Đồ Án Thủy Công Thiết kế Cống Lộ Thiên- Thầy Lê Hồng Phương Đại Học Thủy Lợi

* Đồ Án Thủy Công Thiết kế Cống Lộ Thiên- Thầy Lê Hồng Phương Đại Học Thủy Lợi * Đồ án thiết kế cống lộ thiên dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Lê Hồng Phương Trường Đại Học Thủy Lợi Sinh viên Thực Hiện Trần Nguyên Hiếu 53CTL1 thực hiện 2015 * ĐỒ ÁN MÔN HỌC THẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN ĐỀ SỐ 45 PHẦN A: TÀI LIỆU I) Nhiệm vụ công trình: cống B xây xựng ven sông Y ( chịu ảnh hưởng của vùng thủy chiều để : -Tiêu nước cho 30 000 ha ruộng. -Ngăn triều và giữ nước ngọt. -Kết hợp tuyến đường giao thông với loại xe 8 đến 10 tấn đi qua.

Đồ án môn học

Đề Số 45phần A: tàI liệu

I) Nhiệm vụ công trình: cống B xây xựng ven sông Y ( chịu ảnh hởng của vùng thủy

Zkhống chế

đồng(m)

ZTK sông(m)

Zsôngmin(m)

Zsôngmax(m)

Zđồng min(m)

VI ) Thời gian thi công:

- Thời gian thi công công trình là 2 năm

V )Yêu cầu

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

2 Tính toán thuỷ lực xác định chiều rộng cống và giải quyết tiêu

3 Chọn cấu tạo các bộ phận cống

4 Tính toán thấm và ổn định cống

`

Phần B: thuyết minh

I) Giới thiệu về công trình :

1 Vị trí, nhiệm vụ công trình :

Cống B xây dựng ven sông Y ( chịu ảnh hởng của vùng triều ) dể :

- Tiêu nớc cho 30 000 ha ruộng

- Ngăn triều và dữ nớc ngọt

- Cống xây dựng trên tuyến đờng giao thông với xe loại 8-10 tấn đi qua

2 Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế:

a/ Cấp công trình:

- Theo tiêu chuẩn VN 285 – 2002 cấp công trình xác định dựa theo tiêu chí sau:

- Theo chiều cao công trình và loại nền: Sơ bộ chọn chiều cao của công trình là:

 = Zmax

sông(chống lũ) + d –Zđáy kênh = 6,15 +0,85 - (-1) = 8 m với d là độ vợt cao an toàn lấy d = 0,85m

 Tra theo QCVN 04-05-2010 hoặc bảng P1-1 với đối tợng là đập bê tông trên nền đất Ta

có công trình thuộc công trìng cấp III

- Theo nhiệm vụ công trình: CT tới cho 30.103 ha Tra bảng 1: Phân cấp công trình thủy lợi (xác định theo QCVN 04-05: 2012/BNNPTNT ).ta có cấp công trình là cấp II.

 Vậy chọn cấp công trình cho trờng hợp bất lợi nhất, ta chọn cấp công trình là II

b/ Các chỉ tiêu thiết kế:

Dựa vào cấp công trình (cấp II) theo QCVN 04-05-2012 ta xác định đợc:

- Tần suất lu lợng và mực nớc lớn nhất tính toán ổn định kết cấu: P = 0,5%

- Trọng lợng bản thân n = 1,05

- áp lực thẳng đứng của trọng lợng dất 1,1

- áp lực bên của đất 1,2

- Tải trọng của động đất 1,1

- Hệ số điều kiện làm việc: Theo bảng P1-5 có m= 1,00

- TảI trọng do gió 1,3

- Hệ số tin cậy: theo bảng P1-6 có Kn = 1,15

- Tần suất mực nớc lớn nhất ngoài sông khai thác P = 10;

II) Tính toán thuỷ lực cống:

Dựa vào phơng pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực

Với mặt cắt kênh lợi nhất về thuỷ lực thì: với m = 1,5

Q

= 5764,56= 0,88(m/s);

- Chän l¹i b =9,5 m

nªn Vmax = 57

(12 1,5.4,54).4,54 =0,68 < [Vkx] = 0,79 m3/s tháa m·n12

2,64,54

68 , 0

Do chênh lệch mực nớc thợng hạ lu nhỏ nên trong tính toán gần đúng bỏ qua độ cao hồiphục Zhp = 0  h = hn = 4,54(m).



