Chương V
THIẾT KẾ THỦY LỰC CẦU NHỎ
VÀ CỐNG

1


5.1. KHÁI NIỆM CÔNG TRÌNH VƯỢT QUA SÔNG
SUỐI NHỎ
5.1.1. Các loại công trình thoát nước nhỏ:





Cầu nhỏ: Lc < 25m
Cống
Đường tràn
Đường tràn liên hợp

2


5.1. KHÁI NIỆM CÔNG TRÌNH VƯỢT QUA SÔNG
SUỐI NHỎ
5.1.2. Yêu cầu số liệu tính toán.
 Bản đồ lưu vực công trình. Đây là yếu tố quan trọng để tính
lưu lượng theo mưa rào và đánh giá khả năng tiềm ẩn của lũ,
do vậy phải sử dụng bản đồ có tỉ lệ đủ lớn để xác định chính
xác diện tích và các đặc điểm của lưu vực.
 Bình đồ địa hình khu vực công trình, mặt cắt dọc sông suối,

mặt cắt lưu lượng (01 mặt cắt ở thượng lưu, 01 mặt cắt ở hạ
lưu và 01 mặt cắt ở tim công trình).
 Các yếu tố khí tượng, khí hậu (đặc biệt là lượng mưa) khu
vực.
 Các đặc trưng của dòng chảy (tính chất, đặc điểm, mặt cắt
ngang, mặt cắt dọc, địa hình đáy dòng chảy, độ dốc đáy, ...)
 Mực nước điều tra tại khu vực. Công tác này rất quan trọng
giúp cho tính toán và kiểm soát quá trình tính toán thủy lực.
 Điều tra, đăng ký các công trình hiện có.
 Địa chất khu vực.
 Các văn bản liên quan khác.
3


5.1. KHÁI NIỆM CÔNG TRÌNH VƯỢT QUA SÔNG
SUỐI NHỎ
5.1.2. Sơ đồ tính toán.





Tùy theo loại công trình, sơ đồ tính thủy lực có thể là:
Sơ đồ đập tràn đỉnh rộng (cầu nhỏ, cống ngắn, đường
tràn).
Sơ đồ dòng chảy thay đổi dần không áp (cống dài chảy
không áp).
Sơ đồ dòng chảy qua lỗ, qua vòi (cống ngắn chảy có áp).
Hay sơ đồ dòng chảy qua đường ống ngắn (cống dài chảy
có áp).


Chú ý: Cống ngắn khi LLk=(38)H
Cống dài khi L>Lk
trong đó L là chiều dài cống, H là độ sâu dòng chảy thượng
lưu, Lk là chiều dài phân giới giữa cống ngắn và cống dài sao
cho đường nước dâng chảy xiết trong cống có độ sâu ở mặt cắt
cuối cùng vừa đúng bằng độ sâu phân giới (hD=hk).

4


5.1. KHÁI NIỆM CÔNG TRÌNH VƯỢT QUA SÔNG
SUỐI NHỎ
5.1.4. Trình tự tính toán.

Tùy theo điều kiện cụ thể về địa hình, địa chất và thủy
văn, lựa chọn loại công trình.

Sơ bộ chọn cấu tạo công trình.

Tính (hoặc kiểm tra) khẩu độ công trình b (Lc).

Tính nước dâng trước công trình H.

Tính độ sâu và lưu tốc tại mặt cắt tính toán (ht và Vt).

Lựa chọn vật liệu gia cố đáy sông, suối.

Xác định cao độ nền đường.


Xác định cao độ đáy dầm công trình (với tính toán cầu
nhỏ).
5


5.2. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CẦU NHỎ
5.2.1. Sơ đồ tính
 Đập tràn đỉnh rộng htt = hc
+ Sơ đồ (a) & (b) là chảy tự do
+ Sơ đồ (c) chảy ngập
CT xác định khẩu độ thoát nước
dưới cầu:

b

Q

ng m 2gH 30 / 2

ng: hệ số chảy ngập (tra bảng 7-3)
m: hệ số lưu lượng (phụ thuộc vào
loại mố - tra bảng 7-1)
Ho = H + av2/2g (cột nước dâng
trước cầu)
thường lấy Ho  H

6


5.2.1. Sơ đồ tính

 Chế độ chảy dưới cầu:
+ hh  N.H: chảy không ngập → ng = 1
+ hh  N.H: chảy ngập
→ ng < 1
N: tiêu chuẩn ngập, thể hiện mức độ ngập, phản ánh mức nước hạ
lưu bắt đầu ảnh hưởng tới khả năng thông qua của cầu; tra bảng 72 theo m.
hh: chiều sâu dòng chảy ở hạ lưu, thường lấy bằng độ sâu dòng
chảy đều h0 tương ứng với độ dốc và hình dạng dòng chảy lúc tự
nhiên khi không có nước dâng ở hạ lưu.
 Mặt cắt tính toán: Là mặt cắt co hẹp dưới cầu, có độ sâu tính toán
thay đổi theo chế độ chảy:
+ Chảy không ngập (chảy tự do):
htt = k1.H
+ Chảy ngập (chảy không tự do):
htt = kng.H
trong đó:
k1 – hệ số, tra bảng 7-2 theo m.
kng – hệ số, tra bảng 7-3 theo m và n (n = hh/H).
Lưu tốc tính toán (Vtt) được xác định theo phương trình liên tục.
Vtt = Q/(bhtt)

7


5.2.1. Sơ đồ tính
 Lựa chọn vật liệu gia cố:
Vật liệu gia cố được lựa chọn sao cho đáy sông, suối không bị
xói lở, nghĩa là:
Vcp  Vtt.
Vcp – lưu tốc cho phép không xói của vật liệu gia cố, phụ thuộc

loại vật liệu và độ sâu tính toán, tham khảo bảng 7-4.
5.2.2. Các bài toán về cầu nhỏ.
Bài toán 1: Số liệu đã biết (đầu vào): Lưu lượng QP%; loại mố trụ
(cho hệ số m); độ dốc dòng chảy i0, chiều sâu dòng chảy tự nhiên
h0 (hay hh); độ dốc dòng chảy dưới cầu ioc; cột nước trước cầu H,
hay điều kiện chảy.
 Yêu cầu:Tính khẩu độ cầu, lựa chọn vật liệu gia cố dưới cầu.
Bài toán 2: Số liệu đã biết (đầu vào): Lưu lượng QP%; loại mố trụ; độ
dốc dòng chảy i0; chiều sâu h0 (hay hh); độ dốc dòng chảy dưới
cầu ioc; tốc độ cho phép tại mặt cắt tính toán Vcp theo hình thức
gia cố lòng cầu.
 Yêu cầu: Tính khẩu độ cầu, nước dâng trước cầu và kiểm tra vật
liệu gia cố dưới cầu.
8


Trình tự tính toán thường chia thành hai trường hợp
 TRƯỜNG HỢP CHẢY TỰ DO (2TH)
- BT1 Số liệu đã biết (đầu vào): Lưu lượng QP %; loại mố trụ (cho
hệ số m); độ dốc dòng chảy i0, chiều sâu dòng chảy tự nhiên h0
(hay hh); độ dốc dòng chảy dưới cầu ioc; cột nước trước cầu H,
hay điều kiện chảy.
- Yêu cầu tìm: chiều rộng thoát nước b; lựa chọn dạng gia cố dưới
cầu.
- Trình tự tính:
1. Chọn loại mố cầu, xác định hệ số lưu lượng m; xác định tiêu
chuẩn ngập N; sau đó tính N.H; nếu h0 < N.H thì dòng chảy dưới
cầu là chảy tự do và ng = 1;
2. Xác định chiều rộng thoát nước dưới cầu b và chọn chiều dài
cầu tiêu chuẩn (định hình) b1 gần với b nhất (b1 > b) ;

3. Xác định cột nước trước cầu tương ứng với b1 theo công thức
2/3
dưới đây:
b
H1  H  
 b1 

H

9


4. So sánh h0 với N.H1; nếu h0 < NH1 thì chế độ chảy vẫn là chảy tự do; (Nếu
h0 > N.H1 thì tính b theo chế độ chảy ngập.)
5. Tìm k1 và xác định chiều sâu tính toán htt = k1H1;
6. Xác định dạng gia cố lòng sông dưới cầu phù hợp với tốc độ tính toán Vt
và chiều sâu htt;
- BT2 Số liệu đã biết:
Số liệu đã biết (đầu vào): Lưu lượng QP%; loại mố trụ; độ dốc dòng
chảy i0; chiều sâu h0 (hay hh); độ dốc dòng chảy dưới cầu ioc; tốc độ cho phép
tại mặt cắt tính toán Vt theo hình thức gia cố lòng cầu (song thường lấy
Vmaxt  4 – 5 m/s)
- Yêu cầu: Xác định chiều rộng thoát nước dưới cầu b; cột nước trước cầu H;
Kiểm tra dạng gia cố, tốc độ dưới cầu tương ứng
- Trình tự tính
1. Chọn dạng gia cố lòng sông tìm Vt;
2. Chọn dạng mố, xác định , N, k1;
3. Giả thiết chế độ chảy tự do (ng = 1) tính cột nước trước cầu
2


H

 2  Vt 

g 3 2m 2
10


- So sánh h0 với N.H, nếu h0 < N.H thì dòng chảy tự do, sau đó:
4. Xác định kích thước b:

b

Q
m 2gH 3 / 2

- Chọn kích thước định hình b1 gần với b nhất
5. Tính lại cột nước trước cầu tương ứng với b1;

b
H1  H  
 b1 

2/3

So sánh h0 với N.H1; nếu h0giả thiết); Nếu không tính với TH chảy ngập
6. Xác định:
htt = k1H1

Q
Vt 
bt h t
Kiểm tra Vt với Vt; nếu Vt<Vt thì dừng tính
11


TRƯỜNG HỢP CHẢY NGẬP (2TH)
- BT1
- Trình tự tính



1. Tra bảng tìm giá trị m, N tính N.H;
2. Xác định mức độ ngập n=ho/H; tra bảng tìm ng1 theo n1 và m.
3. Xác định kích thước thoát dưới cầu b

b

Q
m 2gH 3 / 2

- Chọn kích thước định hình b1 phù hợp với b nhất
4. Xác định hàm bổ trợ để tìm cột nước mới trước cầu H1

 ng b 
3
H 

b

 t 

h0

2

Tra bảng với , m, tìm n2 và ng2; nếu n2 và ng2 không thay đổi so với n1 và
ng1 thì cột nước H1 là cột nuớc H1 đã biết.

Xác định chiều sâu tính toán ht và tốc độ tính Vt
12


ht = kngH
trong đó: kng: phụ thuộc vào m và n;
Vtt = Q/bht
=> Chọn hình thức gia cố phù hợp
-BT2
- Trình tự tính (Xem tài liệu)

Ví dụ 1: Xác định khẩu độ thoát nước cầu nhỏ và gia cố dưới cầu.
Biết Q=32m3/s, cột nước trước cầu H=1,8m, h0=1m dòng chảy dưới
cầu là chảy tự do. Biết khẩu độ cầu định hình có các kích cỡ: b0=
8m; 10m; 12m; 16m.
Ví dụ 2: Xác định khẩu độ thoát nước cầu nhỏ và gia cố dưới cầu.
Biết Q=38m3/s, h0=1m, dự kiến lòng suối dưới cầu gia cố đá cỡ
25cm trên lớp đá dăm không bé hơn 10cm. Biết khẩu độ cầu định
hình có các kích cỡ: b0= 8m; 10m; 12m; 16m.

13

Hình dạng mố trụ
N.A Slovinski (Mố nhẹ) (a)

0,32

Mố tường cánh (b)

0,35

Mố chữ U (c)
Mố chân dê (d)

m

0,32  0,36
0,32

14


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.1. Sơ đồ tính
Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy trong cống:
 Dòng chảy ở trước cống,
 Cấu tạo của cửa vào cống (kiểm soát thượng lưu)
hay bởi đặc tính của cống (hình dạng kích thước
thân cống, cấu tạo cửa vào, cửa ra của cống, vật liệu
làm cống, chiều dài cống, độ dốc đặt cống, ...),

 Dòng chảy hạ lưu (kiểm soát hạ lưu).
Trước khi thiết kế ta không thể biết trước được chế
độ kiểm soát. Vì vậy cần phải xem xét thiết kế với
các chế độ sau đó lựa chọn chế độ có giá trị lớn
(HW) làm chế độ tính toán tiếp.

15


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.1. Sơ đồ tính
a. Chế độ kiểm soát thượng lưu

Cửa vào, cửa ra không ngập

Cửa vào ngập, cửa ra không ngập

Cửa vào không ngập, cửa ra ngập

Cửa vào ngập, cửa ra ngập

16


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.1. Sơ đồ tính
a. Chế độ kiểm soát thượng lưu
 Yếu tố ảnh hưởng đến chế độ kiểm soát thượng lưu: Dòng chảy
thượng lưu và cấu tạo cửa vào của cống. Độ dốc thân cống
cũng ảnh hưởng đến chế độ kiểm soát thượng lưu nhưng

không nhiều nên trong tính toán thường bỏ qua.
 Chế độ thuỷ lực của kiểm soát thượng lưu: tuỳ vào mức độ
ngập ở cửa vào của cống chế độ thuỷ lực cống được chia thành
3 khu vực: không ngập, ngập và khu vực quá độ.
 Trong trường hợp độ sâu thượng lưu nhỏ cống được coi như
làm việc theo sơ đồ của đập tràn.
 Trong trường hợp cửa vào bị ngập dòng chảy qua cống làm
việc theo sơ đồ dòng chảy qua lỗ.

17


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.1. Sơ đồ tính
b. Chế độ kiểm soát hạ lưu

Cửa vào, cửa ra ngập

Cửa vào ngập, cửa ra không ngập

Cửa vào không ngập, cửa ra ngập

Cửa vào ngập, cửa ra không ngập

18


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.1. Sơ đồ tính
b. Chế độ kiểm soát hạ lưu

Cửa vào không ngập, cửa ra không ngập

19


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.1. Sơ đồ tính
b. Chế độ kiểm soát hạ lưu
 Yếu tố ảnh hưởng đến chế độ kiểm soát hạ lưu: Độ sâu thượng
lưu, hình dạng kích thước cửa vào và cửa ra, đặc tính của ống
cống (mức độ gồ ghề, diện tích cống, hình dạng, chiều dài, độ
dốc đặt cống), mực nước hạ lưu cống, cửa ra của cống.
 Chế độ thuỷ lực của kiểm soát hạ lưu: Dòng chảy đầy trong
cống là dạng tốt nhất của dòng chảy để mô tả chế độ thuỷ lực
của kiểm soát hạ lưu. Dòng chảy ở chế độ kiểm soát hạ lưu
được tính toán trên cơ sở của phương trình cân bằng năng
lượng.

20


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.1. Sơ đồ tính
b. Chế độ kiểm soát hạ lưu
Biểu diễn đường năng lượng và đường đo áp của dòng chảy
qua cống trong trường hợp cống đầy.

21

5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.2. Trình tự thiết kế thuỷ lực cống.
Từ lưu lượng đã biết, tuỳ thuộc vào điều kiện địa hình, địa
chất cụ thể, sơ bộ lựa chọn loại cống, kính thước cống, cấu
tạo cửa vào, cửa ra của cống.
a. Chế độ kiểm soát thượng lưu.
 Từ kích thước của cống, lưu lượng qua cống xác định được
tỷ số HW/D
 Nhân chiều cao cống D với tỷ số HW/D được nước dâng
trước cống HW 1.
 Tính cao độ mực nước thượng lưu: ELhd = ELsf + HW 1.
ELhd – mực nước thiết kế ở thượng lưu.
ELsf – cao độ đáy lòng dẫn tại cửa vào.

22


(m3/s)

3

2

1

KiÓu ®Çu thu
(1) T­êng ®Çu cã mÐp vu«ng
(2) T­êng ®Çu cã èng nèi ë cuèi
(3) PhÇn nh« ra cã èng nèi cuèi

23


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.2. Trình tự thiết kế thuỷ lực cống.
b. Chế độ kiểm soát hạ lưu.
 Tính độ sâu hạ lưu TW trên đáy cống theo lưu lượng thiết kế.
 Tính độ sâu phân giới (dc) theo lưu lượng và kích thước, hình
dạng cống hay sử dụng đồ thị.
 Tính độ sâu tại cửa ra của cống d0 = Max(TW,(D+dC)/2).
 Tính tổn thất qua cống H theo biểu đồ hay theo công thức nếu
các giá trị vượt quá biểu đồ.
(1) Nếu hệ số nhám của cống khác hệ số nhám của biểu đồ thì
điều chỉnh chiều dài cống theo công thức:
L1=L(n1/n)2
L – chiều dài thực tế của cống.
L1 – chiều dài cống điều chỉnh.
n – hệ số nhám của biểu đồ.
n1 – hệ số nhám thực tế.
24


5.3. TÍNH TOÁN THỦY LỰC CỐNG
5.3.2. Trình tự thiết kế thuỷ lực cống.
b. Chế độ kiểm soát hạ lưu.
(2) Sử dụng một đường thẳng nối kích thước cống (điểm 1) với
chiều dài cống theo hệ số ke (điểm 2) được điểm đổi hướng
(điểm 3). Lại dùng một đường thẳng nối từ lưu lượng (điểm 4)
với điểm đổi hướng (điểm 3) được tổn thất H.

 Tính cao độ mực nước tại cửa ra:
ELdo = ELo + H + do.
ELo – cao độ đáy cửa ra.
 Tính cột nước dâng ở thượng lưu: HW 2 = H + do – L.S.
Và tính cao độ mực nước thượng lưu: ELhd = ELsf + HW 2.
 Nếu cao độ mực nước tại cửa ra lớn hơn cao độ mực nước
thượng lưu (ELdo > ELhd) thì tiến hành thiết kế lại (chọn lại cống
khác hoặc kết cấu cống khác).

25