Thủy văn công trình Chương 4

Chương IV KHẨU ĐỘ CẦU VÀ XÓI DƯỚI CẦU 4.1 Chọn vị trí công trình, nhiệm vụ thiết kế quy định tần suất lũ TK 4.1.1 Giới thiệu chung hạng mục công trình cầu 7 7 Hình 4.1 Sơ đồ độ cầu Phần độ cầu thoát nước Kè hướng dòng Đường Kè bảo vệ đường Kè bờ lòng sông Mép lòng sông Mép lũ thiết kế 4.1.2 Nhiệm vụ thiết kế a) Phân tích thủy văn:  Phân tích tần suất lũ nơi vượt dòng chảy  Lũ thiết kế lựa chọn dựa vào sở kinh tế, xây dựng công trình, xã hội, trị môi trường  Xác định lưu lượng mực nước lũ thiết kế, đường trình lũ thiết kế thay đổi theo thời gian, mực nước thông thuyền, thi công, mực nước thấp thời gian kéo dài cấp mực nước nêu b) Phân tích thủy lực:  Xây dựng quan hệ lưu lượng mực nước  Xác định phân phối dòng chảy phân phối tốc độ Các yêu cầu bắt buộc thiết kế thủy lực CT vượt sông:  Nước dâng không làm tăng đáng kể tác hại lũ đến tài sản, nhà cửa, ruộng vườn, công trình xây dựng ven sông phía thượng lưu cầu  Tốc độ dòng chảy cầu không gây hại cho cầu, đường tài sản, nhà cửa công trình phía hạ lưu  Duy trì phân phối lưu lượng phạm vi thực tế  Sự tập trung dòng chảy diện tích trụ, mố chiếm chỗ ảnh hưởng đến dòng chảy bình thường giảm thiểu tiềm ẩn xói lở  Thiết kế móng trụ, mố hạn chế xói lở gây sập cầu  Đủ tĩnh không thông thuyền trôi mũa lũ  Tác động xấu đến hệ sinh thái lòng bãi sông  Chi phí xây dựng, tu bảo dưỡng khai thác sửa chữa đảm bảo mặt pháp lý 4.1.3 Vị trí vượt dòng  Phù hợp với tuyến đường, song phải tính đến điều kiện cụ thể nơi vượt dòng mặt thủy văn, địa chất công trình, thông thuyền, trôi, môi trường sinh thái  Cầu nên bố trí nơi có địa chất tốt, đá gốc gần mặt đất, phong hóa không nằm trượt sông, tượng Catsto, không sụt lở Cụ thể là:  Hướng dòng sông song song với bãi sông, hay lệch góc nhỏ; đoạn sông ổn định, lạch sâu rõ ràng, thẳng đường cong trơn, bán kính lớn, êm thuận  Bãi sông nhỏ cao trình cao, không bị lầy, đầm, hồ, sông nhánh, cũ  Nếu hướng dòng chảy dòng bãi không song song nên vuông góc với hướng chung song nên lệch dòng chủ, vuông góc với dòng bãi bãi thông qua 70% lưu lượng chung 4.1.3 Vị trí vượt dòng Cụ thể là:  Mặt cắt ngang làm cầu không nên qua nơi có doi cát, bãi nối dòng sông phân nhiều lạch  Không nên qua cửa sông nhánh tránh trầm tích đọng bùn cát  Đối với sông có vận tải thủy, thông tàu thuyền, cầu nên làm vuông góc với hướng thông thuyền, lạch tàu thuyền tương ứng với mực nước  Không đặt cầu nơi lạch tàu chéo từ bờ sang bờ 4.1.4 Tần suất thiết kế Bảng 4.1 Tần suất lũ thiết kế theo