THIẾT kế CỐNG lộ THIÊN 2

Đồ án môn học thuỷ công
THIẾT KẾ CỐNG LỘ THIÊN
PHẦN I: ĐỀ BÀI
A. TÀI LIỆU :
Cống A, Đề 33 :
1. Nhiệm vụ : Cống A xây dựng ven sông X để :
-

Lấy nước tưới cho 60.000 ha ruộng.

-

Ngăn nước sông vào đồng khi có lũ.

-

Kết hợp tuyến đường giao thông với xe loại 8 – 10 tấn đi qua.

2. Các lưu lượng và mực nước thiết kế :
Trường hợp
Chỉ tiêu
Đề

Lấy nước

Q

Z§ Çukªnh

max
lÊy

(m3/s)
110

33

Chống lũ

Z

Z

Z

Zmin
§ ång

(m)
3,72

(m)
7,8

(m)
8,85

(m)
2,6

min

s«ng

(m)
3,43

max
s«ng

max
s«ng

3. Tài liệu về kênh hạ lưu :
•

Zđáy kênh = 0,00 ;

•

Độ dốc mái : m = 1,5 ; Độ nhám : n = 0,025 ;

•

Độ dốc đáy : i = 2.10-4

4. Tài liệu về gió :
Tần suất P%
V(m/s)

2
28,0

3
26,0

5
22,0

20
18,0

30
16,0

50
14,0

5. Chiều dài truyền sóng :
Trường hợp

ZSông bình thường

ZSông max

D (m)

200

300

6. Tài liệu địa chất :

•

Đất thịt cao độ : +3,5 → +0,5

•

Đất pha cát từ : +0,5 → -10,0

•

Đất sét từ

•

Chỉ tiêu cơ lý

: -10,0 → -30,0
:
Loại đất

SVTH: Phạm Trung Tiến

Thịt

1

Cát pha

sét

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
Chỉ tiêu
γ K (T/m3)
γ Tn (T/m3)
Độ rỗng n
ϕTn (độ)
ϕbh (độ)
CTn (T/m2)
Cbh (T/m2)
Kt (m/s)
Hệ số rỗng e
Hệ số nén a (m2/N)
Hệ số không đều η

1,47
1,70
0,40
190
160
1,50
1,00
4.10-7
0,67
2,20
8,00

1,52

1,75
0,38
230
180
0,50
0,30
2.10-6
0,61
2,00
9,00

1,41
1,69
0,45
120
100
3,50
2,50
1.10-8
0,82
2,30
7,00

7. Thời gian thi công : 2 năm
B. YÊU CẦU :
1. Xác định cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế.
2. Tính toán thuỷ lực xác định chiều rộng cống và giải quyết tiêu năng.
3. chọn cấu tạo các bộ phận cống.
4. tính toán thấm và ổn định cống .
5. Chuyên đề : tính toán bản đáy cống theo phương pháp dầm trên nền đàn hồi.

6. Bản vẽ : khổ A1, thể hiện được cắt dọc, mặt bằng, chính diện thượng lưu, hạ
lưu, mặt cắt ngang cống và các cấu tạo chi tiết.

SVTH: Phạm Trung Tiến

2

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
PHẦN II: THUYẾT MINH CHI TIẾT
A.GIỚI THIỆU CHUNG
I.

Vị trí nhiệm vụ công trình : Cống A xây dựng ven sông X để :

-

Lấy nước tưới cho 60.000 ha ruộng.

-

Ngăn nước sông vào đồng khi có lũ.

-

Kết hợp tuyến đường giao thông với xe loại 8 – 10 tấn đi qua.

II. Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế :

1. Cấp công trình: (Xác định theo TCVN 285 – 2002)
a) Theo chiều cao công trình :
max
Hct = Zs«ng + d - Zđáy kênh = 7,8 + 0,7 - 0 = 8,5 m

Trong đó: d là độ vượt cao an toàn, lấy d = 0,7 m.
Tra bảng P1-1 (Phụ lục 1 - Đồ án môn học Thuỷ công) tương ứng với công
trình đập bê tông trên nền đất ta có cấp công trình là cấp IV.
b) Theo nhiệm vụ công trình :
Tra bảng P1-2 (Phụ lục 1 - Đồ án môn học Thuỷ công) tương ứng công trình tưới
cho 60.000 ha ta có công trình Cấp I
→ Chọn cấp công trình là cấp I.
2. Các chỉ tiêu thiết kế :
-

Tần suất lưu lượng, mực nước lớn nhất để tính ổn định, kết cấu : P = 0,2 %

-

Tần suất gió lớn nhất: p = 2 %

-

Tần suất gió bình quân: p = 50%

-

Tần suất mực nước lớn nhất ngoài sông khai thác: p = 10% (Bảng 4–4
TCVN285 – 2002)

-

Hệ số vượt tải : (Tra bảng P1 – 4)
+ Trọng lượng bản thân công trình: 1,05.
+ Áp lực thẳng đứng của trọng lượng đất: 1,1.
+ Áp lực bên của đất: 1,20.
+ Áp lực nước tĩnh, áp lực thấm ngược, áp lực sóng: 1,00.
+ Tải trọng do gió: 1,30.

SVTH: Phạm Trung Tiến

3

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
+ Tải trọng của động đất: 1,00.
-

Hệ số điều kiện làm việc : m =1 (Với công trình bê tông và bê tông cốt thép trên
nền đất)

-

Hệ số tin cậy : Kn = 1,25

B. TÍNH TOÁN THUỶ LỰC CỐNG
I.

Tính toán kênh hạ lưu.

