Phương án Lý trình Lưu lượng thiết kế Q(m3/s)
PA I Km3+817.62 23.886
PAII Km 0+698.28 61.131
Km 3+441.19 21.212
Km 5+508.38 31.601
Lòng suối dưới cầu được gia cố xử lý như sau : lòng suối được san phẳng tạo mặt cắt ngang thoát nước có dạng hình thang, mái ta luy là 1:1.5. Trong khi thi công dòng chảy được dẫn tạm ra ngoài khu vực cầu nhờ kênh đào công vụ. Lòng suối dưới cầu dự kiến gia cố đá lát cỡ 20cm có tốc độ xói cho phép là Vox = 3.5m/s.
Bề rộng lòng suối sau xử lý là 10m . ( Không có số liệu địa mạo thủy văn lòng suối để minh họa cho tính toán ta giả thiết lòng suối khi chưa gia cố cũng có tiết diện hình thang gần giống như khi đã gia cố tức là có bề rộng đáy là 10m, ta luy 1 :1.5 độ dốc tại vị trí cầu là 0.014 và độ nhám lòng suối là n = 0.05 ứng với đáy suối có lớp phủ thực vật và có dòng chảy theo chu kì).
Hình 5.1 Mặt cắt lòng sông - Chu vi ướt: χ = +b h 1 m( + 12 + 1 m+ 22)
- Diện tích ướt: ω = +(m1+m2) 2
b.h .h
2
Với m1 và m2 là hệ số mái dốc của bờ trái và bờ phải bờ, b là bề rộng đáy suối và h là chiều sâu mực nước.
• Xác định chiều sâu dòng chảy tự nhiên hδ: Phương pháp xác định hδ:
Ta giả thiết chiều sâu dòng chảy h => tính được lưu lượng Q Ưùng với: h1 (m) => Q1 (m3/s)
h2 (m) => Q2(m3/s) h3 (m) => Q3 (m3/s)
Xác định lưu lượng Q tương ứng với h theo phương pháp thử dần (trang 68 sách thiết kế cầu cống nhỏ) như sau:
= ω = ω o
Q .V .C. R i
Với: C – Hệ số Sêdi
= = ω χ 1 y
C R ;R n Trong đó:
Chọn b = 10m, hệ số mái dốc m1 = m2 = 1.5 Tính y gần đúng theo công thức:
Khi 0.1m < R < 1m => y=1.5 n Khi 1m < R < 3m => y=1.3 n Và khi R lớn thì y = 1
6 theo Maninh
n = 0.05: hệ số nhám của dòng sông dưới cầu.
io: độ dốc tự nhiên của dòng sông.
ω: Diện tích ướt của mặt cắt.
So sánh Q với Qtk nếu sai số ≤ 5% thì dùng hδ giả định, nếu sai số >5% thì giả định lại hδ và tính lại từ đầu.
Bảng xác định chiều sâu dòng chảy tự nhiên
PA Lyù
trình hδ
(m)
ω (m2)
χ (m)
R
(m) y C
(m)
v (m/s)
io
%o
Qc (m3/s)
Q_tte (m3/s)
Sai số
% 1 11.50 13.61 0.85 0.34 18.90 1.65 8.97 18.93 23.89 20.7
1.15 13.48 14.15 0.95 0.34 19.68 1.82 8.97 24.54 23.89 -2.7 1.2 14.16 14.33 0.99 0.34 19.92 1.88 8.97 26.56 23.89 -11.2 1.3 15.54 14.69 1.06 0.29 20.33 1.98 8.97 30.76 23.89 -28.8 1.4 16.94 15.05 1.13 0.29 20.70 2.08 8.97 35.24 23.89 -47.5
PAII Km 0+698.28
2.3 30.94 18.29 1.69 0.29 23.30 1.72 3.23
4 53.31 61.13 12.8
2.4 32.64 18.65 1.75 0.29 23.54 1.77 3.23
4 57.79 61.13 5.5
2.5 34.38 19.01 1.81 0.29 23.76 1.82 3.23
4 62.45 61.13 -2.2
2.6 36.14 19.37 1.87 0.29 23.98 1.86 3.23
4 67.31 61.13 -10.1 2.7 37.94 19.73 1.92 0.29 24.19 1.91 3.23
