CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THỦY LỰC - THỦY VĂN CẦU CỐNG

Cáccông trình này có tác dụng tập trung và thoát nước nền đường, ngăn chặn khôngcho các nguồn nước chảy thấm đến khu vực tác dụng của nền đường, đảm bảo nềnđất luôn ổn định, kết cấu mặt

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THUỶ VĂN VÀ THUỶ LỰC CẦU CỐNG

Trong xây dựng đường ô tô, việc thoát nước đóng một vai trò hết sức quantrọng, bao gồm thoát nước mặt đường, nền đường, thoát nước ngầm Để việc thoátnước được tốt, cần phải xây dựng hệ thống thoát nước bao gồm hàng loạt các côngtrình và biện pháp kĩ thuật đảm bảo cho nền, mặt đường không bị ẩm ướt Cáccông trình này có tác dụng tập trung và thoát nước nền đường, ngăn chặn khôngcho các nguồn nước chảy thấm đến khu vực tác dụng của nền đường, đảm bảo nềnđất luôn ổn định, kết cấu mặt đường đảm bảo ổn định về cường độ

Tuyến đường trên chạy chủ yếu qua vùng địa hình vùng đồi, điều kiện địachất thuỷ văn ổn định, mực nước ngầm nằm sâu so với nền đường nên không ảnhhưởng tới kết cấu nền - mặt đường Trên tuyến này, hệ thống thoát nước chủ yếuđược bố trí để thoát nước mặt, bao gồm nước mưa, nước do suối, mương, khe tậptrung

Lưu lượng nước được tính dựa trên các yếu tố :

- Diện tích lưu vực

- Đặc trưng dòng chảy

- Đặc điểm của lưu vực và các yếu tố khí hậu - thuỷ văn

I Xác định các đặc trưng thuỷ văn :

1 Diện tích lưu vực F (Km 2 ) :

Dựa vào hình dạng đường đồng mức trên bình đồ, ta tìm được đường phânthuỷ giới hạn của lưu vực nước chảy vào tuyến đường Chia lưu vực thành nhữnghình đơn giản để tính diện tích lưu vực trên bản đồ địa hình (Fbđ), từ đó tìm đượcdiện tích lưu vực thực tế theo công thức sau :

2 2

10 ( )10

+ 1010 : Hệ số đổi từ cm2 ra Km2

2 Chiều dài lòng sông chính L (Km) :

Chiều dài lòng sông chính được xác định như sau :

bd 5

M

L = L × (Km)

10 Trong đó : + Lbđ : chiều dài của lòng sông chính trên bình đồ

+ 105 : hệ số đổi từ cm ra Km

3 Chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực :

1000F

1.8 L+∑l Trong đó : + F : diện tích lưu vực

+ L : chiều dài lòng suối chính

+ ∑l : tổng chiều dài của các lòng suối nhánh (chỉ tính những suốinhánh thể hiện trên bình đồ có chiều dài lớn hơn 0.75 chiều rộng bình quân B củalưu vực)

Chiều rộng B được tính như sau :

• Đối với lưu vực có 2 sườn : B = F/2L (Km)

• Đối với lưu vực có 1 sườn : B = F/L (Km) và thay hệ số 1.8 bằng 0.9 trongcông thức xác định bsd

4 Độ dốc trung bình của dòng suối chính I 1s (‰) :

h1,h2,…,hn Độ cao của các điểm gãy khúc trên trắc dọc lòng sông chính

l1,l2, ,ln Cự ly giữa các điểm gãy

5 Độ dốc trung bình của sườn dốc I sd (‰) :Được xác định bằng trị số trung

bình của 4 – 6 hướng nước chảy đại diện cho sườn dốc lưu vực

II Xác định lưu lượng tính toán :

Theo quy trình tính toán dòng chảy lũ (tiêu chuẩn 22TCN 220-95) đối vớilưu vực nhỏ có diện tích < 100 Km2 Thì lưu lượng tính toán được xác định theocông thức : Qp% = Ap×α ×Hp×F× δ

Trong đó :

+ Ap : Mođun đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế chọn phụ thuộc vào địa mạothuỷ văn φls, thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc τsd ,vùng mưa (Tra phụlục 13)

+ Hp% : Lưu lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế p % tại Đồng Nai, đâylà khu vực thuộc vùng mưa XVIII (phụ lục 15 TKĐÔTÔ3) ;

H1% = 145 mm

H4% = 129 mm+ δ : Hệ số xét đến làm nhỏ lưu lượng đỉnh lũ do ao hồ, rừng cây trong lưuvực Với diện tích ao hồ, đầm lầy chiếm 6%, ta có δ = 0.65(bảng 9-5 TKĐÔTÔ3)

+ F : Diện tích lưu vực.

+ α: hệ số dòng chảy lũ lấy trong bảng (9.7) tuỳ thuộc vào loại đất cấu tạokhu vực có lượng mưa (ngày) thiết kế (Hp) và diện tích lưu vực F

1 Xác định thời gian tập trung nước trên sườn dốc τ s :

Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs được xác định theo phụ lục 14 phụthuộc vào hệ số địa mạo thuỷ văn φsd và vùng mưa.

φsd xác định theo công thức :

bsd : Chiều dài trung bình của sườn dốc lưu vực( km )

msd = 0.25: Theo bảng 9 – 9 :mặt đất thu dọn sạch, không có gốc cây, không

bị cày xới, vùng dân cư nhà cửa không quá 20%, mặt đá xếp và cỏ thưa

Isd: Độ dốc trung bình của sườn dốc lưu vực (0/00)

Vùng tuyến thiết kế có đất cấp III

2 Xác định hệ số địa mạo thuỷ văn ф ls của lòng suối :

Ils : Dộ dốc lòng suối chính (%0)

L : Chiều dài của lòng suối chính (Km)

3 Xác định trị số A p% :

Mô đun dòng chảy lũ Ap% xác định bằng cách tra phụ lục 13, tuỳ thuộc vàovùng mưa, thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc τs và hệ số địa mạo thuỷvăn фls

Suy ra Qp% = Ap×α ×Hp×F× δ

Kết quả tính toán thủy văn được thể hiện trong các bảng sau:

Bảng xác định các đặc trưng thủy văn

-Km: 1+282.52 0.238 0.375 0 352.59 25.7 72.46

-5Km: 2+193.66 0.257 0.512 0 278.86 28.33 77.72 -Km: 2+749.38 0.3 0.671 0 248.39 51.83 53.8 -Km: 3+127.35 0.72 0.735 0 544.22 12.39 84.26 -Km: 3+912.56 3.249 1.885 0.832 664.34 4.29 28.92 0.862Km: 4+696.63 1.657 1.335 0 689.55 9.11 65.57 -Km: 5+210.43 0.316 0.381 0 460.78 21.33 43.04 -Km: 5+666.60 0.142 0.567 0 139.13 63.13 69.72 -Km: 6+210.61 0.487 0.461 0 586.89 25.22 59.61 -Km: 6+711.61 28.538 9.912 19.51 538.86 0.92 27.45 1.439

PAII Km: 0+236.62 8.116 3.237 3.877 633.81 1.11 35.49 1.253

Km: 0+999.74 0.879 0.488 0 1000.68 50.51 62.42 Km: 1+646.20 0.216 0.687 0 174.67 45.32 40.81 -Km: 2+152.10 2.594 2.124 0.791 494.38 3.21 46.95 0.611Km: 2+481.74 0.439 0.943 0 258.63 40.69 46.04 -Km: 3+11.62 0.269 0.191 0 782.43 20.55 74.03 -Km: 4+665.19 0.903 0.904 0 554.94 15.53 55.47 -Km: 5+448.37 0.424 0.411 0 573.13 38.01 57.23 -Km: 6+338.98 0.455 0.595 0 424.84 13.38 72.08 -

-Bảng xác định thời gian tập trung nước φsd Phươn

Km: 1+282.52 352.59 0.2

5 72.46

145 0.76

25.69 XVIII 27.83

Km: 2+193.66 278.86 0.2

5 77.72

145 0.76

14.84 XVIII 22.52

Km: 4+696.63 689.55 0.2

5 65.57

145 0.62

89.47 XVIII 74.7

Km: 6+711.61 538.86 0.2

5 27.45

145 0.55

811.12 XVIII 81.68

PAII Km: 0+236.62 633.81 0.2

5 35.49 145 0.608 10.97 XVIII 81.46Km: 0+999.74 1000.6

8 0.25 62.42 145 0.727 11.34 XVIII 82.01Km: 1+646.20 174.67 0.2

5 74.03 145 0.761 9.12 XVIII 71.2Km: 4+665.19 554.94 0.2

PAII Km: 0+236.62 8.116 3.237 145 9 1.11 0.608 67.16

Km: 0+999.74 0.879 0.488 145 9 50.51 0.727 4.73Km: 1+646.20 0.216 0.687 145 9 45.32 0.764 9.68Km: 2+152.10 2.594 2.124 145 9 3.21 0.626 40.84Km: 2+481.74 0.439 0.943 145 9 40.69 0.751 11.58Km: 3+11.62 0.269 0.191 145 9 20.55 0.761 3.32Km: 4+665.19 0.903 0.904 145 9 15.53 0.725 12.89Km: 5+448.37 0.424 0.411 145 9 38.01 0.752 5.21Km: 6+338.98 0.455 0.595 145 9 13.38 0.75 10.49

Bảng xác định mô đun dòng chảy A p

2+749.38 0.2132 0.75

Cống có thể là cống cấu tạo hoặc là cống địa hình Cống cấu tạo dùng đểthoát nước cho các đoạn rãnh biên quá dài, tránh ứ đọng nước làm phá hoại nềnđường Theo TCVN 4054-2005 đối với vùng đồng bằng và đồi thì cứ 500 m rãnhbiên cần đặt 1 cống cấu tạo.

Cống địa hình là cống bố trí tại các vị trí có suối Cống địa hình là cống bắtbuộc phải đặt tại những vị trí thường xuyên có nước chảy cắt ngang qua đường màlưu lượng thường nhỏ ≤25m3/s

Căn cứ vào lưu lượng tính toán được chọn một số phương án khẩu độ ( dựatheo công thức hoặc tra bảng) và xác định chiều sâu nước dâng H cùng vận tốcnước chảy V Trong phần thiết kế cơ sở, khẩu độ cống, H và V được xác định theobảng cống Dựa vào H mà định độ cao nền đường ( hoặc kiểm tra lại độ cao nềnđường đã thiết kế) Khi định độ cao tối thiểu của nền đường phải tuân theo nhữngyêu cầu quy định như: chiều dày lớp đất trên đỉnh cống ≥0.5m đối với cống làmviệc không áp, trường hợp cống có D>2m hay cống làm việc theo chế độ bán áp,có áp thì khoảng cách này tối thiểu là 1 m, đặc biệt lưu ý cao độ mép nền đường ởnhững điểm đặt cống

Bảng thống kê cống của 2 phương án:

PAI Km:0+400.07 0.824 1x1.0 1.0 Cống tròn 0.9 2.14

Km:

1+282.52 3.109 1x1.5 3.3 Cống tròn 1.5 2.84Km:

2+193.66 3.562 1x1.75 3.8 Cống tròn 1.53 2.77Km:

2+749.38 4.071 1x1.75 4.5 Cống tròn 1.68 2.97Km:

3+127.35 6.007 1x2.0 6.1 Cống tròn 1.88 3.11Km:

3+912.56 10.557 2x2.0 5.5 Cống tròn 1.77 2.97Km:

4+696.63 4.275 1x1.75 4.5 Cống tròn 1.68 2.97Km:

5+210.43 2.924 1x1.50 3.0 Cống tròn 1.42 2.73Km:

5+666.60 2.735 1x1.50 3.0 Cống tròn 1.42 2.73

6+210.61 4.181 1x1.75 4.5 Cống tròn 1.68 2.97

0+236.62 21.56 3x3.0 7.5 Cống hộp 3.03 4.18Km:

0+999.74 6.521 1x2.0 6.7 Cống tròn 2.00 3.27Km:

1+646.20 2.999 1x1.50 3.0 Cống tròn 1.42 2.73Km:

2+152.10 11.056 2x2.0 6.0 Cống tròn 1.86 3.08Km:

2+481.74 4.647 1x2.0 4.8 Cống tròn 1.64 2.84Km: 3+11.62 2.432 1x1.50 2.5 Cống tròn 1.28 2.52Km:

4+665.19 5.687 1x2.0 6.0 Cống tròn 1.86 3.08Km:

5+448.37 3.647 1x1.75 3.8 Cống tròn 1.53 2.77Km:

6+338.98 4.801 1x2.0 5.0 Cống tròn 1.67 2.86

IV Thống kê cống :

Bảng thống kê cống

V Yêu cầu đối với nền đường:

 Độ cao nền đường : (tối thiểu)

Điều kiện 1: Tại vị trí đặt cống cao độ phải lớn hơn mực nước dềnh trước

công trình có xét đến chiều cao sóng vỗ một khoảng 0.5 m:

dk1 min

Điều kiện 2: Cao độ đường đỏ tại vị trí đặt cống phải đảm bảo thiết bị di

chuyển trên cống không làm vỡ cống

dk2 min

H =∅ + 2∆ + max(0.5m; ∑HKCAD)

δ : Chiều dày cống

Trường hợp cao độ đường đỏ tại vị trí cống bị khống chế hay không đủ chiềudài lớp đất đắp tối thiểu của lớp đất trên đỉnh cống thì ta có thể xử lý bằng cáchthay đổi đường kính cống bằng cách tăng số cống có đường kính nhỏ hơn (dùngcống đôi hay cống 3) hay dùng cống hộp có khả năng chịu lực tốt

Với bề dày của kết cấu áo đường là 0.58m, cách bố trí cống đã thỏa các yêucầu về cao độ thiết kế của đường đỏ và cao độ mép vai đường ở 2 phương ántuyến, đồng thời cũng thỏa mãn cao độ đặt cống với các điều kiện làm việc khôngáp

 Chiều dài cống : Phụ thuộc chiều cao đất đắp ở từng mặt cắt ngang cụ

thể

Tính toán xói và gia cố sau cống:

- Trong trường hợp bố trí các công trình thoát nước, do dòng chảy bị thu hẹp,dòng nước ra khỏi cống chảy với vận tốc cao ở sau công trình Do đó gây nên xóilở nên ta phải gia cố, yêu cầu đặt ra là phải xác định được chiều dài đoạn gia cốvà chiều sâu xói lở : lgc & hxói

=> Phải thiết kế hạ lưu công trình cống theo tốc độ nước chảy :V = 1.5×Vo

- Chiều dài gia cố Lgc sau cống nên lấy bằng 3 lần khẩu độ cống:

b : Khẩu độ công trình

H : Chiều cao mực nước dâng

VI Tính toán khẩu độ cầu tại vị trí Km 6+711.61:

Đối với phương án I tại Km:6+711.61 có lưu lượng lớn nên để đảm bảo thoát nước ta kiến nghị sử dụng cầu nhỏ tại các vị trí đó

 Xác định lưu lượng thiết kế

Phương án Lý trình Lưu lượng thiết kế Q(m 3 /s)

 Mặt cắt sông tại vị trí đặt cầu.

Trong thực tế khi xác định mặt cắt sông thì phải khảo sát và đo đạc thựctế mặt cắt sông tại vị trí xây dựng cầu Trong phạm vi đồ án này vì khôngcó số liệu khảo sát thực tế do đó ta giả thiết mặt cắt sông có dạng hìnhthang

Hình: Mặt cắt lòng sông

- Chu vi ướt: χ = + ×b h ( 1 m+ 12 + 1 m+ 22)

- Diện tích ướt: ( + )

ω = × + m1 m2 × 2

2Với m1 và m2 là hệ số mái dốc của bờ trái và bờ phải bờ, b là bề rộngđáy suối và h là chiều sâu mực nước

 Xác định chiều sâu dòng chảy tự nhiên hδ:

Phương pháp xác định hδ:

Ta giả thiết chiều sâu dòng chảy h => tính được lưu lượng Q

Ưùng với: h1 (m) => Q1 (m3/s)

h2 (m) => Q2(m3/s)

h3 (m) => Q3 (m3/s)Xác định lưu lượng Q tương ứng với h theo phương pháp thử dần như sau:

RTrong đó:

Chọn B = 10 m, hệ số mái dốc m1 = m2 = 1.75

Tính y gần đúng theo công thức:

Khi 0.1m < R < 1m => y=1.5 n

Khi 1m < R < 3m => y=1.3 n

Và khi R lớn thì y = 16 theo Maninh

n = 0.05: hệ số nhám của dòng sông dưới cầu

io: độ dốc tự nhiên của dòng sông

ω: Diện tích ướt của mặt cắt

So sánh Q với Qtk nếu sai số ≤ 5% thì dùng hδ giả định, nếu sai

số >5% thì giả định lại hδ và tính lại từ đầu

(m 3 /s

2.5 10.0

0

35.94

20.08 1.79 0.0

5

23.68

0.000934.15

2.55 10.0

0 36.88 20.28 1.82 0.05 23.38 0.0009 34.892.6 10.0

2%

Vậy độ sâu dòng chảy tự nhiên cho phương án là:

 Chiều sâu phân giới h k

Chiều sâu phân giới hk là chiều sâu dòng chảy ứng với chế độ nước chảyphân giới (chiều sâu tương ứng với tiết diện dòng chảy có tỷ năng mặt cắtnhỏ nhất)

Với mặt cắt dòng chảy hình thang, chiều sâu phân giới được xác địnhtheo công thức (10-23) sách thiết kế đường tập 3:

v

×

=ε×α× ;

P%

k

k

Qv

ω =ε×

vk = vox : Lưu tốc cho phép không gây xói lở địa chất ở đáysuối.Với vox= vk = 3.5 m/s (gia cố đá lát)

ε = 0.9: Hệ số khi có ¼ nón đất ở mố cầu

ωk: Tiết diện ướt của dòng khi chảy phân giới.

Bk: Chiều rộng mặt thoáng của tiết diện ướt

α : Hệ số điều chỉnh động năng Kôriolit, lấy bằng 1.0

m : Độ dốc taluy nón mố

g : gia tốc trọng trường (m/s2)

Qtk = Qp% : lưu lượng ứng với tần suất thiết kế (m3/s)

Bảng xác định chiều sâu phân giới hk

 Xác định chế độ chảy dưới cầu.

Chế độ chảy dưới cầu được xác định trên cơ sở so sánh hai giá trị là chiềusâu dòng chảy tự nhiên và chiều sâu dòng chảy phân giới

hδ< 1.3hk: Chảy tự do

hδ > 1.3hk: Chảy ngập

Bảng xác định chế độ chảy dưới cầu

1 Km: 6+711.61 2.55 1.82 2.366 Chảy ngập

 Tính khẩu độ cầu.

Từ bảng tổng hợp trên ta nhận thấy cầu đều chảy ở chế độ chảy ngập Khẩu độ cầu được xác định theo công thức:

δ δ

d : Bề rộng trụ (Vì cầu nhỏ chỉ có mố nên => d=0)

btb = δ

δ

+ε× ×

tk c

h v

Qtk: Lưu lượng thiết kế (m3/s)

ε : Hệ số thu hẹp do mố trụ, lấy bằng 0.9 vì có ¼ nón mố

m : Độ dốc mái ta luy nón mố, m = 1.5

Vcp: Lưu tốc cho phép dưới cầu, như trên ta có Vcp = 3.5 m/s

α: Hệ số điều chỉnh động năng, lấy bằng 1.0

Bảng xác định khẩu độ cầu

g (m/s 2

Ta chọn khẩu độ cầu Lc = 10m

 Xác định chiều sâu nước dâng trước cầu.

Chế độ nước chảy dưới cầu là chế độ chảy không tự do, do vậy chiềusâu nước dâng trước cầu được xác định theo công thức (10-26) sách thiết kếđường tập 3:

2 2

0 k

hk : chiều sâu phân giới

ψ = 0.9 : hệ số vận tốc (khi có ¼ nón đất ở mố cầu)

vk: Tốc độ nước chảy dưới cầu lấy bằng tốc độ cho phép của vậtliệu gia cố vk=3.5m/s

v0 : Tốc độ nước chảy ở thượng lưu ứng với chiều sâu H

α : hệ số Kôriolit, α =1

Đây là bài toán giải lặp, trình tự giải như sau:

- Giả định một VH ban đầu

- Tính H theo công thức như trên

- Tính diện tích ướt ω = LcH - mH2

434.182 2.07

Vậy chiều sâu nước dâng trước cầu:

C: chiều cao cấu tạo của hệ mặt cầu, chọn C = 1.2 mH: chiều cao dâng nước trước cầu

∆: tĩnh không dưới cầu, phụ thuộc vào đặc điểm và yêu cầuthông thuyền của từng sông

Ta có bảng tính kết quả như sau:

1 Km: 6+711.61 1.2 0.5 3.05 4.38

 Cao độ tối thiểu nền đường vào đầu cầu so với đáy sông:

Cao độ tối thiểu của nền đường đầu cầu được xác định theo công thức sau:

Hn = maxH + 0.5m ; H + Σhmd

Trong đó:

H: Chiều cao nước dâng trước cầu

Σhmd : chiều dày kết cấu mặt đường, Σhmd = 0.65m

Ta có kết quả tính theo bảng sau:

Cao độ tối thiểu nền đường đầu cầu

PA Lý trình H H + 0.5 H + Σh md H nền (m)

VII Rãnh thoát nước

a Rãnh biên :

- Rãnh biên làm để thoát nước khi mưa từ mặt đường, lề đường, và diện

tích bên dành cho đường Rãnh biên có tác dụng làm cho nền đường khô ráo

do đó đảm bảo cường độ nền và mặt đường ổn định khi mưa

- Kích thước của rãnh biên trong điều kiện bình thường được thiết kế theo

cấu tạo mà không yêu cầu tính toán thủy lực Chỉ trường hợp nếu rãnh biênkhông những chỉ để thoát nước từ mặt đường và diện tích đất dành chođường mà còn để thoát nước từ các diện tích lưu vực hai bên đường thì rãnhphải được tính toán thủy lực Sử dụng rãnh tiết diện hình thang có chiềurộng đáy lòng 0.4m, chiều sâu tối thiểu tới mặt đất tự nhiên là 0.3m Ta luyrãnh nền đường đào có độ dốc theo cấu tạo địa chất ; đối với nền đắp là

1 :1.5 đến 1 :3 Rãnh không nên sâu quá 0.8 m, nếu sâu hơn phải làm rãnhđỉnh để không cho nước từ sườn lưu vực chảy về rãnh dọc Độ dốc lòng rãnhkhông nên nhỏ hơn 0.5%

• Tính toán rãnh biên cho đoạn rãnh dài nhất từ Km: 4+17.02 đến Km:4+476.73 ở phương án 2 (có chiều dài rãnh lớn nhất)

Xác định lưu lượng tính toán:

B 5m

1:1