Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại nước cộng hòa dân chủ nhân dân lào

-1MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Nước Cộng hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào đang trên đường
hiện đại hóa. Mạng lưới đường ô tô đang được cải tạo, nâng cấp và
xây dựng mới để phục vụ yêu cầu phát triển ngày càng cao của đất
nước. Trong những năm qua Đảng và Nhà nước Lào đã coi trọng
việc xây dựng cơ sở hạ tầng. Trong đó đã chú trọng đến việc xây
dựng và phát triển mạng lưới đường giao thông, đặc biệt là đường
bộ.
Khi xây dựng đường ô tô đã chú ý đặc biệt đến việc xây
dựng công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô, mặc dù loại công
trình này chiếm tỷ trọng không lớn so với các công trình khác, nhưng
khả năng tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ lại ảnh hưởng
và liên quan trực tiếp đến tuổi thọ của áo đường, nền đường và các
công trình khác trên đường.
Nước Lào nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng
mưa và khí hậu điều hòa trong năm, song một số vùng có lượng mưa
lớn và không đều. Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao và mạng
lưới giao thông từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùng
núi, do độ dốc lớn, lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuống nhanh
dẫn đến những hư hỏng công trình thoát nước trên đường ô tô làm
cho chất lượng của tuyến đường không ổn định theo các mùa trong
năm. Một trong số các nguyên nhân quan trọng là phương pháp tính
toán thủy lực cho công trình thoát nước nhỏ và sự lựa chọn trạng thái
nguy hiểm của công trình có thể còn chưa hợp lý. Để nâng cao khả
năng thoát nước ngang đường ô tô cần phải nghiên cứu một số bài
toán tính toán thủy lực như: tính thủy lực bậc nước và dốc nước, tính
xói sau cống, tính tốc độ bắt đầu xói đáy dòng chảy. Tất cả những
vấn đề trên điều liên quan đến việc nghiên cứu phương pháp thiết kế

để nâng cao khả năng thoát nước nhỏ trên đường ô tô.


-2Tại CHDCND Lào, để tính toán thuỷ lực cho công trình
thoát nước này chúng tôi hiện nay đang dùng các phương pháp của
nước ngoài (chủ yếu là châu Âu, Mỹ, Việt Nam) trong điều kiện tự
nhiên và khí hậu của Lào.
Thực tế đó đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu hơn về vấn
đề này. Với trình độ và kinh nghiệm của các nhà khoa học– kỹ thuật
Việt Nam có thể giúp tôi rất nhiều trong khi thực hiện đề tài. Chính
vì vậy Nhà Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào cử tôi sang đây
làm nghiên cứu sinh với đề tài : “Nghiên cứu đề xuất phương pháp
thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát
nước nhỏ trên đường ô tô tại nước Cộng Hoà Dân Chủ Nhân Dân
Lào”.
2.
Mục đích nghiên cứu
Luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây
dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên
đường ô tô tại nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào, trong đó tập
trung vào tính thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô
và giải quyết một số tính toán thủy lực (bậc nước, dốc nước, tốc độ
không xói đáy dòng chảy và xói sau gia cố) dùng trong thiết kế công
trình thoát nước nhỏ ngang đường để từ đó đề xuất được các giải
pháp thiết kế và lựa chọn phương pháp gia cố hoặc biện pháp tiêu
năng thích hợp ở hạ lưu cống trên đường ô tô giải pháp xây dựng
công trình thoát nước nhỏ ngang đường có địa hình đặc thù phù hợp
với các đặc điểm điều kiện tự nhiên và đặc điểm khí hậu tại nước
Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào.
3.

Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu là tính thủy lực cho hệ thống công trình
thoát nước nhỏ ngang đường ở nước Lào.
4.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực tế.


-35.

Bố cục của luận án
Luận án trình bày trong 166 trang gồm phần Mở đầu, Phần
nội dung luận án trong 04 chương, Phần kết luận và kiến nghị,
Hướng nghiên cứu tiếp theo, Tài liệu tham khảo và Phụ lục.
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ
NHIÊN, TÌNH HÌNH MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG VÀ SỰ
PHÁ HOẠI CÁC CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN
ĐƯỜNG Ô TÔ Ở NƯỚC CHDCND LÀO
1.1.

Đặc điểm điều kiện địa hình và khí hậu ở Lào
Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào là một nước có

diện tích tương đối rộng với diện tích 236.800 km 2. Địa hình của Lào
chủ yếu là đồi núi cao chiếm tỷ lệ 70% và đồng bằng chiếm 30% của
diện tích cả nước.
- Địa hình: miền núi và cao nguyên chiếm tới hơn 3/4 diện tích tự
nhiên, còn lại là một số vùng đồng bằng. Nói chung là vùng núi ở
Lào có độ cao trung bình chiếm phần lớn phía Bắc và phía Đông,
đỉnh cao nhất là núi Bịa (2820m), và một số đỉnh cao khác như: núi

Xao (2690m), núi Săn (2218m), núi Huạt (2452m). Núi ở hai tỉnh
Đông Bắc Lào là Xiêng Khoảng - Xăm Nưa, nơi bắt đầu của dãy núi
Trường Sơn Bắc. Hướng chung của chúng là Đông Bắc - Tây Nam
nằm toàn bộ ở phía Tây, không liền dài và không phẳng như ở châu
thổ sông Mê Kông.
- Khí hậu: khí hậu nhiệt đới gió mùa, với 2 mùa rõ rệt:
+ Mùa mưa: bắt đầu từ tháng 05 đến tháng 11, nhiệt độ vào
khoảng 30oC, mưa khá thường xuyên, một vài năm thậm chí bị lũ lụt
tràn dòng sông Mê Kông.
+ Mùa khô: từ tháng 11 đến tháng 04, ít mưa hơn và nhiệt độ
khoảng 15oC, vùng núi có thời điểm là 0oC.


