Giáo trình Marketing xuất khẩu Chương IV

Trang 1

Khoa Kỹ Thuật Cụng Trỡnh Bài giảng mụn: Thủy Lực Thủy Văn

Chương iV: Tính toán thủy văn, thủy lực công

trình thoát nước dọc tuyến

Chương này đề cập tới các công trình thoát nước thường được sử dụng trên tuyến

đường, trừ các cầu lớn và cầu trung

Đ8.1 Tính toán thủy văn, thủy lực cầu nhỏ và cống 8.1.1 Tài liệu cơ bản và thông số đầu vào

Để phục vụ tính toán thủy văn, thủy lực cầu nhỏ, cống, các tài liệu cơ bản, các thông số đầu vào cần phải tiến hành thu thập được chỉ ra dưới đây Tuy nhiên tuỳ thuộc vào giai đoạn thiết kế cần có yêu cầu về mức độ chi tiết của số liệu và các thông tin cần thu thập

- Bình đồ địa hình khu vực công trình Đặc điểm địa hình dùng để xác định vị trí

đặt công trình và các điều kiện kiểm soát thiết kế thủy lực bao gồm: cao độ, phạm vi lòng suối, kênh, mương tại vị trí và lân cận vị trí dự định đặt cống Phạm vi khảo sát phụ thuộc vào địa hình cụ thể và độ dốc của lòng suối, song thường không nhỏ hơn từ 3 đến 4 lần chiều rộng dòng chảy tương ứng với mực nước lũ thiết kế

- Bản đồ lưu vực công trình Đây là yếu tố quan trọng để tính lưu lượng theo mưa rào và đánh giá khả năng tiềm ẩn của lũ, do vậy phải sử dụng bản đồ có tỉ lệ đủ lớn để xác

định chính xác diện tích và các đặc điểm của lưu vực Nếu bản đồ và thông tin không đủ tin cậy thì phải tổ chức đo đạc, lập bình đồ Trong bản đồ phải thể hiện được diện tích không có tác dụng cung cấp nước, hồ ao, đầm lầy, mức độ sử dụng đất, mật độ và loại thực vật …, đê, đập, hồ chứa vì nó có thể làm thay đổi tính chất của dòng chảy Phạm vi

và tính chất của lưu vực nên được kiểm tra và đánh giá ngoài thực địa

- Các số liệu khí tượng tại khu vực nghiên cứu, đặc biệt là các số liệu về mưa bao gồm: tổng lượng mưa năm, lượng mưa tháng, mùa mưa, lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày lớn nhất; lượng mưa thời đoạn ngắn;

- Các đặc trưng và đặc điểm của suối, kênh Dòng chảy phải được mô tả đầy đủ

về tính chất, đặc điểm, các mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, địa hình đáy dòng chảy, tuyến dòng chảy trên mặt bằng, khu vực lòng sông, bãi sông, độ dốc đáy, độ dốc mặt nước nếu

có Tình hình địa chất bờ, đáy dòng chảy, lớp đá gốc nếu có, thảm thực vật, vật trôi và các yếu tố khác ảnh hưởng đến kích thước cống

- Điều tra mực nước tại vị trí công trình: Công tác này rất quan trọng giúp cho tính toán và kiểm soát quá trình tính toán thủy lực Mực nước điều tra này phải ở gần nơi

định đặt công trình, song trong một số trường hợp có thể sử dụng mực nước từ thượng hay hạ lưu truyền về vị trí cống Mực nước điều tra phải có cùng hệ cao độ với tuyến đường

- Điều tra, đăng ký các công trình hiện có: Các công trình hiện có tại thượng và hạ lưu công trình dự kiến cần được điều tra cụ thể, đặc biệt là các công trình nằm gần công trình dự kiến, có thể gây ra các ảnh hưởng giữa hai công trình với nhau Các thông tin cần điều tra ở công trình hiện có bao gồm:

+ Tên công trình, cơ quan quản lý, cơ quan khai thác;

+ Loại công trình, chức năng, chế độ vận hành công trình;

+ Các thông số chủ yếu của công trình;

+ Các kích thước chủ yếu của công trình;

Trang 2

+ Thời gian xây dựng;

+ Những lũ lớn đã qua, ngày tháng, vết lũ tại công trình;

+ Tình trạng công trình trong thời gian lũ lớn qua;

+ Phạm vi, độ lớn, vị trí xói lở gần công trình hay tại công trình;

+ Địa chất đáy, bờ dòng chảy;

Các phương pháp tính toán lưu lượng đã được chỉ ra trong chương II Tuy nhiên,

đối với cầu nhỏ, cống diện tích lưu vực thường nhỏ sẽ có các đặc thù riêng Trong tiêu chuẩn 22TCN220-95 “Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ” đã đưa ra các phương pháp tính toán lưu lượng thiết kế cho lưu vực nhỏ hơn 100km2 Trong mục này sẽ không đưa ra chi tiết các công thức và phương pháp tính toán mà chỉ nêu ra các vấn đề cần phải xem xét khi tính toán lưu lượng thiết kế như sau:

- Khi áp dụng tiêu chuẩn 22TCN220-95 cần cập nhật các thông số về lượng mưa ngày tới thời điểm tính toán

- Diện tích lưu vực cầu nhỏ, đặc biệt là cống nhiều khi nhỏ hơn 1km2 Trong những trường hợp này nên tính toán theo phương pháp cường độ giới hạn được trình bày trong chương IX

- Đối với cầu nhỏ và cống khu vực đồng bằng bắc qua các kênh tưới và tiêu chính cần quan tâm tới lưu lượng các công trình tưới tiêu đầu mối, hiện trạng và quy hoạch

- Đối với cầu nhỏ, cống khu vực đồng bằng bắc qua các kênh nhánh cần xem xét tới các chỉ tiêu tưới, tiêu của khu vực hiện tại cũng như trong tương lai Có thể tham khảo các hệ số dưới đây

1 Ruộng lúa khu vực đồng bằng có đê, hệ thống thủy

2 Như khu vực trên, có xen kẽ các khu dân cư, thị trấn

3 Như khu vực trên, có các thị trấn, thị xã trong các ô

nội đồng lớn, thoát nước ra cùng một trạm bơm đầu

4 Như khu vực trên, có xen kẽ các khu công nghiệp,

thoát nước ra cùng một hệ thống trạm bơm đầu mối 12,0 - 15,0

5 Như khu vực trên, nhưng tỷ lệ diện tích đô thị hoặc

Trang 3

8 Các khu vực nhỏ (1ha – 3ha) có canh tác đặc biệt Theo nhu cầu,

lớn hơn 10,0 Theo nhu cầu, lớn hơn 3,0

- Chiều sâu và tốc độ tại mặt cắt tính toán dưới cầu;

- Khẩu độ thoát nước dưới cầu;

- Chiều sâu dòng chảy ở cửa ra của cầu hr, từ đó tính được tốc độ chảy ra khỏi cầu Vr và đoạn sau cầu

b Tính thủy lực phần cửa ra của cầu

Tính toán này để xác định điều kiện chảy sau công trình cầu, tính xói cục bộ và gia

cố bảo vệ cầu phía hạ lưu, bảo vệ nền đường tức là lựa chọn kích thước gia cố phần cửa ra của cầu Trường hợp cần thiết phải làm công trình tiêu năng để đảm bảo an toàn cho cầu

và phương tiện vận tải, con người trong mùa lũ

c Sơ đồ tính thuỷ lực

Cầu nhỏ có thể có một nhịp hay nhiều nhịp đặt trên một số dạng mố trụ Dòng chảy qua cầu nhỏ thông thường bị thu hẹp so với thượng và hạ lưu làm cho dòng chảy bị uốn cong khi vào cầu, do đó tuỳ thuộc vào loại trụ mố cầu mà có hệ số lưu lượng tương ứng dưới đây:

Chiều rộng thoát nước dưới cầu thường nhỏ hơn chiều rộng dòng chảy, đã làm dâng nước trước cầu cột nước H Cột nước dâng cho phép trước cầu H xác định theo công thức dưới đây:

k d

H H

Hd: chiều cao đường;

: hệ số giảm đường cong mặt nước tại cửa vào cầu ( = 0,75 - 0,85)

Trang 4

 = hnhc + min

hnhc: chiều cao kết cấu nhịp cầu;

min: chiều cao dự trữ kỹ thuật (an toàn) trên mực nước thiết kế lấy theo bảng dưới

Phương pháp tính toán thủy lực khẩu độ cầu lấy cơ sở lý thuyết của dòng chảy qua

đập tràn đỉnh rộng, là sơ đồ thực tế cho phép tính chiều rộng thoát nước dưới cầu (gọi tắt

là b hay Lc) thỏa đáng và phù hợp với các dạng gia cố lòng suối Sơ đồ thủy lực cầu làm việc như đâp tràn đỉnh rộng sẽ có mặt cắt co hẹp với chiều sâu tính toán htt = hc < hk, tức

là tốc độ ở mặt cắt tính toán lớn hơn tốc độ tại mặt cắt có chiều sâu phân giới hk

Dưới cầu có hai chế độ dòng chảy phụ thuộc vào cột nước thượng và hạ lưu cầu, đó

0,59 0,60 0,61 0,63 0,64

0,45 0,47 0,49 0,52 0,54

0,84 0,83 0,81 0,80 0,78

2,56 2,35 2,05 1,85 1,64

0,76 0,78 0,81 0,83 0,84

0,58 0,62 0,65 0,68 0,71

Khi hh < NH thì dòng chảy dưới cầu làm việc theo sơ đồ đập tràn đỉnh rộng chảy tự

do (không ngập); nếu hh > NH thì dòng chảy dưới cầu theo sơ đồ đập tràn đỉnh rộng chảy ngập

Tính toán thủy lực dưới cầu tương ứng với các chế độ chảy như sau:

 Chảy tự do (ioc < i1)

Trang 5

Dòng nước dưới cầu dọc theo sông, suối chia làm ba giai đoạn: cuối đoạn cửa vào (đoạn 1) dòng chảy có độ sâu h1 < hk < H và h1 < hoc; sau đoạn cửa vào (đoạn 2) độ sâu dòng chảy tăng lớn hơn hk; đoạn cửa ra độ sâu dòng chảy giảm hr < hk, i1 là độ dốc tương ứng với độ sâu h1

Chiều sâu tính toán:

hoc là độ sâu chảy dưới cầu tương ứng với độ dốc lòng sông, suối dưới cầu ioc Cả hai trường hợp trên áp dụng khi L/H <20; trong đó L là chiều dài dòng sông, suối dưới cầu Trường hợp (ioc > i1) có thể áp dụng cho thiết kế thủy lực cống bản chảy tự

do

 Chế độ chảy ngập

Dòng chảy dưới cầu, dọc theo sông, suối chia làm hai đoạn: đoạn cửa vào (đoạn 1)

có chiều sâu ở cuối đoạn hck < h1ng < h0 ; đoạn sau cửa vào (đoạn 2) chiều sâu dòng chảy tăng bằng chiều sâu hạ lưu hr = hh > hk

Chiều sâu tính toán: ht = h1ng = kngH (8 - 5) trong đó:

h1ng: chiều sâu có tính đến chiều cao phục hồi khi dòng chảy ra khỏi cầu;

kng: hệ số lấy theo bảng 8 –4

Bảng 8 – 4 Thông số tính toán thủy lực cầu nhỏ theo sơ đồ chảy ngập

1,19 1,13 1,07

1 0,92 0,82

6,9 4,8 3,4 2,25 1,4 0,8

1 0,98 0,93 0,88 0,82 0,75 0,66

0,6 0,62 0,67 0,72 0,76 0,81 0,86

1,1 1,25 1,5 1,8 2,08 2,68 3,87

1,2 1,17 1,11 1,05 0,97 0,9 0,81

7,1 6,1 4,3

3 2,1 1,35 0,8

1 0,98 0,96 0,94 0,9 0,85 0,79 0,72 0,64

0,61 0,63 0,65 0,67 0,71 0,75 0,8 0,84 0,88

1 1,1 1,2 1,31 1,56 1,88 2,35 2,9 3,3

1,23 1,2 1,17 1,14 1,08 1,02 0,95 0,88 0,78

7,3 6,3 5,5 4,73 3,6 2,6 1,75 1,15 0,7

Trang 6

15

0,71 0,55 0,43

0,4 0,1 0,05

0,55 0,39 0,28

0,91 0,95 0,98

5,2 8,65

15

0,7 0,54 0,43

0,35 0,1 0,05

0,53 0,38 0,27

0,92 0,96 0,98

5,3 8,65

15

0,68 0,53 0,42

0,35 0,1 0,05

0,63 0,67 0,7 0,74 0,78 0,82 0,85 0,89 0,93 0,96 0,98

1 1,18 1,36 1,61 1,94 2,36 2,9 3,8 5,2 8,65

15

1,25 1,19 1,13 1,07 1,01 0,94 0,86 0,77 0,57 0,53 0,42

7,75

6 4,6 3,6 2,55 1,8 1,15 0,65 0,35 0,1 0,05

1 0,97 0,94 0,91 0,86 0,81 0,75 0,69 0,6 0,51 0,36 0,26

0,64 0,67 0,71 0,74 0,77 0,81 0,84 0,87 0,9 0,93 0,97 0,98

1 1,14 1,34 1,54 1,77 2,11 2,53 3,05 3,9 5,2 8,7

15

1,28 1,23 1,17 1,11 1,05 0,99 0,92 0,85 0,76 0,67 0,52 0,41

8,08 6,5 5,1 4,05 3,05 2,25 1,55 1,05 0,6 0,35 0,1 0,05 Nếu chiều sâu hạ lưu hh > h0 thì chiều sâu tính toán bằng chiều sâu hạ lưu: ht = hh;

 Công thức xác định chiều dài thoát nước dưới cầu

2 / 3 0

2gH

m

Q b

2

2 0 0





Do tốc độ của dòng chảy trước cầu không lớn nên thường lấy H  H0

Tốc độ tại mặt cắt tính toán dưới cầu:

t t

Trang 7

- Số liệu đã biết (đầu vào): Lưu lượng QP %; loại mố trụ (cho hệ số m); độ dốc dòng chảy i0, chiều sâu dòng chảy tự nhiên h0 (hay hh); độ dốc dòng chảy dưới cầu ioc; cột nước trước cầu H, hay điều kiện chảy

 Yêu cầu tìm: chiều rộng thoát nước b; lựa chọn dạng gia cố dưới cầu

 So sánh h0 với NH1; nếu h0 < NH1 thì chế độ chảy vẫn là chảy tự do;

 Tìm k1 và xác định chiều sâu tính toán ht = k1H1;

 Xác định dạng gia cố lòng sông dưới cầu phù hợp với tốc độ tính toán Vt và chiều sâu ht;

 Nếu h0 > NH1 thì tính b theo chế độ chảy ngập

 Trường hợp 2:

- Số liệu đã biết (đầu vào): Lưu lượng QP%; loại mố trụ; độ dốc dòng chảy i0; chiều sâu h0 (hay hh); độ dốc dòng chảy dưới cầu ioc; tốc độ cho phép tại mặt cắt tính toán

Vt theo hình thức gia cố lòng cầu (song thường lấy Vmaxt  4 – 5 m/s)

- Yêu cầu: Xác định chiều rộng thoát nước dưới cầu b; cột nước trước cầu H; Kiểm tra dạng gia cố, tốc độ dưới cầu tương ứng

2 H g m

Trang 8

3 2

 So sánh h0 với NH1; nếu h0<NH1 thì chế độ chảy là tự do (đúng với giả thiết);

t t t

h b

Q

V 

Kiểm tra Vt với Vt; nếu Vt<Vt thì dừng tính

 Trường hợp 3: Trạng thái chảy ngập

Khi trạng thái chảy dưới cầu chảy ngập thì việc tính toán phải theo phương pháp

đúng dần vì ng chưa biết Trình tự tính toán như sau:

2 H g m

b H

kng: phụ thuộc vào m và n;

t t

Trang 9

 

3 2

2 2

3 2 0 max

2 2

1

2m

g

V H

1m 2g.H

Q b

H

h

n  và so sánh với n1; nếu n2n1 thì chọn n3 khác và tính lại cột nước H3

và so sánh H3 với H2; nếu chưa thỏa mãn thì tiếp tục tính cho đến khi thỏa mãn yêu cầu sẽ

được cột nước dâng tương ứng với b1 đã chọn;

 Xác định lại điều kiện chảy ngập: (h0>NH)

 Xác định chiều sâu tính toán dưới cầu

ht = kngH

Tốc độ tính toán dưới cầu:

t t

h b

Q V

1



Trang 10

Như vậy điều kiện Vt < Vt đã được giải quyết và các yêu cầu đặt ra đã được thực

hiện

 Tính cầu nhỏ nhiều nhịp

Lưu lượng qua cầu (công thức lưu lượng qua đập tràn) chảy tự do

2 / 3

.

2g H mnb k

k

k tb  nhg 2 2 nhb

knhg và knhb: hệ số kể đến sự êm thuận dòng chảy vào nhịp giữa và các nhịp biên;

n: hệ số nhịp cầu đặt trên trụ đặc liền khối;

knhg và knb đối với trụ, mố lượn tròn = 0,91; đối với mố và trụ thẳng, sắc mép =

0,83

Từ (*) rút ra chiều dài thoát nước dưới cầu đối với chế độ chảy tự do:

2 / 3

.

2g H mn k

Q b

.

2g H b

m

Q  trc k

(**) trong đó:

trc

 : hệ số tổn thất cửa vào cầu do trụ cọc gây ra phụ thuộc vào tỷ số:

k

trc k

trc

b

b b



k mdc d

mmdc: hệ số mái dốc của mặt cắt dưới cầu

Chế độ chảy ngập đối với cầu nhiều nhịp tính gần đúng như cầu một nhịp Lúc này

công thức (*) và (**) phải thêm hệ số  ng

8.1.4 Khẩu độ cống và các nguyên tắc tính toán thủy lực cống

Khi đặt cống ngang đường, do mặt cắt ngang cống thường nhỏ hơn mặt cắt ngang

dòng chảy tự nhiên nên đã tạo ra nước dâng và một vùng bị ảnh hưởng nước dâng trước

cống Khẩu độ cống gắn liền với yếu tố này Nếu khẩu độ cống lớn thì chiều sâu nước

dâng và thời gian nước dâng sẽ nhỏ và ngược lại Như vậy trước khi xác định khẩu độ

Trang 11

cống cần quan tâm tới cột nước dâng trước cống và phạm vi dâng trước cống (tích nước trước cống) và đánh giá các điều kiện rủi ro:

- Thiệt hại tài sản vùng gần nơi đặt cống;

- Làm hỏng cống và đường

Đối với kiểm soát hạ lưu, lưu lượng, hình thức và chế độ chảy của cống không chỉ

do các yếu tố chi phối kiểm soát thượng lưu (tổn thất cửa vào và cột nước tốc độ trong cống) mà còn do cao độ mực nước ở cửa ra của cống, độ dốc, chiều dài và độ nhám của cống quyết định Chế độ chảy của cống có thể là chảy không đầy hay chảy đầy cống phụ thuộc vào tập hợp các yếu tố đã nêu Khi cột nước trước cống và khẩu độ cống xác định thì chiều dài cống, độ nhám cống và chiều sâu nước hạ lưu là yếu tố quyết định chính hình thức và chế độ chảy của cống còn kích thước và hình thức cửa vào là yếu tố thứ yếu

Chế độ chảy của cống có thể phân chia thành các trường hợp sau:

- Chảy không ngập cửa vào và cửa ra (chảy tự do, chảy không áp);

- Ngập cửa vào, cửa ra không ngập, cống chảy không đầy cống;

- Ngập cửa vào, cửa ra không ngập, chảy đầy cống;

- Ngập cửa vào và cửa ra (chảy ngập hoàn toàn, chảy có áp)

Để tiện cho công tác tính toán và lựa chọn khẩu độ cống, khả năng thoát nước của các loại cống tương ứng với các điều kiện chảy nêu trên được lập thành bảng tra và xác

định theo toán đồ

a Các xem xét khi thiết kế cống:

- Chiều cao nước dâng trước cống thông thường được giới hạn H <1,5D Đối với

địa hình bằng phẳng thì H <1,0D

+ Đối với chế độ chảy tự do ở cửa vào cống, cao độ nền đường tối thiểu:

Hmin = D +  + hđ + Đối với chế độ chảy ngập ở cửa vào cống thì:

Hmin = H +  trong đó:

D: chiều cao (hay đường kính) của cống;

: chiều dày thành cống;

hđ: chiều cao đất đắp trên cống (thường  0,5 m);

H: cột nước dâng trước cống;

: chiều cao dự trữ trên cao độ nước dâng Đối với cống khẩu độ nhỏ thì   0,5m;

đối với cống khẩu độ lớn hơn và bằng 2m thì   1,0m

Tùy theo điều kiện địa hình nhiều khi cần phải nắn suối, cải tạo địa hình tức là thiết kế kênh dẫn thượng và hạ lưu cống sao cho dòng chảy êm thuận Kích thước của kênh phải thoả mãn các điều kiện thuỷ lực Tốc độ dòng chảy phải đủ lớn để ngăn cản lắng đọng bùn cát và cây cỏ phát triển (thường từ 0,6 – 0,9m/s) song phải đủ nhỏ để không gây xói lở Trong một số trường hợp cần phải bảo vệ chống xói bằng gia cố bề mặt kênh, bỏ đá hay các biện pháp phòng xói khác khi thay đổi độ dốc vẫn không làm giảm tốc độ chảy Tốc độ lớn nhất đối với một số vật liệu bảo vệ chống xói như bảng dưới đây

Trang 12

+ Tính thuỷ lực phần cửa vào;

+ Tính thuỷ lực phần cửa ra

 Tính thuỷ lực phần cửa vào bao gồm xác định:

- Điều kiện làm việc của cống (cửa vào bị ngập hoặc không bị ngập); chiều dày

đắp đất tối thiểu;

- Kích thước cống;

- Chiều sâu dòng chảy trước cống;

 Tính phần cửa ra sao cho đảm bảo cống được ổn định từ phía hạ lưu

- Tốc độ dòng chảy ở cửa ra, tốc độ không xói;

- Phạm vi gia cố, chiều sâu gia cố chống xói và công trình tiêu năng lượng; Sau đây là một vài gợi ý về bảo vệ chống xói hạ lưu:

- Không cần bảo vệ chống xói riêng biệt: vr = 2,5m/s;