Xung quanh ao hå th − êng cã rÊt nhiÒu dßng nh¸nh ch¶y vµo.[r]
(1)ch−ơng V - Tính tốn thuỷ lực cơng trình cầu tr−ờng hợp đặc biệt
Đ 5.1 Tính độ nhiều cầu sơng
Khi tuyến đ−ờng qua đoạn sơng có bãi rộng mà bãi có nhiều dịng nhánh, phải vào điều kiện cụ thể đoạn sơng để chọn ph−ơng án thiết kế nhiều cầu sông cầu sông
Th−ờng th−ờng lịng sơng l−u l−ợng n−ớc lũ t−ơng đối ổn định, tỷ số phân phối l−u l−ợng dịng chính, dịng nhánh dịng bãi sơng thay đổi ít, bắc nhiều cầu sơng Tr−ờng hợp dịng có xu chuyển dịch ngang nh− l−u tốc không lớn lắm, l−ợng hàm cát n−ớc lũ ít, mà lịng sơng t−ơng đối sâu dùng biện pháp chỉnh trị để ổn định vị trí lịng sơng, khống chế tỷ số phân phối l−u l−ợng dịng chính, dịng nhánh bãi sơng, dùng ph−ơng án nhiều cầu sơng Nh−ng đoạn sơng mà lịng thay đổi bất th−ờng, bãi cồn cát chuyển dịch mạnh không theo quy luật nào, không đ−ợc dùng ph−ơng án nhiều cầu sơng mà phải bố trí hệ thống cơng trình chỉnh trị để cố định vị trí lịng sơng dùng ph−ơng án cầu
Nếu bố trí cầu cống phụ bãi sơng phải dùng biện pháp phịng hộ, bắt dịng phát triển theo h−ớng định để bảo đảm an toàn cho đ−ờng cầu cống phụ
Trên sông hợp nhiều cầu làm không hẳn tốt, việc khơng làm thay đổi trạng thái thiên nhiên dịng n−ớc mà cịn có nh−ợc điểm nh− u cầu khối l−ợng lớn cơng trình chỉnh trị, làm tắc dòng nhánh ảnh h−ởng đến việc t−ới tiêu phục vụ nông nghiệp, nâng cao mực n−ớc ứ dềnh tr−ớc cầu đ−ờng đầu cầu, chí cịn làm ngập làng mạc đồng ruộng uy hiếp đê điều v.v
Bởi vậy, để chọn ph−ơng án làm nhiều cầu hay cầu sơng cần có so sánh kinh tế - kỹ thuật
5.1.1 Những điểm cần ý tính độ nhiều cầu sông
- Vị trí cầu phải đặt nơi mà dịng dịng nhánh bãi sơng chỗ t−ơng đối sâu, cố gắng phân bố cầu cho cầu phải có khoảng cách thích hợp
(2)- Do có chênh lệch cách phân phối l−u l−ợng cho cầu, cần tăng l−u l−ợng thiết kế cầu cho chúng để cầu thích hợp với điều kiện phân phối bất lợi
Xác định hệ số tăng l−u l−ợng th−ờng dựng phng phỏp sau:
Phơng pháp 1: Căn vào mặt cắt ngang sông vị trí cần đo ngày gần theo mực nớc thiết kế, tính lu lợng thoát qua cầu Qm, tìm đợc tỷ số phân phối lu lợng cho cầu c«ng thøc:
%
1
∑
= n
m m Q Q P
Ph−¬ng pháp 2: Tính tỷ số phân phối lu lợng thiết kế cho cầu dựa vào mực nớc thiết kế mặt cắt ngang phụ thợng lu vị trí cÇu:
%
1 ' '
∑
= n
m m Q Q P
Phơng pháp 3: Tính tỉ số phân phối lu lợng lớn cho cầu theo tài liệu thực đo nhiều năm mặt cắt ngang phụ thợng lu vị trí cầu:
%
1 '' ''
∑
= n
m m Q Q P
Với kết tính đợc theo cách phân phối nói trên, chọn tỷ số lớn cho cầu đem cộng lại, ta đợc hệ số tăng cờng tổng lu lợng tính toán
Trong thí dụ bảng d−ới ta đ−ợc hệ số tăng c−ờng l−u l−ợng 1,17; l−u l−ợng thiết kế thành Qp = 1,17 Q1%
Tuy nhiªn mùc n−íc thiÕt kÕ vÉn dïng mùc n−íc t−¬ng øng lu lợng thiết kế trớc lúc tăng cờng
Tỷ số phân phối lu lợng cho cầu
(%)
Tổng cộng %
Phơng pháp phân
phối
Cầu Cầu Cầu Cầu Phơng pháp P1
Phơng pháp P2 Phơng pháp P3
32 30 36
18 25 18
42 35 32
8 10 14
100 100 100
(3)- Vị trí cầu phải cố đặt thẳng góc với h−ớng n−ớc lũ Chiều cao ứ dềnh cầu phải lấy
- L−u tốc thiết kế cầu bãi có quan hệ tới ứ dềnh tr−ớc cầu Để mực n−ớc th−ợng hạ l−u đ−ờng khỏi chênh lệch đáng mà ảnh h−ởng tới tính ổn định đ−ờng bãi sơng, tốt khơng cho ứ dềnh 0,9m Nếu l−u tốc nhịp cầu bãi sông t−ơng ứng với mức dềnh cao thiết kế v−ợt l−u tốc khơng xói cho phép đất bãi sông, cần so sánh ph−ơng án cho xói với ph−ơng án khơng cho xói (phịng xói) d−ới cầu Do bãi sơng phù sa từ th−ợng l−u trơi nên th−ờng độ sâu xói d−ới cầu bãi sông lớn nên cầu độ nhỏ tốt dùng biện pháp gia cố d−ới cầu
- Trong tr−ờng hợp, cầu phải bố trí kè dẫn n−ớc
5.1.2 Tính độ cầu
Khi thiết kế nhiều cầu sông, th−ờng gặp tr−ờng hợp: (1) cho xói địa chất lịng sơng d−ới cầu; (2) lịng cho phép xói địa chất d−ới cầu, cịn bãi sơng khơng cho phép xói d−ới cầu Sau ph−ơng pháp tính:
a. Lịng sơng cầu lớn cầu trung cho phép xói
- Dïng c«ng thøc (5-1) vẽ đờng cong quan hệ chiều cao ứ dềnh cầu diện tích làm việc dới cầu
( )m m
m m
m
f Q
Q
Z ω
ω
η =
⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢
⎢ ⎣ ⎡
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛
Ω − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = Δ
2
(5-1) đó:
η: hệ số, xác định riêng cho cầu theo bảng 4-10;
Qm : l−u l−ợng thiết kế phân phối cho cầu định, m3/s; ωm : diện tích làm việc d−ới cầu ứng với mực n−ớc thiết kế, m2;
Ωm : diện tích mặt cắt ngang dịng sơng trạng thái thiên nhiên ứng với l−u l−ợng thiết kế cầu đó, m2
- Trong nhãm ®−êng cong ΔZ = f (m), vào trị số ứ dềnh cao
ΔZ, xác định ΔZ theo biên ký kết với ngành hữu quan theo điều kiện cho phép ngập phía th−ợng l−u cầu chiều cao vai đ−ờng, sơ chọn kích th−ớc độ cầu, sau tính xói d−ới cầu tìm đ−ợc diện tích sau xói cầu W’m Tra lại đ−ờng cong ΔZ = f (ωm) đ−ợc trị số ΔZ t−ơng ứng Lấy trị số
(4)- Xác định đ−ợc độ cầu với điều kiện chiều cao ứ dềnh cầu phải nhau, l−u l−ợng thực tế qua cầu theo tỉ số phân phối định lúc tr−ớc Vậy dùng cơng thức (5-1) để có đ−ờng cong ΔZ = f (Qm) cầu biết tổng số l−u l−ợng đ−ờng cong quan hệ ta tìm đ−ợc dễ dàng l−u l−ợng phân phối cuối trị số n−ớc dềnh cuối cho cỏc cu
b. Lòng sông cầu lớn cầu trung cho phép xói không cho
phÐp xãi
- Vẫn theo ph−ơng pháp trên, vẽ đ−ờng cong ΔZ= f (ωm) tr−ớc xói cầu Theo trị số ứ dềnh dùng, tra đồ thị đ−ợc diện tích làm việc t−ơng ứng cầu sơ chọn kích th−ớc độ cầu
- Cầu lớn cầu trung cho phép xói lần l−ợt tính xói để tìm ω’m ΔZ t−ơng ứng cầu chọn ΔZmin làm trị số dùng chung, từ tra đ−ờng cong quan hệ ΔZ = f(ωm) tìm diện tích làm việc cần thiết cầu xác định lại độ chúng
- VÏ đờng cong quan hệ chiều cao ứ dềnh lu lợng thoát qua cầu, lần lợt tìm hai trị số phân phối lu lợng trớc xói sau xãi
- Đối với cầu không cho phép xói xác định l−u tốc thiết kế xây lát phải dùng l−u tốc d−ới cầu ứng với l−u l−ợng phân phối cho cầu lúc ch−a xói
Ví dụ:
Tài liệu gốc: Trên vị trí X cã thiÕt kÕ cÇu
Một cầu lịng sơng, cầu bãi sơng, n−ớc chảy thẳng góc cầu bãi sơng phải xây lát, hai cầu có kè h−ớng n−ớc với kích th−ớc đầy đủ Tài liệu tính tốn cầu sau phân phối l−u l−ợng thiết kế tăng c−ờng nh− bảng sau:
ω (m 2) H ×n h - 1
(5)Tµi liƯu tÝnh toán Cầu bÃi sông Cầu lòng sông
Lu lợng phân phối, m3/s 190 910
Hệ số tăng cờng 1,1 1,1
Lu lợng thiết kế sau tăng cờng Qm,
m3/s 210 1000
Diện tích mặt cắt lòng sông thiên nhiên ,
m2 700 1400
HÖ sè η 0,1 0,1
Loại đất Dùng đá phiến lát
khan
Cát to lẫn cuội sỏi
Chiều sâu bình quân tr−íc xãi H, m 2,5 5,50
Chiều cao ứ dềnh quy định lớn ΔZ, m 0,30 0,30
Theo công thức (5-1) lập đờng cong Z =f(m) hai cầu, hình 5-1
ắ Tính cầu bÃi s«ng
Qm/Ω = 210/700 = 0,30 ; (Qm/Ω)2 = 0,09, đồng thời giả thiết tính chiều cao ứ dềnh Δz độ cầu nh− bảng sau:
Dầm bê tông cốt thép chữ T Hạng mơc
tÝnh to¸n 2x16m 3x16m 4x16m 5x16m 6x16m 7x16m 8x16m
ωm(m
2) 66 103 141 178 215 256 294
Qm/ωm(m/s) 3,18 2,04 1,49 1,18 0,98 0,82 0,72
(Qm/ωm)
2 10,10 4,16 2,22 1,39 0,96 0,67 0,52
ΔZ(m) 1,00 1,00 0,21 0,13 0,09 0,06 0,04
¾ TÝnh cầu lòng sông
175 , 1400 1000
= =
Ω m
Q
; 0,51
2 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝
m
(6)Dầm bê tông cốt thép chữ T Hạng mục
tÝnh to¸n 6x16m 7x16m 8x16m 9x16m 10x16m 11x16m 12x16m
ωm(m2) 455 536 620 705 786 874 954
Qm/ωm 2,20 1,87 1,61 1,42 1,27 1,14 1,05
(Qm/ωm)2 4,85 3,5 2,59 2,02 1,61 1,30 1,10
ΔZ(m) 0,43 0,30 0,21 0,15 0,11 0,08 0,06
Khi ứng với Z =0,30m cầu bÃi sông cần có diện tích làm việc m = 120m2; cầu lòng sông m = 536m2 (tơng đơng với dầm bê tông cốt thép chữ T x16m)
ắ Tìm diện tích m sau xói cầu lòng sông Z tơng ứng
