NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG TRÌNH CẦU CANH VINH ĐẾN XÓI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU. LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------

PHẠM TRUNG HẬU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƠNG TRÌNH CẦU
CANH VINH ĐẾN XĨI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng- Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------

PHẠM TRUNG HẬU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƠNG TRÌNH CẦU
CANH VINH ĐẾN XĨI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 60.58.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY

Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Huy Công

Đà Nẵng - Năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi.
Các số liệu và kết quả tính tốn đưa ra trong luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phạm Trung Hậu


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................1
MỤC LỤC .....................................................................................................................II
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... V
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .................................................................................... VI
DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... VIII
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU......................................................................................2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .........................................................2

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................2
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .............................................................. 2
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN .......................................................................................... 3
CHƯƠNG I ....................................................................................................................4
1.1 Khái niệm, phân loại xói và cơ chế gây xói lở .......................................................4
1.1.1. Khái niệm, phân loại xói ......................................................................................4
1.1.2. Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu ....................................................................5
1.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước...............6
1.2.1 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới ...........................................6
1.2.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước .............................................7
1.3 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ cầu ................................ 7
1.3.1 Phương pháp giải tích ............................................................................................. 7
1.3.2 Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường ........................................................... 8
KẾT LUẬN CHƯƠNG I ............................................................................................ 13
CHƯƠNG II .................................................................................................................14
2.1. Tổng quan một số mơ hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát phổ biến ..14
2.1.1 Mơ hình trong nước [12] ......................................................................................14
2.1.2. Mơ hình ngồi nước [12] .....................................................................................15
2.2 Giới thiệu về hệ thống phần mềm Telemac ......................................................... 20
2.2. Ưu điểm và nhược điểm .......................................................................................23
2.2.1. Ưu điểm ...............................................................................................................23
2.2.2. Nhược điểm .........................................................................................................24
2.3. Lựa chọn mơ hình Telemac để giải quyết u cầu bài tốn ............................. 24
2.4 Các mô đun thủy lực trong telemac .....................................................................24


iii
2.4.1 Thủy lực 1 chiều (1D): ......................................................................................... 24
2.4.2 Thủy lực 2 chiều (2D): ......................................................................................... 24
2.4.3 Thủy lực 3 chiều (3D): ......................................................................................... 25

2.4.4 Một số Modun khác của hệ thống TELEMAC: ...................................................25
2.5 Cơ sở lý thuyết phần mềm Telemac .....................................................................26
2.5.1. Phương trình với giả thuyết áp lực thủy tĩnh .......................................................26
2.5.2. Phương trình Navier – Stoke với giả thuyết áp suất phi thủy tĩnh: .....................29
2.5.3. Mơ hình k - ε .......................................................................................................30
2.6 Các thơng số chính trong mơ hình telemac ......................................................... 31
KẾT LUẬN CHƯƠNG II ........................................................................................... 32
CHƯƠNG III ...............................................................................................................33
3.1 Khu vực nghiên cứu .............................................................................................. 33
3.1.1 Vị trí cơng trình ....................................................................................................33
3.1.2 Đặc điểm tự nhiên.................................................................................................34
3.2. Các thơng số chính của cơng trình cầu Canh Vinh ...........................................41
3.3 Các bước thiết lập mơ hình Telemac ...................................................................45
3.3.1 Chuẩn bị dữ liệu ...................................................................................................45
3.3.2. Xử lý số liệu địa hình khu vực cầu Canh Vinh ...................................................45
3.3.3 Tạo tập tin đầu vào Telemac ................................................................................45
3.3.4 Kết quả tạo lưới ....................................................................................................46
3.3.4. Thiết lập điều kiện biên và các thơng số bài tốn ...............................................49
3.4 Kiểm định mơ hình ................................................................................................ 51
3.4 Kết quả và thảo luận với phương án thiết kế......................................................51
3.4.1 Nhận xét về khu vực xây dựng cầu ......................................................................51
3.4.2. Thay đổi vận tốc dòng chảy.................................................................................53
3.4.3 Thay đổi mực nước ............................................................................................... 57
3.4.4 Thay đổi đáy sơngxung quanh cầu .......................................................................57
3.4.5. Tình trạng xói bồi khu vực hạ lưu cầu ................................................................ 65
3.5 Kết quả và thảo luận với phương án mở rộng cầu .............................................66
3.5.1 Sự thay đổi vận tốc ............................................................................................... 67
3.5.2. Sự thay đổi địa hình đáy sông .............................................................................69
KẾT LUẬN CHƯƠNG III ......................................................................................... 70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................71

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 72


iv

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƠNG TRÌNH CẦU CANH VINH
ĐẾN XÓI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU

Học viên: Phạm Trung Hậu Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 60.58.02.02 .

