ĐỒ án môn học THIẾT kế CỐNG lộ THIÊN đề số a5

Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN
( Đề số : A – 5 )

I/- NHIỆM VỤ :
Cống A xây dựng ven sông X để:
- Lấy nước tưới cho 60.000ha ruộng .
- Ngăn nước sông tràn vào đồng khi có lũ .
- Kết hợp đường giao thông với loại xe 8 – 10 tấn đi qua.
II/- CÁC LƯU LƯNG VÀ MỰC NƯỚC THIẾT KẾ :
Lấy nước:
Qmaxlấy
= 100 m3/s
;
Zđầu kênh = 3,50 m
max
Z sông = 7.50m
;
Zmin sông = 3.70 m
Chống lũ:
Zsông max = 8.60 m
;
Zđồng min = 2.50 m
III/- TÀI LIỆU KÊNH HẠ LƯU :
Zđáy kênh = 0,00 m
;
Độ nhám
n = 0,025
Độ dốc mái m = 1,5
;

Độ dốc đáy i = 0,0004
IV/- TÀI LIỆU GIÓ :
Tần suất P
%
V (m/s)

2

4

20

30

50

28

22

18

16

14

V/- CHIỀU DÀI TRUYỀN SÓNG :
Trường hợp
D (m)

Z sông bình thường
200

Z sông max
300

VI/- TÀI LIỆU ĐỊA CHẤT :
- Đất thòt cao độ
: + 3.50 đến + 5.00
- Đất cát pha
: +0.50 đến – 10.00
- Đất sét
: -10.00 đến – 30.00

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 1


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền cống
Loại đất
Chỉ tiêu
γk
(T/m3)
γtn
(T/m3)

Độ rỗng n
ϕtn (độ)
ϕbh (độ)
Ctn (T/m2)
Cbh (T/m2)
Kt
(m/s)
Hệ số rỗng e (m2/N)
Hệ số nén a
Hệ số nén không đều η

Thòt

Cát pha

Sét

1,47
1,65
0,46
190
160
1,50
1,00
4.10-7
0,86
2,2
8

1,52

1,70
0,36
230
180
0,50
0,30
2.10-6
0,92
0,92
9

1,61
1,75
0,39
120
100
3,50
2,50
3.10-8
0,90
2,3
7

VII/- THỜI GIAN THI CÔNG : 2 năm
Yêu cầu :
1- Xác đònh cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế.
2- Tính toán thủy lực xác đònh chiều rộng cống và giải quyết tiêu
năng.
3- Chọn cấu tạo các bộ phận cống.
4- Tính toán thấm và ổn đònh cống.

5- Tính toán bản đáy cống theo phương pháp dầm trên nền đàn
hồi.

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 2


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

PHẦN I : GIỚI THIỆU CHUNG
I- VỊ TRÍ NHIỆM VỤ CÔNG TRÌNH :
- Cống A được xây dựng ven sông X để nước tưới cho 60.000 ha ruộng .
- Ngăn nước sông tràn vào đồng khi có lũ .
- Kết hợp đường giao thông với loại xe 8 – 10 tấn đi qua.
II- CẤP CÔNG TRÌNH VÀ CHỈ TIÊU THIẾT KẾ :
1- Cấp công trình được xác đònh theo TCXDVN 285:2002 :
-Căng cứ vào quy phạm 20-02 với đối tượng là đập bê tông trên nền đất ở
trạng thái bão hòa nước và chiều cao đập≤ 8m là công trình cấp IV
-Căn cứ vào nhiệm vụ công trình chủ yếu tưới cho 60.000 ha ta có công
trình thuộc cấp II là chủ yếu,cấp III thứ yếu.
2- Các chỉ tiêu thiết kế :
Căn cứ vào cấp công trình đã chọn là công trình cấp II, ta xác đònh được
các chỉ tiêu cần thiết cho việc thiết kế cống như sau :
- Tần suất lưu lượng : P% = 0,5%
- Hệ số vượt tải : (Bảng P 1 – 4)
+ Trọng lượng bản thân công trình
n = 1.05

+ Áùp lực đứng của trọng lượng đất
n = 1.20
+ Áùp lực bên của đất
n = 1.20
+ Áùp lực tónh, áp lực sóng, áp lực thấm ngược
n = 1.00
+ Tải trọng do gió
n = 1.30
- Hệ số tin cậy :
Kn = 1.2
(Bảng P 1 – 6 )
- Hệ số điều kiện làm việc : m = 1.0
(Bảng P 1 – 5)

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 3


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

PHẦN II : TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
I- TÍNH TOÁN KÊNH HẠ LƯU :
Cao trình mực nước thiết kế = 3.45 m
HTK = Z TK – Zđáy kênh = 3,45 – 0,00 = 3.45 m.
Chọn kênh hạ lưu mặt cắt hình thang ta có :
m = 1,5 ; n = 0,025 ; i = 0,0004
Theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực ta có :

Với m = 1,5 ⇒ 4mo = 8,424
Qtưới = 120 m3/s.
4mo√ i
8,424 √ 0,0004
⇒ f(Rln) =  = 
= 0,0014
Q
120
Tra phụ lục (8-1) với n = 0,025 tra được Rln = 2,94
Vậy h/Rln = 3.45 / 2.94 = 1.173
Tra phụ lục (8-3) ⇒ b/Rln = 6.037
⇒ b = b/Rln . Rln = 6.037*2.94 = 17.75m. Chọn b = 18 m
II/- TÍNH TOÁN KHẨU DIỆN CỐNG :
1- Trường hợp tính toán : Khi cần tháo lưu lượng Q tưới = 120 m3/s với
chênh lệch mực nước thượng lưu nhỏ Z sôngmin =3.7 m ; Zđầu kênh = 3.45 m ; ∆Z =
0.25 m.
2- Chọn loại và cao trình ngưỡng cống :
- Cao trình ngưỡng : Chọn bằng cao trình đáy kênh Z = 0.00 m.
- Hình thức ngưỡng cống : Đập tràn đỉnh rộng không ngưỡng P = 0
3- Xác đònh bề rộng cống :
a. Xác đònh trạng thái chảy : Theo quy phạm QPTL C8-76 , đập chảy
ngập khi hn > nHo
* Tính hn :
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 4

Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

n : gọi là chỉ số ngập
n = (hn/H0)pg ≈ 0,75 ÷ 0,8. Sơ bộ chọn n = 0,8
hn = hh – P1 = h h . Vì P1 = 0 do Z ngưỡng = Zđk
⇒ hn = hh = 3.45 m (bỏ qua độ cao hồi phục Zhp).
* Tính H0 :
Từ công thức H0 = H+V02/2g ta có :
ΩTK : Diện tích mặt cắt kênh hạ lưu cống
ΩTK = (b+mh)h = (18 + 1.5 * 3.45)3.45 = 79.95 m2
V0 = QTK/ΩTK = 120 / 79.95
= 1.5m/s
2
⇒ H0 = 3.7 + (1.5 / 2*9,81) = 3.81 m
hn = 3.45 m > 0,8H o= 0.8 * 3.81 = 3.04 m
Vậy thoã mãn điều kiện để đập chảy ngập.
Tính bề rộng cống : Tính tổng bề rộng cống từ công thức đập tràn đỉnh
rộng chảy ngập.

Qc =ϕn .ϕg .∑b.h 2 g ( H 0 −h )

Trong đó :
- ϕn : hệ số lưu tốc chảy ngập lấy theo trò số của hệ số lưu lượng
m (tra bảng Cumin bảng 14-12 GTTL tập III trang 35) ta lấy m
= 0.36 ; tra (bảng 14-13) ta được ϕn = 0.96
- ϕg : hệ số lưu tốc phụ thuộc thêm khi có co hẹp ngang.
ϕg = 0,5 ε0 + 0,5
ε0 sơ bộ ta chọn = 0.97
ϕg = 0.5*0.97 + 0.5 = 0.98
QTK

⇒ ∑b = 
ϕn. ϕg. h. √ 2g ( H0 – h)
120
= 
0,96. 0,98. 3,45 √ 2 . 9,81 .(3.81 -3.45)

= 13.9 m

Chọn ∑b = 14 m
c. Phân chia các khoang và chọn mố :
Phân khoang chọn mố như sau : Chọn 2 cửa mỗi cửa 7 m; 1 mố trụ mỗi
mố rộng 1m.
d. Kiểm tra chiều rộng cống :
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 5


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

∑b
ε0 = 
(∑b + ∑d)

=

14


(14 +1)

= 0,94

Trong đó : ∑d = 1 m : Tổng chiều dày các mố.
Tính lại ∑b với ε0 = 0,94 ⇒ ϕg = 0,5 ε0 + 0,5 = 0,5 . 0,94 + 0,5 = 0,97

120
⇒ ∑b =  = 14.05 m
0,96. 0,97. 3.45 √ 2 . 9,81 (3.81 – 3.45)

Qc = ϕn .ϕg .∑b.h 2 g ( H 0 − h )

= 0,96 . 0,97 . 14 . 3,45 √2 . 9,81 .(3.81 -3.45) = 119,53 m3/s
Vậy chọn ∑b = 14 m là phù hợp.Như vậy Bc = 15 m
III/- TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI :
1- Trường hợp tính toán :
Khi tháo lưu lượng qua cống với chênh lệch mực nước thượng, hạ lưu
lớn . Với cống lấy nước khi Zsông lớn , Zđồng phụ thuộc lưu lượng lấy , chế độ
đóng mở cữa van trong trường hợp này đơn giản là mở đều các cống .
2-Xác đònh lưu lượng tính toán tiêu năng :
Để xác đònh lưu lượng tính toán tiêu năng , cần tính với các cấp lưu lượng
từ Qmin đến Qmax , với mỗi cấp Q ta xác đònh được độ mở cữa cống a .
Qtt là trò số ứng với (hc’’ – hh)max

Q

= ε × ϕ × ∑ b × h c 2 g ( H o − h c)

Trong đó :

ε : hệ số co hẹp bên, lấy ε = 1
ϕ : hệ số lưu tốc, lấy ϕ = 0.95
hc = ε.a với ε là hệ số co hẹp đứng ε = 0.61.
Ho : cột nước tính toán trước cửa van Ho = 7.6 (bỏ qua lưu tốc tới gần)
Tính Ftc =

Q
3

ϕ ⋅ bc ⋅ H o 2

và a/H = 0.042. Nên ta có độ mở cống a =a/H*H = 0.042*7.6 = 0.32 m
hc = Tc . Ho = ε.(a/H).H = ε.a = 0,61* 0,32 = 0,20 m
Độ sâu phân giới hk : hk =