-41.2.

Giới thiệu chung về hệ thống đường ô tô ở Lào

1.2.1. Giai đoạn trước năm 1975
1.2.2. Giai đoạn năm 1975-1985
1.2.3. Giai đoạn năm 1985-2000
1.2.4. Giai đọan năm 2000-2015
1.3.

Tình trạng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đường
ô tô tại nước CHDCND Lào
Nước Lào có vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, do lượng mưa

và khí hậu trong năm, chủ yếu là một số vùng có lượng mưa lớn và
không đều trong năm. Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao và
mạng lưới giao thông từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua

vùng núi, do độ dốc lớn thì lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuống
nhanh dẫn đến những hư hỏng công trình thoát nước trên đường ô tô
và làm cho chất lượng của tuyến đường không ổn định theo các mùa
trong năm.
Công trình thoát nước trên đường ô tô ở Lào có thiết kế - kỹ
thuật còn thấp, công tác duy tu bảo dưỡng không thường xuyên, công
tác quản lý và chi phí còn hạn chế, chưa đáp ứng được kịp thời cho
việc duy tu bảo dưỡng đường ô tô ở Lào.
1.3.1.

Những hư hỏng thường gặp về công trình thoát nước trên
đường ô tô và nguyên nhân gây ra
Hiện tượng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đường ô

tô ở nước CHDCND Lào xảy trên tất cả các tuyến đường đang khai
thác. Hậu quả do chúng để lại thường gây ra tổn thất lớn, tốn phí
nhiều chi phí sửa chữa, khôi phục, gián đoạn giao thông nhiều ngày
sau mưa lũ, đe dọa nghiêm trọng an toàn giao thông. Để phục vụ cho
luận án NCS đã khảo sát nhiều tuyến đường ở nước CHDCND Lào
như: đường 1D, đường số 1J, đường số 2E, đường số 4A, đường số
7, đường số 8, đường số 12... Các kết quả khảo sát NCS đã trình bày


-5chi tiết ở báo cáo chuyên đề : Sự phá hoại các công trình thoát nước
nhỏ trên đường ô tô của nước CHDCND Lào và các nguyên nhân
gây ra. Dưới đây NCS xin tóm tắt một số hư hỏng điển hình liên
quan trực tiếp đến những vấn đề trong nội dung của luận án.
1. Hư hỏng rãnh thoát nước (hình 1.2A và 1.2B);
2. Hư hỏng thượng lưu và hạ lưu công trình cống thóat
nước(hình 1.3A, 13B, 13C và 13D);

3. Hư hỏng xói lở thân cống, nền đường tại vị trí cống bị cắt
đứt(hình 1.4);
4. Hư hỏng mối nối cống (hình 1.5);
5. Lắng đọng đất cát trong cống (hình 1.6A và 1.6B).
1.3.2. Tình hình áp dụng kết cấu công trình thoát nước ở Lào
Trong quá trình xây dựng và phát triển mạng lưới giao thông
vận tải, các dạng kết cấu cống và cầu nhỏ trên đường ô tô ở Lào cũng
nghiên cứu và nâng cao chất lượng xây dựng để thoát nước trên
tuyến đường và đỉnh núi, thuận lợi cho việc duy tu bảo dưỡng, hạ giá
thành công trình, đảm bảo chất lượng và sự an toàn xe chạy trên
tuyến đường.
Nói chung các kết cấu công trình thoát nước nhỏ đã được áp
dụng trên tuyến đường ở Lào có cống và cầu nhỏ, gồm có: cống tròn
bê tông cốt thép, cống hộp bê tông cống thép, rãnh thoát nước 2 bên
tuyến đường, cầu bản bê tông cốt thép v.v...
Hiện nay chưa có một công trình nào có nghiên cứu đầy đủ về
các giải pháp kỹ thuật để xử lý các công trình thoát nước ở Lào. Khi
có đoạn tuyến đường bị hư hỏng xảy ra thì sẽ tổ chức sửa chữa đưa
ra một số giải pháp nào đó cho phù hợp với hiện trạng hư hỏng thực
tế cần xử lý và thuộc vào năng lực chuyên môn và kinh nghiệm của
đơn vị thi công.


-61.4. Kết luận chương 1
Sau khi nghiên cứu NCS thấy cần nêu ra một số kết luận
quan trọng dưới đây liên quan đến mục tiêu của luận án:
1. Phát triển và duy trì hệ thống đường ô tô để phục vụ cho
việc phát triển kinh tế của nước Lào chúng tôi, được Đảng và Nhà
nước Lào xác định là một nhiệm vụ trọng tâm rất nhiều các con
đường có quy mô lớn sẽ được xây dựng và cải tạo cho tương lai. Để

các công trình đường ô tô hoạt động có hiệu quả cần nâng cao chất
lượng xây dựng. Nhiệm vụ nâng cao chất lượng xây dựng các công
trình đường cần phải bắt đầu từ bước lập kế hoạch thiết kế công
trình. Luận án này mong muốn tham gia các khâu đầu tiên nói trên
với mục tiêu nâng cao chất lượng xây dựng phải kéo dài tuổi thọ
công trình và đảm bảo chất lượng khai thác.
2. Cùng với các đồng nhiệp, các cơ quan hữu quan NCS đã
xem xét một số tuyến đường chính như hình ảnh đã nói trên là một
số hư hỏng rất hay gặp trên đường là sự phá hoại tại các vị trí công
trình thoát nước nhỏ như: cầu nhỏ, cống. Tùy dạng phá hoại rất đa
dạng nhưng nguyên nhân thường gặp nhất là nền đường, mặt đường
tại những vị trí này bị nước xói, đất đá bị cuốn trôi. Kiểu phá hoại
này chắc chắn là do công tác dự báo thủy văn và tính toán thủy lực
công trình không hợp lý dẫn đến vận tốc nước, áp lực nước tác động
lên nền mặt đường quá lớn dẫn đến phá hoại công trình làm giảm an
toàn giao thông. Những dự đoán này giải thích luận án của NCS tập
trung vào công tác tính thủy lực cho các công trình thoát nước nhỏ.
Như vậy, hy vọng rằng sau này các đoạn đường ít bị nước cuốn trôi,
vị trí cống, vị trí cầu bị nước tàn phá sau mỗi mùa lụt. Kiểu phá hoại
này khác biệt với kiểu phá hoại một cái cầu hay một cái cống sụp đổ
dưới tác động của tải trọng xe và tải trọng bản thân nền đắp. Những


