Đồ án thiết kế cống ngầm

2.3- 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.. Khẩu diện được tính với trường hợp chênh l

Đồ án môn học Thuỷ Công THIẾT KẾ CỐNG NGẦM

Đề số: C85

A TÀI LIỆU CHO TRƯỚC

I- Nhiệm vụ công trình:

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

1- Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác

2- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

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

II- Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối:

1- Một đập chính ngăn sông

2- Một đường tràn tháo lũ

3- Một công đặt dưới đập để lấy nước.

III- 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

÷ 1m

3- Vật liệu xây dựng:

a- Đất: xung quanh vị trí đập có các bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000m3, cự ly 800m); B (trữ lượng 600.000m3, cự ly 600m); C (trữ lượng 1.000.000m3, cự ly 1km) Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nước tương đối mạnh, các chỉ tiêu như ở bảng 1 Điều kiện khai thác bình thường

Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4km, trữ lượng đủ làm thiết bị chống thấm

b- Đá: khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo đắp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lí : ϕ = 23o; n = 0,35 (của đống đá); gk = 2,5 T/m3 (của hòn đá)

c- Cát, sỏi: khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3km, trữ lượng đủ làm tầng lọc Cấp phối như ở bảng 2

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

- Tràn tự động có cột nước trên đỉnh tràn Hmax = 3m

- Vận tốc gió tính toán ứng với mức đảm bảo P%:

- Chiều dài chuyền sóng ứng với mực nước dâng bình thường: D = 3 (km); ứng với mực nước dâng gia cường: D’= D+ 0,3 = 3,3 (km)

- Mực nước hạ lưu bình thường: 108,1 m

- Mực nước hạ lưu max: 109,0m

- Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua

5- Tài liệu thiết kế cống:

- Lưu lượng thiết kế lấy ứng với MNDBT: Qcống = 3,2 m3/s và MNC Qtk = 3,6 m3/s

- Mực nước khống chế đầu kênh tưới: Zkt = 115,15 m

- Tài liệu về kênh chính: hệ số mái m = 1,5; độ nhám n = 0,025:độ dốc đáy

i = (3→5).10-4

NỘI DUNG THIẾT KẾ1- NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG:

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

1.1.1- Nhiệm vụ:

- Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác

- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

Nền đất nhóm B (nền là đất cát,đất hòn thô,đất sét ở trạng thái cứng và nửa cứng)

Theo mục 3.2, QCVN 04-05-2012 tra bảng 1 → Cấp thiết kế là cấp I

Vậy chọn cấp của công trình là cấp I

- Tần suất gió lớn nhất và gió bình quân lớn nhất (theo TCVN 8216-2009, mục 6.1.3) tra bảng 3 ta có:

Tần suất gió lớn nhất ứng với MNDBT tương ứng P = 2%

Tần suất gió bình quân lớn nhất ứng với MNLTK tương ứng P = 25%

- Theo quan hệ tài liệu :

Khi chọn tuyến đặt cống cần lưu ý:

- Vì tầng phủ khá dầy nên ta đặt cống trên nền đất

- Đáy cống ở thượng lưu chọn cao hơn mực nước bùn cát lắng đọng và thấp hơn mực nước chết trong hồ

1.2.2- 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

1.2.3- 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 được chiều dài cống (đoạn trước cửa van, sau cửa van), làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực cống Để sơ bộ xác định chiều dài cống, ta chọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC 1(m)

Zđáy cống = MNC – 1 = 115,5 – 1 = 114,5 (m)

Ta chọn: Mái thượng lưu 3,5

Mái hạ lưu 3,0

Chiều rộng đỉnh đập b = 6m

Sơ bộ lấy chiều dài cống:

L = 3,5 (∇đđ - ∇đáy cống ) + 6 + 3(∇đđ - ∇đáy cống )

= 3,5 (139 – 114,5 ) + 6 + 3(139 – 114,5 ) = 165,25 (m)

