Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN Đề bài: số 40 I- Tài liệu: 1- Nhiệm vụ: cống B xây dựng ven sông Y (vùng chịu ảnh hưởng thuỷ triều) để tiêu nước, ngăn triều giữ Diện tích tiêu: 30.000 Cống xây dựng tuyến đường giao thơng có loại xe - 10 qua 2- Các lưu lượng mực nước thiết kế: Trường Tiêu nước hợp Chỉ tiêu Qmaxtiêu(m3/s) Zđồngkhống chế 80 3- Tài liệu kênh tiêu: - Zđáy kênh = -1,0 m - Độ dốc mái: m = 1,5 - Độ nhám: n = 0,025 - Độ đốc đáy: i = 10-4 Đề 40 Ngăn triều ZsôngTK(m) Zsôngmin(m) Zsôngmax(m) Zđồngmin(m) 3,45 -0,05 6,9 0,75 3,6 4- Tài liệu gió: Tần suất P% V (m/s) 28 26 22 20 18 30 16 5- Chiều dài truyền sóng: Trường hợp D (m) Zsơng bình thường 200 6- 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 lý đất cống Zsông max 300 50 14 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công Loại đất Thịt Cát pha Sét Chỉ tiêu k (T/m3) 1,47 1,52 1,41 tn (T/m ) 1,70 1,75 1,69 Độ rỗng n 0,40 0,38 0,45 0 tn (độ) 19 23 120 bh (độ) 160 180 100 Ctn (T/m2) 1,50 0,50 3,50 Cbh (T/m ) 1,00 0,30 2,50 -7 -6 Kt (m/s) 4.10 2.10 1.10-8 Hệ số rỗng e 0,67 0,61 0,82 Hệ số nén a (m N) 2,20 2,00 2,30 Hệ số không  8,00 9,00 7,00 7- Thời gian thi công: năm II- Yêu cầu đồ án: 1- Xác định cấp cơng trình tiêu thiết kế 2- Tính tốn thuỷ lực xác định chiều rộng cống giải tiêu 3- Chọn cấu tạo phận cống 4- Tính tốn thấm ổn định cống 5- Chun đề: tính tốn đáy cống theo phương pháp dầm đàn hồi 6- Bản vẽ: - vẽ khổ A1, thể cắt dọc, mặt bằng, diện thượng lưu, diện hạ lưu, mặt cắt ngang cống cấu tạo chi tiết Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công PHẦN THUYẾT MINH A- GIỚI THIỆU CHUNG: I- Vị trí, nhiệm vụ cơng trình: 1- Vị trí: ven sơng Y (vùng cửa sơng chịu ảnh hưởng thủy triều) 2- Nhiệm vụ: - Tiêu nước cho diện tích 30.000 - Ngăn triều giữ - Cống xây dựng đường giao thông thường có xe trọng tải từ 8- 10 qua II- Cấp cơng trình tiêu thiết kế: (dựa vào TCXDVN 285 – 2002) 1- Cấp công trình: a- Theo chiều cao cơng trình: Hct = Zsơngmax(Ngăn triều + d - Zđáy kênh = 6,9+ 0,7 - (-1) = 8,6 m Trong đó: d độ vượt cao an toàn, lấy d = 0,7 m Tra bảng P1-1 (Phụ lục - Đồ án môn học Thuỷ cơng) tương ứng với cơng trình đập bê tơng đất ta có cấp cơng trình cấp IV b- Theo nhiệm vụ cơng trình: tra bảng P1-2 (Phụ lục - Đồ án môn học Thuỷ công) với diện tích tiêu 30.000 ta có cấp cơng trình cấp II Vậy ta chọn cấp cơng trình cấp II 2- Các tiêu thiết kế: - Tần suất lưu lượng, mực nước lớn để tính ổn định, kết cấu: Tra bảng 4-2 TCXDVN 285- 2002 , ta có p = 0,5% - Tần suất mực nước lớn ngồi sơng khai thác: Tra bảng -4 TCXDVN 285- 2002 , ta có p = 10% - Các hệ số vượt tải n:( tra bảng P1-4 TCXDVN 5060 + Trọng lượng thân cơng trình: n 1= 1,05 + Áp lực thẳng đứng trọng lượng đất: n 2= 1,10 + Áp lực bên đất: n 3= 1,20 + Áp lực nước tĩnh, áp lực thấm ngược, áp lực sóng: n =1,00 + Tải trọng gió: n =1,30 + Tải trọng động đất: n = 1,00 - Hệ số điều kiện làm việc: m = 1,00 - Hệ số tin cậy: Kn = 1,2 B- TÍNH TỐN THUỶ LỰC CỐNG: Mục đích: xác định diện cống tính tốn tiêu sau cống I- Tính tốn kênh hạ lưu: theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt có lợi thuỷ lực 1- Các tài liệu kênh tiêu: - Zđáy kênh = -1,0 m - Độ dốc mái: m = 1,5 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công - Độ nhám: n = 0,025 - Độ đốc đáy: i = 10-4 - Lưu lượng tính tốn: Q = Qtiêumax = 80 m3/s Ta lưu ý sau tính tốn ta thấy với i=10 -4 kênh bị xói tính bể tiêu khơng ta giảm độ dốc đáy kênh xuống với i=5.10 -5 Zđáy kênh = -1,5 m.Và ta tính tốn sau: 2- Tính bề rộng kênh: * Độ sâu mực nước kênh: H = ZsôngTK - Zđáy kênh = 3,45 - (-1,5) = 4,95 (m) * Chiều rộng đáy kênh: Ta có: f(Rln) = 4.m0 i 8,424 0,00005 = = 0,00074 Q 80 (tra bảng phụ lục 8-1 với m=1,5 , ta có 4mo=8,424 ) Tra bảng phụ lục 8-1 (bảng tra thuỷ lực) với n = 0,025 ta có: Rln = 3,7 m Lập tỷ số H 4,95 = = 1,34 Rln 3,7 Tra bảng 8-3 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta có: B = 4,56  B = 16,872 ( m) Rln Vậy ta chọn B = 17m Kiểm tra: ta thấy < 17 B = = 3,43 <  thoả mãn điều kiện thiết kế kênh 4,95 H Vậy: chọn bề rộng đáy kênh B = 17 (m) * Kiểm tra điều kiện khơng xói : Vmax < [Vkx] - Lưu tốc khơng xói: 0,1 [Vkx] = k Qmax= 0,53.800,1= 0,821 (m/s) Với K: hệ số định tính chất đất nơi kênh qua = 0,53 - Tốc độ dòng chảy kênh dẫn với Qmax:  ω= h(B + mh)= 4,95(17 + 1,5.4,95)= 120,9 (m2)  Vmax= 80 Qmax = = 0,66 (m/s) 120,9  So sánh: Vmax= 0,66 (m/s)< [Vkx]= 0,821 (m/s) Đây kênh tiêu nước từ rưộng thực tế hay bị bồi lắng.Vì ta khơng tính điều kiện bồi lắng mà bố trí nạo vét thường xuyên làm bể lắng cát thượng lưu Vậy ta chọn bề rộng kênh B = 17 m II- Tính diện cống: 1- Trường hợp tính tốn: Chọn chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, cần tháo Q thiết kế - QTK = Qtiêumax = 80 ( m3/s) - ZTL = Zđồng = 3.6 (m) KC Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công - ZHL = Zsông = 3.45(m) - Z = Zđồng khống chế - ZsôngTK = 3.6 – 3.45 = 0,15 (m) 2- Chọn loại cao trình ngưỡng cống: a- Cao trình ngưỡng: đối vối cống tiêu chênh lệch mực nước khống chế nhỏ, để tăng khả tháo ta nên chọn ngưỡng cống thấp ngang với đáy kênh thượng lưu : ĐC = ZĐK = -1,5 m b- Hình thức ngưỡng: Do cống thiết kế có nhiệm vụ tiêu nước ngăn triều, để tăng khả nước ta nên chọn cao trình ngưỡng cống thấp Do dó kiểu ngưỡng thích hợp trường hợp kiểu ngưỡng : đập tràn đỉnh rộng 3- Xác định bề rộng cống: a- Xác định trạng thái chảy: - hn = hh - P1 = hh = Zsông TK - ZĐK = 3.45- (-1,5) = 4,95 (m) TK ZTL ZHL Zhp H h hh Sơ đồ tính diện cống ngưỡng đỉnh rộng - H0 = H +  v02 = H = (Zđồng khống chế – ZĐK) = 3,6 - (-1,5) = 5,1 (m) 2.g ( chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ nên ta coi v0 0)  hn hn 4,95 = = 0,97 > ( ) = (0,7  0,8)  chảy ngập 5,1 H0 H pg Do độ cao hồi phục nhỏ nên bỏ qua, lấy h = hn = 4,95 ( m ) b- Tính bề rộng cống b: * Ta có: Q = n.g.b.h 2.g ( H  h) Trong đó: - n: hệ số lưu tốc, giá trị lấy phụ thuộc vào trị số hệ số lưu lượng m tra bảng thủy lực 14- 12 với cửa vào tương đối thuận ngưỡng trịn hay bạt góc có tường cánh thu hẹp dần hay hình chóp , ta có m =0.34 - 0.36 chọn m = 0,35 Từ m =0,35 tra bảng thủy lực 14 – ta xác định  n = 0,93 - g: hệ số lưu tốc có co hẹp bên, xác định : g = 0,50 + 0,5 = 0,5.0,90 + 0,5 = 0,95.( sơ chọn 0 =0.90 )  b = Q  n  g h 2.g ( H  h) = 80 = 10,66 m 0,93.0,95.4,95 2.9,81.(5,1  4,95) Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công Để chọn thi công ta chọn b=10,8m Ta chia cống làm khoang khoang rộng 3,6m Hai mố trụ mố dày 1m,đầu mố trụ lượn tròn Hai mố bên mố dày 0,5 m, đầu mố lượn trịn.Vậy nên ta có : d = (m) Sau có b ta tính lại giá trị đặc trưng : Tính lại hệ số 0: Ta có : 0 =  b = 10,8  b   d 10,8  = 0,783 Do ta tính lại hệ số lưu tốc (có xét đến co hẹp bên) theo 0 : g = 0,50 + 0,5= 0.5.0,783+ 0.5 = 0,8915 Tính lại n : Ta có m phụ thuộc vào chiều cao ngưỡng P=0, độ co hẹp Và tỉ số : b 10,8  0,64 B 17 r 0,5  0,14 b 3,6 dạng mố lượn tròn nên theo bảng Cumim 14 -9 : Ta có m = 0.3579 , tra bảng 14-4 ta có : n = 0,9537 thay vào ta tính lại : b = Q  n  g h 2.g.( H  h) = 80 =10,97≈10,8m 0,9537.0,90.4,95 2.9,81.