Đề tài Thiết kế cống lộ thiên

thiết kế cống lộ thiên Chương 1: GIễÙI THIEÄU CHUNG I-Tài liệu: 1- Nhiệm vụ: Cống C xây dựng ven sông Z để làm nhiệm vụ tưới nước cho 35.000ha ruộng, tiêu nước cho khu vực trên và ngăn lũ từ sông vào. Cống được xây dựng trên tuyến đường giao thông có xe 8-10 tấn đi qua. 2- Các lưu lượng và mực nước thiết kế: ẹeà Qtiêumax (m3/s) Zđồngmin (m) ZsôngTK (m) Zđồngmax (m) Zsôngmin (m) Zsôngmax (m) Zđồngmin (m) 86C 86 5,4 5,22 6,65 6,30 6,35 2,35 3- Tài liệu về kênh tiêu: - Zđáy kênh = +1,0 m. - Độ dốc mái: m = 1,5. - Độ nhám: n = 0,025. - Độ đốc đáy: i = 10-4. 4- Tài liệu về gió: Tần suất P% 2 3 5 20 30 50 V (m/s) 28 26 22 18 16 14 5- Chiều dài truyền sóng: Trường hợp Zsông bình thường Zsông max D (m) 200 300 6- Tài liệu địa chất: - Đất thịt từ cao độ +2,50 đến +1,0. - Đất cát pha từ +1,0 đến -15,0. - Đất sét từ -15,0 đến -35,0. *Chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống Loại đất Chỉ tiêu Thịt Cát pha Sét gk (T/m3) 1,47 1,52 1,41 gtn (T/m3) 1,70 1,75 1,69 Độ rỗng n 0,40 0,38 0,45 jtn (độ) 190 230 120 jbh (độ) 160 180 100 Ctn (T/m2) 1,50 0,50 3,50 Cbh (T/m2) 1,00 0,30 2,50 Kt (m/s) 4.10-7 2.10-6 1.10-8 Hệ số rỗng e 0,67 0,61 0,82 Hệ số nén a (m2N) 2,20 2,00 2,30 Hệ số không đều (h) 8,00 9,00 7,00 7- Thời gian thi công: 2 năm. Chương II: THIếT Kế CốNG Lộ THIÊN A- Giới thiệu chung: I- Vị trí, nhiệm vụ công trình: 1- Vị trí: Cụng trỡnh được bố trớ ven sông Z. 2- Nhiệm vụ: - Tưới, tiêu nước cho diện tích 35.000 ha. - Ngăn lũ từ sông vào. II- Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế: 1- Cấp công trình: a- Theo chiều cao công trình: Hct = Zđồng max + d - Zđáy kênh = 6,65 + 0,55 - 1 = 6,2m. Trong đó: d là độ vượt cao an toàn, lấy d = 0,55m. Tra bảng P1-1 (Phụ lục 1 - Đồ án môn học Thuỷ công) tương ứng với công trình đập bê tông trên nền đất ta có cấp công trình là cấp IV. b- Theo nhiệm vụ công trình: tra bảng P1-2 (Phụ lục 1 - Đồ án môn học Thuỷ công) với diện tích tiêu là 35.000 ha ta có cấp công trình là cấp III ( Cụng trỡnh thứ yếu ). Vậy ta chọn cấp công trình là cấp III. 2- Các chỉ tiêu thiết kế: - Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất để tính ổn định, kết cấu: P = 1%. - Tần suất mực nước lớn nhất ngoài sông khai thác: P = 10%. - Các hệ số vượt tải n: + Trọng lượng bản thân công trình: 1,05. + Áp lực thẳng đứng của trọng lượng đất: 1,20. + Áp lực bên của đất: 1,20. + Áp lực nước tĩnh, áp lực thấm ngược, áp lực sóng: 1,00. + Tải trọng do gió: 1,30. + Tải trọng của động đất: 1,00. - Hệ số điều kiện làm việc: m = 1,00. - Hệ số tin cậy: Kn = 1,15. B- Tính toán thuỷ lực cống: Mục đích: xác định khẩu diện cống và tính toán tiêu năng. I- Tính toán kênh hạ lưu: theo phương pháp đối chieỏu với mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực. 1- Các tài liệu về kênh tiêu: - Zđáy kênh = +1,0 m. - Độ dốc mái: m = 1,5. - Độ nhám: n = 0,025. - Độ đốc đáy: i = 10-4. - Lưu lượng tính toán: Q = Qtiêumax = 86 m3/s. 2- Tính bề rộng kênh: * Độ sâu mực nước trong kênh: H = ZsôngTK - Zđáy kênh = 5,22 - 1 = 4,22(m) * Chiều rộng đáy kênh: Ta có: f(Rln) = = = 0,0009 Tra bảng phụ lục 8-1 (bảng tra TL) với n = 0,025 ta có: Rln = 3,5m. Lập tỷ số = = 1,206 Tra bảng 8-2 (bảng tra TL) với m = 1,5 ta có: = 5,68 đ b = 19,88(m.) Vậy ta chọn bề rộng kênh b = 20m. ị B=b+2mh = 18+2.1,5.4,22 = 32,66(m). II- Tính khẩu diện cống: 1- Trường hợp tính toán: Chọn khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, cần tháo Q thiết kế. - QTK = Qtiêumax = 86m3/s. - DZ = Zđồng min - ZsôngTK = 5,4 - 5,22 = 0,18(m). 