Quy trình thiết kế cống lắp ghép

ĐỀ TÀI CẤP BỘ
QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
CỐNG LẮP GHÉP

Tác giả: Ths. Phan Thanh Hùng
Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam

1


MỤC LỤC
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỐNG LẮP GHÉP......................................................3
1.1. Đặc điểm chung của kết cấu cống lắp ghép.....................................................3
1.2. Cấu tạo cống lắp ghép...........................................................................................3
1.3. Nguyên lý chống xói hạ lưu công trình............................................................5
1.4. Công nghệ thi công...........................................................................................6
II. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ CỐNG LẮP GHÉP..........................................................6
2.1. Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản.............................................................6
2.2. Chọn tuyến và vị trí xây dựng cống.................................................................7
2.3. Tính toán thuỷ lực cống....................................................................................7
2.4. Tính toán khẩu diện cống..................................................................................8
2.5. Tính toán tiêu năng phòng xói..........................................................................9
2.6. Tính toán ổn định kết cấu cống......................................................................10
2.7. Tính toán kiểm tra ổn định tổng thể công trình..............................................13
2.8. Thiết kế chi tiết kết cấu các bộ phận công trình.............................................19
2.9. Tính toán kết cấu cầu giao thông....................................................................20
2.10. Tính toán kết cấu cửa van.............................................................................22
2.11. Tính toán hiệu quả đầu tư và so sánh kinh tế...............................................39

2

DỰ ÁN SXTN CẤP BỘ
“HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THI CÔNG
CỐNG LẮP GHÉP BẰNG BTCT VÀ BTCT DỰ ỨNG LỰC Ở ĐBSCL”
(2012 - 2014)

B¸O C¸O: Quy tr×nh TÝNH TO¸N thiÕt kÕ cèng l¾p ghÐp
Nội dung quy trình tính toán thiết kế cống lắp ghép là: Nghiên cứu xây
dựng chỉ dẫn thiết kế kết cấu cống lắp ghép bằng cừ bêtông cốt thép hoặc cừ
BTCT dự ứng lực trong xây dựng công trình thuỷ lợi nhằm phục vụ yêu cầu
thực tiễn sản xuất ở ĐBSCL.
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỐNG LẮP GHÉP
1.1. Đặc điểm chung của kết cấu cống lắp ghép
+ Kết cấu cống lắp ghép bằng BTCT và BTCT dự ứng lực được thiết kế
theo nguyên lý “lắp ghép” bởi các cấu kiện chế tạo sẵn (cừ BTCT, BTCT dự
ứng lực, dầm van, cửa van, cầu giao thông,...) và “liên kết” chịu lực tại hiện
trường.
+ Kết cấu cống lắp ghép sử dụng các loại vật liệu có khả năng chịu lực và
độ bền cao trong môi trường tự nhiên ĐBSCL như: BTCT mác cao có phụ gia
chống ăn mòn, thép không rỉ, vật liệu cao su tổng hợp, composite,... Ngoài ra,
các hạng mục khác được xây đúc tại chỗ được sử dụng những loại vật liệu
thông thường.
+ Kết cấu cống lắp ghép bằng BTCT và BTCT dự ứng lực phục vụ xây
dựng công trình đầu hệ thống kênh cấp 2, khẩu độ khoang cửa cống Bc =
3÷15m. Tuỳ thuộc yêu cầu vận hành và quy mô công trình để chọn loại cửa van
phù hợp. Nếu thường xuyên đóng mở điều tiết nguồn nước tưới tiêu, chọn kết
cấu cửa van cánh cửa tự động thủy lực hoặc cửa van phẳng để điều tiết nước
qua công trình. Nếu khẩu độ khoang cửa lớn, số lần vận hành ít thì chọn loại
cửa clape trục dưới là kinh tế nhất.
1.2. Cấu tạo cống lắp ghép

Kết cấu cống lắp ghép là công trình ngăn sông được ổn định nhờ hệ cọc và
cừ BTCT hoặc BTCT dự ứng lực đóng sâu vào nền theo hình thức liên kết “cọc
ngàm trong đất” khác với các cống xây dựng theo công nghệ cũ chịu lực dàn
trải trên toàn bộ bản đáy rộng.
 Tường ngăn mang cống: Có cấu tạo bao gồm 01÷02 hàng cừ BTCT hoặc cừ
BTCT dự ứng lực ghép nối liên tục với nhau qua khớp nối âm - dương tạo thành
3


một tường chắn nước thay thế kết cấu thân cống bằng BTCT đúc liền khối trên
hệ cọc chịu lực của kết cấu cống kiểu truyền thống.
Bằng việc sử dụng tường cừ BTCT thay thế cho kết cấu đập đất đắp trong
nước đã khắc phục được hạn chế của kết cấu cống xà lan, tường cừ vừa làm
nhiệm vụ ngăn nước đồng thời tham gia chịu lực làm tăng ổn định của trụ pin
cống và mỹ quan công trình.

