CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THỦY văn dọc TUYẾN, ĐƯƠNG cấp 3 MIỀN núi

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THỦY VĂN DỌC TUYẾN
6.1,.THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC
Cống chiếm phần lớn các công trình thoát nước trên nền đường. Cống bao gồm
có hai loại: cống địa hình, cống cấu tạo.
- Cống địa hình được bố trí tại các vị trí cắt qua các dòng suối nhỏ hay cắt qua khe
tụ thuỷ mà khi mưa sẽ hình thành dòng chảy.
- Cống cấu tạo được bố trí chủ yếu để thoát nước trên mặt đường và trên mái taluy
có lưu vực nhỏ, cống cấu tạo bố trí theo qui trình mà không cần phải tính toán.
6.1.1. Nguyên tắc thiết kế cống
- Cố gắng đi tuyến sao cho cắt vuông góc với dòng chảy.
- Vai nền đường phải cao mực nước dâng trước cống tối thiểu 0.5m với cống
không có áp và bán áp có khẩu độ nhỏ hơn 2m, cao hơn 1m với cống có khẩu độ lớn
hơn 2m.
- Đường có cấp hạng cao thì hướng cống và cầu nhỏ phụ thuộc hướng tuyến. Khi
vượt qua các dòng suối mà địa chất chắc và ổn định thì có thể chuyển vị trí cống lên
lưng chừng suối để giảm bớt chiều dài và dễ thi công.
- Phải đảm bảo chiều dày đất đắp trên cống tối thiểu là 0.5m hoặc phải đủ bố trí
chiều dày của lớp kết cấu mặt đường nếu chiều dày kết cấu lớn hơn 0.5m.
- Cống để thoát nước rãnh dọc gọi là cống cấu tạo. Cự ly cống cấu tạo không lớn
hơn 300 - 350m đối với rãnh hình thang, không > 250m đối với rãnh hình tam giác.
- Nên dùng cống tròn là BTCT vì rẻ và tiện cho thi công cơ giới. Cống vuông dùng
cho lưu lượng lớn hơn cao độ nền đắp hạn chế.
-Cơ sở tính toán thuỷ lực, thuỷ văn công trình cống là lưu lượng tính toán theo tần
suất lũ thiết kế Q4%.

6.1.2.Tính Tần suất lũ thiết kế Qp% tại các vị trí công trình
Dựa vào lưu lượng mưa ngày và mô đun dòng chảy(22TCN220-95)
Q p% = A p × α × H p × F × δ
Công thức xác định:
Trong đó:

- F ; Diện tích lưu vực , xác định trên bình đồ
-Qp%: Lưu lượng tính toán ứng với tần suất lũ tính toán p%=4% đối với công trình
cống thoát nước và cầu nhỏ, 2% với cầu trung và 1% với cầu lớn.
-Hp : Lượng mua ngày ứng với tần suất lũ thiết kế p% mm, xác định theo phụ lục 5
trong sổ tay thiết kế đường tập 2 phụ thuộc vào tần suất thiết kế p% và vùng thiết kế
nếu ở đó không có trạm đo mưa, nếu có trạm đo mưa thì chỉnh lý theo theo tài liệu đo
mưa thực tế. Xác định theo phụ lục 5 theo vùng mưa.
Tuyến đi qua KRÔNG NĂNG- ĐẮK LẮK, thuộc vùng mưa XV
-α Hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào lọa đất và cấu tạo bề mặt lưu vực , lượng
mưa ngày thiết kế Hp% và diện tích lưu vực. Xác định theo phụ lục 6.
- Ap%: Mô đun dòng chảy lũ ứng với tần suất thiết kế trong điều kiện chư xét ảnh
hưởng của hồ ao, phụ thuộc vào hệ số đặc trưng địa mạo lòng sông Фls , thời gian tập
trung nước τsd và vùng mưa.Xác định theo phụ lục 4.
-δ : Hệ số xét đến ảnh hưởng của ao hồ và đầm lầy.Xác định theo 7.2.6.
Xác định các tham số tính toán.
-Hệ số đặc trưng địa mạo lòng sông
φls =

