Thiết kế cống lộ thiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI CƠ SỞ II BỘ MƠN THUỶ CƠNG ĐỒ ÁN MƠN HỌC SỐ : THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN sL GVHD: Lê Trung Thành Sinh viên : Trịnh Xn Nhật Lai Lớp : S3-K42C Đề số : 41 A.TÀI LIÊU ( Cống B ): I Nhiệm vụ : Cống B xây dựng ven sơng Y ( vùng chịu ảnh hưởng thủy triều ) để tiêu nước, ngăn triều giữ Diện tích tiêu : 30.000 Cống xây dựng tuyến đường giao thơng có loại xe 8-10 qua II Các lưu lượng mực nước thiết kế : Bảng : Lưu lượng mực nước thiết kế Trường hợp Chỉ tiêu Đề số 41 Tiêu nước Qmax tiêu Ngăn triều khốngchế TK Z đồng Z sông (m3/s) (m) (m) 82 3,78 3,62 Z sông max (m) Z sông (m) 0.2 6.55 Z đồng (m) 1.2 III Tài liệu kênh tiêu : - Zđáy kênh = -1,00 (m) - Độ dốc mái m = 1,5 - Độ dốc đáy i = 10-4 - Độ nhám n = 0,025 IV Tài liệu gió chiều dài truyền sóng : Tài liệu gió Trang Tần suất P% v (m/s) 28,0 26,0 22,0 Chiều dài truyền sóng 20 30 50 18,0 16,0 14,0 Trường hợp Zsơng bình thường Zsơng max D (m) 200 300 V Tài liệu địa chất : - Đất thịt từ cao độ +1,00 đến –1,00 - Đất cát pha từ –1,00 đến –20,00 - Đất sét từ –20,00 đến –40,00 Chỉ tiêu Chỉ tiêu lý đất cống Loại đất Đất thịt Đất cát pha Đất sét k (T/m3) 1,47 1,52 1,41 m (T/m3) 1,70 1,75 1,69 Độ rỗng n 0,40 0,38 0,45 tn (độ) 19 23 12  bh (độ) 16 18 10 Ctn (T/m2) 1,50 0,50 3,50 Cbh (T/m2) 1,00 0,30 2,50 Kt (m/s) 4.10-8 2.10-8 1.10-8 Hệ số rỗng e 0,67 0,61 0,82 Hệ số nén a (m2N) 2,20 2,00 2,30 Hệ số khơng  VI Thời gian thi cơng : năm B.U CẦU ĐỒ ÁN : Xác định cấp cơng trình tiêu thiết kế Tính tốn Thủy Lực xác định chiều rộng cống giải tiêu Chọn cấu tạo phận cống Tính tốn thấm ổn định cống Chun đề : tính tốn đáy cống theo phương pháp dầm đàn hồi Bản vẽ : 1-2 vẽ khổ A1, thể cắt dọc, mặt bằng, diện thượng hạ lưu, mặt cắt ngang cống cấu tạo chi tiết 1.GIỚI THIỆU CHUNG I Vị trí, nhiệm vụ cơng trình : Cống B xây dựng ven sơng Y ( vùng chịu ảnh hưởng thủy triều ) để tiêu nước, ngăn triều giữ Diện tích tiêu : 30.000 Cống xây dựng tuyến đường giao thơng có loại xe 8-10 qua II Cấp cơng trình tiêu thiết kế : Cấp cơng trình : (xác định theo TCVN 5060-90) dựa vào điều kiện : - Chiều cao cơng trình , sơ có thề xác định : Trang song H  Z max  Z day  d  6,55  ( 1,0)  2,45  10,0 (m) d : độ vượt cao an tồn d = 1,5  3,0 (m)  tra theo TCVN 5060-90 so với đối tượng đập bê tơng đất ta cấp cơng trình : cấp IV - Nhiệm vụ cơng trình : tiêu nước, ngăn triều giữ với diện tích tiêu 30.000  tra bảng P1-2 ta cấp cơng trình : cấp III ( thuộc cơng trình chủ yếu ) Các tiêu thiết kế : Dựa vào cấp cơng trình xác định : - Tần suất lưu lượng : P = % ( bảng P1-3 Giáo trình Thủy Cơng ) - Mức bảo đảm vận tốc gió lớn cơng trình : P = % ( bảng P2-1 GTTC )  vmax = 26,0 (m/s) - Mức bảo đảm vận tốc gió bình qn : P = 30 % ( bảng P2-1 GTTC )  vmax = 16,0 (m/s) - Tần suất mực nước lớn ngồi sơng khai thác : - Hệ số vượt tải : n = 1,00 ( bảng P1-4 GTTC ứng với Cơng trình chịu p lực nước tĩnh, áp lực sóng, áp lực thấm ngược ) - Hệ số điều kiện làm việc : m = 1,0 ( bảng P1-5 GTTC ứng với Cơng trình bê tơng đất ) - Hệ số tin cậy : Kn = 1,15 ( bảng P1-6 GTTC ) TÍNH TỐN THỦY LỰC CỐNG Mục đích : xác định diện tính tốn tiêu I Tính tốn kênh thượng hạ lưu : a Kênh hạ lưu : theo tài liệu kênh hạ lưu : - Cao trình đáy : Zđáy kênh = -1,00 (m) - Cao trình mực nước thiết kế : ZsơngTK = 3,42 (m)  Độ sâu nước kênh hạ lưu : h = ZsơngTK – Zđáy kênh = 3,42 – (-1,00) = 4,42 (m) - Độ dốc mái : m = 1,5  tra Phụ lục -1 Bảng tra Thủy lực ta 4m0 = 8,424 - Độ nhám : n = 0,025 - Độ dốc đáy : i = 10-4 max - Qtiêu = 82 (m /s) 4m i 8,424 104   0,00103 Q 82 Tra PL -1 Bảng tra Thủy lực ứng với n = 0,025  Rln = 3,3 (m) h 4,62 Từ tính   1,4 Rln 3,3 Tra PL -3 Bảng tra Thủy lực ứng với m = 1,5 b Ta  4,07  b = 4,07.Rln =4,07.3,3 = 13.431 (m)  13.4 (m) Rln b Kênh thượng lưu : tính tốn tương tự : khongche - Cao trình mực nước đồng khống chế : Z dong  3,78 (m)  Độ sâu nước kênh thượngï lưu : hTL = 3,78 – (-1,00) = 4,78 (m) - Các thơng số kênh : m = 1,5 (  4m0 = 8,424 ); n = 0,025; i = 10-4 ; Qtiêumax = 82 (m3/s) Ta tính f Rln   4m i 8,424 104   0,00103 Q 82 Tra PL -1 Bảng tra Thủy lực ứng với n = 0,025  Rln = 3,3 (m) h 4,78 Từ tính TL   1.448 Rln 3,3 Tính f Rln   Trang Tra PL -3 Bảng tra Thủy lực ứng với m = 1,5 b Ta  3.81  b = 3.81.Rln =3.81.3,3 = 12.57 (m)  13,6 (m) Rln II Tính tốn diện cống : Trường hợp tính tốn : - Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu : khongche TK Z  Z dong  Z song  3,78  3,62  0,16 (m) - Lưu lượng tháo thiết kế : Qtk = 82 (m3/s) Chọn loại cao trình ngưỡng cống : a.Cao trình ngưỡng : Có thể chọn cao đáy kênh Nói chung cống tiêu cống lấy nước tưới chênh lệch mực nước khống chế nhỏ, nên chọn ngưỡng thấp để tăng khả tháo (có thể chọn ngưỡng cống ngang với đáy kênh thượng lưu) Ở trường hợp tốn ta chọn : Zngưỡng = Zđáy kênh = -1,00 (m) b Hình thức ngưỡng : Vì ngưỡng thấp nên ta chọn hình thức ngưỡng có dạng đập tràn đỉnh rộng Xác định bề rộng cống : ta có sơ đồ tính diện cống ngưỡng đỉnh rộng Zhp H hn h P hh P1 Sơ đồtính khẩ u diệ n cố ng ngưỡ ng đỉ nh rộ ng a Định trạng thái chảy : Theo QPTL C8-76, đập chảy ngập hn>nH0 hn = hh – P1 ( hình vẽ ) khongche H  Z dong  Z day  3,78  ( 1)  4,78 (m)  82    ( 12.57  1,5.4,78).4,78   V  H0  H   4,78   4.818 (m) 2.g 2.9,81 n – hệ số, sơ lấy 0,75  n  (0,83 – 0,87) Khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, thường xảy chảy ngập Độ cao hồi phục Zhp thường nhỏ, bỏ qua, lấy h = hh = 4,62 (m) b Tính bề rộng cống  b : từ cơng thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập : Q   n  g  b.h g.( H  h) Trong : n - Hệ số lưu tốc, lấy theo trị số hệ số lưu lượng m (tra bảng Cumin - QPTL C8 – 76) g – Hệ số co hẹp bên g = 0,50 + 0,5 Sơ định trước e0 (trong khoảng 0,95 - 1) Trình tự xác định diện cống sau : - Định trước n, g ( từ m 0 ), thay vào cơng thức tính Q, xác định  b - Tiến hành phân khoang chọn mố Trang - Tính lại n g theo trị số m 0 b với 0  b  d d - Tổng chiều dày mố m – phụ thuộc chiều cao ngưỡng P, độ co hẹp bd dạng mố, tra theo bảng b Cumin Thay vị trí n g vào cơng thức tính Q để tính lại  b Cuối kiểm tra lại trang thái chảy tính Tính tốn diện cống : Tính lần : - Giả thiết n = 0,96 - Giả thiết 0 = 0.97  g = 0,5.0 + 0,5 = 0,5.0.97 + 0,5 = 0,985 - Có Q = 82 (m3/s); h = 4,62 (m); H0 = 4,818 (m)  Q 82  b    h 2g ( H  h )  0,96.0,985.4,62 2.9,81.( 4,818  4,62)  9.523(m) n g Sơ ta chọn khoang n = 2, khoang rộng b = 4,76 (m), mố trụ dày (m), mố bên dày 0,5 (m) Tính lần : - Hệ số ngập n = 0,974 ( Tra bảng 14-13 Bảnng tra Thủy lực ) 9.523 b  - 0   0,805  b   d 9.523 (  2* 0,5)  g = 0,5.0 + 0,5 = 0,5.0,805+0,5 = 0,903 Q 82   10.24 (m)  b   n  g h g ( H  h ) 0,974.0,903.4,62 2.9,81.( 4,818  4,62) Vậy : ta chọn  b = 11 (m) chia làm khoang với mố trụ dày (m), mố bên dày 0,5 (m) Kiểm tra trạng thái chảy : - hn = hh – P1 = 4,62 (m) - Chọn n = 0,87  hn = 4,62 (m) > n.H0 = 0,87.4,818 = 4,19 (m)  Vậy đập chảy ngập định III Tiêu phòng xói : Trường hợp tính tốn : (trường hợp cống tiêu vùng triều) Trường hợp mực nước triều hạ xuống thấp ( chân triều ); phía đồng mực nước khống chế Trường hợp thường tranh thủ mở hết cửa van để tiêu, lưu lượng tiêu qua cống lớn lưu lượng thiết kế Tuy nhiên chế độ khơng trì thời gian dài khốngchế - Mực nước phía đồng (thượng lưu): Z đồng =3,78 (m)  H = 3,78 - (-1,0) = 4,78 (m) - Mực nước phía sơng (hạ lưu): Z sông=-0,2 (m)  hh = 0.2 – (-1,0) = 1.2 (m) Lưu lượng tính tốn