2- THIẾT KẾ KÊNH HẠ LƯU CỐNG:

Kênh hạ lưu được thiết kế để làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực cống

2.1- Thiết kế mặt cắt kênh:

2.1.1- Mặt cắt kênh: được tính toán với lưu lượng thiết kế Q = 3,6 (m3/s)

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

- Độ dốc đáy kênh: 2.10-4

- Độ nhám lòng kênh: 0,025

- Hệ số mái kênh: m = 1,5.‍

2.1.3- Xác định bề rộng đáy kênh và chiều sâu nước trong kênh:

- Sơ bộ xác định vận tốc không xói (TCVN 4118 – 2012 theo mục 7.2.12):

VKX = K.Q0,1 = 0,53.3,60,1 = 0,602 (m/s) Trong đó:

+ Q: lưu lượng của kênh (m3/s): Q = 3,6 (m3/s)

+ 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:

− = 0,033Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,9(m)

2.2- 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:

Vmax < VKX Trong đó: Vmax là lưu lớn nhất trong kênh, tính với lưu lượng Qmax

Q

i m

= 8,424 2.10 4

4,32

− = 0,028Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,959 (m)

→ Vmax = ωmax

Q

= 4,327,97 = 0,542 (m/s)

Ta thấy: Vmax = 0,542 (m/s) < VKX = 0,602 (m/s) → thoả mãn điều kiện không xói

2.3- 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

Trong đồ án này ta có 2 cấp lưu lượng

Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,86(m)

Khẩu diện 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:

+ Z1: tổn thất cột nước ở cửa vào

+ Zp: tổn thất do khe phai (nếu có)

+ L: tổng chiều dài cống L

Trị số bc được tìm bằng phương pháp đúng dần: cho bc, xác định các trị số tổn thất Zi, sau đó thử lại theo điều kiện trên

Với mỗi trị số bc, các tổn thất cột nước được xác định như sau:

3.2.1- Tổn thất cửa ra: dòng chảy từ bể tiêu năng ra kênh hạ lưu coi như sơ đồ đập

tràn đỉnh rộng chảy ngập, khi đó:

Z2 = 2

2

) (

2

α

Trong đó:

+ b: bề rộng ở cuối bể tiêu năng, ta chọn bằng bề rộng kênh b = 4,0 (m)

+ hh: chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Q = 3,6 (m3/s)

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

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

2

1.0,5222.9,81 = 0,016 (m)

3.2.2- Tổn thất dọc đường: coi dòng chảy trong cống là đều với độ sâu:

h1 = hh + Z2 = 1,224 + 0,016 = 1,24 (m) Khi đó tổn thất dọc chiều dài cống bằng i.L, với i là độ dốc dọc cống, xác định như sau:

i =

2



Q

2

1 

1 1

h b

h b

c

c

+ ; C. R = n

1.R1/6 R =

n

1.R2/3

v

V g

Q Q

=

Vị trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoang giữa mái đập thượng lưu tại vị trí đặt cống,ta có:

l

V g

αTrong đó: + ξl: Hệ số tổn thất qua lưới, lấy ξl = 0,2

Q

= .( )

v v

c h z b

p

V g

αTrong đó: + ξp: hệ số tổn thất qua một khe phai, ξp= 0,1.

Q

= .( )

l l

c h z b

Q Z

2

.2

2 0 2

2 1

αωϕ

=

Trong đó:

ϕ và ε: Hệ số lưu tốc và hệ số co hẹp bên ở cửa vào ϕ = 0,983; ε = 0,7

ω: Diện tích mặt cắt ướt sau cửa vào ω = bc.h ứng với: h = hp + Zp V0: Lưu tốc tới gần: V0 =

ω

Q

Bảng 2: bảng tính khẩu diện cống

Biểu đồ quan hệ b~Zi

Theo tính toán ta chọn bc = 1,8 (m) thoả mãn điều kiện trên

3.3- Xác định chiều cao cống và cao trình đặt cống:

