Nghiên cứu xói cục bộ ở trụ cầu dạng phức hợp

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học giao thông vận tải

NGUYN NG PHểNG

NGHIấN CU XểI CC B
TR CU DNG PHC HP

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN ĐĂNG PHÓNG

NGHIÊN CỨU XÓI CỤC BỘ
Ở TRỤ CẦU DẠNG PHỨC HỢP

Ngành:
Mã số:

Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông
62.58.02.05
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS.TRẦN ĐÌNH NGHIÊN

2. PGS.TS. NGUYỄN NGỌC LONG

HÀ NỘI - 2016


ii

MỤC LỤC
Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

ix

PHẦN MỞ ĐẦU

1

1. Giới thiệu tóm tắt luận án

1

2. Lý do lựa chọn đề tài.

2

3. Mục đích

5

4. Đối tượng

6

5. Phạm vi nghiên cứu

7

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

7

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC
BỘ TRỤ CẦU VÀ TRỤ CẦU PHỨC HỢP

8

1.1. Phân loại xói cục bộ

9

1.2. Cơ chế xói cục bộ trụ cầu

9

1.3. Các thông số ảnh hưởng đến xói cục bộ trụ cầu

12

1.3.1. Ảnh hưởng của hình dạng trụ cầu

12

1.3.2. Ảnh hưởng của độ sâu

12

1.3.3. Ảnh hưởng của cường độ dòng chảy V/Vc hay V/Vox

14

1.3.4. Ảnh hưởng của bùn cát đáy

17

1.3.5. Ảnh hưởng của hướng dòng chảy đến trụ

19

1.3.6. Ảnh hưởng của thời gian xói

19

1.3.7. Ảnh hưởng của số Froude

19

1.4. Nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu phức hợp

20

1.5. Nhận xét

30

1.5.1. Đối với trụ đơn

30

1.5.2. Đối với trụ cầu phức hợp

31

1.6. Đánh giá chung

34

1.6.1. Những thành tựu đã đạt được

34

1.6.2. Các vấn đề còn tồn tại

35


iii
CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ CÁC GIẢ THIẾT KHOA
HỌC TRONG NGHIÊN CỨU XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU VÀ TRỤ
CẦU PHỨC HỢP

37

2.1. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án

37

2.2. Phạm vi nghiên cứu

37

2.2.1. Đối với dòng sông

37

2.2.2. Đối với vật liệu đáy sông

38

2.2.3. Đối với trụ cầu

38

2.3. Lý thuyết phân tích thứ nguyên

38

2.4. Lý thuyết tương tự

42

2.5. Xói cục bộ ở nhóm cọc

44

2.5.1. Cơ chế xói cục bộ ở nhóm cọc

46

2.5.2. Xói cục bộ ở nhóm cọc

46

2.6. Kết luận chương 2

47

CHƯƠNG III. THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU
PHỨC HỢP

49

3.1. Giới thiệu mô hình thí nghiệm

49

3.2. Thí nghiệm trụ cầu phức hợp trên đáy cứng

52

3.2.1. Trình tự thí nghiệm

52

3.2.2. Kết quả thí nghiệm

56

3.2.3. Nhận xét kết quả thí nghiệm

56

3.3. Thí nghiệm trụ cầu phức hợp trên đáy cát

56

3.3.1. Chuẩn bị và trình tự thí nghiệm

56

3.3.2. Kết quả thí nghiệm

57

3.3.3. Nhận xét kết quả thí nghiệm

58

3.4. Thí nghiệm ảnh hưởng các thành phần trụ cầu phức hợp đến
hố xói

64
3.4.1. Chuẩn bị và trình tự thí nghiệm

64

3.4.2. Kết quả thí nghiệm

65

3.4.3. Nhận xét kết quả thí nghiệm

65

3.5. Thí nghiệm trụ cầu đơn dạng tròn

66


iv
3.5.1. Trình tự và kết quả thí nghiệm

66

3.5.2. Nhận xét kết quả thí nghiệm

67

3.6. Nhận xét chương 3

74

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG THỨC DỰ
TÍNH XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU PHỨC HỢP

77

4.1. Xói phát triển theo thời gian

76

4.2. Ảnh hưởng của các thành phần trụ cầu đến chiều sâu hố xói

77

4.3. Xây dựng biểu thức dự tính xói cục bộ trụ cầu phức hợp

83

4.3.1. Trường hợp nhóm cọc

83

4.3.2. Trường hợp nhóm cọc và bệ cọc

92

4.3.3. Điều kiện và phạm vi áp dụng công thức kiến nghị

98

4.4. Đo xói cục bộ và áp dụng công thức kiến nghị tính xói trụ
cầu Vĩnh Tuy và Thanh Trì
4.4.1. Giới thiệu chung về cầu Vĩnh Tuy và Thanh Trì
4.4.2. Đo xói thực tế trụ cầu Vĩnh Tuy và Thanh Trì

99
98
100

4.4.3.Áp dụng công thức kiến nghị tính xói trụ cầu Vĩnh Tuy
và Thanh Trì
4.5. Kết luận chương IV

102
103

KẾT LUẬN

106

KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

108

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

109

TÀI LIỆU THAM KHẢO

110

PHẦN PHỤ LỤC

115

Phụ lục chương 3

115

Phụ lục chương 4

132


v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT
bc – bề rộng thân trụ, m;
bpc – bề rộng bệ cọc, m;
bpg – bệ rộng trụ bó đặc theo hướng vuông góc với dòng chảy, m;

