Báo cáo khoa học: "tốc độ không xói của hạt ở đáy, mái sông, mái kênh và mái dốc ta luy đường bãi sông" potx

1. Giới thiệu
Sự ổn định
của đất ở mái
sông và đáy sông
phụ thuộc vào
nhiều yếu tố,
phần lớn các yếu
tố này rất phức
tạp và không dễ
dàng định lợng
trực tiếp, do vậy
cho tới nay có
không ít công
thức xác định tốc
độ giới hạn tơng
ứng với trạng thái
khởi động của hạt
mà ta quen gọi là
tốc độ không xói
nh công thức
của V. N. Gon-
charov, I. I. Levi;
V. S Knoroz, B. I Studenichnikov, A.M Laty-
shenkov, T. I Shamov, Mirtskhulava Nhìn
chung những công thức này cha tính đến độ
bền của đất, độ lỗ rỗng và thờng đợc rút ra
từ phòng thí nghiệm trong máng kính, có kiểm
tra lại với số lợng hạn chế trong sông thiên
nhiên, còn ít công thức xét đến ổn định của
hạt ở mái sông hay mái kênh. Do vậy bài báo
trình bày công thức đơn giản có kể đến một số

tồn tại đã nêu đối với đất mái sông và đáy
sông.
tốc độ không xói của hạt
ở đáy, mái sông, mái kênh v mái dốc
ta luy đờng bãi sông



TS. trần đình nghiên
Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bi báo trình by biểu thức tính ổn định của hạt ở đáy sông
v ở mái dốc khi ổn định trợt có kể đến mạch động tốc độ, điều kiện lm
việc của hạt, lực dính kết của hạt, từ đó rút ra công thức không xói ở đáy, ở
mái dốc v xói trung bình mặt cắt ở dạng đơn giản, dễ sử dụng trong thực
tế.
Summary: General expressions for determining grain stability on bed
and bank slopes of rivers and channels in sliding stability condition that
takes into account of fluctuating velocity, geotechnical environment of
sediment and soil cohesion affecting grain stability, as well as non-scour
velocity formulae on bed, bank and for cross-section in simple structure
and easy practice are all presented here.
2. Xây dựng công thức
Xét một diện tích mặt đáy sông khá nhỏ
song đủ chứa một số hạt nhất định hay
một hạt gọi đơn giản là hạt, hạt có đờng kính
đặc trng là d. Khi xét các lực tác dụng vào
hạt ta sẽ cha kể đến lực bổ sung khối lợng
(Murphy và Aguirre, 1985) lực Basset do hạt
quay và lực của các hạt tác động lẫn nhau
(Nakagwa) vậy hạt chỉ còn chịu các lực:

Lực đẩy trợt:
4
d
2
u
CnP
2
2
d
xx1x

=
(1)
Lực nâng:

4
d
2
u
CnP
2
2
d
yy1y

=
(2)
Trọng lợng hạt trong nớc:
3

g1
d
6
G

= (3)
Lực dính của đất:
4
d
C
2
p


(4)
Trong điều kiện cân bằng trợt thì:

4
d
Ctg)PG(P
2
ypyx

+=
(5)

trong đó:
C
x
, C

y
- hệ số áp lực mặt và hệ số lực
nâng;

x
,
y
,
g
- hệ số hình dạng hạt theo diện
tích và thể tích;
C
p
- lực dính của đất;
- góc nội ma sát của hạt;
n
1
- hệ số làm tăng tốc độ trung bình thời
gian của hạt do mạch động tốc độ
gây ra.
Mức độ chính xác của công thức phụ
thuộc vào việc xác định các hệ số n
1,
, C
x
, C
y
,

x

,
y
và
g
cũng nh góc và lực dính C
p
và
điều kiện làm việc của hạt n
2
mà n
2
phụ thuộc
vào nồng độ bùn cát đáy và đờng kính hạt.
Để tính có thể sử dụng
g
= 0,8
(Goncharov, 1938) (Einstein và El-
Samni, 1949) hay C
178,0C
y
=
y
= 0,2 cho Re
*
=

d.u
> 60
(Borovkov, 1989); cát trong tự nhiên có hệ số
hình dạng là 0,7; kết hợp với có thể

cho ; đồng thời sử dụng quan hệ
giữa (Mirtskhulava 1967 và
Rukovodstvo1981);
8,0
g
=
71,0
y
=
yx
P)43(P ữ=
d
00316,0
C
p
= khi
; trong đó có đơn vị là mét,
có đơn vị là
mm115,0d ữ= d
p
C
2
m
/
N , hạt không đồng nhất
lấy bằng 0,75C
p
.
Ngoài ra C
p

có thể lấy theo bảng lập sẵn.
Khi d 1 mm thì
0C
p
=
.
Nếu xét cho hạt có và với điều
kiện đã nêu thì (5) có dạng:
mm1d <

=
32
2
d
1
gd419,0(d
2
u
3346,0n

- n
1
.0,1115
2
u
2
d
d
2
)tg - 0,558C

p
d
2
(5a)
hay

=+
2
)tg1115,03346,0(d
2
u
n
n
2
d
2
1

= 0,419.gd
3
- 0,558C
p
d
2
trong đó: trọng lợng riêng hạt ngập trong
nớc
g)(
h1

=

và


=
h
.
Kết quả thí nhiệm đối với hạt tự nhiên khi
mm1d
50
<
thì

từ tròn tới góc cạnh là
= (30
0
ữ 35
0
) và d = 1 ữ 10 mm thì = (32 ữ
40
0
); khi hạt mm10010d
ữ
=
thì = (32
0
ữ
40

0
).
Nếu lấy trung bình = 36
0
thì
7265,0tg
=

khi đó (5a) là:
2
p
32
2
d
2
1
dC558,0gd419,0)4156,0(d
2
u
n
n
=
(5c)
n
2
= 1 khi hàm lợng bùn cát S < 0,1
kg/m
3
; n = 1,3 ữ 1,5 đối với hạt cát nhỏ và
trung,

7,15,1n
ữ
=
đối với hạt cát thô và sỏi
sạn khi (a).
3
m/kg1,0S
Khi hạt có và
3
m/kg1,0S,mm1d <
3,1n
1
=
vì tốc độ trong trạng thái giới hạn ổn
định của hạt có dạng
d
2,
dd
u3,1uuu +=
.
Trong điều kiện này thì (5c) có dạng:

322
d
gd419,0du351,0 =
(6)
hay:

= 193,1
gd

u
2
dc
hay
gd1,1u
dc
=
(7)
nếu
65,1
=

thì
gd4,1u
dc
=
(8)
Biết quy luật phân phối tốc độ trong khu
vực sức cản bình phơng có dạng:


5,8
k
y
lg75,5)
k
y2,30
lg(75,5
u
u

*
+=
(9)
Lấy thì tốc độ tại đỉnh hạt rút ra từ
(9) là:
dk =
76,6
u
u
*
d
=
(10)
Cho
ddc
uu = và nhớ rằng:

g
C
)
u
v
(
2
2
*
=
(11)
thì (7) có dạng:
2

2
c
C00265,0
gd
v
=
(12)
Nếu g thì:
65,1=
2
2
c
C0044,0
gd
v
=
(13)
hay:
gdC0663,0v
c
=
(13a)
Sử dụng:

6/1
R
n
1
C = (14)
và nhám theo Strickler:

6/1
50
d
g75,6
n
1
=
(15)
thì: (16)
3/1
50
6/1
c
dR4,4v =
Khi hạt ở mái sông hay mái kênh hay mái
dốc taluy đờng thì (16) đợc nhân với hệ số
, tức là tốc độ chịu ảnh hởng của cả độ
dốc dọc và độ dốc ngang (CUR Report 169,
1995) [3].
d
K
dngddd
kkK =
(17)


=
sin
)sin(
k

dd
(17a)
)
tg
tg
1(cosk
2
2
dng


=
(17b)
k
đ
là hệ số ảnh hởng độ dốc dọc, song
vì góc đối với dòng chảy tự nhiên khá bé
nên thờng lấy
1k
dd
=
, là hệ số ảnh
hởng của độ dốc ngang, làm tăng khả năng
mất ổn định của hạt do đó khi hạt ở mái sông,
mái kênh, mái dốc taluy đờng bãi sông thì vế
phải của các công thức (7), (8), (12), (13) và
(13a), (16) đợc nhân với .
dng
k
dng

k
Vậy tốc ổn định trung bình của hạt ở mái
dốc là:
dng
3/1
50
6/1
c
kdR4,4v =
(16a)
Ngoài ra ảnh hởng của độ dốc ngang có
thể có thể còn đợc xác định theo quan hệ.
Cho rằng hệ số Sêdi và độ dốc không đổi
thì:
C


= cos
h
yh
uu
ddm
(18)
trong đó:
dm
u - tốc độ đáy ở mái dốc tại điểm cách
đáy độ cao là
y
và độ sâu là ; yhh
m

=
h - độ sâu dòng chảy ở đáy sông.
Nh vậy khi hạt ở mái dốc thì (8) sẽ là:

gdcos
h
h
4,1u
m
dm
=
(8a)
và (13a) sẽ là:
gdcos
h
h
C0663,0v
m
c
=
(13b)
hay:
= cos
h
h
dR4,4v
m
3/1
50
6/1

c
(16b)
Kết quả của tốc độ không xói đáy ở lòng
sông đợc so sánh với công thức của

Goncharov và [2] cho hạt có
ở bảng 1.
mm75mm1d ữ=
Bảng 1
)s/m(u
c

d
(mm)
Tác giả [2] Goncharov
1
2,5
5
10
15
25
40
75
0,14
0,22
0,31
0,44
0,54
0,69
0,876

1,20
0,2
0,25
0,35
0,50
0,60
0,80
1,00
1,35
0,136
0,215
0,304
0,430
0,527
0,680
0,860
1,180
3. Kết luận
Công thức chung về tốc độ ổn định
của hạt ở đáy (5c) đã tính đến lực
dính của đất, điều kiện làm việc, yếu
tố mạch động, độ bền của đất, và có
dạng đơn giản dễ thực hành.

Khi hạt thì công thức (5c)
có dạng đơn giản là (7) hay (8).
mm1d

Giá trị của
c

u cho trong bảng 1 chỉ
ra công thức (8) cho giá trị trong
khoảng từ công thức của Goncharov
đến [2] hay quy trình Nga sẽ thiên về
an toàn, song lại có cơ sở khoa học
và thực tiễn.

Công thức có thể sử dụng làm cơ sở
cho tính gia cố và ổn định bờ, đáy
sông khi sử dụng trực tiếp tốc độ ổn
định của hạt.

Từ công thức chung rút ra đợc công
thức cho hạt có tính tới độ dốc
ngang và độ dốc dọc thông qua hệ
số (17) hay quan hệ (18).
d
K

Công thức tốc độ ổn định trung bình
(16) hay (16a), (13b) hay (16b) có
dạng đơn giản dễ sử dụng và thiên
về an toàn.
Tài liệu tham khảo
[[1]. Trần Đình Nghiên. Động lực học dòng sông
và xói đối với công trình giao thông. Tài liệu
giảng dạy cao học, Trờng ĐHGTVT, 1996.
[2]. Trần Đình Nghiên. Thiết kế cầu vợt sông
(Bản dịch từ tiếng Nga của O.V. Andreev,
1980), NXB GTVT, 1984.

[3]. Manuela Escarameia. River & Channel
revetments. Thomas Telford Ltd UK, 1998.
[4]. Y. Lam Lau
&
Peter Engd. "Technical note
17149", J. Hydr. Eng, May 1999 Ă