3.3.1- Chiều cao mặt cắt cống:

Hc = h1 + ∆ = 1,24 + 0.5 = 1,74 (m).lấy Hc = 2 (m)

Trong đó:

+ h1 = 1,24m

+ ∆: độ lưu không, lấy từ 0,5 đến 1 m, chọn bằng 0,5 (m)

+ Hc cần thoả mãn điều kiện cấu tạo, (thường khống chế Hc ≥ 1,6 m để tiện kiểm tra sửa chữa) và phù hợp với kích thước chuẩn quy định tại QCVN 04-05-2012

3.3.2- Cao trình đặt cống:

a) Cao trình đáy cống ở cửa vào:

Zv = MNC – h1 - ΣZi Trong đó:

+ ΣZi: tổng tổn thất cục bộ ở cửa vào, khe phai, lưới chắn rác, khe van khi tháo với QTK: ΣZi = Zvào + Zp + ZL + Zv =0,07 + 0,04 + 0,021 + 0,046 = 0,177 m

Vậy: Zv = 115,5 – 1,24 – 0,177 = 114,08 m

b) Cao trình đáy cống ở cửa ra:

Zr = Zv – i.L + i: Độ dốc đáy cống; với bc = 1,8m ta tính được: i = ( )2

Q

C R

ω Ứng với bc = 1,8m theo bảng 2 ta tính được: iL = 0,127m

4- KIỂM TRA TRẠNG THÁI CHẢY VÀ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG:

4.1- 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 của dòng chảy lớn, dòng chảy ở ngay sau cửa van thường là dòng xiết Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lưu qua nước nhảy Do đó cần tính toán để:

- Kiểm tra xem nước nhảy có xảy ra ở trong cống không Thường với các mực nước cao ở thượng lưu, cần khống chế không cho nước nhảy trong cống để tránh rung động bất lợi Còn 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 2 trường hợp mực nước cao với các lưu lượng tương ứng Sơ đồ tính toán cho các trường hợp này như hình 3-2

Hình 2: Sơ đồ tính toán thuỷ lực khi mực nước cao ở thượng lưu

- ϕ: hệ số lưu tốc, lấy ϕ = 0,95

mndbt

2 0

α = MNDBT - ∇đcv = 133,5– 114,08 = 19,42(m)

+ hw: tổn thất cột nước từ cửa vào cho đến vị trí cửa van:

hw = 0 (tổn thất nhỏ nên ta có thể bỏ qua)

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 như sau:

b H

τφ

2

3,20,95.1,8.19,42 = 0,022

→Tra bảng 15-1 có: τc = 0,005→ hc = τc.H '

0 = 0,005.19,42= 0,097 (m)Tra bảng 16-1 có: ε =0,611

0,005

0,0082 0,0082.19,42 0,160,611

c

a

a H

Vậy: Giá trị ε = 0,611 và a = 0,16 (m) xác định ở trên có thể chấp nhận được

4.3- Kiểm tra chảy trong cống:

4.3.1- Vẽ đường mặt nước để tìm độ sâu cuối cống h r :

a- Định tính: cần xác định hc, h0, hk

Độ sâu co hẹp sau van: hc = 0,097 (m)

Độ sâu phân giới: hk = 3

2 3

2

1.3,29,81.1,8 = 0,686 (m)

- Độ sâu dòng đều h0: tính toán theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực:

1,83,330,54

b R

ln

2,426

h R

2 2

2 1

α

2

2

1 J J

V

ω

Q

Dùng phương pháp cộng trực tiếp (tính gần đúng) để vẽ đường mặt nước, tính với

chiều dài sau van là L = 112,83 – 0,224 ≈ 112,606(m)

Bảng tính toán đường mực nước trong cống:

Theo bảng tính với ∑L = 113,162 m > L = 112,606 m ta đã có : h = hk = 0,686 m, nghĩa là có nước nhảy ngoài cống.

4.4 Tính toán tiêu năng:

+ Các thông số tính toán của cống :

- Lưu lượng thiết kế qua cống : QTK=3,6 m3/s

- Kích thước cống : b.h=1,8.2=3,6 m2

- Cột nước cuối cống : hr=0,6

- Cột nước đầu kênh dẫn ở hạ lưu hkênh=1,224m.Bề rộng đáy kênh bk=4m

+ Tính toán kích thước bể tiêu năng:

- Cần xác định độ sâu đào bể db và chiều dài bể Lb để có nước nhảy ngập trong bể.Ở đây tính toán với trường hợp tháo lưu lượng thiết kế QTK=3,6 m3/s;với mực nước khai thác cao nhất trong hồ (MNDBT) như đã xác định ở trên,khi đó độ sâu ở mặt cuối cống

r

g

α+db

L1 :chiều dài nước rơi từ mặt cắt cống đến đáy bể (tương ứng với bậc

P=db=0,5m) xác định theo tầm phóng của làn nước khi ra khỏi cống với vận tốc vr=3,33 m/s theo chiều ngang

- Thời gian để nước chạm đáy là :

2 2.0,5

0,319( )9,81

5.1- Cửa vào, cửa ra:

Cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng, hạ lưu Thường bố trí tường hướng dòng theo hình thức mở rộng dần Góc chụm của hai tường hướng dòng ở cửa vào là 200; góc chụm ở cửa ra chọn là 100 để tránh hiện tượng tách dòng Các tường cánh làm hạ 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

Lsn = (2,5 ÷ 3).Ln Chọn Lsn = 10 m

Hình 3: Bố trí mặt bằng cửa vào

5.2 Thân cống:

5.2.1- Mặt cắt: Cống hộp thường làm bằng bê tông cốt thép, đổ tại chỗ Mặt cắt

ngang 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:

180 50

Hình 4: Mặt cắt thân cống

5.2.2- Phân đoạn cống: vì cống dài, cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn

để tránh rạn nứt do lún không đều Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất nền và tải trọng trên cống, chọn bằng 15 (m)

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

a

532

Hình 5: Sơ đồ khớp nối của cống hộp bằng bê tông

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

5 Vữa bê tông đổ sau

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

5.2.3- Nối tiếp thân cống với nền:

Cống hộp có thể đổ trực tiếp trên nền hay trên một lớp bê tông lót dày 10 ÷ 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

5.2.4- Nối tiếp thân cống với đập:

Dùng đất sét nện chặt thành một lớp bao quanh cống dày 0,5 ÷1 m Tại chỗ nối tiếp các đoạn cống, làm thành các gờ để nối tiếp cống với đất được tốt hơn

5.3- Tháp van:

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

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 làm dạng chữ nhật Chiều dày thành xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo Thường 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

6.2- 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 MNLTK, 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 mép thượng lưu đỉnh đập), cho một trường hợp đại biểu: khi thượng lưu là MNLTK, cống đóng

+ Xác định đường bão hòa trong trường hợp thượng lưu là MNLTK Tính toán như đập đồng chất trên nền không thấm

Sơ đồ tính toán:

a0

H 1

Theo phương pháp thủy lực (trang 118 GT thủy công) ta có:

Lưu lượng thấm qua đập:

1 2

.2.( a )

o d

o d

H1 : mực nước thượng lưu H1 = 136,5 – 117,08 = 19,5 (m)

∆L : chiều dài đoạn biến đổi

Với ∆L = 1

1 1

3,5 .19,5 8,53(m)

2 1 2.3,5 1

m H

a0 : chiều cao hút nước (m)

m1 : hệ số mái thượng lưu (m1 = 3,5)

m2 : hệ số mái hạ lưu (m2 = 3)

kd : hệ số thấm của đập kd = 10-5 (m/s)