Lu tốc khống chế mặt cắt là căn cứ để kiểm tra xem lòng sông có bị xói hay không. Đã biết kích thớc bình quân hạt thổ nhỡng lòng sông thì có thể tính đợc lu tốc bình quân cho phép làm căn cứ để thiết kế. Khi thiết kế mặt cắt, nếu lòng sông là cát sỏi, thì lu tốc khống chế có thể tính theo công thức sau: bqbq dV 12 (m/s) (7 - 55a) Để dự đoán khả năng di động của các tảng đá cá biệt trong lòng sông có thể dùng công thức: bqbq dKV (m/s) (7 - 55b) trong đó: D bq : đờng kính bình quân của cát sỏi hay đá tảng, m; trị số này thờng vào khoảng 0,25 - 0,33; d max : đờng kính hạt lớn nhất của lòng sông, m; K: hệ số thờng lấy từ 5 - 6,5. Xác định d bq rồi có thể trực tiếp tra đợc lu tốc cho phép ứng với các mức nớc. (Xem bảng ở chơng IV). f. Mặt bằng dòng sông. Vì dòng sông ổn định là dòng sông cong nên khi thiết kế dòng sông mới, đoạn thẳng nối tiếp hai đầu đoạn cong cũng không nên để dài quá. Công thức kinh nghiệm sau đây dùng để tính chiều dài đoạn cong ổn định. L = (12 - 14)B (7- 56) trong đó: B: chiều rộng ổn định của đoạn sông thẳng (chiều rộng mặt nớc), m. Bán kính đờng vòng của mỗi đoạn sông cong R có quan hệ với chiều rộng mặt nớc ổn định tại đoạn đó và có thể điều tra thực tế mà tính đợc. Tốt nhất là: R = (5 -8) B (7 - 57) R min (2,5 - 3) B và R max 20 B Khi R > 20B, dòng chảy xói vào bờ không rõ rệt, nhng R quá to thì dòng nớc không ổn định và làm lòng sông bị chuyển dịch. Chiều rộng sông ở đoạn cong (B K ) nói chung chỉ bằng (0,5 - 0,7) chiều rộng sông ở đoạn thẳng B, đoạn cong vừa có thể dùng 0,5B; đoạn cong ngoặt dùng 0,75B. Chiều dài đoạn thẳng giữa hai đoạn cong có thể thiết kế bằng 4B, nhng thờng không thực hiện đợc, nếu vợt quá trị số trên phải xét tới vấn đề chuyển dịch của lòng sông g. Hình dạng mặt cắt ổn định Hình 7- 36a, b là hình dạng mặt cắt đoạn sông thẳng, hình 7-36c và 7 - 36d là hình dạng mặt cắt đoạn sông cong. H c a o c ) H th ấp H tru n g a ) H tru n g H c a o H c a o H th ấp H tru n g H c a o b ) H tru n g d ) H ìn h 7 - 3 6 Chiều sâu bình quân H K của đoạn sông cong ổn định và chiều sâu bình quân H của đoạn thẳng có thể tính theo công thức sau: )1( r B HH K (7 - 58) trong đó: : trị số kinh nghiệm có quan hệ với r B (xem bảng 7 -20). Để lũ bớt uy hiếp nền đờng, bên lõm của đoạn cong có thể thiết kế thành lòng sông phức hợp, có nền bằng đặt ở phía nền đờng và lòng sông chính ở cách nền đờng xa một chút (hình 7 - 37) H tru n g B ã i H c a o L ò n g c h ín h H ìn h 7 - 3 7 Bảng 7 - 20 B 0,16 0,2 0,25 0,33 0,50 0,70 0,6 0,62 0,65 0,75 0,85 2,00 h. Quan hệ giữa lòng sông và các mực nớc khác nhau Sông thiên nhiên quan hệ về xói bồi giữa lòng sông và các mực nớc tại đoạn thẳng và đoạn cong có khác nhau. ở đoạn sông bãi rộng, khi nớc thấp có phân luồng, khi lũ cao luồng sẽ hợp lại. Hình dạng lòng sông cũng do những nhân tố đó mà biến đổi. Xói và bồi. - Khi nớc thấp lòng sông ở đoạn thẳng sẽ dốc và nông nên sinh ra xói; còn ở đoạn cong, chỗ lòng sâu do ảnh hởng của nớc dềnh tại đoạn thẳng phía hạ lu nhỏ đi và lu tốc ở đoạn thẳng cũng nhỏ hơn, nên phù sa từ chỗ đoạn thẳng đa tới sẽ lắng đọng ở chỗ lòng sâu. - Khi lũ lớn thì độ sâu ở lòng sâu và lòng nông không chênh lệch nhau mấy, hớng nớc chẩy thờng chéo với đoạn sông thẳng, lu lợng phần lớn tập trung về phía bờ lõm của đoạn cong, do đó lu tốc ở lòng sâu sẽ lớn lên. Vì độ dốc ở lòng sâu lớn hơn ở đoạn thẳng, nên bùn cát sỏi ở đoạn sâu sẽ bồi tích ở đoạn thẳng. - ở đoạn thẳng lúc lũ lên thì bồi, lũ xuống thì xói; ở đoạn cong lúc lũ lên thì xói, lũ xuống thì bồi. Độ dốc ổn định của lòng sông có liên quan tới sự phân luồng ở đoạn cong: chỗ bãi rộng, khi nớc thấp do sông nông, lòng bị bồi tích, và hình thành luồng cong hoặc phân luồng. Khi lũ, lu lợng lớn, nớc sông sâu thêm trục động lực dòng nớc chuyển về trung tâm và chảy thẳng nên tăng xói đáy sông và giảm bớt xói bờ sông. Nhng nếu bãi sông quá rộng, lu tốc dòng chính ở mặt cắt không ổn định lại quá lớn thì sinh ra chảy xoáy 2 bờ khiến dòng nớc chảy đi xuống làm xói bờ sông hoặc làm dòng chủ di động, ở đoạn sông bãi rộng nớc thờng chảy xiết. i. Quan hệ giữa mặt bằng và hình dạng mặt cắt Nói chung, quan hệ này có các quy luật sau: - Chỗ sâu nhất của lòng sông nằm ở phía hạ lu dới đầu đoạn cong và cách đầu đoạn cong đó chừng một phần t chiều dài đoạn cong, còn chỗ nông nhất lại nằm phía hạ lu đầu đoạn thẳng nối tiếp hai đoạn cong ngợc chiều, chiều dài chuyển dịch về phía hạ lu từ lòng sông trên tới lòng sâu dới. - Trên mặt bằng nếu đoạn sông cong biến đổi nhanh thì chiều sâu cũng biến đổi nhanh, nếu đoạn cong biến đổi chậm thì chiều sâu cũng biến đổi chậm. - Bán kính đờng cong càng nhỏ thì chiều sâu càng lớn. - Với bán kính nhất định, nếu chiều dài đoạn cong tăng thì chiều sâu thoạt tiên tăng rồi sau giảm xuống. Mỗi đoạn sông cong có một chiều sâu lớn nhất ứng với chiều dài đoạn cong đó. 7.4.3. Tài liệu cần cho thiết kế - Lu lợng lũ thiết kế lớn nhất xác định theo quy trình, chú ý là lu lợng này sử dụng kết hợp với tài liệu về (1) loại sông (to hay nhỏ), (2) tình hình địa chất lòng sông, (3) đặc điểm địa phơng (tầm quan trọng của lũ đối với khu dân c, giá trị kinh tế của vùng đó). Với đoạn sông bãi rộng, còn cần thêm lu lợng tạo lòng hoặc nếu không có thì xét lu lợng chu kỳ 10-20 năm, mặt cắt địa chất ở điểm đầu và cuối đoạn cải sông và các tài liệu thuỷ văn khác nh: mực nớc, độ dốc, lu tốc - Bình đồ địa hình địa chất: Tỉ lệ 1/500 - 1/1000 trên bản đồ cần có tim đờng cải sông (nếu chỉ có sơ bộ cũng vẽ vào), đờng tim này cần vẽ ở thực địa và liên hệ với tuyến. Ngoài ra, để thấy rõ đợc xu thế dòng chảy ở thợng hạ lu đoạn cải sông, cần có bản đồ địa hình với tỉ lệ 1/5000 - 1/10.000; - Mặt cắt dọc địa chất tim tuyến cải suối: Tỉ lệ cao: 1/200 -1/500, ngang: 1/500 - 1/1000. - Mặt cắt khống chế đoạn cải sông (kèm tài liệu địa chất) và mặt cắt nói chung. - Bản thuyết minh địa chất, chú ý tới thuyết minh về địa chất lòng sông và tình hình, khả năng biến đổi lòng sông. - Tài liệu thí nghiệm địa chất, nếu cần kiểm toán mái dốc bờ sông. - Các tài liệu điều tra khác nh lu lợng tạo lòng, chiều rộng ổn định, độ dốc ổn định, mặt cắt giới hạn lòng sông, bán kính tối đa, tối thiểu của sông và chiều sâu xói lớn nhất trong thời kỳ lũ. 7.4.4. Thiết kế cải sông a. Xác định các điểm đầu và cuối đoạn cải sông. Căn cứ vào điều kiện địa chất, địa hình, vị trí công trình mà xác định các điểm đầu và cuối đoạn cải sông. Khi xác định đầu và cuối đoạn cải sông, phải chú ý các điểm sau: - Điểm đầu đoạn cải sông phải chọn cho hợp với xu thế tự nhiên của dòng sông chảy vào lòng chính, không nên gò ép. - Điểm đầu đoạn cải sông tốt nhất là đoạn chọn ở nơi lòng sông khó bị xói lở, vì chỗ cửa vào thờng để dốc hơn. - Điểm cuối đoạn cải sông cần nối sao cho dòng nớc chảy thuận vào sông thiên nhiên để giữ ổn định cho đoạn ở hạ lu. b. Thiết kế mặt bằng đoạn cải sông - ở điểm cuối đoạn cải sông nên bố trí kè hớng dòng để làm dòng nớc chuyển hớng đợc đều, trên lòng cũ phải bố trí đập ngăn, nếu điều kiện cho phép thì phối hợp hai cái làm một. - Đoạn thẳng nối tiếp 2 đoạn cong, chiều rộng đoạn cong, chiều dài và bán kính đờng cong cần thiết kế cho phù hợp với tính chất sông, chủ yếu phải làm kết hợp phân tích tài liệu điều tra thực địa và tính toán để quyết định. - Thiết kế phải phù hợp với tình hình địa chất, không nên để khối lợng công trình lớn quá và xói quá nhiều; - Khi thiết kế cải sông nếu cần thay đổi mặt cắt thì phải thoả mãn hình 7 - 38. - Về thiết kế đờng hớng dòng và bố trí công trình điều tiết xem Đ 7.3. B 1 l b B 2 H ìn h 7 - 38 c. Thiết kế mặt cắt dọc đoạn cải sông - Khi lòng sông có khả năng bị xói, thì dùng công thức (7 - 53) kiểm tra xem có bị xói không. - Giữa hai độ dốc dọc khác nhau không cần dùng đờng cong để nối tiếp nhng độ dốc không đợc chênh nhau nhiều. - ở cùng một điều kiện địa tầng, nên thiết kế một độ dốc, dốc dài ngắn sẽ tuỳ tình hình cụ thể con sông đó nhng không nên ngắn quá. d. Thiết kế mặt cắt ngang đoạn cải sông - Kích thớc mặt cắt có thể tham khảo mặt cắt lòng sông có cùng điều kiện địa chất ở thợng hạ lu sông cũ và kết hợp với tính toán để quyết định. - Nếu lòng sông mới có khả năng bị xói, thiết kế mặt cắt phải dựa vào lu tốc khống chế. Khi dùng công thức (7 - 55b) để tính lu tốc khống chế thì trị số K lớn nhỏ sẽ tuỳ thời gian tác dụng của dòng nớc dài ngắn, thông thờng dùng bằng 5 và trong điều kiện đặc biệt bằng 6 - 6,5. - ở đoạn sông bãi rộng và khi thiết kế lòng sông phúc hợp, thì trong tính toán, ngoài lu lợng lũ lớn nhất ra còn phải tính toán với lu lợng tạo lòng và dùng công thức (7 - 52) để đối chiếu xem đã phù hợp yêu cầu về chiều rộng ổn định cha. Nếu chiều rộng thiết kế lớn hơn trị số đó, sẽ sinh ra phân luồng, song chiều rộng và chiều sâu của lòng sông thiết kế không thể chênh lệch quá so với tình hình lòng sông nơi đó. - Trong trờng hợp chung, có thể không theo công thức (7 - 58) để tính chiều sâu đoạn cong. - Khi giả định chiều sâu để tính mặt cắt, không để thợng lu hay giữa hai đoạn sông lân cận có chênh lệch quá nhiều sẽ gây ra đờng cong nớc dềnh. - Khi kiểm tra xem lòng sông phức hợp có xói không phải xét tới lu tốc bên bờ khi lũ lớn và cũng phải xét cả lu tốc của lu lợng tạo lòng. - Căn cứ vào điều kiện địa tầng nơi đó, nếu lu tốc thiết kế đủ để xói thông thổ nhỡng lòng sông thì để tiết kiệm khối lợng thi công, có thể xét đào lòng mới nhỏ bằng (0,5-1 lần) lòng sông thiết kế và để dòng nớc tự mình tiếp tục khơi sâu mở rộng dần lòng sông sau này. Song trờng hợp này phải xét tới ảnh hởng của lũ ứ dềnh trớc công trình khi cha kịp xói thông hết lòng lạch thiết kế. - Mái dốc (ta luy) lòng sông xác định chủ yếu theo điều kiện địa chất. Nếu điều kiện cho phép có thể dựa vào mặt cắt có lợi nhất để xác định mái dốc, khi cần thiết mái dốc sẽ xác định theo kiểm toán. - ở các đoạn có mặt cắt khác nhau đều phải tiến hành tính toán thuỷ lực. e. Những điểm cần chú ý khi tính toán thuỷ lực - Tính toán thuỷ lực cho sông lớn có thể dùng công thức Sêdi - Badanh, đối với sông vừa thì dùng công thức Sêdi -Manning, sông nhỏ thì dùng công thức Se di-Pavơlôpski. - Giữa 2 đoạn sông có mặt cắt khác nhau, nếu thoả mãn tình trạng nh ở hình 7- 38, nói chung không cần xét tổn thất cột nớc do khuếch tán; - ở đoạn chảy biến tốc lấy độ dốc năng lợng i c (nh ở hình 7 - 40) thay cho i trong công thức Sêdi và tính lu lợng theo công thức 7- 68. - Tổn thất cột nớc ở đoạn cong có thể không cần xét. f. Những tính toán liên quan khác khi cải sông Những tính toán liên quan khác khi cải sông gồm có tính chiều cao sóng vỗ, xói chung, xói cục bộ, đờng cong mặt nớc Khi tính đờng cong mặt nớc cần chú ý các điểm sau (trờng hợp thông thờng không xét các điểm này, chỉ cần đối với các sông lớn): Nói chung, cải sông thờng là làm đoạn thẳng thay đoạn cong, sau cải sông thì mặt cắt dọc hay đờng cong mặt nớc có một số dốc đáy (khi cải sông dài), nhng dốc đáy các đoạn nói chung đều lớn hơn dốc đáy lòng sông thợng hạ lu tức là i 2 >i 1 và i 3 , đồng thời V 2 > V 1 và V 3 . Nếu chênh lệch cao độ mặt nớc của hai đoạn sông lân cận không nhiều, ảnh hởng tới cao độ phòng hộ ít có thể không cần tính toán nh đờng cong mặt nớc đoạn chảy biến tốc trong hình 7 - 39 mà có thể coi mặt nớc biến đổi theo đờng thẳng. Nếu cần tính đờng cong mặt nớc thì phải tính L 1 và L 3 nh ở hình 7 - 39. Tính chiều dài L 2 , L 3 có thể theo phơng trình Becnuli (công thức 7 - 71) nh hình 7 - 42, chỉ cần biết chiều sâu của hai mặt cắt khác nhau thì có thể tính đợc chiều dài đờng cong đoạn chảy biến tốc và hình dạng đờng cong mặt nớc. Nếu cải sông trên một đoạn dài, hình dạng đờng cong mặt nớc có thể không đồng nhất, do đó khi thiết kế phải căn cứ vào tình hình cụ thể mà phân biệt tính toán. Đoạn đƯờng cong nƯớc chảy Đoạn cải có một số dốc đáy V1 Đầu đoạn cải h1 i1 l1 l2 Đoạn đƯờng cong nƯớc dâng i3 l5 Hình 7 - 39 i2 l4 V2 V3 l3 Cuối đoạn cải h2 h 1 , h 2 - Chiều sâu bình thờng trớc và sau cải sông. L 1 , L 3 - Đoạn chảy bất đẳng tốc. g. Xác định cao độ phòng hộ Cao độ phòng hộ = cao độ mức nớc tại mặt cắt đó + chiều cao sóng (cả sóng vỗ) + chiều cao an toàn (cho công trình phòng hộ là 0,25m ; cho trực tiếp phòng hộ mái ta luy nền đờng là 0,5m). 7.4.5. Tính toán thuỷ lực a. Hệ số tính đổi chu kỳ lu lợng Chu kỳ 500 300 100 50 25 20 10 Hệ số tính đổi 1,5 1,25 1,0 0,8 0,6 0,5 0,42 b. Các công thức tính mặt cắt ớt Tính toán thuỷ lực cải sông là đã biết lu lợng lũ Q; độ dốc đáy sông i, hệ số nhám lòng n; cần tìm mặt cắt ớt hợp lý. Thông thờng dùng công thức Sêdi (hay gọi phơng pháp độ dốc bình quân). Tính cho đoạn chảy đều - Đối với mặt cắt bất kỳ, công thức tính toán là: RiCV (7 -59) . 38. - Về thiết kế đờng hớng dòng và bố trí công trình điều tiết xem Đ 7. 3. B 1 l b B 2 H ìn h 7 - 38 c. Thiết kế mặt cắt dọc đoạn cải sông - Khi lòng sông có khả năng bị xói, thì dùng công. định. - Thiết kế phải phù hợp với tình hình địa chất, không nên để khối lợng công trình lớn quá và xói quá nhiều; - Khi thiết kế cải sông nếu cần thay đổi mặt cắt thì phải thoả mãn hình 7 - 38 thể tính theo công thức sau: bqbq dV 12 (m/s) (7 - 55a) Để dự đoán khả năng di động của các tảng đá cá biệt trong lòng sông có thể dùng công thức: bqbq dKV (m/s) (7 - 55b) trong đó: D bq :