LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đượt rất nhiều sự giúp đỡ đóng góp ý kiến
của các thầy cô ở khoa Công trình và phòng sau đại học Trường Đại học Giao
thông Vận tải, các bạn đồng nghiệp cùng tập thể lớp cao học khóa 20 – Ngành Xây
dựng đường ô tô và đường thành phố đã cung cấp kiến thức, tài liệu và các thông
tin có liên quan đến đề tài này.
Đặc biệt tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS-TS
Trần Tuấn Hiệp – Bộ môn Đường Bộ, Trường Đại học Giao thông Vận tải, là
người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện
luận văn này.
Cuối cùng, tôi muốn gửi niềm biết ơn vô hạn đến bố mẹ và gia đình tôi, những
người luôn ở bên cạnh an ủi và là nguồn động viên to lớn cho tôi vượt qua mọi khó
khăn để hoàn thành khóa học này.
Trong khuôn khổ một luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứng
được một cách đầy đủ những vấn đề đã nêu ra, mặt khác do trình độ bản thân còn
nhiều hạn chế. Tôi xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến
đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.
Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Phạm Đức Thành
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ 3
TÀI LIỆU THAM KHẢO 134
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
PHẦN MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài.
Thái Nguyên là một tỉnh đến 85% là địa hình đồi núi, điều kiện địa hình, địa
chất, thủy văn cực kỳ phức tạp, đồi núi hiểm trở.
Trong sự nghiệp CNH – HĐH Thái Nguyên đang nỗ lực phát triển trước hệ
thống đường giao thông.
V. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp lý thuyết về thiết kế đường, thiết kế các công trình thoát nước nhỏ, thủy
lực, thủy văn công trình, với việc phân tích đánh hiện trạng và sự cố công trình thoát
nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên. Từ đó đưa ra được giải pháp nhằm
nâng cao chất lượng thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh
Thái Nguyên.
VI. Kết cấu của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận. Luận văn kết cấu gồm 3 chương.
Chương 1. Công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô.
Chương 2. Phân tích đánh giá hiện trạng và sự cố công trình thoát nước nhỏ
trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên.
Chương 3. Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thiết kế các công trình
thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên.
Phạm Đức Thành Page 2
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
CHƯƠNG 1. CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ
1.1. Phân loại các công trình thoát nước
Trên tuyến đường giao thông có nhiều các công trình thoát nước khác. Có thể
phân loại các công trình thoát nước như sau:
1.1.1. Rãnh, mương thoát nước mặt thường
Gồm có: Rãnh biên, rãnh đỉnh, rãnh thoát nước, bậc nước và dốc nước.
1.1.1.1. Rãnh biên
Được bố trí ở các đoạn đào hoặc đắp thấp song song với tim đường để thu nước
mưa rơi xuống mặt đường, vai đường, mái ta luy và thoát đi nhằm giảm bớt độ ẩm của
nền mặt đường.
1.1.1.2. Rãnh đỉnh
Còn gọi là rãnh ngăn nước được bố trí ở sườn núi phía trên ta luy nền đào để
ngăn và thoát nước mặt không cho chảy vào nền đường gây xói mòn và ẩm ướt ta luy
nền đào, và chân ta luy nền đắp, làm giảm lưu lượng nước chảy vào rãnh biên, từ đó
giảm độ ẩm ướt của nền mặt đường.
phương án làm cầu hay cống. Khi so sánh giữa phương án cầu và cống phải ưu tiên
phương án cống vì thi công cống đơn giản hơn, có thể công xưởng hoá và cơ giới hoá
toàn bộ, chịu được tải trọng rất lớn, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của tải trọng tính toán
trên đường, v.v
1.1.3.2. Cống
Cống là công trình thoát nước chính trên đường ô tô, nằm rải rác dọc tuyến và
chiếm trên 80% các công trình thoát nước trên đường. Thông thường những công trình
thoát nước qua đường khẩu độ dưới 2m đều gọi là cống, khẩu độ trên 5m gọi là cầu
Theo kinh nghiệm nếu lưu lượng trên 15m3/s thì làm cống vuông kinh tế hơn
cống tròn.
So với cầu thì cống có những ưu điểm sau:
- Bảo dưỡng và sửa chữa ít.
- Xe cộ đi lại trên cống êm như chạy trên đường.
