Thủy văn công trình Chương 4

Chương IV

KHẨU ĐỘ CẦU VÀ XÓI DƯỚI CẦU

1


4.1. Chọn vị trí công trình, nhiệm vụ
thiết kế và quy định tần suất lũ TK
4.1.1. Giới thiệu chung về các hạng mục công trình cầu.
7

6

7

5

4
1
3

2

7

2
6

7

Hình 4.1. Sơ đồ khẩu độ cầu.
1. Phần khẩu độ cầu thoát
nước.
2. Kè hướng dòng.
3. Đường.
4. Kè bảo vệ đường.
5. Kè bờ lòng sông.
6. Mép lòng sông.
7. Mép lũ thiết kế.

2


4.1.2. Nhiệm vụ thiết kế.
a) Phân tích thủy văn:
 Phân tích tần suất lũ tại nơi vượt dòng chảy.
 Lũ thiết kế được lựa chọn dựa vào cơ sở kinh tế, xây
dựng công trình, xã hội, chính trị và môi trường.
 Xác định lưu lượng và mực nước lũ thiết kế, đường quá
trình lũ thiết kế thay đổi theo thời gian, các mực nước
thông thuyền, thi công, mực nước thấp nhất và thời gian
kéo dài cấp mực nước đã nêu.
b) Phân tích thủy lực:
 Xây dựng quan hệ lưu lượng và mực nước.
 Xác định phân phối dòng chảy và phân phối tốc độ.

3


Các yêu cầu bắt buộc đối với thiết kế thủy lực CT vượt sông:

 Nước dâng không làm tăng đáng kể tác hại của lũ đến tài sản,
nhà cửa, ruộng vườn, các công trình xây dựng ven sông phía
thượng lưu cầu.
 Tốc độ dòng chảy dưới cầu không gây hại cho cầu, đường và tài
sản, nhà cửa công trình phía hạ lưu.
 Duy trì phân phối lưu lượng trong phạm vi thực tế.
 Sự tập trung dòng chảy do diện tích trụ, mố chiếm chỗ ít ảnh
hưởng đến dòng chảy bình thường và giảm thiểu tiềm ẩn xói lở.
 Thiết kế móng trụ, mố hạn chế xói lở gây sập cầu.
 Đủ tĩnh không thông thuyền và cây trôi mũa lũ.
 Tác động xấu ít nhất đến hệ sinh thái lòng và bãi sông.
 Chi phí xây dựng, duy tu bảo dưỡng khai thác sửa chữa được
đảm bảo về mặt pháp lý.
4


4.1.3. Vị trí vượt dòng.
 Phù hợp với tuyến đường, song phải tính đến các điều kiện cụ thể
nơi vượt dòng về mặt thủy văn, địa chất công trình, thông thuyền,
cây trôi, môi trường sinh thái.
 Cầu nên bố trí ở nơi có nền địa chất tốt, đá gốc gần mặt đất, không
có phong hóa và không có thế nằm trượt ra sông, không có hiện
tượng Catsto, không sụt lở.
Cụ thể là:
 Hướng dòng sông song song với bãi sông, hay lệch một góc nhỏ;
đoạn sông ổn định, lạch sâu rõ ràng, thẳng hay là đường cong trơn,
bán kính lớn, êm thuận.
 Bãi sông nhỏ và ở cao trình cao, không bị lầy, không có đầm, hồ,
không có sông nhánh, cũ.
 Nếu hướng dòng chảy và dòng bãi không song song thì nên vuông

góc với hướng chung song nên lệch về dòng chủ, cũng có thể
vuông góc với dòng bãi khi bãi thông qua trên 70% lưu lượng
chung.
5


4.1.3. Vị trí vượt dòng.
Cụ thể là:
 Mặt cắt ngang làm cầu không nên qua nơi có doi cát, bãi
nối và dòng sông phân nhiều lạch.
 Không nên đi qua dưới cửa sông nhánh tránh trầm tích
đọng bùn cát.
 Đối với sông có vận tải thủy, thông tàu thuyền, cầu nên
làm vuông góc với hướng thông thuyền, lạch tàu thuyền
tương ứng với các mực nước.
 Không đặt cầu tại nơi lạch tàu đi chéo từ bờ này sang
bờ kia.

6


4.1.4. Tần suất thiết kế.
Bảng 4.1. Tần suất lũ thiết kế theo TCVN4054-2005.
Cấp thiết kế của đường
Tên công trình
Cao tốc
Cấp I,II
Cấp III đến VI
Nền đường, kè

Theo tần suất tính toán cầu hoặc cống

Cầu lớn, cầu trung

1

1

1

Cầu nhỏ, cống

1

2

4

Rãnh đỉnh, rãnh biên

4

4

4

Ghi chú:
(1) Đối với đường ô tô nâng cấp, cải tạo nói chung phải tuân theo những quy
định về tần suất lũ thiết kế như đối với đường mới. Trường hợp khó khăn về kỹ thuật
hoặc phát sinh khối lượng lớn thì cho phép hạ tiêu chuần về tần suất tính toán ghi

trong Bảng 4.1, nhưng phải được cấp có thẩm quyền phê duyệt.
(2) Nếu trong khảo sát điều tra được mực nước lịch sử cao hơn mực nước lũ
tính toán theo tần suất quy định trong bảng trên thì đối với cầu lớn phải dùng mực
nước lũ lịch sử làm trị số tính toán.
(3) Tại các đoạn đường chạy qua khu đô thị và các khu dân cư, cao độ thiết
kế nền đường được quy định theo cao độ thiết kế quy hoạch khu dân cư và tần suất lũ
tính toán các công trình thoát nước và nền đường theo tiêu chuẩn thiết kế đường đô
thị.

7


4.1.4. Tần suất thiết kế.
Bảng 4.2. Tần suất lũ thiết kế theo 22TCN273-05.
Loại công trình

Cấp đường
Cao tốc, cấp I

Nền đường

Cấp II,III

Cấp IV

Như đối với cầu nhỏ và cống

Cầu lớn, cầu trung

1

1

2

Cầu nhỏ, cống

1

2

4

Rãnh

4

4

4

Ghi chú:
(1) Đối với các cầu có khẩu độ Lc  10m và các kết cấu vĩnh cửu thì tần suất lũ
tính toán lấy bằng 1:100, và không phụ thuộc vào cấp đường.
(2) Đối với đường nâng cấp cải tạo nếu có khó khăn lớn về kỹ thuật hoặc phát sinh
khối lượng lớn thì cho phép hạ tiêu chuẩn về tần suất lũ tính toán nếu được sự
đồng ý của cơ quan có thẩm quyền.
(3) Đối với các cầu lớn, để đảm bảo mố, trụ không bị xói, cần phải tính toán kiểm
tra xói trên cơ sở lũ 500 năm (trừ khi chủ đầu tư đưa ra tiêu chí khác).

8


4.2. TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT,
THỦY VĂN.
4.2.1. Đặc điểm địa hình, địa chất.
Số liệu khảo sát địa hình là cơ sở để lựa chọn vị trí
đặt công trình, nghiên cứu thủy lực và kết cấu nền
móng. Tài liệu về địa hình, địa chất bao gồm:
+ Bình đồ khu vực cầu, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang
dưới cầu trước khi làm cầu.
+ Mặt cắt ngang dưới cầu hiện tại.
+ Địa chất hai bờ và đáy sông, lớp đá gốc.
+ Sự bồi tích, xói mòn, xói lở.

9


4.2. TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT,
THỦY VĂN.
4.2.2. Tài liệu thủy văn.
Tài liệu thủy văn cần thiết phải dựa vào phương
pháp sẽ áp dụng để đánh giá lũ; song thông
thường phải có:
+ Các thông tin về các trận lũ (Lưu lượng, mực
nước các trận lũ trong các năm).
+ Điều kiện khí tượng, khí hậu (Lượng mưa).
+ Các đặc trưng của lưu vực.
+ Kích thước, hình dạng sông.
+ Phiếu điều tra mực nước.

10


4.2. TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT,
THỦY VĂN.
4.2.3. Tài liệu môi trường.
+ Những thông tin cần thiết xác định tính nhạy cảm
của môi trường tại nơi vượt dòng và thông tin về
vùng đất trũng.
+ Thông tin về dòng chảy và lưu lượng bùn cát.
+ Thông tin cần thiết xác định mức độ và sự cần
thiết phải đưa ra và thiết kế các biện pháp giảm
thiểu: các loại cá, thủy sinh, phân tích bùn cát, sử
dụng nước và chất lượng nước.

11


4.2. TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT,
THỦY VĂN.
4.2.4. Các đặc trưng dòng chảy.
+ Mặt cắt ngang dòng sông để xây dựng quan hệ
mực nước- lưu lượng.
+ Mặt cắt dọc sông để xây dựng đường mặt nước,
độ dốc dọc.
+ Số liệu về sử dụng đất, diện tích có cây che phủ,
vật liệu đáy sông để xác định độ nhám và tính mô
đun lưu lượng.

12


4.3. HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.
Để là quy hoạch và chọn vị trí vượt dòng, người kỹ
sư cần hiểu rõ hình thái dòng sông và sự thay đổi
do công trình vượt dòng gây ra. Diễn biến dòng
sông liên quan đến vị trí chọn công trình có thể
thông qua các thông tin sau:
+ Các yếu tố địa chất, thạch học.
+ Các yếu tố thủy văn.
+ Đặc trưng hình thái địa chất.
+ Đặc trưng thủy lực: chiều sâu dòng chảy, tốc độ,
độ dốc, chiều rộng, lưu lượng bùn cát, xói, bồi tích,
vị trí lòng lạch thay đổi theo không gian và thời
gian.

13


4.3. HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.
4.3.1. Sông thẳng
 Chiều dài lạch sâu nhất trên chiều dài thung lũng nhỏ
hơn 1,5 và lạch sâu uốn lượn trong phạm vi chiều
rộng kênh mùa lũ.
 Lạch sâu đối diện với bãi cát liền bờ và so le nhau dọc
theo dòng chảy, dịch chuyển xuôi dòng dưới tác dụng
của dòng chảy.
 Đoạn này địa chất bờ thường khó xói, thuận lợi cho
xây dựng công trình vượt dòng.

14


4.3. HèNH THI ON SễNG.
4.3.2. Sụng un khỳc
S .Đ

u ốn g
T ứ K ỳ (H ải H ưng)

b)
Hà
N ội

S .L u ộc

X uân Q uang

H ữu C hung

V ạn
P húc
a)
N g hi X uyên

V ĩnh B ảo (H ải Phòng)

Q uang
L ãng

HƯNG
Y ÊN

S .L u ộc

15


4.3. HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.
4.3.2. Sông uốn khúc
 Gồm các khúc sông cong hình chữ S.
 Sự hình thành và giảm độ cong là kết quả của hai quá
trình biến dạng ngang và dọc của kênh. Khúc cong là
do quá trình xói, làm lở bờ sông, cuốn trôi bùn cát về
phía bờ lồi ở hạ lưu làm đoạn cong hẹp lại càng thúc
đẩy xói tăng khiến khúc cong càng cong hơn.
 Những bờ lõm ở sông cong là hiểm họa đối với cầu
đường. Do vậy, việc thiết kế công trình vượt dòng ở
những đoạn sông cong khá phức tạp vì khó dự đoán
sự phân phối dòng lũ.

16


4.3. HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.
4.3.3. Sông phân lạch
 Trên MB đường mép nước có hình dạ dày, thắt nút hai đầu và
phình rộng ở giữa. Nơi phình rộng sông chia làm nhiều lạch
(thường 2, 3 lạch), trong đó có một lạch chính, giữa các lạch là

bãi giữa. Bãi giữa thường có cao độ gần bằng bãi sông, ngập
trong mùa lũ, lộ ra trong mùa nước trung và kiệt.
 Chế độ thủy văn, thủy lực và hình thành của đoạn sông rất phức
tạp; về thủy văn phải xác định đồng thời lũ ở cả hai sông; về thủy
lực thì phải phân phối dòng chảy, độ dốc thủy lực, tốc độ dòng
chảy, tất cả đều phụ thuộc vào sự thay đổi tương đối giữa lưu
lượng và mực nước ở hai sông.

17


4.3.4. Quan hệ hình thái giữa các yếu tố của MCN


Quan hệ hình thái theo phương trình liên tục của dòng
ổn định:
B
Q
h

Sử dụng CT Sedi có:



Vh 2

B QS1,5
 3 4
h n V

trong đó tốc độ V và độ dốc thủy lực S vừa là điều kiện
quy định, vừa là kết quả của diễn biến lòng sông phù
hợp với tải bùn cát từ thượng lưu tới.


Quan hệ hình thái theo Velikanov:
B
Q
 5, 6[ 2
]0,4
d
d gdS

H
Q
 0, 29[ 2
]0,35
d
d gdS
18


4.3.4. Quan hệ hình thái giữa các yếu tố của MCN


Quan hệ hình thái theo Grishanin:
MQ 0,5
R
(gP)0,25
MQ 0,5

h
(gB)0,25

M thay đổi: (0,75  M  1,05); M lớn khi tích tụ bùn cát,
M nhỏ khi bị xói.

19


4.4. KHẨU ĐỘ CẦU VÀ DỰ ĐOÁN XÓI DƯỚI CẦU.
4.4.1. Vị trí khẩu độ thoát lũ.
 Vị trí khẩu độ thoát lũ với sông có bãi bị ngập lũ rộng là
rất phức tạp. Nhìn chung khẩu độ bố trí tại lòng sông
với chiều dài thoát lũ lớn hơn hay bằng chiều rộng lòng
sông kết hợp với thoát lũ ở bãi sông.
 Đối với đoạn sông có lòng, bãi rõ ràng, bãi nhỏ, nông
thì chỉ cần bố trí một khẩu độ thoát lũ ở lòng sông.
 TH bãi sông lớn, có nhiều lạch nhỏ, có vùng tụ nước và
lưu lượng bãi chiếm một phần đáng kể so với tổng lưu
lượng thì phải bổ sung công trình vượt lũ qua bãi để
không phá vỡ sự phân bố lưu lượng và hướng dòng
chảy tự nhiên, tránh dòng chảy dọc theo đường bãi
sông trên phạm vi dài, tránh ngập lụt lớn ở thượng lưu...
20


4.4. KHẨU ĐỘ CẦU VÀ DỰ ĐOÁN XÓI DƯỚI CẦU.
4.4.2. Nguyên lý tính chiều dài thoát nước dưới cầu
và xói chung.
Cầu vượt dòng chảy được thiết kế thu hẹp một phần hay

không thu hẹp dòng chảy.
 Cầu không thu hẹp dòng chảy thường áp dụng với sông thông
thuyền, sông vùng núi, sông đã kênh hóa trong khu vực đô thị.
 Cầu qua dòng chảy tự nhiên nhất là đối với sông vùng đồng bằng
thường có chiều dài nhỏ thua chiều rộng ngập lũ tính toán.
Dòng chảy lũ bị thắt hẹp khi qua cầu nên phát sinh xói lở, thắt
hẹp càng nhiều xói lở càng lớn, xói lở đe dọa sự ổn định của cầu
và đường dẫn vào cầu. Do đố xói lở dưới cầu phải ở phạm vi cho
phép và móng của mố trụ cầu phải ở dưới chiều sâu xói lở. Khẩu
độ thoát lũ, nước dâng trước cầu và xói lở dưới cầu luôn đi cùng
nhau, trong đó nước dâng và xói lở là hai kết quả của cùng một
nguyên nhân là khẩu độ thoát lũ thắt hẹp dòng chảy lũ bình
thường.
21


4.4. KHẨU ĐỘ CẦU VÀ DỰ ĐOÁN XÓI DƯỚI CẦU.
4.4.3. Xói dưới cầu.
a. Phân loại xói:
Nghiên cứu chỉ ra dưới cầu có ba loại xói làm hạ thấp
cao độ đáy sông:
 Xói tự nhiên: do sự biến dạng (xói và bồi) tự nhiên
của lòng sông, không phụ thuộc vào sự có mặt của
công trình trên sông mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố
khác như chế độ thuỷ văn, điều kiện địa chất, sự khai
thác nguồn nước ...; Muốn xác định phải có tài liệu
quan trắc trong nhiều năm.
 Xói chung (xói thu hẹp): do dòng chảy trên sông bị
cầu thu hẹp.
 Xói cục bộ: do trụ và mố cầu cản dòng nước, xảy ra ở

sát chân công trình, hố xói có dạng hẹp và sâu.
22


Sơ đồ các loại xói dưới cầu

23


a. Phân loại xói:
Nếu ba loại xói này xảy ra đồng thời tại một nơi, thí
dụ tại chân trụ cầu thì ảnh hưởng của xói theo nguyên lý
cộng tác dụng là tổng số học của ba loại xói thành phần.
Chiều sâu dòng nước sau xói cục bộ tại trụ là:
hxtr. = hxtn. + Dhxch. + Dhxcb
hxtr: chiều sâu dòng nước tại trụ sau xói cục bộ tính từ
mực nước thiết kế, m;
hxtn: chiều sâu dòng nước tại trụ sau xói tự nhiên (đã
xét tới khả năng biến dạng tự nhiên của lòng sông)
tính từ mực nước thiết kế, m;
Dhxch: chiều sâu xói chung do cầu thu hẹp dòng chảy,
m;
Dhxcb: chiều sâu hố xói cục bộ tại chân trụ, m.
24


Cầu Kaoping, Đài Loan

25