-7kiểu phá hoại này hình thành do chất lượng xây dựng kém, luận án
này NCS không giải quyết được vấn đề đó.
3. Điều kiện khí hậu, nhiệt độ, mưa gió rất khắc nghiệt, hình
thành các vùng khí hậu rất rõ ràng. Sau này khi áp dụng các công
thức chung tính thủy lực cho các công trình thoát nước nhỏ ngang
đường rất cần chú ý đến đặc điểm này. Nhưng đây là một vấn đề rất
phức tạp đòi hỏi rất nhiều công trình nghiên cứu, rất nhiều kinh

nghiệm xây dựng công trình. Vì vậy luận án của chúng tôi muốn có
sự chặt chẽ vào các lý thuyết chung được thừa nhận và các kinh
nghiệm mà các nhà bác học, các nhà kỹ thuật đã đạt được với mong
muốn vấn đề được giải quyết nhanh chóng hơn.
Để đáp ứng các yêu câu về mục tiêu, nội dung đề tài luận án,
các vấn đề sau đây sẽ được nghiên cứu trong các chương tiếp theo:
a. Các nội dung chính khi tính thủy lực bậc nước nhiều cấp,
sức cản thủy lực ở dốc nước, khởi động của hạt ở đáy dòng chảy và
xói sau gia cố công trình thoát nước nhỏ ngang đường;
b. Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế thủy lực công trình
thoát nước nhỏ ngang đường cho nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân
Dân Lào;
c. Giải pháp xây dựng công trình thoát nước ngang đường có
địa hình đặc thù ở nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍNH THỦY LỰC BẬC NƯỚC
NHIỀU CẤP, SỨC CẢN THỦY LỰC Ở DỐC NƯỚC, KHỞI
ĐỘNG CỦA HẠT Ở ĐÁY DÒNG CHẢY VÀ XÓI SAU GIA CỐ
CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ NGANG ĐƯỜNG
2.1.

Tổng quan nghiên cứu tính thủy lực bậc nước nhiều cấp
dạng bể tiêu năng


-82.1.1.

Các nghiên cứu liên quan đến tính thủy lực bậc nước
nhiều cấp
Bậc nước nhiều cấp đã được nhiều tác giả nghiên cứu ở các

mức độ tiếp cận khác nhau như:
Hệ số tốc độ đối với mặt cắt chữ nhật của bậc nước nhiều
cấp (Alekxeev IU.S, 1965); hình dạng dòng chảy qua bậc nước
(Konstantinov IU.M, 1966, 1969); tốc độ và chiều sâu dòng chảy ở
thượng lưu bậc nước (Popov V.N, 1957)...
Bậc nước nhiều cấp bao gồm nhiều bậc nước một cấp nối
tiếp nhau kiểu bậc thang được áp dụng ở nơi có địa hình dốc, để
giảm khối lượng công tác làm đất, ít phá hủy môi trường. Như vậy,
mỗi bậc phải được tính sao cho có chiều dài tối thiểu về tính thủy
lực, đồng thời đảm bảo điều kiện địa hình cụ thể tức là độ dốc cục bộ
trung bình phải được thỏa mãn Scb=∑Pi/∑Li [5].
Khi tính bậc nước nhiều cấp, thường chỉ tính bậc 1 và bậc 2,
các bậc tiếp theo tính như bậc thứ hai, bậc cuối cùng có tính tới ảnh
h
hưởng của dòng chảy hạ lưu h , thường có dạng bể tiêu năng.
2.1.2. Các công thức tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể
2.1.2.1. Xác định chiều dài đoạn nước đổ ở cửa vào bậc nước [5]
Chiều dài nước đổ trong kênh chữ nhật có thể tính theo công
thức [5].
2.1.2.2. Chiều dài nước rơi dọc phương chảy tại sân bậc [5]
Dòng chảy rơi xuống sân bậc khi bậc không ngập gồm hai
phần là phần rơi tự do trong không khí và phần sau ngập trong nước
ở sân bậc có thể xác định theo nghiên cứu của (Kostantinov IU.M,
1988) [80].
-

Đối với mặt cắt chữ nhật:
Pavlovski N.N

lnn = 2.5 ( 1.9h2ch − hch )

(2.9)


-9-

l = 5h2 ch
Chertouxov M.D nn
(trung0.81bình)
(2.10)
lnn = 10.3hch ( Fr1 − 1)
hay
(2.10a)
lnn = 6.9 ( h2 ch − hch )
Bradley và Peterka
(2.11)
l
=
5.5
h
ch
Ohtsu và các cộng sự nn
(2.12)
2.1.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm phần cửa vào bậc nước rơi tự do [5]
h
Số liệu đo thay đổi áp suất dọc theo chiều sâu b ở ngay cửa
vào bậc, theo nghiên cứu của (Rajaratnam và Muralidha, 1968) [54].
Áp suất dư tại đỉnh và đáy luồng nước bằng không, trong phạm vi
luồng nước là đường cong có giá trị lớn hơn áp suất không khí song
luôn nhỏ hơn áp suất thủy tĩnh.

Nghiên cứu thực nghiệm và bán thực nghiệm chỉ ra
hb/hc=0.715 cho mặt cắt chữ nhật.
h
2.1.2.4. Xác định chiều sâu ở mặt cắt co hẹp ch [2], [5]
Chiều sâu ở mặt cắt co hẹp tại sân bậc xác định theo phương
trình Bernoulli viết cho mặt cắt ở kênh thượng lưu và mặt cắt co
hẹptại sân bậc đối với mặt cắt chữ nhật.
Eo=hch+(q2/2gϕ2h2ch)
(2.14)
1). Nghiên cứu của (Agroskin I.I, 1964) [2], [5]:
q=ϕhch(2g(Eo-hch))0.5
(2.18)
Đặt: τch=hch/Eo và τ2ch=h2ch/Eo
F(τch)=q/(ϕE3/2o)
(2.19)
Thông qua quan hệ hàm số F(τch)=q/(ϕE3/2o) tương ứng với
ϕ = 0.8 ÷ 1.0 )
các giá trị hệ số tốc độ khác nhau (
(phụ lục 1) tìm được
hch h2ch
ϕ
và
tương ứng với hệ số .
2). Nghiên cứu của (Rakhamanov A.N) [5]:
Sử dụng phương trình (2.14) viết phương trình ở dạng tỷ số
h
tương đối so với chiều sâu phân giới c :
Eo/hc=(hch/hc)+(1/2ϕ2)(hc/hch)3
(2.20)
Đặt: ξEo=Eo/hc; ξch=hch/hc và ξ2ch=h2ch/hc

- 10 -

ξ
ξ ξ
Xây dựng đường cong quan hệ giữa ch , ch với Eo ứng với
hệ số lưu tốc ϕ (phụ lục 2).
2.1.2.5. Tính chiều sâu bể tiêu năng [5]
Xác định chiều sâu bể tiêu năng có thể theo biểu đồ của
(Chertouxov M.Đ, 1962) đã xây dựng biểu đồ thông quan quan
hệ:ξz=f(ξEo,ϕ) (phụ lục 3).
Biểu đồ cho giá trị d tương ứng với nước nhảy tại chỗ xác
định theo công thức (2.32) như sau:
d=ξEohc-Eo
(2.32)
Nghiên cứu của(Detlef Aigner) cho biết [23]:
Tính bậc nước nhiều cấp dạng bể theo [23] đã biết lưu lượng
3
đơn vị q( m / s.m) và chiều cao bậc nước P có thể tìm được
tgα=P/L, sau đó tìm được quan hệ giữa p t/P với hc/P và tính được các
kích thước của bậc nước nhiều cấp như: chiều cao tường tiêu năng
pt
,chiều dài bậc nước L ...
2.1.3. Nhận xét về tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể
Nghiên cứu này tác giả tập trung giải phương trình tìm chiều
sâu mặt cắt co hẹp ở sân bậc, chiều sâu liên hợp lớn của nước nhảy
h
h
với chiều sâu co hẹp ch ở sân bậc là 2ch , tính chiều cao tường ở bậc

nước dạng bể của bậc nước nhiều cấp và chiều sâu bể tiêu năng ở bậc
cuối theo phương pháp giải tích và phương pháp số, đồng thời lập
biểu đồ xác định quan hệ giữa p t/hc với P/hc và Lbc/hc với P/hc tìm pt
và Lbc.
2.2. Tổng quan các nghiên cứu về sức cản thủy lực ở dốc nước
2.2.1. Các nghiên cứu liên quan đến sức cản thủy lực ở dốc nước
[5]
Tính thủy lực dốc nước được chia làm ba phần: cửa vào,
thân dốc và phần tiêu năng ở cửa ra của dốc (xem hình 2.7).
2.2.1.1. Tính thủy lực phần cửa vào dốc nước


- 11 bb=Q/(m(2g)0.5(Ho3/2))

(2.40)

2.2.1.2. Tính thủy lực phần thân dốc
Chiều dài dốc:

Ld=(P2+L2)0.5

(2.41)

Dốc của dốc nước:

id=P/Ld

(2.42)

Mô đun lưu lượng của kênh:

0.5

Ko=Q/(id)

(2.43)

2.2.1.3. Tính thủy lực cửa ra của dốc nước
h2=(h21+2h3c(1/h1-1/hcr))0.5

(2.44)

2.2.2. Vấn đề tính sức cản thủy lực của dốc nước
Để xác định khả năng chảy của công trình thoát nước ngang
đường như cống, dốc nước, bậc nước điều quan trọng là phải xác
định đúng tốc độ trung bình dòng chảy và lưu lượng tương ứng, song
tốc độ và lưu lượng lại phụ thuộc vào việc xác định hệ số sức cản ma
sát f được đưa vào trong công thức (Darcy – Weisbach) [79].
1). Nghiên cứu của (Pavlovski N.N) [79]:
Xác định hệ số Sedi áp dụng cho 0.1Số mũ

C=(1/n)Ry
y = 2.5 n − 0.13 − 0.75 R

(

)

n − 0.1

(2.49)

Trong thực tế, đôi khi nên tiến hành tính toán với giá trị khi
ykhông đổi, thường lấy y=1/6.
2). Các nghiên cứu chuyên biệt về dốc nước của (Aivazian,
1977, 1984, 1985, 1987, 1992, 1996, 2001) [73], [74], [75],
[76], [77].
f=a+bixRy

(2.51)

Kết quả phân tích để tính hệ số f trong lòng dẫn bê tông
(Kosichenko IU.M, 08/1993) [81] sau đây:
a) Đối với dòng chảy êm (Fr<1) thì:
fe=0.245/Re0.158
b) Đối với dòng chảy xiết (Fr>1) thì:

(2.52)


- 12 fx=0.0187Re0.0384

(2.53)

2.2.3. Vấn đề cần nghiên cứu
Nghiên cứu này tác giả tập trung vào nghiên cứu để kiểm tra
kết quả phân tích hệ số f trong lòng dẫn bê tông thông qua việc sử
dụng số liệu thực tế [73], [74], [75], [76], [77], (phụ lục 5) [89].
2.3.

Tổng quan về khởi động của hạt đất ở đáy dòng chảy

2.3.1.

Vấn đề đã đạt được
Hiện nay có bốn hướng chính nghiên cứu điều kiện khởi

động của hạt đất là:
1.

Tốc độ khởi động của hạt, trong đó đặt quan hệ đường kính
hạt đất d với tốc độ đáy hay tốc độ trung bình dòng chảy làm
cho hạt chuyển động.

2.

Lực nâng, trong đó lực nâng đẩy hạt lên vừa chớm vượt quá
trọng lượng hạt của dòng nước trong nước.

3.

Ứng suất tiếp tới hạn, trong đó dựa vào nhận thức lực tiếp
tuyến của dòng chảy tác dụng vào hạt ở đáy dòng chảy theo
phương chảy là nguyên nhân chủ yếu đẩy hạt chuyển động.

4.

Phương pháp xác suất được áp dụng để giải quyết vấn đề
trên.

2.3.1.1. Tốc độ khởi động của hạt đất
2.3.1.2. Nhận thức về lực nâng tác động vào hạt Py
2.3.1.3. Ứng suất tiếp của dòng chảy
2.3.1.4. Phương pháp xác suất
2.3.2. Nhận xét
Trong nghiên cứu này tác giả muốn nêu ra một mô hình đơn
giản đối với cát đều hạt chịu tác dụng của các lực thủy động và di
chuyển do trượt theo phương chảy có xét đến vai trò của rối và mạch


- 13 động tốc độ theo quy luật 3σ của phân phối chuẩn mạch động tốc độ
và sử dụng các kết qủa của các nghiên cứu gần đây.
2.4.

Tổng quan các nghiên cứu về tính xói sau gia cố công
trình thoát nước nhỏ ngang đường

2.4.1.

Các nghiên cứu liên quan đến tính xói sau gia cố cống và
cầu nhỏ
Nghiên cứu của (Andreev O.V, 1963) chỉ ra chiều sâu xói

sau phần gia cố thông qua kết quả thí nghiệm:

2.4.2.


b0

b0 
hx = H 1.9
− 0.35

b0 + 2lgc
b0 + 2l gc 


(2.74)

Vấn đề cần nghiên cứu

Tác giả nghiên cứu vấn đề bằng cách sử dụng phương trình
biến thiên động lượng để có thể nêu ra công thức lý thuyết t ính xói

sau gia cố cống, cầu nhỏ để so sánh và kiểm tra kết quả thí
nghiệm đã qua.
2.5.

Kết luận chương 2
Chương 2 này đã tổng quan nghiên cứu về tính thủy lực bậc

nước nhiều cấp, sức cản thủy lực ở dốc nước, khởi động của hạt ở
đáy dòng chảy và xói sau gia cố công trình thoát nước nhỏ ngang
đường, nêu ra các nghiên cứu để tìm một số công thức cho việc tính
thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường.
CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT
KẾ THỦY LỰC CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ NGANG
ĐƯỜNG CHO NƯỚC CỘNG HÒA DÂN CHỦ NHÂN DÂN
LÀO

3.1.

Lý thuyết tính thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang
đường


- 14 Như đã trình bày ở chương 2 chúng tôi có những lý thuyết
sau đây để tính thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường:
3.1.1.

Tính thủy lực bậc nước nhiều cấp

3.1.1.1. Xác định chiều sâu dòng chảy tại đỉnh bậc
y1ω1 +

hb

βoQ 2
β Q2
= β ybωb + o
gω1
gωb

(3.1)

3.1.1.2. Xác định chiều sâu co hẹp tại sân bậc

hchcắt (1-1) và (c-c)
Viết phương trình Bernoulli qua hai mặt

với mặt so sánh qua điểm viết phương trình ở mặt thoáng (hình 3.3).
P+H +

(3.2)

Pa α1V12
P α V2
+
= hch + a + ch ch + hf(1-c)
γ
2g
γ
2g

3.1.1.3. Tính chiều cao tường tiêu năng của bậc nước
pt=σh2ch-H1

pt
(3.8)

3.1.1.4. Bể tiêu năng kết hợp
Để có nước nhảy ngập trong bể (xem hình 3.5), chiều sâu bể
tiêu năng cần tăng thêm một lượng từ 5% đến 10% nghĩa là
hb = σ h2 ch , ta được:
(3.11)

do c+bướ
pt =c σchi
h2chtiế+t H
3.1.1.5. Cá

tín1 h bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng
3.1.2.

Dốc nước
Việc tính toán thủy lực dốc nước như đã nêu trong chương 2.

Vậy hệ số sức cản thủy lực có thể ở dạng tổng quát đối với một dạng
mặt cắt cụ thể ở chế độ chảy ổn định sử dụng phương pháp thân tích
thứ nguyên ta có:

f = g ( ∆, R, Re, Fr )

trong đó:

g gia tốc trọng lực;

- độ nhám tuyệt đối của lòng dẫn;

∆
R bán kính thủy lực;
-

(3.15)


- 15 -

Re

Fr

3.1.3.

- hệ số Reynolds;

- hệ số froude.
Xói sau gia cố

3.1.3.1. Xác định tốc độ khởi động của hạt cát ở đáy dòng chảy
3.1.3.2. Phương trình động lượng của dòng chảy ổn định
3.2.

Nghiên cứu xây dựng biểu đồ xác định bậc nước nhiều
cấp và nghiên cứu sức cản trong tính dốc nước

3.2.1.

Tính thủy lực bậc nước nhiều cấp mặt cắt chữ nhật ở dạng
bể tiêu năng

3.2.1.1. Trình tự tính bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng bằng
chương trình Excel
3.2.1.2. Giải bài toán tính bậc nước nhiều cấp bằng chương trình
Excel
Bài toán tác giả nêu ra để tính toán thủy lực bậc nước nhiều
3
cấp cho lưu lượng nước đơn vị q = 1.0; 2.0;3.0; 4.0;5.0 m / s.m khi bậc
nước có chiều cao bậc P = 1.0;1.2;1.5 m , chênh cao độ đáy thượng và
hạ lưu dốc là Z thl = 74.0m và Z hl = 68.0m .

3.2.1.3. Xây dựng biểu3 đồ quan hệ tính bậc nước nhiều cấp đối với
q m / s.m )
lưu lượng đơn vị (
và chiều cao bậc P(m) khác nhau bằng
chương trình Excel

Hình: 3.15


- 16 -

P
pt
= 0.223  ÷+ 0.3728
hc
 hc 

3.2.2.

P
Lbâc
= 1.554  ÷+ 8.1974
(3.24)
hc
 hc 

(3.25)

Tính thủy lực dốc nước

3.2.2.1. Xây dựng quan hệ thực nghiệm về sức cản thủy lực f
Để thấy rõ hơn sự thay đổi hệ số sức cản giữa dòng chảy xiết
và dòng chảy êm, tác giả sử dụng số liệu thực tế (bảng PL5.1, phụ
lục 5) [89] và xây dựng quan hệ giữa f và Re (xem hình 3.16).

Hình 3.16

Hình 3.19
3.2.2.2. Kết luận quan hệ thực nghiệm về sức cản thủy lực
f
Kết luận: Dòng chảy trong máng bê tông là chảy êm và chảy
xiết sẽ có hệ số ma sát dọc đường f . Kết quả nghiên cứu của tác giả
chỉ ra đối với:


- 17 Mặt cắt hình thang:
fHTH=0.0182Re0.0381
(3.26a)
Mặt cắt hình chữ nhật:
fCN=0.00045Re0.3123
(3.26b)
3.3.
Nghiên cứu tốc độ bắt đầu xói đáy và xói sau gia cố công
trình thoát nước nhỏ ngang đường đối với đất không
dính
3.3.1. Tính tốc độ bắt đầu xói đáy và trung bình đối với dòng chảy
có địa chất là đất không dính
3.3.1.1. Xây dựng công thức [6], [7], [8], [87]
(3.35)
udc = 1.1013 ∆gd

3.3.1.2. Kết quả tốc độ không xói ở đáy dòng chảy
Tốc độ không xói đáy ở lòng sông công thức (3.35) được so
sánh với công thức của Goncharov và [6] cho hạt có
mm
d
=
1
÷
75
(
)
(bảng 3.6).
Bảng 3.6: Tính tốc độ không xói ở đáy dòng chảy
uc ( m / s )
d
( mm )
Tác giả
Goncharov
[6]
1
0.140
0.136
0.20
2.5
0.222
0.215
0.25
5
0.313
0.304

0.35
10
0.443
0.430
0.50
15
0.543
0.527
0.60
25
0.701
0.680
0.80
40
0.886
0.860
1.00
75
1.213
1.180
1.35
3.3.2. Tính xói sau gia cố công trình thoát nước nhỏ ngang
đường
3.3.2.1. Tính xói sau gia cố ở hạ lưu theo phương trình động lượng
của dòng chảy ổn định [7]
Đối với cống qua đường, nếu chiều dài gia cố không đủ sẽ


- 18 xảy ra xói sau phần gia cố mà hố xói và cấu trúc dòng chảy được chỉ
ra ở (xem hình 3.21).

(3.55)
4.5n 2lxucb2
2Q1 
Q1  b1 2
2
h
=
1.12
2.62
µ
u
−
−
h
+
h
+
3.3.2.2.x Tính xói
theo
của
Hội cầu đường Mỹ
sau cống
cb
 tiêu 1 chuẩn
2
gb2 
b1h1  b2
h21/3
[7], [86], [88]
β

 α   Q   t θ
 hx bx Lx ∀ x 
,
,
, 3  = Cs .Ch  1/3 ÷

 σ g ÷ g .R 2.5 ÷
÷  316 ÷

 Rco Rco Rco Rco 
co  



trong đó:

hx

(3.58)

- chiều sâu xói (m);
- chiều rộng hố xói (m);
bLxx - chiều dài hố xói (m);
∀x - thể tích hố xói (m);
Rco
- bán kính thủy lực tại cửa ra của cống (giả thiết
chảy đầy cống)
Q - lưu lượng chảy trong cống m3 / s ;
g - gia tốc trọng lực bằng 9,81

;
m2 / s
t - thời gian lũ (phút);
- độ lệch tiêu chuẩn của hạt vật liệu lòng đáy;
σ
αg , β và θ - hệ số và số mũ (bảng 3.7);
Ch - hệ số điều chỉnh độ cao nước rơi (bảng 3.8)
Cs - hệ số điều chỉnh độ dốc (bảng 3.9);
3.3.2.3. Tính xói sau cống sử dựng phần mềm HY-8 [85]
Phần mềm HY-8 được phát triển từ Hội cầu đường Mỹ
FHWA (Federal Highway Administration) có khả năng tính toán thiết
kế như sau:
- Tính toán và cung cấp biểu đồ đường cong hạ lưu cống;
- Biểu đồ đường cong mặt nước;
- Phân tích các loại công trình thoát nước nhỏ như: cống
tròn, cống hộp, cống vòm…
- Tính xói sau công trình.
3.3.3. Tính toán và áp dụng công thức tính xói sau cống cho
công trình cống ngang đường


- 19 3.3.3.1. Giới thiệu chung về các điều kiện tự nhiên khu vực tuyến
đường
Qua hiện trạng công trình và phân tích nguyên nhân hư hỏng
ở trên để đảm bảo cống được ổn định, tác giả sẽ đưa ra giải pháp sửa
chữa hạ lưu cống này bằng phương pháp tính xói sâu cống (Andreev
O.V) công thức (2.74) và phương trình động lượng của dòng chảy ổn
định [7] kiểm tra với Hội cầu ðýờng Mỹ FHWA [7], [86], [88] và
phần mềm HY-8 [85].
3.3.3.2. Kết quả nghiên cứu đạt được

Bảng 3.10: Kết quả tính xói sau cống theo phần mềm HY-8
tại hai vị trí đặt cống(phụ lục 10 và phụ lục 11)
Kết quả xác định kích thước hố xói
Lý trình
Khẩu độ
Chiều
Chiều
Chiều
Thể tích
đặt cống
cống
sâu xói
rộng xói
dai xói
xói
∀
x (m)
D (m)
hx (m)
Bx (m)
Lx (m)
km 0+934.43
1.00
0.961
5.345
4.607
17.713
km 5+500.00
1.50
2.194

13.076
10.723
193.817
Bảng 3.11: Kết quả tính xói sau cống theo phương pháp của Hội cầu
đường Mỹ tại hai vị trí đặt cống(phụ lục 12 và phụ lục 13)
Kết quả xác định kích thước hố xói
Lý trình
Khẩu độ
Chiều
Chiều
Chiều
Thể tích
đặt cống
cống
sâu xói
rộng xói
dai xói
xói
∀
x (m)
D (m)
hx (m)
Bx (m)
Lx (m)
km 0+934.43
1.00
0.792
3.808
6.007
12.427

km 5+500.00
1.50
1.798
10.358
13.238
144.122
Bảng 3.12: Tổng kết quả tính chiều sâu xói gia cố
Phương pháp tính
Chiều sâu xói
Chiều sâu xối
km 0+934.43
km 5+500.00
Công thức (2.74)
0.49 (m)
1.63 (m)
(Andreev O.V) khi gia cố
(phụ lục 14)


- 20 Công thức (2.74)
0.98 (m)
2.82 (m)
(Andreev O.V) khi chưa gia cố
(phụ lục 14)
Công thức (3.55)
0.76 (m)
1.51 (m)
Phương trình động lượng của
dòng chảy ổn định [7] (phụ lục 15
vàphụ lục 16)

Phần mềm HY-8 [85] (phụ lục 10
0.961 (m)
2.194 (m)
vàphụ lục 11)
Hội cầu đường Mỹ [7], [86], [88]
0.792 (m)
1.798 (m)
(phụ lục 12 vàphụ lục 13)
3.4. Kết luận chương 3
Sau khi tìm hiểu và phân tích tính toán cụ thể trên chung tôi
thấy rằng có thể áp dụng các công thức kiến nghị để tính toán thủy
lực cho các công trình thoát nước nhỏ ở Lào. Khi áp dụng cần đặc
biệt lưu ý đến các hạn chế của từng phương pháp đã nêu ở phần nhận
xét và kết luận.
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THOÁT
NƯỚC NGANG ĐƯỜNG CÓ ĐỊA HÌNH ĐẶC THÙ Ở NƯỚC
CỘNG HÒA DÂN CHỦ NHÂN DÂN LÀO
4.1.
Khảo sát thủy văn và các công thức tính lưu lượng có thể
áp dụng để thiết kế công trình thoát nước ngang đường ở
CHDCND Lào
4.1.1. Nội dung công tác khảo sát thủy văn để thiết kế công trình
thoát nước ngang đường
4.1.2. Các phương pháp tính thủy văn có thể áp dụng để thiết kế
công trình thoát nước nhỏ ở CHDCND Lào
4.1.2.1. Phương pháp xác định lưu lượng nước theo tiêu chuẩn Lào
(4.1)
trong đó:

Q

- lưu lượng dòng chảy,

m3 / s

;


- 21 - cường độ nước mưa trong một thời gian,
mm / h
;
2
A - hệ số dòng chảy, (bảng
km 4.1).
C
4.1.2.2. Phương pháp xác định lưu lượng nước theo quy trình tính
dòng chảy lũ do mưa rào ở lưu vực nhỏ của (Viện thiết kế
giao thông) [1], [9]
(4.4)
trong đó:
- lưu lượng đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế P%;
QP - lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết
H PP%, xác định theo tài liệu của các trạm đo mưa;
kế
- hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào đặc trưng lớp
α
đất mặt của lưu vực, lượng mưa ngày thiết kế
và
H
P

diện tích lưu vực ;
- mô đun tươngFđối của dòng chảy lớn nhất
AP- hệ số xét tới ảnh hưởng làm giảm nhỏ lưu lượng
δ lũ do ao hồ xác định theo (bảng 4.2);
đỉnh
- diện tích lưu vực, km2;
F
4.1.2.3. Phương pháp xác định lưu lượng nước theo kiến nghị của
GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục dùng cho đường ô tô và
đường sắt Việt Nam [9]
(4.11)
trong đó:
- hệ số dòng chảy thuộc vào diện tích lưu vực
ϕ
(bảng 4.5);
- cường độ mưa tính toán tính bằng mm/ph.
a
4.2.
Giải phápp về thoát nước mặt đường và thoát nước ngang
đường
4.2.1. Nguyên tắc chung
4.2.2. Giải pháp về thoát nước mặt đường và ngang đường
4.2.2.1. Lựa chọn bố trí dốc nước
4.2.2.2. Lựa chọn bố trí bậc nước
4.2.2.3. Lựa chọn bố trí cống thoát nước
4.2.3. Biện pháp gia cố thượng lưu công trình[1]

I - diện tích lưu vực,

- 22 Khi thiết kế các biện pháp dẫn nước vào cống dốc cần chú ý:
1. Phải làm cho dòng nước chảy vào cống thuận lợi. Nếu khi
suối thượng lưu quá cong queo thì phải xử lý không để dòng chảy
ngoặt gấp, không được rút ngắn các công trình dẫn nước vào.
2. Chiều dài đoạn khe suối cần đào để dẫn nước vào cống
càng ngắn càng tốt. Nếu địa chất của khe suối ở thượng lưu là loại
đất dễ thấm nước thì không nên dùng biện pháp cải suối để tránh
không cho dòng nước chảy vào khe suối cũ làm hỏng nền đường.
3. Nếu cống nằm trên nền đá thì căn cứ vào điều kiện địa
hình mà xử lý cửa vào. Độ dốc phần đào xử lý ở thượng lưu thường
lấy từ 1,0 : 1,0 hoặc 1,0 : 2,0.
4. Khi lòng khe suối thượng lưu là sỏi sạn thì phải làm một
tường chắn nhỏ để chấn sỏi sạn ở đầu đoạn xây lát cửa cống.
4.2.4. Biện pháp gia cố hạ lưu công trình[1]
4.2.4.1. Một số nguyên nhân gây hư hỏng hạ lưu công trình
4.2.4.2. Biện pháp xử lý gia cố chống xói ở hạ lưu công trình
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trình bày trong các
chương 1, 2, 3, 4, tổng hợp và đánh giá toàn bộ, rút ra các kết luận và
kiến nghị sau đây:
I.
ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC ĐÓNG GÓP CHO SỰ PHÁT
TRIỂN KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
Luận án của NCS đã có những đóng góp nhỏ cho sự phát
triển và thực tiễn dưới đây:
1). Hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô ở CHDCND
Lào. Chúng là một hiện tượng thường gặp trên mọi tuyến đường ô tô
đang khai thác (như đã trình bày ở chương 1). Hư hỏng công trình
thoát nước nhỏ ảnh hưởng nghiêm trọng đến giao thông và gây tổn
thất kinh tế lớn khi sửa chữa chúng. Nâng cao chất lượng sử dụng

các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô là một nhu cầu thực tế
và có ý nghĩa to lớn về kinh tế-kỹ thuật, đối với nước CHDCND Lào


- 23 đang trong quá trình xây dựng các con đường ô tô chất lượng cao,
phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế đất nước.
2). Để nâng cao chất lượng khai thác của các công trình thoát nước
đường ô tô cần phải cải tiến các công tác chính trong xây dựng cơ
bản: thiết kế công trình, xây dựng và giám sát quá trình xây dựng,
các khảo sát tình trạng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trình bày ở
chương 1 cho NCS thấy rằng nguyên nhân chính gây ra hư hỏng là:
do công trình đã được chọn không đúng về loại hình, khẩu độ cũng
như các cấu tạo chính. Những nguyên nhân này xảy ra trong quá
trình thiết kế đã không có phương pháp khảo sát xác định lưu lượng,
chọn vị trí công trình, chọn phương pháp tính toán thủy lực cho
những loại công trình đặc biệt.
3). Về mặt thủy lực, luận án tập trung nghiên cứu phương pháp tính
thủy lực cho dạng công trình thường gặp và theo chúng tôi nên
khuyến khích sử dụng rộng rãi ở Lào là bậc nước nhiều cấp dạng bể
tiêu năng.
4). Khi tính toán thủy lực bậc nước nhiều cấp theo số liệu tính thay
đổi của lưu lượng nước với chiều cao bậc khác nhau có thể xây dựng
biểu đồ xác định bậc nước nhiều cấp công thức (3.24) và (3.25):
(3.24)
P
Lbâc
hc

= 1.554  ÷+ 8.1974
 hc 

P
pt (3.25)
= 0.223  ÷+ 0.3728
hc
 hc 

5). Nghiên cứu sức cản thủy lực ở dốc nước, kết quả nghiên cứu chỉ
ra công thức (3.26a) và (3.26b):
Mặt cắt hình thang:
fHTH=0.0182Re0.0381
(3.26a)
Mặt cắt hình chữ nhật:
fCN=0.00045Re0.3123
(3.26b)
6). Nghiên cứu tốc độ bắt đầu xói đáy, tác giả rút ra kết quả tính tốc
độ không xói của hạt công thức (3.35):
(3.35)
u = 1.1013 ∆gd
dc


- 24 7). Về mặt thủy văn như trình bày ở chương 4, chúng tôi thấy rằng ở
Lào nên chọn phương pháp tính thủy văn như: phương pháp cường
độ mưa tiêu chuẩn của Lào và tiêu chuẩn (22 TCN 220-95) Việt
Nam. Sau đó chọn trị số lưu lượng lớn nhất làm lưu lượng thiết kế
công trình.
8). Các dạng công trình và cấu tạo chi tiết của chúng ở chương 4,
chúng tôi khuyến khích sử dụng với mục đích nâng cao chất lượng
phục vụ của các công trình thoát nước đường ô tô ở CHDCND Lào.
9). Để phục vụ tốt hơn cho thực tế sản xuất và phát triển khoa học

nên xây dựng biểu đồ chiều dài tương đối của bậc và chiều cao tường
tương đối để tìm chiều cao tường và chiều dài bậc nước, giúp cho
người thiết kế có thể sử dụng, tham khảo và so sánh kết quả với công
thức khác để sử dụng trong các quy trình thiết kế ở CHDCND Lào.
10). Khảo sát kiểm tra, sử dụng phần mềm HY-8 để tính chiều sâu
xói ở các điều kiện địa chất khác nhau. Đảm bảo tính được nhanh và
có kết quả tin cậy về xói như bề rộng b x, chiều dài Lx và thể tích hố
∀
xói x . Giúp cho việc gia cố hạ lưu một cách chính xác, tiết kiệm
kinh phí gia cố phần hạ lưu của công trình cống, sau đó cũng có thể
dự báo tương đối chính xác tình hình hoạt động thực tế của công
trình.
II.
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Nghiên cứu bản chất, nguyên nhân của xói lở hạ lưu cống và
cầu nhỏ trên đường giao thông một cách định lượng. Dựa trên các số
liệu thực nghiệm với các trường hợp, sau đó dùng mô hình toán giải
các trường hợp khác nhau ở các công trình khác nhau.