 = 1,76(m)

 Trạng thái chảy qua cống là trạng thái chảy ngập.

3) Tính toán tiêu năng phòng xói:

a) Tr ờng hợp tính toán:

- Khi tháo lu lợng qua cống với chênh lệch mực nớc thợng hạ lu lớn nhất

- Khi Z sông lớn, Z đồng phụ thuộc vào lu lợng lấy Chế độ nối tiếp hạ lu phụ thuộcquy trình vận hành (chế độ đóng mở cửa van), ở đây yêu cầu tính toán với trờng hợp đơngiản là mở đều các cửa

- MNTL = Zkhống chế

đồng = 3,7(m)

- MNHL = Zmin

sông = 0,05 (m)b) L u l ợng tiêu năng:

- Với cống tiêu vùng triều, vì cống đặt gần sông nên nói chung mực nớc hạ lu cốngkhông phụ thuộc lu lợng tháo qua cống.Khi đó Qtt là khả năng tháo lớn nhất ứng với cácmực nớc tính toán đã chọn ở trên



= 3,7-(-1) +

21.0,682.9,81 = 4,72 (m)

h h

H )pg (0,7  0,85 ) chảy tự dob) Xác định kích th ớc bể tiêu năng:

- Chọn biện pháp tiêu năng:

 Có thể đào bể, xây tờng hoặc đào bể xây tờng kết hợp Trong trờng hợp này cống đặt trên nền đất, biện pháp đào bể thờng hợp lý hơn các biện pháp khác Vậy ta chọn hình thức tiêu năng ở đây là đào bể

h độ sâu liên hiệp sau nớc nhảy

Z2 chênh lệch đầu nớc ở cuối bể bào kênh, tính nh đập tràn đỉnh rộng

trong đó:  = 0,95

8 , 5

=0,6Tra bảng 15-1 (bảng tra thủy lực ) ta có :

- ta có: dott1 = 1,05.3,19 - (1,05 + 1) = 1,3 (m)

Ta thấy dogt1 và dott1 khác nhau ta cần giả thiết lại giá trị chiều sâu của bể

* giả thiết 2: d0gt2 = 1,3(m)

 Eo’= 4,72 + 1,3 = 6,02(m)

 F(c ) =

2 '.E o

q

5,80,95.6,02 = 0,41

2 2

5,82.9,81.(1,05.3,1) = 0,99m.

 dott2 = .hc” - (hh + Z2) = 1,05.3,1 – (1,05 + 0,99) = 1,2(m)

- Ta thấy dogt2 và dott2 khác nhau ta cần giả thiết lại giá trị chiều sâu của bể

* giả thiết 3: d

3 0

q

5,80,95.5,92 = 0,42

2

2

5,82.9,81.(1,05.3,07)  0,99m.

 dott3 = .hc” - (hh + Z2) = 1,05.3,07 – (1,05 + 0,99) = 1,18(m)

- Ta thấy dogt3  dott3 Vậy ta có chiều sâu bể tiêu năng là d = 1,2 (m)

- Chiều dài bể tiêu năng Lb:

Lb = L1 + 0,8LnTrong đó:

L1: chiều dài nớc rơi từ ngỡng xuống sân tiêu năng có thể tính theo công thức Tréc tô - Uxốp

Vì kích thớc của khoang cống b = 3,9 (m), do đó chọn của van phẳng

b T ờng ngực : Bố trí để giảm chiều cao và lực đóng mở

- Các giới hạn của tờng:

 Cao trình đáy tờng:

Zđt = Ztt + ;

Trong đó:

Ztt: là mực nớc tính toán khẩu diện cống, tức cần đảm bảo ứng với trờng hợp này khi mởhết cửa van chế độ chảy qua cống là không áp : độ lu không ( = 0,6m).