2- Chọn loại và cao trình ngưỡng cống: a- Cao trình ngưỡng: để tăng khả năng tháo ta chọn ngưỡng cống ngang với đáy kênh thượng lưu, Zng = +1,0 m. b- Hình thức ngưỡng: đập tràn đỉnh rộng. 3- Xác định bề rộng cống: a- Xác định trạng thái chảy: hn = hh - P1 = hh = 4,22m. h 4444.14m H +1 hh Zhp Hình 1: Sơ đồ tính khẩu diện cống khi ngưỡng đỉnh rộng H0 = H + = (Zđồng min - Zđáy kênh) = 5,4 - 1 = 4,4m. đ = = 0,959 > ()pg = (0,7 á 0,8) đ chảy ngập Do độ cao hồi phục nhỏ nên có thể bỏ qua, lấy h = hn = 4,22m. b- Tính bề rộng cống ồb: * Ta có: Q = jn.jg.ồb.h. Trong đó: - jn: hệ số lưu tốc, chọn m = 0,36 đ jn = 0,96. (Bảng 14-13 bảng tra TL). jg: hệ số co hẹp bên, jg = 0,5e0 + 0,5 = 0,5.0,98 + 0,5 = 0,99. e0 =0,98 đ ồb = = = 11,4 (m) + Tính lại e0: Chọn số khoang n = 2. Mỗi khoang rộng 5,7m Chiều rộng trụ pin: 1(m), lượn tròn: R = 0,5m. Vậy: e0 = Với Sd: Tổng chiều dày của mố. e0 == 0,919. ị jg= 0,96. - Tính hệ số ngập jn Chọn đường cánh và trụ pin lượn tròn có : R = 0,5(m). Tra bảng (14-12-Bảng tra thuỷ lực) với mức độ cửa vào tương đối thuận với m = 0.36 Tra bảng (14-13 ) ta có jn = 0.96 Vậy Sb= = 11,8(m). So sánh 2 lần ta chọn b = 5,9 m (để đảm bảo an toàn). Kiểm tra lại trạng thái chảy: Theo công thức hK = , trong đó: q= ==7,29(m2/s) Thay vào ta được : hK= 1,76 m Xét =2,39 > = 1,4. Như vậy thoả mãn điều kiện ngập. Vậy: kết quả tính lại lần 2 là chính xác. III. Tính toán tiêu năng phòng xói. 1. Trường hợp tính toán: Trường hợp mực nước sông nhỏ nhất và mực nước đồng lớn .Nhưng trường hợp này do yêu cầu dâng nước mà không mở hết cửa van, chỉ mở đủ để tháo lưu lượng thiết kế, ở đây cũng yêu cầu tính với chế độ mở đều các cửa. Tức là phía hạ lưu mực nước xuống cao trình: +3,30m Phía thượng lưu mức nước ở cao trình: +6,65m chọn Qtt = 86m3/s = Qmax tiêu 2. Lưu lượng tính toán tiêu năng: Xét trong trường hợp mực nước hạ lưu cống không phụ thuộc lưu lượng tháo qua cống. Khi mực nước thượng lưu đã khống chế, Qtt chính là lưu lượng tháo thiết kế của cống. Khi đó cần xác định độ mở a của cống theo công thức chảy dưới cửa cống Q=ejồbhc=ejồbaa Trong đó: e:hệ số co hẹp bên; F(tc) = ==0,831 j=0,95:hệ số lưu tốc; hc=aa,với a: hệ số co hẹp đứng; Tra bảng ta có:=0,338; a =0,628; ịa==0,225.4,4=1,49m 3.Tính toán thiết bi tiêu năng: a - Chọn biện pháp tiêu năng: Căn cứ vào đặc điểm địa chất (do cống trên nền đất) chọn phương pháp đào bể. b - Tính toán kích thước bể: + Chiều sâu đào bể được xác định theo công thức: d = s.h”c - (hh - Z2). Trong đó: s: hệ số ngập, lấy s = 1,07. h”c: độ sâu liên hiệp nước nhảy ứng với hc. Z2: độ chênh lệch cột nước cửa ra của bể tính như đập tràn chảy ngập: Z2 =. Trong công thức trên: q === 7,29m2/s jb: hệ số lưu tốc ở cửa ra của bể lấy jb = 0,95. hh: mực nước ở hạ lưu sau bể. Theo phương pháp này, chiều sâu bể (d) được tính theo phương pháp đúng dần. - Sơ bộ lấy chiều sâu bể theo công thức: do = h”c - hh + Tính h”c: Ta có: Eo= Ho + P = (5,4 - 1) + 0 = 4,4(m). F(tc) = Tra bảng (15-1) ta có: tc’’ = 0,678 h"c = Eo. tc’’ = 4,4´0,678 = 2,98m Vậy: d0 = 2,98 - 2= 0,98(m). Khi đó so với đáy bể cột nước toàn phần là: E01 = E0 + d = 4,4 + 0,98 = 5,38 (m) Tính lại: F(tc) == 0,615(m2) ị tc’’= 0,609 =>h”c = 5,38 ´ 0,609 = 3,27(m). Tính: s.h”c = 1,07 ´ 3,27 = 3,5(m). Z2 = = 0,53(m) Tính lại chiều sâu bể theo công thức: đối với d1=s.h”c - (hh + Z2) = 1.07 ´ 3,47 - (2+ 0,49) = 1,22 (m). Ta thấy d0 d1 vậy phép tính trên là được. Ta chọn d = 0,98(m). + Chiều dài bể tiêu năng: Lb = L1 + bLn Trong đó: L1: chiều dài nước rơi từ ngưỡng cống xuống sân tiêu năng. L1 =. P: Chiều cao ngưỡng cống so với đáy bể, P = 0,98m. hK = (m). Vậy L1 = = 4,85(m). Ln: Chiều dài nước nhảy: Ln = 4.75 (h”c - hc) = 4,75.