tiêu : Vì cống đặt gần sơng nên nói chung mực nước hạ lưu cống khơng phụ thuộc lưu lượng lưu lượng tháo qua cống Khi Qtt khả tháo lớn ứng với mực nước tính tốn chọn Ta chọn Qtt = Qtiêumax = 82 (m3/s) Khi ta xác định độ mở cống a theo cơng thức : Trang Q  .. b.hc 2.gH  hc  Trong : hc = .a với  - hệ số co hẹp đứng ; a - độ mở cống Q 82   7.46 (m) Lưu lượng đơn vị qua cống : q   b 11 Năng lượng đơn vị : E0 = H0 = 4,818 (m) Ta xác định độ mở cống a sau : q 7.46 Tính : F  c     0,74 3  E  0,95.( 4,818) Tra PL 16-1 Bảng tra Thủy lực ta : a  0,291  a  0,281.4,62  1,4 (m) H  c  0,188  hc   c E  0,188.4,818  0.9 (m)  'c'  0,654  hc''   'c' E  0,654.4,818  3.15 (m) Vậy : độ mở cống a = 1,4 (m) Ta thấy hh = 1.2 (m) < hc'' = 3,15 (m) có nước nhảy phóng xa Tính tốn kích thước thiết bị tiêu : a Chọn biện pháp tiêu : Với cống đất, ta chọn biện pháp đào bể tiêu b Tính tốn kích thước bể : d   hc''  hh  Z  Chiều sâu bể : Ta xác định chiều sâu bể tiêu theo phương pháp thử dần : Giả thiết d   hc''  hh  1,05.3,15  1,2  2,1 (m) Ta có :E0' = E0 + d0 = 4,818 + 2,1 = 6,93 (m) q 7,46 F  c     0,45 32 '  E 0,9.( 6,93) Tra PL 15-1 Bảng tra Thủy lực ta :  'c'  0,495  hc''   'c' E '0  0,495.6,93  3,43 (m) Diện tích mặt cắt ướt cuối bể :  b   hc'' bb  1,05.3,43.12  43,22 (m2) với bb   b  bmốtrụ 11  1,0  12 (m) Diện tíchc mặtt cắt ướt hạ lưu sau bể :  h  ( bh  m.hh ).hh  ( 13.431 1,5.1,2 ).1,2  18,3 (m2) Độ lệch mực nước cửa bể : Q2  1  822  1   2  2 Z2      0,82 (m)   2.g   n  h b  2.9,81  18,2 43,222  Lần : d   hc''  hh  Z   1,05.3,43  1,2  0,82  1,8 (m) Ta tính lại : E0' = E0 + d = 4,818 + 1,8 = 6,63 (m) q 7,46 F  c     0,480 32 '3 , , 63  E Tra PL 15-1 Bảng tra Thủy lực ta :  'c'  0,5421 hc''   'c' E '0  0,5421.6,63  3,43 (m) Trang Diện tích mặt cắt ướt cuối bể :  b   hc'' bb  1,05.3,43.11  42,10 (m2) Độ lệch mực nước cửa bể : Q2  1  822  1   2  2 Z2      0,83 (m)   2.g   n  h b  2.9,81  18,3 42,102  Lần : d   hc''  hh  Z   1,05.3,43  1.2  0,83  1,88 (m) Ta tính lại : E0' = E0 + d = 4,818 + 1,88 = 6,706 (m) q 7,46 F  c     0,481 32 '3  E 0,9.6,706 Tra PL 15-1 Bảng tra Thủy lực ta :  c  0,108  hc   c E '0  0,108.6,706  0,73 (m)  'c'  0,504  hc''   'c' E '0  0,504.6,706  3,38 (m) Diện tích mặt cắt ướt cuối bể :  b   hc'' bb  1,05.3,38.12  42,59 (m2) Độ lệch mực nước cửa bể : Q2  1  822  1  2  2 Z2      2.g   n  h b  2.9,81  18,2 42,592    0,834 (m)  '' Lần : d   hc  hh  Z   1,05.3,28  1,2  0,834  1,52 (m) Vậy : ta chọn chiều sâu bể tiêu d = 1,74 (m) Chiều dài bể tiêu năng: Lb = L1 + .Ln Trong : L1 - chiều dài từ ngưỡng xuống sân tiêu năng, tính theo Trectơuxốp : L  hk (P  0,35.hk ) 2 H  4,818  3,212 (m) 3 P - chiều cao ngưỡng cống so với bể P = 1,35 (m) Ln - chiều dài nước nhảy, tính theo cơng thức kinh nghiệm ; Ln = (4,5 - 5,0 ).