1000 L
1
3
ls

1

1

mls × I × F 4 × (αH p % ) 4

Trong đó:
L: Chiều dài suối chính tính từ điểm bắt đầu dòng chảy tới vị trí công trình
Ils: Độ dốc lòng suối chính tính theo ‰
mls: Hệ số nhám lòng suối phụ thuộc vào tình hình lòng sông từ thượng nguồn tới
cửa ra:
Sông vùng núi , lòng sông nhiều sỏi đá, mặt nước không phẳng, suối chảy không
thường xuyên , quanh co=> mls=7
α: Hệ số dòng chảy lũ , phụ thuộc loại đất, cấu tạo bề mặt lưu vực, lượng mưa
ngày thiết kế Hp% và diện tích lưu vực F.
Hp: Lượng mưa ngày theo tần suất thiết kế p%=4% đối với thiết kế cống và cầu
nhỏ, 2% với cầu trung và 1% với cầu lớn.
-Xác định dựa vào vùng mưa và hệ số đặc trưng địa mạo sườn dốc Фsd
(1000bsd ) 0.6
msd × I sd0.3 × (αH p % ) 0.4

Фsd=
Trong đó
msd : Hệ số nhám sườn dốc phụ thuộc vào đặc trưng địa mạo sườn dốc, lớp phủ
thực vật thưa => msd=0.2
Isd: Độ dốc sườn dốc lưu vực ‰
bsd:Chiều dài trung bình sườn dốc lưu vực xác định theo công thức sau:
bsd =

F
1.8( L + ∑ l )


Σl: Tổng chiều dài suối nhánh.
-Xác định được thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsd dựa vào Фsd và vùng
mưa theo phụ lục 4 trong sổ tay thiết kế đường tập 2.

-Xác định mô đun dòng chảy theo phụ lục 3 trong sổ tay thiết kế đường tập 2, dựa
vào thời gian tập trung nước trên sườn dốc τsd và hệ số đặc trưng địa mạo lòng suối Фls
Kết quả tính toán được lập thành bảng như sau
Với phương án tuyến thứ nhất
Công trình
Thông số

C1

C2

CT

C3

C4

XV

XV

XV

XV

XV

0.331

0.16

1.911

0.322

0.116

0.879

0.117

2.747

0.176

0.052

0

0

1.895

0

0

57.47

97.27

40.82

98.04

96.15

Độ dốc trung bình sườn isd(‰)
Hệ số nhám lòng suối mls
Hệ số nhám sườn dốc msd
Tần suất thiết kế p%

103.24
7
0.15

222.04
7
0.15

120.78
7
0.15

62.7
7
0.15

88.76
7

0.15

4

4

4

4

4

Lưu lượng mưa ngày Hp%
Hệ số dòng chảy lũ α

197

197

197

197

197

0.82

0.82

0.72

0.82

0.82

0.21

0.76

0.23

1.02

1.24

5.36

9.23

5.68

16.06

11.42

27.49

72.27

29.74

138.21

141.39

12.03

1.61

28.09

2.03

0.78

0.14

0.11

0.16

0.09

0.09

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

7.49
Cống
hộp
2x2

2.85
Cống
tròn
1.5

47.27

4.61

Cầu

Cống tròn

-

1.75

1.66
Cống
tròn
1.25

Vùng mưa
Diện tích lưu vực F(Km2)
Chiều dài suối chínhL(Km)
Chiều dài suối nhánhΣl(Km)
Độ dốc lòng suối ils(‰)

Chiều dài trung bình sườn dốc
bsd(Km)
Hệ số đặc trưng địa mạo sườn
dốc Фsd
Thời gian tập trung nước trên
sườn dốc τsd
Hệ số đặc trưng địa mạo lòng
suối Фls
Mô đun dòng chảy Ap%
Diện tích ao hồ đầm lấy
Hệ sô ảnh hưởng bởi ao hồ,
đầm lầy

Lưu lượng thiết kế Qp%
Loại công trình thoát nước
Khẩu độ dự kiến


Xác định chiều sâu nước dâng trước cống
Xác định H theo công thức thực nghiệm
Xác định chiều sâu phân giới hk
Chiều sâu phân giới hk phụ thuộc vào lưu lượng thiết kế Qtk
Tính tỷ số

Q 2tk
g.D 5

Tra bảng 10-3 trang 209 trong cuốn thiết kế đường tập 3 ta có
Chiều sâu nước chảy tại mặt cắt co hẹp
Chiều sâu mực nước dâng trước cống
Qc = ϕ c × ωc 2 g ( H − hc )

hc = 0.9hk

2

 Qc 

÷
ϕω
→ H =  c c  + hc
2g

Trong đó
φc : Hệ số vận tốc lấy bằng 0.82-0.85
ωc : Diện tích mặt cắt tại chỗ thắt hẹp dòng chảy
Kết quả tính được tổ hợp thành bảng như sau :
hk
TT
Qtk
D
hc
ωc
Q 2tk
3
5
(m )
(m)
(m)
(m2)
D
g.D

H
(m)

1
2
3
4

1.89
1.44

1.78
1.14

7.49
2.85
4.61
1.66

2x2
1.5
1.75
1.25

0.179
0.109
0.132
0.092

0.662
0.582
0.612
0.556

Bảng xác định chiều sâu phân giới hk

1.192
0.786
0.964
0.625

2.384
0.938
1.358
0.614

hk
D


Tính toán khẩu độ cầu nhỏ .
Xác định chiều sâu nước chảy lúc tự nhiên hδ
Dựa vào công thức seidy – manning
Q=ω.v
Trong đó
Q : lưu lượng nước chảy qua một mặt cắt
ω:Diện tích mặt cắt ướt. Dựa vào hình dáng mặt cắt và chiều sâu nước chảy ta
có thể dễ dang xác định được ω
v:Vận tốc dòng chảy tại vị trí công trình
Theo seidy –manning
v=C
C=R1/6i1/2
Trong đó
C : hệ số seidy
n: Độ nhám lòng sông
R : Bán kính thủy lực R=
χ :Chu vi ướt
i :Độ dốc lòng suối i=0.04082
- Xác định hδ
Giả sử một số mựa nước h, từ đó ta tính toán được các chỉ số và tìm được lưu
lượng Q tương ứng với mực nước đó, từ đây ta đi xây dựng đường cong quan hệ giữa

lưu lượng Q và mực nước h. Theo tính toán ở trên, ta đã tính được lưu lượng Q chảy
qua mặt cắt công trình cầu , tra biểu đồ ta vừa lập ra se sơ bộ xác định được chiều cao
nước chảy tự nhiên tại cầu.
Kết quả tính toán ta lập thành bảng sau :


h(m)
0.8
0.85
0.9
0.95
1

ω(m2)
χ(m)
R(m)
1/n
Q(m3/s) v(m/s)
11.129 14.066
0.791
12.5 24.043
2.160
12.392 14.194
0.873
12.5 28.587
2.307
13.694 14.321
0.956
12.5 33.567
2.451

15.036 14.449
1.041
12.5 38.993
2.593
16.416 14.576
1.126
12.5 44.879
2.734

1.05 17.837 14.704
1.213
12.5 51.237
1.1 19.296 14.832
1.301
12.5 58.078
1.15 20.795 14.959
1.390
12.5 65.416
1.2 22.333 15.087
1.480
12.5 73.262
tính toán trên ta lập được quan hệ Q~h như sau

2.873
3.010
3.146
3.280

Từ số
liệu

h(m)
1.5

1.021 1.0

0.5

20

30

40 47.27 50

60

Q (m3/s)

Ta có hδ =1.02m, vδ=2.79m/s
- Xác định chiều sâu phân giới hk
Chiều sâu phân giới được xác định như sau
ε 2ω k3
Bk

=

αQ 2
g

Trong đó

Q- Lưu lượng thiết kế
Bk, ωk : Chiều rộng và diện tích mặt cắt ướt tương ứng với chiều sâu phân
ε:Hệ số thu hẹp dòng chảy ε=0.9 với mố có mô đất ¼ nón α=1.1

+ Để xác định hk ta cũng sử dụng phương pháp thử dần

Giả định hk , từ dạng mặt cắt dòng sông tính toán được các giá trị
Bk, ωk , và giá trị hk là khi ta đạt được

giới hk


ω k3 αQ 2 1.1 × 47.27 2
= 2 =
= 309.32
Bk
ε g
0.9 2 × 9.81
Kết quả tính toán ta lập thành bảng như sau

hk(m)

ωk(m2)

Bk(m)

ω k3
Bk

1

1.05
1.1
1.15
1.146

16.416
17.837
19.296
20.795
20.674

26.225
27.012
27.799
28.586
28.523

168.703
210.082
258.461
314.587
309.794

=>hk=1.15m
1.3hk=1.3x1.15=1.49>hδ=1.02m
Chế độ chảy dưới cầu là chế độ chảy tự do, chiều sau nước chảy dưới cầu là h k
Khẩu độ cầu :Lc=Bk=28.5m
Tuy nhiên theo điều kiện địa hình , điều kiện xây dựng công trình ta chọn khẩu độ
cầu Lc=27+40+24x2

Với phương án tuyến thứ hai
C1
C2
XV
XV
Vùng mưa

C3
XV

C4
XV

C5
XV

C6
XV

cau
XV


F(Km2)
L(Km)
Σl(Km)
ils(‰)
isd(‰)
mls
msd

P%
Hp%
α
bsd
Фsd

0.0272
0.094
0

0.090
0.1
0

115.12 103.24 47.482 45.088
7
7
7
7
0.15
0.15
0.15
0.15
4
4
4
4
197
197
197

197
0.93
0.93
0.93
0.91
0.161
0.5
0.156 0.311
4.208 8.862
5.39
8.352

0.033
0.067
0
100.80
6
83.333
7
0.15
4
197
0.93
0.274
6.379

73.86

65.880 56.016 61.538

21.04

68.62

26.73

66.762

38.830

2.15
0.237
0
1
1.18
Cống
tròn
1.0

1.79
0.112
0
1
1.708
Cống
tròn
1.25

2.735
0.199

0
1
1.166
Cống
tròn
1

1.784
0.111
0
1
0.938
Cống
tròn
1

1.312
0.191
0
1
1.154
Cống
tròn
1

τsd
Фls
Ap%
Fao
δ

Qp%
Loại
công trình
Khẩu độ

0.032
0.114
0

0.047
0.084
0

0.039
0.025
0
150.78
4
48.958
7
0.15
4
197
0.93
0.867
14.945
124.35
7
0.410
0.094

0
1
0.670
Cống
tròn
1

7.663
8.414
0
22.439
97.58
7
0.15
24
221
0.73
0.506
9.147
72.574
71.869
0.128
0.021
0.927
146.69
Cầu
-

Tính chiều cao nước dâng trước cống.
Tương tự như phương án 1, kết quả được tổng hợp trong bảng sau

hk
TT
Qtk
D
hc
ωc
H
Q 2tk
3
2
5
(m )
(m)
(m)
(m
)
(m)
D
g.D
1
2
3
4
5
6

1.18
1.708
1.166
0.938

1.154
0.67

1
1.25
1
1
1
1

0.142
0.097
0.138
0.089
0.136
0.046

0.623
0.564
0.62
0.553
0.616
0.464

0.56
0.63
0.55
0.5
0.55
0.42

0.45
0.62
0.44
0.39
0.44
0.31

1.04
1.17
1.05
0.91
1.04
0.75

Tính toán thiết kế công trình cầu trung.
Lưu lượng thiết kế Qp%=146.691m3/s
Xác định chiều sâu nước chảy lúc tự nhiên hδ
Dựa vào công thức seidy – manning :Q=ω.v
Trong đó
-Q : lưu lượng nước chảy qua một mặt cắt
- ω:Diện tích mặt cắt ướt. Dựa vào hình dáng mặt cắt và chiều sâu nước chảy ta
có thể dễ dang xác định được ω


- v:Vận tốc dòng chảy tại vị trí công trình
-Theo seidy –manning
v=C
C=R1/6i1/2
Trong đó

C : hệ số seidy
n: Độ nhám lòng sông
R : Bán kính thủy lực R=
χ :Chu vi ướt
i :Độ dốc lòng suối i=0.04082
-Xác định hδ
Giả sử một số mựa nước h, từ đó ta tính toán được các chỉ số và tìm được lưu
lượng Q tương ứng với mực nước đó, từ đây ta đi xây dựng đường cong quan hệ giữa
lưu lượng Q và mực nước h. Theo tính toán ở trên, ta đã tính được lưu lượng Q chảy
qua mặt cắt công trình cầu , tra biểu đồ ta vừa lập ra se sơ bộ xác định được chiều cao
nước chảy tự nhiên tại cầu.
Kết quả tính toán ta lập thành bảng sau :
h(m)
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2

ω(m2) χ(m)
R(m)
Q(m3/s)
v(m/s)
18.833
3.927
4.796
100.283
5.325
21.424

4.189
5.115
119.086
5.559
24.191
4.450
5.436
140.033
5.789
27.117
4.712
5.755
163.053
6.013
30.220
4.974
6.075
188.401
6.234
33.480
5.236
6.394
215.972
6.451

Từ số liệu tính toán ta vẽ được biểu đồ quan hệ Q-h

Với QTK=146.691m3/s thì hδ=1.73m
-

Xác định chiều sâu phân giới hk

Chiều sâu phân giới được xác định như sau


ε 2ω k3 αQ 2
=
Bk
g
Trong đó
Q- Lưu lượng thiết kế
Bk, ωk : Chiều rộng và diện tích mặt cắt ướt tương ứng với chiều sâu phân giới hk
ε:Hệ số thu hẹp dòng chảy ε=0.9 với mố có mô đất ¼ nón
α=1-1.1
+ Để xác định hk ta cũng sử dụng phương pháp thử dần

Giả định hk , từ dạng mặt cắt dòng sông tính toán được các giá trị
Bk, ωk , và giá trị hk là khi ta đạt được
ω k3 αQ 2 1.1 × 57.56 2
= 2 =
= 2989 .805
Bk
ε g
0.9 2 × 9.81
Kết quả tính toán ta lập thành bảng như sau

hk
2.2
2.3
2.4

2.5
2.432

wk
Bk
40.513
36.830
44.275
38.500
48.204
40.170
52.313
41.850
52.920
40.710

1805.433
2254.317
2788.351
3420.747
2989.805

=>hk=2.43m
1.3hk=1.3x2.43 =3.16>hδ=1.73m
Chế độ chảy dưới cầu là chế độ chảy tự do, chiều sau nước chảy dưới cầu là h k
Khẩu độ cầu :Lc=Bk=40.71m
Chọn Lc=40m
Tuy nhiên theo điều kiện địa hình , để giảm áp lực đất đắp lên tường chắn, nên bố
trí mố cầu ở vị trí mà chiều cao đất đắp ≤5m . Chọn khẩu độ cầu Lc =24x2+40+24x3

6.1.3.Cống cấu tạo
Cống cấu tạo là cống dùng để thoát nước nền mặt đường, nước ở hai bên taluy nền
đường trong đoạn đường đào chảy theo rãnh dọc ra tới vị trí cống cấu tạo. Cống cấu
tạo được thiết kế với đường kính cống nhỏ nhất là 75cm, tối đa 500m rãnh phải bố trí
1 cống để thoát nước nền mặt đường.
Cống cấu tạo không cần phải tính toán thủy văn cống.
Cống cấu tạo được bố trí ở nền nửa đào nửa đắp, đào chữ L, hoặc đắp thấp. Khi
thiết kế đường đỏ người thiết kế cần chú ý tới điểm này để nước mưa, nước mặt
không ảnh hưởng tơi chất lượng khai thác nền mặt đường, và bảo vệ tuổi thọ của
đường.


6.2.THIẾT KẾ RÃNH DỌC
6.2.1. Nguyên tắc và các yêu cầu thiết kế
- Rãnh dọc được thiết kế ở các đoạn nền đường đắp thấp dưới 0.6m, ở tất cả các
đoạn nền đào, nền nửa đào nửa đắp và có thể bố trí ở một hoặc hai bên nền đường.
- Kích thước của rãnh được thiết kế theo cấu tạo mà không yêu cầu tính toán thuỷ
lực.(Chỉ những đoạn rãnh có độ dốc dọc lớn hơn hoặc bằng 500m mới yêu cầu kiểm
toán) .Tiết diện của rãnh thiết kế là tiết diện hình thang có chiều rộng đáy rãnh là
0.4m, chiều sâu tính từ mặt đất thiên nhiên là 0.4m, độ dốc taluy rãnh là 1:1.
6.2.2. Bố trí rãnh dọc
- Trên suốt chiều dài tuyến đường xây dựng do có diện tích sườn lưu vực đổ xuống
không lớn và do có nhiều khe tụ thuỷ nên lưu lượng nước chảy về rãnh dọc không
nhiều, vì vậy chúng ta không cần phải bố trí rãnh đỉnh mà chỉ cần làm rãnh dọc ở các
đoạn nền đắp thấp hơn 0.6m; ở tất cả các đoạn nền nửa đào nửa đắp và nền đường
đào.
Tại những vị trí chuyển từ nền đào sang nền đắp, nước trên rãnh dọc của nền đường
đào phải dẫn ra xa ngoài phạm vi của nền đường đắp hoặc phải xây dựng cống cấu tạo
để thoát nước ngang nền đường để đảm bảo an toàn cho nền đắp.
Để đảm bảo cho quá trình thi công được dễ dàng, thuận lợi cho việc áp dụng các

biện pháp thi công cơ giới, tôi thiết kế rãnh dọc có tiết diện hình thang (hình vẽ). Độ
dốc dọc của rãnh dọc lấy theo độ dốc của tim đường để tạo điều kiện thuận lợi cho
việc thi công.
Tiết diện của rãnh được thiết kế theo định hình như hình vẽ với hình dạng và kích
thước như sau. Taluy rãnh một bên lấy theo taluy nền, một bên lấy bằng.


6.2.3. Bố trí rãnh đỉnh
Khi diện tích lưu vực sườn núi đổ về đường lớn, rãnh dọc không thoát hết thì phải
bố trí rãnh đỉnh để đón nước từ sườn lưu vực chảy về phía đường và dẫn nước về công
trình thoát nước.
Thông thường với nền đường đào sâu từ 6m trở lên thì bố trí rãnh đỉnh. Rãnh đỉnh
phải làm cách mép ta tuy nền đường đào ít nhất 5m.


Chiều rộng tối thiểu của đáy rãnh đỉnh 0.5m, mái rãnh có độ dốc 1:1.5, chiều sâu
lấy theo tính toán không được nhỏ hơn 1,5m.
Dốc rãnh phù hợp với địa hình không được nhỏ hơn 0,5%. Lòng rãnh đỉnh và mái
dốc phía đường phải xây để trống nước vào mái đường.
Cấu tạo rãnh đỉnh

Rãnh đỉnh

Khi thiết kế trắc dọc phải chú ý điiều kiện địa hình để có thể dẫn nước về cống để
thoát nước mà không làm ảnh hưởng tới cường độ của nền mặt đường và không làm
xói lở mái ta luy nền đường.