c. Thiết bị thoát nớc bằng đá xếp - Khi chiều sâu nớc phía hạ lu h h , chiều cao lăng thể đá thoát nớc bằng: h g = h h + C + 0,30 (7- 32a) nhng không đợc nhỏ quá 1m. - Phơng pháp xây đá phải dựa sát hòn đá tơng đối lớn vào taluy ngoài. d. Tầng nghiêng thoát nớc - Khi chiều sâu nớc phía hạ lu là h h , chiều cao tầng thoát nớc nghiêng bằng: h g = h h + C (7 - 32b) Nhng không đợc nhỏ quá 1,2m. 7.2.5. Xác định cao độ đỉnh kè hớng dòng và kè chữ T Cao độ đỉnh kè hớng dòng xác định theo cấp tuyến đờng. Quy phạm hiện nay quy định là cao độ đỉnh kè phải ở trên cao độ mực nớc theo tần suất thiết kế của nền đờng + trị số ứ dềnh trớc cầu + chiều cao sóng vỗ + 0,25m. Độ dốc ở đầu kè và cuối kè tính theo độ dốc thiên nhiên của mực nớc thiết kế i). Ví dụ: Tài liệu gốc: Chiều dài kè phía thợng lu l T = 330m, kè phía hạ lu 1 H = 105m, khoảng cách từ chân kè tới kè T thợng lu l im = 860m, i = 0,003, h sb = 0,60m; h sb = 0,40m (xét tới rừng cây), lu tốc bình quân dới cầu trớc xói: Vm = 2,10m/s; lu tốc bình quân thiên nhiên khi cha bị thắt hẹp: V o = 0,45m/s, lu tốc bình quân chảy vòng sau kè T: V = 1,10m/s, chiều sâu nớc bình quân trên bãi h 1 = 1,5m, H tt = 125,08m, góc doãng của kè T phía hạ lu = 115 o , z = 0,33m. trong đó: H tt : mực nớc tính toán với tần suất thiết kế, m; h sb , h sb : chiều cao sóng xâm thực vào bờ nền đờng về phía thợng lu và hạ lu, m. Z: chiều cao nớc dâng cao nhất trớc cầu, m. Bố trí tổng bình đồ cầu xem hình 7 - 23 Tính toán + Độ dốc ngang của dòng nớc phía thợng lu, căn cứ vào công thức của M.B.Mikhailôp: 82,0 33,05,1 5,1 1 1 zh h Tra bảng 5 - 2 đợc = 0,26 vậy i b = 0,26 x 0,003 = 0,0008 + Cao độ vai kè hớng dòng phía thợng lu dựa vào mực nớc đầu kè để tính (kể cả ứ dềnh) H vb = H tt + z + il T + h sb + 0,25 = 125,08 + 0,33 + 0,0003 x 330 + 0,60 + 0,25 = 126,36m + Cao độ vai kè hớng dòng phía hạ lu: H VH = H tt + h sb + 0,25 = 125,08 + 0,40 + 0,25 = 125,73m Cao độ vai kè T phía thợng lu nền đờng: H TB = H tt + z + i1 T +i b .l im + h sb + 0,25 = 125,08+ 0,33 + 0,10 + 0,00008 x 860 + 0,60 + 0,25 = 126,43m. + Khi lu tốc gần kè T vợt quá 0.5m/s, cao độ đỉnh kè phải xét tới cả chiều cao ứ lên do nớc chảy trên kè. Chiều cao này tính theo công thức gần đúng của Litstơvan. h = 0,1V 2 (1+cos) trong đó: V: lu tốc cạnh kè T, m/s. : góc doãng của kè T thuận theo dòng nớc Chiều cao ứ do nớc chảy ở kè T phía hạ lu: h = 0,1 x 1,10 2 (1 + cos 115 o ) = 0,07m + Cao độ đỉnh kè T phía hạ lu nền đờng: H đH = H tt + h - i (1 H + l im ) + h sb + 0,25 = 125,08 + 0,70 - 0,0003 x (105 + 580) + 0,40 + 0,25 = 125,59m 7.2.6. Tính xói ở công trình điều tiết a. Xói chung hình thành do dòng nớc luôn luôn bị kè hớng dòng bóp hẹp, phơng pháp tính toán xem chơng IV. b. Xói cục bộ hình thành do lực xung kích của dòng nớc đối với ta luy công trình, giả thiết góc xung kích. g V mg tgV h cp c ch 2 2 2 6 1 2 .23 (7 - 33) trong đó: V cp : vận tốc cho phép không xói của đất lòng sông, m/s; g: gia tốc trọng lực, g = 9,81m/s 2 ; : góc làm thành giữa hớng nớc chảy và kè tại chỗ tính xói; m: độ dốc mái công trình; V c : vận tốc nớc chảy tại chỗ tính xói của kè, m/s. Theo ý kiến của một số tác giả nh Anđrayev, Bondakov, nếu dạng kè thiết kế đúng