Tính toán thuỷ lực và thuỷ nông thiết kế kênh dẫn nước N đi qua một vùng trũng

1 | P a g e
A, TÀI LIỆU THIẾT KẾ:
Tính toán thuỷ lực và thuỷ nông thiết kế kênh dẫn nước N đi
qua một vùng trũng. Sau khi so sánh các phương án đã chọn ra
phương án xây dựng một cầu máng bê tông cốt thép. Dựa vào địa
hình, qua tính toán thuỷ lực và thuỷ nông người ta đã xác định kích
thước và mức nước yêu cầu trong cầu máng như sau:
Số thứ
tự
Chiều
dài L
(m)
Bề rộng
B (m)
H
max
(m)
Mác bê
tông
Nhóm
thép
Số nhịp
07 30 3,6 2,4 150 CI 5
2 | P a g e
1
3
2
B
δ
H
1

2
3
45
Vùng xây dựng công trình có:
Sơ đồ cầu máng
1. Thân máng; 2. Trụ đỡ; 3. Nối tiếp
Cắt ngang máng
1. Lề đi
2. Vách máng
3. Đáy máng
4. Dầm đỡ dọc máng
5. Khung đỡ
3 | P a g e
- Cường độ gió
q
q
= 1,2 (KN/m
2
),
Hệ số gió đẩy k
gió đẩy
= 0,8
Hệ số gió hút k
gió hút
= 0,6.
Cầu máng thuộc công trình cấp III
Dùng bê tông mác M150, cốt thép nhóm CI,
Dung trọng bê tông γ
b
= 25 KN/m

3
- Các chỉ tiêu tính toán tra trong quy phạm như sau:
- Hệ số tin cậy: k
n
= 1,15
Cường độ tính toán đối với các trạng thái giới hạn nhóm một:
- Nén dọc trục: R
n
= 70 (daN/cm
2
)
- Kéo dọc trục: R
k
= 6,3 (daN/cm
2
)
Cướng độ tính toán đối với các trạng thái giới hạn nhóm hai:
- Kéo dọc truc: R
c
k
= 9,5 (daN/cm
2
)
- Nén dọc trục: R
c
n
= 85 (daN /cm
2
)
4 | P a g e

Cường độ tính toán của cốt thép đối với các trạng thái giới
hạn nhóm thứ nhất:
- R
a
= R'
a
= 2100 (daN /cm
2
)
- Hệ số điều kiện làm việc của bê tông trong kết cấu bê tông:
m
b4
= 0,9
- Hệ số điều kiện làm việc của thép: m
a
= 1,1
- Hệ số giới hạn: α
0
= 0,7 → A
0
= 0,455
- Mô dun dàn hồi của thép: E
a
= 2,1.10
6
(daN /cm
2
)
- Mô dun đàn hồi ban đầu của bê tông: E
b

= 2,1.10
5
(daN
/cm
2
)
-
10==
b
a
E
E
n
- Hàm lượng cốt thép tối thiểu: µ
min
= 0,1%
- a
n.gh
= 0,24 (mm)
- Độ võng cho phép :
1
500
f
l
 
=
 
 
5 | P a g e
6 | P a g e

B. TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC BỘ PHẬN CỦA CẦU
MÁNG:
Tính nội lực trong các bộ phận cầu máng với các tổ hợp tải trọng:
cơ bản, đặc biệt, trong thời gian thi công. Trong phạm vi đồ án này
chỉ tính với tải trọng tổ hợp tải trọng cơ bản.
7 | P a g e
1. Thiết kế lề người đi:
1.1. Sơ đồ tính toán:
Cắt 1m dài theo chiều dọc máng xem lề người đi như một dầm
công xôn ngàm tại đầu vách máng.
Chọn bề rộng lề L
1
= 0,8 m = 80 cm. Chiều dày lề người đi thay
đổi dần:
h
1
= 8 ÷ 12 cm. Trong khi tính toán thì lấy chiều dày trung bình: h
= 10 cm.
800cm
80cm
12cm
8cm
Hình1-1 : Sơ đồ tính toán lề người đi
1.2. Tải trọng tác dụng:
8 | P a g e
a- Trọng lượng bản thân (q
bt
):
q
c

bt
=
b
γ
. h . b = 25 . 0,1 . 1 = 2,5 (kN/m)
b- Tải trọng người đi (q
ng
):Tải trọng do người có thể lấy sơ bộ
bằng 2 kN/m
2
q
c
ng
= 2 . 1 = 2 (kN/m)
→ Tải trọng tính toán tổng cộng tác dụng lên lề người đi
Trong đó: n
tb
= 1,05 ; n
ng
= 1,2 là các hệ số vượt tải
→
q
tc
= n
bt
. q
bt
+ n
ng
. q

ng
= 1,05 . 2,5 + 1,2 . 2 = 5,025 (kN/m)
1.3 Xác định nội lực:
9 | P a g e
q
l
= 5,025 kN/m
1,608 kNm
4,02 kN
M
Q
Hình 1-2. Biểu đồ nội lực lề người đi
1.4. Tính toán, bố trí cốt thép
● Tính toán thép cho mặt có mô mên lớn nhất (mặt cắt ngàm): M =
1,608 kNm
Chọn tiết diện chữ nhật có các thông số sau:
b = 100cm, h = 10cm. Chọn a = 2 → h
0
= 8 cm
Tra các hệ số: k
n
= 1,15 m
b
= 1,00
n
c
= 1 R
n
= 70 daN/cm
2

m
a
= 1,1 R
a
= 2100 daN/cm
2
10 | P a g e
M= 1,608 kNm = 1,608.10
4
daNcm
4
2 2
0
1,15 1 1,608 10
0,041
1 70 100 8
n c
b n
k n M
A
m R bh
× × ×
= = =
× × ×
→ α =
A.211
−−
= 0,042
2
0

1 70 100 8 0,042
1,018
1,1 2100
b n
a
a a
m R bh
F cm
m R
α
× × × ×
= = =
×

Bố trí 5φ8/1m (2,51cm
2
). Bố trí thép cấu tạo vuông góc
4φ6/1m
● Kiểm tra điều kiện cường độ theo lực cắt Q (tính với Q
max
= 402
daN)
k
1
.m
b4
.R
k
.b.h
0

= 0,8.0,9.6,3.100.8 = 3628,8 daN
k
n
.n
c
.Q = 1,15.1.402 = 462,3 daN
Có: k
n
.n
c
.Q < k
1
.m
b4
.R
k
.b.h
0
 Không cần đặt cốt ngang
● Bố trí thép lề người đi:
11 | P a g e
F
a
b

=

1
m
M

φ8
a = 25
φ6
a = 25
h
aho
b = 100cm
5
φ
8
2
1
Hình1-3. Bố trí thép lề nguời đi
2. Vách máng:
2.1. Sơ đồ tính toán:
Cắt 1m dài dọc theo chiều dài máng. Vách máng được tính như
một dầm công xôn ngàm tại đáy máng và dầm dọc.
Sơ bộ chọn kích thước vách máng như sau:
- Chiều cao vách máng: H
v
= H
max
+ δ = 2,4 + 0,5 = 2,9 m.
Trong đó: δ = 0,5 m - độ cao an toàn.
12 | P a g e
- Bề dày vách thay đổi dần từ: h
V
= 12 ÷ 20 cm.
20
Hv = 2,9m

δ=0,5
m
Hmax = 2,4m
Hình2-1. Sơ đồ tính toán vách máng
2.2. Tải trọng tác dụng
Do điều kiện làm việc của vách máng nên tải trọng tác dụng
gồm:
- Mô men tập trung do người đi trên lề truyền xuống: M
ng
;
13 | P a g e
- Mô men do trọng lượng bản thân lề đi: M
l
;
- Áp lực nước nước tương ứng với H
max
: q
n
;
- Áp lực gió (gồm gió đẩy và gió hút): q
g
;
Các tải trọng này gây căng trong và căng ngoài vách máng
- Các tải trọng gây căng ngoài: M
l
, q
gd
kNm
Lq
M

ll
c
l
8.0
2
8,0.5,2
2
2
2
===
M
l
= n
l
. M
c
l
= 1,05 . 0,8 = 0,84 kNm
1 0,8.1,2.1 0,96 / ;
1,3.0,96 1,248 /
c
gd gd g
c
gd g gd
q k q m kN m
q n q kN m
= = =
= = =
Trong đó: n
g

=1,3 – hệ số vượt tải của gió
- Các tải trọng gây căng trong: M
l
, M
ng
, q
n
, q
gh
:
0,8 ; 0,84
c
l l
M kNm M kNm
= =
2
2
2.0,8
0,64
2 2
ng l
c
ng
q L
M kNm
= = =
1,2.0,64 0,768
c
ng ng ng
M n M kNm

= = =
14 | P a g e
Biẻu đồ áp lực nước có dạng hình tam giác:
q
max
c
n
= k
d
.γ
n
.H
max
.1 = 1,3.10.2,4.1 = 31,2 (kN/m)
q
maxn
= n
n
.q
max
c
n
= 1.31,2 = 31,2 (kN/m)
Trong đó: k
d
= 1,3 là hệ số động
n
n
= 1 là hệ số vượt tải của dòng nước
q

c
gh
= k
gh
.q
g
.1 = 0,6.1,2.1 = 0,72 (kN/m)
q
gh
= n
g
.q
c
gh
= 1,3.0,72 = 0,936 (kN/m)
Mng=0,768 kNm
Hmax
q
max
= 31,2 kN/m
q
gh
= 0,936 kN/m
M
l
=0,84 kNm
q
gd
= 1,248 kN/m
Ml = 0,84 kNm

Hình 2-2. Tải trọng tác dụng lên vách máng
15 | P a g e
2.3. Xác định nội lực
2.3.1. Trường hợp căng ngoài
- Xét mặt cắt nguy hiểm nhất (mặt cắt ngàm)
M = M
l
+ M
gd
M
c
l
= 0,8 kNm ; M
l
= 0,84 kNm
M
c
gd
2
2
.
0,96.2,9
4,0368 ;
2 2
c
gd v
q H
kNm
= = =
M

gd
= n
g
M
c
gd
= 1,3.4,0368 = 5,248 kNm
M = 5,248 + 0,84 = 6,088 kNm
5,248 kNm
M
gd
0,84 kNm
M
l
3,37 kN
Q
gd
Q
l
16 | P a g e
Hình 2-3. Biểu đồ nội lực vách máng (trường hợp căng
ngoài)
2.3.2. Trường hợp căng trong
- Xét mặt cắt nguy hiểm nhất (mặt cắt ngàm)
M = M
l
+ M
ng
+ M
n

+ M
gh
M
c
l
= 0,8 kNm ; M
l
= 0,84 kNm
M
c
ng
= 0,64 kNm ; M
ng
= 0,768 kNm
2
2
max max
31,2.2,4
29,952
6 6
c
c
n
n
q H
M kNm
= = =
. 1.29,952 29,952
c
n n n

M n M kNm
= = =
2
2
.
0,72.2,9
3,0276
2 2
c
gh v
c
gh
q H
M kNm
= = =
. 1,3.3,0276 3,9359
c
gh g ng
M n M kNm
= = =
M = 0,84 + 0,786 + 29,952 + 3,9359 =35,5139 kNm
Q = Q
l
+ Q
ng
+ Q
n
+ Q
gh
Q

0
l
=
; Q
ng
= 0
17 | P a g e
max max
31,2.2,4
37,44
2 2
n
q H
Q kN
= = =
0,936.2,9 2,714
gh gh v
Q q H kN
= = =
Q = 37,44 + 2,714 = 40,15 kN
0.84 kNm
0,768 kNm
29,952 kNm
37,44 kN
2,714 kN
M
l
M
ng
M

n
M
gh
Q
l
Q
ng
Q
n
Q
gh
3,9356 kNm
2.4.Tính toán, bố trí cốt thép
Tiết diện tính toán hình chữ nhật b = 100cm, h = 20cm
Chọn a = 2cm, h
0
= h – a = 18cm
Tra các hệ số: k
n
= 1,15 m
b
= 1,00
n
c
= 1 R
n
= 70 daN/cm
2
m
a

= 1,1 R
a
= 2100 daN/cm
2
Hình2-4. Biểu đồ nội lực vách máng
(Trường hợp căng trong)
18 | P a g e
2.4.1. Trường hợp căng ngoài (M = 6,088 kNm)
2 2
0
1,15.1.60880
0,031 0.031
1.70.100.18
n c
b n
k n M
A
m R bh
α
= = = → =
2
0
1 70 100 18 0,031
1,7
1,1 2100
b n
a
a a
m R bh
F cm

m R
α
× × × ×
= = =
×
Chọn 5
φ
8/1m (2,51cm
2
)
2.4.2. Trường hợp căng trong (M=35,5139 kNm)
2 2
0
1,15.1.355139
0,180 0,180
1.70.100.18
n c
b n
k n M
A
m R bh
α
= = = → =
2
0
1 70 100 18 0,18
9,82
1,1 2100
b n
a

a a
m R bh
F cm
m R
α
× × × ×
= = =
×
Chọn Fa = 5
φ
14/1m (7,69cm
2
)
19 | P a g e
h = 20cm
b

=

1
m
h = 20cm
M
M
F
a
F
a
'
F

a
'
F
a
Căng ngoài Căng trong
Thép cấu tạo
a
Kiểm tra điều kiện cường độ theo lực cắt Q
Kiểm tra cho trường hợp căng trong:
4 0
0,8.0,9.6,3.100.18 8164,8( )
l b k
k m R bh daN
= =
1,15.1.4015 4617,25( )
n c
k n Q daN
= =
4 0n c l b k
k n Q k m R bh
<
 Khơng cần đặt cốt ngang
Bố trí cốt thép
Lớp trong: 5
φ
14/1m
Lớp ngồi: 5
φ
8/1m
Dọc theo phương dòng chảy bố trí 2 lớp thép cấu tạo 4

φ
8/1m
20 | P a g e
φ8
a = 25
φ14
a = 20
a = 20
φ8
Hình 2-5. Bố trí thép vách máng
2.5.Kiểm tra nứt
- Kiểm tra cho trường hợp căng trong
21 | P a g e
M
c
= M
c
l
+ M
c
ng
+ M
c
n
+ M
c
gh
= 0,8 + 0,64 + 29,952 + 3,0276
=34,42 kNm
- Điều kiện để cấu kện không bị nứt

n
c
M
c
≤
M
n
=
1
γ
R
c
k
W
qd
γ
l
= m
h
γ =1. 1,75 = 1,75
Với m
h
= 1 ; γ = 1,75
W
qđ
=
n
qd
xh
J

−
cm
FFnbh
anFhnF
bh
x
aa
aa
n
2,10
)51,269,7.(75,820.100
2.51,2.75,818.69,7.75,8
2
20.100
)(
'
2
2
'
'
0
2
=
++
++
=
++
++
=
2'2

0
33
)'()(
3
)(
3
axnFxhnF
xhbbx
J
nana
nn
qd
−+−+
−
+=
4
22
33
19,72317
)22,10(51,2.75,8)2,1018(69,7.75,8
3
)2,1020(100
3
2,10.100
cmJ
J
qd
qd
=
−+−+

−
+=
22 | P a g e
 W
qđ
=
31,7379
2,1020
19,72317
=
−
=
−
n
qd
xh
J
cm
3
M
n
= γ
l
R
c
k
W
qđ
= 1,75.9,5.7379,31 = 122681.03 daNcm
n

c
M
c
= 1.34,42.10
4
= 344200 daNcm
→n
c
M
c
> M
n
Kết luận: Mặt cắt sát đáy máng bị nứt
Tính toán bề rộng khe nứt
a
n
= a
n1
+ a
n2
Trong đó: a
n1
, a
n2
- Bề rộng khe nứt do tải trọng tác dụng dài hạn và
ngằn hạn gây ra.
M
c
dh
= M

c
l
+ M
c
n
= 0,8 + 29,952 = 30,752 kNm = 30,752.10
4
daNcm
M
c
ngh
= M
c
ng
+ M
c
gh
= 0,64 + 3,0276 = 3,6676 kNm =
3,6676.10
4
daNcm
Tính bề rộng khe nứt a
n
theo công thức kinh nghiệm
d
E
kca
a
a
n

) 1004.(7.
01
11
µ
σσ
η
−
−
=
23 | P a g e
d
E
kca
a
a
n
) 1004.(7.
02
22
µ
σσ
η
−
−
=
7,2613
3,15.69,7
10.752,30
4
1

1
===
ZF
M
a
c
dh
a
σ
daN/cm
2
72,311
3,15.69,7
10.6676,3
4
1
2
===
ZF
M
a
c
ngh
a
σ
daN/cm
2
Với Z
l
= η.h

0
= 0,85.18 = 15,3 cm
η tra bảng 5-1 (GTBTCT/94)
có
42,0100
18.100
69,7
100
0
=×=×
bh
F
a
tra bảng 5-1 → η
≈
0,85
mma
n
13,012).0031,0.1004.(7.
10.1,2
2007,2613
.1.3,1.1
6
1
=−
−
=
mma
n
005,012).0031,0.1004.(7.

10.1,2
20072,311
.1.1.1
6
1
=−
−
=
→ a
n
= a
n1
+ a
n2
= 0,13 + 0,005 = 0,135mm
 a
n
< a
n.gh
= 0.24(mm)
Kết luận: Vậy bề rộng khe nứt đảm bảo yêu cầu thiết kế.
3.Đáy máng
3.1. Sơ đồ tính toán
24 | P a g e
Cắt 1 m dài vuông góc với chiều dòng chảy, đáy máng được
tinhs toán như một dầm liên tục 2 nhịp có gối đỡ là các dầm dọc.
Sơ bộ chọn kích thước đáy máng như sau:
- Chiều dày bản đáy h
đ
= 25cm

- Bề rộng đáy máng B = 3,6 m
- Chọn bề rộng dầm b
d
= 30 cm
- Chiều dài nhịp l = 0,5 (B + 2h
4
– b
đ
) = 0,5 (3,6 + 2.0,2 –
0,3) = 1,85 m
25cm
30cm
1
m
3,6m
185cm
185cm
h
4
= 20cm
Hình 3-1. Sô ñoà tính toaùn ñaùy maùng
3.2. Tải trọng tác dụng
- Tải trọng bản thân
q
c
đ
= γ
h
h
đ

1 = 25.0.25.1 = 6,25 kN/m
25 | P a g e
q
đ
= n
đ
q
c
đ
= 1,05.6,25 = 6,56 kN/m
- Tải trọng nước ứng với cột nước H
max
q
c
max
= k
đ
γ
n
H
max
.1 = 1,3.10.2,4.1 = 31,2 kN/m
q
max
= n
n
q
c
max
= 1.31,2 = 31,2kN/m

M
c
max
= 29,952 kNm; M
max
= 29,952 kNm
- Tải trọng nước ứng với mực nước cột nước nguy hiểm (H
ngh)
m
l
H
đ
ngh
31,1
2
85,1
2
===
q
c
ngh
= k
đ
γ
n
H
ngh
.1 = 1,3.10.1,31.1 = 17,03kN/m
q
ngh

= n
n
.q
c
ngh
= 1.17,03 = 17,03kN/m
M
c
ngh
=
kNm
Hk
nghnđ
871,4
6
1.31,1.10.3,1
6
1
3
3
==
γ
M
ngh
= 4,871 kNm
- Tải trọng gió
M
c
gđ
= 4,0368 kNm; M

gđ
= 5,248 kNm.
M
c
gh
= 3,0276 kNm; M
gh
= 3,9359 kNm.
- Tải trọng do người