Hình 1.1 - Mặt bằng thân cống BTCT lắp ghép

 Trụ pin cống: là kết cấu chịu lực chính của cống kiểu trụ đài cao gồm các cừ
và cọc BTCT đóng sâu vào đất nền theo phương dòng chảy, đầu các cọc cừ liên
kết với nhau bằng dầm BTCT đổ liền khối với tường ngăn mang cống. Trụ pin
cống kết hợp làm trụ nâng cầu trên cống. Trên trụ pin có bố trí các thiết bị vận
hành cửa van (tời kéo, xilanh thủy lực,…)

Hình 1.2 - Mặt bên trụ pin cống

 Kết cấu dầm khe van:

4

Dầm khe van để lắp đặt cửa
van có mặt cắt ngang hình chữ U
bằng BTCT, chụp lên đầu hàng
tường cừ chống thấm dưới đáy cống,
liên kết kín nước với hàng cừ bằng
cao su neopren dày 10÷15cm dạng
ống, trên bề mặt theo chiều dài của
dầm được thiết kế khe đáy bằng thép
không gỉ chôn sẵn trong bêtông để
thả dầm đáy của cửa van vào dầm
van bêtông. Dầm có thể được đúc
sẵn trong nhà máy hoặc thực hiện ở
hiện trường.

Hình 8. Mặt cắt dầm van

 Kết cấu chống thấm:
Kết cấu cống BTCT lắp ghép chống thấm dưới đáy công trình theo nguyên
lý “đường viền đứng”, dòng thấm đi theo hệ tường cừ có tác dụng chống xói
ngầm hiệu quả hơn 1,5÷2,0 lần so với nguyên lý chống thấm bằng “đường viền
ngang” của kết cấu cống truyền thống. Việc bố trí các hàng cừ vừa làm nhiệm
vụ chống thấm, vừa làm tường ngăn của cống làm giảm chi phí và tiết kiệm thời
gian thi công công trình.

Hình 1.4 - Sơ đồ nguyên lý chống thấm

1.3. Nguyên lý chống xói hạ lưu công trình
Kết cấu cống BTCT lắp ghép hạn chế thu
hẹp dòng chảy sông tự nhiên, mở rộng khẩu độ

cống Bc/Bs ≥ 0,70÷0,80 để giảm lưu tốc dòng
chảy qua công trình, hạn chế xói lở hạ lưu cống,
giảm diện tích chiếm đất xây dựng công trình và
ảnh hưởng môi trường tự nhiên trước mắt và lâu
dài. Kết cấu chống xói chỉ cần gia cố bằng thảm
đá hoặc thảm BTCT.

Hình 1.5 - Sơ đồ nguyên lý
chống xói hạ lưu

5


1.4. Công nghệ thi công
-

Thi công xây dựng cống giữa lòng sông chính tự nhiên (không đắp đê
quây và đào kênh dẫn dòng thi công như xây dựng cống truyền thống).

-

Sử dụng các thiết bị đóng cừ chuyên dùng mang tính phổ thông (búa
rung, búa đóng cọc, sàn đạo nhiều tầng dẫn hướng,…) để tăng độ chính
xác và chất lượng thi công công trình.

Kết cấu tổng thể của cống BTCT lắp ghép như hình sau:

9

9

8

8

5

3

4

1

1

2

1- Trụ pin

3- Dầm van

5- Cửa van

7- Rọ đá

2- Thân cống

4- Cừ chống thấm

6- Thiết bị đóng mở

8- Dầm liên kết

9- Cầu giao thông

Hình 1.6 - Chính diện kết cấu cống lắp ghép

II. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ CỐNG LẮP GHÉP
Quy trình công nghệ tính toán thiết kế kết cấu cống lắp ghép được tiến
hành theo các bước sau:
2.1. Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản
Để nghiên cứu tính toán thiết kế cống, trước hết từ nhiệm vụ công trình
cần phải xác định được các chỉ tiêu thiết kế bao gồm:
- Chiều rộng khoang cống tính toán :
Btt, m
- Cao trình đáy cửa van
:
∇đ, m
- Cao trình đỉnh cửa van
:
∇đc, m
- Tải trọng và quy mô cầu giao thông trên cống
- Chiều cao thông thuyền
- Thông số mực nước:
+ Tổ hợp 1: Tổ hợp giữ ngọt:
Mực nước đồng lớn nhất
: Zđmax, m
6


Mực nước ngoài sông nhỏ nhất

Chênh lệch mực nước
+ Tổ hợp 2: Tổ hợp ngăn mặn:
Mực nước đồng nhỏ nhất
Mực nước sông lớn nhất
Chênh lệch mực nước

: Zsmin, m
: ∆H1, m
: Zđmin, m
: Zsmax, m
: ∆H2, m

Tổ hợp mực nước tác dụng lên cửa van đưa vào tính toán và kiểm tra kết
cấu cửa là tổ hợp bất lợi nhất trong các tổ hợp đưa ra xem xét.
2.2. Chọn tuyến và vị trí xây dựng cống
o

o

Vị trí xây dựng cống: Vị trí xây dựng công trình thường được
lựa chọn là đầu kênh chính hoặc kênh cấp 2 trong hệ thống kênh rạch đã
được quy hoạch ở ĐBSCL.
Tuyến xây dựng cống: Việc lựa chọn tuyến xây dựng cống tuân
thủ theo các quy định trong các quy phạm thiết kế cống hiện hành nhằm
đảm bảo các mục tiêu về kinh tế và kỹ thuật hợp lý nhất: tiết kiệm kinh phí
đầu tư xây dựng, hạn chế ảnh hưởng đến môi trường và đời sống ổn định
của nhân dân, đảm bảo kết hợp thuận lợi cả giao thông thuỷ và giao thông
bộ qua công trình.

