đồ án thiết kế cống ngầm thủy lợi

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

THIẾT KẾ CỐNG NGẦM LẤY NƯỚC DƯỚI ĐẬP ĐẤT
A.NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG
I. Nhiệm vụ ,cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế
1. Nhiệm vụ: Cống lấy nước trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau:
- Cấp nước tưới cho 2560 ha ruộng đất cánh tác.
- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân.
- Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái phục vụ du lịch.
2.Cấp công trình: xác định theo 2 điều kiện
a) Theo năng lực phục vụ công trình:
Tra bảng 1 QCVN 04-05:2012, nhiệm vụ công trình cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng
⇒

đất canh tác
công trình cấp III.
b) Theo cấp chung của cả công trình đầu mối
Vì cống là một trong những công trình chủ yếu của đầu mối, cấp của cả công trình đầu
mối xác định như ở phần thiết kế đập đất. Ta có:
- Xác định sơ bộ cao trình đỉnh đập:
Zđđ = MNLTK + d
Trong đó: + MNLTK = MNDBT + Hmax = 33 + 3 = 36m.
+ chọn d = 2,5 m và bóc bỏ lớp đáy dày 1m do đất yếu.
⇒

Zđđ = 36 +3 = 39 m.
- Chiều cao đập:
Hđ = Zđđ – Zđáy

Với cao trình mặt đất tự nhiên từ mặt cắt địa hình tuyến đập ( đề A ).Có bóc bỏ 0,5m
chiều dày lớp đất yếu.
Zđáy = 1 – 1= 0 m
⇒

Hđ = 39 – 0= 39 m.
Tra bảng 1: QCVN 04-05:2012, ứng với Hđ = 39 m và đất nền là nền đá ta chọn được
công trình cấp II.
Kết luận: Để công trình được đảm bảo ta chọn thiết kế công trình cấp II.
3. Các chỉ tiêu thiết kế: từ cấp công trình là cấp II, dựa vào quy phạm ta sẽ xác định
được các chỉ tiêu sau:
- Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất là P=1% ( bảng 4-QCVN 04-05-2012).
- Hệ số tin cậy K= 1,15 ( QCVN 04-05:2012)
- Tần suất gió lớn nhất : P = 2%

⇒

vận tốc gió lớn nhất V = 32 m/s.

Tần suất gió bình quân lớn nhất : P = 25%
m/s.( theo bảng 3 TCVN 8216-2009)

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

1

⇒

vận tốc gió bình quân lớn nhất V = 14

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

Bảng 3: Tài liệu thiết kế cống ngầm
Đặc trưng hồ chứa
Đề số

Sơ
đồ

61

A

D
(km)

MNC
(m)

MNDBT
(m)

2,6

12,4

33

Qcống (m3/s)
Khi
Khi
MNC MNDB
(QTK)
T
3,3

3

Mực nước
đầu kênh (m)
12,05

II. Chọn tuyến và hình thức cống.
1. Tuyến cống: Bố trí tuyến cống phụ thuộc vào vị trí khu tưới tự chảy, cao trình mực
nước khống chế tưới tự chảy, điều kiện địa chất nền và quan hệ với các công trình
khác.
- Ở đây ta chọn đặt cống ở bờ phải.
- Do tầng phủ khá mỏng nên đặt cống trên nền đất đá.
- Đáy cống ở thượng lưu chọn cao hơn mực nước bùn cát lắng đọng và thấm
hơn mực nước chết trong hồ.
2. Hình thức cống:
- Vì cống đặt dưới đập đất, mực nước thượng lưu khi lấy nước thay đổi nhiều
(từ MNC đến MNDBT) nên hình thức hợp lý là chọn cống ngầm lấy nước không áp.
- Vật liệu làm cống là bê tông cốt thép và có mặt cắt hình chữ nhật.
- Dùng tháp van để khống chế lưu lượng. Trong tháp có bố trí van công tác và
van sửa chữa. Vị trí đặt tháp sơ bộ chọn ở khoảng giữa mái đập thượng lưu tại vị trí đặt

cống.
3. Sơ bộ bố trí cống:
- Chọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC là: 1m.
- Cao trình đáy cống : Z đáy cống = MNC – 1=12,4 – 1= 11,4(m).
B. THIẾT KẾ KÊNH HẠ LƯU CỐNG.
Kênh hạ lưu được thiết kế trước để làm căn cứ cho việc tính toán thủy lực cống.
I. Thiết kế mặt cắt kênh:
- Mặt cắt kênh được tính toán với lưu lượng thiết kế Qtk = 3,3 (m3/s).
- Dựa vào điều kiện địa chất nơi kênh chạy qua (là đất cát pha), sơ bộ chọn các
chỉ tiêu sau:
+ Độ dốc đáy kênh:
i = 2,5.10-4 .
+ Hệ số mái kênh:
m = 1,5 tra bảng tính thủy lực phụ lục (8 -1)
ta được: 4m0 = 8,424
+ Độ nhám lòng kênh:
n = 0,025.
Xác định bề rộng đáy kênh (b) và chiều sâu nước trong kênh (h):
SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

2


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

1. Sơ bộ xác định vận tốc không xói theo công thức sau:
Vkx = K.Q0,1

Trong đó:
- Q là lưu lượng thiết kế của kênh.
- K là hệ số phụ thuộc đất lòng kênh, với cát pha: K = 0,53
Vậy thay vào trên ta được:
Vkx = 0,53.3,30,1 = 0,6 (m/s)
2. Xác định b và h:

- Sơ bộ xác định chiều sâu h, theo công thức kinh nghiệm
h = 0,5.(1 + VKX ). 3 Q
= 0,5.(1 + 0, 6). 3 3,3

=1,2(m)
- Tính toán theo mặt cắt lợi nhất về thủy lực ta có:

f(Rln) =

- Với:

4m 0 i
Qtk

8, 424. 2,5.10−4
= 0, 04
3,3

=

 f ( Rln ) = 0, 04

n = 0, 025

Tra phụ lục (8 – 1) bảng tính thủy lực ta được: Rln = 0,847
- Với :

h
1, 2
=
= 1, 417
Rln 0,847

và m=1,5 Tra phụ lục (8 –3) ta được :

b
= 4, 015
Rln


 h 
h = Rln . 
÷ = 0,847.1, 417 = 1, 2m

 Rln 

b = R .  b  = 0,847.4, 015 = 3, 4m
÷
ln 

 Rln 
⇒ 

3. Kiểm tra lại điều kiện yêu cầu:
b 3, 4
=
= 2,83
h 1, 2

- Ta có tỉ số:
 [2 ÷ 5]
- Vậy điều kiện để chọn b và h được đảm bảo.
II. Kiểm tra điều kiện không xói:
- Vì cần dẫn nước từ hồ chứa nên hàm lượng bùn cát trong nước nhỏ, nên ta không
cần kiểm ta điều kiện bồi lắng, chỉ kiểm tra điều kện xói lở.

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

3


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

- Ta có kiểm tra điều kiện xói lở theo công thức sau: Vmax < Vkx
(1)
Trong đó: + Vmax : là lưu tốc lớn nhất trong kênh, tính theo cấp lưu lượng Qmax=KQ
Qmax
ω

Vmax =

(2)
+ Với K là hệ số phụ thuộc Q: K = 1,2
+ Q là lưu lượng thiết kế của kênh: Q = 3,3 (m3/s)
+ Nên ta có:
Qmax = K.Q = 1,2.3,3 = 4,0 (m3/s)
+ Tính theo mặt cắt lợi nhất về thủy lực ta có:

f(Rln) =

+ Với:

4m 0 i
Qmax

8, 424. 2, 5.10−4
= 0, 033
4, 0

=

 f ( Rln ) = 0, 033

n = 0, 025

Tra phụ lục (8 – 1) bảng tính thủy lực ta được: Rln = 0,906
+ Lập tỉ số :
h
= 1, 458
Rln

b
3,3
=
= 3, 753
Rln 0,906

⇒

. Tra phụ lục (8 – 3) bảng tính thủy lực

 h 


 Rln 

ta được
hmax = Rln.
= 0,906.1,458 = 1,32 (m).
+ Diện tích ướt: ω = (b + m.hmax). hmax = (3,4+ 1,5.1,32).1,32 = 7,10(m2)
4, 08
= 0,575
7,10

+ Thay các giá trị trên vào (2) ta được:
Vmax =
(m/s).
- So sánh điều kiện (1) ta thấy:
Vmax = 0,575 < Vkx = 0,6(m/s). Vậy điều kiện không xói được đảm bảo.
III. Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lưu lượng:
- Tính toán theo từng cấp lưu lượng giả thiết và tính theo phương pháp mặt cắt lợi

nhất về thủy lực.
- Ta có m = 1,5 ; i = 2,5.10-4 ; n = 0,025 ; b = 3,4 (m)
• Tính h : ứng với MNDBT có Q = 3 m3/s
f ( Rln ) =

4mo i 8, 424. 2,5.10−4
=
= 0, 0444
Q
3

Với n = 0,025 tra phụ lục (8 –1) bảng tra thủy lực được Rln = 0,808

Lập tỷ số :

bK
3, 4
=
= 4, 208
Rln 0,808

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

4


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

h
= 1,385
Rln

Với m = 1,5 tra phụ lục (8 –3) được :
 h 
Rln ×
÷ = 0,808.1,385 = 1,12
 Rln 

⇒
h=
m
Tính toán tương tự cho mỗi cấp lưu lượng ta xác định được các độ sâu tương ứng.
- Ta có bảng tính toán Q ~ h.

TT

Q (m /s)

f(Rln)

Rln

b
Rln

1
2

3
4

4,08
3,7
3,4
3

0,0326
0,0360
0,0392
0,035

0,906
0,875
0,847
0,88

3,753
3,886
4,015
4,208

3

h
Rln

hk

1,458
1,437
1,417
1,385

1,32
1,26
1,20
1,12

Hình 1: Biểu đồ quan hệ Q~h
C. TÍNH KHẨU DIỆN CỐNG.
I. Trường hợp tính toán:
Khẩu diện cống với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ và lưu
lượng lấy nước tương đối lớn.
Thường tính toán với trường hợp MNC ở thượng lưu, còn hạ lưu là mực nước khống
chế đầu kênh tưới Zkc.
Ta có chênh lệch mực nước thượng hạ lưu trong trường hợp này là:

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

5


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

[∆Z] = MNC - Zkc = 12,4 – 12,05 = 0,35 (m).

