ĐỒ án môn học THIẾT kế CỐNG lộ THIÊN đề số a5

Phần I : Giới thiệu chung I VỊ TRÍ NHIỆM VỤ CÔNG TRÌNH : Cống A được xây dựng ven sông X để nước tưới cho 60.000 ha ruộng . Ngăn nước sông tràn vào đồng khi có lũ . Kết hợp đường giao thông với loại xe 8 – 10 tấn đi qua. II CẤP CÔNG TRÌNH VÀ CHỈ TIÊU THIẾT KẾ : 1 Cấp công trình được xác định theo TCXDVN 285:2002 : Căng cứ vào quy phạm 2002 với đối tượng là đập bê tông trên nền đất ở trạng thái bão hòa nước và chiều cao đập 8m là công trình cấp IV Căn cứ vào nhiệm vụ công trình chủ yếu tưới cho 60.000 ha ta có công trình thuộc cấp II là chủ yếu,cấp III thứ yếu. 2 Các chỉ tiêu thiết kế : Căn cứ vào cấp công trình đã chọn là công trình cấp II, ta xác định được các chỉ tiêu cần thiết cho việc thiết kế cống như sau :

THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN

( Đề số : A – 5 )

I/- NHIỆM VỤ :

Cống A xây dựng ven sông X để:

- Lấy nước tưới cho 60.000ha ruộng

- Ngăn nước sông tràn vào đồng khi có lũ

- Kết hợp đường giao thông với loại xe 8 – 10 tấn đi qua

II/- CÁC LƯU LƯỢNG VÀ MỰC NƯỚC THIẾT KE Á :

Lấy nước:

Qmax lấy = 100 m3/s ; Zđầu kênh = 3,50 m

Zmax sông = 7.50m ; Zmin

sông = 3.70 mChống lũ:

Zsông max = 8.60 m ; Zđồng min = 2.50 m

III/- TÀI LIỆU KÊNH HẠ LƯU :

Zđáy kênh = 0,00 m ; Độ nhám n = 0,025Độ dốc mái m = 1,5 ; Độ dốc đáy i = 0,0004

IV/- TÀI LIỆU GIÓ :

Tần suất P

%

V/- CHIỀU DÀI TRUYỀN SÓNG :

VI/- TÀI LIỆU ĐỊA CHẤT :

- Đất thịt cao độ : + 3.50 đến + 5.00

- Đất cát pha : +0.50 đến – 10.00

- Đất sét : -10.00 đến – 30.00

Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống Loại đất

VII/- THỜI GIAN THI CÔNG : 2 năm

Yêu cầu :

1- Xác định cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế

2- Tính toán thủy lực xác định chiều rộng cống và giải quyết tiêunăng

3- Chọn cấu tạo các bộ phận cống

4- Tính toán thấm và ổn định cống

5- Tính toán bản đáy cống theo phương pháp dầm trên nền đànhồi

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn Lớp TH 13 Trang 2

PHẦN I : GIỚI THIỆU CHUNG

I- VỊ TRÍ NHIỆM VỤ CÔNG TRÌNH :

- Cống A được xây dựng ven sông X để nước tưới cho 60.000 ha ruộng

- Ngăn nước sông tràn vào đồng khi có lũ

- Kết hợp đường giao thông với loại xe 8 – 10 tấn đi qua

II- CẤP CÔNG TRÌNH VÀ CHỈ TIÊU THIẾT KẾ :

1- Cấp công trình được xác định theo TCXDVN 285:2002 :

-Căng cứ vào quy phạm 20-02 với đối tượng là đập bê tông trên nền đất ởtrạng thái bão hòa nước và chiều cao đập 8m là công trình cấp IV

-Căn cứ vào nhiệm vụ công trình chủ yếu tưới cho 60.000 ha ta có côngtrình thuộc cấp II là chủ yếu,cấp III thứ yếu