thì trị số vận tốc tại các vị trí dọc kè có thể xem nh không đổi và lấy bằng vận tốc dới cầu lúc cha có xói lở. Theo các tài liệu hớng dẫn tính toán thuỷ văn khác thì trị số V c có thể tính theo công thức dới đây: g g cb b c x hB Q V 1 2 . (7 -34) trong đó: h c : chiều sâu nớc tại công trình sau khi xói chung, m/s; Q b : lu lợng bãi sông giữa mép lòng chính tới chân kè, m 3 /s; B b : chiều rộng thay đổi dòng nớc trên bãi sông cạnh công trình (tính từ khoảng cách giữa mép lòng chính tới chân kè, do song song với đờng trên cầu), m; g : hệ số lu tốc phân phối không đều trên mặt cắt, đối với kè hớng dòng cong là 1 - 3, đối với phần đầu kè thẳng có thể dùng 4; : góc dẫn nớc thay đổi giữa đờng tim dòng nớc với tiếp tuyến của công trình - Khi < 20 o thì xói cục bộ do dòng nớc chảy đập vào công trình không cần xét; - Khi = 90 o , dòng nớc đập vào phần đầu kè hớng dòng hoặc phần đầu kè mỏ hàn, lúc đó 2 tg = 1 và công thức tính xói cục bộ có dạng: g hV mg V h cPc ch 2 2 2 6 1 23 (7 -35) Xói cục bộ đầu kè hớng dòng và tứ nón ở cầu (khi không có kè) có thể tính theo công thức (7 - 33) và dùng g = 4. Chiều rộng dòng nớc bãi sông chỗ tứ nón dùng chiều rộng phần bãi chỗ cầu, nếu dới cầu không có bãi sông, lu tốc xói cục bộ có thể thay đổi tính theo công thức sau: g g Pc VV 1 2 (7 - 36) trong đó: V P - Lu tốc tính toán dới cầu sau xói chung, m/s; Bố trí công trình chắn nớc không ngập trong phạm vi lòng sông (nh kè T, kè đỉnh xiên), xói cục bộ chỗ phần đầu tính theo công thức sau: 2 2 1 2 1 23 mg IKV h c ch (7 -37) trong đó: K 1 - Hệ số lu tốc cục bộ tăng do kè T thắt hẹp dòng nớc gây nên. Tra bảng 7 - 14, theo tỷ số b l KN trong đó: l KN: chiều dài kè bị ngập lúc mực nớc bình thờng, đo từ đầu kè đến đờng mép nớc 2 bờ khi mực nớc thờng, m; b: chiều rộng lòng sông khi mực nớc thờng, m. Nếu những kè trên bị ngập nớc thì phải kiểm tra trị số xói cục bộ khi kè bị ngập. Công thức tính xói cục bộ khi kè bị ngập có dạng tơng tự nh công thức (7 - 37) nhng thay hệ số K 1 bằng hệ số K 2 . Bảng 7 -14 Biểu hệ số K 1 , K 2 L KN /b 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 K1 1,50 1,75 2,00 2,50 3,00 3,75 K2 1,40 1,50 1,80 2,20 2,60 3,00 Có thể tham khảo thêm các công thức giới thiệu trong chơng IV về xói cục bộ ở mố cầu để tính toán xói lở ở đầu kè. Đ7.3. Công trình điều tiết dòng sông Trong thiết kế công trình điều tiết dòng sông, các vấn đề cần xét và tính toán cụ thể đều có liên quan mật thiết đến nền đờng bãi sông, công trình cải sông và nắn thẳng, công trình phòng hộ và gia cố. ở đây chỉ giới thiệu một số công trình thờng dùng trong cầu đờng nh kè ngang và kè thuận. 7.3.1. Khái niệm a. Tính chất làm việc của công trình điều tiết dòng sông Công trình điều tiết dòng sông và công trình phòng hộ bờ do tính chất làm việc khác nhau nên về bố trí bình diện hình thức và kết cấu cũng khác nhau. Công trình phòng hộ bờ là dùng trực tiếp bảo vệ, bờ sông hoặc nền đờng tránh nớc sông uy hiếp, nó căn bản không làm thay đổi tính chất dòng sông, loại kiến trúc này dùng rất nhiều trong công trình chống xói nền đờng. Công trình điều tiết dòng sông chủ yếu là để thay đổi hớng nớc chảy, nó làm thay đổi tính chất dòng nớc, có khi cả tính chất dòng