TCVN4054-2005 Cấp thiết kế đường Tên công trình Cao tốc Cấp I,II Cấp III đến VI Nền đường, kè Theo tần suất tính toán cầu cống Cầu lớn, cầu trung 1 Cầu nhỏ, cống Rãnh đỉnh, rãnh biên 4 Ghi chú: (1) Đối với đường ô tô nâng cấp, cải tạo nói chung phải tuân theo quy định tần suất lũ thiết kế đường Trường hợp khó khăn kỹ thuật phát sinh khối lượng lớn cho phép hạ tiêu chuần tần suất tính toán ghi Bảng 4.1, phải cấp có thẩm quyền phê duyệt (2) Nếu khảo sát điều tra mực nước lịch sử cao mực nước lũ tính toán theo tần suất quy định bảng cầu lớn phải dùng mực nước lũ lịch sử làm trị số tính toán (3) Tại đoạn đường chạy qua khu đô thị khu dân cư, cao độ thiết kế đường quy định theo cao độ thiết kế quy hoạch khu dân cư tần suất lũ tính toán công trình thoát nước đường theo tiêu chuẩn thiết kế đường đô thị 4.1.4 Tần suất thiết kế Bảng 4.2 Tần suất lũ thiết kế theo 22TCN273-05 Loại công trình Cấp đường Cao tốc, cấp I Nền đường Cấp II,III Cấp IV Như cầu nhỏ cống Cầu lớn, cầu trung 1 Cầu nhỏ, cống Rãnh 4 Ghi chú: (1) Đối với cầu có độ Lc  10m kết cấu vĩnh cửu tần suất lũ tính toán lấy 1:100, không phụ thuộc vào cấp đường (2) Đối với đường nâng cấp cải tạo có khó khăn lớn kỹ thuật phát sinh khối lượng lớn cho phép hạ tiêu chuẩn tần suất lũ tính toán đồng ý quan có thẩm quyền (3) Đối với cầu lớn, để đảm bảo mố, trụ không bị xói, cần phải tính toán kiểm tra xói sở lũ 500 năm (trừ chủ đầu tư đưa tiêu chí khác) 4.2 TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT, THỦY VĂN 4.2.1 Đặc điểm địa hình, địa chất Số liệu khảo sát địa hình sở để lựa chọn vị trí đặt công trình, nghiên cứu thủy lực kết cấu móng Tài liệu địa hình, địa chất bao gồm: + Bình đồ khu vực cầu, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang cầu trước làm cầu + Mặt cắt ngang cầu + Địa chất hai bờ đáy sông, lớp đá gốc + Sự bồi tích, xói mòn, xói lở 4.2 TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT, THỦY VĂN 4.2.2 Tài liệu thủy văn Tài liệu thủy văn cần thiết phải dựa vào phương pháp áp dụng để đánh giá lũ; song thông thường phải có: + Các thông tin trận lũ (Lưu lượng, mực nước trận lũ năm) + Điều kiện khí tượng, khí hậu (Lượng mưa) + Các đặc trưng lưu vực + Kích thước, hình dạng sông + Phiếu điều tra mực nước 10  Công thức: h l csx k  Qlcsx   Bltn   QTK   Bltn   h ltn      h ltn     Q B Q L  ltn   lcsx   ltn   oc  k đó: Loc: Chiều dài thoát nước thực tế cầu Loc=Lcm(1-); =btrụ/ lnhịp k phụ thuộc vào phương thức vận chuyển bùn cát u*  gh l J hay u*/w với: u*: Lưu tốc động lực (lưu tốc tiếp tuyến) w: Độ thô thủy lực xác định cách tra đồ thị (w, d50) tính theo công thức; Theo Van Rijn (1989): gd w 18  cho d  0, 01cm w  1,1 gd cho d  0,1cm  w  10  0, 01d*3  cho d   0, 01  0,1 cm;d*  d Chú ý: Khi Bl/Loc < lấy   gd 2 39 Đồ thị tra độ thô thủy lực theo đường kính hạt d50 Bảng tra k theo phương thức vận chuyển bùn cát U*/ω k Phương thức vận chuyển bùn cát đáy < 0,50 0,59 Phần lớn lưu lượng bùn cát bùn cát đáy 0,50 đến 2,00 0,64 Một phần lưu lượng bùn cát dạng lơ lửng > 2,00 0,69 Phần lớn lưu lượng bùn cát dạng lơ lửng 40 b Xói nước    Điều kiện: v < vc Nguyên lý: 0 = c Công thức:  Q TK  h lc   2/3   40d m Lc  3/7 Dm: đường kính hạt vật liệu đáy nhỏ bùn cát đáy không bị (Dm = 1,25D50) đoạn thu hẹp, m; D50: đường kính hạt có lượng lọt sàng 50% 41 4.4.8 Phương pháp V Andreev (1953-1955)  Qlcsx   Bltn  8l / Xói nước đục: h lcsx  h ltn      h ltn / Pblc  Qltn   Blcsx  a Xói chung chiều dài cầu vượt qua chiều rộng lòng sông tự nhiên Bltn  Q P%    h lcsx  h ltn      Qltn   1     b Xói chung chiều rộng lòng sông không mở rộng h lcsx  h ltn l 1    c Xói chung chiều rộng lòng sông mở rộng toàn cầu h lcsx  Q P%   Bltn   h ltn     ; Loc  Lcm 1    ;    Qltn   L oc  b l tru nhip 42 Ví dụ 1: Một cầu bắc qua sông có: - Lưu lượng lũ thiết kế Qmax.1% = 5000 m3/s; - Độ dốc mặt nước I = 0,0004; - Chiều sâu trung bình dòng chảy thượng lưu cầu hl = 12,00 m; - Chiều rộng lòng sông (ứng với MNTK) MC thượng lưu cầu Bl = 500 m; - Chiều dài thoát nước cầu Lc = 386,50 m; - Đoạn sông bắc cầu tương đối thẳng ổn định, bãi, đáy sông phẳng, lòng sông cầu cát mịn có đường kính hạt D50 = 0,02 mm Yêu cầu: Tính xói chung cầu theo Laursen? Ví dụ 2: Tại mặt cắt dự kiến làm cầu thu thập số liệu sau: Bch = 460m; hch = 8,5m; ch =1,6;  =0,08 Yêu cầu: Lập quan hệ h’ch Lcm theo Andreev Tính h’ch hệ số xói chung p theo phương án Lcm = 600m Lcm = 460m 43 Ví dụ 3: Sông có mặt cắt ngang hình thang cân có chiều sâu h=5m; chiều rộng đáy bđ=70m; hệ số mái dốc m=2; hệ số nhám đáy nđ=0.02; hệ số nhám mái sông nm=0.04; độ dốc mặt nước Im=0.0001 Kết cấu nhip đặt mố dạng tường cánh thẳng với chiều dài cầu mép mố Lcm=84m; trụ thân hẹp đầu tròn có bề rộng trụ b=1.2m; vật liệu đáy có d50=0.8mm có độ thô thủy lực w=99mm/s Yêu cầu: Tính lưu lượng chảy qua mặt cắt Tính xói chung cầu theo Laursen Ví dụ 4: Sông có mặt cắt ngang dạng hình chữ nhật, có bãi, chiều rộng lòng sông Bl=240m; chiều rộng bãi sông Bb=30m; chiều sâu trung bình lòng htbl=18m; chiều sâu trung bình bãi htbb=4m; hệ số nhám lòng sông nl=0.02; hệ số nhám bãi 0.04; độ dốc mặt nước Im=0.0001 Vật liệu đáy có d50=0.2mm Yêu cầu: Tính lưu lượng chảy qua mặt cắt Tính xói chung cầu theo Laursen với Lc=240m 44 4.5 Xói cục trụ cầu 4.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến xói cục trụ cầu      Các yếu tố thể cho trụ cầu: Hình dạng trụ, kích thước trụ (d, b), điều kiện bề mặt trụ hình thức cản xói bảo vệ trụ phòng ngừa xói (nếu có) Các yếu tố thể chất lỏng: Gia tốc trọng trường: g, khối lượng riêng nước: , hệ số nhớt động học nước:  Các yếu tố thể dòng chảy: Chiều sâu dòng chảy trước trụ (sau xói chung): hx, lưu tốc trung bình dòng chảy trước trụ (sau xói chung): vx, hệ số nhám dòng chảy trước trụ: k; hướng dòng chảy đến trụ; biểu đồ lũ thời gian lũ Các yếu tố thể vật liệu đáy sông (Địa chất): Khối lượng riêng hạt bùn cát: bc, phân phối cỡ hạt (d50 ), hình dạng hạt mức độ dính kết địa chất đáy sông (c) Các yếu tố ảnh hưởng đến xói cục có nhiều yếu tố độc lập, nhiều yếu tố phụ thuộc, nhiều yếu tố khó định lượng Nếu xét địa chất rời rạc, tốc độ dòng chảy phụ thuộc vào mức độ thắt hẹp xét đỉnh lũ xói cục phụ thuộc yếu tố: hcb = f(, , g, d, b, bc, hx, vx,) 45 4.5.2 Một số CT dự đoán xói cục trụ cầu a Công thức ĐHXD (Nguyễn Xuân Trục Nguyễn Hữu Khải) n m hc h   v   K1 K d  x   x  b  b   v ox  đó: K1, m, n hệ số tùy thuộc vào loại xói:  Xói nước trong: vx < vox hc h   0.97.K d  x  b  b   0.17 1.04  vx    v  ox  Xói nước đục: vx  vox hc h   0.52.K d  x  b  b  0.12 1.16  vx    v  ox  46 Kd: Hệ số xét đến ảnh hưởng hình dạng trụ cầu, lấy 0.1Kξ; Kξ: Hệ số hình dạng Iaslavtsev xác định theo bảng tra hx: chiều sâu nước chảy trụ cầu trước có xói cục (sau xói chung), m; vx: tốc độ nước chảy trụ cầu trước có xói cục (sau xói chung), m/s; vox: tốc độ cho phép không xói lớp đất vị trí xói phát triển tới, m/s; Vox  3, h x d50 b: chiều rộng tính toán trụ, m 47 4.5.2 Một số CT dự đoán xói cục trụ cầu b Công thức ĐHGT (Trần Đình Nghiên) 0.5 hc  h x   vx   KK a K d      b b v    ng  n đó: K, n hệ số tùy thuộc vào xói loại xói: Xói nước v ≤ vng  0.06  hx  Vng  gwh x   d  50  0.5 hc  h x   Vx  1, 24K a K d    b  b   Vng     0,77 Xói nước đục v > vng 0.5 hc h  x   Vx   1,11K a K s      b  b   Vng  48 4.5.2 Một số CT dự đoán xói cục trụ cầu c Công thức ĐH Colorado -Hoa Kỳ (Richardson) 0,35 hc h    2, 0.K1 .K K K  x  Fr 0,43 b  b  đó:hx: Chiều sâu dòng chảy trước trụ trước xói cục (sau xói chung); Fr: Hệ số Froude trước trụ trước xói cục bộ-thông số động học dòng chảy, Fr=Vx / (ghx)0,5; K1: Hệ số hình dạng trụ D¹ng mòi trô HÖ sè K1 Mòi vu«ng 1,1 Mòi trßn 1,0 Trô trßn 1,0 Nhãm trô trßn 1,0 Mòi nhän 0,9 49 K2: Hệ số xét ảnh hưởng hướng dòng chảy đến trụ Góc a (độ) L/b = L/b = L/b  12 1,0 1,0 1,0 15 1,5 2,0 2,5 30 2,0 2,75 3,5 45 2,3 3,3 4,3 90 2,5 3,9 5,0 50 K3: Hệ số điều chỉnh tình trạng đáy sông Điều kiện đáy Chiều cao sóng cát (hs), m K3 Xói nước 1,1 Đáy phẳng sóng cát ngược 1,1 Sóng cát 0,61[...]... v mc nc hai sụng 17 4. 3 .4 Quan h hỡnh thỏi gia cỏc yu t ca MCN Quan h hỡnh thỏi theo phng trỡnh liờn tc ca dũng n nh: B Q h S dng CT Sedi cú: Vh 2 B QS1,5 3 4 h n V trong ú tc V v dc thy lc S va l iu kin quy nh, va l kt qu ca din bin lũng sụng phự hp vi ti bựn cỏt t thng lu ti Quan h hỡnh thỏi theo Velikanov: B Q 5, 6[ 2 ]0 ,4 d d gdS H Q 0, 29[ 2 ]0,35 d d gdS 18 4. 3 .4 Quan h hỡnh thỏi gia... bựn cỏt ỏy h xúi 34 4 .4. 4 H s xúi chung L c s tớnh chiu di cu theo ch thy lc ca dũng chy A sx H sx Bsx P Ph Pb A tx H tx Btx Asx, Atx - l din tớch mt ct ngang dũng chy di cu sau xúi v trc xúi tng ng vi mc nc thit k Hsx, Bsx , Htx, Btx - chiu sõu trung bỡnh v chiu di mt nc ca mt ct ngang dũng chy di cu sau xúi v trc xúi Ph, Pb - h s xúi theo chiu sõu v chiu rng dũng chy 35 4. 4.5 Cụng thc chung.. .4. 2 TI LIU A HèNH, A CHT, THY VN 4. 2.3 Ti liu mụi trng + Nhng thụng tin cn thit xỏc nh tớnh nhy cm ca mụi trng ti ni vt dũng v thụng tin v vựng t trng + Thụng tin v dũng chy v lu lng bựn cỏt + Thụng tin cn thit xỏc nh mc v s cn thit phi a ra v thit k cỏc bin phỏp gim thiu: cỏc loi cỏ, thy sinh, phõn tớch bựn cỏt, s dng nc v cht lng nc 11 4. 2 TI LIU A HèNH, A CHT, THY VN 4. 2 .4 Cỏc c trng... i theo khụng gian v thi gian 13 4. 3 HèNH THI ON SễNG 4. 3.1 Sụng thng Chiu di lch sõu nht trờn chiu di thung lng nh hn 1,5 v lch sõu un ln trong phm vi chiu rng kờnh mựa l Lch sõu i din vi bói cỏt lin b v so le nhau dc theo dũng chy, dch chuyn xuụi dũng di tỏc dng ca dũng chy on ny a cht b thng khú xúi, thun li cho xõy dng cụng trỡnh vt dũng 14 4.3 HèNH THI ON SễNG 4. 3.2 Sụng un khỳc S Đ u ốn g T... vi tng lu lng thỡ phi b sung cụng trỡnh vt l qua bói khụng phỏ v s phõn b lu lng v hng dũng chy t nhiờn, trỏnh dũng chy dc theo ng bói sụng trờn phm vi di, trỏnh ngp lt ln thng lu 20 4. 4 KHU CU V D ON XểI DI CU 4. 4.2 Nguyờn lý tớnh chiu di thoỏt nc di cu v xúi chung Cu vt dũng chy c thit k thu hp mt phn hay khụng thu hp dũng chy Cu khụng thu hp dũng chy thng ỏp dng vi sụng thụng thuyn, sụng vựng... di chiu sõu xúi l Khu thoỏt l, nc dõng trc cu v xúi l di cu luụn i cựng nhau, trong ú nc dõng v xúi l l hai kt qu ca cựng mt nguyờn nhõn l khu thoỏt l tht hp dũng chy l bỡnh thng 21 4. 4 KHU CU V D ON XểI DI CU 4. 4.3 Xúi di cu a Phõn loi xúi: Nghiờn cu ch ra di cu cú ba loi xúi lm h thp cao ỏy sụng: Xúi t nhiờn: do s bin dng (xúi v bi) t nhiờn ca lũng sụng, khụng ph thuc vo s cú mt ca cụng trỡnh... 18 4. 3 .4 Quan h hỡnh thỏi gia cỏc yu t ca MCN Quan h hỡnh thỏi theo Grishanin: MQ 0,5 R (gP)0,25 MQ 0,5 h (gB)0,25 M thay i: (0,75 M 1,05); M ln khi tớch t bựn cỏt, M nh khi b xúi 19 4. 4 KHU CU V D ON XểI DI CU 4. 4.1 V trớ khu thoỏt l V trớ khu thoỏt l vi sụng cú bói b ngp l rng l rt phc tp Nhỡn chung khu b trớ ti lũng sụng vi chiu di thoỏt l ln hn hay bng chiu rng lũng sụng kt hp vi thoỏt l... cng thỳc y xúi tng khin khỳc cong cng cong hn Nhng b lừm sụng cong l him ha i vi cu ng Do vy, vic thit k cụng trỡnh vt dũng nhng on sụng cong khỏ phc tp vỡ khú d oỏn s phõn phi dũng l 16 4. 3 HèNH THI ON SễNG 4. 3.3 Sụng phõn lch Trờn MB ng mộp nc cú hỡnh d dy, tht nỳt hai u v phỡnh rng gia Ni phỡnh rng sụng chia lm nhiu lch (thng 2, 3 lch), trong ú cú mt lch chớnh, gia cỏc lch l bói gia Bói gia... ON SễNG 4. 3.2 Sụng un khỳc S Đ u ốn g T ứ K ỳ (H ải H ưng) b) Hà N ội S L u ộc X uân Q uang H ữu C hung V ạn P húc a) N g hi X uyên V ĩnh B ảo (H ải Phòng) Q uang L ãng HƯNG Y ÊN S L u ộc 15 4. 3 HèNH THI ON SễNG 4. 3.2 Sụng un khỳc Gm cỏc khỳc sụng cong hỡnh ch S S hỡnh thnh v gim cong l kt qu ca hai quỏ trỡnh bin dng ngang v dc ca kờnh Khỳc cong l do quỏ trỡnh xúi, lm l b sụng, cun trụi bựn cỏt v... chiu sõu dũng nc ti tr sau xúi t nhiờn (ó xột ti kh nng bin dng t nhiờn ca lũng sụng) tớnh t mc nc thit k, m; Dhxch: chiu sõu xúi chung do cu thu hp dũng chy, m; Dhxcb: chiu sõu h xúi cc b ti chõn tr, m 24 Cu Kaoping, i Loan 25 Xúi cc b tr cu ti tr cu Long Biờn, H Ni 26 27 Cỏc loi xúi 28 Hỡnh nh xúi cc b ti tr trũn (mụ hỡnh) 29 b Nguyờn nhõn gõy ra cỏc loi xúi Xúi t nhiờn: Cỏc yu t gõy ra s thay i lõu ... thuyn tng ng vi cỏc mc nc Khụng t cu ti ni lch tu i chộo t b ny sang b 4. 1 .4 Tn sut thit k Bng 4. 1 Tn sut l thit k theo TCVN40 54- 2005 Cp thit k ca ng Tờn cụng trỡnh Cao tc Cp I,II Cp III n VI Nn... k ng ụ th 4. 1 .4 Tn sut thit k Bng 4. 2 Tn sut l thit k theo 22TCN273-05 Loi cụng trỡnh Cp ng Cao tc, cp I Nn ng Cp II,III Cp IV Nh i vi cu nh v cng Cu ln, cu trung 1 Cu nh, cng Rónh 4 Ghi chỳ:... MQ 0,5 h (gB)0,25 M thay i: (0,75 M 1,05); M ln tớch t bựn cỏt, M nh b xúi 19 4. 4 KHU CU V D ON XểI DI CU 4. 4.1 V trớ khu thoỏt l V trớ khu thoỏt l vi sụng cú bói b ngp l rng l rt phc Nhỡn