2- Các chỉ tiêu thiết kế :

Căn cứ vào cấp công trình đã chọn là công trình cấp II, ta xác định đượccác chỉ tiêu cần thiết cho việc thiết kế cống như sau :

- Tần suất lưu lượng : P% = 0,5%

- Hệ số vượt tải : (Bảng P 1 – 4)

+ Trọng lượng bản thân công trình n = 1.05+ Áùp lực đứng của trọng lượng đất n = 1.20 + Áùp lực bên của đất n = 1.20+ Áùp lực tĩnh, áp lực sóng, áp lực thấm ngược n = 1.00+ Tải trọng do gió n = 1.30

- Hệ số tin cậy : Kn = 1.2 (Bảng P 1 – 6 )

- Hệ số điều kiện làm việc : m = 1.0 (Bảng P 1 – 5)

PHẦN II : TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNGI-

TÍNH TOÁN KÊNH HẠ LƯU :

Cao trình mực nước thiết kế = 3.45 m

TÍNH TOÁN KHẨU DIỆN CỐNG :

1- Trường hợp tính toán : Khi cần tháo lưu lượng Qtưới = 120 m3/s vớichênh lệch mực nước thượng lưu nhỏ Zsôngmin =3.7 m ; Zđầu kênh = 3.45 m ; Z =0.25 m

2- Chọn loại và cao trình ngưỡng cống :

- Cao trình ngưỡng : Chọn bằng cao trình đáy kênh Z = 0.00 m

- Hình thức ngưỡng cống : Đập tràn đỉnh rộng không ngưỡng P = 0

3- Xác định bề rộng cống :

a Xác định trạng thái chảy : Theo quy phạm QPTL C8-76 , đập chảyngập khi hn > nHo

* Tính hn :

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn Lớp TH 13 Trang 4

n : gọi là chỉ số ngập

n = (hn/H0)pg  0,75  0,8 Sơ bộ chọn n = 0,8

Vậy thoã mãn điều kiện để đập chảy ngập

Tính bề rộng cống : Tính tổng bề rộng cống từ công thức đập tràn đỉnhrộng chảy ngập

Trong đó :

- n : hệ số lưu tốc chảy ngập lấy theo trị số của hệ số lưu lượng

m (tra bảng Cumin bảng 14-12 GTTL tập III trang 35) ta lấy m

= 0.36 ; tra (bảng 14-13) ta được n = 0.96

- g : hệ số lưu tốc phụ thuộc thêm khi có co hẹp ngang

c Phân chia các khoang và chọn mố :

Phân khoang chọn mố như sau : Chọn 2 cửa mỗi cửa 7 m; 1 mố trụ mỗimố rộng 1m

d Kiểm tra chiều rộng cống :

g h b

Q c  n g. 2 0 

120

 b =  = 14.05 m

0,96 0,97 3.45  2 9,81 (3.81 – 3.45)

= 0,96 0,97 14 3,45 2 9,81 (3.81 -3.45) = 119,53 m3/sVậy chọn b = 14 m là phù hợp.Như vậy Bc = 15 m

III/- TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI :

1- Trường hợp tính toán :

Khi tháo lưu lượng qua cống với chênh lệch mực nước thượng, hạ lưulớn Với cống lấy nước khi Zsông lớn , Zđồng phụ thuộc lưu lượng lấy , chế độđóng mở cữa van trong trường hợp này đơn giản là mở đều các cống

2-Xác định lưu lượng tính toán tiêu năng :

Để xác định lưu lượng tính toán tiêu năng , cần tính với các cấp lưu lượngtừ Qmin đến Qmax , với mỗi cấp Q ta xác định được độ mở cữa cống a

Qtt là trị số ứng với (hc’’ – hh)max

 : hệ số co hẹp bên, lấy  = 1

 : hệ số lưu tốc, lấy  = 0.95

hc = .a với  là hệ số co hẹp đứng  = 0.61

Ho : cột nước tính toán trước cửa van Ho = 7.6 (bỏ qua lưu tốc tới gần)Tính Ftc =

2 3

o

c H b

Q c  n.g. 2 0 

 m Độ sâu liên hiệp hc " = 2,3 m

Mà ta có hh = 1,81 m So sánh các độ sâu ta thấy :

hc = 0,2 m < hk = 1,64 m < hh = 1,81 m < hc" = 2,3 m tức là cống chảy tự do và do hc" > hh nên sau cống có nước nhảy phóng xa Để đảm bảo cho hạ lưu làm việc bình thường ta bố trí thiết bị tiêu năng

(Từ bảng tính xác định Qtt tiêu năng , ứng với Q = 40m3/s có trị số (hc’’ –

hh) đạt giá trị lớn nhất

Do đó ta chọn lưu lượng tính toán tiêu năng là Qtt = 40m3/s

Xác định độ mở cống a :

Có Fc = 0.082 , tra bảng ta có a/H = 0.031m

=> a =a/H *H = 0.031* 7.9 = 0.245m)

3- Tính toán tiêu năng :

Biện pháp tiêu năng ta chọn tường và bể kết hợp

+ Xác định chiều sâu bể :

Bài toán tính đúng dần

 : Hệ số kinh nghiệm bằng (0,7  0,8) Chọn  = 0.8

l1 : Chiều dài nước rơi được tính theo công thức :

P = d = 1 m là chiều cao ngưỡng cống so với bể

Chiều dài nước nhảy ln :

ln = 4,5 hc” = 4,5*2.22 = 9.99 m ( Chiều dài nước nhảy.)

a- Cao trình đáy tường ngực :

Do không yêu cầu giao thông thủy nên ta có thể chọn Zđt theo côngthức :

Zđt = Ztt +  = 3,70 + 0,5 = 4,2mTrong đó :

Ztt = 3,7 m : Cao trình mực nước tính toán

 = 0,5 m : Độ lưu không b- Cao trình đỉnh tường : Lấy bằng cao trình đỉnh cống được xác địnhtheo công thức :

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn Lớp TH 13 Trang 8

Zđc = MNDGC + h’ + s’ + a’ (*)Với :

- MNDGC = Zsôngmax = 8,5 m

- h’ : Độ dền do gió tính với trường hợp vận tốc gió bình quân lớnnhất theo công thức :

h’ = 2.10-6 V2 D cos /g.HVận tốc gió bình quân lớn nhất V50% = 14 m/s

Giả thiết trường hợp đang xét là sóng nước sâu H > 0,5

Tính các đại lượng không thứ nguyên :

2 2 3,14

* Kiểm tra điều kiện sóng sâu H > 0,5  8,5 > 0,5 3,4 = 1,7 m

Vậy giả thiết ban đầu sóng nước sâu là đúng

* Tính chiều cao sóng theo tần suất P = 1% như sau :

h1% = K1% hs Tra đồ thị P2-2 hướng dẫn đồ án môn học thủy công vớigD/V2 = 15 tra được K1% = 2,08  h1% = 2,08 0,253 = 0,526 m

* Tính độ dềnh cao nhất của sóng :

s’ = kns h1% Tra đồ thị P2-4 với :

Vậy chiều cao tường ngực là : Htường = 9.4 – 4.2 = 5.2 m

+ Kết cấu tường gồm bản mặt và các dầm đỡ , bản mặt đổ liền khối vớidầm, chiều dày bản = 0,2 m

3- Cầu công tác : Dùng để đi lại thao tác cữa van , có chiều cao tính toánsao cho đảm bảo khi kéo hết cửa van lên có khoảng không để đưa cửa van rasửa chữa

4- Cầu giao thông : Bố trí ngang đỉnh cống , để đảm bảo cho xe có tảitrọng 8 đến 10 tấn đi qua , chọn mặt cầu rộng 6 m