(5,1  4,95) Vậy cuối ta chia cống làm khoang khoang rộng3,6 m c- Kiểm tra lại trạng thái chảy cống : q= 80 Q = = 7,41(m2/s) 10,8 b 80  v02 Q H0 = H + , với vo = = = 1,5 (m/s)  10,8 * 4,95 2.g 1.1,50  v 02 Nên ta có : H0 = H + = 5,1 + = 5,21(m) 2.g 2.9,81 hk =  q 1.7,412 =3 = 1,78m g 9,81  hn h  4,95  0,95   n  0,7 0,85 (GTTL 2)   H  pg  H 5,21   hn  4,95 2,78   hn  1,2 1,4 (GTTL 2) h  h 1,78  k  pg  k Vậy thoả mãn tiêu chuẩn chảy ngập III- Tính tốn tiêu phịng xói cho hạ lưu: 1-Trường hợp tính toán: Khi tháo lưu lượng qua cống với chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công Với cống tiêu vùng triều, trường hợp mực nước triều hạ xuống thấp (chân triều); phía đồng là mực nước khống chế Trường hợp thường tranh thủ mở hết cửa van để tiêu, lưu lượng tiêu qua cống lớn lưu lượng tiêu thiết kế Tuy nhiên chế độ khơng trì thời gian dài Các cột nước dùng để thiết kế thiết bị tiêu phịng xói : Cột nước thượng lưu: H = Zđồng khống chế - Zđáy kênh = 3,60 - (-1,5) = 5,1 m Cột nước hạ lưu : h = ZmimS – ZĐk = -0,05 - (-1,5) =1,45 m 2- Lưu lượng tính tốn tiêu năng: Với cống tiêu vùng triều, cống đặt gần sơng nên nói chung mực nước hạ lưu cống khơng phụ thuộc lưu lượng tháo qua cống Khi Q tt khả tháo lớn ứng với mực nước tính tốn chọn Qtt = Qtiêumax = 80m3/s Kiểm tra trạng thái chảy: - H0  H = Zđồng khống chế - Zđáy kênh = 3,60 - (-1,5) = 5,1 m - hh = Zsôngmin - Zđáy kênh = -0,05- (-1,5) = 1,45 m  hh hh 1,45 = = 0,28< ( ) = (0,7  0,8 )  chảy tự 5,1 H0 H pg Q = m.b 2.g H 30 / = 0,35.10,8 2.9,81 5,13/2 = 192,84 m3/s 3- Xác định kích thước kết cấu tiêu năng: a- Chọn biện pháp tiêu năng: với cống đất, biện pháp đào bể hợp lý b- Tính tốn kích thước bể: * Sơ đồ Z h''c hh hc * Chiều sâu bể: d = hb - (hh + Z2) = .h 'c' - (hh + Z2) Trong đó: - : hệ số ngập,  = 1.05 1.1 chọn  = 1,05 '' - hb = h c : chiều sâu mực nước bể - Z2: chênh lệch đầu nước cuối bể vào kênh, tính đập tràn đỉnh rộng Ta có: E0 = H0 + d0 Giả thiết : sơ chọn chiều sâu bể d0 = m Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công  E0 = H0 + d0 = 5,21 + = 6,21 m Chọn hệ số lưu tốc  = 0,90 Ta có : F(c) = 7,41 q = 0,532 3/ =  E0 0,9.6,21 Tra bảng thủy lực 15 - ta có: ''c = 0,5438; c = 0,13  h''c = ''c.E0 = 0,5438.6,21= 3,38m hc = c.E0 = 0,13.6,21= 0,81 m q2  q 1.7,412 7,412   Z = Z2 = = = 2.g  n2 hh2 2.g ( n hc'' ) 2.9,81.12.1,45 2.9,81(1,05.3,38) 1,33-0,222=1,108m  d1 =  h - (hh + Z2) = 1,05.3,38 - (1,45 + 1,108)  0,991  d0 '' c Vậy, chiều sâu bể chọn 1m * Chiều dài bể tiêu năng: Lb = L1 + .Ln Trong đó: - L1: chiều dài nước rơi từ ngưỡng xuống sân tiêu theo công thức Trectouxốp: L1 = hk ( P  0,35.hk ) - P: chiều cao ngưỡng cống so với bể, P = d = m - hk  2 H0 = 5,21 = 3,47 m 3  L1 = 3,47.(1  0,35.3,47) = 5,54 m - Ln: chiều dài nước nhảy Ln = 4,5.(h''c - hc) = 4,5.(3,38 - 0,81) = 11,565 m - Chọn  = 0,8  Lb = L1 + .Ln = 5,54 + 0,8 11,565 = 14,792 Chọn Lb = 15 m C- BỐ TRÍ CÁC BỘ PHẬN CỐNG: I- Thân cống: Bao gồm đáy, trụ phận bố trí 1- Cửa van: Việc chọn van tùy thuộc vào độ lớn lỗ cống thường thơng qua tính tốn so sánh phương án kinh tế kỹ thuât để chọn Ơ dây ta chọn van phẳng Chiều dài thân cống cịn phụ thuộc vào điều kiện giao thơng : có giao thơng phía cần bố trí thân cống dài thuận tiện cho giao thông Trong đị án phả bố trí cầu giao thơng nên ta chọn chiều dài thân công lớn để bố trí van cầu giao thơng 2- Tường ngực: Bố trí để giảm chiều cao van lực đóng mở a- Giới hạn tường: Thiết kế cống lộ thiên Bộ mơn thuỷ cơng * Cao trình đáy tường: Zđ = Ztt +  = 3,60 + 0,6 = 4,2 m Trong đó: - Ztt: mực nước tính toán diện cống (ứng với trường hợp này, mở hết cửa van chế độ chảy qua cống phải không áp) Ztt = Zđồng khống chế = 3,60 m - : độ lưu không, chọn  = 0,6 m Do chọn cao trình đáy tường ngực 4,2 m * Cao trình