281
Chơng VIII: Tính toán thủy văn, thủy lực công trình
thoát nớc dọc tuyến
Chơng này đề cập tới các công trình thoát nớc thờng đợc sử dụng trên
tuyến đờng, trừ các cầu lớn và cầu trung.
Đ8.1. Tính toán thủy văn, thủy lực cầu nhỏ và cống
8.1.1. Tài liệu cơ bản và thông số đầu vào
Để phục vụ tính toán thủy văn, thủy lực cầu nhỏ, cống, các tài liệu cơ bản,
các thông số đầu vào cần phải tiến hành thu thập đợc chỉ ra dới đây. Tuy nhiên
tuỳ thuộc vào giai đoạn thiết kế cần có yêu cầu về mức độ chi tiết của số liệu và các
thông tin cần thu thập.
- Bình đồ địa hình khu vực công trình. Đặc điểm địa hình dùng để xác
định vị trí đặt công trình và các điều kiện kiểm soát thiết kế thủy lực bao gồm: cao
độ, phạm vi lòng suối, kênh, mơng tại vị trí và lân cận vị trí dự định đặt cống.
Phạm vi khảo sát phụ thuộc vào địa hình cụ thể và độ dốc của lòng suối, song
thờng không nhỏ hơn từ 3 đến 4 lần chiều rộng dòng chảy tơng ứng với mực
nớc lũ thiết kế.
- Bản đồ lu vực công trình. Đây là yếu tố quan trọng để tính lu lợng
theo ma rào và đánh giá khả năng tiềm ẩn của lũ, do vậy phải sử dụng bản đồ có tỉ
lệ đủ lớn để xác định chính xác diện tích và các đặc điểm của lu vực. Nếu bản đồ
và thông tin không đủ tin cậy thì phải tổ chức đo đạc, lập bình đồ. Trong bản đồ
phải thể hiện đợc diện tích không có tác dụng cung cấp nớc, hồ ao, đầm lầy, mức
độ sử dụng đất, mật độ và loại thực vật , đê, đập, hồ chứa vì nó có thể làm thay
đổi tính chất của dòng chảy. Phạm vi và tính chất của lu vực nên đợc kiểm tra và
đánh giá ngoài thực địa.
- Các số liệu khí tợng tại khu vực nghiên cứu, đặc biệt là các số liệu về
ma bao gồm: tổng lợng ma năm, lợng ma tháng, mùa ma, lợng ma 1, 3, 5,
7 ngày lớn nhất; lợng ma thời đoạn ngắn;
- Các đặc trng và đặc điểm của suối, kênh. Dòng chảy phải đợc mô tả
đầy đủ về tính chất, đặc điểm, các mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, địa hình đáy dòng

nhiên, đối với cầu nhỏ, cống diện tích lu vực thờng nhỏ sẽ có các đặc thù riêng.
Trong tiêu chuẩn 22TCN220-95 Tính toán các đặc trng dòng chảy lũ đã đa ra
các phơng pháp tính toán lu lợng thiết kế cho lu vực nhỏ hơn 100km
2
. Trong
mục này sẽ không đa ra chi tiết các công thức và phơng pháp tính toán mà chỉ
nêu ra các vấn đề cần phải xem xét khi tính toán lu lợng thiết kế nh sau:
- Khi áp dụng tiêu chuẩn 22TCN220-95 cần cập nhật các thông số về lợng
ma ngày tới thời điểm tính toán.
- Diện tích lu vực cầu nhỏ, đặc biệt là cống nhiều khi nhỏ hơn 1km
2
.
Trong những trờng hợp này nên tính toán theo phơng pháp cờng độ giới hạn
đợc trình bày trong chơng IX.
- Đối với cầu nhỏ và cống khu vực đồng bằng bắc qua các kênh tới và tiêu
chính cần quan tâm tới lu lợng các công trình tới tiêu đầu mối, hiện trạng và
quy hoạch.
- Đối với cầu nhỏ, cống khu vực đồng bằng bắc qua các kênh nhánh cần
xem xét tới các chỉ tiêu tới, tiêu của khu vực hiện tại cũng nh trong tơng lai. Có
thể tham khảo các hệ số dới đây.
Bảng 8 1
Chỉ tiêu (hệ số) tới và tiêu các khu vực đồng bằng
T
T

