Chương 4(TKD2)

TKĐ F2: THIẾT KẾ NỀN, MẶT ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG TS LÊ VĂN PHÚC GVBM: Đường Bộ-Đường Sắt Email: lvphuc@utc2.edu.vn University of Transport and Communications Campus in Ho Chi Minh CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐƯỜNG ÔTÔ XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ 1.1 Cơng trình vượt qua dòng nước nhỏ lưu lượng nước tính tốn 1.1.1 Cơng trình vượt qua dòng nước nhỏ  Trên đường ô tô nói chung tất nơi trũng có suối phải bố trí cơng trình nước 1) Cống:  Cống loại cơng trình nước chủ yếu qua dòng nước nhỏ Cống có nhiều loại: cống tròn, cống vng, cống vòm Khẩu độ cống thay đổi từ 0,5 – 6m Số ống cống một, hai (cống đôi) nhiều tùy theo lưu lượng nước chảy địa hình   Cống vng thường làm nơi có lưu lượng nước chảy 15m /s Cống tròn bê tơng cốt thép sử dụng rộng rãi Cống tròn dễ chế tạo tiện cho việc giới hóa thi cơng Để tiện cho việc sửa chữa thời gian khai thác, nên chọn độ cống khơng nhỏ 1m Khẩu độ cống phải tính toán để cống thoát lưu lượng nước thiết kế làm việc theo chế độ không áp  Không nên sử dụng cống dòng chảy có vật trôi lớn XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ 1.1 Cơng trình vượt qua dòng nước nhỏ lưu lượng nước tính tốn 2) Cầu nhỏ: Cầu sử dụng lưu lượng lớn (trên 25m /s) Trong thiết kế nên so hợp lý phương án  làm cầu nhỏ hay cống Cống thi cơng đơn giản hơn, cơng xưởng hóa giới hóa phần lớn cơng việc, cống chịu tải trọng lớn Tuy nhiên cống có nhược   sánh cụ thể mặt kinh tế kỹ thuật để định điểm cản trở giao thơng thuyền bè khơng dùng dòng chảy có nhiều vật trơi lớn Cầu nhỏ có nhiều loại, phổ biến cầu bê tông cốt thép, sau cầu thép, cầu gỗ, cầu vòm đá Ngồi cống cầu nhỏ, để vượt qua dòng nước nhỏ dùng cơng trình đường thấm, đường tràn, ống si phông, cống máng,… XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ 1.1 Cơng trình vượt qua dòng nước nhỏ lưu lượng nước tính tốn Việc bố trí cơng trình nước trắc dọc bình đồ cần đảm bảo nguyên tắc sau: 1) Đối với đường cấp cao, cơng trình vượt dòng nước nhỏ phải phụ thuộc vào tuyến Đối với đường cấp thấp cho phép kéo dài tuyến để cải thiện điều kiện giao với dòng nước (cần so sánh kinh tế – kỹ thuật) 2) Thông thường vai đường phải cao mực nước dâng trước cơng trình tối thiểu 0,5m 3) Khẩu độ cầu không nên dùng nhỏ 3m Khẩu độ cống nên dùng từ 1m trở lên để thuận lợi cho công tác tu sửa chữa 4) Nếu cống làm việc chế độ bán áp có áp phải ý đảm bảo cho cơng trình ổn định nước không thấm qua đường 5) Với đường cấp thấp thiết kế vượt dòng nước nhỏ đường tràn, cống tràn,… XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ 1.1 Cơng trình vượt qua dòng nước nhỏ lưu lượng nước tính tốn 1.1.2 Lưu lượng nước tính tốn Lưu lượng nước tính tốn theo tần suất thiết kế sở để tính tốn thủy văn thủy lực cơng trình qua dòng nước nhỏ Vì việc phải xác định lưu lượng cực đại ứng với tần suất lũ thiết kế từ lưu vực chảy cơng trình XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ 1.2 Những sở lý thuyết tập trung nước từ lưu vực Phân tích quy luật nước chảy từ sườn dốc lưu vực cơng trình thoát tăng dần theo thời nước, nhận thấy lưu lượng nước mưa chảy cơng trình gian đạt trị số cực đại thời điểm giọt nước từ điểm xa lưu vực kịp chảy công trình  Giả thiết cường độ mưa tồn khu vực nhau, lưu vực có dạng (Hình 4.1) Diện tích lưu vực F; thời gian cung cấp nước tB; thời gian tập trung nước tC XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ 1.2 Những sở lý thuyết tập trung nước từ lưu vực XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ 1.2 Những sở lý thuyết tập trung nước từ lưu vực Vẽ lưu vực đường đồng thời tập trung nước cơng trình sau 1’, 2’, 3’, 4’, … Gọi diện tích lưu vực có nước kịp chảy cơng trình sau thời gian f1, f2, f3, f4, … Gọi a chiều dày lớp nước mặt lưu vực mưa phút (cường độ cung cấp dòng chảy)   Ta có quy luật thay đổi lưu lượng qua mặt cắt tính tốn sau: Sau phút thứ có phần nước mưa diện tích f1 lưu vực kịp chảy cơng trình, lưu lượng nước mặt cắt tính tốn là: Q1 = f1.a  Trong thời gian lượng nước mưa phút thứ f4 kịp chảy f3 f3 f2 f2 f1  Sau phút thứ hai, phần diện tích f1, có thêm lượng nước mưa từ f2 chảy lưu lượng mặt cắt tính toán là: Q2 = (f1 + f2)a XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ 1.2 Những sở lý thuyết tập trung nước từ lưu vực Lập luận tương tự ta có lưu lượng nước chảy cơng trình sau phút thứ ba thứ tư: Q3 = (f1 + f2 + f3)a Q4 = (f1 + f2 +f3 + f4)a Công thức tổng quát xác định lưu lượng nước chảy cơng trình sau phút thứ t có dạng:   Từ phân tích ta thấy tùy theo thời gian mưa t B lớn nhỏ thời gian tập trung nước tC mà tồn phần diện tích lưu vực tham gia trị số lưu lượng cực đại TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH VƯỢT QUA DỊNG NƯỚC NHỎ 2.4 Thiết kế tính tốn đường tràn Khi thiết kế đường tràn cần ý điểm sau: - Mực nước tràn mặt đường không vượt trị số quy định - Trên đường tràn phải bố trí hệ thống cọc tiêu để báo phạm vi phần xe chạy cọc thủy chí để báo mức nước ngập - Độ dốc ta luy đường tràn quy định 1:1 – 1:1,5 phía thượng lưu 1:3 – 1:5 phía hạ lưu (Hình 4.5) H0 hng Hn - Mái ta luy mặt đường tràn phải đảm bảo khơng bị xói lở, làm thượng lưu 2m; hạ lưu 2,5 – lần vận tốc nước chảy - Đường tràn làm kết hợp với cầu tràn hay đường thấm bê tông lát đá Chiều rộng gia cố THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THỐT NƯỚC NGẦM 3.1 Hệ thống nước mặt thoát nước ngầm 3.1.1 Hệ thống thoát nước mặt 1) Độ dốc ngang mặt đường lề đường  Độ dốc ngang mặt đường dốc từ tim phần xe chạy phía lề đường  Độ dốc ngang lề đường thường làm dốc độ dốc ngang mặt đường khoảng từ – 2% 2) Rãnh dọc (rãnh biên), rãnh đỉnh, thùng đấu,… 3) Dốc nước bậc nước 4) Các cơng trình thoát nước qua đường: cầu, cống, đường thấm, đường tràn THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THỐT NƯỚC NGẦM 3.1 Hệ thống nước mặt thoát nước ngầm 3.1.2 Hệ thống thoát nước ngầm Tác dụng ngăn chặn, tập hợp hạ thấp mức nước ngầm, đảm bảo thủy nhiệt mặt đường đường ln khơ ráo, cải thiện chế độ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 3.2 Thiết kế tính tốn rãnh nước 3.2.1 Những u cầu thiết kế rãnh  Tiết diện độ dốc rãnh phải đảm bảo lưu lượng tính tốn với kích thước thích hợp Lòng rãnh khơng phải gia cố vật liệu đắt tiền mà tận dụng vật liệu địa phương  Tiết diện độ dốc rãnh phải thiết kế để tốc độ nước chảy rãnh không nhỏ tốc độ bắt đầu làm hạt phù sa bị lắng đọng Vì lắng đọng phù sa làm giảm khả nước rãnh, phải  Theo quy trình thiết kế đường, để lòng rãnh khơng bị ứ đọng bùn cát, độ dốc thường xun nạo vét rãnh lòng rãnh khơng thiết kế nhỏ 0,5%, trường hợp cá biệt 0,3%  Khi thiết kế rãnh cố gắng giảm số chỗ ngoặt để tránh tượng ứ đọng bùn cát gây xói lở nơi  Để đảm bảo đường khô rãnh không bị đầy tràn, cố gắng tìm cách bố trí nhiều chỗ thoát nước từ rãnh khe suối hay chỗ trũng gần THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THỐT NƯỚC NGẦM Trong đó: 3.2 Thiết kế tính tốn rãnh nước 3.2.2 Các cơng thức tính tốn   - Tốc độ nước chảy rãnh: Q = ω.V - Khả thoát nước rãnh: - Bán kính thủy lực   rãnh: n – hệ số nhám phụ thuộc vào loại vật liệu gia cố ω - tiết diện nước chảy rãnh, m y – hệ số công thức sêzi, tra bảng ir – độ dốc rãnh R – bán kính thủy lực, m χ - chu vi ướt, m THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 3.2 Thiết kế tính tốn rãnh nước 3.2.2 Các cơng thức tính tốn Tiết diện nước chảy, bán kính thủy lực chu vi ướt loại rãnh xác định: + Với rãnh hình thang (Hình h0 4.6a): b a)       b) c) THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 3.2 Thiết kế tính tốn rãnh nước 3.2.2 Các cơng thức tính tốn  Với rãnh hình chữ nhật rãnh hình tam giác (Hình 3.1b Hình 3.1c): trường hợp đặc biệt   hình thang: với hình chữ nhật cho m = m2 = 0; với hình tam giác cho b = Phân tích cơng thức tính khả nước rãnh ta thấy lưu lượng tiết diện rãnh có ω dùng công thức xem chúng nước chảy tỷ lệ thuận với bán kính thủy lực R Với khơng đổi dạng rãnh có chu vi ướt χ nhỏ cho khả thoát nước lớn Trong loại mặt cắt ngang rãnh có ω hình tròn có χ nhỏ nhất, nghĩa tiết diện rãnh nửa hình tròn cho khả nước lớn Tuy nhiên để thuận tiện cho thi công, rãnh đường thường có dạng hình thang hay hình tam giác THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THỐT NƯỚC NGẦM 3.2.3 Trình tự tính tốn thủy lực rãnh 1) Xác định lưu lượng nước thiết kế rãnh; 2) Giả thiết tiết diện rãnh, chiều sâu nước chảy rãnh, sau xác định đặc trưng thủy lực: tiết diện dòng chảy ω, chu vi ướt χ, bán kính thủy lực R; 3) Xác định khả thoát nước rãnh so sánh với lưu lượng nước thiết kế, chúng không sai 10% chọn tiết diện vừa giả thiết để thiết kế Nếu sai số lớn giả thiết lại tiết diện tính lại từ đầu 4) Xác định tốc độ nước chảy rãnh, kiểm tra điều kiện xói lở chọn biện pháp gia cố 5) Tính chiều sâu rãnh: hr = h0 + 0,25m; với h0 – chiều sâu nước chảy rãnh THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 3.3 Các hình thức gia cố 1) Lát cỏ: dùng đáy rãnh rộng 1m Khi đáy rãnh nhỏ 1m lòng rãnh gia cố đá dăm sỏi, gạch vụn với chiều dày lớp gia cố – 10cm; cỏ lát bên bờ ta luy 2) Lát đá: Tùy theo cỡ đá, chiều dày lớp đá gia cố lấy sau: 12 – 14cm với đá loại nhỏ; 14 – 16cm với đá loại vừa; 16 – 18cm với đá loại lớn; Khi lát đá phải đảm bảo chúng thật khít nhau, khe hở phải chèn kín đá phải đầm lèn chặt 3) Bê tông đất sét: làm đất sét dẻo trộn với đá dăm, đá sỏi hay gạch vụn Chiều dày lớp gia cố khoảng 25cm 4) Đất gia cố nhựa: nên dùng với đất cát cát pha sét Chiều dày lớp gia cố từ – 10cm 5) Gia cố bê tơng: tốc độ nước chảy rãnh lớn, dùng bê tơng kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố Việc chọn biện pháp gia cố chống xói rãnh dựa vào tốc độ nước chảy, ý nghĩa kênh rãnh điều kiện vật liệu chỗ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THỐT NƯỚC NGẦM 3.3 Các hình thức gia cố 1) Lát cỏ: dùng đáy rãnh rộng 1m Khi đáy rãnh nhỏ 1m lòng rãnh gia cố đá dăm sỏi, gạch vụn với chiều dày lớp gia cố – 10cm; cỏ lát bên bờ ta luy 2) Lát đá: Tùy theo cỡ đá, chiều dày lớp đá gia cố lấy sau: 12 – 14cm với đá loại nhỏ; 14 – 16cm với đá loại vừa; 16 – 18cm với đá loại lớn; Khi lát đá phải đảm bảo chúng thật khít nhau, khe hở phải chèn kín đá phải đầm lèn chặt 3) Bê tông đất sét: làm đất sét dẻo trộn với đá dăm, đá sỏi hay gạch vụn Chiều dày lớp gia cố khoảng 25cm 4) Đất gia cố nhựa: nên dùng với đất cát cát pha sét Chiều dày lớp gia cố từ – 10cm 5) Gia cố bê tông: tốc độ nước chảy rãnh lớn, dùng bê tơng kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố Việc chọn biện pháp gia cố chống xói rãnh dựa vào tốc độ nước chảy, ý nghĩa kênh rãnh điều kiện vật liệu chỗ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 3.4 Rãnh dọc rãnh đỉnh 3.4.1 Rãnh dọc (rãnh biên)  Rãnh dọc cần làm đoạn đường đào, nửa đào nửa đắp đường đắp thấp quy định Rãnh dọc dùng để thoát nước mưa từ mặt đường diện tích hai bên đường, đảm bảo cho đường khô ráo, cường độ mặt đường ổn định  Kích thước rãnh dọc thường thiết kế theo cấu tạo mà khơng u cầu tính tốn thủy lực Tiết diện rãnh dọc hình thang, hình tam giác hình chữ nhật  Rãnh tiết diện hình tam giác thường dùng nơi có điều kiện nước tốt thi cơng máy có thiết bị đào rãnh hình tam giác Ở nơi địa chất đá thường dùng rãnh tiết diện hình vng hình tam giác  Phổ biến dùng rãnh có tiết diện hình thang có chiều rộng đáy rãnh 0,4m, chiều sâu tính từ mặt đất thiên nhiên tối thiểu 0,3m Độ dốc ta luy rãnh thường lấy 1:1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 3.4 Rãnh dọc rãnh đỉnh 3.4.1 Rãnh dọc (rãnh biên)   Ở nơi cấu tạo địa chất cát, sỏi, đá dăm đảm bảo nước thấm nhanh xuống phía khơng làm rãnh Để đảm bảo an toàn xe chạy, rãnh dọc không nên làm sâu (sâu 1m) Nếu sâu q phải làm rãnh đỉnh để khơng cho nước từ sườn lưu vực chảy rãnh dọc  Khi quy hoạch hệ thống thoát nước mặt ý không để nước từ rãnh đường đắp chảy sang đường đào, không cho nước chảy từ rãnh khác chảy rãnh dọc mà phải tìm cách nước từ rãnh dọc chỗ trũng gần cho chảy qua đường nhờ cơng trình nước cầu, cống  Đối với rãnh có tiết diện hình thang 500m (tối đa) hình tam giác 250m phải tìm cách nước từ rãnh qua đường nhờ cống cấu tạo Đối với cống cấu tạo khơng u cầu tính tốn thủy lực THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 3.4 Rãnh dọc rãnh đỉnh 3.4.2 Rãnh đỉnh  Khi diện tích lưu vực sườn núi đổ đường lớn, rãnh dọc khơng hết phải bố trí rãnh đỉnh để đón nước từ lưu vực chảy phía đường dẫn nước chỗ trũng Con trạch >5m Rã nh dọc Rã nh đỉ nh THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THỐT NƯỚC NGẦM 3.5 Thiết kế cơng trình nước ngầm  Nước ngầm phần nước nằm đất tác dụng trọng lực chảy theo dốc lớp đất không thấm nước  Tác dụng rãnh ngầm hạ thấp mức nước ngầm  Tùy theo vị trí tác dụng rãnh ngầm phân loại chúng sau:  Rãnh ngầm làm đáy rãnh dọc hay đường để hạ thấp mức nước ngầm phần xe chạy  Rãnh ngầm đặt sau ta luy đường đào để làm cho ta luy khô ngăn chặn không cho nước ngầm từ mái dốc đường đào đổ mặt đường  Rãnh ngầm đặt sau tường chắn đất, mố cầu  Rãnh ngầm thoát nước lớp áo đường (rãnh xương cá) THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 3.6 Thiết kế dốc nước bậc nước Ở sườn núi có độ dốc lớn, để đảm bảo cầu, cống đường khơng bị xói lở dòng nước, người ta thường làm dốc nước bậc nước có giếng tiêu Sơ đồ tính tốn bậc nước có giếng tiêu Sơ đồ tính dốc nước có giếng tiêu H lT hk hk hk lg i