Phạm Đức Thành Page 4
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
- Nếu chiều sâu đắp đất trên cống to hơn 2m thì khi tải trọng xe chạy trên đường
tăng lên so với tải trọng thiết kế, cũng không cần tăng cường gia cố kết cấu cống.
- Thông thường thì chi phí làm cống rẻ hơn chi phí làm cầu vì khối lượng vật
liệu sử dụng ít hơn, móng đặt nông hơn và cấu tạo đơn giản hơn.
1.1.3.3. Cống xi phông
Thường dùng khi nền đường đắp thấp, mực nước hai bên đường đều cao hơn cửa
cống và nhất là khi tuyến đường cắt qua các mương tưới thuỷ lợi. Cửa vào của cống xi
phông phải bố trí theo kiểu giếng thẳng đứng bao gồm cả bộ phận chống lắng đọng.
Cống xi phông cần phải bảo đảm không bị thẩm lậu nước ra ngoài.
1.1.3.4. Đường tràn
Đường tràn theo khái niệm thủy lực là một dạng đập tràn đỉnh rộng với chiều
cao thấp. Thông thường chiều cao đường tràn chỉ từ 1,0m tới 3,0m. Như vậy chiều rộng
đường tràn lớn hơn chiều cao đập tràn từ 3 đến 5 lần. Đường tràn thường được xây
dựng kết hợp cống thoát nước.
1.1.4. Công trình tích nước
Công trình thoát nước qua đường: cầu, cống, đường thấm, đường tràn.
Các công trình hướng nước và cải suối.
1.2.2. Hệ thống thoát nước ngầm.
Tác dụng của hệ thống này là chặn tập hợp, tháo và hạ mực nước ngầm, đảm bảo
nền đường không bị ẩm ướt do đó cải thiện chế độ thủy nhiệt của nền và mặt đường.
Nước là kẻ thù số một của đường. Nước gây xói lở cầu cống, nền đường sạt lở ta
luy. Nước ngấm vào nền và mặt đường làm cho cường độ chịu lực của nền đất và vật
liệu mặt đường giảm đáng kể và do đó kết cấu mặt đường dễ bị phá hỏng khi xe nặng
Phạm Đức Thành Page 6
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
chạy qua. Vì vậy, việc thiết kế thoát nước trên đường hợp lý có ý nghĩa rất lớn về mặt
kinh tế và nâng cao chất lượng khai thác của đường ôtô.
1.3. Quy hoạch hệ thống thoát nước trên đường ôtô
1.3.1. Nguyên tắc chung
Trước hết phải tiến hành quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước hoàn chỉnh
bao gồm các loại công trình thoát nước như mương rãnh, cầu, cống Chúng phải
được phối hợp chặt chẽ với nhau. Vị trí, kích thước, kết cấu của các công trình phải
hợp lý đảm bảo hiệu quả sử dụng cao và giá thành hạ.
Muốn vậy khi quy hoạch hệ thống thoát nước nền đường phải liên hệ bình đồ,
trắc dọc, trắc ngang của tuyến đường với điều kiện địa hình, địa chất, khí hậu, thủy
văn dọc tuyến để có những nghiên cứu tổng hợp giải quyết vấn đề thoát nước nền
đường.
Trước hết phải điều tra phân tích các nguồn nước, dựa vào bản đồ có đường
đồng mức khoanh diện tích lưu vực tụ nước chảy về đường, đánh giá lưu lượng nước
từ các lưu vực chảy, khả năng đe doạ của dòng chảy đối với nền đường. Sau đó căn
cứ vào các kết quả điều tra khảo sát và tính toán, bố trí các công trình thoát nước, các
công trình bảo vệ nền đường chống lại sự phá hoại của dòng chảy đối với nền đường
và đảm bảo nền đường được khô ráo.
Việc bố trí các mương rãnh thoát nước nền đường phải kết hợp với việc bố trí
cầu cống thoát nước qua đường, xác định hướng thoát nước của mương rãnh về cầu
yêu cầu tưới tiêu được bình thường. Rãnh biên của nền đường không nên dùng làm
Phạm Đức Thành Page 8
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
mương rãnh thuỷ lợi. Khi sử dụng chúng thì phải mở rộng mặt cắt ngang, gia cố
mương rãnh tránh ảnh hưởng đến nền đường và ảnh hưởng đến việc tưới tiêu.
Ngoài ra việc thiết kế hệ thống thoát nước nền đường phải bảo đảm sự liên hệ
giữa các loại công trình thoát nước và xử lý tốt các cửa vào, cửa ra thành một hệ
thống hoàn chỉnh bảo đảm tốt việc thoát nước.
Việc bố trí hệ thống thoát nước nền đường thường được tiến hành theo các
bước sau đây:
Vẽ các đường đỉnh ta luy nền đào, chân ta luy nền đắp, vị trí các đống đất thừa,
các hố đấu… lên trên bình đồ tuyến đường.
Bố trí rãnh đỉnh trên sườn núi của ta luy dương để ngăn nước mặt. Để bảo đảm
hiệu quả ngăn nước tốt và giảm giá thành xây dựng, rãnh đỉnh nên bố trí dọc theo
đường đồng mức.
Hai bên nền đường khi cần phải bố trí rãnh biên hoặc lợi dụng thùng đấu để thoát
nước mặt đường bảo đảm cho nền đường thường xuyên khô ráo.
Làm mương rãnh dẫn nước từ rãnh đỉnh, rãnh biên đến sông ngòi hoặc cầu cống.
Rãnh dẫn nước phải ngắn nhất, xa đường nhất và nối tiếp thuận lợi với các công trình
thoát nước khác.
Xác định vị trí cầu cống để cùng với các mương rãnh trên đây hình thành một
mạng lưới thoát nước. Đối với các khe suối chảy qua đường trên vùng núi thường
phải làm cầu, không nên đơn giản đổi thành cống.
1.4. Lựa chọn phương pháp tính toán thủy văn cho các công trình thoát nước
nhỏ
Để bảo đảm nền đường ổn định vững chắc phải kịp thời thoát nước mặt và nước
ngầm có thể gây nguy hại cho nền đường ra khỏi phạm vi của nền đường. Thoát nước
nền đường đặc biệt là nước mặt là biện pháp kỹ thuật phòng ngừa hư hỏng của nền
đường hữu hiệu và kinh tế.
Phạm Đức Thành Page 9
CÇu cèng
Hình 1.2. Sơ đồ nước chảy về công trình
1) Mức nước cao nhất
1
H
.
2) Mức nước thấp nhất
2
H
; từ 1 đến 2 chênh lệch nhau
H
∆
.
L
HH
S
21
−
=
Trong đó:
S
: Độ dốc từ mức nước cao nhất đến thấp nhất.
L
: Chiều dài từ mức nước cao nhất đến thấp nhất.
1.4.2. Các phương pháp xác định lưu lượng
1.4.2.1. Xác định lưu lượng theo phương pháp đơn giản của Liên Xô (cũ)
Áp dụng công thức của Viện Nghiên cứu đường bộ Liên Xô (cũ) (công thức
Bônđakốp)
δγβψ
).(
cầu cống, theo tần suất lũ quy định, theo loại đất, theo khả năng hút nước và theo thời
gian tập trung nước quy định, có thể tra bảng.
+ Thời gian tập trung nước (t) xác định theo diện tích của khu tụ nước
F
:
Lưu ý: Các hệ số trong công thức (2-1) được tra từ bảng 2.1 đến 2.7 trong
quyển “Thiết kế cống và cầu nhỏ trên đường ô tô”, tác giả Nguyễn Quang Chiêu và
Trần Tuấn Hiệp.
1.4.2.2. Theo tiêu chuẩn 22 TCN 18 - 79 “Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái
giới hạn”
a). Xác định lưu lượng lớn nhất
Quy trình thiết kế cầu nhỏ, cống của Bộ Giao thông vận tải quy định tính khẩu
độ cầu nhỏ, cống theo lưu lượng lớn nhất
P
Q
.
Lưu lượng lớn nhất tính thoán theo công thức
FHAQ
PPP
1
δα
=
, (2-2)
Trong đó:
α
: Hệ số dòng chảy lũ (tra bảng) phụ thuộc vào đặc trưng lớp đất mặt của lưu
vực.
P
H
A
.
α
=
Phạm Đức Thành Page 12
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
Mô đun tương đối của dòng chảy lớn nhất
P
A
(tra bảng) phụ thuộc vào:
) Đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông
L
Φ
.
) Thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc
s
τ
.
) Phân khu mưa rào (vùng mưa).
b. Tính tổng lượng lũ thiết kế và đường quá trình lũ thiết kế
Khi tính khẩu độ có xét tích nước cần sử dụng những tài liệu sau:
α: Lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ thiết kế.
β: Bản đồ địa hình phía trước cống.
γ: Đồ thị khả năng thoát nước của công trình.
Tổng lượng lũ thiết kế của các lưu vực có diện tích từ 10 đến 100 km
2
được tính
theo công thức:
FHW
PP
: Tung độ của đường cong mưa ứng với thời gian, đối với các lưu vực có
2
1kmF
<
lấy
100
=
τ
phút, với các lưu vực có
2
1001 kmF
÷=
lấy
200
=
τ
phút.
Phạm Đức Thành Page 13
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
Lưu ý: Các hệ số còn lại trong công thức (2-2) được tra từ bảng 2.8 đến 2.13 trong
quyển “Thiết kế cống và cầu nhỏ trên đường ô tô”, tác giả Nguyễn Quang Chiêu và
Trần Tuấn Hiệp.
1.4.2.3. Phương pháp hình thái.
Tính lưu lượng thiết kế theo phương pháp hình thái là dựa vào việc điều tra hình
thái và mực nước lũ của sông suối ở vị trí cầu cống hoặc gần công trình cầu cống, rồi
tìm diện tích thoát nước (ứng với một mức nước lũ nào đó ở một mặt cắt ngang nào
đó), lưu tốc bình quân và tần suất lũ tính toán để tính ra lưu lượng thiết kế ở vị trí
công trình.
Mặt cắt ngang khảo sát phải thẳng góc với hướng của dòng chảy.
a. Tính lưu lượng theo mặt cắt khảo sát.
RmR
n
C
1
==
, (2-5)
Trong đó:
n
: Hệ số nhám.
m
: Nghịch đảo của
n
.
χ
ω
=R
R
: Bán kính thủy lực, bằng tỷ số của diện tích thoát nước trên chu vi ướt. Khi
dòng sông rộng và nông có thể lấy gần đúng bằng chiều sâu bình quân ứng với mực
nước đó (m).
i
: Độ dốc mực nước lũ trên đoạn sông đó (khi không đo được, thì có thể dùng độ
dốc đáy sông)
y
: Số mũ thủy lực
Khi
6
1
=y
thì
ch
m
: Độ nhám của suối chính (tra bảng).
ch
i
: Độ dốc bình quân của suối chính.
bq
H
Độ sâu bình quân của mực nước (m).
c. Dựa vào đường kính của sản vật trầm tích hoặc đặc trưng của loại đất để tính lưu
tốc.
Lưu tốc bình quân trên toàn mặt cắt dòng chảy thường tính theo công thức:
( )
DV 120
−=
γ
Trong đó:
γ
: Dung trọng của hòn đá.
D
: Đường kính trung bình của hòn đá lớn nhất (m).
Khi
5.2=
γ
công thức trở thành
DV 5.5
=
d. Tính suy ra lưu lượng thiết kế
Khi điều tra được mực nước lũ ở mặt cắt ngang khảo sát, sau khi xác định được
lưu lượng ứng với tần suất của mực nước lũ đó, nếu tần suất đó không phải là tần suất
.
P
Φ
: Hệ số của quan hệ với tần suất
p
1
và hệ số lệch
S
C
.
Giá trị của
S
C
phản ánh độ lệch của sự phân bố lưu lượng.
Công thức:
PVP
Ck
Φ+=
.1
Thì công thức
( )
PVbqP
CQQ
Φ+=
.1
trở thành:
PbqP
kQQ .
=
Trong đó:
Q ×=
4/1
4/1
'Trong đó:
'
P
Q
: Lưu lượng thiết kế ở vị trí xây dựng cầu cống (
sm /
3
).
P
Q
: Lưu lượng ứng với chu kỳ thiết kế ở mặt cắt ngang khảo sát (
sm /
3
).
c
F
và
h
F
diện tích khu vực nước ở vị trí cầu cống và diện tích khu vực
nước ở chỗ mặt cắt ngang khảo sát (
2
km
).
2
30kmF
≤
thì
8.0
=
n
.
Lưu ý: Các hệ số còn lại trong công thức (2-3,2-4) được tra từ bảng 2.14 đến
2.19 trong quyển “Thiết kế cống và cầu nhỏ trên đường ô tô”, tác giả Nguyễn Quang
Chiêu và Trần Tuấn Hiệp.
1.4.2.4. Tính lưu lượng bằng phương pháp so sánh trực tiếp
Khi vị trí sẽ xây dựng cầu cống gần với cầu cống cũ, có thể thông qua việc điều
tra tình hình thoát nước của cầu cống cũ, đối chiếu với phương pháp tính toán khẩu độ
cầu cống để tính ngược ra lưu lượng, rồi tính đổi thành lưu lượng thiết kế ở vị trí sẽ
làm cầu cống mới.
a. Tính đổi từ lưu lượng đỉnh lũ chảy qua cầu nhỏ hiện có.
Tính lưu lượng đỉnh lũ dựa vào cầu nhỏ chảy tự do (khi
3.1
δ
hh
k
>
)
Từ các công thức tính khẩu độ cầu nhỏ ta có thể tìm được công thức lưu lượng
đỉnh lũ của cầu có mặt cắt ngang hình chữ nhật là:
2/3
HBMQ =
(2-5)
Trong đó:
δ
g
V
Hh
k
−=
(2-7)
ϕ
: Hệ số lưu tốc.
b. Lưu lượng đỉnh lũ chảy qua cầu cống.
Xác định trạng thái dòng chảy qua cống
- Cống chảy không áp.
2.1
≤
H
Cång
h
với cống có cửa cống thường
4.1
≤
H
Cång
h
với cống có cửa cống nâng cao
- Cống chảy bán áp.
2.1
>
H
theo công thức:
RC
Lg
hHgV
.
2
1
1
).(.2
2
++
−=
ξ
δ
cèng
(2-8)
Lưu lượng của cống là:
cèng
VQ .
ω
=
Trong đó:
cèng
V
: Lưu tốc trong cống (m/s).
H
: Chiều sâu nước trước cống (m) điều tra được.
δ
h
: Chiều sâu nước sau cống (m) điều tra được, nếu không thì tính theo công
ny 5.1
=
khi
mR 1
≤
ny 3.1
=
khi
mR 1
>
R
: Bán kính thủy lực (m),
χ
ω
=R
.
c. Suy tìm lưu lượng thiết kế.
Từ lưu lượng chảy qua cầu cống, tính đổi về lưu lượng tự nhiên
Phạm Đức Thành Page 20
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
Lưu lượng tính được theo phương pháp trên đây là lưu lượng chảy qua cầu cống
hiện có. Do ảnh hưởng của cầu cống làm thu hẹp dòng sông nên thường xẩy ra hiện
tượng tích nước làm cho lưu lượng chảy qua cầu cống nhỏ hơn lưu lượng đỉnh lũ tự
nhiên. Do đó phải tính đổi lưu lượng chảy qua cầu cống thành lưu lượng tự nhiên.
Tuy nhiên với cầu cống nhỏ vùng đồi núi, do quan hệ của địa hình, tác dụng tích nước
tương đối nhỏ, có thể bỏ qua và có thể xem lưu lượng chảy qua cầu cống là lưu lượng
của đỉnh lũ tự nhiên. Công thức đổi như sau:
cM
Q
S
thiết kế lớn nhất theo tần suất xuất hiện của lũ.
Phạm Đức Thành Page 21
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
Công thức tính toán có dạng sau đây:
αϕδ
67.16 FaQ
PP
=
Trong đó:
F
: Diện tích lưu vực (
2
km
).
α
: Hệ số dòng chảy lũ (tra bảng) phụ thuộc vào loại đất diện tích lưu
vực, chiều dày lượng mưa.
δ
: Hệ số triết giảm do hồ ao và đầm lầy (tra bảng).
ϕ
: Hệ số (tra bảng).
p
a
: Cường độ mưa tính toán tính bằng mm/ph, xác định ứng với thời
gian hình thành dòng chảy
c
t
theo công thức sau:
4.04.0
4.0
C
: Hệ số phụ thuộc vào địa hình (dốc, núi, đồng bằng) chiều dài và diện tích
lưu vực. Trị số
C
thay đổi từ
325.0
÷
.
Phạm Đức Thành Page 22
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
1.4.2.7. Ở Tiệp khắc (cũ).
Lưu lượng cực đại theo tần suất lũ được xác định theo công thức của Viện sĩ O.N
Dup.
( )
n
F
FK
Q
1
.
%1
+
=
Trong đó:
n
và
K
phụ thuộc vào vùng khí hậu
345.0364.0
÷=
: Diện tích lưu vực.
Lưu lượng được xác định nhờ vào các đồ thị lập sẵn cho các tần suất khác nhau.
Phạm Đức Thành Page 23
Copyright: Tài liệu đại học ©