1
MỞ 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 đa chú ý đ
̃
ặc biệt đến việc xây
dựng công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô, mặc dù loaị
công trinh nay chi
̀
̀
ếm 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 điêu hoa trong năm, song m
̀
̀
ột 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
2
để nâng cao khả năng thoát nước nhỏ trên đường ô tô.
Tại 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 cưu đê xuât
́ ̀
́
phương phap thiêt kê va xây d
́
́ ́ ̀
ựng đê nâng cao chât l
̉
́ ượng cać
công trinh thoat n
̀
́ ươc nho trên đ
́
̉
ường ô tô tai n
̣ ươc
́ Cộng Hoà
Dân Chủ Nhân Dân Lào”.
2.
Mục đích nghiên cứu
Luận án nghiên cứu đê xuât ph
̀ ́ ương phap thiêt kê va xây
́
́ ́ ̀
dựng đê nâng cao chât l
̉
́ ượng cac công trinh thoat n
́
̀
́ ươc nho trên
́
̉
đường ô tô tai n
̣ ươc
́ Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào, trong đó
tâp trung vao
̣
̀ 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 giai phap
̉
́
xây dựng công trinh thoat n
̀
́ ươc nho ngang đ
́
̉
ường co đia hinh đăc
́ ̣
̀
̣
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 tinh thuy l
́
̉ ực cho hệ thống công
trình
thoát nước nhỏ ngang đường ở nước Lào.
3
4.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực tê.́
5.
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.
Đăc điêm điêu kiên đia hinh va khi hâu
̣
̉
̀
̣
̣
̀
̀ ́ ̣ ở Lao
̀
Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào là một nước có
diện tích tương đối rộng với diện tích 236.800 km2. 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.
4
+ Mùa khô: từ tháng 11 đến tháng 04, ít mưa hơn và nhiệt
độ khoảng 15oC, vùng núi có thời điểm là 0oC.
1.2.
Giơi thiêu chung vê hê thông đ
́
̣
̀ ̣
́
ường ô tô ở Lao
̀
1.2.1. Giai đoạn trước năm 1975
1.2.2. Giai đoạn năm 19751985
1.2.3. Giai đoạn năm 19852000
1.2.4. Giai đọan năm 20002015
1.3.
Tinh
̀ trang
̣ hư hong
̉ công trinh
̀ thoat́ nươć nhỏ trên
đường ô tô tai n
̣ ươc
́ 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
5
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 chi 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
6
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.
1.4. 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
7
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 kiểu 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 cưu đê xuât giai phap thiêt kê thuy l
́ ̀ ́ ̉
́
́ ́ ̉ ực công trinh
̀
thoat n
́ ươc nho ngang đ
́
̉
ường cho nươc Công Hoa Dân Chu Nhân
́
̣
̀
̉
Dân Lao;
̀
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.
8
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
2.1.1. 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
hưởng của dòng chảy hạ lưu , thường có dạng bể tiêu năng.
2.1.2. Các công thức tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp
dạng bể
9
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
(2.9)
Chertouxov M.D (trung bình) (2.10)
hay
(2.10a)
Bradley và Peterka
(2.11)
Ohtsu và các cộng sự
(2.12)
2.1.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm phần cửa vào bậc nước rơi tự do
[5]
Số liệu đo thay đổi áp suất dọc theo chiều sâu 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.
2.1.2.4. Xác định chiều sâu ở mặt cắt co hẹp [2], [5]
Chiều sâu ở mặt cắt co hẹp tại sân bậc xác định theo
phương trình Bernoulli viêt cho m
́
ặt cắt ở kênh thượng lưu và mặt
cắt co hẹp tại sân bậc đôi v
́ ơi m
́ ặt cắt chữ nhật.
Eo=hch+(q2/2g 2h2ch)
(2.14)
10
1). Nghiên cứu của (Agroskin I.I, 1964) [2], [5]:
q= hch(2g(Eohch))0.5
(2.18)
Đặt: ch=hch/Eo và 2ch=h2ch/Eo
F( ch)=q/( E3/2o)
(2.19)
Thông qua quan hệ hàm số F( ch)=q/( E3/2o) tương ứng với
các giá trị hệ số tốc độ khác nhau (phụ lục 1) tìm được 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 tương đối so với chiều sâu phân giới :
Eo/hc=(hch/hc)+(1/2 2)(hc/hch)3
(2.20)
Đặt: Eo=Eo/hc; ch=hch/hc và 2ch=h2ch/hc
Xây dựng đường cong quan hệ giữa , với ứng với hệ số
lưu tốc (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:
z=f( Eo, ) (phụ lục 3).
Biểu đồ cho giá trị tương ứng với nước nhảy tại chỗ xác
định theo công thức (2.32) như sau:
d= EohcEo
(2.32)
Nghiên cứu của (Detlef Aigner) cho biết [23]:
Tinh
́ bâc
̣ nươć nhiều cấp dang
̣ bể theo [23] đã biêt́ lưu
lượng đơn vi va chiêu cao bâc n
̣
̀
̀
̣ ươc co thê tim đ
́
́ ̉ ̀ ược tg =P/L, sau
đo tim đ
́ ̀ ược quan hê gi
̣ ữa pt/P với hc/P va tinh đ
̀ ́ ược cac kich th
́ ́
ươć
cua bâc n
̉
̣ ươc nhiêu câp nh
́
̀ ́ ư: chiêu cao t
̀
ương tiêu năng , chiêu dai
̀
̀ ̀
bâc n
̣ ươc ...
́
2.1.3. Nhận xét về tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng
bể
11
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 với chiều sâu co hẹp ở sân bậc là , 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 pt/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
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:
Ko=Q/(id)
0.5
(2.43)
2.2.1.3. Tính thủy lực cửa ra của dốc nước
h2=(h21+2h3c(1/h11/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].
12
1). Nghiên cứu của (Pavlovski N.N) [79]:
Xác định hệ số Sedi áp dụng cho 0.1
C=(1/n)Ry
(2.49)
Số mũ
Trong thực tế, đôi khi nên tiến hành tính toán với giá trị khi
y không 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
(2.52)
b) Đối với dòng chảy xiết (Fr>1) thì:
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.
13
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 động tốc độ theo quy luật 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:
(2.74)
2.4.2.
Vấn đề cần nghiên cứu
14
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
tính 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 CƯU ĐÊ XUÂT GIAI PHAP THIÊT
́
̀
́
̉
́
́
KÊ THUY L
́
̉
ỰC CÔNG TRINH THOAT N
̀
́ ƯƠC NHO NGANG
́
̉
ĐƯỜNG CHO NƯƠC
́ CÔNG
̣
HOA
̀ DÂN CHỦ NHÂN DÂN
LAO
̀
3.1.
Ly thuyêt tinh thuy l
́
́ ́
̉ ực công trinh thoat n
̀
́ ươc nho ngang
́
̉
đương
̀
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 thuy l
̉ ực bậc nước nhiều cấp
3.1.1.1. Xác định chiều sâu dòng chảy tại đỉnh bậc
(3.1)
3.1.1.2. Xác định chiều sâu co hẹp tai sân bâc
̣
̣
Viết phương trình Bernoulli qua hai mặt cắt (11) và (cc)
với mặt so sánh qua điểm viết phương trình ở mặt thoáng (hình
3.3).
(3.2)
15
3.1.1.3. Tính chiều cao tường tiêu năng cua bâc n
̉
̣ ươc
́
pt= h2chH1
(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 , ta
được:
(3.11)
3.1.1.5. Cac b
́ ươc chi tiêt tinh bâc n
́
́ ́
̣ ước nhiêu câp dang bê 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:
(3.15)
trong đó:
gia tốc trọng lực;
độ nhám tuyệt đối của lòng dẫn;
bán kính thủy lực;
hệ số Reynolds;
3.1.3.
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 cưu xây d
́
ựng biêu đô xac đinh bâc n
̉
̀ ́ ̣
̣ ước nhiêu
̀
câp va nghiên c
́ ̀
ứu sức can trong tinh dôc n
̉
́
́ ước
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
16
3.2.1.2. Giai bai toan tính b
̉
̀
́
ậc nước nhiều cấp bằng chương trình
Excel
Baì toań tac
́ giả nêu ra để tinh
́ toań thuỷ lực bậc nước
nhiều cấp cho lưu lượng nươc đ
́ ơn vi khi b
̣
ậc nước có chiều cao
bâc , chênh cao đ
̣
ộ đáy thượng và hạ lưu dốc là và .
3.2.1.3. Xây dựng biểu đồ quan hệ tinh bâc n
́
̣ ươc nhiêu câp đôi v
́
̀ ́ ́ ới
lưu lượng đơn vi ̣ va chiêu cao bâc khac nhau b
̀
̀
̣
́
ằng
chương trình Excel
Hình: 3.15
(3.24)
(3.25)
3.2.2. 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, tac gia s
́
̉ ử dụng sô liêu th
́ ̣
ực tế (bảng PL5.1,
phụ lục 5) [89] và xây dựng quan hệ giữa và (xem hình 3.16).
17
Hình 3.16
Hình 3.19
3.2.2.2. Kết luận quan hệ thực nghiệm về sức cản thủy lực
Kết luận: Dòng chảy trong máng bê tông là chảy êm và
chảy xiết sẽ có hệ số ma sát dọc đường . Kết quả nghiên cứu của
tác giả chỉ ra đối với:
Mặt cắt hình thang:
fHTH=0.0182Re0.0381
(3.26a)
Mặt cắt hình chữ nhật:
fCN=0.00045Re0.3123
(3.26b)
3.3.
Nghiên cưu tôc đô băt đâu xoi đay va xoi sau gia cô công
́ ́ ̣ ́ ̀
́ ́ ̀ ́
́
trinh thoat n
̀
́ ươc nho ngang đ
́
̉
ường đôi v
́ ới đât không
́
dinh
́
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)
3.3.1.2. Kết quả tốc độ không xói ở đáy dòng chảy
18
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 (bảng
3.6).
Bảng 3.6: Tinh t
́ ốc độ không xói ở đáy dòng chaỷ
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 trinh
̀ thoat́ nươć nho ̉ ngang
đương
̀
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
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)
3.3.2.2. Tính xói sau cống theo tiêu chuẩn của Hội cầu đường Mỹ
[7], [86], [88]
(3.58)
trong đó:
chiều sâu xói (m);
chiều rộng hố xói (m);
chiều dài hố xói (m);
thể tích hố xói (m);
19
bán kính thủy lực tại cửa ra cua c
̉ ống (giả thiết
chảy đầy cống)
lưu lượng chảy trong cống ;
gia tốc trọng lực bằng 9,81 ;
thời gian lũ (phút);
độ lệch tiêu chuẩn của hạt vật liệu lòng đay;
́
, và hệ số và số mũ (bảng 3.7);
hệ số điêu chinh đô cao n
̀
̉
̣
ươc r
́ ơi (bảng 3.8)
hệ số điêu chinh đô dôc (b
̀
̉
̣ ́ ảng 3.9);
3.3.2.3. Tính xói sau cống sử dựng phần mềm HY8 [85]
Phần mềm HY8 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
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 trinh đông l
̀
̣
ượng
cua dong chay ôn đinh [7] ki
̉
̀
̉ ̉
̣
ểm tra với Hội cầu đường Mỹ FHWA
[7], [86], [88] va ph
̀ ần mềm HY8 [85].
3.3.3.2. Kết quả nghiên cứu đạt được
Bảng 3.10: Kết quả tính xói sau cống theo phần mềm HY8
tại hai vị trí đặt cống (phụ lục 10 và phụ lục 11)
20
Lý trình
đặt cống
km 0+934.43
km 5+500.00
Kết quả xác định kích thước hố xói
Khẩu độ
Chiều
Chiều
Chiều
cống
sâu xói
rộng xói
dai xói
D (m)
hx (m)
Bx (m)
Lx (m)
1.00
0.961
5.345
4.607
1.50
2.194
13.076
10.723
Thể tích
xói
(m)
17.713
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)
Lý trình
đặt cống
km 0+934.43
km 5+500.00
Kết quả xác định kích thước hố xói
Khẩu độ
Chiều
Chiều
Chiều
cống
sâu xói
rộng xói
dai xói
D (m)
hx (m)
Bx (m)
Lx (m)
1.00
0.792
3.808
6.007
1.50
1.798
10.358
13.238
Thể tích
xói
(m)
12.427
144.122
Bảng 3.12: Tông k
̉
ết quả tính chiều sâu xói gia cố
Phương pháp tính
Công thức (2.74)
(Andreev O.V) khi gia cố
(phụ lục 14)
Công thức (2.74)
(Andreev O.V) khi chưa gia cố (phụ
lục 14)
Công thức (3.55)
Phương trình động lượng của dòng
chảy ổn định [7] (phụ lục 15 và phụ
lục 16)
Phần mềm HY8 [85] (phụ lục 10
và phụ lục 11)
Hội cầu đường Mỹ [7], [86], [88]
(phụ lục 12 và phụ lục 13)
Chiều sâu xói
km 0+934.43
0.49 (m)
Chiều sâu xối
km 5+500.00
1.63 (m)
0.98 (m)
2.82 (m)
0.76 (m)
1.51 (m)
0.961 (m)
2.194 (m)
0.792 (m)
1.798 (m)
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.
21
CHƯƠNG 4: GIAỈ PHAP
́ XÂY DỰNG CÔNG TRINH
̀
THOAT N
́ ƯƠC NGANG Đ
́
ƯỜNG CO ĐIA HINH ĐĂC THU
́ ̣
̀
̣
̀
Ở NƯƠC CÔNG HOA DÂN CHU NHÂN DÂN LAO
́
̣
̀
̉
̀
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, m 3 / s ;
I cường độ nước mưa trong một thời gian,
mm / h
2
A diện tích lưu vực, km ;
C hệ số dòng chảy, (bảng 4.1).
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)
Q
P
trong đó:
lưu lượng đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế P
%;
H P lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất
thiết kế P%, xác định theo tài liệu của các trạm đo
mưa;
hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào đặc trưng
lớp đất mặt của lưu vực, lượng mưa ngày thiết kế
H P và diện tích lưu vực F ;
AP mô đun tương đối của dòng chảy lớn nhất
22
hệ số xét tới ảnh hưởng làm giảm nhỏ lưu
lượng đỉnh lũ do ao hồ xác định theo (bảng 4.2);
F diện tích lưu vực, km2;
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
(bảng 4.5);
ap
cường độ mưa tính toán tính bằng mm/ph.
4.2.
Giải pháp về thoát nước mặt đường và thoát nước
ngang đường
4.2.1. Nguyên tăc chung
́
4.2.2. Giai phap vê thoat n
̉
́ ̀
́ ước măt đ
̣ ường và ngang đường
4.2.2.1. Lựa chon bô tri dôc n
̣
́ ́ ́ ươć
4.2.2.2. Lựa chon bô tri bâc n
̣
́ ́ ̣ ươć
4.2.2.3. Lựa chon bô tri công thoat n
̣
́ ́ ́
́ ươć
4.2.3. Biện pháp gia cố thượng lưu công trình [1]
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.
23
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 cac k
́ ết 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 tếkỹ thuật,
đối với nước CHDCND Lào 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
24
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 biêu đô xac đinh bâc n
̉
̀ ́ ̣
̣ ươc nhiêu câp
́
̀ ́ công thức (3.24) và
(3.25):
(3.24)
(3.25)
5). Nghiên cưu s
́ ức 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 cưu tôc đô băt đâu xoi đay, tac gia rut ra kêt
́ ́ ̣ ́ ̀ ́ ́ ́
̉ ́
́ quả tinh t
́ ốc
độ không xói cua hat
̉
̣ công thức (3.35):
(3.35)
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 22095)
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.
25
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 đê tim chiêu cao t
̉ ̀
̀
ương va chiêu dai bâc n
̀
̀
̀ ̀ ̣ ước,
giúp cho ngươi thiêt kê có th
̀
́ ́
ể sử dung, tham khao va so sanh kêt
̣
̉
̀
́
́
qua v
̉ ơi công th
́
ưc khac đê s
́
́ ̉ ử dung trong cac quy trinh thiêt kê
̣
́
̀
́ ́ ở
CHDCND Lao.
̀
10). Khảo sát kiểm tra, sử dụng phần mềm HY8 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 bx, chiều dài Lx và thể
tích hố xói . 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.