ĐỒ ÁN Chuyên đề: Kỹ Thuật Công Trình Kiểm Soát Nguồn Nước Thiết Kế Cống Lộ Thiên Cống B đề số 43 GVHD: ThS. Nguyễn Thị Phương Thảo Mục Lục Phần I. Tài Liệu 1 1. Nhiệm vụ công trình 1 2. Các mực nước và lượng tiêu 1 3. Tài liệu về kênh 1 4. Tài liệu về gió và chiều dài truyền sóng 1 5. Tài liệu địa chất 1 6. Thời gian thi công 2 7. Yêu cầu đồ án 2 Phần II. Thuyết Minh 3 1. Giới thiệu về công trình 3 1.1 Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế 3 a) Cấp công trình 3 b) Các chỉ tiêu thiết kế 3 2. Tính toán thủy lực cống 3 2.1 Mục đích 3 2.2 Tính toán kênh hạ lưu 3 2.3 Tính toán khẩu diện cống 5 a) Trường hợp tính toán 5 b) Chọn loại và cao trình ngưỡng 5 c) Xác định bề rộng cống 5 2.4 Tính tiêu năng phòng xói 8 a) Trường hợp tính toán 8 b) Lưu lượng tính toán tiêu năng 8 c) Tính toán kích thước thiết bị tiêu năng 8 3. Bố trí các bộ phận cống 10 3.1 Thân cống 10 a) Cửa van 10 b) Tường ngực 10 c) Cầu công tác 15 d) Khe phai và cầu thả phai 15 e) Cầu giao thông 15 f) Mố cống 15 g) Khe lún 15 3.2 Đường viền thấm 16 a) Sân trước 16 b) Bản cừ 17 c) Chân khay 17 d) Thoát nước thấm 17 e) Sơ đồ kiểm tra chiều dài, đường viền thấm 18 3.3 Nối tiếp cống với thượng, hạ lưu 18 a) Nối tiếp thượng lưu 18 b) Nối tiếp hạ lưu 19 4. Tính toán thâm dưới đáy cống 20 4.1 Những vấn đề chung 20 a) Mục đích 20 b) Trường hợp tính toán 20 c) Phương pháp tính 20 4.2 Tính thấm cho trường hợp đã chọn 20 a) Vẽ lưới thấm 20 b) Dùng lưới thấm xác định các đặc trưng dòng thấm 21 4.3 Kiểm tra độ bền thấm của nền 22 a) Kiểm tra độ bền thấm chung 22 b) Kiểm tra độ bền thấm cục bộ 24 5. Tính toán ổn định cống 24 5.1 Mục đích và trường hợp tính toán 24 a) Mục đích và trường hợp tính toán 24 b) Trường hợp tính toán 24 5.2 Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn 25 a) Xác định các lực tác dụng lên mảng tính toán 25 b) Xác định áp lực đáy móng 28 c) Tính toán trượt phẳng 30 Phần III. Kết Luận 31
Tài Liệu
Nhiệm vụ công trình
Cống B xây dựng ven sông Y (vùng chịu ảnh hưởng thuỷ triều) để tiêu nước, ngăn triều và giữ ngọt Diện tích tiêu: 30.000 ha.
Cống xây dựng trên tuyến đường giao thông có loại xe 8-10 tấn đi qua.
Các mực nước và lượng tiêu
Bảng 1 Lưu lượng và mục nước cống B
Tài liệu về kênh
Tài liệu về gió và chiều dài truyền sóng
Bảng 2 Tài liệu về gió
Trường hợp Z sông bình thường Z sông max
Tài liệu địa chất
Bảng 3 Chiều dài truyền sóng
Loại đất Đất thịt Đất cát pha Đất sét
Cao độ +1,00 đến -1,00 -1,00 đến -20,00 -20,00 đến -40,00
Bảng 4 Tài liệu địa chất
Chỉ tiêu Thịt Cát pha Sét
Bảng 5 Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống
Thời gian thi công
Thời gian thi công công trình là 2 năm.
Xác định cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế.
Tính toán thuỷ lực xác định chiều rộng cống và giải quyết tiêu năng.
Chọn cấu tạo các bộ phận cống.
Tính toán thấm và ổn định cống.
Chuyên đề: tính toán bản đáy cống theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi.
Bản vẽ: 1 - 2 bản khổ A1, thể hiện được cắt dọc, mặt bằng, chính diện thượng, hạ lưu, mặt cắt ngang cống và các cấu tạo chi tiết.
Thuyết Minh
Giới thiệu về công trình
Cống lộ thiên ven sông Y được xây dựng theo quy hoạch và phát triển của vùng, có vai trò quan trọng trong việc tiêu nước cho 30.000 ha đất nông nghiệp, ngăn triều và giữ ngọt cho ruộng, nhằm cải thiện điều kiện sản xuất nông nghiệp.