D – bề rộng (đường kính) một cọc, m;
d50 – đường kính hạt có lượng lọt sàng 50% theo trọng lượng, m;
Fr - số Froude;
g – gia tốc trọng trường, m/s2;
Hcọc hay Hpc – chiều cao cọc, m;
Hcol – cao độ bệ cọc so với đáy sông, m;
h – độ sâu của trụ, m;
hc – chiều sâu xói cục bộ trụ cầu, m;
hc-n – chiều sâu hố xói cục bộ khi chịu ảnh hưởng của nhóm cọc, m;
hc-nb – chiều sâu hố xói cục bộ khi chịu ảnh hưởng của nhóm cọc và bệ cọc, m;
j – độ dốc thủy lực;
Knb – hệ số xét đến ảnh hưởng của cao độ đáy sông so với đỉnh bệ cọc (Y/h) và
bề rộng bệ cọc (bpc/h);
Lc – chiều dài thân trụ, m;
Lf – khoảng cách từ mép bệ cọc đến mép thân trụ theo phương ngang trụ, m;
Lpc – chiều dài bệ cọc, m;
LU – khoảng cách từ mép bệ cọc đến mép thân trụ theo phương dọc trụ, m;
m – số hàng của cọc;
n – số cột của cọc;
S – khoảng cách giữa tim các cọc theo hướng vuông góc với dòng chảy, m;


vi
Sh – hệ số hình dạng trụ;
t – thời gian lũ;
V – lưu tốc trước trụ, m/s;
Vc – lưu tốc giới hạn của vật liệu đáy sông, m/s;
Vo – lưu tốc không xói, m/s;
T – chiều cao bệ cọc, m;
σg - hệ số đồng đều của hạt cát;

vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 0.1. Sập cầu Bung (xã Phú Cần, huyện Krông Pa, Gia Lai).

3

Hình 0.2. Cầu Xóm Đền (Quảng Ngãi) bị sập do trụ bị phá hoại

3

Hình 0.3. Cầu Đen bắc qua sông nối quốc lộ 1A với 3 xã Gò Nổi, huyện
Điện Bàn bị lũ làm sập cầu vào mùa mưa năm 2010

3

Hình 0.4. Cầu La Oh (huyện Chư Pảh, tỉnh Gia Lai) bị sập là do mưa lũ
làm rỗng đế trụ giữa của cầu

3

Hình 0.5. Mô hình trụ cầu phức hợp

5

Hình 0.6. Trụ cầu Vĩnh Tuy

6

Hình 0.7. Trụ cầu Thanh Trì

6

Hình 0.8. Trụ cầu Cao Lãnh

6

Hình 0.9. Trụ cầu Vàm Cống

6

Hình 1.1. Sơ đồ dòng chảy và hệ thống xoáy quanh trụ tròn

10

Hình 1.2. Sơ đồ tính xói trụ cầu phức hợp theo HEC-18

21

Hình 1.3. Sự thay đổi xói cục bộ với cao độ bệ cọc của trụ cầu phức hợp

24

Hình 1.4a. Sơ đồ trụ cầu phức hợp gồm thân trụ, bệ cọc và nhóm cọc.

27

Hình 1.4b. Sơ đồ tính đường kính tương đương trụ cầu – TH1

27

Hình 1.4c. Sơ đồ tính đường kính tương đương trụ cầu – TH 2 và 3

27

Hình 1.5. Trụ cầu phức hợp theo C 32 – 102 – 95

29

Hình 2.1. Mô hình thí nghiệm trụ cầu phức hợp

39

Hình 2.2. Sơ đồ dòng chảy và xoáy dạng móng ngựa trong hố xói ở cọc
thẳng hàng và cọc nằm ngang.

46

Hình 3.1. Sơ đồ mặt bằng thí nghiệm

50

Hình 3.2. Chuẩn bị thí nghiệm tại trường ĐH Thủy lợi

50

Hình 3.3. Đo tốc độ và áp suất.

50

Hình 3.4. Đầu đo lưu tốc và phần mềm điều khiển.

50

Hình 3.5. Phân phối thành phần hạt

52

Hình 3.6. Sơ đồ vị trí đo lưu tốc

53

Hình 3.7. Phân phối lưu tốc trụ cầu phức hợp trên đáy cứng

56

Hình 3.7. Phân phối lưu tốc trụ cầu phức hợp trên đáy cứng (tiếp)

56

Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm trụ cầu phức hợp trên đáy cát.

60


viii
Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm trụ cầu phức hợp trên đáy cát (tiếp).

61

Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm trụ cầu phức hợp trên đáy cát (tiếp).

62

Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm trụ cầu phức hợp trên đáy cát (tiếp).

63

Hình 3.9. Hình ảnh hố xói.

64

Hình 3.10. Liên kết bộ phận trụ cầu trong thí nghiệm với thành máng
kính.

65

Hình 3.11. Sơ đồ đo tốc độ xung quanh mô hình trụ cầu.

67

Hình 3.12. Thí nghiệm xói cục bộ trụ cầu đơn dạng tròn.

67

Hình 3.13. Ảnh hưởng của độ sâu xói trụ đơn với số Froude trụ.

70

Hình 3.14. Ảnh hưởng của độ sâu xói trụ đơn với số Reynold trụ.

71

Hình 3.15. Phân phối lưu tốc và trắc dọc hố xói trên đáy cát của trụ đơn

72

Hình 3.15. Phân phối lưu tốc và trắc dọc hố xói trên đáy cát của trụ đơn
(tiếp)

73

Hình 4.1. Xói phát triển theo thời gian ở trụ cầu phức hợp.

77

Hình 4.2. Ảnh hưởng của các thành phần trụ cầu đến chiều sâu hố xói
theo thí nghiệm.

79

Hình 4.3. So sánh ảnh hưởng của các thành phần trụ cầu phức hợp đến
chiều sâu hố xói.

79

Hình 4.4. Quan hệ giữa số liệu TN và số liệu tính theo công thức kiến
nghị (4.5).

