Chơng VII - thiết kế các công trình trong khu vực cầu vợt sông Đ 7.1. Nền đờng đầu cầu và nền đờng bãi sông 7.1.1. Điều tra mực nớc lũ nền đờng Công tác điều tra, tính toán mực nớc lũ, lu tốc, lu lợng, xói bồi v.v ở nền đờng ven sông tuỳ thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ thiết kế. Nhìn chung, công tác điều tra đợc thực hiện giống nh đối với khảo sát công trình cầu và cần có các tài liệu về mực nớc thiết kế theo tần suất quy định, lu tốc, lu hớng v.v Trong một số trờng hợp dới đây có thể chỉ điều tra mực nớc lũ lịch sử, dùng phơng pháp đơn giản mà tính ra mực nớc thiết kế và lu tốc: - Nền đờng tuy nằm trong phạm vi ngập tràn nhng không ngập nhiều, hoặc dòng nớc khống chế cao độ nền đờng chỉ là dòng nớc trên bãi nên lu tốc nhỏ, không xói mòn nguy hiểm nên không cần bố trí công trình phòng hộ; - Ta luy nền đờng chỉ cần làm công trình phòng hộ thông thờng. Khi tính đờng cong mặt nớc lũ ven sông phải căn cứ vào tài liệu quan trắc, tài liệu điều tra và cần chú ý tới tình hình cụ thể của đoạn sông đó. Sau đây là một số phơng pháp lập đờng cong mặt mực nớc lũ: a. Phơng pháp hình thái Chọn một số mặt cắt hình thái đại diện ở đoạn sông điều tra, lần lợt tính đợc lu lợng lũ lịch sử, suy ra lu lợng thiết kế và mực nớc tơng ứng với nó. Dựa vào vị trí tơng ứng vẽ lên trắc dọc lòng sông những mực nớc nói trên, rồi lần lợt vẽ đờng độ dốc mặt nớc theo các năm và theo tần suất quy định, nhờ đó xác định đợc đờng cong mực nớc lũ ven sông. b. Phơng pháp tơng quan mực nớc Khi gần đoạn sông khảo sát có tài liệu quan trắc thuỷ văn nhiều năm đáng tin cậy, giữa đoạn sông đó không có sông nhánh lớn chảy vào, đồng thời có thể điều tra mực nớc lũ lịch sử tại các mặt cắt gần vị trí thiết kế công trình thì có thể dùng tài liệu sẵn có ở trạm thuỷ văn và tài liệu điều tra lịch sử để suy ra mực nớc thiết kế và lu lợng ở những mặt cắt liên quan. Ví dụ 7-1: Tính đờng cong mực nớc ven sông bằng phơng pháp hình thái ở đoạn sông gần khu vực công trình đo đợc 4 vết lũ trong cùng một năm và lần lợt đo đợc trắc ngang lòng sông những nơi đó. Các bớc tính toán đờng mực nớc ven sông thứ tự nh sau: 1. Trớc tiên giả định lu lợng Q = 7280m 3 /s Tìm lu tốc V 1 = Q/ 1 = 7280/ 2150 = 3,89m/s ghi vào cột (4) và tính V 1 2 /2g = 3,39 2 /(2 x 9,8) = 0,59 ghi vào cột (5) 2. Lấy cao độ mực nớc H 1 ở điểm cộng thêm V 1 2 /2g đợc (115,40 + 0,59) = 115,99m ghi vào cột (6). 3. Lấy hệ số nhám lòng sông n = 0,020 giữa điểm 1-2 theo công thức Maning tính đợc trị số dốc I 1 : I 1 = (nQ) 2 / 1 R 1 2/3 = (0,020x7280) 2 /(2150x 4,25 2/3 ) = 0.000668 ghi vào cột (9). Tơng tự nh vậy tính đợc I 2 = 0,000450. Lấy trị số bình quân giữa I 1 với I 2 I 1-2 = (I 1 + I 2 )/2 = (0,000668 + 0,000450)/2= 0,000559 ghi vào cột (10). 4. Dựa vào phơng trình Becnui (*) tìm đợc chiều cao đờng năng ở 2 vế đẳng thức. H 1 = V 1 2 /2g + h f = H 2 + V 2 2 /2g (7 - 1) Vế trái phơng trình lấy H 1 + V 1 2 /2g = 115,99m. Trong (cột 6) ở điểm 1 cộng với tổn thất lực cản ma sát h f : h f = (I 1 + I 2 )L/2 = 0,16 tính đợc: H 1 + V 1 2 /2g + h f = 115,99 + 0,16 = 116,15m tức là chiều cao đờng năng ở điểm 2, ghi vào cột (13) của điểm 2 về phía của phơng trình là cao độ đờng năng của điểm 2. Có thể căn cứ vào trị số H 2 trực tiếp tìm ra V 2 và H 2 + V 2 2 /2g (xem cột 6). Nếu trị số ở hai vế phải trái đẳng thức bằng nhau, trị số Q giả định là phù hợp với yêu cầu, nếu không phải giả định lại trị số Q. 5. Trị số cao độ đờng năng giữa điểm 2, 3, 4 theo kết quả kết quả tính toán trong Ví dụ này xấp xỉ nhau, tức là trị số Q giả thiết rất ăn khớp giữa đờng mặt nớc tính toán với dấu vết lũ điều tra dựa theo lu lợng này mà suy ra. Thứ tự điể m Cao độ vết tích lũ (m) (m 2 ) V (m/ 3 ) V 2 /2g (m) H + V 2 /2g (m) R R 2/3 Độ dốc I L, m h f (m) H + V 2 /2g + h f (m) Các mặt cắt Bình quân 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 115,40 115,83 116,20 116,53 2,151 2,920 4,340 7,620 3,39 2,49 1,68 0,96 0,59 0,32 0,14 0,05 115,99 116,15 116,34 116,58 4,25 3,60 4,58 5,09 2,62 2,35 2,76 2,96 0,000668 0,000450 0,000148 0,000042 0,000559 0,000299 0,000095 285 800 1.790 0,16 0,24 0,13 116,15 116,39 116,51 Dùng phơng pháp trên tính đờng cong mực nớc lũ cần phải đối chiếu với hiện trờng, nhất là đối với trờng hợp ở đoạn sông do cầu thắt hẹp lại, chỗ mặt cắt thay đổi nhiều và nơi sông uốn cong hoặc bị chảy ngợc do sông lớn ứ dềnh, do ảnh hởng của hồ chứa v.v Cần căn cứ vào từng trờng hợp khác nhau mà điều chỉnh cục bộ cho phù hợp. 7.1.2. Xác định cao độ vai đờng đầu cầu thấp nhất Xác định cao độ vai đờng thấp nhất ở đoạn nối sát cầu nên căn cứ vào cấp sông, loại hình kết cấu dầm, mực nớc tính toán dới cầu, chiều cao sóng và vật trôi, v.v Có thể phân nền đờng dẫn về cầu thành 3 đoạn đặc trng: I - đoạn xuống dốc từ bờ sông xuống bãi; II - đoạn nền đờng đắp qua bãi sông; III - đoạn dốc lên cầu. Đoạn I thiết kế theo yêu cầu nh đối với các đoạn tuyến đờng trong điều kiện thông thờng. Đoạn II thiết kế thờng với cao độ yêu cầu tối thiểu để đảm bảo nền đờng không bị ngập. Cao độ tối thiểu đó tính nh sau: H min = MNTT + Z N + h sl + (7 - 2) trong đó: MNTT: mực nớc tính toán theo tần suất lũ thiết kế, m; Z N : chiều cao