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

- Cống cấu tạo được bố trí chủ yếu để thoát nước trên mặt đường và trên mái taluy có lưu vực nhỏ, cống cấu tạo bố trí theo qui trình mà không cần phải tính toán.. Dựa vào hình dáng mặt c

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THỦY VĂN DỌC TUYẾN

6.1,.THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC

Cống chiếm phần lớn các công trình thoát nước trên nền đường Cống bao gồm

có hai loại: cống địa hình, cống cấu tạo

- Cống địa hình được bố trí tại các vị trí cắt qua các dòng suối nhỏ hay cắt qua khe

tụ thuỷ mà khi mưa sẽ hình thành dòng chảy

- Cống cấu tạo được bố trí chủ yếu để thoát nước trên mặt đường và trên 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 đi tuyến sao cho cắt vuông góc với dòng chảy

- Vai nền đường phải cao mực nước dâng trước cống tối thiểu 0.5m với cống không có áp và bán áp có khẩu độ nhỏ hơn 2m, cao hơn 1m với cống có khẩu độ lớn hơn 2m

- Đường có cấp hạng cao thì hướng cống và cầu nhỏ phụ thuộc hướng tuyến Khi vượt qua các dòng suối mà địa chất chắc và ổn định thì có thể chuyển vị trí cống lên lưng chừng suối để giảm bớt chiều dài và dễ thi công

- Phải đảm bảo chiều dày đất đắp trên cống tối thiểu là 0.5m hoặc phải đủ bố trí chiều dày của lớp kết cấu mặt đường nếu chiều dày kết cấu lớn hơn 0.5m

- Cống để thoát nước rãnh dọc gọi là cống cấu tạo Cự ly cống cấu tạo không lớn hơn 300 - 350m đối với rãnh hình thang, không > 250m đối với rãnh hình tam giác

- Nên dùng cống tròn là BTCT vì rẻ và tiện cho thi công cơ giới Cống vuông dùng cho lưu lượng lớn hơn cao độ nền đắp hạn chế

-Cơ sở tính toán thuỷ lực, thuỷ văn công trình cống là lưu lượng tính toán theo tần suất lũ thiết kế Q4%

6.1.2.Tính Tần suất lũ thiết kế Qp% tại các vị trí công trình

Dựa vào lưu lượng mưa ngày và mô đun dòng chảy(22TCN220-95)

Công thức xác định: Q p% = A p×α×H p ×F×δ

Trong đó:

- F ; Diện tích lưu vực , xác định trên bình đồ

-Qp%: Lưu lượng tính toán ứng với tần suất lũ tính toán p%=4% đối với công trình cống thoát nước và cầu nhỏ, 2% với cầu trung và 1% với cầu lớn

-Hp : Lượng mua ngày ứng với tần suất lũ thiết kế p% mm, xác định theo phụ lục 5 trong sổ tay thiết kế đường tập 2 phụ thuộc vào tần suất thiết kế p% và vùng thiết kế nếu ở đó không có trạm đo mưa, nếu có trạm đo mưa thì chỉnh lý theo theo tài liệu đo mưa thực tế Xác định theo phụ lục 5 theo vùng mưa

Tuyến đi qua KRÔNG NĂNG- ĐẮK LẮK, thuộc vùng mưa XV

-α Hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào lọa đất và cấu tạo bề mặt lưu vực , lượng mưa ngày thiết kế Hp% và diện tích lưu vực Xác định theo phụ lục 6

- Ap%: Mô đun dòng chảy lũ ứng với tần suất thiết kế trong điều kiện chư xét ảnh hưởng của hồ ao, phụ thuộc vào hệ số đặc trưng địa mạo lòng sông Фls , thời gian tập trung nước τsd và vùng mưa.Xác định theo phụ lục 4

-δ : Hệ số xét đến ảnh hưởng của ao hồ và đầm lầy.Xác định theo 7.2.6

Xác định các tham số tính toán.

-Hệ số đặc trưng địa mạo lòng sông

4 1

% 4

1 3

1

) (

1000

p ls

ls

ls

H F

I m

L

α

φ

×

×

×

=

Trong đó:

L: Chiều dài suối chính tính từ điểm bắt đầu dòng chảy tới vị trí công trình

Ils: Độ dốc lòng suối chính 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% và diện tích lưu vực F

Hp: Lượng mưa ngày theo tần suất thiết kế p%=4% đối với thiết kế cống và cầu nhỏ, 2% với cầu trung và 1% với cầu lớn

-Xác định dựa vào vùng mưa và hệ số đặc trưng địa mạo sườn dốc Фsd

Фsd=

4 0

% 3

0

6 0

) (

) 1000 (

p sd

sd

sd

H I

m

b

α

×

×

Trong đó

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:

∑

+

=

) (

8

F

b sd

Σl: Tổng chiều dài suối nhánh.

-Xác định được thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsd dựa vào Фsd và vùng mưa theo phụ lục 4 trong sổ tay thiết kế đường tập 2

-Xác định mô đun dòng chảy theo phụ lục 3 trong sổ tay thiết kế đường tập 2, dựa vào thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsd và hệ số đặc trưng địa mạo lòng suối Фls Kết quả tính toán được lập thành bảng như sau

Với phương án tuyến thứ nhất

Công trình

Diện tích lưu vực F(Km2) 0.331 0.16 1.911 0.322 0.116 Chiều dài suối chínhL(Km)

0.879 0.117 2.747 0.176 0.052

Độ dốc lòng suối ils(‰) 57.47 97.27 40.82 98.04 96.15

Độ dốc trung bình sườn isd(‰) 103.24 222.04 120.78 62.7 88.76

Hệ số nhám sườn dốc msd 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

Hệ số dòng chảy lũ α 0.82 0.82 0.72 0.82 0.82 Chiều dài trung bình sườn dốc

Hệ số đặc trưng địa mạo sườn

Thời gian tập trung nước trên

sườn dốc τsd 27.49 72.27 29.74 138.21 141.39

Hệ số đặc trưng địa mạo lòng

Hệ sô ảnh hưởng bởi ao hồ,

Lưu lượng thiết kế Qp% 7.49 2.85 47.27 4.61 1.66 Loại công trình thoát nước Cống

hộp Cốngtròn Cầu Cống tròn Cốngtròn

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

2 tk 5

Q

g.D

Tra bảng 10-3 trang 209 trong cuốn thiết kế đường tập 3 ta có

k

h D

Chiều sâu nước chảy tại mặt cắt co hẹph c =0.9h k

Chiều sâu mực nước dâng trước cống

2 2

2

c

c c

c

Q

g

ϕ ω

ϕ ω

Trong đó

φc : Hệ số vận tốc lấy bằng 0.82-0.85

ωc : Diện tích mặt cắt tại chỗ thắt hẹp dòng chảy

Kết quả tính được tổ hợp thành bảng như sau :

TT Qtk

(m3) D (m)

2 tk 5

Q

g.D

k

h D

hc (m) ωc (m2) H(m)

1 7.49 2x2 0.179 0.662 1.192 2.384 1.89

2 2.85 1.5 0.109 0.582 0.786 0.938 1.44

3 4.61 1.75 0.132 0.612 0.964 1.358 1.78

4 1.66 1.25 0.092 0.556 0.625 0.614 1.14

Bảng xác định chiều sâu phân giới hk

Tính toán khẩu độ cầu nhỏ

Xác định chiều sâu nước chảy lúc tự nhiên hδ

Dựa vào công thức seidy – manning

Q=ω.v

Trong đó

Q : lưu lượng nước chảy qua một mặt cắt

ω:Diện tích mặt cắt ướt Dựa vào hình dáng mặt cắt và chiều sâu nước chảy ta

có thể dễ dang xác định được ω

v:Vận tốc dòng chảy tại vị trí công trình

Theo seidy –manning

v=C

C=R1/6i1/2

Trong đó

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 một số mựa nước h, từ đó ta tính toán được các chỉ số và tìm được lưu lượng Q tương ứng với mực nước đó, từ đây ta đi xây dựng đường cong quan hệ giữa lưu lượng Q và mực nước h Theo tính toán ở trên, ta đã tính được lưu lượng Q chảy qua mặt cắt công trình cầu , tra biểu đồ ta vừa lập ra se sơ bộ xác định được chiều cao nước chảy tự nhiên tại cầu

Kết quả tính toán ta lập thành bảng sau :

Từ số liệu tính toán trên ta lập được quan hệ Q~h như sau

0.5 1.0 h(m)

Q (m3/s)

1.5

1.021

47.27

Ta có hδ =1.02m, vδ=2.79m/s

- Xác định chiều sâu phân giới hk

Chiều sâu phân giới được xác định như sau

g

Q

B k

3

Trong đó

Q- Lưu lượng thiết kế

Bk, ωk : Chiều rộng và 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

+ Để xác định hk ta cũng sử dụng phương pháp thử dần

Giả định hk , từ dạng mặt cắt dòng sông tính toán được các giá trị

Bk, ωk , và giá trị hk là khi ta đạt được

h(m) ω(m2) χ(m) R(m) 1/n Q(m3/s) v(m/s)

0.8 11.129 14.066 0.791 12.5 24.043 2.160

0.85 12.392 14.194 0.873 12.5 28.587 2.307

0.9 13.694 14.321 0.956 12.5 33.567 2.451

0.95 15.036 14.449 1.041 12.5 38.993 2.593

1 16.416 14.576 1.126 12.5 44.879 2.734

1.05 17.837 14.704 1.213 12.5 51.237 2.873

1.1 19.296 14.832 1.301 12.5 58.078 3.010

1.15 20.795 14.959 1.390 12.5 65.416 3.146

1.2 22.333 15.087 1.480 12.5 73.262 3.280

32 309 81

9 9 0

27 47 1 1 2

2 2

2 3

=

×

×

=

=

g

Q

B k

k

ε

α

ω

Kết quả tính toán ta lập thành bảng như sau

k

B

3

ω

1.05 17.837 27.012 210.082

1.1 19.296 27.799 258.461

1.15 20.795 28.586 314.587

1.146 20.674 28.523 309.794

=>hk=1.15m

1.3hk=1.3x1.15=1.49>hδ=1.02m

Chế độ chảy dưới cầu là chế độ chảy tự do, chiều sau nước chảy dưới cầu là hk Khẩu độ cầu :Lc=Bk=28.5m

Tuy nhiên theo điều kiện địa hình , điều kiện xây dựng công trình ta chọn khẩu độ

cầu Lc=27+40+24x2

Với phương án tuyến thứ hai

F(Km2) 0.0272 0.090 0.032 0.047 0.033 0.039 7.663

L(Km) 0.094 0.1 0.114 0.084 0.067 0.025 8.414

ils(‰) 73.86 65.880 56.016 61.538

100.80 6

150.78

4 22.439 isd(‰) 115.12 103.24 47.482 45.088 83.333 48.958 97.58

bsd 0.161 0.5 0.156 0.311 0.274 0.867 0.506

Фsd 4.208 8.862 5.39 8.352 6.379 14.945 9.147

τsd 21.04 68.62 26.73 66.762 38.830

124.35

7 72.574 Фls 2.15 1.79 2.735 1.784 1.312 0.410 71.869

Ap% 0.237 0.112 0.199 0.111 0.191 0.094 0.128

Qp% 1.18 1.708 1.166 0.938 1.154 0.670 146.69

Loại

công trình Cốngtròn Cốngtròn Cốngtròn Cốngtròn Cốngtròn Cốngtròn Cầu

-Tính chiều cao nước dâng trước cống

Tương tự như phương án 1, kết quả được tổng hợp trong bảng sau

TT Qtk

(m3) D (m)

2 tk 5

Q

g.D

k

h D

hc (m) ωc (m2) H(m)

2 1.708 1.25 0.097 0.564 0.63 0.62 1.17

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 đó

-Q : lưu lượng nước chảy qua một mặt cắt

- ω:Diện tích mặt cắt ướt Dựa vào hình dáng mặt cắt và chiều sâu nước chảy ta

có thể dễ dang xác định được ω

- v:Vận tốc dòng chảy tại vị trí công trình

-Theo seidy –manning

v=C

C=R1/6i1/2

Trong đó

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 một số mựa nước h, từ đó ta tính toán được các chỉ số và tìm được lưu lượng Q tương ứng với mực nước đó, từ đây ta đi xây dựng đường cong quan hệ giữa lưu lượng Q và mực nước h Theo tính toán ở trên, ta đã tính được lưu lượng Q chảy qua mặt cắt công trình cầu , tra biểu đồ ta vừa lập ra se sơ bộ xác định được chiều cao nước chảy tự nhiên tại cầu

Kết quả tính toán ta lập thành bảng sau :

Từ số liệu tính toán ta vẽ được biểu đồ quan hệ Q-h

Với QTK=146.691m3/s thì hδ=1.73m

- Xác định chiều sâu phân giới hk

Chiều sâu phân giới được xác định như sau

h(m) ω(m2) χ(m) R(m) Q(m3/s) v(m/s)

1.5 18.833 3.927 4.796 100.283 5.325

1.6 21.424 4.189 5.115 119.086 5.559

1.7 24.191 4.450 5.436 140.033 5.789

1.8 27.117 4.712 5.755 163.053 6.013

1.9 30.220 4.974 6.075 188.401 6.234

2 33.480 5.236 6.394 215.972 6.451

Q

B k

3

2ω α

Trong đó

Q- Lưu lượng thiết kế

Bk, ωk : Chiều rộng và 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 cũng sử dụng phương pháp thử dần

Giả định hk , từ dạng mặt cắt dòng sông tính toán được các giá trị

Bk, ωk , và giá trị hk là khi ta đạt được

805 2989 81

9 9 0

56 57 1 1 2

2 2

2 3

=

×

×

=

=

g

Q

B k

k

ε

α

ω

Kết quả tính toán ta lập thành bảng như sau

2.2 40.513 36.830 1805.433

2.3 44.275 38.500 2254.317

2.4 48.204 40.170 2788.351

2.5 52.313 41.850 3420.747

2.432 52.920 40.710 2989.805

=>hk=2.43m

1.3hk=1.3x2.43 =3.16>hδ=1.73m

Chế độ chảy dưới cầu là chế độ chảy tự do, chiều sau nước chảy dưới cầu là hk

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 ở vị trí mà chiều cao đất đắp ≤5m Chọn khẩu độ cầu Lc =24x2+40+24x3

6.1.3.Cống cấu tạo

Cống cấu tạo là cống dùng để thoát nước nền mặt đường, nước ở hai bên taluy nền đường trong đoạn đường đào chảy theo rãnh dọc ra tới vị trí cống cấu tạo Cống cấu tạo được thiết kế với đường kính cống nhỏ nhất là 75cm, tối đa 500m rãnh phải bố trí

1 cống để thoát nước nền mặt đường

Cống cấu tạo không cần phải tính toán thủy văn cống

Cống cấu tạo được bố trí ở nền nửa đào nửa đắp, đào chữ L, hoặc đắp thấp Khi thiết kế đường đỏ người thiết kế cần chú ý tới điểm này để nước mưa, nước mặt không ảnh hưởng tơi chất lượng khai thác nền mặt đường, và bảo vệ tuổi thọ của 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 diện của rãnh thiết kế là tiết diện hình thang có chiều rộng đáy 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 nửa đào nửa đắp và nền đường đào

Tại những vị trí chuyển từ nền 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 đường để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thi công

Tiết diện của rãnh được thiết kế theo định hình như hình vẽ với hình dạng 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 ít nhất 5m

Rãnh đỉnh

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

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 tới cường độ của nền mặt đường và không làm xói lở mái ta luy nền đường