(hc'' - hc) = 4,5.( 3,38 - 0,73 ) = 11,95 (m) chọn Ln = 12 (m) b - hệ số, lấy 0,7 - 0,8 Tính : L  3,212.( 1,35  0,35.3,212)  5,64 (m) Vậy : Lb = 5,64 + 12 = 17,64 (m) ta chọn Lb = 18 (m) với hk  IV BỐ TRÍ CÁC BỘ PHẬN CỐNG I Thân cống : bao gồm đáy, trụ phận Cửa van : chọn van phẳng hay van cung Van cung thích hợp kích thước lỗ cống lớn; van phẳng hay dùng với lỗ cống nhỏ hơn; Trong thực thường phải thơng qua so sánh kinh tế – kĩ thuật để chọn phương án hợp lý Trường hợp tốn ta chọn cửa van phẳng Tường ngực : bố trí để giảm chiều cao van lực đóng mở Các giới hạn tường ngực : - Cao trình đáy tường ngực : Z dt  Ztt  δ Trong : Ztt – mực nước tính tốn diện cống, tức cần đảm bảo với trường hợp này, mở hết cửa van chế độ chảy qua cống phải khơng áp khốngchế Ztt = Z đồng = 3,78 (m) Trang d - độ lưu khơng lấy 0,5 – 0,7 (m) Vậy : Z dt  3,78  0,62  4,4 (m) - Cao trình đỉnh tường ngực : lấy cao trình cống, xác định theo giá trị mực nước sơng mưc nước sơng max TK Z1 = Z sông + h + s + a max Z2 = Z sông + h’ + s’ + a’ Trong : + h h’ – độ dềnh gió ứng với gió lớn gió bình qn + s s’ – độ dềnh cao ứng với mực nước + a a’ – độ vượt cao an tồn ứng với mực nước Tra bảng phụ lục 5-1 GTTC tập I ta : a = 0,5 ; a’ = 0,4 ¤ Xác định cao trình cống ứng với trường hợp mực nước sơng bình thường : TK Z1 = Z sông+ h + s + a TK Trong : Z sông= 3,62 (m) V D cosB g.H V = 16 (m/s) D = 200 (m) với cosB = (tính cho trường hợp bất lợi B =0) h = 2.10-6 TK H = Z sông - Zđáy = 3,92 – (-1) = 4,62 (m)  h = 2.10-6 Xác định s : 16 2.200 = 0,0024 (m) 9,81.4,43 s = K s h1% Trong : h1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% Giả sử trường hợp sóng nước sâu tức ( H >  ) + Tính giá trị khơng thứ ngun: 9,81.6.60.60 gt = = 13243,5 V 16 9,81.200 gD = = 7,664 V 16 + Tra đồ thị P2-1, ứng với + Với gt = 13243,5 V gD = 7,664 tra bảng ta : V2 gh = 0,086 V2 g = 4,222 V gh = 0,0053 V2 g = 0,75 V Trang + Chọn cặp giá trị tương ứng với gD = 7,664 (tra P2-2  K1% = 2,0) : V2 0,0053.V 0,0053.16 h   0,14 (m) g 9,81 0,75.V 0,75.16 τ   1,22 (m) g 9,81 gh = 0,0053 V2 g = 0,75 V 9,81.1,222 g  = = = 3,325 (m) 2. 2.3,14 + Kiểm tra lại điều kiện giả thiết ta thấy : H = 4,62 >  = 1,663 m + Vậy giả thiết sóng nước sâu  λ 3,325  0,75    H 4,43  K η  1,116 + Tra đồ thị P2-3 ứng với  S  h  0,14  0,042  λ 3,325 + Xác định chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% h1% : h1% = K1% h = 2,0.0,14 = 0,28 (m) Thay tất vào ta : s = 1,116.0,28 = 0,3125 (m) TK Vậy : Z1 = Z sông + h + s + a = 3,62 + 0,0024 + 0,3125 + 0,5 = 4,2449 (m) ¤ Xác định cao trình cống ứng với trường hợp mực nước sơng lớn nhất: MAX Z2 = Z sông + h’ + s’ + a’ Trong : MAX Z sông = 6,70 (m) h = 2.10-6 với V ' ' D' ' cosB g.H' ' V’ = 26 (m/s) D = 300 (m) cosB = (tính cho trường hợp bất lợi B =0) MAX H = Z sông - Zđáy =6,55 – (-1) = 7,55 (m) 262.300  h = 2.10 = 0,0055 (m) 9,81.7,55 Xác định s : s’ = K s h1% -6 Trong : h1% - chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% Giả sử trường hợp sóng nước sâu tức ( H >  ) + Tính giá trị khơng thứ ngun: 9,81.6.60.60 gt = = 8149,85 V 26 Trang 9,81.300 gD = = 4,354 V 26 gt + Tra đồ thị P2-1, ứng với =8149,85 V + Với gD = 4,354 tra bảng ta : V2 + Chọn cặp giá trị tương ứng với gh = 0,075 V2 g = 3,875 V gh = 0,0013 V2 g = 0,3087 V gD = 4,354 (tra P2-2  K1% = 2,0) : V2 0,0013.V '2 0,0013.26   0,09 (m) g 9,81 0,3087.V ' 0,3087.26 τ   0,82 (m) g 9,81 gh = 0,0013 V2 h g = 0,3087 V 9,81.0,82 g  = = = 1,05 (m) 2. 2.3,14 + Kiểm tra lại điều kiện giả thiết ta thấy : H = 7,55 >  = 0,525 m + Vậy giả thiết sóng nước sâu  λ 1,05  0,139    H 7,55 + Tra đồ thị P2-3 ứng với   K η S  1,20  h  0,09  0,086  λ 1,05 + Xác định chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% h1% : h1% = K1% h = 2,0.0,09 = 0,18 (m) Thay tất vào ta : s = 1,2.0,18 = 0,216 (m) MAX Vậy : Z2 = Z sông + h’ + s’ + a’= 6,55 + 0,0055 + 0,216 + 0,4 = 7,2 (m) Vậy, ta chọn cao trình ngưỡng cống Zngưỡng = Z2 = 7,2 (m)  chọn Zngưỡng = 7,2 (m) Kết cấu tường : gồm mặt dầm đỡ - Vì chiều cao tường khơng lớn, cần bố trí dầm đỡ đỉnh đáy tường - Bản mặt đổ liền khối với dầm Chiều dày mặt chọn khoảng 0,3 (m) Việc tính tốn xác hóa tính tốn kết cấu sau Cầu cơng tác : nơi đặt máy đóng mở thao tác van Chiều cao cầu cơng táccần tính tốn đảm bảo kéo hết cửa van lên khoảng khơng cần thiết để đưa van khỏi vị trí cốnh cần Kết cấu bao gồm mặt, dầm đỡ cột chống Việc xác hóa thơng qua tính tốn kết cấu Khe phai cầu thả phai : Thường bố trí phía đầu cuối cống để ngăn nước giữ cho khoang cống khơ cần sửa chữa Với cống lớn, cầu thả phai cần bố trí đường ray cho cần cầu thả phai; Với cống nhỏ, việc thả phai tiến hành thủ cơng Trang