Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên

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.

Tuy nhiên các công trình đường ô tô của tỉnh Thái Nguyên luôn bị đe dọa bởi
các sự cố, sụt trượt, lũ quét. Thiệt hại do sự cố hàng năm lên đến hàng trăm tỷ đồng,
không những thế còn gây lên tình trạng ách tắc giao thông, tắc nghẽn giao thông ảnh
hưởng lớn đến kinh tế xã hội, đời sống cộng đồng.
Một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra sự sự phá hoại của đường đó là sự
yếu kém của các công trình thoát nước (1km đường miền núi có thể từ 5 -:- 6 cống
hoặc hơn trục cống, chưa kể đến sự khai thác rừng bừa bãi).
Một trong những nguyên dẫn đến công trình thoát nước yếu kém là do quá trình
khảo sát thiết kế kém. Hiện trạng thực tế cho thấy chất lượng thiết kế các công trình
đường nói chung đặc biệt là công trình thoát nước còn nhiều hạn chế.
Từ những phân tích như vậy thì đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất
lượng thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái
Nguyên” là nhằm mục đích giải quyết vấn đề khoa học cấp thiết trong sự nghiệp phát
triển công nghiệp hóa của tỉnh Thái Nguyên.
II. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu các quy trình quy phạm hiện hành quy định về thiết kế công trình
cầu, cống nhỏ trên đường Ô tô.
Nghiên cứu các hồ sơ thiết kế về các công trình thoát nước trên đường của các
đơn vị tư vấn trên cả nước nói chung và địa bàn Thái Nguyên nói riêng để từ đó đúc
rút được các kinh nghiệm thiết kế các công trình thoát nước.
Phạm Đức Thành Page 1
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
Nghiên cứu giải pháp thiết kế nhằm nâng cao chất lượng thiết kế các công trình
thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên.
III. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu giải pháp thiết kế nhằm nâng cao chất lượng thiết kế các công trình
thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên.
IV. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề xuất được giải pháp hợp lý nhằm nâng cao chất lượng thiết kế các công trình
thoát nước nhỏ trên đường ô tô thuộc tỉnh Thái Nguyên.

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.

1.1.1.3. Rãnh thoát nước
Còn gọi là rãnh dẫn nước có tác dụng dẫn nước từ rãnh biên, rãnh đỉnh, thùng
đấu hoặc các chỗ trũng hai bên đường cho chảy vào cầu cống, sông suối thiên nhiên
hoặc một vị trí quy định nào đó ở xa nền đường. Bậc nước và dốc nước là hình thức đặc
biệt của mương rãnh thoát nước mặt được bố trí ở các đoạn dốc lớn (dốc dọc của đáy
rãnh lớn hơn 7%) thường dùng kết cấu xây đá hoặc bê tông và có biện pháp phòng hộ
gia cố thích ứng. Bậc nước là rãnh hình máng mà đáy có bậc cấp, chia thành bậc nước
một cấp và bậc nước nhiều cấp, dòng nước chảy qua bậc nước được tiêu năng, giảm tốc
độ hoặc đổi hướng: Dốc nước là rãnh hình máng có độ dốc dọc rất dốc, dòng nước chảy
xiết dọc đáy máng.
1.1.2. Ống, rãnh thoát nước ngầm
Gồm các công trình thoát nước ngầm: Rãnh nổi, rãnh ngầm, rãnh thấm.
Phạm Đức Thành Page 3
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
a). Rãnh nổi: bố trí ở phía trên hoặc hai bên nền đường để ngăn nước, dẫn thoát
nước hoặc hạ thấp nước ngầm ở nông và có thể kiêm tác dụng ngăn và thoát nước mặt.
b). Rãnh ngầm: chôn ngầm dưới mặt đất dùng để dẫn thoát nước ngầm hoặc các
dòng chảy ngầm tập trung, thường xây đá hoặc đổ bêtông.
c). Rãnh thấm: trong rãnh đắp bằng các vật liệu có độ thấm lớn dùng để cắt các
dòng chảy của tầng chứa nước ngầm, hạ mực nước ngầm, làm khô và dẫn thoát nước
ngầm trong mái đất, khi lượng nước tương đối lớn thì đáy rãnh thấm có thể đặt thêm
ống thoát nước hoặc rãnh ngầm.
1.1.3. Các công trình thoát nước qua đường
Bao gồm : Cầu, cống, cống xiphông, máng dẫn nước, đường tràn.
1.1.3.1. Cầu
Cầu nhỏ thường dùng khi lưu lượng lớn hơn
3025
÷
m3/s. Nói chung thiết kế phải
so sánh cụ thể về các mặt kinh tế - kỹ thuật mới có thể quyết định một cách hợp lý

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

Bao gồm: Đê ngăn nước và hồ chứa nước, chủ yếu để chứa nước từ sườn núi
hoặc từ rãnh biên, rãnh đỉnh chảy về tại một địa điểm nhất định để cho bốc hơi hoặc
thấm xuống đất.
Ngoài ra khi mương rãnh có sẵn cong queo hay giao nhau nhiều chỗ với đường,
để cải thiện tình hình dòng chảy đề phòng xói lở nền đường, giảm số lượng cống có
thể dùng các biện pháp chỉnh trị dòng chảy như đập dẫn nước, kênh đào.
1.2. Hệ thống thoát nước nhỏ trên đường Ô tô
Hệ thống thoát nước đường ôtô bao gồm hàng loạt các công trình và các biện
pháp kỹ thuật được xây dựng để đảm bảo nền đường không bị ẩm ướt. Các công trình
này có tác dựng tập trung và thoát nước nền đường, hoặc ngăn chặn không cho nước
ngấm vào phần trên của nền đất. Mục đích của việc xây dựng hệ thống thoát nước trên
Phạm Đức Thành Page 5
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
đường ôtô là đảm bảo chế độ ẩm của nền đất luôn luôn ổn định không gây nguy hiểm
cho mặt đường.
Hệ thống thoát nước đường ôtô bao gồm hệ thống thoát nước mặt và thoát nước
ngầm.
1.2.1. Hệ thống thoát nước mặt
Để thoát nước mặt sử dựng các công trình và biện pháp sau:
+ Mặt cắt ngang đường ôtô có dốc ngang từ tim phần xe chạy về lề đường. Độ
dốc ngang phụ thuộc vào loại mặt đường.
+ Độ dốc ngang của lề đường thường làm dốc hơn phần xe chạy khoảng 12%.
Cấu tạo lề đường thường làm bằng đất tự nhiên hoặc gia cố bằng các vật liệu địa
phương do đó trong thời gian sử dụng có thể xuất hiện nhiều chỗ trũng, mặt lề đường
không bằng phẳng và tạo các vũng nước đọng có khả năng ẩm ướt nền đường.
+ Mặt cắt ngang phần xe chạy thường làm theo dạng đường cong parabôn hay
theo hai mái thẳng có đoạn giữa trong phạm vi 2m làm theo dạng đường tròn.
Rãnh dọc ( rãnh biên ), rãnh đỉnh, rãnh tập trung nước, thùng đâu, bể bốc hơi, để
con trạch, thềm đất.
Dốc nước và bậc 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

cống, các biện pháp nối tiếp giữa các rãnh thoát nước với cầu cống. Ngược lại khi bố
trí cầu cống cũng phải xét tới yêu cầu thoát nước nhanh chóng từ các mương rãnh.
Việc bố trí các công trình thoát nước nền đường phải xét tới yêu cầu tưới tiêu
của thủy lợi phục vụ nông nghiệp.
Phạm Đức Thành Page 7
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
1.3.2. Trình tự thiết kế bố trí hệ thống thoát nước nền đường
Thiết kế bố trí hệ thống thoát nước nền đường thường được tiến hành theo các
bước sau đây:
Trên bình đồ tuyến đường vẽ các đường đỉnh ta luy đường đào, chân ta luy nền
đắp, vị trí các đống đất thừa, các hố thùng đấu
Bố trí rãnh đỉnh trên sườn núi để ngăn nước chảy về đường nếu lưu lượng nước
từ sườn núi lớn, rãnh dọc không kịp thoát nước.
Đối với những đoạn đường đào, nửa đào nửa đắp, không đào không đắp và nền
đường đắp thấp thì bố trí rãnh dọc (rãnh biên) hai bên đường để thoát nước từ mặt
đường, lề đường và ta luy nền đường đảm bảo cho nền đường luôn luôn khô ráo.
Bố trí mương rãnh dẫn nước từ rãnh đỉnh, rãnh biên ra các chỗ trũng, sông suối
hoặc cầu cống gần đấy. Rãnh dẫn nước phải ngắn nhất, càng xa đường càng tốt và nối
tiếp thuận lợi với công trình thoát nước khác.
Bố trí vị trí cầu cống để tạo với hệ thống mương rãnh nói trên thành một mạng
lưới các công trình thoát nước hợp lý.
Nếu có nước ngầm gây tác hại tới nền đường thì phải bố trí các công trình thoát
nước ngầm kết hợp với hệ thống thoát nước mặt.
1.3.3. Thiết kế hệ thống thoát nước
Khi bố trí hệ thống thoát nước nền đường phải liên hệ với bình đồ, trắc dọc, trắc
ngang của tuyến đường, với tình hình địa hình, địa chất, khí hậu và thuỷ văn dọc
tuyến để tiến hành xem xét một cách tổng hợp.
Việc thoát nước nền đường còn phải kết hợp với việc tưới tiêu trong sản xuất
nông nghiệp. Ví dụ khi tuyến đường đi qua làm phá hoại hệ thống tưới tiêu hiện hữu
thì phải có biện pháp như bố trí cống, cống xiphông, đường máng nước… để đảm bảo

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

Lun Vn Thc s Trng i hc GTVT
1.4.1. Cỏc phng phỏp tớnh toỏn thy vn
Phõn tớch thu vn l bc quan trng trc ht i vi thit k cỏc cụng trỡnh
thoỏt nc trờn ng. Phõn tớch thy vn xỏc nh lu lng dũng chy qua mt
mt ct ngang ca sụng, sui, cỏc khu vc t nc khụng hỡnh thnh dũng chy.
Khi phõn tớch thu vn hay s dng nhng khỏi nim th hin cỏc hỡnh v di
õy.
Trời
m a
Mây mù
Chảy theo
mặt đất
Ngấm vào
đất
Suối
Sông
Mặt trời
N ớc bốc hơi
N ớc bốc hơi
Hỡnh 1.1. ng phõn lu v h thng thu nc
Nu con ng ct qua kờnh hoc ct ngang sụng sui, con ng ny cú th tr
thnh p chn nc, khi ú cn thit phi lm cu, cng thoỏt nc, to iu
kin cho nc chy i bỡnh thng. Vic xõy dng cu hoc cng l hon ton da
trờn nhu cu thoỏt nc (lu lng dũng chy), ngoi ra cũn tựy thuc vo a hỡnh,
mụi trng trong khu vc v v trớ cỏc cụng trỡnh thoỏt nc, cao ng
Phm c Thnh Page 10
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
(1)
(2)
A

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
).(

5
4
2
3
FZhQ −=
, (2-1)
Trong đó:
+
Q
: Lưu lượng lũ mưa rào dùng để thiết kế
3
/ sm
.
+
ψ
: Hệ số địa mạo, căn cứ vào địa hình, độ dốc trung bình của dòng chảy suối
chính, diện tích khu tụ nước, có thể xem tra bảng.
+
F
: Diện tích khu tụ nước
2
km
.
Phạm Đức Thành Page 11
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
+
h
: Chiều sâu dòng chảy
mm
, dựa theo phân khu mưa rào của vị trí xây dựng

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

: Lượng mưa ngày (ứng với tần suất thiết kế).
F
: Diện tích lưu vực.
Lượng mưa ngày
P
H
ứng với tần suất thiết kế
%p
xác định theo tài liệu đo đạc
của trạm khí tượng thủy văn gần nhất.
P
A
: Mô đun tương đối của dòng chảy lớn nhất (khi
1
=
Q
) lấy theo tỷ số của mô
đun dòng chảy
P
q
trên tích
P
H.
α
:
P
P
P
H
q

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

1000
α
=

Trong đó:
α
: Hệ số dòng chảy lũ (tra bảng).
P
H
: Lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế (mm).
F
: Diện tích lưu vực (km
2
).
Đối với các lưu vực có diện tích từ 10 km
2
trở xuống, tổng lượng lũ thiết kế được
tính theo công thức:
FHW
PP
1000
ψα
=
Trong đó:
α
: Hệ số dòng chảy lũ (tra bảng).
P
H
: Lượng mưa ngày ứng với tần suất thiết kế (mm).
ψ

: 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.

Công thức cơ bản để tính lưu lượng:
VQ .
ω
=
(2-3)
Trong đó:
ω
: Diện tích mặt cắt ngang thoát nước ứng với một mực nước nào đó m
2
V
: Lưu tốc bình quân ứng với mực nước đó (m/s).
Với mặt cắt ngang lòng sông có lưu tốc khác nhau (hình vẽ).
332211
vvvvQ
ωωωω
++==
∑
a) Cùng lưu tốc tính toán b) khác lưu tốc tính toán
Hình 1.3. Mặt cắt ngang
b. Xác định lưu tốc
Phạm Đức Thành Page 14
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
- Tính theo lưu tốc chảy đều.
Nếu đoạn sông tương đối thẳng, độ dóc đáy sông thay đổi không nhiều, không
có sông nhánh đổ vào thì có thể tính lưu tốc theo công thức chảy đều:
iRCV
=
, (2-4)
và
yy

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

2
1
.
.87
i
R
R
V
γ
+
=
Trong đó:
γ
: Hệ số nhám (tra bảng).
R
: Bán kính thủy lực.
i
: Độ dốc mực nước lũ trên đoạn sông.
Khi độ nhám của sông suối ít thay đổi, để tiện tính toán có thể xác định lưu tốc
bình quân theo công thức sau:
2
1
3
2

chbqch
iHmV =
Phạm Đức Thành Page 15
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
Trong đó:

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

thiết kế cần thiết thì phải tính đổi từ lưu lượng điều tra được thành lưu lượng thiết kế.
Thường dựa vào hệ số biến sai lưu lượng để tính đổi ra lưu lượng thiết kế.
Thông qua điều tra tìm được mực nước lũ bình quân nhiều năm và dựa vào đó
tính ra lưu lượng lũ bình quân nhiều năm
bq
Q
rồi căn cứ vào công thức sau để tính suy
ra lưu lượng thiết kế:
( )
PVbqP
CQQ
Φ+=
.1
Trong đó:
Phạm Đức Thành Page 16
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
P
Q
: Lưu lượng thiết kế với tần suất xuất hiện là
p
1
.
V
C
: Hệ số biến sai lưu lượng, là hệ số phản ánh sự lớn nhỏ tương đối của lưu
lượng của các lần lũ
Q
đối với lưu lượng bình quân
bq
Q

.
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:

P
k
: Hệ số phụ thuộc vào
V
C
,
S
C
,
p
và có thể xác định theo bảng tra.
e. Tính đổi thành lưu lượng thiết kế ở vị trí xây dựng cầu cống
Nếu mặt cắt khảo sát trùng hoặc rất gần với vị trí sẽ xây dựng cầu cống mà sai số
của lưu lượng của hai mặt cắt chỉ vào khoảng ±10% thì không cần tính đổi. Nếu vượt
qua phạm vi này thì tính đổi theo công thức sau:
P
h
m
h
n
h
c
m
c
n
c
P
Q
IbF
IbF

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
).

Phạm Đức Thành Page 17
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
c
b
và
h
b
: Chiều rộng của diện tích tụ nước ở vị trí cầu cống và của diện
tích tụ nước ở mặt cắt ngang khảo sát (
km
).
c
I
và
h
I
: Độ dốc bình quân của khu tích tụ nước ở vị trí cầu cống và ở
mặt cắt ngang khảo sát (
kmm /
).
m
: Chỉ số hình thái lưu vực khi lũ, thường lấy 1/3.
n
: Chỉ số diện tích tụ nước, với lưu vực lớn lấy
3
2
2
1
÷
, khi

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:

B
: Khẩu độ tĩnh của cầu (m).
H
: Chiều cao cột nước trước cầu (m).
M
: Hệ số lưu lượng.
Phạm Đức Thành Page 18
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
Cầu nhỏ chảy không tự do thường xẩy ra trên các sông nhỏ vùng đồng bằng mà
lòng sông dưới cầu không gia cố. Tính lưu lượng theo công thức sau:
BhVQ
k

δ
ε
=
(2-6)
Trong đó:
k
V
: tốc độ cho phép dưới cầu, bằng tốc độ cho phép của vật liệu dưới cầu tra
bảng Lưu tốc cho phép.
δ
h
: chiều sâu nước chảy ứng với mực nước hạ lưu cầu cống tự nhiên, trị số của
nó tìm được qua điều tra. Nếu không có tài liệu điều tra, có thể tính theo công thức:
2
2
2
ϕ

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

Cång
h
với cống có cửa cống thường.
- Cống chảy có áp.
4.1
>
H

Cång
h
với cống có cửa cống nâng cao.
Trong các công thức trên thì:
H
: Chiều cao nước trước cống (m).
cèng
h
: Chiều cao cống (m).
Phạm Đức Thành Page 19
Luận Văn Thạc sỹ Trường Đại học GTVT
Lưu lượng thoát qua cống
Nếu đã điều tra được mực nước trước cống
H
và chiều sâu nước tự nhiên của
suối ở cửa ra hạ lưu
δ
h
thì có thể tìm được lưu tốc trong cống
cèng
V

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

thức
2
2
2
ϕ
δ
g
V
Hh
k
−=
.
ξ
: Hhệ số lưu tốc,
y
R
n
C
1
=
.
Với
n
: Hệ số nhám (tra bảng).
y
: Số mũ thủy lực, phụ thuộc vào
n
và
R
.

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

Q .
1
=
M
Q
: Lưu lượng ứng với đỉnh lũ tự nhiên trước khi xây dựng cầu cống (m
3
/s).
c
Q
: Lưu lượng chảy qua cầu cống (m
3
/s).
S
1
: Hệ số triết giảm do tích nước, tra bảng dưới.
Xác định tần suất lưu lượng
Sau khi dựa vào phương pháp trên tính ra lưu lượng tự nhiên của một lần lũ nào
đó của sông suối đang xét, lại dựa vào phương pháp điều tra hình thái ở trên để xác
định tần suất lưu lượng của lần lũ đó, rồi tìm lưu lượng của chu kỳ thiết kế cần thiết ở
vị trí cầu cống.
Lưu ý: Các hệ số còn lại trong công thức (2-5 đến 2-8) 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.
1.4.2.5. Kiến nghị của GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục về công thức tính lưu lượng
thiết kế (
P
Q
) dùng cho đường ôtô và đường sắt Việt Nam.
Từ những năm 1980 Nguyễn Xuân Trục đã đề nghị công thức tính lưu lượng

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

)100)((
6.18
sdsd
sd
c
mif
b
t =
c
p
p
t
H
a
.
ψ
=
Trong đó:
p
H
: Lượng mưa ngày lớn nhất có tần suất (
%P
).
ψ
: Tọa độ đường cong mưa.
1.4.2.6. Ở Pháp.
Lưu lượng xác định theo công thức kinh nghiệm:
FCQ .
=
Trong đó:

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
÷=

n

8.48.0
÷=
K
1.4.2.8. Ở Mỹ.
Công thức Gơrao (1943)
FHQ
α
=
Trong đó:
α
: Hệ số dòng chảy.
H
: Lượng mưa.
F
: Diện tích lưu vực.
Phương pháp của Phôtcher (1954)
( )
FcfQ ,,,
βα
=
Trong đó:
c
: Hệ số khí hậu.
α
: Hệ số dòng chảy phụ thuộc vào điều kiện địa mạo.
β
: Hệ số phụ thuộc vào độ dốc và chiều dài lưu vực.
F

: 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