Sổ tay thủy văn cầu đường - Thiết kế các công trình trong khu vực cầu vượt sông part 4 docx

Chiều rộng dòng nước bãi sông chỗ tứ nón dùng chiều rộng phần bãi chỗ cầu, nếu dưới cầu không có bãi sông, lưu tốc xói cục bộ có thể thay đổi tính theo công thức sau: g g P V      1

c Thiết bị thoát nước bằng đá xếp

- Khi chiều sâu nước phía hạ lưu hh, chiều cao lăng thể đá thoát nước bằng:

hg = hh + C + 0,30 (7-

32a) nhưng không được nhỏ quá 1m

- Phương pháp xây đá phải dựa sát hòn đá tương đối lớn vào taluy ngoài

d Tầng nghiêng thoát nước

- Khi chiều sâu nước phía hạ lưu là hh, chiều cao tầng thoát nước nghiêng bằng:

hg = hh + C (7 - 32b) Nhưng không được nhỏ quá 1,2m

7.2.5 Xác định cao độ đỉnh kè hướng dòng và kè chữ T

Cao độ đỉnh kè hướng dòng xác định theo cấp tuyến đường Quy phạm hiện nay quy định là cao độ đỉnh kè phải ở trên cao độ mực nước theo tần suất thiết kế của nền đường + trị số ứ dềnh trước cầu + chiều cao sóng vỗ + 0,25m Độ dốc ở

đầu kè và cuối kè tính theo độ dốc thiên nhiên của mực nước thiết kế i)

Ví dụ:

 Tài liệu gốc:

Chiều dài kè phía thượng lưu lT = 330m, kè phía hạ lưu 1H = 105m, khoảng cách từ chân kè tới kè T thượng lưu lim = 860m, i = 0,003, hsb = 0,60m; h’sb = 0,40m (xét tới rừng cây), lưu tốc bình quân dưới cầu trước xói: Vm = 2,10m/s; lưu tốc bình quân thiên nhiên khi chưa bị thắt hẹp: Vo = 0,45m/s, lưu tốc bình quân chảy vòng sau kè T: V = 1,10m/s, chiều sâu nước bình quân trên bãi h1 = 1,5m, Htt = 125,08m, góc doãng của kè T phía hạ lưu  = 115o

, z = 0,33m

trong đó:

Htt: mực nước tính toán với tần suất thiết kế, m;

hsb, hsb’: chiều cao sóng xâm thực vào bờ nền đường về phía thượng lưu và hạ lưu,

m

Z: chiều cao nước dâng cao nhất trước cầu, m

 Bố trí tổng bình đồ cầu xem hình 7 - 23

 Tính toán

+ Độ dốc ngang của dòng nước phía thượng lưu, căn cứ vào công thức của M.B.Mikhailôp:

82 , 0 33 , 0 5 , 1

5 , 1

1

1









 z

h

h

Tra bảng 5 - 2 được  = 0,26 vậy ib = 0,26 x 0,003 = 0,0008

+ Cao độ vai kè hướng dòng phía thượng lưu dựa vào mực nước đầu kè để tính (kể cả ứ dềnh)

Hvb = Htt + z + ilT + hsb + 0,25 = 125,08 + 0,33 + 0,0003 x 330 + 0,60 + 0,25 = 126,36m

+ Cao độ vai kè hướng dòng phía hạ lưu:

HVH = Htt + h’sb + 0,25 = 125,08 + 0,40 + 0,25 = 125,73m Cao độ vai kè T phía thượng lưu nền đường:

HTB = Htt + z + i1T +ib.lim + hsb+ 0,25 = 125,08+ 0,33 + 0,10 + 0,00008 x 860 + 0,60 + 0,25 = 126,43m + Khi lưu tốc gần kè T vượt quá 0.5m/s, cao độ đỉnh kè phải xét tới cả chiều cao ứ lên do nước chảy trên kè Chiều cao này tính theo công thức gần đúng của Litstơvan

h = 0,1V2

(1+cos) trong đó:

V: lưu tốc cạnh kè T, m/s

: góc doãng của kè T thuận theo dòng nước

Chiều cao ứ do nước chảy ở kè T phía hạ lưu:

h = 0,1 x 1,102

(1 + cos 115o

) = 0,07m + Cao độ đỉnh kè T phía hạ lưu nền đường:

HđH = Htt + h - i (1H + l’im) + h’sb+ 0,25

7.2.6 Tính xói ở công trình điều tiết

a Xói chung hình thành do dòng nước luôn luôn bị kè hướng dòng bóp hẹp, phương pháp tính toán xem chương IV

b Xói cục bộ hình thành do lực xung kích của dòng nước đối với ta luy công trình, giả thiết góc xung kích

g

V m

g

tg V

c ch

2 2

2

6 1

2

23









(7 -

33) trong đó:

Vcp: vận tốc cho phép không xói của đất lòng sông, m/s;

g: gia tốc trọng lực, g = 9,81m/s2;

: góc làm thành giữa hướng nước chảy và kè tại chỗ tính xói;

m: độ dốc mái công trình;

Vc: vận tốc nước chảy tại chỗ tính xói của kè, m/s

Theo ý kiến của một số tác giả như Anđrayev, Bondakov, nếu dạng kè thiết

kế đúng thì trị số vận tốc tại các vị trí dọc kè có thể xem như không đổi và lấy bằng vận tốc dưới cầu lúc chưa có xói lở Theo các tài liệu hướng dẫn tính toán thuỷ văn khác thì trị số Vc có thể tính theo công thức dưới đây:

g g c

b

b

h B

Q V









1

2

(7 -34) trong đó:

hc: chiều sâu nước tại công trình sau khi xói chung, m/s;

Qb: lưu lượng bãi sông giữa mép lòng chính tới chân kè, m3/s;

Bb: chiều rộng thay đổi dòng nước trên bãi sông cạnh công trình (tính từ khoảng cách giữa mép lòng chính tới chân kè, do song song với đường trên cầu), m;

g

 : hệ số lưu tốc phân phối không đều trên mặt cắt, đối với kè hướng dòng cong là 1 - 3, đối với phần đầu kè thẳng có thể dùng 4;

: góc dẫn nước thay đổi giữa đường tim dòng nước với tiếp tuyến của công trình

- Khi  < 20o thì xói cục bộ do dòng nước chảy đập vào công trình không cần xét;

- Khi  = 90o, dòng nước đập vào phần đầu kè hướng dòng hoặc phần đầu

kè mỏ hàn, lúc đó

2



tg = 1 và công thức tính xói cục bộ có dạng:

g

h V m

g

V

2 2

2

6 1

23





(7 -35) Xói cục bộ đầu kè hướng dòng và tứ nón ở cầu (khi không có kè) có thể tính theo công thức (7 - 33) và dùng g = 4 Chiều rộng dòng nước bãi sông chỗ tứ nón dùng chiều rộng phần bãi chỗ cầu, nếu dưới cầu không có bãi sông, lưu tốc xói cục

bộ có thể thay đổi tính theo công thức sau:

g

g P

V









 1

2

(7 - 36)

trong đó: VP- Lưu tốc tính toán dưới cầu sau xói chung, m/s;

Bố trí công trình chắn nước không ngập trong phạm vi lòng sông (như kè T,

kè đỉnh xiên), xói cục bộ chỗ phần đầu tính theo công thức sau:

2 1 2

1

23

m g

I K V

h ch c





(7 -37) trong đó: K1- Hệ số lưu tốc cục bộ tăng do kè T thắt hẹp dòng nước gây nên

Tra bảng 7 - 14, theo tỷ số

b

l KN

trong đó:

lKN: chiều dài kè bị ngập lúc mực nước bình thường, đo từ đầu kè đến đường mép nước 2 bờ khi mực nước thường, m;

b: chiều rộng lòng sông khi mực nước thường, m

Nếu những kè trên bị ngập nước thì phải kiểm tra trị số xói cục bộ khi kè bị ngập Công thức tính xói cục bộ khi kè bị ngập có dạng tương tự như công thức (7 -37) nhưng thay hệ số K1 bằng hệ số K2

Bảng 7 -14

Biểu hệ số K 1 , K 2

Có thể tham khảo thêm các công thức giới thiệu trong chương IV về xói cục

bộ ở mố cầu để tính toán xói lở ở đầu kè

Đ7.3 Công trình điều tiết dòng sông

Trong thiết kế công trình điều tiết dòng sông, các vấn đề cần xét và tính toán cụ thể đều có liên quan mật thiết đến nền đường bãi sông, công trình cải sông

và nắn thẳng, công trình phòng hộ và gia cố

ở đây chỉ giới thiệu một số công trình thường dùng trong cầu đường như kè ngang và kè thuận

7.3.1 Khái niệm

a Tính chất làm việc của công trình điều tiết dòng sông

Công trình điều tiết dòng sông và công trình phòng hộ bờ do tính chất làm việc khác nhau nên về bố trí bình diện hình thức và kết cấu cũng khác nhau Công trình phòng hộ bờ là dùng trực tiếp bảo vệ, bờ sông hoặc nền đường tránh nước sông uy hiếp, nó căn bản không làm thay đổi tính chất dòng sông, loại kiến trúc này dùng rất nhiều trong công trình chống xói nền đường

Công trình điều tiết dòng sông chủ yếu là để thay đổi hướng nước chảy, nó làm thay đổi tính chất dòng nước, có khi cả tính chất dòng sông Đó là công trình

có tính chất chủ động, loại công trình này nếu thiết kế được tốt sẽ căn bản triệt

được sự uy hiếp của dòng nước đối với nền đường

b Những điều cần chú ý khi bố trí công trình điều tiết

- Xây dựng công trình điều tiết để bảo vệ nền đường thì thường chỉ tiến hành trên một đoạn sông ngắn Vì vậy người ta chỉ nghĩ đến việc điều chỉnh dòng nước đi để khỏi uy hiếp nền đường, còn sau khi xây dựng công trình đoạn sông phía thượng hạ lưu trở nên xấu tốt thường rất ít chú ý Đó là điều không đúng, nhất

là đối với sông thông thuyền hoặc sông có liên quan tới hệ thống công trình thuỷ lợi

- Đối với sông không thông thuyền chỉ cần thuận theo xu thế của sông, không để lòng bị thắt hẹp nhiều gây ảnh hưởng tới an toàn của nền đường hoặc các công trình khác là được

- Tránh tình trạng xây dựng công trình quá nhiều, thắt hẹp dòng sông sẽ dẫn đến mực nước dâng cao, làm ngập lụt ruộng đất và hệ thống tưới

- Phải xét tới trường hợp sau khi bố trí công trình, dòng nước có khả năng hướng sang bờ bên kia làm xói bờ và ruộng vườn

- Phải làm sao để công trình điều tiết phát huy được hiệu quả tối đa Chủ yếu là thiết kế đường hướng dòng cho hợp lý, chọn đường hướng dòng cho thích

đáng; bố trí công trình cho chính xác, còn thiết kế kết cấu bản thân kè chỉ là thứ yếu

- Khi chọn loại hình công trình điều tiết phải căn cứ vào lòng sông rộng hẹp, lưu tốc lớn nhỏ và điều kiện địa chất

- Khi bố trí công trình điều tiết phải xét tới tính chất của công trình (tạm thời, bán vĩnh cửu hay vĩnh cửu) để chọn vật liệu

- Khi quyết định loại công trình điều tiết, phải xét điều kiện thi công, nguồn vật liệu để giảm bớt giá thành công trình

7.3.2 Phân loại và đánh giá các công trình điều tiết

a Phân loại công trình điều tiết

 Công trình đặc:

Chia theo quan hệ với mực nước

- Kiểu ngập có kè đáy và kè mực nước trung;

- Kiểu không ngập còn gọi là kè mực nước cao

Chia theo vị trí tương ứng với dòng sông

- Kè thuận: song song với hướng dòng nước, không ngăn trở dòng chảy;

- Kè chữ T: thẳng góc hay chéo góc với dòng nước, ngăn một phần dòng chảy;

- Kè ngăn sông: thẳng góc hoặc chéo góc với dòng nước chắn toàn bộ dòng chảy

Chia theo vật liệu

- Kè đất: đắp đất sét cát, đất cát sét, đất sét, cát sỏi, đất lẫn đá cuội;

- Kè đá: Kè đá đổ, kè đá xây;

- Kè rọ đá sắt: lấy thép sợi làm rọ thường dùng chung với cọc gỗ;

- Kè rọ đá tre: lấy tre mây làm rọ;

- Kè bê tông hay bê tông cốt thép

 Công trình rỗng

Cho phép một phần dòng nước chảy qua công trình làm cho lưu lượng và lưu tốc trong lòng sông phân phối lại đẩy đường trục sông ra phía ngoài để bảo vệ nền đường

Dưới đây là các loại đơn giản thường dùng

- Cây ngầm, có tác dụng làm bùn cát bồi tích, bảo vệ ta luy hay bờ sông khỏi xói;

- Kè nổi dùng những bó cành cây treo trên giá, hay trên giá treo nhiều hàng có để lại một số khoảng trống Kè nổi có tác dụng làm bùn cát sau khi di chuyển qua kè bồi tích lại tạo thành bờ sông mới;

- Phên chắn nước - có thể kết bằng cành cây cũng có thể bằng gỗ, có thể làm kiểu cố định hay kiểu di động Trường hợp không có cây, có thể thay bằng lau sậy Tác dụng của loại kè này là làm giảm lưu tốc ở đoạn cần phòng hộ

- Kết cấu giá - loại này có thể làm bằng gỗ, sắt, hoặc bê tông cốt thép, có thể làm thành lăng thể tam diện hoặc tứ diện Đặc điểm của loại kết cấu này là thi công tiện Khi bị ảnh hưởng của tải trọng hoặc của dòng nước chân giá sẽ tự cắm xuống lòng sông Thông thường làm kết hợp với bỏ đá hoặc rọ đá

Loại này có đặc điểm là có thể chống chọi với dòng nước có lưu tốc lớn, lượng hàm cát nhiều

b Đánh giá hai loại công trình điều tiết

- Loại công trình đặc dùng nhiều trong các công trình phòng lũ đường sắt,

đặc biệt ở đoạn tuyến ven sông vùng núi có lưu tốc lớn Vì nó là công trình vĩnh cửu, hay bán vĩnh cửu nên thích hợp với đường sắt luôn luôn không cho phép gián

đoạn giao thông Nó có thể chống chọi với lưu tốc 4 -10m/s, nhưng thi công phức tạp, giá thành cao

- Loại công trình rỗng: Chỉ dùng được ở những nơi lưu tốc nhỏ (dưới 3m/s), phần nhiều ở những sông vùng đồng bằng có bãi rộng Ưu điểm của nó là

thi công giản đơn, dễ lấy vật liệu địa phương, giá thành hạ, phần nhiều chỉ dùng để phòng hộ tạm thời, thời hạn sử dụng ngắn và luôn luôn phải bảo dưỡng duy tu

7.3.3 Thiết kế đường hướng dòng

a ý nghĩa đường hướng dòng và nguyên lý thiết kế:

Khi bố trí bình diện các công trình điều tiết, đầu tiên là phải thiết kế đường hướng dòng, đường hướng dòng thiết kế được chính xác hay không có liên quan

đến hiệu quả của cả hệ thống công trình điều tiết Khi thiết kế đường hướng dòng phải xét tới khả năng biến đổi động lực dòng chảy Căn cứ vào nguyên lý thẳng thuận với dòng sông thiên nhiên chứ không phải trạng thái ổn định cuả dòng sông,

đường trung tâm hướng dòng (tức đường trục sông), về lý luận tốt nhất là đường cong liên tục, giữa các đường cong có các đoạn thẳng ngắn nối tiếp (hình 7-24)

đường biên hướng dòng (đường bờ sông dự định) tốt nhất là đường cong liên tục song song với đường trục hướng dòng

b Cách vẽ đường hướng dòng

 Các điểm cần chú ý:

- Đầu đường hướng dòng nên chọn nơi dòng chảy tương đối thẳng thuận,

ví dụ chỗ bắt đầu quá độ từ đoạn sông cong sang đoạn sông thẳng, hay chỗ bắt đầu

từ quá độ từ đoạn sông thẳng sang đoạn sông cong, để phối hợp với xu thế của dòng nước đỡ phải làm các công trình hướng dòng kiên cố mà vẫn bảo đảm hướng nước chảy theo ý muốn Ngoài ra, còn nên chú ý chọn nơi cơ sở có điều kiện địa chất tốt để công trình được ổn định an toàn mà lại kinh tế

- Vị trí của đường trục sông thiên nhiên và đường bờ sông nên có quan hệ sau: ở đoạn qúa độ, cự ly giữa hai mép bờ sông tới đường trục sông để bằng nhau,

cự ly giữa bờ lõm đoạn cong tới đường trục ước: )B

4

1 3

1 (  (B- chiều rộng ổn định

của sông), đoạn cong chảy xiết lấy )B

4

1 ( , đoạn cong chảy êm lấy )B

3

1

 Công thức tính: (xem hình vẽ 7 - 25)

Khi vẽ đường hướng dòng nói chung dùng công thức sau: