Sổ tay thủy văn cầu đường - Tính toán thủy văn, thủy lực công trình thoát nước dọc tuyến part 1 ppt

281 Chơng VIII: Tính toán thủy văn, thủy lực công trình thoát nớc dọc tuyến Chơng này đề cập tới các công trình thoát nớc thờng đợc sử dụng trên tuyến đờng, 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 đợc chỉ ra dới 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, mơng 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 thờng không nhỏ hơn từ 3 đến 4 lần chiều rộng dòng chảy tơng ứng với mực nớc lũ thiết kế. - Bản đồ lu vực công trình. Đây là yếu tố quan trọng để tính lu lợng theo ma 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 lu 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 đợc diện tích không có tác dụng cung cấp nớc, 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 lu vực nên đợc kiểm tra và đánh giá ngoài thực địa. - Các số liệu khí tợng tại khu vực nghiên cứu, đặc biệt là các số liệu về ma bao gồm: tổng lợng ma năm, lợng ma tháng, mùa ma, lợng ma 1, 3, 5, 7 ngày lớn nhất; lợng ma thời đoạn ngắn; - Các đặc trng và đặc điểm của suối, kênh. Dòng chảy phải đợc 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 nớc 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 hởng đến kích thớc cống. - Điều tra mực nớc 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 nớc điều tra này phải ở gần nơi định đặt công trình, song trong một số trờng hợp có thể sử dụng mực nớc từ thợng hay hạ lu truyền về vị trí cống. Mực nớc điều tra phải có cùng hệ cao độ với tuyến đờng. - Điều tra, đăng ký các công trình hiện có: Các công trình hiện có tại thợng và hạ lu công trình dự kiến cần đợc điều tra cụ thể, đặc biệt là các công trình nằm gần công trình dự kiến, có thể gây ra các ảnh hởng 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; 282 + Loại công trình, chức năng, chế độ vận hành công trình; + Các thông số chủ yếu của công trình; + Các kích thớc chủ yếu của công trình; + 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; + Mức độ h hỏng của công trình; + Sự thay đổi dòng chảy; + Phạm vi và mức độ ngập lụt gần công trình nếu có; + Sự bồi tích và tích đọng các vật trôi; + Các công trình, kết cấu phụ để bảo vệ cống, điều tiết dòng chảy; 8.1.2. Tính lu lợng thiết kế Các phơng pháp tính toán lu lợng đã đợc chỉ ra trong chơng II. Tuy nhiên, đối với cầu nhỏ, cống diện tích lu vực thờng nhỏ sẽ có các đặc thù riêng. Trong tiêu chuẩn 22TCN220-95 Tính toán các đặc trng dòng chảy lũ đã đa ra các phơng pháp tính toán lu lợng thiết kế cho lu vực nhỏ hơn 100km 2 . Trong mục này sẽ không đa ra chi tiết các công thức và phơng pháp tính toán mà chỉ nêu ra các vấn đề cần phải xem xét khi tính toán lu lợng thiết kế nh sau: - Khi áp dụng tiêu chuẩn 22TCN220-95 cần cập nhật các thông số về lợng ma ngày tới thời điểm tính toán. - Diện tích lu vực cầu nhỏ, đặc biệt là cống nhiều khi nhỏ hơn 1km 2 . Trong những trờng hợp này nên tính toán theo phơng pháp cờng độ giới hạn đợc trình bày trong chơng IX. - Đối với cầu nhỏ và cống khu vực đồng bằng bắc qua các kênh tới và tiêu chính cần quan tâm tới lu lợng các công trình tới 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 tới, tiêu của khu vực hiện tại cũng nh trong tơng lai. Có thể tham khảo các hệ số dới đây. Bảng 8 1 Chỉ tiêu (hệ số) tới và tiêu các khu vực đồng bằng T T Khu vực Hệ số tiêu (l/s/ha) Hệ số tới (l/s/ha) 1 Ruộng lúa khu vực đồng bằng có đê, hệ thống thủy nông hoàn chỉnh 5,0 - 8,0 2,0 - 3,0 2 Nh khu vực trên, có xen kẽ các khu dân c, thị trấn nhỏ 6,0 - 10,0 2,0 3,0 283 3 Nh khu vực trên, có các thị trấn, thị xã trong các ô nội đồng lớn, thoát nớc ra cùng một trạm bơm đầu mối 8,0 - 15,0 1,5 - 2,5 4 Nh khu vực trên, có xen kẽ các khu công nghiệp, thoát nớc ra cùng một hệ thống trạm bơm đầu mối 12,0 - 15,0 5 Nh khu vực trên, nhng tỷ lệ diện tích đô thị hoặc khu công nghiệp tơng đối lớn, lớn 15,0 - 20,0 6 Khu vực hệ thống thủy nông cha hoàn chỉnh 3,0 - 5,0 1,0 -2,0 7 Khu vực có xen kẽ nuôi trồng thủy sản 8,0 - 12,0 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 8.1.3. Tính khẩu độ cầu nhỏ Thông thờng tính toán thuỷ lực cầu nhỏ gồm hai phần: (1) Tính phần cửa vào; (2) Tính phần cửa ra. a. Tính phần cửa vào và xác định các thông số Chiều cao nớc dâng trớc cầu H d , từ đó sẽ xác định đợc cao độ vai đờng. Chiều sâu dòng chảy tại cửa vào cầu h v , từ đó quyết định cao độ tối thiểu của đáy kết cấu dầm. - Chiều sâu và tốc độ tại mặt cắt tính toán dới cầu; - Khẩu độ thoát nớc dới cầu; - Chiều sâu dòng chảy ở cửa ra của cầu h r , từ đó tính đợc tốc độ chảy ra khỏi cầu V r 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 lu, bảo vệ nền đờng tức là lựa chọn kích thớc gia cố phần cửa ra của cầu. Trờng hợp cần thiết phải làm công trình tiêu năng để đảm bảo an toàn cho cầu và phơng tiện vận tải, con ngời 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 thờng bị thu hẹp so với thợng và hạ lu làm cho dòng chảy bị uốn cong khi vào cầu, do đó tuỳ thuộc vào loại trụ mố cầu mà có hệ số lu lợng tơng ứng dới đây: Bảng 8 2 Hệ số lu lợng m Hình dạng mố trụ m N.A Slovinski Mố tờng cánh 0,32 0,35 284 Mố chữ U Mố chân dê 0,32 0,36 0,32 Chiều rộng thoát nớc dới cầu thờng nhỏ hơn chiều rộng dòng chảy, đã làm dâng nớc trớc cầu cột nớc H. Cột nớc dâng cho phép trớc cầu H xác định theo công thức dới đây: k d H H (8 - 1) trong đó: H d : chiều cao đờng; : hệ số giảm đờng cong mặt nớc tại cửa vào cầu ( = 0,75 - 0,85). = h nhc + min h nhc : chiều cao kết cấu nhịp cầu; min : chiều cao dự trữ kỹ thuật (an toàn) trên mực nớc thiết kế lấy theo bảng dới đây: Điều kiện chảy Đờng ô tô Đờng sắt khi lu lợng Tính toán Lớn nhất Cột nớc trớc cầu H 1 m 0,5 0,5 0,25 Cột nớc trớc cầu H > 1 m 0,5 0,75 0,25 Có cây trôi 1,0 1,50 1,0 Phơng 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 nớc dới cầu (gọi tắt là b hay L c ) thỏa đáng và phù hợp với các dạng gia cố lòng suối. Sơ đồ thủy lực cầu làm việc nh đâp tràn đỉnh rộng sẽ có mặt cắt co hẹp với chiều sâu tính toán h tt = h c < h k , tức là tốc độ ở mặt cắt tính toán lớn hơn tốc độ tại mặt cắt có chiều sâu phân giới h k . Dới cầu có hai chế độ dòng chảy phụ thuộc vào cột nớc thợng và hạ lu cầu, đó là chế độ chảy tự do và chế độ chảy ngập. Điều kiện chảy ngập h h NH (8 - 2) trong đó: N: tiêu chuẩn ngập, thể hiện mức độ ngập, phản ánh mức nớc hạ lu bắt đầu ảnh hởng tới khả năng thông qua của cầu; h h : chiều sâu dòng chảy ở hạ lu, thờng lấy bằng độ sâu dòng chảy đều h 0 tơng ứng với độ dốc và hình dạng dòng chảy lúc tự nhiên khi không có nớc dâng ở hạ lu. Giá trị của N trong bảng dới đây phụ thuộc vào hệ số lu lợng m. 285 Bảng 8 3 Thông số tính toán để thiết kế thủy lực cầu nhỏ m gmM 2 3 2 2m k 1 N a 2 0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 1,42 1,46 1,50 1,55 1,60 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 h h < NH thì dòng chảy dới cầu làm việc theo sơ đồ đập tràn đỉnh rộng chảy tự do (không ngập); nếu h h > NH thì dòng chảy dới cầu theo sơ đồ đập tràn đỉnh rộng chảy ngập. Tính toán thủy lực dới cầu tơng ứng với các chế độ chảy nh sau: Chảy tự do (i oc < i 1 ) Dòng nớc dới cầu dọc theo sông, suối chia làm ba giai đoạn: cuối đoạn cửa vào (đoạn 1) dòng chảy có độ sâu h 1 < h k < H và h 1 < h oc ; sau đoạn cửa vào (đoạn 2) độ sâu dòng chảy tăng lớn hơn h k ; đoạn cửa ra độ sâu dòng chảy giảm h r < h k , i 1 là độ dốc tơng ứng với độ sâu h 1 . Chiều sâu tính toán: h t = h 1 = k 1 H (8 - 3) k 1 xác định theo bảng 8 3. Chảy tự do (i oc > i 1 ) Dòng chảy dới cầu dọc theo sông suối chia thành hai đoạn. Đoạn cửa vào (đoạn 1) và cuối đoạn cửa vào có chiều sâu h oc < h 1 < h k < H; đoạn 2 sau phần cửa vào độ sâu dòng chảy giảm dần, h r < h k : Chiều sâu tính toán: h t = h oc (8 - 4) h oc là độ sâu chảy dới cầu tơng ứng với độ dốc lòng sông, suối dới cầu i oc . Cả hai trờng hợp trên áp dụng khi L/H <20; trong đó L là chiều dài dòng sông, suối dới cầu. Trờng hợp (i oc > i 1 ) có thể áp dụng cho thiết kế thủy lực cống bản chảy tự do. Chế độ chảy ngập Dòng chảy dới cầu, dọc theo sông, suối chia làm hai đoạn: đoạn cửa vào (đoạn 1) có chiều sâu ở cuối đoạn h ck < h 1ng < h 0 ; đoạn sau cửa vào (đoạn 2) chiều sâu dòng chảy tăng bằng chiều sâu hạ lu h r = h h > h k . Chiều sâu tính toán: h t = h 1ng = k ng H (8 - 5) trong đó: h 1ng : chiều sâu có tính đến chiều cao phục hồi khi dòng chảy ra khỏi cầu; . 2 81 Chơng VIII: Tính toán thủy văn, thủy lực công trình thoát nớc dọc tuyến Chơng này đề cập tới các công trình thoát nớc thờng đợc sử dụng trên tuyến đờng, trừ các cầu lớn và cầu trung 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. dới cầu; - Khẩu độ thoát nớc dới cầu; - Chiều sâu dòng chảy ở cửa ra của cầu h r , từ đó tính đợc tốc độ chảy ra khỏi cầu V r và đoạn sau cầu. b. Tính thủy lực phần cửa ra của cầu Tính toán