Bài giảng môn học thiết kế đường ô tô: Chương 9 - Thiết kế hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm

- Ñoä doác ngang cuûa maët ñöôøng doác töø tim phaàn xe chaïy veà phía leà ñöôøng. Ñoä doác ngang phuï thuoäc vaøo loaïi maët ñöôøng. Maët ñöôøng caøng ít baèng phaúng thì ñoä doác ngan[r]

CHƯƠNG 9 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT

VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM

3.1 Hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm

3.1.1 Hệ thống thoát nước mặt:

1) Độ dốc ngang của mặt đường và lề đường:

- Độ dốc ngang của mặt đường dốc từ tim phần xe chạy về phía lề đường Độ dốc ngang phụ thuộc vào loại mặt đường Mặt đường càng ít bằng phẳng thì độ dốc ngang phải thiết kế càng lớn để đảm bảo nước không bị đọng thường xuyên trên mặt đường, ngấm vào mặt đường, lớp móng và nền đất

Mặt khác, độ dốc ngang mặt đường càng lớn thì càng bất lợi cho xe chạy:

xe có thể bị trượt khi trời mưa đường trơn, tải trọng xe phân bố không đều xuống các bánh xe, bánh xe mòn không đều Do vậy khi thiết kế cần chọn độ dốc ngang tối thiểu để đảm bảo điều kiện thoát nước

- Độ dốc ngang của lề đường thường làm dốc hơn độ dốc ngang của mặt đường khoảng từ 1 – 2% Cấu tạo lề đường thường làm bằng đất tự nhiên hoặc gia cố, vật liệu gia cố phải cùng loại vật liệu làm mặt đường

2) Rãnh dọc (rãnh biên), rãnh đỉnh, thùng đấu,…

3) Dốc nước và bậc nước

4) Các công trình thoát nước qua đường: cầu, cống, đường thấm, đường tràn

3.1.2 Hệ thống thoát nước ngầm:

Tác dụng là ngăn chặn, tập hợp và hạ thấp mức nước ngầm, đảm bảo nền đường luôn được khô ráo, do đó cải thiện được chế độ thủy nhiệt của nền và mặt đường

Tóm lại, nước là kẻ thù số một của công trình đường Nước gây xói lở cầu cống, sạt lở ta luy nền đường Nước ngấm vào nền mặt đường làm cho cường độ chịu lực của nền đất và vật liệu mặt đường giảm đáng kể và do đó kết cấu nền mặt đường dễ bị phá hỏng khi xe tải trọng nặng chạy qua Do đó việc thiết kế hệ thống thoát nước trên đường hợp lý có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế và nâng cao chất lượng khai thác của đường ô tô

3.2 Thiết kế và tính toán rãnh thoát nước

3.2.1 Những yêu cầu khi thiết kế rãnh:

- Tiết diện và độ dốc của rãnh phải đảm bảo thoát được lưu lượng tính toán với kích thước thích hợp Lòng rãnh không phải gia cố bằng những vật liệu đắt tiền mà có thể tận dụng được vật liệu địa phương

- Tiết diện và độ dốc của rãnh phải thiết kế như thế nào để tốc độ nước chảy trong rãnh không nhỏ hơn tốc độ bắt đầu làm các hạt phù sa bị lắng đọng

Vì sự lắng đọng của phù sa sẽ làm giảm khả năng thoát nước của rãnh, vì vậy phải thường xuyên nạo vét rãnh

Theo quy trình thiết kế đường, để lòng rãnh không bị ứ đọng bùn cát, độ dốc lòng rãnh không được thiết kế nhỏ hơn 0,5%, trong trường hợp cá biệt là 0,3%

- Khi thiết kế rãnh cố gắng giảm số chỗ ngoặt để tránh hiện tượng ứ đọng bùn cát và gây xói lở tại những nơi này

- Để đảm bảo nền đường khô ráo và rãnh không bị đầy tràn, cố gắng tìm cách bố trí nhiều chỗ thoát nước từ rãnh ra khe suối hay những chỗ trũng gần đấy

3.2.2 Các công thức tính toán cơ bản:

- Tốc độ nước chảy trong rãnh:

r y 5 , 0 r

y

i R n 1 Ri R n 1

- Khả năng thoát nước của rãnh:

Q = ω.V

- Bán kính thủy lực rãnh:

χ ω

= R

trong đó: n – hệ số nhám phụ thuộc vào loại vật liệu gia cố

y – hệ số trong công thức sêzi, tra bảng

ir – độ dốc của rãnh

R – bán kính thủy lực, m

χ - chu vi ướt, m

Tiết diện nước chảy, bán kính thủy lực và chu vi ướt của các loại rãnh được xác định:

+ Với rãnh hình thang (Hình 3.1a):

1:m

b

Ta có: [ (b m1h0 m2h0) b]h0 (b mh0)h0

2 1

+

= ω

⇒ +

+ +

= ω

0 2 2 0 2

0 1 2

0 m h h m h b mh h

= χ

0 , 0 0

h m b

h mh b χ ω R

+ +

=

=

Trong đó: b – chiều rộng đáy rãnh, m;

2 1

2 2 2

1 ,

m 1 m 1

+ Với rãnh hình chữ nhật và rãnh hình tam giác (Hình 3.1b và Hình 3.1c): vẫn dùng các công thức trên và xem chúng là những trường hợp đặc biệt của

Phân tích công thức tính khả năng thoát nước của rãnh ta thấy lưu lượng nước chảy tỷ lệ thuận với bán kính thủy lực R Với các tiết diện rãnh có ω không đổi thì dạng rãnh có chu vi ướt χ nhỏ nhất sẽ cho khả năng thoát nước là lớn nhất

Trong các loại mặt cắt ngang rãnh có cùng ω thì hình tròn có χ là nhỏ nhất, nghĩa là tiết diện rãnh nửa hình tròn sẽ cho khả năng thoát nước là lớn nhất Tuy nhiên để thuận tiện cho thi công, rãnh nền đường thường có dạng hình thang hay hình tam giác

3.2.3 Trình tự tính toán thủy lực rãnh:

1) Xác định lưu lượng nước thiết kế của rãnh;

2) Giả thiết tiết diện của rãnh, chiều sâu nước chảy trong rãnh, sau đó xác định các đặc trưng thủy lực: tiết diện dòng chảy ω, chu vi ướt χ, bán kính thủy lực R;

3) Xác định khả năng thoát nước của rãnh và so sánh với lưu lượng nước thiết kế, nếu chúng không sai nhau quá 10% thì chọn tiết diện vừa giả thiết để thiết kế Nếu sai số lớn thì giả thiết lại tiết diện và tính lại từ đầu

4) Xác định tốc độ nước chảy trong rãnh, kiểm tra điều kiện xói lở và chọn biện pháp gia cố

trong rãnh

3.3 Gia cố chống xói rãnh

3.3.1 Những quy định chung:

Nói chung việc gia cố chống xói rãnh được chọn trên cơ sở của kết quả tính toán thủy lực Tuy nhiên cũng có thể dựa vào độ dốc lòng rãnh để chọn vật liệu gia cố

3.3.2 Các hình thức gia cố:

1) Lát cỏ: dùng khi đáy rãnh rộng trên 1m Khi đáy rãnh nhỏ hơn 1m thì lòng rãnh gia cố bằng đá dăm sỏi, gạch vụn với chiều dày lớp gia cố 8 – 10cm; còn cỏ chỉ lát 2 bên bờ ta luy

2) Lát đá:

Tùy theo cỡ đá, chiều dày lớp đá gia cố có thể lấy như 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, các khe hở phải chèn kín bằng đá con và phải được đầm lèn chặt

3) Bê tông đất sét: làm bằng 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 hoặc cát pha sét Chiều dày lớp gai cố từ 5 – 10m

5) Gia cố bằng bê tông: khi tốc độ nước chảy trong rãnh lớn, có thể dùng tấm bê tông kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố

Việc chọn biện pháp gia cố chống xói rãnh còn dựa vào tốc độ nước chảy, ý nghĩa của kênh rãnh và điều kiện vật liệu tại chỗ

3.4 Rãnh dọc và rãnh đỉnh

3.4.1 Rãnh dọc (rãnh biên):

Rãnh dọc cần làm ở các đoạn nền đường đào, nửa đào nửa đắp và nền đường đắp thấp hơn quy định Rãnh dọc dùng để thoát nước khi mưa từ mặt đường và diện tích hai bên đường, đảm bảo cho nền đường luôn được khô ráo, cường độ của nền mặt đường luôn được ổn định

Kích thước của rãnh dọc thường được thiết kế theo cấu tạo mà không yêu cầu tính toán thủy lực Kích thước của rãnh dọc có thể là hình thang, hình tam giác hoặc hình chữ nhật

Rãnh tiết diện hình tam giác thường dùng ở những nơi có điều kiện thoát

Phổ biến nhất là dùng rãnh có tiết diện hình thang có chiều rộng đáy rãnh là 0,4m, chiều sâu tính từ mặt đất thiên nhiên tối thiểu là 0,3m Độ dốc ta luy rãnh thường lấy 1:1

Ở những nơi cấu tạo địa chất là cát, sỏi, đá dăm nếu đảm bảo nước có thể thấm nhanh xuống phía dưới thì có thể không làm rãnh

Để đảm bảo an toàn xe chạy, rãnh dọc không nên làm quá sâu (sâu quá 1m) Nếu sâu quá thì phải làm rãnh đỉnh để không cho nước từ sườn lưu vực chảy về rãnh dọc

Khi quy hoạch hệ thống thoát nước mặt chú ý không để nước từ rãnh nền đường đắp chảy sang nền đường đào, không cho nước chảy từ các rãnh khác chảy về rãnh dọc mà phải tìm cách thoát nước từ rãnh dọc về những chỗ trũng gần đấy hoặc cho chảy qua đường nhờ các công trình thoát nước như cầu, cống

Đối với rãnh có tiết diện hình thang thì cứ 500m (tối đa) và hình tam giác là 250m phải tìm cách thoát nước từ rãnh qua đường nhờ cống cấu tạo Đối với cống cấu tạo không yêu cầu tính toán thủy lực

3.4.2 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 lưu vựa chảy về phía đường và dẫn nước về những chỗ trũng Khi thiết kế rãnh đỉnh cần tuân theo một số nguyên tắc sau:

- Rãnh đỉnh thiết kế với tiết diện hình thang, chiều rộng đáy rãnh tối thiểu là 0,5m, mái dốc ta luy bờ rãnh là 1:1,5 Chiều sâu rãnh xác định theo tính toán thủy lực, nhưng không nên sâu quá 1,5m

- Độ dốc của rãnh đỉnh thường chọn theo điều kiện địa chất (tốc độ nước chảy trong rãnh không gây xói lở lòng rãnh) Để tránh ứ đọng bùn cát thì độ dốc của lòng rãnh không nên nhỏ hơn 0,3 – 0,5%

- Ở những nơi địa hình sườn dốc lớn, địa chất xấu dễ bị sạt lở thì phải thiết kế hai hoặc nhiều rãnh đỉnh Vị trí của rãnh đỉnh phải cách mép ta luy nền đường đào ít nhất là 5m, đất thừa do đào rãnh đỉnh được đắp sát bờ rãnh làm thành con trạch (Hình 3.2)

>5m

2%

Con trạch

Rãnh dọc

Rãnh đỉnh

h k

P

H d

Hình 3.6 Sơ đồ tính toán bậc nước có giếng tiêu năng

1) Chọn chiều rộng bậc nước b: thường lấy bằng khẩu độ công trình thoát

nước

2) Định số bậc nước và xác định chiều sâu nước đổ xuống bằng cách chia chiều cao nước đổ toàn bộ trong đoạn thiết kế bậc nước cho số bậc nước đã giả thiết

3) Xác định chiều sâu nước chảy tại cửa vào bậc nước: lấy bằng chiều sâu

2/3

k

b Q 0,47











=

4) Xác định chiều sâu sau bước nhảy thủy lực:

k '' c ''

c ε h

h =

''

c

5) Xác định chiều sâu nước trước tường tiêu năng:

6) Kiểm tra điều kiện nước chảy ngập:

'' c

h , 1

h ≥ Nếu điều kiện này không được thỏa mãn thì phải giả định lại d và lập lại tính toán cho đến khi thỏa mãn

7) Xác định chiều dài tối thiểu cho phép của giếng:

lg = l1 + l2

k k

h b Q

v =

g – gia tốc rơi tự do;

y – chiều cao nước đổ xuống của dòng chảy:

2 h d P

'' c

2 3h h

c

h : hc = εc.hk

8) Xác định chiều dày tường tiêu năng theo công thức:

lT = 3hk

9) Kiểm tra điều kiện bố trí bậc nước tại nơi thiết kế: bằng cách xác định độ dốc đặt bậc nước

g T b

l l P i

+

=

không thỏa mãn thì phải giả thiết lại số bậc, xác định lại kích thước của bậc

cải thiện điều kiện ngập của dòng chảy và xem như các bước tính toán trên là thỏa mãn Chiều dài của giếng xác định lại theo độ dốc i của địa hình:

T '

g l i P

-*** -