chuong 15 thiet ke cong trinh thoat nuoc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ CẦU ĐƯỜNG GVHD:Th.S TRẦN THIỆN LƯU

CHÖÔNG .15. THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC

Để bảo vệ nền đường không bị ngập nước và thoát nước trên mặt đường, ta phải

làm hệ thống thoát nước bằng cách làm rãnh dọc trên những đoạn đường đào, đắp thấp

( <0.6m ).

Rãnh dọc không chỉ thoát nước mưa trên đường mà còn phải thoát một lượng nước

mưa trong khu vực do địa hình có độ dốc ngang. Do đó ta phải tính toán lưu lượng và

thiết kế cho phù hợp.

Trong phần thiết kế kỹ thuật ta tính toán thủy lực rãnh và cống địa hình.

1 Thiết kế rãnh.

1.1 Rãnh biên.

Tiết diện và độ dốc rãnh phải đảm bảo thoát nước được với lưu lượng tính toán và

kích thước hợp lý, lòng rãnh không phải gia cố bằng những vật liệu đắt tiền mà có thể

sử dụng được những vật liệu tại chổ.

Độ dốc của rãnh trong mọi trường hợp phải chọn để tốc độ nước chảy trong rãnh

không nhỏ hơn tốc độ ban đầu làm các hạt phù sa lắng đọng.

Độ dốc lòng rãnh không được thiết kế < 0.5% trong trường hợp đặc biệt có thể

0.3% nhưng chiều dài rãnh không được quá 50 m.

Mép đỉnh của rãnh dẫn nước phải cao hơn mực nước chảy trong rãnh là 0.25m.

Kích thước ngang của rãnh biên được chọn theo cấu tạo, như vậy việc tính toán

thoát nước rãnh chủ yếu là tính chiều dài rãnh để đảm bảo thoát nước, rãnh biên được

bố trí dọc theo đường và thường bằng độ dốc của đường, do đó trong thực tế là dựa

vào lưu lượng thiết kế và độ dốc của rãnh để chọn kích thước chiều rộng và chiều sâu

của rãnh.

Rãnh biên được thiết kế ở đoạn đường đào, đoạn đường nửa đào nửa đắp và đắp

thấp dưới 0.6m. Mục đích thiết kế rãnh biên là để thoát nước dọc cho nền đường.

Cần phải thiết kế rãnh biên tại lý trình sau:

Rãnh phải : Từ Km0+00 đến Km 0+200; Từ Km 0+480 đến Km 0+753; Từ Km

0+753 đến Km 0+980

Rãnh trái: Từ Km0+00 đến Km 0+220; Từ Km 0+460 đến Km 0+753; Từ Km

0+753 đến Km 0+00

1.2 Rãnh đỉnh.

Khi diện tích lưu vực sườn núi đổ về đường lớn hoặc khi chiều cao taluy đào

12 m thì phải bố trí rãnh đỉnh để đón nước chảy về phía đường và dẫn nước về

công trình thoát nước, về sông suối hay chỗ trũng cạnh đường, không cho phép

nước đổ trực tiếp xuống rãnh biên.

Rãnh đỉnh phải có quy hoạch hợp lý về hướng tuyến, độ dốc dọc và mặt cắt

thoát nước. Rãnh đỉnh thiết kế với tiết diện hình thang, chiều rộng đáy rãnh tối

SVTH:TỪ THANH CƯỜNG Trang 117


thiểu là 0,50 m, bờ rãnh có taluy 1 : 1.5, chiều sâu rãnh xác định theo tính toán

thuỷ lực và đảm bảo mực nước tính toán trong rãnh cách mép rãnh ít nhất 20 cm

nhưng không nên sâu quá 1,50 m.

Khi rãnh đỉnh có chiều dài đáng kể thì cần chia rãnh thành các đoạn ngắn. Lưu

lượng nước chảy tính toán của mỗi đoạn lấy bằng lưu lượng nước chảy qua mặt cắt

cuối cùng của mỗi đoạn, tức lưu lượng từ phần lưu vực chảy trực tiếp về đoạn rãnh

tính toán cộng với tất cả các lưu lượng nước chảy từ lưu vực ở các đoạn rãnh từ

phía trên chảy về.

