Bài giảng Thiết kế đường ô tô - Chương 8: Xác định lưu lượng cực đại từ lưu vực nhỏ

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế đường ô tô - Chương 8: Xác định lưu lượng cực đại từ lưu vực nhỏ

1. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô CHƯƠNG 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 15m 3/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 25m 3/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 1
2. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô Đối 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 t B; thời gian tập trung nước là t C. 4' Đường nước f 4 cùng thời gian 3' Đường phân thủy f 3 2' f 2 Suối 1' f 1 Đường ô tô Hình vẽ 4.1 Sơ đồ dòng chảy trên sườn lưu vực Trang 2
3. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô Vẽ 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 f 1, f 2, f 3, f 4, 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 f 1 của lưu vực kịp chảy về công trình, do đó lưu lượng nước tại mặt cắt tính toán là: Q1 = f 1.a Trong thời gian này lượng nước mưa trong phút thứ 4 tại f 4 mới kịp chảy về f 3 và tại f 3 về f 2 và f 2 về f 1. Sau phút thứ hai, ngoài phần diện tích f 1, có thêm lượng nước mưa từ f 2 chảy về và lưu lượng tại mặt cắt tính toán là: Q2 = (f 1 + f 2)a Lập luận tương tự ta có lưu lượng nước chảy về công trình sau phút thứ ba và thứ tư: Q3 = (f 1 + f 2 + f 3)a Q4 = (f 1 + f 2 +f 3 + f 4)a Công thức tổng quát xác định lưu lượng nước chảy về công trình sau phút thứ t có dạng: Qt = .a ∑fi Từ những phân tích ở trên ta thấy tùy theo thời gian mưa t B 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 : 3 Qp% = A 1%.α.H 1%.δ.λp.F (m /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 H 1% và diện tích lưu vực F. Trang 3
4. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô A1% : 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. 3 - Qp% : lưu lượng cực đại ứng với tần suất tính toán, m /s - F : diện tích của lưu vực, km 2. Ýnghĩa vật lý của hệ số A1% được biểu diễn qua công thức sau: A1% = (q1% /α.H 1%) 2 q1% : mô đuyn dòng chảy, lưu lượng nước từ 1 km
   Tính hệ số địa mạo thủy văn của lòng sông φl theo công thức : 1000L φl = 3/1 4/1 4/1 ml .J l .F (α.H1% ) - ml: hệ số nhám của lòng suối, xác định theo bảng 9-3. 0 - Jl : độ dốc lòng suối chính tính theo /00 Xác định thời gian tập trung nước trên sườn dốc τ s : Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τ s được 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 bs φs = 4/1 2/1 ms .J s .(α.H1% ) Trong đó : - bs: Chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực b s (m) tính theo công thức: Trang 4
5. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô 1000F b = s 1,8(L+ ∑ l) - 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: F Đối với lưu vực có 2 mái dốc: B = 2× L F Đối với lưu vực có 1 mái dốc: B = và thay hệ số 1,8 bằng 0,9 trong L công thức xác định b sd . - ms: hệ số nhám của sườn dốc xác định theo bảng 9-4. 0 - Js( /00 ):độ dốc trung bình của sườn dốc lưu vực. II. Xác định lưu lượng tính toán Q p% 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<100km 2, ta có công thức : 3 Qp% = A p% .ϕ.H p% .δ1.F (m /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 (H p) 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 τ s và 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 s : Trang 5
6. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τ s được xác định bằng cách tra bảng 2.2 , phụ thuộc vào hệ số địa mạo thủy văn sườn dốc và vùng mưa . - Hệ số φs xác định theo công thức : b0,6 φ = s s m .J0,3 .(ϕ .H ) 0,4 s s p 1% Trong đó : - bs: Chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực b s (m) tính theo công thức: 1000F b = s 1,8(L+ ∑ l) - 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: F Đối với lưu vực có 2 mái dốc: B = 2× L F Đối với lưu vực có 1 mái dốc: B = và thay hệ số 1,8 bằng 0,9 trong L công thức xác định b sd . - ms: thông số tập trung dòng trên sườn dốc (hệ số nhám của sườn dốc), phụ thuộc vào tình hình bề mặt của sườn lưu vực, tra bảng 2.5. 0 - Js( /00 ): độ dốc trung bình của sườn dốc lưu vực.
