Tính toán thủy văn -Thủy lực cầu cống

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THỦY VĂN -THỦY LỰC CẦU CỐNG 4.1 TÍNH TOÁN THUỶ VĂN, THUỶ LỰC CẦU: (cọc C2 – Phương Aùn 1) A/ - Tính lưu lượng dòng chính: - Tính toán lưu lượng Qp% thiết kế theo "Qui trình tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ 22TCVN 220-05" của Bộ GTVT cho các lưu vực có diện tích F < 100km2 - Đường cấp III, miền núi (Vtk = 60 km/h) - Sông vùng núi, lòng sông nhiều đá, có dòng chảy không ổn định. - Tốc độ TK: 60 km/h - Cấp đường: III - Vùng thiết kế: XIV (Các lưu vực sông phía Bắc Tây Nguyên) - Tuyến ở khu vực: Chư Sê (thuộc tỉnh Gia Lai - KonTum) - Chọn tần suất thiết kế 4% (bảng 30/49 TCVN4054 – 2005) - Lưu lượng tính theo cường độ giới hạn: (m3/s) Trong đó: H1% = 186 mm - Lượng mưa ngày (mm) ứng với tần suất thiết kế p = 1%, (phụ lục 1) H4% = 164 mm - Lượng mưa ngày (mm) ứng với tần suất thiết kế p = 4%, (phụ lục 1) = 0.64 - Hệ số dòng chảy lũ, phụ thuộc vào loại đất cấu tạo lưu vực, lượng mưa ngày TK Hp% và diện tích lưu vực (F), (tra bảng 2.1) F = 23.73 km2 - Diện tích lưu vực, km2 - Hệ số triết giảm lưu lượng do đầm hồ ao, cây rừng, (tra bảng 2.7) Giả sử diện tích ao hồ, đầm lầy bằng 2% L = 6.79 km - Chiều dài dòng chính = 9.626 km - Tổng chiều dài dòng nhánh có chiều dài lớn hơn bằng 0.75*B với B là chiều dài bình quân lưu vực : B =F/n*L= 1.747 km => 0.75B = 1.311 km n = 2 - số sườn dốc Ap = f(vùng mưa, , ) - Mô đun đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế phụ thuộc vào vùng mưa, địa mạo lòng suối fls và thời gian tập trung nước trên sườn dốc ts, (bảng 2.3_22TCN 220-95) Với: + Địa mạo lòng suối : = = 88.58 mls = 9 - Thông số tập trung nước trong suối, phụ thuộc vào sông, suối của lưu vực, (tra bảng 2.6) Jls = 1.75 - Độ dốc lòng suối chính, (0/00) = 1.75 0/00 + Thời gian tập trung nước trên sườn dốc tsd, phụ thuộc vào hệ số địa mạo thủy văn sườn dốc : = = 4.68 Trong đó: Jsd = 300.6 0/00 - Độ dốc sườn dốc, (0/00) = 300.6 0/00 msd = 0.25 - Thông số tập trung nước trên sườn dốc, phụ thuộc vào bề mặt của sườn lưu vực, (tra bảng 2.5) bsd (m) - Chiều dài bình quân sườn dốc lưu vực: = = 803.1 m => Tra bảng 2.2 ta xác định được = 26.8 phút Như vậy: Mô đun đỉnh lũ: Ap = 0.0314 Vậy lưu lượng tính toán qua mặt cắt ngang dòng suối chính là: Qp = = 66.47 m3/s Với lưu lượng Qp = 66.47 m3/s > 20 m3/s ta sẽ bố trí cầu tại vị trí này. B/ - Tính lưu lượng các dòng nhánh chảy qua tuyến: B.1/ - Số liệu: + Phương án 1: Nhánh F (km2) L (km) Sl(km) bsd (m) Jsd(o/oo) Fsd tsd Jls (o/oo) Fls msd N1 (Cọc C3) 3.61 1.84 0.00 1093 209.90 10.15 85.38 4.33 28.34 0.25 N2 (Cọc C13) 5.550 3.03 0.00 1018 250.50 8.23 72.30 1.86 88.58 0.25 N3 (Cọc C20) 4.310 2.43 0.70 764.02 300.58 6.96 49.40 2.40 43.73 0.25 N4 (Cọc C23) 0.140 0.20 0.00 392.80 205.00 12.48 70.50 121.76 2.27 0.25 N5 (Cọc C24) 0.249 0.206 0.00 671.50 191.40 15.25 87.45 100.99 2.17 0.25 + Phương án 2: Nhánh F (km2) L (km) Sl (km) bsd (m) Jsd(o/oo) Fsd tsd Jls (o/oo) Fls msd N6 (Cọc C18) 3.917 2.19 0.93 697.92 194.80 7.79 65.80 2.30 40.93 0.25 N7 (Cọc H7) 0.13 0.18 0.00 401.20 231.70 12.36 93.00 135.02 2.03 0.25 N8 (Cọc C25) 2.282 1.24 1.16 528.20 169.70 7.90 68.00 135.02 6.80 0.25 B.2/ - Lưu lượng các dòng nhánh: + Phương án 1: Nhánh Fls tsd A4% j H4% F d Q4% Ghi chú N1 (Cọc C3) 28.34 85.38 0.068 0.64 186 3.61 0.85 21.99 Cầu N2 (Cọc C13) 88.58 72.30 0.047 0.64 186 5.550 0.85 23.27 Cầu N3 (Cọc C20) 43.73 49.40 0.062 0.64 186 4.310 0.85 23.76 Cầu N4 (Cọc C23) 2.27 70.50 0.102 0.64 186 0.140 0.85 1.28 Cống N5 (Cọc C24) 2.17 87.45 0.091 0.64 186 0.249 0.85 2.02 Cống + Phương án 2: Nhánh Fls tsd A4% j H4% F d Q4% Ghi chú N6 (Cọc C18) 40.95 65.80 0.061 0.64 186 3.917 0.85 21.26 Cầu N7 (Cọc H7) 2.03 93.00 0.103 0.64 186 0.13 0.85 1.19 Cống N8 (Cọc C25) 6.80 68.00 0.112 0.64 186 2.282 0.85 22.70 Cầu 4.2 TÍNH KHẨU ĐỘ CẦU VÀ CHIỀU CAO NƯỚC DÂNG TRƯỚC CẦU: I/- CẦU TẠI VỊ TRÍ CỌC C2: 1/ - Xác định các số liệu ban đầu: a - Lưu lượng dòng chính Qp% = 66.47 m3/s b - Thông số mặt cắt ngang cầu: + Lòng suối thiên nhiên bắt nguồn từ vùng núi, độ dốc lòng suối nhỏ + Độ dốc lòng khe suối Jls = 0.0018 + Hệ số nhám ở lòng suối n1 = 0.04 + Trắc ngang lòng sông có dạng hình thang với các thông số: - Bề rộng đáy kênh bd = 25 m - Hệ số mái dốc bờ trái(1:m1) 1:17 (tra trên trắc dọc) - Hệ số mái dốc bờ phải(1:m2) 1:28 (tra trên trắc dọc) - Lòng sông ổn định , địa chất lòng sông lớp đất sét. 2/ - Xác định chiều sâu tự nhiên ()và lưu tốc (V) tự nhiên của dòng chảy + Lưu lượng dòng chảy ứng với chiều sâu , lưu tốc tự nhiên (): + Diện tích mặt cắt ngang dòng chảy ứng với chiều sâu dòng chảy : + Chu vi mặt cắt ướt: + Bán kính thủy lực: + Hệ số Sêdi: + Số mũ y trong công thức trên được xác định theo công thức gần đúng: Khi 0.1m<R<1m thì = 0.30 Khi 1m<R<3m thì = 0.26 + Lưu tốc tự nhiên: + Giả định chiều sâu tự nhiên dòng chảy ta tính đuợc các thông số trên: hd (m) wd (m2) c (m) Rd (m) Cd(m) Vd (m/s) Qd (m3/s) sai số (%) 1.60 76 97.08 0.783 23.23 0.861 65.398 1.649 1.61 76.48 97.53 0.784 23.24 0.862 65.891 0.889 1.62 76.95 97.98 0.785 23.25 0.863 66.385 0.139 1.63 77.43 98.43 0.787 23.26 0.864 66.878 -0.60 Vậy: - Chiều sâu mực nước tự nhiên = 1.62 m - Lưu tốc tự nhiên = 0.863 m/s - Chọn Vcp = 3 m/s (Lát đá dày 15cm trên lớp rơm rạ dày 5cm _ Bảng phụ lục 6 sách Thiết Kế đường ôtô tập 3) 3/ - Xác định chiều sâu phân giới của dòng chảy ở dưới cầu: - Chiều sâu phân giới hk là chiều sâu dòng chảy phân giới (là chiều sâu tương ứng với tiết diện dòng chảy có tỉ năng mặt cắt nhỏ nhất) - Dạng chảy dưới cầu là hình thang: Với Bk + Chiều rộng mặt thoáng của tiết diện (m) = = 30.12 + Diện tích ứng với chế độ nước chảy phân giới (m2) = = 24.62 = 24.62 m2 = 1.1 + Hệ số hiệu chỉnh động năng, thường lấy bằng 1 ÷1.1 + Hệ số thu hẹp dòng chảy do trụ và mố g = 9.81 m/s2 m = 1.5 + Hệ số mái dốc của phần đất trước mố cầu Vk = 3 + Lưu tốc ứng với chế độ nước chảy phân giới - Trong tính toán thường lấy Vk = Vcp , với Vcp là lưu tốc cho phép không gây xói lở của địa chất đáy suối (nếu không gia cố) hoặc theo hình thức vật liệu gia cố lòng sông suối ( bảng 4.5a, và 4.5b trang 69 sách TK cống và cầu nhỏ) = = 1.92 m 4/ - Xác định khẩu độ cầu và nước dâng trước cầu: a/ - Chế độ nước chảy dưới cầu và sơ đồ tính toán: = 1.77 m + Chiều sâu tự nhiên của dòng chảy hk = 1.92 m + Chiều sâu phân giới nước chảy dưới cầu Vì Nước chảy theo chế độ tự do b/ - Khẩu độ cầu (Lc) (xem trang 74 - 75 sách TK cống cầu nhỏ): - Nước chảy theo chế độ tự do: = = 24.4 m Với: Lc + Chiều dài của cầu N = 0 + Số trụ giữa d = 0 + Bề dày chắn nước của mỗi trụ giữ - Chiều dài cầu: Lc + 2mh = 24.4 +2*1.5*1 = 27.4 m Vậy: Chọn cầu có tổng chiều dài Lc = 33m c/ - Chiều sâu nước dâng trước cầu: - Nước chảy theo chế độ tự do: Với: VH -Tốc độ nước chảy ở thượng lưu cầu ứng với chiều sâu H + VH - được tính theo phương pháp khử dần Giả thiết H = Ho tính được => Ho (m) wo (m2) VH (m/s) H (m) Sai số (%) 2.52 119.700 0.555 2.528 -0.32 2.53 120.175 0.553 2.528 0.07 2.54 120.650 0.551 2.528 0.46 Vậy: - Chiều sâu mực nước dâng H = 2.53 m 5/- Xác định chiều cao mặt cầu tối thiểu so với đáy sông: = 3.73 m Với: = 0.5 m : tĩnh không dưới cầu (đối với sông không có cây trôi) K = 1 m : khoảng cách từ đáy dầm cầu đến mặt cầu II/- CẦU TẠI CÁC VỊ TRÍ KHÁC: + Phương án 1: Vị trí Lưu lượng Q (m3/s) Chiều dài cầu Lc (m) Cao độ cầu H (m) Cọc C3 21.99 24.54 3.93 Cọc C13 23.27 24.54 3.9 Cọc C20 23.76 24.54 3.91 + Phương án 2: Vị trí Lưu lượng Q (m3/s) Chiều dài cầu Lc (m) Cao độ cầu H (m) Cọc C18 21.26 33 2.2 Cọc C25 22.70 24.54 3.93 4.3. XÁC ĐỊNH KHẨU ĐỘ CỐNG: A. Số liệu thiết kế: I. Lưu lượng tính toán Qi (m3/s) tại các vị trí trên phương án1: C23 = 1.28 m3/s C24 = 2.02 m3/s II. Lưu lượng tính toán Qi (m3/s) tại các vị trí trên phương án2: H7 = 2.22 m3/s B. Tính toán lựa chọn khẩu độ cống: I. Tính toán khẩu độ cống tại các vị trí trên phương án 1: Loại công trình Vị trí Số cửa cống Chiều cao nước dâng H (m) Vận tốc trong cống V (m/s) Chiều cao đắp nền đường tối thiểu (m) 1 Cống tròn d=1.25m, Q = 1.4m3/s, loại I, chảy tự do C23 1 0.99 2.2 2.07 1 Cống tròn d=1.5m, Q = 2.2m3/s, loại I, chảy tự do C24 1 1.2 2.41 2.34 II. Tính toán khẩu độ cống tại các vị trí trên phương án 2: Loại công trình Vị trí Số cửa cống Chiều cao nước dâng H (m) Vận tốc trong cống V (m/s) Chiều cao đắp nền đường tối thiểu (m) 1 Cống tròn d=1.0m, Q = 1.2m3/s, loại I, chảy tự do H7 1 1.00 2.32 1.72 Trong đó: - Chiều cao đắp nền đường (H) tối thiểu được tính theo công thức: Với: + d: đường kính trong của cống + : chiều dày thành cống, = 1/10d + HKCAĐ = 0.51 m : chiều cao kết cấu áo đường + = 0.02*4+0.06*0.5 = 0.11 m