Độ dốc của rãnh đỉnh thường chọn theo điều kiện địa hình để tốc độ nước chảy

không gây xói lòng rãnh. Trường hợp do điều kiện địa hình bắt buộc phải thiết kế

rãnh đỉnh có độ dốc lớn thì phải có biện pháp gia cố lòng rãnh thích hợp, tốt nhất

là gia cố bằng đá hộc xây hay bằng tấm bê tông hoặc thiết kế rãnh có dạng dốc

nước hay bậc nước. Để tránh ứ đọng bùn cát trong rãnh, độ dốc của rãnh không

được nhỏ hơn 3 0/00 5 0/00.

Ở những nơi địa hình sườn núi dốc, diện tích lưu vực lớn, địa chất dễ sụt lở thì

có thể làm hai hoặc nhiều rãnh đỉnh. Ngược lại, nếu độ dốc ngang sườn đồi nhỏ và

diện tích lưu vực nước chảy về rãnh dọc không lớn thì có thể không làm rãnh đỉnh,

nhưng phải kiểm tra khả năng thoát nước rãnh biên.

Vị trí của rãnh đỉnh cách mép taluy nền đường đào ít nhất là 5 m và đất thừa do

đào rãnh đỉnh được đắp thành một con trạch (đê nhỏ) về phía dốc đi xuống của địa

hình (phía thấp); bề mặt con trạch có độ dốc ngang 2 % về phía rãnh và chân của

nó cách mép taluy nền đường đào ít nhất là 1 m.

Trường hợp cần bố trí rãnh đỉnh để ngăn nước chảy về nền đường đắp thì vị trí rãnh

đỉnh phải cách mép rãnh biên ít nhất là 5 m nếu có làm rãnh biên, và cách chân taluy

nềân đắp ít nhất là 2 m nếu không có rãnh biên và đất đào rãnh đỉnh được đắp thành

một con trạch về phía nền đường, bề mặt con trạch có độ dốc ngang 2 % về phía rãnh.

Rãnh đỉnh không nên bố trí cách xa nền đường qúa vì như vậy sẽ hạn chế tác dụng

của rãnh đỉnh.

Ở các đoạn đường đào sâu sử dụng taluy dạng giật cấp, để đảm bảo nước mưa

không gây xói lở taluy thì nên bố trí các rãnh thoát nước chạy dọc theo các bậc

taluy và ở cuối rãnh, nước được tập trung về các dốc nước hay bậc nước để đổ ra

sông suối hay các công trình cầu cống dưới dạng bậc nước hay dốc nước.

1.3 Xác định giới hạn lưu vực .

1.3.1 Giới hạn trên của lưu vực.

Đâu tiên ta giả thiết không bố trí rãnh đỉnh để tính toán lượng nước đổ vễ rãnh biên.

Nếu sau khi tiến hành kiểm tra sự thoát nước của rãnh biên thấy không đạt thì mới bố

trí thêm rãnh đỉnh.



1.3.2 Giới hạn dưới của lưu vực.

Là tim đường đối với đường có trắc ngang 2 mái.

Là mép nền đường đối với đường có trắc ngang 1 mái nghiêng về rãnh biên.

1.3.3 Xác dịnh lưu lượng tính toán.

Tính toán cho rãnh có chiều dài lớn nhất là 293 m.

Xác định lưu lượng thực tế nước chảy qua mặt cắt ngang của rãnh:

Q = Q1 + Q2

Trong đó:

- Q1 : Phần lưu lượng nước đến rãnh từ ½ nền đường.

- Q2 : phần lưu lượng nước đến rãnh từ phần diện tích đất tự nhiên.

Lưu lượng nước chảy qua rãnh được xác định theo công thức:

QP = 16.7 ap F (m3/s)

Trong đó:

- : hệ số dòng chảy tra bảng 9-7 sách thiết kế đường ôtô tập 3(TKĐ III).

- : hệ số triết giảm do bờ ao, đầm lầy bảng 9-5 TKĐ III

- F : diện tích lưu vực. Bao gồm phần diện tích ½ nền đường và phần

diện tích lưu vực đất tự nhiên đổ nước về rãnh .

= = = 1318.5 ( ) . Với là chiều dài rãnh và là

chiều rộng nền đường.

= 0.082km2: được xác định dựa vào bình đồ.

- : hệ số phụ thuộc diện tích lưu vực, tra bảng 9.11 TKĐ III, phụ thuộc

F. ap : cường độ mưa tính toán phụ thuộc lượng mưa giờ và thời gian tập

trung nước tC

- 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 :



- Đại lượng được thiết lập thành bảng thuộc độ dốc của sườn

dốc, tra bảng 9-23 TKĐ III.

- bs: chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực (m). Xác định bằng công

thức với L là chiều dài rãnh tính toán.

- a60: lượng mưa ứng với tần suất thiết kế có thời gian mưa là 60 phút xác

định theo tài liệu thống kê mưa vùng thiết kế.

- (t) : tọa độ đường cong mưa, (t) = f( thời gian mưa, vùng mưa), xem

phụ lục 12b.

- Hp% = = 144 mm: lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế p

%, phụ lục 15, mm.

Bảng 15.1 Bảng xác định diện tích lưu vực rãnh

Lý trình (m) (m)

Km 0+480 đến Km 0+753 273 9 0.001318 0.082

Bảng 15.2 Bảng xác định thời gian tập trung nước

(%) (m) (Phút)

Nền

đườngLưu vực Nền đường Lưu vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

2 21.047 6 203.9 15.4 13.93 6.59 35.26

Bảng 15.3 Bảng xác định cường độ mưa tính toán

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

0.61 0.61 1.46 1.46 3.39 1.83 0.95 0.82 0.88 0.68 1 1

Bảng 15.4 Bảng xác định lưu lượng tính toán cho rãnh

Lý trình ( ) ( ) Q( )

Km 0+480 đến Km 0+753 0.14 1.62 1.76



1.3.4 Các đặc trưng thủy lực của rãnh.

(4.1)

(4.2)

Hình 4.1: Cấu tạo rãnh biên

Các đặc trưng:

- h0 : Chiều sâu nước chảy, ho = 0,4m.

- b : Chiều rộng đáy rãnh (m).

- h : Chiều sâu rãnh. h h0 + 0,2

- : Tiết diện nước chảy của rãnh:

- : Chu vi ướt.

- R : Bán kính thủy lực.

0

00

'

.

hmb

hhmbR

- Q: lưu lượng thoát nước của rãnh: Q = .V

- V: vận tốc nước chảy trong rãnh.

Ta thấy lưu lượng nước chảy tỉ lệ thuận với bán kính R. Từ đó nếu diện tích thoát

nước không đổi thì rãnh có chu vi ướt nhỏ nhất có khả năng thoát nước lớn nhất. Vậy

khả năng thoát nước lớn nhất khi: 0d

dQ, với : tỉ số giữa chiều rộng và chiều sâu

nước chảy.

Điều kiện để tiết diện hình thang tối ưu về mặt thủy lực là: mmh

b2'

0

Trong đó:



- m: Hệ số mái dốc trung bình: 2

21 mmm

- )1()1(' 22

21 mmm

- m1: độ dốc mái của rãnh phía phần xe chạy.

- m2: độ dốc mái của rãnh phía phần đối diện.

1.4 Tính toán rãnh.

Ta dựa vào lưu lượng thiết kế để chọn kích thước hợp lý. Ta chọn độ dốc thiết kế

làm độ dốc rãnh. Trình tự tính toán như sau:

- Xác định lưu lượng thiết kế rãnh, kết quả đã tính ở mục 4.1.3.3.

- Giả thiết tiết diện 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 theo các công thức ở mục 4.1.3.4.

- Xác định khả năng thoát nước của rãnh theo công thức Q = V

( mục 4.1.3.4) sau đó so sánh với lưu lượng thiết kế đã tính toán ở mục

4.1.3.3, nếu chúng không sai nhau quá 10% thì tiết diện giả thiết là tiết diện

được chọn để thiết kế, ngược lại phải giả thiết lại kích thước rãnh.

- Xác định tốc độ nước chảy trong rãnh, kiểm tra điều kiện xói lở

và chọn biện pháp gia cố.

- Tính chiều sâu rãnh theo công thức , trong đó là

chiều sâu nước chảy trong rãnh.

Lựa chọn kích thước rãnh biên: b = 0.4 m; = 1 ; m = 1; m’ =1.

Rãnh được lát đá hộc, gia cố bằng đất lèn chặt do đó theo bảng 13-3 TKĐ III ta

có n = 0.02 và y =1/6.

Kết quả tính toán được thể hiện ở bảng dưới:

Bảng 15.5 Bảng xác định khả năng thoát nước của rãnh.

Lý trình rãnh(m)

B

(m) ( ) (m)

R

(m)

V

(m/s)

Q

( /s)

Km0+295-

Km0+7850.4 1.2 0.32 1.53 0.21 1.73 0.55

Do khaû naêng thoaùt nöôùc cuûa raõnh ñaõ choïn beù hôn löu

löôïng nöôùc tính toaùn ñoå veà neân ta phaûi thieát keá raõnh

ñænh ñeå thoaùt nöôùc töø söôøn doác löu vöïc. Raõnh ñænh



ñöôïc boá trí caùch meùp ta luy ñaøo 5m. Khi ñoù, dieän tích beà

roäng löu vöïc caáp nöôùc cho raõnh bieân = 5 + 1 = 6(m).

( Vôùi chieàu cao taluy neàn ñöôøng ñaøo trung bình trong ñoaïn

thieát keá raõnh laø 1m).

Ta tieán haønh tính toaùn thieát keá laïi raõnh bieân.

Baûng 15.6 Baûng tính toaùn dieän tích löu vöïc caáp nöôùc cho

raõnh.

Lyù trình (m)

(m

)

Km0+855.91-Km1+373.6 517.69 6 12 0.003106 0.003106

Bảng 15.7 Bảng xác định thời gian tập trung nước

(%) (m (Phút)

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

2 21.047 6 6.7 15.4 13.93 6.59 8.99

Bảng 15.8 Bảng xác định cường độ mưa tính toán

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

đường

Lưu

vực

Nền

Đường

Lưu

vực

0.61 0.61 1.46 1.46 3.39 3.13 0.95 0.82 0.88 0.88 1 1

Bảng 15.9 Bảng xác định lưu lượng tính toán cho rãnh

Lý trình ( ) ( ) Q( )

Km0+295-Km0+785 0.14 0.12 0.26

Vậy ta chọn rãnh biên có kích thước như trên.

1.5 Gia cố rãnh.

Vận tốc nước chảy lớn nhất trong rãnh V = 1.73 (m/s), chiều sâu nước chảy trong

rãnh lớn nhất = 0.4m. Ta chọn hình thức gia cố rãnh lòng rãnh là lát hai lớp đá trên

lớp đá dăm dày 10 cm ( lớp dưới bằng đá cỡ 15cm, lớp trên đá cỡ 20 cm).

2 Thiết kế cống

2.1 Lưu lượng nước chảy qua cống

Lưu lượng thiết kế cống được xác định theo công thức:



Qp% = Ap Hp F

Trong đó:

F = 0.19 Km2

Hp = 144mm ứng với tần suất thiết kế p = 4%

= 0.765

= 1

Tính chiều dài trung bình của sườn dốc lưu vực:

Với lưu vực có một mái dốc và chiều dài lòng chính L = 0.9Km, ta có:

Tính hệ số đặc trưng địa mạo sườn dốc:

(phút)

Tính hệ số đặc trưng địa mạo lòng chính:

Vậy lưu lượng tính toán của rãnh là:

Q = 0.1454x0.765x144x0.19x1=3.043 m3/s

Chọn cống có khẩu độ 1.5 m là hợp lý.

2.2 Tính toán khả năng thoát nước của 1 cống diển hình:

Cống đường kính d = 1.50m, tại lý trình Km 1+80, Q = 3.043 m3/s của PA1

Xác định chiều sâu phân giới hk:

Chiều sâu phân giới hk phụ thuộc vào lưu lượng thiết kế Qtk. Tính tỷ số:

Tra bảng 10-3 trang 209 “Thiết kế đường ô tô tập ba” ta được hk/d = 0.62

Vậy chiều sâu phân giới hk:



hk = 0.62 1.50 = 0.93 m.