4 72.35 61.13 -18.3
Km3+441.19 1.1 12.82 13.97 0.92 0.34 19.43 1.56 6.98 19.93 21.21 6.0 1.15 13.48 14.15 0.95 0.34 19.68 1.61 6.98 21.65 21.21 -2.0 1.2 14.16 14.33 0.99 0.34 19.92 1.65 6.98 23.43 21.21 -10.5 1.3 15.54 14.69 1.06 0.29 20.33 1.75 6.98 27.14 21.21 -27.9 1.4 16.94 15.05 1.13 0.29 20.70 1.84 6.98 31.09 21.21 -46.5
Km5+508.38
1.1 12.82 13.97 0.92 0.34 19.43 1.79 9.2 22.88 31.60 27.6 1.2 14.16 14.33 0.99 0.34 19.92 1.90 9.2 26.90 31.60 14.9 1.3 15.54 14.69 1.06 0.29 20.33 2.01 9.2 31.15 31.60 1.4 1.4 16.94 15.05 1.13 0.29 20.70 2.11 9.2 35.69 31.60 -12.9 1.5 18.38 15.41 1.19 0.29 21.05 2.21 9.2 40.52 31.60 -28.2 Vậy độ sâu dòng chảy tự nhiên cho hai phương án là:
Phương án Lý trình hδ(m) Qδ(m3/s)
PA I Km3+817.62 1.15 23.886
PAII Km 0+698.28 2.5 61.131
Km 3+441.19 1.15 21.212
Km 5+508.38 1.3 31.601
• Ta chọn phương án gia cố lòng lạch dưới cầu.
Gia cố lòng lạch dưới cầu bằng một lớp đá xếp khan. Dùng loại mố cầu có một phần tư nón mố với độ dốc ta luy 1:m = 1:1.0
• Chiều sâu phân giới hk.
Chiều sâu phân giới hk là chiều sâu dòng chảy ứng với chế độ nước chảy phân giới (chiều sâu tương ứng với tiết diện dòng chảy có tỷ năng mặt cắt nhỏ nhaát).
Với mặt cắt dòng chảy hình thang, chiều sâu phân giới được xác định theo công thức (10-23) sách thiết kế đường tập 3:
− − ω
=
k 2k k
k
B B 4m
h 2m
Trong đó : k P%3 k
B g Q
v
= ì
εì αì ; k P%
k
Q ω = v
εì
vk = vox : Lưu tốc cho phép không gây xói lở địa chất ở đáy suối. => vk = 3.5 m/s (gia cố đá lát)
ε = 0.9: Hệ số khi cú ẳ nún đất ở mố cầu.
ωk: Tiết diện ướt của dòng khi chảy phân giới.
Bk: Chiều rộng mặt thoáng của tiết diện ướt.
α: Hệ số điều chỉnh động năng Kôriolit, lấy bằng 1.0 m : Độ dốc taluy nón mố.
g: gia tốc trọng trường (m/s2)
Qtk = Qp% : lưu lượng ứng với tần suất thiết kế (m3/s).
Bảng xác định chiều sâu phân giới hk
PA Lyù trình Qtk(m3/s) h Vk
(m/s) g m Bk k hk
(m) PAI Km3+817.62 23.886 1.15 3.5 9.81 1 1.0 6.072 7.5829 1.76
PAII
Km 0+698.28 61.131 2.5 3.5 9.81 1 1.0 15.54 19.407 1.37 Km 3+441.19 21.212 1.15 3.5 9.81 1 1.0 5.393 6.734 1.96 Km 5+508.38 31.601 1.3 3.5 9.81 1 1.0 8.034 10.032 1.55 Xác định chế độ chảy dưới cầu.
Chế độ chảy dưới cầu được xác định trên cơ sở so sánh hai giá trị là chiều sâu dòng chảy tự nhiên và chiều sâu dòng chảy phân giới.
hδ 1.3hk: Chảy tự do.
hδ > 1.3hk: Chảy ngập.
Bảng xác định chế độ chảy dưới cầu
PA Lý trình h hk 1.3hk Chế độ chảy
PAI Km3+817.62 1.15 1.76 2.288 Chảy tự do
PAII
Km 0+698.28 2.5 1.37 1.781 Chảy ngập Km 3+441.19 1.15 1.96 2.548 Chảy tự do Km 5+508.38 1.3 1.55 2.015 Chảy tự do
• Tính khẩu độ cầu.
Chế độ chảy ngập.
