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

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỐT NƯỚC MẶT VÀ THỐT NƯỚC NGẦM

3.1 Hệ thống thoát 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 phụ thuộc vào loại mặt đường Mặt đường phẳng độ dốc ngang phải thiết kế lớn để đảm bảo nước không bị đọng thường xuyên mặt đường, ngấm vào mặt đường, lớp móng đất

Mặt khác, độ dốc ngang mặt đường lớn bất lợi cho xe chạy: xe bị trượt trời mưa đường trơn, tải trọng xe phân bố không xuống bánh xe, bánh xe mịn khơng Do thiết kế cần chọn độ dốc ngang tối thiểu để đảm bảo điều kiện thoát nước

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

2) Rãnh dọc (rãnh biên), rãnh đỉnh, thùng đấu,… 3) Dốc nước bậc nước

4) Các cơng trình nước qua đường: cầu, cống, đường thấm, đường

traøn

3.1.2 Hệ thống thoát nước ngầm:

Tác dụng ngăn chặn, tập hợp hạ thấp mức nước ngầm, đảm bảo đường ln khơ ráo, cải thiện chế độ thủy nhiệt mặt đường

Tóm lại, nước kẻ thù số cơng trình đường Nước gây xói lở cầu cống, sạt lở ta luy đường Nước ngấm vào mặt đường làm cho cường độ chịu lực đất vật liệu mặt đường giảm đáng kể kết cấu mặt đường dễ bị phá hỏng xe tải trọng nặng chạy qua Do việc thiết kế hệ thống nước đường hợp lý có ý nghĩa lớn mặt kinh tế nâng cao chất lượng khai thác đường tơ

3.2 Thiết kế tính tốn rãnh thoát nước 3.2.1 Những yêu cầu thiết kế rãnh:

- 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 thường xuyên nạo vét rãnh

Theo quy trình thiết kế đường, để lịng rãnh khơng bị ứ đọng bùn cát, độ dốc lịng 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

3.2.2 Các cơng thức tính toán bản:

- Tốc độ nước chảy rãnh:

r y , r

y

i R n Ri R n

V= = +

- Khả thoát nước 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

ω - tiết diện nước chảy rãnh, m2

y – hệ số công thức sêzi, tra bảng ir – độ dốc rãnh

R – bán kính thủy lực, m

χ - chu vi ướt, m

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

+ Với rãnh hình thang (Hình 3.1a):

a) b) c)

1:m

1 1:m

2

b

h

0

Ta coù: [(b m1h0 m2h0) b]h0 (b mh0)h0 + = ω ⇒ + + + = ω

( ) ( )

, 2 2

0 m h h m h b mh

h

b+ + + + = +

= χ ( ) , 0 h m b h mh b χ ω R + + = =

Trong đó: b – chiều rộng đáy rãnh, m;

h0 – chiều sâu nước chảy, m;

m1 m2 – hệ số mái dốc hai ta luy bờ rãnh;

(m1 m2)

2

m= +

2 2 , m m

m = + + +

+ Với rãnh hình chữ nhật rãnh hình tam giác (Hình 3.1b Hình 3.1c): dùng công thức xem chúng trường hợp đặc biệt

hình thang: với hình chữ nhật cho m1 = m2 = 0; với hình tam giác cho b =

Phân tích cơng thức tính khả nước rãnh ta thấy lưu lượng

nước chảy tỷ lệ thuận với bán kính thủy lực R Với tiết diện rãnh có ω

khơng đổi dạng rãnh có chu vi ướt χ nhỏ cho khả thoát nước

lớn

Trong loại mặt cắt ngang rãnh có ω hình trịn có χ nhỏ

nhất, nghĩa tiết diện rãnh nửa hình trịn cho khả nước lớn Tuy nhiên để thuận tiện cho thi công, rãnh đường thường có dạng hình thang hay hình tam giác

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 khơng sai q 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

3.3 Gia cố chống xói rãnh 3.3.1 Những quy định chung:

Nói chung việc gia cố chống xói rãnh chọn sở kết tính tốn thủy lực Tuy nhiên dựa vào độ dốc lòng rãnh để chọn vật liệu gia cố

3.3.2 Các hình thức gia cố:

1) Lát cỏ: dùng đáy rãnh rộng 1m Khi đáy rãnh nhỏ 1m

lịng 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

gai cố từ – 10m

5) Gia cố bê tơng: tốc độ nước chảy rãnh lớn, dùng

tấm bê tơng kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố

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

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 ln ổn định

Kích thước rãnh dọc thường thiết kế theo cấu tạo mà khơng u cầu tính tốn thủy lực Kích thước rãnh dọc hình thang, hình tam giác hình chữ nhật

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

Ở nơi cấu tạo địa chất cát, sỏi, đá dăm đảm bảo nước thấm nhanh xuống phía khơng làm rãnh

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

Khi quy hoạch hệ thống nước mặt ý khơng 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 không u cầu tính tốn thủy lực

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 vựa chảy phía đường dẫn nước chỗ trũng Khi thiết kế rãnh đỉnh cần tuân theo số nguyên tắc sau:

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

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

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

>5m

2% Con trạch

Rãnh dọc

hk

lg

P

hk

H d

lT

Hình 3.6 Sơ đồ tính tốn bậc nước có giếng tiêu

1) Chọn chiều rộng bậc nước b: thường lấy độ cơng trình

nước, lấy theo tiêu chuẩn lưu lượng 0,5 – 1m3/s cho mét chiều rộng bậc

nước

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

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

nước chảy phân giới hk:

2/3 k

b Q 0,47

h 

     =

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

k '' c '' c ε h

h =

'' c

ε - xác định theo đồ thị

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

h = H + d = 1,7hk + d

6) Kiểm tra điều kiện nước chảy ngập:

'' c

h , h≥

Nếu điều kiện không thỏa mãn phải giả định lại d lập lại tính tốn thỏa mãn

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

lg = l1 + l2

l1 – độ xa dòng nước đổ xuống đáy:

k k

h b

Q v =

g – gia tốc rơi tự do;

y – chiều cao nước đổ xuống dòng chảy:

2 h d P

y= + + k

l2 – chiều dài bước nhảy thủy lực:

( c)

'' c 3h h

l = −

hc – chiều sâu tiết diện thắt hẹp giếng xác định theo đồ thị

tương tự xác định ''

c

h : hc = εc.hk

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

lT = 3hk

9) Kiểm tra điều kiện bố trí bậc nước nơi thiết kế: cách xác định

độ dốc đặt bậc nước

g T b

l l

P i

+ =

Độ dốc ib không nhỏ độ dốc địa hình nơi làm bậc nước,

khơng thỏa mãn phải giả thiết lại số bậc, xác định lại kích thước bậc

nước Cịn ib lớn độ dốc địa hình tăng chiều dài bậc nước,

cải thiện điều kiện ngập dòng chảy xem bước tính tốn thỏa mãn Chiều dài giếng xác định lại theo độ dốc i địa hình:

T '

g l

i P l = −