1.1 Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế a) Cấp công trình
Theo QCVN 04 – 05 : 2012 cấp công trình được xác định theo các tiêu chí sau
Theo chiều cao và loại nền của công trình, chúng ta tham khảo bảng 1 để xác định đối tượng là đập bê tông trên nền đất nhóm B, từ đó sơ bộ phân loại công trình thuộc cấp II.
Theo nhiệm vụ công trình, thì cấp công trình là cấp thiết kế công trình là cấp II.
Vậy chọn cấp công trình là cấp II b) Các chỉ tiêu thiết kế
Dựa vào cấp công trình (cấp II) xác định được:
Tần suất lưu lượng,mực nước lớn nhất để tính toán ổn định, kết cấu là P% = 0,5
Tần suất mực nước lớn nhất ngoài sông khai thác P% = 10%.
Hệ số điều kiện làm việc m = 1,00 (theo bảng P1-5).
Hệ số tin cậy Kn = 1,20 (theo bảng P1-6).
Tính toán thủy lực cống
Xác định khẩu diện và tính toán tiêu năng (phần lập quy trình đóng mở cống không yêu cầu trong đồ án này).
2.2 Tính toán kênh hạ lưu
Để giải bài toán với các tham số i, m, n, Q, h, ta có thể xác định giá trị B bằng cách so sánh với mặt cắt tối ưu về thủy lực Trong quá trình này, chúng ta chọn độ dốc kênh i = 10^-4, độ dốc mái m = 1,5 và độ nhám n = 0,025.
Chiều sâu cột nước trong kênh là h =Z TK – Zđáy kênh = 3,49 – (-1,0) = 4,49 (m).
Lưu lượng tính toán: Q = Q tiêu = 90(m 3 /s)
Sử dụng phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực
Tra bảng phụ lục 8 – 1 ở Các bảng tính thủy lực với n = 0,025, thì giá trị Rln 3,42 m.
Tra bảng phụ lục 8 – 3 ở Các bảng tính thủy lực với m = 1,5 kèm theo phương pháp nội suy một chiều, thì được giá trị
Từ đó có thể xác định được giá trị b cụ thể : BKH = 3,42 4,78 = 16,3 m Chọn
Kiểm tra điều kiện không xói trong kênh
Sơ bộ xác định vận tốc không xói (Vkx) theo công thức (theo 4118:2012): Vkx K.Q 0,1 , trong đó K là hệ số phụ thuộc vào đất lòng trong kênh K = 0,53 Vậy, Vkx 0,53 90 0,1 = 0,831 m/s.
Kênh dẫn nước từ đồng có hàm lượng bùn cát thấp, do đó không cần kiểm tra điều kiện bồi lắng Thay vào đó, chúng ta chỉ cần tập trung vào việc kiểm tra và khống chế điều kiện xói lở.
Vmax< Vkx, trong đó Vmax là lưu tốc lớn nhất trong kênh ứng với lưu lượng Qmax = 90 m 3 /s.
Sau đó, cần xác định hmax theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lợi
Tra bảng phụ lục 8 – 1 ở Các bảng tính thủy lực với n = 0,025, thì giá trị Rln 3,42 m.
Tra bảng phụ lục 8 – 3 ở Các bảng tính thủy lực với m = 1,5 kèm theo phương pháp nội suy một chiều, thì được giá trị h
R ln = 1,318 Từ đó giá trị h max = Rln f(Rln) f(Rln) 3,42
Vận tốc lớn nhất trên kênh hạ lưu
Khi Vmax lớn hơn Vkx, kênh tiêu sẽ gặp phải tình trạng xói mòn Để khắc phục vấn đề này, cần áp dụng các biện pháp tiêu năng nhằm phòng ngừa xói, chẳng hạn như xây dựng sân tiêu năng bằng bê tông có lỗ thoát nước thấm.
2.3 Tính toán khẩu diện cống a) Trường hợp tính toán
Khi tính toán cho trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, cần tháo nước với lưu lượng thiết kế, vì không mở hết cửa van do cống vẫn giữ nhiệm vụ giữ nước.
Chênh lệch thượng hạ lưu: ∆ Z = ZTL – ZHL = 3,66 – 3,49 = 0,17 m. b) Chọn loại và cao trình ngưỡng
Đối với cống tiêu và cống lấy nước tưới khi chênh lệch mực nước khống chế nhỏ, việc chọn ngưỡng thấp là cần thiết để tăng khả năng tháo nước Trong đồ án này, ngưỡng cống ngang đáy kênh thượng lưu được xác định là ∇đk = -1,00 m.
Do chọn cao trình ngưỡng là ngưỡng thấp nên chọn hình thức ngưỡng là đập tràn đỉnh rộng.
Hình 1 Sơ đồ tính khẩu diện khi ngưỡng đỉnh rộng c) Xác định bề rộng cống
Theo QPTL C8 – 76, đập chảy ngập khi hn > nH0, trong đó
hn = hh – P1 = ZTK – Zđk = 3,49 – (-1,00) = 4,49 m. α V 2 khốngchế
n là hệ số, sơ bộ có thể lấy từ 0,75 ≤ n ≤ (0,83 ÷ 0,87), chọn n = 0,8 Từ đó n.H0 = 0,8 4,66 = 3,728 m.