Khẩu độ cầu :
δ δ
δ
= + + = + +
εì ìtk
c tb
c
L b mh Nd Q mh Nd
h v
Trong đó: N : Số trụ cầu (Vì cầu nhỏ 1 nhịp nên => N=0) d : Bề rộng trụ (Vì cầu nhỏ chỉ có mố nên => d=0) btb =
εì ìδtk c
Q h v
Qtk: Lưu lượng thiết kế (m3/s).
ε: Hệ số thu hẹp do mố trụ, lấy bằng 0.9 vỡ cú ẳ nún mố.
m: Độ dốc mái ta luy nón mố, m = 1.0
Vcp: Lưu tốc cho phép dưới cầu, như trên ta có Vcp = 3.5 m/s.
α: Hệ số điều chỉnh động năng, lấy bằng 1.0
Vậy : δ
δ
= +
εì ì
c tk
c
L Q mh
h v
Bảng xác định khẩu độ cầu PA Lyù trình Qtk(m3/s) Vcp(m/s) m H(
m) Lc (m) PA IIKm 0+698.28 61.131 3.5 1.00 0.90 1.0 2.5 10.26
Chế độ chảy tự do : Khẩu độ cầu:
= + = ì + εìα ì
c k tk 3
k
L B Nd g Q Nd
v
Trong đó: N : Số trụ cầu (Vì cầu nhỏ 1 nhịp nên => N=0) d : Bề rộng trụ (Vì cầu nhỏ chỉ có mố nên => d=0)
= tk 3 k
k
B g Q ε α v
ì
ì ì
Qtk: Lưu lượng thiết kế (m3/s).
ε: Hệ số thu hẹp do mố trụ, lấy bằng 0.9 vỡ cú ẳ nún mố.
m: Độ dốc mái ta luy nón mố, m = 1.5.
Vcp: Lưu tốc cho phép dưới cầu, như trên ta có Vcp = 3.5 m/s.
α: Hệ số điều chỉnh động năng, lấy bằng 1.0 Vậy : = = ì
εìαì
tk
c k 3
k
L B g Q
v
Bảng xác định khẩu độ cầu
PA Lyù trình Qtk(m3/s) Vcp(m/s) m g(KN/m2 Lc (m)
PAI Km3+817.62 23.886 3.5 1.00 0.90 1.0 9.81 6.1
PA II Km3+441.19 21.212 3.5 1.00 0.90 1.0 9.81 5.4
Km 5+508.38 31.601 3.5 1.00 0.90 1.0 9.81 8.03
• Xác định chiều sâu nước dâng trước cầu.
Chế độ chảy ngập.
Chế độ nước chảy dưới cầu là chế độ chảy ngập, do vậy chiều sâu nước dâng trước cầu được xác định theo công thức (10-29) cách thiết kế đường tập 3:
δ
αì
= + α ì −
ì ì ψ ì ì ψ
2 2
0 k
2 2
v H h v
2 g 2 g
Trong đó: hδ :Chiều sâu dòng chảy tự nhiên
ψ : Hệ số vận tốc. Khi cú ẳ nún đất ở mố cầu ψ = 0.9 Vk: Tốc độ nước chảy dưới cầu lấy bằng tốc độ cho phép của vật liệu gia cố Vk=3.5m/s.
V0 : Tốc độ nước chảy ở thượng lưu ứng với chiều sâu H.
α : heọ soỏ Koõriolit, α =1
Đây là bài toán giải lặp, trình tự giải như sau:
- Giả định một VH ban đầu.
- Tính H theo công thức như trên.
- Tính diện tích ướt ω = LcH-mH2 - Tính lại V’H = Qtk/ω.
- So sánh VH và V’H.
Bảng xác định mực nước dâng trước cầu ở chế độ chảy ngập PA Lyù trình hδ
(m) Vk(m/s) g V(m/s) H(m) Lc(m)m
2) Qtk(m3/s)V'(m/s)
PAII Km
0+698.28
2.5 1 3.5 9.81 0.9 3.000 2.70 11.51 20.16 61.131 3.033 2.5 1 3.5 9.81 0.9 3.100 2.67 11.51 20.03 61.131 3.053 2.5 1 3.5 9.81 0.9 3.200 2.63 11.51 19.88 61.131 3.074
Chế độ chảy tự do.
