Đồ án Thiết kế đường miền núi

CHƯƠNG 5 CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NGANG ((( 5.1 TÍNH TOÁN THỦY VĂN Công trình thoát nước ngang bao gồm các cầu và cống trên tuyến đường thiết kế. Kết quả tính toán thủy văn và thủy lực dùng để xác định kích thước và quy mô của các công trình này. Từ đó, ta bố trí chúng hợp lí để thoát nước tốt cho mặt đường và nền đường. Việc xác định các đặc trưng thủy văn và xác định qui mô công trình cầu cống là hết sức cần thiết vì hầu như nền đường và kết cấu áo đường bị phá hoại là do hệ thống thoát nước không đảm bảo. Xử lí tốt vấn đề này sẽ hạn chế chi phí duy tu bảo dưỡng trong suốt quá trình sử dụng tuyến đường. Việc xác định đúng các đặc trưng thủy văn của khu vực và qui mô cầu hay cống trên tuyến đường giúp xác định chi phí đầu tư xây dựng tuyến đường. Tuyến đường thiết kế trong lưu vực sông Lũy, tỉnh Bình Thuận thuộc vùng mưa XVII. Diện tích lưu vực thực tế tính theo công thức sau:
Trong đó: F = 16.31 km2 diện tích lưu vực thực tế Fbd = 1631.1269 cm2 – diện tích lưu vực đo trên bản đồ địa hình M = 10000 – hệ số tỉ lệ của bản đồ địa hình Ta nhận thấy diện tích lưu vực F < 100km2 là lưu vực nhỏ, vì vậy việc xác định lưu lượng lũ tính toán theo tài liệu mưa rào và thực hiện xác định lưu lượng thiết kế theo “ Qui trình tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ 22TCN220 – 95” do Bộ Giao thông vận tải ban hành và có hiệu lực từ 11/3/1995. Nội dung tính toán thực hiện như bên dưới. 5.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 5.2.1 Xác định các thông số ban đầu 5.2.1.1 Lưu lượng đỉnh lũ tính toán (theo 22TCN 220 – 95) Đối với lưu vực nhỏ có diện tích F < 100 km2 lưu lượng đỉnh lũ ứng với tần suất p% được tính theo công thức: Qp = Ap.(.Hp%.F.(1 (m3/s) Trong đó: Hp = 180mm lượng mưa ngày ứng với tần suất p = 4% p% = 4% đối với cống đường ô tô cấp III, IV, V và VI p = 1% đối với đường cao tốc p = 2% đối với đường cấp I, II φ = 0.85 hệ số dòng chảy lũ ứng với loại đất cấp II. ([1]bảng 2.1) Ap: Module đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế phụ thuộc vào địa mạo thủy văn ΦL , thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc τs (phút) và vùng mưa. δ1= 1 hệ số xét đến làm nhỏ lưu lượng đỉnh lũ do ao hồ, rừng cây trong lưu vực. Vùng đặt tuyến không có hồ ao hay đầm lầy. ([1]bảng 2.7) 5.2.1.2 Xác định thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs (phút): Thời gian tập trung nước trên sườn dốc phụ thuộc vào hệ số địa mạo Φs và vùng mưa. Vùng Sông Lũy tỉnh Bình Thuận thuộc vùng mưa XVII. Hệ số địa mạo thủy văn của sườn dốc, Φs được tính như sau:
Trong đó: bs: chiều dài bình quân của lưu vực (m)
F(km2) : diện tích lưu vực L(km) : chiều dài sông chính (l(km) :tổng chiều dài các dòng sông nhánh; chỉ tính cho những dòng sông nhánh có chiều dài lớn hơn 0.75 chiều rộng bình quân lưu vực B như sau:
Với n = 1 ÷ 2 số sườn của lưu vực. Đối với lưu vực 1 sườn ta thay hệ số 1.8 bằng 0.9 trong công thức tính bs ms = 0.15 thông số tập trung dòng chảy trên sườn dốc, phụ thuộc vào tính chất bề mặt của sườn dốc lưu vực không có gốc cây, không bị cày xới, nhà cửa thưa thớt, mặt đá xếp và cỏ trung bình, nhiều gốc bụi. ([1]bảng 2.5) Js(‰) là độ dốc trung bình của sườn dốc, tính theo trị số trung bình của 4 – 6 điểm xác định độ dốc theo hướng dốc lớn nhất.
Hình 5.1 Độ dốc dòng sông chính Độ dốc trung bình của lòng sông chính tính theo công thức:
Trong đó: h1, h2, …, hn: cao độ những điểm gãy khúc trên trắc dọc so với giao điểm của 2 đường l1, l2, …, ln: cự li giữa các điểm gãy. Độ dốc trung bình của sườn dốc của 4 – 6 cặp điểm tính theo công thức:
Trong đó: các đại lượng hi, li có ý nghĩa tương tự như trong công thức tính JL nhưng ở đây là đối với sườn dốc tại vị trí có độ dốc sườn lớn nhất. Chiều dài dòng sông chính và độ dốc sườn dốc đối với mỗi phương án như sau: PHƯƠNG ÁN 1: CHIỀU DÀI 7991.73m Các đại lượng li, hi (m) khi tính JL (‰) Lý trình  l1(m)  l2(m)  l3(m)  l4(m)  l5(m)  l6(m)  l7(m)  l8(m)  l9(m)   Km 0+920.87  188.11  1346.48  1041.18  891.94  792.05  853.28  1186.76  594.54  632.4   Km 2+286.11  180.37  170.15  156.05  139.29  126.32               Km 3+750.73  168.86  171.32  158.19  198.94                  Km 5+545.38  226.29  237.17  226.65                     Km 6+582.74  247.26  137.36  108.42                     Km 7+555.53  172.98  202.13                        Lý trình  h1(m)  h2(m)  h3(m)  h4(m)  h5(m)  h6(m)  h7(m)  h8(m)  h9(m)   Km 0+920.87  13.95  18.95  23.95  28.95  33.95  38.95  43.95  48.95  53.95   Km 2+286.11  20.12  25.12  30.12  35.12  40.12               Km 3+750.73  39.15  49.15  59.15  69.15                  Km 5+545.38  39.05  44.05  49.05                     Km 6+582.74  45.53  55.53  68.03                     Km 7+555.53  50.34  60.34                        Các đại lượng li, hi (m) khi tính JS (‰) Lý trình  l1(m)  l2(m)  l3(m)  l4(m)  l5(m)  l6(m)   Km 0+920.87  76.63  75.18  78.21  81.02  79.56  76.28   Km 2+286.11  74.1  75.23  74.54  84.86  77.62  83.74   Km 3+750.73  81.35  82.52  81.62  82.89  83.17      Km 5+545.38  95.92  97.85  120.4  142.33  131.84      Km 6+582.74  33.07  30.59  30.57  33.41         Km 7+555.53  29.27  30.1  30.95  34.22  39.83  55.1   Lý trình  h1(m)  h2(m)  h3(m)  h4(m)  h5(m)  h6(m)   Km 0+920.87  5  10  15  20  25  30   Km 2+286.11  5  10  15  20  25  30   Km 3+750.73  5  10  15  20  25      Km 5+545.38  5  10  15  20  25      Km 6+582.74  5  10  15  20         Km 7+555.53  5  10  15  20  25  30   PHƯƠNG ÁN 2: CHIỀU DÀI 7877.84m Các đại lượng li, hi (m) khi tính JL (‰) Lý trình  l1(m)  l2(m)  l3(m)  l4(m)  l5(m)  l6(m)  l7(m)   Km 1+400.00  106.83  87.95  106.76  73.27  72.34  62.48  57.23   Km 3+077.95  177.78  225.98  92.2  61.34            Km 3+900.00  113.81  85.86  62.08  53.65  55.93  66.43      Km 4+446.78  29.48  135.04  98.7  89.8  64.39         Km 5+653.01  120  77.43  67.35  71.35  127.42         Km 6+470.27  85.8  99.91  104.34  62.98  52.09         Km 7+660.59  180.94  631.03                  Lý trình  h1(m)  h2(m)  h3(m)  h4(m)  h5(m)  h6(m)  h7(m)   Km 1+400.00  22.32  27.32  32.32  37.32  42.32  47.32  52.32   Km 3+077.95  29.42  34.42  39.42  44.42            Km 3+900.00  35.75  40.75  45.75  50.75  55.75  60.75      Km 4+446.78  36.45  41.45  46.45  51.45  56.45         Km 5+653.01  48.2  53.2  58.2  63.2  68.2         Km 6+470.27  45.66  50.66  55.66  60.66  65.66         Km 7+660.59  48.21  53.21                  Các đại lượng li, hi (m) khi tính JS (‰) Lý trình  l1(m)  l2(m)  l3(m)  l4(m)  l5(m)  l6(m)   Km 1+400.00  56.19  57.21  58.09  58.89  59.54  57.25   Km 3+077.95  63.09  50.49  46.51  45.62  45.03  44.92   Km 3+900.00  27.32  26.41  27.98  89.64  31.13  34.92   Km 4+446.78  37.9  36.22  35.35  36.34  30.54  40.21   Km 5+653.01  37.6  34.72  33.52  32.94  37.51  40.92   Km 6+470.27  116.85  84.1  60.14  46.89  41.32  38.65   Km 7+660.59  110.56  90.09  86.63  114.85         Lý trình  h1(m)  h2(m)  h3(m)  h4(m)  h5(m)  h6(m)   Km 1+400.00  5  10  15  20  25  30   Km 3+077.95  5  10  15  20  25  30   Km 3+900.00  5  10  15  20  25  30   Km 4+446.78  5  10  15  20  25  30   Km 5+653.01  5  10  15  20  25  30   Km 6+470.27  5  10  15  20  25  30   Km 7+660.59  5  10  15  20         Các đặc trưng thủy văn PHƯƠNG ÁN 1: CHIỀU DÀI 7991.73m Lý trình  F(km2)  L(km)  ∑li (Km)  bs(m)  JL(‰)  JS(‰)   Km 0+920.87  16.31  7.53  3.76  802.51  8.29  64.58   Km 2+286.11  1.61  0.77  0.00  1154.74  64.63  65.30   Km 3+750.73  0.88  0.70  0.00  699.51  132.43  60.98   Km 5+545.38  1.91  0.69  0.00  1537.60  104.24  45.85   Km 6+582.74  0.36  0.49  0.00  404.52  158.53  157.00   Km 7+555.53  0.44  0.38  0.00  651.66  220.88  153.47   PHƯƠNG ÁN 2: CHIỀU DÀI 7877.84m Lý trình  F(km2)  L(km)  ∑li (Km)  bs(m)  JL(‰)  JS(‰)   Km 1+400.00  1.22  0.57  0.00  1195.67  109.81  86.96   Km 3+077.95  1.22  0.56  0.00  1211.20  101.77  95.28   Km 3+900.00  0.60  0.44  0.00  761.45  182.01  136.47   Km 4+446.78  0.75  0.42  0.00  998.22  206.67  138.05   Km 5+653.01  0.27  0.46  0.00  323.59  216.60  140.70   Km 6+470.27  1.26  0.41  0.00  1727.88  234.83  59.64   Km 7+660.59  1.30  0.81  0.00  889.47  110.30  50.03   Thời gian tập trung nước trên sườn dốc τs PHƯƠNG ÁN 1: CHIỀU DÀI 7991.73m Lý trình  bs(m)  ms  JS(‰)  φ  Hp (mm)  ΦS  Vùng mưa  τs (phút)   Km 0+920.87  802.51  0.15  64.58  0.73  180  15.0  XVII  120.00   Km 2+286.11  1154.74  0.15  65.30  0.73  180  18.6  XVII  169.00   Km 3+750.73  699.51  0.15  60.98  0.73  180  14.1  XVII  113.10   Km 5+545.38  1537.60  0.15  45.85  0.73  180  24.6  XVII  236.00   Km 6+582.74  404.52  0.15  157.00  0.73  180  7.6  XVII  66.00   Km 7+555.53  651.66  0.15  153.47  0.73  180  10.2  XVII  90.70   PHƯƠNG ÁN 2: CHIỀU DÀI 7877.84m Lý trình  bs(m)  ms  JS(‰)  φ  Hp (mm)  ΦS  Vùng mưa  τs (phút)   Km 1+400.00  1195.67  0.15  86.96  0.73  180  17.4  XVII  239.20   Km 3+077.95  1211.20  0.15  95.28  0.73  180  17.1  XVII  234.40   Km 3+900.00  761.45  0.15  136.47  0.73  180  11.6  XVII  141.30   Km 4+446.78  998.22  0.15  138.05  0.73  180  13.6  XVII  186.50   Km 5+653.01  323.59  0.15  140.70  0.73  180  6.9  XVII  88.00   Km 6+470.27  1727.88  0.15  59.64  0.73  180  24.3  XVII  376.40   Km 7+660.59  889.47  0.15  50.03  0.73  180  17.2  XVII  236.30   5.2.1.3 Hệ số địa mạo thủy văn của lòng sông ΦL:
Trong đó: ml = 7 thông số tập trung nước trong sông ở vùng núi, lòng sông có nhiều đá, quanh co, mặt nước không bằng phẳng. ([1]bảng 2.6) JL: độ dốc của dòng sông chính (‰) L: chiều dài dòng sông chính (km) Hệ số địa mạo thủy văn của lòng sông ΦL PHƯƠNG ÁN 1: CHIỀU DÀI 7991.73m Lý trình  L(km)  ml  JL(‰)  F(km2)  φ  Hp (mm)  ΦL   Km 0+920.87  7.53  7  8.29  16.31  0.73  180  78.1   Km 2+286.11  0.77  7  64.63  1.61  0.73  180  7.2   Km 3+750.73  0.70  7  132.43  0.88  0.73  180  6.0   Km 5+545.38  0.69  7  104.24  1.91  0.73  180  5.3   Km 6+582.74  0.49  7  158.53  0.36  0.73  180  5.0   Km 7+555.53  0.38  7  220.88  0.44  0.73  180  3.2   PHƯƠNG ÁN 2: CHIỀU DÀI 7877.84m Lý trình  L(km)  ml  JL(‰)  F(km2)  φ  Hp (mm)  ΦL   Km 1+400.00  0.57  7  109.81  1.22  0.73  180  4.8   Km 3+077.95  0.56  7  101.77  1.22  0.73  180  4.8   Km 3+900.00  0.44  7  182.01  0.60  0.73  180  3.7   Km 4+446.78  0.42  7  206.67  0.75  0.73  180  3.2   Km 5+653.01  0.46  7  216.60  0.27  0.73  180  4.5   Km 6+470.27  0.41  7  234.83  1.26  0.73  180  2.6   Km 7+660.59  0.81  8  110.30  1.30  0.73  180  5.9   5.2.1.4 Xác định trị số module đỉnh lũ Ap: Ap% phụ thuộc vào vùng mưa, thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc τs và hệ số địa mạo thủy văn lòng sông ΦL. Giá trị AP% tra trong bàng 2.3 như sau: PHƯƠNG ÁN 1: CHIỀU DÀI 7991.73m Lý trình  Vùng mưa  τs (phút)  ΦL  Ap%   Km 0+920.87  XVII  120.00  78.1  0.0319   Km 2+286.11  XVII  169.00  7.2  0.0804   Km 3+750.73  XVII  113.10  6.0  0.1108   Km 5+545.38  XVII  236.00  5.3  0.0477   Km 6+582.74  XVII  66.00  5.0  0.1326   Km 7+555.53  XVII  90.70  3.2  0.1271   PHƯƠNG ÁN 2: CHIỀU DÀI 7877.84m Lý trình  Vùng mưa  τs (phút)  ΦL  Ap%   Km 1+400.00  XVII  239.20  4.8  0.0462   Km 3+077.95  XVII  234.40  4.8  0.0488   Km 3+900.00  XVII  141.30  3.7  0.1003   Km 4+446.78  XVII  186.50  3.2  0.0773   Km 5+653.01  XVII  88.00  4.5  0.1282   Km 6+470.27  XVII  376.40  2.6  0.0265   Km 7+660.59  XVII  236.30  5.9  0.0480   Lưu lượng đỉnh lũ tính toán Qp PHƯƠNG ÁN 1: CHIỀU DÀI 7991.73m Lý trình  Ap%  φ  Hp (mm)  F(km2)  δ1  Qp (m3/s)   Km 0+920.87  0.0319  0.73  180  16.31  1.00  68.37   Km 2+286.11  0.0804  0.73  180  1.61  1.00  16.96   Km 3+750.73  0.1108  0.73  180  0.88  1.00  12.78   Km 5+545.38  0.0477  0.73  180  1.91  1.00  11.97   Km 6+582.74  0.1326  0.73  180  0.36  1.00  6.26   Km 7+555.53  0.1271  0.73  180  0.44  1.00  7.35   PHƯƠNG ÁN 2: CHIỀU DÀI 7877.84m Lý trình  Ap%  φ  Hp (mm)  F(km2)  δ1  Qp (m3/s)   Km 1+400.00  0.0462  0.73  180  1.22  1.00  7.41   Km 3+077.95  0.0488  0.73  180  1.22  1.00  7.79   Km 3+900.00  0.1003  0.73  180  0.60  1.00  7.91   Km 4+446.78  0.0773  0.73  180  0.75  1.00  7.62   Km 5+653.01  0.1282  0.73  180  0.27  1.00  4.55   Km 6+470.27  0.0265  0.73  180  1.26  1.00  4.39   Km 7+660.59  0.0480  0.73  180  1.30  1.00  8.20   5.3 XÁC ĐỊNH KHẨU ĐỘ CỐNG THOÁT NƯỚC NGANG 5.3.1 Chế độ làm việc của cống Dòng chảy trong cống tùy thuộc vào chiều sâu ngập nước trước cống. Đối với cống tròn theo tiêu chuẩn 22TCVN 159 – 86, có thể dùng số cửa cống là 1, 2, 3 cho khẩu độ d = 0.75 ÷ 2.0m chiều dài tối đa 15m đối với cống d = 0.75m và 30m đối với cống d = 1.0m Cống có thể làm việc theo các chế độ dòng chảy không áp, bán áp hay có áp. Nói chung, khẩu độ cống cần xác định theo chế độ không áp. Trường hợp cá biệt, trên đường ô tô và đường thành phố cho phép thiết kế theo chế độ bán áp và có áp nhưng cần đảm bảo sự ổn định của cống và nước không thấm qua nền đường. Để những vật trôi có thể chảy qua cống không áp, mực nước chảy trong cống ở cửa vào phải có một khoảng trống bằng ¼ đường kính cống và lớn hơn 0.25m. Trong thiết kế sơ bộ, ta sử dụng bảng tra để xác định khả năng thoát nước của cống tròn. Sử dụng loại cửa cống có: Miệng loại thường (loại I): miệng tường thẳng, miệng chữ bát, miệng theo dạng ta luy, Miệng loại đặc biệt ( loại II): miệng cống làm theo dạng dòng chảy. 5.3.3 Khẩu độ cống Chiều dài cống tính như sau:
Trong đó: B = 9m chiều rộng nền đường m = 1.5 hệ mái dốc của ta luy đắp H = Hthiết kế – Htự nhiên – 0.11m chiều cao đất đắp tại mép mặt đường Φ, δ(m) đường kính trong và chiều dày của thân cống Lựa chọn cấu tạo cống tròn thoát nước ngang có các đặc trưng như sau: PHƯƠNG ÁN 1: CHIỀU DÀI 7991.73m Lý trình  Qp (m3/s)  Số cống  Loại  Ф (m)  δ (m)  V (m/s)  H (m)  q (m3/s)   Km 0+920.87  68.37  Cầu                     Km 2+286.11  16.96  3  II  1.75  0.175  3.32  1.85  6.00   Km 3+750.73  12.78  3  II  1.50  0.15  3.22  1.60  4.50   Km 5+545.38  11.97  3  II  1.50  0.15  3.05  1.57  4.00   Km 6+582.74  6.26  2  I  1.75  0.175  2.58  1.38  3.30   Km 7+555.53  7.35  2  I  1.75  0.175  2.77  1.53  3.80   PHƯƠNG ÁN 2: CHIỀU DÀI 7877.84m Lý trình  Qp (m3/s)  Số cống  Loại  Ф (m)  δ (m)  V (m/s)  H (m)  q (m3/s)   Km 1+400.00  7.41  2  I  1.75  0.175  2.77  1.53  3.80   Km 3+077.95  7.79  2  I  1.75  0.175  2.80  1.56  4.00   Km 3+900.00  7.91  2  I  1.75  0.175  2.80  1.56  4.00   Km 4+446.78  7.62  2  I  1.75  0.175  2.80  1.56  4.00   Km 5+653.01  4.55  2  I  1.50  0.15  2.52  1.28  2.50   Km 6+470.27  4.39  2  I  1.50  0.15  2.41  1.20  2.20   Km 7+660.59  8.20  2  I  1.75  0.175  2.97  1.68  4.50   5.3.4 Chiều cao đất đắp trên cống Đối với cống, cao độ thiết kế nhỏ nhất là giá trị lớn hơn trong 2 trị số sau: Điều kiện 1: mép nền đường cao hơn mực nước ngập 0.5m, đối với đường có hai làn xe:
Điều kiện 2: đủ để xe vận chuyển vật liệu và thiết bị thi công không làm vỡ cống
Trong đó:
chiều sâu mực nước ngập trước cống ứng với tần suất lũ thiết kế p = 4% in (hoặc isc) độ dốc ngang (hoặc siêu cao) của mặt đường. Bmd chiều rộng của toàn bộ mặt đường 2 làn xe Blgc chiều rộng 1 bên lề gia cố ∑had chiều dày các lớp kết cấu áo đường 0.5m chiều cao tối thiểu của đất đắp trên đỉnh cống Kiểm tra ngập một số điểm gần cống mà có cao độ thiết kế thấp hơn tại đỉnh cống. PHƯƠNG ÁN 1: CHIỀU DÀI 7991.73m Lý trình  Hp% (m)  Bmd (m)  Blgc (m)  in  had (m)  Htk1 (m)  Htk2 (m)  Htk (m)   Km 0+920.87  Cầu                        Km 2+286.11  1.85  6.00  1.00  2%  0.74  2.46  3.17  3.17   Km 3+750.73  1.60  6.00  1.00  2%  0.74  2.21  2.89  2.89   Km 5+545.38  1.57  6.00  1.00  2%  0.74  2.18  2.89  2.89   Km 6+582.74  1.38  6.00  1.00  2%  0.74  1.99  3.17  3.17   Km 7+555.53  1.53  6.00  1.00  2%  0.74  2.14  3.17  3.17   PHƯƠNG ÁN 2: CHIỀU DÀI 7877.84m Lý trình  Hp% (m)  Bmd (m)  Blgc (m)  in  had (m)  Htk1 (m)  Htk2 (m)  Htk (m)   Km 1+400.00  1.53  6.00  1.00  2%  0.74  2.14  3.17  3.17   Km 3+077.95  1.56  6.00  1.00  2%  0.74  2.17  3.17  3.17   Km 3+900.00  1.56  6.00  1.00  2%  0.74  2.17  3.17  3.17   Km 4+446.78  1.56  6.00  1.00  2%  0.74  2.17  3.17  3.17   Km 5+653.01  1.28  6.00  1.00  2%  0.74  1.89  2.89  2.89   Km 6+470.27  1.2