1. Số liệu thiết kế :
Độ dốc kênh : i = 2.10- 4 ( sơ bộ ta chọn , sau đó kiểm tra lại điều kiện bồi lắng
và xói lở )
Độ dốc mái : m = 1,5
Độ nhám: n= 0,025
Lưu lượng : QTK = Qmaxlấy = 110 ( m3/s )
2. Tính toán Thuỷ lực :
* Độ sâu mực nước trong kênh:
H = Zđầu kênh - Zđáy kênh = 3,43 – 0 = 3,43 m
* Chiều rộng đáy kênh:
Với : m = 1,5 → 4m0 = 8,424
→f (R Ln ) =

4m0 i 8, 424. 2.10−4
=
= 0,00108
110
Q

Tra bảng phụ lục 8 – 1 (bảng tra thuỷ lực) với n = 0 ,025 →RLn= 3,24 m
Lập tỷ số

H 3, 43
=
= 1,058
R ln 3, 24

Tra bảng 8-2 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta được :

B
= 7,35 → B = 7,35.3,33 = 23,8 m ≈ 24 m
R ln
* Kiểm tra điều kiện không xói :

Vmax < [Vkx]

- Lưu tốc không xói:
[Vkx] = k Qmax= 0,53.1100,1 = 0,848 (m/s)
0,1

Với K: hệ số quyết định bởi tính chất đất nơi kênh đi qua, với đất cát pha K=
0,53

SVTH: Phạm Trung Tiến

4

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
- Tốc độ dòng chảy trong kênh khi dẫn với Qmax:

Vmax=

Qmax
ω

Vậy ω = h.(b+m.h) = 3,43 .( 24 +1,5.3,43) = 99,97(m2)
⇒ Vmax=

Qmax

ω

110

= 99, 97 = 1,1003 (m/s)

So sánh:Vmax = 1,1003( m/s) >[Vkx]= 0,854 (m/s) ⇒Kênh bị xói
Do không thỏa mãn điều kiện xói , ta có nhiều cách giải quyết khác nhau .
Có thể giảm độ dốc của kênh (i) , hoặc tăng bề rộng kênh (b) để giảm lưu tốc,
hoặc có thể gia cố kênh bằng bê tông hóa.
ở đây ta giải quyết theo cách thứ thứ nhất : giảm độ dốc kênh chiều i = 1.10 -4
Tính lại :
Trước hết ta phải xác định lại chiều rộng kênh , do độ dốc thay đổi
→f (R Ln ) =

4m0 i 8, 424. 1.10−4
=
= 7,658.10-4
110
Q

Tra bảng phụ lục 8 – 1 (bảng tra thuỷ lực) với n = 0 ,025 →RLn= 3,69 m
Lập tỷ số

H 3, 43

=
= 0,929
R ln 3,69

Tra bảng 8-2 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta được :

B
= 9,43 → B = 9,43.3,69 = 34,79 m ⇒ ta chọn : B = 35(m)
R ln
Kiểm tra điều kiện không xói
Để xác định Vmax ta phải xác định h ứng với Qmax .

Ta có :
→Vmax=

ω = h(B + mh)= 3,43.(35 + 1,5.3,43)

= 137,69 (m2)

110
Qmax
=
= 0,799(m/s)
137, 69
ω

So sánh:Vmax = 0,799 m/s< [Vkx] = 0,854 (m/s)
→Kênh hạ lưu không bị xói. Vậy ta chọn chiều rộng kênh là B = 35 (m)
* Kiểm tra điều kiện không lắng:
[Vkl]= A Qmin= 0,33.(0,5.110)0,2= 0,735 (m/s)

0,2

Với Qmin: lưu lượng nhỏ nhất, lấy Qmin =0,5. Qtk

SVTH: Phạm Trung Tiến

5

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
A: hệ số phụ thuộc tốc độ lắng chìm của bùn cát, đất cát pha A = 0,33
- Tốc độ dòng chảy trong kênh khi dẫn với Qmin:
3

Qmin= 55 (m /s); b = 35 (m); m = 1,5; n = 0,025; i = 10

-4

Ta tính mực nước trong kênh khi chuyển qua lưu lượng Qmin
Có : f (R Ln ) =

4m0 i 8, 424. 1.10−4
=
= 1,53.10-3
55
Q

Tra bảng phụ lục 8 – 1 (bảng tra thuỷ lực) với n = 0 ,025 →RLn= 2,85 (m)

B

35

Lập tỷ số R = 2,85 = 12,28
ln
Tra bảng 8-2 (bảng tra thuỷ lực) với m = 1,5 ta được :
H
= 0, 798 → H = 0,798.2,85 = 2,27 m
Rln

→hmin

= 2,27 (m)→ w = 2,27.(2,27.1,5+35)=87,18 (m2)

→Vmin =

Qmim
55
=
= 0,63 (m/s)
ω
87,18

So sánh:Vmin = 0,63 (m/s) < [Vkl] = 0,746(m/s)
→Không thoả mãn không bồi lắng.
Ở đây số liệu tính toán bồi lắng chưa chính xác (Q min không có số liệu thực) nên
kết quả bồi lắng có thể chấp nhận được. Trên thực tế kênh tưới lấy nước từ sông vẫn
hay bị bồi lắng ta cần sử lý thường xuyên bằng nạo vét và làm bể lắng cát ở thượng
lưu.

Vậy ta chọn bề rộng kênh B = 35 m.
II. Tính toán khẩu diện cống :
1. Trường hợp tính toán : chọn khi chênh lệch mực nước thượng hạ lưu là nhỏ,
cần lấy nước vào đồng với lưu lượng QTK:
min
∆Z = Zs«ng - Zđầu kênh = 3,72 - 3,43 = 0,29 m
max
QTK = QlÊy = 110 m3/s.

2. Chọn loại và cao trình ngưỡng cống :
a) Cao trình ngưỡng : để tăng khả năng tháo ta chọn ngưỡng cống ngang với đáy
kênh thượng lưu, Znc = 0,0 m.

SVTH: Phạm Trung Tiến

6

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
b) Hình thức ngưỡng: đập tràn đỉnh rộng.

Hình 1: Sơ đồ tính toán khẩu diện cống
3. Xác định bề rộng cống :
a) Xác định trạng thái chảy:
Theo QPTL C8-76 :
Ta có: hn = hh – P1 = hh = Zhl – Zđáy kênh = 3,43 – 0 = 3,43 m

V02

Ho = H+ a
2g
Bỏ qua lưu tốc tới gần Vo , do chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu nhỏ độ cao
hồi phục ∆Z có thể bỏ qua, ta có:
min

Ho= H =Z song - Zđáy kênh = 3,72 – 0 = 3,72 m

hn 3, 43
hn
=
= 0,922 > (
)pg=(0,7 – 0,8) → Cống chảy ngập
H 0 3, 72
H0
b) Tính bề rộng cống :
Từ công thức của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập:
Q = ϕ gϕ n h∑ b 2g(H 0 − h)
Trong đó:
jn : H/s lưu tốc, lấy theo trị số của h/s lưu lượng m (Tra bảng của Cumin)
Lấy m = 0,35→ jn = 0,93
jg : h/s co hẹp bên : jg

= 0,5eo + 0,5

Chọn sơ bộ: eo= 0,95 → jg = 0,975.
Q = Qtk = 110 m3/s
Thay các giá trị vào biểu thức trên ta được:

SVTH: Phạm Trung Tiến

7

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
Σb =

Q
110
=
ϕgϕn h 2g(H o − h) 0,975.0,93.3, 43. 2.9,81.(3, 72 − 3, 43) =14,827 (m)

Chọn Σb= 15 m , cống có 3 cửa mỗi cống rộng 5 m cách nhau bằng mố trụ dày
1,0 m; mố bên dày 0,5 m.
Tính lại jn và jg theo trị số của m và eo :
eo =

Σb
Σb + Σd

=

15
= 0,833
15 + 2 + 2.0,5

Trong đó:

Σd: Tổng chiều dày các mố, Σd= 3 m
jg = 0,5eo +0,5 = 0,5.0,833+0,5 = 0,916
m : tra bảng của Cumin (với cotgθ =1;β =

b 15
= =0,43) → m = 0,358
B 35

Tra bảng phụ lục 14 – 4 Bảng tra thuỷ lực m = 0,358 →jn= 0,92
110
= 15,23(m)≅ 15m
0,916.0,92.3, 43. 2.9,81.(3, 72 − 3, 43)

→ Σb=

→ Chọn cống có 3 cửa, bề rộng mỗi cửa là 5 m, cách nhau bằng mố trụ dày 1m,
mố bên dày 0,5m.
Kiểm tra lại tiêu chuẩn chảy ngập:
q=

Q
110
=
=7,33 (m2/sm)
15
Σb

hk =
→

3

αq2
1.7,332
= 3
9,81
g

= 2,3 (m)

hn
hn
3, 43
=
= 1,48 > (
)pg = (1,2 ÷ 1,4) → thoả mãn tiêu chuẩn chảy ngập
2,3
hk
hk

III. Tính tiêu năng phòng xói :
1. Trường hợp tính toán :
Khi tháo lưu lượng qua cống với chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn.
song
∆Z=Z max
- Z daukenh =7,8 – 3,43 = 4,37 (m)

Cống lấy nước tưới: khi Zsông lớn, Zđồng phụ thuộc lưu lượng lấy. Chế độ nối tiếp
hạ lưu phụ thuộc quy trình vận hành (chế độ đóng mở cửa van) . Trường hợp đơn giản
tính toán khi mở đều các cửa.

SVTH: Phạm Trung Tiến

8

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công

2. Lưu lượng tính toán tiêu năng :
Cống lấy nước: Mực nước hạ lưu phụ thuộc lưu lượng lấy (khi Zsông đã có).
Để xác định lưu lượng tính toán tiêu năng, cần tính toán với các cấp lưu lượng từ
Qmin đến Qmax, với mỗi cấp lưu lượng, cần xác định độ mở cửa cống a, độ sâu liên hiệp

h'c' và độ sâu hạ lưu hh : Qtt là trị số ứng với ( h'c' – hh)max.
Cách xác định : Tính theo phương pháp đối chiếu mặt cắt lợi nhất về thuỷ lực :
* Tính độ sâu hạ lưu hh :
Tính : f (R ln ) =
Lập tỉ số

(

4mo i
, với i = 10 −4 tra bảng 8-1 (bảng tra thuỷ lực) được Rln.
Q

b
h
, với b = bk=35 m tra bảng với m = 1,5 ta được

→ hh = h =
R ln
R ln

h
)R ln
R ln
''
* Tính độ sâu liên hiệp hc :

Giải theo bài toán phẳng : Eo = P + Ho (Cống không có ngưỡng : P = 0)

αV02
Ho = H = 7,8 m (bỏ qua lưu tốc tới gần
) → E0 = 7,8 m
2g
Từ F( τ c )=

q

ϕE

3
2
0

, với q =

Q
''

''
''
ta có τ c và tính ra hc = τ c E0
b
∑c

Trong đó : ϕ là hệ số lưu tốc , đánh giá sự tổn thất năng lượng của dòng

chảy, theo Pavơlôpski , với đập tràn đỉnh rộng có : ϕ = 0,85

÷0,95 .