Chế độ nước chảy dưới cầu là chế độ chảy tự do, do vậy chiều sâu nước dâng trước cầu được xác định theo công thức (10-26) cách thiết kế đường tập 3:
α ì
= + α ì −
ì ì ψ ì ìψ
2 2 k 0
k 2 2
v H h v
2 g 2 g
Trong đó: hδ :Chiều sâu dòng chảy tự nhiên
ψ : Hệ số vận tốc. Khi cú ẳ nún đất ở mố cầu ψ = 0.9 Vk: Tốc độ nước chảy dưới cầu lấy bằng tốc độ cho phép của vật liệu gia cố Vk=3.5m/s.
V0 : Tốc độ nước chảy ở thượng lưu ứng với chiều sâu H.
α : heọ soỏ Koõriolit, α =1
Đây là bài toán giải lặp, trình tự giải như sau:
- Giả định một V ban đầu.
- Tính H theo công thức như trên.
- Tính diện tích ướt ω = LcH-mH2 - Tính lại V’H = Qtk/ω.
- So sánh VH và V’H.
Bảng xác định mực nước dâng trước cầu ở chế độ chảy ngập PA Lyù trình hk
(m) Vk(m/s) g V(m/s) H(m) Lc(m)m
2) Qtk(m3/s)V'(m/s)
PAI Km
3+817.62
1.76 1 3.5 9.81 0.9 4.000 1.52 6.10 5.81 23.886 4.110 1.76 1 3.5 9.81 0.9 4.300 1.37 6.10 5.54 23.886 4.315 1.76 1 3.5 9.81 0.9 4.400 1.31 6.10 5.42 23.886 4.406
PAII Km
3+441.19
1.96 1 3.5 9.81 0.9 4.500 1.46 5.40 4.68 21.212 4.530 1.96 1 3.5 9.81 0.9 4.600 1.40 5.40 4.62 21.212 4.593 1.96 1 3.5 9.81 0.9 4.700 1.34 5.40 4.54 21.212 4.669 Km
5+508.381.55 1 3.5 9.81 0.9 3.700 1.46 8.03 8.52 31.601 3.707 1.55 1 3.5 9.81 0.9 3.800 1.41 8.03 8.35 31.601 3.785 1.55 1 3.5 9.81 0.9 3.900 1.36 8.03 8.16 31.601 3.872
Vậy chiều sâu nước dâng trước cầu ứng với phương án.
PA Lyù trình H (m)
PA I Km3+817.62 1.31
PAII
Km 0+698.28 2.7
Km 3+441.19 1.4
Km 5+508.38 1.46
• Tính chiều dài cầu, cao độ mặt cầu và cao độ tối thiểu đường vào đầu cầu.
Tính cao độ tối thiểu của mặt cầu so đáy sông:
Hcaàu =0.88ì H + ∆ + C Trong đó:
C: chiều cao cấu tạo của hệ mặt cầu, chọn C = 1.2m.
0.88ìH: chiều cao nước chảy dưới cầu.
∆: tĩnh không dưới cầu, phụ thuộc vào đặc điểm và yêu cầu thông thuyền của từng sông.
Ta có bảng tính kết quả như sau:
PA Lyự trỡnh C H 0.88ìH Hcaàu (m)
PAI Km3+817.62 1.2 1 1.31 1.153 3.4
PAII
Km 0+698.28 1.2 1 2.7 2.376 4.6
Km 3+441.19 1.2 1 1.4 1.232 3.4
Km 5+508.38 1.2 1 1.46 1.285 3.5
Chiều dài cầu:
Chiều rộng đáy tiết diện hình thang là b. Khi đáy lớn là Lc ; chiều cao là hk ; taluy nón mố 1:m = 1:1.0. Suy ra
b = Lc - 2.m.hk
Chiều dài toàn bộ cầu:
L = b + 2.m.Hc
Ta có kết quả tính theo bảng sau:
PA Lyù trình Lc hk m b Hc L (m)
PA I Km3+817.62 6.1 1.76 1.0 2.58 3.4 10
PAII
Km 0+698.28 10.26 1.37 1.0 7.52 4.6 17
Km 3+441.19 5.4 1.96 1.0 1.48 3.4 9
Km 5+508.38 8.03 1.55 1.0 4.93 3.5 12
Cao độ tối thiểu nền đường vào đầu cầu so đáy sông.
Cao độ tối thiểu của nền đường đầu cầu được xác định theo công thức sau:
Hn = maxH + 0.5m ; H + Σhmd Trong đó:
H: Chiều cao nước dâng trước cầu
Σhmd : chiều dày kết cấu mặt đường, Σhmd = 0.74m Ta có kết quả tính theo bảng sau: