Bài giảng môn học thiết kế đường ô tô: Chương 9 - Thiết kế hệ thống thoát nước mặt và thoát nước ngầm

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<b>CHƯƠNG 9 </b>

<b>THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỐT NƯỚC MẶT </b>

<b>VÀ THỐT NƯỚC NGẦM </b>

<b>3.1 Hệ thống thốt nước mặt và thoát nước ngầm </b>
<i><b>3.1.1 Hệ thống thoát nước mặt: </b></i>

<i>1) Độ dốc ngang của mặt đường và lề đường: </i>

- Độ dốc ngang của mặt đường dốc từ tim phần xe chạy về phía lề đường.
Độ dốc ngang phụ thuộc vào loại mặt đường. Mặt đường càng ít bằng phẳng thì
độ dốc ngang phải thiết kế càng lớn để đảm bảo nước không bị đọng thường
xuyên trên mặt đường, ngấm vào mặt đường, lớp móng và nền đất.

Mặt khác, độ dốc ngang mặt đường càng lớn thì càng bất lợi cho xe chạy:
xe có thể bị trượt khi trời mưa đường trơn, tải trọng xe phân bố không đều
xuống các bánh xe, bánh xe mịn khơng đều. Do vậy khi thiết kế cần chọn độ
dốc ngang tối thiểu để đảm bảo điều kiện thoát nước.

- Độ dốc ngang của lề đường thường làm dốc hơn độ dốc ngang của mặt
đường khoảng từ 1 – 2%. Cấu tạo lề đường thường làm bằng đất tự nhiên hoặc
gia cố, vật liệu gia cố phải cùng loại vật liệu làm mặt đường.

<i>2) Rãnh dọc (rãnh biên), rãnh đỉnh, thùng đấu,… </i>
<i>3) Dốc nước và bậc nước. </i>

<i>4) Các công trình thốt nước qua đường:</i> cầu, cống, đường thấm, đường

tràn.

<i><b>3.1.2 Hệ thống thốt nước ngầm: </b></i>

Tác dụng là ngăn chặn, tập hợp và hạ thấp mức nước ngầm, đảm bảo nền
đường luôn được khơ ráo, do đó cải thiện được chế độ thủy nhiệt của nền và
mặt đường.

Tóm lại, nước là kẻ thù số một của cơng trình đường. Nước gây xói lở cầu
cống, sạt lở ta luy nền đường. Nước ngấm vào nền mặt đường làm cho cường độ
chịu lực của nền đất và vật liệu mặt đường giảm đáng kể và do đó kết cấu nền
mặt đường dễ bị phá hỏng khi xe tải trọng nặng chạy qua. Do đó việc thiết kế
hệ thống thoát nước trên đường hợp lý có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế và
nâng cao chất lượng khai thác của đường ơ tơ.

<b>3.2 Thiết kế và tính tốn rãnh thốt nước </b>
<i><b>3.2.1 Những yêu cầu khi thiết kế rãnh: </b></i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

- Tiết diện và độ dốc của rãnh phải thiết kế như thế nào để tốc độ nước
chảy trong rãnh không nhỏ hơn tốc độ bắt đầu làm các hạt phù sa bị lắng đọng.
Vì sự lắng đọng của phù sa sẽ làm giảm khả năng thốt nước của rãnh, vì vậy
phải thường xun nạo vét rãnh.

Theo quy trình thiết kế đường, để lịng rãnh khơng bị ứ đọng bùn cát, độ
dốc lịng rãnh không được thiết kế nhỏ hơn 0,5%, trong trường hợp cá biệt là
0,3%.

- Khi thiết kế rãnh cố gắng giảm số chỗ ngoặt để tránh hiện tượng ứ đọng
bùn cát và gây xói lở tại những nơi này.

- Để đảm bảo nền đường khô ráo và rãnh khơng bị đầy tràn, cố gắng tìm
cách bố trí nhiều chỗ thốt nước từ rãnh ra khe suối hay những chỗ trũng gần

đấy.

<i><b>3.2.2 Các công thức tính tốn cơ bản: </b></i>

- Tốc độ nước chảy trong rãnh:

r
y
5
,
0
r

y

i
R
n
1
Ri
R
n
1

V= = +

- Khả năng thoát nước của rãnh:

Q = ω.V

- Bán kính thủy lực rãnh:

χ
ω
=

R

trong đó: n – hệ số nhám phụ thuộc vào loại vật liệu gia cố.

ω - tiết diện nước chảy của rãnh, m2_.

y – hệ số trong công thức sêzi, tra bảng.
ir – độ dốc của rãnh.

R – bán kính thủy lực, m.

χ - chu vi ướt, m.

Tiết diện nước chảy, bán kính thủy lực và chu vi ướt của các loại rãnh
được xác định:

+ Với rãnh hình thang (Hình 3.1a):

a) b) c)

1:m

1 1:m

2

b

h

0

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

Ta coù:

[

(

b m₁h₀ m₂h₀

)

b

]

h₀

(

b mh₀

)

h₀
2
1
+
=
ω
⇒
+
+
+
=
ω

(

)

(

)

0

,
2
0
2
2
0
2

0
1
2

0 m h h m h b mh

h

b+ + + + = +

=
χ

(

)

0
,
0
0
h
m
b
h
mh
b
χ
ω
R
+
+
=
=

Trong đó: b – chiều rộng đáy rãnh, m;

h0 – chiều sâu nước chảy, m;

m1 và m2 – hệ số mái dốc của hai ta luy bờ rãnh;

(

m1 m2

)

2
1

m= +

2
2
2
1
,
m
1
m
1

m = + + +

+ Với rãnh hình chữ nhật và rãnh hình tam giác (Hình 3.1b và Hình 3.1c):
vẫn dùng các cơng thức trên và xem chúng là những trường hợp đặc biệt của

hình thang: với hình chữ nhật cho m1 = m2 = 0; với hình tam giác cho b = 0.

Phân tích cơng thức tính khả năng thốt nước của rãnh ta thấy lưu lượng

nước chảy tỷ lệ thuận với bán kính thủy lực R. Với các tiết diện rãnh có ω

khơng đổi thì dạng rãnh có chu vi ướt χ nhỏ nhất sẽ cho khả năng thoát nước là

lớn nhất.

Trong các loại mặt cắt ngang rãnh có cùng ω thì hình trịn có χ là nhỏ

nhất, nghĩa là tiết diện rãnh nửa hình trịn sẽ cho khả năng thoát nước là lớn
nhất. Tuy nhiên để thuận tiện cho thi công, rãnh nền đường thường có dạng
hình thang hay hình tam giác.

<i><b>3.2.3 Trình tự tính tốn thủy lực rãnh: </b></i>

1) Xác định lưu lượng nước thiết kế của rãnh;

2) Giả thiết tiết diện của rãnh, chiều sâu nước chảy trong rãnh, sau đó

xác định các đặc trưng thủy lực: tiết diện dòng chảy ω, chu vi ướt χ, bán kính

thủy lực R;

3) Xác định khả năng thoát nước của rãnh và so sánh với lưu lượng nước
thiết kế, nếu chúng không sai nhau quá 10% thì chọn tiết diện vừa giả thiết để
thiết kế. Nếu sai số lớn thì giả thiết lại tiết diện và tính lại từ đầu.

4) Xác định tốc độ nước chảy trong rãnh, kiểm tra điều kiện xói lở và

chọn biện pháp gia cố.

5) Tính chiều sâu của rãnh: hr = h0 + 0,25m; với h0 – chiều sâu nước chảy

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

<b>3.3 Gia cố chống xói rãnh </b>
<i><b>3.3.1 Những quy định chung: </b></i>

Nói chung việc gia cố chống xói rãnh được chọn trên cơ sở của kết quả
tính tốn thủy lực. Tuy nhiên cũng có thể dựa vào độ dốc lịng rãnh để chọn vật
liệu gia cố.

