Thiết kế cống ngầm lấy nước dưới đập đất

Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4km, trữ lợng đủ làm thiết bị chống thấm.b- Đá: khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lợng lớn, chất lợng đảm bảo đắp đập, lát mái.. Sơ

Mục lục

1 Cửa vào, cửa ra 22

3 Tháp van 24

1 Mục đích tính toán 24

2 Trờng hợp tính toán 24

đồ án môn học

thiết kế cống ngầm lấy nớc dới đập đất

A- Tài liệu cho trớc:

1.1 Nhiệm vụ công trình:

Hồ chứa nớc H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau:

1- Cấp nớc tới cho 1650 ha ruộng đất canh tác

2- Cấp nớc sinh hoạt cho 5000 dân

3- Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan sinh thái và phục vụ du lịch

1.2 Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối:

1- Một đập chính ngăn sông

2- Một đờng tràn tháo lũ

3- Một công đặt dới đập để lấy nớc

1.3 Tóm tắt một số tài liệu cơ bản:

1- Địa hình: Cho bình đồ vùng tuyến đập

2- Địa chất: Cho mặt cắt dọc tuyến đập, chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tích lòng sông cho ở bảng 1 Tầng đá gốc rắn chắc, mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hoá dày 0,5 ữ 1m

1.4 Vật liệu xây dựng:

a- Đất: xung quanh vị trí đập có các bãi vật liệu A (trữ lợng 800.000m3, cự ly 800m);

B (trữ lợng 600.000m3, cự ly 600m); C (trữ lợng 1.000.000m3, cự ly 1km) Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nớc tơng đối mạnh, các chỉ tiêu nh ở bảng 1 Điều kiện khai thác bình thờng

Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4km, trữ lợng đủ làm thiết bị chống thấm.b- Đá: khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lợng lớn, chất lợng đảm bảo đắp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lí : ϕ = 23o; n = 0,35 (của đống đá); γk = 2,5 T/m 3 (của hòn đá).c- Cát, sỏi: khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3km, trữ lợng đủ làm tầng lọc Cấp phối nh ở bảng 2

Bảng 1- Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liêu đắp đập Chỉ tiêu Hệ số

rỗng n

Độ ẩmW(%)

(T/m3)

k(m/s)

Tự nhiên

Bãohoà

Tựnhiên

Bãohoà

Mùc

n-íc ®Çu kªnh

D (km)

MNC (m)

MNDBT (m)

B×nh

Khi MNC (Qtk)

Khi MNDBT

36 C 2,8 116,5 135 108 110,5 4,5 3,9 116,27

B - Néi dung thiÕt kÕ:

nội dung thiết kế

I Những vấn đề chung:

1.1 Nhiệm vụ, cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế:

1.1.1 Nhiệm vụ:

- Cấp nớc tới cho 1650 ha ruộng đất canh tác

- Cấp nớc sinh hoạt cho 5000 dân

1.1.2 Cấp công trình:

- Theo nhiệm vụ: cấp III

- Theo cấp công trình đầu mối: cấp III

- Phụ thuộc vào vị trí khu vực tới tự chảy, cao trình khống chế tới tự chảy, điều kiện

địa chất nền và quan hệ với các công trình khác ở đây vì đờng tràn đổ sang lu vực khác nên

có thể đặt cống ở bờ phải hay bờ trái đập đều đợc

2.3 Sơ bộ bố trí cống:

- Từ vị trí đặt cống và mặt cắt đập đất đã có, sơ bộ bố trí cống để từ đó xác định đ ợc chiều dài cống (đoạn trớc cửa van, sau cửa van), làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực cống Để sơ bộ xác định chiều dài cống, có thể chọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC 1 (m) Cao trình đáy cống sẽ đợc chính xác hoá bằng tính toán thuỷ lực sau này

Phần i: THIếT Kế MặT CắT CƠ BảN CủA ĐậP ĐấT

Căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng trong vùng dự án, d

-ới lòng sông là lớp Bồi tích thềm sông và lớp phủ tàn tích rất dày và có tính thấm lớn

- Ta chọn loại đập là đập đất, có tờng nghiêng và sân phủ, đây là loại đập giá thành rẻ tận dụng nhân công và vật liệu địa phơng

- Khi đập cao trên 10m thì trên mái đập nên bố trí các cơ đập ở mái hạ lu để làm

đờng đi lại kiểm tra, quản lý, đặt rãnh thoát nớc ma Cơ đập có tác dụng làm tăng thêm

độ ổn định cho mái, tập trung và thoát nớc ma đồng thời bảo đảm thuận lợi cho quá trình thi công, phục vụ tốt cho quá trình quản lý, vận hành và phòng chống lũ sau này

- Với mái hạ lu ta bố trí cơ ở cao trình +127,5 m , rộng 3m Trên cơ bố trí rãnh thoát nớc ngang để tập trung nớc ma từ mái trên đổ xuống Đỉnh cơ có độ dốc i = 3 % về phía hạ lu, trên đỉnh đợc phủ 1 lớp bảo vệ gồm dăm, sỏi dày 20 cm

- Với mái thợng lu ta bố trí 1 cơ ở cao trình +127,5 m, rộng 3m

+ Chống thấm kiểu tờng nghiêng + chân răng (cắm xuống tận tầng không thấm)

+ Chống thấm kiểu tờng lõi + chân răng

- Nếu tầng thấm dày (T>10m) : phơng án hợp lý là dùng thiết bị chống thấm kiểu tờng nghiêng + sân phủ

Theo đề bài hình D cho tầng thấm T = 20m > 10m Ta chọn phơng án: Dùng thiết

bị chống thấm kiểu tờng nghiêng sân phủ

- Mái trớc và mái sau của lăng trụ chọn m1’ =1,5 và m2’ = 2

 Đoạn sờn đồi: ứng với trờng hợp hạ lu không có nớc Ta chọn thoát nớc kiểu áp mái

m = 2

m = 1,5

140

115,5

3 3

5 3

Hình 1: Sơ đồ mặt cắt ngang đập

II Thiết kế kênh hạ lu cống

Kênh hạ lu đợc thiết kế để làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực cống

1 Thiết kế mặt cắt kênh

1.1 Mặt cắt kênh: đợc tính toán với lu lợng thiết kế Q = 4,5 (m3/s)

1.2 Dựa vào điều kiện địa chất nơi kênh chạy qua (đất cát pha), sơ bộ chọn đợc các chỉ tiêu sau:

- K: hệ số phụ thuộc đất lòng kênh, với cát pha, K = 0,53

- Sơ bộ định chiều sâu h, theo công thức kinh nghiệm:

0002,0.424,8

= 4,38 → b = 4,38.0,979 = 4,29 (m) Chọn b=4,3 m

- Kiểm tra: 2 <

h

b

= 334,1

3,4 = 3,22 < 5 → thoả mãn

2 Kiểm tra điều kiện không xói

- Vì kênh dẫn nớc từ hồ chứa nên hàm lợng bùn cát trong nớc nhỏ, không cần kiểm tra

điều kiện bồi lắng Ngợc lại, cần kiểm tra điều kiện xói lở:

- Ta thấy: Vmax = 0,588 (m/s) < VKX = 0,616 (m/s) → Thoả mãn điều kiện không xói

3 Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lu lợng

+ Z1: Tổn thất cột nớc ở cửa vào.

+ Zp: Tổn thất do khe phai (nếu có)

+ Zl: Tổn thất qua lới chắn rác

+ Zv: Tổn thất qua tháp van

+ Z2: Tổn thất ở cửa ra

2 Tính bề rộng cống bc

- Bề rộng cống phải đủ lớn để lấy đợc lu lợng cần thiết Q khi chênh lệch mực nớc ợng hạ lu [∆Z] đã khống chế, tức là phải đảm bảo điều kiện:

th-ΣZi ≤ [∆Z] = 0,23 m (*)Trong đó: ΣZi = Z1 + Zp + Zl + Zv + Z2 + i.L

2

α

- Trong đó:

+ b : bề rộng ở cuối bể tiêu năng, b = 4,3 (m)

+ hh : chiều sâu hạ lu ứng với lu lợng tính toán Q = 4,5 (m3/s)

+ ϕn : hệ số lu tốc (trong trờng hợp chảy ngập), ϕn = 0,96.

+ Vb : lu tốc bình quân trong bể tiêu năng Giả thiết chiều sâu bể d = 0,5 (m)

2

)334,1.3,4.96,0.(

81,9.2

5,4

-

81,9.2

57,0

Q

2

1 





R C h b

h b

.χ

81,5

0,83

=> C = 6

1

83,0014,0

5,4

1,5.10-4

- Các tổn thất cục bộ ZV, Zl, ZP : Xác định theo công thức chung:

Zi = ξi.

g 2

V i2α

- Trong đó: ξi : hệ số tổn thất cục bộ.

a- Tổn thất qua tháp van:

- Bố trí 2 khe van tại vị trí lấy nớc: ⇒ Zv = 2 ξv.

g 2

V v2α

< 0,2 thì nội suy giữa hai giá trị này

Vv : Vận tốc dòng chảy trớc khe van

Vv =

v

c h b

Q

, hv = h1

0465,03,4

2,

5,

003,081,9.2

77,0.1.05,0.2

α

- Trong đó:

- Hệ số tổn thất cục bộ qua lới đợc xác định:

ξL = β.( )4 / 3.sinα

b S

Trong đó: + β : hệ số phụ thuộc hình dạng thanh chắn, với tiết diện tròn ⇒ β = 1,79

+ S : đờng kính của thanh thép lới S = 10 mm

+ b : Khoảng cách đặt các thanh lới b = 0,1 m

+ α : góc nghiêng đặt lới so với phơng ngang α = 75o

1,0

01,0.79,1

3 / 4

Q h

5,

00244,081,9.2

773,0.1.08,

=

l

Z

c- Tổn thất qua khe phai:

- Hệ số tổn thất qua khe phai đợc xác định tơng tự nh hệ số tổn thất qua khe van với chiều rộng khe phai bp = 0,15 ( m )

⇒ Zp = 2 ξp.

g

V p

.2

2

α

0076,081,9.2

773,0.1.05,0

=

hp = hl+zl = 1,3545 + 0,00244 = 1,357 m

2.4 Tổn thất ở cửa vào

- Xác định theo công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập:

Z1 =

g

V g

Q

.2

.) (

2

2 0 2

ωϕ

⇒ β =2,5. = 2,54.,34,3=0,4

c

c

b b

⇒ cotgθ = 04,75,3 = 5,733

- Tra phụ lục 14-8 (Các bảng tính thuỷ lực) đợc m = 0,356

- Với m = 0,356 tra bảng 14-13 ( Các bảng tính thủy lực) ta đợc ϕ = 0,95

+ ω : diện tích mặt cắt ớt sau cửa vào

ω = bc.h = bc.( hP + ZP ) + V0 : lu tốc tiến gần, V0 =

ω

Q

- Giả thiết các giá trị bc từ đó xác định đợc các giá trị tổn thất Zi, rồi tính tổng các giá

trị ∑Zi ứng với các bc vừa giả thiết Từ đó ta xây dựng đợc quan hệ (bc~∑Zi), ứng với [∆Z]

khống chế ta xác định đợc khẩu diện cống bc thiết kế

Bảng 1: Kết quả tính toán tổng tổn thất qua cống với các giá trị bc

2.5 0.056 3.379 5.203 0.649 66.469 0.00062 0.0090 0.0071 0.0040 0.046 0.227

3 0.056 4.055 5.703 0.711 67.480 0.00038 0.0063 0.0050 0.0028 0.032 0.1673.5 0.056 4.730 6.203 0.763 68.274 0.00025 0.0046 0.0037 0.0020 0.023 0.133

4 0.056 5.406 6.703 0.807 68.914 0.00018 0.0035 0.0028 0.0016 0.018 0.1134.5 0.056 6.082 7.203 0.844 69.442 0.00013 0.0028 0.0022 0.0012 0.014 0.0995.5 0.056 7.433 8.203 0.906 70.265 0.00008 0.0019 0.0015 0.0008 0.009 0.084

Từ bảng tính khẩu diện cống ta có quan hệ ΣZi ~ bc nh sau:

- Từ đó ta có với [∆Z] = 0,23 m → bC = 2,5 m

.2

.) (

2

2 0 2

ωϕ

32,1.1)411,3.95,0.1.(

81,9.2

5,

- Khi mực nớc thợng lu cao chỉ cần mở một phần cửa van để lấy đợc lu lợng cần thiết

Do năng lợng của dòng chảy lớn, dòng chảy ở ngay sau cửa van thờng là dòng xiết Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lu qua nớc nhảy Do đó cần tính toán để:

- Kiểm tra xem nớc nhảy có xảy ra ở trong cống không Thờng với các mực nớc cao ở thợng lu, cần khống chế không cho nớc nhảy trong cống để tránh rung động bất lợi Còn với các mực nớc thấp ở thợng lu, nớc nhảy trong cống là không tránh khỏi Tuy nhiên khi đó năng lợng 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 nớc nhảy ngay sau cửa ra của cống, tránh xói lở kênh hạ lu

- Trong phần đề ra đã giới hạn việc tính toán cho 2 trờng hợp mực nớc cao với các lu ợng tơng ứng Sơ đồ tính toán cho các trờng hợp này nh hình 3-2.

l-Hình 3-2: Sơ đồ tính toán thuỷ lực khi mực nớc cao ở thợng lu

g

V

.2

2 0

α = MNDBT - ∇đc = 135 – 115,5 = 19,5 (m).

- Với hw là tổn thất cột nớc từ cửa vào tới cửa van:

hw = Z1 + Zp + Zl + i.Lv = 0,0095 + 0,0076 + 0,00244 + 0,00015.170,25 = 0,045 m

- Hệ số co hẹp đứng α phụ thuộc tỷ số a/H, có thể xác định a bằng cách sử dụng bảng quan hệ của Jucốpxki nh sau:

( )

2

3 '

c o

c

H b

Q F

5,4

= 0,022

→τc = 0,005 → hc = τc.H '

0 = 0,005.19,5 = 0,0975 (m)

mndbt

0975,0

- Vị trí mặt cắt co hẹp cách cửa van một đoạn là Lch = 1,4.a = 1,4.0,16 = 0,224( m )

3 Kiểm tra chảy trong cống

3.1- Vẽ đờng mặt nớc để tìm độ sâu cuối cống hr

2

2

5,2.81,9

5,4.1

= 0,69 (m)Dùng phơng pháp đối chiếu với mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực ta có:

2 2

2 1

- Vận dụng lý thuyết về sự nối tiếp, trớc nớc nhảy là đoạn chảy xiết theo đờng nớc

dâng CI bắt đầu từ mặt cắt co hẹp có độ sâu hc đến mặt cắt I - I có độ sâu h' Sau nớc nhảy là

đoạn chảy êm theo đờng nớc hạ bI bắt đầu từ mặt cắt II - II có độ sâu h'' đến mặt cắt cửa ra

có độ sâu hk

Để xác định vị trí nớc nhảy ta thực hiện các bớc sau đây:

BẢNG TÍNH ĐƯỜNG MẶT NƯỚC TRONG CỐNG THEO PHƯƠNG PHÁP CỘNG TRỰC TIẾP

2.5 1.35 3.38 5.20 0.65 37.22 1.13 1.41 0.0014

0.0011 56.69 0.002.5 1.42 3.55 5.34 0.66 37.37 1.07 1.48 0.0012

Nớc nhảy xảy ra cách mặt cắt co hẹp một đoạn l = 52,52 m với các đặc trng cơ bản

sau:

- Chiều dài nớc nhảy : ln = 6,39 (m)

- Độ sâu trớc nớc nhảy : h' = 0,273 (m)

- Độ sâu sau nớc nhảy : h'' = 1,42 (m)

- Nớc nhảy trong cống gây bất lợi cho cống về mặt ổn định trong quá trình làm việc vì

sẽ xảy ra hiện tợng chân không ở khu vực sau cửa van cũng nh là hiện tợng xâm thực vật

liệu làm cống, không đảm bảo chế độ sử dụng nớc

- Ta có thể sử dụng các biện pháp để đẩy nớc nhảy ra ngoài nh: thay đổi kích thớc

cống, dịch tháp van về gần phía hạ lu, tăng độ dốc đáy cống nhng các biện pháp này cũng

lại gây bất lợi cho một số điều kiện khác của cống

Trong đồ án này ta có cống có chiều cao Hc = 2,0m, trong khi h'' = 1,42 m nên nớc

nhảy không chạm trần cống, ta có thể dùng cách gia cố khớp nối thi công cống để đảm bảo

cho cống vẫn làm việc bình thờng khi có nớc nhảy trong cống

4 Tính toán tiêu năng

- Theo điều kiện cấu tạo, tại cửa ra của cống ta phải bố trí tiêu năng để dòng chảy ra hạ lu cống đợc an toàn Chọn hình thức tiêu năng cho cống tại cửa ra là tiêu năng đáy, làm

bể tiêu năng cấu tạo

- Chiều dài bể tiêu năng lb = 5m, bể sâu db = 0,5m

- Dới đáy bể bố trí tầng lọc ngợc, trong bể có đục các lỗ thoát nớc

V Chọn cấu tạo cống

1 Cửa vào, cửa ra

- Cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thợng, hạ lu Thờng

bố trí tờng hớng dòng theo hình thức mở rộng dần Góc chụm của hai tờng hớng dòng ở cửa vào thờng lấy khoảng 180ữ 230 hoặc lớn hơn; góc chụm ở cửa ra khoảng 80ữ 120 để tránh hiện tợng tách dòng Các tờng cánh có thể làm hạ thấp dần theo mái Cấu tạo cửa ra cần kết hợp với việc bố trí các thiết bị tiêu năng

- Sau bể tiêu năng là một đoạn kênh đợc bảo vệ bằng đá lát khan dày 25 cm với chiều dài đoạn bảo vệ:

Lsân sau = 2,36

014,0

4,0

4,0

=

h

h

- Với n: Độ nhám của lòng dẫn, với đá lát khan n = 0,014 ⇒ Lsân sau = 67,43 m

- Chọn chiều dài đoạn kênh đợc bảo vệ sau bể là : Lsân sau = 67,5 Sm

t ≥ [ ]J

H

= 15

5,19 = 1,3 (m), quá lớn

- Chọn t = 0,5 (m) theo điều kiện cấu tạo

Tại khe nối cần đặt thiết bị chống rò nớc Thiết bị chống rò bằng tấm kim loại dùng cho tấm ngang và tấm đứng của cống hộp có cấu tạo nh trên hình 3-3

Hình 3-3: Sơ đồ khớp nối của cống hộp bằng bê tông

1 Bao tải tẩm nhựa đờng 2 Đổ nhựa đờng

3 Tấm kim loai phẳng hình Ω 4 Tấm kim loại phẳng

5 Bao vữa đổ sau

- Khi cột nớc tác dụng không cao có thể làm thiết bị chống rò tại khớp nối kiểu dây thừng tẩm nhựa đờng

2.3 Nối tiếp thân cống với nền

- Cống hộp có thể đổ trực tiếp trên nền hay trên một lớp bê tông lót dày 10 ữ 15 cm, khi nền không phải là đá và tải trọng lên cống lớn cần tăng bề rộng đáy cống để hạn chế áp suất đáy móng

2.4 Nối tiếp thân cống với đập đất

Thờng dùng đất sét nện chặt thành một lớp bao quanh cống dày 0,5 ữ1 cm Tại chỗ nối tiếp các đoạn cống, làm thành các gờ để nối tiếp cống với đất đợc tốt hơn.

3 Tháp van

Vị trí tháp van bố trí ở khoảng giữa mái thợng lu và kiểm tra nó thông qua tính toán thuỷ lực cống (đảm bảo không sinh nớc nhảy trong cống ứng với các mực nớc cao) và đảm bảo các yêu cầu khác

Trong tháp thờng bố trí van công tác và van sửa chữa sự cố, cần bố trí lỗ thông hơi khi cần thiết (khi có nớc nhảy trong cống và chiều sâu sau nớc nhảy xấp xỉ tới trần cống)

Mặt cắt ngang tháp thờng làm dạng chữ nhật Chiều dày thành xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo Thờng làm tháp có chiều dày thay đổi 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

VI Tính toán kết cấu cống

1 Mục đích tính toán

- Xác định nội lực trong các bộ phận cống ứng với các trờng hợp làm việc khác nhau của cống để từ đó bố trí cốt thép và kiểm tra tính hợp lý của chiều dày thành cống đã chọn

2 Trờng hợp tính toán

a Tính toán cống với các trờng hợp làm việc khác nhau

- Khi mới thi công xong trong cống cha có nớc

- Khi thợng lu là MNDBT, cống mở để lấy nớc

- Khi thợng lu là MNDGC, cống đóng

- Khi có lực động đất,

* Trong đồ án này chỉ tính toán ngoại lực tác dụng lên một mặt cắt cống (mặt cắt giữa

đỉnh đập), cho một trờng hợp đại biểu

b Xác định đờng bão hoà trong trờng hợp thợng lu là MNDGC

- Dùng phơng pháp phân đoạn, lu lợng thấm q và độ sâu h3 sau tờng nghiêng và a0

đ-ợc xác định từ hệ phơng trình sau:

)(

2

2 0

2 3

2 1 0 2 0

0 2 3 1

2 0

2 3

Z h h K q

m

a K q

a m h m L

a h K

q

d d

Trong đó:

Hệ số thấm của đập: Kd = 10-5 m/s

Hệ số thấm của vật liệu làm tờng nghiêng K0 = 4.10-9 m/s h1 = MNGDC - ∇đáy cống = 135 + 5 – 115,5 = 24,5 (m)m1 : Hệ số mái thợng lu m1 = 3,5

δ : Chiều dày trung bình của tờng nghiêng: δ = 1mm2: Là hệ số mái hạ lu đập m2 = 3,0

a0 : Độ cao hút nớc

Z0 = δ.cosα =1.0,98 = 0,98 (m)sinα = 0,196

H: chiêu cao đập ở mặt cắt sờn đồi H = 81 – 59,7 = 21,3m

L : Chiều dài mặt cắt sờn đồi ta tính : L = 170,25 (m)

98,03

,21.10.4

5,00,3.10

).0,3.5,325,170(2.10

2 2

3

2 9

0 5

0 3

2 0

2 3 5

h q

a q

a h

a h q

.62,3

)(281,1

)(70,9

3 6 0

3

s m q

m a

m h