Sổ tay thủy văn cầu đường - Tính toán thủy văn, thủy lực công trình thoát nước dọc tuyến part 3 potx

291 Tính 2 0 2 H h n và so sánh với n 1 ; nếu n 2 n 1 thì chọn n 3 khác và tính lại cột nớc H 3 và so sánh H 3 với H 2 ; nếu cha thỏa mãn thì tiếp tục tính cho đến khi thỏa mãn yêu cầu sẽ đợc cột nớc dâng tơng ứng với b 1 đã chọn; Xác định lại điều kiện chảy ngập: (h 0 >NH) Xác định chiều sâu tính toán dới cầu h t = k ng H Tốc độ tính toán dới cầu: t t hb Q V 1 Nh vậy điều kiện V t < V t đã đợc giải quyết và các yêu cầu đặt ra đã đợc thực hiện. Tính cầu nhỏ nhiều nhịp Lu lợng qua cầu (công thức lu lợng qua đập tràn) chảy tự do 2/3 .2 HgmnbkQ tb (*) trong đó: k tb : hệ số trung bình các dòng chảy ở cửa vào cầu: n knk k nhbnhg tb 22 k nhg và k nhb : 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; k nhg và k nb đối với trụ, mố lợn tròn = 0,91; đối với mố và trụ thẳng, sắc mép = 0,83. Từ (*) rút ra chiều dài thoát nớc dới cầu đối với chế độ chảy tự do: 2/3 .2 Hgmnk Q b tb (8 - 16) Khi cầu bắc qua trụ cọc thì lu lợng chảy dới cầu có mặt cắt hình thang đợc tính theo công thức: 2/3 .2 HgbmQ ktrc (**) trong đó: trc : hệ số tổn thất cửa vào cầu do trụ cọc gây ra phụ thuộc vào tỷ số: k trck trc b bb k kmdcdk hmbb trong đó: b trc : chiều rộng của trụ cọc; 292 b k* = m md hk + b 0đ trcdd bbb 0 : chiều rộng đáy không kể cọc; m mdc : hệ số mái dốc của mặt cắt dới cầu. Chế độ chảy ngập đối với cầu nhiều nhịp tính gần đúng nh 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 đờng, do mặt cắt ngang cống thờng nhỏ hơn mặt cắt ngang dòng chảy tự nhiên nên đã tạo ra nớc dâng và một vùng bị ảnh hởng nớc dâng trớc cống. Khẩu độ cống gắn liền với yếu tố này. Nếu khẩu độ cống lớn thì chiều sâu nớc dâng và thời gian nớc dâng sẽ nhỏ và ngợc lại. Nh vậy trớc khi xác định khẩu độ cống cần quan tâm tới cột nớc dâng trớc cống và phạm vi dâng trớc cống (tích nớc trớc cống) và đánh giá các điều kiện rủi ro: - Thiệt hại tài sản vùng gần nơi đặt cống; - Làm hỏng cống và đờng. Đối với kiểm soát hạ lu, lu lợng, hình thức và chế độ chảy của cống không chỉ do các yếu tố chi phối kiểm soát thợng lu (tổn thất cửa vào và cột nớc tốc độ trong cống) mà còn do cao độ mực nớc 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 nớc trớc cống và khẩu độ cống xác định thì chiều dài cống, độ nhám cống và chiều sâu nớc hạ lu là yếu tố quyết định chính hình thức và chế độ chảy của cống còn kích thớc và hình thức cửa vào là yếu tố thứ yếu. Chế độ chảy của cống có thể phân chia thành các trờng 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 nớc của các loại cống tơng ứng với các điều kiện chảy nêu trên đợc lập thành bảng tra và xác định theo toán đồ. a. Các xem xét khi thiết kế cống: - Chiều cao nớc dâng trớc cống thông thờng đợc 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 đờng tối thiểu: H min = D + + h + Đối với chế độ chảy ngập ở cửa vào cống thì: H min = H + trong đó: 293 D: chiều cao (hay đờng kính) của cống; : chiều dày thành cống; h đ : chiều cao đất đắp trên cống (thờng 0,5 m); H: cột nớc dâng trớc cống; : chiều cao dự trữ trên cao độ nớc 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 thợng và hạ lu cống sao cho dòng chảy êm thuận. Kích thớc 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 (thờng từ 0,6 0,9m/s) song phải đủ nhỏ để không gây xói lở. Trong một số trờng 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 nh bảng dới đây. Bảng 8 5 Tốc độ lớn nhất bảo vệ chống xói của một số vật liệu Loại đất và lớp đất bảo vệ Tốc độ lớn nhất V max (m/s) Cát 0,6 Sét pha 0,6 - 0,9 Cỏ 0,6 -0,9 Sét 0,9 - 1,5 Sét và sạn, sỏi nhỏ 1,2 - 1,5 Đất tốt, sỏi thô, cuội 1,2 - 1,8 Đá phiến mềm 1,8 - 2,5 Đá cứng, lát tấm bê tông 2,5 - 5,0 b. Các bớc tính toán thuỷ lực cống: Trong một số trờng hợp cần tính toán thuỷ lực cống một cách chi tiết, các bớc tính toán cần tiến hành nh sau: + 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 thớc cống; - Chiều sâu dòng chảy trớc cống; 294 Tính phần cửa ra sao cho đảm bảo cống đợc ổn định từ phía hạ lu - 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 lợng; Sau đây là một vài gợi ý về bảo vệ chống xói hạ lu: - Không cần bảo vệ chống xói riêng biệt: v r = 2,5m/s; - Lát đá và đổ đá trong phạm vi 3D: v r = 4,0m/s - Lát đá và có gờ chống xói: v r = 6,0m/s; - Công trình tiêu năng: v r > 6,0m/s. Đối với các tuyến đờng đi qua vùng núi, thờng phải xây dựng công trình nối tiếp. Công trình nối tiếp là những công trình đặc biệt, đợc xây dựng ở những nơi địa hình có độ dốc lớn để đa nớc từ cao xuống thấp. Các công trình này thờng là bậc nớc một cấp, bậc nớc nhiều cấp và dốc nớc. Tính toán thuỷ lực các công trình nối tiếp có thể tham khảo trong các giáo trình thuỷ lực. 8.1.5. Cầu nhỏ, cống khu vực đồng bằng Các phơng pháp tính toán khẩu độ cống và cầu nhỏ đã đợc nêu trong các phần trên chủ yếu áp dụng cho các tuyến đờng miền núi, trung du, nơi các lu vực đợc phân chia khá rõ ràng. Khu vực đồng bằng, các lu vực thoát nớc nhiều khi không có ranh giới rõ rệt, ngoài ra khu vực đồng bằng dòng chảy bị chi phối nhiều bởi hệ thống thủy nông. Do vậy khi tính toán khẩu độ công trình tại khu vực này cần xem xét tới các yếu tố nêu trên và đề xuất phơng pháp tính toán phù hợp. Khái niệm khu vực đồng bằng trong chơng này đợc phân chia thành các loại chính nh sau: Khu vực nội đồng: Đây là khu vực nằm trên châu thổ các sông lớn và có hệ thống đê bảo vệ. Trong khu vực nội đồng, diện tích chủ yếu là đất nông nghiệp và các khu dân c. Đặc điểm thủy văn chủ yếu của khu vực này là hình thức thoát nớc cỡng bức trong mùa ma. Nếu trong mùa cạn, khu vực này có thể thoát nớc ra các sông lớn bằng hình thức tự chảy qua các cửa cống lớn dới đê thì trong mùa lũ các cửa cống này đều phải đóng lại do mực nớc sông cao hơn trong đồng. Khi đó việc thoát nớc từ trong đồng ra ngoài sông chỉ thông qua hệ thống bơm cỡng bức. Tuy nhiên do phải bảo vệ hệ thống đê, nên mỗi tuyến đê và mỗi trạm bơm có các quy định về vận hành trong mùa lũ. Do vậy nhiều khi nớc vẫn ngập trong khu vực nội đồng mà vẫn không đợc phép bơm ra sông. Có thể nói khu vực nội đồng là các khu vực mà chế độ thủy văn gần nh hoàn toàn đợc kiểm soát và chi phối. Các khu vực nội đồng chủ yếu nằm trong vùng đồng bằng Bắc Bộ. Trong các khu vực nội đồng nhiều khi có cả các đô thị lớn. Ví dụ nh nội thành thành phố Hà Nội là nằm trong một ô nội đồng lớn có ranh giới là đê Hữu Hồng và đê Tả Đáy. Trong đó các sông Tô Lịch, sông Kim Ngu, thậm chí cả sông Nhuệ cũng đều đợc coi là các sông nội đồng, mặc dù sông Nhuệ cũng có hệ thống đê của riêng mình. Khu vực ảnh hởng nớc dềnh của sông lớn và thủy triều: Đây là khu vực châu thổ nằm trên các sông lớn mà cha có hệ thống đê bao bọc. Các khu vực này chủ yếu nằm tại đồng bằng sông Cửu Long. Đối với khu vực này, hớng thoát 295 nớc đều là ra các sông lớn theo phơng thức tự chảy, do đó mực nớc trên các kênh rạch chịu tác động của dao động thủy triều trên các sông lớn. Hiện tại trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long đã hình thành một số vùng tơng đối lớn có hệ thống đê bao ổn định và vợt cao trình đỉnh lũ cao nhất, nhằm mục đích chống lũ quanh năm. Những vùng này có chế độ thủy văn tơng tự nh khu vực nội đồng đã trình bày ở phần trên. a. Mực nớc và lu lợng tính toán: Phơng pháp tính toán mực nớc và lu lợng đợc trình bày tại chơng 2 và chơng 5. Tuy nhiên, khi thiết kế các công trình cống, cầu nhỏ khu vực đồng bằng cần quan tâm tới các vấn đề sau: Khu vực nội đồng: Thông thờng mực nớc lớn nhất trong khu vực nội đồng là mực nớc trong các kênh tới. Do vậy khi xác định khẩu độ cống và cầu nhỏ cần quan tâm tới độ dềnh tại thợng lu kênh tới. Độ dềnh này cần đảm bảo để cao độ mực nớc lớn nhất thấp hơn cao độ bờ kênh trong phạm vi cho phép. Đối với kênh tới, thông thờng chỉ xác định đợc mực nớc lớn nhất mà không xác định đợc mực nớc theo các tần suất thiết kế. Lu lợng lớn nhất trong kênh tới phụ thuộc vào lu lợng của trạm bơm tới. Ngoài các vị trí kênh tới, mực nớc ngập lớn nhất trong khu vực nội đồng có thể xuất hiện bởi nhiều nguyên nhân khác nhau, do đó cần điều tra rõ nguyên nhân gây ra ngập lụt để có phơng pháp xử lý thích hợp. Các nguyên nhân gây ra ngập lụt thông thờng là: vỡ đê, ma lớn dài ngày, chủ động giữ nớc trong đồng, trạm bơm tiêu không hoạt động do sự cố hoặc không đợc phép bơm ra sông. Lu lợng lớn nhất trong kênh tiêu chính là lu lợng của trạm bơm đầu mối, bao gồm cả thoát cỡng bức và tự chảy. Do vậy khi thiết kế cần quan tâm tới công suất quy hoạch của các trạm bơm đầu mối. Đối với khu vực này, mực nớc lớn nhất và lu lợng lớn nhất nhiều khi không xảy ra đồng thời, do đó khi tính toán các thông số thủy lực tơng ứng với lu lợng lớn nhất cần chỉ ra mực nớc tính toán tại thời điểm này. Khu vực chịu ảnh hởng của nớc dềnh sông lớn và thủy triều: Mực nớc lớn nhất trong khu vực này thông thờng là mực nớc đỉnh triều hoặc đỉnh lũ trên các sông lớn. Tuy nhiên, dao động triều sẽ giảm dần khi vào sâu trong các kênh rạch. Do đó trên thực tế mực nớc lớn nhất tại các khu vực nằm cách xa sông chỉ tơng đơng với mực nớc trung bình trên các sông lớn. Thực tế cho thấy tại nhiều khu vực mặc dù nối thông với sông lớn nhng mực nớc lớn nhất lại thấp hơn trên sông chính từ 30cm tới 70cm. b. Khẩu độ công trình: Khẩu độ công trình cầu nhỏ, cống khu vực đồng bằng trớc hết phải đáp ứng đợc các tiêu chí phục vụ sản xuất nông nghiệp và phải có sự chấp thuận của cơ quan quản lý địa phơng. Ngoài các nguyên tắc thông thờng khi xác định khẩu độ công trình căn cứ trên lu lợng dòng chảy, đối với khu vực đồng bằng cần phải quan tâm tới các vấn đề sau: - Công trình phải đảm bảo yêu cầu tới, tiêu trong giai đoạn hiện tại và tơng lai, bao gồm cả lu lợng, hớng chảy và độ dềnh cho phép. . thuỷ lực cống: Trong một số trờng hợp cần tính toán thuỷ lực cống một cách chi tiết, các bớc tính toán cần tiến hành nh sau: + Tính thuỷ lực phần cửa vào; + Tính thuỷ lực phần cửa ra. Tính. thấp. Các công trình này thờng là bậc nớc một cấp, bậc nớc nhiều cấp và dốc nớc. Tính toán thuỷ lực các công trình nối tiếp có thể tham khảo trong các giáo trình thuỷ lực. 8.1.5. Cầu nhỏ,. 0,6 - 0,9 Cỏ 0,6 -0 ,9 Sét 0,9 - 1,5 Sét và sạn, sỏi nhỏ 1,2 - 1,5 Đất tốt, sỏi thô, cuội 1,2 - 1,8 Đá phiến mềm 1,8 - 2,5 Đá cứng, lát tấm bê tông 2,5 - 5,0 b. Các bớc tính toán