đỉnh tường: lấy cao trình đỉnh cống dược xác định sau : Zđỉnh1 = Zsơng bình thường + h + s + a Zđỉnh2 = Zsông max + h' + 's + a' Trong đó: - h, s tính với vận tốc gió tính tốn lớn - h', 's tính với vận tốc gió tính tốn bình qn lớn - a, a': phụ thuộc vào cấp cơng trình Cơng trình cấp II nên theo bảng 6-1 ( Gt thủy công T1 ) ta có : a = 0,7 m (MNDBT) ; a' = 0,5 m(MN Mmax) * Tính h s: h = 2.10-6 v D cos  g H Trong đó: - V: vận tốc gió tính tốn lớn nhất, V = 28 m/s - D: đà gió ứng với Zsơng bình thường, D = 200 m - H: chiều sâu cột nước cống, H = ZsôngTK - đc = 3,45 - (-1,5) = 4,95 m - : góc kẹp trục dọc cống với hướng gió,  = 00 28 2.200 cos 0 = 0,00646 m h = 2.10 9,81.4,95 -6 Giả thiết trường hợp sóng nước sâu, ta có: g.t 9,81.21600 = = 7567,71 v 28 ( t thời gian : khơng có tài liẹu thủy văn t = h =21600 s)  g  3,8  v Tra đồ thị hình 2-1 ta có:   g.h 0,075  v g D 9,81.200 = = 2,503 v 28 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công  g. 0,53  v Tra đồ thị hình 2-1 ta có:   g.h 0,003  v Chọn cặp có giá trị bé cặp giá trị Ta có:  = 0,53 v 28 = 0,53 = 1,51 giây g 9,81 v2 28 = 0,003 = 0,24 m h = 0,003 g 9,81 9,81.1,512 g.  = = = 3,56 m 2.3,14 2.  = 1,78 m  thoả mãn điều kiện sóng nước sâu Chiều cao sóng h ứng với mức đảm bảo P = 5%: Ta thấy: H = 5,1 m > h5% = K5% h Tra đồ thị hình 2-2 ta có: K5% = 1,72 ( với g.D 9,81.200 = = 2,503) v 28  h5% = 1,72.0,24 = 0,413 m Độ dềnh cao sóng: s = ks.h5%   3,56  H  4,66 0,764  tra hình P2-4a : ks = 1,17  h 0,24   0,067   3,56  s = 1,17.0,413 = 0,483 m  Zđỉnh1 = 3,60 + 0,00646 + 0,483 + 0,7 = 4,79 m * Tính h' 's: v ' D' cos  h' = 2.10 g.H ' -6 Trong đó: - V': vận tốc gió bình quân lớn nhất, V = 16 m/s - D': đà gió ứng với Zsơng max, D' = 300 m - H': chiều sâu cột nước cống, H' = Zsôngmax - đc = 6,9 - (-1,5) = 8,4 m - : góc kẹp trục dọc cống với hướng gió,  = 00 h' = 2.10-6 16 2.300 cos 0 = 0,0019 m 9,81.8,4 Giả thiết trường hợp sóng nước sâu, ta có: g.t 9,81.21600 = = 13243,5 v' 16 10 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công v1 = Q 80 = = 2,1 m/s b.h1 10,8.3,55  t = 0,15.2,1 3,55 = 0,59 m Vậy ta chọn chiều dày sân tiêu 0,6m * Sân sau: làm đá xếp có độ gồ ghề lớn để tiêu hao nốt lượng lại Dưới lớp bố trí tầng lọc ngược Chiều dài sân sau nối tiếp với kênh hạ lưu xác định theo công thức kinh nghiệm: Lss = K q H Trong đó: - q: lưu lượng đơn vị cuối sân tiêu q= Q 80  4,71 m3/s.m b 17 - H: chênh lệch cột nước thượng lưu, hạ lưu H = Z sông max- Zđồngmin = 6,9 - 0,75= 6,15 m - K: hệ số phụ thuộc vào tính chất lịng kênh, K = 10 (cát pha)  Lss = 10 4,71.4 6,15  34 m Vậy ta chọn chiều dài sân sau : Lss = 34(m) D- TÍNH TỐN THẤM DƯỚI ĐÁY CỐNG: I- Những vấn đề chung: 1- Mục đích: Xác định lưu lượng thấm q, lực thấm đẩy ngược lên đáy cống Wth, gradien thấm J 2- Trường hợp tính tốn: Khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn H = Zsông max - Zđồng = 6,9 - 0,75 = 6,15 m II- Tính tốn thấm: 1- Vẽ lưới thấm: - Đường dòng trùng với đáy cống qua biên cừ hình vẽ - Đường dịng cuối biên lớp đất sét - Đường trùng với biên tầng lọc ngược đáy bể hạ lưu - Đường cuối mặt đất nằm ngang Từ ta có lưới thấm sau : Từ lưới thấm ta xác định : Số dải : n=20 Số ống dòng : m =6 15 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công Sơ đồ lưới thấm cống - Dùng lưới thấm xác định đặc trưng dòng thấm: Cột nước thấm tổn thất qua dải đường là: H 6,15 = = 0,31 m n 20 h = Cột nước thấm điểm x cách đường cuối i dải: hx = i.h = i H n Điểm B: hA = 10,5.h = 10,5.0,31= 3,255 m Điểm B: hB = 5,5.h = 5,5.0,31 = 1,71 m Biểu đồ áp lực thấm tác dụng lên đáy cống n.hA n.hB - Tổng áp lực thấm