Giáo trình thiết kế đường sắt - chương 6 Tính toán dòng chảy, lựa chọn loại và khẩu độ công trình thoát nước nhỏ

Chia sẻ: Nguyen Hung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

199
lượt xem 68
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

6.1.1. Cống. Trên mạng đường sắt tỷ lệ về mặt số lượng thì công trình cống là chủ yếu. Nói đến cống ta phải xét đến các thông số là khẩu độ và chiều dài cống. Khẩu độ cống do lưu lượng nước thoát qua quyết định. Nhìn chung cống trên đường sắt có khẩu độ từ 1m đến 6m. Còn chiều dài cống do chiều cao nền đường đắp khống chế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình thiết kế đường sắt - chương 6 Tính toán dòng chảy, lựa chọn loại và khẩu độ công trình thoát nước nhỏ

Chương 6 Tính toán dòng chảy, lựa chọn loại và khẩu độ công trình thoát nước nhỏ 6.1. Phân tích loại công trình thoát nước nhỏ Công trình thoát nước nhỏ chủ yếu trên đường sắt là cầu nh ỏ và cống. 6.1.1. Cống. Trên mạng đường sắt tỷ lệ về mặt số lượng thì công trình cống là chủ yếu. Nói đến cống ta phải xét đến các thông số là kh ẩu đ ộ và chi ều dài cống. Khẩu độ cống do lưu lượng nước thoát qua quy ết đ ịnh. Nhìn chung cống trên đường sắt có khẩu độ từ 1m đến 6m. Còn chiều dài cống do chi ều cao nền đường đắp khống chế. Số lượng ống cống nối ghép tạo nên chi ều dài cống thường không hạn chế và do việc chế tạo chiều dài đốt cống ở công xưởng sản xuất ra nó. Ta thường gặp ba loại cống là cống tròn cống vuông và c ống vòm. Trong đó cống tròn là phổ biến nhất vì nó dễ thi công và phù h ợp v ới đi ều kiện thi công cơ giới. Cống tròn dùng khi lưu l ượng cần thoát qua nh ỏ h ơn 15m3/s. Khi cần thoát qua một lưu lượng nước l ớn h ơn 15m 3/s thì cống vuông kinh tế hơn cống tròn cống vòm dùng ở những n ơi đ ịa ch ất lòng sông (suối) tốt. 6.1.2. Cầu. Trên tuyến đường sắt thường thiết kế cầu bê tông cốt thép, c ầu thép và cầu vòm đá. Cầu được dùng khi lưu lượng cần thoát qua công trình là 25 - 30m 3/s. Tuy nhiên rất nhiều trường hợp cần phải so sánh kinh t ế k ỹ thu ật đ ể quy ết định chọn cầu hay cống. Nếu điều kiện cho phép nên chọn cống vì kết cấu c ống đ ơn gi ản, thi công dễ, chịu được tải trọng cao và đặc biệt là không ph ụ thu ộc vào vi ệc thay đổi hoạt tải tác dụng lên cống. Nói cách khác là khi c ần thay đ ổi đ ầu máy chạy trên tuyến thì cống không phải gia cố thêm m ột cách ph ức t ạp như cầu. 6.1.3. Các loại công trình khác. Ngoài hai loại trên còn có cống xi phông (thường th ấy trên tuy ến mi ền 1
núi, cống máng và cống ngầm có hố tiêu năng (hình 6-1). A A a) a) A-A H× 6-1. C¸ c lo¹ i cèng ® c biÖ nh Æt a) Cèng ngÇ cã xi p«ng khi H ® < 6m m µo b) Cèng m¸ ng v- î t khi H ® > 6m µo 6.2. Bố trí công trình thoát nước nhỏ trên bình đồ và trắc dọc. 6.2.1. Nguyên tắc bố trí công trình thoát nước trên trắc dọc. Trong một phạm vi cục bộ giữa hai đoạn không đào không đ ắp trên trắc dọc bố trí công trình thoát nước ở vị trí th ấp nhất c ủa đ ường đen. Còn hai đỉnh cao nhất của đường cao độ thiên nhiên nằm v ề hai phía c ủa đi ểm không đào không đắp là các đỉnh của đ ường phân th ủy t ừ các đi ểm này trên lý trình của bình đồ ta khoan được vùng tụ nước chảy về công trình (hình 6- 2). H× 6-2. X¸ c ® nh diÖ tÝ tô n- í c tr- í c c«ng tr× nh Þ n ch nh Tuy nhiên nếu theo nguyên tắc trên mà khoảng cách gi ữa các c ống quá gần nhau và sườn núi thoát ta nên đào kênh dẫn n ước từ hai hay ba h ố tụ nước chảy về một công trình thoát nước để giảm kinh phí xây d ựng công trình. 2
