ĐỒ ÁN THỦY CÔNG THIẾT KẾ CỐNG NGẦM

1.2.2- Hình thức cống: - Vì cống đặt dưới đập đất, mực nước thượng lưu khi lấy nước thay đổi nhiều từMNC đến MNDBT nên hình thức hợp lý là cống ngầm lấy nước không áp.. 1.2.3- Sơ bộ bố t

Đồ án môn học Thuỷ Công THIẾT KẾ CỐNG NGẦM

Đề số: 52

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 ly800m); 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 chốngthấm

b- Đá: khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảođắp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lí :  = 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 làmtầng lọc Cấp phối như ở bảng 2

 B ng 1- Ch tiêu c lý c a ảng 1- Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liêu đắp đập ỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liêu đắp đập ơ lý của đất nền và vật liêu đắp đập ủa đất nền và vật liêu đắp đập đất nền và vật liêu đắp đập ền và vật liêu đắp đập t n n v v t liêu à vật liêu đắp đập ật liêu đắp đập đắp đập đật liêu đắp đập p p

Chỉ tiêu

Loại

Hệ sốrỗng n

Độ ẩmW(%)

k

(T/m3)

k(m/s)

Tự nhiên Bãohoà nhiênTự BãohoàĐất đắp đập

- 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 = 3,4 (km); ứngvới mực nước dâng gia cường: D’= D+ 0,3 = 3,7 (km)

- Mực nước hạ lưu bình thường: 7,6 m

- Mực nước hạ lưu max: 9,2 m

- Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua

5- Tài liệu thiết kế cống:

- Lưu lượng thiết kếlấy ứng với MNDBT: Qcống = 3,1 m3/s và MNC Qtk = 3,4 m3/s

- Mực nước khống chế đầu kênh tưới: Zkt = 10,35 m

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

i = 1/3000 – 1/5000

NỘI DUNG THIẾT KẾ

1- NH NG V N ỮNG VẤN ĐỀ CHUNG: ẤN ĐỀ CHUNG: ĐỀ CHUNG: 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

Từ mặt cắt địa chất tuyến đập C Zđáy đập = 6 m (có kể đến bóc bỏ 1 m )

Vậy chiều cao đập

- Tại cao trình Z= 21, bố trí cơ có b = 3m, hệ số mái dưới cơ m3 = 3,25,

- Tại cao trình Z = 10,2 bố trí thiết bị thoát nước kiểu lăng trụ, hệ số mái trong m = 1,

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 mựcnước 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 (từMNC 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 vàvan sửa chữa Vị trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoảng giữa mái đập thượng lưu tại vị trí đặtcống

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

đó chiều dài cống là L = 175 m ( trước van là 45 m, sau van là 130 m) Cao trình đáy cống sẽđược chính xác hoá bằng tính toán thuỷ lực sau này

2- THI T K KÊNH H L U C NG:ẾT KẾ KÊNH HẠ LƯU CỐNG: ẾT KẾ KÊNH HẠ LƯU CỐNG: Ạ LƯU CỐNG: ƯU CỐNG: ỐNG:

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 = 3,4 (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:

VKX = K.Q0,1 = 0,53.3,40,1 = 0,599 (m/s) Trong đó:

+ Q: lưu lượng của kênh (m3/s): Q = 3,4 (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:

Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,88(m)

 ln

R

h

= 1, 2020,88 = 1,366Tra phụ lục (8-3), bảng tra thuỷ lực ta có:

Kiểm tra: h b = 1, 432,5 = 1,75 < 2 => Thỏa mãn

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

Q

i m

=

4

8, 424 2.104,08

 = 0,0292

Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,95 (m).

ln

R

h

= 1,657 h = 1,657.0,95 = 1,6 (m)Có:  = (b + m.h ).h = (2,5+ 1,5.1,6).1,6= 7,84 m2.

 Vmax =

max

Q

= 4,087,84 = 0,52 (m/s)

Ta thấy: Vmax = 0,552 (m/s) = VKX = 0,599 (m/s)  thoả mãn điều kiện không xói

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

Tính toán theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực, ta có:

 = 0,038

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

Lúc này, để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần mở hết cửa van Sơ đồ tính toán như

trên hình 1

Hình 1: Sơ đồ tính toán thuỷ lực xác định khẩu diện cống

Trong đó:

+ Z1: tổn thất cột nước ở cửa vào

+ Zp: tổn thất do khe phai (nếu có)

+ L: tổng chiều dài cống L = 175 m

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:

2

) (

2



Trong đó:

+ b: bề rộng ở cuối bể tiêu năng, ta chọn bằng bề rộng kênh b = 2,5 (m)

+ hh: chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Q = 3,4 (m3/s)

hh = 1,42 m

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

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

21.0,7052.9,81 = 0,025 (m)

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

h1 = hh + Z2 = 1,43 + 0,025 = 1,455 (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

. 

.

h b

h b

2



.2Trong đó:

+  v: Tổn thất do van, lấy  v= 0,2

+ Vv =

v

c h b

Q Q

Q

. = .( )

v v

b

Q

 c- Tổn thất qua khe phai: Zp = p

g

V p

2

2



.2Trong đó: +  p: hệ số tổn thất qua một khe phai,  p= 0,1

l l

c h z b

Q Z

2

.2

2 0 2

2 1

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

: Diện tích mặt cắt ướt sau cửa vào  = bc.h ứng với: h = hp + Zp

V0: Lưu tốc tới gần: V0 =



Q

Theo tính toán ta chọn bc = 2 (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 +  = 1,455 + 0,745 = 2,2 (m)

Trong đó:

+ h1 = 1,455

+ : độ lưu không, lấy từ 0,5 đến 1 m, chọn bằng 0,745 (m)

+ Hc cần thoả mãn điều kiện cấu tạo, (thường khống chế Hc  1,6 m để tiệnkiểm tra sửa chữa) và phù hợp với kích thước chuẩn quy định

3.3.2- Cao trình đặt cống:

- Cao trình đáy cống ở cửa vào:

Zv = MNC - h - Zi Trong đó:

+ Zi: tổng tổn thất cục bộ ở cửa vào, khe phai, lưới chắn rác, khe van khi tháo với

- Cao trình đáy cống ở cửa ra:

Zr = Zv - i.L = 9,1 – 0,0941= 9,006 (m)Đặt Zr = 9 m

4- KI M TRA TR NG THÁI CH Y VÀ T NH TOÁN TIÊU N NG:ỂM TRA TRẠNG THÁI CHẢY VÀ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG: Ạ LƯU CỐNG: ẢY VÀ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG: ÍNH KHẨU DIỆN CỐNG: ĂNG:

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

2 0

= 0,0102+0,00503 +45.0,00054=0,034 m

Hệ số co hẹp đứng  phụ thuộc tỷ số a/H, có thể xác định a bằng cách sử dụngbảng quan hệ của Jucốpxki như sau:

 

2

3 '

c

H b

Q F



2

3,10,95.2,0.21, 27 = 0,0166

Tra bảng 15-1 có: c = 0,00375 hc = c.H'

0 = 0,00375.21,27= 0,08 (m)Tra bảng 16-1 có:  =0,611

0,00375

0,00614 0,00614.21, 27 0,140,611

c

a

a H

3,1



= 0,6% < 5%

Vậy: Giá trị ε = 0,611 và a = 0,14 (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 = 0,086 (m)

Độ sâu phân giới: hk = 3

2

2

1.3,19,81.2,0 = 0,626 (m)

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

b R

ln

2, 286

h R

  = 2 - 1; 2 = h2 + 2.V.g

2 2



; 1 = h1 + 2.V.g

2 1



2

2

1 J J

V



Q

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

chiều dài sau van là L = 130 – 0,196 ≈ 129,8 (m)

Bảng tính toán đường mực nước trong cống:

-0,0163 0,0052 3,47

Qua bảng tính ta thấy: với chiều dài đoạn L = 89,27m, chiều cao dòng nước = 0,626m

- > trong cống có nước nhảy

b) Xác định vị trí nước nhảy

Cách xác định vị trí nước nhảy:

+ Vẽ đường mặt nước CI từ mặt cắt co hẹp đến khi chạm vào đường K – K

+ Vẽ đường CI’ liên hiệp với đường CI, mỗi điểm của đường này là độ sâu liên hiệp

tương ứng với mỗi điểm của đường CI

+ Lùi đường CI’ về phía hạ lưu 1 đoạn có chiều dài bằng chiều dài nước nhảy

tương ứng với mỗi điểm ln = 4,5 h''  đường CI”

+ Vẽ đường mặt nước bI từ hạ lưu vẽ lên, cắt đường CI” tại điểm S Độ sâu tại S chính là độ

sâu sau nước nhảy h'' từ đó ta sẽ xác định được vị trí nước nhảy

Tại cửa ra không bố trí bậc nên sau nước nhảy là dòng chảy đều h0 = 1,3 m và vì

* Vẽ đường liên hiệp với nước nhảy f-f:

Ta giả sử độ sâu trước nước nhảy là các giá trị của đường nước dâng CI sau đó

tính và vẽ đường liên hiệp với nước nhảy:

"

g h

q h

 

Từ hình trên ta thấy vị trí xảy ra nước nhảy sau van 32 m, độ sâu sau nước nhảy

là h" = 1,28 m Chiều dài nước nhảy Lnn = 4,5h" = 4,5.1,28 = 5,76 m, độ sâu trước nướcnhảy h' = 0,256 m

Ta thấy có nước nhảy trong cống nhưng thấp hơn trần cống do vậy có thể chấp nhậnnước nhảy trong cống

4.4 Tính toán tiêu năng:

Vì nước nhảy xảy ra trong cống do đó ta không cần tính toán tiêu năng do đó ta chỉ cần đào bể theo cấu tạo: chọn chiều sâu bể là d = 0,5 m, chiều dài bể là L = 5 m

5- CH N C U T O C NG:ỌN CẤU TẠO CỐNG: ẤN ĐỀ CHUNG: Ạ LƯU CỐNG: ỐNG:

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 tườnghướng dòng ở cửa vào là 200; góc chụm ở cửa ra chọn là 100 để tránh hiện tượng táchdòng Các tường cánh làm hạ thấp dần theo mái Cấu tạo cửa ra cần kết hợp với việc bốtrí 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 có chiều dài bằng Lsn:

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 yêucầu cấu tạo Theo điều kiện chống thấm, cần đảm bảo:

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 vàtải trọng trên cống, chọn bằng 15 (m)

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

a

532

1

1

2

4b

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

5 Vữa bê tông đổ sau

Khi cột nước tác dụng không cao có thể làm thiết bị chống rò tại khớp nối kiểudây 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 đểhạn 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 nốitiếp 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 tínhtoán thuỷ lực cống (đảm bảo không sinh nước nhảy trong cống ứng với các mực nướccao) 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 thônghơi khi cần thiết (khi có nước nhảy trong cống và chiều sâu sau nước nhảy xấp xỉ tớitrần cống)

Mặt cắt ngang tháp thường làm dạng chữ nhật Chiều dày thành xác định theođiều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo Thường làm tháp có chiềudày 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 nốitháp van với đỉnh đập hoặc bờ

6- T NH TOÁN K T C U C NG:ÍNH KHẨU DIỆN CỐNG: ẾT KẾ KÊNH HẠ LƯU CỐNG: ẤN ĐỀ CHUNG: ỐNG:

- 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 cắtmép thượng lưu đỉnh đập), cho một trường hợp đại biểu: khi thượng lưu là MNLTK,cống đóng.ơ

Xác định sơ bộ đường bão hòa qua mắt cắt đập, phía trên cống

2 (h h ) ΔLL)