tác dụng lên đáy cơng trình là: Wth = n 3,255  1,71 h A  hB 15 =372,38 KN/m Ld = 10 2 - Xác định gradien thấm: JTB = h H 0,31 = = S n.S S Điểm Si JTBi 0,31 III- Kiểm tra độ bền thấm nền: 1,5 0,21 16 3,5 0,103 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công JTB  k J TB Kn Trong đó: - JTB: gradien cột nước trung bình vùng thấm k - J TB : gradien cột nước tới hạn trung bình tính tốn (lấy theo bảng 2) JTB = H Ttt  - H: cột nước tác dụng, H = 6,15m MNTL MNHL n2 v ra cõ n1 - Ttt: chiều sâu tính tốn + Hình chiếu đứng đường viền: S0 = m + Hình chiếu đường viền: L0 = 15 + 16 = 31 m Ta có tỷ lệ L0 31 = = 3,875 S0 Tra bảng 2-1 (GTTC tập 1), ta Ttt = 2,5.So = 2,5.8= 20(m) Vì chiều dày tầng thấm thực tế có 18,5 ta dùng Ttt=20m Ta có: = v + n1 + cừ + n2 + ra 0,5 v = 0,44 + S1 T2 0,5 1,5.7 a 1,5.S1     = 0,44+ = 1,3 S1 T0 T2 20 19  0,75  0,75 T2 19 57 Vậy ta có: 15  0,5.(7  5) l  0,5( S1  S ) 0,47 n1 = = 19 T Khoảng cách hàng cừ L = 15m > cừ 19 S2 = 1,5 + T2 0,5 S2 T2  0,75 S2 T2 = 1,5  19 0,5 19  0,75 17 19 = 0,56 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công 50 =2,5.Vậy ta có: l  0,5S 16  0,5.5 n2 = = = 0,71 T 19 Chiều dài sân trước L= 16m > ra = 0,44 + a = 0,44 + = 0,49 T0 20 Vậy:  = 1,3+ 0,47 + 0,56+ 0,71 + 0,49 =3,53  JTB = 6,15 = 0,087 20.3,53 k Tra bảng P3-2 ta có: J TB = 0,25 k 0,25 J TB JTB = 0,087< = = 0,21  thoả mãn 1,2 Kn 2- Kiểm tra thấm cục bộ: Công thức kiểm tra: Jr < Jgh Trong đó: - Jr: gradien thấm cửa ra, Jr = 0,0496 - Jk: gradien thấm tới hạn cục Có thể xác định theo biểu đồ theo thông số không đất = d 60 =9 d10 Tra hình P3-1 ta có: Jgh = 0,6 Vậy Jr = 0,31 < Jk = 0,6  thoả mãn ổn định thấm cục E- TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH CỐNG: I- Mục đích trường hợp tính tốn: 1- Mục đích: kiểm tra ổn định cống trượt, lật, đẩy 2- Trường hợp tính tốn: Tính với chênh lệch cột nước thượng hạ lưu cống lớn nhất, tính cho mảng.Với MNTL max , cịn MNHL , cửa van đóng hồn tồn II- Tính tốn ổn định trượt: 1- Xác định lực tác dụng lên mảng tính tốn: a- Các lực đứng: Trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai, cửa van, tường ngực, mố cống, đáy, nước cống lực đẩy ngược b- Các lực ngang: Ap lực nước thượng hạ lưu, áp lực đất chủ động chân khay thượng lưu, áp lực đất bị động chân khay hạ lưu * Trọng lượng đáy cống: 18 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công - Chiều rộng đáy: B = b + d + 2.d' =10,8 + + = 13,8 m - Diện tích mặt cắt ngang: F = 15.1 + 2.2.1- 2.1.1 = 18 m  Gbđ = b.F.B = 2,4.18.13,8 = 596,16T * Trọng lượng mố: Gmố = 2(14.1+3,14.0.52+14.0,5+0,5.0,52.3,14).2,4.9,4 = 1000,65 T 6.0 0.5 0.5 0.2 *Trọng lượng cầu giao thông: 0.3 1.5 2.5 0.5 0.5 - Chiều dài cầu: Lc = B = 13,8m - Diện tích mặt cắt ngang cầu: F = 2(0,5.0,2+0,5.0,5)+0,5.5,4 = 3,4 m2  Gcầu = b.F.B = 2,4.3,4.13,8 = 112,61 m3 * Trọng lượng tường ngực: - Chiều dài tường: Lt = b = 10,8 m - Diện tích mặt cắt ngang tường: F = Ft = 3,7.0.3 + 2.0,3.0,3 = 1,29 (m2) 19 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công  Gt = Ft.Lt.b =1,29.10,8.2,4 = 33,45 T * Trọng lượng cầu công tác: - Chiều dài cầu công tác: Lct = B = 10,8 m - Diện tích mặt cắt ngang: F1 = 3.0,3 = 0,9 m2 F2 = 2.0,3.3,7 + 2.0,2.2 = 3,02 m2  Gct = b.[F1.Lct + F2.(4.0,4)] = 2,4.(0,9.13,8 + 3,02.1,6) = 41,4 T * Trọng lượng cầu thả phai: - Diện tích mặt cắt ngang: F = 2.1.0,2 = 0,4 m2  Gp = 2.b.F.b = 2,4.10,8.0,4 = 10,37 T * Trọng lượng nước cống: - Phía sơng: H = Zsông max - Zđáy cống = 6,9 - (-1,5) = 8,4m  GTL = 1.8,4.10,8.4 = 362,88 T - Phía đồng: H = Zđồng - Zđáy kênh = 0,75- (-1,5) = 2,25 m  GHL = 1.2,25.10,8 11 = 267,3 T * Trọng lượng phần đất chân khay: 0,61  bh = k + n = 1,52 + = 1,9 T/m3  0,61 1  Gđck = 1,9 13  11 1.13,8 = 314,64 T * Các lực đẩy ngược: - Áp lực thuỷ tĩnh: Wtt = (h2+t) n lo.b = (2,25+1) 1.15.13,8 =672,75 T - Áp lực thấm: Wth = bđal B = 37,2.13,8= 513,36T * Áp lực ngang: - Áp lực nước phía sơng: WS = 1 n H s2 b = 1.8,4 2.10,8 = 381,2 T 2 20 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công Điểm đặt cánh tay đòn cách đáy đoạn Hs = 2,8 m - Áp lực nước phía đồng: 1 n H d2 b = 1.2,252.10,8 = 27,34 T 2 Điểm đặt cánh tay đòn cách đáy đoạn Hđ = 0,75 m Wđ = * Trọng lượng van: Đối với van chuyển động trượt khối lượng co thể xác định theo công thức ( 17 - trang 209 giáo trình thủy cơng tập ) không nhỏ 1900 ( N/m )và củng không lớn 7000 ( N/m2 ) : g = 600.( H l -1) Trong đó: - g: trọng lượng trung bình m2 cửa van - H0: cột nước tính đến trung tâm lỗ cống., H0 = H 8,4 = = 4,1 m 2 - l: chiều rộng lỗ cống, l = m  g = 600.( 4,1.3,6  ) = 1655,7N/m2  0,16557 T/m2  Gv = g.H.b = 0,16557.8,4.10,8 = 15,02 BẢNG KẾT QUẢ CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN BẢN ĐÁY (Trong bảng kết ta lấy mô men tâm đáy cống ) STT Loại lực Lực đứng  (+) (-) Gbđ Gm 596.16 Lực ngang (+)  (-) Tay đòn M0 1000.56 0 0 Gcgt 112.61 337.83 Gt Gct Gp GTL GHL 33.45 -4 -3 -5 -5 2.5 -133.8 -124.2 -51.85 -1814.4 668.25 41.4 10.37 362.88 267.3 21 Thiết kế cống lộ thiên 10 11 12 13 14  Gđck Wtt Wth Ws Wđ Gv Bộ môn thuỷ công 314.64 -672.75 -513.36 381.2 -27.3 15.02 2754.4 -1186 381.2 0 0.78 2.8 0.75 -3.9 -27.3 0 -400.42 1067.36 -20.48 -58.58 -530.28 * Tính ứng suất đáy móng: max,min = P M  F W - P = 2754,4 - 1186 = 1568,4 T - M0 = 530,28 T.m - F = B.H = 13,8.15 =207m2 B.H 13,8.15 -W= = = 517,5 m3 6 1568,4 530,28   max = = 8,6 T/m2 207 517,5 min = 1568,4 530,28  = 6,55 T/m2 207 517,5 * Phán đoán khả trượt theo điều kiện ( tất điều kiện lấy theo TCVN4253 - 86 ) :  max - Chỉ số mơ hình: N =  [N] B. Trong đó: + B: chiều rộng mảng, B = 15 m + : dung trọng đất nền, lấy dung trọng đẩy nổi: đn = bh - n,= 1.9-1=0,9 T/m3 + N: số mơ hình hóa theo TCVN 4253-86 : [N]= Do N= 8,6 = 0,63 < [N]= 15.0,9 - Chỉ số kháng trượt: tg = tg + Trong đó:  max   = 7,575 T/m2 + Hệ số dính đất :Ci = 0,3 T/m2 + TB = 22 Ci  0,45  TB Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công + Góc ma sát đất :  = 180  tg = tg180 + 0,3 = 0,36  không thoả mãn 7,575 - Hệ số cố kết: Cv = K t (1  e).t 4 a.n h02 Trong đó: + Kt: hệ số thấm, Kt = 2.10-6 m/s + e: hệ số rỗng, e = 0,61 + a: hệ số nén đất, a = (m2/N) + h0: chiều dày tính tốn lớp cố kết, h0 = 20m + t0: thời gian thi công công trình, t0 = năm = 63072000(s)  Cv = 2.10  6.(1  0,61).63072000 = 2,53.10-5 <  không thảo mãn 2.10000.20 Như điều kiện cần thiết đáy trượt phẳng có điều kiện bị vi phạm , hình thức trượt trượt hỗn hợp ( bao gồm phần trượt phẳng phần trượt sâu ) phạm vi đồ án ta tính xét đến trượt phẳng * Tính tốn trượt phẳng: nc.Ntt  m R Kn Trong đó: - nc: hệ số tổ hợp tải trọng, tổ hợp tảI trọng đặc biệt nc = 0.9 - m: hệ số điều kiện làm việc, m = - Kn: hệ số tin cậy, Kn = 1,2 - Ntt = TTL +Eotl- THL = 381,2 – 27,3 = 353,9 T - R = P.tgI + F.CI = 1568,4.tg18o+ 13,8.15.0,3 = 571,7 T - nc.Ntt = 0.9 353,9 = 318,51 T - m R = 571,7 = 476,42 T Kn 1,2  nc.Ntt < m R  ổn định Kn Như cống ổn định theo điều kiện trượt phẳng F- TÍNH TỐN KẾT CẤU BẢN ĐÁY CỐNG: I- Mở đầu: 1- Mục đích: Xác định sơ đồ ngoại lực, tính tốn nội lực bố trí cốt thép đáy cống Để xác định ngoại lực kết cấu đáy cống ta tính theo phương pháp dầm đàn hồi 23 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ cơng 2- Trường hợp tính tốn: Trong thực tế có nhiều trường