Ta chọn ϕ = 0,9

SVTH: Phạm Trung Tiến

9

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
BẢNG TÍNH CHỌN QTN
Q
(m3/s)
110
100
90
80
70

60
50

f(Rln)
0.000766
0.000842
0.000936
0.001053
0.001203
0.001404
0.001685
0.00210

Rln
3.687
3.558
3.420
3.274
3.107
2.933
2.741

b/Rln h/Rln
10.306
0.88
10.680 0.862
11.111 0.842
11.607 0.822
12.230 0.798
12.956 0.771

13.864 0.745
15.07

40
6 2.520
9
30 0.002808 2.263 16.792
20 0.004212 1.943 19.557

hh
q
3.245 6.11
3.067 5.56
2.880 5.00
2.691 4.44
2.479 3.89
2.261 3.33
2.042 2.78

0.707 1.845
0.665 1.505
0.607 1.179

F(τ c)
0.31779
0.28890
0.26001
0.23112
0.20223
0.17334

0.14445

τ

c

’’

0.437
0.422
0.413
0.379
0.357
0.333
0.306

2.67 0.11556 0.276
1.67 0.08667 0.241
1.11 0.05778 0.198

hc''
hc''-hh
3.365
0.120
3.249
0.182
3.180
0.300
2.918
0.227

2.749
0.270
2.564
0.303
2.356
0.314
2.318
1.856
1.525

0.473
0.351
0.345

Dựa vào các bảng tính trên ta có : Lưu lượng tính toán tiêu năng Q tn = 40 m3/s,
tương ứng với q = 2,67 (m3/s.m) và với ( hc – hh)max = 0,473 m
''

+ Eo = 7,8 m
''
+ hc = 2,318 m

+ hh = 1,845 m
* Xác định độ mở cống :
Công thức chảy dưới cửa cống : Q = εϕhcΣb 2g(H 0 − hc )
Trong đó:
+ ε : hệ số co hẹp bên
+ϕ

: hệ số lưu tốc

Với cống có đáy ở ngang đáy kênh có thể lấy ϕ = (0,95 ÷ 1), chọn ϕ = 0,95
+ hc= α a _ độ sâu dòng chảy tại mặt cắt co hẹp
+ a : độ mở cống.
+ α : hệ số co hẹp đứng.
Độ mở cống được xác định:
Từ F( τ c ) = 0,136 →tra bảng tra thuỷ lực ta có τ c = 0,0355,

SVTH: Phạm Trung Tiến

10

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
Do α =0,611 0.615, nên ta chọn α = 0.615
Mà : τ c = α
⇒ a=

a
= 0,0355
H0

0, 0355.7,8
τ cH0
=
= 0,45(m)
0, 615
α

3. Tính toán thiết bị tiêu năng :
a) Chọn biện pháp tiêu năng :
Trường hợp này kênh làm trên nền đất nên ta chọn hình thức làm bể tiêu năng.
b) Tính toán kích thước bể :
* Chiều sâu bể :
''
Sơ bộ chọn chiều sâu bể là : do = hc − hh =0,473m

Lúc đó cột nước toàn phần sẽ là: Eo' = Eo + d o =7,8+0,473=8,273(m)
Tính lại hc’’: ta có F( τ c )=

q
ϕ nE

3
2
0

'

=

2, 67
=0,125
0, 9.8, 2733/ 2

Tra bảng ta được τ c'' =0,286→ hc = 0,286.8,273 = 1,366 m
''

σ : hệ số chảy ngập (1,05 – 1,10) , ta chọn σ = 1,05 ta có σ h'c'
=1,05.1,366=2,484m
⇒ ∆Z

q2
q2
2, 67 2
2, 67 2
−
−
=
=
=0,109m
2gϕ 2n h2h 2g(σh'c' )2 2.9,81.0,952.1,8452 2.9,81.2, 484 2

Tính lại chiều sâu bể theo công thức:
d = σ h'c' - (hh + ∆Z)=2,484 -(1,845 + 0,109) = 0,53m ≠ do, ta chọn lại d1

=0,53m
'
Cột nước toàn phần E 0 = E0 + d1 = 7,8 + 0,53= 8,33 (m)

F( τ c ) =

q
ϕ nE

3
2
0

'

=

2, 67
0, 9.8, 333/ 2

= 0,123

→ τ c = 0,0295 → hc = τ c .Eo = 0,0295.8,33=0,246 m

τ 'c' = 0,284→ h'c'

= τ c'' .Eo = 0,284.8,33 = 2,36 m

σ h'c' =1,05.2,36=2,478 (m)

SVTH: Phạm Trung Tiến

11

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
2, 67 2
2, 67 2
−
∆Z=

= 0,073 (m)
2.9,81.0,952.1,8452 2.9,81.2, 4782

→ d2 = 2,478 – (1,845 + 0,073) = 0,55 (m) ≅ d1=0,53m
Vậy chọn theo kích thước bể cấu tạo: d = 0,55 m
Vì khi tính toán ta tính cho trường hợp nước nhảy tại chỗ
* Chiều dài bể tiêu năng :
Lb = L1 + βLn
Trong đó:
L1 : chiều dài nước rơi từ ngưỡng xuống sân tiêu năng, tính theo Trectôuxốp
L1 = 2 hk (P + 0,35hk )
hk ≈

2
2
H0 = .7,8 = 5,2 (m)
3
3

P : Chiều cao ngưỡng cống so với bể, P = d = 0,55 m
⇒ L1= 2. 5, 2.(0,55 + 0,35.5, 2) = 7,02 (m)

Ln : Chiều dài nước nhảy, ta tính theo công thức kinh nghiệm:
Ln =5. ( hc - hc)= 5.(2,36 – 0,246)
''

= 10,57 (m)

Chọn hệ số β= 0,7 ÷ 0,8.
→ Chiều dài bể tiêu năng:

Lb = L1 + βLn =7,02 + 0,7.10,57= 14,42(m) → Chọn Lb= 14,5 m
C. BỐ TRÍ CÁC BỘ PHẬN CỐNG
I.

Thân cống : Gồm bản đáy, trụ và các bộ phận bố trí trên đó.

1. Cửa van : Do kích thước cống trung bình nên ta chọn cửa van hình phẳng.
2. Tường ngực : bố trí để giảm chiều cao cửa van và lực đóng mở.
a) Các giới hạn của tường ngực :
* Cao trình đáy tường ngực :
Zđt= Ztt + δ
Trong đó :

SVTH: Phạm Trung Tiến

12

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
+ Ztt = 3,72 m, mực nước tính toán khẩu diện cống, tức cần đảm bảo ứng với
trường hợp khi mở hết cửa van chế độ chảy qua cống phải không áp.
+ δ : Độ lưu không (0,5 – 0,7 m), lấy δ = 0,65 m
→ Zđt= Ztt + δ= 3,72 + 0,7 = 4,4 m lấy Zđt = 4,5
* Cao trình đỉnh tường ngực : lấy bằng cao trình đỉnh cống, xác định như đập
bêtông
Zđỉnh cống=max(Zđ1, Zđ2), với
bìnhthuong
Zđ1 = Z sông

+ ∆h +

η+a
s

Zđ2 = Zs«ng + ∆h ' + η s + a
'

max

Trong đó:
+ ∆h , η s : Tính với vận tốc gió tính toán lớn nhất
+ ∆h ' , η s ' : Tính với vận tốc gió bình quân lớn nhất
+ a, a’: độ vượt cao an toàn (a = 1,5m; a’ =0,7m)
•

Tính ∆h và η s
• Tính ∆ h :
∆h = 2.10−6

V2 D
cos α1
g.H

Trong đó:
V: vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P = 2% có V = 28 m/s
D : đà sóng ứng với mực nước sông bình thường. D = 200 m.
g : gia tốc trọng trường. g = 9,81 m/s2
H : Chiều sâu cột nước trước cống. H = 3,72 – 0 =3,65( m)
α1 : Góc kẹp giữa trục dọc hồ và hướng gió. Chọn α1 = 0. Cos α1 =1

Thay số ta có:
∆h = 2.10−6.

282.200
.cos 00 = 8,59.10−3 (m)
9,81.3, 65

• Tính η s :
ηs = kηs . h
Trong đó:

SVTH: Phạm Trung Tiến

13

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
kηs : tra đồ thị P 2-4, kηs phụ thuộc vào λ/H và h1%/λ
h : chiều cao truyền sóng.
H : chiều sâu nước sông
λ : chiều dài sóng.


Vì chưa biết λ nên ta giả thiết là trường hợp sóng nước sâu. Tức H > λ / 2

 Tính các giá trị không thứ nguyên, trong đó t là thời gian gió thổi liên tục (Khi
không có tài liệu lấy t = 6 h).
g . t 9,81. 6 . 60 . 60

=
= 7567, 714
V
28

+Tính:

Từ đó tra đường bao đồ thị P2-1 được các giá trị không thứ nguyên
 gt
 V = 3,8
(1)

 gh = 0, 075
 V 2

+ Tính:

g . D 9,81. 200
=
= 2,503
V2
282

Từ đó tra đường bao đồ thị P2-1 được các giá trị không thứ nguyên
 gt
 V = 0,53
(2)

 gh = 0, 003
 V 2

+ Chọn cặp giá trị nhỏ nhất trong 2 cặp giá trị trên ta tính được các giá trị sau: chu
kỳ sóng bình quân τ , chiều cao sóng bình quân h , chiều dài sóng bình quân λ ⇒Vậy ta
có:
 gt
 V = 0,53

 gh = 0,003
V 2
 g .h
h = 2
 V

 V2
282
.
=
0,
003
.
= 0, 24 m
÷
9,81
 g

 g .τ
τ =
 V

28

 V
= 1,513 s
÷. = 0,53 .
9,81
 g

SVTH: Phạm Trung Tiến

14

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
λ=



g . τ 2 9,81.1,5132
=
= 3,56 m
2π
2 . 3,14

Kiểm tra điều kiện sóng nước sâu:
H1 = 3,72 > λ /2 = 3,56/2 = 1,78 m
Vậy thoả mãn điều kiện sóng nước sâu.



Tính chiều cao sóng hs
Từ cấp công trình cấp I, theo quy phạm thuỷ lợi C1 – 78 ta tính toán h s với mức

đảm bảo i = 1%
hs1% = k1% . hs
k1% : tra ở đồ thị P2-2 ta có k1% = 2,1
h1% = 2,1 . 0,24 = 0,504( m)


Tính độ dềnh cao của sóng: ηs = kηs . h1%
 λ 3, 72
= 0,957
 =
 H 3, 65

 h1% = 0,504 = 0,1416
 λ
3,56

Từ đó tra được trên đồ thị P2-4 được kηs = 1,25.
ηs = 1,25 . 0,504 = 0,63 (m )
Tính ∆ h' và η s':

•

• Tính ∆ h' :
−6

∆h' = 2.10

V '2 D'
cosα's
g . H'1

Trong đó:
V': vận tốc gió tính toán lớn nhất ứng với P = 50% có V = 14( m/s)
D’ : đà sóng ứng với mực nước sông lớn nhất. D' = 300 m.
g : gia tốc trọng trường. g = 9,81 m/s2
H'1 : Chiều sâu cột nứơc dưới cống.
max
H'1 = Z song - ∇ đáycống = 8,85- 0 =8,85( m)

α1 : Góc kẹp giữa trục dọc hồ và hướng gió. Chọn α1 = 0. Cos α1 =1
Thay số ta có:

SVTH: Phạm Trung Tiến

15

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
∆h = 2.10−6.

•

142.300
.cos 00 = 1,35.10−3
9,81.8,85

Tính η 's :
η's = k'ηs . h'

Trong đó:
k'ηs : tra đồ thị P2-3, k'ηs phụ thuộc vào λ/H' và h1%/λ
h': chiều cao truyền sóng.
H' : chiều sâu nước sông
λ ': chiều dài sóng.


Vì chưa biết λ' nên ta giả thiết là trường hợp sóng nước sâu.
+Tính:

g.t 9,81.6.3600
=
= 15135,4
V
14

 gt
 V = 4, 2
(1)
Tra đường bao đồ thị P2-1 được các giá trị không thứ nguyên: 
 gh = 0, 086
 V 2

+ Tính:

g . D ' 9,81. 300

=
= 15, 015
V '2
142

 gt
 V = 0,9
Tra đồ thị hình 2 – 1 ta có 
(2)
 gh = 0,0073
V 2
 gt
 V = 0,9
Chọn cặp giá trị nhỏ nhất trong 2 cặp giá trị trên ta tính được: 
 gh = 0,0073
V 2
 g.h '  V '2
14 2
h ' =  '2 .
= 0,0073.
= 0,146(m)
V  g
9.81


14
 g .τ '  V '
τ '=
= 0,9 .
= 1, 284 s

÷.
9,81
 V'  g

λ '=

g . τ '2 9,81.1, 284 2
=
= 2,574m
2π
2 . 3,14

SVTH: Phạm Trung Tiến

16

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công


Kiểm tra H' = 8,85> λ ' /2 = 2,574/2 = 1,287( m)⇒ thoả mãn điều kiện sóng nước

sâu.


Tính chiều cao sóng với mức đảm bảo i = 1% là: h'1% = k'1% . h'
k'1% : tra ở đồ thị P2-2 ta có k'1% = 2,1
h'1% = 2,1 . 0,146= 0,307( m)



Tính độ dềnh cao của sóng: η's = k'ηs . h'1%
 λ 2,574
= 0, 29
 =
8,85
H

 h1% = 0,307 = 0,119
 λ
2,574

Từ đó tra được trên đồ thị P2-4 được kηs = 1,22
⇒η's = 1,22 . 0,307= 0,375 ( m).
Vậy cao trình của đỉnh đập:
∇ đ1 =3,72 + 0,00859+0,63 + 1,0 = 5,36( m)
∇ đ2 =8,85 + 0,00135+0,375 + 0,7 = 9,93( m)
Vậy ta chọn cao trình đỉnh tường là 10m
b) Kết cấu tường :
Gồm bản mặt và các dầm đỡ. Do chiều cao tường không lớn, chỉ cần bố trí 2 dầm
đỡ (ở đỉnh và đáy tường); Bản mặt đổ liền với dầm, chiều dày bản mặt chọn bằng 0,3
m . Các kích thước như hình vẽ.
(Hình 3: Sơ đồ tính toán tường

Hình 4: sơ đồ tính toán cầu công tác
3,0

0,2

ngực)

0,3

0,2

6
0,2

SVTH: Phạm Trung Tiến

17

0,3

2,0

0,2

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
3. Cầu công tác :
Là nơi đặt thiết bị đóng mở và thao tác van. Kết cấu cầu bao gồm bản mặt, dầm
đỡ và các cột chống. Chiều cao cầu công tác đảm bảo khi kéo hết cửa van lên vẫn còn
khoảng không cần thiết để đưa van ra khỏi vị trí cống khi cần.Ta chọn kích thước các
bộ phận:
• Chiều cao cầu : chọn Hcầu = 6,2m

• Bề rộng cầu : 3,0m
4. Khe phai và cầu thả phai :
Ta bố trí phía đầu và cuối cống để ngăn nước giữ cho khoang cống khô ráo khi
cần sửa chữa. Ta chọn kích thước khe phai : 30 x 30cm, trên cầu thả phai ta bố trí
đường ray cho cần cẩu thả phai như hình vẽ. Cầu thả phai có chiều dài bằng chiều dài
cống, chiều rộng 1m , dày 20cm.
5. Cầu giao thông :
Theo yêu cầu giao thông ta bố trí cầu bắc qua cống với loại xe 8 ÷ 10 tấn lưu
thông. Cao trình mặt cầu chọn ngang bằng đỉnh cống. Bề rộng và kết cấu cầu chọn
theo yêu cầu giao thông. Chọn kích thước cầu :
• Đặt dầm cầu lên cao trình bằng cao trình đỉnh tường ngực, dầm cao
50cm, mặt cầu dày 30cm
• Cao trình mặt cầu: Zmặt cầu = +10,0 m
• Bề rộng cầu, theo yêu cầu của giao thông chọn b = 5m

3

0,3

0,5

0,3

1

0,2

0,3

1

Hình 5: Sơ đồ tính toán cầu giao thông
6. Mố cống :
Bao gồm hai mố giữa và hai mố bên. Trên mố bố trí khe phai và khe van, hình
dạng đầu mố dạng nửa tròn có bán kính r = 0,5 m để đảm bảo điều kiện thuận dòng.
Chiều dày mố bên cần đủ lớn để đảm bảo chịu áp lực đất nằm ngang.

SVTH: Phạm Trung Tiến

18

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
Chọn mố giữa d = 1m, mố bên d’ = 0,5m
Chiều cao mố = Zđỉnh tường – Zđáy=10 – 0 =10m
7. Khe lún :
Do bc = 15 m nên ta không bố trí khe lún mà toàn cống làm cùng một mảng.
8. bản đáy :
Dựa vào điều kiện thuỷ lực, ổn định của cống và yêu cầu bố trí kết cấu bên trên.
Chiều dài bản đáy được chọn đủ để bố trí các kết cấu bên trên, sau đó kiểm tra lại bằng
tính toán ổn định cống và độ bền của nền. Theo kinh nghiệm ta chọn kích thước bản
đáy sơ bộ:
L = 15m
t = 1 m.
II. Đường viền thấm :
Bao gồm bản đáy cống, sân trước, các bản cừ, chân khay. Kích thước bản đáy
cống đã chọn ở trên. Các kích thước khác sơ bộ chọn như sau:
1. Sân trước :

Để tận dụng vật liệu tại chỗ ta làm bằng đất sét .
* Chiều dài sân :Ls

≤ (3 ÷ 4)H

max
min
Trong đó: H là cột nước tác dụng lên cống, H = Zs«ng- Z§ ång= 8,85 – 2,6 = 6,25 m

(ứng với TH chống lũ - trường hợp bất lợi nhất)
→ Ls = 4.6,25= 24,80 m → chọn Ls = 25 m.
* Chiều dày sân :
Chiều dày sân thay đổi từ đầu sân đến cuối sân, chiều dày đầu sân chọn theo cấu
tạo t1= 0,6 (m). Chiều dày cuối sân t2 ≥

∆H
[J ]

Trong đó:
[J] = 5 – gradien thấm cho phép, đối với đất sét làm nền (4 ÷ 6).
∆H : Chênh lệch cột nước ở mặt trên và mặt dưới của sân. Do chưa biết ∆H nên
lấy t2 theo cấu tạo. Chọn t2=1m
Để bảo đảm chống xói, chống nứt nẻ trên mặt sân trước ta phủ một lớp cát sỏi dày
20cm

SVTH: Phạm Trung Tiến

19

LỚP : 50NQ

Đồ án môn học thuỷ công
2. Bản cừ :
a) Vị trí đặt :
Do cống chịu tác dụng của đầu nước một chiều nên ta đóng cừ ở phía đầu bản
đáy.
b) Chiều sâu đóng cừ :
Do tầng thấm rất dày, không thể đóng cừ đến tầng không thấm, ta đóng cừ treo ở
phía đầu bản đáy với chiều sâu S= 3(m).
3. Chân khay :
Để tăng thêm tính ổn định và kéo dài đường viền thấm ta bố trí chân khay ở hai

0,5

đầu cống. Chân khay cắm sâu vào lòng đất 0,5m

0,5

0,5

4. Thoát nước thấm :
Ở sân của bể tiêu năng bố trí các lỗ thoát nước. Vị trí lỗ thoát nước cách bản đáy
cống 2 m về phía hạ lưu. Khoảng cách giữa các lỗ là 1,5 m. Phía dưới sân tiêu năng bố
trí tầng lọc ngược. Đường viền thấm được tính đến vị trí bắt đầu có tầng lọc ngược.
5. Sơ đồ kiểm tra chiều dài đường viền thấm :
Theo công thức tỷ lệ đường thẳng :
Ltt

≥ C.H

Trong đó:
Ltt là chiều dài tính toán của đường viền chống thấm tính theo phương pháp của
Len.
Ltt = Lđ +

Ln
m

Lđ: Chiều dài tổng cộng các đoạn thẳng đứng và các đoạn xiên có góc nghiêng so
với phương ngang ≥ 450
Lđ=0,6 +2.0,5+ 2.3 + 2. 0,52 + 0,52 = 9,01(m)

SVTH: Phạm Trung Tiến

20

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
Ln: Chiều dài tổng cộng các đoạn nằm ngang và các đoạn nghiêng góc so với
phương ngang một góc ≤ 45o
Ln=25 + 15 =40(m)
m là hệ số phụ thuộc vào số hàng cừ có trong sơ đồ thấm . Khi có 1 hàng cừ thì
chọn m = 1,0 ÷ 1,5
→ Ltt = 9,01 +

40
= 35,67(m)

1,5

C : Hệ số phụ thuộc tính chất nền, tra bảng 3-1 ta có C = 5 ứng với cát pha.
H : Độ chênh mực nước thượng hạ lưu, H = 6,25 (m)
Kiểm tra :
Ltt = 35,67 ≥ C.H = 5.6,25 = 31,25 (m). ⇒ Đường viền thấm hợp lý.
III. Nối tiếp cống với thượng, hạ lưu :
1. Nối tiếp thượng lưu :
Chọn hình thức nối tiếp dạng xoắn vỏ đỗ, với góc mở θ có tgθ =

1
. Hình thức
4

tường cánh là tường thẳng nối tiếp với kênh thượng lưu.
Đáy đoạn nối tiếp thượng lưu cần có lớp phủ chống xói bằng đá xây dày 0,4 m.
Chiều dài lớp phủ : lP=4H1, với H1 là chiều sâu nước chảy vào cống, H1 = 6,25 m
→ lP = 4.6,25

= 25 (m). Chọn lP = 25 (m).

Phía dưới lớp đá bảo vệ có tầng đệm bằng dăm cát dày 15 cm.
2. Nối tiếp hạ lưu :
* Tường cánh : Chọn dạng xoắn vỏ đỗ tgθ1 =

1
5

* Sân tiêu năng: Bằng bê tông đổ tại chổ có bố trí lỗ thoát nước. Phía dưới có
tầng đệm theo hình thức lọc ngược. Chiều dày sân tiêu năng xác định theo công thức

Dômbrốpxki:
t = 0,15V1

h1

Trong đó : h1 chiều sâu đầu đoạn nước nhảy, h1= hc = 0,246 (m)
V1 lưu tốc đầu đoạn nước nhảy
Q

Q

40

tn
= 10,84(m / s )
V1 = ω = bh =
∑ 1 15.0, 246

SVTH: Phạm Trung Tiến

21

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công
→ t = 0,81 m , chọn t = 0,8 m
* Sân sau : Làm bằng đá xếp để tiêu hao nốt phần năng lượng thừa còn lại, phía
dưới có tầng đệm theo hình thức lọc ngược.
Chiều dài sân sau nối tiếp với hạ lưu được xác định theo công thức kinh nghiệm :

lSS = K q ∆H
Trong đó :
q lưu lượng đơn vị cuối sân tiêu năng q =

Q 40
=
= 1,14 (m3/s.m)
bk 35

∆H : Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, ∆H = 6,25 m
K : Hệ số phụ thuộc tính chất lòng kênh, với đất cát, cát pha chọn K = 15.
→ lSS = 15 1,14. 6, 25 = 25,3(m) → Chọn lSS = 25 m.

D. TÍNH TOÁN THẤM DƯỚI ĐÁY CỐNG
I.

Những vấn đề chung :

1. Mục đích :
Xác định lưu lượng thấm q, lực thấm đẩy ngược lên cống W t và gradien thấm J,
trong đồ án này ta chỉ tính Wt và J.
2. Trường hợp tính toán :
Tính với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất.
3. Phương pháp tính :
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (dùng phần mềm Geo slop V6.2 )
II. Tính thấm bằng phương pháp vẽ lưới thấm bằng tay :
1. Xây dựng lưới thấm :
Sơ đồ lưới thấm:

SVTH: Phạm Trung Tiến

22

LỚP : 50NQ


Đồ án môn học thuỷ công

2. Cách xác định áp lực thấm :
Sơ đồ lưới thấm có 21 dải (n = 21) và có 6 ống dòng (m = 6)
Cột nước thấm tổn thất qua mỗi dải là ∆H =

H 6,25
=
= 0,297 (m)
n
21

Cột nước thấm tại một điểm x nào đó cách dải cuối cùng i dải là :
Với:

iA = 2

hx = i.∆H

→ hA = 2.0,297 = 0,594 (m)

iB = 8 → hB = 8.0,297 = 2,376 (m)
* Áp lực thấm :
Wth = γ n

0,594 + 2,376
hA + hB
.LC = 10.
.15= 222,75 (KN/m)
2
2

* Áp lực thuỷ tĩnh :
htt = hh + t = 2,6 + 1= 3,6 (m)
Wđn= γ nhttLC= 10.3,6.15= 540 (KN/m)
III. Kiểm tra độ bền thấm theo phương pháp hệ số sức kháng :
2.Kiểm tra độ bền thấm :

J tb
K
a. Kiểm tra độ bền thấm chung : Jtb ≤
Kn
Trong đó: Kn = 1,25
Jtb : Gradien cột nước trung bình vùng thấm tính toán : Jtb =

SVTH: Phạm Trung Tiến

23

H
TttΣξ
LỚP : 50NQ

Đồ án môn học thuỷ công
Với: H = 6,25 m ; Ttt = 10 m ⇒Jtb=

5,9
= 0,109
10.5,4

Tb

J K = 0,22 : Gradien cột nước tới hạn trung bình tính toán, theo bảng P3- 2. (Cát
hạt trung bình – CT cấp I).
→ Jtb = 0,08 <

0,22
= 0,176⇒ Kết luận: Thoả mãn độ bền thấm chung.
1,25

b.Kiểm tra độ bền thấm cục bộ :

Jr ≤

JK
m

Trong đó :
Jr : Trị số gradien cục bộ ở cửa ra, theo kết quả của phương pháp vẽ lưới thấm ta có
bảng Jr
JK : gradien tới hạn cục bộ, do chưa có tài liệu thí nghiệm nên có thể tham khảo
các trị số của Ixtômina hình P3-1, phụ thuộc hệ số không đều η.
Với η = 9 (Cát pha) → Jk = 0,55

m : hệ số an toàn chọn = 1,5
Theo bảng tính Jr ở trên, Jr max =0,32<

0,55
=0,33→ Thoả mãn ổn định thấm cục
1,5

bộ.
E. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỐNG
I.

Mục đích và trường hợp tính toán :

1. Mục đích :
Kiểm tra ổn định của cống về trượt, lật, đẩy nổi. Trong đồ án này ta chỉ kiểm tra
ổn định trượt.
2. Trường hợp tính toán :
- Chênh lệch cột nước thượng hạ lưu lớn nhất.
- Trường hợp sửa chữa.
Trong đồ án này chỉ kiểm tra với trường hợp chênh lệch mực nước thượng hạ lưu
lớn nhất.
II. Tính toán ổn định trượt cho trường hợp đã chọn :
1. Xác định các lực tác dụng lên mảng tính toán :

SVTH: Phạm Trung Tiến

24

LỚP : 50NQ

Đồ án môn học thuỷ công
a. Các lực đứng :
Bao gồm trọng lượng cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai van, cửa van,
tường ngực, mố cống, bản đáy, nước trong cống, phần đất giữa 2 chân khay và các lực
đẩy ngược (Thấm, thuỷ tĩnh).
•

Trọng lượng toàn bộ của 1 cửa van : Gv= gHL0

Trong đó :
H : Chiều cao cửa van : H =Zđaytuong - Z đk +δ = 4,5 – 0 + 0,2 = 4,7 m
L0 : Chiều rộng cửa van: L0 = bkhoang + 0,3 + 0,3= 5 + 0,3 + 0,3 = 5,6 m
g : Trọng lượng riêng của 1 m2 mặt cửa van ( cửa van có bánh xe lăn) :
g=640(

3

H 0L2 -1 )=640(

3

6, 6.52

- 1)=2870,276 (N/m2)

H0 : Cột nước tính đến trung tâm lỗ cửa van
H0 = HTL - 0,5Hlc

= 8,85 - 0,5.4,5= 6,6 (m)

L : Chiều rộng của lỗ cửa van: L= 5 m
→ Gv = 2870,276.4,7.5,6=75545,66(N)= 75,54 (KN)
⇒ do đó , trọng lượng của 3 cửa van :
•

3 Gv = 226,62(KN)

Trọng lượng cầu giao thông :

G1 = WCGT γ BT = (0,3.3,4+ 2.0,2.1 + 2.0,3.0,5).18.24= 743,04 (KN)
•

Trọng lượng cầu công tác:
G2= 24.{3.0,2.18+(2.6.0,2.+2.0,2.2).0,2.4}=320,64(KN)

•

Trọng lượng cầu thả phai: G2’ =(0,2.1.18+2.0,2.0,2.4).24=94,08KN

•

Trọng lượng tường ngực : G3=(5,5.0,3+0,3.0,6.2).5.3.24=723,6(KN)

•

Trọng lượng mố cống:
1 π .12
}= 9830,592(KN)
2 4

G4=3.24.{1.(6.10 +7,5.9,2)+(10 +9,2). .
G5=(15.1+ 2.

0,5 + 1
0,5).21.24= 7938 (KN)
2

•

Trọng lượng bản đáy:

•

Trọng lượng nước trong cống thượng, hạ lưu :
G6tl= (8,85. 4+ 4,5.0,6)15.10= 5715 (KN)
G6hl= 2,6.11.15.10= 4290 (KN)

SVTH: Phạm Trung Tiến

25

LỚP : 50NQ