Do hn > nH0, trạng thái chảy trong đập là chảy ngập. ma x đồn g sôn g sôn g
Từ công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập
Q = φ n φ g ∑ b h √ 2 g(H 0 −h) Trong đó φ n : hệ số lưu tốc, lấy theo trị số của hệ sống lưu lượng m.
Theo hình thức cửa vào của ngưỡng, hệ số lưu lượng sơ bộ được chọn là m = 0,35 từ bảng 14-3 (Các bảng tính thủy lực) Dựa vào m = 0,35, giá trị hệ số lưu tốc φ n được chọn từ bảng 14-4 là φ n = 0,93 Hệ số co hẹp bên φ g được tính theo công thức: φ g = 0,5 ε 0 + 0,5.
Sơ bộ có thể chọn ε 0 = 0,96 Hệ số co hẹp bên là: φ g = 0,5 0,96 + 0,5 = 0,98.
Khi chênh lệch mực nước giữa thượng và hạ lưu nhỏ, hiện tượng chảy ngập thường xảy ra Độ cao phục hồi Zhp trong trường hợp này thường nhỏ và có thể được bỏ qua Do đó, ta có thể lấy giá trị gần đúng cho h là hn = 4,49 m.
Thay vào công thức tính lưu lượng, ta xác định được bề rộng cống
Chọn ∑ b = 12 m Chia cống làm 2 khoang, mỗi khoang rộng b = 6 m Các khoang cách nhau bởi các mố trụ dày 1 m Mố bên dày 0,5 m.
Tiền hành tính lại các giá trị φ n , φ g theo trị số m và ε 0. ε = ∑ b = 12
0 ∑ b+ ∑ d 12+(0,5+1+0,5) trong đó ∑ d là tổng chiều dài các mố. φ g = 0,5 ε 0 + 0,5 = 0,5 0,857 + 0,5 = 0,93
Chọn góc mở rộng θ có cotgθ = 1; ta có tỉ số β = ∑ b
Giá trị m được xác định là 0,706, phụ thuộc vào chiều cao ngưỡng P, độ co hẹp ε 0 và dạng mố Theo bảng của Đ.I Cumin (bảng 14 – 9 thuộc Các bảng tính thủy lực), giá trị m có thể được tra cứu và sử dụng phương pháp nội suy một chiều để tìm ra giá trị m = 0,379 Từ giá trị m này, có thể tiếp tục tra cứu trong bảng 14.
– 4 thì có được giá trí hệ số lưu tốc φ n = 0,998.
Từ đó thay vào công thức tính bề rộng cống
Ta thấy kết quả chênh lệch nhau không đáng kể nên chọn bề rộng cống ∑ b =
Hình 2 Mặt bằng của cống với mố trụ giữa hai cửa cống
Kiểm tra lại trạng thái dòng chảy của cống Kiểm tra lại tiêu chuẩn chảy ngập
= 4,49 h n ÷ 1,4) h 1,71 = 2,625 > ( h )pg = (1,2 -> Thỏa mãn tiêu chuẩn chảy ngập.
Hình 3 Trạng thái chảy ngập
2.4 Tính tiêu năng phòng xói a) Trường hợp tính toán
Trong trường hợp tháo lưu lượng qua cống với chênh lệch mực nước hạ lưu lớn, cần tính toán kỹ lưỡng, đặc biệt là đối với cống tiêu vùng triều khi mực nước triều hạ thấp nhất Ở phía đồng, mực nước đã được khống chế và trong tình huống này, việc mở hết cửa van để tiêu nước là cần thiết, cho phép lưu lượng tiêu qua sống có thể lớn hơn lưu lượng thiết kế Tuy nhiên, chế độ này không thể duy trì trong thời gian dài.
Zmin = 0,25 m (phía hạ lưu). b) Lưu lượng tính toán tiêu năng
Vì cống được đặt gần sông, mực nước hạ lưu cống không phụ thuộc vào lưu lượng tháo qua cống Do đó, khả năng tháo lớn nhất Qtt tương ứng với các mực nước tính toán đã chọn là Qtt = Qtiêu = 90 m³/s Cần tiến hành tính toán kích thước thiết bị tiêu năng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của cống.
Chọn biện pháp tiêu năng
Có nhiều phương pháp tiêu năng như đào bể, xây tường hoặc kết hợp cả hai Trong đồ án này, việc sử dụng phương pháp đào bể để tiêu năng cho cống trên nền đất được xem là lựa chọn hợp lý hơn.
Tính toán kích thước bể tiêu năng
Trong đó σ là hệ số ngập sơ bộ chọn bằng 1,05. h ¿ là độ sâu liên hiệp sau nước nhảy.
Z2 là chênh lệch đầu nước ở cuối bể vào kênh, tính như đập trà đỉnh rộng chảy ngập. q 2
Vì h ¿ và Z đều phụ thuộc vào d nên phải tính gần đúng theo phương pháp thử dần H = 3,66 – (-1) = 4,66 m hh = 0,25 – (-1) = 1.25 m lưu
Bỏ qua lưu tốc đi tới ở thượng lưu, ta có cột nước thượng lưu so với kênh hạ
2 0,95 4,66 3/2 φ là hệ số lưu tốc xác định theo bảng 15 – 1 ở Các bảng tính thủy lực.
E0 là cột nước toàn phần của thượng lưu so với đáy sân sau tại mặt cắt co hẹp c – c.
Tra bảng 15 – 1 (Các bảng tính thủy lực), từ giá trị F( τ c ) tính được và hệ số lưu tốc φ
Thay các giá trị tính được vào biểu thức (1) Z2 = 1,69 m Từ đó giá trị d0 = 3,79 – (1,25 +1,69) = 0,85 m.
Thay các giá trị tính được vào biểu thức (1) Z2 = 1,65 m Từ đó giá trị d0 = 3,79 – (1,25 + 0,19) = 0,61 m.
Ta thấy d ¿ (1) ≈ dtt (1) đó ta không phải giả thiết lại giá trị của d Vậy ta đào bể
0 0 tiêu năng với độ sâu là d0 = 0,85 m.
Thượng Lưu (Đồng) Hạ Lưu (Sông)
Hình 4 Nước nhảy ở cống tiêu
Chiều dài bể tiêu năng Lb
L1 là chiều dài nước rơi từ ngưỡng xuống sân tiêu năng có thể tính theo công thức Tréc tô-Uxốp
Bố trí các bộ phận cống
Thân cống bao gồm bản đáy, trụ và các bộ phận bố trí trên đó a) Cửa van
Do lỗ cống tương đối lốn nên chọn bố trí cửa van cung Chon thân cống dài 15 m. b) Tường ngực
Tường ngực được bố trí để giảm chiều cao van và lực đóng mở.
Các giới hạn của tường ngực
Cao trình đáy tường ngực
Ztt là mực nước tính toán cho khẩu diện cống, tương ứng với trường hợp mở hết cửa van và chế độ chảy qua cống là chảy không áp Giá trị Ztt bằng Zkhốngchế, được xác định là 3,66 δ, trong đó δ là độ lưu không có giá trị từ 0,5 đến 0,7 m Trong trường hợp này, δ được lấy là 0,5.
Vậy cao trình đáy tường ngực: Zđt = 3,66 + 0,5 = 4,16 m.
Cao trình đỉnh tường Cao trình đỉnh thường được lấy bằng cao trình đỉnh cống.
TH1: Zđỉnh = Z sông bình thường (MNDBT) + ∆ h + s + a
Độ dềnh do gió ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất được ký hiệu là ∆h và ∆h’ Độ dềnh cao nhất của sóng, với mức bảo đảm 1%, tương ứng với gió tính toán lớn nhất và gió bình quân lớn nhất được ký hiệu là ηs và η’s Độ vượt cao an toàn được ký hiệu là a và a’.
Trường hợp 1 Xác định ∆ h và s ứng với gió tính toán lớn nhất.
∆h = 2.10 -6 v 2 D cos β g H v là vận tốc gió tính toán lớn nhất, v = 28 m/s
D là chiều dài truyền sống ứng với Z sôngbình thường , D = 200 m g là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2
H là chiều sâu cột nước dưới cống.
H = ZTK – Zđk = 3,49 – (-1) = 4,49 m β là góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, β = 0 o
9,81.4,49 Xác định s (độ dềnh cao nhất của sóng)
s H , λ ) hs1% là chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo λ là chiều dài sóng đồn g đỉn h sôn g
Giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu (H > 0,5).
Ta có t là thời gian gió thổi liên tục Do không có tài liệu nên ta lấy t = 6h. ¿ = 9,81.6 3600
Tra hình P 2-1 ứng với các giá trị ¿ gD v 2 và gD v 2
28 2 = 2,503 Ứng với ¿ = 7597,714 ta có gh v 2 g τ v
So sánh (1) và (2) thì chọn cặp giá trị (2) Từ đó tính được các giá trị. h = 0,0027 v 9,81 2 = 0,0027.28 2 = 0,216 m τ 0,50 v 9,81
Vậy điều kiện giả thiết là đúng.
Chiều cao sóng h ứng với mức đảm bảm bảo 5%: hs5% = k5% h
Tra đồ thì P 2-2 ứng với gD v 2
Từ giá trị hs5% và λ tra từ độ thị P2-4 được giá trị k s λ
Trường hợp 2 Xác định ∆ h và ’ ứng với gió bình quân lớn nhất. Xác định ∆h
∆h = 2.10 -6 v 2 D cos β g H v là vận tốc gió tính toán lớn nhất, v = 14 m/s
D là chiều dài truyền sống ứng với Z sông max , D = 300 m g là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2
H là chiều sâu cột nước dưới cống.