3

α q2
g

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

với q = Q/bc =120/14 = 8,57 m2/s nên
Lớp TH 13

Trang 6


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

hk =

3

8,57 2
= 1,96 m
9,81

Độ sâu liên hiệp hc " = 2,3 m
Mà ta có hh = 1,81 m. So sánh các độ sâu ta thấy :
hc = 0,2 m < hk = 1,64 m < hh = 1,81 m < hc" = 2,3 m tức là cống chảy tự do
và do hc" > hh nên sau cống có nước nhảy phóng xa. Để đảm bảo cho hạ lưu
làm việc bình thường ta bố trí thiết bò tiêu năng.
(Từ bảng tính xác đònh Qtt tiêu năng , ứng với Q = 40m 3/s có trò số (hc’’ –
hh) đạt giá trò lớn nhất .
Do đó ta chọn lưu lượng tính toán tiêu năng là Qtt = 40m3/s
Xác đònh độ mở cống a :
Có Fτc = 0.082 , tra bảng ta có a/H = 0.031m
=> a =a/H *H = 0.031* 7.9 = 0.245m)
3- Tính toán tiêu năng :
Biện pháp tiêu năng ta chọn tường và bể kết hợp .
+ Xác đònh chiều sâu bể :
Bài toán tính đúng dần .
• Giả thiết dgt = hc’’ – hh = 2.3 – 1.81 = 0.49 m
Ta có E0’ = E0 + d0 = 7.66 + 0.49 = 8.15 m
40
Tính F(τc) =  = 0.10185
0,95.18 (8.15)3/2
τc” = 0,2749
⇒ hc” = 0.2749*8.15

= 2.22 m
Chiều sâu bể tiêu năng xác đònh theo công thức :
dtt = σhc” – hh - ∆Z
(*)
• Trong đó :
- σ = 1.05
- hc’’ = 2.22 m
- hh = 1.81m

q2
∆Z = 
2g.ϕ2 . hh2

q2
- 
2g.( σhc”)2

2.2222
∆Z = 

-

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

2.2222

Lớp TH 13

= 0.0345 m
Trang 7

Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

2*9,81*0,952*1.812
2*9,81(1,05*2.22)2
Thay các giá trò vào (*) ta có :
dtt = 1.05*2.22 – 1.81 – 0.0345 = 0.4865 m
So sánh d0 và d1 ta thấy dgt ≅ dtt . Như vậy ta chọn chiều sâu bể d = 1.0m
+ Xác đònh chiều dài bể :
lb = l1 + βln
Trong đó :
β : Hệ số kinh nghiệm bằng (0,7 ÷ 0,8). Chọn β = 0.8
L1 = 2 hk ( P + 0.35 * hk )

l1 : Chiều dài nước rơi được tính theo công thức :
L1 = 2 5.067(1 + 0.35 × 5.067 ) = 7.5 m

P = d = 1 m là chiều cao ngưỡng cống so với bể
Chiều dài nước nhảy ln :
ln = 4,5 hc” = 4,5*2.22 = 9.99 m ( Chiều dài nước nhảy.)
lb = 7.5 + 0,8. 9,99 = 18.3 m.
Chọn lb = 18 m
Như vậy bể tiêu năng có kích thước được chọn là :
d = 1 m và lb = 18 m

Phần III : BỐ TRÍ CÁC BỘ PHẬN CỐNG
I/- THÂN CỐNG : Bao gồm bản đáy, trụ và các bộ phận trên đó.
1- Cửa van :
Chọn cửa van phẳng , cấu tạo bằng thép ,với dàn đóng mở van quay,

đỉnh cữa van cao hơn đáy tường ngực 0.2m .
2- Tường ngực :
a- Cao trình đáy tường ngực :
Do không yêu cầu giao thông thủy nên ta có thể chọn Z đt theo công
thức :
Zđt = Ztt + δ = 3,70 + 0,5 = 4,2m
Trong đó :
Ztt = 3,7 m : Cao trình mực nước tính toán.
δ = 0,5 m : Độ lưu không
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 8


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

b- Cao trình đỉnh tường : Lấy bằng cao trình đỉnh cống được xác đònh
theo công thức :
Zđc = MNDGC + ∆h’ + ηs’ + a’ (*)
Với :
- MNDGC = Zsôngmax = 8,5 m
- ∆h’ : Độ dền do gió tính với trường hợp vận tốc gió bình quân lớn
nhất theo công thức :
∆h’ = 2.10-6. V2. D. cosαβ /g.H
Vận tốc gió bình quân lớn nhất V50% = 14 m/s
D : Đà gió D = 300 m; g = 9,81 m/s2 ; αβ = 00
H = 8,5 – 0,0 = 8,5 m là chiều sâu dưới đập
⇒ ∆h’ = 2.10-6. (14)2. 300. 1/9,81. 8,5 = 0,0014 m

ηs’ : Độ dền cao nhất của sóng (công trình cấp II ⇒ P = 1%). Tính ηs’
theo các bước sau :
Giả thiết trường hợp đang xét là sóng nước sâu H > 0,5λ
Tính các đại lượng không thứ nguyên :
gt
9,81. 6. 3.600
* 
=  = 15.7
V
14
Với t là thời gian gió thổi liên tục lấy t = 6 giờ.
gD
9,81. 300
* 
=  = 15
2
V
142
Tra đồ thò P2-1 hướng dẫn đồ án môn học trang 136 ta tra được cặp nhỏ
nhất :
gt
Ứng với  = 15.7 được
V
Tính : τ và h
gτ
V
τ =  x  =
V
g
gh

V2
h =
 x  =
2
V
g

gτ
gh
 = 1,3 ;  = 0,0127
V
V2
14
1,3.  = 1,85 m
9,81
142
0,0127.  = 0,253 m
9,81

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 9


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

⇒ λ

gτ2
= 
2π

9,81. 1,852
= 
2. 3,14

= 3,4 m

* Kiểm tra điều kiện sóng sâu H > 0,5λ ⇒ 8,5 > 0,5. 3,4 = 1,7 m
Vậy giả thiết ban đầu sóng nước sâu là đúng.
* Tính chiều cao sóng theo tần suất P = 1% như sau :
h1% = K1%. hs . Tra đồ thò P2-2 hướng dẫn đồ án môn học thủy công với
2
gD/V = 15 tra được K1% = 2,08 ⇒ h1% = 2,08. 0,253 = 0,526 m
* Tính độ dềnh cao nhất của sóng :
ηs’ = kns. h1% . Tra đồ thò P2-4 với :

