Nghiên cứu xói cục bộ ở trụ cầu dạng phức hợp

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:


16
a) Đ i với xói nước trong (V < Vo; V > Vo song V  Vvd):
V
hc  1,1b h 
 Vv
0, 6

0, 4

n2


 K  K 


(1.7a)

b) Đ i với xói nước đ c (V  Vo và V > Vvd):
V 
hc  1,1 bh  
 Vv 

n1,n 2

(1.7b)

K K

trong đó:
Vo tính theo công th c:

Vo  3,64 hd

h
Vv – t c độ xáo lộn đáy trung bình; Vv  Vvd  
d 

0, 06

h
 gh  
d 

0 , 06

3

S m c a thông s r i:
-

Khi V/Vvd > 1:

n1=1 và

-

Khi V/Vvd  1:

n2=0,67.

Sau quá trình nghiên c u c chế xói c c bộ đ i với tr tròn hoặc tr tròn đầu,
n m 1999, Trần Đình Nghiên (Trường Đ i h c Giao thông

n tải) [2] đ xây dựng

công th c lý thuyết, đ ng thời kiến ngh công th c thực hành tính xói c c bộ ở tr
cầu đ i với cả hai lo i xói nước đ c và xói nước trong như sau:
n

V 
 K .K
hc  K . b.h 
V   
ng



(1.8)

trong đó:
Kα và K - hệ s x t tới ảnh hưởng c a hướng dòng chảy và hình d ng tr ;
K = 1,24; n = 0,77 khi V < Vox; và khi V > Vox nhưng V  Vng (xói nước trong);
K = 1,11; n = 1 khi V > Vox nhưng V > Vng (xói nước đ c)
h
Vng  3 g..h  

d 

0 , 06

- t c độ ng ng xói trong h xói;

Đặng iệt D ng [1] đ đề xu t công th c dự báo chiều sâu h xói c c bộ:


17
 V 2 U 2

hc
 K A .K d .K y .K c . c  max
 1
2
hc  h

 2 gb  Vc

(1.9)

trong đó:
KA, Kd, Ky, Kc – các hệ s thực nghiệm t ng hợp, k đến kích thước h t v t liệu
đáy, độ nông dòng chảy, s c cản hình d ng tr ;
Vc – t c độ khởi động h t v t liệu;
nh h ởng c

b nc t

Chabert và Engeldinger (1956) [14] làm thí nghiệm cho tr tròn đ i với h t có
đường kính khác nhau cho th y cỡ h t ít ảnh hưởng đến xói c c bộ Laursen và Toch
(1950, 1953) [25] th y ảnh hưởng c a cỡ h t chưa có tính hệ th ng trong điều kiện thí
nghiệm với đường kính h t t 0,5mm đến 5mm Hancu (1965) bằng thí nghiệm cho
th y chiều sâu xói c c bộ t ng cùng đường kính h t Thí nghiệm c a Nicollet (1971)
[30] cho kết quả tư ng tự như Hancu, song chỉ t ng tới d = 2mm khi chiều sâu không
thay đ i Shen và ccs (1966) [35] cho th y ảnh hưởng c a cỡ h t có th bỏ qua khi h t
có d50 < 0,5mm. Bonasoundas (1973) [12] cho biết một s kết quả thí nghiệm có
chiều sâu t ng cùng cỡ h t trong ph m vì t 0,6mm đến 3,3mm Ettma (1976) [19]
chỉ ra khi

/

c

 1 thì hc t ng cùng cỡ h t đều Kết quả thí nghiệm c a Raudkivi và

Ettma (1977) [33] chỉ ra đ i với h t thô, đều (d > 0,7mm) có hc/b = 2,1 ÷ 2,3 và
không ph thuộc cỡ h t; song khi d < 0,7mm đáy không còn ph ng, sóng cát nhỏ hình
thành, dòng chảy không thực sự là nước trong.
C n c vào phân tích lý thuyết và thực nghiệm Iaroslavtsev (1956) kiến ngh
công th c dự đoán xói c c bộ đ i với xói nước trong, theo Iaroslavtsev chiều sâu h
ph thuộc trực tiếp vào đường kính h t [2]:
hc  K  ' K v (a  K H )