h , s xác định với vận tốc tính toán lớn nhất

h’, s’ xác định với vận tốc gió bình quân lớn nhất

a, a’ : Độ vợt cao an toàn

 Trờng hợp 1:

Z1 = ZTK

sông + h + s + a a: độ vợt cao an toàn theo quy phạm a = 0,5(m)

V : Vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P = 2%  V = 28(m/s)

D: Đà gió ứng với Zsông bình thờng ta có D = 200(m)H:chiều sâu cột nớc dới cống: H= ZTK

 Xác định s : Độ dềnh cao nhất của sóng

52 , 0

2 



V

h g V

(I)

7 , 7567 28

3600 6 81 , 9

45 , 1

2 



V

h g V

(II)

(Thời gian gió thổi liên tục t = 6h)

So sánh (I) và (II) ta chọn (I) suy ra:

) ( 484 , 1 81 , 9

28 52 , 0 ).

(

) ( 24 , 0 81 , 9

28 003 , 0 ).

(

2 2

2

s g

V V g

m g

V V

h g h

) ( 44 , 3 14

, 3 2 484 , 1 81 , 9 2

m g

Vậy giả thiết ở trên sóng nớc sâu là đúng

 Chiều cao sóng ứng với mực nớc đảm bảo P= 1% xác định theo công thức

24 , 0

D V 10 2

2  0 , 0061

V

h g

12464 , 5

17

3600 6 81 , 9





V

t g

 τ  4 , 1

V g

So sánh (III) và (IV) Ta chọn (III): τ  0 , 81

V g

V

h g

).

( 18 , 0 81 , 9

17 0061 , 0 ).

17 81 , 0 ).

4 , 1 81 , 9

Vậy trờng hợp trên giả thiết sóng nớc sâu là đúng

 Chiều cao sóng ứng với mực nớc đảm bảo P= 1% xác định theo công thức:

18 , 0

Vậy ta chọn cao trình đỉnh tờng là đ = 7(m)

 Kết luận : đỉnh tờng = 7(m) , đáy tờng = 4,5(m)

- Kết cấu của t ờng : gồm bản mặt và các dầm đỡ

 Bố trí hai dầm đỡ: ở đỉnh tờng và đáy tờng

 Bản mặt đổ liền khối với dầm chiều dày bản mặt chọn sơ bộ bằng 0,2m

c) Cầu công tác:

Là nơi đặt máy đóng mở và thao tác van Cao trình cầu

công tác và kết cấu đợc chính xác bởi tính toán kết cấu phần sau

d) Khe phai và cầu thả phai :

Bố trí ở phần đầu và phia trớc cống để ngăn nớc giữ cho khoang cống khô ráo khi cần sửachữa hoặc khi gặp sự cố do bão lụt lớn.Trên cầu thả phai cần bố trí đờng ray cho cầu thảphai, có thể thiết kế thêm hệ thống cầu trục để thả phai

e) Cầu giao thông :

Đặt dầm cầu lên cao trình bằng cao trình đỉnh tờng ngực

Dầm cầu cao 50 cm mặt cầu dày 30 cm

Cao trình mặt cầu cao 7 + 0,5 + 0,3 = 7,8 m

Bề rộng cầu theo yêu cầu giao thông chọn b = 6 m

f) Mố cống :

- Bao gồm mố giữa và các mố bên, trên mố bố trí khe phai và khe van

 Chiều dày mố giữa sơ bộ chọn d= 1 m mố bên lợn tròn d’ = 0,5 m

 Chiều cao mố chọn không thay đổi từ thợng lu về hạ lu

Hmố = đỉnh tờng - đáy = 7 - (-1) =8 m

i) Khe lún:

- Vì cống có bề rộng nhỏ b=9,8(m) chia làm 2 khoang do đó không cần bố tríkhe lún mà toàn cống là một mảng

g) Bản đáy:

- Chiều dày bản đáy cần thoả mãn điều kiện thuỷ lực ổn định của cống và yêu cầu bốtrí kết cấu bên trên Chiều dày bản đáy cống chọn theo điều kiện thuỷ lực.Vì trong đồ ánnày không yêu cầu chi tiết phần bản đáy lên sơ bộ bớc đầu ta chọn chiều đáy là 1m, chiềudài bản đáy l = 15 m

