Trình tự tính toán thủy lực rãnh

VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM

2.20. HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT

2.20.2.4. Trình tự tính toán thủy lực rãnh

1) Xác định lưu lượng nước thiết kế của rãnh; (đã học trong môn thủy lực-thủy văn).

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 , chu vi ướt , 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.

Lưu ý: nên lập bảng tính trên excel để dễ sử dụng.

Ví dụ 1: tính toán thiết kế rãnh thoát nước hình chữ nhật bằng đá xây với các số liệu sau:

143 - Hệ số nhám n = 0.017. Tra theo bảng 8.2 (đã học trong môn thủy lực).

Bảng 8.2

- Lưu tốc cho phép không xói là Vcp = 6.5m/s

- Lưu lượng thiết kế QTK = 0.25 m3/s (dùng các công thức đã học trong môn thủy văn để tính, diện tích lưu vực đo trực tiếp trên bình đồ).

- Bề rộng rãnh b = 0.4m, dốc rãnh i = 0.5%

Trình tự tính toán như sau:

- Giả định chiều sâu của nước chảy qua mặt cắt là h0 = 0.6m

- Diện tích mặt cắt ngang thoát nước:  = b x h0 = 0.4 x 0.6 = 0.24 m2 - Chu vi ướt:  = b + 2h0 = 0.4 + 2 x 0.6 = 1.6 m

- Bán kính thủy lực: R 0.15m 6

. 1

24 .

0 



 



- Hệ số lưu tốc:

y

nR

C 1 = 41.24 Với

- Lưu tốc bình quân: V C R.i  1.13 m/s

- Lưu lượng: Q = V x  = 1.13 x 0.24 = 0.27 m3/s.

- So sánh với QTK và Q: Q > QTK

- So sánh Vcp và V: V < Vcp

- Kết luận chọn bề rộng rãnh 0.4m, chiều cao rãnh 0.8m (0.6+0.2) Ví dụ 2: tính toán thiết kế cống thoát nước với các số liệu sau:

- Cống cấu tạo được bố trí ở những chỗ nền đường đào để thoát nước qua đường, khoảng 300  500m bố trí một cống tránh cho rãnh dọc không bị nước tràn ra ngoài do lưu lượngquá lớn. Các loại cống cấu tạo nói chung không phải tính khẩu độ mà chỉ chọn theo kinh nghiệm và lượng mưa tại khu vực tuyến đi qua.

R n

n

y2.5 0.130.75( 0.1)

144 - Cống địa hình: Là các cống được bố trí ở những vị trí có đường tụ thủy, suối, suối cạn... Khẩu độ cống phụ thuộc lượng mưa trong vùng, diện tích lưu vực tụ nước chảy về cống, đặc điểm địa hình, địa mạo.

Tính toán khả năng thoát nước của cống với các đặc trưng sau:

- Chế độ chảy trong cống là không áp.

- Cống bê tông cốt thép, có độ dốc cống từ thượng lưu đến hạ lưu là 1,0%

- Cống miệng kiểu dòng chảy điều kiện H  1,4  hcv

- Đường kính cống: d = 1,5m

- Lưu lượng tính toán: Qtt = 4,84m3/s

Xác định mực nước dâng trước cống theo công thức: H = 2  hc , với hc = 0,9  hk.

1. Xác định chiều sâu phân giới hk

Chiều sâu phân giới hk phụ thuộc vào Qtt

Ta có: 0,315

5 , 1 81 , 9

84 , 4

5 2 5

2

 

d  g

Qtt

Tra bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT”, ta được: 0,762

d hk

Do đó: hk = 0,762  1,5  1,143m  hc = 0,9  1,143  1,029m

Suy ra: H = 2  hc = 2  1,029 = 2,058m

Ta chọn cống có cấu tạo miệng là loại đặc biệt (loại II: miệng cống làm dạng dòng chảy), ở cửa vào cống có một khoảng trống a = d/4, nhưng bé hơn 0,25m.

Chọn a = 0,02m

Khi đó: hcv = 1,5 - 0,02 = 1,48m

 1,4  hcv = 1,4  1,48 = 2,072m

Ta thấy, H = 2,058m  1,4  hcv = 2,072m nên thỏa mãn điều kiện cống không áp có miệng theo kiểu dòng chảy.

2. Kiểm tra điều kiện ic  ik

Độ dốc phân giới ik được xác định theo công thức: ik = 2

2 k

tt

K Q

Với Kk là hệ số đặc trưng lưu lượng, được xác định từ tỷ số Kd

K0

tra ở bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT”.

145

Ta có: 0,315

5 , 1 81 , 9

842 , 4

5 2 5

2

 

d  g

Qtt

Tra bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT”, ta được: 0,943

d o

K

K  Ko = 0,943  Kd

Mặc khác: Kd = 24  d8/ 3 = 24 1,58/ 3  70,760 Do đó: Ko = 0,943  70,760  66,727

Suy ra: 0,0053 0,53%

727 , 66

842 , 4

2 2





k  i

Ta thấy, ik = 0,53%  ic =1,0% nên cống làm việc theo chế độ dốc nước.

3. Vận tốc nước chảy trong cống

Với trường hợp biết tỷ số Ko :Kd và Wo :Wd thì tốc độ nước chảy trong cống có thể xác định theo công thức: Vc Wo ic

Trong đó:

420 , 01 48 , 0

84 ,

4 





c tt

o i

K Q

Kd 24  d8/ 3 = 24 1,58/ 3  70,760 Wd = 30,5  d2/ 3= 30,5  1,52/ 3 = 39,966

Suy ra: 0,684

760 , 70

420 ,

0  48 

Kd

K

Tra bảng 13-20 trang 166 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT”, ta được: 0 1,073

Wd

W  Wo = 1,073  Wd= 1,073  39,966  42,874 Do đó, vận tốc nước chảy trong cống:

287 , 4 01 , 0 874 ,

42  





 o c

c W i

V m/s

4. Kiểm tra khả năng thoát nước của cống

Khả năng thoát nước của cống lúc này được tính theo công thức : Qc = Qc c.c. 2.g.(Hhc).

Trong đó:

c: Hệ số vận tốc, khi cống làm việc không áp lấy c = 0,85

: Xác định theo công thức:  1ikD  10,0110 1,05 với D = 10

146

c: Tiết diện nước chảy tại chỗ bị thu hẹp được xác định nhờ đồ thị hình 13-4 trang 156 giáo trình “Thiết kế đường ô tô - Tập 2 - NXB GTVT” khi biết hc và d.

Ta có: 0,686 5

, 1 1,029  d 

hc

Tra đồ thị, ta được: 2 0,61 d

c  c = 0,61  1,52  1,373m2. g: Gia tốc trọng trường 9,81 m/s2.

hc: Chiều sâu nước chảy trong cống tại chỗ bị thu hẹp, lấy: hc = 0,9  hk =1,029m H : Chiều cao nước dâng tại cống H = 2  hc = 2,058 mm

Suy ra: Qc 0,851,373 29,81(2,0581,029)1,055,373m3/s