Chiều sâu mực nước chảy trong cống tại chỗ thắt hẹp dòng chảy:

hc = 0.9 hk = 0.9 0.93 = 0.837m

Chiều sâu nước dâng trước cống:

H 2hc = 2 0.837 = 1.67m

Kiểm tra điều kiện cống chảy không áp:

Như kiến nghị thiết kế ban đầu thì hcv = d = 1.5 m. Miệng cống loại thường nên

thay vào điều kiện chảy không áp:

H = 1.67 1.2 hcv = 1.2 1.5 = 1.8 m. Vậy cống chảy bán áp.

Tính khả năng thoát nước của cống :

Trong đó:

c: Hệ số vận tốc khi cống chảy không áp. Với cống tròn lấy bằng 0.85

Với tỷ số: tra đồ thị hình 10-2 trang 203 “Thiết kế đường

ô tô tập 3” ta được c/d2 = 0.42 hay c = 0.42 1.52 = 0.945 m2.

Thay các giá trị vào công thức trên ta được

m3/s

Ta nhận thấy: Qc = 3.247 m3/s > Qtk = 3.043 m3/s, vậy cống đảm bảo thoát

nước tốt.

Vì độ dốc của cống lớn hơn độ dốc phân giới nên chiều sâu nước chảy trong

cống tại gần cửa ra ho < hk và vận tốc V0 sẽ tăng lên. Sử dụng các bảng tra thủy lực

được lập sẵn ta có thể xác định được vận tốc V0 dựa vào các đại lượng tính toán sau:

- Vận tốc dòng chảy trong cống:

Vận tốc tính xói cho cống là vận tốc ở hạ lưu cống, vận tốc này thường rất

lớn so với vận tốc dòng chảy trong cống và được tính bằng 1.5 V0.

Tính toán xói và gia cố sau cống:



- Trong trường hợp chảy tự do, dòng nước ra khỏi cống chảy với vận tốc cao ở

sau công trình. Do đó phải thiết kế hạ lưu công trình theo tốc độ nước chảy

- Chiều dài gia cố Lgc sau cống nên lấy bằng 3 lần khẩu độ cống. Với cầu nhỏ

thì chiều dài ấy tính từ mép hạ lưu kết cấu nhịp.

Lgc = 3 d =3 1.5 = 4.50 m

- Chiều sâu tường chống xói xác định theo công thức.

bt = hxói + 0.5

hxói : Chiều sâu xói tính toán tính theo công thức

=

chiều sâu tường chống xói: ht hx + 0.5 = 1.02 + 0.5 = 1.65m.

Trong đó:

b = 1.50 m : Khẩu độ công trình

H = 1.67 m : Chiều cao mực nước dâng

Xác định cao độ nền mặt đường trên đỉnh cống

Chiều cao đất đắp nền đường tối thiểu tại trắc ngang cống được xác định

theo điều kiện đảm bảo nước dềnh không tràn qua nền đường.

Hn = H + 0.5 = 1.67 + 0.5 = 2.17 m

Cao độ mặt đường trên đỉnh cống được xác định theo điều kiện chịu lực của

cống và bố trí kết cấu áo đường, đồng thời đảm bảo chiều cao nền đắp như trên:

Hm = max{ d + 2 + 0.5 ; d + 2 + Had } (m).

Trong đó: d = 1.50 m: Đường kính cống.

= 0.15 m: Chiều dày cống.

Had = 0.45 m: Chiều dày kết cấu áo đường.

Hm = max{ 1.5 + 0.3+ 0.5=2.30 ; 1.5 + 0.3 + 0.46 = 2.26 }=2.30 (m).

Tính chiều dài cống và tổng hợp cống

Chiều dài cống phụ thuộc vào chiều cao đất đắp trên đỉnh cống. Với mái ta

luy đắp là 1: m = 1: 1.5 ta tính được chiều dài cống theo công thức:

L = Bn + 2 m (H –d- 2 ) = 9 + 2 1.5 (2.3 -1.5- 2 0.15) =11.5 m

Trong đó:

H=2.3m chiều cao lớp đất đắp trên đỉnh cống

= 0.15 m:Chiều dày cống.

Để tiện cho thi công, ta lấy chiều dài cống L = 12m.


chuong 15 thiet ke cong trinh thoat nuoc

Documents