86

Hình 4.5. Quan hệ giữa số liệu TN và số liệu tính theo công thức kiến
nghị (4.11).

95

Hình 4.6. Cầu Vĩnh Tuy

99

Hình 4.7. Cầu Thanh Trì

99

Hình 4.8. Một số hình ảnh chuẩn bị đo xói cục bộ trụ cầu.

100

Hình 4.9. Xử lý tín hiệu đo bằng phần mềm WinRiver

101


ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 0.1. Thống kê cầu bị hỏng do xói tại Mỹ (1985÷1995)

2

Bảng 2.1. Các yếu tố thủy lực của lòng dẫn thí nghiệm mô hình

45

Bảng 2.2. Các thông số thí nghiệm mô hình trụ cầu phức hợp

45

Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm thành phần hạt.

51

Bảng 3.2. Các trường hợp thí nghiệm trụ cầu phức hợp trên đáy cứng.

53

Bảng 3.3. Các trường hợp và kết quả thí nghiệm xói cục bộ trụ cầu phức hợp trên
đáy cát

59

Bảng 3.4. Các trường hợp và kết quả thí nghiệm xói cục bộ các thành phần trụ
cầu phức hợp.

66

Bảng 3.5. Tổng hợp kết quả thí nghiệm xói trụ cầu đơn.

68

Bảng 4.1. Ảnh hưởng của các thành phần trụ cầu phức hợp đến chiều sâu hố xói.

78

Bảng 4.2. Độ sâu hố xói theo kết quả thí nghiệm và kết quả tính của các tác
giả.

80

Bảng 4.3. So sánh ảnh hưởng của các thành phần trụ cầu phức hợp đến chiều
sâu hố xói theo kết quả thí nghiệm và kết quả tính của các tác giả.

81

Bảng 4.3. So sánh ảnh hưởng của các thành phần trụ cầu phức hợp đến chiều
sâu hố xói theo kết quả thí nghiệm và kết quả tính của các tác giả.

82

Bảng 4.4. Số liệu thí nghiệm của luận án và của Ata Amini và ccs (Hcọc/h25%)

87

Bảng 4.4. Số liệu TN của luận án và của Ata Amini và ccs (Hcọc/h  25%) (tiếp)

88

Bảng 4.5. Đánh giá công thức kiến nghị (4.5) với số liệu thí nghiệm

(Hcọc/h25%)

90

Bảng 4.5. Đánh giá công thức kiến nghị (4.5) với số liệu thí nghiệm
(Hcọc/h25%) (tiếp)

91

Bảng 4.6. Số liệu thí nghiệm của luận án và của Ataie-Ashtiani (I) (Hcọc/h<25%)

96

Bảng 4.7. Đánh giá công thức kiến nghị (4.11) với số liệu thí nghiệm.

97

Bảng 4.8. Kết quả tính xói trụ cầu đang khai thác theo công thức kiến nghị.

102


1

PHẦN MỞ ĐẦU

1.

Giới thiệu tóm tắt luận án
Xói dưới cầu liên quan chặt chẽ đến chế độ dòng chảy trong sông, đến hiện

tượng xói lở bờ ở khu vực xây dựng cầu, đến môi trường hai bên bờ sông, đến giá
thành xây dựng công trình cầu qua sông Xói ở khu vực tr cầu là t hợp c a xói tự
nhiên, xói chung và xói c c bộ; trong đó chiều sâu xói c c bộ là lớn nh t

iệc dự

tính chiều sâu h xói c c bộ tr cầu sẽ quyết đ nh một phần đến chiều sâu đặt móng
tr cầu, đến giá thành công trình cầu
iệc nghiên c u xói c c bộ tr cầu đ được người xây dựng công trình giao
thông quan tâm t lâu Các nhà nghiên c u đ kiến ngh nhiều phư ng pháp khác
nhau đ xác đ nh chiều sâu h xói c c bộ Các nghiên c u ban đầu ch yếu t p trung
vào các tr cầu đ n, mặt c t ngang tr không thay đ i theo chiều cao tr

Nhưng thực

tế tr cầu thường có d ng ph c hợp g m thân tr , bệ c c và nhóm c c, vì v y trong
những n m gần đây nhiều nghiên c u tiến hành đ i với tr cầu có các d ng ph c hợp
như các tr cầu thực tế đang xây dựng và khai thác Trong lu n án này, tác giả tiến
hành nghiên c u xác đ nh chiều sâu h xói c c bộ tr cầu ph c hợp, ngh a là tr cầu
có đầy đ cả ba thành phần thân tr , bệ c c và nhóm c c trên đáy c ng và đáy cát
Nội dung lu n án g m có 4 chư ng; phần mở đầu; kết lu n và kiến ngh ; ngoài
ra còn có phần ph l c:
+ Phần mở đầu.
+ Chương I. T ng quan tình hình nghiên c u xói c c bộ tr cầu và tr cầu
ph c hợp
+ Chương II C sở lý lu n và các giả thiết khoa h c trong nghiên c u xói c c
bộ tr cầu và tr cầu ph c hợp
+ Chương III Thí nghiệm mô hình xói c c bộ tr cầu ph c hợp
+ Chương IV Nghiên c u xây dựng công th c dự tính xói c c bộ tr cầu ph c

hợp.


2
+ Kết luận.
+ Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo.
+ Phần phụ lục.
Lý do lựa chọn đề tài

2.

Theo th ng kê về sự c s p cầu trên thế giới c ng như ở

iệt Nam, nguyên

nhân s p cầu do xói dưới cầu chiếm một t lệ tư ng đ i lớn H n 85000 cầu b xói
c c bộ nghiêm tr ng (Lagasse và ccs, 1995) 30 n m qua trong s khoảng 6000 cầu ở
Mỹ được theo dõi đ có h n 1000 cầu b hư hỏng, 60% trong s đó là do xói c c bộ
(Briaud và ccs, 1999) 86% trong s 577000 cầu là cầu vượt sông, trong đó trên
26000 cầu b hư h i có nguyên nhân ch yếu là do xói c c bộ (Richardson và ccs,
2001) C c đường bộ liên bang Mỹ (FHWA) cho biết tr n l 1973 đ làm s p 338
cầu, trong đó có 25% là do xói c c bộ tr , 75% là do xói m ; l 1993 làm s p 23 cầu
ở thượng ngu n sông Mississippi N m 1994 ở bang Georgia có trên 500 cầu b hư
hỏng (Jones, 2002) Th ng kê cầu b hỏng do xói t i Mỹ (1985 ÷ 1995) trong báo cáo
FHWA-RD-03-052 (Mueller và Wagner,2005) cho trong bảng 0.1.
Bảng 0.1. Thống kê cầu bị hỏng do xói tại Mỹ (1985÷1995)
Đia điểm và thời gian

Số lượng cầu bị lũ gây sự cố

Pennsylvania, West Virginia, Virginia, 1985

73

New York and New England, 1987

17

Midwestern United States, 1993

>2500

Georgia, 1994

>1000

Virginia, 1995

74

California, 1995

45

Tr n l n m 1976 ở Nh t cu n trôi 233 cầu, làm hỏng 337 cầu (Holford,
1977).
Theo thông kê về sự c s p cầu trong nước, trong 5 n m t 1988 đến 1992 đ
có 488 cầu b l phá hỏng (Phòng ch ng b o l cho công trình giao thông – Hà Nội
4/1992)

3
Chỉ tính riêng tr n l tháng 12 n m 1999 các tỉnh Th a Thiên Huế, Quảng
Nam, Quảng Ng i, Bình Đ nh, Phú Yên, Khánh Hòa đ có s công trình như: cầu
c ng s p trôi 43 cái, cầu c ng hư hỏng 1060 cái (Ban chỉ đ o phòng ch ng l t b o
Trung ư ng “Báo cáo t ng hợp thiệt h i do l l t t i miền Trung gây ra tháng 12 n m
1999”)
Thiên tai gây ra trong n m 2000 ở khu vực đ ng bằng sông Cửu Long r t
nghiêm tr ng: gần 5 000 cầu, c ng các lo i b ng p, hư hỏng nặng, có một s b s p
(trung tâm dự báo khí tượng th y v n 2008)

H nh 0.1. Sập cầu Bung (xã Phú Cần, huyện

H nh 0.2. Cầu Xóm Đền (Quảng Ngãi)

Krông Pa, Gia Lai).

bị sập do trụ bị phá hoại

(Nguồn Internet)

(Nguồn Internet)

H nh 0.3. Cầu Đen bắc qua sông nối quốc lộ

H nh 0.4. Cầu La Oh (huyện Chư Pảh,

1A với 3 xã Gò Nổi, huyện Điện Bàn bị lũ

tỉnh Gia Lai) bị sập là do mưa lũ làm

làm sập cầu vào mùa mưa năm 2010

rỗng đế trụ giữa của cầu

(Nguồn Internet)
(Nguồn Internet)
T i huyện Bảo Yên, tỉnh Lào Cai mưa lớn kèm theo gió l c vào r ng sáng
ngày 11/5/2013 làm 3 cầu b s p


4
Lúc 12 giờ ngày 5/11/2007, tr cầu s 8 c a cầu Bung (phía x Chư Đr ng,
huyện Krông Pa, tỉnh Gia Lai) b đ xu ng sông, làm r i 4 dầm cầu c a nh p 8 và
nh p 9 Ngay sau khi b đ , tr s 8 đ b nước l cu n trôi
S liệu th ng kê nêu trên cho th y xói c c bộ tr cầu thực sự là một trong các
nguyên nhân gây sự c hư hỏng cầu, là m i hi m h a cho ngành giao thông T m i
hi m h a đó, đòi hỏi có thêm nhiều nghiên c u sâu ở nhiều góc độ khác nhau sao cho
dự tính ngày càng tiếp c n gần h n đến độ chính xác c a việc xác đ nh chiều sâu xói
c c bộ tr cầu trong đ t dễ b xói Đưa ra ki u móng tr và dự tính chính xác chiều
sâu xói là v n đề quan tr ng c a thiết kế móng cầu an toàn và kinh tế Xói lở ở chân
tr cầu là không th tránh, th a chiều sâu xói làm cho thiết kế không kinh tế, trái l i
đánh giá xói chưa đ dẫn đến thiết kế không an toàn
n đề xói ph thuộc vào trường dòng chảy quanh tr cầu, trường dòng chảy
này là dòng chảy bao, dòng ngoài đ i với tr , song nó l i là dòng chảy bên trong c a
toàn dòng chảy, là dòng hỗn hợp nước và bùn cát chảy 3 chiều r t ph c t p do sự tách
dòng ở chân tr t o ra Tính ph c t p này càng t ng lên trong thời gian l vì tính
không n đ nh c a dòng chảy c ng như tác động tư ng hỗ c a dòng chảy với công
trình cầu Dòng chảy tư ng tác th y động lực với tr và đ t ở chân tr trong quá trình
hình thành h xói Trường dòng chảy làm thay đ i dòng chảy bình thường t o ra c

chế xói và diễn biến quá trình xói xung quanh tr
Hiện nay với yêu cầu về các mặt kinh tế - kỹ thu t, tr cầu thường được thiết
kế d ng hình h c ph c hợp (Hình 0 5 đến Hình 0 9) D ng tr ph c hợp ph biến
nh t trên thế giới c ng như ở nước ta là tr cầu g m thân tr , bệ c c được đặt trên hệ
th ng c c Đến nay, việc tính xói cho lo i tr này chưa phản ánh được c chế dòng
chảy và bùn cát tác động vào tr và hệ th ng c c Do đó kết quả tính c a các phư ng
pháp còn sai khác nhau và sai khác với s liệu đo xói thực tế ở các cầu đang khai
thác.
Xu t phát t thực tế trên tác giả ch n đề tài nghiên c u: "Nghiên cứu xói cục
bộ ở trụ cầu dạng phức hợp" với mong mu n làm sáng tỏ một phần các yếu t ảnh
hưởng đến xói c c bộ tr cầu ph c hợp.