(3,27 - 1,49.0,628) = 11,09(m). b: hệ số , ( b = 0,75). vậy Lb = 4,85 + 0,75 ´ 11,09 = 13,17(m). Kích thước đào bể là: - Độ sâu đào: d = 0,98(m); - Chiều dài: Lb = 13(m) Chương 3: Bố trí các bộ phận cống I - Thân cống: bao gồm bản đáy, trụ và các bộ phận khác. 1. Cửa van: chọn cửa van phẳng 2. Tường ngực: a - Các giới hạn của tường + Cao trình đáy tường: Zđt = Ztt + d Ztt: cao trình mực nước tính toán Ztt = 4,40m d: độ lưu không lấy d = 0,6 m Vậy Zđt = 4,40 + 0,6 = 5,0 m. Lấy Z đáy = 5,0(m) + Cao trình đỉnh tường : lấy bằng cao trình đỉnh cống, được xác định theo 2 công thức: Z1 = ZsôngTK + Dh + hs+ a (1) Z2 = ZsôngThực+ Dh’ + hs’+ a’ (2) Trị số cao trình đỉnh sẽ lấy giá trị lớn trong 2 công thức trên * Tính Z1 Tính Dh: Độ dềnh do gió ứng với ZsôngTK : Dh = 2´10-6 Trong đó: V: Vận tốc gió lớn nhất V = 28 m/s D: Đà sóng ứng với mực nước sông bình thường D = 200 (m) H: Cột nước trong đồng: H = 4,4m a: góc hợp bởi trục dọc của hồ và hướng gió a= 00 Vậy Dh = 2´10-6(m) Tính hs (độ dềnh cao nhất của sóng) Theo công thức hs = Khs.hs1%. Giả thiết trường hợp đang xét là sóng nước sâu H > 0.5 tính các đại lượng không thứ nguyên. ị ; ị ; Chọn trị số nhỏ trong 2 trị số trên ta có: ; ị = 0.24; = 1.51 Tính: ==(m) Kiểm tra lại điều kiện sóng sâu H > 0.5 6.0 > 1.78 thoả mãn + Tính h1% = K1%. với K1% = f ( ) tra đồ thị P2-2 ta có: K = 2.4 Vậy h1% = 2.4´ 0.24 = 0.58 + Tính Khs = f() Tra P2-4 ị Khs = 1.2 Vậy hs = 1.2 ´ 0.58 ´ 0.24 = 0.0016 Tìm a: độ cao an toàn lấy a = 0.4 m Vậy Z1 = 5.22 + 0.0061 + 0.0016 + 0.4 = 5.63 (m) + Tính Z2 : Dh' = 2´10-6 V: vận tốc gió bình quân lớn nhất V = 18 (m/s). D: đà gió ứng với mực nước lớn nhất D = 300 (m). H: cột nước trong sông H = 6,0(m) Dh' = 2´10-6 + Tính hs : hs = Khs. K1%. Tính ị ; ị ; giá trị nhỏ nhất: ị = 0.18 ị = 1.38 Tính = (m) Tính hs1%=K1%. ; Với K1%=f() Tra đồ thị P2-2 có K1% = 2,23 Vậy h1% = 2.23 ´ 0.18 = 0.40 + Tính Khs = f() Tra P2-4 ị Khs = 1.25 do đó: hs = 1.25´ 0.4´0.18 = 0.09 (m) Độ cao an toàn a = 0,4 m Vậy: Z2 = 7.10 + 0,025.10-3 + 0.09 + 0.4 = 7,59(m) Ta thấy: Z2 > Z1 vậy chọn Z2 = 7,59(m) = Z đỉnh tường b, Kết cấu tường: gồm dầm đỡ và bản mặt. Bố trí 2 dầm đỡ ở đỉnh và đáy tường. Bản mặt đổ liền khối với dầm chiều dày bản mặt 0.4m và được chính xác hoá trong tính toán kết cấu ở phần sau. 3 - Cầu công tác: là nơi đặt máy đóng mở và thao tác van chiều cao sàn công tác cần đảm bảo khi kéo van lên hết, cửa van còn khoảng trống để đưa van ra khỏi cống khi cần thiết để thay thế, sửa chữa. Kết cấu cầu công tác bao gồm: Dầm đỡ, bản mặt, cột trống cao trình đỉnh cầu công tác: +14,0 m Bề rộng: 6m 4 - Khe phai và cầu thả phai: bố trí ở đầu và cuối cống, để ngăn nước giữ cho khoang cống khô giáo khi cần sửa chữa Cao trình mặt cầu thả phai: 7,59 m Bề rộng mặt cầu: 1.0 m 5 - Cầu giao thông: cao trình mặt cầu :7.2 m,rộng : 6 m 6 - Mố cống: bao gồm 1 mố giữa và 2 mố bên trên mố bố trí khe phai và khe van. Mố dày1 m,khe phai:25 cm x 25 cm,khe van:30 cm x 30 cm,mố giữa lượn tròn R = 0.5 m 7 - Lực lún: do cống mở nên không cần bố trí khe lún. 8 - Bản đáy: chiều dày bản đáy sơ bộ chọn: 1m II - Đường viền thấm Bao gồm: bản đáy cống, sân trước, các bản cừ, chân khay 1, Sân trước: vật liệu làm sân là bê tông Chiều dài sân: Ls =3H ; Ls = 3´ 4,4 =13,2(m). chiều dày: đầu sân lấy t1 = 0.6m Cuối sân theo công thức: t2³ DH: độ chênh cột nước ở 2 mặt sân [j] građien thấm cho phép phụ thuộc vào vật liệu làm sân. ở đây ta không tính mà chọn bằng bản đáy; t2 = 0,8m. 2 - Bản cừ a - Vị trí: do cống chịu áp lực nước từ 2 chiều thuận nghịch nên ta bố trí cừ ở phía có đầu nước cao hơn. b - Chiều dài đóng cừ: vì tầng thấm dày nên ta chỉ đóng cừ đến một độ sâu nhất định (cừ treo). Chiều dài cừ S = (0.6 á1)H S = 0.8H = 0.8 ´ 4,4 = 3,52(m) ta lấy S = 3,5(m) Chiều dày tường cừ: 0,4(m) Chiều rộng cừ lấy: 0,6(m) Vật liệu làm cừ: bê tông cốt thép 3 - Chân khay: làm ở 2 đầu bản đáy cắm sâu vào nền để tăng ổn định và kéo dài đường viền thấm. 4 - Thoát nước thấm: do cống làm việc 2 chiều nên 1 đoạn sân tiêu năng phía sông tiếp giáp bản đáy không đục lỗ. Đoạn này đóng vai trò như 1 sân trước ngắn khi nước sông lớn.Ta chọn 1 đoạn không đục lỗ là 6(m). 5 - Sơ bộ kiểm tra chiều dài đường viền thấm. Kiểm tra theo điều kiện sau: Ltt ³ C . H Trong đó: Ltt = Lđ + (chiều dài tính toán đường viền thấm). Lđ: chiều dài tổng cộng của các đoạn thẳng đứng: Lđ = 0,6+2´4,5+0,4+0,6+0,4 = 11(m) Ln: Tổng chiều dài đoạn nằm ngang ; Ln = 16,5+12+6=34,5 m m: hệ số hiệu quả trên hai cột nước thấm trên các đoạn thẳng đứng so với các đoạn nằm ngang. Vì có 1 hàng cừ nên m = 1.5 C: hệ số phụ thuộc vào loại đất nền, với cát pha lấy C = 5 (phụ lục 3) H: chênh lệch cột nước thượng hạ lưu cống Vậy: Ltt = 11 + = 34 (m) + Trường hợp trong đồng là mực nước max và ngoài sông là mực nước min thì : H = 3.5 m Khi đó: C .H = 17.5 < Ltt = 34 m + Trường hợp trong đồng là mực nước min và ngoài sông là mực nước max thì: H = 4m Khi đó: C H = 20 < Ltt = 34 m Như vậy chiều dài đường viền thấm sơ bộ tính toán như trên là đảm bảo độ bền thấm chung. III - Nối tiếp cống với thượng hạ lưu: 1 - Nối tiếp thượng lưu: Góc mở của tường về phía trước lấy với tgq1 = Hình thức tường là mặt trụ nối tiếp với kênh thượng lưu, đáy đoạn kênh nối tiếp với kênh thượng lưu được xây bằng đá có chiều dày 0,5m. Phía dưới có tầng đệm cát dày 15cm. 2 - Nối tiếp hạ lưu: - Góc mở của tường về phía sau tgq2 = hình thức tường là tường xoắn vỏ đỗ, chiều dài kéo hết bể tiêu năng. - Sân tiêu năng: Bằng bê tông đổ tại chỗ có bố trí lỗ thoát nước ở cuối bể. Chiều dày sân xác định theo công thức: t = 0.15.V1. Trong đó: V1 và h1 là lưu tốc & chiều sâu chỗ đầu đoạn nước nhảy. Chiều dày lấy ts = 0,4(m) - Sân sau: được xây bằng đá lát khan có bố trí lỗ thoát nước so le nhau, phía dưới có tầng đệm hình thức lọc ngược. Chiều dài được xác định Ls = K DH: Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu: DH = 4 m q =(m3/s) (Lưu lượng đơn vị ở cuối sân tiêu năng) K: Hệ số phụ thuộc vào chất đất (lấy k = 15) Vậy Ls = = 43,99(m) Chương 4: Tính toán 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 wt , građien thấm J. 2. Trường hợp tính toán: tính toán với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất; ở đây ta chỉ tính cho trường hợp: Mực nước đồng là mực nước min(2), mực nước sông là mực nước max(5,0)dòng thấm ngược 3. Phương pháp tính: Tính theo phương pháp vẽ lưới thấm bằng tay. II - Tính thấm cho trường hợp đã chọn Mực nước đồng là 2,0 mực nước sông là 5,0 1. Vẽ lưới thấm: vẽ theo phương pháp đúng dần Dựa vào sơ đồ thấm ta xác định được n = 20 dải và m = 7 ống dòng 2. Dùng lưới thấm để xác định các đặc trưng của dòng thấm a. Xác định áp lực thấm đẩy ngược wđn Cột nước thấm tại 1 điểm x nào đó cách đường thấm cuối cùng i dải sẽ là: hx = i. H: chênh lệch cột nước trước và sau cống: H = 4. 0 m hA = 15.5´ = 3.1 (m) hB = 9.5´ = 1.9 (m) gn.hA gn.hB Từ kết quả trên ta vẽ được biểu đồ áp lực thấm dưới đáy công trình và tính được tổng áp lực đẩy ngược wđn = wt + w1 = gn.L(= = 10 ´ 12 (=300+204= 504 (kN/m) b. Xác định građien thấm Građien thấm trung bình tại ô lưới bất kỳ có trong đoạn Ds sẽ là: Jtb = , ứng với các trung đoạn ở các ô lưới ở cửa ra của dòng thấm. Ds1 = 1.2; Ds2 = 2.4; Ds3 = 4.0; Ds4 = 5.2 Ta có Jtb tương ứng là: JTb1 = 211.10-3 Jtb3 = 63.10-3 Jtb2 = 105.10-3 Jtb4 = 49.10-3 Do đó ta vẽ được biểu đồ građien thấm tại cửa ra (Jra) và xác định được: Jr = Jbh max = 230.10-3 III - Kiểm tra độ bền thấm của nền. 1. Kiểm tra độ bền thấm chung: Theo công thức: JtbÊ Trong đó: Jktb Građien thấm tới hạn trung bình (bảng P3-2), đất cát hạt nhỏ - với công trình cấp III, lấy Jktb = 0.22 = 220.10-3 kn: hệ số tin cậy (kn = 1.15) Ta có: = Jtb: Građien trung bình trong vùng thấm tính toán Jtb = Ttt: chiều sâu tính toán của nền - phụ thuộc vào L0: hình chiếu ngang L0 = 34.5(m) S0: hình chiếu đứng của đường viền S0 =5.5(m) Ta có: => 5 Ta lấy Ttt = 0.5 .L0= 0.5 ´ 34.5 = 17.25 Sx: Tổng hệ số sức cản của đường viền thấm, tính theo phương pháp của Trugaép (phương pháp hệ số sức kháng) Sx = xV + xn’ + xn’’ + xc + xr Trong đó: xv= 0.44 + = 0.44 + xn’= == 1.24 xn”== xc= 1.5+= 0.51 xra= 0.44 - Vậy: Sx = 3.08 ị Jtb= ; Ta thấy: Jtb Đất nền không bị trôi 2. Kiểm tra độ bền thấm cục bộ: Theo công thức: Jr < Jk Jr: trị số građien thấm cục bộ ở cửa ra Jr = 230.10-3 Jk: Trị số građien thấm tới hạn cục bộ (Tra P3 -1) Jk phụ thuộc vào h = Ta có: Jgh = Jk = 0.6 = 600´10-3 Như vậy: Jr < Jk Nên không có hiện tượng xói ngầm cơ học tại mặt cắt cửa ra. Chương 5: Tính toán ổn định cống I - Mục đích và trường hợp tính toán: 1. Mục đích: Kiểm tra ổn định cống về trượt, lật, đẩy nổi, yêu cầu chỉ kiểm tra ổn định trượt 2. Trường hợp tính toán. - Tính toán cho trường hợp: mực nước trong đồng là mực nước min (+2,0). Mực nước ngoài sông là mực nước max (+5,0). II - Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn. 1. Xác định lực tác dụng lên mảng tính toán. a. Các lực thẳng đứng (tính sơ bộ). * Trọng lượng bản đáy cống: - Diện tích mặt cắt ngang: F = 12´1.5 - 0.5´ = 12.75( m2) đ Gbđ = gb.F.B = 2,4´12´12.75 = 367,2 T * Trọng lượng mố giữa và 2 mố bên: Diện tích mố 2 giữa và 2 mố bên là: F =0.52´3.14´2+1´11+12´0.5´2 =24,17(m2) Chiều cao mố là H = 7.2-1 =6.2 (m) Gmố = F´H´2.4 = 24.17´6.2´2.4 = 359.6 T * Trọng lượng cầu giao thông: - Chiều dài cầu: Lc = 11.8+2 =13.2 (m). (2m là chiều dài tăng thêm về 2 phía) - Diện tích mặt cắt ngang cầu: F = 6´ 0.9 - 4´0.2 - 0.8´0.3´2- 0.8´2´0.4 -2´0.4 =2,68 m2. đ Gcầu = gb.F.Lc = 2.4´2.68´13.8 = 88.76 T * Trọng lượng tường ngực: - Chiều dài tường: Lt = ồb - 2= 11.8 - 2 =9.8 m. - Diện tích mặt cắt ngang tường: F = Ft = 1.6´0.6 -1.0,3 = 0.66 m2 đ Gt = Ft.Lt.gb = 0.66´9.8´2,4 = 15.5 T * Trọng lượng cầu công tác: - Chiều dài cầu công tác: Lct = 11.8 m. - Diện tích mặt cắt ngang: F1 = 3´0,3 = 0,9 m2 F2 = 2´0,3´6.5 + 2´0,2´2 = 4.7 m2 đ Gct = gb.[F1 ´11.8+ F2´0.4´4] = 2,4.(0,9´11.8 + 4.7´0.4´4) = 43.5 T * Trọng lượng cầu thả phai: - Diện tích mặt cắt ngang: F = 2´0,3´1 = 0,6 m2 đ Gp = gb´F´ồb = 2,4´0,6´11.8 = 17 T(Trọng lượng của cả 2 cầu) * Trọng lượng nước trong cống: - Phía sông: H = Zsông max - Zđáy cống = 6- 1 = 5 m đ GTL = 1´3´9.8´5 = 146.6 T - Phía đồng: H = Zđồng min - Zđáy kênh = 2 - 1 = 1 m đ GHL = 1´1´9´9.8= 88.2 T *Trọnglượng cửa van:Làm bằng thép: Gcv=q´H´l0 (GTTC tập I) Trong đó: + l0 : chiều daứi cửa van; l0= 4.9 +0.3 = 5.2 (m) + H: Chiều cao cửa van; H = 4.6+0.5= 5.1 (m) q: Trọng lượng phần dộng của cửa van phẳng tính cho 1 m2 lỗ cống q = 60´(Hc´l0)1/3-60´1.4 =60´(2.3´5.2)1/3- 60´1.4 =29.4 daN/m2 Hc Cột nước tính toán tai tâm lỗ cống Hc= 2.3 m Gcv1 = 29.4´5.2´5.1 ´0.1= 78.1 T Trọng lượng 2 cửa van là Gcv = 156.2 T * Các lực đẩy ngược: - AÙp lực thuỷ tĩnh: Wtt = (0.7 + 1) ´.12´11.8=240.7 T - AÙp lực thấm: Wth = 30´11.8 = 354 T. b. Các lực ngang (tính sơ bộ) - AÙp lực nước phía sông: WS = = = 147.5 T Điểm đặt cánh tay đòn cách đáy 1 đoạn Hs +1= 2.67 m. - AÙp lực nước phía đồng: Wđ = = = 5.9 T Điểm đặt cánh tay đòn cách đáy 1 đoạn Hđ +1 = 1.33 m. - AÙp lực bị động ở chân khay hạ lưu: Ebđ =(H2 Kb +2CH)´11,8 Trong đó:g = gbh = gđn + gn =1,9(T/m8) Kb=tg2(450+=1.89 (với j= 180) C =Cbh = 0.3(T/m2) Ebđ =()´11.8=30.9 (Tấn) - AÙp lực chủ động ở chân khay thượng lưu: Ec= (H2 Kc -2CH+)´11.8 Trong đó:Kc=tg2(450- =0,53 g = gbh = gđn + gn =1,9 (T/m3) C =Cbh = 0,3(T/m2) j = jbh= 180 Ecđ=()´11.8 = 1.84(T) 2 - Xác định áp lực đáy móng: Theo sơ đồ nén lệch tâm: s = ồP: Tổng các lực thẳng đứng ồMo:Tổng mômen của các lực tác dụng lên đáy móng lấy đối với tâm O của mảng. F: Diện tích đáy mảng , F = L.B = 14 x 11.8 = 165.2 (m2) W: mô đun chống uốn của đáy mảng ; w = Để tính tổng mô men của các lực tác dụng lên đáy mảng lấy đối với tâm O của đáy; ta sơ bộ bố trí các chi tiết và hạng mục. Bảng 1: Tính mô men các ngoại lực tác dụng lên bản đáy STT Tên lực K hiệu Lực đứng(T) Lực ngang Tay đòn(m) M0(Tm) 1 Bản đáy Gđ 361.1 0 0 2 Trụ giữa và bên Gtr 359.6 0 0 3 Cầu GT Gc 88.76 2 177.52 4 Tường ngực Gt 15.5 3.3 -54.25 5 Cầu c.tác Gct 43.5 3 -130.5 6 Cửa van Gcv 156.2 3 -468.6 7 Nước trong cống (phía đồng) GHL 88.2 1.5 -132.3 8 Nước trong cống (phía sông) GTL 146.6 4.5 659.7 9 áp lực thấm Wth 354 0.48 169.92 10 áp lực thuỷ tĩnh Wtt 240.7 0 0 11 áp lực nước TL Ws 147.5 2.67 393.8 12 áp lực nước HL Wđ 5.9 1.67 -9.85 13 áp lực đất chủ đ Ecđ 1.84 0.33 0.6 14 áp lực đất bị đ Ebđ 31.9 0.33 -10.53 15 Cầu thả phai Gp 17/2 5.5 +46.75 -46.75 690.76 111.54 591.2 Từ công thức: Ta có: smax=(T/m2) smin=(T/m2) stb= (T/m2) 3. Phán đoán khả năng trượt: xét 3 điều kiện a. Chỉ số mô hình: N= Trong đó: B: Chiều rộng mảng (chiều rộng // với lực đẩy) g: Dung trọng đất nền (dung trọng đẩy nổi); g= gđn=(T/m3) e: hệ số rỗng của đất nền (cát pha = 0.61) N = b. Chỉ số chống trượt: tg = tgj + j,c: là góc ma sát trong và lực dính của đất nền. tg = tg180 + c. Mức độ cố kết: Cv = Kt: hệ số thấm (Kt = 2´10-6 m/s) e: hệ số rỗng tự nhiên của đất (e = 0.61) t0: Thời gian thi công công trình (2 năm = 63.072´106 (s)) a: hệ số nén của đất (a = 2 m2/N = 2´104 m2/T) h0: Chiều dày tính toán của lớp cố kết lấy = B ; h0 = B = 12 (m) Vậy: Cu = Trong 3 điều kiện trên, điều kiện trên, điều kiện 2 và 3 không thoả mãn do vậy công trình có thể xảy ra trượt hỗn hợp. (Trong đồ án này chỉ yêu cầu kiểm tra trượt phẳng). 4- Tính toán trượt phẳng: Điều kiện của cống được ổn định khi: Nc.Ntt Trong đó: nc: Hệ số tổ hợp tải trọng nc = 1 m: hệ số điều kiện làm việc m = 1 kn: hệ số tin cậy (công trình cấp III) kn = 1.15 Ntt = Ttl + Ectl - Thl (phương ngang)= W1 + Ec1 - w2 = 147.5+1.84 -5.9 = 143.44 (T) R: Giá trị tính toán của lực chống trượt giới hạn R =P.tgj+m1.Ebhl+FC m1: hệ số điều kiện làm việc có xét đến quan hệ giữa áp lực bị động của đất với chuyển vị ngang của cống. Vì không có tài liệu thí nghiệm trượt nên lấy m1 = 0,7 Vậy: R = 690.7´.tg18o + 0,7 ´31.9 + 165.2´0,3 = 296.25 (T) Do đó; Ntt.nc = 143.44 x 1 = 143.44 Ta thấy: nc.Ntt = 143.44 Vậy công trình không bị trượt phẳng. Chương 6 : Tính toán kết cấu bản đáy cống I - Mở đầu: 1. Mục đích: xác định sơ đồ ngoại lực, tính toán nội lực và bố trí cốt thép trong bản đáy cống. (Chỉ yêu cầu xác định sơ đồ ngoại lực, tính kết cấu bản đáy cống theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi). 2. Trường hợp tính toán: - Tính toán trường hợp bất lợi về mặt chịu lực của bản đáy (khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất). 3. Chọn bảng tính toán: Việc tính toán kết cấu bản đáy cần tiến hành cho các băng khác nhau (tính như bài toán phẳng, lấy chiều rộng băng b = 1 m). Trong đồ án chỉ yêu cầu tính toán cho 1 băng ở sau cửa van. II - Tính toán ngoại lực tác dụng: Trên 1 băng của mảng các ngoại lực tác dụng lên bản đáy bao gồm: Lực tập trung từ các mố, lực phân bố trên băng, các tải trọng bên. 1. Lực tập trung từ các mố: Đây chính là tổng hợp của áp lực đáy các mố trong phạm vi của băng đang xét. Thường xét riêng cho từng mố. G1, G2: Trọng lượng các phần của mố. G3: Trọng lượng tường ngực. G4: Trọng lượng cần công tác. G5: Trọng lượng cần giao thông. G6: Tải trọng do người và xe cộ đi lại trên cầu. T1, T2: áp lực ngang của nước từ thượng, hạ lưu truyền qua khe van (khi van đóng). Các lực G3, G4, G5, G6, T1, T2 tính trong phạm vi phụ trách của mố (nửa nhịp cống khi tính cho 2 bên, hai nửa nhịp 2 bên khi tính cho mố giữa). Kết quả tính theo bảng sau: Loại mố Trị số của lực tác dụng lên mố G1 G2 G3 G4 G5 G6 T1 T2 Mố bên 37.2 52.08 3.875 10.87 22.19 10 36.87 1.475 Mố giữa 78.64 108.64 7.75 21.75 44.38 10 73.75 2.95 ệÙng suất thẳng đứng tại đáy mố được xác định theo công thức nén lệch tâm: sm=. Trong đó: G: Tổng các lực thẳng đứng. Fm: Diện tích đáy mố. Wm: Mô đun chống uốn của đáy mố. M0:Tổng mô men ngoại lực lấy với tâm đáy mố. a. Tính cho mố bên: Fmb = 6 (m2) Wn = (m3). sA= (T/m2). sB= (T/m2). Từ biểu đồ ứng suất đáy mố ta được trị số bình quân PK ở giữa băng tính toán: Pk = 26,6(T/m2). Lực tác dụng của mố truyền cho bản đáy coi như lực tập trung, có trị số như sau: P'k = Pk.b.d Trong đó: b: chiều rộng băng tính toán (b = 1m) d: Chiều dày mố ở đáy (d = 0.5m) Vậy P'k = Pk = 13.28 T/m2 Kết quả tính theo bảng sau: Loại mố Tên tải trọng Trị số G Cánh tay đòn Mo (T/m) + - Mố bên G1 37.2 3.5 130.2 G2 52.08 2.5 130.2 G3 3.875 3.3 12.79 G4 10.87 3 32.61 G5 22.19 136.22 2 44.38 G6 10 2 20 T1 36.87 1.67 61.57 T2 1.475 0.333 0.49 176.1 256.1 Mố giữa G1 78.64 3.5 271 G2 108.4 2.5 271 G3 7.75 3.3 25.58 G4 21.75 3 65.25 G5 44.38 272 2 88.76 G6 10 2 20 T1 73.75 1.67 123.16 T2 2.95 0.333 0.98 362.8 520.92 b - Tính cho mố giữa: Fm =11.8 (m2); Wn = 24 (m3) sB= (T/m2). sA= (T/m2). ị Pk =26.46 (T/m2) P’k = 26.46 (T/m2). 2 - Các lực phân bố trên băng. + Trọng lượng nước trong cống: qo =gn.hn.b. Trong đó gn = 1 hn: chiều dày nước tại băng tính toán qo = 151 = 5 (T/m) + Trọng lượng bản đáy: qi = gb.t.b Trong đó: gb = 2.4 t: chiều dày bản đáy (t = 1m) b: Chiều rộng băng tính toán q1 = 2.411 = 2.4 (T/m) áp lực đẩy ngược (lực thấm + áp lực thuỷ tĩnh)  q2 =gn.hđn.b Trong đó : hđn: cột nước đẩy ngược tại băng tính toán (hđn = 4.55 m) q2 = 14.551 = 4.55 (T/m) + Phản lực của nền (sơ bộ coi như phân bố đều) q3 = Pp.b Trong đó: Pp: phản lực tại đáy móng q3 = 8.0581 = 8.058 (T/m) 3 - Lực cắt không cân bằng. a. Trị số xác định từ phương trình cân bằng tĩnh. Q = P'K + 2L. Trong đó: 2L: Chiều dài băng đang xét (2L = 14m) P'K = -2 (20.4 + 24.2) = -89.2 (T) qi = qo + q1 + q2 + q3 = -1.3 – 2.5 + 5.45 + 8 = 9.7 (T/m) Vậy: Q = -89.2 + 14 9.7 = 46.6 (T) b. Phân phối Q cho mố và bản đáy Xác định vị trí trụ trung hoà : Y0= Trong đó: SFm:tổng diện tich các mố Fđ:diện tích phần bản đáy Y1,Y2:trọng tâm của các mố và trọng tâm bản đáy Y0=0.85 (m) Vẽ biểu đồ momen tĩnh Sc của băng tính toán Sc = Fc.yc Trong đó Fc:diện tích phần bị cắt yc : khoảng cách từ trọng tâm phần bị cắt đến trục trung hoà Xét hai phần: Phần I: bản đáy Phần II: tường mố *Tính cho phần I: Fc1=14´1 = 14 (m2) yc1= 0.85 + 0.5 = 1.35 (m) đ Sc1= 14 ´ 1.35 =18.9 (m3) *Tính cho phần II: Mố giữa: Fcg2= 6.5 ´ 1 = 6.5 (m2) ycg2= (m) Scg2= 6.5 ´ 2.4 = 15.6 (m3) Mố bên: Fcb2= 6.5 ´ 1 = 6.5 (m2) Scb2= 6.5 ´ 2.4 = 15.6 (m3) Sc2= Scg2+ Scb2=15.6 ´ 2 = 31.2 (m3) Tính diện tích biểu đồ Sc , phần tương ứng với mố (A1) và với bản đáy (A2) Từ S = A1= A2 = Phân phối Q cho mố (Qm) và bản đáy (Qđ) Qm = Q (T) Qđ = Q - Qm = 46.6 – 42.63 = 3.97 (T) Phân Qm Cho các mố theo tỉ lệ diện tích ở đây ta bố trí các mố có diện tích bằng nhau lên Qm phân bố tương đương nhau P’1 = P’2 = P’3 = P’4 = P’5 = Fm (T) Phân Qd cho bản đáy q4= 4, Tải trọng bên: Đầu mảng tinh toán giap bờ đất, mố bên Phạm vi đất đắp đào móng Tải trọng đứng: S = gd hd b lấy b =1 (m) hd = 7.5 (m) gd = 1.65 đ S = 1´ 1.65 ´ 7.5 = 12.38 (T/m) áp lực đất ngang E: E=(T); vị trí E so với đáy là yủ = (m) Momen do áp lực đất ngang gây ra Mủ = 46.43´ 2.5 = 116.075 (T.m) Tải trọng xe đi lại qs = 10 (T/m) III. Tính toán nội lực và phân bố cốt thép: Dựa vào các lực tác dụng và tải trọng phân bố trong móng ,thân cống ta dùng phương pháp tra bảng để tra ra nội lực và phân bố thep sao cho phù hợp , đảm bảo điều kiện ổn định chịu lực . Kết luận Qua đồ án này em đã hiểu rõ công việc tính toán thiết kế và quy trình tính toán, lựa chọn các kết cấu công trình cống lộ thiên,điều kiện làm việc của cống và những yêu cầu kỹ thuật trình trong quá trình thiết kế. Trên đây là toàn bội nội dung đồ án mà em đã được giao. Do trình độ có hạn nên trong quá trình làm bài không tránh khỏi những sai sót chủ quan, em rất mong có được sự chỉ bảo của các thầy trong bộ môn để em có điều kiện khắc phục những sai sót đã mắc phải. Cuối cùng em chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Thuỷ công và thầy giáo hướng dẫn đã chỉ bảo, giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.