<i><b>3.3.2 Các hình thức gia cố: </b></i>

<i>1) Lát cỏ:</i> dùng khi đáy rãnh rộng trên 1m. Khi đáy rãnh nhỏ hơn 1m thì

lòng rãnh gia cố bằng đá dăm sỏi, gạch vụn với chiều dày lớp gia cố 8 – 10cm;
còn cỏ chỉ lát 2 bên bờ ta luy.

<i>2) Lát đá:</i>

Tùy theo cỡ đá, chiều dày lớp đá gia cố có thể lấy như sau:
12 – 14cm với đá loại nhỏ;

14 – 16cm với đá loại vừa;
16 – 18cm với đá loại lớn;

Khi lát đá phải đảm bảo chúng thật khít nhau, các khe hở phải chèn kín
bằng đá con và phải được đầm lèn chặt.

<i>3) Bê tông đất sét:</i> làm bằng đất sét dẻo trộn với đá dăm, đá sỏi hay gạch

vụn. Chiều dày lớp gia cố khoảng 25cm.

<i>4) Đất gia cố nhựa:</i> nên dùng với đất cát hoặc cát pha sét. Chiều dày lớp

gai cố từ 5 – 10m.

<i>5) Gia cố bằng bê tông:</i> khi tốc độ nước chảy trong rãnh lớn, có thể dùng

tấm bê tơng kích thước 50 x 50 x 8cm để gia cố.

Việc chọn biện pháp gia cố chống xói rãnh cịn dựa vào tốc độ nước
chảy, ý nghĩa của kênh rãnh và điều kiện vật liệu tại chỗ.

<b>3.4 Rãnh dọc và rãnh đỉnh </b>
<i><b>3.4.1 Rãnh dọc (rãnh biên): </b></i>

Rãnh dọc cần làm ở các đoạn nền đường đào, nửa đào nửa đắp và nền
đường đắp thấp hơn quy định. Rãnh dọc dùng để thoát nước khi mưa từ mặt
đường và diện tích hai bên đường, đảm bảo cho nền đường luôn được khô ráo,
cường độ của nền mặt đường ln được ổn định.

Kích thước của rãnh dọc thường được thiết kế theo cấu tạo mà không u
cầu tính tốn thủy lực. Kích thước của rãnh dọc có thể là hình thang, hình tam
giác hoặc hình chữ nhật.

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

Phổ biến nhất là dùng rãnh có tiết diện hình thang có chiều rộng đáy rãnh
là 0,4m, chiều sâu tính từ mặt đất thiên nhiên tối thiểu là 0,3m. Độ dốc ta luy
rãnh thường lấy 1:1.

Ở những nơi cấu tạo địa chất là cát, sỏi, đá dăm nếu đảm bảo nước có thể
thấm nhanh xuống phía dưới thì có thể khơng làm rãnh.

Để đảm bảo an tồn xe chạy, rãnh dọc không nên làm quá sâu (sâu quá
1m). Nếu sâu q thì phải làm rãnh đỉnh để khơng cho nước từ sườn lưu vực
chảy về rãnh dọc.

Khi quy hoạch hệ thống thoát nước mặt chú ý không để nước từ rãnh nền
đường đắp chảy sang nền đường đào, không cho nước chảy từ các rãnh khác
chảy về rãnh dọc mà phải tìm cách thốt nước từ rãnh dọc về những chỗ trũng
gần đấy hoặc cho chảy qua đường nhờ các cơng trình thốt nước như cầu, cống.

Đối với rãnh có tiết diện hình thang thì cứ 500m (tối đa) và hình tam giác
là 250m phải tìm cách thốt nước từ rãnh qua đường nhờ cống cấu tạo. Đối với
cống cấu tạo khơng u cầu tính tốn thủy lực.

<i><b>3.4.2 Rãnh đỉnh: </b></i>

Khi diện tích lưu vực sườn núi đổ về đường lớn, rãnh dọc khơng thốt hết
thì phải bố trí rãnh đỉnh để đón nước từ lưu vựa chảy về phía đường và dẫn
nước về những chỗ trũng. Khi thiết kế rãnh đỉnh cần tuân theo một số nguyên
tắc sau:

- Rãnh đỉnh thiết kế với tiết diện hình thang, chiều rộng đáy rãnh tối
thiểu là 0,5m, mái dốc ta luy bờ rãnh là 1:1,5. Chiều sâu rãnh xác định theo tính
tốn thủy lực, nhưng không nên sâu quá 1,5m.

- Độ dốc của rãnh đỉnh thường chọn theo điều kiện địa chất (tốc độ nước
chảy trong rãnh khơng gây xói lở lịng rãnh). Để tránh ứ đọng bùn cát thì độ
dốc của lịng rãnh khơng nên nhỏ hơn 0,3 – 0,5%.

- Ở những nơi địa hình sườn dốc lớn, địa chất xấu dễ bị sạt lở thì phải
thiết kế hai hoặc nhiều rãnh đỉnh. Vị trí của rãnh đỉnh phải cách mép ta luy nền
đường đào ít nhất là 5m, đất thừa do đào rãnh đỉnh được đắp sát bờ rãnh làm
thành con trạch (Hình 3.2).

>5m

2%
Con trạch

Rãnh dọc

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

<i>hk</i>

<i>lg</i>

<i>P</i>

<i>hk</i>

<i>H</i>
<i>d</i>

<i>lT</i>

<b>Hình 3.6 Sơ đồ tính tốn bậc nước có giếng tiêu năng </b>

<i>1) Chọn chiều rộng bậc nước b:</i> thường lấy bằng khẩu độ cơng trình thốt

nước, hoặc lấy theo tiêu chuẩn lưu lượng 0,5 – 1m3_{/s cho 1 mét chiều rộng bậc}

nước.

<i>2) Định số bậc nước và xác định chiều sâu nước đổ xuống bằng cách chia </i>
<i>chiều cao nước đổ toàn bộ trong đoạn thiết kế bậc nước cho số bậc nước đã giả </i>
<i>thiết. </i>

<i>3) Xác định chiều sâu nước chảy tại cửa vào bậc nước:</i> lấy bằng chiều sâu

nước chảy phân giới hk:

2/3
k

b
Q
0,47

h 






=

<i>4) Xác định chiều sâu sau bước nhảy thủy lực: </i>

k
''
c
''
c ε h

h =

''
c

ε - xác định theo đồ thị.

<i>5) Xác định chiều sâu nước trước tường tiêu năng: </i>

h = H + d = 1,7hk + d

<i>6) Kiểm tra điều kiện nước chảy ngập: </i>

''
c

h
1
,
1
h≥

Nếu điều kiện này khơng được thỏa mãn thì phải giả định lại d và lập lại
tính tốn cho đến khi thỏa mãn.

<i>7) Xác định chiều dài tối thiểu cho phép của giếng: </i>

lg = l1 + l2

l1 – độ xa của dòng nước đổ xuống đáy:

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

k
k

h
.
b

Q
v =

g – gia tốc rơi tự do;

y – chiều cao nước đổ xuống của dòng chảy:

2
h
d
P

y= + + k

l2 – chiều dài bước nhảy thủy lực:

(

c

)

''
c
2 3h h

l = −

hc – chiều sâu tại tiết diện thắt hẹp trong giếng được xác định theo đồ thị

tương tự như khi xác định ''

c

h : hc = εc.hk

<i>8) Xác định chiều dày tường tiêu năng theo công thức: </i>

lT = 3hk

<i>9) Kiểm tra điều kiện bố trí bậc nước tại nơi thiết kế:</i> bằng cách xác định

độ dốc đặt bậc nước.

g
T
b

l
l

P
i

+
=

Độ dốc ib không được nhỏ hơn độ dốc địa hình nơi làm bậc nước, nếu

khơng thỏa mãn thì phải giả thiết lại số bậc, xác định lại kích thước của bậc

nước. Cịn nếu ib lớn hơn độ dốc địa hình thì tăng chiều dài bậc nước, như vậy

cải thiện điều kiện ngập của dòng chảy và xem như các bước tính tốn trên là
thỏa mãn. Chiều dài của giếng xác định lại theo độ dốc i của địa hình:

T
'

g l

i
P
l = −

</div>

<!--links-->