Thiết kế cống vũ hoài nam

Trên mặt cắt ngang ghi rõ vị trí cống, tên cọc, mực nước khi đo đạc, các mực nước lũ điều tra được và mực nước thiết kế, tình hình địa chất nếu có lỗ khoan địa chất.. Đo mặt cắt dọc sống

DÀNH CHO SINH VIÊN CHUYÊN NGÀNH CNKT XÂY DỰNG CẦU ĐƯỜNG BỘ

2015

TS VŨ HOÀI NAM

THIẾT KẾ CỐNG TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ

THIẾT KẾ CỐNG TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ

DÀNH CHO SINH VIÊN

CHUYÊN NGÀNH CNKT XÂY DỰNG CẦU ĐƯỜNG BỘ

VU Hoai Nam, PhD

Highway Division, Faculty of Civil Engineering

University of Transport Technology

54 Trieu Khuc, Thanh Xuan, Ha Noi, Vietnam

Tel: +84 983 843 387

Scientific Indexes:

Publication: 23 articles (04 ISI articles), 01 book,

Citations: 103, h-index: 5, i10-index: 4 (Google Scholar – August 2015)

https://scholar.google.com/citations?user=dZJmaKUAAAAJ&hl=vi

VŨ Hoài Nam, Tiến sĩ

Bộ môn Đường, Khoa Công trình

Trường đại học Công nghệ Giao thông Vận tải

54 Triều Khúc, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam

Tel: +84 983 843 387

Các chỉ số khoa học:

Công bố: 23 bài báo (04 bài báo quốc tế ISI), 01 đầu sách,

Số lượt trích dẫn: 103, Chỉ số h: 05, Chỉ số i10: 04 (Google Scholar – 8/2015)

https://scholar.google.com/citations?user=dZJmaKUAAAAJ&hl=vi

MỤC LỤC

2.1 CÁC TÀI LIỆU CẦN THIẾT CHO THIẾT KẾ CỐNG 4

2.1.1 Khảo sát địa hình khu vực đặt cống 4

2.1.1.1 Đo mặt cắt ngang sông suối ở vị trí cống 4

2.1.1.2 Đo mặt cắt dọc sống suối và độ dốc mực nước lũ 4

2.1.2 Khảo sát thủy văn cống 5

2.1.2.1 Xác định diện tích khu tụ nước (hoặc lưu vực) F 5

2.1.2.2 Xác định chiều dài và độ dốc bình quân của dòng chính 6

2.1.2.3 Điều tra hình thái và điều tra lũ 7

2.1.3 Các điều tra khảo sát khác 8

2.1.3.1 Địa chất công trình 8

2.1.3.2 Vật liệu xây dựng 8

2.1.3.3 Các công trình cầu cống cũ 8

2.1.3.4 Các tài liệu khác 9

2.2 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG NƯỚC VÀ KHẨU ĐỘ CỐNG 9

2.2.1 Tính toán lưu lượng nước 9

2.2.1.1 Tính toán lưu lượng QP% dựa vào lượng mưa ngày và mô đun dòng chảy (Quy trình tính toán dòng chảy lũ 22 TCN 220-95): 9

2.2.1.2 Tính toán lưu lượng QP% theo cường độ mưa ứng với thời gian tập trung nước của Trường Đại học Xây dựng (áp dụng cho lưu vực nhỏ có F≤ 30km2): 28

2.2.1.3 Đối với rãnh trên đường đô thị, sân bay, sân vận động 31

2.2.2 Chọn khẩu độ cống 33

2.2.2.1 Các trạng thái nước chảy trong cống 33

2.2.2.2 Tính toán khả năng thoát nước của cống khi độ dốc của cống (ic) nhỏ hơn độ dốc phân giới (ik), (trường hợp ic > ik thì tính như dốc nước) 34

2.2.2.3 Trình tự tính toán khẩu độ cống 35

2.2.3 Tính toán gia cố sân cống 36

2.2.3.1.Nguyên nhân xói lở lòng dẫn sau công trình 36

2.2.3.2.Tính toán xói lở và gia cố hạ lưu công trình 36

2.3 BỐ TRÍ VÀ KẾT CẤU CỐNG 39

2.3.1 Bố trí cống 39

2.3.1.1 Chọn vị trí cống 39

2.3.1.2 Bố trí mặt đứng của cống 40

2.3.2 Thiết kế kết cấu cống 42

2.3.2.1 Nguyên lý tính toán kết cấu cống 42

2.3.2.2 Đặc điểm chịu lực của cống 43

2.3.2.3 Tính toán chiều dài cống 44

2.3.3 Trình tự thiết kế và đồ án thiết kế 46

2.3.3.1 Trình tự thiết kế 46

2.3.3.2 Đồ án thiết kế 46

PHỤ LỤC 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Chương 2

THIẾT KẾ CỐNG

2.1 CÁC TÀI LIỆU CẦN THIẾT CHO THIẾT KẾ CỐNG

2.1.1 Khảo sát địa hình khu vực đặt cống

Trước khi tiến hành khảo sát cần phải thu thập bản đồ địa hình tỷ lệ 1 :10.000 hoặc

1 :100.000

2.1.1.1 Đo mặt cắt ngang sông suối ở vị trí cống

Đo rộng ra hai bên bờ sông suối đến trên mực nước lũ Trên mặt cắt ngang ghi rõ vị trí cống, tên cọc, mực nước khi đo đạc, các mực nước lũ điều tra được và mực nước thiết kế, tình hình địa chất (nếu có lỗ khoan địa chất) Khi vị trí cống nằm trên đoạn sông suối cong thì phải đo vẽ thêm mặt cắt ngang ở thương lưu và hạ lưu

2.1.1.2 Đo mặt cắt dọc sống suối và độ dốc mực nước lũ

a, Phải đo vẽ mặt cắt dọc của đoạn sông suối ở gần vị trí cầu cống để xác định độ dốc của sông suối suối, xét xem có hiện tượng nước chảy, xói mòn hay không để quyết định việc bố trí các công trình dẫn dòng và gia cố Thường đo trên và dưới thượng hạ lưu cầu cống khoảng 20m

b, Khi dùng phương pháp hình thái cần phải đo độc dốc mực nước lũ, thì căn cứ vào độ dốc của các vết lũ cùng tấn suất điều tra được để tìm ra Nếu thiếu các vết lũ thì có thể thay bằng độ dốc của mực nước thường xuyên hoặc độ dốc trung bình của dòng suối Khi dùng

độ dốc lòng suối cần chú ý là đoạn sông suối đó không được có chỗ thu hẹp hoặc mở rộng Chiều dài cần đo để xác định độ dốc của mực nước thường lấy như sau :

- Với sông suối đồng bằng đo ở thượng lưu và hạ lưu mỗi bên 100m

- Với sông suối vùng núi đo lên thượng lưu 100m, đo xuống hạ lưu 50m Với các suối dốc đứng và có hiện tượng nước nhảy thì phải đo hết chiều dài đoạn nước nhảy

- Nếu hạ lưu cầu cống gần với ngã ba đổ ra sông suối lớn thì phải đo đến ngã ba

- Nếu cầu cống nằm trong phạm vi nước dềnh thì phải đo đến điểm cuối của nước dềnh

c, Đo vẽ bản đồ địa hình hoặc sơ đồ vị trí cầu cống

Khi tình hình dòng chảy ở vị trí cầu cống phức tạp, nhất là khi địa hình thay đổi nhiều, sông suối cong queo hoặc công trình giao chéo với dòng nước, phải cải tạo suối ở thượng lưu hoặc hạ lưu, cần phải làm các công trình gia cố khác thì phải đo vẽ sơ đồ vị trí cầu cống và ghi các cao độ của những điểm chủ yếu

d, Khi đo đạc vị trí cầu cống cần phải xác định tình hình địa chất và độ nhám của lòng suối để tính toán lưu tốc

Hình 2.1 Các phương pháp đo diện tích lưu vực trên thực địa

2.1.2 Khảo sát thủy văn cống

Mục đích của việc khảo sát thủy văn là xác định lưu lượng thiết kế để tính : khẩu độ cầu cống

2.1.2.1 Xác định diện tích khu tụ nước (hoặc lưu vực) F

Diện tích tụ nước là căn cứ quan trọng để tính lưu lượng, có thể xác định theo các cách sau :

a, Dùng bản đồ địa hình có hiệu chỉnh lại sau khi đã đối chiếu với thực địa

b, Khi không có bản đồ địa hình hoặc bản đồ không đủ để xác định diện tích lưu vực thì phải tiến hành đo đạc ở thực địa Có các phương pháp đo vẽ diện tích lưu vực ở thực địa :

Đo đường sườn ven theo đường phân thủy (hình 2.1.a)

Đo đường sườn dọc theo suối chính (hình 2.1.b) từ vị trí cống cho đến điểm mút trên đường phân thủy dọc, rồi dựa vào tình hình tại chỗ để khoanh lưu vực

Dùng phương pháp giao hội ở đỉnh nút (hình 2.1.c), đo được điểm khống chế của đường phân thủy (như các điểm A, B, C trên hình vẽ) Sau đó căn cứ vào địa hình, vẽ ra bản vẽ lưu vực

Dùng địa bàn đo góc phương vị (hình 2.1.d) Cắm 3 cờ hiệu trong lưu vực (cờ đỏ, xanh, trắng) gần đúng 3 đỉnh của một tam giác đều, đo chiều dài 3 cạnh của tam giác ABC rồi đo

tương tự đo các góc phương vị của các điểm 2, 3, 4, 5, 6,… Về nội nghiệp, trước hết vẽ hình tam giác rồi dựa vào góc phương vị định ra các điểm trên đường phân thủy

Ngoài ra có thể xác định diện tích lưu vực bằng các thiết bị GPS Tính năng của các thiết bị GPS của các hãng sản xuất khác nhau là khác nhau, tuy nhiên hầu hết đều có các thao tác đo diện tích lưu vực chung giống nhau Đầu tiên là thao tác xác nhận vị trí đầu của chu diện lưu vực (thông thường là vị trí đặt cống) Người sử dụng đi một vòng xung quanh chu diện lưu vực men theo đường sườn cho đến khi trở về vị trí ban đầu Sau khi xác nhận lại vị trí cuối (trùng với vị trí đầu), thiết bị sẽ tự động tính toán diện tích và chu vi lưu vực vừa đo

Khi đo mặt bằng lưu vực, nếu gặp ao hồ, dầm lầy, khu đất trũng, hồ chứa nước mà nước không chảy về sông suối thì phải khoanh lại trên bản đồ và xác định diện tích của chúng Dùng máy đo diện tích hoặc giấy kẻ ly mờ để tìm diện tích lưu vực trên bản đồ

2.1.2.2 Xác định chiều dài và độ dốc bình quân của dòng chính

a, Khi dòng chính được thể hiện trên bẻn đồ thì đo chiều dài trên bản đồ, dựng mặt cắt dọc của suối từ vị trí cống đến đường phân thủy như hình 2.2 rồi kẻ đường AB trên mặt cắt

Độ dốc của dòng suối chính có thể tính theo công thức :

b, Khi không có bản đồ thì phải đo ở thực địa

Với sông suối vùng núi, khi chiều dài suối chính trên 500m thì lấy cao độ điểm đổi dốc lòng suối (thường là chỗ hình thành sông suối) trừ đi cao độ ở vị trí cống rồi chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó Nếu chiều dài suối chính dưới 500m thì lấy cao độ đường phân thủy trừ đi cao độ đáy suối ở vị trí tuyến, rồi chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó Với sông suối vùng đồng bằng, khi chiều dài dòng chính lớn hơn 800m thì lấy độ dốc của một nửa chiều dài đoạn suối gần cống, nếu chiều dài dưới 800m thì lấy độ dốc cho đến đường phân thủy

Để giảm khối lượng đo độ dốc dọc của dòng suối chính tại thực địa cần kết hợp giữa việc đo và điều tra : chỉ tiến hành đo đạc cho các sông suối có tính chất điển hình, còn với các sông suối khác thì đối chiếu mà xác định Tuy nhiên phương pháp này không thích hợp cho các nơi có địa hình biến đổi nhiều

2.1.2.3 Điều tra hình thái và điều tra lũ

Khi cần phải dùng phương pháp điều tra hình thái hoặc dựa vào lưu lượng thiết kế quy định để tìm ra mực nước thiết kế thì phải tiến hành điều tra hình thái và điều tra lũ

a, Các tài liệu cần thiết của phương pháp điều tra hình thái

Mặt cắt ngang (mặt cắt ngang sông suối theo hướng thẳng góc với dòng nước)

Mực nước lũ cao nhất lịch sử của mặt cắt ngang sông này, mực nước lũ tương đối cao

và tháng xuất hiện mực nước lũ trung bình nhiều năm và đường đẳng mực nước khi điều tra

Độ dốc mực nước lũ

Loại đất và tính chất của sông suối suối, độ nhám của dòng chính và của bãi

Khi có điều kiện thì tiến hành đo lưu tốc

b, Chọn mặt cắt ngang

Thường ở các đoạn sông có thể điều tra lũ chính xác Yêu cầu đoạn sông thẳng, lòng sông ổn định, độ dốc lòng sông không thay đổi đột ngột, lòng sông không mở rộng hoặc thu hẹp quá nhiều và không bị ứ tắc vì rác rưởi Nếu vị trí cống thỏa mãn các điều kiện đó thì rất lý tưởng và có thể chọn luôn vị trí cống làm mặt cắt ngang khảo sát để tránh phải tính đổi Nếu không thì phải chọn mặt cắt ngang ở thượng và hạ lưu cống

Khi tình hình thủy văn tương đối phức tạp và chỉ dựa theo phương pháp hình thái để xác định lưu lượng thì phải căn cứ vào tình hình cụ thể để chọn 2 đến 3 mặt cắt ngang để điều chỉnh lưu lượng cho chính xác

c, Điều tra mực nước lũ

Với phương pháp hình thái, việc điều tra mực nước lũ tin cậy và xác định tần suất lũ chính xác là rất quan trọng Phương pháp điều tra là tìm và hỏi mực nước ở hai bên bờ sông suối thượng và hạ lưu Phải tiến hành phân tích, điểu chỉnh các mực nước không phù hợp nhau và chọn mực nước có xác suất xuất hiện tương đối lớn

Đối với các vết và đắc trưng của nước lũ ngoài thực địa, có thể tham khảo tình hình dưới đây để suy ra

Dấu vết rác rưởi mắc lại trên cây thường ứng với tần suất lũ p%=10 đến 5% (10 đến 20 năm xảy ra một lần)

Các dấu vết bùn đất, rễ cây cỏ còn lại trên các bờ sông địa hình tương đối bằng phẳng, các vết ngấn trên đá, trên các mố trụ cầu cũ thường ứng với tần suất p=20% (5 năm xảy ra một lần)

Các dấu vết lũ lịch sử còn lại ở các chùa, miếu, nhà cửa, hỏi qua các người già địa phương thường có độ chính xác cao

Có thể dựa trên sự thay đổi màu sắc các hòn đá trong sông suối mà phán đoán mực nước lũ Thường thì chỗ phân giới giữa màu xám và màu xám đen là ứng với mực nước lũ bình quân nhiều năm, các chỗ trên mặt đá từ màu đen chuyển sang màu xám đen thường ứng với mực nước lũ ít xuất hiện

Khi tiến hành điều tra phải chú ý xem diễn biến của dòng chảy và xem trên sông suối điều tra có công trình thủy lợi hay không Sau khi suy ra được năm xuất hiện các mực nước

lũ lịch sử điều tra được, có thể tính tần suất tích lũy (tức là số phần trăm tích lũy xuất hiện lũ) theo công thức :

1001

trong đó m là số lần xuất hiện lũ trong năm n

2.1.3 Các điều tra khảo sát khác

2.1.3.1 Địa chất công trình

Mục đích để xác định năng lực chịu tải ở đáy công trình, biết được cấu tạo địa chất, mực nước ngầm và ảnh hưởng của nó đối với sự ổn định của công trình Để giảm khối lượng công tác nên lấy công tác điều tra là chính, đào thăm dò là phụ

Khi điều tra địa chất công trình phải thu thập các tài liệu của các đơn vị hữu quan như tình hình nền móng của các công trình cũ, tình hình địa chất của các giếng nước, các vết lộ Khi đào thăm dò phải căn cứ vào yêu cầu thực tế để quyết định vị trí, chiều sâu hố đào

và ghi chép cẩn thận tình hình cụ thể tại hiện trường Nếu có thiết bị thí nghiệm cần phải lấy các mẫu đất điển hình để thí nghiệm Khi cần thiết phải lấy các mẫu nước mặt hoặc nước ngầm để kiểm tra tính ăn mòn của nó Đối với những cống có khẩu độ lớn ( ≥ 1.5m) cần phải khoan địa chất, lấy mẫu thí nghiệm để quyết định phương án thiết kế cống

Nếu khoảng cách giữa cầu cống cũ và cống mới cách nhau xa thì cần phải đo diện tích lưu vực, chiều dai suối chính, địa hình địa mạo, địa chất của vị trí cầu cống mới

Nếu không có khả năng lợi dụng các công trình cầu cống cũ, phải phân tích tình hình cụ thể để tận dụng một phần năng lực của cầu cống đó và đề ra biện pháp cải tạo

Nếu khả năng thoát lũ của cầu cống cũ không đủ thì phải tiến hành điều tra mới để thiết

kế cải tạo chúng

2.1.3.4 Các tài liệu khác

Nếu tuyến đường phải đi qua đập nước thủy lợi thì phải phối hợp với đơn vị hữu quan

để tiến hành đo đạc thủy văn

Phải xác định tĩnh không của cống bảo đảm việc thông thuyền thông xe

Phải điều tra xem nước lũ có bùn, cát, đá, cây cỏ hay không

Nếu gần vị trí cống có trạm thủy văn, khí tượng thì cần phải thu thập các tài liệu hữu quan : nhiệt độ, lượng mưa, hướng gió…

thì phải dựa vào công thức tính lưu lượng để xác định các hệ số liên quan

2.2 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG NƯỚC VÀ KHẨU ĐỘ CỐNG

2.2.1 Tính toán lưu lượng nước

2.2.1.1 Tính toán lưu lượng Q P % dựa vào lượng mưa ngày và mô đun dòng chảy (Quy trình tính toán dòng chảy lũ 22 TCN 220-95):

):

trong đó:

Qp: Lưu lượng đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế P%;

lưu vực, lượng mưa ngày (ứng với tấn suất thiết kế) Hp và diện tích lưu vực F;

khí tượng thủy văn gần nhất hoặc tham khảo số liệu ở Bảng 2.2;

Ap: Mô đun tương đối của dòng chảy lớn nhất (khi Q = 1) lấy theo tỉ số của mô đun dòng chảy qp trên tích .Hp:

P P

P

q A

H



 (2.4)

Mô đun tương đối của dòng chảy lớn nhất Ap xác định theo Bảng 2.4 phụ thuộc vào:

Thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc Ts;

Phân khu mưa rào (vùng mưa) theo Bảng 2.5

Thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc Ts được xác định theo Bảng 2.7 phụ thuộc

định theo công thức:

0.6 0.3 1/4 0.4

sd ls

Ils: Độ dốc của sườn dốc lưu vực, %o;

bsd: chiều dài trung bình của sườn dốc lưu vực, theo công thức:

;

sd

F b

Đối với lưu vực có hai mái dốc: B =F/2L;

Đối với lưu vực có một mái dốc: B =F/L;

Bảng 2.2 Lượng mưa ngày Hp ứng với tần suất thiết kế P%

Bảng 2.4 Xác định trị số tương đối của mô đun doàng chảy lón nhất Ap

30 0135 0128 0122 0112 0098 0067 0076 0068 0062 0056 0052 0048 0044 0033 0026 0022 0019

60 0122 0108 0102 0092 0080 0072 0065 0060 0055 0050 0047 0043 0040 0031 0025 0022 0018

100 0098 0095 0090 0080 0068 0060 0055 0051 0047 0043 0040 0038 0036 0028 0023 0021 0018

150 0066 0060 0060 0059 0053 0050 0045 0043 0040 0038 0036 0034 0032 0026 0022 0020 0017

30 0257 0250 0022 0193 0155 0124 0105 0089 0079 0069 0063 0056 0052 0037 0028 0026 0021

60 0175 0170 0150 0112 0110 0096 0085 0074 0067 0061 0055 0051 0047 0034 0027 0025 0020

100 0113 0110 0100 0092 0082 0072 0067 0061 0055 0051 0048 0044 0041 0031 0025 0022 0019

150 0082 0080 0075 0070 0063 0058 0054 0060 0047 0044 0041 0038 0036 0028 0023 0021 0017 XIII 10 0392 0382 0372 0338 0265 0233 0195 0157 0133 0112 0090 0087 0077 0053 0038 0027 0022

30 0308 0300 0286 0257 0215 0180 0150 0127 0110 0096 0086 0077 0071 0048 0035 0026 0021

60 0228 0222 0205 0183 0156 0133 0113 0098 0088 0080 0073 0066 0060 0043 0033 0025 0020

100 0163 0158 0141 0130 0108 0097 0087 0080 0073 0067 0060 0055 0051 0037 0028 0023 0019

150 0112 0109 0100 0094 0083 0075 0069 0064 0059 0055 0051 0046 0043 0033 0027 0021 0018 XIV 10 0315 0308 0270 0237 0194 0154 0126 0106 0092 0080 0072 0065 0059 0042 0032 0024 0020

Bảng 2.5 Phân vùng mưa rào Việt Nam Vùng

XVIII Vùng đồng bằng Nam Bộ

Loại

sông

Đặc trưng trung bình của lòng song và bãi trên suốt chiều dài sông từ

nguồn tới trăc ngang tính toán

Hệ số

mls

2

Sông vừa và lớn, lòng song cong queo uốn khúc, thường có lau sậy, có đá

tảng, dòng chảy không yên tĩnh và không thường xuyên, trong thời gian lũ

có mang theo phù sa, có cuội lớn, lòng song có phủ lớp thực vật

9

Bảng 2.7 Thời gian tập trung nước trên sườn dốc Ts Đặc trưng

địa mạo của

Bảng 2.8 Hệ số nhám sườn dốc msd

Bề mặt nhẵn (át phan, bê tông)

Mặt đất được san bằng và lèn chặt

Mặt đất cày bừa kỹ: đất có diện tích nhà ở dưới

20%, lát đá

Mặt đất cày bừa không kỹ, có nhiều gò, đống

lồi lõm, vùng dân cư diện tích nhà trên 20%

0.50 0.40 0.30

0.20

0.30 0.25

0.15

0.25 0.20

0.5 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

0.63 0.62 0.59 0.50 0.47 0.44 0.42

ap: cường độ mưa tính toán (mm/phút), xác định tương ứng với thời gian hình thành dòng chảy tc:

4 , 0 4

, 0

4 , 0

)100).(

(

.6,18

sd sd

sd c

m I

Bảng 2.10 Tọa độ đường cong của mưa Vùng