CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THỦY LỰC - THỦY VĂN CẦU CỐNG

Xác định thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs, phụ thuộc vào hệ số đặc trưng địa mạo sườn dốc φsd và vùng mưa phụ lục 14 TKĐÔTÔ3 Vùng mưa:

Chương4: TÍNH TOÁN THUỶ VĂN VÀ THUỶ LỰC CẦU CỐNG

I Xác định lưu lượng tính toán Q p % :

Theo qui trình tính toán dòng chảy lũ do mưa rào ở lưu vực nhỏ

(F≤100 km2), ta có công thức :

Qp% = Ap×α ×Hp×F× δ

Trong đó:

- Qp% : Lưu lượng đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế p%, m3/s;

- p% : Tần số lũ tính toán ,được qui định tùy thuộc vào cấp thiết kế của đường, theo bảng 30 TCVN 4054-2005: đường cấp III ,đối với cầu nhỏ ,cống, p = 4%;

-α: Hệ số dòng chảy lũ lấy theo bảng 9-7 TKĐÔTÔ3, tùy thuộc vào loại đất cấu tạo lưu vực, lượng mưa ngày thiết kế (H ) và diện tích lưu vực (F)1%

- Ap: Mô đun dòng chảy đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế trong điều kiện chưa xét ảnh hưởng của hồ ao, phụ thuộc vào hệ số đặc trưng địa mạo lòng sông

ls

φ , thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsd và vùng mưa (phụ lục 13

TKĐÔTÔ3)

- δ : Hệ số triết giảm lưu lượng của hồ ao, đầm lầy Với diện tích ao hồ, đầm lầy chiếm 4% về phía thượng lưu, ta có δ = 0.9(bảng 9-5 TKĐÔTÔ3)

- F : diệân tích của lưu vực Dựa vào bình đồ ta tìm được diện tích lưu vực thực tế theo công thức:

2 10 10

F F

Trong đó:

Fbđ : Diện tích lưu vực trên bình đồ (cm2) M: Hệ số tỉ lệ bình đồ

1010 : Hệ số qui đổi từ cm2 sang km2

1 Xác định thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs

Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs, phụ thuộc vào hệ số đặc trưng địa mạo sườn dốc φsd và vùng mưa (phụ lục 14 TKĐÔTÔ3)

Vùng mưa: XVI

Hệ số φsd xác định theo công thức :

( )0,6 0,3 0,4

1000

sd sd

b

φ

α

×

=

Trong đó

bsd :Chiều dài trung bình của sườn dốc lưu vực, km xác định theo công thức:

=

sd

F b

L = chiều dài suối chính (km) đo từ nơi suối bắt đầu hình thành rõ ràng tới vị trí công trình

∑l = tổng chiều dài các suối nhánh (km) có chiều dài lớn hơn 0.75 chiều rộng trung bình của sườn dốc lưu vực, B xác định theo 1 trong 2 công thức sau:

Đối với lưu vực có 2 mái dốc:

2

=

×

F B

L

Đối với lưu vực có 1 mái dốc:

B L

và thay hệ số 1.8 bằng 0.9 trong công thức xác định bsd

msd = 0.2: hệ số đặc trưng nhám sườn dốc với 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 dày

Isd: độ dốc trung bình của sườn dốc lưu vực (0/00), được xác định bằng trị số trung bình của 4 – 6 hướng nước chảy đại diện cho sườn dốc lưu vực

H1% = 144 mm: Lưu lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế p% = 1% tại trạm Đăk nông thuộc tỉnh Đắc Lắc Đây là khu vực thuộc vùng mưa XVI

2 Tính hệ số địa mạo thủy văn của lòng sông φls theo công thức :

1/ 3 1/ 4 1/ 4

1000

×

=

ls

L

φ

α L: chiều dài sông chính, km

mls =7 : hệ số đặc trưng nhám của lòng sông, với sông vùng núi lòng sông nhiều đámặt nước không phẳng, suối chảy không thường xuyên,quanh co,lòng suối

1 1 1 2 2 1

2

ls

I

=

Trong đó :

h1,h2,…,hn : cao độ những điểm gãy khúc trên trắc dọc lòng sông chính

l1, l2,…,ln : cự ly giữa các điểm gãy khúc

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

BẢNG XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN

Phương

án

(km2)

L (km)

Σl (km)

b sd (m)

I ls (‰)

I sd (‰) PAI Km:0+705.16 0.27 0.33 0 454.5 97.54 87.5

Km 1+188.7 0.14 0.5 0 155.6 98.35 88.3

Km 1+846.55 0.08 0.3 0 148.1 37.82 101.2

Km 2+524.21 0.13 0.5 0 144.4 101.76 112.34

Km 4+65.76 0.15 0.34 0 245.1 145.3 137.06

Km 5+300 0.116 0.43 0 149.87 112.52 105.24

Km 5+753.74 0.2 0.46 0 241.5 102.23 98.72

Km 6+631.42 0.13 0.54 0 133.7 107.37 103.56

Km:1+338.0

Km:1+830.8

Km:3+877.8

BẢNG XÁC ĐỊNH THỜI GIAN TẬP TRUNG NƯỚC φsd

Phương

án

Lý trình b sd

(m) m sd

I sd (‰)

H 1%

(mm)

α φsd Vùng

Mưa

τsd

(phút)

PAI Km:0+705.16 454.5 0.2 87.5 144 0.77 7.816 XVI 62.24

Km 1+188.7 155.6 0.2 88.3 144 0.77 4.096 XVI 21

Km 1+846.55 148.1 0.2 101.2 144 0.81 3.742 XVI 17.94

Km 2+524.21 144.4 0.2 112.34 144 0.77 3.645 XVI 17.16

Km 4+65.76 245.1 0.2 137.06 144 0.77 4.716 XVI 27.16

Km 5+300 149.87 0.2 105.24 144 0.77 3.8 XVI 18.4

Km 5+753.74 241.5 0.2 98.72 144 0.77 5.158 XVI 31.12

Km 6+631.42 133.7 0.2 103.56 144 0.77 3.566 XVI 16.56

Km:1+830.83 473.19 0.2 127.85 144 0.77 5.631 XVI 34.417

BẢNG XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỊA MẠO LÒNG SÔNG φls

m ls

I ls

PAI Km:0+705.16 0.27 0.33 144 7 97.54 0.77 4.38

Km 1+188.7 0.14 0.5 144 7 98.35 0.77 7.8

Km 1+846.55 0.08 0.3 144 7 37.82 0.81 7.31

Km 2+524.21 0.13 0.5 144 7 101.76 0.77 7.85

Km 4+65.76 0.15 0.34 144 7 145.3 0.77 4.57

Km 5+300 0.116 0.43 144 7 112.52 0.77 6.719

Km 5+753.74 0.2 0.46 144 7 102.23 0.77 6.48

Km 6+631.42 0.13 0.54 144 7 107.37 0.77 8.33

Km:1+338.03 0.123 0.474 144 7 102.23 0.77 7.536

BẢNG XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN DÒNG CHẢY A p

PAI Km:0+705.16 XVI 62.24 4.38 0.172

Km 1+188.7 XVI 21 7.8 0.218

Km 1+846.55 XVI 17.94 7.31 0.252

Km 2+524.21 XVI 17.16 7.85 0.254

Km 4+65.76 XVI 27.16 4.57 0.228

Km 5+300 XVI 18.4 6.719 0.184

Km 5+753.74 XVI 31.12 6.48 0.21

Km 6+631.42 XVI 16.56 8.33 0.26

BẢNG XÁC ĐỊNH Q p

Phươn

PAI Km:0+705.16 0.172 0.77 128 0.27 0.9 4.119

Km 1+188.7 0.218 0.77 128 0.14 0.9 2.707

Km 1+846.55 0.252 0.81 128 0.08 0.9 1.881

Km 2+524.21 0.254 0.77 128 0.13 0.9 2.929

Km 4+65.76 0.228 0.77 128 0.15 0.9 3.034

Km 5+300 0.184 0.77 128 0.116 0.9 1.8933

Km 5+753.74 0.21 0.77 128 0.2 0.9 3.726

Km 6+631.42 0.26 0.77 128 0.13 0.9 2.998

Từ lưu lượng tính được, ta xác định các công trình vượt dòng nước theo bảng sau:

PAI Km:0+705.16 0.27 4.119 Cống

Km 1+188.7 0.14 2.707 Cống

Km 1+846.55 0.08 1.881 Cống

Km 2+524.21 0.13 2.929 Cống

Km 4+65.76 0.2 3.034 Cống

Km 5+300 0.116 1.8933 Cống

Km 5+753.74 0.2 3.726 Cống

Km 6+631.42 0.13 2.998 Cống

II Tính toán cống:

Sau khi chọn cấu tạo cống, căn cứ vào lưu lượng tính toán chọn một số phương án khẩu độ ( dựa theo công thức hoặc tra bảng) và xác định chiều sâu nước dâng H và vận tốc nước chảy V Trong phần thiết kế ơ sở, khẩu độ cống, H và V được xác định theo bảng cống Dựa vào H mà định độ cao nền đường ( hoặc kiểm tra lại độ cao nền đường đã thiết kế) Khi định độ cao tối thiểu của nền đường phải tuân theo những yêu cầu quy định như: chiều dày lớp đất đặt trên đỉnh cống ≥ 0.5m; cao độ mép nền đường phải cao hơn mực nước dâng ≥0.5m

Cống có thể là cống cấu tạo hoặc là cống địa hình Cống cấu tạo dùng để thoát nước qua đường, tránh ứ đọng nước làm phá hoại nền đường Từ 300-500m rãnh biên hình thang thì bố trí 1 cống có khẩu độ ∅ = 0.75m.Cống địa hình là cống bố trí tại các vị trí đường tụ thủy, có suối Cống địa hình là cống bắt buộc phải đặt tại những vị trí thường xuyên có nước chảy cắt ngang qua đường mà lưu lượng Q ≤ 25m3/s

Tính toán khả năng thoát nước của cống:

Cống đường kính d = 1.75m, tại lý trình Km 5+846.26, Q = 3.726 m 3 /s

 Xác định chiều sâu phân giới h k :

Chiều sâu phân giới hk phụ thuộc vào lưu lượng thiết kế Qtk Tính tỷ số:

2 2 tk

Q 3.726

= = 0.0862 g.d 9.81×1.75

Tra bảng 10-3 trang 209 “Thiết kế đường ô tô tập ba” ta được hk/d = 0.547 Vậy chiều sâu phân giới hk:

hk = 0.547 × 1.75 = 0.957 m

 Chiều sâu mực nước chảy trong cống tại chỗ thắt hẹp dòng chảy:

hc = 0.9× hk = 0.9 × 0.957 = 0.861m

 Chiều sâu nước dâng trước cống:

H ≈ 2hc = 2 × 0.861 = 1.722m

 Kiểm tra điều kiện cống chảy không áp:

Như kiến nghị thiết kế ban đầu thì hcv = d = 1.75 m Miệng cống loại thường nên thay vào điều kiện chảy không áp:

H = 1.722 ≤ 1.2 hcv = 1.2 × 1.75 = 2.1 m Vậy cống thỏa mãn điều kiện chảy không áp

Tính khả năng thoát nước của cống:

Q = ψ × ×ω 2g (H - h )×

Trong đó:

ψc: Hệ số vận tốc khi cống chảy không áp Với cống tròn lấy bằng 0.85 Với tỷ số: c 0.861

1.75

h

0.492

d = = tra đồ thị hình 10-2 trang 203 “Thiết kế

đường ô tô tập 3” ta được ωc/d 2 = 0.394 hay ωc = 0.415 × 1.752 = 1.207 m2 Thay các giá trị vào công thức trên ta được

c

Q =0.85 1.207× × 2 9.81 (1.722 0.861) 4.22× × − = m3/s

Ta nhận thấy : Qc = 4.22 m3/s > Qtk = 3.726 m3/s, vậy cống đảm bảo thoát nước tốt

Với tỷ số: k 0.957

1.75

d = = tra bảng 10-3 trang 209 sách “thiết kế đường

ôtô tập 3” ta tra được, k

d

K = 0.589

d

K = 24d = 24×1.75 = 106.74

K = 106.74×0.589 = 62.87k

Vậy

k k

3.726 62.87

Q

K

Vì độ dốc của cống lớn hơn độ dốc phân giới nên chiều sâu nước chảy trong cống tại gần cửa ra ho < hk và vận tốc V0 sẽ tăng lên Sử dụng các bảng tra thủy lực được lập sẵn ta có thể xác định được vận tốc V0 dựa vào các đại lượng tính toán sau:

8 3

d

0

K = 0.247 w =0.811 w = 0.811×44.292 = 35.936

×

- Vận tốc dòng chảy trong cống:

V = w × i = 35.936× 0.02=5.082 m/s Vận tốc tính xói cho cống là vận tốc ở hạ lưu cống, vận tốc này thường rất lớn so với vận tốc dòng chảy trong cống và được tính bằng 1.5 V0

V =1.5 V =1.5×5.082 =7.623 m/s×

Lưu tốc là lớn do đó phải gia cố chống xói rất tốn kém

 Tính toán xói và gia cố sau cống:

- Trong trường hợp chảy tự do, dòng nước ra khỏi cống chảy với vận tốc cao ở sau công trình Do đó phải thiết kế hạ lưu công trình theo tốc độ nước chảy

V = 1.5×Vo = 1.5× 5.082 = 7.623m/s

- Chiều dài gia cố Lgc sau cống nên lấy bằng 3 lần khẩu độ cống Với cầu nhỏ thì chiều dài ấy tính từ mép hạ lưu kết cấu nhịp

Lgc = 3 × h =3 ×1.75 = 5.25 m

- Chiều sâu tường chống xói xác định theo công thức

bt = hxói + 0.5 hxói : Chiều sâu xói tính toán tính theo công thức

xoi

gc

b

h = 2 × H ×

b + 2.5 L× =2.0 1.53× × 1.75 2.5 5.25+1.75× =1.05 m

⇒ chiều sâu tường chống xói: ht ≥ hx + 0.5 = 1.05 + 0.5 = 1.55m.

H = 1.53 m : Chiều cao mực nước dâng

 Xác định cao độ nền mặt đường trên đỉnh cống

Chiều cao đất đắp nền đường tối thiểu tại trắc ngang cống được xác định theo điều kiện đảm bảo nước dềnh không tràn qua nền đường

Hn = H + 0.5 = 1.53 + 0.5 = 2.03 m

Cao độ mặt đường trên đỉnh cống được xác định theo điều kiện chịu lực của cống và bố trí kết cấu áo đường, đồng thời đảm bảo chiều cao nền đắp như trên:

Hm = max d + 2δ + 0.5 ; d + 2δ + Had  (m)

Trong đó: d = 1.75 m: Đường kính cống

δ = 0.2 m: Chiều dày cống

Had= 0.6 m: Chiều dày kết cấu áo đường

Hm = max 1.75 + 0.4+ 0.5=2.65 ; 1.75 + 0.4 + 0.6 = 2.75 =2.75 (m)

 Tính chiều dài cống và tổng hợp cống

Chiều dài cống phụ thuộc vào chiều cao đất đắp trên đỉnh cống Với mái ta luy đắp là 1: m = 1: 1.5 ta tính được chiều dài cống theo công thức:

L = Bn + 2×m×H + 2×∆ = 9 + 1.5×0.6×2 + 2×0.5 =11.8 m H=0.6m chiều dài lớp đất đắp trên đỉnh cống

∆=0.2-0.5m, chọn ∆=0.5m

Để tiện cho thi công, ta lấy chiều dài cống L = 12m

Sau đây là bảng thống kê cống của 2 phương án:

(m3/s) (m) (m3/s) lượng (m) (m/s) PAI Km:0+705.16 4.119 1.75 4.12 1 1.54 2.78

`

Km 1+188.7 2.707 1.5 2.71 1 1.34 2.61

Km 1+846.55 1.881 1.25 1.88 1 1.172 2.472

Km 2+524.21 2.929 1.5 2.93 1 1.4 2.7

Km 4+65.76 3.761 1.5 3.8 1 1.53 2.77

Km 5+300 1.89 1.25 2.48 1 1.177 2.52

Km 5+753.74 3.726 1.5 3.8 1 1.53 2.77

Km 6+631.42 2.998 1.5 3 1 1.42 2.73

Km:1+338.03 2.651 1.5 4.8 1 1.545 3.06

Số lượng cống trên tuyến

Tính chiều cao nền đường

Hnên min =H+2∆+0.6=H+1(m) [4.20]

∆ : Chiều dày cống = 0.2m

III Tính toán rãnh thoát nước:

1 Công dụng của rãnh:

- Rãnh dọc dùng để thoát nước mưa từ mặt đường và diện tích lưu vực đổ về rãnh Khi tính toán ta dựa trên Bình đồ và trắc dọc, xác định được phần diện tích lưu vực nước chảy về rãnh

2 Yêu cầu khi thiết kế rãnh:

- Tiết diện và độ dốc rãnh phải đảm bảo thoát nước được với lưu lượng tính toán và kích thước hợp lý, lòng rãnh không phải gia cố bằng những vật liệu đắt tiền mà có thể sử dụng được những vật liệu tại chỗ

- Độ dốc của rãnh trong mọi trường hợp phải chọn để tốc độ nước chảy trong rãnh không nhỏ hơn tốc độ ban đầu làm các hạt phù sa lắng đọng

- Độ dốc lòng rãnh không được thiết kế < 0.5% trong trường hợp đặc biệt có thể 0.3% nhưng chiều dài rãnh không được quá 50 m

- Mép đỉnh của rãnh dẫn nước phải cao hơn mực nuớc chảy trong rãnh là 0.20m

- Lưu lượng nước từ lưu vực tụ nước tập trung về rãnh được xác định theo công thức của trường Đại học xây dựng (Sổ tay thiết kế đường ô tô) :

*Đối với các lưu vực nhỏ F ≤30Km2:

Qp = 16,67*ap*F*δ*ϕ*α

Trong đó :

F: diện tích lưu vực (km2)

α :hệ số dòng chảy lũ, xác định theo Phụ lục 6, phụ thuộc loại đất, diện tích lưu vực, chiều dày lượng mưa

δ: hệ số triết giảm do ao, hồ và đầm lầy (bảng 7.2.6)

ϕ: hệ số xác định theo bảng 7.2.7

a p: cường độ mưa tính toán (mm/ph) phụ thuộc tc: thời gian hình thành dòng chảy tính theo công thức:

tc =

0.4

0.4 0.4

18.6*

*( )*(100* )

sd

b

Vì tuyến chọn thiết kế thuộc địa hình tương đối thuận lợi Việc thoát nước rãnh chủ yếu là lượng nước mưa đổ từ mặt đường và phần taluy đào, nên ta chọn rãnh cấu tạo có kích thước và hình dạng sau:

4 Chọn rãnh hình thang:

r

y R i R

n

B

b

h

1 : 1

1 : 1

B = 1.2 m; h = 0.6 m; b= 0.4 m

Gia cố rãnh :

Với những đoạn rãnh có độ dốc i = (1÷3)% thì gia cố bằng cách lát cỏ trên lớp

Với những đoạn rãnh có độ dốc i = (3÷5)% thì gia cố bằng cách lát đá hộc