V2
 30d 85
g

trong đó:

K’ - hệ s hình d ng tr ;
Kv - hệ s lưu t c và chiều sâu dòng chảy;

(1.10)


18
a – hệ s đặc trưng cho phân ph i lưu t c d c theo chiều sâu;
O.V.Andreev viết (1 10) ở d ng khác:
0,9

V 2 
 b  30d
hc  3,8K  
g



(1.11)

N m 1962, Blench và Inglis đưa ra công th c dự đoán xói c c bộ tr cầu, theo
các tác giả khi đường kính h t càng lớn chiều sâu h xói càng nhỏ [2]:
0,125
hc  1,53b 0, 25Vo0,5 h 0,5 d 50
h

(1.12)

Công th c tính xói c c bộ c a Bộ Giao thông Florida [36] được phát tri n bởi
Sheppard và ccs. Theo Sheppard chiều sâu h xói ph thuộc vào độ nông dòng chảy

(h/b), vào cường độ dòng chảy (V/Vc), độ thô h t bùn cát (b/d50), ... Công th c c a
Sheppard được thiết l p với hai c chế xói nước trong và nước đ c
ới xói nước trong (0,47 < V/VC < 1):
hc
 2,5. f1 f 2 f 3
b

(1.13a)

ới xói nước đ c (1 < V/VC < Vlp/VC):
  V / VC  1 
 V / V  V / VC
hc
  2,5 f 3  lp C
 f 1 2,2
 V /V 1
b
  Vlp / VC  1 
lp
C







(1.13b)

và xói nước đ c (V/VC > Vlp/VC):

hc
 2,2. f 3
b

(1.13c)

trong đó:
Vlp – lưu t c đỉnh xói nước đ c;
 h  0, 4 
f1  tanh    - thông s x t đến ảnh hưởng c a “độ nông dòng chảy“;
 b  

 V

f 2  1  1,2ln 

  VC






2


 - thông s x t đến ảnh hưởng c a cường độ dòng chảy;




19



b / d 50
f3  
1, 2
0 ,13  - thông s x t đến ảnh hưởng c a độ
 0,4(b / d 50 )  10,6(b / d 50 )

thô bùn cát.
nh h ởng c

h

ng d ng ch

n trụ

Chiều sâu h xói c c bộ ch u ảnh hưởng lớn c a hướng dòng chảy đến tr , hc
là hàm c a hình chiếu chiều rộng tr lên phư ng vuông góc với dòng chảy Nghiên
c u ảnh hưởng c a hướng dòng chảy đến tr đ được nghiên c u bởi Laursen và
Toch (1956) [25], Chabert và Engeldinger (1956) [14] và arzeliotis (1960) [38].
Trong thực hành ảnh hưởng này đáng k khi hướng dòng chảy lệch với tr c
d c qua tr vượt quá 50, góc lệch t ng sẽ làm ảnh hưởng đáng k đến xói thông qua
hệ s nghiêng c a dòng chảy theo K2 [23], [25]:
l


K 2   . sin   cos  
b


trong đó:

0, 65

(1.14)

l, b – chiều dài và chiều rộng c a tr .