Khóa: K34 Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Các cơng trình xây dựng trên sơng như cầu giao thơng ln có ảnh hưởng
đáng kể đến hình thái của sơng. Do đó, việc đánh giá khả năng ảnh hưởng của các loại
hình cơng trình này nhằm đưa ra giải pháp giảm nhẹ các tác động đến lịng dẫn, bờ
ln được xem là một u cầu bắt buộc trong q trình thiết kế, tính tốn các cơng
trình. Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng mô hình TELEMAC kết hợp với
moudel Sisyphe để đánh giá sự thay đổi dịng chảy, cũng như là diễn biến hình thái
của sơng … dưới tác động của cơng trình cầu Canh Vinh. Kết quả nghiên cứu của đề
tài hy vọng sẽ cung cấp những luận chứng cụ thể, giúp đưa ra những giải pháp để tối
ưu hóa thiết kế cầu trên quan điểm thủy lực, đề xuất những giải pháp nhằm giảm thiểu
tác động của cơng trình cầu Canh Vinh tới bờ và lịng dẫn sơng Hà Thanh Đề tài cũng
cho thấy tính ưu việt của TELEMAC trong việc mơ phỏng và xác định sự thay đổi
hình thái của sơng do các yếu tố bên ngồi.
Từ khóa – xói, Telemac, nước dềnh, vận tốc dòng chảy.

STUDY ON THE IMPACT OF CANH VINH BRIDGE TO EROSION AT
DOWNSTREAM
Abstract - Construction works like bridges may affect significantly the morphology of

a river. Estimating the potential impact in order to propose the most appropriate
mitigating solution is considered as a compulsory requirement in the design process
towards river construction. In this work, author has used the TELEMAC program
assess the variation erosion process within the Ha Thanh river for the development of
the new Canh Vinh bridge. The paper provides an operational approach for both
optimizing the Canh Vinh bridge on the hydraulic point. The paper also demonstrates
the TELEMAC coupling with Sisyphe ability in simulating and determining the river’s
morphological variation due to external factors.
Keywords - Erosion, Telemac, backwater curve, velocity


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

QCVN

: Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

KTTV

: Khí tượng thủy văn

MNDBT

: Mực nước dâng bình thường

MNLTK

: Mực nước lũ thiết kế

MNC

: Mực nước chết

MNLKT

: Mực nước lũ kiểm tra

MNHL

: Mực nước hạ lưu


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

F

: Diện tích lưu vực (Km2)

P%

: Tần suất

Q

: Lưu lượng

t

: Thời gian

Qp%

: Lưu lượng tương ứng với từng tần suất

Vc

: Thể tích chết

VMNDBT

: Thể tích mực nước dâng bình thường

X

: Lượng mưa năm

Znc

: Lượng bốc hơi đo bằng mực nước

Z

: Mực nước

Wtb

: Dung tích tồn bộ.


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Đặc trưng nhiệt độ không khí thời kỳ nhiều năm (0C) .................................35
Bảng 3.2: Lượng mưa trung bình tháng và năm (mm) ..................................................36
Bảng 3.3: Số ngày mưa trung bình tháng và năm (ngày) ..............................................36
Bảng 3.4: Lượng mưa ngày lớn nhất ứng với các tần suất (mm) ..................................36
Bảng 3.5: Độ ẩm tương đối của khơng khí trung bình tháng và năm (%) ....................36
Bảng 3.6: Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm (giờ) .........................................37
Bảng 3.7: Vận tốc gió trung bình tháng và năm (m/s) ..................................................37
Bảng 3.8: Tần suất tính tốn .......................................................................................... 43
Bảng 3.9: Bảng tổng hợp số liệu (đơn vị tư vấn cung cấp) ...........................................44
Bảng 3.10: Dự báo chiều sâu hố xói tại các trụ có thể đạt tới các trị số như sau (đơn vị
tư vấn thiết kế cung cấp): .............................................................................................. 44
Bảng 3.11: Thông số lưới tính .......................................................................................49
Bảng. 3.12. Các thơng số chính của mơ hình ................................................................ 50
Bảng 3.13: So sánh vận tốc tại các điểm đặc biệt ......................................................... 55
Bảng 3.14: Giá trị vận tốc tại các điểm quan sát theo các phương án........................... 68
Bảng 3.15: Giá trị bồi lắng lớn nhất tại 3 trụ theo 2 phương án....................................69


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Phân loại xói ....................................................................................................4
Hình 1.2: Minh hoạ xói tại trụ và mố cầu........................................................................5
Hình 1.3: Minh hoạ cơ chế dịng chảy xung quanh trụ cầu .............................................6
Hình 2.1: Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret ........................................21
Hình 2.2: Hệ thống phần mềm TELEMAC ..................................................................22
Hình 3.1: Vị trí cơng trình trên Google Earth Pro ......................................................... 33
Hình 3.2: Hạ lưu cầu Canh Vinh ...................................................................................33
Hình 3.3 Mặt cắt ngang cầu ........................................................................................... 42
Hình 3.4: Mặt bằng và trắc dọc cơng trình cầu Canh Vinh– Bình Định .......................42
Hình 3.5 Hình dạng trụ cầu ........................................................................................... 43
Hình 3.6: Sử dụng Blue Knue để tạo lưới .....................................................................46
Hình 3.7: Tạo lưới cho mơ hình ....................................................................................47
Hình 3.8: Chi tiết lưới xung quanh trụ cầu ....................................................................48
Hình 3.9. Thiết lập điều kiện biên cho mơ hình ............................................................ 50
Hình 3.10. Sự phân bố lưu tốc dịng chảy khi chưa có cơng trình cầu.......................... 51
Hình 3.11: Địa hình lịng sơng khi chưa xây dựng cầu .................................................52
Hình 3.12: Địa hình lịng sơng có cơng trình cầu .......................................................... 52
Hình 3.13. Sự phân bố lưu tốc dịng chảy khi có cơng trình cầu (a) thể hiện dạng véc tơ,
(b) thể hiện dạng contour fill ......................................................................................... 53
Hình 3.14. Sự phân bố lưu tốc xung quanh các trụ 1 ....................................................54
Hình 3.15. Sự phân bố lưu tốc xung quanh các trụ 2 ....................................................54
Hình 3.16: Các vị trí quan sát so sánh vận tốc .............................................................. 56
Hình 3.17. Sự khác nhau của vận tốc tại một số điểm trước và sau khi xây dựng cầu
Canh Vinh ......................................................................................................................56
Hình 3.18. Độ cao mực nước dọc theo sông sau khi xây dựng cầu .............................. 57
Hình 3.19: Sự thay đổi địa hình đáy sơng khi có cơng trình cầu. .................................58
Hình 3.20: Bản đồ đia hình ban đầu, thể hiện vị trí hố sâu bị lấp .................................59

Hình 3.21: Hiện tượng bồi lắng và xói lở xung quanh các trụ thứ 1, 2 ......................... 59


ix
Hình 3.22: Hiện tượng bồi lắng và xói lở xung quanh các trụ thứ 1, 2 (chi tiết) ..........60
Hình 3.23: Sự phát triển của hố xói bên phải và bên trái trụ 1a ....................................60
Hình 3.24: Sự phát triển của khu vực bồi trước trụ 1a ..................................................61
Hình 3.25: Địa hình xung quanh các trụ gần mố trái (trụ 1, 2) trước khi xói t=0 ........61
Hình 3.26: Địa hình xung quanh các trụ gần mố trái (trụ 1, 2) sau khi xói t=9h .........62
Hình 3.27: Địa hình xung quanh các trụ gần mố trái (trụ 1, 2) theo thời gian .............62
Hình 3.27: Địa hình xung quanh các trụ gần mố trái (trụ 1, 2) theo thời gian (tiếp) ...63
Hình 3.28: Vi trí quan sát địa hình đáy giữa 2 hàng trụ cầu theo mặt cắt A_B ...........64
Hình 3.29: Cao độ đáy sơng theo mặt cắt A_B ............................................................ 64
Hình 3.30. Xói bồi khu vực hạ lưu cầu .........................................................................65
Hình 3.31. Vị trí mặt cắt nghiên cứu cách cầu 45m. .....................................................65
Hình 3.32 Sự phát triển của bồi lắng tại điểm cách bờ trái cầu 120m trên mặt cắt
nghiên cứu .....................................................................................................................66
Hình 3.33: Phương án thiết kế và phương án mở rộng cầu ...........................................67
Hình 3.34: Vị trí các trụ trên phương án mở rộng cầu ..................................................67
Hình 3.35: Trường vận tốc đối với phương án mở rộng cầu.........................................68
Hình 3.36: Bồi lắng sau khi xây dựng cầu theo phương án mở rộng ............................ 69


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lượng cơng trình
hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các cơng trình cầu đường bộ được xây dựng ngày càng
tăng nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của

các nước trên thế giới và của Việt Nam. Ở nước ta với hơn 3000km bờ biển cùng hệ
thống sông ngịi chằng chịt tại đồng bằng Sơng Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long
cùng với đa số các sông suối ở Miền Trung đều chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông
Nam đổ ra biển đã chia cắt mạng lưới đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng
lưới đường bộ liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước
ta rất lớn, hàng năm có hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ
Việt Nam. Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng nhiều cây cầu mới được xây dựng thì
càng xuất hiện vấn đề hư hỏng cầu, thậm chí là sập cầu mỗi khi bão lũ xảy ra mà theo
kết quả điều tra nguyên nhân là do xói cục bộ tại trụ cầu; mố cầu và xói chung hai bên
hạ lưu cầu.
Các cơng trình cầu xây dựng trên sơng thường gây ra sự thu hẹp dịng chảy do
trụ cầu chiếm một diện tích đáng kể của lịng sơng dẫn đến vận tốc dòng chảy dưới cầu
tăng lên. Dòng chảy khi qua các mố, trụ cầu có thể bị đổi hướng, hình thành các khu
xốy và làm thay đổi cấu trúc dòng chảy. Tất cả các tác động trên sẽ ảnh hưởng hình
thái lịng sơng khu vực có xây cầu. Vận tốc dòng chảy tăng lên gây phát sinh xói lở
đáy sơng, hai bờ và các hố xói lớn tại trụ cầu. Xói lở sẽ đe dọa nghiêm trọng trụ cầu,
mố cầu và gây nguy hiểm cho cơng trình. Ngồi ra sự thay đổi của hướng dịng chảy
cũng có thể tác động đến hình thái lịng sơng khu vực xung quanh.
Đánh giá ảnh hưởng của cơng trình cầu đến tình hình xói lở khu vực xây dựng
cầu để đưa ra giải pháp giảm nhẹ các tác động đến lòng dẫn, bờ và để bảo vệ an toàn
của cầu được xem là một yêu cầu bắt buộc trong quá trình thiết kế, tính tốn các cơng
trình cầu. Xuất phát từ lý do trên tác giả đã đề xuất đề tài luận văn là: “Nghiên cứu
ảnh hưởng của cơng trình cầu Canh Vinh đến xói lở khu vực hạ lưu cầu”.
Đề tài sẽ tạo cơ sở khoa học trong việc dự báo xu thế phát triển q trình xói lở
- bồi lấp lịng sơng tại khu vực hạ lưu cầu Canh Vinh, là nguồn tư liệu hữu ích phục vụ
cơng tác phịng chống, giảm nhẹ tác hại do hoạt động xói lở - bồi lấp góp phần phát
triển kinh tế - xã hội bền vững cho tỉnh Bình Định.


2

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu, phân vùng xói lở - bồi lấp, xác định nguyên nhân, dự báo xu thế xói
lở - bồi lấp khu vực xung quanh cầu Canh Vinh.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: chế độ thuỷ lực của dòng chảy xung quanh cầu, hiện
tượng xói lở quanh trụ cầu, mố cầu và bờ sông.
- Phạm vi nghiên cứu: Khu vực cầu và hạ lưu cầu Canh Vinh.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
a. Cách tiếp cận:
- Dựa vào các tài liệu lý thuyết và số liệu địa hình, địa chất khí tượng thủy văn
khu vực nghiên cứu của của hồ sơ thiết kế về tính tốn xói lở áp dụng cho đề tài;
- Tìm hiểu, sử dụng phần mềm Telemac, hiện trạng của cơng trình cầu Canh
Vinh; hay từ những đề tài đã được nghiên cứu trước đây có liên quan.
b. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp phân tích tài liệu: Thu thập số liệu thiết kế, hiện trạng cơng trình
và xử lý các số liệu liên quan đến cơng trình trong quá trình khai thác; nghiên cứu cơ
sở lý thuyết các thông số thủy lực …và xem xét những tác động của dịng chảy khi
xuất hiện cơng trình cầu Canh Vinh.
- Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu có liên quan đến xói lở mố trụ
cầu, hạ lưu cầu.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mơ hình số để mơ phỏng dịng
chảy và hiện tượng xói lở quanh khu vực cầu.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Kết quả nghiên cứu của đề tài hy vọng sẽ cung cấp những luận chứng cụ thể,
giúp đưa ra những giải pháp để tối ưu hoá thiết kế cầu trên quan điểm thuỷ lực, đề xuất
những giải pháp khắc phục những điểm yếu trong thiết kế cũng như giảm thiểu tác
động của cơng trình cầu Canh Vinh tới bờ và lịng dẫn sơng, nhằm tìm ra phương án
tốt nhất để thiết kế xây dựng cơng trình đảm bảo theo u cầu phát triển kinh tế của
địa phương.

3

a) Cầu Dịch Nghi sập hoàn toàn

b) Trụ giữa cầu Trắng bị sụt lún

Hình 1: Một số hình ảnh về xói mố trụ cầu (Theo báo Bình Định ngày 14/10/2017.)
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn gồm có các phần sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về xói
Chương 2: Cở sở lý thuyết tính tốn mơ hình TELEMAC.
Chương 3: Áp dụng mơ hình tốn TELEMAC
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.


4

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ XĨI
1.1 Khái niệm, phân loại xói và cơ chế gây xói lở
1.1.1. Khái niệm, phân loại xói
Xói là sự di chuyển bùn cát và hạ thấp cao độ đáy sơng xung quanh vị trí cơng
trình được đặt trong dịng chảy. Xói là một hiện tượng tự nhiên do dịng chảy trong các
sơng, suối gây ra, là kết quả của tác động của dòng chảy làm cuốn trôi bùn cát đáy
sông, ven bờ sông và xung quanh móng mố, trụ cầu. Xói có khả năng gây nguy hiểm
cho cơng trình cầu và các cơng trình thuỷ lực, cụ thể là phá hoại móng cơng trình đặt
trong dịng chảy; xói được phân loại như sau:

Hình 1.1: Phân loại xói
Tóm lại, xói lở là một hiện tượng tự nhiên của dòng chảy khi tốc độ của dòng chảy hay
ứng suất tiếp do dòng chảy tạo ra vượt quá khả năng chịu lực của hạt bùn cát ở đáy
dòng chảy biểu thị qua tốc độ tới hạn hay ứng suất tiếp tới hạn, lúc này các hạt bắt đầu
chuyển động hình thành lưu lượng bùn cát và tạo nên các hình dạng khác nhau. Tại
chân trụ cầu đặt trong dịng chảy sẽ xuất hiện q trình xói, q trình này thường được
chia thành 3 loại: Xói tự nhiên, xói thu hẹp (xói chung) và xói cục bộ.
Xói tự nhiên là sự hạ thấp cao độ đáy sông do khả năng tải cát vượt quá khả
năng cung cấp bùn cát của lịng sơng, làm thay đổi độ dốc đáy và hình dạng dịng chảy
trong thời gian dài có khi tới 100 hay 500 năm.


5
Xói chung hay xói thu hẹp tại vị trí cầu là do mố trụ cầu hay đường dẫn đầu cầu
không ngập làm thu hẹp dòng chảy tự nhiên tương ứng với lũ thiết kế tại vị trí cầu bắc
qua sơng. Xói thu hẹp xảy ra do mặt cắt dịng chảy dưới cầu bị co hẹp, làm tăng tốc độ
dòng chảy hay ứng suất tiếp trong vùng dòng chảy bị thu hẹp dưới cầu, làm tăng khả
năng tải bùn cát hạ thấp cao độ đáy sông và là cơ sở ban đầu xác định chiều sâu để tính
cục bộ xói trụ cầu.

Hình 1.2: Minh hoạ xói tại trụ và mố cầu
1.1.2. Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu
Xói cục bộ trụ cầu là sự hạ thấp cao độ đáy sơng sâu và hẹp ngay tại chân trụ do
dịng chảy tác dụng vào trụ, làm thay đổi cấu trúc bình thường của dòng chảy, làm tăng
cục bộ ứng suất tiếp và tốc độ dòng chảy, vượt qua sức cản của hạt đất bao quanh chân
trụ, xói đất lên và đẩy chúng khỏi chân trụ tạo thành hố xói cục bộ ở trụ. Xói tại chân
trụ sẽ nguy hiểm nhất khi cả 3 loại xói trên đồng thời xảy ra khi lũ thiết kế thơng qua
dưới cầu.
Xói cục bộ tại chân trụ cầu có thể được chia thành xói nước trong và xói nước

đục (Hình 1.1). Xói nước trong xảy ra khi dịng chảy ở thượng lưu hố xói khơng mang
bùn cát lấp vào hố xói, trong khi xói nước đục xảy ra khi dòng chảy thượng lưu mang
bùn cát lấp vào hố xói đồng thời bùn cát trong khu vực hố xói cũng bị cuốn trơi về phía
hạ lưu.
Cơ chế xói cục bộ trụ cầu: Trụ cầu đặt trong sơng là một vật cản làm hình
thành dịng chảy bao quanh trụ, tạo ra gradien áp suất ngược ở dòng chảy đến trụ ngay
trước chân trụ. Khi áp suất này đủ lớn sẽ hình thành sự tách dịng chảy ba chiều ở trước
chân trụ. Trên mặt thống phía trước trụ hình thành các xốy mặt ngược chiều dịng chảy.
Trong lớp biên bao trụ của dịng chảy khơng đều đến trụ, sát mặt trước trụ hình thành


6
gradien áp suất dừng hướng xuống tạo ra dòng thứ cấp dọc thân trụ ở trước và hai bên
trụ. Sự tương tác giữa dòng thứ cấp hướng xuống với tách lớp biên 3 chiều ở khu vực
gần đáy làm hình thành hệ thống xoáy trục ngang trước chân trụ với hai tay xốy bao
chân trụ có dạng hình móng ngựa trên mặt bằng được gọi là “xốy hình móng ngựa”.
Ngun lý cơ bản của cơ chế xói cục bộ tại trụ cầu chính là sự hình thành xốy hình
móng ngựa tại đáy trụ cầu. Dòng thứ cấp cùng với hệ thống xốy này tách lớp đất dễ
xói ở chân trụ, tạo ra q trình xói và hình thành vùng xói nhỏ, sâu ở chân trụ được gọi
là hố xói cục bộ tại chân trụ, có chiều sâu lớn nhất là chiều sâu xói cục bộ trụ cầu. Q
trình xói mang các hạt bùn cát từ phía trước trụ về phía hạ lưu. Do sự tăng tốc dòng
chảy, các hạt bùn cát cứ tiếp tục bị cuốn đi tạo thành hố xói gia tăng về chiều rộng và
chiều sâu. Dịng chảy phía sau trụ bị chia rẽ tạo thành các xốy đứng sau trụ và biến
mất khi di chuyển về phía hạ lưu, trục của xốy đứng có khuynh hướng tác động như
một chân khơng hút bùn cát cuốn theo dịng chảy, bùn cát lơ lửng sau đó bồi lắng khi
các xốy đứng biến mất.

Hình 1.3: Minh hoạ cơ chế dịng chảy xung quanh trụ cầu
1.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới

Việc nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ
XX, trải qua hơn 110 năm phát triển, đã có hàng trăm cơng trình nghiên cứu của các
nhà khoa học tại Liên Xơ, Mỹ, Trung Quốc và một số nước khác. Điển hình có nghiên
cứu của Laursen và cộng sự [1]; Yaroslavtsev và cộng sự (1953) [2]; Zhuravlev và
cộng sự (1978) [3]; Melville và cộng sự (2002) [4], XinBao Yu (2009) [5]. Trong
những năm gần đây, các nước trên thế giới đều yêu cầu tất cả các cầu phải được tính
xói trước khi thiết kế thi công điều này làm cho việc nghiên cứu về xói cầu có đã có
những bước phát triển quan trọng. Hàng loạt các nghiên cứu về xói đã được công bố


7
bao gồm: Lander cộng sự (1996) [6]; Sturm và cộng sự (2001)[7]; theo thống kê đã có
hơn 100 nghiên cứu về lĩnh vực này của các nhà khoa học của các nước trên thế giới.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước
Ở trong nước, người đặt nền móng đầu tiên về nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu là
GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục – Trường Đại học Xây dựng, năm 1982 ông cùng KS.
Nguyễn Hữu Khải xây dựng cơng thức xác định chiều sâu xói cục bộ lớn nhất tại trụ
cầu bằng phương pháp nửa lý thuyết nửa thực nghiệm căn cứ kết quả đo xói thực tế ở
một số cơng trình cầu đang khai thác. Các cơng thức tính xói này hiện đang được sử
dụng rộng rãi khi tính tốn thiết kế cầu vượt sơng. Năm 2000, PGS.TS Trần Đình
Nghiên – Trường Đại học Giao thơng Vận tải Hà nội đã xây dựng công thức bán thực
nghiệm để tính chiều sâu xói cục bộ lớn nhất cho trụ cầu cả trong các trường hợp xói
nước trong và xói nước đục. Các cơng thức tính xói cục bộ nói trên đã được giới thiệu
trong cuốn "Sổ tay tính tốn thủy văn, thủy lực cầu đường" do Bộ GTVT xuất bản năm
2006. Ngồi ra có một số cơng thức tính xói cục bộ trụ cầu đã đuợc đề xuất trong các
luận án thạc sĩ, tiến sĩ của một số tác giả khác (Đặng Việt Dũng 2011 [8]; Võ Văn
Dương et al. 2010 [9]).
1.3 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ cầu
Hiện nay có các phương pháp phổ biến để nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu, sơ
lược các phương pháp như sau:

1.3.1 Phương pháp giải tích
Phương pháp giải tích được sử dụng để dự tính sự phát triển của xói dựa vào
nghiên cứu sự tương quan giữa hệ thống xoáy xung quanh trụ cầu và chiều sâu xói trụ
cầu. Các nghiên cứu đều dựa trên kết quả phân tích, đánh giá sử dụng các giả thiết
khoa học lý thuyết, các nguyên lý, định luật bảo toàn năng lượng, động lượng… để
xây dựng mối quan hệ giữa xói cục bộ và các tham số chính ảnh hưởng đến q trình
xói. Do đó, có thể gọi là phương pháp bán kinh nghiệm. Cartens (1966) [10] giả thiết
hố xói có hình dạng hình chóp ngược với đường kính đáy bằng đường kính trụ. Sử
dụng phương trình chuyển động bùn cát đề xuất một phương trình dự đốn sự phát
triển chiều sâu xói khi biết vận tốc dịng chảy đến trụ, kích thước hạt, gia tốc trọng
trường, góc nghỉ của hạt và đường kính trụ. Muzzammil và Gangadhariah (2004) [11]
nhận thấy chiều sâu xói cân bằng có liên quan đến kích thước các cuộn xốy hình
móng ngựa, vận tốc tiếp tuyến và cường độ xốy trong hố xói. Các tác giả đã đề xuất
một phương trình dự đốn chiều sâu xói lớn nhất. Hiện nay, đã có một số phương trình
dự đốn xói cục bộ được các nhà khoa học đề xuất. Các phương trình giải tích này
thường sử dụng các giả thiết về hình dạng xói, vận tốc tới hạn và các phương trình liên
tục (phương trình chuyển động bùn cát).


8
1.3.2 Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường
Kết quả đo xói cầu ở hiện truờng rất ý nghĩa, cho phép kiểm chứng các phương
trình dự đốn xói và các kết quả mơ phỏng số từ đó hiểu sâu hơn q trình xói. Những
kết quả đo này được phân tích để phân biệt ba loại xói đó là xói trụ cầu, xói mố cầu,
xói do sự co hẹp. Các số liệu đo xói cục bộ trụ cầu được sử dụng để đánh giá các
phương trình dự đốn xói cục bộ trụ cầu.

1.3.2.1 Phương pháp tính tốn xói tại cầu Canh Vinh
a. Phương pháp tính
Để tính xói chung lịng sơng dưới cầu Canh Vinh, báo cáo thủy văn sẽ áp dụng

phương pháp đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là tính xói chung theo phương pháp
của HEC No.18.
Để xác định xem dịng chảy từ thượng lưu về cầu có mang vật liệu đáy hay
khơng, phải tính tốn tốc độ tới hạn Vc để làm hạt có đường kính D50 khởi động và so
sánh nó với tốc độ trung bình V của dịng chảy trong lịng chính hoặc khu vực dòng
chảy trên bãi ở mặt cắt thượng lưu cầu. Nếu Vc > V sẽ có xói nước trong; nếu Vc < V
sẽ có xói nước đục. Cơng thức xác định tốc độ tới hạn Vc có dạng sau:
Vc = 6,19 Y11/6 D501/3
Trong đó : Vc – Tốc độ tới hạn mà ở đó vật liệu có đường kính D50 và nhỏ hơn
bắt đầu chuyển động, (m/s)
Y1 – Chiều sâu trung bình ở lịng dẫn phía thượng lưu, m;
D50 – Kích thước của hạt vật liệu đáy 50% (m)
- Xói chung ở dịng nước đục : Xói chung ở dịng nước đục dưới cầu được xác
định theo phương trình đã được cải biến từ phương trình nguyên dạng của Laursen.
Phương trình tính xói chung ở dịng nước đục có dạng:


9
Q
W
y2
= ( 2 ) 6/7 ( 1 ) k1
Q1
W2
y1

yx = y2 - y0
Trong đó:
yx: chiều sâu xói trung bình, m;
y1: chiều sâu trung bình ở lịng dẫn phía thượng lưu, m;

y2: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp sau khi xói, m;
y0: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp trước khi xói, m;
Q1: lưu lượng ở thượng lưu lịng dẫn có vận chuyển bùn cát, m3/s;
Q2: lưu lượng ở đoạn lòng dẫn bị thu hẹp, m3/s;
W1: bề rộng đáy của lòng dẫn đoạn thượng lưu, m;
W2: bề rộng đáy của lịng dẫn ở đoạn bị thu hẹp có trừ đi bề rộng các trụ,
m;
k1: số mũ được xác định theo bảng sau.
Bảng xác định số mũ k1 qua phương thức vận chuyển bùn cát
V*/w

k1

Phương thức vận chuyển bùn cát đáy

< 0.50

0.59

Phần lớn lưu lượng bùn cát là bùn cát đáy

0.50 đến 2.00

0.64

Một phần lưu lượng bùn cát ở dạng lơ lửng

> 2.00

0.69

Phần lớn lưu lượng bùn cát ở dạng lơ lửng

V* = (gy1S1)0.5 là tốc độ khởi động ở đoạn thượng lưu, m/s;
W: Độ thô thủy lực (tốc độ rơi của hạt vật liệu ở trạng thái tĩnh) của hạt có
đường kính D50, m/s;
g: gia tốc rơi tự do, g = 9.81 m/s2;
S1: độ dốc đường năng lượng ở mặt cắt thượng lưu, m/m.
- Xói chung ở dịng nước trong: Với xói chung ở dịng nước trong, tiết diện của
mặt cắt thu hẹp được tăng cho đến khi đạt tới giới hạn, mà ở đó tốc độ của dòng chảy
hoặc ứng suất cắt đáy là tương đương với tốc độ tới hạn hoặc ứng suất cắt đáy tới hạn


10
của kích thước hạt nào đó của bùn cát đáy. Vì bề rộng của đoạn thu hẹp bị khống chế
nên chiều sâu cần phải tăng lên cho đến khi đạt được các điều kiện giới hạn.
Theo nguyên lý trên, sau khi cải biến phương trình nguyên dạng của Laursen đã
thu được phương trình sau để xác định xói nước trong ở đoạn sông bị thu hẹp:
y2 = (

0.025Q 2 3/7
)
2
D 2/3
m W

yx = y2 - yo
Trong đó:
yx: chiều sâu xói trung bình, m;
y2: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp sau xói chung, m;

yo: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp trước xói, m.
Q : lưu lượng dịng chảy qua đoạn thu hẹp, m3/s;
Dm: đường kính của hạt vật liệu đáy nhỏ nhất trong bùn cát đáy không bị
cuốn đi (Dm = 1.25 D50) ở đoạn thu hẹp, m;
W: bề rộng đáy ở đoạn thu hẹp đã trừ đi chiều rộng trụ, m;
b. Kết quả xói chung:
Thay các thông số vật liệu đáy và thông số thủy văn tại lịng chủ vào cơng thức
xác định được giá trị xói chung dưới cầu Canh Vinh, kết quả chiều sâu trung bình lớp
xói chung: 0,21m.
c. Tính tốn xói trụ:
* Phương pháp tính:
Phương trình CSU (Colorado State University) dùng chung cho cả hai trường
hợp xói cục bộ ở dịng nước trong và dịng nước đục có dạng :
y xcb = 2,0K1K 2 K 3 K 4 a 0,65 y1

trong đó : yxcb là chiều sâu hố xói cục bộ, m;
m;

0,35

Fr1

0,43

y1: chiều sâu dòng chảy ngay trước trụ,

K1: hệ số hiệu chỉnh cho hình dạng mũi trụ lấy theo bảng sau.
Dạng mũi trụ

Hệ số K1

Mũi vng

1.1

Mũi trịn

1.0

Trụ trịn

1.0

Nhóm trụ trịn

1.0

Mũi nhọn

0.9

K2: hệ số hiệu chỉnh đối với góc chéo  của dịng chảy được xác định theo bảng


11
sau và có thể tính được theo biểu thức:
K2 = (cos + (L/a) sin)0.65
Trong đó : L là chiều dài trụ (m) và a là bề rộng trụ (m)
Góc  (độ)

L/a = 4

L/a = 8

L/a = 12

0

1.0

1.0

1.0

15

1.5

2.0

2.5

30

2.0

2.75

3.5

45

2.3

3.3

4.3

90

2.5

3.9

5.0

K3: hệ số hiệu chỉnh đối với tình trạng đáy sơng, lấy theo bảng sau:
Tình trạng đáy sơng

Chiều cao đụn cát (m)

K3

Xói nước trong

1.1

Đáy sơng bằng phẳng hoặc có
các sóng cát ngược

1.1

Đáy sơng có các đụn cát nhỏ

0.6  H < 3

1.1

Đáy sơng có các đụn cát vừa

3 H<9

1.2 đến 1.1

Đáy sơng có các đụn cát lớn

H9

1.3

K4: hệ số hiệu chỉnh để giảm bớt chiều sâu hố xói cục bộ đối với trường hợp đáy sơng
có vật liệu thơ đường kính D50  60 mm có khả năng lát đáy hố xói, được tính như sau :
K4 = [1 – 0.89 (1 - VR)2 ]0,5
Trong đó, tỷ số tốc độ VR được xác định qua biểu thức:
VR = [

V1 − Vi
]
Vc90 − Vi

V1: tốc độ dòng chảy tiến vào khu vực cầu, m/s; V1 được tính theo cơng thức :
Vtt = Sp x Z2/3
Trong đó Sp là đặc trưng phân bố dịng chảy và Z là độ sâu trước trụ sau xói chung.
Vi: tốc độ dòng chảy tiến vào khu vực cầu khi các hạt ở trụ bắt đầu chuyển
động, m/s; Vi được tính qua công thức:
Vi = 0,645[

D 50 0,053
] Vc50
a

Vc90: tốc độ tới hạn đối với hạt vật liệu đáy D90, m/s;
Vc50: tốc độ tới hạn đối với hạt vật liệu đáy D50, m/s;
a: bề rộng trụ, m;


12
Vc = 6,19 y1/6 Dc1/3
Dc: kích thước hạt tới hạn đối với tốc độ tới hạn Vc, m.
Giới hạn các giá trị của K4 và kích thước vật liệu đáy được cho trong bảng sau
Kích thước vật liệu đáy nhỏ
nhất (m)
D50  0,06

Hệ số

Trị số K4 nhỏ nhất

VR > 1,0

K4

0.7

1.0

Fr1: hệ số Froude ngay trước trụ, Fr1 = V1 / (gy1)0,5.


13

KẾT LUẬN CHƯƠNG I
Với những nội dung nghiên cứu ở trong Chương I, chúng ta thấy được rằng, vấn
đề xác định các thơng số thủy lực, tính tốn xói của dòng chảy là một vấn đề rất quan
trọng trong các cơng trình xây dựng cầu giao thơng đường bộ. Nó ảnh hưởng rất lớn
đến kinh phí thực hiện, q trình làm việc cũng như tuổi thọ của các cơng trình. Cơng
trình xây dựng cầu giao thơng đóng một vai trị rất quan trọng.
Do vai trị quan trọng của cơng trình cầu giao thông, nên các nhà Khoa học trên
thế giới đã chú trọng phát triển các mơ hình tính tốn để phục vụ cho cơng tác thiết kế
cơng trình.
Trong chương sau luận văn nghiên cứu các lý thuyết tính tốn dịng chảy qua
tràn cầu giao thơng và ứng dụng hệ thống mơ hình tốn Telemac để tính tốn dịng
chảy qua cầu và so sánh với phương pháp tính cổ điển hiện nay đang áp dụng.


14

CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN MƠ HÌNH TELEMAC
2.1. Tổng quan một số mơ hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát phổ biến

2.1.1 Mơ hình trong nước [12]
Mơ hình VRSAP: đây là mơ hình thủy lực được xem là khởi đầu cho q trình
áp dụng mơ hình toán để giải quyết các bài toán thủy lực kênh hở ở Việt Nam trên các
mạng máy lớn (main frame) trước kia. Mơ hình xuất phát chỉ có phần dịng chảy và
được cố Pgs. Nguyễn Như Khuê du nhập từ Hà Lan vào năm 1978 qua quá trình học
tập và cơng tác. Trong q trình áp dụng, VRSAP được cải tiến, phát triển liên tục và
được thêm phần tính mặn vào năm 1988 dựa trên thuật toán sai phân trung tâm tương
tự thuật tốn của MEKSAL. VRSAP được nhóm mơ hình của VQHTLMN liên tục
phát triển và bổ xung các tiện ích và chuyển sang Visual Basic để tận dụng bộ nhớ mở
rộng của máy tính cũng như sự phát triển của cơng nghệ thơng tin. Mơ hình VRSAP
cho đến bây giờ vẫn được đánh giá là mơ hình mơ phỏng khá tốt chế độ thủy lực cho
khu vực đồng bằng sơng Cửu Long.
Mơ hình SAL và VRSAP-SAL: Do GS.TSKH Nguyễn Tất Đắc phát triển từ
năm 1980 và sau đó được nâng cấp và kết hợp với mơ hình VRSAP để tạo thành mơ
hình mang tên VRSAP-SAL hồn thiện hơn về thuật tốn và chương trình. SAL là một
mơ hình được xây dựng chặt chẽ về mặt toán học, dựa trên sơ đồ sai phân ẩn 4 điểm
của Preissman, nhưng lấy trọng số bằng 2/3 để giảm thiểu sai số trong phép sai phân.
Lan truyền chất trong SAL dựa trên thuật tốn phân rã, giải phương trình tải thuần túy
dùng phương pháp đường đặc trưng ẩn với cách nội suy spline bậc 3. Mơ hình đã được
ứng dụng rộng rãi cho hệ thống sông Đồng Nai và Đồng bằng sông Cửu Long [2].
Mơ hình KOD1: Do GS.TSKH. Nguyễn Ân Niên phát triển. Đây là mơ hình
giải phương trình Saint – Venant bằng phương pháp sai phân hiện phục vụ cho việc
tính tốn dự báo lũ. Nhược điểm chính của mơ hình là hạn chế bước thời gian, nhưng
do khơng phải khử đuổi, tính lặp nên khối lượng tính tốn nhỏ. Mặt khác sơ đồ hiện
chỉ bảo đảm tính bảo ồn cục bộ địa phương và đơi khi gặp khó khăn trong bảo tồn
tồn cục.
Mơ hình HydroGIS: Do TS. Nguyễn Hữu Nhân phát triển có sử dụng bộ cơng
cụ GIS để kết nối dữ liệu và trình bày kết quả. HydroGIS cũng giải hệ phương trình
Saint-Venant 1D bằng sơ đồ sai phân Preissmann, tuy nhiên khả năng tính tốn chậm
và chưa được áp dụng nhiều. Gần đây, mơ hình được bổ xung thêm tính tốn đối với

trường hợp dịng chảy xiết bằng phương pháp sóng động học.