệm vụ : Căn cứ vào tài liệu đã cho, cống có các nhiệm vụ sau : - Cấp nước tưới cho 1650 ha ruộng đất canh tác. - Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân. 2. Cấp công trình : Xác định theo 2 điều kiện : - Theo nhiệm vụ ị Công trình cấp V. -Theo chiều cao công trình và loại nền: + Chiều cao công trình = cao trình đỉnh đập – cao trình đáy đập. . Cao trình đáy đập: Dựa vào bình đồ tuyến đập D và mặt cắt tại tuyến đập xác định được cao trình đáy đập là: = 80 m. Chiều cao công trình: H = 117 – 80 = 37 m. Từ H = 37 (m) và địa chất lòng sông ị Công trình cấp II. Vậy cấp của cả công trình đầu mối là cấp II. 3/ Các chỉ tiêu thiết kế : Từ cấp công trình ta xác định được các chỉ tiêu thiết kế sau: - Tần suất mực nước lớn nhất : P% = 0,5; - Hệ số tin cậy : Kn = 1.2; - Tần suất gió lớn nhất : P = 2% (MNDBT) Vmax = 32 (m/s). - Tần suất gió bình quân lớn nhất: P = 20% (MNDGC) Vmax = 17 (m/s). II. Chọn tuyến và hình thức cống : 1. Tuyến cống : Phụ thuộc vào vị trí khu tưới tự chảy, cao trình khống chế tưới tự chảy, điều kiện địa chất nền và quan hệ với các công trình khác. ở đây vì đường tràn đổ sang lưu vực khác nên có thể đặt cống ở bờ phải hay bờ trái đập đều được. Khi đó việc đặt cống ở bờ nào chủ yếu phụ thuộc vào vị trí khu tưới và điều kiện địa chất. Khi chọn tuyến đặt cống cần lưu ý : - Cố gắng đặt cống trên nền đá. Tuy nhiên khi tầng phủ đá dày thì cũng có thể đặt cống trên nền đất, khi đó không nên đặt nổi cống trên nền, mà phải có một độ chôn sâu nhất định. - Đáy cống ở thượng lưu chọn cao hơn mực nước bùn cát lắng đọng và thấp hơn mực nước chết trong hồ. 2. Hình thức cống : - Vì cống đặt dưới đập đất, mực nước thượng lưu khi lấy nước thay đổi nhiều (từ MNC đến MNDBT) nên hình thức hợp lý là cống ngầm lấy nước không áp. - Vật liệu làm cống là bê tông cốt thép, mặt cắt cống hình chữ nhật. - Dùng tháp van để khống chế lưu lượng. Trong tháp có bố trí van công tác và van sửa chữa. Vị trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoảng giữa mái đập thượng lưu tại vị trí đặt cống. 3. Sơ bộ bố trí cống : Từ vị trí đặt cống và mặt cắt đập đã có (phần đồ án thiết kế đập đất), sơ bộ bố trí cống để từ đó xác định chiều dài cống (đoạn trước cửa van, đoạn sau cửa van), làm căn cứ cho việc tính toán thủy lực cống sau này. Để sơ bộ xác định chiều dài cống, có thể chọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC từ 1 1,5 (m). Cao trình đáy cống sẽ được chính xác hoá bằng tính toán thủy lực sau. B. Thiết kế kênh hạ lưu cống : Kênh hạ lưu được thiết kế trước để làm căn cứ cho việc tính toán thủy lực cống. I. Thiết kế mặt cắt kênh : Mặt cắt kênh được tính toán với lưu lượng thiết kế Qtk = 4,9 (m3/s), tức là lưu lượng lớn nhất (theo