Tr tròn l y K2 = 1,0.
nh h ởng c

th i gi n xói

Sự phát tri n về chiều sâu xói trong điều kiện xói nước trong m t nhiều thời
gian đ đ t được tr ng thái cân bằng h n so với xói nước đ c. Xói nước đ c phát
tri n nhanh h n ở các giai đo n ban đầu và sau đó b t đầu dao động theo thời gian do
các dòng bùn cát ở thượng lưu c a tr cầu chuy n đến.
Hầu hết các nghiên c u về xói c c bộ tr cầu đều quan tâm đến chiều sâu h
xói lớn nh t, vì v y yếu t thời gian xói thường ít được đưa vào công th c tính toán
nh h ởng c

r ude

Chiều sâu h xói c c bộ t lệ thu n với s Froude dòng chảy, nhưng các
nghiên c u c ng không có sự th ng nh t về ảnh hưởng c a thông s này
Theo tác giả Altunin [41], [42], chiều sâu h xói t lệ với s Froude với s m

0,15. Công th c c a Altunin n m 1972 có d ng:


20
0, 4

hc  b.Fr

trong đó:

h
Vo  1,14 
d 

0 ,15

 Vh   d 

  
 Vo b   h 

0 , 02

(1.15)

0, 25

gd

Richardson và ccs (1991) [34] c n c vào tiêu chu n Froude nêu ra công th c

dự đoán xói c c bộ đ i với tr chữ nh t th ng hàng với dòng chảy (công th c này do
C c đường bộ Liên bang Mỹ giới thiệu), sau đó công th c tiếp t c được phát tri n
(1999, 2001) không phân biệt xói nước trong và nước đ c và có d ng:
hc
b
 2,0K1K 2 K 3 K 4  
h
h

0 , 65

Fr

0,43

(1.16)

trong đó:
Fr - s Froude trước tr , Fr 

V
;
gh

K1 - hệ s điều chỉnh cho hình d ng m i tr
K2 - hệ s điều chỉnh đ i với góc nghiêng α () c a dòng chảy
K3 - hệ s điều chỉnh đ i với tình tr ng đáy sông
K4 - hệ s điều chỉnh đ giảm bớt chiều sâu h xói c c bộ đ i với trường hợp
đáy sông có bùn cát thô đường kính d50  2 và d9520mm làm thô hoá đáy h xói
1.4. Nghiên cứu ói cục b trụ cầu phức hợp

Đ dự đoán chiều sâu xói c c bộ tr cầu ph c hợp, hiện nay có một s nghiên
c u c a các tác giả như Parola và nnk (1996); Meville (1997) [27]; Meville và
Coleman (2000, 2005) [16]; Richardson và nnk (2001) [34]; Ataie-Ashtiani và
Beheshti (2006) [7], [10]; Ashish K. và Umesh C.K. [6]; Ata và ccs (2011) [9];
Grimaldi, C. và Cardoso, A.H. [17]; Giuseppe O. (2012) [22]; Moreno, M. và ccs
(2014) [28]; T. Paul Teng, P.E. (2005) [37]; Ata Amini và ccs; nghiên c u c a các tác
giả người Nga [46],

Các công th c được đưa ra trong các nghiên c u này thường

sử d ng công th c cho tr đặc và b sung thêm các hệ s x t đến tr ph c hợp hoặc
tính toán xói theo phư ng pháp cộng tác d ng giữa các bộ ph n


21
ới quan đi m coi xói c c bộ tr cầu ph c hợp là cộng tác d ng c a xói do
thân tr , xói do bệ c c và xói do nhóm c c gây ra, Richardson và ccs [34] t công
th c dự đoán xói c c bộ đ i với tr chữ nh t th ng hàng với dòng chảy (công th c
1.16) Tác giả Richarson đ đưa ra công th c xác đ nh chiều sâu h xói c c bộ sẽ là
t ng c a ba chiều sâu xói thành phần:
hc  hxt  hxb  hxc

(1.17)

trong đó:
hc, hct, hcb, hcc – t ng chiều sâu xói c c bộ, xói c c bộ do thân tr , do bệ c c và
do nhóm c c, song xói c a bộ ph n trước là tiền đề cho việc
tính xói ở bộ ph n sau

Hình 1.2. Sơ đồ tính xói trụ cầu phức hợp theo HEC-18 [34]

Xói cục b do thân trụ hct:
Xói c c bộ do thân tr được tính bằng cách nhân công th c tính xói cho tr
đ n (1 16) với hệ s xói do thân tr Kht:
0,65

 V


h ct
b
 K ht 2,0K 1 K 2 K 3 K 4    1

h1
 h 1   gh 1







0,43






(1.17a)

trong đó:
Kht – hệ s tính xói do chiều sâu thân tr phía trên đáy và ảnh hưởng c a độ
nhô ra c a bệ c c so với mặt trước c a thân tr ;
Xói cục b do bệ cọc hcb:


22
Đ tính xói trong trường hợp này, thay bề rộng bệ c c bằng bề rộng tư ng
đư ng bb* sau đó nhân công th c tính xói cho tr đ n (1 16) với hệ s xói do bệ c c
Kw:
0,65

 V


h cb
b
b*
  2
 K w 2,0K 1 K 2 K 3 K 4 

h2
 h 2   gh 2







0,43






(1.17b)

h2 – độ sâu đ tính xói bệ c c;
KW – hệ s điều chỉnh do kích thước tr lớn
Xói cục b do nhóm cọc hcc:
Tư ng tự, xói c c bộ do nhóm c c được tính bằng cách nhân công th c tính
xói cho tr đ n (1 16) với hệ s xói do nhóm c c Khcc. Theo kết quả nghiên c u c a
Salim và Jones (1995, 1996, 1999) và c a Smith, W L (1999):
0,65

 b *c   V3
h cc


 K hcc 2,0K 1 K 2 K 3 K 4 

h3
h 3   gh 3









0,43






(1.17c)

trong đó:
h3 – độ sâu đ tính xói nhóm c c;
Khcc – hệ s điều chỉnh chiều cao c c
Meville và Coleman (2000, 2005) [16] đ nghiên c u xói c c bộ tr cầu ph c
hợp g m thân tr , bệ c c d ng kh i hình hộp và nhóm c c g m 8 c c với 4 hàng và 2
cột Theo nghiên c u c a các tác giả thì tr cầu ph c hợp là một tr cầu đ n có bề
rộng tr tư ng đư ng với các trường hợp bệ c c ở các cao độ khác nhau

ới bề rộng

tr tư ng đư ng các tác giả kiến ngh sử d ng công th c tr cầu đ n c a Meville
(công th c 1 2) có b sung hệ s nhóm c c KGmn đ tính chiều sâu h xói c c bộ tr
cầu:
hxcb  K Gmn .K I .K d .K S .K .K G .K yw

trong đó:
KGmn – hệ s nhóm c c, theo Hannah (1978), Zhao và Sheppard (1998):

(1.18)


23
K Gmn  1,118

m 0,0895
0 ,1195
n 0,8949S / b 

m, n – s hàng và s cột c a c c.
B. Ataie-Ashtiani và ccs (2010) [8], [11], [16] tiếp t c nghiên c u về ảnh
hưởng c a cao độ bệ c c tr cầu ph c hợp đến chiều sâu h xói c c bộ (hình 1.3a).

a) Các trường hợp nghiên cứu trụ cầu phức hợp theo Coleman (2005)

b) Chiều sâu xói cục bộ thay đổi theo cao độ bệ cọc
Hình 1.3. Sự thay đổi xói cục bộ theo cao độ bệ cọc [16].
Theo nghiên c u c a tác giả Coleman chiều sâu h xói ph thuộc vào cao độ
bệ c c so với đáy cát, kết quả được chỉ ra trong hình 1 3b T kết quả nghiên c u tác
giả kiến ngh công th c xác đ nh bề rộng tr tư ng đư ng b e trong 4 trường hợp khác
nhau c a tr cầu ph c hợp trước khi xói xảy ra
be = b

khi Y  b

(1.19a)


24

 b
be  b
b
 pg







 b

b pg



3
0,5  


  0 ,1  0 , 47 0 , 75 Y   


b   





khi 0 > Y  YT

(1.19b)

 0,52T .b pc  (hx  0,52T )b pg 
be  

hx



khi Y = (-hx)

(1.19c)

be = bpg

khi Y  (-hx - T)

(1.19d)

trong đó:
bpg – khoảng cách giữa 2 m p c c;
bpc – bề rộng bệ c c;
T – chiều cao bệ c c;
b – bề rộng thân tr ;
Y – cao độ đỉnh bệ c c so với đáy sông;
YT - cao độ đỉnh bệ c c so với đáy sông Y khi đ lộ c c trong dòng chảy
T nghiên c u trên cho th y: Tr đặt trên móng có chiều rộng lớn h n thân tr ,

cao độ đỉnh móng dưới đường xói chung sẽ làm giảm xói vì bệ ng n cản dòng đ ng
đi xu ng d c thân tr

Song nếu cao độ đỉnh móng tr vượt trên cao độ xói chung sẽ

làm cho xói t ng:
(1) Trường hợp 1: Cao độ đỉnh bệ c c dưới đáy xói c c bộ, chiều sâu xói không b
ảnh hưởng bởi bệ c c.
(2) Trường hợp 2: Cao độ đỉnh bệ c c vượt trên cao độ đáy xói c c bộ, song dưới
đường xói chung Xói có th giảm do ng n chặn được dòng đ ng đi xu ng d c
tr
(3) Trường hợp 3: Cao độ đỉnh bệ c c vượt trên cao độ đáy xói chung làm cho xói
c c bộ t ng hay giảm so với c c đ n, song tính cho bệ c c sẽ làm xói t ng và
đ t giá tr lớn nh t ở trường hợp 4
(4) Trường hợp 4: Đỉnh bệ c c vượt trên mực nước
Trường hợp 3 và 4, nếu tr đặt trên c c có th làm t ng hay giảm xói


25
(5) Trường hợp 5: Đáy bệ c c vượt trên cao độ mực nước Nghiên c u c a
Hannal (1978) cho th y xói lớn nh t ph thuộc ch yếu vào kích cỡ c a cả
nhóm c c
Tác giả B. Ataie-Ashtiani và ccs [8], [11], [16] đ đưa ra kết quả tư ng tự
Coleman, t kết quả nghiên c u tác giả đ kiến ngh cải tiến công th c xác đ nh
chiều rộng tư ng đư ng tr cầu c a Coleman:

L
beR  k sc k spcbe 1  0,04 U

L

 f


1, 47






 b 


 b 
 pg 

3

0,5 

Y  
 b 

0 , 75.
0 ,1  0 , 47 0 , 75   0 , 66
 b pg 
b   








(1.20)

trong đó:
be – đường kính tư ng đư ng tính theo (1 19b);
ks, kspc – hệ s hình d ng thân tr và bệ c c;
LU, Lf – khoảng cách t m p bệ c c đến m p thân tr theo phư ng d c và ngang tr
Đ ng thời B. Ataie-Ashtiani và ccs [8], [11], [16] c ng kiến ngh công th c
tính xói theo HEC-18 bằng cách b sung hai hệ s KA và KB vào chiều sâu xói do
thân tr và bệ tr ở công th c (1 17):
hc = KA.hct + KB.hcb

(1.21)

trong đó:
KA = 0,4(2,5 – LU/b) khi LU/b ≤ 2,5

và

KA = 0 khi LU/b > 2,5;

KB = (bpc/hnew)0,1;
hnew = h + KA.hct.
Theo Sheppard và ccs [36], tr cầu ph c hợp c ng được quy về một tr cầu
đ n giản có bề rộng tr tư ng đư ng, bề rộng tr tư ng đư ng khi đó là t ng bề rộng
tư ng đư ng c a thân tr , bệ c c và nhóm c c Sau đó chiều sâu h xói tr cầu ph c
hợp được tính theo công th c (1 13) bằng cách thay b bằng b* là đường kính tư ng

đư ng c a tr cầu:
*
b*  bcol
 b *pc  b *pg

(1.22)