BÀI GIẢNG THIẾT KẾ XÂY DỰNG CỐNG

Tác dụng chủ yếu của cống là dùng để thoát nước của các dòng chảy thường xuyên hay định kỳ chảy qua phía dưới nền đắp, ngoài ra cống còn làm đường chui dân sinh.. - Cống khác cầu nhỏ ở c

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CỐNG

cấu kiện đúc sẵn

41

Ch¬ng I

MỞ ĐẦUNội dung:

 Giới thiệu chung về cống

 Phân loại và cấu tạo chung cống

 Đặc điểm cống vùng sườn núi

§ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỐNG

- Cống là một công trình nhân tạo khá phổ biến trên một tuyến đường Tác dụng chủ yếu của cống là dùng để thoát nước của các dòng chảy thường xuyên hay định kỳ chảy qua phía dưới nền đắp, ngoài ra cống còn làm đường chui dân sinh

- Khẩu độ cống là chiều rộng lớn nhất của tiết diện thoát nước Trường hợp cống có nhiều

lỗ thì khẩu độ được tính bẳng tổng số khẩu độ của mỗi lỗ

- Số lượng các công trình thoát nước trên tuyến phụ thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu trong đó cống chiếm 80%-:-90% số lượng các công trình thoát nước Ở Việt Nam đối với đường cấp IV miền núi trung bình 1km đường có 4-:-9 cái cống Giá thành xây dựng cống thường chiếm 10%-:-20% giá thành toàn bộ tuyến

- Cống khác cầu nhỏ ở chỗ là nước chảy trong cống không những chỉ có chế độ chảy không áp mà còn có loại chảy có áp hoặc bán áp và chiều cao đất đắp trên đỉnh cống (kể cả chiều dày kết cấu áo đường) tối thiều là 0,5m (đối với đường ôtô) còn đối với đường sắt tối thiểu là 1,0m

- Khi giá thành xây dựng cống và cầu như nhau thì việc lựa chọn dùng cống có những ưu điểm sau:

+) Cống không làm thay đổi các điều kiện chuyển động của xe ôtô chạy trên đường khi qua vị trí cống; không hạn chế mặt đường và lề đường; không yêu cầu thay đổi loại kết cấu mặt đường trên cống

+) Việc bố trí cầu trên đường cong (cong bằng hoặc cong đứng) hay trên đường dốc thường gây nên sự phức tạp về kết cấu; song đối với cống có thể bố trí một cách dễ dàng với bất kỳ một tổ hợp nào của biểu đồ và trắc dọc mà vẫn không gây nên sự phức tạp của kết cấu

+) Do nằm sâu dưới nền đường nên sự tăng tải trọng của đoàn xe ít ảnh hưởng đến cống Vì vậy khi nâng cấp đường (tăng cấp tải trọng) ít khi phải tăng cường cống (nhất là khi chiều cao đất đắp trên đỉnh cống ≥ 2m)

+) Người ta chỉ dùng cầu khi mà cống không thể đảm bảo thoát hết nước chảy qua đường

§ 1.2 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO CHUNG CỐNG

+) Cống gỗ;

+) Cống kim loại,

(b) Theo hình thức cấu tạo chia thành:

+) Cống tròn: đường kính cống thường là 0,75-:-2,0m Đặc điểm chịu lực tốt, thích hợp với các loại nền móng, giá thành tương đối thấp Tuy nhiên không sử dụng được ở những nơi nền đắp thấp;

+) Cống bản nắp: do đặc điểm chịu lực của tấm bản nên có thể bố trí ở những nơi đắp thấp và cũng có thể làm thành cống bản nổi;

+) Cống vòm;

+) Cống hộp: thích hợp với những chỗ nền móng tương đối yếu, lưu lượng thoát nước tương đối lớn hoặc dùng làm cống chui dân sinh Giá thành cao, thi công phức tạp;

(c) Dựa theo tình hình đất đắp trên cống chia thành:

+) Cống chìm: chiều cao đất đắp trên cống ≥ 50cm, thích hợp với những đoạn nền đường đắp cao hay suối sâu;

+) Cống nổi: đỉnh cống nằm ngay dưới lớp kết cấu áo đường hoặc nằm tực tiếp trên

bề mặt xe chạy Loại cống này thích hợp với những đoạn nền đường đắp thấp hay các đoạn mương rãnh nông

(d) Dựa theo tính chất thuỷ lực:

+) Cống chảy không áp: khi chiều sâu mực nước ở cửa vào nhỏ hơn chiều cao miệng cống, mực nước trên toàn bộ chiều dài cống thường không tiếp xúc với đỉnh cống Loại này thường dùng cho phần lớn các loại cống;

+) Cống chảy bán áp: khi chiều sâu mực nước ở cửa vào tuy lớn hơn chiều cao cửa cống, nhưng nước chỉ ngập miệng mà không ngập trên toàn bộ chiều dài cống;+) Cống chảy có áp: chiều sâu mực nước ở cửa vào lớn hơn chiều cao cửa cống, dòng chảy trong phạm vi toàn chiều dài cống đều chảy đầy, không có mặt tự do

Loại này thường sử dụng ở những vị trí có suối sâu, nền đường đắp cao và không gây ngập lụt cho ruộng đồng;

+) Cống xi-phông: thường dùng khi nền đường đắp thấp, mực nước hai bên đường thường cao hơn của cống và nhất là với các tuyến đường cắt qua mương tưới tiêu thuỷ lợi Cửa vào của cống xi-phông phải bố trí theo kiểu giếng thẳng đứng bao gồm cả bộ phận chống lắng đọng Cống xi-phông cần phải đảm bảo không bị thấm nước ra ngoài

(e) Theo số lỗ của cống:

(a) Đầu cống

- Tác dụng:

+) Điều tiết dòng nước chảy vào và chảy ra khỏi cống;

+) Giữ ổn định cho mái dốc nền đắp hai đầu cống;

+) Giữ ổn định cho cống không bị dịch chuyển dọc

- Các bộ phận cơ bản của đầu cống gồm có:

+) Tường đầu, tường cánh được xây bằng đá hộc, gạch nung hoặc bê tông M150 Mặt ngoài cống và phần tiếp giáp giữa tường đầu với nền đất trát lớp vữa xi măng M100 dày 1cm

+) Sân cống và gia cố thượng, hạ lưu cống

- Các dạng đầu cống: Có nhiều kiểu khác nhau nhưng phổ biến gồm có các kiểu sau đây:

+) Kiểu hành lang:

• Đặc điểm: có hai tường kéo dài song song với tim cống, được uốn cong ở hai đầu ngoài và có chiều cao không đổi

• Ưu điểm: cải thiện tốt điều kiện dòng chảy, tổn thất thuỷ lực nhỏ mặt khác do

có hai tường kéo dài song song nên bậc nước dầu tiên trước cống bị đẩy lùi và nằm hoàn toàn ngoài đầu cống mà không rơi vào trong thân cống

• Nhược điểm: tốn vật liệu và thi công tương đối phức tạp

+) Kiểu tường cánh chéo:

• Đặc điểm: Là dạng cải tiến của kiểu hành lang, có hai tường cánh được đặt mở rộng đầu ra phía ngoài và chiều cao thay đổi dần, phù hợp với độ dốc của mái dốc nền đường Góc mở tốt nhất của tường cánh so với tim cống khoảng 300

đối với tường cánh thượng lưu và từ 120-:-150 đối với tường cánh hạ lưu Trường hợp lưu tốc hạ lưu không lớn lắm thì dùng chung góc mở 300 cho cả 2 phía

• Ưu điểm: cải thiện tốt diều kiện dòng chảy, tổn thất thuỷ lục nhỏ và cấu tạo đơn giản dễ thi công Vì vậy đây là loại được sử dụng rất phổ biến

• Nhược điểm: bậc nước đầu tiên trước cống không nằm hoàn toàn ở ngoài đầu cống mà rơi một phần vào trong thân cống Để khắc phục và tăng khả năng thoát nước cho cống có thể tôn cao đoạn thân cống kề với đầu cống thượng lưu

+) Kiểu tường đầu và kiểu cổ áo:

• Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ thi công và tốn ít vật liệu

• Nhược điểm: không cải thiện điều kiện dòng chảy của dòng nước qua cống dẫn đến tổn thất thuỷ lực lớn

- Đối với các loại cống tròn thi công lắp ghép người ta thường đúc cống thành các đoạn nhỏ có chiều dài 1 đốt là 1m, còn đối với các loại cống thi công đổ liền tại công trường (cống hộp) người ta thường chia ra làm nhiều đoạn, mỗi đoạn có chiều dài thường 3-:-5m

+) Loại I: móng cống đặt trên nền đất thiên nhiên Loại móng này áp dụng đối với loại đất nền là sỏi cuội, cát chặt, sét cứng có cường độ > 2,5kg/m2 Cao độ đặt cống trên mực nước ngầm tối thiểu là 0,3m

+) Loại II: móng cống là một lớp đệm đá dăm trộn cát Loại móng này áp dụng đối với nền là đá phong hoá hoặc lớp đất sét, cát hạt nhỏ, nền đất không thoát nước +) Loại III: móng được xây bằng đá có cường độ 40kg/m2 trở lên hoặc gạch mác M100 xây bằng vữa xi măng mác M100, làm bằng bê tông hoặc BTCT lắp ghép Loại móng này được áp dụng đối với tất cả các loại đất sét, đất cát có cường độ tính toán lớn hơn ứng suất tính toán dưới đất móng

- Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo của các loại móng cống mà người ta lại chia ra làm loại

là móng mềm và móng cứng Móng cứng là loại móng cống được đặt trên nền đá tự nhiên hay móng đá xây, bê tông, bê tông độn đá hộc, hoặc BTCT

- Khi xây dựng các cống có mặt cắt ngang lớn trong nền đất yếu hoặc nền đất đắp cao hoặc cống có độ dốc lớn nên dùng kiểu móng cống dạng khối để tránh cho cống không bị biến dạng cục bộ do móng bị lún không đều

(d) Đất đắp trên cống

- Để bảo vệ thân cống và lớp sơn phòng nước thì sau khi xây xong cống phải đắp ngay đất trên các đoạn cống, đất đắp trên cống dùng như loại đất đắp nền Khi đắp phải chia thành từng lớp dày 15-:-20cm

§ 1.3 ĐẶC ĐIỂM CỐNG VÙNG SƯỜN NÚI

Khi tuyến đường đi qua vùi đồi núi hiểm trở, sườn dốc lớn thì độ dốc mặt đất tự nhiên thường rất lớn vì vậy khi đặt cống thì độ dốc đáy cống cũng thường rất lớn Để đảm bảo an toàn cho cống và thoát nước thì cần phải xây dựng các công trình phụ trợ

ở thượng lưu và hạ lưu cống

Các công trình phụ trợ cho cống trên dốc lớn gồm có: dốc nước (loại có tiết diện không đổi và loại có tiết diện thay đổi); bậc nước (loại đơn, nhiều bậc, và loại bậc nước có giếng tiêu năng hoặc không có giếng tiêu năng); giếng tiêu năng,

(c) Giếng tiêu năng

Là hình thức giảm thế năng và lưu tốc trong một cự ly ngắn

Khi lưu lượng dòng nước nhỏ, nền đường nửa đào nửa đắp hoặc nền đắp thấp hoặc dòng nước phân tán thì thường phải xây hố thu ở đầu cống thượng lưu

Ngoài ra khi dòng chảy quanh co thì cần có biện pháp nắn dòng bên cạnh đó còn có các công trình phụ trợ khác như tường hay kè hướng dòng, mương dẫn, và mương thoát nước,

1: 0 75

1: 1.0

mÆt c¾t ngang tim cèng b¶n 2

1

3

4 mÆt c¾t däc cèng b¶n

H×nh 1- 4 Ví dụ về công trình thoát nước vùng núi1- rãnh đỉnh ; 2- hố tụ nước ; 3- bậc nước ; 4 - giếng tiêu năng

- Ngoài những đặc điểm chung đã nêu ở chương I, cống tròn BTCT còn có những ưu điểm nổi bật hơn so với các loại cống khác như sau:

+) Cấu tạo đơn giản, dễ thi công đúc sẵn trong công xưởng;

