ĐỒ án môn học THIẾT kế CỐNG NGẦM

THIẾT KẾ CỐNG NGẦM -*** - A TÀI LIỆU CHO TRƯỚC : I Nhiệm vụ công trình : Hồ chứa H sông S đảm nhận nhiệm vụ sau : 1- Cấp thoát nước cho 1650 ruộng đất canh tác 2- Kết hợp nuôi cá lòng hồ cấp nước phục vụ dân sinh hạ du II Các công trình chủ yếu khu đầu mối : 1- Một đập ngăn sông 2- Một đường tràn tháo lũ sang lưu vực khác 3- Một cống đặt đập để lấy nước tưới III Tóm tắt số tài liệu : Đòa hình : Cho bình đồ vùng tuyến đập Đòa chất : Cho mặt cắt đòa chất dọc tuyến đập Chỉ tiêu lý lớp bồi tích dòng sông cho bảng Tầng đá gốc rắn mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hóa dày 0,5 ÷ m Vật liệu xây dựng : a Đất : Xung quanh vò trí đập có bãi vật liệu A ( trữ lượng 800.000 m3 cự ly 800 m ) ; B ( trữ lượng 1.000.000 m cự ly km ) Chất đất thuộc loại thòt pha cát, thấm nước tương đối mạnh, tiêu bảng Điều kiện khai thác dễ - Đất sét khai thác vò trí cách đập km, trữ lượng đủ làm thiết bò chống thấm b Đá : Khai thác vò trí cách công trình 48 km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo đắp đập, lát mái Một số tiêu lý : ϕ = 36o, n = 0,4 ; γ k = 2,55 T/m3 (của đá ) c Cát sỏi : Khai thác bãi dọc sông, cự ly xa km trữ lượng đủ làm tầng lọc Bảng : Chỉ tiêu lý đất vật liệu đắp đập Chỉ tiêu Độ Độ ϕ (độ) C (T/m2 ) γk k Loại rỗng ẩm W Bã m Bão (T/m3 (m/s n % ) ) m o hòa hò a Đất đắp 0,35 20 23 20 3,0 2,4 1,62 10-5 đập 0,38 22 17 13 5,0 3,0 1,58 4.10-8 Seùt 0,40 18 30 27 0 1,60 10-4 Caùt 0,39 24 26 22 1,0 0,7 1,59 10-6 Đất Bảng : Cấp phối vật liệu đắp đập d (mm) d10 d50 d50 Loại Đất thòt pha cát Cát 0,005 0,05 0,5 0,05 0,35 3,00 0,08 0,40 5,00 Soûi Đặc trưng hồ chứa : - Các mực nước hồ mức nước lưu : Bảng : Tài liệu thiết kế đập đất cống ngầm : Sơ Đặc trưng hồ Mực nước Q cống (m3/s) đồ chứa hạ lưu (m) Mực nước D MNC MNDBT Bình Max Khi Khi đầu (km) (m) (m) thườ MNC MNDBT keânh ng (Qtk) (m) B 11 69.5 89 62.5 64 3.9 3.3 69.33 Tràn tự động có cột nước đỉnh tràn H max = Các vận tốc gió P% 20 30 50 V (m/s) 32 26 17 14 12 Chiều dài truyền sóng sóng với MNDBT : D (bảng 3) Đỉnh đập đường giao thông chạy qua Mái thượng lưu : m = 3,95 Mái hạ lưu : m = ; m’ = 3,5 Tài liệu thiết kế cống : Lưu lượng lấy nước ứng với MNDBT MNC (Qtk) : Bảng Mực nước khống chế đầu kênh : bảng - Tài liệu kênh : m = 1,5 n = 0,025 i = 10-3 ÷ 10-4 B NỘI DUNG THIẾT KẾ CỐNG NGẦM I – Những vấn đề chung : Nhiệm vụ, cấp công trình tiêu thiết kế a Nhiệm vụ : Cung cấp tưới nước cho diện tích 1650 b Cấp công trình : - Theo nhiệm vụ ta  công trình cấp IV - Theo cấp chung công trình đầu mốita có : Hđập = 95 – 55 +1 = 41 (m) đòa chất lòng sông ta có cấp công trình cấp II Từ diều kiện ta chọn cấp công trình chung cho cống đập cấp II c Các tiêu thiết kế : - Tần suất lưu lượng, mực nước lớn để tính ổn đònh kết cấu công trình (p%) P% = 0,5 - Hệ số vượt tải (n) - Hệ số điều kiện làm việc (m) - Hệ số tin cậy Kn = 1,2 Chọn tuyến hình thức cống : a, Tuyến cống : Phụ thuộc vào vò trí khu cao trình khống chế tuyến tưới, điều kiện đòa chất quan hệ với công trình khác Ở đường tràn độ sang lưu vực khác nên đặt cống bờ phải hay bờ trái dược Khi việc đặt cống bờ phụ thuộc vò trí khu điều kiện đòa chất Khi chọn tuyến cụ thể cần lưu ý : Cố gắùng đặt cống đá Tuy nhiên tầng phủ dày đặt cống đất, không nên đặt cống nền, mà phải có độ chôn sâu đònh b, Hình thức cống : Vì cống đập đất, mực nước thượng lưu lấy nước thay đổi nhiều (từ MNC đến MNDBT) nên hình thức hợp lý cống ngầm lấy nước không áp Vật liệu làm cống chọn 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 van sữa chữa, vi trí đặt tháp sơ chọn khoảng mái đập thượng lưu vò trí đặt cống c, Sơ bố trí cống : Từ vò trí đặt cống mặt cắt đập có (Đồ án thiết kế đồ đất), sơ tính cống để từ xác đònh chiều dài cống, chọn cao trình đáy cống thấp MNC từ ÷ 1,5 m Cao trình đáy cống đượ ctính toán xác hóa thuỷ lực sau II- Thiết kế kênh hạ lưu cống : Kênh hạ lưu đươcï thiếtkế trước để làm cho việc tính toánt hủy lực cống Thiết kế mặt cắt kênh Mặt cắt kênh dước tính toán với lưu lượng thiết kế Q tk = 3,6 (m3/s) tức thu lưu lượng lớn theo tài liệu cho Dựa vào điều kiện đòa chất nơi kênh chạy qua ( đồ án cho đất cát pha), sơ chọn tiêu sau : 1 đến ) chọn i = 1000 10.000 5000 Độ nhám lòng kênh n=0,025 Hệ số mái kênh m = 1,5 Tiếp theo cần xác đònh bề rộng đáy kênh (b chiều sâu nước kênh h0 ), giải theo trình tự sau : Sơ xác đòng vận tốc xói theo công thức : V kx = K Q0,1 Trong : Q - lưu lượng kênh : Q = Qtk = 3,9 (m3/s) K – Hệ số phụ thuộc đất lòng kênh, với cát pha : K = 0,53  V kx = 0,53 3,90,1 = 0,607 (m/s) Sơ đònh chiều sâu h0 theo công thức : H = 0,5 ( – V kx ) Q = 0,5 ( + 0,607 ) 3,9 = 1,26 (m) Có q,h  xác đònh b theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt h lợi thủy lực ( tính theo f (R ln), tra bảng tìm Rln, tính ; tra Rln b bảng tìm , cuối tính b Trình tự tính toán sau Rln : Tính theo công thức Agơrotskin : m0 = + m − m - Độ dốc đáy kênh ( từ m0 i Q tra phụ lục (8-1) bảng tra thủy lực với f (Rln) = 0,0305 n = 0,025  R ln = 0,93 h 1,26  = = 1,355 Rln 0,93 tra phụ lục (8-3) bảng tra thủy lực với h = 1,355 Rln m = 1,5 b b= Rln = 4,45 0,93 = 4,14 ≈ 4,2 (m) Rln 4,03 b Kiểm tra lại : = = 3,28 ∈ (2 ÷ 5) (thỏa mãn điều kiện) 1,228 h c Kiểm tra điều kiện không xói : Vì kênh dẫn từ hồ chứa nên hàm lượng bùn cát nước nhỏ, không cần kiểm tra điều kiện bồi lắng Ngược lại cần kiểm tra điều kiện xói lở tức khống chế : Vmax < V KX (*) Trong : Vmax – lưu tốc lớn trogn kên, tính với lưu lượng Qmax Qmax = K Q; (Q = Qtk) k- hệ số phụ thuộc Q, lấy k = 1,2  Qmax = 1,2 3,9 = 4,68 (m3/s) f (Rln) = Để xác đònh Vmax biết Qmax mặt cắt kênh ta phải xác đònh độ sâu h tương ứng kênh ( phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi thủy lực ) từ ta có : Q Vmax = max ω Ta coù : ω = (b + m.h) h = (4,2 + 1,5.1,38)1,38 = 8,65 m2 4,68 Qmax = = 0,54 (m/s) 8,35 ω Ta thaáy Vmax = 0,54 (m/s) < = Vkx = 0,607 (m/s) Nhö thỏa mãn điều kiện không xói d Tính độ sâu kênh ứng với cấp lưu lượng : Trong tài liệu cho cấp số lượng để tính toán cống với trường hợp khác nhau, ứng với cấp lưu lượng cần xác đònh độ sâu dóng tương ứng kênh tức xác đònh quan hệ Q ~ h Bài toán giải theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi thủy lực Ở đồ án cho cấp lưu lượng tương ứng : - Khi MNC : Q = Qtk = 3,9 (m3/s) - Khi MNDBT : Q = 3,3 (m3/s) Như ta tính bề rộn kênh theo phương pháp đối chiếuvới mặt cắt lợi thủy lực xác đònh bề rộng kênh : b = 4,03 (m) thường chọn b = 4,1 (m) Bây ta xác đònh lại độ sâu dòng (h 0) trường hợp ứng với cấp lưu lượng MNC : Q = 3,3 (m 3/s) b = 4,2 (m), í tính :f (Rln) = 4.m0 i Q => Vmax = m0 i = 0,0361 Q tra baûng (8-1) – bảng tra thủy lực ta có : với f (Rln) = 0,0361 n = 0,025  Rln = 0,88 b 4,2  = = 4,77 Rln 0,88 tra baûng (8-3) bảng tra thủy lực ta có với m = 1.5 h  = 1,32 Rln  h0 = 1,32 0,88 = 1,16 (m) Vậy h0 = 1.26(m) ứng với Q = 3,3 (m) f (Rln) = III Tính diện cống : 1- Trường hợp tính toán : Khẩu diện cống tínht oán với trường hợp chênh lệch mực nước hạ lưu nhỏ lưu lượng nùc tương đối lớn> Thường tính với trường hợp MNC thượng lưu mực nướic hạ lưu mực nước khống chế đầu kênh tưới Z kc ; Chênh lệch mực nước hạ lưu laø : [∆Z] = MNC – Zkc = 69,5 –69,33 = 0.17 m Lúc này, để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần mở hết van Ta có : Z1 - tổn thất cột nước cửa vào Zp tổn thất khe phai (nếu có) Zl - tổn thất qua lưới chặn rác Zv – tổn thất qua tháp van Z2 – tổn thất cửa 2- Tính bề rộng cống bc : Bề rộng cống phải đủ lớn để lấy đựoc lưu lựong cần thiết Q chênh lệch mực nước thượng hạ lưu [Z} khống chế, tức phải đảm bảo điều kiện : (*) ∑ Zi ≤ [Z] a) Tổn thất cửa : Ta giả thiết chiều rộng cống b c tiến hành tính toán tổn thất Tổn thất cửa laø : Q2 αvb Z2 = g (ϕ n b.hh ) 2g Trong : B – chiều rộng cuối bể tiêu : b = bkênh = 4,1 (m) hh – Chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Q tk = 3,9 (m /s) hh = hk = 1,26 (m) ϕn – Hệ số lưu tốc ( trường hợp chảy ngược) ta lấy ϕn = 0,96 Vb – Lưu tốc bình quân bể tiêu Vb = 0.5 (m/s)  Z2 = 0.18 (m) b) Tổn thất dọc đường: Coi dòng chảy cống dòng chảy với độ sâu h1 h1 = hh + z2 = (m) Khi tổn thất dọc đường i.L với i độ sâu dốc cống, xác đònh theo công thức : Q i=( )2 (1) ω C R với ω = bc h1; L = 185(m) ; n =0.025 c) Tổn thất tháp van: Do khoảng cách từ tháp van đến cửa xấp xỉ chiều dài cống Vì ta lấy chiều sâu cột nước sau cửa van : hv = h1 + i.L Từ ta tính tổn thất qua van laø : α v Zv = ξv (2) 2g với ξv = 0,05 ÷ 0,1 Q Q = hv (3) bci ω d) Tổn thất qua lùi chắn rác : Z1 = ξ α.v21 ; ε = 0,1 ; hp = h1 + zk 2g Q Q Vp = = (4) bc ( L1 + Z1 ) ω e) Tổn thất cửa vào : Từ công thức Q = ϕn b2 h1 g Z1 Vv = Q2 Z1 = (5) g (ϕ n εb.h1 ) ϕn = 0,95; ε = 0,1; h1 = h p + z p Thay số vào công thức từ (1) ÷ (5) ta có kết tính toán bảng dưới, từ kết bảng ta vẽ đường quan hệ bc~ ∑ Zi (hình vẽ) bc 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 bc 3a, b, - - Z2 0.018 0.018 0.018 0.018 0.018 0.018 C R 24.16 24.86 30.22 32.25 33.93 35.42 i 0.0071 0.0038 0.0016 0.0010 0.0007 0.0005 iL 1.3119 0.6970 0.3019 0.1841 0.1222 0.0858 Zv 0.0158 0.0089 0.0076 0.0053 0.0039 0.0030 Zl 0.0618 0.0351 0.0225 0.0157 0.0116 0.0089 Zp 0.0141 0.0083 0.0072 0.0051 0.0038 0.0029 Z1 0.0397 0.0288 0.0201 0.0149 0.0114 0.0089 ∑Ζι 1.461 0.796 0.377 0.243 0.171 0.127 Tra đường quan hệ bc ~ ∑ Zi ứng với [∆Z]= 0.17 (m) chọn = 3.5(m) Xác đònh chiều cao cống Chiều cao mặt cắt cống : Hc = h1 + ∆ h1 = 1.26(m) ∆ : độ lưu không chọn từ từ 0,5 ÷ 1m, ta choïn ∆ = 0.7(m)  Hc = (m) Cao trình đặt cống: Cao trình đáy cống cửa Zr = Zkc – h’h =69.33 –1.26 = 68.07 (m) Zkc- cao trình mực nước khống chế đầu kênh  Zr = 68.07 (m) Cao trình đáy cống cửa vaøo Zv = Zr + i.L = 68.07 + 0.122 = 68.2(m) IV Kiểm tra trạng thái chảy tính toán tiêu : 1- Trường hợp tính toán : Khi mực nước thượng lưu cao cần mở phần cửa van để lấy lưu lượng cần thiết Do lượng dòng chảy lớn sau cửa van thường dòng xiết Dòng xiết nối tiếp với dòng êm kênh hạ lưu qua nước nhảy, cần tính toán để : Kiểm tra xem nước nhảy có xảy cống không, thường với mức thượng lưu cao, cần khống chế cho mực nước cống để tránh rung động bất lợi, cònối với mực nước thấp thượng lưu nước nhảy cống không tránh khỏi Tuy nhiên lượng dòng chảy không lớn nên mức độ rung động nguy hiểm không đáng kể Xác dònh chiều sâu bể cần thiết để giớin hạn nước nhảy sau cửa cống để tránh xói lở bờ kênh hạ lưu Trong phần đề giới hạn cho trường hợp mực nước cao với lưu lượng tương ứng Sơ đồ tính toán cho trường hợp hình vẽ sau Ở với trường hợplà MNDBT, tương ứng với lưu lượng Q 2- Xác đònh độ mở rộng cống : Tính theo sơ đồ chảy tự qua lỗ Q = ϕ α a b .c g ( H − α a ) (**) Trong : ϕ - hệ số lưu tốc, lấy ϕ = 0,95 α - hệ số co hẹp đứng H’0 – cốt nước tính toán trước cửa vào đến vò trí van H’0 = H0 – hw = 20.8 – 0.0268 = 20.77 Với H0 = H + αv20 = H (do v0