H = Z max – Zđk = 6,30 – (-1) = 7,30 m β là góc kẹp giữa trục dọc của hồ và hướng gió, β = 0 o
9,81.7,30 Xác định s (độ dềnh cao nhất của sóng)
H , λ ) hs1% là chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo λ là chiều dài sóng
Giả thiết rằng trường hợp đang xét là sóng nước sâu (H > 0,5λ).
Ta có t là thời gian gió thổi liên tục Do không có tài liệu nên ta lấy t = 6h. ¿ = 9,81.6 3600
Tra hình P 2-1 ứng với các giá trị ¿ gD v 2 và gD v 2
14 2 = 15,02 Ứng với ¿ = 15135,43 ta có gh v 2
So sánh (1) và (2) thì chọn cặp giá trị (2) Từ đó tính được các giá trị. h = 0,0125 v 9,81 2 = 0,0125.14 9,81 2 = 0,250 m τ 1,29 v 9,81
Vậy điều kiện giả thiết là đúng.
Chiều cao sóng h ứng với mức đảm bảm bảo 5%: hs5% = k5% h
Tra đồ thì P 2-2 ứng với gD v 2
Từ giá trị hs5% và λ tra từ độ thị P2-4 được giá trị k s λ
Chọn cao trình đỉnh tường ngực ZĐ = max(Zđỉnh, Z' ) Vậy chọn đỉnh tường ngực có cao trình là Z Đ = +8,4 đã có cao trình đáy tường ngực là 4,46 m.
Gồm bản mặt và các dầm đỡ.
Chiều cao tường ngực H tường = Z đỉnh – Z đáytường = 8,4 – 4,46 = 4,24 m.
Cần bố trí hai dầm đỡ (ở đỉnh và đáy tường) Bản mặt được đổ liền khối với dầm, sơ bộ chọn chiều dày bản mặt là 0,2m. c) Cầu công tác
Cầu công tác là vị trí quan trọng để thao tác máy đóng mở van Chiều cao của cầu công tác cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo có đủ khoảng trống khi kéo cửa van lên, giúp dễ dàng đưa van ra khỏi vị trí cống khi cần thiết Kết cấu của cầu công tác bao gồm bản mặt, dầm đỡ và các cột chống.
Kích thước các bộ phận của cầu công tác có thể được chọn như sau:
Chiều cao lan can: 0,8 m d) Khe phai và cầu thả phai
Để đảm bảo khoang cống luôn khô ráo khi cần sửa chữa, cần bố trí các rào chắn ở đầu và cuối cống Đối với các cống lớn, cần thiết phải lắp đặt đường ray cho cần cẩu tại vị trí cầu thả phai Ngoài ra, dầm cầu cần được đặt ở cao trình bằng với đỉnh cống, với chiều cao dầm cầu là 50 cm và bề dày mặt cầu là 30 cm.
Zmặt cầu = 8,4 + 0,5 + 0 ,3 = 9,2 m Theo yêu cầu về giao thông, bề rộng mặt cầu là 6m.
Cầu giao thông được đặt ở vị trí sao cho không ảnh hưởng đến việc thao tác van và phai. f) Mố cống
Bao gồm mố giữa và các mố bên trên mố bố trí khe phai và bộ phận đỡ trục quay van cung (tai van).
Mố bên có chiều dày phải đủ lớn để có thể chịu được áp lực đất nằm ngang, chọn d’=0,5m Chiều cao mố bên là: hmố = Zđỉnh – Zđáy= 8,4 – (-1) = 9,4 m
Mố giữa cũng có chiều cao là 9,4 m, chọn mố giữa có chiều dày d =1 m Hình dạng đầu mố được lượn tròn để đảm bảo điều kiện thuận dòng.
Chiều cao mố chọn không đổi từ thượng lưu về hạ lưu. g) Khe lún
Do cống rộng, cần sử dụng khe lún để phân chia cống thành các mảng độc lập, với bề rộng mỗi mảng thường không vượt quá 15 đến 20m, tùy thuộc vào điều kiện địa chất nền Mỗi mảng có thể bao gồm 1, 2 hoặc 3 khoang, và các mảng được bố trí giống nhau nhằm thuận tiện cho thiết kế, thi công và quản lý.
Khe lún thường được đặt tại mố giữa, và mố có chứa khe lún được gọi là mố kép Trên khe lún, có các thiết bị chống rò nước và lỗ để đổ nhựa đường.
Chiều dài bản đáy của cống cần đáp ứng các yêu cầu về thủy lực, ổn định và bố trí cấu trúc bên trên Thông thường, chiều dài này được chọn dựa trên bố trí các kết cấu phía trên, sau đó thực hiện kiểm tra ổn định và độ bền của nền Sơ bộ, chiều dài bản đáy được chọn là L = 15m.
Chiều dày bản đáy được xác định dựa trên điều kiện chịu lực, phụ thuộc vào bề rộng khoang cống, tải trọng bên trên và tính chất đất nền Thông thường, chiều dày này được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm và sau đó được điều chỉnh bằng tính toán kết cấu Giá trị sơ bộ cho chiều dày bản đáy thường là δ = 1m.
Bài viết đề cập đến các thành phần của cống, bao gồm bản đáy cống, sân trước, các bản cừ và chân khay Kích thước của bản đáy cống có thể được lựa chọn theo các thông số đã nêu, trong khi kích thước của các bộ phận khác sẽ được xác định theo các tiêu chí dưới đây.
Vật liệu làm sân có thể là đất sét, á sét, bê tông, bê tông cốt thép hay bitum.
Chiều dài sân: Được xác định theo công thức
H là cột nước tác dụng lên cống, H = Zkhốngchế –Zmin = 3,66 – 0,25 = 3,41 m. đồng sông
Vậy chiều dài sân trước phải thỏa mãn: Ls ≤ (3 ÷ 4).3,41 = (10,23 ÷ 13,64) m Chọn chiều dài sân trước là 12 m.
Khi sân bằng đất sét hay á sét thường được làm chiều dày thay đổi từ đầu đến cuối sân.
Chiều dày ở đầu sân thường được lấy theo điều kiện cấu tạo: Chọn t1 0,5m.
Chiều dày ở cuối sân được xác định theo yêu cầu chống thấm t2 Trong đó
∆ H là độ chênh lệch cột nước ở 2 mặt sân (trên và dưới).
[ J ] là Gradien thấm cho phép, giá trị [J] = 4 ÷ 6 Từ đó chọn J =4. t ≥ 3,41 = 0,85 Vậy có thể chọn sơ bộ t = 1 m.
Khi cống chịu tác động của đầu nước, việc đóng cừ ở đầu bản đáy là cần thiết cho đầu nước một chiều, trong khi đầu nước hai chiều yêu cầu đóng cừ ở phía đầu nước cao hơn Đồ án thiết kế cống nhằm mục đích tiêu nước, ngăn triều và giữ ngọt, do đó cần đảm bảo an toàn cho cống bằng cách đóng cừ ở vị trí thích hợp Đặc biệt, cần kiểm tra sự ổn định của cống khi có sự thay đổi về cột nước.
Tùy thuộc vào độ dày của tầng thấm, loại vật liệu làm cừ và điều kiện thi công, chúng ta quyết định sử dụng cừ treo Do tầng thấm dày, cần đóng hai cừ ở đầu và cuối bản đáy cống Cừ S1 được đóng ở đầu bản đáy cống với chiều dài 4 m.
Cuối bản đáy cống được đóng cừ S2 = 6 m. c) Chân khay
Để tăng cường độ ổn định và kéo dài đường viền thấm, hai đầu bản đáy cần được thiết kế với chân khay cắm sâu vào nền Kích thước của chân khay được thể hiện rõ trong hình vẽ.
Hình 5 Kích thước chân khay d) Thoát nước thấm
Các lỗ thoát nước thấm được đặt tại sân tiêu năng và phía sau bể tiêu năng nhằm giảm áp lực đẩy nổi Dưới sân và bể, cần thiết phải bố trí một tầng lọc ngược Vị trí đường viền thấm sẽ được xác định dựa trên điểm bắt đầu của tầng lọc ngược.
Khi cống hoạt động với cột nước 2 chiều, có thể áp dụng một đoạn sân tiêu năng không đục lỗ tại vị trí giáp với bản đáy Đoạn sân này thực hiện chức năng như một sân trướ ngấn khi cột nước thay đổi chiều.
15,0 e) Sơ đồ kiểm tra chiều dài, đường viền thấm
Hình 6 Kích thước đường viền thấm
Ltt là chiều dài tính toán của đường viền thấm tính theo phương pháp của Len.
Lđ: Chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên có góc nghiêng so với phương ngang lớn hơn hoặc bằng 45 0
Chiều dài tổng cộng của các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên góc nhỏ hơn hoặc bằng 45 độ, bao gồm cả đoạn nằm ngang của bể tiêu năng không có lỗ thoát nước.
Do có hai hàng cừ nên hệ số m = 2 Vậy chiều dài tính toán của đường viền thấm
Cột nước lớn nhất tác dụng lên cống
C: Hệ số phụ thuộc loại đất nền Tra bảng P3-1 ta có C = 5
= > Thỏa mãn điều kiện về độ dài đường viền thấm.
3.3 Nối tiếp cống với thượng, hạ lưu a) Nối tiếp thượng lưu
Tính toán thâm dưới đáy cống
4.1Những vấn đề chung a) Mục đích
Mục đích chính của tính toán thấm là xác định lưu lượng thấm (q), lực thấm đẩy ngược lên đáy cống (Wt) và gradien thấm (J) Trong trường hợp của cống, chỉ cần tập trung vào việc xác định Wt và J Đồ án này sẽ thực hiện tính toán thấm trong trường hợp có chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất.
Trong đồ án này, chúng tôi tiến hành tính toán độ thấm của nước bằng phương pháp vẽ lưới thấm thủ công, nhằm xác định chênh lệch độ cao mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu.
4.2Tính thấm cho trường hợp đã chọn a) Vẽ lưới thấm Đường dòng đầu tiên trùng với bản đáy cống và đi qua các biên của cừ như hình vẽ Đường dòng cuối cùng là đường biên của lớp đất sét. Đường thế đầu tiên trùng với biên của tầng lọc ngược dưới đáy bể hạ lưu. Đường thế cuối cùng là mặt đất nằm ngang.
Hình 8 Lưới thấm vẽ bằng tay
Theo hình vẽ ta có:
Số ống dòng: m = 9 b) Dùng lưới thấm xác định các đặc trưng dòng thấm Cột nước thấm tổn thất qua mỗi dải đường thế
= 5,38 = 0,336 Tổn thất cột nước tại điểm x cách đường thế cuối cùng i dải với iA = 8,5 và iB = 2,5 h = i ∆ h = i ∆ H Điểm A: hA = 8,5.0,336 = 2,858 m Điểm B: hb = 2,5.0,336 = 0,841 m
Sơ đồ áp lực thấm đẩy ngược tác dụng lên công trình
Hình 9 Sơ đồ áp lực thấm đẩy ngược Áp lực thấm đẩy ngược tác dụng 1m lên bề rộng công trình
2 2 Áp lực thủy tĩnh đẩy ngược tác dụng 1m lên bề rộng công trình
W tt = n (h2 + t).L = 1.(1,92 + 1).15 = 43,8 T/m Vậy tổng áp lực đẩy ngược: W = Wth + Wtt = 27,741 + 43,8 = 71,541 T/m
Gradien thấm tại cửa ra
Tại điểm 2: ∆ L = 1,354 m thì JTB2 0,248 Tại điểm 3: ∆ L = 1,98 m thì JTB3 0,170 Tại điểm 4: ∆ L = 2,671 m thì JTB4
JTB2 JTB3 JTB4 JTB5 JTB6 JTB7
Hình 10 Biểu đồ Gradien thấm J r
Từ biểu đồ xác định được:
J max = 0,386 < J cho phép = 0,4 ra ra
Vậy không có khả năng bị xói ngầm.
4.3Kiểm tra độ bền thấm của nền Độ bền thấm của nền được tính toán theo TCVN 4253 – 86. a) Kiểm tra độ bền thấm chung
JTB là gradien cột nước trung bình của vùng thấm tính toán.
JTB là gradient cột nước tới hạn trung bình tính toán, lấy theo bảng P3-2 trong Đồ án môn học Thủy công J TB = 0,25.
Kn là hệ số tin cậy, Kn = 1,2.
Trị số JTB được xác định theo phương pháp của viện VNIIG:
H là cột nước tác dụng.
Ttt là chiều sâu tính toán của nền.
∑ ❑ i là tổng hệ số sức cản của đường viền thấm tính theo P.P Trugaép.
Hình 11 Sơ đồ đường viền thấm
Theo sơ đồ ta có:
L0 là Hình chiếu ngang của đường viền thấm, L0 = 42,3 m
S0 là Hình chiếu đứng của đường viền thấm, S0 = 10 m.
Tra bảng 2-1 (Giáo trình thủy công tập 1), ta được Ttt = 2,5.S0 = 2,5.10 = 25 m.
Khoảng cách giữa 2 hàng cừ L = 15 m >
= 18,25 (lấy trung bình) nên thỏa đều kiện 0,5 ≤ T T 2 ≤ 1 và 0 ≤ S 1
Tại cửa ra ta có ra = 0,44 + a
= 0,2083 Thỏa mãn điều kiện trên.
K n b) Kiểm tra độ bền thấm cục bộ Kiểm tra theo công thức :Jra ≤ Jk
Jra là Trị số gradien cục bộ ở cửa ra, xác định theo kết quả tính ở trên, Jra = 0,386.
J là Trị số gradien tới hạn cục bộ, phụ thuộc vào hệ số không đều hạt d60
= 9, tra phụ lục P3-1, ta có Jk = 0,51.
Vậy Jra< Jk, thỏa mãn điều kiện trên.
Tính toán ổn định cống
5.1 Mục đích và trường hợp tính toán a) Mục đích và trường hợp tính toán
Kiểm tra ổn định của cống liên quan đến trượt lật và đẩy nổi Trong đồ án này, chúng tôi chỉ tập trung vào việc tính toán ổn định trượt.
Các trường hợp bất lợi có thể xảy ra với cống là
Mới thi công xong, trong cố chưa có nước.
Mực nước phía đồng lớn nhất, mực nước phía sông nhỏ nhất.
Mực nước phía sông lớn nhất, mực nước phía đồng nhỏ nhất.
Trong đồ án này tiến hình tính toán kiểm tra với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất.
Trong quá trình thi công, khi công trình được chia thành nhiều mảng bởi các khớp lún, việc kiểm tra tất cả các khớp lún là rất cần thiết Tuy nhiên, trong đồ án này, chúng tôi chỉ tiến hành kiểm tra cho một mảng cụ thể.
5.2 Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn a) Xác định các lực tác dụng lên mảng tính toán
Trong việc tính toán trọng lượng các cấu kiện, cần bao gồm cầu giao thông, cầu công tác, cửa van, tường ngực, mố cống, bản đáy, nước trong cống (nếu có), phần đất giữa hai chân khay (trong phạm vi khối trượt) và các lực đẩy ngược do thấm thủy tĩnh.
Chiều rộng bản đáy cống B = ∑ b + ∑ d g + ∑ d b = 12 + 1 + 1 = 14 m.
Diện tích mặt cắt ngang F = 15.1 + 2.(1+ 0,5) 0,5
Hình 12 Kích thước của bản đáy
Chiều cao trụ bên cũng là chiều cao trụ pin H = 9,4 m
Trọng lượng cầu giao thông
Hình 13 Kích thước của cầu giao thông
Chiều dài của cầu là L = 17 m
Diện tích mặt cắt ngang của cầu
F = 6.0,3 + 2.0,4.0,5 +2.0,4.0,55 + 2.0,8.0,05 = 2,72 m 2 Thể tích cầu giao thông V = L.F = 17.2,72 = 46,24 m 3
Trọng lượng cầu giao thông G4 = b V = 2,4.46,24 = 110,976 T
Trọng lượng cầu công tác
Chiều dài cầu công tác L = 14 m Diện tích mặt cắt
Thể tích cầu công tác: V= F.L = 14.5,58 = 78,12 m 3
Trọng lượng cầu công tác: G5 = 2,4.78,12 = 187,49 T
Cửa van làm bằng thép : Gcv = g.H.l0
Trong đó l0 là chiều rộng cửa van, l0 = bv + 0,3 = 6 + 0,3 = 6,3 m
H là chiều cao cửa van, H = Zđt + 0,5 = 4,16 + 0,5 = 4,66 m
Hc là cột nước tính toán tại tâm lỗ cống, H0 = 2,08 m g là trọng lượng phần động của cửa van phẳng tính cho
Kích thước của cầu công tác
Trọng lượng cửa van Gcv = g.H.l0 = 2012,559.4,66.6,3 = 59084,7 N = 6,025 T
Trọng lượng 2 cửa van G6 = 2Gcv = 2.6,025 = 12,05 T
Trọng lượng nước trong cống
Trọng lượng nước phía thượng lưu
GTL= G7 = V n = 12.2,984.7,30.1 = 261,398 T Trọng lượng nước phía hạ lưu
Áp lực thấm đẩy ngược
Trọng lượng phần đất giữa 2 chân khay
Trọng lượng riêng của đất bão hoà
Trọng lượng riêng khối đất G10 = 1,9.94,5 = 179,55 T
Thể tích trụ V = ∑ b F = 0,928.12 = 11,136 m3 Trọng lượng tường ngực
Các lực ngang Áp lực nước thượng, hạ lưu; áp lực đất chủ động ở
Hình 15 Kích thước của tường ngực chân khay thượng lưu (Ectl), áp lực đất bị động ở chân khay hạ lưu (Ebhl). n n
Áp lực nước thượng lưu Xác định theo áp lực thủy tĩnh
Áp lực nước hạ lưu
Xác định theo áp lực thủy tĩnh
13 2 n hl 2 b) Xác định áp lực đáy móng Theo sơ đồ nén lệch tâm
∑ M 0 là tổng momen các lực tác dụng lên mảng lấy đối với tâm mảng
F là diện tích đáy mảng
W là mô đun chống uốn của đáy mảng
TT Lực Tác Dụng Kí Hiệu
Trị Số Momen Với Tâm O
TT Lực Tác Dụng Kí Hiệu
Trị Số Momen Với Tâm O
Bảng 6 Kết Quả Tính Toán các Lực Tác Dụng
Theo sơ đồ nén lệch tâm,
∑ P là Tổng các lực đứng
∑ M o là tổng mômen của các lực tác dụng lên mảng lấy đối với tâm đáy mảng O
W là modun chống uốn của đáy mảng
F là diện tích đáy mảng, F = B.L = 14.15 = 210 m 2 e là độ lệch tâm, e = ∑ M o
Ta có sơ đồ phân bố tải trọng đáy móng
Để đảm bảo ổn định của cống về trượt phẳng, cần tính toán sao cho n N ≤ m R, trong đó n là hệ số tổ hợp tải trọng, nc = 1 là hệ số điều kiện làm việc, và m = 1.
Kn là Hệ số tin cậy = 1,2
CI là lực dính đợn vị của đất nền, CI = 0,3 T/m 2
Ntt là giá trị tính toán của lực tổng quát gây trượt
R là giá trị tính toán của lực chống giới hạn
R = ∑P.tg1 + F.CI = 986,882.tg18 + 210.0,3 = 383,657 T Thay vào (*) ta được n N m
Kết luận: Cống không bị trượt hay bản đáy cống ổn định về trượt phẳng.