hợp xảy như: - Khi mực nước đồng max, mực nước sông min, tháo lưu lượng Qmax - Khi mực nước sông max, mực nước đồng min, đóng cửa van - Trường hợp mực nước đồng max, mực nước sông kết hợp với động đất Và ta phải tính cho tất trường hợp nêu Do thời gian có hạn nên phần đồ án ta tính tốn cho trường hợp gây nhiều bất lợi cho cơng trình Đó trường hợp : MNTL max , cịn MNHL , cửa van đóng hồn tồn - Zsông max = 6,9 m; Zđồng = 0,75m 3- Chọn băng tính tốn: Việc tính tốn đáy cống cần tiến hành cho băng khác (gọi băng phần cống có chiều rộng 1m, hai mặt cắt vng góc với chiều dịng chảy qua cống) Ở ta tính cho băng sau cửa van Các băng chia cho có chiều rộng thường m mặt cắt vng góc với dịng chảy II-Tính tốn ngoại lực tác dụng lên băng chọn Lực tập trung truyền từ mố xuống: G : Tổng lực thẳng đứng tác dụng lên mố thứ k, với quy ước lấy chiều dương chiều xuống M0: Tổng mô men lấy với tâm tiết diện đáy mố trụ thứ k theo quy ước lấy dấu dương ngược chiều kim đồng hồ Theo công thức nén lệch tâm: max(min) = P M  F W Trong đó: G, M0 tính F: diện tích mặt cắt mố trụ, hai mố bên F = 15.0,5 = 7,5 (m2), mố F = 15 (m2) wb = b.h 0,5.15  18,75 (m3), 6 w g = b.h 1.15  37,5 (m3) 6 G4 G6 G5 G3 T1 G1 G2 Biểu đồ áp lực dọc đáy 24 T2 Thiết kế cống lộ thiên Bảng tính ngoại lực hai mố bên TT Loại lực Trọng lượng mố Trọng lượng cầu thả phai Trọng lượng tờng ngực Trọng lượng cầu công tác Trọng lượng cầu giao thông Trọng lượng cửa van Trọng lượng ngời xe cộ cầu 10 áp lực nước phía sơng áp lực nước phía đồng tổng Bộ mơn thuỷ cơng Trị số đứng ngang 169.2 Ký hiệu G1 Tay đòn M0 0 G2 1.73 0 G3 5.575 -4 -22.3 G4 6.9 -3 -20.7 G5 18.77 56.31 G6 2.5 -3.9 -9.75 G7 10 30.00 T1 63.5 2.8 177.80 T2 4.55 -0.75 -3.41 214.68 68.05 207.95 min = 214,68 207,95  G M   = = 17,53 T/m2 , 18 , 75 F W max = 214,68 207,95 G M   = = 39,71 T/m2 , 18 , 75 F W Bảng tính ngoại lực mố TT Loại lực Trọng lượng mố Trọng lượng cầu thả phai Trọng lượng tờng ngực Trọng lượng cầu công tác Trọng lượng cầu giao thông Trọng lượng cửa van Trị số đứng ngang 338.4 Ký hiệu G1 Tay đòn M0 0 G2 3.46 0 G3 11.15 -4 -44.6 G4 13.8 -3 -41.4 G5 37.54 112.62 G6 -3.9 -19.5 25 Thiết kế cống lộ thiên 10 Bộ môn thuỷ công Trọng lượng ngời xe cộ cầu áp lực nước phía sơng áp lực nước phía đồng tổng min = max = G7 10 30.00 T1 127 2.8 355.60 T2 9.1 -0.75 -6.83 419.35 136.1 385.90 419,35 385,90 G M   = = 17,746 T/m2 15 37 , F W 419,35 385,90 G M   = = 38,25 T/m2 15 37,5 F W Mố trụ Bên Giữa max(T/m2) 39,71 38,25 min(T/m2 17,53 17,75 tb(T/m2 28,62 28 Pk(T) 14,31 28 Cuối lực mố truyền cho đáy coi lực tập trung có trị số sau: Pk = tb.b.d Trong : b = (m) _ chiều rộng băng tính toán d = 0,5(m)_ Chiềudày đáy mố bên d = (m) _ Chiềudày đáy mố Vậy Pk1=14,31;Pk2=28 Các lực phân bố băng Trọng lượng nước cống: q0 = n.hh.b =8,4 (T/m) Trong đó: hh chiều dày lớp nước băng tính tốn Trọng lượng băng đáy: q1 = bt.Fbđ = 2,4.1.1 = 2,4 (T/m) Lực đẩy nổi: q2 = n.hđn.b Trong đó: hđn = 3,25+ 2,48 = 5,73 (m) 26 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công q2= 1.5,73.1 = 5,73(T/m) Phản lực nền: q3 = 7,58(T/m) Lực cắt không cân bằng: Trị số: Xác định từ phương trình cân tĩnh học Q + Pk + 2l qi = Trong đó: Chiều dài băng xét l = 2.l = 13,8.1 (m) Pk =(14,31+28).2 = 84,62(T) qi = 8,4 + 2,4- 5,73 -7,58 = - 2,51 (T/m) Q = -Pk - 2l qi = -84,62 + 13,8.1.2,51 = -49,982 (T) 3,6 SC X y2=0,5 L =4,6 L =4,6 L =4,6 X0 Phân bố Q cho mố trụ đáy Xác định vị trí trục trung hoà: y0 = ΣFm y1  Fbd y ΣFm  Fbd Trong đó: Fm = 2.0,5.9,4 +2.1.9,4 = 28,2 (m2)(tổng diện tích mặt cắt ngang mố trụ) Fbd = 13,8.1=13,8 (m2) : diện tích mặt cắt ngang móng y1 = 5,7 (m) : toạ độ diện tích mặt cắt ngang mố trụ y2 = 0,5 (m) : toạ độ diện tích mặt cắt ngang móng Thay vào ta có: y0= 28,2.5,7  13,8.0,5 4(m) 13,8  28.2 Vẽ biểu đồ mơmen tĩnh: SC = FC.yC Trong đó: FC _ diện tích phần mặt cắt xét yC _ toạ độ trọng tâm mặt cắt Tính diện tích biểu đồ SC Từ ta có bảng kết sau : Tại vị trí trục trung hịa : 27 61,44 48,3 y0 =4m y1=5,7 0,5 9,4 0,5 Thiết kế cống lộ thiên Bộ môn thuỷ công (10,4  y0 ) = (mb + mg)(10,4 – y0)2= (0,5 + 1)(10,4 – 4)2 Sc= 2(Fb + Fg) = 61,44 (m3) Tại vị trí đáy mố cống : Sc= Fc(y0 – y2)= 13,8.1(4 – 0,5) = 48,3 (m3) Tính diện tích biểu đồ Sc : + Phần diện tích Sc mố trụ (Ta tính gần đúng) : A1 = 0,5.61,44.(10,4-4) + 0,5.3.(61,44 + 48,3)= 361,22 + Phần diện tích Sc đáy : A2 = 0,5.1.48,3 = 24,15 - Phân phối Q cho mố (Qm) cho đáy (Qđ) Qm - =Q A1 361,22 = 49,982 A1  A 361,22  24,15 = 46,85 (T) Qđ = Q - Qm = 49,982 – 46,85= 3,132 (T) Phân phối Qm cho mố theo tỷ lệ diện tích Qm 4,7 = 7,81 (T) 28,2 Qm 9,4 = 15,62 (T) P’’g= 28,2 P’’b= - Phân phối Qđ cho đáy : q4= Qd = 0,23(T/m) 13,8 4.Tải trọng bên : Cống thiết kế liền mảng nên đầu mảng tính tốn giáp với bờ đất : - Xác định phạm vi đất đắp (do đào móng) : Lđáy = (m); hệ số mái đào m = 1,5; h = 10,4 (m) - Tải trọng thẳng đứng : S= đhb Trong : đ= 1,7 (T/m3) dung trọng đất thịt h= 10,4(m); b = (m)  S= 1,7.10,4.1 = 17,68 (T/m) - Mô men áp lực đất nằm ngang gây (lấy với đáy) : Mđ= Eyđ Trong : E: áp lực đất ngang  19  2 2  = 46,776 (T) E= γ dhdbtg  45   = 1,7.10,4 1.tg 45  yđ=  -  2  h d 10,4 = = 3,5 (m) 3 Mđ= 46,776.3,5= 163,716 (T.m) Tải trọng xe cộ : q5= 10 = 0,725 (T/m) 13,8 5.Sơ đồ ngoại lực cuối gồm có : - Các lực tập trung mố : 28  Thiết kế cống lộ thiên - Pb = P’b + P’’b = 14,31+7,81 = 22,12 (T) Pg = P’g + P’’g = 28+ 15,62 = 43,62 (T) Các lực phân bố băng : q = q0 + q1 + q2 + q4 = 8,4 + 2,4 -5,73-0,23= 4,84 (KN/m) Lực bên từ phía giáp với đất : S = 17,68 (T/m), Mđ = 163,716 (T.m) q5 = 0,725 (T/m) Sơ đồ ngoại lực cuối 3,6m 9,4 - Bộ môn thuỷ công 1 13,8m S =17,68T/m Pb =22,12T Pg =43,62T M®=163,716Tm q =0,725T/m Pb =22,12T S =17,68T/m M®=163,716 Tm q =4,84T/m q =0,725T/m III.Tính tốn nội lực cốt thép : Tính tốn nội lực : Sau phân tích lực ta tiến hành tính tốn nội lực : Mơ men, lực cắt, sử dụng phương pháp dầm đàn hồi Dưới tác dụng tải trọng cơng trình q(x) phản lực p(x) dầm bị uốn trục võng xác định theo phương trình vi phân : EJ d ω(x)  q(x)  p(x) b dx Trong : EJ : Độ cứng dầm w(x) : Chuyển vị đứng dầm Điều kiện tiếp xúc đáy sau lún: (x) = S(x) Phương trình quan hệ độ lún mặt với áp lực đáy móng: S(x) = f1[p(x)] P(x) = f2[S(x)] Từ hệ phương trình ta tính nội lực đáy Tính tốn cốt thép : Dựa vào nội lực tính được, tiết diện mặt cắt chọn, theo kinh nghiệm chọn đặt thép Dựa điều kiện ứng suất cho phép kiểm tra cốt thép chọn Phần VII: Kết luận Sau khoảng thời gian không dài, hướng dẫn tận tình thầy mơn em hồn thành đồ án Qua q trình làm đồ án em ơn lại nhiều kiến thức học lớp Ngoài nhờ hướng dẫn thầy em cịn khám phá 29 ... lượng đáy cống: 18 Thiết kế cống lộ thiên B? ?? môn thuỷ công - Chiều rộng đáy: B = ? ?b + d + 2.d'' =10,8 + + = 13,8 m - Diện tích mặt cắt ngang: F = 15.1 + 2.2.1- 2.1.1 = 18 m  Gbđ = ? ?b. F .B = 2,4.18.13,8... công tác tính tốn đảm b? ??o kéo hết cửa van lên cịn khoảng khơng cần thiết để đưa van khỏi vị trí cống cần Kết cấu cầu bao gồm mặt, dầm đỡ cột chống Kích thước phận: 11 Thiết kế cống lộ thiên B? ??... - hb = h c : chiều sâu mực nước b? ?? - Z2: chênh lệch đầu nước cuối b? ?? vào kênh, tính đập tràn đỉnh rộng Ta có: E0 = H0 + d0 Giả thiết : sơ chọn chiều sâu b? ?? d0 = m Thiết kế cống lộ thiên B? ??