2) Đ ờng viền thấm:

Bao gồm bản đáy cống, sân trớc các bản cừ, chân khay,kích thớc bản đáy cống nh đã chọn

 Chiều dày sân :Đợc lấy theo điều kiện câu tạo t1 = 0,6 (m)

 Chiều dày cuối sân: xác định theo yêu cầu chống thấm

t2 

[ ]J

H Δ

V1 =

1

Q

b h =

57 (7,8 1 2.0,5).3, 22  =1,8 m/s

- Xác định lu lợng thấm q, lực thấm đẩy ngợc lên đáy cống Wth và građien thấm J, ở

đây do đặc điểm của cống chỉ yêu cầu xác định Wt, J

= 86,5 (T/m)

- Xác định građien thấm tại cửa ra:

 Biểu đồ građien thấm tại mặt cắt cửa ra

2) Kiểm tra lại độ bền thấm của nền:

a) Kiểm tra lại độ biền thấm chung:

kn: hệ số tin cậy; kn = 1,15 tra theo phụ lục 6 đồ án thủy công

JTb: građien cột nớc thấm TB trong vùng thấm tính toán

Ttt: chiều sâu tính toán của nền (phụ thuộc vào Lo/So)

16,5 15

4, 27,5

Lo

So



Tra bảng 3-2 giáo trình thuỷ công tập I đợc Ttt =2,5.7,5 = 18,75 (m)

So sánh thấy T0 = 19 > Ttt =18,75 nên lấy tầng thấm thực tế T = Ttt để tính toán hệ số sứckháng

* Bộ phận nằm ngang 4:

Bộ phận chứa đường viền thấm nằm ngang của sõn trước:

1

0,5.( ) 16,5 0,5(4 0,5)

0,7917,95

Bộ phận chưa đường viền thấm nằm ngang của sõn trước:

Kiểm tra điều kiện: 1 2 4 6

2

0,5.( ) 15 0,5(6 4)

0,5617,75

n

T

*Bộ phận 3: Bộ phận giữa chứa cừ, chiều sõu cừ bằng 4m và bậc:

Kiểm tra điều kiện: 2

1

17, 75 0,5 0,98 1

2 1 1

1

T

S 0,75 - 1 T

S 0,5 T

S 1,5 T

a





4 0,5

Vậy đường viền thấm đủ dài đảm bảo độ bền thấm chung.

 JTb = 6, 08

0, 09

17, 75.3, 45  < 1 , 15 0,24

28 , 0

b) Kiểm tra độ bền thấm cục bộ:

Jra  [Jcp]

Trong đó:

Jra: Trị số građien cục bộ ở cửa ra xác định theo kết quả tính toán ở trên

Jk: građien tới hạn cục bộ

- Theo tiêu chuẩn đã nêu nên Jk cần xác định theo thí nghiệm mô hình hoặc ỏ hiện ờng V hệ số không đều hạt s = d60/d10=9 đối với cát pha (tra đồ thị 3-26 giáo trình giớithiệu và cơ sở thiết kế công trình thủy)  j cp=0,7 Ta thấy Jra <[ Jcp]

- Chỉ tính toán với trờng hợp là khi chênh lệch mực nớc thợng hạ lu cống lớn nhất

- Cống đợc chia thành 2 mảng bởi 1 khe lún và vì 2 mảng đối xứng, có kết cấu giốngnhau vì vậy ta tính ổn định trợt cho 1 mảng



 m2 + Khối lợng bản đáy:

Gđ = V = .S.B = 2,4.15,375.9,8 = 361,62 (T)

- Trọng lợng trụ gữa :

 Chiều cao trụ pin: H = 7 (m)

lo : chiều rộng cửa van =bcửa cống + 0,3 =3,9 + 0,3 = 4,2m

H: Chiều cao cửa van = 6 m (đáy tờng ngực + 0,5-Zđáykênh)

q:Trọng lợng phần động của cửa van phẳng tính cho 1m2 lỗ cống

50

- Träng lîng têng ngùc:

ChiÒu dµi têng ngùc: Lt= bc = 7,8m

DiÖn tÝch mÆt c¾t ngang têng:

2

.(

2

1

c dn c

c dn

K

C H

K C K

K C

= 1 , 5 ( 2 0 , 3 1 , 894 0 , 9 1 , 5 1 , 894 2 0 , 3 1 , 894 ) 2

1



Kb= tg2(45 +/2) = 1,894 ;

Ebhl = 30,87 (T) , điểm đặt cách mép bản mặt một đoạn 0,667m

Kết quả tính toán các lực tác dụng

- Vậy ngoài khả năng trợt phẳng công trình còn có thể trợt sâu và trợt hỗn hợp

- Trong đồ án chỉ yêu cầu kiểm tra trợt phẳng

b) Chọn băng tính toán:

Việc tính toán bản đáy cống cần tiến hành cho các băng khác nhau (gọi băng là phần cống

có chiều rộng 1m ,giữa hai mặt cắt vuông góc với chiều dòng chảy qua cống)

Trong đồ án này chỉ yêu cầu tính một băng ở sau cửa van

c)Tr ờng hợp tính toán:

Khi chênh lệch mực nớc lớn nhất Zmax

song= 6,15 m Zmin

dong= 0,07 mH=Zmax

mè G1 G2 TrÞ sè c¸c lùc t¸c dông lªn mèG3 G4 G5 G6 T1 T2Mè

M f

Trong đó: 2l: là chiều dài băng tính toán đang xét, 2l =Bc=9.8 (m)

a Đầu mảng tính toán giáp với bờ đất.

- Phạm vi tính toán là khối đất đắp giữa mố và bờ đất

- Giả sử đất đắp là đất thịt

- Tải trọng đứng

b h γ

2

K h c K h

o

cd

c z

III Tính toán nội lực

Nội dung trong phần này của đồ án là xác định nội lực trong bản đáy cống, sau đó tiến hànhtính toán và bố trí cốt thép dọc và xiên theo từng dói của bản đáy Qua đó chúng ta có thể kiểm tra được tính hợp lý của chiều dày bản đáy cống

Để đơn giản và đầy đủ khi xác định nội lực bản đáy do ngoại lực trong phạm vi kết cấu (q,

Pi, và M) gây nên ta sử dụng phương pháp tra bảng của Gorbunop – Pooooxxadop và xác định nội lực bản đáy từ tải trọng bên (s, q5) ta sử dụng phương pháp tra bảng trong quyển “ Thiết kế cống” Hai phương pháp này đều dựa vào lý thuyết nền biến dạng đàn hồi toàn bộ, xem nền là một nữa không gian đàn hồi đồng nhất và đẳng hướng, có xét đến các biến dạngđàn hồi tại vùng lân cận diện chịu tải, cũng như có kể đến ảnh hưởng của lực dính và ma sátđối với biến dạng của đất nên Xem bài toán biến dạng phẳng, khảo sát một dải của bản đáy

t=1<10 nên “ băng” bản đáy tách ra thuộc dải ngắn Lập bảng tính toán nội lực cho dầm Ta

sẽ tra bảng Gorbunop – Poxadop để xác định nội lực của “ dải” do các ngoại lực M, P1,P2, q

và tra bảng thiết kế cống để xác định nội lực do áp lực bên s, q5

nên.

- Đối với tải trọng bên phải của dải ta có:

0,54,9

M M M M Tổng cộng lại sẽ được các nội lực Q Pvà M P

Do các mô men M gây nên P, t

0 -0,2 1,192 -0,18 -8,046 0 -0,16 -1,192 -0,18 -6,5710,1 -0,2 1,416 -0,16 -7,152 0,1 -0,13 -0,969 -0,2 -7,3010,2 -0,2 1,565 -0,14 -6,258 0,2 -0,09 -0,671 -0,21 -7,6660,3 -0,2 1,639 -0,12 -5,364 0,3 -0,04 -0,298 -0,21 -7,6660,4 -0,2 1,639 -0,1 -4,47 0,4 -0,02 -0,149 -0,21 -7,6660,5 -0,2 1,639 -0,08 -3,576 0,5 0,09 0,6705 -0,21 -7,6660,6 -0,2 1,565 -0,05 -2,235 0,6 0,18 1,341 -0,2 -7,3010,7 -0,2 1,416 -0,03 -1,341 0,7 0,29 2,1605 -0,17 -6,2060,8 -0,2 1,118 -0,02 -0,894 0,8 0,44 3,278 -0,14 -5,111

- Mô men tập trung M= Mđ=29,26 (T.m)

0,1 -0,63 -3,762 -0,39 11,411 0,1 -0,66 -3,941 -0,52 15,2150,2 -0,61 -3,643 -0,33 9,6558 0,2 -0,67 -4,001 -0,59 17,2630,3 -0,58 -3,463 -0,27 7,9002 0,3 -0,66 -3,941 -0,66 19,3120,4 -0,55 -3,284 -0,21 6,1446 0,4 -0,65 -3,881 -0,72 21,0670,5 -0,6 -3,583 -0,16 4,6816 0,5 -0,63 -3,762 -0,79 23,1150,6 -0,46 -2,747 -0,11 3,2186 0,6 -0,59 -3,523 -0,85 24,8710,7 -0,39 -2,329 -0,07 2,0482 0,7 -0,52 -3,105 -0,9 26,3340,8 -0,3 -1,791 -0,03 0,8778 0,8 -0,42 -2,508 -0,95 27,7970,9 -0,18 -1,075 -0,01 0,2926 0,9 -0,27 -1,612 -0,99 28,967

-12,747 32,6012 -13,635 35,1395

-0,4379 41,9981 -1,0449 38,1078 -1,6519 35,7132 -2,0622 33,3388 -2,7177 30,4994 -3,0679 28,7045 -2,2821 27,3429 -1,5023 26,8098 -0,2514 25,8297 2,50485 27,5746

Ta có các số liệu:

- Cống làm bằng bê tông mác 200 ( M200), cốt thép nhóm CII tra các phụ lục trong giáo trình KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP Ta có các chỉ tiêu tính toán như sau:+ Rn : cường độ tính toán chịu nén của bê tông theo trạng thái giới hạn I khi nén dọc trục, Rn = 90 kG/ cm2

+ Rk : cường độ tính toán chịu kéo của bê tông đối với trạng thái giới hạn I khi kéo dọc trục, Rk = 7,5 kG/ cm2

+ Rkc : cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của bê tông theo trạng thái giới hạn II khi kéo dọc trục, Rkc = 11,5 kG/ cm2

+ Rnc : cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông theo trạng thái giới hạn II khi nén dọc trục, Rnc = 115 kG/ cm2

+ Kn : hệ số tin cậy, với công trình cấp I Kn = 1,15

+ nc: hệ số tổ hợp tải trọng,với tổ hợp tải trọng trong thời kì thi công, nc = 0,95

+ mb : hệ số điều kiện làm việc của bê tông, mb = 1

+ ma : hệ số điều kiện làm việc của cốt thép, ma = 1,1

+ Ra : cường độ chịu kéo của cốt thép, ta có Ra = 2700 kG/ cm2

+ Ra: cường độ chịu nén của cốt thép, ta có Ra' = 2700 kG/ cm2

+ Ea: mô đun đàn hồi của cốt thép, Ea= 2,1.106 kG/ cm2

+ Eb: mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông, Eb = 240.103 kG/ cm2

Chọn chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép ở miền kéo và miền nén là: a = a' = 0,04 m Chiều cao hữu ích của tiết diện là: h0 = h – a = 1– 0,04 = 0,96 (m)

Tra phụ lục 11 (giáo trình BTCT) ta được hệ số

Hàm lượng cốt thép tối thiểu, theo bảng 4-1 (trang 62) giáo trình BTCT ta có: Hàm lượng cốt thép lớn nhất

Fa, Fa’: Diện tích cốt thép ở miền kéo và miền nén của kết cấu

> =0,1% thỏa mãn

Vậy ta bố trí thép cả bản đáy là

15.5=75