5

A

MAT BANG

Dong chay
C
A

C

A-A

Lf

C-C

bc

LU

Lf

h

Lc

LU

h
bpg

T

L pg

Hcol
S
D

Hpc (coc)

D

Hình 0.5. Mô hình trụ cầu phức hợp.
Mục tiêu nghiên cứu

3.
-

Phân tích các yếu t ảnh hưởng đến xói c c bộ ở tr cầu

-

Nghiên c u về thay đ i lưu t c xung quanh tr cầu ph c hợp

-

Phân tích ảnh hưởng c a thân tr , bệ c c và nhóm c c đến xói c c bộ tr cầu ph c
hợp.

-

Kiến ngh công th c dự tính chiều sâu h xói c c bộ tr cầu ph c hợp.


6

(Tû lÖ : 1/200)

Hình 0.6. Trụ cầu Vĩnh Tuy

Hình 0.7. Trụ cầu Thanh Tr

Hình 0.8. Trụ cầu Cao Lãnh

Hình 0.9. Trụ cầu Vàm Cống

Đối tượng nghiên cứu

4.
-

Nghiên c u tác động c a dòng chảy và bùn cát đến tr cầu ph c hợp.


7
Phạm vi nghiên cứu

5.
-

Dòng chảy n đ nh

-

t liệu đáy là cát đ ng nh t

-

Tr đặt song song với dòng chảy
ngh a hoa học và thực ti n của đề tài

6.
-

Tính toán thu lực cầu nói chung và xói c c bộ tr cầu nói riêng là một v n đề
ph c t p, liên quan đến nhiều v n đề như quy ho ch giao thông, thu lợi, giao
thông đường thu , xói lở bờ sông,

trong khi đó, các công trình nghiên c u

đều phải đưa ra các giả thiết khác nhau đ h n chế các yếu t ảnh hưởng đến
chiều sâu h xói dẫn đến kết quả có sự sai khác nhau và sai khác với thực tế
ì v y việc nghiên c u xói c c bộ tr cầu và tr cầu ph c hợp vẫn là v n đề
cần được tiếp t c nghiên c u sâu h n đ có một cái nhìn rõ h n về xói c c bộ
tr cầu
-

Chiều sâu h xói c c bộ tr cầu quyết đ nh đến một phần nhiều đến chiều sâu
đặt móng c a tr cầu, do v y sẽ quyết đ nh đến giá thành công trình cầu. Như
v y việc dự tính tư ng đ i chính xác chiều sâu h xói c c bộ tr cầu có ý
ngh a thực tiễn trong công tác xây dựng cầu


8

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI
CỤC BỘ TRỤ CẦU VÀ TRỤ CẦU PHỨC HỢP

Xói c c bộ t i tr cầu theo các nhà nghiên c u là sự h th p c c bộ cao độ đáy
sông quanh tr tính t đường xói chung Chiều sâu xói c c bộ ở tr là tr s quan
tr ng không th thiếu đ đưa vào công th c xác đ nh chiều sâu đặt móng tr cầu qua
sông.
Đến nay đ có nhiều nghiên c u về xói c c bộ tr cầu ở trong c ng như ngoài
nước. Các nghiên c u thường được tiến hành theo hướng:

-

Sử d ng nguyên lý đ ng th nguyên đ phân tích s liệu thí nghiệm trong
phòng và s liệu đo xói thực tế ở cầu đang khai thác, t đó rút ra công th c
bán thực nghiệm đ dự tính chiều sâu h xói c c bộ lớn nh t Quan hệ này
thường ph thuộc vào b n nhóm yếu t là đặc trưng ch t lỏng (nước), dòng
chảy, v t liệu đáy sông và tr cầu

-

Nghiên c u c chế hình thành xói c c bộ tr cầu trong phòng thí nghiệm,
sau đó dùng s liệu thí nghiệm trong phòng và s liệu đo đ c thực tế đ rút
ra công th c dự tính chiều sâu h xói

-

Nghiên c u các giải pháp ch động phòng xói t i tr cầu, giảm hay kh ng
chế c chế hình thành xói như nghiên c u hình d ng tr cầu hợp lý nhằm
giảm t i đa xoáy ở xung quanh tr , nghiên c u cải t o đ a ch t đáy sông
xung quanh tr nhằm giảm ảnh hưởng c a dòng chảy đến đáy sông Điều
này cho ph p giảm chiều sâu đặt móng c a tr cầu và giúp giảm giá thành
công trình

-

Sử d ng mô hình s giải hệ phư ng trình Navier-Stokes với các mô hình k khác nhau

Nội dung chính c a lu n án nghiên c u về xói c c bộ tr cầu ph c hợp (g m
thân tr , bệ c c và nhóm c c), các nghiên c u về xói c c bộ tr cầu ph c hợp c a các
tác giả đều coi tr cầu ph c hợp (hoặc các bộ ph n c a tr cầu ph c hợp) là một tr

9
cầu đ n tư ng đư ng đ tính toán

ì v y trong chư ng này, trước hết lu n án trình

bày tóm t t về nghiên c u tr cầu đ n trên thế giới c ng như ở iệt Nam, sau đó lu n
án đi sâu vào phân tích các nghiên c u về xói c c bộ tr cầu ph c hợp.
Phân loại ói cục b
Khi tính xói c c bộ tr cầu cần phân biệt c chế xói nước trong và xói nước
đ c vì cả hai lo i xói này đều thay đ i theo thời gian, song m c độ và diễn biến khác
nhau.
Xói nước trong là xói khi h t v t liệu đáy sông ngay trước vùng xói ở tr ng
thái nghỉ không chuy n động, ng su t tiếp trung bình hay lưu t c trung bình dòng
chảy nhỏ h n ng su t tiếp trung bình giới h n hay lưu t c trung bình giới h n mà
ng với nó khi ng su t tiếp trung bình hay lưu t c trung bình dòng chảy vượt qua sẽ
làm h t v t liệu chuy n động Khi xói nước trong, kết quả nhiều nghiên c u cho th y
chiều sâu h xói t ng gần như tuyến tính với thời gian.
Xói nước đ c xảy ra khi lưu t c trung bình dòng chảy lớn h n lưu t c trung
bình giới h n c a v t liệu đáy sông Trong xói nước đ c bùn cát t thượng lưu liên
t c c p vào h xói và xói đ t cân bằng khi có sự cân bằng giữa bùn cát t thượng lưu
chuy n về h xói với lượng bùn cát b cu n t h xói đi về h lưu Xói này ít ch u ảnh
hưởng c a lưu t c dòng chảy, dao động theo thời gian phù hợp với hình d ng đáy cát
di chuy n đến tr .
Đ phân biệt hai lo i xói trên, các nghiên c u đều sử d ng lưu t c không xói
Vc (hay Vo) và lưu t c trung bình
≤ 0,5

c

đ phân biệt chế độ xói [2], [20], [34], [36]:

– không có xói

0,5Vc < V ≤ Vc – xói nước trong
V > Vc - xói nước đ c
C ch

ói cục b trụ cầu

Tr cầu ở trong dòng chảy, làm hình thành dòng chảy bao quanh tr , song
dòng chảy này l i là dòng chảy trong sông Chính hai tính ch t này c a dòng chảy kết
hợp với bùn cát đ t o ra c u trúc động h c dòng chảy ph c t p t i tr cầu T i chân


10
tr cầu hình thành 2 vùng khác nhau c a diễn biến dòng sông, đó là vùng ngoài –
vùng không ch u ảnh hưởng c a tr và vùng trong là vùng ch u ảnh hưởng trực tiếp
c a tr

Ở vùng ngoài, chế độ bùn cát đáy b chi ph i bởi các điều kiện c a dòng chảy

tự nhiên và b thu hẹp do chiều dài cầu mà đ i bi u là t c độ trung bình tới h n Vc
(t c độ không xói) hay ng su t tiếp trung bình tới h n τc; vùng trong ch u ảnh hưởng
c a tr sẽ là vùng đặc biệt, vùng dòng chảy b nhiễu động về áp su t, t c độ mà sự n
đ nh c a bùn cát có quy lu t riêng c a dòng chảy trong h xói Bùn cát b cu n vào hệ
th ng xoáy có d ng móng ngựa và b chi ph i bởi c u trúc và tính ch t c a hệ th ng
xoáy này [2].
Cho đến nay đ có nhiều nghiên c u mô tả c u trúc động h c c a dòng chảy

ch u ảnh hưởng c a tr trên đáy không xói như nghiên c u c a các tác giả Nguyễn
Xuân Tr c [4], Trần Đình Nghiên [2], I.A.Iaraslavtsev, A.M.Latushenkov,
A.M.Juravlev, A.G.Arkhipov, V.S.Altunin, Quada, Tison, Keutner, Posey, Laursen
và Toch [25], Neill [29], Roper, Schneider và Shen [35], Mellvile [26], Padmini K. và
ccs [32],

Các nghiên c u đều chỉ ra đặc đi m c bản c a dòng chảy ở chân tr là

dòng chảy có c u trúc xoáy hay hệ th ng xoáy phát tri n ở chân tr (Hình 1.1), đây là
c chế xói c bản c a xói c c bộ ở chân tr

Tùy thuộc vào hình d ng tr và các điều

kiện biên c a dòng chảy đến tr mà c u trúc xoáy có th là một, hai hay t t cả hệ
th ng xoáy c bản sau [34], [36]:
-

Hệ th ng xoáy ở mặt nước ngay trước tr ngược chiều dòng chảy

-

Hệ th ng xoáy có d ng hình móng ngựa trên mặt bằng ở chân tr

-

Hệ th ng xoáy tr c gần như đ ng sau tr

Hình 1.1. Sơ đồ dòng chảy và hệ thống xoáy quanh trụ tròn [34], [36]

11
Hệ th ng xoáy d ng móng ngựa là một phần c u thành c a c u trúc dòng chảy
và ch u ảnh hưởng r t lớn c a dòng chảy xu ng d c thân tr

Tr cầu đ t o ra trường

áp su t đ m nh, t p trung các sợi xoáy v n có c a dòng ngoài đ hình thành vùng
tách dòng ba chiều t i chân tr trong lớp biên c a dòng chảy bao tr , hình thành hệ
th ng xoáy tr c ngang trước chân tr với hai tay xoáy bao quanh tr

Các sợi xoáy

hình thành nên xoáy móng ngựa t ng t c độ quay t i tâm xoáy Như v y kích thước
tr đóng vai trò quan tr ng xác đ nh cường độ xoáy d ng móng ngựa
Các nghiên c u c ng chỉ ra ph m vi xoáy tr c ngang trước tr trong h xói
dao động t 1,0 đến 2,5 lần chiều rộng tr ph thuộc vào điều kiện c a dòng chảy tới
tr , kích thước, hình d ng tr ,

[2]

Hệ th ng xoáy ở nửa sau tr và sau tr do chính tr t o ra Khác với xoáy d ng
móng ngựa, lo i xoáy này là do lớp ch t lỏng không n đ nh trên mặt tr cuộn l i và
tách khỏi bề mặt đ hình thành vùng xoáy tr c gần như đ ng sau tr

Khi tr s

Reynolds tr th p (3 ÷ 5 < Red < 50) những xoáy này n đ nh và t o ra hệ th ng xoáy
đ ng sát ngay sau tr

Khi s Reynolds t ng, hệ th ng xoáy này không n đ nh và

xoáy tách rời khỏi tr t o ra d y xoáy xen kẽ nhau phía sau tr

Cường độ c a lo i

xoáy này thay đ i m nh, ph thuộc vào hình d ng tr và t c độ dòng chảy Ph thuộc
vào s Reynolds, dòng xoáy sau tr nhìn chung còn được chia thành 3 chế độ phân
biệt: - Đều đặn, có chu kỳ; - Không đều đặn; - Quá độ
Thí nghiệm c a Shen và đ ng tác giả (1966) cho th y h xói c c bộ lớn phát
tri n sau tr khi hệ th ng xoáy d ng móng ngựa không hình thành ở đầu tr hoặc b
kh ng chế Hệ th ng xoáy nửa sau tr và sau tr tác động gi ng như máy hút chân
không khi tách h t bùn cát khỏi chân tr và mang chúng xuôi theo dòng chảy khi
xoáy này tách khỏi tr
Nghiên c u đo t c độ dòng chảy quanh tr và trong h xói c a nhiều tác giả
chỉ ra phân ph i t c độ theo chiều sâu trong h xói trước tr có hình d ng ph c t p.
Môi trường th y lực c c bộ ph c t p ở tr với c u trúc động h c dòng chảy t i tr là
một b c tranh ph c t p, đa d ng cả về các lo i dòng chảy và mô hình xoáy


12
Các th ng số nh hư ng đ n ói cục b trụ cầu
Theo nghiên c u c a nhiều tác giả trong và ngoài nước [2], [34], [36], xói c c
bộ tr cầu ch u ảnh hưởng c a 4 nhóm yếu t chính là:
1) Các yếu t th hiện ch t lỏng: - Gia t c tr ng trường (g); - Kh i lượng riêng
c a nước (); - Hệ s nhớt động h c c a nước ().
2) Các yếu t th hiện v t liệu đáy sông: - Kh i lượng riêng c a h t bùn cát
(bc); - Phân b cỡ h t; - Hình d ng h t và m c độ dính kết c a đ a ch t đáy sông
3) Các yếu t th hiện dòng chảy: - Độ sâu trước tr ; - Lưu t c trung bình
dòng chảy trước tr ; - Hệ s nhám dòng chảy trước tr ; - Hướng dòng chảy đến tr ; Bi u đ l và thời gian l
4) Các yếu t th hiện cho tr cầu: - Hình d ng, kích thước tr ; - Điều kiện bề

mặt tr và hình th c cản xói bảo vệ tr phòng ng a xói
Như v y các yếu t ảnh hưởng đến xói c c bộ khá nhiều, nhiều yếu t không
dễ đ nh lượng Do v y đ nghiên c u xói c c bộ các tác giả đ phải sử d ng nhiều giả
thiết khác nhau
nh h ởng c

h nh dạng trụ cầu

Hình d ng tr cầu có nhiều ảnh hưởng đến dòng
chảy, tr cầu d ng m i vuông sẽ gây xói lớn, tr có d ng
m i thon sẽ giảm ảnh hưởng c a dòng chảy và giảm chiều
sâu xói Laursen và Toch (1956) [25],

Melville

và

Sutherland (1988) đ tiến hành nghiên c u ảnh hưởng c a
hình d ng tr cầu đến chiều sâu h xói và đ đưa ra hệ s
hình d ng tr cầu
trong đó:

Dạng trụ

Ks

Tr tròn

1,0

Tr m i tròn

1,0

Tr m i vuông

1,1

Tr m i nh n

0,9

Ks – hệ s hình d ng;

nh h ởng c

chi u

u d ng ch

Thí nghiệm c a Trần Đình Nghiên (1986, 1987) [2] và nhiều nghiên c u c ng
chỉ ra đ i với nước nông chiều sâu h xói ch u ảnh hưởng trực tiếp c a dòng chảy,
song khi nước sâu l i ít ảnh hưởng đến xói hay độc l p với xói, ngh a là khi

/

c

c

13
đ nh thì t s h/b > 2 ÷ 3 sẽ ít ảnh hưởng đến xói

nh hưởng c a chiều sâu dòng

chảy thường được th hiện thông qua t s h/b, song yếu t này không có sự th ng
nh t giữa các tác giả, d ng công th c ph biến trong trường hợp này có d ng:
hc
h
 A1 . 
b
b

P

(1.1)

Theo Laussen và Toch (1956) [25], Neil (1965) [29] đ đề ngh công th c tính
chiều sâu h xói với tr hình chữ nh t như (1 1) với:
Veiga da Cunha (1970) [39] đề ngh với tr tròn:

A1 = 1,5 và P =0,3.
A1 = 1,35 và P = 0,3.

Bruce W. Melville [27] cho rằng chiều sâu h xói c c bộ là một quá trình thay
đ i theo thời gian Chiều sâu xói theo thời gian lớn nh t là giới h n c a chiều sâu xói
khi cân bằng Ở điều kiện cân bằng, tác giả kiến ngh công th c dự tính chiều sâu h
xói c c bộ ở tr và m cầu bằng cách sử d ng các hệ s x t đến các yếu t ảnh hưởng
đến chiều sâu h xói:

hc  K yw .K I .K d .K s .K .K G

(1.2)

trong đó:
KI – hệ s cường độ dòng chảy

ới xói nước đ c KI = 1, còn với xói nước

trong KI =V/Vc < 1;
K – hệ s hướng dòng chảy đến tr ;
KG – hệ s hình h c kênh Khi tính xói c c bộ tr cầu được l y bằng 1;
Kyw – hệ s độ sâu;
Kd – hệ s cỡ h t;


b 

 K d  0,57 log 2,24
d 50 



 K  1,0
 d


khi

b

 25
d 50

khi

b
 25
d 50

ới khoảng 100 kết quả nghiên c u xói c c bộ ở tr tròn c a Charbert và
Engeldinger (1956) [14], Laursen và Toch (1956) [25], Hancu (1971) [23],
Bonassoundas (1973) [12], Basak (1975), Jain và Fischer (1979), Chee (1982) [15],


14
Ettema (1980) [20] và cùng với kết quả nghiên c u c a tác giả với hai tr tròn đường
kính 766mm và 315mm, sử d ng kết quả đường bao trên c a t t cả các s liệu nghiên
c u, Melville đưa ra công th c xác đ nh hệ s độ sâu:
 K yw  2,4b

 K yw  2 h.b

 K yw  4,5h

khi

b / h  0,7

khi

0,7  b / h  5

khi

b/h  5

Như v y, khi bề rộng tr lớn (b/h > 5) chiều sâu h xói r t ít ph thuộc bề rộng
Điều này chưa phù hợp với thực tế c a các nghiên c u khác: khi bề rộng tr càng

tr

lớn, càng choán chỗ nhiều trong dòng chảy, ph m vi ảnh hưởng đến đáy sông càng
lớn dẫn đến chiều sâu h xói càng lớn
nh h ởng c

c

ng ộ d ng ch

V/Vc hay V/Vox

Nhiều nghiên c u chỉ ra chiều sâu h xói ph thuộc vào điều kiện đáy sông.
Trên c sở đánh giá t i ưu các thông s dựa vào kết quả thí nghiệm và đo xói c c bộ
t i các tr cầu c , Belikov và Tsypin (1988) [43] đề ngh công th c rút ra t phân
tích, so sánh s liệu thí nghiệm và thực tế:
h
hc  0,77.b. 
b

ới

0, 4

 V 


V 
ngx



0,5

(1.3)

Vngx  3 gh - lưu t c ng ng xói;

 - độ thô thu lực c a bùn cát đáy sông
Trên c sở thí nghiệm n m 1948, Latyshenkov [41], [45] đề ngh công th c
xác đ nh chiều sâu xói c c bộ:
hc  a1

V b.V .tgo
Vox
h 0, 2

trong đó:
a1 – hệ s t lệ l y giá tr trung bình là 0,65;

o – góc d c c a mái d c trong h xói (đ i với cát o = 30o);

Vox – lưu t c không xói theo Goncharov; Vox  5h0, 2 d 0,33

(1.4)


15
N m 1982, Nguyễn Xuân Tr c và Nguyễn Hữu Khải (Trường Đ i h c Xây
dựng Hà Nội) [4] đ giới thiệu công th c xác đ nh tr s xói c c bộ lớn nh t t i tr
cầu c n c vào kết quả xói thực tế ở một s cầu đang khai thác như sau:
hc
h
 C.K d . 
b
b

m

V 


V
 ox 

n

(1.5)

Kd – hệ s hình d ng tr ;
ới xói nước đ c:

C = 0,52;

m = 0,12 và n = 1,16

ới xói nước trong: C = 0,97;

m = 0,17 và n = 1,04

Phát tri n kết quả nghiên c u quan hệ c chế xói c c bộ trên đáy không xói
c a Trần Đình Nghiên (1988) kết hợp với kết quả đo xói c c bộ tr cầu thực tế c a
Liên Xô c , c a Pakistan, c a sông Arkhipov, c a sông Rokhi, c a sông Sokhan và
kết quả thí nghiệm xói c c bộ tr cầu c a Jain (1981) và Dey (1991), sử d ng phư ng
pháp phân tích h i quy tuyến tính, T ng Anh Tu n [5] đ kiến ngh bi u th c dự đoán
xói c c bộ tr cầu qua sông:
V
hc  A2 .b h 
 Vc
0 ,8

0, 2

n


 .K d .K  .K sh


(1.6)

trong đó:

n = 0,57 với xói nước trong

và n = 1,5 với xói nước đ c

A2 - hệ s quan hệ giữa đường kính xoáy với chiều sâu xói c c bộ khi xói n
đ nh, A2 = 1,21 với xói nước trong và A2 = 0,93 với xói nước đ c
1/ 6

Kd - hệ s x t đến ảnh hưởng c a độ thô c a h t, K d  1 

1 d 
 
2,7  h 

Một s nghiên c u thay vì sử d ng t s V/Vc hay V/Vox trong nghiên c u xói
c c bộ tr cầu l i sử d ng t s

/

v

(Juravlev) hay V/Vng (Trần Đình Nghiên)

Juravlev [44], [45] sử d ng quan hệ thực nghiệm th tích h xói t lệ b c 3 với
chiều sâu xói lớn nh t c a Knezevic (1960) đ đề xu t công th c dự đoán xói c c bộ
tr cầu trong trường hợp xói nước trong và xói nước đ c: