Sổ tay thủy văn cầu đường – PHÂN TÍCH THUỶ LỰC CÔNG TRÌNH CẦU THÔNG THƯỜNG part 6 ppsx

V
tb
: tốc độ trung bình toàn mặt cắt thực của dòng chảy khi chưa bị thu hẹp,
m/s;
(Fr / i
o
): thành phần không thứ nguyên của dòng chảy khi chưa bị thu hẹp;
Fr = V
tb
2
/ gL
ngập
(4-22)
trong đó:
L
ngập
: chiều rộng ngập tính toán, m; khi dòng chảy bị thu hẹp một phía, lấy
toàn bộ chiều rộng ngập, còn khi dòng chảy bị thu hẹp cả hai phía, lấy bằng một
nửa chiều rộng ngập;
i
o
: độ dốc dọc của đường mặt nước khi dòng chảy chưa bị thu hẹp.
a: hệ số lấy theo bảng 4-11.
b. Xác định khoảng cách từ cầu lên thượng lưu, nơi có độ dềnh nước lớn
nhất
Khoảng cách từ cầu lên thượng lưu, nơi có độ dềnh nước lớn nhất được xác
định theo công thức:
x
o
= aL
ngập

(Fr/i
o
)
0,5
(4-23)
Các ký hiệu trong công thức đã được giải thích ở trên.
Bảng 4-11
Xác định hệ số a
Fr/i
o

Q
TK
/Q
C

1,25 1,50 2,00 2,50 3,00 4,00
0,05 1,14 1,21 1,36 1,51 1,66 2,28
0,10 1,07 1,12 1,24 1,39 1,54 2,00
0,15 1,02 1,05 1,13 1,28 1,42 1,72
0,20 0,98 1,01 1,08 1,19 1,30 1,48
0,25 0,94 0,97 1,04 1,11 1,18 1,26
0,30 0,90 0,92 0,97 1,03 1,09 1,08
0,40 0,81 0,82 0,86 0,88 0,90 0,83
0,50 0,73 0,74 0,74 0,73 0,72 0,51
Trong bảng trên: Q
C
: lưu lượng qua bộ phận mặt cắt chưa bị thu hẹp của mặt
cắt thực dưới cầu.
Lưu ý: Trường hợp các trị số Q

TK
/Q
C
và Fr/i
o
ở ngoài giá trị trong bảng
trên, lấy giá trị của a theo trị số gần nhất.
c. Xác định độ dềnh nước lớn nhất ở mái dốc đường dẫn lên cầu
Độ dềnh nước lớn nhất ở mái dốc đường dẫn lên cầu Dh
TL
được xác định
theo công thức:
Dh
TL
= Dh
d. max.
+ x
o
i
o
+ V
o
2
/ g (4-24)
Các ký hiệu trong công thức đã được giải thích ở trên.
Đ 4.8. Tĩnh không dưới cầu
4.8.1. Tĩnh không hay khổ giới hạn gầm cầu
Tĩnh không dưới cầu (hay khổ giới hạn gầm cầu) là đường giới hạn tối thiểu
của khoảng không gian dưới dầm cầu tính theo hướng vuông góc với dòng chảy
trong sông, đảm bảo cho thuyền bè qua lại không bị va chạm vào các chi tiết kết

cấu của cầu. Các kích thước tối thiểu của khổ giới hạn gầm cầu được quy định theo
cấp sông trong Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5664-92. Bảng 4-12 trình bày tổng
hợp một số thông số theo phân cấp kỹ thuật đường thuỷ nội địa.
4.8.2. Xác định mực nước thông thuyền
Mực nước thông thuyền theo TCVN 5664-92 là mực nước cao có tần suất
5%, là mực nước cao nhất cho phép thuyền bè có thể qua lại an toàn dưới cầu. Mực
nước này dùng để xác định kích thước công trình bắc qua. Trường hợp đặc biệt có
thể dùng mực nước cao có tần suất 10% do cấp có thẩm quyền quyết định.
Mực nước thông thuyền được xác định tương tự như mực nước đỉnh lũ thiết
kế. Chi tiết cách xây dựng đường tần suất mực nước cao xem Đ 2.3, Chương II.
Bảng 4-12
Bảng tổng hợp phân cấp đường thuỷ nội địa

C
ấp
sôn
g
Kích thước luồng lạch, m Kích thước công trình, m
Sông thiên
nhiên
Kênh đào
Bán kính
cong
Cầu Tĩnh không
dây điện
chưa kể phần
an toàn từ
trường
Chiều
sâu

nước
Chiều
rộng
đáy
Chiều
sâu nước

Chiều
rộng
đáy
Khẩu độ Tĩnh
khôn
g
Sông Kênh
I > 3,0 > 90 > 4,0 > 50 > 700 80 50 10 12
II
2,0-
3,0
70-
90
3,0-4,0
40-
50
500-
700
60 40 9 11
III
1,5-
2,0
50-

70
2,5-3,0
30-
40
300-
500
50 30 7 9
IV
1,2-
1,5
30-
50
2,0-2,5
20-
30
200-
300
40 25 6 (5) 8
V
1,0-
1,2
20-
30
1,2-2,0
10-
20
100-
200
25 20 3,5 8
VI < 1,0

10-
20
< 1,2 10 60-150 15 10 2,5 8

Ghi chú:
1) Trị số ( ) được phép dùng khi có sự đồng ý của cơ quan có thẩm quyền.
2) Kích thước luồng lạch được xác định ứng với mực nước mùa cạn có tần
suất 95%.
Cho đến nay, do còn có những điểm cần xem xét thêm về phân cấp sông cho
một số đoạn sông trên cả nước nên đối với mỗi cầu dự kiến xây dựng qua một đoạn
sông cụ thể nào đó, nên đơn vị Tư vấn thiết kế cần có công văn xin ý kiến về yêu
cầu thông thuyền dưới cầu của cơ quan quản lý có liên quan đoạn sông đó như Cục
Đường sông Việt Nam; Sở Giao thông vận tải các tỉnh, thành phố hoặc Tổng Công
ty Điện lực Việt Nam (chẳng hạn cầu qua lòng hồ của nhà máy thuỷ điện) v.v

Tài liệu sử dụng trong chương IV
[1]. Nguyễn Xuân Trục. Thiết kế đường ô tô, Công trình vượt sông (Tập 3). Nhà
xuất bản Giáo dục, 2003 (Tái bản lần thứ ba).
[2]. Tiến sĩ Trần Đình Nghiên. Thiết kế thuỷ lực cho dự án cầu đường. Nhà xuất
bản Giao thông vận tải, Hà Nội 2003.
[3]. Giáo sư, Tiến sĩ O.V. Andreev. Thiết kế cầu vượt sông. Nhà xuất bản Giao
thông vận tảI, Matxcơva 1980.
[4]. Quy định về Khảo sát và Thiết kế các công trình vượt sông trên đường bộ và
đường sắt. Bộ Xây dựng - Vận tải Liên Xô (trước đây), Matxcơva 1972 (NIMP
72).
[5]. Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79, Bộ Giao
thông vận tải 1979.
[6]. Thiết kế đường thuỷ, Tài liệu hướng dẫn thiết kế thuỷ lực cầu, cống và đường
tràn, Hiệp hội quản lý giao thông và đường bộ quốc gia Oxtrâylia, Sydney 1994.
[7]. Hướng dẫn phân tích thuỷ lực công trình - HEC No.18, Phân tích xói dưới cầu,

Cục Đường bộ của Bộ Vận tải Hoa Kỳ xuất bản tháng 11 năm 1995.
[8]. Chương trình phân tích sông ngòi HEC-RAS - Trung tâm Thuỷ lực công trình
của Hiệp hội Kỹ sư quân đội Mỹ (cập nhật thông tin đến tháng 12 năm 2005).
[9]. Sổ tay Hướng dẫn bảo vệ môi trường trong xây dựng công trình giao thông
đường bộ, do Nhóm chuyên gia Canađa về Môi trường giao thông vận tải biên
soạn. Nhà xuất bản Giao thông vận tải phát hành năm 2000.
[10]. R.V. Farraday và F.G. Charlton. Các yếu tố thuỷ lực trong thiết kế cầu. Nhà
xuất bản Oxfordshire, 1983.
[11]. PGS. TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu xói cục bộ mố cầu, Đề tài nghiên
cứu khoa học mã số B2004-35-86, hoàn thành tháng 6 năm 2005.
[12]. PGS. TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu mới về xói cục bộ mố cầu. Tạp chí
Cầu đường Việt Nam, các số tháng 8 và 9 năm 2005.





PHỤ LỤC 4-1
Giới thiệu một số phương pháp dự báo xói dưới cầu
Dự báo xói chung và xói cục bộ trình bày ở Đ4.3; Đ4.4 và Đ4.5 dựa theo
Hướng dẫn "Phân tích xói dưới cầu" [7]. Mặc dù còn những điểm cần phải tiếp tục
nghiên cứu, nhưng cho đến nay các phương trình dự báo xói trong Hướng dẫn này
vẫn đang được áp dụng rộng rãi trong thiết kế cầu vượt sông ở nhiều nước trên thế
giới. Tuy nhiên dự báo xói dưới cầu là một trong những vấn đề khá phức tạp, đã và
đang được rất nhiều cơ quan tiếp tục nghiên cứu, mong muốn xây dựng nên những
phương pháp phân tích dựa trên cơ sở khoa học thống nhất và cho kết quả sát hơn
với thực tế. Phần dưới đây xin giới thiệu những phương trình phân tích xói chung
và xói cục bộ dưới cầu đã công bố trong một số tài liệu để khi cần, bạn đọc có thể
tìm hiểu áp dụng, xác định thêm kết quả.
1. Công thức tính xói chung

Quan sát dòng chảy trên các sông cho thấy một thực tế là: tốc độ chảy của
sông thiên nhiên thường lớn hơn nhiều so với tốc độ cho phép không xói của các
loại đất cấu tạo lòng sông, nhưng lòng sông vẫn không bị xói sâu thêm. Ví dụ tốc
độ cho phép không xói của cát chỉ khoảng từ 0,2 đến 0,6 m/s, trong khi đó tốc độ
nước chảy trên đáy sông có cấu tạo là cát thường từ 1,3 đến 1,6 m/s và lớn hơn
nhưng lòng sông vẫn không bị xói.
Trên những đoạn sông có cầu vượt cũng có hiện tượng tương tự. Dòng chảy
dưới cầu sau khi xói có tốc độ chảy lớn hơn tốc độ không xói cho phép của đất cấu
tạo lòng sông, nhưng đáy sông dưới cầu chỉ bị xói đến một mức độ nhất định.

Hiện tượng trên đã được Kỹ sư cầu nổi tiếng người Nga, Giáo sư H.A.
Belleliutsky nhận xét vào năm 1875: mỗi con sông được đặc trưng bằng tốc độ
nước chảy, với tốc độ đó lòng sông không bị xói hay bồi. Đối với đoạn sông có
cầu, tốc độ đó là tốc độ nước chảy sau xói dưới cầu. Nó không có quan hệ trực tiếp
với kích thước của hạt đất cấu tạo lòng sông vì còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố
khác như độ dốc lòng sông, lượng phù sa và kích thước hạt của nó v.v
Hiện tượng tốc độ dòng nước dưới cầu lớn hơn tốc độ cho phép không xói
không phải là nguyên nhân gây xói ở dòng chủ, và sự biến dạng lòng sông dưới
cầu chỉ có thể giải thích bằng sự mất cân bằng lượng phù sa, đã được nhà bác học
Eksner người Áo giới thiệu trong Phương trình cân bằng phù sa năm 1926 để tính
toán biến dạng phù sa dọc sông [1].
Trong số nhiều phương pháp tính xói chung đã sử dụng, ở đây chúng tôi chỉ
lựa chọn và giới thiệu phương pháp của Giáo sư O.V. Andreev. Lý do mà chúng
tôi chọn phương pháp này là vì Giáo sư O.V. Andreev đã phân biệt rõ hai nguyên
nhân khác nhau gây ra xói chung ở lòng sông của phần dòng chủ và lòng sông của
phần bãi sông dưới cầu; trên cơ sở đó đưa ra các phương trình dự báo xói chung
phù hợp cho mỗi trường hợp.
Theo Giáo sư O.V. Andreev, ở phần bãi sông dưới cầu lúc tự nhiên dòng
nước không mang phù sa. Vì tốc độ chảy nhỏ hơn vận tốc cho phép không xói của
lớp đất cấu tạo bãi sông nên xói chỉ bắt đầu khi tốc độ nước chảy dưới cầu lớn hơn

tốc độ cho phép không xói của lớp đất cấu tạo bãi sông (V
bc.
> V
ox.
), và xói sẽ
ngừng khi tốc độ nước chảy giảm xuống bằng tốc độ cho phép không xói của lớp
đất. Khác hẳn với điều kiện chảy ở bãi sông, ở lòng sông ngay trong điều kiện tự
nhiên, tốc độ nước chảy đã lớn hơn tốc độ cho phép không xói của lớp địa chất cấu
tạo nên lòng sông, và do đó lớp đất trên cùng của của nó luôn luôn ở trạng thái
chuyển động, nhưng lòng sông không bị xói sâu vì có sự cân bằng lượng phù sa
dọc sông (theo phương trình cân bằng phù sa dọc sông của Eksner).
Phần dưới đây trình bày nội dung phương pháp phân tích xói chung dưới cầu
của Giáo sư O.V. Andreev.
a. Phương pháp tính xói chung theo nguyên lý cân bằng giới hạn lượng
phù sa đối với dòng chủ và những phần dòng chảy có vận chuyển phù sa.
Công thức xác định chiều sâu nước chảy sau xói như sau.
h'
ch
= h
ch
(Q'
ch
/ Q
ch
)
8/9
(B
ch
/ B'
ch

)
2/3
(1)
trong đó:
Q
ch
; Q'
ch
: lưu lượng nước chảy trước và sau khi làm cầu tại dòng chủ;
h
ch
; h'
ch
: chiều sâu nước chảy tại dòng chủ trước (lúc tự nhiên) và sau khi
xói.
Nếu gọi hệ số tăng lưu lượng tại dòng chủ so với lúc tự nhiên b
ch
= Q'
ch
/ Q
ch

thì Công thức 1 có dạng:
h'
ch
= h
ch
(b
ch
)

8/9
(B
ch
/ B'
ch
)
2/3
(2)

Trong tính toán thực tế có thể gặp hai trường hợp.
 Nếu trong thiết kế có đào rộng dòng chủ hay đảm bảo sau khi xói dòng
chủ phát triển rộng ra toàn cầu (chiều sâu sau khi xói ở bãi sông lớn hơn chiều sâu
lòng chủ lúc tự nhiên h'
b
> h
ch
) thì thay:
b
ch
= b = Q / (Q
ch
+ Q
bc
)
và B'
ch
= L
c
(1 - l)
vào công thức 2 để tính toán. Trong đó:

b: hệ số tăng lưu lượng toàn bộ, hay hệ số tăng lưu lượng trung bình tại mặt
cắt dưới cầu;
Q: lưu lượng tính toán toàn bộ, m
3
/s;