Bài giảng Công trình trên hệ thống thủy lợi - Chương 3: Cống lộ thiên

1CHƯƠNG 3-CỐNG LỘ THIÊN3-1. KIẾN THỨC CHUNGI- Khái niệm: 1. Cống:Vật kiến trúc dùng để điều tiết Q, khống chế mực nước trên kênh, sôngVị trí đặt: trên kênh; đầu, cuối kênh 2. Cống lộ thiên:Phía trên hở (không đắp đất).Phân biệt với cống ngầm: 4 phía giáp đất2II- Phân loại cống (theo chức năng, nhiệm vụ): 1. Cống lấy nước (từ sông, hồ, kênh).VD: Cống Liên Mạc, Xuân Quan 2. Cống điều tiết: đặt trên kênh để khống chế mực nước.Một số đập dâng trên sông có chức năng như cống. VD: đập Thảo Long. 3. Cống tiêu: Tháo nước từ 1 vùng ra sông, biển, hồ, kênh.Đối tượng tháo: nước mưa, nước thải, nước thừa.34 4. Cống phân lũ:Tháo một phần lưu lượng lũ từ sông sang vùng khác => bảo vệ cho hạ lưu.VD: Đập Đáy, Vân Cốc (phân lũ sông Hồng). 5. Cống ngăn triều:Ngăn mặn, giữ ngọt cho đồng.Thường kết hợp tiêu => làm việc 2 chiều. 6. Cống tháo cát:Áp dụng ở các CT lấy nước, điều tiết trên sông.VD: đập Cầu Sơn, Bái Thượng, Thạch Nham 7. Cống đa chức năng:Tưới + tiêu.Tiêu + ngăn triều 56III- Các bộ phận của cốngHình 14-3. Cắt dọc cống Lân II (Thái Bình – Xây dựng 1996)1. Kênh dẫn thượng lưu 2. Bảo vệ mái thượng lưu 3. Sân trước bằng đá xây 4. Cầu thang mái kênh thượng lưu5. Sân trước bằng bê tông CT 6. Tường cánh thượng lưu 7. Cầu giao thông 8. Mố trụ9. Khe phai 10. Cửa van 11. Tường ngực 12. Bản đáy cống13. Cọc bê tông cốt thép 14. Cừ chống thấm 15. Cầu công tác 16. Cầu thả phai17. Tường cánh hạ lưu 18. Mố tiêu năng 19. Bản đáy bể tiêu năng 20. Sân sau bằng bê tông CT21. Sân sau bằng đá xây 22. Cầu thang mái kênh HL 23. Bảo vệ mái hạ lưu 24. Hố xói dự phòng25. Kênh hạ lưu Ghi chú: Kích thước cm 7III- Các bộ phận của cống: 1. Thân cống: là phần quan trọng nhất.Chức năng: điều tiết Q, H; nối tiếp với nền và bờ; giữ ổn định.Các bộ phận chính:Bản đáy.Trụ pin và trụ biên.Tường ngựcKhe van, cửa van, khe phai. Cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả phai.Có thể có cừ chống thấm (nối với bản đáy).8 2. Phần nối tiếp thượng lưu.Chức năng: tạo sự thuận dòng, giảm tổn thất cột nước.Các bộ phận:- Tường cánh thượng lưu.- Sân trước (có thể kết hợp chống thấm hoặc không). 3. Phần nối tiếp hạ lưu.Chức năng: Tiêu năng phòng xói; nối tiếp dòng chảy từ xiết sang êm.Các bộ phận:- Tường cánh hạ lưu- Bể / sân tiêu năng (phía dưới có bố trí thoát nước, lọc ngược).- Sân sau.- Hố phòng xói (có thể có hoặc không).9101114-2. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC LỖ CỐNGI- Xác định mực nước thiết kế thượng, hạ lưu cống 1. Mực nước hạ lưu (Zh).a) Cống lấy nước: Vẽ đường mặt nước trong kênh hạ lưu, xuất phát từ cao trình mực nước khống chế nơi sử dụng.b) Cống phân lũ, cống tiêu: - Sông ra biển: theo quan hệ Z~Q (dựa vào kết quả tính thuỷ văn). - Sông vùng triều: theo dạng triều thiết kế (Zh không phụ thuộc vào Q).12 2. Mực nước thượng lưu (Zt)a- Cống lấy nước.Mực nước trước cửa vào:Zcv = max(ZTV, Zpg).ZTV = Z1-(∆Z1+∆Z2);Z1 = f(Q1);Z2 = f(Q1-Q);∆Z1 = Z1-Z2;∆Z2 =13a) Cống lấy nước (tiếp):Zpg = Zd +Hpg; (mực nước phân giới trong sông). Zd – Cao độ đáy sông trước cửa vào; Hpg = f(Q1 – Q): độ sâu phân giới trong sông.Mực nước trước cống: Zt = Zcv - ∆Z3; ∆Z3 - tổn thất cột nước dọc kênh từ cửa vào đến vị trí cống.b) Cống tiêu, cống phân lũ: Căn cứ vào mực nước phải khống chế trong vùng.14 3. Lựa chọn cặp (Zt, Zh) thiết kế.Vẽ đường quá trình mực nước: Zt ~ t; Zh ~ t.Chọn thời điểm tính toán bất lợi: - Tính khẩu diện: Khi ∆Z=Zt-Zh nhỏ, Q tương đối lớn. - Tính tiêu năng: Khi ∆Z=Zt-Zh lớn, Q tương ứng. 15II- Lựa chọn kiểu ngưỡng cống & lưu lượng đơn vị: 1. Chọn lưu lượng đơn vị (q).Ý nghĩa. q ảnh hưởng đến: - Quy mô cống (q lớn thì B nhỏ). - Vấn đề nối tiếp và tiêu năng.Kinh nghiệm: chọn q nhỏ trong các trường hợp: - (Zt-Zh) lớn. - hh nhỏ. - Nền yếu, dễ xói. - Cống có quy mô lớn.16 2. Lựa chọn kiểu ngưỡng cống.Thường chọn ngưỡng đỉnh rộng khi: - cần hạ thấp cao trình ngưỡng (cống tiêu). - khi q đã định, không đòi hỏi hệ số lưu lượng lớn. - khi thời gian thi công gấp rútDùng ngưỡng thực dụng khi: đáy kênh đã định (theo địa hình) mà cần nâng ngưỡng để giảm q, giảm chiều cao van.17III- Xác định kích thước lỗ cống: 1. Trường hợp mở cửa van hoàn toàn:a) Chảy tự do ε - hệ số co hẹp bên m - hệ số lưu lượngGhi chú: - cách xác định ε và m là khác nhau đối với đập tràn đỉnh rộng & thực dụng. - thường xác định ∑b theo phương pháp đúng dần.Xác định theo quy phạm tính toán thuỷ lực đập tràn18b) Chảy ngậpTiêu chuẩn ngập: phân biệt đập tràn đỉnh rộng và thực dụng – Theo QP Thuỷ lực đập tràn.Sơ đồ tính toán:Đập tràn thực dụng Đập tràn đỉnh rộng 19Xác định ∑b: - Đập tràn thực dụng: -Đập tràn đỉnh rộng: Ghi chú: ∑b xác định theo p2 đúng dần.202. Trường hợp mở van 1 phần: Tính như chảy qua lỗa) Chảy tự do:Sơ đồ:Công thức: α - hệ số co hẹp đứng, α = f(a/H); 21b) Chảy ngậpSơ đồ:Công thức: 223-3. THIẾT KẾ TIÊU NĂNG PHÒNG XÓII- Đặc điểm dòng chảy qua cốngV lớn, phân bố không đều; mạch động lớn.Zt, Zh luôn thay đổi => trạng thái chảy qua cống cũng thay đổi, thường xuất hịên nước nhảy sóng, khó tiêu năng.Dòng chảy hạ lưu khuyếch tán không đều.Bcống thường dễ sinh chảy ngoằn ngoèo.Địa chất ở kênh hạ lưu thường yếu, dễ xói => xói hạ lưu cống chủ yếu do nước nhảy sóng, dòng chảy ngoằn ngoèo, mạch động lưu tốc và áp lực.23II- Bố trí chung thiết bị tiêu năng hạ lưu. 1. Hạ lưu không ảnh hưởng triều => sơ đồ tiêu năng truyền thống:Bể tiêu năng (hoặc sân tiêu năng khi không đào bể) - Đáy: kết cấu BTCT (hoặc đá xây) liền khối, có đục lỗ thoát nước, phía dưới có tầng lọc ngược. - Trên mặt đáy có thể bố trí thiết bị tiêu năng phụ (mố, răng, ngưỡng ). - Tường cánh hạ lưu: chọn độ mở thích hợp => tránh tách dòng. thường tgθ = - Kích thước bể tiêu năng (db, Lb): xác định theo thuỷ lực.24Sân sau: - Là đoạn gia cố chống xói trên kênh hạ lưu, đoạn nối ngay sau BTN (có mạch động lớn). - Chiều dài: Ls=(2,5÷3)Ln; Ln - chiều dài nước nhảy. - Kết cấu gia cố: Yêu cầu: ổn định, dễ thoát nước.K/C truyền thống: đá lát khan, rọ đá, tấm BT lắp ghép.Kết cấu loại mới: thảm đá, mảng bêtông tự lựa 25 2. Hạ lưu chịu ảnh hưởng triều:Đặc điểm: mực nước hạ lưu thay đổi thường xuyên, dễ hình thành nước nhảy sóng và dòng chảy ngoằn ngoèo, khó tiêu năng.Bố trí: về cơ bản vẫn là sơ đồ chung Bể tiêu năng – sân sau, nhưng có nét riêng: - Trên đáy bể TN thường bố trí 1-2 gờ => tăng cường khuếch tán dòng chảy theo phương đứng và ngang. Vị trí và chiều cao gờ hợp lý: xác định bằng thí nghiệm mô hình TL. - Cuối sân sau thường bố trí hố chống xói => dòng chảy đạt được trạng thái chảy êm bình thường khi chảy vào kênh HL.26Cắt dọc cống Láng ThéChú ý: - Khi cống làm việc 2 chiều thì phải bố trí thiết bị tiêu năng ở cả 2 phía. - Nếu chọn Bcống ≈ Bkênh thì sơ đồ tiêu năng sẽ đơn giản hơn. => cần so sánh các phương án trong thiết kế.27III- Nước nhảy sóng – tác hại - biện pháp chống.1. Điều kiện: khi năng lượng thừa không lớn, h’’c/hc ≤ 2 => không thể tạo ra nước nhảy tại chỗ hay nhảy ngập. 2- Hiện tượng: tạo một sóng đứng ở đầu BTN, tắt dần trên 1 đoạn dài của dòng dẫn.Dòng chảy khi nhảy sóng28 3. Tác hại: - Khả năng tiêu hao năng lượng kém. - Dòng chảy dập dềnh trên một đoạn dài => gây xói hạ lưu. 4. Biện pháp chống: Đặt gờ triệt tiêu nhảy sóng ở cuối ngưỡng cống (đầu BTN) => tạo nước nhảy ngập.Sự thay đổi dạng nước nhảy khi có ngưỡng đầu bể 29Chiều cao gờ (c):Xác định theo đồ thị(kết quả nghiên cứu thí nghiệm)Chú ý: khi đặt gờ, khả năng tháo nước của cống bị ảnh hưởng => cần kiểm tra lại khẩu diện cống.Biểu đồ xác định chiều cao ngưỡng 30IV- Dòng chảy ngoằn ngoèo - biện pháp khắc phục. 1. Điều kiện: - Khi cống không mở đều các cửa. - Khi tường cánh hạ lưu có góc mở quá lớn. 2- Hiện tượng: - Chủ lưu uốn lượn ngoằn ngoèo. - Hình thành các xoáy có trục đứng ở 2 bên => ép chủ lưu, làm tăng q cục bộ.Dòng chảy ngoằn ngoèo sau cống. 31 3. Tác hại: - Gây xói đáy & bờ lòng dẫn sau BTN. - Ảnh hưởng trên 1 phạm vi dài. 4. Biện pháp chống:a) Trong thiết kế:Chọn góc mở tường cánh hạ lưu thích hợp - Khi HL không có thiết bị tiêu năng: h - chiều sâu dòng chảy HL. ∆H - độ chênh mực nước thượng hạ lưu.32 - Khi HL có thiết bị tiêu năng: h- chiều sâu nước tính từ đáy BTN. P- chiều cao thiết bị TN (tường, mố ).Làm tường phân dòng trong BTN - Áp dụng: khi Bk >>Bc. - Bố trí: kéo dài các trụ pin ở thân cống về hạ lưu. Chiều cao tường phân dòng: b) Trong quản lý: - Mở đều các cửa. - Mở đối xứng (trường hợp cống có nhiều cửa).333-4. TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC BỘ PHẬN CỐNGI- Bản đáy cống 1. PP dầm đảo ngược.a) Giả thiết: - Phản lực nền phân bố đều theo phương ngang, tuyến tính theo phương dọc. - Cắt các băng cống theo phương ngang; các băng làm việc độc lập.σy34b) Nội dung: - Xét toàn cống, tính phản lực nền theo công thức nén lệch tâm: - Cắt các băng theo phương ngang: tính như dầm liên tục có gối là các trụ, tải trọng là phản lực nền (đều). - Tính nội lực & cốt thép phương ngang; thép phương dọc: cấu tạo.c) Nhận xét: - Ưu điểm: tính đơn giản, nhanh; - Nhược điểm: độ chính xác thấp (chưa xét tính toàn khối, chưa xét quan hệ CT-nền). - Áp dụng: cống nhỏ, nền cứng.35 2. Phương pháp dầm trên nền đàn hồi: a) Xác định lực tác dụng:Xuất phát: xét toàn khối cống, xác định phản lực nền theo công thức nén lệch tâm (phương ngang: đều).Cắt một băng có b=1; các ngoại lực:Lực tập trung từ mố: P’iLực phân bố (đều):- Trọng lượng nước trong cống: qo.- Trọng lượng bản đáy: q1.- Áp lực đẩy ngược: q2.- Phản lực nền (sơ bộ): q3.36a) Xác định lực tác dụng (tiếp):Lực cắt ở mặt bên khi tách dải: Q Theo ĐK cân bằng: Q + ∑P’i + 2L·∑qj = 0; 2L - chiều dài băng (chiều rộng bản đáy). ∑qj - tổng (đại số) các lực phân bố đều.Phân phối Q cho các phần của mặt bên: => τbc đồng dạng với Sc.Sơ đồ phân bố lực cắt 37Phân phối Q (tiếp): - Vẽ biểu đồ Sc. - Tính diện tích A1, A2 tương ứng với trụ và bản đáy. - Phân cho trụ: Q1 phân cho từng trụ theo tỷ lệ diện tích: - Phân cho bản đáy: Q2 = Q – Q1; Q2 phân đều cho bản đáy:38Xét tải trọng bên: - Trọng lượng đất đắp: S; -Tải trọng trên đường giao thông: q5; - Mômen do lực ngang: Mo.Sơ đồ lực cuối cùng: - Lực tập trung tại mố: Pi = P’i + P’’i. - Lực phân bố đều: q = q0 + q1 + q2 + q4. - Trọng tải bên: q5, S, M0.Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên bản đáy39b) Tính nội lực (phương ngang): Tính theo dầm trên nền đàn hồi. Phương pháp: Winkler, Gorbunôp-Pôxađôp (tra bảng) => M, Q.c) Cốt thép: - Thép phương ngang: tính từ M, Q. - Thép phương dọc: bố trí cấu tạo.d) Nhận xét: - Đã xét tính toàn khối của cống; quan hệ nền – công trình. - Đã xét ảnh hưởng của tải trọng bên. - Chưa tính được cốt thép phương dọc.40II- Tường ngực. 1. Tác dụng: - Giảm chiều cao van, giảm lực mở van. - Tăng độ cứng hướng ngang. 2- Phạm vi bố trí: - Phía trên: đến đỉnh cống. - Phía dưới: đáy tường = MNTT + δ. MNTT = mực nước khi tính khẩu diện. δ - độ cao an toàn.41 3. Cấu tạo: gồm bản mặt và các dầm đỡ. Nối tiếp với trụ: thường đổ liền khối. 4. Tính toán kết cấu:a) Bản mặt: Cắt các băng theo chiều đứng và ngang. - Theo chiều đứng: Dầm đơn hoặc dầm liên tục. - Theo chiều ngang: dầm 2 đầu ngàm vào trụ Tải trọng: áp lực nước, sóng gió b) Dầm đỡ: (dầm trên, dưới, các dầm trung gian) - Sơ đồ: Dầm 2 đầu ngàm vào trụ. - Tải trọng: phản lực gối đỡ khi tính bản mặt.42III- Tính toán trụ (trụ pin, trụ biên). 1. Lực tác dụng: - Trọng lượng bản thân, thiết bị. - Áp lực nước truyền từ van, phai. - Áp lực nước 2 bên. - Áp lực đất (lên trụ biên). 2- Các trường hợp và sơ đồ tính toán:a) Khi thi công: - Sơ đồ: nén lệch tâm. - Tải trọng: trọng lượng bản thân, máy thi công. - Ứng suất đáy trụ:43b) Khi làm việc, van đóng: Cần kiểm tra: Điều kiện chống trượt (Khi trụ tách rời bản đáy).Điều kiện chống cắt (Khi trụ đúc liền bản đáy).Khả năng phá hoại cục bộ: - Van phẳng: tại vị trí có khe làm trụ bị yếu. Sơ đồ: thanh chịu kéo với tổng lực ngang Q. Tổng diện tích thép bố trí 2 bên khe: - Van cung: tại vị trí tai van (chịu lực tập trung từ càng van truyền tới).44 Các nội dung kiểm tra độ bền của tai van: - Khả năng chống cắt (mặt tiếp giáp tai và trụ). - Khả năng chống uốn (sơ đồ dầm côngxôn). - Khả năng chống phá vỡ do ép mặt (trên mặt trục quay tỳ vào tai van).45Tính toán kết cấu tổng thể mố trụ van cung:Phân tích ứng suất: Xác định trị số, phương chiều các ứng suất chính N1, N2. - Phương pháp tra bảng - Sử dụng chương trình (ví dụ SAP 2000)Tính toán và bố trí cốt thép (từ kết quả phân tích ứng suất). - Thép ngang và đứng. - Thép xiên (rẻ quạt).46c) Khi kiểm tra, sửa chữa cống: Đóng chặt một khoang, 2 bên vẫn làm việc. Sơ đồ tính: Trụ chịu nén + uốn theo 2 phương. Nội dung: Tính ứng suất (max, min) => kiểm tra điều kiện bền, bố trí cốt thép.