Khu vực Hệ số tiêu
(l/s/ha)

Hệ số tới
(l/s/ha)

biệt
Theo nhu
cầu, lớn hơn
10,0
Theo nhu
cầu, lớn hơn
3,0
8.1.3. Tính khẩu độ cầu nhỏ
Thông thờng tính toán thuỷ lực cầu nhỏ gồm hai phần:
(1) Tính phần cửa vào;
(2) Tính phần cửa ra.
a. Tính phần cửa vào và xác định các thông số
Chiều cao nớc dâng trớc cầu H
d
, từ đó sẽ xác định đợc cao độ vai đờng.
Chiều sâu dòng chảy tại cửa vào cầu h
v
, từ đó quyết định cao độ tối thiểu của đáy
kết cấu dầm.
- Chiều sâu và tốc độ tại mặt cắt tính toán dới cầu;
- Khẩu độ thoát nớc dới cầu;
- Chiều sâu dòng chảy ở cửa ra của cầu h
r
, từ đó tính đợc tốc độ chảy ra
khỏi cầu V
r
và đoạn sau cầu.
b. Tính thủy lực phần cửa ra của cầu
Tính toán này để xác định điều kiện chảy sau công trình cầu, tính xói cục bộ
và gia cố bảo vệ cầu phía hạ lu, bảo vệ nền đờng tức là lựa chọn kích thớc gia



(8 - 1)
trong đó:
H
d
: chiều cao đờng;
: hệ số giảm đờng cong mặt nớc tại cửa vào cầu ( = 0,75 - 0,85).
= h
nhc
+
min
h
nhc
: chiều cao kết cấu nhịp cầu;

min
: chiều cao dự trữ kỹ thuật (an toàn) trên mực nớc thiết kế lấy theo bảng
dới đây:
Điều kiện chảy Đờng ô tô
Đờng sắt khi lu lợng
Tính toán Lớn nhất
Cột nớc trớc cầu H 1 m
0,5 0,5 0,25
Cột nớc trớc cầu H > 1 m 0,5 0,75 0,25
Có cây trôi 1,0 1,50 1,0
Phơng pháp tính toán thủy lực khẩu độ cầu lấy cơ sở lý thuyết của dòng
chảy qua đập tràn đỉnh rộng, là sơ đồ thực tế cho phép tính chiều rộng thoát nớc
dới cầu (gọi tắt là b hay L
c

285
Bảng 8 3
Thông số tính toán để thiết kế thủy lực cầu nhỏ
m
gmM 2

3
2
2m

k
1
N a


2
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36

1,42
1,46
1,50
1,55
1,60
0,59
0,60
0,61

chảy tự do (không ngập); nếu h
h
> NH thì dòng chảy dới cầu theo sơ đồ đập tràn
đỉnh rộng chảy ngập.
Tính toán thủy lực dới cầu tơng ứng với các chế độ chảy nh sau:
Chảy tự do (i
oc
< i
1
)
Dòng nớc dới cầu dọc theo sông, suối chia làm ba giai đoạn: cuối đoạn
cửa vào (đoạn 1) dòng chảy có độ sâu h
1
< h
k
< H và h
1
< h
oc
; sau đoạn cửa vào
(đoạn 2) độ sâu dòng chảy tăng lớn hơn h
k
; đoạn cửa ra độ sâu dòng chảy giảm h
r
<
h
k
, i
1
là độ dốc tơng ứng với độ sâu h

:
Chiều sâu tính toán: h
t
= h
oc

(8 - 4)
h
oc
là độ sâu chảy dới cầu tơng ứng với độ dốc lòng sông, suối dới cầu i
oc
.
Cả hai trờng hợp trên áp dụng khi L/H <20; trong đó L là chiều dài dòng
sông, suối dới cầu. Trờng hợp (i
oc
> i
1
) có thể áp dụng cho thiết kế thủy lực cống
bản chảy tự do.
Chế độ chảy ngập
Dòng chảy dới cầu, dọc theo sông, suối chia làm hai đoạn: đoạn cửa vào
(đoạn 1) có chiều sâu ở cuối đoạn h
ck
< h
1ng
< h
0
; đoạn sau cửa vào (đoạn 2) chiều
sâu dòng chảy tăng bằng chiều sâu hạ lu h
r