Cũng chú ý thêm rằng, nếu theo nguyên tắc trên có khi g ặp tr ường hợp trên đoạn dài của trắc dọc không có công trình thoát n ước. Lúc đó ta phải bố trí công trình thoát nước cấu tạo vì mặt cắt rãnh bên n ền đ ường đào định hình chỉ đủ thoát nước cho chiều dài 500m đường. Vậy tr ường h ợp này ta phải bố trí thêm 2 hay 3 cống trên chi ều dài 1 km. Nh ưng c ống này có khẩu độ nhỏ nhất là 1m để thuận lợi cho công tác duy tu c ống khi khai thác cao độ nền đường tại vị trí cống phải thỏa mãn hai điều kiện sau đây: - Để tránh cống bị vỡ do hoạt tải thì l ớp đ ắp trên c ống, t ừ đ ỉnh c ống đến đáy ray phải dày tối thiểu là 1m. Nếu đi ều ki ện này không đ ược th ỏa mãn với địa hình phải xử lý bằng một trong hai cách là c ống b ản bê tông c ốt thép hoặc đào sâu lòng suối (hạ lưu cống trũng h ơn nhi ều th ượng l ưu, c ống không bị bồi) việc chọn cách nào tùy theo kết qu ả so sánh ph ương án v ề kinh tế kỹ thuật. - Cao độ vai đường phải cao hơn mực nước dâng tr ước c ống m ột đoạn dự trữ. Nếu cầu nhỏ, cống bán áp, cống không áp khẩu đ ộ nh ỏ d ưới 2m thì đoạn dự trữ là 0,5m. Còn nếu là cống bán áp đ ường kính 2m tr ở lên đoạn dự trữ là 1m. Không nhất thiết mọi điểm thấp nhất cục bộ của trắc d ọc ph ải b ố trí công trình thoát nước, mà cho phép đưa dịch vị trí cống lên l ừng ch ừng b ờ suối để giảm chiều dài và dễ thi công nhưng với đi ều ki ện ph ải đào sâu lòng suối và đào rãnh thoát nước ở hạ lưu. Nếu phải làm cầu t ại v ị trí n ền đ ắp cao cũng cần so sánh thêm với phương án mở rộng kh ẩu đ ộ đ ể giảm chi ều cao công trình và chiều cao nền đắp trước công trình. 6.2.2. Bình đồ của công trình thoát nước. Nói chung công trình thoát nước phải vuông góc v ới dòng ch ảy. Nh ư vậy sẽ có lợi là chiều dài công trình ngắn và thi công thu ận l ợi. Nh ưng l ại làm cho đường dài vì phải quanh co, chất lượng khai thác đ ường kém đ ến khi không thiết kế tuyến qua sông được, cho nên đ ối v ới công trình thoát nước nhỏ thì vị trí của nó do vị trí của tuyến đường quyết đ ịnh. Nh ư v ậy s ẽ xảy ra một điều là công trình phải chéo với dòng ch ảy. Khi đó ph ải làm miệng cống xiên hoặc làm công trình đi ều ch ỉnh và b ảo v ệ. Có nghĩa là khi làm công trình chéo với dòng chảy ta vẫn áp d ụng thi ết k ế k ết c ấu công trình định hình nhưng phải sửa đổi lại theo địa hình. ở những đoạn suối cong trên vùng núi lại có n ước ch ảy th ường xuyên thì vị trí công trình tốt nhất là di chuyển về vị trí khô ráo ở gần đ ấy và sau 3
khi làm xong công trình sẽ cho nắn thẳng su ối bằng cách đào m ột đo ạn sông nhân tạo, giải quyết như vậy vừa cải thi ện đ ược ch ế đ ộ chảy v ừa t ạo điều kiện tất thuận lợi cho thi công. 6.3. Nhiệm vụ tính toán thủy văn Lưu lượng tính toán là cơ sở để tính toán th ủy l ực, th ủy văn cho c ầu nhỏ và cống. Tùy theo mỗi giai đoạn thiết kế ta áp d ụng các công th ức tính Q một cách gần đúng hay chính xác để xác định l ưu lượng tính toán và kh ẩu độ công trình. Sau khi đã có lưu lượng tính toán bằng việc tính toán thủy lực ta đ ược một số phương án khẩu độ cống hay cầu nhỏ khác nhau. Trong m ỗi phương án kèm theo các thông số kỹ thuật như chiều cao n ước dâng, v ận tốc nước chảy ở thượng lưu và hạ lưu, cao độ nền đường phải đắp tối thiểu ở công trình, biện pháp gia cố thượng lưu và h ạ l ưu. So sánh các ph ương án có khẩu độ khác nhau đó về kinh tế, kỹ thuật đ ể ch ọn ra ph ương án t ốt nhất. 6.4. Tính toán dòng chảy do mưa rào 6.4.1. Đặc tính của mưa. ở nước ta khác với các nước châu Âu là dòng chảy chỉ hình thành do mưa rào mà không có dòng chảy do băng tuyết tan. Vì nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới nên cường độ mưa và l ượng m ưa r ất lớn còn thời gian mưa có thể kéo dài vài ngày. Theo nghiên cứu công thức tính cường độ mưa rào của mi ền Bắc Việt Nam có dạng: 10 + 12,5 log N am = ( t + 12) 0,66 Muốn tính cho vùng nào cụ thể thì nhân thêm hệ số K 1 là hệ số khí hậu để chuyển trị số cường độ mưa rào chung về nơi tính toán: S1 K1 = 28 S1 - Vũ suất của vùng thiết kế ứng với P = 1% 28 - Vũ suất trung bình của toàn miền Bắc ứng với tần suất 1%. 6.4.2. Đặc tính của dòng chảy do mưa rào và lưu lượng thiết kế. Dòng chảy lớn nhất do mưa rào từ lưu vực chảy về (lưu lượng) ph ụ 4
thuộc vào các yếu tố sau: - Diện tích lưu vực F (km2) và hình thức của nó - Cường độ mưa rào, thời gian mưa - Tổn thất của dòng chảy do thấm xuống đ ất, do cây c ỏ gi ữ l ại, do nước bị tích lại trên suối và các hoạt động kinh tế của con người v.v... - Điều kiện nước chảy từ lưu vực về công trình, chiều dài su ối, chiều rộng sườn lưu vực; độ dốc của sườn núi và lòng suối, độ nhám của chúng. - Tính chất mưa không đồng đều trên lực vực, N.E Đôngov đã th ể hiện hình dạng phức tạp của dồng chảy do mưa rào như sau: + Thời đoạn đầu là thời đoạn mà tất cả nước mưa rơi xuống đều bị ngấm xuống đất, bị giữ lại trên mặt đất và trên cây cỏ. mm/gi©y y C- êng ® m- a vµ dßng chÈ m- a B C é Thêi ® n o¹ ®u Ç Thêi ® n o¹ h× thµnh nh Thêi ® no¹ Thêi ® n o¹ n- í c d© dßng ch¶y n- í c rót A ng D t phót T3 T1 T2 T4 H× 6-3. BiÓ ® thuû lùc dßng ch¶y do m- a rµo cña N.E § «ngov nh uå + Khi cường độ mưa lớn hơn cường độ tổn thất do thấm và cây c ỏ giữ trên mặt đất, bắt đầu sinh dòng chảy và sẽ l ớn dần. Th ời gian có l ượng dòng chảy lớn nhất là thời gian để một giọt nước từ điểm xa nh ất ch ảy v ề suối, thời đoạn này là thời đoạn nước dâng (AB). + Giai đoạn chảy toàn bộ (BC): Thời đoạn hình thành dòng ch ảy. + Giai đoạn nước rút (CD). Về vấn đề định lượng tính toán là một bài toán kinh tế và k ỹ thu ật nó cần phải được gắn chặt với ý nghĩa công trình thiết k ế, th ời gian ph ục v ụ giá thành công trình v.v... Vậy cần phải chọn cường độ mưa tính toán có xét t ới tần suất của nó, tần suất này phải được xác đ ịnh theo ý nghĩa kinh t ế và chính trị của công trình và tính chất của lũ. 5
6.4.3. Cơ sở lý thuyết tập trung nước từ lưu vực. Quy luật nước chảy từ các sườn dốc lưu vực vê công trình thoát n ước các tác giả đã nhận thấy: lưu lượng nước mưa ch ảy về công trình tăng d ần theo thời gian và đạt trị số cực đại khi giọt nước t ừ đi ểm xa nh ất trên l ưu vực kịp chảy về công trình. Giả thiết cường độ mưa toàn lưu vực không thay đ ổi, lưu v ực có d ạng đều như quyển sách gấp đôi giữa là lòng su ối, di ện tích l ưu v ưc là F, th ời gian cung cấp nước là thời gian để một giọt nước xa nh ất trên l ưu v ực k ịp chảy về công trình là tc, vẽ trên lưu vực những đường đồng thời gian nước chảy về công trình sau 1', 2', 3', 4' ... Di ện tích l ưu v ực có n ước k ịp ch ảy v ề công trình sau thời gian trên là f1, f2, f3, f4 ..., a là chiều dầy lớp nước trên lưu vực do mưa trong một phút (cường độ cung cấp dòng chảy), ta có quy lu ật thay đổi lưu lượng qua mặt cắt công trình như sau: f5 § - êng n- í c 4' f4 cï ng thßi gian 3' f3 § - êng ph© thuû n 2' f2 Suèi 1' § - êng s¾t f1 H× 6-4. B× ® dßng ch¶y trªn s- ên nói, l- u vùc nh nh å Sau phút thứ nhất chỉ có phần diện tích f 1, của lưu vực, nước mưa kịp chảy tới mặt cắt công trình, do đó lưu lượng nước chảy tại công trình là: Q1 = f1.a Lúc này lượng nước mưa tại diện tích f 4 mới kịp chảy về f3 và f3 về f2 còn f2 về f1. Sau phút thứ hai ngoài phần diện tích f 1 có thêm lượng nước mưa từ f2, do đó. Q2 = (f1 + f2).a. Cũng lập luận tương tự có lưu lượng nước chảy về công trình sau phút thứ 3, 4: Q3 = (f1 + f2 + f3).a Q4 = (f1 + f2 + f3 + f4).a 6
Dạng tổng quát công thức xác định lưu lượng nước chảy về công trình sau phút thứ t k =b ∑ ak f k Qt = k =1 Nếu có xét đến tổn thất và đơn vị dùng thì công thức tên tr ở về dạng sau: 10002 ( am K1 − i ) F Qmax = 1000 x 60 hay Qmax = 16,67 (am K1 - i) F Khi tB < tC chỉ có một phần diện tích lưu vực có nước kịp chảy về ∑f = ϕF công trình thoát nước k Qmax = 16,68 (am K1 - i) ϕ F Trong đó: ϕ - Hệ số dồng chảy (ϕ < 1) am - Cường độ mưa xác định theo (6 - 1) tính bắng mm/phút. i - Cường độ thấm tùy theo loại đất mm/phút F - Diện tích lưu vực tụ nước km2. Qmax - Lưu lượng cực đại m3/s. Như vậy, chưa xác định được ảnh hưởng của các cơn mưa nối tiếp nhau đến chế độ thuỷ văn của một công trình cụ thể, và cũng không xác địng được ảnh hưởng tác động qua lại của các dòng ch ảy trong cùng m ột hệ thống sông suối, chịu ảnh hưởng của các cơn mưa riêng r ẽ lệch pha nhau về thời gian. Đồng thời cũng không xác đ ịnh đ ược ảnh h ưởng tác đ ộng qua lại của các công trình thoát nước với nhau. 6.4.4. Quy trình tính dòng chảy do mưa rào c ủa Viện Thi ết k ế giao thông Việt Nam 1979. Năm 1979 Viện Thiết kế giao thông Việt Nam ban hành tạm th ời "quy định tính dòng chảy lũ do mưa rào ở lưu vực nhỏ" và lưu l ượng c ực đại đ ược xác định theo công thức của Viện Thủy văn Nhà nước Liên Xô. Q = Apα Hp δ F Hp - Lượng mưa ứng với tần suất p% Ap - Mô đuyn tương đối của dòng chảy lớn nhất 7
α - Hệ số dòng chảy cũ, phụ thuộc vào đặc trưng l ớp ph ủ m ặt c ủa lưu vực, lượng mưa ngày và diện tích lưu vực. δ - Hệ số sét ảnh hưởng của hồ ao, đầm lầy. Việc tính toán thuỷ văn như trên dựa trên cơ sở l ượng m ưa ngày chưa quan tâm đầy đủ đến ảnh hưởng của thời gian mưa (cơn m ưa dài hay ngắn) và mức độ biến thiên cường độ mưa. Mặc dù có xét đến ảnh h ưởng của cường độ mưa một cách gián tiếp thông qua việc tính toán thông s ố th ời gian tập trung nước trên sườn dốc τs, rồi từ đó tra ra Mođun lũ tương đối Ap, với nguyên tắc τs càng nhỏ, thì mô đun tương đối Ap càng lớn. Tuy v ậy v ẫn chưa triệt để ở chỗ: trị số Ap được rút ra bằng phương pháp th ống kê, do đó chỉ phù hợp với quy luật xác suất thống kê mà không đảm b ảo m ức đ ộ chính xác trong những trường hợp cá biệt. Mặt khác tr ị s ố Ap là hàm s ố ph ụ thuộc 2 biến số τs và Φ1, với cách lập hầm số thống kê theo nhi ều biến như vậy và phạm vi cơ sở dữ liệu để xây dựng quy luật xác suất th ống kê rất rộng sẽ ảnh hưởng tới mức độ chính xác. Công th ức năm 1979 có 3 thông số bất biến là Hp, δ, F và thông số α thực ra cũng là thông số bất biến sau khi đã xác định được cấp đất, H1%và F sẽ tra b ảng và ch ọn ra tr ị s ố α với tư cách là hằng số cố định. Như vậy thực chất giá trị Ap ph ải đ ại di ện cho tất cả các thông số còn lại nên bảng tra Ap ph ải đ ược xây d ựng trên k ết quả sử lý các xác suất thống kê của tất cả các biến đó. Riêng đối với miền núi thường có lưu vực nhỏ, độ dốc lớn, th ời gian tập trung dòng chảy nhỏ nên tồn tại một thực tế là: Cơn mưa có t ổng lượng mưa nhỏ nhưng thời gian mưa ngắn, cường độ mưa lớn, thời gian t ập trung dòng chảy nằm trọn vẹn trong khoảng thời gian có đ ộ dài Tc và có c ường độ mưa lớn sẽ cho lưu lượng Qmax lớn hơn nhiều so với cơn mưa có t ổng lượng mưa lớn nhưng thời gian mưa dài và cường độ mưa nhỏ. Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, đ ịa hình đan xen nhi ều dạng, nên sự khác biệt của chế độ mưa lại càng trở thành vấn đ ề quan tâm. Ngoài công thức vừa nêu đã được dùng trong thực tế ở Vi ệt Nam hi ện nay, thì còn nhiều công thức khác ở dạng chính xác hay g ần đúng (tham khảo cuốn Công trình vượt sông). 6.5. Xác định khẩu độ và tính toán thủy lực 6.5.1. Các chế độ làm việc của cống. Căn cứ vào chiều sâu ngập nước trước cống và loại mi ệng c ống mà 8
cống có khả năng làm việc theo các chế độ sau đây: 6.5.1.1. Không áp nếu H ≤ 1,2 Hcv (đối với miệng cống loại thường). H ≤ 1,4 hcv đối với miệng cống theo dạng dòng chảy. Trong đó: H chiều cao nước dâng trước cống Hcv - chiều cao cống ở cửa vào. (0,7 - 0,8)Hk Hk H Hcv H× 6-5. ChÕ® lµm viÖ cña cèng kh«ng ¸ p (miÖ cèng th- êng) nh é c ng (0,7 - 0,8)Hk Hcv H Hk H× 6-6. ChÕ® lµm viÖ cña cèng kh«ng ¸ p (miÖ cèng d¹ ng dßng ch¶y) nh é c ng 6.5.1.2. Bán áp nếu H > 1,2 Hcv và miệng cống loại thông thường. H Ho H× 6-7. ChÕ® lµm viÖ cña cèng b¸ n ¸ p (miÖ cèng th- êng) nh é c ng Trường hợp này ở cửa cống ngập nước toàn bộ nhưng tiếp theo đó thì nước chảy có mặt thoáng tự do. 9
6.5.1.3. Có áp nếu H >1,4 Hcv , và miệng cống theo dạng dòng chảy độ dốc cống nhỏ hơn dốc ma sát, trường hợp này trên phần l ớn chi ều dài cống, nước ngập hoàn toàn, chỉ có cửa ra có thể có mặt thoáng. H H× 6-9. ChÕ® lµm viÖ cña cèng cã ¸ p nh é c Khi mực nước ngập trước cống khá lớn chế độ chảy có áp có th ể xảy ra cho trường hợp miệng cống thông thường. Nh ưng hi ện t ượng ấy không xảy ra liên tục và cống vẫn làm việc như ch ế đ ộ bán áp. Đ ể đ ảm b ảo an toàn loại này tính toán như chế độ chảy bán áp. Nói chung khẩu độ cống được xác định theo chế đ ộ không áp, c ống nằm ở khu vực có vật trôi, mức nước chảy trong cống ph ải cách đ ỉnh c ống một đoạn như trong quy trình. Một số trường hợp cá biệt cần phải thiết kế cống bán áp và có áp thì phải lưu ý biện pháp cấu tạo đảm bảo sự ổn định của cống và n ước không thấm qua nền đường. Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu có ảnh hưởng rất quan trọng đến khả năng ổn định tổng thể công trình, đ ặc bi ệt là ở n ơi đ ịa hình mi ền núi cao thường có độ dốc ngang lớn, mức độ ổn định ch ống tr ượt ngang của nền đắp ngay trong trường hợp chưa phát sinh áp lực thu ỷ đ ộng và chênh lệch áp lực thuỷ tĩnh cũng đã thường b ị đe doạ. M ặt khác v ật li ệu đ ắp nền đường ở hai đầu công trình thường dùng các loại hạt r ời nh ư cát s ạn, đá thải... sẵn có từ lòng suối hoặc nền đào, dễ kiếm h ơn c ả v ật l ệu đ ất dính, nên dễ phát sinh dòng thấm làm trôi s ụt n ền đ ường. Do đó trong m ỗi công trình cụ thể thì việc tính toán chính xác tr ị s ố ∆ H thượng hạ lưu có một ý nghĩa quan trọng. 6.5.2. Tính toán khả năng thoát nước của cống khi độ dốc c ủa c ống i c nhỏ hơn độ dốc phân giới ik. Khả năng thoát nước của cống QC tùy thuộc vào chế độ làm việc của nó, được xác định theo công thức sau đây: 6.5.2.1. Chế độ không áp. 10
2 g ( H − hC ) QC = ϕ C . ω C (6 - 1) Trong đó ϕC - Hệ số vận tốc khi cống làm việc không áp thường lấy bằng 0,82 - 0,85 cho tất cả các loại miệng cống trừ loại làm việc theo dạng dòng chảy đảm bảo cho chế độ chảy có áp. ωC - Tiết diện nước chảy tại chỗ bị thu hẹp trong cống hC - Chiều sâu nước chảy trong cống tại chỗ thu hẹp thường l ấy h C = 0,9hk. hk - Độ sâu phân giới g - Gia tốc trọng trường lấy bằng 9,81 m/s2. Vì giữa H và hC có quan hệ (phương trình Bécnuli) VC2 (6 - 2) H = hC + 2 gϕ 2 VC2 Thay ϕ = 0,85 và hC = 0,9hk = 0,73 ta có: g VC2 H = 1,43 ≈ 2h (6 - 3) g ω C gH và QC = 0,85 (6 - 4) Đối với tiết diện chữ nhật: ωC = 0,5b.H do đó: gH 3 hay Q = 1,33 b H3/2 QC = 0,425b (6 - 5) Công thức này cũng dùng để xác định khả năng thoát nước cầu nh ỏ. Đối với tiết diện hình tròn, ωC được xác định trong đồ thị sau: ωC h với C (d - đường kính ống ở đồ thị này cho quan hệ giữa 2 d d cống). Biết được hC và d tra đồ thị có ωC , rồi theo công thức xác định QC. 11
hc d R w 0,5 wc 0 0,2 0,4 0,6 2 d H× 6-10. § å thÞx¸ c ® nh c¸ c ® c tr- ng nh Þ Æ h× häc tiÕ diÖ h× trßn nh t n nh 6.5.2.2. Chế độ bán áp. 2 g ( H − h) QC = ϕ ω (6 - 6) Trong đó: h = 0,6 hcv (hcv - chiều cao cống ở cửa vào) thông thường hệ số vận tốc ϕ = 0,85 và ω = 0,6 ωcv do đó: QC = 0,51ωcv 2 g ( H − 0,6hcv ) (6 - 7) Trong đó ωcv - Tiết diện cống ở cửa vào, dễ dàng xác định được. 6.5.2.3. Chế độ có áp 2 g ( H − hd ) QC = ϕ aω d (6 - 8) Trong đó ωd và hd. Tiết diện nước chảy và chiều cao phần cơ bản của cống (khẩu độ cống). a - Hệ số vận tốc lấy bằng 0,95 (miệng cống hình dòng ch ảy, đ ảm bảo chế độ chảy ngập). Để tiện cho việc sử dụng người ta đã lập bảng tính sẵn khả năng thoát nước của cống (bảng phụ lục 1) tùy thu ộc vào kh ẩu đ ộ và m ực n ước ngập trước cống đồng thời bảng còn cho trị số tốc độ nước chảy ở cửa ra của cống. Chú ý: Sau đây là các điều kiện để lập bảng trên. - Cống không bị ngập ở hạ lưu (h k > 1,3 hb) hb là chiều sâu nước chảy bình thường sau cống. - Độ dốc của công đặt theo độ dốc phân giới (i k) cho trường hợp cống không áp và đặt theo độ dốc ma sát in cho trường hợp cống có áp. - Vận tốc nước chảy trước cống bằng 0. 12
6.5.3. Trình tự tính toán cống. Sau khi chọn loại cấu tạo cống, căn cứ vào lưu l ượng đ ể ch ọn ra m ột số phương án khẩu độ dựa theo các công thức (6 - 1), (6 - 2) ho ặc ph ụ l ục 1. Cũng từ đó xác định được chiều sâu H, vận t ốc V. D ựa vào H và V mà định ra cao độ nền đường (ngược lại là kiểm tra cao đ ộ nền đ ường đã thi ết kế), xác định các biện pháp gia cố thượng h ạ l ưu c ống r ồi ti ến hành so sánh kinh tế kỹ thuật để chọn phương án thích hợp nhất. 6.5.4. Các trường hợp tính toán thủy lực cống. Tùy theo điều kiện cụ thể mà tính toán cống Có thể phân ra hai trường hợp. - Biết mực nước dâng cho phép (cao độ nền đường cho phép) t ốc đ ộ nước chảy cho phép (vật liệu gia cố thượng lưu và hạ lưu cống) cần xác định khả năng thoát nước của cống (xác định khẩu độ cống). - Biết lưu lượng nước cần phải thoát qua công trình xác đ ịnh m ột s ố phương án khẩu độ cống và các yếu tố thủy lực H, V. D ựa vào H và V đ ịnh cao độ nền đường tối thiểu, biện pháp gia cố thượng, hạ l ưu c ống và ti ến hành so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật để quyết đ ịnh ph ương án có l ợi nhất. Khi tính toán cần chú ý những công thức trên và ph ụ l ục 1 cho kh ả năng thoát nước của cống vì vậy khi dựa vào trị s ố l ưu l ượng t ừ l ưu v ực đ ể đổ về để xác định khẩu độ cống phải xét t ới ảnh h ưởng c ủa hi ện t ượng tích nước trước công trình đã làm cho khả năng thoát n ước của c ống bé h ơn l ưu lượng cực đại từ lưu vực về. Cao độ tối thiểu của nền đường cần được quán triệt theo mục 2. Chọn chế độ làm việc của cống nói chung nên chọn loại không áp. 6.5.5. Tính toán thủy văn cho cống hở (rãnh hở). Trong các trường hợp đường sắt chạy trong thành ph ố, th ị xã, c ảng biển không có điều kiện làm cống ngầm thì phải làm cống l ộ thiên. Đ ương nhiên trường hợp này khẩu độ cống nhỏ 0,5 - 0,7m tương đ ương v ới l ưu lượng thoát qua QP ≤ 3,5m3/s và chiều sâu rãnh không quá 2m. Chi ều sâu mực nước cho phép trong rãnh y = h - 0,5 trong đó: h là chi ều cao n ền V2 y.g do đó V = đường lấy ở trắc dọc mặt khác y = 1,6 . 1,6 g 13
QP . g Khẩu độ cống hở tính theo công thức sau: b = µV 3 0,5 m h H× 6-11. KÕ cÊ kiÕ tróc tÇ trªn vµ r· nh hë nh tun ng 6.6. Tính toán thủy lực cầu nhỏ 6.6.1. Khái niệm. Để áp dụng các công thức thủy lực của Sê Ri, Ba Danh ta ph ải gi ả thiết. 1. Mặt đáy công trình coi như ngang. 2. Lực cản dòng chảy khi vào và ra công trình là một lượng vô cùng bé. 3. Mặt nước trong công trình nằm ngang dù ch ỉ từng đo ạn m ột trong giới hạn đó dòng chảy ổn định và song song. Như trên đã nói do các giả thiết này nên ta ứng d ụng hi ện t ượng nước chảy qua đập tràn đỉnh rộng để tính toán thủy văn cho cầu. Hình vẽ và khái niệm các chế độ chảy của nước dưới cầu. H H Hδ Hc Hδ Hk a) Ch¶y tù do (kh«ng ngËp) b) Ch¶y kh«ng tù do (ngËp) Qua hình vẽ ta thấy: - Chảy tự do: Mực nước nhảy sóng nhưng mực n ước h ạ l ưu không ảnh hưởng đến mực nước ở thượng lưu. - Chảy ngập: Mực nước êm nhưng mực nước hạ lưu ảnh hưởng đ ến 14
mực nước thượng lưu. Do vậy: - Nếu hδ ≤ 1,3 hk nước chảy theo chế độ tự do trong đó h k chiều sâu nước chảy dưới cầu, hδ - chiều sâu nước chảy tự nhiên ở hạ lưu. - Nếu hδ > 1,3 hk chảy theo chế độ chảy ngập, chiều sâu nước chảy dưới cầu bằng chiều sâu nước chảy lúc tự nhiên ở hạ lưu h δ. - Nếu độ dốc dưới cầu lớn hơn độ dốc phân giới i k tính như dốc nước. 6.6.2. Trình tự tính toán thủy lực cầu nhỏ. - Xác định tốc độ và chiều sâu nước chảy trong su ối lúc t ự nhiên. Gi ả thiết các chiều sâu nước chảy trên suối 1, 2, 3, 4 mét ứng v ới m ỗi chi ều sâu đó tính lưu lượng theo các công thức Sêri, Mawinh hay Pavlôpsky, có các s ố liệu về lưu lượng ứng với các chiều sâu khác nhau về quan hệ h δ - Q. Dựa vào đường quan hệ hδ - Q ứng với lưu lượng thiết kế Q C xác định chiều sâu nước chảy hδ và tốc độ nước chảy Vδ (hình 6-13, 6-14). - Chọn phương án xử lý lòng suối, tùy theo đ ịnh hình c ụ th ể và kh ẩu độ cầu chọn phương án xử lý lòng suối dưới cầu (đào lòng su ối đ ể có d ạng chữ nhật và gia cố hay để lòng suối có dạng t ự nhiên, dùng m ố có m ố đ ất 1/4 nón hay không có 1/4 nón v.v...). - Xác định chiều sâu phân giới hk từ điều kiện ε 2 ω K α QC 3 2 = (6 - 9) BK g Trong đó BK ωK chiều rộng lòng suối có tiết diện chảy ứng với chiều sâu hk. ε - Hệ số thu hẹp lấy như sau: ε = 0,90 mố có mặt đất 1/4 nón. ε = 0,80 mố cầu không có 1/4 nón. Đối với tiết diện lòng suối dưới cầu là hình chữ nhật: α VK2 hK = (6 - 10) g Trong đó α - Hệ số Kôriolit, lấy bằng 1 - 1,1 Đối với tiết diện lòng suối hình thang: B K − Bk2 − 4m ω K 2 (6 - 11) hK = 2m Trong đó BK và ωK xác định từ công thức: 15
g . QC QC ωK = BK = , (6 - 12) εαV 2 ω VK VK - Tốc độ nước chảy lấy bằng tốc độ cho phép của vật liệu gia c ố dưới cầu (chọn theo bảng sau). A - Vận tốc cho phép không xói của các loại gia cố. Chiều sâu dòng nước Loại gia cố TT 0,4 1,0 2,0 3,0 Tốc độ nước chảy trung bình m/s 1 2 3 4 5 6 1 Lát cỏ (nằm trên nền chắc) 0,9 1,2 1,3 1,4 Lát cỏ trồng thành tường 1,5 1,8 2,0 2,2 2 Đổ đá ba và đá hộc với kích thước với 0,9 đá từ 7,5cm và lớn hơn 3 Đổ đá hai lớp trong lưới đá với kích Theo phụ lục B nhân thêm với 1,1 thước khác nhau 4 Lát đá một lớp trên lớp guột hay rơm rạ (lớp này không bé hơn 5cm) a. Loại đường kính 15cm 2,0 2,5 3,0 3,5 b. Loại đường kính 20cm 2,5 3,0 3,5 4,0 c. Loại đường kính 25cm 3,0 3,5 4,0 4,5 5 Lát đá trên lớp đá dăm hay sỏi (lớp đá dăm không bé hơn 10cm) a. Bằng đá cỡ 15cm 2,5 3,0 3,5 4,0 b. Bằng đá cỡ 20cm 3,0 3,5 4,0 4,5 c. Bằng đá cỡ 25cm 3,5 4,0 4,5 5,0 6 Lát đá cẩn thận, các kẽ có chèn chặt đá con, trên lớp đá dăm (hay sỏi) lớp đá dăm không bé hơn 10cm a. Bằng đá cỡ 20cm 3,5 4,5 5,0 5,5 b. Bằng đá cỡ 25cm 4,0 4,5 5,5 5,5 c. Bằng đá cỡ 30cm 4,5 5,0 6,0 6,0 7 Lát đá hai lớp trên lớp đá dăm (hay sỏi) lớp dưới đá cỡ 15cm Lớp trên 20cm (lớp đá dăm lót không 3,5 4,5 5,0 5,5 bé hơn 10cm) 8 Gia cố bằng bó thân cây hay cành cây trên nền đá đầm chặt (để gia cố tạm thời) a. Lớp gia cố 20 - 25cm 2,0 2,5 b. Với các chiều dày khác Như mục 8a nhân với hệ số điều chỉnh 16
hgc , hgc chiều dày lớp gia cố 0,2 x 9 Gia cố mềm bằng thân cây a. Khi chiều dày là 50cm 2,5 3,0 3,5 b. Với các chiều dày khác Như mục 9a nhân với hệ số điều chỉnh 0,2 hgc Lát đá tảng 0,5 x 0,5 x 1,0m 10 4,0 5,0 5,5 6,0 Lát đá khan bằng đá vôi có cường 11 3,0 3,5 4,0 4,5 độ > 100 kg/cm2 Lát đá khan bằng đá cứng với 12 6,5 8,0 10,0 12,0 cường độ > 300 kg/cm2 Gia cố bằng lớp áo bê tông mác 200 13 6,5 8,0 9,0 10,0 mác150 6,0 7,0 8,0 9,0 mác 100 5,0 6,0 7,0 7,5 Móng bê tông có trát nhẵn mặt mác 14 13 16 19 20 200 mác 150 12 14 16 18 mác 10 12 13 15 100 B. Vận tốc không sói cho phép trung bình khi gia c ố ta luy và lòng suối. Chiều sâu dòng nước chảy (m) Loại gia cố Cỡ đá (cm) ≥2 0,4 1,0 Tốc độ trung bình m/s Lát đá ba Cỡ nhỏ 7,5 - 10 2,5 2,6 3,0 Cỡ vừa 10 - 15 2,6 3,0 3,5 Cỡ lớn 15 - 20 3,2 3,5 4,0 Lát đá hộc Cỡ nhỏ 20 - 30 3,7 4,0 4,5 Cỡ vừa 30 - 40 - 4,5 4,8 Cỡ lớn 40 - 50 - 5,2 và lớn hơn Chú ý chọn VK > Vδ m - mái dốc của mố đất 1/4 nón. - Xác định khẩu độ cầu và chiều sâu nước dâng trước cầu. Sau khi xác định h δ và hk, so sánh 1,3 hk và hδ có thể gặp hai trường hợp sau: + Nếu hδ ≤ 1,3 hk, khẩu độ cầu LC xác định theo công thức: 17
g . QC LC = BK = (6 - 13) ε α VK 3 Chiều sâu nước dâng trước cầu: α VK2 α V02 H = hk + − (6 - 14) 2 gψ 2 2 gψ 2 Trong đó: ψ hệ số vận tốc, lấy như sau: ψ = 0,9 - khi mố có 1/4 nón. ψ = 0,8 - khi không đắp 1/4 nón. V0 - Tốc độ nước chảy ở thượng lưu cầu ứng với chiều sâu H. α V02 ≈ 0 và Nếu H lớn có thể xem 2 gψ 2 α VK2 ≈ 1,6 hk H = hk + (6 - 15) 2 gψ 2 Khẩu độ cầu B và chiều cao nước trước cầu H có thể tính g ần đúng theo (6-5). + Nếu h > 1,3 hk, khẩu độ cầu xác định theo công thức: QC btb = (6 - 16) ε .hδ VC Trong đó VC - Tốc độ nước chảy dưới cầu lấy bằng tốc độ cho phép của vật liệu gia cố. btb - Khẩu độ cầu ứng với chiều sâu nước chảy hδ/2. Chiều sâu nước dâng trước cầu: αVC2 αVC2 − H = hδ + (6 - 17) 2 gψ 2 2 gψ 2 Căn cứ vào khẩu đổ cầu vừa xác định, chọn chi ều dài c ầu đ ịnh hình gần nhất và tính lại chiều sâu H, tốc độ nước chảy dưới cầu V C. - Chiều cao nền đường tối thiểu Hnền = H + 0,5m (6 - 18) - Chiều cao cầu tối thiểu Hcầu = 0,88H + t + K Trong đó t là tĩnh không dưới cầu K chiều cao dầm cầu. 0,88H - Chiều sâu nước chảy dưới cầu 18
Theo kinh nghiệm thực tế chỉ nên gia cố lòng su ối d ưới c ầu khi kh ẩu độ cầu dưới 10m. Nếu khẩu độ cầu lớn hơn 10m phải tiến hành so sánh nó với phương án cho phép lòng suối dưới cầu xóa đi một chi ều sâu nh ất đ ịnh. 6.6.3. Ví dụ tính toán thủy văn cầu nhỏ. Biết Q300 = 16,9 m3/s, Q100 = 12,5 m2/s, cao độ mặt đất trụ cầu 197,47m, cao độ vai đường 200,07 chiều dày lớp ba lát t ừ đáy ray đ ến vai đường 0,75m. Độ dốc lòng lạch = 0,017. Hệ số nhám γ = 2,75. Tính khẩu độ của công trình đó, cho biết trắc ngang đáy cầu là: hδ' = 198,6 xa = 4,8m xb = 2,5m 197,97 198,03 199,02 197,47 199,03 4 5 8 3 H× 6-13. MÆc¾ ngang ® y cÇ gi¶ thiÕ nh tt ¸ u t 1. Tính chiều sâu dòng nước phía dưới cầu, ta giả thi ết nh ững m ực nước hδ khác nhau và đến khi nào được trị số h δ có trị số Q tương đương QP. Đồng thời cũng có hδ tạo ra Q tương đương Qmax. Sau khi làm nhiều lần như vậy có hδ =1,13, hδ = 0,93. 2. Tính diện tích ω ở dưới cầu khi có chiều cao hδ 198,6 − 197,97  198,6 − 197,97 197,97 − 197,47  ω dc = x 4,8 +  +  x4   2 2 2 (198,6 − 197,47 ) + (198,6 − 198,03) x 8 + (198,6 − 198,03) x 2,5 + 2 2 ωdc = 12,48 (m2) 3. Tính chu vi thấm nước ở dưới cầu: Pdc = 0,63 2 + 4,80 2 + 4,00 2 + 0,5 2 + 8,00 2 + 0,56 2 + 0,57 2 + 2,50 2 = 19,60m 4. Tính bán kính thủy lực 19
ωc 12,48 Rdc = = = 0,64m Pc 19,60 5. Vận tốc dòng chảy ở dưới cầu: 87 1 1/ γ Rδ i mà c = 1 + 6 Vδ = c hay c = R n Rdc 87 Vδ = x 0,64 x 0,007 2,75 Vậy = 1,32 m/s 1+ 0,64 6. Tính lưu lượng Q = ω . V = 12,48 x 1,32 = 16,5 m3/s So sánh Q với Qmax đã cho nếu Q < Qmax thì đạt yêu cầu tức là Qmax − Q ≤ 5% Qmax Thay số giữa Q và Q300 ta được: 16,9 − 16,5 100 < 5% 16,9 Vậy có thể coi rằng cao độ 198,6 tương đương với lưu l ượng l ớn nhất. Bằng cách tương tự như vậy, chúng ta kiểm tra các cao đ ộ m ực n ước tương đương Q100. Tiết diện dòng chảy dưới cầu ωdc = 10,2 m2 Chu vi thấm nước dưới cầu Pδ = 17,05m Bán kính thủy lực dưới cầu 10,2 = 0,59m Rδ = 17,05 Vận tốc dòng chảy dưới cầu 87 Vδ = 0,59 x 0,007 2,75 = 1,18 m/s 1+ 0,59 Vậy Qδ = 10,2 x 1,18 = 12,05 m3/s. Lập tỷ lệ hiệu số của Qδ và Q100 với Q100 ta có: 20