2.3. Tính toán thuỷ lực cống

+ Mục đích: Với bề rộng cống đã chọn, tính toán thủy lực qua cống nhằm
kiểm tra xem cống có đảm bảo tiêu được lưu lượng thiết kế Q tk không với
yêu cầu dòng chảy sau cống có vận tốc không gây xói lòng dẫn.
+ Chế độ thuỷ lực qua cống:
Dòng chảy qua cửa cống được tính như đập tràn đỉnh rộng. Tính toán
thuỷ lực dòng chảy qua cống bao gồm việc xác định khả năng tháo nước của
cống hoặc xác định kích thước khoang cửa cống để tháo được lưu lượng định
trước. Đập tràn đỉnh rộng là chảy ngập khi thoả mãn điều kiện sau:
hn  hn 

>
H o  H o  pg

h

h 

n
n
hoặc h >  h 
k
 k  pg

 hn 

Trị số  H  có thể lấy gần đúng khoảng 0,70÷0,80 hoặc tra đồ thị theo
 o  pg




hn
hệ số lưu lượng m ;  h  lấy gần đúng bằng 1,2÷1,4.
 k  pg
7


Trong đó:

Ho = H +

αvo2
là cột nước toàn phần trên đỉnh đập,
2g

vo: Lưu tốc dòng chảy thượng lưu trước đập,
hn = hh - P là độ sâu nước hạ lưu so với đỉnh đập,
P - chiều cao đập so với đáy hạ lưu,
hh - độ sâu hạ lưu,
hk - độ sâu phân giới,
α - hệ số sửa chữa động năng.
2.4. Tính toán khẩu diện cống
+ Trường hợp tính toán: Chọn khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, cần
tháo lưu lượng Q lớn.
+ Chọn cao trình ngưỡng cống: Có thể chọn bằng hoặc cao hơn đáy kênh. Để
tăng khả năng tháo nước cũng như năng lực vận chuyển của các phương tiện
lưu thông qua công trình nên chọn ngưỡng thấp. Thông thường, với kết cấu
cống này, cao trình ngưỡng cống chọn cao hơn cao trình đáy kênh khoảng
0,2÷0,30m để thuận tiện cho việc vận hành cửa van.
+ Hình thức ngưỡng cống: Ngưỡng cống chính là kết cấu dầm van trên đầu

hàng tường cừ chống thấm tại khoang cửa cống, ngưỡng cống thấp được chọn
là loại đập tràn đỉnh rộng.
+ Chiều rộng thoát nước (B c): Chiều rộng cống đảm bảo tiêu thoát nước vào
mùa ngăn lũ, ngăn mặn và kết hợp với giao thông thuỷ về mùa không cần ngăn
mặn, cho phép các phương tiện vận tải thuỷ qua lại an toàn, thuận tiện trong quá
trình vận hành và hạn chế chi phí xây dựng hạng mục công trình chống xói lở
hạ lưu công trình.
Từ công thức tính lưu lượng qua cống (theo công thức đập tràn đỉnh rộng
trạng thái chảy ngập):

Q = ϕ nϕ g BC h 2 g ( H 0 − h)

(m3/s)

ϕn - Hệ số lưu tốc khi chảy ngập phụ thuộc vào hệ số lưu lượng (Cumin),
ϕg - Hệ số co hẹp ngang, lấy theo QPTL C-8-76 (ϕg = 0,5.εo + 0,5),
Bc - Chiều rộng của cống,
Ho- Cột nước toàn phần tính từ ngưỡng tràn trở lên,
h - Chiều cao cột nước trên ngưỡng cống.
8


Zhp
Ho

hn

Hình 2.1 - Sơ đồ tính toán thuỷ lực

Suy ra:

Bc =

Q

ϕ n .ϕ g .h. 2.g .( H o − h)

Tra bảng được các hệ số : ϕn = 1, ϕg = 1 ;
Thay các giá trị : Ho, h; g = 9,81m/s2 vào công thức trên xác định được Bc.
Mặt khác, Chiều rộng thoát nước Bc phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:
-

Hệ số thu hẹp dòng chảy (k=Bc/Bk) = (0,75÷0,80) để không làm thay
đổi môi trường sông tự nhiên.

-

Thoát nước thuận lợi. Qmax > Qyc đảm bảo yêu cầu thoát nước.

-

Lưu thông thuỷ và quản lý vận hành công trình thuận lợi.

-

Lưu tốc lớn nhất trong kênh là Vmax < [Vkx] đảm bảo kênh không bị
xói.

2.5. Tính toán tiêu năng phòng xói
+ Trường hợp tính toán: Khi tháo lưu lượng qua cống với chênh lệch mực

nước thượng hạ lưu lớn.
-

Với cống lấy nước: Mực nước ngoài sông lớn hơn mực nước trong
đồng và phụ thuộc vào lưu lượng lấy vào. Cửa van được mở hoàn toàn và
nằm ngang với đáy kênh.

-

Với cống tiêu kết hợp dâng nước: Trường hợp mực nước ngoài sông
nhỏ nhất và mực nước trong đồng lớn. Khi tiêu nước, cửa van được mở
hoàn toàn và khi dâng nước (trường hợp ngăn lũ) thì đóng kín.

+ Lưu lượng tính toán tiêu năng:
-

Với cống lấy nước: Mực nước hạ lưu phụ thuộc vào lưu lượng lấy
vào, để xác định lưu lượng tính toán tiêu năng cần tính với các cấp lưu
lượng từ Qmin đến Qmax, với mỗi cấp độ Q, cần xác định độ mở cống a, độ

9


sâu liên hiệp hc” và độ sâu hạ lưu h h. Lưu lượng tính toán Q tt ứng với (hc”hh)max.
-

Với cống tiêu kết hợp dâng nước tưới: 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.

