Khảo sát và thiết kế đường sắt part 9 potx

Khi tính toán cần chú ý những công thức trên và phụ lục 1 cho khả năng thoát nước của cống vì vậy khi dựa vào trị số lưu lượng từ lưu vực ñể ñổ về ñể xác ñịnh khẩu ñộ cống phải xét tới ả

cho tất cả cỏc loại miệng cống trừ loại làm việc theo dạng dũng chảy ñảm bảo cho chế ñộ chảy có áp

ωC - Tiết diện nước chảy tại chỗ bị thu hẹp trong cống

hC - Chiều sâu nước chảy trong cống tại chỗ thu hẹp thường lấy hC = 0,9hk

hk - ðộ sâu phân giới

g - Gia tốc trọng trường lấy bằng 9,81 m/s2

Vì giữa H và hC có quan hệ (phương trình Bécnuli)

2

2

2 g ϕ

V h

ðối với tiết diện hình tròn, ωC ñược xác ñịnh trong ñồ thị sau:

Ở ñồ thị này cho quan hệ giữa 2

2d

0,5

Rd

whc

c

h×nh häc tiÕt diÖn h×nh trßn

6.5.2.2 Chế ñộ bán áp

Chú ý: Sau ñây là các ñiều kiện ñể lập bảng trên

- Cống không bị ngập ở hạ lưu (hk > 1,3 hb) hb là chiều sâu nước chảy bình thường sau cống

- ðộ dốc của công ñặt theo ñộ dốc phân giới (ik) cho trường hợp cống không

áp và ñặt theo ñộ dốc ma sát in cho trường hợp cống có áp

- Vận tốc nước chảy trước cống bằng 0

6.5.3 Trình tự tính toán cống

Sau khi chọn loại cấu tạo cống, căn cứ vào lưu lượng ñể chọn ra một số phương án khẩu ñộ dựa theo các công thức (6 - 1), (6 - 2) hoặc phụ lục 1 Cũng từ ñó xác ñịnh ñược chiều sâu H, vận tốc V Dựa vào H và V mà ñịnh ra cao ñộ nền ñường (ngược lại là kiểm tra cao ñộ nền ñường ñã thiết kế), xác ñịnh các biện pháp gia cố thượng hạ lưu cống rồi tiến hành so sánh kinh tế kỹ thuật ñể chọn phương án thích hợp nhất

6.5.4 Các trường hợp tính toán thủy lực cống

Tùy theo ñiều kiện cụ thể mà tính toán cống

Có thể phân ra hai trường hợp

- Biết mực nước dâng cho phép (cao ñộ nền ñường cho phép) tốc ñộ nước chảy cho phép (vật liệu gia cố thượng lưu và hạ lưu cống) cần xác ñịnh khả năng

thoát nước của cống (xác ñịnh khẩu ñộ cống)

- Biết lưu lượng nước cần phải thoỏt qua cụng trỡnh xỏc ñịnh một số phương

án khẩu ñộ cống và các yếu tố thủy lực H, V Dựa vào H và V ñịnh cao ñộ nền ñường tối thiểu, biện pháp gia cố thượng, hạ lưu cống và tiến hành so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật ñể quyết ñịnh phương án có lợi nhất

Khi tính toán cần chú ý những công thức trên và phụ lục 1 cho khả năng thoát nước của cống vì vậy khi dựa vào trị số lưu lượng từ lưu vực ñể ñổ về ñể xác ñịnh khẩu ñộ cống phải xét tới ảnh hưởng của hiện tượng tích nước trước công trình ñã làm cho khả năng thoát nước của cống bé hơn lưu lượng cực ñại từ lưu vực về

Cao ñộ tối thiểu của nền ñường cần ñược quán triệt theo mục 2

Chọn chế ñộ làm việc của cống nói chung nên chọn loại không áp

6.5.5 Tính toán thủy văn cho cống hở (rãnh hở)

Trong các trường hợp ñường sắt chạy trong thành phố, thị xã, cảng biển không có ñiều kiện làm cống ngầm thì phải làm cống lộ thiên ðương nhiên trường hợp này khẩu ñộ cống nhỏ 0,5 - 0,7m tương ñương với lưu lượng thoát qua QP ≤ 3,5m3/s và chiều sâu rãnh không quá 2m Chiều sâu mực nước cho phép trong rãnh y

= h - 0,5 trong ñó: h là chiều cao nền ñường lấy ở trắc dọc mặt khác y = 1,6

1 Mặt ñáy công trình coi như ngang

2 Lực cản dòng chảy khi vào và ra công trình là một lượng vô cùng bé

3 Mặt nước trong công trình nằm ngang dù chỉ từng ñoạn một trong giới hạn

ñó dòng chảy ổn ñịnh và song song

Như trên ñã nói do các giả thiết này nên ta ứng dụng hiện tượng nước chảy qua ñập tràn ñỉnh rộng ñể tính toán thủy văn cho cầu

Hình vẽ và khái niệm các chế ñộ chảy của nước dưới cầu

- Chảy tự do: Mực nước nhảy sóng nhưng mực nước hạ lưu không ảnh hưởng ñến mực nước ở thượng lưu

- Chảy ngập: Mực nước êm nhưng mực nước hạ lưu ảnh hưởng ñến mực nước thượng lưu

- Nếu ñộ dốc dưới cầu lớn hơn ñộ dốc phân giới ik tính như dốc nước

6.6.2 Trình tự tính toán thủy lực cầu nhỏ

- Xác ñịnh tốc ñộ và chiều sâu nước chảy trong suối lúc tự nhiên Giả thiết các chiều sâu nước chảy trên suối 1, 2, 3, 4 mét ứng với mỗi chiều sâu ñó tính lưu lượng theo các công thức Sêri, Mawinh hay Pavlôpsky, có các số liệu về lưu lượng ứng với các chiều sâu khác nhau về quan hệ hδ - Q Dựa vào ñường quan hệ hδ - Q ứng với lưu lượng thiết kế QC xác ñịnh chiều sâu nước chảy hδ và tốc ñộ nước chảy

Vδ (hình 6-13, 6-14)

- Chọn phương án xử lý lòng suối, tùy theo ñịnh hình cụ thể và khẩu ñộ cầu chọn phương án xử lý lòng suối dưới cầu (ñào lòng suối ñể có dạng chữ nhật và gia

cố hay ñể lòng suối có dạng tự nhiên, dùng mố có mố ñất 1/4 nón hay không có 1/4 nón v.v )

- Xác ñịnh chiều sâu phân giới hk từ ñiều kiện

g

Q B

C K

K

2 3

ε

Trong ñó BK ωK chiều rộng lòng suối có tiết diện chảy ứng với chiều sâu hk

ε - Hệ số thu hẹp lấy như sau: ε = 0,90 mố có mặt ñất 1/4 nón

Trong ñó α - Hệ số Kôriolit, lấy bằng 1 - 1,1

ðối với tiết diện lòng suối hình thang:

m

m B B

2

42

K =εα , K

C K V

A - Vận tốc cho phép không xói của các loại gia cố

Chiều sâu dòng nước

Tốc ñộ nước chảy trung bình m/s

1 Lát cỏ (nằm trên nền chắc) 0,9 1,2 1,3 1,4 Lát cỏ trồng thành tường 1,5 1,8 2,0 2,2

4 Lát ñá một lớp trên lớp guột hay rơm rạ

(lớp này không bé hơn 5cm)

a Loại ñường kính 15cm 2,0 2,5 3,0 3,5

b Loại ñường kính 20cm 2,5 3,0 3,5 4,0

c Loại ñường kính 25cm 3,0 3,5 4,0 4,5

5 Lát ñá trên lớp ñá dăm hay sỏi (lớp ñá

dăm không bé hơn 10cm)

a Bằng ñá cỡ 15cm 2,5 3,0 3,5 4,0

b Bằng ñá cỡ 20cm 3,0 3,5 4,0 4,5

c Bằng ñá cỡ 25cm 3,5 4,0 4,5 5,0

6 Lát ñá cẩn thận, các kẽ có chèn chặt ñá

con, trên lớp ñá dăm (hay sỏi) lớp ñá

dăm không bé hơn 10cm

h , hgc chiều dày lớp gia cố

9 Gia cố mềm bằng thân cây

a Khi chiều dày là 50cm 2,5 3,0 3,5

b Với các chiều dày khác Như mục 9a nhân với hệ số ñiều chỉnh 0,2

13 Gia cố bằng lớp áo bê tông mác 200 6,5 8,0 9,0 10,0 mác150 6,0 7,0 8,0 9,0 mác 100 5,0 6,0 7,0 7,5

14 Móng bê tông có trát nhẵn mặt mác 200 13 16 19 20 mác 150 12 14 16 18 mác 100 10 12 13 15

B Vận tốc không sói cho phép trung bình khi gia cố ta luy và lòng suối

Chiều sâu dòng nước chảy (m)

- Xác ñịnh khẩu ñộ cầu và chiều sâu nước dâng trước cầu

Sau khi xác ñịnh hδ và hk, so sánh 1,3 hk và hδ có thể gặp hai trường hợp sau: + Nếu hδ ≤ 1,3 hk, khẩu ñộ cầu LC xác ñịnh theo công thức:

3

K

C K

C

V

Q g B L

αε

22

αψ

α

g

V g

V h

V h

Q b

btb - Khẩu ñộ cầu ứng với chiều sâu nước chảy hδ/2

Chiều sâu nước dâng trước cầu:

2 2

22

αψ

α

g

V g

V C C

Căn cứ vào khẩu ñổ cầu vừa xác ñịnh, chọn chiều dài cầu ñịnh hình gần nhất

và tính lại chiều sâu H, tốc ñộ nước chảy dưới cầu VC

- Chiều cao nền ñường tối thiểu

- Chiều cao cầu tối thiểu

Hcầu = 0,88H + t + K Trong ñó t là tĩnh không dưới cầu

K chiều cao dầm cầu

0,88H - Chiều sâu nước chảy dưới cầu

Theo kinh nghiệm thực tế chỉ nên gia cố lòng suối dưới cầu khi khẩu ñộ cầu dưới 10m Nếu khẩu ñộ cầu lớn hơn 10m phải tiến hành so sánh nó với phương án cho phép lòng suối dưới cầu xóa ñi một chiều sâu nhất ñịnh

6.6.3 Ví dụ tính toán thủy văn cầu nhỏ

Biết Q300 = 16,9 m3/s, Q100 = 12,5 m2/s, cao ñộ mặt ñất trụ cầu 197,47m, cao

ñộ vai ñường 200,07 chiều dày lớp ba lát từ ñáy ray ñến vai ñường 0,75m ðộ dốc lòng lạch = 0,017 Hệ số nhám γ = 2,75 Tính khẩu ñộ của công trình ñó, cho biết trắc

ngang ñáy cầu là:

có hδ tạo ra Q tương ñương Qmax

Sau khi làm nhiều lần như vậy có hδ =1,13, hδ = 0,93

2 Tính diện tích ω ở dưới cầu khi có chiều cao hδ

42

47,19797,1972

97,1976,1988,42

97,1976,198

x x

dc= − + − + − ω

5,22

03,1986,19882

03,1986,19847,1976

−+

ωdc = 12,48 (m2)

3 Tính chu vi thấm nước ở dưới cầu:

++

+++

,

4 Tính bán kính thủy lực

60,19

48,12

dc R

γ+1

87

R n

Vậy 0,64 0,007

64,0

75,21

87

x x

max− ≤

Q

Q Q

Thay số giữa Q và Q300 ta ñược:

%51009,16

5,169,

Vậy có thể coi rằng cao ñộ 198,6 tương ñương với lưu lượng lớn nhất

Bằng cách tương tự như vậy, chúng ta kiểm tra các cao ñộ mực nước tương ñương Q100

Tiết diện dòng chảy dưới cầu

ωdc = 10,2 m2Chu vi thấm nước dưới cầu

Pδ = 17,05m Bán kính thủy lực dưới cầu

Rδ = 0,59m

05,17

2,

Vận tốc dòng chảy dưới cầu

007,059,059,0

75,21

%6,21005

,12

05,125,

Bằng cách ñó chiều sâu hδ là:

hδ = 198,4 - 197,47 = 0,93m Bước 2: Chọn loại củng cố lòng lạch như sau: ñá ba loại to kích thước 20cm,

ñộ sâu dòng chảy trong công trình là 1 Tra bảng phụ lục vận tốc không xói cho phép trung bình khi gia cố lòng suối ta ñược [v] = 3,5m/s

Bước 3: Tính hk theo công thức hk =

5,

3 2

So sánh hk và hδ thì:

0,9 ≤ 1,24 x 1,3 ðây là ñiều kiện chảy tự do

Bước 4: Tính b theo công thức 3

v

g q b

81,95,12

49,0

81,95,12

x

x b

g Q

15,36,1

2 2

'

49,0

81,99,16

300

x

x b

g x Q

56,36,

Hcầu = 0,88H + t + k Chiều cao dầm = 1m, tính không 0,25m

Hcầu = 0,88 (197,47 + 1,95) + 0,25 + 1 = 176,73m Vậy ñiều kiện kiểm tra chiều cao cầu ñảm bảo

Với cách làm như vậy, sau khi xác ñịnh ñược tần suất lũ p sẽ xác ñịnh Qp rồi dùng trị số Qp này ñể tính thuỷ lực Ta biết giá trị Qp là lưu lượng của dòng chảy chưa bố trí công trình về nguyên tắc nó luôn có sự khác biệt với lưu lượng thoát qua công trình, do mặt cắt ngang dòng chảy qua công trình khác biệt rất nhiều so với mặt cắt ngang dòng chảy tự nhiên, thì tỷ lệ chênh lệch trên sẽ ñạt giá trị ñáng kể và sẽ còn phải nghiên cứu ñầy ñủ hơn Thậm chí khi bố trí công trình theo các phương án khác nhau thì mức ñộ chênh lệch giữa Q lưu vực và Q thoát qua công trình cũng sẽ khác nhau ðiều ñó càng có ý nghĩa ñặc biệt ñối với các công trình nhỏ miền núi

6.7 XÁC ðỊNH KHẨU ðỘ CÔNG TRÌNH CÓ XÉT ðẾN HIỆN TƯỢNG TÍCH NƯỚC

Thực chất hiện tượng tích nước trước công trình là do khối lượng nước chảy

từ toàn bộ lưu vực về không thoát ñược kết quả công trình làm ứ ñọng lại trước công trình Lượng nước này làm tăng khả năng thoát nước qua công trình Khi nước lũ ñang lên và một thời gian sau nước lũ bắt ñầu xuống lưu lượng nước chảy qua công trình QC nhỏ hơn lưu lượng nước từ lưu vực chảy về

Ở bất kỳ thời ñiểm t nào lượng nước thoát qua công trình Wqc cộng với lượng nước tích lại trước công trình Wa cũng bằng tổng lượng nước từ lưu vực về WQ

WQ = WQC + Wa Giả thiết chiều sâu nước chảy H xác ñịnh WQ và WQC so sánh với WQ Trị số

Qp có thể xác ñịnh theo phương pháp ñơn giản hơn như sau:

QC - Lưu lượng lớn nhất thoát qua công trình

Qmax - Lưu lượng lớn nhất từ lưu vực chảy về

Wa - Thể tích nước tích lại trước công trình

W - Tổng thể tích dòng chảy

Thể tích nước tính lại trước công trình trên thực tế là:

Xác ñịnh theo bản ñồ có ñường ñồng mức nhân với chiều cao nước dâng H Hoặc có thể xác ñịnh giản ñơn hơn theo các công thức sau:

6.7.2 Công thức I Gkutsnirôm

α

ω cos

s a

i

H A

Trong ñó ω là tiết diện dòng chảy tại trước công trình khi chiều cao nước dâng H

is - ðộ dốc công trình (%o) trong phạm vi suối ngập

α - Gốc tạo thành tim ñường và trục vuông góc với suối

A - Hệ số phụ thuộc

H B.

H B.

H B.

m m W

m m K

Hình 6-15 Sơ đồ tính thể tích hồ chứa Wa

để xét tích nước trước công trìnhDựa vào kết quả tớnh toỏn trờn mỏy tớnh ủiện tử A.A Kugganụvich O.V andieev hiệu chỉnh lại cụng thức Kachờriu như sau:

Khi max ≤3

C Q

C

7,0

1

Khi max >3

C Q

- Xỏc ủịnh trị số wa theo cỏc chiều sõu nước H khỏc nhau theo cỏc cụng thức

- Vẽ ủồ thị khả năng thoỏt nước của cụng trỡnh, tung ủộ là chiều cao nước dõng H (H3), hoành ủộ là khả năng thoỏt nước của cống ðối với cỏc cống ủịnh hỡnh

ủồ thị H3 - QC ủược lập sẵn như sau:

- Dựa vào cụng thức (6 - 12), (6 - 13) vẽ quan hệ QC = f (H)

- Phõn tớch cỏc trị số QC tại giao ủiểm của 2 ủường cong QC = f (H) và Qcống = f(H) sẽ cú cỏc trị số H và QC ứng với cỏc cụng trỡnh cú khẩu ủộ khỏc nhau (hỡnh 6- 15) Như vậy rừ ràng là ta ủược một số lời giải chứ khụng phải lời giải duy nhất Cuối cựng bằng cỏch so sỏnh cỏc phương ỏn theo cỏc chỉ tiờu kinh tế kỹ thuật Chọn phương ỏn tối ưu

H2

hiện tượng tích nước trước công trình

QQc1

Qc3

Hình 6-16 Xác định khẩu độ công trình có xétH1

d2 < d1d1

d3 < d2H3

Hình 6-17 Mức độ tích nước phụ thuộc vào thể tích tương đối của hồ chứa nước

W

II- Theo công thức AnđiepI- Theo công thức Kachêrin

0,70,47

0,33

Wa1

0,62 II

1Q

IQc

6.8 MỘT SỐ GIẢI PHÁP CẤU TẠO CỐNG ðẶC BIỆT

6.8.1 Giải phỏp về thõn cống

Việc áp dụng các loại cống tròn có ñường kính D ≤ 1,5 m, bố trí theo các ñộ dốc xấp xỉ bằng ñộ dốc phân giới (0,5-1 %) chỉ có thể cho giá trị lưu tốc tối ña 4m/s Muốn cho lưu tốc trong cống lớn hơn, phải tăng ñộ dốc cống (chế ñộ thuỷ lực chuyển sang dạng dốc nước) và chuyển từ việc dùng nhiều khẩu ñộ sang việc dùng một khẩu ñộ cống lớn hơn Trong trường hợp cần thiết, phải kết hợp cả hai biện pháp (vừa tăng khẩu ñộ, vừa tăng ñộ dốc)

Tuy nhiên ñối với cống tròn thi công lắp ghép thì việc tăng khẩu ñộ lớn hơn giới hạn thường dùng (D = 1,5 m) sẽ gây khó khăn cho việc vận chuyển và lắp ghép;

do ñó nếu phải tăng khẩu ñộ cống thì nên dùng cống hộp, có ưu ñiểm là dễ cấu tạo ván khuôn, nên có thể thi công theo phương pháp ñổ tại chỗ, ngoài ra nó còn có các

ưu ñiểm như trong các trường hợp cần thiết có thể cho phép bố trí những khẩu ñộ khá lớn, do ñố có thể áp dụng các dòng chảy có các lưu lượng lớn, thậm chí có thể thay thế cho cả một số các công trình cầu nhỏ Với công trình thực tế hiện nay thường dùng cống hộp kép khẩu ñộ tới 3×(4×4) m sẽ cho diện tích thoát nước lên tới xấp xỉ 50 m2, tương ñường với khả năng thoát nước của các cầu có khẩu ñộ 10-15 m; Khi tăng khẩu ñộ có thể ñồng thời làm tăng cả tiết diện thoát nước, ñồng thời lại làm tăng cả lưu tốc (do cải thiện ñược chỉ tiêu bán kính thuỷ lực) mặc dù vẫn giữ nguyên

ñộ dốc Do ñó cho hiệu quả thoát nước cao, vừa chống ñược bồi tích lại vừ ñảm bảo hiệu quả kinh tế: như duy tu, thông cống, nạo vét trở nên thuận lợi hơn Khi cống hộp cao hơn 2,5 m có thể ñào xúc bằng nhân lực, khi chiều cao hộp hơn 3,5 m thậm chí có thể dùng máy nạo vét lòng cống

6.8.2 Về kết cấu cửa vào cống khi ñịa hình dốc ngang lớn

Khi lưu lượng tương ñối lớn: 10- 40 m3/s dòng chảy tự nhiên phía thượng lưu

có hình dạng lòng khe rõ rệt và có ñộ dốc lớn từ 10-80 % cấu tạo cửa vào theo dạng dốc nước Kết cấu cửa vào ñược giới thiệu tỉ mỉ trong tập "Thiết kế ñiển hình về cống dốc" do Viện thiết kế giao thông vận tải trước ñây nay là tổng công ty tư vấn thiết kế Giao thông Vận tải thực hiện, trong ñó giới thiệu rất nhiều phương án bố trí dốc nước theo các ñộ dốc và lưu lượng khác nhau, trong mỗi phương án ñó lại ñề cập

2 phương án về vật liệu

Khi lưu lượng nhỏ hơn 5-30 m3/s dòng chảy phía thượng lưu không có hình dạng lòng khe rõ rệt có thể cấu tạo cửa vào theo dạng dốc nước ñơn giản gồm 1 hố thu 3 mặt dốc Dộ dốc theo hướng nước chảy chính bố trí trong khoảng 30-50 %, hai mặt bên có thể bố trí ñộ dốc từ 1/ 0,5 ñến 1/1 tuỳ thuộc vào chiều rộng lòng khe thượng lưu Việc chọn cao ñộ của mặt ñất ñắp hai bên mang cống phải kết hợp chặt chẽ với việc chọn ñộ dốc của hai mặt bên ñể ñảm bảo có thể tập trung toàn bộ dòng

chảy từ lòng khe tự nhiên vào hố thu

6.8.3 Về kết cấu cửa ra trong ñiều kiện ñịa hình dốc lớn

Do lưu tốc trong các bộ phận công trình ñạt các giá trị lớn nhất ñể chống bồi tích tạp chất nên cần thiết phải nghiên cứu giải pháp cấu tạo hạ lưu hợp lý ñể không gây xói hạ lưu, một trong các nguyên nhân rất phổ biến dẫn ñến phá hoại công trình ngay cả khi giá trị lưu tốc trong công trình mới chỉ ở giới hạn bình thường Lúc này ñịa hình có dốc ngang lớn, ñộ dốc lòng khe lớn; nền ñường thường ñược cấu tạo theo dạng nền ñào chữ L do ñó không ñủ chiều dài ñể bố trí sân cống hạ lưu ñể tiêu năng

và mở rộng dòng chảy như các cống ñịnh hình thông thường; ñộ dốc cống thường bé hơn ñộ dốc lòng khe ñể chống phá hoại cho chính kết cấu thân cống dẫn ñến hình thành chênh cao giữa ñáy cống cửa ra với mặt ñất thiên nhiên Vì vậy cửa ra ñược cấu tạo theo kiểu một bậc nước ñồng thời là giếng tiêu năng bằng vật liệu ñá xây hoặc bê tông Nếu chênh cao giữa ñáy cống với ñáy bể tiêu năng lớn có thể cấu tạo

bể tiêu năng thành hai bậc, ñể giảm chiều cao của tường ñầu, tường cánh cũng như chiều rộng của ñáy bể tiêu năng Ngoài ra kết cấu cửa ra như trên còn có tác dụng như một tường chắn gia cố chống trượt

CÂU HỎI HƯỚNG DẪN ÔN TẬP

1 Nêu nguyên tắc bố trí công trình vượt sông nhỏ nên bình ñồ và trắc dọc

2 Nhiệm vụ tính toán thủy văn là gì

3 Nêu các chế ñộ làm việc của cống

4 Trình bày tính toán khả năng thoát nước của cống khi i0 < ik

5 Nêu trình tự tính toán thủy lực cầu nhỏ

6 Cách tính khẩu ñộ công trình có xét ñến tích nước trước công trình