đồ án thiết kế cống ngầm thủy lợi

Tuyến cống: Bố trí tuyến cống phụ thuộc vào vị trí khu tưới tự chảy, cao trình mực nước khống chế tưới tự chảy, điều kiện địa chất nền và quan hệ với các công trìnhkhác.. Kênh hạ lưu đượ

THIẾT KẾ CỐNG NGẦM LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP ĐẤT

A.NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

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

1 Nhiệm vụ: Cống lấy nước trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau:

- Cấp nước tưới cho 2560 ha ruộng đất cánh tác

- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân

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

2.Cấp công trình: xác định theo 2 điều kiện

a) Theo năng lực phục vụ công trình:

Tra bảng 1 QCVN 04-05:2012, nhiệm vụ công trình cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác ⇒

công trình cấp III.

b) Theo cấp chung của cả công trình đầu mối

Vì cống là một trong những công trình chủ yếu của đầu mối, cấp của cả công trình đầumối xác định như ở phần thiết kế đập đất Ta có:

Kết luận: Để công trình được đảm bảo ta chọn thiết kế công trình cấp II

3 Các chỉ tiêu thiết kế: từ cấp công trình là cấp II, dựa vào quy phạm ta sẽ xác định

được các chỉ tiêu sau:

- Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất là P=1% ( bảng 4-QCVN 04-05-2012)

Bảng 3: Tài liệu thiết kế cống ngầm

Đề số Sơđồ

Đặc trưng hồ chứa Qcống (m3/s)

Mực nướcđầu kênh (m)

D(km) MNC(m) MNDBT(m)

KhiMNC(QTK)

KhiMNDBT

II Chọn tuyến và hình thức cống.

1 Tuyến cống: Bố trí tuyến cống phụ thuộc vào vị trí khu tưới tự chảy, cao trình mực

nước khống chế tưới tự chảy, điều kiện địa chất nền và quan hệ với các công trìnhkhác

- Vật liệu làm cống là bê tông cốt thép và có mặt cắt hình chữ nhật

- Dùng tháp van để khống chế lưu lượng Trong tháp có bố trí van công tác vàvan sửa chữa Vị trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoảng giữa mái đập thượng lưu tại vị trí đặtcống

3 Sơ bộ bố trí cống:

- Chọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC là: 1m

- Cao trình đáy cống : Z đáy cống = MNC – 1=12,4 – 1= 11,4(m)

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 = 3,3 (m3/s)

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

+ Độ dốc đáy kênh: i = 2,5.10-4 + Hệ số mái kênh: m = 1,5 tra bảng tính thủy lực phụ lục (8 -1)

ta được: 4m0 = 8,424

+ Độ nhám lòng kênh: n = 0,025

Xác định bề rộng đáy kênh (b) và chiều sâu nước trong kênh (h):

1 Sơ bộ xác định vận tốc không xói theo công thức sau:

Vkx = K.Q0,1Trong đó:

- Q là lưu lượng thiết kế của kênh

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

Vậy thay vào trên ta được:

3 0,5.(1 0,6) 3,3

f R n

1, 2

b

h = =

 [2 ÷ 5]

- Vậy điều kiện để chọn b và h được đảm bảo

II Kiểm tra điều kiện không xói:

- Vì cần dẫn nước từ hồ chứa nên hàm lượng bùn cát trong nước nhỏ, nên ta khôngcần kiểm ta điều kiện bồi lắng, chỉ kiểm tra điều kện xói lở

- Ta có kiểm tra điều kiện xói lở theo công thức sau: Vmax < Vkx (1)

Trong đó: + Vmax : là lưu tốc lớn nhất trong kênh, tính theo cấp lưu lượng Qmax=KQ

Vmax = ωmax

Q

(2)+ Với K là hệ số phụ thuộc Q: K = 1,2+ Q là lưu lượng thiết kế của kênh: Q = 3,3 (m3/s) + Nên ta có: Qmax = K.Q = 1,2.3,3 = 4,0 (m3/s)

+ Tính theo mặt cắt lợi nhất về thủy lực ta có:

f(Rln) = max

0 4

Q

i m

f R n

+ Lập tỉ số : ln

3,3

3,7530,906

+ Diện tích ướt: ω = (b + m.hmax) hmax = (3,4+ 1,5.1,32).1,32 = 7,10(m2)

+ Thay các giá trị trên vào (2) ta được: Vmax =

4,08

0,5757,10 =

(m/s)

- So sánh điều kiện (1) ta thấy:

Vmax = 0,575 < Vkx = 0,6(m/s) Vậy điều kiện không xói được đảm bảo

III Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lưu lượng:

- Tính toán theo từng cấp lưu lượng giả thiết và tính theo phương pháp mặt cắt lợinhất về thủy lực

- Ta có m = 1,5 ; i = 2,5.10-4 ; n = 0,025 ; b = 3,4 (m)

• Tính h : ứng với MNDBT có Q = 3 m3/s

4 ln

K

b

Với m = 1,5 tra phụ lục (8 –3) được : ln

0,808.1,385 1,12

h R R

 

 

mTính toán tương tự cho mỗi cấp lưu lượng ta xác định được các độ sâu tương ứng

[∆Z] = MNC - Zkc = 12,4 – 12,05 = 0,35 (m).

Để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần phải mở hết cửa van Ta có sơ đồ tính toán nhưtrên hình

Trong đó: + Z1 : là tổn thất cột nước ở cửa vào

+ Zp : là tổn thất do khe phai (nếu có)

Hình 2 : Sơ đồ tính toán thủy lực xác định khẩu diện cống

+ bb : là bề rộng ở cuối bể tiêu năng : bb = bk = 3,4 (m).

+ hh : là chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng thiết kế Q : hh = hk = 1,2(m).+ ϕn : là hệ số lưu tốc, chọn ϕn = 0,96( theo bảng 14.4 bảng tra thủy lực tương ứng với m=0,36)

Giả thiết chiều sâu của bể tiêu năng: d = 0,5(m)

)(h d b

(m)

2 Tổn thất dọc đường.

Coi dòng chảy trong cống là đều với độ sâu h1 được tính như sau:

h1 = hh + Z2 = 1,2 + 0,02 = 1,22 (m)

Ta có tổn thất dọc chiều dài cống là = i.L ; Trong đó: L=217,15(m) ,i là độ dốc cốngđược xác định theo công thức:

Q

ω

(3)với :

+ ω và C R tính với mặt cắt cống có bề rộng bc và h1

ω = bc.h1χ

= bc + 2.h1

R =

ωχ

+ Nên

2

1

n

=

(Với n = 0,012 là hệ sô nhám tra phụ lục J theo TCVN 4118-2012)

3 Các tổn thất cục bộ Zv, Z l , Zp: Được xác định theo công thức chung sau:

Trong đó:

+ ξi : là hệ số tổn thất đối với khe phai, khe van, được xác định theo quyphạm tính toán thủy lực cống dưới sâu Còn đối với lưới chắn rác xác định theo cẩmnang tính toán thủy lực

a Xác định tổn thất sau khi qua van Zv:

Trong đó:

+ Ta chọn theo tiêu chuẩn C1-75 phụ lục 1: ξV = 0,05

+ Lưu tốc qua van: Vv = v

Q

ω = 1

Ta có:

ξL = β

3 4

.sinα =

4

0

11,79 .sin 75 0,0810

 ÷

 Lưu tốc qua lưới:

VL = L

Q

ω = c 2 c.( 1 v)

Q

2)(2

2 0 2

Kết quả tính tổn thất được ghi ở bảng:

)

1.5 1.83 3.94 0.4645 49.9791 0.001382 0.3019 0.02 1.858 0.0185 1.830 0.0143 1.809 0.0171.7 2.074 4.14 0.5010 52.5643 0.000973 0.2125 0.02 1.639 0.0144 1.620 0.0112 1.606 0.0131.9 2.318 4.34 0.5341 54.8573 0.000715 0.1562 0.02 1.467 0.0115 1.453 0.0090 1.442 0.011

2 2.44 4.44 0.5495 55.9101 0.000621 0.1357 0.02 1.393 0.0104 1.382 0.0082 1.373 0.0102.1 2.562 4.54 0.5643 56.9073 0.000544 0.1188 0.02 1.327 0.0094 1.317 0.0074 1.309 0.0092.2 2.684 4.64 0.5784 57.8533 0.000479 0.1048 0.02 1.267 0.0086 1.258 0.0068 1.251 0.0082.3

0.007 9

1.20 4

0.006 2

1.19 8 0.007

Từ kết quả tính toán ở bảng và biểu đồ ta chọn bề rộng cống bc=2,3m với tổng tổn thấtcột nước

III Xác định chiều cao cống và cao trình đặt cống

1 Chiều cao mặt cắt cống: Ta có chiều cao mặt cắt cống được xác định như sau:

Kiểm tra điều kiện:

Hc = 2,2 m ≥ 1,6 m Vậy điều kiện về chiều cao mặt cắt cống được đảm bảo

2 Cao trình đặt cống:

a Cao trình đáy cống ở cửa vào: Được xác định như sau:

Zcv = MNC – h1 -(Z1 +Zp+ZL+Zv)Trong đó ta có:

Vậy bậc thụt ở cửa ra của cống so với đáy kênh hạ lưu: P2=0 đúng với sơ đồ tính toán

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 của dòng chảy lớn, dòng chảy ở ngaysau cửa van thường là dòng xiết Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lưu quanước nhảy Do đó cần tính toán nhằm:

- Kiểm tra xem nước nhảy có xảy ra trong cống không Thường với các mựcnước cao ở thượng lưu, cần khống chế không cho nước nhảy trong cống để tránh rungđộng bất lợi Còn với các mực nước thấp ở thượng lưu, nước nhảy trong cống là khôngtránh khỏi Tuy nhiên khi đó năng lượng của dòng chảy không lớn nên mức độ rungđộng nguy hiểm không đáng kể

- Xác định chiều sâu bể cần thiết để giới hạn nước nhảy ngay sau cửa ra củacống, tránh xói lở kênh hạ lưu

Theo đề bài tính toán cho trường hợp mực nước cao,tính với MNDBT=35m,cửa van

mở một phần với độ mở bằng a, dòng chảy ở sau cống trước van là chảy có áp, sau van

là khống chế chảy không có áp

Ta có sơ đồ tính toán được thể hiện ở hình vẽ dưới đây

Hình 3 : Sơ đồ tính toán thủy lực khi mực nước cao ở thượng lưu

V g

α

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

- xác định tổn thất : do dòng chảy ở đoạn cống trước là có áp nên:

hw =

2

.2

TV TV

V g

αξ

TV c

Q V

ω

(m/s)0,14 0,05 0,08 0,366 0,636

∑

Thay vào ta được: hw=

2

1,05.0,5930,636

Tính F(τc) :

F(τc) =

3 3/2

2 0

3

0,014 'c 0,95.2,3.21,31

⇒ Độ mở cống a được xác định theo công thức :

' 0

Vậy độ mở cống a =0,11m là phù hợp

III Kiểm tra chảy trong cống.

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 =α

a = 0,611.0,11 = 0,067 m ♦ Độ sâu phân giới hk :

hk =

3 2

m

♦ Độ sâu dòng đều h0 : Tính với QMNDBT, bc , ic = 0,000425,m=0(do mặt cắt hình

chữ nhật) đã biết, tìm h0 theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy

lực

Ta có :

4 ln

b

Với m = 0 tra phụ lục (8 –3) được :

=ln

R h

1,929

⇒ h0 =

ln ln

0,556.1,929 1, 07

h R R

Xuất phát từ mặt cắt co hẹp C – C vẽ về cuối cống Mặt cắt C – C cách cửa van

một khoảng bằng 1,4.a = 1,4 0,11 = 0,154 m, độ dốc cống i=4,25.10-4, bc=2,3m,

Q=3(m3/s)

Dùng phương pháp cộng trực tiếp để vẽ đường mặt nước.Theo phương pháp này

khoảng cách giữa hai mặt cắt có độ sâu h1 , h2 sẽ là :

V

2

2 1α ; J = 2

Kết quả tính toán hr được thể hiện ở bảng tính toán sau:

Theo kết quả bảng trên khi h= hk=0,56m => L=Lk=112,56 < Ltt=158,35

Vậy có nước nhảy trong cống

Kết luận :

Có nước nhảy xảy ra trong cống, do đó cần phải xử lý bằng các biện pháp sau :

- Thay đổi độ dốc đáy cống

- Thay đổi vị trí tháp áp van

- Chấp nhận có nước nhảy trong cống và phải tính toán để xác định độ sâu sau nước nhảy đảm bảo không chạm trần cống

Với trường hợp ở trên ta chấp nhận có nước nhảy trong cống :

-Xác định độ sâu sau nước nhảy là:

Tính F(τc) :

F(τc) =

3 3/2

2 0

3

0,014 .c 0,95.2,3.21,31

c

F τφ

Vậy độ sâu sau nước nhảy đảm bảo không chạm trần cống.

IV Tính toán tiêu năng.

1/ Xác định chiều sâu đào bể :

Bài toán đặt ra là xác định chiều sâu bể d để đảm bảo xảy ra nước nhảy ngay sau cửa ra cống Muốn vậy cần có : hb≥σhc’’

hr = hh= 1,2 m ; Vr =

31,09 /

Q q

Vậy : giả thiết db = 0,5 m là thỏa mãn đảm bảo nước nhảy ngập trong bể

2/ Xác định chiều dài bể : theo công thức :

Lb = L1 + βLn

Trong đó :

+ L1 – chiều dài nước rơi từ mặt cắt cuối công 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=1,09(m/s), theo chiều ngang

Thời gian để làm nước chạm đáy là:

2 2.0,5

0,319( ) 9,81

+ Ln – chiều dài nước nhảy có thể tính theo công thức gần đúng Saphơranet

Ln = 4,5.hc’’ = 4,5.1,05 = 4,73m

⇒ Lb = 0,35 + 0,75 4,73 = 3,9 m

Vậy kích thước bể tiêu năng là db=0,5m, Lb=3,9 m

E CHỌN CẤU TẠO CỐNG.

I Cửa vào, cửa ra.

Cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng lưu, hạlưu.Thường bố trí tường hướng dòng hình thức mở rộng dần Góc chụm của 2 tườnghướng dòng ở cửa vào lấy khoảng 180 – 230 hoặc lớn hơn Góc chụm ở cửa ra không

vượt quá 80 – 120 để tránh hiện tượng tách dịng Các tường cánh cĩ thể làm hạ thấpdần theo mái Cấu tạo cửa ra kết hợp với việc bố trí các thiết bị tiêu năng, cần bố trímột đoạn bảo vệ kênh hạ lưu cĩ chiều dài bằng Lsn

II Thân cống.

1 Mặt cắt:

Cống hộp thường làm bằng bê tơng cốt thép, đổ tại chỗ Mặt cắt ngang cĩ kếtcấu khung cứng thường làm vát các gĩc để tránh ứng suất tập trung Chiều dàythành cống xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấutạo Theo điều kiện chống thấm cần đảm bảo:

t ≥ [ ]J

H

=

2, 2 0,157

14 =

Trong đĩ:

+ H : là cột nước lớn nhất H = 2,2 m+ [ ]J

: là gradien cho phép về thấm của vật liệu bê tơng: [ ]J

= 10 –15

ở đây ta chọn [ ]J

= 14Chọn t=0,5m

2 Phân đoạn cống:

Khi cống dài, cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn để tránh rạn nứt

do lún khơng đều Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất nền và tải trọng trêncống, thường khoảng 10 – 20 m

Tại khe nối cần đặt thiết bị chống rị nước Thiết bị chống rị bằng tấm kimloại dùng cho tấm ngang và tấm đứng của cống hộp cĩ cấu tạo như hình vẽ dướiđây:

Hình 4 : Sơ đồ khớp nối của cống hộp bằng bê tông

b -

a -

4 1

1 2

4 2 5 3

3 Nối tiếp thân cống với nền:

Cống hộp có thể đổ trực tiếp trên nền hay trên lớp bê tông lót dày 10 - 15cm,khi nền không phải là đá và tải trọng lên cống lớn thì cần phải 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 0,5 – 1m.Tại chỗ nối tiếp các đoạn cống, làm thành các gờ để nối tiếp cống với đất đắp đượctốt hơn

Khi thiết kế tháp van cần chú ý tới yêu cầu kiến trúc, tạo cảnh quan đẹp phục

vụ các mục đích dân sinh kinh tế khác

F TÍNH TOÁN KHẨU DIỆN CỐNG.

I Mục đích tính toán:

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 động đất vv…

Trong đồ án chỉ yêu cầu tính toán ngoại lực tác dụng lên một mặt cắt cống( mặt cắt

ở giữa đỉnh đập)

III Xác định các ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống (Trường hợp cống hộp,

tính cho 1mét chiều dài)

q h Y

L: chiều dài tính từ điểm đầu đường bão hòa đến cuối cống.

Ta giải hệ phương trình trên bằng cách thử dần các giá trị q, h3, a0 :

- Xác định các đại lượng trong hệ phương trình trên :

+ Các hệ số thấm đất đắp đập dùng trong thiết kế :

Kđ = 10-5 m/s , K0 = 4.10-9 m/s

+ Chiều cao mực nước thượng lưu đập :

h1 = MNDGC – Zđc =( MNDBT+Hmax) – Zđc = 33+3 – 16,88=19,12(m)

Với Zđc : là cao trình đỉnh cống, Zđc= Zcv+Hc+2t=13,68+2,2+2.0,5=16,88(m)

+ Chiều dài tính toán :

L = m1.(Zđđ –Zđc)+ Bđập+m2.(Zđđ –Zcơ)+Bcơ+3,75.(Zcơ –Zđc) = 4 (39-16,88) + 10+3,5.(39-24)+3+3,75.(24-16,88)= 180,68 m

+ Hệ số mái dốc của thượng hạ lưu :

m1 = 4 ; m2’ = 3,75+ Độ dày trung bình của tường nghiêng :

m

c d

5 2

7 3

2 = + =

+

δ+ Xác định Z0 :

Theo sơ đồ hình vẽ ta có : Z0 = δcosα

= 5.0,97 = 4,85m

Trong đó :

25 0 4

1 1 cot

sinα =0, 24

- Thay tất cả các giá trị trên vào hệ phương trình và giải hệ ta có:

h a q

a q

X K

q h

q h Y

d

2

2 3

2.5, 4.1010

+ Zi và γi : tương ứng là chiều dày và dung trọng của các lớp đất đắptrên đỉnh cống( phần trên đường bão hòa tính theo dung trọng tự nhiên; phần dướiđường bão hòa tính theo dung trọng đẩy nổi)

Trong đồ án này ta tính toán cho một mặt cắt cống ở giữa đỉnh đập

 Chiều dày lớp đất trên đường bão hòa là: Z1=(39-16,88) – 3,1=19,02m

 Chiều dày lớp đất đập dưới đường bão hòa là :Z2=3,1m

Đất đắp đập có các chỉ tiêu sau:

Loại chỉ

tiêu rỗng nHS Độ ẩmW %

ϕ ( Độ ) C ( T/m

2 ) γk

( T/m3)

K( m/s)Tự

nhiên

Bảohòa

Tựnhiên

BãohòaĐất đắp

+ K : là hệ số phụ thuộc vào điều kiện đặt cống

Chọn ống chôn trong hào : K = B0 

H f

Ở đây ta có thể chọn K = 1 Thay vào trên ta được :

20

) = 19,61 (T/m) Dưới đáy:

P1’ = q1’.tg2(450 - 2

ϕ) = 43,1.tg2(450 - 2

20

) = 21,13 (T/m)Trong đó: q1’ = q1 + γđn.H = 40 + 0,97.(Hc+2t)

=40+0,97.(2,2+2.0,5)= 43,1 (T/m)+ γđn : là dung trọng đất đắp hai bên thành cống, lấy theo dung trọng đẩy nổi

+ H= Hc+2t= 2,2+2.0,5=3,2m

2 Áp lực nước : Gồm áp lực nước bên ngoài cống (bên trong cống không có

nước) Áp lực ngoài cống tác dụng ở trên đỉnh, 2 bên và dưới đáy cống Cường độ

áp lực nước xác định theo quy luật thủy tĩnh:

Trên đỉnh:

q2 = γn.Z2 = 1.3,1 = 3,1 (T/m)