   Tính hệ số địa mạo thủy văn của lòng sông φl theo công thức : 1000L φ = 1 m .J1/3 .F 1/4 (ϕ .H ) 1/4 1 1 p 1% - ml: thông số tập trung nước trong sông, phụ thuộc vào tình hình sông suối của lưu vực, tra bảng 2.6 trong 22 TCN220 – 95. 0 - Jl : độ dốc lòng sông chính tính theo /00 hl++ (h h)l ++ (h + h)l J = 11 1 22 n1− nn 1 L2 Trong đó : Trang 6
7. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô - h1,h 2, ,h n : cao độ những điểm gãy khúc trên trắc dọc so với giao điểm của 2 đường. - l1, l 2, ,l n : cự ly giữa các điểm gãy khúc . • Đối với các lưu vực nhỏ, khi lòng sông không rõ ràng, mô đun dòng chảy lũ Ap% lấy theo bảng 2.3 ứng với φl =0. • Chiều dài lòng chính L (km) đo từ chỗ bắt đầu hình thành lòng chủ đến vị trí công trình. Khi trên lưu vực không có lòng chính, thì dòng chảy phải tính theo kiểu chảy trên sườn dốc. Lúc đó, chiều dài lòng chính lấy theo khoảng cách từ phân giới lưu vực đến vị trí công trình. 2. Xác định lưu lượng tính toán theo công thức triết giảm: Theo qui trình tính toán dòng chạy lũ do mưa rào ở lưu vực F>100km 2, ta có công thức : n 3 Qp% = q100 .(100/F) . λp .F. δ (m /s) q100 : Mô đun đỉnh lũ ứng với tần suất 10% quy toán về diện tích lưu vực thống nhất 100km2 lấy ở bảng 2.8 theo các trạm quan trắc gần khu vực công trình (m 3/s/km 2). (100/F) n: hệ số triết giảm mô đuyn đỉnh lũ theo diện tích, n lấy theo bảng 2.8. • Công thức trên không phù hợp với trường hợp 0.75<n<1.25. F : diện tích của lưu vực tính toán, km 2. λp: hệ số chuyển tần suất, lấy ở bảng 2.8. δ: hệ số xét tới ảnh hưởng điều tiết của các hồ có lưu thông đối với đỉnh lũ, xác định theo công thức: δ = 1-0.8log(1+0,1f hd ) fhd : diện tích hồ đầm của lưu vực tính theo % của diện tích lưu vực. • Trong trường hợp chọn được lưu vực tương tự có nhiều tài liệu quan trắc, có lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế không khác xa với lượng mưa ngày tương ứng của khu vực nghiên cứu, để tính lưu lượng đỉnh lũ cho lưu vực cần nghiên cứu, có thể sử dụng công thức sau: n 3 Qp% = qptt .(F tt /F) .(δ/δtt ).F (m /s) Trang 7
8. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô qptt : Mô đun đỉnh lũ của lưu vực tương tự tính theo tài liệu thực đo (m 3/s/km 2). 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 t C thường nhỏ hơn thời gian mưa t B nhiều. Đối với các sông suối có lưu vực trên 30km 2 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 Q max dùng cho tính toán thủy văn cầu đường: Q = 16,7.a p.F. α.δ.ϕ F – diện tích lưu vực, km 2; 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 t C 16 a p = a60 . ,0 66 ()tc +12 Còn trị số t c 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 18 .6, b sd tc = 4,0 4,0 f (lsd ) (100.msd )  18 6,  Đại lượng   được thiết lập thành bảng thuộc độ dốc của sườn  4,0   f (lsd )  dốc, tra bảng. bs: chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực (m) 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. Trang 8
9. Bài giảng môn học: Thiết kế đường ô tô ψ (t).H a = p 60 60 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 . Trang 9