5- Mố cống : Bao gồm 2 mố bên và 1 trụ pin giữa Trên mố bố trí khephai và khe van Chiều dày trụ pin 1m , chiều dày mố bên trên đỉnh cống rộng0.6m , đáy rộng 2m bằng BTCT liền khối với bản đáy , đầu trụ pin chọn dạngtam giác thượng hạ lưu Chiều dài mố ta chọn L = 20m

6- Khe lún : Dùng bao tải tẩm nhựa đường 2 lớp

7- Bản đáy cống :

Chiều dài bản đáy cần thỏa mãn các điều kiện thủy lực , ổn định kết cấubên trên , ta chọn bằng chiều dài mố

Chiều dày bản đáy chọn theo điều kiện chịu lực , phụ thuộc vào bề rộngkhoang cống , tải trọng bên trên và tính chất nền theo kinh nghiệm chọn bảnđáy dày 1m

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn Lớp TH 13 Trang 10

II/-

ĐƯỜNG VIỀN THẤM : Bao gồm bản đáy cống , sân trước , chân

khay

1- Sân trước :

a- Chiều dài sân :

Xác định theo công thức :

Ls  (34) H = 4*3.45 = 13.8mChọn Ls = 14 m

b- Chiều dày sân :

Chiều dày sân chọn phải thỏa mãn   H/[J]

Trong đó : - H độ chênh mực nước trước và sau sân , có thể lấy bằng độ chênh mực nước trước và sau cống H = 0.25m

- [J] (Gradien thấm cho phép phụ thuộc vào vật liệu làm sân) = 4

H / [J] = 0.25/4 = 0.063Vậy ta có thể chọn chiều dày sân trước là 0.25m Két cấu sân trước ta chọn bằng bê tông đá 1x2 vữa M 150 , lớp lótbằng bê tông đá 4x6 M100

2-Chân khay :

Ở 2 đầu bản đáy cần làm chân khay cắm vào nền để tăng ổn định và kéodài đường viền thấm Chọn chân khay sâu 1m

3- Thoát nước thấm :

Bố trí các lỗ thoát nước trong phần bể tiêu năng , bên dưới có bố trí tầnglọc ngược dưới sân

4- Kiểm tra chiều dài đường viền thấm :

Đường viền thấm phải đảm bảo điều kiện : Ltt  C.H

C : hệ số phụ thuộc vào tính chất đất nền tra bảng P 3-1 có C = 6

H : cột nước thấm lớn nhất = 8.5 – 2.5 = 6.0 m

 Ltt = 38.6 m > C.H = 6*6.0 = 36.0 mVậy công trình đảm bảo điều kiện an toàn về chiều dài đường viềnthấm

III/- NỐI TIẾP THƯỢNG HẠ LƯU :

1- Thượng lưu : Để dòng chảy thuận dòng bố trí tường cánh dạng loe từ

mái kênh đến tường bên của cống

2- Hạ lưu : Tường cánh có góc loe tg  =14o

Sân tiêu năng bằng bê tông

+ Chiều dày sân sau : t = 0,15 V1  h1

+ Chiều dài sân sau : Tính theo công thức :

.H = 6 m : Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu

q = QTK/B = 40/18 = 2.222 m/s : Lưu lượng đơn vị cuối sân tiêu năng

K = 8 : Hệ số phụ thuộc nền đất dính

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn Lớp TH 13 Trang 12

m h

V

t  0 15 1 1  0 15 * 11 11 0 2  1 1

H q K

m

Chọn LSS = 23 m

PHẦN IV : TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY

CÔNG TRÌNH

I/-XÁC ĐỊNH TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN :

Dùng phương pháp đồ giải vẽ lưới bằng tay xác định lực đẩy ngược lênđáy công trình Wt và Građien thấm J

Trong đồ án này chỉ tính cho trường hợp khi chênh lệch mực nước thượnghạ lưu lớn nhất ứng với trường hợp chống lũ

Hmax = Zsôngmax – Zđồngmin = 8.50 – 2.50 = 6.0m

II II/- TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH :

III 1/- Trường hợp tính toán :

IV Trong phạm vi đồ án , ta tính cho trường hợp chênh lệch mực nướcthượng hạ lưu là lớn nhất

V hmax = Zsôngmax - Zsôngmin = 8.5 – 2.5 = 6.m

2- Vẽ lưới thấm :

Xây dựng lưới thấm : Bằng phương pháp vẽ đúng dần dựa vào các điềukiện sau :

- Tất cả các đường dòng và đường đẳng thế phải trực giao nhau

- Các ô lưới phải là các đường vuông cong

- Tiếp tuyến của các đường đẳng thế vẽ từ các điểm góc của đường viềnphải trùng với phân giác góc đó

- Các giới hạn của lưới thấm :

+ Đường đẳng thế đầu tiên là mặt nền thấm phía thượng lưu

+ Đường thế cuối cùng là mặt nền thấm phía hạ lưu

+ Đường dòng đầu tiên là đường viền thấm dưới đáy công trình + Đường dòng cuối cùng là mặt tầng không thấm nước , ở cao trình–10 (tầng đất sét)

( Sơ đồ xem hình trang sau ) có 18 dải và 6 ống dòng

3- Xác định áp lực thấm :

- Cột nước thấm tổn thất qua mỗi dải được xác định theo côngthức :

H = H/n = 6/24 = 0.25

- Cột nước thấm tại một điểm bất kỳ xác định theo công thức :

hx = ix * ( H/n ) (1)Trong đó:

- H chênh lệch cột nước thượng hạ lưu = 6.0 m

- n số dải của lưới thấm (n = 24)

- Ix số dải tính từ điểm tính toán đến đường thế cuối cùng Dựa vào công thức trên ta vẽ được áp lực thấm dưới đáy công trình Từ đó xác định được tổng áp lực thấm tác dụng lên bản đáy

* Cột nước thấm tại điểm A cách đường thế cuối cùng 18 dải là :

- Aùp lực thủy tĩnh đẩy ngược được xác định :

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn Lớp TH 13 Trang 14

Wtt = n (hh +t )L = 1(2.5 + 1) 20 = 70.0 T/m

 Tổng áp lực đẩy ngược lên bản đáy cống là :

W = Wtđ + Wtt = 60 + 70 = 130 T/mĐiểm đặt của tổng áp lực đẩy ngược được xác định như sau :Gọi e là khoảng cách từ điểm đặt lực đến điểm A đáy cống

Trong đó : L = 20 m

b = 1.5 + 3.5 = 5.0 m

a = 4.5 +3.5 = 8.0 m

4- Xác định lưu lượng thấm đơn vị :

Gọi m là số ống dòng , n là số dãi của lưới thấm.Lưu lượng thấm đơn vịsẽ là :

Trong đó K = 2.10-6 m/s (Đối với đất cát pha)

5- Xác định gradien thấm :

Gradien thấm tại ô lưới bất kỳ có trung đoạn là s sẽ là :

Dựa vào công thức để vẽ biểu đồ gradien thấm tại cửa ra

S n

H S

H i

b a

a b L e

8 2 5 3







III/- KIỂM TRA ĐỘ BỀN THẤM CỦA NỀN :

Kiểm tra độ bền thấm chung :

Kn

Jk

J tb  tb

Trong đó Jtb là gradien cột nước trung bìnhtrong vùng thấm tính toán ; Jktb

là gradien cột nước tới hạn trung bình tính toán, (tra bảmg ta có Jktb = 0.22).Kn :hệ số tin cậy Kn = 1.15







tt tb

T

H J

Trong đó : H : cột nước tác dụng : Ttt : chiều sâu tính toán của nền

T

H

24 5 5 8

.

So sánh ta thấy Jtb = 0.13 < 0.22/1.15 = 0.191

Kết luận đảm bảo độ bền thấm chung

Kiểm tra độ bền thấm theo điều kiện :

Jra  [Jra]Trong đó : - Jra là Gradien thấm cục bộ (Đã tính ở trên)

- [Jra] Gradien thấm không cho phép xói ngầm cơ học , được xácđịnh theo biểu đồ Ixtômina phụ thuộc vào hệ số không đồngđều hạt của đất

Với đất nền là cát pha có  = d60/d10 = 9 ,Tra trên biểu đồ (HìnhP3-1)

ta được [Jra] = 0.35

Với tính toán trên ta có JTB = 0.2118  [Jra] = 0.35

Do đó độ bền thấm của nền tại cửa ra đảm bảo không bị xói ngầm

cơ học Nhưng theo yêu cầu cấu tạo ta vẫn làm tầng lọc ngược để tăngkhả năng ổn định cho công trình

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn Lớp TH 13 Trang 16

PHẦN V : TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỐNG

I/- MỤC ĐÍCH :

Kiểm tra ổn định cống bao gồm kiểm tra về trượt, lật, đẩy nổi Giới hạntrong phạm vi đồ án ta chỉ tính toán kiểm tra ổn định về trượt của cống

II/- XÁC ĐỊNH TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN :

Tính với trường hợp bất lợi khi mực nước thượng , hạ lưu chênh lệch lớnnhất

Căn cứ vào điều kiện làm việc của công trình ; trường hợp chống lũ mực nướcngoài sông lớn nhất = 8.5 m và mực nước trong đồng min = 2.5 m Vậy H = 6.0

m

Sơ đồ tính toán là toàn bộ bản đáy với các bộ phận đặt lên nó

III/- TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT :

1- Xác định các lực tác dụng lên công trình :

a/ Các lực đứng : Bao gồm :

- Trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác

- Cửa van, tường ngực, mố cống , bản đáy

- Nước trong cống

- Phần đất giữa hai chân khay (trong phạm vi khối trượt) và cáclực đẩy ngược (thấm, thủy tĩnh)

 Trọng lượng các mố : Gồm 2 mố bên và1 mố giữa

Cánh tay đòn so với bản đáy a1 = 0

*Trọng lượng tường ngực :

Dầm ngang (6 dầm) = (6*0.3*0.3*4)2.5 = 5.4 T

Dầm dọc (2 dầm) = (2*0.4*0.8*16)2.5 = 25.6 T

Hành lang , bậc thang = 20 T

a3 = 5.0 m

* Trọng lượng cầu giao thông :

Chọn cầu bê tông cốt thép cho các loại xe có tải trọng 8 _ 10 tấn

Có trọng lượng P4 = 100 T ; a4 = +2.0m

 Trọng lượng cữa van : P5

x F x F

4 4 4 0 2 5 6 0

4 0 4 4 4 0 3 0 2 5 6 0 2

1

2 2 1

.

*

*

.

*

*

* Trọng lượng nước trong cống :

Trọng lượng nước trong cống ứng với trường hợp chống lũ :

- Phần ngoài sông :

P7 = 8.5*15*5*1 = 638 T

a7 = 7.5m-Phần phía đồng :

* Áùp lực nước phía sông :

- H chiều cao cột đất tác dụng

Với  =  =  = 0 => c = tg2 (45o-/2) = tg2(45o-18o/2) = tg236o = 0.528

=> Ectl = 1/2(1.7*22*0.528) = 1.8 T/m

Toàn bộ chân khay Ectl = 1.8*19 = 34 T

e3 = 1.5 - 2/3 = 0.83 m

 Áp lực đất bị động hạ lưu (chân khay hạ lưu) :

Trong đó: - b cường độ áp lực đất tại điểm đáy chân khay được tính như sau

.