đồ án môn học thủy công cống ngầm đề 52

Đồ án thiết kế cống ngầm

Đồ án môn học Thuỷ Công
THIẾT KẾ CỐNG NGẦM
Đề số: 52
A. TÀI LIỆU CHO TRƯỚC
I- Nhiệm vụ công trình:
Hồ chứa nước H trên sông S đảm nhận các nhiệm vụ sau:
1- Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác.
2- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân.
3- Kết hợp nuôi cá ở lòng hồ, tạo cảnh quan sinh thái và phục vụ du lịch.
II- Các công trình chủ yếu ở khu đầu mối:
1- Một đập chính ngăn sông.
2- Một đường tràn tháo lũ.
3- Một công đặt dưới đập để lấy nước.
III- Tóm tắt một số tài liệu cơ bản:
1- Địa hình: Cho bình đồ vùng tuyến đập.
2- Địa chất: Cho mặt cắt dọc tuyến đập, chỉ tiêu cơ lý của lớp bồi tích lòng sông
cho ở bảng 1. Tầng đá gốc rắn chắc, mức độ nứt nẻ trung bình, lớp phong hoá dày 0,5
÷ 1m.
3- Vật liệu xây dựng:
a- Đất: xung quanh vị trí đập có các bãi vật liệu A (trữ lượng 800.000m 3, cự ly
800m); B (trữ lượng 600.000m3, cự ly 600m); C (trữ lượng 1.000.000m 3, cự ly 1km).
Chất đất thuộc loại thịt pha cát, thấm nước tương đối mạnh, các chỉ tiêu như ở bảng 1.
Điều kiện khai thác bình thường.
Đất sét có thể khai thác tại vị trí cách đập 4km, trữ lượng đủ làm thiết bị chống
thấm.
b- Đá: khai thác ở vị trí cách công trình 8km, trữ lượng lớn, chất lượng đảm bảo
đắp đập, lát mái. Một số chỉ tiêu cơ lí : ϕ = 23o; n = 0,35 (của đống đá); gk = 2,5 T/m3
(của hòn đá).
c- Cát, sỏi: khai thác ở các bãi dọc sông, cự ly xa nhất là 3km, trữ lượng đủ làm

tầng lọc. Cấp phối như ở bảng 2.


Đồ án thiết kế cống ngầm
• Bảng 1- Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liêu đắp đập
Chỉ tiêu Hệ số
j (độ)
C (T/m2)
Độ ẩm
gk
rỗng n
W(%)
Tự
Bão
Tự
Bão (T/m3)
Loại
nhiên hoà nhiên hoà
Đất đắp đập
0,35
20
23
20
3,0
2,4
1,62
(chế bị)
Sét (chế bị)
0,42
22

17
13
5,0
3,0
1,58
Cát
0,40
18
30
27
0
0
1,60
Đất nền
0,39
24
26
22
1,0
0,7
1,59

Loại
Đất thịt pha cát
Cát
Sỏi

Bảng 2- Cấp phối của các vật liệu đắp đập
d (mm)
d10

d50
0,005
0,05
0,50

0,05
0,35
3,00

k
(m/s)
10-5
4.10-9
10-4
10-6

d60
0,08
0,4
5,00

4- Đặc trưng hồ chứa:
- Mực nước dâng bình thường: 30,7 m.
- Mực nước chết: 10,6 m
- Tràn tự động có cột nước trên đỉnh tràn Hmax = 3m.
- Vận tốc gió tính toán ứng với mức đảm bảo P%:
P%
2
3
5

20
30
50
V(m/s)
32
30
26
17
14
12
- Chiều dài chuyền sóng ứng với mực nước dâng bình thường: D = 3,4 (km); ứng
với mực nước dâng gia cường: D’= D+ 0,3 = 3,7 (km).
- Mực nước hạ lưu bình thường: 7,6 m
- Mực nước hạ lưu max: 9,2 m
- Đỉnh đập không có đường giao thông chính chạy qua.
5- Tài liệu thiết kế cống:
- Lưu lượng thiết kếlấy ứng với MNDBT: Qcống = 3,1 m3/s và MNC Qtk = 3,4 m3/s.
- Mực nước khống chế đầu kênh tưới: Zkt = 10,35 m.
- Tài liệu về kênh chính: hệ số mái m = 1,5, độ nhám n = 0,025, độ dốc đáy
i = 1/3000 – 1/5000.


Đồ án thiết kế cống ngầm

NỘI DUNG THIẾT KẾ
1- NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG:
1.1- Nhiệm vụ, cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế:
1.1.1- Nhiệm vụ:
- Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác.
- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân.

1.1.2- Cấp công trình:
a) Theo chiều cao công trình và loại nền :
Cao trình đỉnh đập:
MNLTK = MNDBT + d với d = 1,5 2,0 m chọn d =2 thay số ta có
MNLTK = 30,7 + 2 = 32,7 m.
Zđđ = MNLTK + d’ với d’ = 12 m, chọn d’ = 2m
Zđđ = 32,7 + 2 = 34,7 (m)
Từ mặt cắt địa chất tuyến đập C Zđáy đập = 6 m (có kể đến bóc bỏ 1 m )
Vậy chiều cao đập
H = Zđỉnh đập - Zđáy đập = 34,7 – 6 = 28,7 m
Tra QCVN 04-05-2012 → Cấp thiết kế là cấp II
- Bề rộng đỉnh đập chọn B = 5m
- Hệ số mái thượng lưu: m1= 0,05H + 2 = 0,05.28,7 + 2 = 3,44 -> chọn m1 = 3,5.
- Hệ số mái hạ lưu : m2 = 0,05H + 1,5 = 2,94 -> m2 = 3.
- Tại cao trình Z= 21, bố trí cơ có b = 3m, hệ số mái dưới cơ m3 = 3,25,
- Tại cao trình Z = 10,2 bố trí thiết bị thoát nước kiểu lăng trụ, hệ số mái trong m = 1,
hệ số mái ngoài m = 1,5
b) Theo nhiệm vụ của công trình: Tới cho 2650ha . Tra QCVN 04-05-2012 → Cấp
thiết kế là cấp II
So sánh 2 chỉ tiêu ta chọn cấp công trình cấp II


Đồ án thiết kế cống ngầm
1.

1.1.3- Chỉ tiêu thiết kế:
Từ cấp công trình, dựa vào quy phạm ta xác định được các chỉ tiêu cần thiết cho việc
thiết kế cống như sau:
- Tần suất mực nước lớn nhất trước hồ: P = 1%
- Tần suất gió lớn nhất: Pg = 25%

- Hệ số độ tin cậy: kn = 1,15
1.2- Chọn tuyến và hình thức cống:
1.2.1- Tuyến cống:
Phụ thuộc vào vị trí khu vực tưới tự chảy, cao trình khống chế tưới tự chảy, điều kiện
địa chất nền và quan hệ với các công trình khác. Ở đây vì đường tràn đổ sang lưu vực khác
nên có thể đặt cống ở bờ phải hay bờ trái đập đều được.
Khi chọn tuyến đặt cống cần lưu ý:
- Vì tầng phủ khá dầy nên ta đặt cống trên nền đất.
- Đáy cống ở thượng lưu chọn cao hơn mực nước bùn cát lắng đọng và thấp hơn mực
nước chết trong hồ.
1.2.2- 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 cống ngầm lấy nước không áp.
- Vật liệu làm cống là bê tông cốt thép; mặt cắt cống 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.
1.2.3- Sơ bộ bố trí cống:
Từ vị trí đặt cống và mặt cắt đập đất đã có, sơ bộ bố trí cống để từ đó xác định được
chiều dài cống (đoạn trước cửa van, sau cửa van), làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực
cống. Để sơ bộ xác định chiều dài cống, ta chọn cao trình đáy cống thấp hơn MNC 1(m), khi
đó chiều dài cống là L = 175 m ( trước van là 45 m, sau van là 130 m). Cao trình đáy cống sẽ
được chính xác hoá bằng tính toán thuỷ lực sau này.
2- THIẾT KẾ KÊNH HẠ LƯU CỐNG:
Kênh hạ lưu được thiết kế để làm căn cứ cho việc tính toán thuỷ lực cống.
2.1- Thiết kế mặt cắt kênh:
2.1.1- Mặt cắt kênh: được tính toán với lưu lượng thiết kế Q = 3,4 (m3/s).
2.1.2- Dựa vào điều kiện địa chất nơi kênh chạy qua (đất cát pha), sơ bộ chọn được
các chỉ tiêu sau:

Đồ án thiết kế cống ngầm
- Độ dốc đáy kênh: 2.10-4
- Độ nhám lòng kênh: 0,025.
- Hệ số mái kênh: m = 1,5.‍
2.1.3- Xác định bề rộng đáy kênh và chiều sâu nước trong kênh:
- Sơ bộ xác định vận tốc không xói:
VKX = K.Q0,1 = 0,53.3,40,1 = 0,599 (m/s)
Trong đó:
+ Q: lưu lượng của kênh (m3/s): Q = 3,4 (m3/s).
+ K: hệ số phụ thuộc đất lòng kênh, với cát pha, K = 0,53.
- Sơ bộ định chiều sâu h, theo công thức kinh nghiệm:
h = 0,5.(1 + VKX). 3 Q = 0,5.(1 + 0,599). 3 3, 4 = 1,202 (m)
- Xác định b theo phương pháp đối chiếu mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực:
f(Rln) =

4.m0 . i
8, 424. 2.10−4
=
= 0,035
Q
3, 4

Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,88(m).
h

1, 202

→ R =
= 1,366

0,88
ln
Tra phụ lục (8-3), bảng tra thuỷ lực ta có:
b
= 4,35→ b = 4,35.0,88= 3,83 (m)
Rln
3,83
b
=
= 3,2 > 2 chọn b = 2,5 m
1, 202
h
b
h
2,5
⇒
=
=2,84 tra bảng thuỷ lực ⇒
=1,62 ⇒ h=0,88.1,62=1,43 m
Rln 0,88
Rln

Kiểm tra:

Kiểm tra:

2,5
b
=
= 1,75 < 2 => Thỏa mãn

1, 43
h

2.2- Kiểm tra điều kiện không xói:
Vì kênh dẫn nước từ hồ chứa nên hàm lượng bùn cát trong nước nhỏ, không cần kiểm
tra điều kiện bồi lắng. Ngược lại, cần kiểm tra điều kiện xói lở:
Vmax < VKX
Trong đó: Vmax là lưu lớn nhất trong kênh, tính với lưu lượng Qmax.
Qmax = K.Q = 1,2.3,4 = 4,08 (m3/s)
K là hệ số phụ thuộc Q, lấy bằng 1,2
Ta tính độ sâu dòng chảy trong kênh ứng với Qmax:


Đồ án thiết kế cống ngầm
f(Rln) =

4.m0 . i
8, 424. 2.10−4
=
= 0,0292
Qmax
4, 08

Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,95 (m).
b

h

2,5

→ R =
= 2,632 → R = 1,657→ h = 1,657.0,95 = 1,6 (m)
0,95
ln
ln
Có: ω = (b + m.h ).h = (2,5+ 1,5.1,6).1,6= 7,84 m2.
→ Vmax =

4, 08
Qmax
=
= 0,52 (m/s)
7,84
ω

Ta thấy: Vmax = 0,552 (m/s) = VKX = 0,599 (m/s) → thoả mãn điều kiện không xói.
2.3- Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lưu lượng:
Tính toán theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực, ta có:
- Với Q = 3,4 (m3/s) → h = 1,43 (m), (tính ở trên).
- Với Q = 3,1 (m3/s)
4.m0 . i
8, 424. 2.10−4
f(Rln) =
=
= 0,038.
Q
3,1

Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,025 ta có: Rln = 0,86(m).
b

2,5

h

→ R =
= 2,91→ R = 1,61 → h = 1,61.0,86 = 1,38(m).
0,86
ln
ln
Để đảm bảo yêu cầu tưới tự chảy ta phải chọn cao trình đáy kênh là:
Zđk ≥ Zkc – hmin = 10,35 – 1,38 = 8,96 m. Ta sẽ chọn sau.
3- TÍNH KHẨU DIỆN CỐNG:
3.1- Trường hợp tính toán:
Khẩu diện được tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ và
lưu lượng lấy nước tương đối lớn. Thường tính với trường hợp MNC ở thượng lưu còn
hạ lưu là mực nước khống chế đầu kênh tưới Z kc, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu
khi đó sẽ là:
[∆Z] = MNC - Zkc = 10,6 – 10,35 = 0,25 (m).


Đồ án thiết kế cống ngầm
Lúc này, để lấy đủ lưu lượng thiết kế, cần mở hết cửa van. Sơ đồ tính toán như

trên hình 1.
Hình 1: Sơ đồ tính toán thuỷ lực xác định khẩu diện cống
Trong đó:
+ Z1: tổn thất cột nước ở cửa vào.
+ Zp: tổn thất do khe phai (nếu có).
+ Zl: tổn thất qua lưới chắn rác.

+ Zv: tổn thất qua tháp van.
+ Z2: tổn thất ở cửa ra.
3.2- 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:
ΣZi ≤ [∆Z]
Trong đó:
ΣZi = Z1 + Zp + Zl + Zv + Z2 + i.L
Với: + i: độ dốc dọc cống.
+ L: tổng chiều dài cống L = 175 m.
Trị số bc được tìm bằng phương pháp đúng dần: cho b c, xác định các trị số tổn
thất Zi, sau đó thử lại theo điều kiện trên.
Với mỗi trị số bc, các tổn thất cột nước được xác định như sau:
3.2.1- Tổn thất cửa ra: dòng chảy từ bể tiêu năng ra kênh hạ lưu coi như sơ đồ đập tràn
đỉnh rộng chảy ngập, khi đó:
Q2
α .Vb2
Z2 =
2.g.(ϕ n .b.hh ) 2
2.g
Trong đó:
+ b: bề rộng ở cuối bể tiêu năng, ta chọn bằng bề rộng kênh b = 2,5 (m).
+ hh: chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng tính toán Q = 3,4 (m3/s).


Đồ án thiết kế cống ngầm
hh = 1,42 m
+ ϕn: hệ số lưu tốc (trong trường hợp chảy ngập), ϕn = 0,96.
+ Vb: lưu tốc bình quân trong bể tiêu năng. Giả thiết chiều sâu bể d = 0,5 (m).
Q

3, 4

→ Vb = ω =
= 0,705 (m/s).
2,5.(0,5 + 1, 43)
b
→ Z2 =

3, 42
1.0, 7052
= 0,025 (m).
2.9,81.(0,96.2,5.1, 43) 2
2.9,81

3.2.2- Tổn thất dọc đường: coi dòng chảy trong cống là đều với độ sâu:
h1 = hh + Z2 = 1,43 + 0,025 = 1,455 (m). Khi đó tổn thất dọc chiều dài cống bằng i.L,
với i là độ dốc dọc cống, xác định như sau:
2



 Q 
Q

 =
i= 
 b .h .C. R 
 ω .C. R 
 c 1



2

Trong đó: ω và C. R tính với mặt cắt cống có chiều rộng bc, chiều sâu h1:
bc .h1
ω
1
1
ω = bc.h1; R =
= b + h ; C. R = .R1/6. R = .R2/3.
χ
n
n
c
1
Ta chọn hệ số nhám của cống là n = 0,014.
3.2.3- Các tổn thất cục bộ Zv, Zl, Zp:
a- Tổn thất qua tháp van Zv:
Do khoảng cách từ tháp van đến cửa ra xấp xỉ bằng chiều dài cống, vì vậy ta có
thể lấy chiều sâu cột nước ngay sau cửa van là:
hv = h1 + i.Lv
α .Vv2
Zv = ξv.
.2
2.g

Trong đó:
+ ξ v : Tổn thất do van, lấy ξ v = 0,2.
+ Vv =

Q
Q
=
.
ω bc .hv

b- Tổn thất qua lưới chắn rác:
α .Vl 2
Zl = ξl.
2.g

Trong đó: + ξ l : Hệ số tổn thất qua lưới, lấy ξ l = 0,2.
+ Vl =

Q
Q
Q
=
=
.
bc .hl
bc .(hv + z v )
ω


Đồ án thiết kế cống ngầm
c- Tổn thất qua khe phai: Zp = ξp.

α .V p2

2.g

.2

Trong đó: + ξ p : hệ số tổn thất qua một khe phai, ξ p = 0,1.
+ Vp =

Q
Q
Q
= b .h =
.
bc .(hl + z l )
ω
c
p

3.2.4-Tổn thất ở cửa vào:
Z1 =

α .V02
Q2
−
2
2g
2 g ( ε .ϕ .ω )

Trong đó:
ϕ và ε: Hệ số lưu tốc và hệ số co hẹp bên ở cửa vào. ϕ = 0,983; ε = 0,7
ω: Diện tích mặt cắt ướt sau cửa vào. ω = bc.h ứng với: h = hp + Zp

V0: Lưu tốc tới gần: V0 =

Q
ω


Đồ án thiết kế cống ngầm
TT

bc

omega

R

CR^0,5

i

2

1,3

1,892

0,449

41,901

3

1,4

2,037

0,473

43,339

4

1,5

2,183

0,495

44,691

0,00122 0,2126

5

1,6

2,328

0,516

45,963

0,0010
1

6

1,7

2,474

0,537

47,164

0,00085

7

1,8

2,619

0,556

48,300

0,00072

8

1,9

2,765

0,575

49,376

0,00062

9

2

2,910

0,593

50,398

0,00054

10

2,1

3,056

0,610

51,369

0,00047 0,0821

11

2,2

3,201

0,626

52,294

12

2,3

3,347

0,642

53,175

13

2,4

3,492

0,658

54,016

0,00032 0,0569

14

2,5

3,638

0,672

54,820

0,00029 0,0509 1,5059

15

2,6

3,783

0,687

55,590

0,00026 0,0457 1,5007 0,0155

0,0018
4
0,0014
8

0,0004
1
0,0003
7

iL
0,3221
0,2596

0,176
7
0,148
6
0,126
4
0,108
6
0,094
1

hv
1,777
1
1,714
6

1,667
6
1,631
7
1,603
6
1,581
4
1,563
6
1,549
1
1,537
1

Zv

hl

Zlưới

hp

Z1

Tổng
Z

0,0442 1,8212 0,0210 1,8422 0,0205 0,2473 0,6551
0,0409 1,7555 0,0195 1,7750

0,037
7
0,034
6
0,031
7
0,0291
0,0267
0,0246

1,705
3
1,666
3
1,635
4
1,610
5
1,590
3
1,573
6

0,0226 1,5597

0,018
0
0,016
6

1,7233
1,6828

0,014
0

1,6245

0,011
9
0,011
0

1,5855
1,5707

0,063
9

1,5382 0,0094 1,5476

0,0102 1,5582

1,5298 0,0087 1,5385
1,5225
1,516
2

0,013
8

0,0129 1,6032 0,0127

1,548
1

0,019
3
0,017
9
0,016
6

0,019
1
0,017
6
0,016
3

0,2065 0,5456
0,174
8
0,149
9

0,4608
0,3940

0,0152 1,6506 0,0150 0,1299 0,3405

0,0722 1,5272 0,0209
1,518
9
1,511
9

Zp

0,008
1
0,007
6

0,011
7
0,010
8
0,010
0
0,009
3
0,008
6

0,113
7
0,100
3

0,2970
0,2612

0,0892 0,2314
0,0799 0,2064
0,071
9

0,1852

0,0652 0,1671
0,0593 0,1515

1,5306 0,0080 0,0542 0,1379
1,5238 0,0075 0,0498 0,1261


Đồ án thiết kế cống ngầm


Đồ án thiết kế cống ngầm

Theo tính toán ta chọn bc = 2 (m) thoả mãn điều kiện trên.
3.3- Xác định chiều cao cống và cao trình đặt cống:
3.3.1- Chiều cao mặt cắt cống:
Hc = h1 + ∆ = 1,455 + 0,745 = 2,2 (m).
Trong đó:
+ h1 = 1,455
+ ∆: độ lưu không, lấy từ 0,5 đến 1 m, chọn bằng 0,745 (m).
+ Hc cần thoả mãn điều kiện cấu tạo, (thường khống chế Hc ≥ 1,6 m để tiện kiểm

tra sửa chữa) và phù hợp với kích thước chuẩn quy định.
3.3.2- Cao trình đặt cống:
- Cao trình đáy cống ở cửa vào:
Zv = MNC - h - ΣZi .
Trong đó:
+ ΣZi: tổng tổn thất cục bộ ở cửa vào, khe phai, lưới chắn rác, khe van khi tháo với
QTK:
ΣZi = 0,2314 m.
+ h: độ sâu dòng đều trong cống khi tháo QTK = 3,4 m3/s.
f(Rln) =

4.m0 . i
8, 424. 0, 00054
=
= 0,0576
Q
3, 4

Tra phụ lục (8-1), bảng tra thuỷ lực với n = 0,014 ta có: Rln = 0,57 (m).
b

2

h

→ R =
= 3,51 → R = 2,286 → h = 2,286.0,57 = 1,3 (m).
0,57
ln
ln

→ Zv = MNC - h - ΣZi = 10,6 - 1,3 – 0,137 = 9,16 (m)
Chọn cao trình cửa vào là Zv = 9,1 m.
- Cao trình đáy cống ở cửa ra:
Zr = Zv - i.L = 9,1 – 0,0941= 9,006 (m)
Đặt Zr = 9 m.


Đồ án thiết kế cống ngầm
4- KIỂM TRA TRẠNG THÁI CHẢY VÀ TÍNH TOÁN TIÊU NĂNG:
4.1- 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 để:
- Kiểm tra xem nước nhảy có xảy ra ở 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.
Trong phần đề ra đã giới hạn việc tính toán cho 2 trường hợp mực nước cao với
các lưu lượng tương ứng. Sơ đồ tính toán cho các trường hợp này như hình 3-2.
mndbt

Hình 2: Sơ đồ tính toán thuỷ lực khi mực nước cao ở thượng lưu
4.2- Xác định độ mở cống:
Tính theo sơ đồ chảy tự do qua lỗ
Q = ϕ. ε .a.bc. 2.g .( H 0' − α .a )
Trong đó: - Q = 3,1 m3/s là lưu lượng cần lấy qua cống ứng với MNDBT.
- ϕ: hệ số lưu tốc, lấy ϕ = 0,95.

- ε : hệ số co hẹp đứng.
'

- H 0 : cột nước tính toán trước cửa van:
H '0 = H0 - hw = 21,3 - 0,034=21,27(m).
+ H0 = H +

α .V02
= MNDBT - ∇đc = 30,7– 9,1 = 21,6(m).
2.g

+ hw: tổn thất cột nước từ cửa vào cho đến vị trí cửa van:


Đồ án thiết kế cống ngầm
hw = Zl + Zp + 45.i
= 0,0102+0,00503 +45.0,00054=0,034 m
Hệ số co hẹp đứng α phụ thuộc tỷ số a/H, có thể xác định a bằng cách sử dụng
bảng quan hệ của Jucốpxki như sau:
F (τ c ) =

Q

ϕ .bc .H

=

3
' 2
o

3,1
3

0,95.2, 0.21, 27 2

= 0,0166

'

→Tra bảng 15-1 có: τc = 0,00375→ hc = τc.H 0 = 0,00375.21,27= 0,08 (m)
Tra bảng 16-1 có: ε = 0,611
a τ c 0, 00375
= =
= 0, 00614 → a = 0, 00614.21, 27 = 0,14 m.
H ε
0, 611
α =

hc 0, 08
=
= 0, 613
a 0,14

→ Q* = 0,95.0, 611.0,14.2, 0. 2.9,81. ( 21, 27 − 0, 613.0,14 ) = 3,12 m3/s
∆Q =

Q −Q*
3,1 − 3,12
.100% =

= 0,6% < 5%
Q
3,1

Vậy: Giá trị ε = 0,611 và a = 0,14 (m) xác định ở trên có thể chấp nhận được.
4.3- Kiểm tra chảy trong cống:
4.3.1- 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: hc = 0,086 (m)
Độ sâu phân giới:
-

hk =

3

α .q 2
=
g

3

1.3,12
= 0,626 (m)
9,81.2, 02

Độ sâu dòng đều h0: tính toán theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi
nhất về thủy lực:

Với i = 0,00054.

f ( Rln ) =

4m0 . i 8. 0, 00054
=
≈ 0, 06 (m = 0 ⇒ 4m0 = 8).
Q
3,1

Tra Bảng 8-1 (Bảng tra Thủy lực với n = 0,014) ⇒ Rln ≈ 0,57 (m).
⇒

b
2, 0
 h
=
≈ 3,51 . Tra Bảng 8-3 (Bảng tra Thủy lực) ⇒ 
Rln 0,57
 Rln

 h
⇒ h0 = 
 Rln


÷.Rln = 2, 286.0,57 ≈ 1,3 ( m) .


- So sánh ta thấy: hc =0,086 < hk = 0,626 < ho= 1,3.



÷ = 2, 286 .



Đồ án thiết kế cống ngầm
Vậy: dạng đường mặt nước sau van là đường nước dâng CI.
b- Định lượng:
* Xuất phát từ mặt cắt co hẹp C-C vẽ về cuối cống. Mặt cắt co hẹp lấy cách cửa
van một khoảng 1,4.a = 1,4.0,14 = 0,196 (m).
Có thể 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 và h2 đã biết sẽ là:
∆L=
Với:

∆∋
i−J

i = 0,00054.
α .V22
α .V12
∆ ∋ = ∋2 - ∋1; ∋2 = h2 +
; ∋1 = h1 +
2.g
2.g
 V
J + J2
J= 1
; J 2 =  2
2
 C R2

2



 ; J 1 =  V1

C R
1



2


 ;v= Q

ω


Dùng phương pháp cộng trực tiếp (tính gần đúng) để vẽ đường mặt nước, tính với
chiều dài sau van là L = 130 – 0,196 ≈ 129,8 (m).
Bảng tính toán đường mực nước trong cống:
h
0,086

V
18,02

∋

∆∋

16,642

CR½

J

13,172

1,8723

-4,2973
0,1

15,50

12,345

14,441

10,33

5,592

0,2

7,75

3,261

21,632

6,20

2,209

5,17

1,661

26,873

4,43

1,350

3,88

1,165

30,986

3,44

1,055

3,10

0,990

64,74
73,37
0,0096

34,339

8,63

0,0111

-0,0649
0,5

9,75

0,0156
0,0134

32,742

10,52
54,99

0,0194

-0,1106
0,45

44,47

0,0233

-0,1843
0,4

10,94

0,0370
0,0301

29,042

10,98
33,53

0,0507

-0,3110
0,35

22,56

0,0644

-0,5487
0,3

10,51

0,1283
0,0964

24,428

9,20
12,05

0,2224

-1,0521
0,25

2,84

0,3164

-2,3310

0,0081

L

2,84

1,1520
0,7342

18,371

ΔL

0,00
1,5121

-6,7529
0,15

J-

7,16
80,53


Đồ án thiết kế cống ngầm
-0,035
0,55

2,82

0,955

0,0072
35,801

0,0062

-0,0163
2,48

0,626

0,938

85,80
0,0052

37,801

5,28
3,47

0,0043

89,27

Qua bảng tính ta thấy: với chiều dài đoạn L = 89,27m, chiều cao dòng nước = 0,626m
- > trong cống có nước nhảy.
b) Xác định vị trí nước nhảy.
Cách xác định vị trí nước nhảy:
+ Vẽ đường mặt nước CI từ mặt cắt co hẹp đến khi chạm vào đường K – K.
+ Vẽ đường CI’ liên hiệp với đường CI, mỗi điểm của đường này là độ sâu liên hiệp
tương ứng với mỗi điểm của đường CI.
h" =

h
αq 2 
 1 + 8 3 − 1
2 

gh


+ Lùi đường CI’ về phía hạ lưu 1 đoạn có chiều dài bằng chiều dài nước nhảy
tương ứng với mỗi điểm. ln = 4,5 h'' ⇒ đường CI”.
+ Vẽ đường mặt nước bI từ hạ lưu vẽ lên, cắt đường CI” tại điểm S .Độ sâu tại S chính là độ
sâu sau nước nhảy h'' từ đó ta sẽ xác định được vị trí nước nhảy.
Tại cửa ra không bố trí bậc nên sau nước nhảy là dòng chảy đều h 0 = 1,3 m và vì
hn = 1,38 m > hk = 0,626 m => hr = 1,38 m.
* Từ hr = 1,38 m ta tính ngược về phía cửa van ta vẽ được đường mặt nước trong
cống bI.
TT

h

V

1
2
3
4
5
6
7
8

1,38
1,3795
1,379
1,3785

1,378
1,3775
1,377
1,3765

1,123
1,124
1,124
1,124
1,125
1,125
1,126
1,126

∋

1,444
1,444
1,443
1,443
1,442
1,442
1,442
1,441

∆∋

CR½

J

-0,00045
-0,00045
-0,00045
-0,00045
-0,00045
-0,00045
-0,00045

49,668
49,663
49,658
49,652
49,647
49,642
49,637
49,632

0,0005
0,0005
0,0005
0,0005
0,0005
0,0005
0,0005
0,0005

J0,0005
0,0005
0,0005

0,0005
0,0005
0,0005
0,0005

ΔL

L

15,98
16,25
16,53
16,82
17,13
17,44
17,76

0,00
15,98
32,24
48,77
65,60
82,72
100,16
117,92

* Vẽ đường liên hiệp với nước nhảy f-f:
Ta giả sử độ sâu trước nước nhảy là các giá trị của đường nước dâng C I sau đó
tính và vẽ đường liên hiệp với nước nhảy:

Đồ án thiết kế cống ngầm

h" =

h'
2



8αq 2
−
1
 1+

gh '3



h'
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55

0,626

h"
2,164
1,734
1,468
1,280
1,137
1,021
0,925
0,842
0,771
0,708
0,625

L
2,84
12,05
22,56
33,53
44,47
54,99
64,74
73,37
80,52
85,8
89,27

Ln
9,74

7,80
6,61
5,76
5,11
4,59
4,16
3,79
3,47
3,19
2,81

Lb
10,63
18,29
27,85
38,14
48,56
58,67
68,07
76,40
83,30
88,35
91,52

Từ hình trên ta thấy vị trí xảy ra nước nhảy sau van 32 m, độ sâu sau nước nhảy
là h" = 1,28 m. Chiều dài nước nhảy Lnn = 4,5h" = 4,5.1,28 = 5,76 m, độ sâu trước
nước nhảy h' = 0,256 m.
Ta thấy có nước nhảy trong cống nhưng thấp hơn trần cống do vậy có thể chấp nhận
nước nhảy trong cống.
4.4. Tính toán tiêu năng:

Vì nước nhảy xảy ra trong cống do đó ta không cần tính toán tiêu năng do đó ta
chỉ cần đào bể theo cấu tạo: chọn chiều sâu bể là d = 0,5 m, chiều dài bể là L = 5 m.


Đồ án thiết kế cống ngầm
5- CHỌN CẤU TẠO CỐNG:
5.1- Cửa vào, cửa ra:
Cửa vào, cửa ra cần đảm bảo điều kiện nối tiếp thuận với kênh thượng, hạ lưu.
Thường bố trí tường hướng dòng theo hình thức mở rộng dần. Góc chụm của hai tường
hướng dòng ở cửa vào là 200; góc chụm ở cửa ra chọn là 100 để tránh hiện tượng tách
dòng. Các tường cánh làm hạ thấp dần theo mái. Cấu tạo cửa ra cần kết hợp với việc bố
trí các thiết bị tiêu năng. Cuối bể tiêu năng cần có bộ phận chuyển tiếp ra kênh hạ lưu.
Sau bể tiêu năng cần bố trí một đoạn bảo vệ kênh hạ lưu có chiều dài bằng L sn:
Lsn = (2,5 ÷ 3).Ln .Chọn Lsn = 10 m.

Hình 3: Bố trí mặt bằng cửa vào
5.2. Thân cống:
5.2.1- Mặt cắt: Cống hộp thường làm bằng bê tông 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 yêu
cầu cấu tạo. Theo điều kiện chống thấm, cần đảm bảo:
t≥

H
21,3
=
[ J ] 15 = 1,42 (m)

Vì quá lớn → Sơ bộ chọn t = 0,5 (m) theo điều kiện cấu tạo. Khi chế tạo có sử dụng
phụ gia chống thấm và được tính chính xác sau khi tính toán kết cấu.

Trong đó:
- H: cột nước lớn nhất
H = MNDBT - ∇đc = 30,7 – 9,1 = 21,6 (m)
- [J]: gradien thấm cho phép của vật liệu, [J] = 15.


Đồ án thiết kế cống ngầm

Hình 4: Mặt cắt thân cống
5.2.2- Phân đoạn cống: vì cống dài, cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn
để tránh rạn nứt do lún không đều. Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất nền và
tải trọng trên cống, chọn bằng 15 (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 trên hình 3-3.
5

a

3

2

1

b

4
1
2

Hình 5: Sơ đồ khớp nối của cống hộp bằng bê tông
a. Khớp nối ngang
b. Khớp nối đứng
1. Bao tải tẩm nhựa đường
2. Đổ nhựa đường
3. Tấm kim loại hình Ω
4. Tấm kim loại hình phẳng.
5. Vữa bê tông đổ sau
Khi cột nước tác dụng không cao có thể làm thiết bị chống rò tại khớp nối kiểu
dây thừng tẩm nhựa đường.


Đồ án thiết kế cống ngầm
5.2.3- Nối tiếp thân cống với nền:
Cống hộp có thể đổ trực tiếp trên nền hay trên một lớp bê tông lót dày 10 ÷ 15
cm, khi nền không phải là đá và tải trọng lên cống lớn cần tăng bề rộng đáy cống để
hạn chế áp suất đáy móng
5.2.4- Nối tiếp thân cống với đập:
Dùng đất sét nện chặt thành một lớp bao quanh cống dày 0,5 ÷1 m. Tại chỗ nối
tiếp các đoạn cống, làm thành các gờ để nối tiếp cống với đất được tốt hơn.
5.3- Tháp van:
Vị trí tháp van bố trí ở khoảng giữa mái thượng lưu và kiểm tra nó thông qua tính
toán thuỷ lực cống (đảm bảo không sinh nước nhảy trong cống ứng với các mực nước
cao) 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 nước nhảy trong cống và chiều sâu sau nước nhảy xấp xỉ tới
trần cống).
Mặt cắt ngang tháp thường làm dạng chữ nhật. Chiều dày thành xác định theo
điều kiện chịu lực, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo. Thường làm tháp có chiều
dày thay đổi theo sự thay đổi của áp lực ngoài.

Phía trên tháp có nhà để đặt máy đóng mở và thao tác van; có cầu công tác nối
tháp van với đỉnh đập hoặc bờ.
6- TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỐNG:
6.1- Mục đích tính toán:
Xác định nội lực trong các bộ phận cống ứng với các trường hợp làm việc khác
nhau của cống để từ đó bố trí cốt thép và kiểm tra tính hợp lý của chiều dày thành cống
đã chọn.
6.2- 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 MNLTK, cống đóng.
- Khi có lực động đất, ...
Trong đồ án này chỉ tính toán ngoại lực tác dụng lên một mặt cắt cống (mặt cắt
mép thượng lưu đỉnh đập), cho một trường hợp đại biểu: khi thượng lưu là MNLTK,
cống đóng.ơ


Đồ án thiết kế cống ngầm
Xác định sơ bộ đường bão hòa qua mắt cắt đập, phía trên cống

MNLTK +32,7m

Z?c +9m

Lưu lượng thấm qua đập được tính theo công thức:
2
2
h12 − a 02
−5 26, 7 − 3,55

= 10
= 3,55.10 −5 m3 / sm
qd = K đ .
2(Δ L + L)
2(11, 68 + 87)

Trong đó:
a0: Độ cao hút nước.
a0 = (L + ΔL) 2 + (h 1 − h 2 ) 2 - (L + ∆L) = (11,68 + 87) 2 + (26,7)2 - (11,68+87)
= 3,55 m
∆L: Chiều dài dòng thấm thượng lưu biến đổi
m tl .h1

3,5.26,7

∆L = λ.h1 = 2.m + 1 = 2.3,5 + 1 = 11, 68m
tl
mtl: là hệ số mái thượng mtl = 3,5
Phương trình đường bão hòa:
y=

2q
2.3,55.10−5
2
h −
x = 26, 7 −
x = 721,89 − 7,1x
Kđ
10 −5
2

1

6.3- Xác định ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống (trường hợp cống hộp, tính cho
1 m dài):


Đồ án thiết kế cống ngầm

6.3.1- Áp lực đất:
a- Trên đỉnh:
q1 = k. ∑ γi.Zi
Trong đó:
- Zi: chiều dày các lớp đất đắp trên đỉnh cống.
- γi: dung trọng các lớp đất đắp trên đỉnh cống.
H 

- k: hệ số phụ thuộc điều kiện đặt cống: k = f  ÷, tra bảng với loại đất nền là
B
cát trung bình , đất thịt chặt vừa, sét dẻo, cống đặt trên nền đất và

H 22,9
=
= 7, 63 ta
B
3

được: k = 1,32.
Với: + H: khoảng cách từ đỉnh cống đến mặt đất đắp:
H = 34,7 – 9,1 – 0,5 – 2,2 = 22,9 (m).
+ B: bề rộng mặt cắt cống.

Theo kết quả tính toán thì tại vi trí mép đỉnh đập, đường bão hòa nằm trên gần
cống vậy trên đỉnh cống chỉ có các loại đất: đất đắp đập có dung trọng tự nhiên như
sau:
γ = γk.(1 + ω) = 16,2.(1+ 0,2) = 19,44 KN/m3.
γdn = 19,44 – 10 = 9,44 KN/m3
+ Z1 = 19,58 (m)
+ Z2 = 3,42
⇒ q1 = 1,32.(19,58.9,44 + 3,42.19,44) = 325,51 KN/m.
b- Hai bên cống: biểu đồ áp lực có dạng hình thang.
ϕ
p1 = q1. tg2(45o - )
2
ϕ
p1’ = q1’. tg2(45o - )
2


Đồ án thiết kế cống ngầm
q1’ = q1 + γđ. H = 325,51 + 9,44.3,2 = 355,72 (KN/m)
Với γđ là dung trọng đẩy nổi của đất đắp đập, do đất bên thành cống dưới đường
bão hòa, H là chiều cao mặt cắt cống.
20
) = 159,59 (KN/m).
2
20
p1’ = 355,72. tg2(45o ) = 174,4 (KN/m).
2

→ p1 = 325,51.tg2(45o -

6.3.2- Áp lực nước:
Áp lực nước gồm áp lực nước bên ngoài và bên trong cống. Áp lực nước ngoài
cống tác dụng ở trên đỉnh, hai bên và dưới đáy cống. Áp lực nước bên trong cống tác
dụng ở hai bên và trên đáy cống. Cường độ áp lực nước xác định theo quy luật thuỷ
tĩnh.
a- Trên đỉnh:
q2 = γn.Z3 = 10.19,58 = 195,8 (KN/m)
b- Hai bên:
p2 = 195,8 (KN/m).
p2’ = γn.(Hc + Z3)= 10.(3,2 + 19,58)= 227,8 (KN/m).
c- Dưới đáy: q3 = γn..(Hc + Z3) = 227,8 (KN/m).
d- Trong cống: bỏ qua áp lực nước trong cống.
6.3.3- Trọng lượng bản thân:
a- Tấm nắp:
-q4 = γb.tn = 24.0,5 = 12 (KN/m).
Trong đó:
- γb = 24 KN/m3: trọng lượng riêng của bê tông.
- tn: chiều dày tấm nắp, tn = 0,5 m.
b- Tấm bên:
q5 = γb.tb = 24.0,5 = 12 (KN/m).
Trong đó: tb là chiều dày tấm bên = 0,5 m
c- Tấm đáy: q6 = γb.tđ = 24.0,5 = 12 (KN/m).
Trong đó: tđ là chiều dày tấm đáy = 0,5 m.

6.3.4- Phản lực nền: r
Biểu đồ phân bố phản lực nền phụ thuộc vào loại nền và cách đặt cống, thường
phân bố không đều, song trong khi tính toán xem gần đúng là phân bố đều. Khi đó
phản lực nền r được tính như sau:
r = q1 +q2 - q3+ q4 + q6 + 2.q5.

H − td − tn
B


Đồ án thiết kế cống ngầm
= 325,51 +195,8 - 227,8 +12 + 12 + 2.12.

3, 2 − 0,5 − 0,5
= 335,11 (KN/m).
2 + 0,5.2

6.3.5- Sơ đồ lực cuối cùng trong trường hợp cống không có nước:
a- Các lực thẳng đứng:
- Phân bố trên đỉnh:
q = q1 +q2 + q4 = 325,51 + 195,8 +12 = 528,31 (KN/m).
- Phân bố hai bên thành: q5 = 12 (T/m)
- Phân bố dưới đáy:
qn = r - q6 + q3 = 335,11 - 12 +222,8 = 545,91 (KN/m).
b- Các lực nằm ngang:
- Phân bố đều: p = p1 + p2 = 159,59 + 195,8 = 350,39 (KN/m)
- Tuyến tính:
+ Tại vị trí đáy: pt = p1’ + p2’ - p1 - p2 = 46,81 (KN/m)
Bảng tổng hợp lực cuối cùng:
hs lệch tải tiêu
tải tính
Thành phần lực
Tên lực tải
chuẩn
toán
q1

325,51
358,06
Áp lực đất trên đỉnh cống
1,1
q2
195,8
195,8
Áp lực nước trên đỉnh cống
1
q3
227,8
227,8
Áp lực nước dưới đáy cống
1
q4
12
12,6
Trọng lượng bê tông tấm nắp
1,05
q5
12
12,6
Trọng lượng bê tông tấm bên
1,05
q6
12
12,6
Trọng lượng bê tông tấm đáy
1,05
p1

159,59
191,51
Áp lực đất 2 bên thành cống
1,2
p1'
174,72
209,66
Áp lực đất 2 bên thành cống
1,2
Áp lực nước 2 bên thành
p2
195,8
195,8
cống
1
Áp lực nước 2 bên thành
p2'
227,8
227,8
cống
1
r
335,11
368,62
Phản lực nền
1,1
q
528,31
561,46
Lực thẳng đứng trên đỉnh

p
350,39
382,31
Lực nằm ngang phân bố đều
Pt
46,81
50,16
lực nằm ngang tuyến tính
qn
545,91
578,82
lực thẳng đứng dưới đáy


Đồ án thiết kế cống ngầm

7: XÁC ĐỊNH NỘI LỰC CỐNG NGẦM:
7.1- Mục đích tính toán:
- Thông qua việc tính toán nội lực ta sẽ biết được vị trí phân bố nội lực trên cống và giá
trị của nội lực, từ đó phục vụ cho công tác bố trí thép sau này:
7.2 – Phương pháp tính toán:
- Mặt cát ngang của cống là khung siêu tĩnh bậc 3, theo cơ học kết cấu để xác định nội
lực ta dùng phương pháp sau:
+ Phương pháp chuyển vị
+ Phương pháp lực
+ Phương pháp phần tử hữu hạn
+ Phương pháp tra bảng
+ Sử dụng phần mềm phân tích kết cấu.
Để nhanh chóng và chính xác ta dùng PP tra bảng
7.3: Nội dung tính toán:

Xác định mô hình tính toán:
Ta tiến hành chuyển mặt cắt tính toán của cống (có độ dày) về mặt cắt có thể áp
dụng được các công thức cơ học kết cấu (không có độ dày). Trong khi đó ta chuyển các
lực tác dụng lên cống về các lực tính toán đối với mặt cắt cống đã chuyển đổi. Sau đó
ta sử dụng nguyên lý cộng tác dụng để xác định nội lực cho từng bộ phận, từng mặt cắt
của cống. Tức là với mọi lực tác dụng ta đưa về loại lực cơ bản để có thể sử dụng
phương pháp tra bảng. Sau đó áp dụng nguyên lý cộng tác dụng để xác định nội lực
cuối cùng của kết cấu.