Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên

Rãnh đỉnh Còn gọi là rãnh ngăn nước được bố trí ở sườn núi phía trên ta luy nền đào để ngăn và thoát nước mặt không cho chảy vào nền đường gây xói mòn và ẩm ướt ta luy nền đào, và chân

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đượt rất nhiều sự giúp đỡ đóng góp ý kiếncủa các thầy cô ở khoa Công trình và phòng sau đại học Trường Đại học Giao thông Vận tải, các bạn đồng nghiệp cùng tập thể lớp cao học khóa 20 – Ngành Xâydựng đường ô tô và đường thành phố đã cung cấp kiến thức, tài liệu và các thông tin có liên quan đến đề tài này.

Đặc biệt tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS-TSTrần Tuấn Hiệp – Bộ môn Đường Bộ, Trường Đại học Giao thông Vận tải, là người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này

Cuối cùng, tôi muốn gửi niềm biết ơn vô hạn đến bố mẹ và gia đình tôi, những người luôn ở bên cạnh an ủi và là nguồn động viên to lớn cho tôi vượt qua mọi khókhăn để hoàn thành khóa học này

Trong khuôn khổ một luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứngđược một cách đầy đủ những vấn đề đã nêu ra, mặt khác do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế Tôi xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Phạm Đức Thành

PHẦN MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Đối tượng nghiên cứu 1

III Phạm vi nghiên cứu 2

IV Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

V Phương pháp nghiên cứu 2

VI Kết cấu của luận văn 2

CHƯƠNG 1 CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ 3

1.1 Phân loại các công trình thoát nước 3

1.1.1 Rãnh, mương thoát nước mặt thường 3

1.1.2 Ống, rãnh thoát nước ngầm 3

1.1.3 Các công trình thoát nước qua đường 4

1.1.4 Công trình tích nước 5

1.2 Hệ thống thoát nước nhỏ trên đường Ô tô 5

1.2.1 Hệ thống thoát nước mặt 6

1.2.2 Hệ thống thoát nước ngầm 6

1.3 Quy hoạch hệ thống thoát nước trên đường ôtô 7

1.3.1 Nguyên tắc chung 7

1.3.2 Trình tự thiết kế bố trí hệ thống thoát nước nền đường 8

1.3.3 Thiết kế hệ thống thoát nước 8

1.4 Lựa chọn phương pháp tính toán thủy văn cho các công trình thoát nước nhỏ 9

1.4.1 Các phương pháp tính toán thủy văn 10

1.4.2 Các phương pháp xác định lưu lượng 11

1.4.3 Khảo sát công trình thoát nước nhỏ 24

1.5 Tính toán thủy lực công trình thoát nước nhỏ 27

1.5.1 Khái niệm 27

1.5.2 Chế độ dòng chảy thủy lực trước và sau khi bố trí công trình .29

1.5.4 Tính khẩu độ cầu nhỏ 33

1.5.5 Tính khẩu độ cống thoát nước trên đường ô tô 35

1.5.6 Tính khẩu độ rãnh thoát nước trên đường ô tô 42

1.6 Kết luận chương 1 42

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ SỰ CỐ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ THUỘC TỈNH THÁI NGUYÊN 43

2.1 Giới thiệu chung 43

2.1.1 Điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên tỉnh Thái Nguyên 45 2.1.2 Cơ sở hạ tầng giao thông vận tải 48

2.2 Hiện trạng và sự cố công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tỉnh Thái Nguyên 51

2.2.1 Hiện tượng nước ngầm gây hư hỏng công trình 51

2.2.2 Hư hỏng rãnh thoát nước dọc 51

2.2.3 Hư hỏng rãnh đỉnh, rãnh cơ và bậc nước 53

2.2.4 Hư hỏng cống thoát nước 54

2.2.5 Lắng đọng đất cát trong cống thoát nước 55

2.3 Ta luy đường bị sạt lở 57

2.4 Hư hỏng cầu nhỏ 58

2.5 Các vấn đề tồn tại trong công tác thiết kê, xây dựng công trình thoát nước trên đường ô tô 59

2.5.1 Công tác khảo sát tuyến đường 59

2.5.2 Xác định và khoanh vùng diện tích lưu vực cống 60

2.5.3 Chọn tần suất lũ thiết kế 60

2.5.4 Các tồn tại trong việc tính toán chế độ thủy lực và thủy văn 62

2.5.5 Các tồn tại về việc chọn phương án bố trí chung và giải pháp cấu tạo công trình chưa hợp lý 66

2.5.6 Việc lựa chọn khẩu độ và độ dốc dọc cống 67

2.6 Kết luận chương 2 68

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ THUỘC TỈNH THÁI NGUYÊN 69

3.1 Khái quát về bài học kinh nghiệm 69

3.2 Đặc điểm cơ bản của tỉnh Thái Nguyên 71

3.3 Các nhóm giải pháp nhằm nâng cao chất lượng thiết kế 75

3.3.1 Những giải pháp chung 75

3.3.2 Giải pháp nâng cao chất lượng công tác khảo sát 77

3.3.3 Giải pháp về thoát nước mặt và nước ngầm 81

3.3.4 Giải pháp về cống thoát nước 92

3.3.5 Lựa chọn cầu nhỏ 102

3.3.6 Chọn biện pháp gia cố thượng lưu và hạ lưu công trình 107

3.3.7 Giải pháp đường tràn, ngầm tràn 116

3.3.8 Gia cố mái taluy, sườn dốc và công trình phòng hộ 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

1) Kết luận 130

2) Kiến nghị 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài.

Thái Nguyên là một tỉnh đến 85% là địa hình đồi núi, điều kiện địa hình, địachất, thủy văn cực kỳ phức tạp, đồi núi hiểm trở

Trong sự nghiệp CNH – HĐH Thái Nguyên đang nỗ lực phát triển trước hệthống đường giao thông

Tuy nhiên các công trình đường ô tô của tỉnh Thái Nguyên luôn bị đe dọa bởicác sự cố, sụt trượt, lũ quét Thiệt hại do sự cố hàng năm lên đến hàng trăm tỷ đồng,không những thế còn gây lên tình trạng ách tắc giao thông, tắc nghẽn giao thông ảnhhưởng lớn đến kinh tế xã hội, đời sống cộng đồng

Một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra sự sự phá hoại của đường đó là sựyếu kém của các công trình thoát nước (1km đường miền núi có thể từ 5 -:- 6 cốnghoặc hơn trục cống, chưa kể đến sự khai thác rừng bừa bãi)

Một trong những nguyên dẫn đến công trình thoát nước yếu kém là do quá trìnhkhảo sát thiết kế kém Hiện trạng thực tế cho thấy chất lượng thiết kế các công trìnhđường nói chung đặc biệt là công trình thoát nước còn nhiều hạn chế

Từ những phân tích như vậy thì đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên” là nhằm mục đích giải quyết vấn đề khoa học cấp thiết trong sự nghiệp phát

triển công nghiệp hóa của tỉnh Thái Nguyên

II Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu các quy trình quy phạm hiện hành quy định về thiết kế công trìnhcầu, cống nhỏ trên đường Ô tô

Nghiên cứu các hồ sơ thiết kế về các công trình thoát nước trên đường của cácđơn vị tư vấn trên cả nước nói chung và địa bàn Thái Nguyên nói riêng để từ đó đúcrút được các kinh nghiệm thiết kế các công trình thoát nước

Nghiên cứu giải pháp thiết kế nhằm nâng cao chất lượng thiết kế các công trìnhthoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên.

III Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu giải pháp thiết kế nhằm nâng cao chất lượng thiết kế các công trìnhthoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên

IV Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề xuất được giải pháp hợp lý nhằm nâng cao chất lượng thiết kế các công trìnhthoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên

V Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp lý thuyết về thiết kế đường, thiết kế các công trình thoát nước nhỏ, thủylực, thủy văn công trình, với việc phân tích đánh hiện trạng và sự cố công trình thoátnước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên Từ đó đưa ra được giải pháp nhằmnâng cao chất lượng thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnhThái Nguyên

VI Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận Luận văn kết cấu gồm 3 chương

Chương 1 Công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô.

Chương 2 Phân tích đánh giá hiện trạng và sự cố công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên.

Chương 3 Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên.

CHƯƠNG 1 CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ

I Phân loại các công trình thoát nước

Trên tuyến đường giao thông có nhiều các công trình thoát nước khác Có thểphân loại các công trình thoát nước như sau:

1 Rãnh, mương thoát nước mặt thường

Gồm có: Rãnh biên, rãnh đỉnh, rãnh thoát nước, bậc nước và dốc nước

1.1.1.1 Rãnh biên

Được bố trí ở các đoạn đào hoặc đắp thấp song song với tim đường để thu nước mưa rơi xuống mặt đường, vai đường, mái ta luy và thoát đi nhằm giảm bớt độ ẩm của nền mặt đường

1.1.1.2 Rãnh đỉnh

Còn gọi là rãnh ngăn nước được bố trí ở sườn núi phía trên ta luy nền đào để ngăn và thoát nước mặt không cho chảy vào nền đường gây xói mòn và ẩm ướt ta luy nền đào, và chân ta luy nền đắp, làm giảm lưu lượng nước chảy vào rãnh biên, từ đó giảm độ ẩm ướt của nền mặt đường

1.1.1.3 Rãnh thoát nước

Còn gọi là rãnh dẫn nước có tác dụng dẫn nước từ rãnh biên, rãnh đỉnh, thùng đấu hoặc các chỗ trũng hai bên đường cho chảy vào cầu cống, sông suối thiên nhiên hoặc một vị trí quy định nào đó ở xa nền đường Bậc nước và dốc nước là hình thức đặcbiệt của mương rãnh thoát nước mặt được bố trí ở các đoạn dốc lớn (dốc dọc của đáy rãnh lớn hơn 7%) thường dùng kết cấu xây đá hoặc bê tông và có biện pháp phòng hộ gia cố thích ứng Bậc nước là rãnh hình máng mà đáy có bậc cấp, chia thành bậc nước một cấp và bậc nước nhiều cấp, dòng nước chảy qua bậc nước được tiêu năng, giảm tốc

độ hoặc đổi hướng: Dốc nước là rãnh hình máng có độ dốc dọc rất dốc, dòng nước chảyxiết dọc đáy máng

2 Ống, rãnh thoát nước ngầm

Gồm các công trình thoát nước ngầm: Rãnh nổi, rãnh ngầm, rãnh thấm

a) Rãnh nổi: bố trí ở phía trên hoặc hai bên nền đường để ngăn nước, dẫn thoát nước hoặc hạ thấp nước ngầm ở nông và có thể kiêm tác dụng ngăn và thoát nước mặt

b) Rãnh ngầm: chôn ngầm dưới mặt đất dùng để dẫn thoát nước ngầm hoặc các dòng chảy ngầm tập trung, thường xây đá hoặc đổ bêtông

c) Rãnh thấm: trong rãnh đắp bằng các vật liệu có độ thấm lớn dùng để cắt các dòng chảy của tầng chứa nước ngầm, hạ mực nước ngầm, làm khô và dẫn thoát nước ngầm trong mái đất, khi lượng nước tương đối lớn thì đáy rãnh thấm có thể đặt thêm ống thoát nước hoặc rãnh ngầm

3 Các công trình thoát nước qua đường

Bao gồm : Cầu, cống, cống xiphông, máng dẫn nước, đường tràn

1.1.1.4 Cầu

Cầu nhỏ thường dùng khi lưu lượng lớn hơn 25  30m3/s Nói chung thiết kế phải

so sánh cụ thể về các mặt kinh tế - kỹ thuật mới có thể quyết định một cách hợp lý phương án làm cầu hay cống Khi so sánh giữa phương án cầu và cống phải ưu tiên phương án cống vì thi công cống đơn giản hơn, có thể công xưởng hoá và cơ giới hoá toàn bộ, chịu được tải trọng rất lớn, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của tải trọng tính toán trên đường, v.v

1.1.1.5 Cống

Cống là công trình thoát nước chính trên đường ô tô, nằm rải rác dọc tuyến và chiếm trên 80% các công trình thoát nước trên đường Thông thường những công trình thoát nước qua đường khẩu độ dưới 2m đều gọi là cống, khẩu độ trên 5m gọi là cầu

Theo kinh nghiệm nếu lưu lượng trên 15m3/s thì làm cống vuông kinh tế hơn cống tròn

So với cầu thì cống có những ưu điểm sau:

- Bảo dưỡng và sửa chữa ít

- Xe cộ đi lại trên cống êm như chạy trên đường.

- Nếu chiều sâu đắp đất trên cống to hơn 2m thì khi tải trọng xe chạy trên đường tăng lên so với tải trọng thiết kế, cũng không cần tăng cường gia cố kết cấu cống

- Thông thường thì chi phí làm cống rẻ hơn chi phí làm cầu vì khối lượng vật liệu sử dụng ít hơn, móng đặt nông hơn và cấu tạo đơn giản hơn

1.1.1.6 Cống xi phông

Thường dùng khi nền đường đắp thấp, mực nước hai bên đường đều cao hơn cửacống và nhất là khi tuyến đường cắt qua các mương tưới thuỷ lợi Cửa vào của cống xi phông phải bố trí theo kiểu giếng thẳng đứng bao gồm cả bộ phận chống lắng đọng Cống xi phông cần phải bảo đảm không bị thẩm lậu nước ra ngoài

1.1.1.7 Đường tràn

Đường tràn theo khái niệm thủy lực là một dạng đập tràn đỉnh rộng với chiều cao thấp Thông thường chiều cao đường tràn chỉ từ 1,0m tới 3,0m Như vậy chiều rộngđường tràn lớn hơn chiều cao đập tràn từ 3 đến 5 lần Đường tràn thường được xây dựng kết hợp cống thoát nước

4 Công trình tích nước

Bao gồm: Đê ngăn nước và hồ chứa nước, chủ yếu để chứa nước từ sườn núihoặc từ rãnh biên, rãnh đỉnh chảy về tại một địa điểm nhất định để cho bốc hơi hoặcthấm xuống đất

Ngoài ra khi mương rãnh có sẵn cong queo hay giao nhau nhiều chỗ với đường,

để cải thiện tình hình dòng chảy đề phòng xói lở nền đường, giảm số lượng cống cóthể dùng các biện pháp chỉnh trị dòng chảy như đập dẫn nước, kênh đào

II Hệ thống thoát nước nhỏ trên đường Ô tô

Hệ thống thoát nước đường ôtô bao gồm hàng loạt các công trình và các biện pháp kỹ thuật được xây dựng để đảm bảo nền đường không bị ẩm ướt Các công trình này có tác dựng tập trung và thoát nước nền đường, hoặc ngăn chặn không cho nước

ngấm vào phần trên của nền đất Mục đích của việc xây dựng hệ thống thoát nước trên đường ôtô là đảm bảo chế độ ẩm của nền đất luôn luôn ổn định không gây nguy hiểm cho mặt đường.

Hệ thống thoát nước đường ôtô bao gồm hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm

1 Hệ thống thoát nước mặt

Để thoát nước mặt sử dựng các công trình và biện pháp sau:

+ Mặt cắt ngang đường ôtô có dốc ngang từ tim phần xe chạy về lề đường Độ dốc ngang phụ thuộc vào loại mặt đường

+ Độ dốc ngang của lề đường thường làm dốc hơn phần xe chạy khoảng 12% Cấu tạo lề đường thường làm bằng đất tự nhiên hoặc gia cố bằng các vật liệu địa

phương do đó trong thời gian sử dụng có thể xuất hiện nhiều chỗ trũng, mặt lề đường không bằng phẳng và tạo các vũng nước đọng có khả năng ẩm ướt nền đường

+ Mặt cắt ngang phần xe chạy thường làm theo dạng đường cong parabôn hay theo hai mái thẳng có đoạn giữa trong phạm vi 2m làm theo dạng đường tròn

Rãnh dọc ( rãnh biên ), rãnh đỉnh, rãnh tập trung nước, thùng đâu, bể bốc hơi, đểcon trạch, thềm đất

Dốc nước và bậc nước

Công trình thoát nước qua đường: cầu, cống, đường thấm, đường tràn

Các công trình hướng nước và cải suối

2 Hệ thống thoát nước ngầm.

Tác dụng của hệ thống này là chặn tập hợp, tháo và hạ mực nước ngầm, đảm bảonền đường không bị ẩm ướt do đó cải thiện chế độ thủy nhiệt của nền và mặt đường.Nước là kẻ thù số một của đường Nước gây xói lở cầu cống, nền đường sạt lở taluy Nước ngấm vào nền và mặt đường làm cho cường độ chịu lực của nền đất và vậtliệu mặt đường giảm đáng kể và do đó kết cấu mặt đường dễ bị phá hỏng khi xe nặng

chạy qua Vì vậy, việc thiết kế thoát nước trên đường hợp lý có ý nghĩa rất lớn về mặtkinh tế và nâng cao chất lượng khai thác của đường ôtô.

III Quy hoạch hệ thống thoát nước trên đường ôtô

1 Nguyên tắc chung

Trước hết phải tiến hành quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước hoàn chỉnhbao gồm các loại công trình thoát nước như mương rãnh, cầu, cống Chúng phảiđược phối hợp chặt chẽ với nhau Vị trí, kích thước, kết cấu của các công trình phảihợp lý đảm bảo hiệu quả sử dụng cao và giá thành hạ

Muốn vậy khi quy hoạch hệ thống thoát nước nền đường phải liên hệ bình đồ,trắc dọc, trắc ngang của tuyến đường với điều kiện địa hình, địa chất, khí hậu, thủyvăn dọc tuyến để có những nghiên cứu tổng hợp giải quyết vấn đề thoát nước nềnđường

Trước hết phải điều tra phân tích các nguồn nước, dựa vào bản đồ có đườngđồng mức khoanh diện tích lưu vực tụ nước chảy về đường, đánh giá lưu lượng nước

từ các lưu vực chảy, khả năng đe doạ của dòng chảy đối với nền đường Sau đó căn

cứ vào các kết quả điều tra khảo sát và tính toán, bố trí các công trình thoát nước, cáccông trình bảo vệ nền đường chống lại sự phá hoại của dòng chảy đối với nền đường

và đảm bảo nền đường được khô ráo

Việc bố trí các mương rãnh thoát nước nền đường phải kết hợp với việc bố trícầu cống thoát nước qua đường, xác định hướng thoát nước của mương rãnh về cầucống, các biện pháp nối tiếp giữa các rãnh thoát nước với cầu cống Ngược lại khi bốtrí cầu cống cũng phải xét tới yêu cầu thoát nước nhanh chóng từ các mương rãnh

Việc bố trí các công trình thoát nước nền đường phải xét tới yêu cầu tưới tiêucủa thủy lợi phục vụ nông nghiệp

2 Trình tự thiết kế bố trí hệ thống thoát nước nền đường

Thiết kế bố trí hệ thống thoát nước nền đường thường được tiến hành theo cácbước sau đây:

Trên bình đồ tuyến đường vẽ các đường đỉnh ta luy đường đào, chân ta luy nềnđắp, vị trí các đống đất thừa, các hố thùng đấu

Bố trí rãnh đỉnh trên sườn núi để ngăn nước chảy về đường nếu lưu lượng nước

từ sườn núi lớn, rãnh dọc không kịp thoát nước

Đối với những đoạn đường đào, nửa đào nửa đắp, không đào không đắp và nềnđường đắp thấp thì bố trí rãnh dọc (rãnh biên) hai bên đường để thoát nước từ mặtđường, lề đường và ta luy nền đường đảm bảo cho nền đường luôn luôn khô ráo

Bố trí mương rãnh dẫn nước từ rãnh đỉnh, rãnh biên ra các chỗ trũng, sông suốihoặc cầu cống gần đấy Rãnh dẫn nước phải ngắn nhất, càng xa đường càng tốt và nốitiếp thuận lợi với công trình thoát nước khác

Bố trí vị trí cầu cống để tạo với hệ thống mương rãnh nói trên thành một mạnglưới các công trình thoát nước hợp lý

Nếu có nước ngầm gây tác hại tới nền đường thì phải bố trí các công trình thoátnước ngầm kết hợp với hệ thống thoát nước mặt

3 Thiết kế hệ thống thoát nước

Khi bố trí hệ thống thoát nước nền đường phải liên hệ với bình đồ, trắc dọc, trắcngang của tuyến đường, với tình hình địa hình, địa chất, khí hậu và thuỷ văn dọctuyến để tiến hành xem xét một cách tổng hợp

Việc thoát nước nền đường còn phải kết hợp với việc tưới tiêu trong sản xuấtnông nghiệp Ví dụ khi tuyến đường đi qua làm phá hoại hệ thống tưới tiêu hiện hữuthì phải có biện pháp như bố trí cống, cống xiphông, đường máng nước… để đảm bảoyêu cầu tưới tiêu được bình thường Rãnh biên của nền đường không nên dùng làm

mương rãnh thuỷ lợi Khi sử dụng chúng thì phải mở rộng mặt cắt ngang, gia cốmương rãnh tránh ảnh hưởng đến nền đường và ảnh hưởng đến việc tưới tiêu.

Ngoài ra việc thiết kế hệ thống thoát nước nền đường phải bảo đảm sự liên hệgiữa các loại công trình thoát nước và xử lý tốt các cửa vào, cửa ra thành một hệthống hoàn chỉnh bảo đảm tốt việc thoát nước

Việc bố trí hệ thống thoát nước nền đường thường được tiến hành theo cácbước sau đây:

Vẽ các đường đỉnh ta luy nền đào, chân ta luy nền đắp, vị trí các đống đất thừa,các hố đấu… lên trên bình đồ tuyến đường

Bố trí rãnh đỉnh trên sườn núi của ta luy dương để ngăn nước mặt Để bảo đảmhiệu quả ngăn nước tốt và giảm giá thành xây dựng, rãnh đỉnh nên bố trí dọc theođường đồng mức

Hai bên nền đường khi cần phải bố trí rãnh biên hoặc lợi dụng thùng đấu để thoátnước mặt đường bảo đảm cho nền đường thường xuyên khô ráo

Làm mương rãnh dẫn nước từ rãnh đỉnh, rãnh biên đến sông ngòi hoặc cầu cống.Rãnh dẫn nước phải ngắn nhất, xa đường nhất và nối tiếp thuận lợi với các công trìnhthoát nước khác

Xác định vị trí cầu cống để cùng với các mương rãnh trên đây hình thành mộtmạng lưới thoát nước Đối với các khe suối chảy qua đường trên vùng núi thườngphải làm cầu, không nên đơn giản đổi thành cống

IV Lựa chọn phương pháp tính toán thủy văn cho các công trình thoát nước nhỏ

Để bảo đảm nền đường ổn định vững chắc phải kịp thời thoát nước mặt và nướcngầm có thể gây nguy hại cho nền đường ra khỏi phạm vi của nền đường Thoát nướcnền đường đặc biệt là nước mặt là biện pháp kỹ thuật phòng ngừa hư hỏng của nềnđường hữu hiệu và kinh tế

1 Cỏc phương phỏp tớnh toỏn thủy văn

Phõn tớch thuỷ văn là bước quan trọng trước hết đối với thiết kế cỏc cụng trỡnhthoỏt nước trờn đường Phõn tớch thủy văn để xỏc định lưu lượng dũng chảy qua mộtmặt cắt ngang của sụng, suối, cỏc khu vực tụ nước khụng hỡnh thành dũng chảy

Khi phõn tớch thuỷ văn hay sử dụng những khỏi niệm thể hiện ở cỏc hỡnh vẽ dướiđõy

Trời

m a Mây mù

Chảy theo mặt đất

Hỡnh 1.1 Đường phõn lưu và hệ thống thu nước

Nếu con đường cắt qua kờnh hoặc cắt ngang sụng suối, con đường này cú thể trởthành đập chắn nước, khi đú cần thiết phải làm cầu, cống để thoỏt nước, để tạo điềukiện cho nước chảy đi bỡnh thường Việc xõy dựng cầu hoặc cống là hoàn toàn dựatrờn nhu cầu thoỏt nước (lưu lượng dũng chảy), ngoài ra cũn tựy thuộc vào ðịa hỡnh,mụi trường trong khu vực và vị trớ cỏc cụng trỡnh thoỏt nước, cao độ đường

Trong đó: S: Độ dốc từ mức nước cao nhất đến thấp nhất.

L: Chiều dài từ mức nước cao nhất đến thấp nhất

2 Các phương pháp xác định lưu lượng

2.1 Xác định lưu lượng theo phương pháp đơn giản của Liên Xô (cũ)

Áp dụng công thức của Viện Nghiên cứu đường bộ Liên Xô (cũ) (công thứcBônđakốp)

3

F Z h

Trong đó:

+ Q: Lưu lượng lũ mưa rào dùng để thiết kế m / s3

+  : Hệ số địa mạo, căn cứ vào địa hình, độ dốc trung bình của dòng chảy suốichính, diện tích khu tụ nước, có thể xem tra bảng

+ F: Diện tích khu tụ nước km2

+ h: Chiều sâu dòng chảy mm, dựa theo phân khu mưa rào của vị trí xây dựngcầu cống, theo tần suất lũ quy định, theo loại đất, theo khả năng hút nước và theo thờigian tập trung nước quy định, có thể tra bảng.

+ Thời gian tập trung nước (t) xác định theo diện tích của khu tụ nước F:

Lưu ý: Các hệ số trong công thức (2-1) được tra từ bảng 2.1 đến 2.7 trong quyển “Thiết kế cống và cầu nhỏ trên đường ô tô”, tác giả Nguyễn Quang Chiêu và Trần Tuấn Hiệp

giới hạn”

a) Xác định lưu lượng lớn nhất

Quy trình thiết kế cầu nhỏ, cống của Bộ Giao thông vận tải quy định tính khẩu

độ cầu nhỏ, cống theo lưu lượng lớn nhất Q P

Lưu lượng lớn nhất tính thoán theo công thức

F H A

Q P  P  P 1. , (2-2)Trong đó:

: Hệ số dòng chảy lũ (tra bảng) phụ thuộc vào đặc trưng lớp đất mặt của lưuvực

.





Mô đun tương đối của dòng chảy lớn nhất A P (tra bảng) phụ thuộc vào:

) Đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông L

) Thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc s

) Phân khu mưa rào (vùng mưa)

b Tính tổng lượng lũ thiết kế và đường quá trình lũ thiết kế

Khi tính khẩu độ có xét tích nước cần sử dụng những tài liệu sau:

: Lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ thiết kế

: Bản đồ địa hình phía trước cống

: Đồ thị khả năng thoát nước của công trình

Tổng lượng lũ thiết kế của các lưu vực có diện tích từ 10 đến 100 km2 được tínhtheo công thức:

F H

W P  1000   P

Trong đó:

: Hệ số dòng chảy lũ (tra bảng)

P

H : Lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế (mm)

 : Tung độ của đường cong mưa ứng với thời gian, đối với các lưu vực có

2

1km

F  lấy   100 phút, với các lưu vực có F  1  100km2 lấy   200 phút

Lưu ý: Các hệ số còn lại trong công thức (2-2) được tra từ bảng 2.8 đến 2.13 trong quyển “Thiết kế cống và cầu nhỏ trên đường ô tô”, tác giả Nguyễn Quang Chiêu và Trần Tuấn Hiệp.

Tính lưu lượng thiết kế theo phương pháp hình thái là dựa vào việc điều tra hìnhthái và mực nước lũ của sông suối ở vị trí cầu cống hoặc gần công trình cầu cống, rồitìm diện tích thoát nước (ứng với một mức nước lũ nào đó ở một mặt cắt ngang nàođó), lưu tốc bình quân và tần suất lũ tính toán để tính ra lưu lượng thiết kế ở vị trícông trình

Mặt cắt ngang khảo sát phải thẳng góc với hướng của dòng chảy

a Tính lưu lượng theo mặt cắt khảo sát.

Công thức cơ bản để tính lưu lượng:

V

Q  (2-3)Trong đó:

: Diện tích mặt cắt ngang thoát nước ứng với một mực nước nào đó m2

V : Lưu tốc bình quân ứng với mực nước đó (m/s)

Với mặt cắt ngang lòng sông có lưu tốc khác nhau (hình vẽ)

3 3 2 2 1

- Tính theo lưu tốc chảy đều.

Nếu đoạn sông tương đối thẳng, độ dóc đáy sông thay đổi không nhiều, không

có sông nhánh đổ vào thì có thể tính lưu tốc theo công thức chảy đều:

i R C

R m R n

i: Độ dốc mực nước lũ trên đoạn sông đó (khi không đo được, thì có thể dùng độdốc đáy sông)

i R

R V

i: Độ dốc mực nước lũ trên đoạn sông

Khi độ nhám của sông suối ít thay đổi, để tiện tính toán có thể xác định lưu tốcbình quân theo công thức sau:

2

1 3

2

. bq ch

ch H i m

V 

H Độ sâu bình quân của mực nước (m).

c Dựa vào đường kính của sản vật trầm tích hoặc đặc trưng của loại đất để tính lưu tốc.

Lưu tốc bình quân trên toàn mặt cắt dòng chảy thường tính theo công thức:

d Tính suy ra lưu lượng thiết kế

Khi điều tra được mực nước lũ ở mặt cắt ngang khảo sát, sau khi xác định đượclưu lượng ứng với tần suất của mực nước lũ đó, nếu tần suất đó không phải là tần suấtthiết kế cần thiết thì phải tính đổi từ lưu lượng điều tra được thành lưu lượng thiết kế.Thường dựa vào hệ số biến sai lưu lượng để tính đổi ra lưu lượng thiết kế

Thông qua điều tra tìm được mực nước lũ bình quân nhiều năm và dựa vào đótính ra lưu lượng lũ bình quân nhiều năm Q bq rồi căn cứ vào công thức sau để tính suy

ra lưu lượng thiết kế:

 : Hệ số của quan hệ với tần suất 1p và hệ số lệch C S

Giá trị của C S phản ánh độ lệch của sự phân bố lưu lượng

Công thức:

P V

P C

k  1  

Thì công thức Q P Q bq1 C V P trở thành:

P bq

P Q k

Trong đó:

P

k : Hệ số phụ thuộc vào C V ,C S, p và có thể xác định theo bảng tra

e Tính đổi thành lưu lượng thiết kế ở vị trí xây dựng cầu cống

Nếu mặt cắt khảo sát trùng hoặc rất gần với vị trí sẽ xây dựng cầu cống mà sai sốcủa lưu lượng của hai mặt cắt chỉ vào khoảng 10% thì không cần tính đổi Nếu vượtqua phạm vi này thì tính đổi theo công thức sau:

P h

m h

n h

c

m c

n c

I b F

I b F

4 / 1 '

.

.

F và F h diện tích khu vực nước ở vị trí cầu cống và diện tích khu vực

nước ở chỗ mặt cắt ngang khảo sát (km2)

b và b h: Chiều rộng của diện tích tụ nước ở vị trí cầu cống và của diện

tích tụ nước ở mặt cắt ngang khảo sát (km)

c

I và I h: Độ dốc bình quân của khu tích tụ nước ở vị trí cầu cống và ở

mặt cắt ngang khảo sát (m / km)

m: Chỉ số hình thái lưu vực khi lũ, thường lấy 1/3

n: Chỉ số diện tích tụ nước, với lưu vực lớn lấy

3

2 2

1

 , khi F  30km2 thì n 0 8

Lưu ý: Các hệ số còn lại trong công thức (2-3,2-4) được tra từ bảng 2.14 đến 2.19 trong quyển “Thiết kế cống và cầu nhỏ trên đường ô tô”, tác giả Nguyễn Quang Chiêu và Trần Tuấn Hiệp.

Khi vị trí sẽ xây dựng cầu cống gần với cầu cống cũ, có thể thông qua việc điềutra tình hình thoát nước của cầu cống cũ, đối chiếu với phương pháp tính toán khẩu độcầu cống để tính ngược ra lưu lượng, rồi tính đổi thành lưu lượng thiết kế ở vị trí sẽlàm cầu cống mới

a Tính đổi từ lưu lượng đỉnh lũ chảy qua cầu nhỏ hiện có.

Tính lưu lượng đỉnh lũ dựa vào cầu nhỏ chảy tự do (khi 1 3h k h)

Từ các công thức tính khẩu độ cầu nhỏ ta có thể tìm được công thức lưu lượngđỉnh lũ của cầu có mặt cắt ngang hình chữ nhật là:

2 / 3

.

H B M

Trong đó:

B: Khẩu độ tĩnh của cầu (m)

H: Chiều cao cột nước trước cầu (m)

M : Hệ số lưu lượng

Cầu nhỏ chảy không tự do thường xẩy ra trên các sông nhỏ vùng đồng bằng màlòng sông dưới cầu không gia cố Tính lưu lượng theo công thức sau:

B h V

h : chiều sâu nước chảy ứng với mực nước hạ lưu cầu cống tự nhiên, trị số của

nó tìm được qua điều tra Nếu không có tài liệu điều tra, có thể tính theo công thức:

2

2



g

V H

b Lưu lượng đỉnh lũ chảy qua cầu cống.

Xác định trạng thái dòng chảy qua cống

- Cống chảy không áp

2 1



H hCång với cống có cửa cống thường

4 1



H hCång với cống có cửa cống nâng cao

- Cống chảy bán áp

2 1



H hCång với cống có cửa cống thường

- Cống chảy có áp

4 1



H hCång với cống có cửa cống nâng cao

Trong các công thức trên thì:

H: Chiều cao nước trước cống (m)

h : Chiều cao cống (m)

Lưu lượng thoát qua cống

Nếu đã điều tra được mực nước trước cống H và chiều sâu nước tự nhiên củasuối ở cửa ra hạ lưu h thì có thể tìm được lưu tốc trong cống Vcèng theo công thức:

R C

L g h

H g V

21

1)

(.2



g

V H

Từ lưu lượng chảy qua cầu cống, tính đổi về lưu lượng tự nhiên

Lưu lượng tính được theo phương pháp trên đây là lưu lượng chảy qua cầu cốnghiện có Do ảnh hưởng của cầu cống làm thu hẹp dòng sông nên thường xẩy ra hiệntượng tích nước làm cho lưu lượng chảy qua cầu cống nhỏ hơn lưu lượng đỉnh lũ tựnhiên Do đó phải tính đổi lưu lượng chảy qua cầu cống thành lưu lượng tự nhiên.Tuy nhiên với cầu cống nhỏ vùng đồi núi, do quan hệ của địa hình, tác dụng tích nướctương đối nhỏ, có thể bỏ qua và có thể xem lưu lượng chảy qua cầu cống là lưu lượngcủa đỉnh lũ tự nhiên Công thức đổi như sau:

c

M Q S

: Hệ số triết giảm do tích nước, tra bảng dưới

Xác định tần suất lưu lượng

Sau khi dựa vào phương pháp trên tính ra lưu lượng tự nhiên của một lần lũ nào

đó của sông suối đang xét, lại dựa vào phương pháp điều tra hình thái ở trên để xácđịnh tần suất lưu lượng của lần lũ đó, rồi tìm lưu lượng của chu kỳ thiết kế cần thiết ở

vị trí cầu cống

Lưu ý: Các hệ số còn lại trong công thức (2-5 đến 2-8) được tra từ bảng 2.14 đến 2.19 trong quyển “Thiết kế cống và cầu nhỏ trên đường ô tô”, tác giả Nguyễn Quang Chiêu và Trần Tuấn Hiệp.

thiết kế ( Q P ) dùng cho đường ôtô và đường sắt Việt Nam.

Từ những năm 1980 Nguyễn Xuân Trục đã đề nghị công thức tính lưu lượngthiết kế lớn nhất theo tần suất xuất hiện của lũ

Công thức tính toán có dạng sau đây:





 67

a : Cường độ mưa tính toán tính bằng mm/ph, xác định ứng với thời

gian hình thành dòng chảy t c theo công thức sau:

4 0 4

0

4 0

)100)(

(

6.18

sd sd

sd c

m i

t

H

a .Trong đó:

p

H : Lượng mưa ngày lớn nhất có tần suất (P%)

 : Tọa độ đường cong mưa

Lưu lượng xác định theo công thức kinh nghiệm:

F C

.

% 1



n

8 4 8

: Hệ số dòng chảy phụ thuộc vào điều kiện địa mạo

: Hệ số phụ thuộc vào độ dốc và chiều dài lưu vực

F: Diện tích lưu vực

Lưu lượng được xác định nhờ vào các đồ thị lập sẵn cho các tần suất khác nhau

Công thức Maier:

3 0

.F C

Q 

Trong đó:

C: Hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vùng khí hậu, địa hình và đất cấu tạo bề mặtlưu vực

3 Khảo sát công trình thoát nước nhỏ

Các tài liệu dùng trong phân tích thủy văn là các lài liệu sưu tập, bảo tồn tất cảcác thông tin thường xuyên làm cơ sở cho tính toán và dự báo thủy văn Đó là các bản

đồ địa hình, diện tích lưu vực, thông tin đo đạc hiện trường, các nguồn tài liệu thamkhảo, các ảnh chụp về dòng chảy, các tính toán thủy văn, phân tích tần suất lũ, số liệughi chép quan hệ lưu lượng mực nước lũ lịch sử kể cả văn bia, gia phả các dòng họ,tài liệu của cơ quan bảo dưỡng đường, các ghi chép cá nhân của các nhân chứng về lũlịch sử…

Các tài liệu thủy văn thể hiện trên bình đồ dự án công trình phải đảm bảo đượcghi chép thường xuyên và có tác dụng tham khảo và hữu ích cho kỹ sư hiện trườngtrong quá trình xây dựng Những số liệu và tài liệu này bao gồm: kích thước diện tíchlưu vực, độ lớn và tần suất lũ thiết kế, cao độ mực nước tại các điểm trọng yếu và cầnthiết, lưu lượng và ngày xảy ra lũ lớn nếu có thể có: Phác hoạ hay mô tả lưu vực,hướng dòng chảy, vị trí các công trình đã cố định và dự kiến, ghềnh, thác, kênh, rạch

và hệ thống thoát nước mặt

Khảo sát thuỷ văn là xác định lưu lượng thiết kế để tính: Khẩu độ cầu cống.Nội dung và phương pháp khảo sát thuỷ văn cụ thể như sau:

- Theo phương án tuyến đã được chọn trong giai đoạn nghiên cứu khả thi, dựatheo bình đồ, trắc dọc đường có bố trí các công trình thoát nước đã được thiết kế ởgiai đoạn nghiên cứu khả thi, tiến hành đối chiếu việc bố trí các công trình thoát nướcdọc tuyến (vị trí, khẩu độ thoát nước), bổ sung các công trình thoát nước ở những chỗtrũng trên trắc dọc

- Dựa trên bản đồ tỉ lệ 1:10000, 1:25000, 1:50000 hoặc tỉ lệ khác (tuỳ theo phạm

vi của đường giới hạn lưu vực) đã có vị trí tuyến và vị trí các công trình thoát nướcxác định các đường phân thuỷ và khoanh diện tích lưu vực tụ thuỷ đối với mỗi côngtrình thoát nước, xác định chiều dài suối chính, suối nhánh, độ dốc lòng suối chính, độdốc suối tại công trình, độ dốc trung bình của sườn dốc lưu vực, diện tích đầm hồ ao

và kí hiệu tên các lưu vực trên bản vẽ ranh giới các lưu vực

- Đối chiếu các kết quả xác định các đặc trưng của lưu vực trên bản đồ với kếtquả thị sát trên thực địa, tiến hành sửa chữa những sai sót và bổ sung những phầnthiếu, trong trường hợp cần thiết tiến hành đo đạc bổ sung tại thực địa

- Nội dung và phương pháp khảo sát, điều tra các đặc trưng địa mạo lòng suối,đặc trưng địa mạo lưu vực, cấu tạo đất

- Đo đạc địa hình tại các công trình thoát nước nhỏ

- Đo vẽ bình đồ khu vực công trình thoát nước:

+ Phạm vi đo vẽ: Theo chiều dài suối phải đo ra ngoài phạm vi bố trí công trình

thoát nước một chiều dài ít nhất là 20m về mỗi phía thượng lưu và hạ lưu Nếu tạicông trình thoát nước ở phía thượng lưu và hạ lưu có thiết kế công trình dốc nước, bậcnước hoặc kênh dẫn nước thì phạm vi công trình sẽ bao gồm cả công trình này Theochiều ngang suối, nếu suối về mùa lũ nước không tràn bờ suối thì phạm vi đo phảinằm ngoài phạm vi chiều rộng suối về mùa lũ ít nhất là 5 đến 10m; nếu suối về mùa

lũ, nước tràn qua bờ suối thì phạm vi đo cách bờ suối chính ít nhất 20m

+ Tỉ lệ vẽ bình đồ: 1/2001/500.

- Đo vẽ mặt cắt ngang suối tại công trình thoát nước:

+ Phạm vi đo vẽ: Nếu suối về mùa lũ nước không tràn qua bờ thì phải đo cao

hơn mực nước lũ cao nhất từ 1 đến 2m Nếu về mùa lũ, nước tràn qua bờ suối thì đorộng ra hai bờ suối chính mỗi bên 10m, phần còn lại sẽ dựa vào trắc dọc đường để xácđịnh phạm vi nước ngập

Đối với những suối tương đối lớn cần kiểm tra lưu lượng theo mực nước điều trathì cần đo vẽ thêm mặt cắt lưu lượng nếu mặt cắt ngang suối tại vị trí công trình thoátnước không thoả mãn các yêu cầu tính lưu lượng theo phương pháp hình thái

+ Tỉ lệ bản vẽ mặt cắt ngang suối: 1/1001/200.

- Đo vẽ mặt cắt dọc suối tại công trình:

+ Phạm vi đo vẽ: Bằng chiều dài đo vẽ bình đồ khu vực công trình Mặt cắt dọc

suối được đo dọc theo lạch sâu nhất của suối và tất cả các điểm đổi dốc phải tiến hành

đo cao độ Song song với việc đo mặt cắt dọc suối tiến hành đo cao độ đường mựcnước nếu khi khảo sát suối có nước chảy

+ Tỉ lệ bản vẽ mặt cắt dọc suối: Chiều cao 1/50  1/100; Chiều dài 1/100

1/200

Trên bản vẽ mặt cắt dọc suối phải thể hiện vị trí tim công trình thoát nước,đường mặt nước và hướng nước chảy

- Điều tra mực nước

Nội dung điều tra mực nước lũ và chế độ lũ ở các công trình thoát nước tronggiai đoạn thiết kế kỹ thuật, như quy định đối với điều tra mực nước

- Khảo sát thuỷ văn ở những công trình thoát nước có chế độ thuỷ văn đặc biệt

- Lập hồ sơ khảo sát thuỷ văn công trình thoát nước nhỏ

+ Thuyết minh tình hình khí tượng thuỷ văn, tình hình khảo sát, đo đạc, điều trathuỷ văn và địa hình tại vị trí công trình thoát nước Cung cấp đầy đủ các số liệu cần

thiết cho việc tính toán lưu lượng và xác định khẩu độ công trình thoát nước, các mựcnước điều tra tại các sông suối, chế độ thuỷ văn v.v

+ Bản vẽ bình đồ tụ nước của lưu vực tính toán các công trình thoát nước dọctuyến có kí hiệu tên lưu vực đối với mỗi công trình

+ Bản tổng hợp các số liệu khảo sát, điều tra các đặc trưng tính toán thuỷ văncông trình thoát nước theo mẫu quy định

+ Các bản vẽ bình đồ vị trí công trình thoát nước, mặt cắt dọc suối tại công trìnhthoát nước Trên các bản vẽ bình đồ và mặt cắt dọc vị trí công trình phải vẽ vị trí củatuyến đường và các mực nước đặc trưng điều tra trong khi khảo sát

+ Các hồ sơ, bản vẽ có liên quan trực tiếp tới tính toán và thiết kế công trìnhthoát nước trên đường như kênh mương, đập nước thuỷ lợi, quá trình diễn biến lòngsông (xói và bồi nếu có)

+ Các văn bản làm việc với địa phương và các cơ quan hữu quan; Các tài liệu, sốliệu thu thập được ở các cơ quan lưu trữ, cơ quan thiết kế, cơ quan quản lý công trình

về các vấn đề liên quan tới chế độ thuỷ văn sông vùng thiết kế (chế độ mưa lũ, chế độlàm việc của đê, đập, kênh mương thuỷ lợi v.v )

V Tính toán thủy lực công trình thoát nước nhỏ

1 Khái niệm

Việc thiết kế công trình thoát nước nhỏ là một công tác rất tổng hợp, gồm từviệc điều tra khảo sát thuỷ văn, tính toán lưu lượng nước, tính toán thuỷ lực cho đếnviệc thiết kế kết cấu các loại công trình thoát nước trên đường

Mục đích của việc tính toán thủy lực công trình thoát nước nhỏ là để xác địnhchính xác:

- Khẩu độ của công trình như: khẩu độ cống và cầu nhỏ

- Hình thức gia cố và kích thước của công trình gia cố lòng khe, suối

- Chiều cao nước dâng và chiều cao tối thiểu của nền đường đắp.

Để phục vụ tính toán thủy văn, thủy lực cóng và cầu nhỏ, các tài liệu cơ bản gồmnhư:

Bình đồ địa hình khu vực công trình Đặc điểm địa hình dùng để xác định vị tríđặt công trình và các điều kiện kiểm soát thiết kế thủy lực bao gồm: cao độ, phạm vilòng suối, kênh, mương tại vị trí và lân cận vị trí dự định đặt cống Phạm vi khảo sátphụ thuộc vào địa hình cụ thể và độ dốc của lòng suối, song thường không nhỏ hơn từ

3 đến 4 lần chiều rộng dòng chảy tương ứng với mực nước lũ thiết kế

Bản đồ lưu vực công trình Đây là yếu tố quan trọng để tính lưu lượng theo mưarào và đánh giá khả năng tiềm ẩn của lũ, do vậy phải sử dụng bản đồ có tỉ lệ đủ lớn đểxác định chính xác diện tích và các đặc điểm của lưu vực Nếu bản đồ và thông tinkhông đủ tin cậy thì phải tổ chức đo đạc, lập bình đồ Trong bản đồ phải thể hiệnđược diện tích không có tác dụng cung cấp nước, hồ ao, đầm lầy, mức độ sử dụng đất,mật độ và loại thực vật …, đê, đập, hồ chứa vì nó có thể làm thay đổi tính chất củadòng chảy Phạm vi và tính chất của lưu vực nên được kiểm tra và đánh giá ngoàithực địa

Các số liệu khí tượng tại khu vực nghiên cứu, đặc biệt là các số liệu về mưa baogồm: tổng lượng mưa năm, lượng mưa tháng, mùa mưa, lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngàylớn nhất; lượng mưa thời đoạn ngắn;

Các đặc trưng và đặc điểm của suối, kênh Dòng chảy phải được mô tả đầy đủ vềtính chất, đặc điểm, các mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, địa hình đáy dòng chảy, tuyếndòng chảy trên mặt bằng, khu vực lòng sông, bãi sông, độ dốc đáy, độ dốc mặt nướcnếu có Tình hình địa chất bờ, đáy dòng chảy, lớp đá gốc nếu có, thảm thực vật, vậttrôi và các yếu tố khác ảnh hưởng đến kích thước cống

Điều tra mực nước tại vị trí công trình: Công tác này rất quan trọng giúp cho tínhtoán và kiểm soát quá trình tính toán thủy lực Mực nước điều tra này phải ở gần nơiđịnh đặt công trình, song trong một số trường hợp có thể sử dụng mực nước từ thượng

hay hạ lưu truyền về vị trí cống Mực nước điều tra phải có cùng hệ cao độ với tuyếnđường.

Điều tra, đăng ký các công trình hiện có: Các công trình hiện có tại thượng và hạlưu công trình dự kiến cần được điều tra cụ thể, đặc biệt là các công trình nằm gầncông trình dự kiến, có thể gây ra các ảnh hưởng giữa hai công trình với nhau

2 Chế độ dòng chảy thủy lực trước và sau khi bố trí công trình

Dòng chảy trong các sông suối tự nhiên không phải là dòng chảy lý tưởng vớilưu lượng cố định Ngay cả khi không bố trí công trình, lưu lượng trong dòng chảy(trước, trong và sau khi mưa) luôn biến đổi Khi bố trí công trình vào dòng chảy sẽlàm thay đổi chế độ thuỷ lực, kéo theo sự thay đổi của hàng loạt thông số quan trọng(đặc biệt là mực nước dâng thượng lưu và tiết diện thoát nước) làm cho quá trình diễnbiến thuỷ lực sẽ phức tạp hơn

3 Các phương pháp tính toán thủy lực

Tính toán khẩu độ cầu nhỏ được thực hiện theo trình tự sau:

1 Xác định lưu lượng tính toán (tùy trường hợp cụ thể, có thể xét đến hiện tượngtích nước trước công trình)

2 Xác định chiều sâu mực nước tự nhiên h và vận tốc tương ứng V

3 Chọn vật liệu, hình thức gia cố, loại mố trụ, xác định V cp

4 Tính h k

5 So sánh h và h k để chọn sơ đồ tính (xác định chế độ chảy)

6 Căn cứ vào chế độ chảy của nước dưới cầu

7 Tính chiều sâu mực nước dâng trước công trình và định cao độ mép nền đường,mặt cầu và chiều dài cầu

3.2. Các chế độ nước chảy dưới cầu và sơ đồ tính toán.

Tùy theo quan hệ giữa chiều sâu tự nhiên của dòng chảy h và chiều sâu phângiới h k mà trạng thái nước chảy dưới cầu có thể khác nhau:

a) Khi h  1 3h k, nước chảy theo chế độ tự do, chiều sâu nước chảy dưới cầu là h k

Sau khi đã biết lưu lượng thiết kế Q tk, mặt cắt ngang khe suối, hệ số nhám, độdốc của lòng khe suối, có thể xác định chiều sâu tự nhiên của dòng chảy h ứng với

tk

Q , theo hai cách:

a) Phương pháp đồ thị.

- Từ hình dạng mặt cắt ngang đã biết (mặt cắt ngang hình tam giác, hình thang hoặchình chữ nhật), giả định chiều sâu h1.

- Từ h1 tính được diện tích thoát nước , chi vi ướt , bán kính thủy lực R tư hình vẽ.ơngng

- Tương tự giả định các chiều sâu h2,h3,h4 và xác định các Q1,Q2,Q3 tương ứng

- Vẽ đường cong quan hệ Q và h

- Trên đồ thị ứng với giá trị Q tk sẽ xác định h như hình dưới

m3/s

h(m) Q=f(h)

Hình 2.7 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa Q và h Phương pháp thử dần

- Căn cứ vào kết quả điều tra khảo sát tình hình thủy văn của khe suối, sơ bộ xácđịnh chiều sâu h

Chiều sâu phân giới h k là chiều sâu dòng chảy ứng với chế độ nước chảy phângiới (chiều sâu tương ứng với tiết diện dòng chảy có tỷ năng mặt cắt nhỏ nhất)

Dựa vào phương trình tỷ năng mặt cắt, người ta xác định được biểu thức h k (tb)

g

V

tb k

2 )

Với B k: Chiều rộng mặt tự do (mặt thoáng) của tiết diện k.

: Hệ số hiệu chỉnh động năng, thường lấy bằng 1 1 1

k

V : Lưu tốc ứng với chế độ nước chảy phân giới

Hình 2.8 Hình dạng mặt cắt chữ nhật và hình thang

4 Tính khẩu độ cầu nhỏ.

Trường hợp 1: h  1 3h k ( nước chảy theo chế độ tràn không ngập),

Chiều sâu dòng chảy dưới cầu là h nh hình v k ư hình vẽ ẽ.

Hình 2.9 Mặt cắt hình thang khi nước chảy tự do

Khẩu độ cầu L c tính như sau:

d N V

g Q B L

cp

tb k

.

g: Gia tốc trọng trường (m / s2)

 : Hệ số thu hẹp do mố trụ

90 0



 khi mố cầu có 1/4 nón

80 0



 khi mố cầu không có 1/4 nón

N : Số trụ giữa

d: Bề dày chắn nước của mỗi trụ giữa

Trường hợp 2: h  1 3h k (nước chảy dưới cầu theo chế độ tràn ngập)

Chiều sâu dòng chảy dưới cầu là h , tiết diện hình chữ nhật

Hình 2.10 Trường hợp dòng chảy tiết diện chữ nhật

Khẩu độ cầu L c tính như sau:

d N h

Với tiết diện dòng chảy hình thang như hình dưới

Hình 2.11 Trường hợp dòng chảy tiết diện hình thang

Khẩu độ cầu L c tính như sau:

d N h m h V

Q L

Với tiết diện dòng chảy hình tam giác

Khẩu độ cầu L c tính như sau:

d N h V

Q L

cp

tk

2







Xác định chiều sâu nước dâng trước cầu H

Trường hợp 1: Chế độ nước chảy tự do

Chiều sâu nước dâng trước cầu:

g

V g

V h

k

2 2

h

k 2 2

2 2 ) (









Trường hợp 2: Chế độ nước chảy không tự do

Chiều sâu nước dâng trước cầu:

g

V g

V h

2 2

V : Vận tốc dòng chảy trước cầu ứng với chiều sâu nước dâng H

: Hệ số lưu tốc tra bảng dưới

5 Tính khẩu độ cống thoát nước trên đường ô tô

2 Căn cứ điều kiện vật liệu, khả năng xây dựng, chọn hình thức tạo cống.

3 Căn cứ vào lưu lượng tính toán và các đặc trưng cấu tạo định một số phương ánkhẩu độ, chế độ làm việc của cống (từ công thức lưu lượng suy ra khẩu độ hoặctra các bảng tính sẵn)

4 Xác định chiều sâu nước dâng H, vận tốc cửa ra của cống, kiểm tra chế độchảy trong cống

5 Định cao độ (hoặc kiểm tra khẩu độ) mép nền đường

6 Tính xói và xác định hình thức gia cố hạ lưu công trình, và so sánh kinh tế kỹthuật để chọn phương pháp thích hợp nhất

5.2 Các trạng thái nước chảy trong cống

Tùy thuộc chiều sâu ngập nước trước cống, chiều cao tiết diện cống, loại tiếtdiện, kiểu miệng cống, cống có thể là việc theo các chế độ sau đây:

a) Ch ế độ chảy không áp độ chảy không áp ch y không áp ảy không áp.

H b)

h

h io

k c=0.9hk

hc Vo

Ho H

Vo2 2g

V'o Ho

2g

2

Vo

k io hc=h cèng

hcv=h cèng

2g H1

+ Điều kiện để có chế độ chảy không áp:

Nếu H  1 2h cv đối với cống có miệng làm theo dạng thường hoặc H  1 4h cv đốivới cống có miệng làm theo dạng dòng chảy