+) Dễ cơ giới hoá trong thi công;

+) Rút ngắn thời gian xây dựng, có hiệu qủa kinh tế cao

- Cống tròn BTCT thường được sử dụng với khẩu độ từ 0,75-:-2m với lưu lượng lên tới 23m3/s

- Những trường hợp sau đây thì không nên dùng:

+) Chiều cao đất đắp không đủ hoặc chiều cao nước dâng trước cống lớn hơn quy định;

+) Ở nơi đất đắp quá cao dẫn đến cống sẽ rất dài gây khó khăn cho việc bảo dưỡng;+) Lưu lượng nước quá lớn;

+) Không dùng ở những nơi dòng chảy chứa bùn, cát, cây cối, nếu dùng phải có biện pháp đặc biệt tránh làm tắc cống như làm bể lắng phù sa;

+) Cống có chức năng cho người, xe qua lại (cống chui dân sinh);

+) Nơi có địa chất yếu như than, bùn, đầm lầy,

2.1.2 Cấu tạo

(a) Đầu cống:

Có thể dùng tất cả các kiểu đầu cống như đã nêu ở chương 1 Đầu cống được dùng phổ biến nhất là kiểu tường cánh chéo hoặc kiểu 1/4 nón

+) Đầu cống có thể xây tại chỗ hoặc lắp ghép bằng các tấm BTCT đúc sẵn

+) Nếu đầu cống xây bằng khối đá xây thì mác vữa xây không thấp hơn M30, cường

độ đá R > 2000 kG/cm2

+) Nếu đầu cống làm bằng bê tông đổ tại chỗ thì mác bê tông không thấp hơn M150.+) Nếu đầu cống được đúc sẵn thì mác bê tông không thấp hơn M200

(b) Thân cống:

Được phân thành các đốt với chiều dài 1m, trường hợp đặc biệt có thể là 0,75m hoặc 2m

+) Giữa các đốt cống là các khe nối có tác dụng phòng lún và phòng sự co dãn của bê tông khi nhiệt độ thay đổi Thường thì có hai loại khe nối: phẳng và không phẳng Khe nối phẳng được áp dụng cho trường hợp khẩu độ dưới 2m và áp lực nước không lớn Khe nối không phẳng được áp dụng trong trường hợp khẩu độ cống lớn hơn 2m, và cống chảy có áp

+) Khe nối được lấp đầy bằng vật liệu cách nước đàn hồi từ hai phía ngoài vào trong Phía ngoài khe nối được phủ đầy bằng hai lớp giấy dầu rộng 25cm dán xen kẽ giữa 3 lớp bitum nóng Phía trong ở chiều sâu 3cm trát vữa xi măng để giữ không cho vật liệu cách nước đàn hồi bị chảy rớt khi nhiệu độ cao

+) Bề mặt ngoài của các đốt cống được quét 2 lớp bitum nóng Chỉ trường hợp đặc biệt mới làm lớp cách nước này sau khi đã hạ chỉnh các đốt cống

+) Khi cần thoát lưu lượng nước lớn có thể sử dụng cống hai, ba hoặc thậm chí bốn

lỗ cống Trường hợp này khoảng giữa các cống được lấp đầy bởi vật liệu cùng loại với móng đệm Cự ly tối thiểu giữa các ống cống là 20-:-26cm để đảm bảo chèn chặt được lớp vật liệu đã nêu Mặt trên phải tạo được độ dốc về hai phía 3-:-4% và phủ bằng lớp đất sét dẻo dày 15-:-20cm

+) Để tăng khả năng thoát nước của cống có thể tôn cao đoạn đốt cống giáp với đầu cống thượng lưu kiểu hình nón cụt

+) Các đốt cống thường được chế tạo sẵn ở xưởng Bê tông chế tạo đốt cống thường dùng mác M200, cốt thép thường dùng loại CT3, CT5, Chiều dày đốt cống phụ thuộc vào cấp tải trọng (loại xe), chiều cao đất đắp, khẩu độ cống và thường có giá trị 8-:-15cm hoặc 20cm

• Kiểu vòng tròn tốn cốt thép hơn kiểu elíp song việc chế tạo dễ dàng hơn

+) Theo chiều dọc đốt cống các cốt thép chịu lực này có thể bố trí thành từng vòng riêng biệt hay bố trí theo kiểu hình lò xo dây xoắn:

• Việc bố trí cốt thép thành từng vòng riêng biệt có nhược điểm lớn là số mối nối cốt thép nhiều (ở mỗi vòng 1 mối nối) nên tổn thất ứng suất trong cốt thép nhiều, mặt khác không tận dụng được chiều dài của các thanh thép, dễ gây lãng phí cốt thép

• Kiểu bố trí cốt thép theo kiểu hình lò xo dây xoắn khắc phục được những nhược điểm trên của kiểu bố trí thành từng vòng riêng biệt Vì vậy kiểu bố trí này được áp dụng phổ biến

+) Cốt thép chịu lực được liên kết với nhau và giữ đúng vị trí bởi các cốt thép dọc và cốt thép đai Cốt thép dọc còn có tác dụng chống lại lực cắt và uốn trong thi công +) Các đốt cống trong các thiết kế định hình thường có hai loại: loại thông thường và loại gia cường, loại gia cường chỉ khác loại thông thường ở chỗ lượng cốt thép nhiều hơn Ống cống gia cường thường được áp dụng khi cống đặt trên nền cứng (ứng suất cho phép [σ] ≥ 6kG/cm2)

Ø1200

32-D6-03 HµN

4x200=800 1000

8 0.75

Đắp đất xung quanh cống

Đắp đất xung quanh cống

Chèn bằng đất tại chỗ

Đệm bằng cấp phối đá dăm hoặc cát thô

Hình 2.2 - a: Nền là sỏi cuội chặt, cát thô hoặc vữa

Hình 2.2 - b: Nền là đât sét, sét pha cát, cát mịn ở nơi khô ráo

Đệm bằng cấp phối đá dăm hoặc cát thô

hoặc cát pha sét ở nơi khô ráo hoặc âm ứơt

móng cống kiểu IV-A

120°

S 20+δ

Đắp đất xung quanh cống

Đệm bằng cấp phối đá dăm hoặc cát thô

Hình 2.2 - d: Nền là đá phong hoá

Đ 2.2 CỐNG VềM GẠCH, ĐÁ, Bấ TễNG 2.2.1 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

- Đặc điểm chung của vật liệu khối xõy gạch, đỏ hay bờ tụng là khả năng chịu lực nộn tốt cũn khả năng chịu kộo nộn là rất kộm

- Cống vũm cú những ưu điểm nổi bật sau đõy:

+) Khẩu độ lớn (tới 6m), khả năng thoỏt nước lớn;

+) Tận dụng được khả năng khai thỏc vật liệu địa phương (như gạch, đỏ, ) do đú tiết kiệm bờ tụng, cốt thộp;

+) Thời gian sử dụng lõu dài cú thể tới 50-:-60 năm;

+) Bố trớ ở những nơi cú độ dốc tự nhiờn lớn;

+) Sử dụng rộng rói nhõn cụng trong cụng tỏc xõy dựng

- Nhược điểm chớnh của cống vũm:

+) Tốn nhiều công xây dựng, thi công chủ yếu là thủ công và diễn ra ngay tại công trường.

+) Cống vòm bê tông thì thời gian thi công dài

- Điều kiện áp dụng:

+) Lưu lượng nước lớn

+) Nơi có sẵn vật liệu gạch đá

+) Nơi có điều kiện địa chất tốt

+) Nền đắp cao, khe suối sâu

+) Chế độ nước chảy không áp, chiều cao nước dâng trong cống không được vượt qua vách vòm

+) Số lỗ tối đa của cống không vượt quá 2

+) Cống vòm gạch thường chỉ áp dụng với đường dành cho xe thô sơ, và có xe có tải trọng trục lớn nhất là 2,5T

2.2.2 Cấu tạo

Hình 2.3- Mặt cắt ngang cống vòm gạch(a) Đầu cống: phổ biến dùng kiểu tường cánh chéo với góc mở 300 đối với đầu cống thượng lưu và 14-:-150 đối với đầu cống hạ lưu Đoạn vào giáp đầu cống thượng lưu thường tôn cao với chiều cao không đổi để tăng khả năng thoát nước và tận dụng diện tích thoát nước của các đoạn cống còn lại

(b) Thân cống được chia ra làm các đoạn dài từ 3-:-6m, giữa các đoạn bố trí các khe phòng lún với chiều rộng khoảng 3cm Cấu tạo các khe phòng lún bằng vật liệu đay tẩm bitum hoặc matit bitum.

Thân cống được cấu tạo gồm các bộ phận: vành vòm, tường bên, lòng cống

Hình 2.4- Phối cảnh cấu tạo vành vòm

Hình 2.5- Cấu tạo móng cống vòm gạch+) Vành vòm: có hình bán nguyệt, hoặc 1/3 hình tròn hay parabol Loại hình bán nguyệt dễ thi công và thường dùng cho loại cống có khẩu độ dưới 3m Khi khẩu

độ cống lớn hơn 3m thì cấu tạo vành vòm thoải có thiều cao f=1/3 khẩu độ

+) Chiều dày vành vòm thường từ 0,3-:-0,8m Chiều dày nhỏ nhất của vành vòm bằng 0,3m đối với vòm đá xây và nhỏ nhất bằng 0,2m đối với bê tông Đối với khẩu độ dưới 3m nên dùng loại vòm có chiều dày không đổi để đơn giản cho công tác xây dựng, khẩu độ trên 3m dùng loại vòm có chiều dày thay đổi nhằm tiết kiệm vật liệu

+) Tường cống có tác dụng như mố của cầu vòm Chiều dày của tường có thể thay đổi hoặc không thay đổi theo chiều cao Khẩu độ dưới 3m thì dùng loại tường có chiều cao không thay đổi, khi khẩu độ trên 3m thì dùng loại vòm có tường bên thay đổi để tiết kiệm vật liệu

+) Lòng cống có cấu tạo bằng đá xây hay đá lát có trát xi măng và có dạng cung tròn

có tác dụng cải thiện điều kiện chảy của dòng nước qua cống bằng mặt cắt có lợi

về mặt thuỷ lực

(c) Đối với cống vòm 2 lỗ, phần trên đỉnh giữa hai lỗ được đổ đầy bằng hỗn hợp đá dăm cát, cuội sỏi cát hoặc cấp phối đất, sỏi Bề mặt trên phải tạo mái dốc 3-:-4% sang hai bên và bên trên phủ bằng lớp đất sét dẻo dày 15-:-20cm Trường hợp khẩu độ lớn phải có biện pháp thoát nước dọc trên đỉnh cống phần tiếp giáp gữa hai vòm

(d) Bề mặt tiếp xúc với đất của vành vòm và tường bên phải được phủ lớp cách nước Đối với cống vòm gạch đá thì sau khi trát một lớp vữa xi măng dày 2cm thì phải quét bitum nóng Mặt trong của lòng cống phải trát vữa xi măng

(e) Các tường bên của cống phải được đặt trên các khối móng riêng biệt dưới mỗi tường hoặc liền một khối chung cho cả hai tường Khi khẩu độ cống lớn thì dùng các khối móng riêng cho mỗi tường Khi khẩu độ cống không lớn và đất móng cống mềm có cường độ không lớn lắm thì dùng khối móng chung cho cả hai tường

(f) Vật liệu xây dựng: thường là gạch, đá, bê tông

+) Cường độ kháng ép của đá không thấp hơn 200kG/cm2, đối với gạch không thấp hơn 75kG/cm2; vữa xây vành vòm mác không thấp hơn M75 và không thấp hơn M50 dùng cho xây tường và móng

+) Bê tông dùng làm cống vòm mác không thấp hơn M200 với vành vòm và không thấp hơn M150 đối với các bộ phận khác

+) Cống vòm ngoài hình thức xây gạch đá còn có hình thức xếp đá Loại này tiết kiệm được vật liệu nhưng tốn công xây dựng

§ 2.3 CỐNG BẢN CHÌM 2.3.1 Đặc điểm và phạm vi sử dụng

- Sử dụng được ở những nơi có nền đắp thấp

- Tấm bản đậy bằng BTCT Nếu thi công đổ tại chỗ tấm bản thì cấu tạo ván khuôn đơn giản, nếu thi công lắp ghép thì thời gian xây dựng ngắn, có thể thi công cơ giới toàn bộ

2.3.2 Cấu tạo cống bản chìm

- Đầu cống thường dùng loại tường cánh chéo hoặc thẳng

- Thân cống được chia ra làm nhiều đoạn ở giữa mỗi đoạn là các khe phòng lún Chiều dài mỗi đoạn từ 2-:-5m, khe phòng lún được nhét đầy matít nhựa từ phía ngoài vào trong

- Tấm bản đậy bằng BTCT có dạng hình chữ nhật hoặc chữ T; chiều dài mỗi tấm thường dùng 1m Chiều dày tấm đậy thay đổi tuỳ theo khả năng chịu lực, thường là 14cm hoặc 16cm cho tới 22cm Bê tông chế tạo có mác không thấp hơn M200

- Tường cánh có các loại như đối với cống tròn, vật liệu chế tạo có thể là bê tông hoặc xây đá Tường cánh có chiều cao thay đổi hoặc không đổi

(a) Đặc điểm và phạm vi sử dụng

- Gỗ là vật liệu dùng khá phổ biến và có sẵn ở nước ta vì vậy mà trong một số trường hợp nhất định gỗ được dùng làm các công trình thoát nước

- Đặc điểm của cống gỗ:

+) Do cấu tạo có nhiều khung nên sức cản thuỷ lực lớn

+) Dễ mục nát, thời gian sử dụng ngắn khoảng 3-:-4 năm, thường xuyên sửa chữa

do vậy làm gián đoạn giao thông trên đường Để kéo dài thời gian sử dụng cần phải có biện pháp phòng mục gỗ

+) Giá thành xây dựng rẻ do tận dụng vật liệu địa phương

+) Dễ xây dựng và thời gian thi công nhanh

+) Thi công hoàn toàn bằng thủ công

- Tuỳ theo khả năng trình độ kỹ thuật và thời gian xây dựng cho phép mà quyết định

sử dụng kiểu khung kê, khung chôn hay khung đóng

- Các khung ngang được đặt cách nhau 1,5-:-2m theo tính toán có tác dụng tạo thành các sườn giữ ổn định cho các tấm lát của thành bên và mái Các tấm lát có thể dùng

gỗ ván, gỗ tròn hay nửa tròn

- Cống gỗ kiểu khung kê thường đặt trên lớp đệm cát sỏi hay đá dăm

- Lòng cống được lát một lớp ván hay đá để tránh xói mòn, phía đầu cống phải đóng bằng cọc ván

- Tầng cách nước quanh cống được làm bằng đất sét dẻo dày 15-:-20cm

2.4.2 Cống kim loại

- Có khẩu độ từ 0,3-:-3m, khi cần khẩu độ thoát nước lớn thì dùng cống bằng gang Cống kim loại là cống có kết cấu tiên tiến, thời gian thi công lắp đặt nhanh Loại cống thoát nước bằng thép gợn sóng đảm bảo độ tin cậy về khai thác của công trình với chi phí ít nhất cho xây dựng và bảo dưỡng chúng

- Một trong những ưu điểm của cống bằng kim loại là việc thi công được tiến hành theo phương pháp lắp ghép và áp dụng rộng rãi cơ giới hoá Lượng thép dùng trong chế tạo cống kim loại so với dùng để chế tạo cống BTCT không nhiều hơn bao nhiêu, thậm chí còn gần như nhau Việc vận chuyển cống kim loại dễ dàng hơn rất nhiều so với cống BTCT

- Nhược điểm của loại cống này là dễ bị ăn mòn nhất là ở vùng đất và nước có hoạt tính ăn mòn cao Do đó phải dùng loại cống có ít thành phần cacbon hoặc dùng các biện pháp chống ăn mòn như sơn, mạ, tráng kẽm ở những vùng có tính ăn mòn cao còn phải phủ thêm 1 lớp matit ở bên ngoài

- Cống kim loại gợn sóng được dùng với các khẩu độ từ 0,5-:-3m và được tạo nên từ những tấm định hình với kích thước nhất định Các tấm định hình có kích thước nếp uốn 130 x 32,5mm, chiều dày 1,5-:-2,5mm Các cống lớn dạng cung tròn hay elip có nếp uốn lớn hơn (chiều cao nếp uốn tới 50mm và chiều dày tấm 4-:-5mm) Các tấm định hình có chiều dài 1760mm, khoảng rộng 1000mm

- ống cống được chia làm nhiều đốt, mỗi đốt có chiều dài khoảng 1m; 1,5m và 2m Giữa các đốt cống được liên kết bằng bu lông và vòng đệm Các mối nối dọc không được trùng nhau mà phải so le nhau Khi cống dài phải phân đoạn, giữa các đoạn là khe phòng lún Cống có thể đặt trực tiếp lên lớp đệm cát, đá dăm với chiều dày

≥40cm

Ch¬ng III

THIẾT KẾ CỐNGNội dung:

 Tính toán xói lở hạ lưu và gia cố lòng dẫn sau công trình

 Nguyên lý tính toán kết cấu

 Trình tự thiết kế và đồ án thiết kế

§ 3.1 KHÁI NIỆM

- Số lượng cống trên một tuyến đường thường rất nhiều và giá thành xây dựng chúng cũng rất lớn, nên việc xác định đúng loại cống và vị trí cống một cách hợp lý trong công tác thiết kế có ý nghĩa to lớn về việc hạ giá thành chung toàn bộ tuyến đường

- Về cấu tạo nhìn chung các loại cống đã được tiêu chuẩn hoá bằng các thiết kế mẫu hay các thiết kế định hình Vì vậy, nội dung chủ yếu của công tác thiết kế cống là sự lựa chọn các loại cống thích hợp và xác định vị trí đặt cống một cách hợp lý

§ 3.2 CÁC TÀI LIỆU CẦN THIẾT CHO THIẾT

- Để có cơ sở vững chắc cho thiết kế, trước hết phải tiến hành điều tra đo đạc và thu thập các tài liệu cần thiết sau đây:

1 Bản tính lưu lượng Đây là tài liệu cơ bản để tính toán xác định khẩu độ cầu cống Tần

suất lặp của lưu lượng tính toán thiết kế cống là 1% đối với đường ô tô cấp I và đường sắt cấp I, II; là 2% đối với đường ô tô cấp II, III và đường sắt cấp III; 3% đối với đường ô tô cấp IV, V Riêng đối với đường sắt, khi tính toán cầu cống còn phải kiểm tra lưu lượng lớn nhất ứng với tần suất 0,3%

2 Bình đồ khu vực đặt cống Yêu cầu bình đồ phải thể hiện được đầy đủ và đúng địa

hình, sông suối, vị trí và hướng tuyến đường thiết kế Tài liệu để lập bình đồ có thể tiến hành bằng toán đạc, đơn giản có thể tiến hành bằng phương pháp đo trắc ngang, trắc dọc lòng sông suối

3 Cấp hạng kỹ thuật của đường, hình cắt dọc và các mặt cắt ngang nền đường tại khu

vực đặt cống, bán kính đường cong, Các tài liệu này lấy trong hồ sơ thiết kế tuyến đường

4 Tình trạng hoạt động và mức độ ổn định của sông suối, khả năng và hướng di chuyển dòng chảy Tiến hành bằng cách điều tra trong nhân dân địa phương những người sống

lâu năm trong vùng núi và căn cứ vào các dấu vết còn lại trên thực địa như bãi bồi, hồ,

sông, ao đầm, do sông suối đổi dòng để lại Ngoài ra còn phải điều tra tình trạng ứ đọng như lượng bùn sét, cát, cỏ, rác, có trong dòng chảy

5 Địa chất nơi xây dựng cống Tiến hành bằng phương pháp đào hố thăm dò khu vực hai

đầu cống và giữa cống đối với cống lớn và dài hoặc chỉ cần đào hố thăm dò nếu cống nhỏ, ngắn địa chất không thay đổi

6 Vật liệu xây dựng Tài liệu điều tra gồm: vị trí mỏ vật liệu, cự ly vận chuyển, khả năng

khai thác, trữ lượng, giá thành khai thác, loại vật liệu, cường độ Ngoài ra còn phải điều tra về tình hình cung cấp các vật liệu khác như xi măng, thép gỗ

7 Phương pháp xây dựng thủ công, cơ giới toàn bộ hoặc kết hợp thủ công và cơ giới

8 Những chỉ thị về so sánh.

- Ngoài những tài liệu cơ bản nói trên, nếu thiết kế cống thoát nước phục vụ tưới tiêu, nông nghiệp phải biết được diện tích cần phải tưới, tiêu

§ 3.3 CHỌN LOẠI CỐNG 3.3.1 Nguyên tắc

- Sử dụng vật liệu địa phương; trước hết tranh thủ dùng đá, tiết kiệm xi măng sắt thép;

- Áp dụng rộng rãi thiết kế mẫu và thiết kế lắp ghép để đạt mục đích xây dựng nhanh Trong phạm vi một tuyến đường nên cố gắng dùng ít kiểu loại cống và cùng khẩu độ

để tập trung chế tạo hàng loạt, đơn giản bớt điều kiện xây lắp

3.3.2 So sánh giữa cống và cầu nhỏ

- Trong những điều kiện sau đây nên dùng cống:

+) Khi cống có khả năng thoát hết lưu lượng nước tính toán

+) Chiều cao đất đắp trên cống không bị hạn chế

Ngoài những điều kiện trên mới dùng cầu nhỏ

- Độ tin cậy về khai thác của cống lớn hơn cầu nhỏ, vì cống có thể cho thoát qua lưu lượng lớn hơn lưu lượng tính toán của bản thân cống Do vậy khi lũ lớn, cống có khả năng bền vững hơn cầu nhỏ

- Khi lưu lượng tính toán lớn mà thượng lưu không có điều kiện tích nước thì phải xét khả năng chuyển sang làm cầu nhỏ

- Khi tuyến qua sông suối ở nơi khúc ngoặt có bồi hoặc vùng đá chảy, bùn chảy hay ứ tích nghiêm trọng thì nên dùng cầu nhỏ, vì nếu dùng cống dễ ứ tắc, khó nạo vét

- Nơi khe sâu nền đắp rất cao, việc dùng cống hay cầu cần phải so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật mà quyết định Nền đắp cao có điều kiện nền móng tốt thì kinh phí thi công nền đắp thường đắt hơn cầu Thường nền đắp cao 25-:-30m thì 1m cầu gần bằng 1m nền đắp

- Vùng đầm lầy để giảm ứng suất đáy móng, tốt nhất là dùng cầu, không nên dùng cống

- Khi thiết kế thoát nước trên sườn núi, nếu dùng cầu nhỏ và cống mà giá thành không chênh lệch nhau bao nhiêu thì nên dùng cầu Đặc biệt là vùng nền đào sườn núi, lưu lượng nước lớn thi khi đó nên dùng cầu nhỏ và phía thượng lưu làm dốc nước hay các công trình phụ trợ khác

- Khi tuyến đường qua vùng hồ chứa nước hay qua các dòng nhánh thì tốt nhất là dùng cầu, trường hợp lưu lượng nhỏ thì mới xét đến dùng cống

- Ở những đoạn quy hoạch thuỷ lợi, hệ thống thoát nước của thành phố hay các nhà máy, công trường, hầm mỏ, phải tăng tường liên hệ với các đơn vị hữu quan, khi bố trí cầu cống cần phải xét tổng hợp, phải kiểm tra ảnh hưởng nước dâng không nên thu hẹp khẩu độ, nên phân tán, không nên sát nhập

- Vùng đất yếu, nếu đặt cống dễ bị lún mạnh làm chìm cống, dễ bị đọng nước, đọng bùn bảo dưỡng không tiện, vì vậy nên làm cầu nhỏ

- Nói chung khi lưu lượng dòng nước tính toán dưới 15m3/s thì nên dùng cống tròn BTCT sẽ có giá thành rẻ hơn cầu với bất kỳ chiều cao nền đắp nào Khi chiều cao nền đắp tối thiểu không đảm bảo thì nên dùng cầu nhỏ hay cống bản nổi Khi lưu lượng nước trên 20m3/s, nếu chiều cao nền đắp thoả mãn yêu cầu tối thiểu thì trong nhiều trường hợp dùng cống rẻ hơn cầu Khi chiều cao nền đắp lớn hơn 5-:-6m khối lượng

mố cầu tăng nhanh thì trường hợp này dùng cống vòm đá xây dựng hay bê tông rẻ hơn cầu

§ 3.4 TÍNH TOÁN KHẨU ĐỘ CỐNG 3.4.1 Các chế độ chảy của nước trong cống

- Tuỳ chiều sâu ngập và kiểu đầu cống ở thượng lưu mà người ta quy định ra các chế

độ chảy tự do, bán áp hoặc có áp lực

- Cống làm việc ở chế độ chảy tự do (không áp) khi chiều cao nước dâng trước cống

(H) thấp hơn chiều cao cống (hT) hoặc không cao hơn 20% chiều cao cống (H ≤ 1,2hT) Trên toàn bộ chiều dài cống dòng chảy có bề mặt tự do (hình 3.1-a)

- Cống làm việc ở chế độ chảy bán áp khi chiều cao nước dâng trước cống (H) lớn

hơn chiều cao cống 20% đối với đầu cống kiểu thông thường và 40% đối với đầu cống kiểu hình loa (H ≥ 1,2-:-1,4hT) Phần vào cống làm việc với mặt cắt đầy còn trên toàn bộ chiều dài còn lại dòng chảy có bề mặt tự do (hình 3.1-b)

- Cống làm việc ở chế độ chảy có áp khi chiều cao nước dâng trước cống cao hơn

chiều cao cống 20% đối với đầu cống kiểu thông thường và 40% đối với đầu cống kiểu hình loa Trên phần lớn chiều dài cống mặt cắt đầy nước và chỉ có thể ở mặt ra của cống có thể có mặt tự do (hình 3.1-c)

H×nh 3.1- Các chế độ nước chảy trong cống

- Đối với đầu cống, thường khi nước dâng trước cống đáng kể (H > 1,2hT) thì có thể có chế độ chảy có áp định kỳ Nhưng vì sự chọc thủng của không khí qua phễu nước tạo nên ở cửa ra vào, nên dòng chảy của nước trong trường hợp này thường chuyển sang chế độ chảy bán áp

- Chế độ chảy có áp cho khả năng thoát nước lớn nhất nhưng khi đó phải có biện pháp bảo vệ nền đắp khỏi bị phá hoại do nước tích lâu và lớn

Để đảm bảo duy trì chế độ có áp ổn định không cho chuyển sang chế độ bán áp thì nên dùng đầu cống hình loa

3.4.2 Tính toán khẩu độ cống

(a) Cống làm việc ở chế độ chảy tự do (không áp):

- Khả năng thoát nước của cống được tính theo công thức:

)h2g.(H

ω.V.ω

• ωC : diện tích mặt cắt ướt thu hẹp của dòng chảy trong cống được tính với chiều sâu thu hẹp hC; (m2)

• VC: lưu tốc ở mặt cắt có chiều sâu hC (m/s)

• ϕδ : hệ số lưu tốc ; ϕδ= 0,85 đối với các loại đầu cống thông thường ngoại trừ hình loa

• H: chiều sâu nước dâng trước cống được tính theo công thức:

2 δ

2 C C

2g

VhH

ϕ+

• Thay ϕδ= 0,85 ;

g

V0,730,9h

h

2 C K

C ≈ ≈ vào (2) ta có:

C

2

C hg

V43,1

- Thay (3) vào (1) ta có:

2gH ω 85 , 0

(b) Cống làm việc ở chế độ chảy bán áp:

- Khả năng thoát nước của cống được tính theo công thức:

)h2g.(H

ω.ε.V.ω

(c) Cống làm việc ở chế độ chảy có áp

- Khả năng thoát nước của cống được tính theo công thức:

) h 2g.(H ω

- Ngược lại, từ một giá trị lưu lượng tính có thể có nhiều phương án lựa chọn khẩu độ cống Khi lựa chọn khẩu độ cống phải lưu ý các điều kiện sau:

+) Chiều cao nền đắp trên cống (a) tối thiểu là 0,5m đối với đường ôtô tính từ đỉnh cống tới bề mặt đường (kể cả phần kết cấu áo đường)

+) Nền đường đắp phải cao hơn mức nước dâng trước cống tối thiểu là 0,5m đối với chế độ chảy tự do và 1,0m đối với chế độ chảy có áp và bán áp

+) Lưu tốc chảy trong cống không lớn hơn 6m/s, vì khi dòng nước ra khỏi cống sẽ có lưu tốc lớn gấp 1,4-:-1,5 lần lưu tốc trong cống nên dễ dẫn đến xói lở hạ lưu sau cống

- Khi cống không thoả mãn các điều kiện trên chủ yếu do chiều cao của nền đường đắp khống chế thì có thể giải quyết bằng một trong các phương án sau:

+) Hạ cao độ lòng cống và đào mương thoát nước phía hạ lưu Chú ý kiểm tra khả năng thoát nước phía hạ lưu có dễ dàng không

+) Chọn phương án khẩu độ nhỏ và tăng số lượng lỗ cống

+) Làm cống bản nổi chịu lực hoặc cống hộp BTCT chịu tác tác dụng xe chạy trực tiếp trên bề mặt cống

+) Làm cống luồn (xiphông ngược) hay máng phun qua trên nền đường

mÆt c¾t däc cèng xi ph«ng ngù¬c

H×nh 3.2- Cống xi phông ngược (cống luồn)

3.4.4 Ví dụ tính toán

Hãy chọn phương án khẩu độ cống tròn kiểu tường cánh chéo để thoát lưu lượng nước Q = 9 m3/s, chiều cao nền đắp là Hđ; chế độ chảy là không áp hoặc có áp.

- Chiều cao nền đắp tối thiểu trên cống được tính theo công thức:

aδ

a: chiều cao đất đắp tối thiểu trên đỉnh cống; a = 0,5m

a': chiều cao tối thiểu của nền đắp so với mực nước dâng trước cống; a' = 0,5m khi chảy tự do và a' = 1,0m khi chảy bán áp và có áp.H: chiều cao nước dâng trước cống

Số lỗ cống, n

Lưu lượng qua mỗi lỗ

Chế độ chảy

Nước dâng trước cống

H (m)

Lưu tốc trong cống

§ 3.5 XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỐNG 3.5.1 Sự tương quan giữa tuyến đường và các dòng nước

- Trong thực tế xây dựng thì giữa tuyến đường và công trình thoát nước có thể giao nhau theo hình thức vuông góc (trực hướng) hoặc chéo nhau Việc lựa chọn hình thức giao nhau như thế nào thì cần phải xem xét đầy đủ các yếu tố kỹ thuật, xây dựng, khai thác và giá thành

- Việc giao nhau theo hướng vuông góc và cống đặt trùng với hướng dòng nước là tốt nhất, không gây ra sự phức tạp thêm về mặt kết cấu Tuy nhiên khi đó dễ dẫn đến phải làm cong tuyến ở bình đồ và kéo dài thêm chiều dài tuyến, tăng chi phí xây dựng ban đầu và tăng chi phí vận tải

- Sự chéo nhau giữa tuyến đường và cống sẽ dẫn đến làm tăng thêm sự phức tạp về kết cấu và điều kiện xây dựng, làm tăng thêm chiều dài cống so với trường hợp đặt cống vuông góc, và dẫn đến tăng giá thành xây dựng cống Tuy nhiên đặt cống chéo sẽ thuận lợi cho việc chạy tuyến trên bình đồ.

- Hình thức giao tốt nhất giữa tuyến và dòng nước là hình thức mang lại hiệu quả kinh

tế nhất

- Đối với các dòng nước nhỏ thì việc vạch tuyến nhằm rút ngắn chiều dài tuyến đường

và đảm bảo hài hoà cho tuyến mà không để ý tới hình dạng, vị trí và hướng của các dòng chảy

3.5.2 Nguyên tắc bố trí cống

- Tuỳ điều kiện xây dựng mà có thể đặt cống vuông góc hoặc chéo góc so với tuyến đường Tuy nhiên trong nhiều trường hợp để đơn giản bớt điều kiện xây dựng có thể cải thiện sự giao nhau giữa dòng nước với tuyến đường như đào các mương dẫn, mương thoát, làm kè, tường hướng dòng, công trình điều chỉnh cửa vào, cửa ra,

- Vì vậy khi bố trí cống phải đảm bảo các nguyên tắc sau:

+) Vị trí cống phải đặt ở nơi thoát nước tốt nhất, nhanh nhất và an toàn nhất

+) Cải thiện được điều kiện xây dựng

+) Giá thành xây dựng rẻ nhất

3.5.3 Bố trí cống trên bình đồ

- Theo nguyên tắc bố trí cống như trên thì trong nhiều trường hợp phải dịch suối để đặt cống trực giao với đường Nhờ đó mà chiều dài cống sẽ ngắn đi và cống đặt ở nơi khô ráo tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng Tuy nhiên nếu khối lượng đào mương dẫn nước quá lớn thì cho giao xiên góc

- Việc dịch suối phải căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất để dịch sao cho cống được đặt nơi có địa chất tốt, giảm chiều dài cống, khối lượng đào ít và chi phí xây dựng thấp nhất

- Đối với dòng nước nhỏ và có nước chảy thường xuyên thì nên đặt cống ở vị trí khô cạn trước rồi đào mương dẫn và thoát để cải thiện điều kiện thi công

- Đối với dòng nước quanh co thì tuỳ điều kiện có thể nắn thẳng suối cho trực giao hay cho xiên góc với đường

- Trường hợp khe sâu hay địa chất là đá, nếu nắn dòng sẽ phát sinh khối lượng đào lớn, giá thành xây dựng tăng hoặc khi dòng nước mang nhiều phù sa hoặc khi việc nắn dòng sẽ gây ra sự khó khăn phức tạp trong việc giải phóng mặt bằng thì không nên làm đổi hướng dòng chảy, vị trí cống nên đặt trùng với dòng chảy tự nhiên

H×nh 3.3- Các hình thức bố trí cống trên bình đồ

a- Cống đặt vuông góc với tim đườngb- Cải suối cắt vuông góc với đường

- Khi có nhiều khe suối gần nhau thì có thể tập trung cho thoát qua một cống nếu thấy

có lợi hơn so với phương án cho thoát qua nhiều cống Trường hợp này thường tập trung các dòng nhánh cho chảy dồn vào dòng chính Khi đó lưu lượng tính toán để thoát qua cống không phải là tổng số các dòng mà phải tính toán lại Có thể tính toán theo lưu vực chung hoặc theo phương pháp có xét tới tích nước

- Khi thiết kế sơ bộ nếu dồn suối nhỏ vào suối lớn thì có thể tính như sau:

+) Khi dồn 1 suối nhỏ vào 1 suối lớn: Qp = Qp1 + 0,9 Qp2

+) Khi dồn 2 suối nhỏ vào 1 suối lớn: Qp = Qp1 + 0,8 (Qp2 + Qp3)

+) Trong đó:

• Qp: lưu lượng tính toán chung khi dồn suối

• Qp1: lưu lượng tính toán của dòng suối chính

• Qp2 ; Qp3: lưu lượng tính toán của các dòng suối phụ

• 0,9 ; 0,8: hệ số giảm nhỏ do có xét tới sự dồn tập trung nước chảy vào một dòng chảy

- Trong kênh dẫn dồn lưu tốc không được làm xói mòn lòng kênh của nó do đó phải làm kênh rộng, không sâu và độ dốc đáy kênh không lớn Nếu địa hình khi chuyển tời dòng chảy chính quá dốc thì phải kéo dài kênh dẫn về phía xa nền đường

- Biện pháp dồn suối có ưu điểm về xây dựng và khai thác, khi khai thác thì toàn bộ các công việc theo dõi, sửa chữa thường xuyên và sửa chữa lớn đều tiến hành một cách hợp lý trực tiếp tại một địa điểm