nớc dâng tại nền đờng, m: co N LB xIZZ )1( (7 - 3) h sl : chiều cao sóng leo, m; độ cao dự trữ an toàn, thờng lấy bằng 0,5m; Z: chiều cao nớc dâng lớn nhất tại thợng lu cầu; x: tỉ số giữa chiều dài kè điều chỉnh dòng nớc nửa đoạn về phía thợng lu chia cho chiều dài đoạn sông từ nơi dòng chảy bắt đầu thu hẹp tới cầu; B o : chiều rộng của sông về mùa lũ, m; L c : khẩu độ cầu có kể cả trụ cầu, m; Đối với đờng bộ, ngoài điều kiện đảm bảo nền đờng không bị ngập còn yêu cầu áo đờng phải nằm cao hơn mực nớcsông khi tĩnh (không có sóng) có kể thêm chiều cao nớc dâng. Công thức tính H min trong điều kiện này tơng tự nh công thức (6 - 1) nhng thay trị số (h sb + bằng chiều dày lớp áo đờng (h ađ ). Đoạn III là đoạn nối hai cao độ: cao độ của mặt cầu và cao độ nền đờng bãi sông. Cao độ của mặt cầu làm trên sông có thuyền bè qua lại (sông thông thuyền) tính theo công thức: H min = MNTTh + TK + C (7 - 4) trong đó: C: chiều cao từ đáy dầm tới đáy ray đối với đờng sắt hay tới tim phần xe chạy của cầu đối với đờng ô tô, m; TK: tĩnh không dới cầu lấy theo TCVN 5664 - 1992, m; MNTTh: mực nớc thông thuyền; Nếu sông không có thuyền bè qua lại thì cao độ tối thiểu của mặt cầu sẽ tính theo công thức: H min = MNTT + TK + C (7 - 5) trong đó: MNTT: mực nớc tính toán theo tần suất thiết kế, m; TK: tĩnh không dới cầu đối với sông không thông thuyền, m. Theo quy định của đờng sắt ở gần hai đầu cầu trên một chiều dài mỗi bên bằng một khẩu độ cầu nên bố trí có cao độ bằng cao độ của cầu. Còn đối với đờng bộ đoạn đó phải tối thiểu đủ để bố trí đờng cong đứng cộng thêm 10 - 25m và nên đảm bảo khối lợng công tác làm đất ít nhất. Độ dốc nền đờng từ bãi sông lên cầu: ở đờng sắt độ dốc không đợc vợt quá độ dốc chỉ đạo thiết kế, ở đờng bộ không vợt quá độ dốc cho phép tuỳ theo cấp hạng kỹ thuật của đờng. Sự phân thành từng đoạn để thiết kế trên đây là để áp dụng cho trờng hợp bình thờng. Trong thực tế còn tuỳ tình hình cụ thể mà thiết kế trắc dọc cho hợp lý cả về mặt cắt thi công và yêu cầu kỹ thuật. Ví dụ nếu chiều dài đoạn II ngắn, cao độ mặt cầu không cao lắm thì có thể thiết kế toàn chiều dài nền đờng đắp qua bãi sông cùng có một cao độ bằng cao độ mặt cầu v.v 7.1.3. Tính toán lu tốc dòng nớc của nền đờng bãi sông Lu tốc bình quân thợng, hạ lu dọc theo nền đờng có thể tính theo công thức gần đúng, theo kiến nghị của Litstơvan. a. Thợng lu: TNBQT V h h V 2 1 7,0 (7 - 6) b. Hạ lu: TNBH VV 7.0 (7 - 7) trong đó: V BT : lu tốc bình quân trong đoạn bãi sông phía thợng lu nền đờng, m/s; V BH : lu tốc bình quân trong đoạn bãi sông phía hạ lu nền đờng là, m/s; h 1 : chiều sâu bình quân ở điều kiện thiên nhiên của bãi sông, m; h 2 = h 1 + Z (7- 8) V : lu tốc bình quân trong điều kiện thiên nhiên của đoạn sông trên bãi hoặc trên đờng thuỷ trực, m/s. Hai công thức trên chỉ có thể dùng cho đoạn bãi sông mà nền đờng thợng hoặc hạ lu có cùng độ dốc mặt nớc. Nếu không có kè hớng dòng thì taluy nền đờng phía thợng lu ở trong đoạn tính từ mép trớc mố cầu bằng L cb (tĩnh không) chịu tác dụng xói tơng đơng với lu tốc dới cầu, vấn để này cần xét kỹ khi chọn loại gia cố. Tính độ dốc nớc chảy dọc nền đờng - Độ dốc nớc chảy dọc nền đờng phía thợng lu (i T ), tính theo công thức của M.B.Mikhailốp nh sau: tnT ii . (7 - 9) i tn : độ dốc tự nhiên của mặt nớc; : hệ số bằng tỉ số giữa chiều sâu trung bình h 1 của bãi sông trên chiều sâu (h 2 ) với h 2 = h 1 + Z. Trong đó Z là chiều cao nớc dâng lớn nhất tại thợng lu cầu (xác định theo chơng VI). Trị số tra bảng 7 - 1. Bảng 7 - 1 h 1 /h 2 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,50 0,35 0,24 0,15 0,09 0,05 0,02 0,01 - Độ dốc nớc chảy dọc nền đờng phía hạ lu (i h ). i h = 0,5 i tn (7 - 10) - Lu tốc bình quân thợng, hạ lu dọc theo nền đờng tính theo công thức gần đúng của Lit-stơ-van. + Thợng lu: tnbt v h h v .7,0 2 1 (7 - 11) + Hạ lu: v bh = 0,7 v tn (7 - 12) trong đó: v t : lu tốc bình quân trong đoạn bãi sông thợng lu, m/s; v bh : lu tốc bình quân trong đoạn bãi sông hạ lu, m/s; h 1 , h 2 : ý nghĩa nh trên; v tn : lu tốc bình quân dòng chảy ở điều kiện tự nhiên trong đoạn bãi sông, m/s. 7.1.4. Tính sóng leo lên mái dốc công trình Để xác định cao độ nền đờng, cao độ kè, chọn biện pháp gia cố cần phải tính chiều cao sóng leo lên mái dốc công trình. N T H hs Đ h sb H ình 7 - 2 Các yếu tố của sóng H ình 7 -1 H o a h ồng gió Khi tính sóng cần nắm vững một số định nghĩa và kí hiệu sau: h s - Chiều cao sóng là khoảng cách thẳng đứng tính từ đỉnh sóng tới chân sóng. - Chiều dài sóng là khoảng cách nằm ngang giữa 2 đỉnh hoặc chân sóng cạnh nhau. h s / - Độ dốc sóng. D s - Đà sóng là khoảng cách theo mặt nớc tù chỗ gió tác động để hình thành và phát triển sóng tới điểm tính toán. h SL - Chiều cao sóng leo lên mái dốc công trình. Khi thiết kế các công trình giao thông, trờng hợp phổ biến nhất là tính sóng gây lên bởi gió nơi nớc nông. Chiều cao sóng leo tính theo (m) trên mực nớc tĩnh xác định theo công thức: 3 . .2 s s SL hm hK h (7 - 13) trong đó: K : hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia cố mái đờng; m: độ dốc mái công trình; K/m - Trong công thức (7 -13) đợc xác định theo bảng 7 - 2. Bảng 7- 2 Vật liệu M 1 1,5 2 3 4 5 K/m Bê tông 0,90 0,60 0,45 0,30 0,23 0,18 Đá lát 0,80 0,53 0,40 0,26 0,20 0,16 Đá xếp khan 0,65 0,43 0,33 0,22 0,16 0,13 Rọ đá 0,55 0,37 0,27 0,18 0,14 0,11 Đá hộc 0,50 0,33 0,25 0,16 0,12 0,10 B¶ng 7 - 3 §é s©u H (m) Tèc ®é giã W 10 (m/s) 10 20 30 ChiÒu dµi sãng ch¹y D (km) 1 2 4 6 8 10 1 2 4 6 8 10 1 2 4 6 8 10 h s (m) 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 10.0, 0,19 0,28 0,31 0,31 0,31 0,31 0,31 0,31 0,21 0,31 0,41 0,43 0,43 0,43 0,43 0,43 0,37 0,36 0,50 0,58 0,59 0,60 0,60 0,60 0,38 0,38 0,54 0,65 0,68 0,70 0,70 0,70 0,38 0,38 0,58 0,71 0,77 0,79 0,80 0,80 0,38 0,38 0,61 0,71 0,81 0,88 0,90 0,91 0,37 0,46 0,61 0,63 0,64 0,64 0,64 0,64 0,38 0,48 0,70 0,83 0,86 0,88 0,88 0,88 0,38 0,75 0,71 0,95 1,10 1,18 1,20 1,20 0,39 0,76 0,87 1,05 1,20 1,43 1,47 1,50 0,39 0,76 0,84 1,10 1,28 1,55 1,67 1,70 0,39 0,76 0,84 1,14 1,38 1,62 1,84 1,90 0,37 0,67 0,84 0,89 0,90 0,90 0,90 0,90 0,38 0,74 0,96 1,17 1,33 1,39 1,40 1,40 0,39 0,75 1,00 1,25 1,43 1,71 1,76 1,80 0,39 0,76 1,00 1,29 1,50 1,82 2,07 2,18 0,39 0,77 1,01 1,31 1,55 1,90 2,20 2,37 0,39 0,77 1,06 1,41 1,69 2,07 2,38 2,66 B¶ng 7 44 §é s©u H (m) Tèc ®é giã W 10 (m/s) 10 20 30 ChiÒu dµi sãng ch¹y D (km) 1 2 4 6 8 10 1 2 4 6 8 10 1 2 4 6 8 10 3 /2 ss hh (m) 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 10,0 0,81 1,28 1,44 1,44 1,44 1,44 1,44 1,44 0,91 1,58 1,91 2,04 2,04 2,04 2,04 2,04 1,74 1,68 2,39 2,80 2,86 2,90 2,90 2,90 1,79 1,79 2,60 3,16 3,32 3,43 3,43 3,43 1,79 1,79 2,80 3,48 3,80 3,90 3,95 3,95 1,79 1,79 2,96 3,65 4,17 4,37 4,48 4,48 1,44 1,87 2,61 2,71 2,76 2,76 2,76 2,76 1,50 1,98 3,05 3,70 3,85 3,91 3,91 3,91 1,50 3,30 3,25 4,29 5,01 5,41 5,51 5,51 1,51 3,30 3,60 4,78 5,54 6,69 6,90 7,06 1,54 3,36 3,75 5,03 5,94 7,31 7,90 8,05 1,54 3,36 4,30 5,21 6,45 7,66 8,76 9,06 1,23 2,50 3,28 3,51 3,57 3,57 3,57 3,57 1,27 2,80 3,84 4,88 5,66 5,96 6,01 6,01 1,30 2,85 4,06 5,27 6,16 7,55 7,82 8,01 1,30 2,89 4,06 5,48 6,50 8,11 9,33 9,86 1,30 2,93 4,14 5,71 6,75 8,48 9,95 10,81 1,30 2,93 4,35 6,06 7,46 9,33 10,81 12,27 . 0,75 0, 71 0,95 1, 10 1, 18 1, 20 1, 20 0,39 0,76 0,87 1, 05 1, 20 1, 43 1, 47 1, 50 0,39 0,76 0,84 1, 10 1, 28 1, 55 1, 67 1, 70 0,39 0,76 0,84 1, 14 1, 38 1, 62 1, 84 1, 90 0,37 . 0,38 0,74 0,96 1, 17 1, 33 1, 39 1, 40 1, 40 0,39 0,75 1, 00 1, 25 1, 43 1, 71 1, 76 1, 80 0,39 0,76 1, 00 1, 29 1, 50 1, 82 2,07 2 ,18 0,39 0,77 1, 01 1, 31 1, 55 1, 90 2,20 2,37 . h f (m) Các mặt cắt Bình quân 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 11 5,40 11 5,83 11 6,20 11 6,53 2 ,15 1 2,920 4,340 7,620 3,39 2,49 1, 68 0,96