Chương 4(TKD2)

1.2 Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vựcPhân tích quy luật nước chảy từ các sườn dốc lưu vực về công trình thoát nước, nhận thấy lưu lượng nước mưa chảy về công trình tăng

TS LÊ VĂN PHÚC GVBM: Đường Bộ-Đường Sắt Email: lvphuc@utc2.edu.vn

University of Transport and Communications

Campus in Ho Chi Minh

2

1.1 Công trình vượt qua dòng nước nhỏ và lưu lượng nước tính toán

1.1.1 Công trình vượt qua dòng nước nhỏ

 Trên đường ô tô nói chung ở tất cả các nơi trũng và có suối đều phải bố trí công trình thoát nước

1) Cống:

 Cống là loại công trình thoát nước chủ yếu qua dòng nước nhỏ Cống có nhiều loại: cống tròn, cống vuông, cống vòm Khẩu độ cống thay đổi từ 0,5 – 6m Số ống cống có thể là một, hai (cống đôi) hoặc nhiều hơn tùy theo lưu lượng nước chảy và địa hình

 Cống vuông thường làm ở những nơi có lưu lượng nước chảy trên 15m3/s

 Cống tròn bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi nhất Cống tròn dễ chế tạo và rất tiện cho việc cơ giới hóa trong thi công Để tiện cho việc sửa chữa trong thời gian khai thác, nên chọn khẩu độ cống không nhỏ hơn 1m Khẩu độ cống phải được tính toán để cống thoát được lưu lượng nước thiết kế và làm việc theo chế độ không áp

 Không nên sử dụng cống ở những dòng chảy có vật trôi lớn

1.1 Công trình vượt qua dòng nước nhỏ và lưu lượng nước tính toán

 Cầu nhỏ có nhiều loại, phổ biến nhất là cầu bê tông cốt thép, sau đó là cầu thép, cầu gỗ, cầu vòm đá

 Ngoài cống và cầu nhỏ, để vượt qua dòng nước nhỏ còn dùng các công trình như đường thấm, đường tràn, ống si phông, cống máng,…

1.1 Công trình vượt qua dòng nước nhỏ và lưu lượng nước tính toán

Việc bố trí công trình thoát nước trên trắc dọc và bình đồ cần đảm bảo những nguyên tắc sau:

1) Đối với đường cấp cao, các công trình vượt dòng nước nhỏ phải phụ thuộc vào tuyến

Đối với đường cấp thấp cho phép kéo dài tuyến để cải thiện điều kiện giao nhau với dòng nước (cần so sánh kinh tế – kỹ thuật).2) Thông thường vai nền đường phải cao hơn mực nước dâng trước công trình tối thiểu là 0,5m

3) Khẩu độ cầu không nên dùng nhỏ hơn 3m Khẩu độ cống nên dùng từ 1m trở lên để thuận lợi cho công tác duy tu sửa chữa 4) Nếu cống làm việc ở chế độ bán áp và có áp phải chú ý đảm bảo cho công trình ổn định và nước không thấm qua nền đường.5) Với đường cấp thấp có thể thiết kế vượt dòng nước nhỏ bằng đường tràn, cống tràn,…

1.1 Công trình vượt qua dòng nước nhỏ và lưu lượng nước tính toán

1.1.2 Lưu lượng nước tính toán

Lưu lượng nước tính toán theo tần suất thiết kế là cơ sở để tính toán thủy văn và thủy lực các công trình qua dòng nước nhỏ Vì vậy việc đầu tiên là phải xác định được lưu lượng cực đại ứng với tần suất lũ thiết kế từ lưu vực chảy về công trình

1.2 Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực

Phân tích quy luật nước chảy từ các sườn dốc lưu vực về công trình thoát nước, nhận thấy lưu lượng nước mưa chảy về công trình tăng dần theo thời gian và đạt trị số cực đại ở thời điểm khi giọt nước từ điểm xa nhất trên lưu vực kịp chảy về công trình

 Giả thiết cường độ mưa trên toàn khu vực là như nhau, lưu vực có dạng đều (Hình 4.1) Diện tích lưu vực là F; thời gian cung cấp nước là tB; thời gian tập trung nước là tC

1.2 Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực

1.2 Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực

Vẽ trên lưu vực những đường đồng thời tập trung nước về công trình sau 1’, 2’, 3’, 4’, … Gọi diện tích lưu vực có nước kịp chảy

về công trình sau thời gian trên là f1, f2, f3, f4, … Gọi a là chiều dày lớp nước trên mặt lưu vực do mưa trong một phút (cường độ cung cấp dòng chảy)

 Ta có quy luật thay đổi lưu lượng qua mặt cắt tính toán như sau:

 Sau phút thứ nhất chỉ có phần nước mưa trên diện tích f1 của lưu vực kịp chảy về công trình, do đó lưu lượng nước tại mặt cắt tính toán là:

Q1 = f1.a

 Trong thời gian này lượng nước mưa trong phút thứ 4 tại f4 mới kịp chảy về f3 và tại f3 về f2 và f2 về f1.

 Sau phút thứ hai, ngoài phần diện tích f1, có thêm lượng nước mưa từ f2 chảy về và lưu lượng tại mặt cắt tính toán là:

Q2 = (f1 + f2)a

1.2 Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực

Lập luận tương tự ta có lưu lượng nước chảy về công trình sau phút thứ ba và thứ tư:

Q3 = (f1 + f2 + f3)aQ4 = (f1 + f2 +f3 + f4)aCông thức tổng quát xác định lưu lượng nước chảy về công trình sau phút thứ t có dạng:

Từ những phân tích ở trên ta thấy tùy theo thời gian mưa tB lớn hoặc nhỏ hơn thời gian tập trung nước tC mà toàn bộ hoặc chỉ một phần diện tích lưu vực tham gia trong trị số lưu lượng cực đại

1.2 Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực

Nếu a tính bằng mm/phút; F bằng km2; Q bằng m3/s thì ta có công thức tính lưu lượng cực đại như sau:

- Khi tB ≥ tC thì toàn bộ diện tích lưu vực tham gia vào Qmax

1.3 Công thức xác định lưu lượng nước thiết kế

1.3.1 Công thức cường độ giới hạn (22TCN 220-95)

Đối với lưu vực có diện tích nhỏ hơn 100km2 thường sử dụng công thức sau:

Trong đó:

QP: lưu lượng đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế P%;

HP: lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế P% của trạm đại biểu cho lưu vực tính toán, mm Trong tính toán cần cập nhật chuỗi số liệu mưa của trạm đại biểu đến thời điểm tính;

ϕ: hệ số dòng chảy lũ lấy theo bảng 2.1 quy trình 22TCN 220-95, tuỳ thuộc vào loại đất cấu tạo nên lưu vực, lượng mưa ngày thiết kế (HP) và diện tích lưu vực (F);

1.3 Công thức xác định lưu lượng nước thiết kế

1.3.1 Công thức cường độ giới hạn (22TCN 220-95)

AP: mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế là tỷ số giữa mô đuyn đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế P% với ϕHP Khi δ = 1 trị số AP biểu thị bằng tỷ số:

1.3 Công thức xác định lưu lượng nước thiết kế

 Xác định thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs ;

Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs xác định theo phụ lục 2.2 quy trình 22TCN 220-95, phụ thuộc vào hệ số địa mạo thuỷ văn

của sườn dốc φs và vùng mưa

1.3 Công thức xác định lưu lượng nước thiết kế

Trình tự tính toán QP:

Hệ số đặc trưng địa mạo sườn dốc φsd xác định theo công thức:

Trong đó:

bs: chiều dài bình quân sườn dốc lưu vực, m;

- Đối với lưu vực hai sườn dốc thì:

L: chiều dài lòng chính, km;

tổng chiều dài các sông nhánh trên lưu vực, km;

ms: hệ số nhám sườn dốc, phụ thuộc vào đặc điểm bề mặt sườn lưu vực xác định theo bảng 2.5 quy trình 22TCN 220-95;

Js: độ dốc sườn dốc tính theo %o;

1.3.2 Công thức của trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội

1.3.3 Công thức kinh nghiệm của Bộ GTVT Việt Nam 1964

2.1 Tính toán thủy lực cống

2.1.1 Các chế độ làm việc của cống

1) Chế độ không áp:

Nếu H ≤ 1,2hcv đối với miệng cống loại thường và H ≤ 1,4hcv đối với miệng cống làm theo dạng dòng chảy

H – chiều cao nước dâng trước cống;

hcv – chiều cao cống ở cửa vào

wc – tiết diện nước chảy tại chỗ bị thu hẹp trong cống;

hc – chiều sâu nước chảy trong cống tại chỗ bị thu hẹp, hc = 0,9hk

hk – độ sâu phân giới;

g – gia tốc trọng trường, lấy bằng 9,81m/s2

2.1 Tính toán thủy lực cống

2.1.3 Trình tự tính toán cống

Sau khi chọn loại cấu tạo cống, căn cứ vào lưu lượng tính toán chọn một số phương án khẩu độ (cố gắng sử dụng định hình); xác định chiều cao nước dâng trước cống H và vận tốc nước chảy v Từ đó định cao độ nền đường và định các biện pháp gia cố thượng hạ lưu cống; tiến hành so sánh kinh tế – kỹ thuật để chọn phương án thích hợp nhất

2.2 Tính toán khẩu độ cầu nhỏ

2.2.1 Các chế độ dòng chảy dưới cầu

- Nếu hd ≤ 1,3hk nước chảy theo chế độ tự do

- Nếu hd > 1,3hk nước chảy theo chế độ chảy ngập

hd - chiều sâu nước chảy lúc tự nhiên;

hk - chiều sâu nước chảy dưới cầu

2.2 Tính toán khẩu độ cầu nhỏ

2.2.2 Trình tự tính toán thủy lực cầu nhỏ

1) Xác định tốc độ và chiều sâu nước chảy trong suối lúc tự nhiên Giả thiết các chiều sâu nước chảy trong suối 1, 2, 3, 4,… mét; ứng

với mỗi chiều sâu đó tính lưu lượng theo công thức Sêdi-Maning; vẽ quan hệ hd - Q (Hình 4.3) Dựa vào đường quan hệ này, ứng với lưu lượng nước thiết kế xác định chiều sâu nước chảy hd và tốc độ nước chảy vd

h

Q

Q - hδ

0

2.2 Tính toán khẩu độ cầu nhỏ

2.2.2 Trình tự tính toán thủy lực cầu nhỏ

2) Chọn phương án xử lý lòng suối: đào lòng suối để có dạng hình chữ nhật và gia cố hay để lòng suối có dạng tự nhiên; dùng mố

có mô đất ¼ nón hay không có ¼ nón,…

3) Xác định chiều sâu phân giới hk từ điều kiện:

2.2 Tính toán khẩu độ cầu nhỏ

2.2.2 Trình tự tính toán thủy lực cầu nhỏ

Đối với tiết diện lòng suối dưới cầu là hình chữ nhật:

a – hệ số kôriôlit, lấy bằng 1,0 – 1,1.

Đối với tiết diện lòng suối dưới cầu là hình thang:

4) Xác định khẩu độ cầu và chiều sâu nước dâng trước cầu

5) Căn cứ vào khẩu độ cầu vừa xác định, chọn chiều dài cầu định hình gần nhất và tính lại chiều sâu H, tốc độ nước chảy dưới cầu vc

2.3 Thiết kế và tính toán đường thấm

 Đảm bảo độ dốc của công trình không được nhỏ hơn 1%

 Vật liệu làm đường thấm là đá có kích cỡ 0,2 – 0,5m, ổn định trong nước Đá phải được xếp cẩn thận tạo thành nhiều hang rỗng theo hướng nước chảy Trước khi lấp đất lên trên đường thấm phải có lớp đá dăm để đất phía trên không lọt xuống làm tắc đường thấm

2.3 Thiết kế và tính toán đường thấm

2.3.2 Tính toán đường thấm không áp:

1) Công thức tính toán:

h1 và h2 là chiều sâu nước chảy ở thượng và hạ lưu công trình, trong tính toán thường lấy h2 = 0;

kt – hệ số chảy rối, tra bảng;

l, b – chiều dài và chiều rộng đường thấm

hS – mực nước tại điểm tính toán;

S – cự ly từ cửa vào đến điểm tính toán.

2.4 Thiết kế và tính toán đường tràn

Khi thiết kế đường tràn cần chú ý các điểm sau:

- Mực nước tràn trên mặt đường không được vượt quá các trị số quy định

- Trên đường tràn phải bố trí hệ thống cọc tiêu để báo phạm vi phần xe chạy và cọc thủy chí để báo mức nước ngập

- Độ dốc ta luy của đường tràn quy định là 1:1 – 1:1,5 ở phía thượng lưu và 1:3 – 1:5 ở phía hạ lưu (Hình 4.5)

3.1 Hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm

3.1.1 Hệ thống thoát nước mặt

1) Độ dốc ngang của mặt đường và lề đường

 Độ dốc ngang của mặt đường dốc từ tim phần xe chạy về phía lề đường

 Độ dốc ngang của lề đường thường làm dốc hơn độ dốc ngang của mặt đường khoảng từ 1 – 2%

2) Rãnh dọc (rãnh biên), rãnh đỉnh, thùng đấu,…

3) Dốc nước và bậc nước.

4) Các công trình thoát nước qua đường: cầu, cống, đường thấm, đường tràn.

3.1 Hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm

3.1.2 Hệ thống thoát nước ngầm

Tác dụng là ngăn chặn, tập hợp và hạ thấp mức nước ngầm, đảm bảo nền đường luôn được khô ráo, do đó cải thiện được chế độ thủy nhiệt của nền và mặt đường

3.2 Thiết kế và tính toán rãnh thoát nước 3.2.1 Những yêu cầu khi thiết kế rãnh

 Tiết diện và độ dốc của rãnh phải đảm bảo thoát được lưu lượng tính toán với kích thước thích hợp Lòng rãnh không phải gia cố bằng

những vật liệu đắt tiền mà có thể tận dụng được vật liệu địa phương

 Tiết diện và độ dốc của rãnh phải thiết kế như thế nào để tốc độ nước chảy trong rãnh không nhỏ hơn tốc độ bắt đầu làm các hạt phù

sa bị lắng đọng Vì sự lắng đọng của phù sa sẽ làm giảm khả năng thoát nước của rãnh, vì vậy phải thường xuyên nạo vét rãnh

 Theo quy trình thiết kế đường, để lòng rãnh không bị ứ đọng bùn cát, độ dốc lòng rãnh không được thiết kế nhỏ hơn 0,5%, trong trường hợp cá biệt là 0,3%

 Khi thiết kế rãnh cố gắng giảm số chỗ ngoặt để tránh hiện tượng ứ đọng bùn cát và gây xói lở tại những nơi này

 Để đảm bảo nền đường khô ráo và rãnh không bị đầy tràn, cố gắng tìm cách bố trí nhiều chỗ thoát nước từ rãnh ra khe suối hay những chỗ trũng gần đấy

3.2 Thiết kế và tính toán rãnh thoát nước

3.2.2 Các công thức tính toán cơ bản

- Tốc độ nước chảy trong rãnh:

Trong đó: n – hệ số nhám phụ thuộc vào loại vật liệu gia cố

ω - tiết diện nước chảy của rãnh, m2

y – hệ số trong công thức sêzi, tra bảng

ir – độ dốc của rãnh

R – bán kính thủy lực, m

χ - chu vi ướt, m

3.2 Thiết kế và tính toán rãnh thoát nước

3.2.2 Các công thức tính toán cơ bản

Tiết diện nước chảy, bán kính thủy lực và chu vi ướt của các loại rãnh được xác định:

+ Với rãnh hình thang (Hình 4.6a):

3.2 Thiết kế và tính toán rãnh thoát nước

3.2.2 Các công thức tính toán cơ bản

 Với rãnh hình chữ nhật và rãnh hình tam giác (Hình 3.1b và Hình 3.1c): vẫn dùng các công thức trên và xem chúng là những trường hợp đặc biệt của hình thang: với hình chữ nhật cho m1 = m2 = 0; với hình tam giác cho b = 0

 Phân tích công thức tính khả năng thoát nước của rãnh ta thấy lưu lượng nước chảy tỷ lệ thuận với bán kính thủy lực R Với các tiết diện rãnh có ω không đổi thì dạng rãnh có chu vi ướt χ nhỏ nhất sẽ cho khả năng thoát nước là lớn nhất

 Trong các loại mặt cắt ngang rãnh có cùng ω thì hình tròn có χ là nhỏ nhất, nghĩa là tiết diện rãnh nửa hình tròn sẽ cho khả năng thoát nước là lớn nhất Tuy nhiên để thuận tiện cho thi công, rãnh nền đường thường có dạng hình thang hay hình tam giác

3.2.3 Trình tự tính toán thủy lực rãnh

1) Xác định lưu lượng nước thiết kế của rãnh;

2) Giả thiết tiết diện của rãnh, chiều sâu nước chảy trong rãnh, sau đó xác định các đặc trưng thủy lực: tiết diện dòng chảy ω, chu

vi ướt χ, bán kính thủy lực R;

3) Xác định khả năng thoát nước của rãnh và so sánh với lưu lượng nước thiết kế, nếu chúng không sai nhau quá 10% thì chọn tiết diện vừa giả thiết để thiết kế Nếu sai số lớn thì giả thiết lại tiết diện và tính lại từ đầu

4) Xác định tốc độ nước chảy trong rãnh, kiểm tra điều kiện xói lở và chọn biện pháp gia cố

5) Tính chiều sâu của rãnh: hr = h0 + 0,25m; với h0 – chiều sâu nước chảy trong rãnh

Khi lát đá phải đảm bảo chúng thật khít nhau, các khe hở phải chèn kín bằng đá con và phải được đầm lèn chặt.

3) Bê tông đất sét: làm bằng đất sét dẻo trộn với đá dăm, đá sỏi hay gạch vụn Chiều dày lớp gia cố khoảng 25cm.

4) Đất gia cố nhựa: nên dùng với đất cát hoặc cát pha sét Chiều dày lớp gia cố từ 5 – 10cm.

5) Gia cố bằng bê tông: khi tốc độ nước chảy trong rãnh lớn, có thể dùng tấm bê tông kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố.

Việc chọn biện pháp gia cố chống xói rãnh còn dựa vào tốc độ nước chảy, ý nghĩa của kênh rãnh và điều kiện vật liệu tại chỗ.

Khi lát đá phải đảm bảo chúng thật khít nhau, các khe hở phải chèn kín bằng đá con và phải được đầm lèn chặt.

3) Bê tông đất sét: làm bằng đất sét dẻo trộn với đá dăm, đá sỏi hay gạch vụn Chiều dày lớp gia cố khoảng 25cm.

4) Đất gia cố nhựa: nên dùng với đất cát hoặc cát pha sét Chiều dày lớp gia cố từ 5 – 10cm.

5) Gia cố bằng bê tông: khi tốc độ nước chảy trong rãnh lớn, có thể dùng tấm bê tông kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố.

Việc chọn biện pháp gia cố chống xói rãnh còn dựa vào tốc độ nước chảy, ý nghĩa của kênh rãnh và điều kiện vật liệu tại chỗ.

3.4 Rãnh dọc và rãnh đỉnh

3.4.1 Rãnh dọc (rãnh biên)

 Rãnh dọc cần làm ở các đoạn nền đường đào, nửa đào nửa đắp và nền đường đắp thấp hơn quy định Rãnh dọc dùng để thoát nước khi mưa từ mặt đường và diện tích hai bên đường, đảm bảo cho nền đường luôn được khô ráo, cường độ của nền mặt đường luôn được ổn định

 Kích thước của rãnh dọc thường được thiết kế theo cấu tạo mà không yêu cầu tính toán thủy lực Tiết diện của rãnh dọc có thể là hình thang, hình tam giác hoặc hình chữ nhật

 Rãnh tiết diện hình tam giác thường dùng ở những nơi có điều kiện thoát nước tốt và thi công bằng máy có thiết bị đào rãnh hình tam giác Ở nhưng nơi địa chất là đá thường dùng rãnh tiết diện hình vuông hoặc hình tam giác

 Phổ biến nhất là dùng rãnh có tiết diện hình thang có chiều rộng đáy rãnh là 0,4m, chiều sâu tính từ mặt đất thiên nhiên tối thiểu là 0,3m Độ dốc ta luy rãnh thường lấy 1:1