λ
3,4
h
0,253
 =  = 0,459 và
 =  = 0,07 ⇒ kns = 1,15
H
7,4
λ
3,4
ηs’ = 1,15. 0,526 = 0,6 m

* a’ = 0,3 m là độ vượt cao an toàn tra bảng (5-1) giáo trình thủy công
tậpI
Thay các giá trò tìm được vào công thức(*)
Zđc = 8,5 + 0,0014 + 0,6 + 0,3 = 9.4 m .
Vậy chiều cao tường ngực là : Htường = 9.4 – 4.2 = 5.2 m
+ Kết cấu tường gồm bản mặt và các dầm đỡ , bản mặt đổ liền khối với
dầm, chiều dày bản = 0,2 m.
3- Cầu công tác : Dùng để đi lại thao tác cữa van , có chiều cao tính toán
sao cho đảm bảo khi kéo hết cửa van lên có khoảng không để đưa cửa van ra
sửa chữa.
4- Cầu giao thông : Bố trí ngang đỉnh cống , để đảm bảo cho xe có tải
trọng 8 đến 10 tấn đi qua , chọn mặt cầu rộng 6 m.
5- Mố cống : Bao gồm 2 mố bên và 1 trụ pin giữa .Trên mố bố trí khe
phai và khe van . Chiều dày trụ pin 1m , chiều dày mố bên trên đỉnh cống rộng
0.6m , đáy rộng 2m bằng BTCT liền khối với bản đáy , đầu trụ pin chọn dạng
tam giác thượng hạ lưu . Chiều dài mố ta chọn L = 20m
6- Khe lún : Dùng bao tải tẩm nhựa đường 2 lớp
7- Bản đáy cống :

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 10


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

Chiều dài bản đáy cần thỏa mãn các điều kiện thủy lực , ổn đònh kết cấu
bên trên , ta chọn bằng chiều dài mố .

Chiều dày bản đáy chọn theo điều kiện chòu lực , phụ thuộc vào bề rộng
khoang cống , tải trọng bên trên và tính chất nền . theo kinh nghiệm chọn bản
đáy dày 1m.
II/- ĐƯỜNG VIỀN THẤM : Bao gồm bản đáy cống , sân trước , chân
khay.

1- Sân trước :
a- Chiều dài sân :
Xác đònh theo công thức :
Ls ≤ (3÷4) H = 4*3.45 = 13.8m
Chọn Ls = 14 m.
b- Chiều dày sân :
Chiều dày sân chọn phải thỏa mãn δ ≥ ∆H/[J]
Trong đó : - ∆H độ chênh mực nước trước và sau sân , có thể lấy
bằng độ chênh mực nước trước và sau cống ∆H = 0.25m .
- [J] (Gradien thấm cho phép phụ thuộc vào vật liệu làm sân) = 4
∆H / [J] = 0.25/4 = 0.063
Vậy ta có thể chọn chiều dày sân trước là 0.25m .
Két cấu sân trước ta chọn bằng bê tông đá 1x2 vữa M 150 , lớp lót
bằng bê tông đá 4x6 M100 .
2-Chân khay :
Ở 2 đầu bản đáy cần làm chân khay cắm vào nền để tăng ổn đònh và kéo
dài đường viền thấm . Chọn chân khay sâu 1m.
3- Thoát nước thấm :
Bố trí các lỗ thoát nước trong phần bể tiêu năng , bên dưới có bố trí tầng
lọc ngược dưới sân.
4- Kiểm tra chiều dài đường viền thấm :
Đường viền thấm phải đảm bảo điều kiện : Ltt ≥ C.H

1m

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

1m

Lớp TH 13

Trang 11


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

Trong đó:
- Ltt là chiều dài tính toán của đường viền thấm , tính theo phương pháp
Len
Ltt = Lđ +(Ln/m)
Với :
- Lđ : chiều dài tổng cộïng của các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên có
góc nghiêng so với phương ngang ≥ 45o
Lđ = 0.25 + 1.75 + 1 +1 = 4.6 m
- Ln : chiều dài tổng cộïng của các đoạn nằm ngang và các đoạn xiên có
góc nghiêng so với phương ngang ≤ 45o
- m : hệ số hiệu quả tiêu hao cột nước thấm trên các đoạn thẳng đứng so
với đoạn nằm ngang – m =1 (không có cừ) .
Ln = 14 + 20 = 34.0 m
Ltt = 4.6 +34.0/1 = 38.6 m
C : hệ số phụ thuộc vào tính chất đất nền tra bảng P 3-1 có C = 6
H : cột nước thấm lớn nhất = 8.5 – 2.5 = 6.0 m
 Ltt = 38.6 m > C.H = 6*6.0 = 36.0 m
Vậy công trình đảm bảo điều kiện an toàn về chiều dài đường viền

thấm .
III/- NỐI TIẾP THƯNG HẠ LƯU :
1- Thượng lưu : Để dòng chảy thuận dòng bố trí tường cánh dạng loe từ
mái kênh đến tường bên của cống.
2- Hạ lưu : Tường cánh có góc loe tg θ =14o
Sân tiêu năng bằng bê tông.
+ Chiều dày sân sau : t = 0,15. V1 √ h1
Trong đó :
V1 ,h1 : Lưu tốc và chiều sâu chỗ đầu đoạn nước nhảy ứng với h 1 = hc = 0,2
m

q
V1 =  =
h
hb = σhc”
hc = h1 = 0,2 m

2.222
 =
0.2

11.11 m/s.