sông. Đó là công trình có tính chất chủ động, loại công trình này nếu thiết kế đợc tốt sẽ căn bản triệt đợc sự uy hiếp của dòng nớc đối với nền đờng. b. Những điều cần chú ý khi bố trí công trình điều tiết - Xây dựng công trình điều tiết để bảo vệ nền đờng thì thờng chỉ tiến hành trên một đoạn sông ngắn. Vì vậy ngời ta chỉ nghĩ đến việc điều chỉnh dòng nớc đi để khỏi uy hiếp nền đờng, còn sau khi xây dựng công trình đoạn sông phía thợng hạ lu trở nên xấu tốt thờng rất ít chú ý. Đó là điều không đúng, nhất là đối với sông thông thuyền hoặc sông có liên quan tới hệ thống công trình thuỷ lợi. - Đối với sông không thông thuyền chỉ cần thuận theo xu thế của sông, không để lòng bị thắt hẹp nhiều gây ảnh hởng tới an toàn của nền đờng hoặc các công trình khác là đợc. - Tránh tình trạng xây dựng công trình quá nhiều, thắt hẹp dòng sông sẽ dẫn đến mực nớc dâng cao, làm ngập lụt ruộng đất và hệ thống tới. - Phải xét tới trờng hợp sau khi bố trí công trình, dòng nớc có khả năng hớng sang bờ bên kia làm xói bờ và ruộng vờn. - Phải làm sao để công trình điều tiết phát huy đợc hiệu quả tối đa. Chủ yếu là thiết kế đờng hớng dòng cho hợp lý, chọn đờng hớng dòng cho thích đáng; bố trí công trình cho chính xác, còn thiết kế kết cấu bản thân kè chỉ là thứ yếu. - Khi chọn loại hình công trình điều tiết phải căn cứ vào lòng sông rộng hẹp, lu tốc lớn nhỏ và điều kiện địa chất. - Khi bố trí công trình điều tiết phải xét tới tính chất của công trình (tạm thời, bán vĩnh cửu hay vĩnh cửu) để chọn vật liệu. - Khi quyết định loại công trình điều tiết, phải xét điều kiện thi công, nguồn vật liệu để giảm bớt giá thành công trình. 7.3.2. Phân loại và đánh giá các công trình điều tiết a. Phân loại công trình điều tiết Công trình đặc: Chia theo quan hệ với mực nớc - Kiểu ngập có kè đáy và kè mực nớc trung; - Kiểu không ngập còn gọi là kè mực nớc cao. Chia theo vị trí tơng ứng với dòng sông - Kè thuận: song song với hớng dòng nớc, không ngăn trở dòng chảy; - Kè chữ T: thẳng góc hay chéo góc với dòng nớc, ngăn một phần dòng chảy; - Kè ngăn sông: thẳng góc hoặc chéo góc với dòng nớc chắn toàn bộ dòng chảy. Chia theo vật liệu - Kè đất: đắp đất sét cát, đất cát sét, đất sét, cát sỏi, đất lẫn đá cuội; - Kè đá: Kè đá đổ, kè đá xây; - Kè rọ đá sắt: lấy thép sợi làm rọ thờng dùng chung với cọc gỗ; - Kè rọ đá tre: lấy tre mây làm rọ; - Kè bê tông hay bê tông cốt thép. Công trình rỗng Cho phép một phần dòng nớc chảy qua công trình làm cho lu lợng và lu tốc trong lòng sông phân phối lại đẩy đờng trục sông ra phía ngoài để bảo vệ nền đờng. Dới đây là các loại đơn giản thờng dùng. - Cây ngầm, có tác dụng làm bùn cát bồi tích, bảo vệ ta luy hay bờ sông khỏi xói; - Kè nổi dùng những bó cành cây treo trên giá, hay trên giá treo nhiều hàng có để lại một số khoảng trống. Kè nổi có tác dụng làm bùn cát sau khi di chuyển qua kè bồi tích lại tạo thành bờ sông mới; - Phên chắn nớc - có thể kết bằng cành cây cũng có thể bằng gỗ, có thể làm kiểu cố định hay kiểu di động. Trờng hợp không có cây, có thể thay bằng lau sậy. Tác dụng của loại kè này là làm giảm lu tốc ở đoạn cần phòng hộ. - Kết cấu giá - loại này có thể làm bằng gỗ, sắt, hoặc bê tông cốt thép, có thể làm thành lăng thể tam diện hoặc tứ diện. Đặc điểm của loại kết cấu này là thi công tiện. Khi bị ảnh hởng của tải trọng hoặc của dòng nớc chân giá sẽ tự cắm xuống lòng sông. Thông thờng làm kết hợp với bỏ đá hoặc rọ đá. Loại này có đặc điểm là có thể chống chọi với dòng nớc có lu tốc lớn, lợng hàm cát nhiều. b. Đánh giá hai loại công trình điều tiết - Loại công trình đặc dùng nhiều trong các công trình phòng lũ đờng sắt, đặc biệt ở đoạn tuyến ven sông vùng núi có lu tốc lớn. Vì nó là công trình vĩnh cửu, hay bán vĩnh cửu nên thích hợp với đờng sắt luôn luôn không cho phép gián đoạn giao thông. Nó có thể chống chọi với lu tốc 4 -10m/s, nhng thi công phức tạp, giá thành cao. - Loại công trình rỗng: Chỉ dùng đợc ở những nơi lu tốc nhỏ (dới 3m/s), phần nhiều ở những sông vùng đồng bằng có bãi rộng. Ưu điểm của nó là thi công giản đơn, dễ lấy vật liệu địa phơng, giá thành hạ, phần nhiều chỉ dùng để phòng hộ tạm thời, thời hạn sử dụng ngắn và luôn luôn phải bảo dỡng duy tu. 7.3.3. Thiết kế đờng hớng dòng a. ý nghĩa đờng hớng dòng và nguyên lý thiết kế: Khi bố trí bình diện các công trình điều tiết, đầu tiên là phải thiết kế đờng hớng dòng, đờng hớng dòng thiết kế đợc chính xác hay không có liên quan đến hiệu quả của cả hệ thống công trình điều tiết. Khi thiết kế đờng hớng dòng phải xét tới khả năng biến đổi động lực dòng chảy. Căn cứ vào nguyên lý thẳng thuận với dòng sông thiên nhiên chứ không phải trạng thái ổn định cuả dòng sông, đờng trung tâm hớng dòng (tức đờng trục sông), về lý luận tốt nhất là đờng cong liên tục, giữa các đờng cong có các đoạn thẳng ngắn nối tiếp (hình 7-24) đờng biên hớng dòng (đờng bờ sông dự định) tốt nhất là đờng cong liên tục song song với đờng trục hớng dòng. b. Cách vẽ đờng hớng dòng Các điểm cần chú ý: - Đầu đờng hớng dòng nên chọn nơi dòng chảy tơng đối thẳng thuận, ví dụ chỗ bắt đầu quá độ từ đoạn sông cong sang đoạn sông thẳng, hay chỗ bắt đầu từ quá độ từ đoạn sông thẳng sang đoạn sông cong, để phối hợp với xu thế của dòng nớc đỡ phải làm các công trình hớng dòng kiên cố mà vẫn bảo đảm hớng nớc chảy theo ý muốn. Ngoài ra, còn nên chú ý chọn nơi cơ sở có điều kiện địa chất tốt để công trình đợc ổn định an toàn mà lại kinh tế. - Vị trí của đờng trục sông thiên nhiên và đờng bờ sông nên có quan hệ sau: ở đoạn qúa độ, cự ly giữa hai mép bờ sông tới đờng trục sông để bằng nhau, cự ly giữa bờ lõm đoạn cong tới đờng trục ớc: B) 4 1 3 1 ( (B- chiều rộng ổn định của sông), đoạn cong chảy xiết lấy B) 4 1 ( , đoạn cong chảy êm lấy B) 3 1 ( . Công thức tính: (xem hình vẽ 7 - 25) Khi vẽ đờng hớng dòng nói chung dùng công thức sau: . ở mố cầu để tính toán xói lở ở đầu kè. Đ7.3. Công trình điều tiết dòng sông Trong thiết kế công trình điều tiết dòng sông, các vấn đề cần xét và tính toán cụ thể đều có liên quan mật thiết. của công trình điều tiết dòng sông Công trình điều tiết dòng sông và công trình phòng hộ bờ do tính chất làm việc khác nhau nên về bố trí bình diện hình thức và kết cấu cũng khác nhau. Công trình. quan mật thiết đến nền đờng bãi sông, công trình cải sông và nắn thẳng, công trình phòng hộ và gia cố. ở đây chỉ giới thiệu một số công trình thờng dùng trong cầu đờng nh kè ngang và kè thuận.