Coáng laø loaïi coâng trình thoaùt nöôùc chuû yeáu qua doøng nöôùc nhoû. Coáng coù nhieàu loaïi: coáng troøn, coáng vuoâng, coáng voøm. Coáng vuoâng thöôøng laøm ôû nhöõng nôi coù löu l[r]
Trang 1CHƯƠNG 8
XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỰC ĐẠI TỪ LƯU VỰC NHỎ
8.1 Công trình vượt qua dòng nước nhỏ và lưu lượng nước tính toán
8.1.1 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
Công trình vượt qua dòng nước nhỏ trên đường ô tô phổ biến nhất là cầu nhỏ và cống
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 0,75 – 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 0.75m 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
2) Cầu nhỏ:
Cầu được sử dụng khi lưu lượng lớn (trên 25m3/s) Trong thiết kế nên so sánh cụ thể về các mặt kinh tế và kỹ thuật để quyết định hợp lý phương án làm cầu nhỏ hay cống
Cống thi công đơn giản hơn, có thể công xưởng hóa và cơ giới hóa phần lớn các công việc, cống chịu được tải trọng rất lớn Tuy nhiên cống có nhược điểm là cản trở giao thông thuyền bè và không dùng được khi dòng chảy có nhiều vật trôi lớn
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, cống si phông, cống máng,…
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
Trang 2Đối 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 0.75m 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,…
8.1.2 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
8.2 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 vẽ 4.1) Diện tích lưu vực là F; thời gian cung cấp nước là tB; thời gian tập trung nước là tC
1' 2' 3' 4'
f 1
f 2
f 3
f 4
Đường ô tô
Đường nước cùng thời gian Đường phân thủy
Suối
Trang 3Vẽ 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 Lập luận tương tự ta có lưu lượng nước chảy về công trình sau phút thứ ba và thứ tư:
Q3 = (f1 + f2 + f3)a
Q4 = (f1 + f2 +f3 + f4)a Công thức tổng quát xác định lưu lượng nước chảy về công trình sau phút thứ t có dạng:
∑
Q Từ những phân tích ở trên ta thấy tùy theo thời gian mưa tB lớn hoặc nhỏ
BÀI 8.3 : CÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG TỪ LƯU VỰC
I Xác định lưu lượng tính toán Qp% theo quy trình Liên Xô cũ (CH435-72):
Đây là tiêu chuẩn chủ yếu để tính lưu lượng do mưa rào trên các sông Liên Xô cũ :
Qp% = A1%.α.H1%.δ.λp.F (m3/s)
Trong đó:
- H1%: lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế p% = 1%, phụ lục 15,
mm
- α : Hệ số dòng chảy lũ lấy theo bảng 9-6 phụ thuộc vào đặc trưng của lớp phủ mặt lưu vực, lượng mưa ngày H1% và diện tích lưu vực F
Trang 4A1%: Mô đun dòng chảy cực đại tương đối (với giả thiết δ =1) xác định theo phụ lục 13, phụ thuộc vào đặc trưng địa mạo lòng sông φls, thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsd và vùng mưa
- δ: Là hệ số xét đến ảnh hưởng của hồ ao, đầm lầy, bảng 9-5
- λp: hệ số xét ảnh hưởng của tần suất tới lưu lượng ( chuyển đổi lưu lượng tần suất 1% sang tần suất tính toán p%), phụ thuộc vào vùng khí hậu, tần suất lũ, phụ lục 20
- Qp%: lưu lượng cực đại ứng với tần suất tính toán, m3/s
- F : diện tích của lưu vực, km2
Ýnghĩa vật lý của hệ số A1% được biểu diễn qua công thức sau:
A1% = (q1% /α.H1%)
q1%: mô đuyn dòng chảy, lưu lượng nước từ 1 km2
Tính hệ số địa mạo thủy văn của lòng sông φl theo công thức :
4 / 1
% 1 4 / 1 3 / 1
) (
1000
H F
J m
L l
l
φ =
- ml: hệ số nhám của lòng suối, xác định theo bảng 9-3
- Jl : độ dốc lòng suối chính tính theo 0/00
Xác định thời gian tập trung nước trên sườn dốc τ s :
Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsđược xác định bằng cách tra bảng phụ lục 14, phụ thuộc vào đặc trưng địa mạo thủy văn của sườn dốc lưu vực φs và vùng mưa
- Hệ số φs xác định theo công thức :
2 / 1
% 1 4 / 1
2 / 1 ) (
m
b
s s
s
Trong đó :
Trang 51000F b
=
- L: chiều dài lòng chính, km
- ∑l , km, tổng chiều dài các lòng nhánh có chiều dài lớn hơn 0.75 chiều rộng bình quân B của lưu vực:
Đối với lưu vực có 2 mái dốc: B F
2 L
=
×
Đối với lưu vực có 1 mái dốc: B F
L
= và thay hệ số 1,8 bằng 0,9 trong công thức xác định bsd
- ms: hệ số nhám của sườn dốc xác định theo bảng 9-4
- Js(0/00):độ dốc trung bình của sườn dốc lưu vực
II Xác định lưu lượng tính toán Qp% theo quy trình Việt Nam :
1 Xác định lưu lượng tính toán theo công thức cường độ giới hạn :
Theo qui trình tính toán dòng chạy lũ do mưa rào ở lưu vực F<100km2, ta có công thức :
Qp% = Ap%.ϕ.Hp%.δ1.F (m3/s)
Trong đó:
- Hp%: lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế p% , mm
- ϕ : Hệ số dòng chảy lũ lấy theo bảng 2.1(22 TCN220 – 95) tùy thuộc vào loại đất cấu tạo lưu vực, lượng mưa ngày thiết kế (Hp) và diện tích lưu vực (F)
Ap% : Mô đun đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế trong điều kiện δ =1, được xác định bằng cách tra bảng 2.3 trong 22 TCN220 – 95 phụ thuộc vào vùng mưa, thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsvà hệ số địa mạo thủy văn lòng sông φls
- δ1: Là hệ số xét đến sự làm nhỏ lưu lượng do ao hồ, đầm lầy (hệ số triết giảm dòng chảy), xác định theo bảng 2.7
Xác định thời gian tập trung nước trên sườn dốc τ :
Trang 6qptt: Mô đun đỉnh lũ của lưu vực tương tự tính theo tài liệu thực đo (m3/s/km2)
Ftt, δtt : diện tích và hệ số điều tiết cả lưu vực tương tự
III Công thức của trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội:
Lưu vực để tính toán công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thường có diện tích tụ nước rất nhỏ, do đó thời gian tập trung nước tC thường nhỏ hơn thời gian mưa tB nhiều
Đối với các sông suối có lưu vực trên 30km2 lưu lượng nước thường khá lớn, lòng sông hình thành rõ ràng, việc xác định lưu lượng nói chung phải kiểm tra theo phương pháp hình thái (đo trắc ngang, điều tra mức nước lịch sử, tính lưu lượng bằng công thức Sêdi-Maning)
Dựa vào lý thuyết hình thành dòng chảy và những kết quả nghiên cứu hiện nay, Nguyễn Xuân Trục đã đề nghị công thức tính Qmax dùng cho tính toán thủy văn cầu đường:
Q = 16,7.ap.F.α.δ.ϕ
F – diện tích lưu vực, km2;
α – hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc loại đất, tra bảng 9.6;
δ – hệ số chiết giảm do hồ ao và đầm lầy, tra bảng 9.5;
ϕ - hệ số phụ thuộc diện tích lưu vực, tra bảng 9.11, phụ thuộc F;
ap – cường độ mưa tính toán phụ thuộc lượng mưa giờ và thời gian tập trung nước tC
( )0 , 66 60
12
16 +
=
c
p
t a a
Còn trị số tc trong công thức (thuộc độ dốc, vật cản,…), ta có thể xác định theo số lưu thống kê hoặc có thể xác định theo công thức thực nghiệm sau đây :
4 , 0 4
, 0
4 , 0
) 100 ( ) (
6 , 18
sd sd
sd c
m l
f
b
t =
4 , 0
) (
6 , 18
sd l
f được thiết lập thành bảng thuộc độ dốc của sườn dốc, tra bảng
bs: chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực (m)
a – lượng mưa ứng với tần suất thiết kế có thời gian mưa là 60 phút xác
Trang 7).
(
60
p H t
= Ψ(t) : tọa độ đường cong mưa, Ψ(t) = f( thời gian mưa, vùng mưa), xem phụ lục 12b
Hp%: lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế p%, phụ lục 15, mm
-*** -