t = 0.15.V1 h1 = 0.15 * 11.11 0.2 = 1.1 m
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 12

Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

Chọn t = 1,1 m.
+ Chiều dài sân sau : Tính theo công thức :
LSS = K q ∆ H

δ.H = 6 m : Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu.
q = QTK/B = 40/18 = 2.222 m/s : Lưu lượng đơn vò cuối sân tiêu năng.
K = 8 : Hệ số phụ thuộc nền đất dính.
LSS =10

2.222

6.0 = 23m

Chọn LSS = 23 m

PHẦN IV : TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY
CÔNG TRÌNH
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 13


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

I/-XÁC ĐỊNH TRƯỜNG HP TÍNH TOÁN :

Dùng phương pháp đồ giải vẽ lưới bằng tay xác đònh lực đẩy ngược lên
đáy công trình Wt và Grien thấm J.
Trong đồ án này chỉ tính cho trường hợp khi chênh lệch mực nước thượng
hạ lưu lớn nhất ứng với trường hợp chống lũ .
Hmax = Zsôngmax – Zđồngmin = 8.50 – 2.50 = 6.0m
II II/- TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY CÔNG TRÌNH :
III 1/- Trường hợp tính toán :
IV Trong phạm vi đồ án , ta tính cho trường hợp chênh lệch mực nước
thượng hạ lưu là lớn nhất .
max
V ∆hmax = Zsông
- Zsôngmin = 8.5 – 2.5 = 6.m
2- Vẽ lưới thấm :
Xây dựng lưới thấm : Bằng phương pháp vẽ đúng dần dựa vào các điều
kiện sau :
- Tất cả các đường dòng và đường đẳng thế phải trực giao nhau.
- Các ô lưới phải là các đường vuông cong.
- Tiếp tuyến của các đường đẳng thế vẽ từ các điểm góc của đường viền
phải trùng với phân giác góc đó.
- Các giới hạn của lưới thấm :
+ Đường đẳng thế đầu tiên là mặt nền thấm phía thượng lưu.
+ Đường thế cuối cùng là mặt nền thấm phía hạ lưu.
+ Đường dòng đầu tiên là đường viền thấm dưới đáy công trình
+ Đường dòng cuối cùng là mặt tầng không thấm nước , ở cao trình
–10 (tầng đất sét) .
( Sơ đồ xem hình trang sau ) có 18 dải và 6 ống dòng.
3- Xác đònh áp lực thấm :
- Cột nước thấm tổn thất qua mỗi dải được xác đònh theo công
thức :
∆H = H/n = 6/24 = 0.25

- Cột nước thấm tại một điểm bất kỳ xác đònh theo công thức :
hx = ix * ( H/n )
(1)
Trong đó:
- H chênh lệch cột nước thượng hạ lưu = 6.0 m
- n số dải của lưới thấm (n = 24)
- Ix số dải tính từ điểm tính toán đến đường thế cuối cùng .
Dựa vào công thức trên ta vẽ được áp lực thấm dưới đáy công trình .
Từ đó xác đònh được tổng áp lực thấm tác dụng lên bản đáy .
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 14


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

* Cột nước thấm tại điểm A cách đường thế cuối cùng 18 dải là :
hA = 18*6.0/24 = 4.5 m
* Cột nước thấm tại điểm B cách đường thế cuối cùng 6 dải là :
hB = 6*6.0/24 = 1.5 m
- Từ kết quả trên ta vẽ được biểu đồ áp lực thấm dưới đáy công
trình, từ đó tính được tổng áp lực thấm đẩy ngược lên bản đáy.
Wtđ = γn (hA + hB )L/2 = 1(4.5 + 1.5) 20/2 = 60 T/m
- p lực thủy tónh đẩy ngược được xác đònh :
Wtt = γn .(hh +t )L = 1(2.5 + 1) 20 = 70.0 T/m
⇒ Tổng áp lực đẩy ngược lên bản đáy cống là :
W = Wtđ + Wtt = 60 + 70 = 130 T/m
Điểm đặt của tổng áp lực đẩy ngược được xác đònh như sau :

Gọi e là khoảng cách từ điểm đặt lực đến điểm A đáy cống.
e

L
=
.
3

(
b +
2a )
(
b +
a)

Trong đó : L = 20 m
b = 1.5 + 3.5 = 5.0 m

e =

20 (5 + 2 * 8)
= 10.77 m
(5 + 8)
3
a = 4.5 +3.5 = 8.0 m

4- Xác đònh lưu lượng thấm đơn vò :
Gọi m là số ống dòng , n là số dãi của lưới thấm.Lưu lượng thấm đơn vò
sẽ là :
m

7
q = K . .H = 2.10 −6 *
* 6.0 = 3.5.10 −6
n
24
Trong đó K = 2.10-6 m/s (Đối với đất cát pha)
5- Xác đònh gradien thấm :

J TB = i.

∆H
H
=
∆S
n.∆S

Gradien thấm tại ô lưới bất kỳ có trung đoạn là ∆s sẽ là :
Dựa vào công thức để vẽ biểu đồ gradien thấm tại cửa ra.
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 15


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

Ta có:
- Với S1 = 0.6  Jtb 1 = 6.0 / (24* 0.8) = 0.3125
- Với S2 = 0.6  Jtb 2 = 6.0 / (24*1.2) = 0,2083

- Với S3 = 0.6  Jtb 3 = 6.0 / (24*1.4) = 0,1786
- Với S4 = 0.6  Jtb4 = 6.0 / (24*1.8) = 0.1389
Dựa vào số liệu tính toán trên vẽ biểu đồ gradien thấm cửa ra và xác
đònh được JTB
JTB = (0.3215 + 0.2083 + 0.1786 + 0.1389 )/4 = 0.2118
III/- KIỂM TRA ĐỘ BỀN THẤM CỦA NỀN :
Kiểm tra độ bền thấm chung :
J tb ≤

Jk tb
Kn

Trong đó Jtb là gradien cột nước trung bìnhtrong vùng thấm tính toán ; J ktb
là gradien cột nước tới hạn trung bình tính toán, (tra bảmg ta có J ktb = 0.22).Kn :
hệ số tin cậy Kn = 1.15.
J tb =

H

Ttt ∑ ζ

Trong đó : H : cột nước tác dụng : Ttt : chiều sâu tính toán của nền
Ttt =9.5-1 =8.5;
Σζ là tổng hẹ số cản của đường viền thấm tính theo phương pháp của
Trugarep.
-Tính Σζ = ζv + ζr + ζđ + ζn
Trong đó : ζv , ζr : hệ số sức kháng ở bộ phận vào và ra. Ta coi bộ phận
vào và ra như nhau và không có cừ.
ζv = ζr = 0.44+ζb =0.44 + a/Ttt = 0.44 + 1/8.5 = 0.56
ζđ = ζb = a/Ttt = 1/8.5 = 0.12

ζn là hệ số sức kháng của bộ phận nằm ngang, vì không có cừ nên ζn =
L/Ttt =34/8.5 = 4
Vậy Σζ = ζv + ζr + ζđ + ζn = 2*0.56 + 0.12 +4 = 5.24
H

6
= 0.13
Thay các giá tròù J tb = T ζ =
8.5 × 5.24
tt ∑
So sánh ta thấy Jtb = 0.13 < 0.22/1.15 = 0.191
Kết luận đảm bảo độ bền thấm chung.
Kiểm tra độ bền thấm theo điều kiện :
Jra < [Jra]
Trong đó : - Jra là Gradien thấm cục bộ (Đã tính ở trên) .

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 16


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

- [Jra] Gradien thấm không cho phép xói ngầm cơ học , được xác
đònh theo biểu đồ Ixtômina phụ thuộc vào hệ số không đồng
đều hạt của đất .
Với đất nền là cát pha có η = d60/d10 = 9 ,Tra trên biểu đồ (Hình

P3-1)
ta được [Jra] = 0.35
Với tính toán trên ta có JTB = 0.2118 < [Jra] = 0.35
Do đó độ bền thấm của nền tại cửa ra đảm bảo không bò xói ngầm
cơ học . Nhưng theo yêu cầu cấu tạo ta vẫn làm tầng lọc ngược để tăng
khả năng ổn đònh cho công trình .

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 17


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

PHẦN V : TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỐNG
I/- MỤC ĐÍCH :
Kiểm tra ổn đònh cống bao gồm kiểm tra về trượt, lật, đẩy nổi. Giới hạn
trong phạm vi đồ án ta chỉ tính toán kiểm tra ổn đònh về trượt của cống .
II/- XÁC ĐỊNH TRƯỜNG HP TÍNH TOÁN :
Tính với trường hợp bất lợi khi mực nước thượng , hạ lưu chênh lệch lớn
nhất
Căn cứ vào điều kiện làm việc của công trình ; trường hợp chống lũ mực nước
ngoài sông lớn nhất = 8.5 m và mực nước trong đồng min = 2.5 m. Vậy H = 6.0
m.
Sơ đồ tính toán là toàn bộ bản đáy với các bộ phận đặt lên nó .
III/- TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯT :
1- Xác đònh các lực tác dụng lên công trình :
a/ Các lực đứng : Bao gồm :

- Trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác .
- Cửa van, tường ngực, mố cống , bản đáy .
- Nước trong cống .
- Phần đất giữa hai chân khay (trong phạm vi khối trượt) và các
lực đẩy ngược (thấm, thủy tónh).
• Trọng lượng các mố : Gồm 2 mố bên và1 mố giữa .
P1 = [9.4*1*20*1 + 2*9.4*20(0.6 +2)/2]2.5 = 1692 T
Cánh tay đòn so với bản đáy a1 = 0
*Trọng lượng tường ngực :
P2 = (0.4*0.4 + 0.2*5.2)14*2.5 = 42 T

xc =

( 0.6 * 5.2) 0.3 − ( 0.4 * 4.4) 0.4 = 0.1706 m
F1 .x1 − F2 .x2
=
F1 − F2
( 0.6 * 5.2) − ( 0.4 * 4.4)

Xác đònh cánh tay đòn a2 :
⇒ a2 = 6 – 0.1706 = 5.83 m
* Trọng lượng cầu công tác ( P3 ):
Trụ đứng (6 trụ)
= (6*0.4*0.4*10)2.5 = 24 T
Dầm ngang (6 dầm) = (6*0.3*0.3*4)2.5 = 5.4 T
Dầm dọc (2 dầm)
= (2*0.4*0.8*16)2.5
= 25.6 T
Hành lang , bậc thang = 20 T
Tổng cộng :

P3 = 75 T
a3 = 5.0 m
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 18


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

* Trọng lượng cầu giao thông :
Chọn cầu bê tông cốt thép cho các loại xe có tải trọng 8 _ 10 tấn
Có trọng lượng P4 = 100 T ; a4 = +2.0m
• Trọng lượng cữa van : P5
P5 = 0.157 * F 4 F = 0.157 * ( 5 * 14 ) 4 ( 5 * 14 ) = 31.8 T

P5 =31 T
a5 = 5 m
* Trọng lượng bản đáy : P6
P6 = [(1.0*19*20) + 2*19(1.0+2.5)/2]2.5 = 1116.25 T
P6 = 1200 T
a6 = 0
* Trọng lượng nước trong cống :
Trọng lượng nước trong cống ứng với trường hợp chống lũ :
- Phần ngoài sông :
P7 = 8.5*15*5*1 = 638 T
a7 = 7.5m
-Phần phía đồng :
P8 = 2.5*15*15*1 = 563 T

a8 = +2.5 m
* p lực thuỷ tónh ở bản đáy cống :
P9 = 70*19 = 1330 T
a9 = 0
* p lực đẩy ngược ở bản đáy cống :
P10 = 60*19 = 1140 T
a10 = 3.3 m
b/ Các lực nằm ngang : Áp lực nước thượng hạ lưu, áp lực đất bò
động ở chân khay thượng lưu.
* Áùp lực nước phía sông :
T1 = 0.5*γn*B*H2 = 0.5*1*15*8.52 = 542 T
e1 = 0.5 + H/3 = 0.5 + 8,5 / 3 = +3.3 m
* Áùp lực nước phía đồng :
T2 = 0.5*γn*B*hh2 = 0.5*1*15*2.5 = 19 T
e2 = 0.5 + hh/3 = 0.5 + 2,5/3 = 1.3 m
* Áp lực đất chủ động thượng lưu (chân khay thượng lưu) :
Ectl =1/2(γđH2λc)
Trong đó : - γđ trọng lượng riêng của đất
- H chiều cao cột đất tác dụng
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 19


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

Với α = β = δ = 0 => λc = tg2 (45o-ϕ/2) = tg2(45o-18o/2) = tg236o = 0.528
=> Ectl = 1/2(1.7*22*0.528) = 1.8 T/m

Toàn bộ chân khay Ectl = 1.8*19 = 34 T
e3 = 1.5 - 2/3 = 0.83 m
• Áp lực đất bò động hạ lưu (chân khay hạ lưu) :

Eb

hl

2.C λb
σ 
=
+ b H
2
2 




Trong đó: - σb cường độ áp lực đất tại điểm đáy chân khay được tính như sau
σb = γđ*H*λb + 2C λb
C = 0.3T/m2 lực dính đơn vò của đất
λb = tg2 (45o+ϕ/2) = tg2(45o+18o/2) = tg254o = 1.89

σb = 1.7*2*1.89 + 2*0.3 1.89 = 7.25T/m
⇒ Eb

hl

2 * 0.3 1.89
7.25 

=
+
2 = 8.07T
2
2



Toàn bộ chân khay Ebhl = 8.07*19 = 153 T
e4 = 1.5 – 2/3 = 0.83 m
2/- Xác đònh áp lực đáy móng :

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 20


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

Theo sơ đồ nén lệch tâm, được xác đònh bởi công thức :

∑P ∑M
±
F
W
Trong đó : - ΣP tổng các lực thẳng đứng (tấn)
- F diện tích đáy móng (m2)
- ΣM Tổng mô men của các lực tác dụng lên móng , lấy đối

với tâm đáy móng.
- W mô đuyn chống uốn của đáy móng(m3)
Tính ΣM = P1 a1 + P2 a2 + P3 a3 + P4 a4 + P5 a5 + P6 a6 + P7 a7 + P8 a8 + P9 a9
+ T1 e1 + T2 e2 + Ectl e3 + Ebhl e4

σ =

ΣM = 1692*0 – 42*5.83 - 75*5 +100*2 - 31*5 +1200*0 – 638*7.5 +
563*2.5 + 1140*3.3 +1330*0 + 542*3.3 - 19*1.3 - 34*0.83 + 153*0.83 =
1672Tm
ΣP = 1871 T
Fmg = 20*19 = 380 m2
W = (B*L2)/6 = (19*202)/6 = 1266.7 m3
Vậy :
1871
σ

max
mg

σ

min
mg

=

=

1672

+

=

380

1266.7

1871

1672
-

=

6.24 T/m2.

3.6 T/m2.

380
1266.7
σtb = (σmax+σmin)/2 = 4.92 T/m2
3- Phán đoán khả năng trượt : Xét 3 điều kiện
a/ Chỉ số mô hình hóa :
N = σmax/ (B. γđn) = 6.24/ (20 . 0.88) = 0,35< Nc = 3
Trong đó :
- B : Chiều rộng mảng (chiều // lực đẩy ngược).
- γđn : Dung trọng đất nền (lấy dung trọng đẩy nổi).
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 21


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

- Nc : Chuẩn số không thứ nguyên lấy = 3 đối với các loại đất khác
γđn = γk – (1 - n) γn = 1.52 –(1- 0.36)1 = 0.88 T/m3.
b/ Chỉ số kháng trượt :
tgΨ = tgϕ1 + C1/σth = tg 180 + 0,3/4.59 = 0,39
Trong đó : ϕ1; C1 : Góc ma sát trong và lực dính đơn vò đất nền
Ta có : tgΨ = 0,39 < 0,45 Yêu cầu không được thoã mãn.
c/ Hệ số mức độ cố kết :
C v0 =

K t (1 + e ) t 0
2

aγ n h0

≥ 0.4

Trong đó : - Kt : Hệ số thấm của đất nền ( Kt =2.10-6 m/s)
- e : Hệ số rỗng của đất nền tự nhiên (e=0.92)
- t0 : Thời gian thi công trình ( t = 63.25.106)
- a : Hệ số nén của đất nền (a = 2 m2/N)
- γn : Dung trọng của nước (γn = 9.81.103 N/m3)
- h0 : Chiều dày tính toán của lớp cố kết, lấy bằng chiều dày
của lớp đất có sét, nhưng trong trường hợp này ta lấy không lớn hơn B, ta chọn

h0 = B = 20 m.
Vậy ta có : C v0 =

2.10 −6 .(1 + 0.92) × 63.25.10 −6
= 3.09.10 − 5
2
2 × 9810 × 20

Vậy một trong 3 điều kiện không đạt ngoài trượt phẳng còn phải xét cả
trượt sâu và trượt hổn hợp; Trong đồ án này chỉ yêu cầu kiểm tra trượt phẳng.
4- Tính toán trượt phẳng : Ổn đònh của cống về trượt phẳng khi :
nc. Ntt < (m/Kn). R
Trong đó :
nc = 1 : Hệ số tổ hợp tải trọng
m = 1.0 : Hệ số điều kiện làm việc tra bảng P1-5
Kn = 1.2 : Hệ số tin cậy
Ntt; R : Giá trò tổng quát của lực gây trượt và của lực chống trượt giới
hạn.
Ntt = Ttl + Ectl – Tht = 542+ 34 – 19 = 557 T
R = ∑P. tgϕ1 + m1. Ebhl + F. C =
= 1871* tg180 + 0.7*153 + 380* 0,3 = 829 T
nc. Ntt = 1. 557 = 557 T < (m/Kn). R = (1/1,2). 829 = 690.8 T
Đảm bảo an toàn trượt phẳng, công trình ổn đòmh.

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 22

Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

PHẦN VI : TÍNH TOÁN KẾT CẤU BẢN ĐÁY
CỐNG
I/- MỤC ĐÍCH VÀ CÁC TRƯỜNG HP TÍNH TOÁN :
1. Mục đích :
- Xác đònh sơ đồ ngoại lực .
- Tính toán nội lực và bố trí cốt thép .
- Bố trí cốt thép trong bản đáy
Theo yêu cầu đồ án ta chỉ xác đònh sơ đồ ngoại lực để tính toán kết
cấu bản đáy theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi .
2- Trường hợp tính toán : Ta tính cho trường hợp khi chênh lệch mực
nước thượng hạ lưu lớn nhất. Vì vậy ta chọn trường hợptổ hợp chống lũ như đã
tính ở phần thấm và ổn đònh ở trên trên.
3- Chọn băng tính toán : Tính toán cho băng sau cửa van, có chiều rộng
bằng 1m được giới hạn bởi hai mặt cắt vuông góc với chiều dòng chảy .
II/- TÍNH TOÁN NGOẠI LỰC TÁC DỤNG LÊN BĂNG :
Gồm các lực tác dụng lên bản đáy, bao gồm các lực tập trung từ các mố,
lực phân bố trên băng và các tải trọng bên.
1- Lực tập trung truyền từ các mố :
- G1 : Trọng lượng các phần của mố.
- G2
: Trọng lượng tường ngực.
- G3
: Trọng lượng cầu công tác.
- G4
: Trọng lượng cầu giao thông.
- G5
: Tải trọng do người và xe trên cầu.

- G6
: trọng lượng cửa van .
- T1, T2 : p lực nước ngang từ thượng lưu và hạ lưu truyền qua khe van
(khi van đóng).

Sơ đồ tính toán lực của mố truyền cho bản đáy
Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 23


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

* Tính lực tập trung mố bên :
Bảng tính các lực tập trung tác dụng lên mố bên
TT
1
2
3
4
5
6

TẢI TRỌNG
Trọng lượng mố cống
Trọng lượng tường ngực
Trọng lượng cầu công tác
Trọng lượng cầu giao thông

Trọng lượng người và xe cộ
Trọng lượng cữa van

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

KÝ HIỆU
G1
G2
G3
G4
G5
G6
Lớp TH 13

TRỊ SỐ
(T)
611
10.5
18.75
25.00
10.00
7.75

a
(m)

M
(T.m)

0

5.83
5
2
2
5
Trang 24

0
61.2
93.75
50
20
38.75


Đồ án môn học Thủy công - Cống lộ thiên

7
8

p lực nước thượng lưu
p lực nước hạ lưu
Tổng cộng

T1
T2

135.5
4.75
853.25

3.3
1.3

447.75
6.175
717.625

Ứng suất thẳng đứng ở đáy mố xác đònh theo công thức nén lệch
tâm
σ min max =

∑G ∑ M
±
F
W

Trong đó : - ΣP tổng các lực thẳng đứng (tấn)
- F diện tích đáy mố (m2)
- ΣMo Tổng mô men ngoại lực lấy đối với tâm đáy mố
-W mô đuyn chống uốn của đáy mố(m3)
+ Diện tích đáy mố bên :
Fm = 2*20 = 40m2
+ Mô đun chống uốn của đáy mố bên :
Wm = (B.L2)/6 = (2*202)/6 = 133.33m3
Vậy:
σ max =

853.25 717.62
+

= 26.71
40
133.33

T / m2

σ min =

853.25 717.62
−
= 15.95
40
133.33

T / m2

σTB = 0.5(σmax + σmin) = 21.33 T/m2

Với giá trò σmax và σmin , coi ứng suất đáy mố phân bố theo đường thẳng ta
vẽ được biểu đồ ứng suất đáy mố .
NHỚ VẼ HÌNH

Sinh viên thực hiện : Vũ Đình Tuấn

Lớp TH 13

Trang 25