Dựng cơng thức ch−ơng IV để tính xói, đồng thời coi đất cầu loại thổ nh−ỡng t−ơng đối chặt để xét Tính xói n−ớc dềnh theo 50% trị số xói tính tốn tồn Sau xét xói 50% rồi, diện tích n−ớc cầu lịng sơng ω’m = 612m2 Tra hình vẽ 5-1 đ−ợc Δz = 0,21m t−ơng ứng, cầu bãi sông mực n−ớc dềnh đó, diện tích làm việc tăng lên ω’m = 141m2 Do định cầu lịng sơng dùng dầm bê tông cốt thép chữ T 7x 16m; cầu bãi sơng khơng xét tới xói lở, cần dùng dầm bê tông cốt thép chữ T 4x16m
ắ Dùng công thức 5-1 lập đờng cong Z =f(Qm) hai cầu
- Trớc tiên vẽ ®−êng cong quan hƯ H = f (Q,V, Ω) cđa mặt cắt thiên nhiên lòng sông bÃi sông trớc làm cầu (tức đờng cong quan hệ chiều sâu nớc bình quân, lu lợng, lu tốc, mặt cắt thoát n−íc)
nh− h×nh -
- Lần lợt tìm số liệu quan hệ trị số nớc dềnh lu lợng cầu bÃi sông cầu lòng sông (trớc sau lúc xói) xem b¶ng trang sau
Vẽ đồ thị quan hệ nh− hình -
- Trong h×nh vÏ - lÊy tỉng
l−u l−ỵng b»ng 1210m3/s làm tiêu chuẩn tra đợc lu lợng phân phối sau xói:
Cầu lòng sông: Qm = 1030m3/s;
Cầu bÃi sông: Qm = 180m
/s; Khi n−ớc dềnh: ΔZ = 0,18m
Khi tìm đ−ờng xói lớn cầu lịng sơng lấy chiều sâu xói chung cầu Hp= 6,8m lấy Qm = 1030m
3
/s để tính xói cục xác định hợp lý chiều sâu chơn móng, đồng thời tra hình 5-3 đ−ợc trị số phân phân phối l−u l−ợng tr−ớc xói nh− sau:
B·i H = f(Q)
H(m)
W(m3) V(m/s) Q(m3/s)
Lßng H = f(W) Lßng H = f(V)
Lßng H = f(Q)
(7)Cầu lòng sông Qm = 930m3/s, cầu bÃi sông Qm = 280m3/s ChiỊu cao n−íc dỊnh Δz = 0,28 < 0,30m Hình 5-3 Q (m3/s) z (m )
Cầu bÃi sông dùng dẫm bê tông cốt thép chữ T x16m (không xói) Nớc sâu
bình quân H (m)
L−u l−ỵng Qm (m3/s)
Wm
(m2)
Qm/Wm (m/s)
(Qm/Wm)2 Qm/Ω (m/s)
(Qm/Ω)2 ΔZ (m) 15 2,0 3,0 3,5 87 113,8 293 388 0,931 1,22 167 193 0,931 1,22 1,755 2,01 0,867 1,488 3,08 4,04 0,193 0,248 0,349 0,396 0,037 0,062 0,122 0,157 0,08 0,14 0,30 0,39 Cầu lòng sông dùng dầm bê tông cốt thép chữ T x16m (trớc lúc xói)
Nớc sâu bình quân H (m)
Lu l−ỵng Qm (m3/s)
Wm
(m2)
Qm/Wm (m/s)
(Qm/Wm)2 (m/s)
Qm/Ω (m/s)
(Qm/Ω)2 ΔZ (m) 4,0 4,5 5,0 6,0 6,5 572 707 850 1172 1346 398 448 493 585 634 1,44 1,577 1,730 2,006 2,120 2,074 2,485 2,998 4,025 4,494 0,561 0,615 0,667 0,766 0,811 0,314 0,378 0,444 0,587 0,657 0,176 0,211 0,255 0,344 0,384 Cầu lòng sông dùng dầm bê tông cốt thÐp ch÷ T x16m (sau xãi)
N−íc sâu bình
Lu lợng Qm
Chiều sâu Hp(m)
W’m (m2)
Qm/W’m (m/s)
(Qm/W’m)
(Qm/Ω)
(8)qu©n H (m)
(m3/s) 4,0
4,5 5,0 5,5 6,0 6,5
572 707 850 1000 1172 1346
4,47 5,18 5,93 6,63 7,45 8,22
450 516 590 660 741 818
1,27 1,37 1,44 1,515
1,58 1,64
1,613 1,877 2,076 2,20 2,50 2,706
0,314 0,378 0,444 0,510 0,587 0,657
0,13 0,15 0,163 0,178 0,191 0,205
Dïng Qm = 280m
3
/s làm l−u l−ợng thiết kế xây lát cầu bãi sơng, tra hình 5-3 đ−ợc l−u tốc t−ơng ứng Vm =1,7m/s Vì l−u tốc lớn l−u tốc khơng xói cho phép đất thực tế, gia cố lát khan lớp đá hộc
Đ 5.2 Tính độ cầu sông rộng chảy tràn lan
Khi khảo sát thiết kế th−ờng th−ờng gặp phải sông rộng chảy tràn lan Đối với sơng việc tính l−u l−ợng, độ xói khơng đ−ợc dùng ph−ơng pháp tính nh− sơng thơng th−ờng đề cập ch−ơng IV, mà phải dùng ph−ơng pháp đặc biệt để xử lý, không phát sinh sai số lớn Căn vào tính chất sơng rộng chảy tràn khác nhau, phân làm loại:
- Sơng bãi rộng vùng đồng bằng; - Sông chảy tràn lan vùng tr−ớc núi; - Sông vùng hồ ao, đầm lầy nội địa
Sau lần l−ợt giới thiệu ph−ơng pháp thiết kế độ cầu ba loại
5.2.1 Sơng bãi rộng vùng đồng
a. Đặc trng thuỷ văn hình thái
Sơng bãi rộng vùng đồng nói chung sơng bãi lớn, lịng sơng t−ơng đối hẹp chiếm phần nhỏ toàn phạm vi chiều rộng ngập tràn, độ dốc lại t−ơng đối nhỏ (I <1%o), lúc bình th−ờng n−ớc chảy
lòng sông uốn khúc, lũ nớc tràn lòng sông, lu tốc bÃi sông nhỏ, chí có chỗ nớc không chảy, lu tốc lòng sông so với bÃi sông lớn nhiều lần, lu lợng lòng sông nhỏ lu lợng bÃi sông rÊt nhiÒu
b. Xác định độ nhám độ dốc b∙i sông
(9)Khi vào địa mạo để xác định độ nhám bãi sông cần ý tới thay đổi địa hình địa mạo th−ợng, hạ l−u mặt cắt hình thái xem có ảnh h−ởng đến dịng n−ớc hay khơng?
Theo cơng thức Sêdi - Maning tính l−u tốc bãi sơng cần phải điều tra tr−ờng đối chiếu với l−u tốc thực địa Khi điều tra thấy bãi sông có số chỗ bắt đầu sinh xói, chứng tỏ l−u tốc xấp xỉ có chỗ v−ợt q l−u tốc cho phép khơng xói bãi sơng Nếu bãi sơng khơng có cối phủ kín xác định l−u tốc cho phép khơng xói theo cơng thức, tra bảng Nếu bãi sơng có cối mọc um tùm l−u tốc lớn bãi đạt tới 1,5 – 2,0m/s Nếu l−u tốc tính tốn có mâu thuẫn với l−u tốc điều tra l−u tốc thực đo phải chỉnh lại hệ số nhám tính tốn cho thống
Ngoài độ dốc mặt n−ớc bãi sơng tr−ờng hợp chung giống độ dốc mặt n−ớc lịng sơng Nh−ng chỗ sơng uốn khúc đơi lũ bãi sơng hình thành dịng chảy thẳng, độ dốc mặt n−ớc bãi sơng tính theo công thức sau:
n P P n
L L I
I =
(5-2 )
trong đó:
Ip, In: độ dốc lịng sơng độ dốc bãi sơng; LP: cự ly lịng sông theo h−ớng chảy cong, m; Ln: chiều dài bãi sơng theo h−ớng chảy thẳng, m
c. Tính độ cầu
Đối với sông bãi rộng vùng đồng l−u tốc lịng sơng so với bãi sơng q lớn, lấy l−u tốc lịng sơng làm l−u tốc thiết kế độ nhỏ Do kiến nghị dùng hai ph−ơng pháp sau để xác định độ cầu
• Ph−ơng pháp 1: Căn hệ số bóp hẹp l−u l−ợng định độ cầu Xác định hệ số bóp hẹp l−u l−ợng theo công thức sau:
( λ) μ β
− =
1
M P o
Q Q
(5-3) Giả thiết hệ số bóp hẹp l−u l−ợng cho phép giống hệ số xói cho phép P vào biểu tra hệ số xói cho phép để xác định trị số βo, sau dùng cơng thức sau để tính l−u l−ợng qua độ cầu điều kiện thiên nhiên:
( λ)
μ β − =
1
o P M
Q Q
(10)Khi xác định độ cầu tr−ớc hết phải xác định vị trí cầu, sau tim cầu luỹ tích l−u l−ợng phận hai bên cầu, tới luỹ tích l−u l−ợng QM, lúc chiều rộng mặt n−ớc tìm đ−ợc độ n−ớc cn tỡm
ã Phơng pháp O.V Andreev
Khi thiết kế cầu qua sông vùng đồng bằng, O.V Andreev chia thành tr−ờng hợp:
Tr−êng hỵp 1:
Cầu qua phần lịng sơng, cơng thức tính độ cầu nh− sau:
/
1
1 ⎟
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − =
p B L
τ λ
(5-5) đó:
L: tổng chiều dài độ n−ớc, m; B: chiều rộng lịng sơng thiên nhiên, m; P: hệ số xói tra bảng ch−ơng IV;
p = Qch/Qp;
Qch: lu lợng lòng sông trạng thái thiên nhiên, m3/s;
Qp: lu lợng lòng sông sau làm cầu, m3/s; trờng hợp Qch lu lợng thiết kế toàn cầu Qp;
: hệ số thu hẹp trụ cầu chiếm , = btrụ /lnhịp; btrụ: chiều rộng trụ cầu, m;
lnhịp: chiều dài nhịp cầu, m
Theo cụng thc (5-5) tỡm đ−ợc trị số L nhỏ chiều rộng lịng sơng, có nghĩa hệ số xói P ≥ 1/[τ(1-λ)3/4] chiều dài độ cầu L < B Nh−ng sơng vùng đồng bằng, nói chung độ cầu khơng đ−ợc nhỏ chiều rộng lịng sơng, tr−ờng hợp gặp ứng dụng thực tế Nếu trị số L tính tốn lớn chiều rộng lịng sơng, khơng thuộc tr−ờng hợp 1, mà phải xử lý theo tr−ờng hợp sau õy:
Trờng hợp 2:
Cầu qua lòng bÃi sông, mà lòng sông không bị mở rộng Trớc hết tính hệ số tăng lu lợng lòng sông cho phÐp theo c«ng thøc sau:
βch = P (1-λ)3/4
(11)Råi theo c«ng thøc (5-7), (5-8) tính hệ số tăng lu lợng tơng ứng mặt cắt bÃi sông nh sau:
b = [βch2+(βch2-1)F(η,x,a)]0,50 (5-7) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − −
= 1
β β τ β β b b ch (5-8) đó:
P: hệ số xói lòng sông tra bảng (chơng IV);
( ) ( )( ( )) x f a x f a x a f , , 2 + − = μ η η
f(x) = 1/(1+2x), tính toán giả thiết sau làm cầu vài năm xây dựng kè điều chỉnh x triệt tiêu f(x) = 1;
η= Vch/Vbc: tỉ số tốc độ n−ớc chảy dòng chủ chia cho tốc độ phần bãi sông d−ới cầu lúc tự nhiên;
x = lkt/lo: tỉ số chiều dài kè điều chỉnh dòng nớc nửa đoạn phía thợng lu chia cho chiều dài đoạn sông từ nơi dòng chảy bắt đầu thu hĐp tíi cÇu;
lo = Bo – Lc Bo: chiỊu réng cđa s«ng vỊ mïa lị, m;
Lc: độ cầu có kể trụ cầu, m;
o ch L I g V a , =
I: độ dốc lịng sơng tự nhiên;
g: gia tèc träng tr−êng, lÊy b»ng 9,81m/s2;
: hệ số tăng lu lợng toàn bé:
bc ch Q Q Q + = β Q: lu lợng toàn bộ, m3/s;
Qch, Qbc: phần lu lợng nớc chảy qua dòng chủ phần bÃi sông dới cầu lúc tự nhiên, m3/s;
( c ch) ch
o ch
bc L B
B B Q Q Q − − − =
(12)Ph−ơng pháp xác định độ cầu giống nh− tr−ờng hợp nói
Chiều sâu xói chung bãi sơng nhỏ chiều sâu n−ớc bình qn lịng sơng tr−ớc làm cầu, tức lịng sơng sau làm cầu khơng bị mở rộng, lúc tính độ cầu theo tr−ờng hợp Nếu chiều sâu xói chung lớn chiều sâu n−ớc bình qn lịng sơng tr−ớc làm cầu, tức lịng sơng sau làm cầu bị mở rộng, phải xử lý theo tr−ờng hợp
Tr−êng hỵp 3:
- Nếu bãi sơng d−ới cầu sau bị xói biến thành lịng sơng ph−ơng pháp xác định độ cầu giống nh− tr−ờng hợp Theo cơng thức (5-5) tính tổng chiều dài độ cầu, B công thức đổi thành chiều rộng lịng sơng sau mở rộng
- Nếu bãi sơng d−ới cầu sau xói có phận biến thành lịng sơng, tr−ớc hết dựa vào tr−ờng hợp sơ định độ tính chiều sâu xói đ−ờng thuỷ trực bãi sơng, xác định phạm vi mở rộng lịng sơng, sau tính hệ số tăng l−u l−ợng cho phép lịng sơng theo cơng thức sau:
( ) 3/4
1
⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢
⎢ ⎣ ⎡ − =
μ λ β
B B P
ch
(5-10) đó:
B: chiều rộng lòng sông dới cầu sau më réng, m;
Căn vào cơng thức tìm hệ số tăng l−u l−ợng cho phép lịng sơng, dựa vào công thức (5-7) công thức (5-8) xác định lại hệ số tăng l−u l−ợng toàn mặt cắt độ (ph−ơng pháp giống tr−ờng hợp 2) Khi độ cầu tìm đ−ợc độ định lúc đầu chênh 5% phải xác định lại phạm vi mở rộng lịng sơng tính tốn lại theo trình tự nói trên, tới độ tìm đ−ợc với độ ban đầu chênh khoảng 5%
Đối với sông bãi rộng vùng đồng bằng, sau xác định độ cầu ph−ơng pháp hệ số tăng l−u l−ợng nói trên, phải kiểm toán mực n−ớc Chênh lệch lớn th−ợng hạ l−u đ−ờng khơng nên q 0,90m Vì đ−ờng bãi sông th−ờng làm đất thấm n−ớc, để bảo đảm đ−ờng an toàn, độ dốc thuỷ lực thẩm thấu phải < 1/10
S
Δh
(Δh/s) ≤ 1/10
(13)Xác định mực n−ớc chênh phía đ−ờng theo công thức sau: Δh = ΔZ+ib(Ln-a)+iδ(b+d)+iHLn≤ 0,90m (5 - 11)
trong đó:
ΔZ: chiều cao n−ớc dềnh tr−ớc cầu, cách tính theo ch−ơng IV, m; ib: độ dốc dịng n−ớc ven theo đ−ờng phía th−ợng l−u, ib≈ i; iδ: độ dốc thiên nhiên dòng n−ớc;
iH: độ dốc dịng n−ớc ven theo đ−ờng phía hạ l−u, khơng có kè iH = 0,5iδ
Ln: khoảng cách từ cao độ vai đ−ờng cần thiết tìm đ−ợc đến mép tr−ớc mố cầu gần nhất, m;
a: hình chiếu kè hớng dòng phía thợng lu tim đờng, m;
b: hình chiếu kè hớng dòng phía thợng lu đờng pháp tuyến tim đờng, m;
d: hình chiếu kè hớng dòng phía hạ lu đờng pháp tuyến tim ®−êng, m
ở sông bãi rộng vùng đồng tr−ờng hợp thơng th−ờng phải bố trí kè h−ớng dòng để tránh ảnh h−ởng dòng n−ớc chảy ngang giảm bớt xói chân đ−ờng
5.2.2 S«ng chảy tràn lan vùng trớc núi
a. Đặc trng thuỷ văn hình thái lòng sông
Dũng sông vùng núi chảy luôn theo l−ợng phù sa lớn, tới khu vực tr−ớc núi không bị thung lũng sông giới hạn n−ớc chảy khuếch tán, độ dốc giảm dần, l−u tốc nhỏ đi, l−ợng phù sa theo dịng n−ớc tích lại nhiều tạo thành quạt bồi cao, bên thấp, sau n−ớc lũ thoát qua cửa núi chảy tự tạo nên dòng n−ớc chảy tràn vùng tr−ớc núi
Dịng n−ớc chảy tràn tr−ớc núi nằm sát cửa núi nên độ dốc lớn, bề mặt th−ờng tầng bồi tích cuội hay sỏi có lẫn đất cát Phía cuối quạt bồi phẳng hơn, l−u tốc nhỏ, mặt đất lớp cát bồi tích, lũ n−ớc chảy tràn lan ngập rộng Tr−ờng hợp thơng th−ờng lịng sơng khu vực chảy tràn tr−ớc núi có xu h−ớng bồi cao dần dần, đặc biệt sau lần lũ bùn đá lớn lòng sông bồi cao lên rõ rệt L−u l−ợng vùng chảy tràn phía tr−ớc núi lớn sát cửa núi, sau yếu tố thẩm thấu, khuếch tán, truyền lũ v.v l−u l−ợng chảy phía hạ l−u nhỏ dần, trí có t−ợng dòng chảy bị đứt quãng