tài liệu đã cho). Dựa vào điều kiện địa chất nơi kênh chạy qua (trong đồ án này cho là đất cát pha), sơ bộ chọn được các chỉ tiêu sau : - Độ dốc đáy kênh (từ 1/3000 1/5000) : Chọn i = 1/5000 = 2.10-4. Độ nhám lòng kênh n = 0,025; Hệ số mái kênh m = 1,5. Tiếp theo cần xác định bề rộng đáy kênh (b) và chiều sâu nước trong kênh (h). ta làm theo trình tự sau : - Sơ bộ xác định vận tốc không xói theo công thức : Vkx = K.Q0,1 (m/s). Trong đó : Q : Lưu lượng của kênh, Q = Qtk = 4,9 (m3/s); K : Hệ số phụ thuộc đất lòng kênh, với cát pha : K = 0,53. Thay số được : Vkx = 0,53.4,90,1 = 0,62 (m/s). - Sơ bộ định chiều sâu h theo công thức : h = = = 1,38 (m). - Từ Q, h, xác định b theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực : Tính các thông số : Với m = 1,5 tra phụ lục 8-1 ta có: m0 = 8,424. f(Rln) = = Tra phụ lục (8-1) BTTL với f(Rln) = 0,0243 và n = 0,025 ị Rln = 1,01 (m). Lập tỷ số: Tra phụ lục (8-3) được : ị b = = 4,68.1,01 = 4,73 (m). Lấy b = 4,8 (m) Ta có: Tra phụ lục (8-3) được : = 1,292 ị h = = 1,292.1,01 = 1,3 (m). Kiểm tra thấy = ẻ (25) ị b, h đã tìm được là hợp lý. Như vậy: Kênh hạ lưu có: b = 4,8 m. h= 1,3 m. II. Kiểm tra điều kiện không xói : Vì kênh dẫn nước từ hồ chứa nên hàm lượng bùn cát trong nước nhỏ, không cần kiểm tra điều kiện bồi lắng. Ngược lại cần kiểm tra điều kiện xói lở, để kênh không bị xói lở cần thoả mãn điều kiện: Vmax < [V]kx Trong đó : - Vmax : Lưu tốc lớn nhất trong kênh, tính với lưu lượng Qmax; Qmax = KQtk - K : Hệ số phụ thuộc Q, có thể lấy K = 1,2; ị Qmax = 1,2.4,9 = 5,88 (m3/s). Để xác định Vmax khi đã biết Qmax và mặt cắt kênh ta phải xác định độ sâu h tương ứng trong kênh (Bằng phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thủy lực) từ đó ta có ; f(Rln) = = Tra phụ lục (8-1) BTTL với f(Rln) = 0,0203 và n = 0,025 ị Rln = 1,08 (m). Lập tỷ số: Tra phụ lục (8-3) được : ị h = Với : w = (b + mh) h = (4,8 + 1,51,47) 1,47 = 10,273 (m2); Ta có: Vmax = Vmax = < Vkx = 0,602 (m/s). Vậy điều kiện không xói được đảm bảo. III. Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lưu lượng : Trong tài liệu cho một số cấp lưu lượng để tính toán cống với các trường hợp khác nhau. ứng với mỗi cấp lưu lượng cần xác định độ sâu dòng đều tương ứng trong kênh, tức là xác định quan hệ Q~h. Bài toán này có thể giải theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực, Trong đồ án này chỉ tính với hai cấp lưu lượng : - Khi MNC : Q = Qtk = 4,9 (m3/s); Khi MNDBT : Q = 4,5 (m3/s). Tính độ sâu dòng đều trong kênh ứng với MNDBT: Ta có: f(Rln) = = Tra phụ lục (8-1) BTTL với f(Rln) = 0,0265 và n = 0,025 ị Rln = 0,9788 (m). Lập tỷ số: Tra phụ lục (8-3) được : ị h = 2. Tính độ sâu dòng đều trong kênh ứng với MNC: Độ sâu dòng đều trong kênh ứng với MNC đã được tính ở trên: h = 1,3 m. C. Tính khẩu diện cống : I. Trường hợp tính toán : Khẩu diện cống được tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ và lưu lượng lấy nước tương đối lớn. Thường tính với trường hợp MNC ở thượng lưu, còn hạ lưu là mực nước khống chế đầu kênh tưới Zkc, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu khi đó sẽ là : [DZ] = MNC - Zkc = 92,0 – 91,76 = 0,24 (m). Lúc này để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần mở hết cửa van. Sơ đồ tính toán (Hình vẽ III - 1) : Trong đó : Z1 : Tổn thất cột nước cửa vào; Zp : Tổn thất do khe phai (nếu có); Zl : Tổn thất qua lưới chắn rác; Zv : Tổn thất qua tháp van; Z2 : Tổn thất cột nước cửa ra. II. Tính bề rộng cống bc : Bề rộng cống phải đủ lớn để lấy được lưu lượng cần thiết Q khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu [DZ] đã khống chế, tức phải đảm bảo điều kiện : ồZi Ê [Z] Trong đó : ồZi = Z1 + Zp + Zl + Zv + Z2 + iL i : Độ dốc dọc cống; L : Tổng chiều dài cống; L = 193,5 m. 1. Tổn thất cửa ra: Dòng chảy từ bể tiêu năng ra kênh hạ lưu như sơ dồ đập tràn đỉnh rộng chảy ngập, khi đó : Z2 = Trong đó: b : Bề rộng ở cuối bể tiêu năng. hh : Chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Qtk; hh = 1,3 m. jn : Hệ số lưu tốc (trường hợp chảy ngập), lấy jn = 0,96; Vb : Lưu tốc bình quân trong bể tiêu năng được tính như sau : Ta giả thiết chiều sâu bể có thể lấy như sau : d = 1,0 m. hb = d + hh = 1,0 + 1,3 = 2,3 m. Vb = , w = b.hb. 2. Tổn thất dọc đường : Coi dòng chảy trong cống là dòng chảy đều với độ sâu là hl hl = hh + Z2 Khi đó tổn thất dọc đường là i.L với i là độ sâu dốc cống xác định theo công thức : i = . Với w, tính với mặt cắt cống có chiều rộng bc và chiều sâu ht Với : - w = bc.hl - - ; = 2.ht + bc - n = 0,012. 3. Tổn thất do tháp van : Do khoảng cách từ tháp van đến cửa ra xấp xỉ bằng chiều dài cống, vì vậy ta có thể lấy chiều sâu cột nước ngay sau cửa van là : hv = h1 + i.L. Từ đó tính được tổn thất qua van là : Zv = Chọn xv = 0,2; 4. Tổn thất qua lưới chắn rác : Z1 = = 0,1; hl = hv + zv ; VP = = 5. Tổn thất tại cửa vào : Tổn thất tại cửa vào được xác định theo công thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập Q = jn . bc . h1 . Zl = Trong đó: jn: Hệ số ngập, jn = 0,95. e: Hệ số co hẹp bên tại cửa vào: e = 0,62. h1 = hp + zp V0: Lưu tốc tới gần. 6. Tổn thất qua khe phai: Ta có: xp = 0,2; Với hp = h1+ Z1 Thay số vào các công thức trên ta có kết quả tính khẩu diện cống, kết quả tính toán được thể hiện ở bảng tính toán khẩu diện cống. Từ biều đồ quan hệ bc~[DZ], ứng với [DZ] = 0,24 (m) ị bc = 3,4 m. III. Xác định chiều cao cống và cao trình đặt cống : 1. Chiều cao đặt cống : Hc = h1 + D Trong đó : h1: chiều sâu mực nước trong cống. h1 = 1,358 m. D : Độ lưu không chọn từ 0,5 á 1 (m), ở đây chọn D = 0,642 (m). ị Hc = 1,358 + 0,642 = 2 (m). Thỏa mãn điều kiện Hc 1,6 m để tiện kiểm tra và sửa chữa. Cao trình đặt cống : Cao trình đáy cống ở cửa vào: Trong đó: h: độ sâu dòng đều trong cống khi tháo Qtk. h = 1,358 m. : Tổng tổn thất cục bộ ở cửa vào, khe phai, lưới chắn rác, khe van khi tháo Qtk. Ta có: = 0,24 – 0,0406 – 0,058 = 0,1414 m. ị Zv = 92,0 – 1,358 – 0,1414 = 90,5 m. Cao trình đáy cống cửa ra: Zr = Zv - i L = 90,5 - 0,0406 = 90,46 (m). D. Kiểm tra trạng thái chảy và tính toán tiêu năng : I. Trường hợp tính toán: Khi mực nước thượng lưu cao chỉ cần mở một phần cửa van để lấy được lưu lượng cần thiết. Do năng lượng dòng chảy lớn dòng chảy ở ngay sau cửa van thường là dòng chảy xiết. Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lưu qua nước chảy. Do đó cần tính toán để : Kiểm tra xem mức nước nhảy có xảy ra trong cống không. Thường với mực nước thượng lưu cao, cần khống chế không cho nước nhảy trong cống để tránh rung động bất lợi. Còn đối với các mực nước thấp ở thượng lưu, nước nhảy trong cống là không tránh khỏi. Tuy nhiên khi đó năng lượng của dòng chảy không lớn nên mức độ rung động nguy hiểm không đáng kể. Xác định chiều sâu bể cần thiết để giới hạn nước nhảy ngay sau cửa ra của cống, tránh xói lở kênh hạ lưu. Trong phần đề ra đã giới hạn việc tính toán cho hai trường hợp mực nước cao với các lưu lượng tương ứng. Sơ đồ tính toán cho các trường hợp này như hình vẽ sau. ở bài này tính với trường hợp là MNDBT, tương ứng với lưu lượng Q = 4,5(m3/s). II. Xác định độ mở cống : Tính theo sơ đồ chảy tự do qua lỗ Q = Trong đó : j: Hệ số lưu tốc lấy j = 0,95; a : Hệ số co hẹp đứng lấy a = 0,611. H0’ : Cột nước tính toán trước cửa vào đến vị trí của van; H0’ = H0 - hw ; H0 = ; Coi V0 = 0 ị H0 = H ị H0’ = H - hw. hw: Tổn thất cột nước từ cửa vào đến vị trí cửa van. hw = Z1 + Zl + Zp + i.L1 = 0,005 + 0,091 + 0,01 + 0,032 = 0,138 m. Mà : H = MNDBT - ẹđáy cống = MNDBT - Zv = 112,0 – 90,5 = 21,5 (m). ị H0’ = 21,5 - 0,138 = 21,362 (m). Hệ số co hẹp đứng = f có thể xác định a bằng phương pháp sử dụng bảng hệ của Jalôxki : Tính F(tc) = = = 0,014. Sử dụng bảng 15-1 tra được tc = 0,0032 và tra bảng 16 - 1 được : e = 0,611. ị a = = Tính lại e và a tương ứng đã chọn : Q = . = = 4,52 (m3/s); Ta thấy : DQ = = 0,0044 ị DQ < 5% . Vậy giá trị e và a tính được ở trên Chấp nhận được. III. Kiểm tra nhảy trong cống : Vẽ đường mặt nước để tìm độ sâu cuối cống hr a. Định tính: Cần xác định hc, hk, h0. Độ sâu co hẹp sau van : hc = .a = 0,611.0,112 = 0,0684 (m). Do mặt cắt cống là chữ nhật nên độ sâu phân giới được tính theo công thức: hk = với q = ị hk = Độ sâu dòng đều h0 : Tính theo phương pháp so sánh với mặt cắt lợi nhất về thủy lực : Với m = 0 Tra phụ lục 8-1 bảng tính thủy lực ta có 4.m0 = 8. f(Rln) = = Tra phụ lục (8-1) BTTL với f(Rln) = 0,032 và n = 0,025 ị Rln = 0,913 (m). ị Theo phụ lục 8-3 bảng tính thủy lực có: = 2,1518. ị h0 = = 2,1518.0,913 = 1,965 (m). So sánh 3 trị số vừa tìm được thấy : hc < hk < h0 . Vậy đường mặt nước sau van là đường nước dâng C1. b. Định lượng : Để vẽ đường mặt nước xuất phát từ mặt cắt co hẹp c-c vẽ về mặt cắt cuối cống. Mặt cắt c-c thường lấy cách cửa van một khoảng : l = 1,4.a = 1,4.0,112 = 0,1568 (m). Để kiểm tra xem trong cống có xảy ra nước nhảy hay không ta lập bảng tính toán (trang bên). Ta có thể dùng phương pháp cộng trực tiếp để vẽ đường mặt nước như đã lập ở bảng trang bên trước đó có độ sâu h1 , h2 sẽ là : Dl = Trong đó : D' = '2 - '1 ; '2 = ; '1= ; Jtb = (J1 + J2)/2 ; J1 = ; J2 = Từ đó ta xác định độ sâu cuối cống hr Theo bảng số liệu tính toán ta thấy với L = 115 (m) Ta được hr = 0,48 m. * Kiểm tra nước nhảy trong cống: Không xảy ra nước nhảy trong cống khi: hr < hk hr < hk: Độ sâu phân giới, hk = 0,56 m. : Độ sâu liên hiệp của độ sâu mực nước hạ lưu. = 0,84 m. Ta thấy điều kiện trên được thỏa mãn. Vậy nước không nhảy trong cống. Để đảm bảo an toàn cho kênh dẫn hạ lưu nên làm bể tiêu năng tạo nước nhảy ngập ngay sau cống ngầm. IV. Tính toán tiêu năng : Bài toán đặt ra là xác định chiều sâu bể d để đảm bảo xảy ra nước nhảy ngay sau cửa ra cống (trong phạm vi bể). Muốn vậy cần phải có: Trong đó: hb: Độ sâu nước trong bể: hb = hh + d + Z2. hh: Mực nước hạ lưu. d: Chiều sâu đào bể. Z2: Tổn thất ở cửa ra. : Độ sâu liên hiệp với độ sâu hc tại mặt cắt co hẹp c-c, tính với năng lượng toàn phần E0: hr: Độ sâu của dòng chảy tại mặt cắt cuối cống. hr = hh = 0,48 m. Vr: Lưu tốc bình quân của dòng chảy tại mặt cắt cuối cống. P2: chênh lệch cao độ đáy mặt cắt cuối cống và đáy đầu kênh hạ lưu. Chọn d = 0,5 (m). hr = hh = 0,48 m, ị wr = hr . bc = 0,48.3,4 = 1,632 (m2). Vr = = E0 = Tính : F(tc) = Tra bảng 15 - 1 BTTL với F(tc) = 0,871 và j = 0,95 được = 0,6872. Vậy hc” = tc”. E0 = 0,6872.1,368 = 0,94 (m). Ta lấy d = 1,05 ị d. hc” = 1,05.0,94 = 0,987 (m). ị hb = hh + d + Z2 = 0,48 + 0,5 + 0,058 1,0 (m). Như vậy : hb = 1,0 (m) > d. hc” = 0,987 (m) là thoả mãn. Chiều dài bể được tính theo công thức : Lb = L1 + b.Ln Trong đó : L1 : Chiều dài nước rơi, được tính như qua đập tràn đỉnh rộng; Lrơi = L1 = . H0 = P = d = 0,5 (m). ị Lrơi = L1 = b : Hệ số lấy 0,7 á 0,8; Ln : Chiều dài nước nhảy, tính theo công thức gần đúng sau : Ln = 4,5. hc”= 4,5.0,94 = 4,23 (m). ị Lb = L1 + b.Ln = 1,29 + 0,8.4,23 = 4,674 (m). Ta chọn Lb = 4,7 m. Vậy kích thước của bể tiêu năng là: d = 1,0 m. Lb = 4,7 m. D. Chọn cấu tạo cống : I. Cửa vào cửa ra : Hai bộ phận này có tác dụng nối tiếp thân cống với mái đập và hướng dòng chảy vào ra được thuận. Cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng, hạ lưu và sự phân bố lưu tốc đều đặn ở cửa vào, ra. Thường bố trí tường hướng dòng theo hình thức mở rộng dần. Góc chụm của 2 tường hướng dòng ở cửa vào lấy khoảng 180 á 230 hoặc lớn hơn, ở đây lấy 200 . Góc chụm ở cửa ra không vượt quá 80 á 120 để tránh hiện tượng tách dòng, ở dây lấy bằng 100 . Các tường cách có thể làm thấp dần theo mái. Cấu tạo cửa ra cần kết hợp với việc bố trí các thiết bị tiêu năng. Cuối bể tiêu năng cần có bộ phận chuyển tiếp ra kênh hạ lưu. Sau bể tiêu năng cần bố trí một đoạn bảo vệ kênh hạ lưu (thường lát bằng đá) có chiều dày bằng Lsn xác định theo công thức : Lsn = (2,5 á 3)Ln , chọn bằng Lsn = 3.Ln = 3.4,23 = 12,70 (m). II. Thân cống: 1. Mặt cắt : Cống hộp thường làm bằng bê tông cốt thép, đổ tại chỗ. Mặt cắt ngang của cống có kết cấu khung cứng, thường làm vát các góc để tránh ứng suất tập trung. Chiều dày thành cống xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo. Theo điều kiện chống thấm cần đảm bảo: t ³ . Trong đó : H : Cột nước lớn nhất, H = MNDBT - = 112,0 – 90,5 = 21,5 (m). [J] : Gradien cho phép về thấm của vật liệu bê tông, [J] = 10 á 15, ở đây ta chọn [J] = 15. t: Chiều dày thành cống. ị t = = Chọn t theo điều kiện chống thấm như vậy là quá lớn, vậy chọn theo điều kiện cấu tạo t = 0,5 (m). 2. Phân đoạn cống : Khi cống dài, cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn nhỏ để tránh rạn nứt do lún không đều. Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất nền và tải trọng trên cống, thường từ khoảng 10 á 20 (m). Chọn 15 (m). Tại khe nối cần đặt thiết bị chống rò nước, thiết bị chống rò nước được làm bằng tấm kim loại dùng cho tấm ngang và tấm đứng của cống hộp. Khi cột nước tác dụng không cao có thể làm thiết bị chống rò tại khớp nối kiểu dây thừng tẩm nhựa đường. 3. Nối tiếp thân cống với nền : Cống hộp có thể đổ trực tiếp trên nền hay trên lớp bê tông lót dày khoảng 10 á 15 (cm), khi nền không phải là đá và tải trọng lên cống lớn cần tăng bề rộng đáy cống để hạn chế ứng suất đáy móng. 4. Nối tiếp thân cống với đập : Thường dùng đất sét nện chặt thành một lớp bao quanh cống dày khoảng 0,5 á 1 (m). Tại chỗ nối tiếp các đoạn cống, làm thành các gờ để nối tiếp cống với đất đắp được tốt hơn. III. Tháp van : Vị trí tháp van thường bố trí ở khoảng giữa mái thượng lưu đập để đảm bảo không sinh ra nước nhảy trong cống ứng với các mực nước cao và đảm bảo các yêu cầu khác. Vị trí tháp van được kiểm tra thông qua tính toán thủy lực cống. Trong tháp thường bố trí van công tác và van sửa chữa sự cố, cần bố trí lỗ thông hơi khi cần thiết (khi có nước nhảy trong cống và chiều sâu sau nước nhảy xấp xỉ tới trần cống). Mặt cắt ngang tháp thường dạng chữ nhật. Chiều dày thành cũng xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo. Thường thành tháp có chiều dày thay đổi (kiểu dật cấp) theo sự thay đổi của áp lực ngoài. Phía trên tháp có nhà để đặt máy đóng mở và thao tác van; có cầu công tác nối tháp van với đỉnh đập hoặc bờ. E. Tính toán kết cấu cống: I. Mục đích tính toán : Xác định nội lực trong các bộ phận cống ứng với các trường hợp làm việc khác nhau để từ đó bố trí cốt thép và kiểm tra tính hợp lý của chiều dày thành cống đã chọn. II. Trường hợp tính toán: Cần tính toán cống với các trường hợp làm việc khác nhau : Khi mới thi công xong, trong cống chưa có nước. Khi thượng lưu là MNDBT, cống mở để lấy nước. Khi thượng lưu là MNDGC, cống đóng. Khi có lực động đất . . . . Trong đồ án này chỉ yêu cầu tính toán ngoại lực tác dụng lên một mặt cắt cống (mặt cắt giữa đỉnh đập), cho một trường hợp đại biểu(chẳng hạn trường hợp thứ 2). Việc tính toán nội lực và bố trí cốt thép không bắt buộc. III. Xác định ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống: 1. áp lực đất : a. Trên đỉnh : q1 = K . ồgi . Zi Trong đó : gi , Zi : Dung trọng và chiều dày các lớp đất đắp trên đỉnh cống (phần trên đường bão hoà tính theo dung trọng tự nhiên, phần dưới đường bão hòa tính theo dung trọng đẩy nổi). K: hệ số phụ thuộc điều kiện đặt ống: ống chôn trong hào : K = , ta lấy K = 1. H: khoảng cách từ đỉnh cống đến mặt đất đắp. B0: bề rộng hào. Khi thiết kế đập đất mặt cắt địa chất của sơ đồ có tầng bồi tích tương đối dày, chống thấm qua đập bằng cách dùng tường nghiêng, sân phủ, có phương trình đường bão hòa: Y = . ị Y2 = 93,567 - 0,321.X Theo phần trước ta bố trí thân cống với đập ta dùng đất sét nện chặt thành một lớp dày z2’= 0,5 (m). Từ phương trình bão hoà ta xác định được z2 = 0,25(m); z1= 23,45(m). gđtn = 1,94 (T/m3); gđđn = 0,97 (T/m3); gđn = 0,96 (T/m3); q10 = 1,94.23,45 = 45,493 (T/m); q2’ = 0,97.0,25 = 0,245 (T/m); q2” = 0,5.0,96 = 0,48 (T/m) ị q1 = q10 + q2’ + q2” = 46,218 (T/m). b. Hai bên : Biểu đồ áp lực bên có hình dạng : P1 = q1 . tg2( 450- j/2). (trên đỉnh). Trong đó : j : Góc ma sát trong của đất đắp đập j = 200. ị P1 = 46,218 . tg2( 450- 100) = 22,66 (T/m). Và : P1’ = q1’ . tg2( 450- j/2). Trong đó : q1’ = q1 + gđđn . H = 46,218 + 0,97.3 = 49,128 (T/m). ị P1’ = 49,128 . tg2( 450- 100) = 24,087 (T/m). (Dưới đáy). 2. áp lực nước : Gồm áp lực nước bên ngoài và bên trong cống, áp lực nước ngoài cống tác dụng lên đỉnh, hai bên và dưới đáy cống. Cường độ áp lực nước xác định theo qui luật thủy tĩnh. - Trên đỉnh : q2 = gn . (z2 + z2’) = 1.0,75 = 0,75 (T/m). - Hai bên : p2 = gn . (z2 + z2’) = 1.0,75 = 0,75 (T/m). p2’ = gn . (z2 + z2’ + H) = 1.3,75 = 3,75 (T/m). - Dưới đáy : q3 = gn . (z2 + z2’ + H) = 1.3,75 = 3,75 (T/m). 3. Trọng lượng bản thân : - Tấm nắp : q4 = g5 . tn = 2,4.0,5 = 1,2 (T/m). - Tấm bên : q5 = g5 . tb = 2,4.0,5 = 1,2 (T/m). - Tấm nắp : q6 = g5 . td = 2,4.0,5 = 1,2 (T/m). 4. Phản lực nền : Biểu đồ phân bố phản lực nền phụ thuộc vào loại nền và cách đặt cống; thường R phân bố không đều, song trong tính toán xem là phân bố đều : R = q1 + q2 + q3 + q4 + q6 + = 54,2 (T/m). Nếu ta kể thêm cường độ áp lực nước bên trong cống thì : Độ sâu dòng nước trong cống tại chính giữa cống h = 0,42 (m). - áp lực hai bên : q7 = gn . h = 1.0,42 = 0,42 (T/m). - áp lực lên bản đáy : q8 = gn . h = 1.0,42 = 0,42 (T/m). Vậy nếu kể thêm áp lực nước bên trong cống thì phản lực của nền : R’ = R + q8 = 54,2 + 0,42 = 54,62 (T/m). 5. Sơ đồ lực cuối cùng trường hợp trong cống có nước : a. Các lực thẳng đứng : - Phân bố trên đỉnh : q = q1 + q2 + q4 = 46,218 + 0,75 + 1,2 = 48,168 (T/m). - Phân bố hai bên : gồm q5 ; q7 . - Phân bố dưới đáy : qn = R’ - q6 + q3 - q8 = 54,62 - 1,2 + 3,75 - 0,42 = 57,95 (T/m). b. Các lực nằm ngang : - Bộ phận đều : p = p1 + p2 = 22,66 + 0,75 = 23,41 (T/m). - Bộ phận tuyến tính : pt = p1’ + p2’ - p1 - p2 + q7 = = 24,087 + 3,75 - 22,66 - 0,75 + 0,42 = 4,847 (T/m) Kết luận Qua quá trình làm đồ án em đã được củng cố thêm những kiến thức đã học, biết được trình tự các bước thiết kế cống ngầm từ đó rút ra được những điều cần thiết, những kinh nghiệm quý báu cho bản thân như mục đích thiết kế cống ngầm, tính toán các lực tác dụng lên cống, tính khẩu diện cống, cấu tạo cống…Đây là đồ án mang tính tổng hợp, với một lượng tính toán khá lớn, tổng hợp nhiều vấn đề, nhiều môn học cùng với sự hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng em vẫn không thể tránh khỏi những sai sót. Kính mong quý thầy, cô chỉ bảo và góp ý cho em những chỗ còn hạn chế và sai sót để em đúc rút những kinh nghiệm cần thiết cho việc làm đồ án tốt nghiệp sắp tới cũng như chuyên môn sau này. Đồ án thiết kế cống ngầm lấy nước dưới chân đập gồm có một bản thuyết minh và một bản vẽ khổ A1, trên đó thể hiện mặt cắt dọc, mặt bằng và các cấu tạo chi tiết khác. Bản thuyết minh thể hiện những vấn đề sau: Phân tích chọn loại cống và vị trí đặt cống. Tính toán thủy lực xác định các kích thước cơ bản của cống. Chọn cấu tạo các bộ phận cống. Phân tích lực để tính toán kết cấu thân cống. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Vũ Hoàng Hải đã giúp em hoàn thành đồ án này. Hà nội, ngày30/9/2004 Sinh viên thực hiện Hồ Anh Tuấn.