Đồ án môn học Thiết kế cống ngầm

Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH TRÊN HỆ THỐNG THỦY LỢI
THIẾT KẾ CỐNG NGẦM
MÃ ĐỀ: 56
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 1.000.000m3, 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
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.

Chỉ tiêu

Bảng 1- Chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liêu đắp đập
Hệ số
Độ ẩm
j (độ)
C (T/m2)
gk

k
Page 1


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Tự

Bão

Tự

Bão

nhiên

hoà

nhiên

hoà

20

23

20

3,0

0,42

22

17

13

Cát

0,40

18

30

Đất nền

0,39

24

26

rỗng n

W(%)

0,35

Sét (chế bị)

Loại
Đất đắp đập
(chế bị)

(T/m3)

(m/s)

2,4

1,62

10-5

5,0

3,0

1,58

4.10-9

27

0

0

1,60

10-4

22

1,0

0,7

1,59

10-6

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

d10

d50

d60

Đất thịt pha cát

0,005

0,05

0,08

Cát

0,05

0,35

0,4

Sỏi

0,50

3,00

5,00

Loại

4. Đặc trưng hồ chứa:
- Mực nước dâng bình thường: 31.4 m.
- Mực nước chết: 11.4m
- Tràn tự động có cột nước trên đỉnh tràn Hmax = 3m.
- Vận tốc gió tính toán ứng với mức đảm bảo P%:

Đề
số
56-A

P%

2

3

5

20

30

50

V(m/s)

32

30

26

17

14

12

Đặc trưng hồ chứa

Mực nước hạ lưu(m)

D(km)

MNC
(m)

MNDBT
(m)

Bình
thường

3.1

11.4

31.4

7.7

Q cống (m3/s)

Max

Khi MNC
(Qtk)

Khi
MNDBT

MN đầu
kênh
(m)

9.2

4

3.5

11.05
Page 2

Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

5- Tài liệu thiết kế cống:
- Lưu lượng thiết kế lấy ứng với MNDBT: Qcống = 3,5 m3/s và MNC Qtk = 4 m3/s.
- Mực nước khống chế đầu kênh tưới: Zkt = 11.05 m.
- Tài liệu về kênh chính: hệ số mái m = 1,5; độ nhám n = 0,025:độ dốc đáy
= (3 → 5).10-4

i

NỘI DUNG THIẾT KẾ
I.
Những vấn để chung
1. Nhiệm vụ, cấp công trình và chỉ tiêu thiết kế
a) Nhiệm vụ
Page 3


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

- Cấp nước tưới cho 2650 ha ruộng đất canh tác
- Cấp nước sinh hoạt cho 5000 dân
- Kết hợp nuôi cá lòng hồ, tạo cảnh quan môi trường, sinh thái phục vụ du lịch
b) Cấp công trình
- Theo nhiệm vụ công trình: theo bảng 2.1 TCXDVN 285-2002 thì cấp công trình

là cấp III
- Theo chiều cao công trình:
∇ dd =MNLTK + 3m = MNDBT + 6m = 31.4 + 6 = 37.4m
Theo bảng 2.2 TCXDVN 285-2002 thì cấp công trình là cấp II
Vậy cấp thiết kế của công trình là cấp II
c) 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 trong hồ: P = 0.5%
- Tần suất gió lớn nhất: Pg = 20%
- Hệ số tin cậy: kn = 1.2
2. Chọn tuyến và hình thức cống
a) Tuyến cống:
Phụ thuộc vào vị trí khu vực tưới tự chảy, cao trình 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.
b) 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.
c) Sơ bộ bố trí cống
Cao trình đỉnh đập: ∇đđ = +37.4(m)
Page 4

Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Bề rộng đỉnh đập: B = 5m
Chiều cao đập: H = 37.4 – 2.5 = 34.9 m
Độ dốc:
-

Mái thượng lưu m1=3,5
Mái hạ lưu m2 = 3
Phía dưới cơ đập độ dốc m3= 3,25
Cơ đập: bố trí cơ đập phía hạ lưu ở cao trình + 27.4m rộng 3m

Căn cứ vào việc chọn tuyến cống như trên sơ bộ trọn cao trình đáy cống thấp hơn
MNC 1.4m. Vậy cao trình đáy cống là +10m và vị trí tháp cống ở giữa mái thượng lưu
đập. Sơ bộ ta có: L = 189m
II.

Thiết kế kênh hạ lưu cống
1. Thiết kế mặt cắt kênh
1.1. Mặt cắt kênh được tính toán với lưu lượng Q = 4 m3/s
1.2. Chọn sơ bộ
- Độ dốc đáy kênh: i=0.0002
- Độ nhám lòng kênh: n=0.025
- Hệ số mái kênh: m=1.5
1.3. Xác định bề rộng đáy kênh và chiều sâu nước trong kênh
- Sơ bộ xác định vận tốc không xói
VKX = KQ0.1 = 0,53.40.1 = 0.61 m/s

Chiều sâu nước theo công thức kinh nghiệm:
h = 0,5.(1 + V KX )3 Q = 0,5.(1 + 0,61)3 4 = 1,3m

Bán kính thủy lực lợi nhất:
 nQ
Rln = 
 4m
 o

3

3

8 
8
0, 025.4
=
÷
÷ = 0.936
i÷
 8, 424. 0.0002 


=>

h
1,3
=
= 1.389
Rln 0,936

b

Tra phụ lục 8-3 bảng tra thủy lực ta được: R = 4.04 => b=3.78m
ln
Kiểm tra điều kiện:

b 3.78
=
= 2.9 => Không thỏa mãn điều kiện.
h 1.3

Chọn lại b = 2.5m =>

b
2,5
=
= 2, 67
Rln 0,936

Page 5


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

Tra phụ lục ta được:
Kiểm tra điều kiện:

GVHD: Nguyễn Chiến

h
= 1, 64 => h=1.5
Rln

b 2,5
=
= 1, 67 thỏa mãn điều kiện
h 1,5

Vậy sơ bộ chọn: b = 2,5m và h = 1,5m
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, tức khống chế:
Vmax < VKX
Trong đó Vmax: lưu tốc lớn nhất trong kênh, tính với lưu lượng
Qmax = KQ = 1,2.4 = 4,8 m3/s
3

3

 nQ  8  0, 025.4,8  8
Rln = 
=
÷ =1
 4m i ÷
÷
8,
424
0.0002



 o 
b
= 2,5

Rln
h

Tra phụ lục => R = 1, 688 => h=1.69m
ln
Diện tích mặt cắt ướt tương ứng với chiều sâu h:
ω = h(b + mh) = 1, 69.(2,5 + 1, 69.1,5) = 8.51( m 2 )

=> V max =

4,8
= 0,56 < 0.61(m / s) thỏa mãn điều kiện
8,51

3. Tính độ sâu trong kênh ứng với các cấp lưu lượng
Tính toán theo phương pháp đối chiếu với mặt cắt lợi nhất về thủy lực ta có:
Ứng với MNDBT: Q = 3.5m3/s
3

3

 nQ  8  0, 025.3,5  8
Rln = 
=
÷ = 0,891

 4m i ÷
÷
 8, 424 0.0002 
 o 
b
= 2,806

Rln

Tra phụ lục =>

h
= 1, 625 => h=1.45m
Rln

Page 6


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Ứng với MNC: Q = 4m3/s => h = 1.5m
III. Thiết kế khẩu diện cống
1. Trường hợp tính toán
Khẩu diện cống tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng, hạ lưu nỏ và hạ lưu
lấy với lượng nước tương đối lớn. thường tính với trường hợp mực nước chết (MNC) ở
thương lưu còn hạ lưu là mực nước khống chế đầu kênh tưới
Chênh lệch mực nước thượng, hạ lưu:
[∆Z] = MNC - Zđk = 11,4 – 11.05 = 0,35 (m)

Lúc này để lấy đủ lưu lượng thiết kế cần mở hết cửa van. Sơ đồ tính toán như hình
vẽ:
Trong đó:
Z1 _ Tổn thất cột nước đầu vào.
Zp _ Tổn thất do khe phai.
Zl _ Tổn thất qua lưới chắn rác.
Zv _ Tổn thất qua tháp van.
Z2 _Tổn thất ở cửa ra.

Page 7


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

37.4

m = 3.

m=3

5

m=3
.25
Z1

Zp

Zl
h2

Zv

10

h1

48

Z2

141
189

Page 8


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

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

∑ Z < [ ∆Z ]
i

Trong đó:
∑ Zi = Z1 + Z p + Zl + Zv + Z 2 + iL
Ở đây: i – độ dốc dọc cống, L – tổng chiều dài cống
Trị số bc được tính bằng phương pháp thử đúng dẫn hay phương pháp đồ thị. Các
bước thực hiện: Giả thiết bc, tính toán các tổn thất thủy lực, lập bảng và lựa chọn bc.
Với mỗi giá trị bc, các tổn thất được tính như sau:
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:
Z2 =

Q2
αV 2
−
2 g (ϕ bhh ) 2 2 g

Trong đó:
+ Q = 4 m3/s
+ b: chiều rộng cuối bể tiêu năng, chọn bằng bề rộng kênh; b=2.5m
+ hh: chiều sâu hạ lưu ứng với lưu lượng Q = 4m3/s, hh=1.5m
+

ϕ n : hệ số lưu tốc, ϕn =0.96

+ V: lưu tốc bình quân trong bể tiêu năng, giả thiết chiều sâu bể d=1m
V=


2.2.

4
= 0.64m / s
2,5.(1, 5 + 1)

Z2 =

42
0, 642
−
= 0.042
2.9,81.(0.96.2,5.1,5) 2 2.9,81

Tổn thất dọc đường từ cửa ra đến tháp van
Coi dòng chảy trong cống là đều với độ sâu:
h1 = hh+Z2 = 1,5 + 0,042 = 1,542m.
Page 9


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Khi đó tổn thất được xác định bằng công thức: iL2 với i là độ dốc dọc cống, L là
chiều dài cống đoạn từ cửa ra đến tháp van; L2=141m.
Độ dốc dọc cống được xác định như sau:
2

 Q 

i=
÷
 ωC R 

Trong đó ω,C R tính với mặt cắt cống có chiều rộng bc và chiều sâu h1
ω = bc .h1 ; R =

b .h
ω
1
1
= c 1 ; C R = R1/6 = R 2/3
χ bc + 2h1
n
n

Chọn hệ số nhám của cống n=0,017
2.3.

Tổn thất cục bộ qua tháp van

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+iL2
αV 2
Z v = 2ζ v .
2g

Trong đó:
ζ v hệ số tổn thất do van, ζ v =0,2

Vv =

2.4.

Q
Q
=
với hv=h1+iL2
ω bc hv

Tổn thất dọc đường từ tháp van đến lưới chắn rác
2

 Q 
Tổn thất được xác định bằng công thức: iL1 với i = 
÷
 ωC R 

Trong đó ω,C R tính với mặt cắt cống có chiều rộng bc và chiều sâu
h2=hv+Zv+iL2 và L1=48m
ω = bc .h1 ; R =

2.5.

b .h
ω
1
1
= c 1 ; C R = R1/6 = R 2/3
χ bc + 2h1

n
n

Tổn thất cục bộ qua lưới chắn rác
α .Vl 2
Zl = ξl.
2. g

Trong đó: + ξ l : Hệ số tổn thất qua lưới chắn rác ξ l = 0,2

Page 10


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

+ Vl =
2.6.

GVHD: Nguyễn Chiến

Q
Q
Q
= b .h =
.
ωl
bc .(hv + z v + iL1 )
c l

Tổn thất cục bộ qua khe phai

Vì ta bố trí 2 khe phai nên:
Zp = 2.ξp.

α .V p2
2. g

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

Với hp = hv+Zv+i.L1+Zl
2.7.

Tổn thất cửa vào
Ζ1 =

α .V02
Q2
−
2g
2 g.(ε .ϕ .ω1 ) 2

Trong đó:
+ϕ và ε: Hệ số lưu tốc và hệ số co hẹp bên ở cửa vào. ε = 0,98.
Tra phụ lục 14-8(Các bảng tính thủy lực)được m=0,36.
Tra bảng 12QP.TL.C-8 -76(trang 43) với m=0,36 được ϕ=0,96.
+ω1: Diện tích mặt cắt ướt sau cửa vào. ω1 = bc.h
ứng với: h = hp + Zp = h1+Zv+Zl+Zp+i.L
V0: Lưu tốc tới gần: V0 =

Q
. Với ω=bc.h1
ω

Page 11


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Bảng tính:
TT
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
13
14
15
16

bc
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5

Z2
0.042
0.042

0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042
0.042

R
0.378
0.405
0.432
0.457
0.481
0.505
0.527
0.548
0.568
0.588
0.607
0.625
0.642
0.659

0.675
0.690

F
1.542
1.696
1.850
2.005
2.159
2.313
2.467
2.621
2.776
2.930
3.084
3.238
3.392
3.547
3.701
3.855

C R
30.729
32.221
33.612
34.913
36.134
37.283
38.366
39.389

40.359
41.279
42.153
42.984
43.777
44.534
45.257
45.948

iL2
1.005
0.755
0.583
0.461
0.371
0.303
0.252
0.212
0.180
0.154
0.133
0.116
0.102
0.090
0.080
0.072

Zv
0.050
0.051

0.050
0.048
0.045
0.043
0.040
0.037
0.034
0.031
0.029
0.027
0.025
0.023
0.022
0.020

iL1
0.105
0.098
0.089
0.080
0.071
0.063
0.056
0.050
0.044
0.040
0.035
0.032
0.028
0.026

0.023
0.021

Z1
0.022
0.023
0.022
0.021
0.020
0.019
0.018
0.017
0.016
0.014
0.013
0.013
0.012
0.011
0.010
0.010

Zp
0.011
0.011
0.011
0.010
0.010
0.009
0.009
0.008

0.008
0.007
0.007
0.006
0.006
0.005
0.005
0.005

Z1
0.019
0.019
0.019
0.018
0.017
0.016
0.015
0.014
0.013
0.013
0.012
0.011
0.010
0.009
0.009
0.008

∑Z
1.255
0.999

0.816
0.681
0.577
0.496
0.432
0.379
0.337
0.301
0.272
0.247
0.225
0.207
0.191
0.178

Biểu đồ quan hệ ∑Z - bc

Page 12


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Chọn bề rộng cống b=2m

Page 13


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

3. Xác định cao trình cống và cao trình đặt cống
3.1. Chiều cao mặt cắt cống
hc=h1+ ∆
Với h1=1.542m, ∆ là độ lưu không, chọn bằng 0.958m -> hc=2.5m.
• Cao trình đáy cống cửa vào
Zv=MNC-h-Zi
Trong đó:Zi=0.325-0.042=0.283
h là độ sâu dòng đều khi tháo cống với lưu lượng Q=4m3/s
 nQ
Rln = 
 4m
 o

=>

3

3

 8  0, 017.4  8
÷ =
÷ = 0.6
i÷
 8 0.0002 


b

2
h
=
= 3,33 Tra bảng thủy lực =>
= 2.42
Rln 0.6
Rln

=> h=1.452m
=> Zv=11.4-0.283-1.452 = 9,665. Chọn cao trình cửa vào Zv = 9,6m
• Cao trình đáy cống cửa ra:
Zr=Zv-iL=9.6-0.184-0.045=9.37
Vậy đặt Zr=9,3m, cao trình đáy kênh trùng với cao trình đáy cống. Khi đó chiều dài của
cống là L = 176m, chiều dài trước van L1 = 49m, chiều dài sau van L2=127m. Độ dốc đáy
i=0.0002
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 đề lấy được lưu lượng
cần thiết. Do năng lương 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 nước nhảy có 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 mực nước thấp ở hạ lưu, nước nhảy trong cống là không tránh
khỏi. Tuy nhiên khi đó năng của dòng chảy không lớn nên mức đọ rung động
nguy hiểm không đáng kể

Page 14

Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

-

GVHD: Nguyễn Chiến

Xác đinh chiều sâu bể cần thiết để giới hạn nước nhảy ngay sau cửa ra của cống,
tránh xói lở kênh hạ lưu

Hình 2: Sơ đồ tính toán thủy lực khi mực nước cao ở thượng lưu
4.2.

Xác định độ mở cống
Tính theo sơ đò chảy tự do qua lỗ
Q = ϕ.α.a.bc. 2.g .( H 0' − α .a )
Trong đó: - Q = 3,5 m3/s là lưu lượng cần lấy qua cống ứng với MNDBT.
- ϕ: hệ số lưu tốc, lấy ϕ = 0,95.
- α: hệ số co hẹp đứng.
- H '0 : cột nước tính toán trước cửa van:
H '0 = H0 - hw = 21,8 – 0.047 = 21,753m. Trong đó:
α .V02
α .V02
+ H0 = H +
= MNDBT - ∇đc +
= 31,4– 9,6 = 21,8(m).
2. g
2. g
α .V02

(Vì cột nước H cao và cửa vào thuận nên bỏ qua
).
2. g

+ hw: tổn thất cột nước từ cửa vào cho đến vị trí cửa van:
hw = Z1+ Zl + Zp + i.L1
= 0,014+0,008+0,016+0,0002.49=0,047 m.

Page 15


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

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

=

3,5

0,95.2.21, 753

3
2

= 0, 018

→Tra bảng 15-1 có: τc = 0,004→ hc = τc.H 0 = 0,004.21,753= 0,087 (m)
'

Tra bảng 16-1 có: α = 0,611
a τ c 0, 004
= =
= 0, 0065
H α 0, 611

→ a =0,0065.21,753=0,14 m.

→ Q* = 0,95.0,611.0,14.2. 2.9,81.(21, 753 − 0, 611.0,14) =3,36 m3/s
∆Q =

Q * −Q
3,36 − 3,5
.100% =
.100% = 4,2% < 5%
∗
Q
3,36

Vậy: Giá trị ε = 0,611 và a = 0,14 (m) xác định ở trên có thể chấp nhận được.

4.3. Kiểm tra nước nhảy trong cống
4.3.1. Vẽ đường mặt nước để tìm độ sâu cuối cống hr
a) Định tính: cần xác định hc, ho, hk
Độ sâu co hẹp sau van: hc=α.a=0,611.0,14=0,085 (m)
Độ sâu phân giới: hk =

3

α .q 2
=
g

3

1.3,52
= 0,678 (m)
9,81.22

Độ sâu dòng đều ho tính theo phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thủy lực
Với i=0.0002
 nQ
Rln = 
 4m
 o

=>

3

3

 8  0, 017.3,5  8
÷ =
÷ = 0.786
i÷
 8 0.0002 


b
2
h
=
= 2,544 Tra bảng thủy lực =>
= 2,872
Rln 0, 786
Rln

=> ho=2,26m
Có hc
Page 16


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

b) Định lượng
Xuất phát từ mặt cắt co hẹp C-C vẽ về cuối cống. Mặt cắt co hẹp cách cửa
van một khoảng 1,4a = 1,4.0,14 = 0,196m

Có thể dùng phương pháp cộng trực tiếp để vẽ đường mặt nước. Theo
phương pháp này thì khoảng cách giữa hai mặt cắt có độ sâu h1 và h2 đã biết là:
∆ L = ∆L =

∆E
i−J

Với: + i=0,0002,
+

∆E = E2 − E1 ; E = h +

αV 2
2g

2

J1 + J 2
 V 
J =
÷, J= 2
C R 

Dùng phương pháp cộng trực tiếp để vẽ đường mặt nước, tính với chiều dài sau van là
L=131- 0,196 = 130,804m
Bảng tính toán đường mặt nước trong cống:

Page 17

Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

TT

h

b

ω

V

V2/2g

E

1

0.085

2

0.17

20.588

21.604

21.689

2

0.135

2

0.27

12.963

8.565

8.700

3

0.185

2

0.37

9.459

4.561

4

0.235

2

0.47

7.447

5

0.285

2

0.57

6

0.335

2

7

0.385

8

R

C.R1/2

J

0.078

10.770

3.654

-12.990

0.119

14.227

4.746

-3.954

0.156

2.826

3.061

-1.684

6.140

1.922

2.207

0.67

5.224

1.391

2

0.77

4.545

0.435

2

0.87

9

0.485

2

10

0.535

11

∆E

Jtb

i -Jtb

∆L

∑L

0.830

2.242

-2.242

5.793

5.793

17.055

0.308

0.569

-0.569

6.952

12.746

0.190

19.460

0.146

0.227

-0.227

7.425

20.171

-0.855

0.222

21.553

0.081

0.114

-0.114

7.524

27.695

1.726

-0.481

0.251

23.402

0.050

0.065

-0.065

7.364

35.059

1.053

1.438

-0.288

0.278

25.055

0.033

0.041

-0.041

6.991

42.050

4.023

0.825

1.260

-0.178

0.303

26.545

0.023

0.028

-0.028

6.423

48.473

0.97

3.608

0.664

1.149

-0.111

0.327

27.897

0.017

0.020

-0.020

5.665

54.138

2

1.07

3.271

0.545

1.080

-0.068

0.349

29.133

0.013

0.015

-0.014

4.716

58.854

0.585

2

1.17

2.991

0.456

1.041

-0.039

0.369

30.267

0.010

0.011

-0.011

3.571

62.425

12

0.635

2

1.27

2.756

0.387

1.022

-0.019

0.388

31.313

0.008

0.009

-0.009

2.220

64.646

13

0.678

2

1.356

2.581

0.340

1.018

-0.005

0.404

32.150

0.006

0.007

-0.007

0.659

65.305

Ta thấy với chiều dài L=65,305m chiều cao dòng nước h = 0,768 = hk => có nước nhảy ở trong cống.

Page 18


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Tại cửa ra không bố trí bậc nên sau nước nhảy là dòng chảy đều ho=2,26m và hn=1,5m >
hk => hr =1,5m
• Xác định vị trí nước nhảy:
Vận dụng lý thuyết về sự nối tiếp, trước nước nhảy là đoạn chảy xiết theo đường nước
dâng CI bắt đầu từ mặt cắt co hẹp có độ sâu hc đến mặt cắt (I-I) có độ sâu h’. Sau nước
nhảy là dòng chảy êm theo đường nước hạ b1 bắt đầu từ mặt cắt II-II có độ sâu h’’ đến
mặt cắt cửa ra có độ sâu hr
Cách xác định vị trí nước nhảy:
+ Vẽ đường nước dâng CI: Bắt đầu từ mặt cắt co hẹp (c-c) có độ sâu h c đến mắt cắt (I-I)
có độ sâu h’
+ Vẽ đường e-e có độ sâu liên hiệp với đường CI: bằng cách lấy từng điểm trên CI (độ
sâu tương ứng h’) và tính độ sâu liên hiệp của từng điểm đó
+ Lùi đường (e-e) về phía hạ lưu một đoạn bằng chiều dài nước nhảy tương ứng
ln=4,5h’’ ta được đường (f-f)
Lập bảng tính theo công thức:
h '' =

h'
8α q 2
 −1 + 1 +
2 
gh '3


÷
÷


; X = ln + L

Trong đó: + L: giá trị lấy từ bảng tính đường mặt nước trong cống
+ l: khoảng cách từ mặt cắt co hẹp c-c đến măt cắt (I-I) có độ sâu trước nước nhảy tương
ứng
+ L+ln: khoảng cách từ mặt cắt co hẹp c-c đến mặt cắt (II-II) có độ sâu sau nước nhảy

II

hh

a
ln
II
Hình 7-3: Sơ đồ tính toán nước nhảy trong cống

Page 19


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Bảng tính đường mặt nước (e-e) và (f-f)
h'

L

h''

Ln

X

0.085

0

2.428

12.006 12.006

0.135

5.793

2.084

9.379

15.172

0.185

12.746

1.747

7.861

20.607

0.235

20.171

1.517

6.825

26.996

0.285

27.695

1.344

6.050

33.745

0.335

35.059

1.208

5.436

40.495

0.385

42.050

1.095

4.929

46.979

0.435

48.473

1.000

4.501

52.973

0.485

54.138

0.918

4.130

58.268

0.535

58.854

0.845

3.804

62.659

0.585

62.425

0.781

3.515

65.941

0.635

64.646

0.724

3.257

67.902

0.678

65.305

0.679

3.054

68.359

Ta thấy, độ sâu lớn nhất là 2.428m <hc=2.5m => nước nhảy không chạm trần cống.
Vẽ đường nước đổ bI trong cống: Sau nước nhảy bắt đầu từ mặt cắt II-II có độ sâu liên
hiệp h’’ và tận cùng ở cửa ra có độ sâu hr = 1,5m và vẽ ngược lên thượng lưu.
Đường nước đổ bI về phía hạ lưu xuất phát từ độ sâu hh của kênh ngay tại cửa ra của
cống h=1,5m, tính với hmax=h’’ = 2,428 là độ sâu liên hiệp của hc. Lập bảng tính theo
phương phá cộng trực tiếp với L=130,804 là đoạn tính từ mặt cắt co hẹp (c-c) tới cuối
cống. Kết quả tính như sau:

Page 20


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

TT
1
2
3

4
5
6
7
8

GVHD: Nguyễn Chiến

h

b

ω

V

V2/2g

Ε

1.5
1.497
1.494
1.491
1.488
1.485
1.483
1.477

2

2
2
2
2
2
2
2

3
2.994
2.988
2.982
2.976
2.97
2.966
2.9544

1.167
1.169
1.171
1.174
1.176
1.178
1.180
1.185

0.069
0.070
0.070
0.070

0.070
0.071
0.071
0.072

1.569
1.567
1.564
1.561
1.558
1.556
1.554
1.549

∆Ε

R

C.R1/2

J

Jtb

i -Jtb

∆L

ΣL

-0.003
-0.003
-0.003
-0.003
-0.003
-0.002
-0.005

0.600
0.600
0.599
0.599
0.598
0.598
0.597
0.596

41.846
41.823
41.801
41.779
41.756
41.733
41.718
41.674

0.001
0.001
0.001
0.001

0.001
0.001
0.001
0.001

0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001

-0.001
-0.001
-0.001
-0.001
-0.001
-0.001
-0.001

4.698
4.664
4.629
4.595
4.560
3.021
8.677

4.698

9.362
13.991
18.585
23.146
26.167
34.844

Page 21

X
130.804
126.106
116.744
102.753
84.167
61.022
34.855
0.011


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

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 chum của hai
tường hướng dòng ở cửa vào là 20o, ở cửa ra là 10o để tránh hiện tượng tách
dòng. Các tường cánh làm hạ thấp dần theo mái.

Hình 3: Bố trí mặt bằng cửa vào
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 góc để tránh ứng suất tập trung. Chiều dày thành
cống xác định theo điều kiện chịu lưc, điều kiện chống thấm và yêu cầu cấu tạo.
Theo điều kiện chống thấm cần đảm bảo:
t≥

H 21,8
=
= 1, 45
[ J ] 15

Trong đó: H là cột nước lớn nhất; H=MNDBT - ∆dc=31,4-9,6=21,8m
[ J ] là gradien thấm cho phép của vật liệu. Với bê tông cốt thép thông thường

[ J]

=15
Do quá dày nên chọn t=0,5m.
Khi chế tạo có sử dụng phụ gia chống thấm
và được tính chính xác sau khi
tính toán kết cấu.
Hình 4: Mặt cắt thân cống

b
bc

t

hc

h

5.2.2. Phân đoạn cống
Page 22


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

Do cống có chiều dài lớn nên cần bố trí khe nối chia cống thành từng đoạn để
tránh rạn nứt do lun không đều. Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào địa chất
nền và tải trọng trên cống, chọn bằng 10m
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 5:

a. Tấm nối đứng
1: Bao tải tẩm nhựa đường.

b. Tấm nối ngang
4: Tấm kim loại phẳng.

2: Nhựa đường.

5: Vữa đổ sau.

3: Tấm kim loại hình Ω.
Hình 5: Khớp nối thân cống.
5.2.3. Nối tiếp thân cống với nền
Cống hộp có thể đổ trực tiếp lên nền hoặc trên lớp bê tông lót dày 10÷15cm.
Khi nền không phải là đá và tải trọng lên cống lớn cần tăng bề rộng đáy để
hạn chế áp suất đáy móng. Ở đây ta đổ 1 lớp bê tông lót dày 10cm ở mặt tiếp
xúc giữa cống và nền
5.2.4. Nối tiếp thân cống với đập
Dùng đất sét nện chặt thành một lớp bao quanh cống dày 0,5m. 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 nằm ở khoảng giữa mái thượng lưu và kiểm tra nó thông qua tính
toán thủy lực cống.
Trong tháp van bố trí van công tác và van sửa chữa sự cố, cần bố trí lỗ thông hơi
khi cần thiết
Mặt cắt ngang tháp van thường làm dạng chữ nhật, làm bằng BTCT. Chiều dày
thành được 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 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.
Page 23


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến

6.2.

Trường hợp tính toán
Cần tính toán cống với các trường hợp làm việc khác nhau
- Khi mới thi công xong, cống chưa có nước
- Khi thượng lưu là MNDBT, cống mở để lấy nước
- Khi thượng lưu là MNDGC, 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
giữa đỉnh đập), cho một trường hợp: Khi thượng lưu là MNDBT, cống đóng.
6.3. Xác định các ngoại lực tác dụng lên mặt cắt cống (trường hợp cống hộp, tính
cho 1 mét dài)
Sơ đồ các lực tác dụng lên trần cống

MÆt ®Êt ®¾p

Z1

Mùc n íc ngÇm
q
1
q
p

2

p

Z2

2

p

q4

1

q

1

p

2

5
H

p'

2

p'

1

B

p'

1

q
q

p'

2

3
6

r

6.3.1. Áp lực đất
a) Trên đỉnh
Trong đó:

q1 = k. ∑ γi.Zi

- Zi: chiều dày các lớp đất đắp trên đỉnh cống.
- γi: dung trọng các lớp đất đắp trên đỉnh cống.
Page 24


Đồ án môn học Công trình trên hệ thống thủy lợi

GVHD: Nguyễn Chiến
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 25, 05
=
= 8,35 ta
B
3

được: k = 1,25.
Với: + H: khoảng cách từ đỉnh cống đến mặt đất đắp:
H = 37,4 – 9,45 – 3 = 25,05 (m).
+ B: bề rộng mặt cắt cống; B = 3m
Vậy trên đỉnh cống có 2 loại đất:
• Lớp đất trên đường bão hòa:
+ Z1 =

1
1
H = .25, 05 = 8,35m
3
3

+ γ1 = γk.(1 + ω) = 1,62.(1+ 0,2) = 1,944 (T/m3 ).
• Lớp đất dưới đường bão hòa:

+ Z2 = 16,7m
+ γ2 = γđn = 1,944 – 1= 0,944(T/m3 ).
• Lớp đất sét nện chặt :
+ Z = 0,5(m).
+ γ = γk.(1 + ω) = 1,58.(1+ 0,22) = 1,93 (T/m3 ) ⇒ γđn = 1,93- 1 = 0,93(T/m3 )
⇒ q1 = 1,25.(1,944.8,35+0,944.16,7+0,93.0,5 = 40,58 (T/m).

b) Hai bên
Biểu đồ áp lực có dạng hình thang

p1 = q1. tg2(45o -

ϕ
)
2

p1’ = q1’. tg2(45o -

ϕ
)
2

Page 25