(14)ở vùng chảy tràn lan phía tr−ớc núi, lịng sông không ngừng bồi cao, l−u l−ợng luôn thay đổi nên chọn vị trí cầu vấn đề phức tạp Nếu bố trí vị trí cầu quạt bồi đối diện với cửa núi quạt bồi cao, hai bên thấp, n−ớc dồn vào chỗ trũng nên việc thoát n−ớc qua cầu tác dụng n−ớc đọng chỗ trũng không tiêu đ−ợc Nếu vị trí cầu đặt chỗ thấp hai phía quạt bồi, dịng chủ th−ờng th−ờng xói thẳng vào đ−ờng, ảnh h−ởng tới an toàn tuyến đ−ờng Do tốt nên tránh khu vực quạt bồi Nếu điều kiện bắt buộc phải đặt vị trí cầu quạt bồi tích cần có cơng trình kiên cố, khơng cho l−u l−ợng thay đổi lịng chủ di chuyển Khi bố trí cầu gần cửa núi vị trí cầu phải đối diện với cửa núi đồng thời dùng kè bó dịng nối liền từ cửa núi tới cầu kéo dài thêm đoạn xuống hạ l−u để tránh dòng n−ớc bị khuếch tán sau chảy qua cầu, làm cho phù sa bồi cạnh độ cầu Chiều cao kè bó dịng ngồi việc vào mực n−ớc thiết kế bình th−ờng cịn cần phải vào tài liệu điều tra để xét tới tình hình bồi lịng sơng sau
Độ dốc cân chuyển cát lịng sơng sau ngừng bồi tích, dùng độ dốc đoạn khơng bị bồi tích gần Khi khảo sát thiết kế phải dựa vào tài liệu điều tra đ−ợc, xác định độ dốc cân chuyển cát dịng sơng đ−ờng mặt n−ớc, đồng thời cần thêm độ cao an tồn thích đáng để xác định cao độ đỉnh đập Kích th−ớc mặt cắt kè thắt n−ớc tham khảo số liệu liên quan ch−ơng VII tài liệu khác để thiết kế; mặt kè tiếp xúc với n−ớc cần xét tới xói mặt dốc lỗ chân kè, l−u tốc lớn nhỏ mà tiến hành thiết kế phòng hộ
Khi cầu cách cửa núi t−ơng đối xa, dùng biện pháp làm kè bó dịng nối tới cửa núi rõ ràng khơng hợp lý kỹ thuật kinh tế dùng ph−ơng án nhiều cầu qua chi l−u Lúc tuyến đ−ờng phải thẳng góc với quạt bồi, tức tuyến đ−ờng phải song song với đ−ờng đồng mức có góc chuyển h−ớng góc khuếch tán dịng n−ớc (xem hình 5-5) Vị trí tuyến đ−ờng nh− tiện cho việc xử lý vấn đề điều tiết dòng n−ớc đồng thời làm cho chỗ trũng khơng bị bồi tích
H×nh 5-5
(15)ở vị trí cầu bố trí kè h−ớng dịng bịt kín kiểu chữ nhân (λ), Kè h−ớng dịng bên cần kéo dài đ−ờng tràn ngập thiết kế, chiều cao mặt cắt kè h−ớng dòng xem phần cơng trình điều tiết ch−ơng VII Trong phạm vi quạt bồi khơng đ−ợc phép đào, đồng thời cịn phải dự tính đ−ợc khả bồi cao sau
Đối với việc thiết kế tĩnh không d−ới cầu, cao độ vai đ−ờng, cao độ đỉnh kè h−ớng dòng kè chắn n−ớc phải dự trữ chiều cao bồi tích cần thiết Độ dốc đáy sơng d−ới cầu phải bảo đảm khớp với th−ợng, hạ l−u để thoát phù sa đ−ợc dễ dàng
c. TÝnh l−u l−ỵng
ở khu vực chảy tràn tr−ớc núi tr−ờng hợp thơng th−ờng khơng có trạm thuỷ văn (Trạm thủy văn th−ờng bố trí đoạn sơng phía th−ợng l−u cửa núi, đoạn sơng phía hạ l−u chỗ dòng nhánh hợp lại) Mặt khác khu vực chảy tràn lan dịng sơng khơng theo quy luật nào, mực n−ớc tính tốn hệ số nhám, độ dốc v.v khó định đ−ợc xác nên dùng ph−ơng pháp hình thái tính l−u l−ợng n−ớc tràn khó khăn
Muốn tìm l−u l−ợng t−ơng đối xác dùng biện pháp sau đây: Tại hai vị trí cửa núi đoạn sông hạ l−u phải thu thập tài liệu l−u l−ợng thực đo nhiều năm đồng thời trạm thuỷ văn l−u l−ợng tính tốn ph−ơng pháp hình thái, chấm đ−ờng cong quan hệ l−u l−ợng t−ơng ứng hai chỗ (xem đ−ờng cong OCF hình 5-6) Nói chung sau lũ qua cửa núi, đỉnh lũ truyền xuống phía d−ới bị nhiều tổn thất nh− triết giảm n−ớc tích, thẩm thấu vào lịng sơng, m−ơng t−ới vào đồng ruộng v.v khơng có chi nhánh lớn đổ vào l−u l−ợng hạ l−u so với l−u l−ợng th−ợng l−u th−ờng nhỏ Những năm n−ớc, l−u l−ợng hạ l−u nhỏ nhiều lần so
với l−u l−ợng th−ợng l−u Cịn năm nhiều n−ớc l−u l−ợng tiến tới Sau vào l−u l−ợng lớn lịch sử thu thập đ−ợc cửa núi, xác định l−u l−ợng lớn vị trí cầu theo ph−ơng pháp triết giảm lũ (tham khảo chng III)
Đem lu lợng chấm hình 5- đợc điểm A, điểm đờng 45o đờng cong OCF; AB/AC biểu thị tỷ số tỉn thÊt l−u l−ỵng ë cưa nói
đến vị trí cầu với tổn thất l−u l−ợng vị trí cầu đến mặt cắt hạ l−u Nếu AB/AC tìm đ−ợc đồ thị khác nhiều so với tình hình thực tế tổn thất l−u l−ợng th−ợng hạ l−u vị trí cầu, điều chỉnh vị trí im A cho hp lý
Cuối đờng cong OCF đờng thẳng 45o vẽ đờng cong nội suy OAD qua điểm A Tức đờng cong quan hệ lu lợng vị trí cầu với l−u
B
0
C
F
45o
E
QTL
QHL
(16)l−ỵng ë cưa nói Nh− vËy l−u l−ỵng thiÕt kế vị trí cầu theo lu lợng tần suất cửa núi, tra đờng cong OAF
Khi vị trí cầu cách cửa núi gần, độ cầu cửa núi nối kè bó dịng l−u l−ợng vị trí cầu trực tiếp dùng l−u l−ợng cửa núi Khi vị trí cầu cách cửa núi t−ơng đối xa bố trí nhiều độ cầu, tr−ớc tiên theo ph−ơng pháp tìm tổng l−u l−ợng tính gộp cầu, dựa vào cơng thức sau tính l−u l−ợng cầu:
( ) ( )
[ ]
∑
= 0,5 ,
RI W
K I R C Q Q
C i i i P i
(5-12) đó:
Qp: tổng lu lợng thiết kế tính gộp cầu, m3/s; Qi: lu lợng thiết kế cầu, m
3 /s;
K: hệ số tăng c−ờng xét tới trị số phân phối l−u l−ợng không ổn định (ph−ơng pháp xác định xem ⇓5.1);
Wi, Ci, Ri, Ii: diện tích n−ớc, hệ số Sêdi, bán kính thuỷ lực độ dốc mặt n−ớc cầu Việc xác định yếu tố thuỷ lực dựa vào mặt cắt hình thái thẳng góc với l−u h−ớng mực n−ớc lũ lịch sử điều tra đ−ợc để tính tốn
Giữa cầu vào chỗ địa hình lồi lõm mặt cắt làm đ−ờng phân giới l−u l−ợng Khi điều tra mực n−ớc lũ lịch sử cần ý mặt n−ớc có độ vồng độ dốc ngang, phải tiến hành điều tra dịng nhánh, không nên lấy mực n−ớc lũ điều tra vị trí làm mực n−ớc chung cho tồn mặt cắt
d. Tính độ
Tr−ớc tính độ phải vào l−u l−ợng thiết kế cầu tìm đ−ợc theo cơng thức Sedi - Maning tính mực n−ớc thiết kế Khi dùng kè bó dịng nối liền độ cầu cửa núi, chiều rộng lịng sơng độ cầu kè thắt n−ớc khơng đ−ợc bóp hẹp cần dùng cầu t−ơng đối rộng Nếu vị trí cầu cách cửa núi t−ơng đối xa mà dùng ph−ơng án bắc nhiều cầu theo ph−ơng pháp tính độ nhiều cầu sông Đ5.1 để xác định độ Khi tính cần ý: Nếu tuyến đ−ờng khơng thẳng góc với l−u h−ớng dịng nhánh tr−ớc hết phải dựa vào mặt cắt phụ th−ợng l−u thẳng góc với l−u h−ớng để tính đ−ợc độ cần thiết, sau xét chảy xiên mà xác định độ vị trí cầu Đồng thời từ mực n−ớc tính tốn mặt cắt th−ợng l−u, tìm mực n−ớc thiết kế d−ới cầu theo độ dốc lòng sông
5.2.3 Sông vùng hồ ao, đầm lầy nội địa
(17)Khu vực trũng n−ớc nơng có lau sậy… mọc um tùm gọi vùng đầm lầy Khu vực trũng có vũng n−ớc sâu, khơng có cỏ mọc gọi ao hồ Xung quanh ao hồ th−ờng có nhiều dịng nhánh chảy vào Nói chung n−ớc chứa hồ ao khơng chảy ngồi, nh−ng có số hồ ao mực n−ớc lũ dâng cao tới mức chảy vào hồ ao thấp cạnh tràn sông lớn
Sông nội địa chảy qua vùng núi có lịng sơng sâu rõ ràng, tới vùng phẳng, lịng sơng rộng nơng uốn khúc, lũ n−ớc chảy tràn lan, độ dốc thoải, l−u tốc l−u l−ợng so với vùng núi giảm đi, nh−ng dòng n−ớc chảy vào khu vực ao hồ lòng sông đi, mặt n−ớc rộng, độ dốc nhỏ, l−u tốc, l−u l−ợng nhỏ
b. Xác định mực n−ớc thiết kế
NÕu kh«ng có tài liệu quan trắc thuỷ văn, tham khảo công thức (2 45)
c. Xỏc nh l−u l−ợng thiết kế
Khu vực hồ ao đầm lầy th−ờng khơng có ng−ời ở, tài liệu trạm thuỷ văn thiếu, điều tra mực n−ớc lũ lịch sử lại khó khăn Do bãi sơng rộng nên mực n−ớc sai chút ảnh h−ởng nhiều đến l−u l−ợng D−ới giới thiệu số ph−ơng pháp tính, ứng dụng nên đối chiu ln
ã Phơng pháp hình thái:
Tiến hành khảo sát hình thái chỗ cửa núi phía th−ợng l−u để xác định l−u l−ợng lớn lịch sử Dựa vào trị số Cv, Cs vùng tính đổi thành l−u l−ợng theo tần suất thiết kế dùng ph−ơng pháp triết giảm truyền lũ (xem ch−ơng III), tính l−u l−ợng chỗ sơng đổ vào hồ
Nếu điều kiện cho phép, đo mặt cắt hình thái cạnh bờ hồ tính l−u l−ợng i chiu
ã Phơng pháp tính theo công thức Đ.L.Xôkôlôpxki
Sau iu tra v tớnh đ−ợc l−u l−ợng lớn lịch sử cửa núi xác định hệ số dịng chảy theo cơng thức:
( ) δ
α
f F H H
t Q
o T
l
278
,
−
=
(5-13)
ý nghĩa ký hiệu nêu công thức Đ.L.Xôkôlôpxki ch−ơng II Từ hệ số dịng chảy lũ lịch sử nói tính đổi thành hệ số dịng chảy tần suất lũ thiết kế theo công thức sau:
n P α α α α' =
(18)αp: hệ số dòng chảy khu vực tơng ứng với tần st lị thiÕt kÕ, tra b¶ng - 11;
n: hệ số dòng chảy khu vực tơng ứng với tần suất lũ lịch sử ,tra bảng - 11
Căn vào hệ số dòng chảy tính lu lợng ứng với tần suất thiết kế chỗ cửa núi theo công thức Đ.L.Xôkôlôpxki
Cng cú th tính l−u l−ợng cạnh hồ ao theo cơng thức Đ.L.Xôkôlôpxki nh−ng xác định trị số α dùng thời gian tập trung n−ớc t công thức sau:
2 1
67 , 16
V L V
L
t ⎟⎟+
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛
=
(5-15) đó:
LI, L2: chiều dài l−u vực từ đỉnh phân thuỷ tới cửa núi từ cửa núi tới mép hồ, km;
VI, V2: l−u tốc bình quân từ đỉnh phân thuỷ tới cửa núi từ cửa núi tới mép hồ, m/s;
Kết tìm đ−ợc ph−ơng pháp phải so sánh lẫn để định trị số l−u l−ợng chảy vào hồ ao sử dụng cho thiết kế
• Nếu tuyến đờng qua hồ, phải xét tới tác dụng triết giảm lũ chứa hồ, lu lợng vị trí cầu tính theo công thức sau:
Q’
p= Qp - η (Qp + Qc + Qo)
(5-16) đó:
Q’p: l−u l−ỵng vị trí cầu, m
/s; Qp: lu lợng chảy vào hồ, m3/s;
: tỉ số diƯn tÝch chøa n−íc ë hå vỊ phÝa th−ỵng l−u cầu với diện tích chứa nớc toàn hồ;
Qc: l−u l−ợng sông khác chảy vào hồ (thơng th−ờng xét điều kiện bất lợi tức giả định sông khác không chảy đồng thời Qc = 0);
Qo: l−u l−ỵng ë hå trµn lị, m3/s
d. Tính độ
(19)Điều kiện bất lợi để tính độ th−ờng xảy tr−ờng hợp mực n−ớc bình th−ờng
Lấy mực n−ớc bình th−ờng làm mực n−ớc tính tốn b−ớc xác định độ nh− sau:
Thông th−ờng tính tốn cầu lớn cầu trung, khơng xét tới triết giảm l−u l−ợng tích n−ớc tr−ớc cầu gây nên, cịn dịng sơng nội địa, tổng thể tích dịng chảy t−ơng đối nhỏ, mà thể tích chứa n−ớc hồ t−ơng đối lớn, tính độ cần phải xét tới triết giảm l−u l−ợng tích n−ớc tr−ớc cầu
• TÝnh mùc n−íc chøa lu lợng thoát dới cầu nh sau: ( )H f W W Q
QC P ak ⎟=
⎠ ⎞ ⎜
⎝ ⎛ −
=
(5 -17)
trong đó:
QC: lu lợng thoát qua cầu sau điều tiết, m3/s; Qp: l−u l−ỵng thiÕt kÕ, m3/s;
W: tỉng thĨ tích dòng chảy (xem mục Đ2.4 chơng II);
Wak: thể tích lớp nớc phía mực nớc bình thờng thợng lu cầu, m3
Tớnh th quan hệ QC = f(H) nh− bảng sau: Mực n−ớc tr−ớc
cÇu H (m)
Δz (m)
Wak (105 m3)
Wak/W -Wak/W Qc (m3/s)
ã Công thức tính chiều cao nớc dềnh cho phÐp nh− sau:
Δz≤ 0,9 - ib (Ln - a) - iδ (b + d) -in Ln
(5-18) đó:
ib= ϕ iδ: độ dốc dịng n−ớc ven theo đ−ờng phía th−ợng l−u cầu:
ϕ: hệ số tra theo bảng – ; iδ: độ dốc dòng n−ớc thiên nhiên;
in: độ dốc dịng n−ớc ven theo đ−ờng phía hạ l−u in =0,5iδ;
Ln: cự li từ cao độ vai đ−ờng cần thiết đến mép tr−ớc mố cầu gần nhất, m; a: hình chiếu kè h−ớng dịng, phía th−ợng l−u trục đ−ờng, m;
(20)d: hình chiếu kè hớng dòng, phía hạ lu ®−êng ph¸p tun cđa trơc nỊn ®−êng;
h1: chiỊu sâu bình quân đoạn bÃi sông dới cầu điều kiện thiên nhiên, m;
Bảng 5-2
B¶ng tra hƯ sè ϕ
h1/(h1 + Δz) 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30
ϕ 0,50 0,35 0,24 0,15 0,09 0,05 0,02 0,01
• Tính độ cần thiết theo cơng thức sau: P h V
Q L
cp C cb = μ
(5-19) đó:
μ: hệ số thắt hẹp dòng chảy trụ cầu, tra bảng ch−ơng IV; Lcb: tổng chiều dài độ tính toán cầu, m;
Q: xác định l−u l−ợng thoát n−ớc d−ới cầu hình (5-7) dựa theo trị số Δz cho phép, m3/s;
hcp: chiỊu s©u n−íc bình quân dới cầu, m;
VC: lu tốc bình quân lòng sông điều kiện tự nhiên, m/s
,
15 ,
0 ⎥⎦
⎤ ⎢
⎣ ⎡Δ + = Z V
Vc
(5-20) Vo: l−u tèc bình quân toàn mặt cắt sông trớc làm cầu, m/s;
P: hÖ sè xãi cho phÐp tra theo b¶ng -
QC = f(H)
Q(m3
/s)
ΔZ(m) H
(m)