Để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần phải mở hết cửa van. Ta có sơ đồ tính toán như
trên hình.
Trong đó:

+ Z1 : là tổn thất cột nước ở cửa vào.
+ Zp : là tổn thất do khe phai (nếu có).
+ ZL : là tổn thất qua lưới chắn rác.
+ Zv : là tổn thất qua tháp van.
+ Z2 : là tổn thất ở cửa ra.
+ P2 : là bậc thụt ở cửa ra của cống so với đáy kênh hạ lưu:
P2 = Zcr - Zđk . giả thiết P2 =0
+ Zcr : cao trình đáy cống ở cửa ra
+ Zđk : cao trình đáy kênh sau cống.

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

6


ĐỒ ÁN MƠN HỌC
CƠNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

Z1

Zp

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

Zl

Zv
h2

Zv
h1
d

Hình 2 : Sơ đồ tính toán thủy lực xác đònh khẩu diện cống

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

Zh


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

II. Tính bề rộng cống bc :
Bề rộng cống phải đủ lớn để lấy được lưu lượng cần thiết Q khi chênh lệch mực nước
thượng hạ lưu [∆Z] đã khống chế, tức phải đảm bảo điều kiện:

∑ Z ≤ [ ∆Z ]
i

∑Z

(1-1)

i

Trong đó :
= Z1 + Zp + ZL + Zv + Z2. + i.L
Các giá trị đã được giải thích ở trên.
+ i: là độ dốc dọc cống.
+ L: là tổng chiều dài cống
Ta có Lc = (Zđđ-Zc).m1 + Bđ + (Zđđ-Zcơ).m2 + Bcơ+ (Zcơ-Zc).m2’
= (39-11,4).4 + 10 + (39-24).3,5 + 3 + (24-11,4).3,75 =217,15(m)
+ bc : là chiều rộng cống.
Chọn chiều rộng cống bc theo phương pháp thử dần , các tổn thất cột nước được
xác định như sau:
1. Tổn thất cửa ra.
Xem dòng chảy từ bể tiêu năng ra kênh hạ lưu coi như sơ đồ đập tràn đỉnh rộng chảy
ngập, khi đó ta có:
αVb2
Q2
−
2g
2 g (ϕ n bhh ) 2
Z2 =
Trong đó:

+ bb : là bề rộng ở cuối bể tiêu năng : bb = bk = 3,4 (m).
+ hh : là chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng thiết kế Q : hh = hk = 1,2(m).
+ ϕn : là hệ số lưu tốc, chọn ϕn = 0,96( theo bảng 14.4 bảng tra thủy lực
tương ứng với m=0,36)
Giả thiết chiều sâu của bể tiêu năng: d = 0,5(m)
Chọn α =1,05 , g = 9,81 (m/s2)
+ Vb : là lưu tốc bình quân trong bể tiêu năng
Q
ωb

Q
bb (hh + d )

Vb =
=
Thay tất cả các giá trị vào trên ta được:

=

3,3
= 0,57
3, 4.(1, 2 + 0,5)

(m/s).

3,32
1, 05.0,57 2
−
= 0, 02
2.9,81.(0,96.3, 4.1, 2) 2

2.9,81

Z2 =
2. Tổn thất dọc đường.
Coi dòng chảy trong cống là đều với độ sâu h1 được tính như sau:
h1 = hh + Z2 = 1,2 + 0,02 = 1,22 (m).
SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

(m).


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

Ta có tổn thất dọc chiều dài cống là = i.L ; Trong đó: L=217,15(m) ,i là độ dốc cống
được xác định theo công thức:

i=

 Q 


 ω .C R 

2

(3)

với :
+ ω và

C R

tính với mặt cắt cống có bề rộng bc và h1.
ω = bc.h1
χ
= bc + 2.h1
R=

1
C R = .R
n

2

ω
χ

3

+ Nên
(Với n = 0,012 là hệ sô nhám tra phụ lục J theo TCVN 4118-2012)
3. Các tổn thất cục bộ Zv, Zl, Zp: Được xác định theo công thức chung sau:
α .Vi 2
Zi = ξi.

2g

Trong đó:
+ ξi : là hệ số tổn thất đối với khe phai, khe van, được xác định theo quy
phạm tính toán thủy lực cống dưới sâu. Còn đối với lưới chắn rác xác định theo cẩm
nang tính toán thủy lực.
a. Xác định tổn thất sau khi qua van Zv:
Ta có tổn thất qua van:
α .VV2
2g

ZV = 2.ξV.
Trong đó:
+ Ta chọn theo tiêu chuẩn C1-75 phụ lục 1: ξV = 0,05.
Q
ωv

Q
bc .h1

+ Lưu tốc qua van: Vv =
=
b. Xác định tổn thất sau khi qua lưới chắn rác Zl :
Ta có tổn thất qua lưới chắn rác:
α .V L2
ZL = ξL.
SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

2g


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

Trong đó:
+ ξL : hệ số tổn thất qua lưới, với ξL = f(β,α,S,d).
Chọn hệ số: β = 1,79
Chọn: α = 750-góc nghiêng của lưới so với mặt phẳng
Chọn khoảng cách giữa các lưới thép: b = 100mm
Chọn các thanh lưới hình tròn
: t = 10 mm
Ta có:
4

ξL = β.
Lưu tốc qua lưới:

 d 3
 
S

Q
ωL

4

.sinα =

1 3
1, 79.  ÷ .sin 750 = 0,08

 10 

Q
Q
=
bc .h2 bc . ( h1 + Z v )

VL =
=
c. Xác định tổn thất sau khi qua khe phai Zp:
Ta có tổn thất qua phai:

α .V p2
2g

Zp = 2.ξp.
Trong đó:
+ Ta chọn theo quy phạm: ξp = ξV = 0,05.
+ Lưu tốc qua van:
Q
ωp

Q
Q
=
bc .( h2 + Z l ) bc . ( h1 + Z v + Zl )

Vp =
=
4. Tổn thất ở cửa vào. Được xác định theo công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy

ngập.
αV02
Q2
−
2g
2 g (εϕω ) 2
Z1 =
Trong đó:
+ ϕ và ε: là hệ số lưu tốc và hệ số co hẹp bên ở cửa vào.
+ Ta chọn ϕ = 0,96 và ε = 1,0(tường cánh bố trí thuận dòng)
+ ω: là diện tích mặt cắt ướt sau cửa vào
ω = bc.(h1 + Zv + Zl + Zp)
αV0 2
2g

+ Cột nước lưu tốc tới gần
Kết quả tính tổn thất được ghi ở bảng:

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

≈0


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

χ

B(m
)

1.5
1.7
1.9
2
2.1
2.2
2.3

1.83
2.07
4
2.31
8
2.44
2.56
2
2.68
4
2.80
6

3.94
4.14
4.34
4.44
4.54
4.64
4.74

R

0.464
5
0.501
0
0.534
1
0.549
5
0.564
3
0.578
4
0.592
0

C R

i

49.9791

0.001382

52.5643

0.000973

54.8573

0.000715

55.9101
56.9073

0.000621
0.000544

57.8533

0.000479

58.7523

0.000425

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

iL
0.301
9
0.212
5
0.156
2
0.135
7
0.118
8

0.104
8
0.092
9

Z2

0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02

Vv
1.85
8
1.63
9
1.46
7
1.39
3
1.32
7
1.26
7
1.21
2

Zv
0.018
5
0.014
4
0.011
5
0.010
4
0.009
4
0.008
6
0.007
9

VL
1.83
0
1.62
0
1.45
3
1.38
2
1.31
7
1.25
8

1.20
4

ZL
0.014
3
0.011
2
0.009
0
0.008
2
0.007
4
0.006
8
0.006
2

Vp
1.80
9
1.60
6
1.44
2
1.37
3
1.30
9

1.25
1
1.19
8

Zp

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

Từ kết quả tính toán ở bảng và biểu đồ ta chọn bề rộng cống bc=2,3m với tổng tổn thất

∑Z

≤ [ ∆Z ] = 0,35m

i

cột nước
=0,21m
là phù hợp đồng thời thỏa mãn điều kiện khống
chế bc ≥ 1÷1,2m để tiện kiểm tra,sửa chữa,đảm bảo điều kiện thi công.
III. Xác định chiều cao cống và cao trình đặt cống.
1. Chiều cao mặt cắt cống: Ta có chiều cao mặt cắt cống được xác định như sau:
Hc = h 1 + ∆
Trong đó:
+ h1 = hh + Z2 = 1,2 + 0,02 = 1,22 (m).
+ ∆ : là độ lưu không ∆ = [0.5 ÷ 1m] ở đây ta chọn ∆ = 0,98 m
Thay vào trên ta được:
Hc = 1,22 + 0,98 = 2,2 (m)
Kiểm tra điều kiện:
Hc = 2,2 m ≥ 1,6 m Vậy điều kiện về chiều cao mặt cắt cống được đảm bảo.
2. Cao trình đặt cống:
a. Cao trình đáy cống ở cửa vào: Được xác định như sau:
Zcv = MNC – h1 -(Z1 +Zp+ZL+Zv)
Trong đó ta có:
Zi

+ : lần lượt là tổn thất cục bộ ở cửa vào, khe phai, lưới chắn rác, khe
van khi tháo Qtk.
+ h1: là độ sâu dòng đều trong cống khi tháo Qtk
Thay tất cả vào trên ta được:
Zcv = 12,4 – 1,22 – ( 0,0784+0,0077+0,0062+0,0079)= 11,08(m)

b. Cao trình đáy cống ở cửa ra: Được xác định như sau:
Zcr = Zcv – iL = 11,08 – 0,0929 = 10,99(m)
Kiểm tra: P2 = Zcr – Zđk = Zcr – (Zkc – hh ) = 10,99 – ( 12,05 – 1,2) =0,014 ≈ 0.
Vậy bậc thụt ở cửa ra của cống so với đáy kênh hạ lưu: P2=0 đúng với sơ đồ tính toán.
D. KIỂM TRA TRẠNG THÁI CHẢY VÀ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG.
I. Trường hợp tính toán: Khi mực nước thượng lưu cao chỉ cần mở một phần cửa van
để lấy được lưu lượng cần thiết. Do năng lượng của dòng chảy lớn, dòng chảy ở ngay
sau cửa van thường là dòng xiết. Dòng xiết này nối tiếp với dòng êm ở kênh hạ lưu qua
nước nhảy. Do đó cần tính toán nhằm:
- Kiểm tra xem nước nhảy có xảy ra trong cống không. Thường với các mực
nước cao ở thượng lưu, cần khống chế không cho nước nhảy trong cống để tránh rung
động bất lợi. Còn với các mực nước thấp ở thượng lưu, nước nhảy trong cống là không
tránh khỏi. Tuy nhiên khi đó năng lượng của dòng chảy không lớn nên mức độ rung
động nguy hiểm không đáng kể.
- Xác định chiều sâu bể cần thiết để giới hạn nước nhảy ngay sau cửa ra của
cống, tránh xói lở kênh hạ lưu.
Theo đề bài tính toán cho trường hợp mực nước cao,tính với MNDBT=35m,cửa van
mở một phần với độ mở bằng a, dòng chảy ở sau cống trước van là chảy có áp, sau van
là khống chế chảy không có áp.
Ta có sơ đồ tính toán được thể hiện ở hình vẽ dưới đây.

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1


ĐỒ ÁN MƠN HỌC
CƠNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

H1

a

Z2

hc

hr
L2

d
Lb

Hình 3 : Sơ đồ tính toán thủy lực khi mực nước cao ở thượng lưu

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

hh


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

II. Xác định độ mở cống: (Tính theo sơ đồ chảy tự do qua lỗ)
2 g ( H 0' − α .a )
Q = ϕ.α.a.bc.
Trong đó :
+ ϕ : là hệ số lưu tốc, chọn ϕ = 0,95

+ Q : là cấp lưu lượng ứng với MNDBT : Q = 3(m 3/s)
+ α : là hệ số co hẹp đứng
+ H0’ : là cột nước tính toán trước cửa van và được xác định như sau
H0’ = H0 - hw
2
αV0
2g

Với : - H0 =H1 +
- hw: là tổn thất cột nước từ cửa vào cho đến vị trí cửa van
- xác định tổn thất : do dòng chảy ở đoạn cống trước là có áp nên:
αVTV2
ξ
.
∑ TV
2g

∑ξ

-

-

hw =
TV

= ξCV + ξ KP + ξ L + ξ L1

với
Hệ số tổn thất ở cửa vào: chọn cửa vào với r=1,5m, r/H=0,8, tra theo sơ đồ

ξ cv = 0,14
hình 18 TCVN C1-75 ta được
ξ kp = 0,05
Hệ số tổn thất khe phai:
(theo kết quả ở trên)
ξ L = 0, 08
Hệ số tổn thất tại lưới chắn rác:
ξ L1 =

-

2 gL1
C2R

Hệ số tổn thất dọc đường ở đoạn cống trước van:
α = 1, 05
Theo sơ đồ tính toán ta có L1=60 m,
ωc = bc .H c = 2,3.2, 2 = 5, 06(m 2 ) χ = 2(bc + H c ) = 2.(2,3 + 2, 2) = 9( m)
,
ω 5, 06
R= c =
χ
9
C R
=0,562, tính với n= 0,012 được
=56,75
VTV =

=>

Q
3
=
= 0,593
ωc 5, 06

∑ ξ = 0,14 + 0, 05 + 0, 08 + 0,366 = 0, 636
SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

(m/s)


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

0, 636.

1, 05.0,5932
2.9,81

Thay vào ta được: hw=
- Xác định H0 :
α .V02
2g

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

=0,012(m)

= ∇MNDBT − Z cv +

αVo2
= 35 − 13, 68 = 21,32( m)
2.g

H0 = H 1 +
Vậy
H0’ = H0 - hw = 21,32 – 0,012 = 21,31 (m)
+ Xác định độ cao mở cống a: (thực hiện tính toán theo phương pháp thủy lực)
Tính F(τc) :

F(τc) =

Q
3
=
= 0, 014
3
3/2
ϕ .bc .H '0
0,95.2,3.21,31 2
α

Vì F(τc) < 0,264 nên ta chọn = 0,611
F(τc) = 0,014 tra phụ lục (15-1) BTTL được τc = 0,0032
⇒
Độ mở cống a được xác định theo công thức :
hc τ c .H 0' 0, 0032.21,31
a= =

=
= 0,11
α
α
0, 611
(m)
- Kiểm tra lại a :
0,95.0, 611.0,11.2,3. 2.9,81(21,31 − 0, 611.0,11) = 2,998

Q=
⇒ Q = 2,998 m3/s ≈ QMNDBT = 3(m3/s)
Vậy độ mở cống a =0,11m là phù hợp.
III. Kiểm tra chảy trong cống.
1. Vẽ đường mặt nước để tìm độ sâu cuối cống hr :
a. Định tính : cần xác định hc , h0 , hk
♦ Độ sâu co hẹp sau van :
α

hc = . a = 0,611.0,11 = 0,067 m
♦ Độ sâu phân giới hk :
3

αq 2
g

hk =

Với :

q=

Q
3
=
= 1,3
bc 2,3
3

⇒

hk =

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

m2/s

1.1,32
= 0,56
9,81

m

m3/s


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

♦ Độ sâu dòng đều h0 : Tính với QMNDBT, bc , ic = 0,000425,m=0(do mặt cắt hình
chữ nhật) đã biết, tìm h0 theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy
lực.
f ( Rln ) =

4mo i 8. 4, 25.10 −4
=
= 0, 055
Q
3

Ta có :
Với n = 0,012 tra phụ lục (8 –1) được Rln = 0,556
b
2,3
=
= 4,137
Rln 0,556

⇒

Với m = 0 tra phụ lục (8 –3) được :
 h
Rln ×
 Rln

h
=
Rln

1,929


÷ = 0,556.1,929 = 1, 07


⇒
h0 =
m
Kết luận : hc < hk < h0 nên dạng đường mặt nước sau van là đường nước dâng C 1
b/ Định lượng :
Xuất phát từ mặt cắt co hẹp C – C vẽ về cuối cống. Mặt cắt C – C cách cửa van
một khoảng bằng 1,4.a = 1,4. 0,11 = 0,154 m, độ dốc cống i=4,25.10-4, bc=2,3m,
Q=3(m3/s)
Dùng phương pháp cộng trực tiếp để vẽ đường mặt nước.Theo phương pháp này
khoảng cách giữa hai mặt cắt có độ sâu h1 , h2 sẽ là :
∆L =

Trong đó:

∆∋
i−J

α .V22
2g

∆∋ = ∋2 - ∋1 ; ∋2 = h2 +
 V1


C R
1







2

 V2

C R
2


; ∋1 = h1 +





α .V12
2g

;

J

=

J 2 + J1
2

2

J1 =
; J2 =
Kết quả tính toán hr được thể hiện ở bảng tính toán sau:
∋

Mặt

h(m)

cắt

ω

R(m)

C

(m2)
1

0.067

0.154

V(m/s

J

Jtb

(m)

)
0.063

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

52.61

19.468

∆∋

2.163

19.384

i-Jtb


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

0.117
0.167
0.217
0.267
0.317
0.367
0.417
0.467
0.517
0.56

0.269
0.384
0.499
0.614
0.729
0.844
0.959

1.074
1.189
1.288

0.106
0.146
0.183
0.217
0.249
0.278
0.306
0.332
0.357
0.377

57.35
60.46
62.76
64.58
66.08
67.33
68.41
69.35
70.18
70.82

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

11.148
7.810

6.011
4.885
4.115
3.554
3.128
2.793
2.523
2.329

0.356
0.114
0.050
0.026
0.016
0.010
0.007
0.005
0.004
0.003

1.259
0.235
0.082
0.038
0.021
0.013
0.008
0.006
0.004
0.003

6.452
3.276
2.058
1.483
1.180
1.011
0.916
0.865
0.841
0.837

-12.932
-3.175
-1.218
-0.575
-0.303
-0.169
-0.095
-0.051
-0.023
-0.005

Chiều dài tính toán từ mặt cắt co hẹp (c-c) đến cuối cống là Ltt= L2 – 1,4a =157,15
– 0,154=158,35(m)
Theo kết quả bảng trên khi h= hk=0,56m => L=Lk=112,56 < Ltt=158,35
Vậy có nước nhảy trong cống.

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

-1.259
-0.235
-0.082
-0.038
-0.021
-0.012
-0.008
-0.005
-0.004
-0.003

1
1
1
1
1
1
1


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

Kết luận :
Có nước nhảy xảy ra trong cống, do đó cần phải xử lý bằng các biện pháp sau :
- Thay đổi độ dốc đáy cống.
- Thay đổi vị trí tháp áp van.

- Chấp nhận có nước nhảy trong cống và phải tính toán để xác định độ sâu
sau nước nhảy đảm bảo không chạm trần cống.
Với trường hợp ở trên ta chấp nhận có nước nhảy trong cống :
-Xác định độ sâu sau nước nhảy là:
Tính F(τc) :

F(τc) =

Q
3
=
= 0, 014
3
3/2
φ .bc .H 0
0,95.2,3.21,31 2
 F ( τ c ) = 0, 014

φ = 0,95

Tra phụ lục (15 - 1) bảng tra thủy lực ứng với
τ c '' = 0,1028
Ta được
hc '' = τ c '' .H 0' = 0,1028.21,31 = 2,1( m) < H c = 2, 2( m)

Vậy độ sâu sau nước nhảy đảm bảo không chạm trần cống.

IV. Tính toán tiêu năng.
1/. Xác định chiều sâu đào bể :
Bài toán đặt ra là xác định chiều sâu bể d để đảm bảo xảy ra nước nhảy ngay sau

cửa ra cống. Muốn vậy cần có : hb ≥ σhc’’
Trong đó :
hb = hh + db + Z2 = 1,2 + d + 0,02 = 1,22 +db
σ = 1,1 hệ số ngập
hc"

- độ sâu liên hiệp với độ sâu co hẹp ở đầu bể, tính với năng lượng toán phần

E0
Vr2
2g

E o = hr +
+ db + P2
Với : hr , Vr : độ sâu và lưu tốc bình quân của dòng chảy tại mặt cắt cuối cống
Q
3
=
= 1, 09m / s
hr bc 1, 2.2,3

hr = hh= 1,2 m
;
Vr =
P2 : chênh lệch cao độ đáy mặt cắt cuối cống và đáy dầu kênh hạ lưu rất nhỏ
nên có thể bỏ qua. ⇒ P2 = 0
SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI
Giả thiết db = 0,5 m

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

⇒ hb = 1,22 +0,5 =1,72m
⇒ Eo = 1,2 +
Fτc =

⇒
⇒
-

1, 092
2.9,81

+ 0,5+0 = 1,76m

q
Q
3
=
=
= 0,588
3/ 2
3/2
ϕ .Eo
bc .ϕ .Eo
2,3.0,95.1, 763/2

Tra phụ lục (15 – 1) được :
hc" = τ c" .E0 = 0,598.1, 76 = 1, 05
σ .hc" = 1,1.1,05 = 1,16

τ c" = 0,598

m

Kiểm tra giả thiết :
σ .hc" = 1,16

Ta thấy hb = 1,72m ≥
m
Vậy : giả thiết db = 0,5 m là thỏa mãn đảm bảo nước nhảy ngập trong bể.
2/. Xác định chiều dài bể : theo công thức :
Lb = L1 + βLn
Trong đó :
+ L1 – chiều dài nước rơi từ mặt cắt cuối công đến đáy bể( tương ứng với bậc
P=db=0,5m), xác định theo tầm phóng của làn nước khi ra khỏi cống với vận tốc
Vr=1,09(m/s), theo chiều ngang.
Thời gian để làm nước chạm đáy là:
tp =

2P
2.0, 5
=
= 0, 319( s)
g
9,81

Tầm phóng tương ứng:

L1 = Vr .t p = 1, 09.0,319 = 0,35

(m)

+ β = 0,75
+ Ln – chiều dài nước nhảy có thể tính theo công thức gần đúng Saphơranet
Ln = 4,5.hc’’ = 4,5.1,05 = 4,73m
⇒
Lb = 0,35 + 0,75 . 4,73 = 3,9 m
Vậy kích thước bể tiêu năng là db=0,5m, Lb=3,9 m
E. CHỌN CẤU TẠO CỐNG.
I. Cửa vào, cửa ra.
Cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng lưu, hạ
lưu.Thường bố trí tường hướng dòng hình thức mở rộng dần. Góc chụm của 2 tường
hướng dòng ở cửa vào lấy khoảng 18 0 – 230 hoặc lớn hơn. Góc chụm ở cửa ra không

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1


ĐỒ ÁN MƠN HỌC
CƠNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

vượt q 80 – 120 để tránh hiện tượng tách dòng. Các tường cánh có thể làm hạ thấp
dần theo mái. Cấu tạo cửa ra kết hợp với việc bố trí các thiết bị tiêu năng, cần bố trí

một đoạn bảo vệ kênh hạ lưu có chiều dài bằng Lsn .
II. Thân cống.
1. Mặt cắt:
Cống hộp thường làm bằng bê tơng cốt thép, đổ tại chỗ. Mặt cắt ngang có kết
cấu khung cứng thường làm vát các góc để tránh ứng suất tập trung. Chiều dày
thành cống xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và u cầu cấu
tạo Theo điều kiện chống thấm cần đảm bảo:
t≥

H
[J]

Trong đó:
+ H : là cột nước lớn nhất
+

[J]

[J]

=

2, 2
= 0,157
14

H = 2,2 m

: là gradien cho phép về thấm của vật liệu bê tơng:

[J]

= 10 –15

ở đây ta chọn
= 14
Chọn t=0,5m
2. Phân đoạn cống:
Khi cống dài, cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn để tránh rạn nứt
do lún khơng đều. Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất nền và tải trọng trên
cống, thường khoảng 10 – 20 m.
Tại khe nối cần đặt thiết bị chống rò nước. Thiết bị chống rò bằng tấm kim
loại dùng cho tấm ngang và tấm đứng của cống hộp có cấu tạo như hình vẽ dưới
đây:
5

2

a-

3

1
4

4
1

b-

2

Hình 4 : Sơ đồ khớp nối của cống hộp bằng bê tông

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

a – Nối tấm ngang
b – Nối tấm đứng
1 - Bao tải tẩm nhựa đường
2 - Đổ nhựa đường
3 - Tấm kim loại hình Ω
4 - Tấm kim loại phẳng
5 - Vữa đổ sau

Khi cột nước tác dụng không cao có thể làm thiết bị chóng rò tại khớp nối kiểu dây
thừng tẩm nhựa đường.
3. Nối tiếp thân cống với nền:
Cống hộp có thể đổ trực tiếp trên nền hay trên lớp bê tông lót dày 10 - 15cm,
khi nền không phải là đá và tải trọng lên cống lớn thì cần phải tăng bề rộng đáy cống
để hạn chế ứng suất đáy móng.
4. Nối tiếp thân cống với đập:
Thường dùng đất sét nện chặt thành một lớp bao quanh cống dày 0,5 – 1m.
Tại chỗ nối tiếp các đoạn cống, làm thành các gờ để nối tiếp cống với đất đắp được

tốt hơn.
III. Tháp van:
Vị trí tháp van được kiểm tra thông qua tính toán thủy lực cống và đảm bảo
các yêu cầu khác. Trong tháp, thường bố trí van công tác và van sửa chữa sự cố, cần
bố trí lỗ thông hơi khi cần thiết (khi có mực nước nhảy trong cống và chiều sâu mực
nước nhảy xấp xỉ tới trần cống).
Mặt cắt ngang tháp thường làm dạng chữ nhật. Chiều dày thành cũng được
xác định theo điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo. Thường
thành tháp có chiều dày thay đổi (kiểu giật cấp) theo sự thay đổi của áp lực ngoài.
Phía trên tháp có nhà để đặt máy đóng mở và thao tác van, có nhu cầu công tác nối
tháp van với đỉnh đập hoặc bờ.
Khi thiết kế tháp van cần chú ý tới yêu cầu kiến trúc, tạo cảnh quan đẹp phục
vụ các mục đích dân sinh kinh tế khác.
F. TÍNH TOÁN KHẨU DIỆN CỐNG.
I. Mục đích tính toán:

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

Xác định nội lực trong các bộ phận cống ứng với các trường hợp làm việc
khác nhau để từ đó bố trí cốt thép và kiểm tra tính hợp lý của chiều dày thành cống
đã chọn.
II. Trường hợp tính toán: Cần tính toán cống với các trường hợp làm việc khác
nhau.

Khi mới thi công xong, trong cống chưa có nước.
Khi thượng lưu là MNDBT, cống mở để lấy nước.
Khi thượng lưu là MNDGC, cống đóng.
Khi có động đất vv…
Trong đồ án chỉ yêu cầu tính toán ngoại lực tác dụng lên một mặt cắt cống( mặt cắt
ở giữa đỉnh đập)
III. Xác định các ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống. (Trường hợp cống hộp,
tính cho 1mét chiều dài).

y

MNDBT

B=10m
m2 =
3,5

Bc

m1 =4

h1

m1 =
3,75

h3

o

L

Ta xác định phương trình của đường bão hòa là:
Y = h32 −

Ta có :

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

2q
X
Kd


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG


h12 − h32 − Z 02
q = K 0
2δ sin α


h32 − a02
q
=
K


d
2( L − m1h3 − m2' a0 )


a
q = K d ' 0
m2 + 0.5


L: chiều dài tính từ điểm đầu đường bão hòa đến cuối cống.
Ta giải hệ phương trình trên bằng cách thử dần các giá trị q, h3, a0 :
- Xác định các đại lượng trong hệ phương trình trên :
+ Các hệ số thấm đất đắp đập dùng trong thiết kế :
Kđ = 10-5 m/s , K0 = 4.10-9 m/s.
+ Chiều cao mực nước thượng lưu đập :
h1 = MNDGC – Zđc =( MNDBT+Hmax) – Zđc
= 33+3 – 16,88=19,12(m)
Với Zđc : là cao trình đỉnh cống, Zđc= Zcv+Hc+2t=13,68+2,2+2.0,5=16,88(m)
+ Chiều dài tính toán :
L = m1.(Zđđ –Zđc) + Bđập+m2.(Zđđ –Zcơ) +Bcơ+3,75.(Zcơ –Zđc)
= 4 .(39-16,88) + 10+3,5.(39-24)+3+3,75.(24-16,88)= 180,68 m.
+ Hệ số mái dốc của thượng hạ lưu :
m1 = 4 ; m2’ = 3,75
+ Độ dày trung bình của tường nghiêng :
δ=

δd + δc
2

=

3+7
= 5m
2

+ Xác định Z0 :
Theo sơ đồ hình vẽ ta có : Z0 =
Trong đó :
tg α =

δ cos α

1
1
1
=
= = 0.25
cot gα m1 4
→

= 5.0,97 = 4,85m.

sin α = 0, 24
α
cos = 0,97;
- Thay tất cả các giá trị trên vào hệ phương trình và giải hệ ta có:
SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
MAI

GVHD:Ths. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

2
2
2

−9 19,12 − h3 − 4,85
q
=
4.10
.

2.5.0, 24


h32 − a02
−5
q
=
10
.

2. ( 180, 68 − 4.h3 − 3, 75.a0 )


a0

q = 10−5.
3, 75 + 0,5


Giải hệ trên ta được:
h3 = 4,2 m.
a0 = 0,229 m.
q = 5,4.10-7 (m3/s_m)
Vậy ta có phương trình đường bão hòa là:
Y = h32 −

2q
X
Kd

⇔ Y 2 = h32 −

⇔

2q
X
Kd

2

2

Y = 4,2 -

2.5, 4.10−7

10−5

X = 17,64 – 0,108X

1. Áp lực đất:
a. Trên đỉnh: Được xác định như sau.
q1 = K.∑γiZi
Trong đó:
+ Zi và γi : tương ứng là chiều dày và dung trọng của các lớp đất đắp
trên đỉnh cống( phần trên đường bão hòa tính theo dung trọng tự nhiên; phần dưới
đường bão hòa tính theo dung trọng đẩy nổi)
Trong đồ án này ta tính toán cho một mặt cắt cống ở giữa đỉnh đập
Ta có: XA=(Zđđ-Zđc).m1+

B
2

- h3.m1=(39-16,88).4+5 – 4,2.4 =76,68(m)

17, 64 − 0,108.76, 68

YA = Z2=
= 3,1(m)
 Chiều dày lớp đất trên đường bão hòa là: Z1=(39-16,88) – 3,1=19,02m
 Chiều dày lớp đất đập dưới đường bão hòa là :Z2=3,1m
Đất đắp đập có các chỉ tiêu sau:

SVTH: Nguyễn Tấn Lâm- 53CTL1