Đồ án Cống Ngầm Thủy lợi

II- Chọn tuyến và hình thức cống: 1- Tuyến cống: Phụ thuộc vào vị trí khu vực tới tự chảy, cao trình khống chế tới tự chảy, điều kiện địa chất nền và quan hệ với các công trình khác, ở

Thiết kế cống ngầm lấy nớc dới đập đất

Đề số: 38D

Tài liệu cho trớc :

I- Nhiệm vụ công trình:

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

1- Cấp nớc tới cho 1650 ha ruộng đất canh tác

2- Cấp nớc 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 đờng tràn tháo lũ

3- Một công đặt dới đập để lấy nớc

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 ữ 1m

3- Vật liệu xây dựng:

a- Đất: xung quanh vị trí đập có các bãi vật liệu A (trữ lợng 800.000m3, cự

ly 800m); B (trữ lợng 600.000m3, cự ly 600m); C (trữ lợng 1.000.000m3, cự ly 1km) Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nớc tơng đối mạnh, các chỉ tiêu nh ở bảng 1 Điều kiện khai thác bình thờng

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

b- Đá: khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lợng lớn, chất lợng đảm

bảo đắp đập, lát mái Một số chỉ tiêu cơ lí : ϕ = 23o; n = 0,35 (của đống đá);

γ k = 2,5 T/m3 (của hòn đá)

c- Cát, sỏi: khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3km, trữ lợng đủ

làm tầng lọc Cấp phối nh ở bảng 2

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

Loại

Hệ số rỗng n Độ ẩmW(%)

(T/m3)

k (m/s)

Tự nhiên

Bão hoà

Tự nhiên

Bão hoà

Đất đắp đập

Đất nền 0,39 24 26 22 1,0 0,7 1,59 10-6

Bảng 2- Cấp phối của các vật liệu đắp đập

d (mm)

4- Đặc trng hồ chứa:

Đề

số

Sơ

đồ

Đặc trng hồ chứa Mực nớc hạ lu

(m)

Qcống (m3/s) Mực

n-ớc đầu kênh (m)

(m)

MNDBT (m)

Bình thờng

MNC (Qtk)

Khi MNDB T

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

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

- Chiều dài chuyền sóng ứng với mực nớc dâng bình thờng: D = 1,8 (km); ứng với mực nớc dâng gia cờng: D’ = D+ 0,3 = 5,3 (km)

- Mực nớc hạ lu bình thờng: 84,5 m

- Mực nớc hạ lu max: 86,5 m

- Đỉnh đập không có đờng giao thông chính chạy qua

Nội dung thiết kế : A- Những vấn đề chung:

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

1- Nhiệm vụ:

- Cấp nớc tới cho 1650 ha ruộng đất canh tác

- Cấp nớc sinh hoạt cho 5000 dân

2- Cấp công trình:

- Theo nhiệm vụ: cấp V

- Theo chiều cao công trình ( 32 m): cấp III

- Theo cấp của công trình đầu mối: cấp III

Vậy chọn cấp của công trình là cấp III

3- Chỉ tiêu thiết kế:

Từ cấp công trình, dựa vào quy phạm ta xác định đợc các chỉ tiêu cần thiết cho việc thiết kế cống nh sau:

- Tần suất mực nớc lớn nhất trớc hồ: P = 1%

- Tần suất gió lớn nhất: Pg = 50%

- Hệ số độ tin cậy: kn = 1,15

II- Chọn tuyến và hình thức cống:

1- Tuyến cống:

Phụ thuộc vào vị trí khu vực tới tự chảy, cao trình khống chế tới tự chảy,

điều kiện địa chất nền và quan hệ với các công trình khác, ở đây vì đờng tràn đổ sang lu vực khác nên có thể đặt cống ở bờ phải hay bờ trái đập đều

đợc

Khi chọn tuyến đặt cống cần lu ý:

- Đặt cống trên nền đá

- Đáy cống ở thợng lu chọn cao hơn mực nớc bùn cát lắng đọng và thấp hơn mực nớc chết trong hồ

2- Hình thức cống:

- Vì cống đặt dới đập đất, mực nớc thợng lu khi lấy nớc thay đổi nhiều (từ MNC đến MNDBT) nên hình thức hợp lý là cống ngầm lấy nớc không áp

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

- Dùng tháp van để khống chế lu lợng Trong tháp có bố trí van công tác và van sửa chữa Vị trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoảng giữa mái đập thợng lu tại vị trí đặt cống

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 đợc chiều dài cống (đoạn trớc 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) Cao trình đáy cống sẽ đợc chính xác hoá bằng tính toán thuỷ lực sau này

B- Thiết kế kênh hạ lu cống:

Kênh hạ lu đợc thiết kế để làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực cống

I- Thiết kế mặt cắt kênh:

1- Mặt cắt kênh: đợc tính toán với lu lợng thiết kế Q = 4,2(m3/s)

2- Dựa vào điều kiện địa chất nơi kênh chạy qua (đất cát pha), sơ

bộ chọn đợc các chỉ tiêu sau:

- Độ dốc đáy kênh: 2,5.10-4

- Độ nhám lòng kênh: 0,0225

- Hệ số mái kênh: m = 1,5

3- Xác định bề rộng đáy kênh và chiều sâu nớc trong kênh:

- Sơ bộ xác định vận tốc không xói:

VKX = K.Q0,1 = 0,53.4,20,1 = 0,612 (m/s) Trong đó:

+ Q: lu lợng của kênh (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:

h = 0,5.(1 + VKX).3Q = 0,5.(1 + 0,612) 3 4, 2 = 1,3 (m)

- Xác định b theo phơng pháp đối chiếu mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực:

f(Rln) =

Q

i

m

.

4 0

= 0,0317 Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực ta có: Rln = 0,88 (m)

Tra phụ lục (8-3), bảng tra thuỷ lực Từ đú : b = 3,7 m Chọn b = 4 m

Kiểm tra: 2 <

h

b

= 4,0 1,3 = 3,01 < 5 → thoả mãn

II- Kiểm tra điều kiện không xói:

Vì kênh dẫn nớc từ hồ chứa nên hàm lợng bùn cát trong nớc nhỏ, không cần kiểm tra điều kiện bồi lắng Ngợc lại, cần kiểm tra điều kiện xói lở:

Vmax < VKX Trong đó: Vmax là lu lớn nhất trong kênh, tính với lu lợng Qmax

Qmax = K.Q = 1,2.4,2 = 5,04 (m3/s)

K là hệ số phụ thuộc Q, lấy bằng 1,2

Theo phơng pháp đối chiếu mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực ta có h = 1,312 (m)

ω = h ( b + m h ) = 1 , 312 ( 5 , 6 + 1 , 5 1 , 312 ) = 9 , 93 ( m2)

→ Vmax =

ωmax

Q

= 4, 2 7,085 = 0,593 (m/s)

Ta thấy: Vmax = 0,593 (m/s) < VKX = 0,612 (m/s) → thoả mãn điều kiện không xói

III- Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lu lợng:

Chọn bề rộng kênh b = 4,0 (m)

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

- Q = 4,2 (m3/s) → h = 1,30 (m)

- Q = 3,3 (m3/s) → h = 1,19 (m)

C- Tính khẩu diện cống:

I -Trờng hợp tính toán:

Khẩu diện đợc tính với trờng hợp chênh lệch mực nớc thợng hạ lu nhỏ và lu l-ợng lấy nớc tơng đối lớn Thờng tính với trờng hợp MNC ở thl-ợng lu còn hạ lu là mực nớc khống chế đầu kênh tới Zkc, chênh lệch mực nớc thợng hạ lu khi đó sẽ là:

[∆Z] = MNC - Zkc = 88,5 – 88,26 = 0,24 (m)

Lúc này, để lấy đủ lu lợng thiết kế, cần mở hết cửa van Sơ đồ tính toán nh trên hình (3-1)

Hình 3-1: Sơ đồ tính toán thuỷ lực xác định khẩu diện cống

Trong đó:

+ Z1: tổn thất cột nớc ở cửa vào

+ Zp: tổn thất do khe phai (nếu có)

+ Zl: tổn thất qua lới chắn rác

+ Zv: tổn thất qua tháp van

+ Z2: tổn thất ở cửa ra

II- Tính bề rộng cống b c :

Bề rộng cống phải đủ lớn để lấy đợc lu lợng cần thiết Q khi chênh lệch mực nớc thợng hạ lu [∆Z] đã khống chế, tức phải đảm bảo điều kiện:

ΣZi≤ [∆Z]

Trong đó : ΣZi = Z1 + Zp + Zl + Zv + Z2 + i.L

Với: + i: độ dốc dọc cống

+ L: tổng chiều dài cống

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

1- Tổn thất cửa ra: dòng chảy từ bể tiêu năng ra kênh hạ lu coi nh sơ đồ

đập tràn đỉnh rộng chảy ngập, khi đó:

Z2 =

2 2

2 .( )n h

Q

g ϕ b h - g

Vb

2

. 2

α , trong đó : + b: bề rộng ở cuối bể tiêu năng, b = 4,0 (m)

+ hh: chiều sâu hạ lu ứng với lu lợng tính toán Q = 4,2 (m3/s)

hh = 1,3 m

+ ϕn: hệ số lu tốc (trong trờng hợp chảy ngập), ϕn = 0,96

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

→ Vb =

b

Q

ω =

4, 2 4,0.(0,5 1,3) + = 0,67 (m/s)

→ Z2 =

2

2

4, 2 2.9,81.(0,96.4,0.1,3) -

2

1.0, 67 2.9,81 = 0,013 (m).

2- Tổn thất dọc đờng: coi dòng chảy trong cống là đều với độ sâu h1 = hh + Z2 = 1,30 + 0,013= 1,313 (m) Khi đó tổn thất dọc chiều dài cống bằng i.L, với

i là độ dốc dọc cống, xác định nh sau:

i =

2













R C

Q

2

1   











R C h b

Q

c

Trong đó: ω và C R tính với mặt cắt cống có chiều rộng bc, chiều sâu h1 và Q

= 4,2 (m3/s)

L = Bđ+ Bc+ (Zđđ-MNC+1).(m1+m2) = 6 +3 + ( 112 – 88,5 +1).(3,5 + 4) = 193 m

1 6

1

C R n

=

1

1

2

c c

b h R

b h

ω χ

= =

+

3- Các tổn thất cục bộ Zv , Z l , Z p :

a- Tổn thất qua tháp van:

Do khoảng cách từ tháp van đến cửa ra xấp xỉ bằng chiều dài cống, vì vậy

ta có thể lấy chiều sâu cột nớc ngay sau cửa van là: hv = h1 + i.L

Zv = ξv

g

Vv

2

. 2

α , trong đó : + ξv: Tổn thất do van, lấy ξv= 0,1

+ Vv =

v

c h b

Q Q

.

=

b- Tổn thất qua lới chắn rác:

Zl = ξl

g

Vl

2

. 2

α , trong đó : + ξl: Hệ số tổn thất qua lới, lấy ξl= 0,1

+ 1

1

.( )

Q Q Q V

b h b hν zν

ω

+

c- Tổn thất qua khe phai:

Zp = ξp

g

Vp

2

. 2

α , trong đó : + ξp: hệ số tổn thất qua một khe phai, ξp= 0,05

+

p

Q Q V

b h b h z

+

4- Tổn thất ở cửa vào:

Xác định theo công thức đập tràn đỉnh rộng chảy ngập:

→ Z1 =

2 2

0 2

2 .( )n c h 2

V Q

g b h g

α

Trong đó:

+ ϕn: hệ số lu tốc ở cửa vào, ϕ = 0,95.ε : hệ số co hẹp bên,ε = 1

+ ω: diện tích mặt cắt ớt sau cửa vào, ω = bc.hh

+ V : 0 Lu tốc tới gần

Tính toán ta thấy bc = 2,6 (m) thoả mãn điều kiện trên

Vì bề rộng cống không lớn nên ta không cần chia khoang cho cống

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

1- Chiều cao mặt cắt cống:

Hc = h1 + ∆ = 1,3 + 0,6 = 1,9 (m) Lấy Hc = 2 m Trong đó: + h1 xem trên hình 3-1

+ ∆: độ lu không, lấy bằng 0,6 (m)

+ Hc cần thoả mãn điều kiện cấu tạo, (thờng khống chế Hc ≥ 1,6

m để tiện kiểm tra sửa chữa) và phù hợp với kích thớc chuẩn quy định tại TCVN

5060 - 90

2- Cao trình đặt cống:

- Cao trình đáy cống ở cửa vào:

Zv = MNC - h - ΣZi = 88,5 - 1,30 - 0,20 = 87 (m)

Đặt Zv = 87 m Trong đó:

+ h: độ sâu dòng đều trong cống khi tháo QTK, h = h1 = 1,3 (m)

+ ΣZi: tổng tổn thất cục bộ ở cửa vào, khe phai, lới chắn rác, khe van khi tháo QTK

ΣZi = 0,2012 m

- Cao trình đáy cống ở cửa ra:

Zr = Zv - i.L = 87 - 0,147 = 86,953 (m)

Đặt Zr = 86,90 m

D- Kiểm tra trạng thái chảy và tính toán tiêu năng:

I- Trờng hợp tính toán: khi mực nớc thợng lu cao chỉ cần mở một phần cửa

van để lấy đợc lu lợng cần thiết Do năng lợng của dòng chảy lớn, dòng chảy ở ngay sau cửa van thờng là dòng xiết Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lu qua nớc nhảy Do đó cần tính toán để:

- Kiểm tra xem nớc nhảy có xảy ra ở trong cống không Thờng với các mực nớc cao ở thợng lu, cần khống chế không cho nớc nhảy trong cống để tránh rung

động bất lợi Còn với các mực nớc thấp ở thợng lu, nớc nhảy trong cống là không tránh khỏi Tuy nhiên khi đó năng lợng 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 nớc nhảy ngay sau cửa ra của cống, tránh xói lở kênh hạ lu

Trong phần đề ra đã giới hạn việc tính toán cho 2 trờng hợp mực nớc cao với các lu lợng tơng ứng Sơ đồ tính toán cho các trờng hợp này nh hình 3-2

Hình 3-2: Sơ đồ tính toán thuỷ lực khi mực nớc cao ở thợng lu

II- Xác định độ mở cống: Tính theo sơ đồ chảy tự do qua lỗ

Q = ϕ.α.a.bc 2 ( ' )

H

g − α Trong đó:

- ϕ: hệ số lu tốc

- α: hệ số co hẹp đứng

- H'0: cột nớc tính toán trớc cửa van:

H'0 = H0 - hw = 19 - 0,06 = 18,94(m)

+ H0 = H +

g

V

2

. 2 0

α = MNDBT - ∇đc = 106,0 - 87 = 19,00 (m)

+ hw: tổn thất cột nớc từ cửa vào cho đến vị trí cửa van, hw = 0,06 (m)

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 nh sau:

( )

2

3 '

. c o

c

H b

Q F

ϕ

2

4, 2 0,95.5,0.18,94 = 0,0058

→τc = 0,0047 → hc = τc.H'

0 = 0,0047.18,94 = 0,089 (m) Tra bảng 16-1 có:ε = 0,611

0,0047

0,0077 0, 0077.19 0,1463 0,611

c

a

H

τ

ε

→ Q* = 0,95.0,611.0,1463.2,6 2.9,81 18,94 0,611.0,1463 ( − ) = 4,25 (m3/s)

∆Q =

Q

Q

Q − *

.100% = 1,2% < 5%

Vậy: Giá trị ε và a xác định ở trên có thể chấp nhận đợc

III- Kiểm tra chảy trong cống:

1- Vẽ đờng mặt nớc để tìm độ sâu cuối cống hr :

mndbt

a- Định tính: cần xác định hc, h0, hk.

hc = 0,089 (m)

hk = 3

2

.

g

q

3

2

1.4, 2 9,81.2,6 = 0,467 (m) Dùng phơng pháp đối chiếu với mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực ta có:

h0 = 1,3 m

So sánh ta thấy: hc < hk < ho

Vậy: dạng đờng mặt nớc sau van là đờng nớc dâng CI

b- Định lợng: Xuất phát từ mặt cắt co hẹp C-C vẽ về cuối cống Mặt cắt co

hẹp lấy cách cửa van một khoảng 1,4.a = 0,205 (m)

Có thể dùng phơng pháp cộng trực tiếp để vẽ đờng mặt nớc Theo phơng pháp này khoảng cách giữa hai mặt cắt có độ sâu h1 và h2 đã biết sẽ là:

∆ L =

J

i −

∋

∆ Với:

∆∋ = ∋2 - ∋1; ∋2 = h2 +

g

V

2

. 2 2

α ; ∋

1 = h1 +

g

V

2

. 2 1

α

2

2

J

J = +

;

2

2

2











=

R c

V

J ;

2

1

1











=

R c

V J

Dùng phơng pháp cộng trực tiếp (tính gần đúng) để vẽ đờng mặt nớc.

BẢNG TÍNH ĐƯỜNG MẶT NƯỚC

g

V

2

. 2

V

.

2

2

_

5 0.2 0.52 8.077 3.325 3.525 0.1733 0.109 0.46 -9.875 21.482 25.056

Bằng cách đó ta xác định đợc hr = 0,83 m

2 Kiểm tra nớc nhảy trong cống:

Do hr > hk nên xảy ra nớc nhảy trong cống Vậy cần có các biện pháp xử lý sau:

- Thay đổi độ dốc đáy cống

- Thay đổi vị trí đặt tháp van

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

* Tính độ sâu liên hiệp với độ sâu tại mặt cắt co hẹp ( hc"): với hc= 0,089 m

"

c

h =  













−







 + 8 1 1

( 2

3

c

k c

h

h h

=

3

0,089 0, 467

 +  ữ − 

= 1,45 m

Với hc" > h :0 ở hạ lu không sinh ra nớc nhảy ngập.

IV Tính toán tiêu năng:

1- Xác định chiều sâu bể tiêu năng:

Đối với trờng hợp nớc nhảy trong cống ta phải điều chỉnh độ dốc cống, và

đảm bảo nớc nhảy trong cống khong chạm trần cống Khi đó ta chỉ cần đào bể sâu 0,5 m Tuy nhiên ta vẫn xem xét bài toán nh có nớc nhảy ngoài cống để làm quen với phơng pháp tính toán

Bài toán đặt ra là xác định chiều sâu bể d để đảm bảo xảy ra nớc nhảy ngay sau cửa cống ( trong phạm vi bể), muốn vậy cần có:

hb≥ σ hc Trong đó:

- hb = hh + d + Z2

- σ: hệ số ngập, bằng 1,05 - 1,1

- hc: độ sâu liên hiệp với độ sâu co hẹp, tính với năng lợng toàn phần E0

Eo = hr +

g

Vr

2

2

+ d

+ hr: độ sâu của dòng chảy tại mặt cắt cuối cống.

+ Vr: lu tốc bình quân của dòng chảy tại mặt cắt cuối cống

hr = hh = 0,83 (m)

ωr = hr bc = 0,83.2,6 = 2,158 (m2)

Vr =

r

Q

ω =

4, 2 2,158 = 1,95 (m/s) Giả thiết d = 0,5 (m)

Eo = 0,83 +

2

1,95 2.9,81 + 0,5 = 1,524 (m) ( )

2

3

. b o

c

E b

Q F

ϕ

2

4, 2 0,95.2,6.1,524 = 0,904 Tra bảng tính thuỷ lực ta có: τc = 0,694

→ hc = τc.Eo = 0,694.1,524 = 1,058 (m) Với giả thiết d = 0,5 (m) thì:

hb = 0,88 + 0,5 + 0,01 = 1,39 (m)

σ hc = 1,05.1,058 = 1,11 (m) Vậy hb≥ σ hc  thoả mãn điều kiện

2- Xác định chiều dài bể tiêu năng:

Lb = L1 + β Ln Trong đó:

- L1: chiều dài nớc rơi đợc tính nh qua đập tràn đỉnh rộng

L1 = 1,64 Ho( P + 0 , 24 Ho)

P = d = 0,5 (m)

Ho = hr +

g

Vr

2

. 2

α = 0,83 +

2

1,95 2.9,81 = 1,024 (m)

L1 = 1,64 1,024 0,5 0, 24.1,024 ( + ) = 1,433 (m)

- β: hệ số, β = 0,8

- Ln: chiều dài nớc nhảy, có thể tính theo công thức gần đúng của Saphơranet:

Ln = 4,5.hc = 4,5.1,058 = 4,761 (m) Vậy, chiều dài bể là:

Lb = 1,433 + 0,8.4,761 = 5,242 (m) Vậy ta lấy chiều dài bể là: Lb = 5,5 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 thợng, hạ lu