CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THỦY văn dọc TUYẾN, ĐƯƠNG cấp 3 MIỀN núi

CHƯƠNG TÍNH TOÁN THỦY VĂN DỌC TUYẾN 6.1,.THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC Cống chiếm phần lớn công trình thoát nước đường Cống bao gồm có hai loại: cống địa hình, cống cấu tạo - Cống địa hình bố trí vị trí cắt qua dòng suối nhỏ hay cắt qua khe tụ thuỷ mà mưa hình thành dòng chảy - Cống cấu tạo bố trí chủ yếu để thoát nước mặt đường mái taluy có lưu vực nhỏ, cống cấu tạo bố trí theo qui trình mà không cần phải tính toán 6.1.1 Nguyên tắc thiết kế cống - Cố gắng tuyến cho cắt vuông góc với dòng chảy - Vai đường phải cao mực nước dâng trước cống tối thiểu 0.5m với cống áp bán áp có độ nhỏ 2m, cao 1m với cống có độ lớn 2m - Đường có cấp hạng cao hướng cống cầu nhỏ phụ thuộc hướng tuyến Khi vượt qua dòng suối mà địa chất ổn định chuyển vị trí cống lên lưng chừng suối để giảm bớt chiều dài dễ thi công - Phải đảm bảo chiều dày đất đắp cống tối thiểu 0.5m phải đủ bố trí chiều dày lớp kết cấu mặt đường chiều dày kết cấu lớn 0.5m - Cống để thoát nước rãnh dọc gọi cống cấu tạo Cự ly cống cấu tạo không lớn 300 - 350m rãnh hình thang, không > 250m rãnh hình tam giác - Nên dùng cống tròn BTCT rẻ tiện cho thi công giới Cống vuông dùng cho lưu lượng lớn cao độ đắp hạn chế -Cơ sở tính toán thuỷ lực, thuỷ văn công trình cống lưu lượng tính toán theo tần suất lũ thiết kế Q4% 6.1.2.Tính Tần suất lũ thiết kế Qp% vị trí công trình Dựa vào lưu lượng mưa ngày mô đun dòng chảy(22TCN220-95) Q p% = A p × α × H p × F × δ Công thức xác định: Trong đó: - F ; Diện tích lưu vực , xác định bình đồ -Qp%: Lưu lượng tính toán ứng với tần suất lũ tính toán p%=4% công trình cống thoát nước cầu nhỏ, 2% với cầu trung 1% với cầu lớn -Hp : Lượng mua ngày ứng với tần suất lũ thiết kế p% mm, xác định theo phụ lục sổ tay thiết kế đường tập phụ thuộc vào tần suất thiết kế p% vùng thiết kế trạm đo mưa, có trạm đo mưa chỉnh lý theo theo tài liệu đo mưa thực tế Xác định theo phụ lục theo vùng mưa Tuyến qua KRÔNG NĂNG- ĐẮK LẮK, thuộc vùng mưa XV -α Hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào lọa đất cấu tạo bề mặt lưu vực , lượng mưa ngày thiết kế Hp% diện tích lưu vực Xác định theo phụ lục - Ap%: Mô đun dòng chảy lũ ứng với tần suất thiết kế điều kiện chư xét ảnh hưởng hồ ao, phụ thuộc vào hệ số đặc trưng địa mạo lòng sông Фls , thời gian tập trung nước τsd vùng mưa.Xác định theo phụ lục -δ : Hệ số xét đến ảnh hưởng ao hồ đầm lầy.Xác định theo 7.2.6 Xác định tham số tính toán -Hệ số đặc trưng địa mạo lòng sông φls = 1000 L ls 1 mls × I × F × (αH p % ) Trong đó: L: Chiều dài suối tính từ điểm bắt đầu dòng chảy tới vị trí công trình Ils: Độ dốc lòng suối tính theo ‰ mls: Hệ số nhám lòng suối phụ thuộc vào tình hình lòng sông từ thượng nguồn tới cửa ra: Sông vùng núi , lòng sông nhiều sỏi đá, mặt nước không phẳng, suối chảy không thường xuyên , quanh co=> mls=7 α: Hệ số dòng chảy lũ , phụ thuộc loại đất, cấu tạo bề mặt lưu vực, lượng mưa ngày thiết kế Hp% diện tích lưu vực F Hp: Lượng mưa ngày theo tần suất thiết kế p%=4% thiết kế cống cầu nhỏ, 2% với cầu trung 1% với cầu lớn -Xác định dựa vào vùng mưa hệ số đặc trưng địa mạo sườn dốc Фsd (1000bsd ) 0.6 msd × I sd0.3 × (αH p % ) 0.4 Фsd= Trong msd : Hệ số nhám sườn dốc phụ thuộc vào đặc trưng địa mạo sườn dốc, lớp phủ thực vật thưa => msd=0.2 Isd: Độ dốc sườn dốc lưu vực ‰ bsd:Chiều dài trung bình sườn dốc lưu vực xác định theo công thức sau: bsd = F 1.8( L + ∑ l ) Σl: Tổng chiều dài suối nhánh -Xác định thời gian tập trung nước sườn dốc τsd dựa vào Фsd vùng mưa theo phụ lục sổ tay thiết kế đường tập -Xác định mô đun dòng chảy theo phụ lục sổ tay thiết kế đường tập 2, dựa vào thời gian tập trung nước sườn dốc τsd hệ số đặc trưng địa mạo lòng suối Фls Kết tính toán lập thành bảng sau Với phương án tuyến thứ Công trình Thông số C1 C2 CT C3 C4 XV XV XV XV XV 0.331 0.16 1.911 0.322 0.116 0.879 0.117 2.747 0.176 0.052 0 1.895 0 57.47 97.27 40.82 98.04 96.15 Độ dốc trung bình sườn isd(‰) Hệ số nhám lòng suối mls Hệ số nhám sườn dốc msd Tần suất thiết kế p% 103.24 0.15 222.04 0.15 120.78 0.15 62.7 0.15 88.76 0.15 4 4 Lưu lượng mưa ngày Hp% Hệ số dòng chảy lũ α 197 197 197 197 197 0.82 0.82 0.72 0.82 0.82 0.21 0.76 0.23 1.02 1.24 5.36 9.23 5.68 16.06 11.42 27.49 72.27 29.74 138.21 141.39 12.03 1.61 28.09 2.03 0.78 0.14 0.11 0.16 0.09 0.09 0 0 1 1 7.49 Cống hộp 2x2 2.85 Cống tròn 1.5 47.27 4.61 Cầu Cống tròn - 1.75 1.66 Cống tròn 1.25 Vùng mưa Diện tích lưu vực F(Km2) Chiều dài suối chínhL(Km) Chiều dài suối nhánhΣl(Km) Độ dốc lòng suối ils(‰) Chiều dài trung bình sườn dốc bsd(Km) Hệ số đặc trưng địa mạo sườn dốc Фsd Thời gian tập trung nước sườn dốc τsd Hệ số đặc trưng địa mạo lòng suối Фls Mô đun dòng chảy Ap% Diện tích ao hồ đầm lấy Hệ sô ảnh hưởng ao hồ, đầm lầy Lưu lượng thiết kế Qp% Loại công trình thoát nước Khẩu độ dự kiến Xác định chiều sâu nước dâng trước cống Xác định H theo công thức thực nghiệm Xác định chiều sâu phân giới hk Chiều sâu phân giới hk phụ thuộc vào lưu lượng thiết kế Qtk Tính tỷ số Q 2tk g.D Tra bảng 10-3 trang 209 thiết kế đường tập ta có Chiều sâu nước chảy mặt cắt co hẹp Chiều sâu mực nước dâng trước cống Qc = ϕ c × ωc g ( H − hc ) hc = 0.9hk  Qc   ÷ ϕω → H =  c c  + hc 2g Trong φc : Hệ số vận tốc lấy 0.82-0.85 ωc : Diện tích mặt cắt chỗ thắt hẹp dòng chảy Kết tính tổ hợp thành bảng sau : hk TT Qtk D hc ωc Q 2tk (m ) (m) (m) (m2) D g.D H (m) 1.89 1.44 1.78 1.14 7.49 2.85 4.61 1.66 2x2 1.5 1.75 1.25 0.179 0.109 0.132 0.092 0.662 0.582 0.612 0.556 Bảng xác định chiều sâu phân giới hk 1.192 0.786 0.964 0.625 2.384 0.938 1.358 0.614 hk D Tính toán độ cầu nhỏ Xác định chiều sâu nước chảy lúc tự nhiên hδ Dựa vào công thức seidy – manning Q=ω.v Trong Q : lưu lượng nước chảy qua mặt cắt ω:Diện tích mặt cắt ướt Dựa vào hình dáng mặt cắt chiều sâu nước chảy ta dễ dang xác định ω v:Vận tốc dòng chảy vị trí công trình Theo seidy –manning v=C C=R1/6i1/2 Trong C : hệ số seidy n: Độ nhám lòng sông R : Bán kính thủy lực R= χ :Chu vi ướt i :Độ dốc lòng suối i=0.04082 - Xác định hδ Giả sử số nước h, từ ta tính toán số tìm lưu lượng Q tương ứng với mực nước đó, từ ta xây dựng đường cong quan hệ lưu lượng Q mực nước h Theo tính toán trên, ta tính lưu lượng Q chảy qua mặt cắt công trình cầu , tra biểu đồ ta vừa lập se sơ xác định chiều cao nước chảy tự nhiên cầu Kết tính toán ta lập thành bảng sau : h(m) 0.8 0.85 0.9 0.95 ω(m2) χ(m) R(m) 1/n Q(m3/s) v(m/s) 11.129 14.066 0.791 12.5 24.043 2.160 12.392 14.194 0.873 12.5 28.587 2.307 13.694 14.321 0.956 12.5 33.567 2.451 15.036 14.449 1.041 12.5 38.993 2.593 16.416 14.576 1.126 12.5 44.879 2.734 1.05 17.837 14.704 1.213 12.5 51.237 1.1 19.296 14.832 1.301 12.5 58.078 1.15 20.795 14.959 1.390 12.5 65.416 1.2 22.333 15.087 1.480 12.5 73.262 tính toán ta lập quan hệ Q~h sau 2.873 3.010 3.146 3.280 Từ số liệu h(m) 1.5 1.021 1.0 0.5 20 30 40 47.27 50 60 Q (m3/s) Ta có hδ =1.02m, vδ=2.79m/s - Xác định chiều sâu phân giới hk Chiều sâu phân giới xác định sau ε 2ω k3 Bk = αQ g Trong Q- Lưu lượng thiết kế Bk, ωk : Chiều rộng diện tích mặt cắt ướt tương ứng với chiều sâu phân ε:Hệ số thu hẹp dòng chảy ε=0.9 với mố có mô đất ¼ nón α=1.1 + Để xác định hk ta sử dụng phương pháp thử dần Giả định hk , từ dạng mặt cắt dòng sông tính toán giá trị Bk, ωk , giá trị hk ta đạt giới hk ω k3 αQ 1.1 × 47.27 = = = 309.32 Bk ε g 0.9 × 9.81 Kết tính toán ta lập thành bảng sau hk(m) ωk(m2) Bk(m) ω k3 Bk 1.05 1.1 1.15 1.146 16.416 17.837 19.296 20.795 20.674 26.225 27.012 27.799 28.586 28.523 168.703 210.082 258.461 314.587 309.794 =>hk=1.15m 1.3hk=1.3x1.15=1.49>hδ=1.02m Chế độ chảy cầu chế độ chảy tự do, chiều sau nước chảy cầu h k Khẩu độ cầu :Lc=Bk=28.5m Tuy nhiên theo điều kiện địa hình , điều kiện xây dựng công trình ta chọn độ cầu Lc=27+40+24x2 Với phương án tuyến thứ hai C1 C2 XV XV Vùng mưa C3 XV C4 XV C5 XV C6 XV cau XV F(Km2) L(Km) Σl(Km) ils(‰) isd(‰) mls msd P% Hp% α bsd Фsd 0.0272 0.094 0.090 0.1 115.12 103.24 47.482 45.088 7 7 0.15 0.15 0.15 0.15 4 4 197 197 197 197 0.93 0.93 0.93 0.91 0.161 0.5 0.156 0.311 4.208 8.862 5.39 8.352 0.033 0.067 100.80 83.333 0.15 197 0.93 0.274 6.379 73.86 65.880 56.016 61.538 21.04 68.62 26.73 66.762 38.830 2.15 0.237 1.18 Cống tròn 1.0 1.79 0.112 1.708 Cống tròn 1.25 2.735 0.199 1.166 Cống tròn 1.784 0.111 0.938 Cống tròn 1.312 0.191 1.154 Cống tròn τsd Фls Ap% Fao δ Qp% Loại công trình Khẩu độ 0.032 0.114 0.047 0.084 0.039 0.025 150.78 48.958 0.15 197 0.93 0.867 14.945 124.35 0.410 0.094 0.670 Cống tròn 7.663 8.414 22.439 97.58 0.15 24 221 0.73 0.506 9.147 72.574 71.869 0.128 0.021 0.927 146.69 Cầu - Tính chiều cao nước dâng trước cống Tương tự phương án 1, kết tổng hợp bảng sau hk TT Qtk D hc ωc H Q 2tk (m ) (m) (m) (m ) (m) D g.D 1.18 1.708 1.166 0.938 1.154 0.67 1.25 1 1 0.142 0.097 0.138 0.089 0.136 0.046 0.623 0.564 0.62 0.553 0.616 0.464 0.56 0.63 0.55 0.5 0.55 0.42 0.45 0.62 0.44 0.39 0.44 0.31 1.04 1.17 1.05 0.91 1.04 0.75 Tính toán thiết kế công trình cầu trung Lưu lượng thiết kế Qp%=146.691m3/s Xác định chiều sâu nước chảy lúc tự nhiên hδ Dựa vào công thức seidy – manning :Q=ω.v Trong -Q : lưu lượng nước chảy qua mặt cắt - ω:Diện tích mặt cắt ướt Dựa vào hình dáng mặt cắt chiều sâu nước chảy ta dễ dang xác định ω - v:Vận tốc dòng chảy vị trí công trình -Theo seidy –manning v=C C=R1/6i1/2 Trong C : hệ số seidy n: Độ nhám lòng sông R : Bán kính thủy lực R= χ :Chu vi ướt i :Độ dốc lòng suối i=0.04082 -Xác định hδ Giả sử số nước h, từ ta tính toán số tìm lưu lượng Q tương ứng với mực nước đó, từ ta xây dựng đường cong quan hệ lưu lượng Q mực nước h Theo tính toán trên, ta tính lưu lượng Q chảy qua mặt cắt công trình cầu , tra biểu đồ ta vừa lập se sơ xác định chiều cao nước chảy tự nhiên cầu Kết tính toán ta lập thành bảng sau : h(m) 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 ω(m2) χ(m) R(m) Q(m3/s) v(m/s) 18.833 3.927 4.796 100.283 5.325 21.424 4.189 5.115 119.086 5.559 24.191 4.450 5.436 140.033 5.789 27.117 4.712 5.755 163.053 6.013 30.220 4.974 6.075 188.401 6.234 33.480 5.236 6.394 215.972 6.451 Từ số liệu tính toán ta vẽ biểu đồ quan hệ Q-h Với QTK=146.691m3/s hδ=1.73m - Xác định chiều sâu phân giới hk Chiều sâu phân giới xác định sau ε 2ω k3 αQ = Bk g Trong Q- Lưu lượng thiết kế Bk, ωk : Chiều rộng diện tích mặt cắt ướt tương ứng với chiều sâu phân giới hk ε:Hệ số thu hẹp dòng chảy ε=0.9 với mố có mô đất ¼ nón α=1-1.1 + Để xác định hk ta sử dụng phương pháp thử dần Giả định hk , từ dạng mặt cắt dòng sông tính toán giá trị Bk, ωk , giá trị hk ta đạt ω k3 αQ 1.1 × 57.56 = = = 2989 805 Bk ε g 0.9 × 9.81 Kết tính toán ta lập thành bảng sau hk 2.2 2.3 2.4 2.5 2.432 wk Bk 40.513 36.830 44.275 38.500 48.204 40.170 52.313 41.850 52.920 40.710 1805.433 2254.317 2788.351 3420.747 2989.805 =>hk=2.43m 1.3hk=1.3x2.43 =3.16>hδ=1.73m Chế độ chảy cầu chế độ chảy tự do, chiều sau nước chảy cầu h k Khẩu độ cầu :Lc=Bk=40.71m Chọn Lc=40m Tuy nhiên theo điều kiện địa hình , để giảm áp lực đất đắp lên tường chắn, nên bố trí mố cầu vị trí mà chiều cao đất đắp ≤5m Chọn độ cầu Lc =24x2+40+24x3 6.1.3.Cống cấu tạo Cống cấu tạo cống dùng để thoát nước mặt đường, nước hai bên taluy đường đoạn đường đào chảy theo rãnh dọc tới vị trí cống cấu tạo Cống cấu tạo thiết kế với đường kính cống nhỏ 75cm, tối đa 500m rãnh phải bố trí cống để thoát nước mặt đường Cống cấu tạo không cần phải tính toán thủy văn cống Cống cấu tạo bố trí nửa đào nửa đắp, đào chữ L, đắp thấp Khi thiết kế đường đỏ người thiết kế cần ý tới điểm để nước mưa, nước mặt không ảnh hưởng tơi chất lượng khai thác mặt đường, bảo vệ tuổi thọ đường 6.2.THIẾT KẾ RÃNH DỌC 6.2.1 Nguyên tắc yêu cầu thiết kế - Rãnh dọc thiết kế đoạn đường đắp thấp 0.6m, tất đoạn đào, nửa đào nửa đắp bố trí hai bên đường - Kích thước rãnh thiết kế theo cấu tạo mà không yêu cầu tính toán thuỷ lực.(Chỉ đoạn rãnh có độ dốc dọc lớn 500m yêu cầu kiểm toán) Tiết diện rãnh thiết kế tiết diện hình thang có chiều rộng đáy rãnh 0.4m, chiều sâu tính từ mặt đất thiên nhiên 0.4m, độ dốc taluy rãnh 1:1 6.2.2 Bố trí rãnh dọc - Trên suốt chiều dài tuyến đường xây dựng có diện tích sườn lưu vực đổ xuống không lớn có nhiều khe tụ thuỷ nên lưu lượng nước chảy rãnh dọc không nhiều, không cần phải bố trí rãnh đỉnh mà cần làm rãnh dọc đoạn đắp thấp 0.6m; tất đoạn nửa đào nửa đắp đường đào Tại vị trí chuyển từ đào sang đắp, nước rãnh dọc đường đào phải dẫn xa phạm vi đường đắp phải xây dựng cống cấu tạo để thoát nước ngang đường để đảm bảo an toàn cho đắp Để đảm bảo cho trình thi công dễ dàng, thuận lợi cho việc áp dụng biện pháp thi công giới, thiết kế rãnh dọc có tiết diện hình thang (hình vẽ) Độ dốc dọc rãnh dọc lấy theo độ dốc tim đường để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thi công Tiết diện rãnh thiết kế theo định hình vẽ với hình dạng kích thước sau Taluy rãnh bên lấy theo taluy nền, bên lấy 6.2.3 Bố trí rãnh đỉnh Khi diện tích lưu vực sườn núi đổ đường lớn, rãnh dọc không thoát hết phải bố trí rãnh đỉnh để đón nước từ sườn lưu vực chảy phía đường dẫn nước công trình thoát nước Thông thường với đường đào sâu từ 6m trở lên bố trí rãnh đỉnh Rãnh đỉnh phải làm cách mép ta đường đào 5m Chiều rộng tối thiểu đáy rãnh đỉnh 0.5m, mái rãnh có độ dốc 1:1.5, chiều sâu lấy theo tính toán không nhỏ 1,5m Dốc rãnh phù hợp với địa hình không nhỏ 0,5% Lòng rãnh đỉnh mái dốc phía đường phải xây để trống nước vào mái đường Cấu tạo rãnh đỉnh Rãnh đỉnh Khi thiết kế trắc dọc phải ý điiều kiện địa hình để dẫn nước cống để thoát nước mà không làm ảnh hưởng tới cường độ mặt đường không làm xói lở mái ta luy đường [...].. .6. 2.THIẾT KẾ RÃNH DỌC 6. 2.1 Nguyên tắc và các yêu cầu thiết kế - Rãnh dọc được thiết kế ở các đoạn nền đường đắp thấp dưới 0.6m, ở tất cả các đoạn nền đào, nền nửa đào nửa đắp và có thể bố trí ở một hoặc hai bên nền đường - Kích thước của rãnh được thiết kế theo cấu tạo mà không yêu cầu tính toán thuỷ lực.(Chỉ những đoạn rãnh có độ dốc dọc lớn hơn hoặc bằng 500m mới yêu cầu kiểm toán) Tiết... rãnh là 0.4m, chiều sâu tính từ mặt đất thiên nhiên là 0.4m, độ dốc taluy rãnh là 1:1 6. 2.2 Bố trí rãnh dọc - Trên suốt chiều dài tuyến đường xây dựng do có diện tích sườn lưu vực đổ xuống không lớn và do có nhiều khe tụ thuỷ nên lưu lượng nước chảy về rãnh dọc không nhiều, vì vậy chúng ta không cần phải bố trí rãnh đỉnh mà chỉ cần làm rãnh dọc ở các đoạn nền đắp thấp hơn 0.6m; ở tất cả các đoạn nền... và kích thước như sau Taluy rãnh một bên lấy theo taluy nền, một bên lấy bằng 6. 2 .3 Bố trí rãnh đỉnh Khi diện tích lưu vực sườn núi đổ về đường lớn, rãnh dọc không thoát hết thì phải bố trí rãnh đỉnh để đón nước từ sườn lưu vực chảy về phía đường và dẫn nước về công trình thoát nước Thông thường với nền đường đào sâu từ 6m trở lên thì bố trí rãnh đỉnh Rãnh đỉnh phải làm cách mép ta tuy nền đường đào... sang nền đắp, nước trên rãnh dọc của nền đường đào phải dẫn ra xa ngoài phạm vi của nền đường đắp hoặc phải xây dựng cống cấu tạo để thoát nước ngang nền đường để đảm bảo an toàn cho nền đắp Để đảm bảo cho quá trình thi công được dễ dàng, thuận lợi cho việc áp dụng các biện pháp thi công cơ giới, tôi thiết kế rãnh dọc có tiết diện hình thang (hình vẽ) Độ dốc dọc của rãnh dọc lấy theo độ dốc của tim... nhất 5m Chiều rộng tối thiểu của đáy rãnh đỉnh 0.5m, mái rãnh có độ dốc 1:1.5, chiều sâu lấy theo tính toán không được nhỏ hơn 1,5m Dốc rãnh phù hợp với địa hình không được nhỏ hơn 0,5% Lòng rãnh đỉnh và mái dốc phía đường phải xây để trống nước vào mái đường Cấu tạo rãnh đỉnh Rãnh đỉnh Khi thiết kế trắc dọc phải chú ý điiều kiện địa hình để có thể dẫn nước về cống để thoát nước mà không làm ảnh hưởng