+ Tính toán thiết kế tiêu năng phòng xói:
Với kết cấu cống lắp ghép được xây dựng trong vùng dao động mực nước
thấp (∆z ≤ 0,50÷1,20m), khẩu độ cửa cống lớn, mức độ thu hẹp dòng chảy nhỏ
nên trong trường hợp vận hành cống dòng chảy qua công trình có lưu tốc không
thay đổi nhiều nên hạn chế tối đa hiện tượng xói lở bờ và đáy kênh phía thượng
hạ lưu công trình, đảm bảo lưu tốc qua công trình nhỏ hơn lưu tốc xói cho phép
của đất nền. Kết cấu công trình tiêu năng được chọn cũng là dạng thi công lắp
ghép ở trong nước, vật liệu phổ biến là rọ và thảm đá bọc PVC. Chiều dài gia cố
thượng và hạ lưu cống L1 = (2÷3)Bc.
2.6. Tính toán ổn định kết cấu cống
Kết cấu cống lắp ghép bằng cừ bản BTCT là một dạng công trình ổn định
trên hệ cọc ngàm vào đất nền, phần mềm sử dụng tính toán là chương trình
SAP2000, mô phỏng các lớp đất nền bằng hệ số Spring. Hệ số spring được xác
định theo phương pháp xấp xỉ phản lực nền (Reese-Matlock). Trong phương
pháp này xem đất quanh cọc như môi trường đàn hồi biến dạng tuyến tính tác
dụng vào cọc giống như một dẫy lò xo đàn hồi độc lập tuyến tính.
Theo mô hình này, đất nền được thay thế bằng một loạt các lò xo đàn hồi
x
độc lập nhau có độ cứng xác định theo công thức: K x = K h . 

4

L

Kh: Giá trị của Kx tại x = L ; x: Độ sâu một điểm nào đó dọc theo cọc
Kh = Ks.B, B - Bề rộng của cọc
Việc xác định nội lực trong cừ khi chịu tác dụng của tải trọng ngang chủ
yếu phụ thuộc vào giá trị môđun phản lực nền K h của lò xo. Với đất sét Kh tỷ lệ
với độ sâu.
Ks = S1.As + S2.Bs.Zn

Trong đó: đối với cọc tròn S1 = 1,3÷1,7 ; S2 =2÷4,4
n: Hệ số, n = 0,4
10


As, Bs l cỏc h sụ c biờu din bng cụng thc:
As = 40.(C.Nc.Sc + 0,5..B.N.S)
Bs = 40..Nq.Sq
Vi Sc, S, Sq l cỏc h sụ ; Nq, Nc, N = F(C, , )
- Sau khi xỏc inh c Ks bng cỏch lõp bng tớnh, s dng phn mm
SAP2000 a thụng sụ Ks vo xỏc inh c ni lc v chuyờn vi trờn
cỏc kt cu cụng trỡnh.
P

P
M

Q

y

Mặt đất

M

Q

y

Mặt đất

Lò xo đàn hồi
kh =p/y

Phản lực của đất p
p=k x . yx

Cọc tr ớc khi
chịu tải trọng

Cọc có độ cứng EJ

Cọc bị biến dạng d ới
tác dụng của tải trọng

x

(a)

x

(b)

Hỡnh 2.2 - S ụ lm viờc ca cc trong õt nn

- Ti trng a vo bi toỏn l ỏp lc nc phớa ngoi sụng v trong ụng,
trng lng bn thõn cụng trỡnh, ti trng do cỏc thit bi lp t trờn tr
pin, ỏp lc do súng, giú,...
- p lc nc ngoi sụng tỏc dng lờn c tai mt iờm:
Trong ú:

Ptl=.Htl

+ : dung trng riờng ca nc = 1tn/m3
+ Htl chiu sõu ct nc tai iờm tớnh toỏn.

- p lc nc trong ụng tỏc dng lờn c tai mt iờm:
Trong ú:

Phl= .Hhl

+ : dung trng riờng ca nc = 1tn/m3
+ Hhl chiu sõu ct nc tai iờm tớnh toỏn.

- Lc tỏc dng lờn tr: S ụ lc tỏc dng vo tr thờ hin hỡnh v 2.3:
+ p lc nc tỏc dng vo ca van rụi truyn vo tr (P1, P2)
+ p lc nc phớa thng ha lu tỏc dng trc tip vo tr (P3, P4)
11


+ Trọng lượng khối bêtông do lan can, mặt cầu, dầm cầu, xà mũ, trụ pin
truyền xuống trụ (P5)
+ Tải trọng gió (P6)
+ Tải trọng do va thuyền (P7)

T2

Hình 2.3 - Sơ đồ các lực tác dụng lên trụ pin cống cửa van clape

12

Hình 2.3 - Sơ đồ các lực tác dụng lên trụ pin cống cửa van tự động

Kết quả tính toán trong trường hợp bất lợi nhất để xác định:
- Mmax1: Mô men tính toán lớn nhất trong cừ làm trụ pin cống
- Mmax2: Mô men tính toán lớn nhất trong cừ làm tường thân cống
- δy

: Chuyển vị tính toán lớn nhất theo phương ngang của trụ pin

- δz

: Chuyển vị tính toán lớn nhất theo phương đứng của trụ pin

Để tăng độ chính xác và thuận tiện trong tính toán thiết kế có thể sử dụng
chương trình Plaxis (Hà Lan) để xác định chuyển vị và biến dạng các hạng mục
công trình cống. Sử dụng chương trình này có thể mô phỏng toàn bộ các kết cấu
công trình bao gồm cọc cừ, hệ cọc neo, địa hình, địa chất, thủy lực dòng chảy,...
sự tương tác giữa các yếu tố liên quan và nền công trình.
2.7. Tính toán kiểm tra ổn định tổng thể công trình
Có nhiều phương pháp để tính ổn định của hệ bao gồm tường cừ bản, khối
đất nền phía trước và sau lưng tường. Trong đó phương pháp thường dùng nhất
là kiểm tra sự ổn định dựa trên việc xem xét cân bằng dẻo giới hạn. Điều kiện
cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch chuyển cắt bắt đầu và biến
13


dạng trượt cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi. Cần đánh giá các lực hay
mômen tác dụng lên kết cấu công trình và tiến hành so sánh các lực cắt tác dụng

dọc theo mặt trượt với sức chống cắt có khả năng tạo ra bởi đất. Tuỳ theo giả
thiết hình dạng mặt trượt (phẳng, cung tròn, hoặc các dạng không theo quy tắc,
phù hợp với thực tế) và các lực tác dụng mà đưa ra các công thức tính toán phù
hợp.
* Kiểm tra lật đối với điểm neo:
Theo giáo trình công trình bến cảng, cừ có neo (Hình 2.4) được ổn định
nếu tổng mômen lật và tổng mômen giữ đối với điểm neo thỏa mãn điều kiện:
Ml ≤ m . Mg
Ml = Ea . l + Hw . a
Mg = Ep . S + T (H - hk +D)
qo
hk
H
a

H-hk

HW

S
D

l
Ea

Ep
T

Hình 2.4 - Sơ đồ tính toán ổn định lật tường cừ

Trong đó:
m

: Hệ số điều kiện làm việc,

Ml

: Tổng mômen lật quanh điểm neo,

Mg

: Tổng mômen giữ quanh điểm neo,

Ea

: Tổng áp lực chủ động của đất,

Ep

: Tổng áp lực bị động của đất,

l

: Cánh tay đòn của lực Ea đối với điểm neo,
14


S

: Cánh tay đòn của lực Ep đối với điểm neo,

Hw

: Tổng áp lực sóng tác dụng vào tường cừ,

a

: Cánh tay đòn của Hw đối với điểm neo,

H

: Chiều cao trước tường cừ,

hk

: Khoảng cách từ tường cừ đến điểm đặt neo,

D

: Chiều sâu chôn cừ,

T

: Lực ma sát ở mũi cừ T = Q . tg

Q

: Trọng lượng cừ.

* Kiểm tra ổn định trượt phẳng:

Trượt phẳng của cừ có neo được xét đến cả khối đất giữa cừ và bản neo
(Hình 2.5). Điều kiện để ổn định là:

i =1

i

+ E a + H w ≤ m( E p + W n )
lq

b1

qo

W2

W3

W4

G3

G4

Ea

βi

α3

G1

q

ϕ

G2

W1
HW

n −1

∑W

α2
Ep

α1

Hình 2.5 - Sơ đồ tính toán ổn định trượt phẳng tường cừ

Với

Ea ; Ep ; m - Có ký hiệu như trên, trị số m = 1,2

Wi với i = 1 ; 2 ; 3 ; ... n - 1, lực gây trượt trong từng nguyên tố thứ i có
chiều rộng bi nằm trong lăng thể trượt chủ động của đất do chính trọng lượng
bản thân Gi ; lực tính Ci ; góc trượt αi = (45o - ϕi/2) ; góc ma sát trong αi của
chính nguyên tố do sinh ra.

Gi

Ci bi

Wi = tg (α + ϕ ) − sin α + sin α . cos α .tgϕ
i
i
i
1
1
1
15


Wn - Lực giữ do lăng thể bị động của bản giữ neo, cũng tính tương tự như
trên, song cần thay αI = βn = 45o +

ϕi
2

* Kiểm tra ổn định trượt cung tròn:
Đối với bài toán kiểm tra ổn định tổng thể của tường cừ bản, phần mái dốc
của đất được tường cừ bản bảo vệ và do cọc đóng sâu vào trong đất nền nên khả
năng ổn định tổng thể của cả hệ thường đảm bảo. Do tường cừ bản được thiết
kế đảm bảo khả năng chịu lực uốn và cắt do tác dụng của áp lực đất tác dụng
lên tường nên khả năng mặt trượt cắt qua thân cọc xem như không xẩy ra. Vì
vậy, khả năng chỉ có thể xảy ra trượt sâu và mặt trượt xem như đi qua chân cừ
bản.
+ Tổ hợp tải trọng:
Theo tiêu chuẩn TCXDVN 285:2002, ổn định tổng thể tường cừ được tính

theo trạng thái giới hạn. Theo đó, mức độ an toàn của công trình về mặt ổn định
chống trượt được đánh giá thông qua hệ số an toàn như sau :
K = K min =

[ ]

K .n
R
≥ K cp = H c
N
m

Trong đó :
Kmin : Hệ số an toàn nhỏ nhất được tính toán,
R

: Tổng các lực tác động chống trượt,

N

: Tổng các lực gây trượt,

[Kcp] : Hệ số an toàn tối thiểu cho phép, được tính theo KH, nc và m,
KH

: Hệ số tin cậy phụ thuộc cấp công trình,

nc

: Hệ số tổ hợp tải trọng,

m

: Hệ số điều kiện làm việc.

Công trình chỉ được xem là đảm bảo an toàn chống trượt nếu thoả mãn
điều kiện : Kmin ≥ [Kcp]
+ Phương pháp tính toán :
Để tính ổn định cho mái dốc dùng phương pháp tính hệ số an toàn chống
trượt theo lý thuyết cung trượt tròn vẫn được dùng phổ biến để đánh giá ổn định
của các mái dốc trong các công trình.

16


αi

α

∆

α

α

α

Hình 2.6 - Sơ đồ tính toán ổn định trượt cung tròn

Nội dung của phương pháp đó như sau: Xét bài toán phẳng, chọn trước

một cung trượt của mái đất (hoặc của nền) và khảo sát sự cân bằng của lăng thể
trượt này (xem như vật thể không biến dạng).
Để kiểm tra sự cân bằng của lăng thể trượt này, trước tiên người ta phân
mảnh lăng thể trượt bằng các mặt song song thẳng đứng.
Giả sử xét một mảnh i nào đó, trọng lượng g i của mảnh (bao gồm tải trọng
ngoài nếu có) được phân tích ra thành 2 thành phần lực g i.sinαi đẩy trượt mảnh
đó, ngược lại lực gi.cosαi gây ra ma sát gi.cosαi.tgϕ giữ mảnh đó lại. Ngoài ra,
lực dính trên đoạn cung ∆li của mảnh đó là C.∆li cũng có tác dụng giữ nó lại.
Lấy mômen đối với tâm trượt O ta có:
n

Mômen đẩy trượt lăng thể đất :

M day = ∑ R.g i . sin α i
i =1

n

Mômen giữ lăng thể đất : M giu = ∑ R.( g i .tgϕ cos α i + C.∆li )
i =1

Vậy ta có thể đánh giá mức độ ổn định của mái đất qua hệ số ổn định K, trị
n

số của nó là :

K=

M giu
M day

=

∑ R( g .tgϕ . cosα
i =1

i

i

+ C∆l i )

n

∑ R.g . sin α
i

i

Nếu mặt trượt là một cung tròn khác, tâm O, bán kính R, theo công thức
trên ta sẽ xác định được một hệ số ổn định K 1 ứng với nó. Điều khó khăn nhất ở
17


đây là trong vô số mặt trượt khả dĩ, ta phải tìm được mặt trượt nguy hiểm nhất,
nó cho ta giá trị nhỏ nhất K = Kmin
n

K=

∑ R( g .tgϕ . cos α
i =1

i

i

+ C∆l i )

n

∑ R.g .sin α
i

i

Cách tính toán trên sẽ mất rất nhiều thời gian và công sức. Trước đây, để
hạn chế khối lượng tính toán và nhanh chóng xác định được tâm, bán kính cung
trượt người ta thường làm theo kinh nghiệm. Ngày nay với sự hỗ trợ của máy
tính, người ta đã xây dựng được rất nhiều phần mềm khác nhau để tính toán
kiểm tra được khối lượng rất lớn tâm trượt với bán kính cung trượt khác nhau
và nhanh chóng tìm ra tâm cung trượt nguy hiểm nhất. Một số phần mềm tính
toán hay được sử dụng hiện nay như : Phần mềm Sage Crisp (Đại học Cambrige
- Anh quốc), phần mềm Geo-SLOPE/W Version 6.02 của Canada.
* Kiểm tra ổn định thấm:
Kết cấu cống lắp ghép được chống thấm bởi hàng cừ BTCT đóng sâu vào
nền và cửa van tại lòng kênh với chênh lệch cột nước là H=0,50÷1,20m. Màng
chống thấm cho công trình là hàng tường cừ dưới dầm van và hai bên mang
cống. Ổn định thấm công trình được tính theo phương pháp phần tử hữu hạn
cho dòng thấm ổn định (sử dụng phần mềm tính thấm SEEPW-GEO-SLOPE

V6.02).
Kết quả tính toán được lưu lượng nước thấm qua công trình (Q max) và
Gradient thấm lớn nhất (Jmax). So sánh với các giá trị cho phép tương ứng với
địa chất đất nền công trình để thiết kế kết cấu chống thấm phù hợp.

18


4
3

+2.00

+1.50

2

+0.95

1
0

-0.34

-1
-2

-3.70

-3

-4
-5

3 .0 2 7 8 e - 0 1 0

C ao ủoọ (m)

-6
-7
-8
-9
-10
-11

0 .00 .06 8

0 .1 4

0 .0 2

0 .0 4

-12

0 .0 8

-13

0 .3

4

-14
-15
-16
-17

0 .0 4

-18
-19
-20
-21
-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Khoaỷng caực h (m)

Hỡnh 2.7 - Gradien thõm di nn cng tinh bng phn mm SEEPW

* Kim tra n nh xoi ha lu cng:
Chờnh lch ct nc thng ha lu cụng trỡnh khụng ln, khu vc xõy
dng cụng trỡnh cú biờn triu thp. Lu lng thỏo qua cụng ln nht Q max
c xỏc inh theo kt qu tớnh toỏn thy lc. Võn tục dũng chy qua cụng
tng ng vi lu lng ln nht: Vmax = Qmax/
Trong ú:
- : Din tớch mt ct ngang cụng tng ng vi mc nc cao nht.
- = Bc x hmax . Thay sụ xỏc inh c Vmax
Lu tục dũng chy ln nht qua cụng phi m bo iu kin nho hn lu
tục cho phộp khụng xúi tng ng vi ia cht t lũng kờnh [Vkx].
2.8. Thit k chi tit kt cu cac b phõn cụng trỡnh
T kt qu tớnh toỏn kt cu cụng trỡnh trong Mc 2.6, tin hnh thit k
chi tit kt cu cỏc b phõn cụng trỡnh, c thờ gụm:
19


2.8.1. Thiết kế các cấu kiện đúc sẵn:

Cừ bản, cọc BTCT, khoang cống BTCT đúc sẵn, dầm van, dầm cầu,… Qua
tính toán xác định được kích thước mặt cắt ngang hợp lý, bố trí cốt thép và trình
tự vận chuyển thi công.
2.8.2. Thiết kế các cấu kiện BTCT đúc tại chô:
Dầm ốp đầu cừ, trụ đỡ cầu giao thông: Trình tự tính toán các cấu kiện trên
tuân theo các quy phạm và quy chuẩn xây dựng hiện hành.
2.9. Tính toán kết cấu cầu giao thông
Tính toán thiết kế cầu giao thông trên cống theo Tiêu chuẩn 22TCN 27205, các bộ phận kết cấu được tính toán thiết kế theo phương pháp trạng thái giới
hạn. Các bộ phận cần kiểm toán gồm: mố cầu, trụ cầu, dầm cầu,…
2.9.1. Các trường hợp tải trọng
a. Hoạt tải xe:
•

Hoạt tải xe ô tô thiết kế: Hoạt tải xe ô tô trên mặt cầu hay kết cấu phụ trợ
được đặt tên là HL-93 sẽ gồm tổ hợp của:

- Xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế và
- Tải trọng làn thiết kế.
So sánh giữa hai tổ hợp này và lấy giá trị bất lợi nhất
•

Xe tải thiết kế: cự ly giữa 2 trục 145kN phải thay đổi giữa 4300÷9000mm
để gây ra hiệu ứng lực lớn nhất.

Hình 2.8 - Đặc trưng của xe tải thiết kế
•

Xe 2 trục thiết kế: gồm một cặp trục 110kN cách nhau 1200mm, cự ly
chiều ngang của các bánh lấy bằng 1800mm.
20

•

Tải trọng làn thiết kế: gồm tải trọng 9,3kN/m phân bố đều theo chiều dọc.
Theo chiều ngang cầu được giả thiết là phân bố đều trên chiều rộng
3000mm.

b. Tải trọng động cho phép: Tác động tĩnh học của xe tải hay xe hai trục không
kể lực ly tâm và lực hãm phải tăng thêm một tỷ lệ phần trăm cho tải trọng động
cho phép, cụ thể:
•

- Mối nối bản mặt cầu: 75%

•

Các cấu kiện khác:

- Trạng thái giới hạn mỏi và giòn: 15%
- Tất cả các TTGH khác: 33%
c. Các trạng thái giới hạn:
Cấu kiện BTCT ứng suất trước phải được kiểm tra ứng suất và biến dạng cho
từng giai đoạn có thể là tới hạn trong quá trình thi công, vận chuyển và lắp ráp
cũng như trong quá trình khai thác. Cụ thể, mỗi thành phần hoặc liên kết sẽ phải
thỏa mãn công thức sau ứng với mỗi TTGH:
η ∑ γ i Qi ≤ φRn = Rr

Trong đó:
η - hệ số điều chỉnh tải trong

γi - hệ số tải trọng
Qi - Tải trọng qui định
φ - hệ số sức kháng
Rn - sức kháng danh định
Rr - sức kháng tính toán = φRn
2.9.2. Xác định kích thước cầu:
- Xác định kích thước cầu nhịp cầu
- Xác định kích thước mặt cắt ngang cầu
- Xác định kích thước mặt cắt dầm cầu
- Xác định kích thước mố và trụ cầu
21


Hình 2.9 - Mặt cắt ngang cầu và mặt cắt ngang dầm

2.9.2. Tính toán kết cấu cầu:
- Tính toán kết cấu trụ cầu
- Tính toán kết cấu mố cầu
- Tính toán kết cấu dầm cầu
2.10. Tính toán kết cấu cửa van
Tính toán thiết kế cửa van cống bao gồm: tính toán kết cấu dầm chính, dầm
ngang, dầm đáy, bản mặt, cụm tai kéo cửa, cụm cối bản lề,... theo các tiêu chuẩn
và quy phạm hiện hành.
2.10.1. Yêu cầu thiết kế, chế tạo
Để đáp ứng nhiệm vụ chung của công trình, các thiết bị cơ khí cần đảm bảo
các yêu cầu sau đây:
- Kết cấu cửa van phải thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, quan trắc,
theo dõi, sửa chữa, thay thế các bộ phận và có độ tin cậy cao trong vận
hành.
- Phải đảm bảo hình dạng không phát sinh chân không đối với các cửa

van cho nước tràn qua và đảm bảo thông không khí dưới lớp nước tràn
đó.
- Phải chọn được vật liệu làm cửa van và biện pháp bảo vệ để cửa van
bền trong môi trường chua mặn, ẩm ướt.
- Quá trình thiết kế, chế tạo, lắp đặt và nghiệm thu phải tuân thủ điều
kiện kỹ thuật được lập trên cơ sở các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành.
2.10.2. Vật liệu chế tạo cửa van và ứng suất cho phép
a. Vật liệu chế tạo:

22


+ Kết cấu cửa van: Các chi tiết cửa van gồm dầm cửa, bản mặt cửa, trục
quay cửa, trục chốt, bu lông chắn, nẹp chắn nước, gờ tựa chắn nước được chế
tạo bằng thép CT3 hoặc thép không gỉ. Bản mặt cửa có thể bằng composite.
+ Đối với liên kết hàn: Các mối hàn bằng phương pháp hàn bằng tay dùng
que hàn loại ∋42 hoặc loại que hàn khác có các chỉ tiêu cơ lý tương đương, khi
hàn các chi tiết thép không gỉ phải dùng que hàn thép không gỉ.
+ Composite: là loại vật liệu mới có các đặc tính chống ăn mòn hoá học cao,
nhất là trong môi trường chua mặn. Thành phần chính gồm: sợi gia cường (sợi
thuỷ tinh), vật liệu nền (nhựa polyeste không no), chất độn, phụ gia, chất tạo
màu. Công nghệ vật liệu mới composite có những tính năng kỹ thuật hơn hẳn so
với một số loại vật liệu truyền thống khác như:
- Cứng hơn nhôm và vài loại thép theo phương dọc.
- Cường độ chịu va chạm đặc biệt cao
- Nhẹ hơn nhôm khoảng 30%
- Khả năng kháng ăn mòn cao đối với môi trường tự nhiên và nhiều loại
chất hóa học
- Không đòi hỏi phải bảo trì liên tục
- Phục hồi được hình dạng ban đầu dưới ứng suất cao

- Tạo hình dáng theo mong muốn.
+ Chắn nước cửa van: dùng loại cao su mềm hình tấm và dạng củ tỏi có các
chỉ tiêu cơ lý như sau:
: 180,0 kG/cm2

- Giới hạn ổn định khi kéo đứt
- Độ giãn dài tương đối không bé hơn

: 500%

- Độ giãn dài dư không lớn hơn

: 45%;

- Sức kháng rạn nứt không bé hơn

: 70 kG/cm2

- Độ cứng theo Shor không bé hơn

: 70,0

- Hệ số bỏ hóa theo “ghia” sau 144 giờ ở 70oC : 0,7
- Độ trương ở trong nước 70oC trong 24 giờ không lớn hơn: 2,0%
- Sức kháng mài mòn không lớn hơn: 450 cm3/KWg.Lo
- Độ đàn hồi

: 45 ÷ 65

- Trọng lượng riêng

: 1,04÷1,15 T/m3

b. Ứng suất và độ võng cho phép
+ Ứng suất cho phép của các loại vật liệu như sau:
23


Bảng 2.1: Ứng suất cho phép của kết cấu thép chế tạo cửa
TT
1
2
3
4

Loại ứng suất
Kéo, nén
Uốn
Cắt
Ép mặt

Vật liệu (kG/cm2)
CT3

Ký hiệu

SUS-304

1490
1565

895
2330

[σ]K
[σ]U
[τ]
[σ]em

2050
1000
4300

Bảng 2.2: Ứng suất cho phép đối với liên kết hàn
TT

Loại ứng suất

I
1
2
3
II

Mối hàn đối đầu
Kéo, nén
Uốn
Cắt
Mối hàn góc
Kéo, nén, uốn, cắt

Loại thép (kG/cm2)

Ký hiệu

CT3

SUS-304

1490
1565
895

2410
2540
1450

[RKh]
[Rgh]
[Rch]

1045

1685

[Rgh]

Composite thành phẩm dùng chế tạo bản mặt cửa van có tính chất cơ lý
không nhỏ hơn các giá trị dưới đây:
Bảng 2.3: Ứng suất cho phép đối với vật liệu composite
TT

Loại ứng suất

Đơn vị

Ký hiệu

Cường độ yêu cầu

1

Kéo

kG/cm2

[RKh]

650

2
3
4

Nén
Uốn
Dung trọng

kG/cm2
kG/cm2
kG/cm3

[Rgh]
[Rch]
g

1045
1035
1700

+ Độ võng cho phép
Cửa van làm việc trong dòng chảy. Độ võng tương đối của các dầm lấy
như sau (theo bảng 2.1):
- Dầm chính ngang

:

[f] = 1/600;

- Dầm công son

:

[f] = 1/300;

- Các bộ phận phụ của ô dầm

:

[f] = 1/250.

2.10.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng
Các tải trọng chính tác động lên cửa van bao gồm:
24


- Áp lực nước tĩnh

: hệ số tải trọng n1 = 1,1

- Áp lực sóng, gió

: hệ số tải trọng n2 = 1,2

Hệ số an toàn chung để tính toán kết cấu lấy: n = n1 x n2 = 1,32
Ta chọn trường hợp làm việc nguy hiểm nhất của cửa để tính toán kết cấu.
2.10.4. Tính toán cửa clape
Sơ đồ tổ hợp tải trọng tính toán cửa van được thể hiện trên hình vẽ sau:

Hình 2.10 - Sơ đồ tính cửa clape

a. Tính áp lực thủy tĩnh:
Áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cửa van clape theo sơ đồ trên. Tức là lúc cửa
đóng hoàn toàn và chịu một tải trọng cơ bản.
Dựa theo sơ đồ (Hình 2.10) ta có:
a=

HH
H
; b= T ; c=b-a
Sinα

Sinα

Áp lực nước toàn phần tác dụng lên cửa như sau:
2

H − HH
Ptt = PT − PH = γ .B. T
2 Sinα

2

Trong đó:
- γ : Khối lượng riêng của nước, T/m3
- B: Chiều rộng của cửa, m
- HT: Chiều cao cột nước ngoài sông, m
- HH: Chiều cao cột nước trong đồng, m
- α : Góc khi cửa được nâng lên vị trí cao nhất so với phương ngang,
25