Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên..

1. - 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 đã chú ý đặc biệt đến việc xây dựng công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô, mặc dù loại công trình này chiếm tỷ trọng không lớn so với các công trình khác, nhưng khả năng tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ lại ảnh hưởng và liên quan trực tiếp đến tuổi thọ của áo đường, nền đường và các công trình khác trên đường. Nước Lào nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa và khí hậu điều hòa trong năm, song một số vùng có lượng mưa lớn và không đều. Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao và mạng lưới giao thông từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùng núi, do độ dốc lớn, lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuống nhanh dẫn đến những hư hỏng công trình thoát nước trên đường ô tô làm cho chất lượng của tuyến đường không ổn định theo các mùa trong năm. Một trong số các nguyên nhân quan trọng là phương pháp tính toán thủy lực cho công trình thoát nước nhỏ và sự lựa chọn trạng thái nguy hiểm của công trình có thể còn chưa hợp lý. Để nâng cao khả năng thoát nước ngang đường ô tô cần phải nghiên cứu một số bài toán tính toán thủy lực như: tính thủy lực bậc nước và dốc nước, tính xói sau cống, tính tốc độ bắt đầu xói đáy dòng chảy. Tất cả những vấn đề trên điều liên quan đến việc nghiên cứu phương pháp thiết kế để nâng cao khả năng thoát nước nhỏ trên đường ô tô.
2. - 2 - 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 cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại nước Cộng Hoà Dân Chủ Nhân Dân Lào”. 2. Mục đích nghiên cứu Luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào, trong đó tập trung vào tính thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô và giải quyết một số tính toán thủy lực (bậc nước, dốc nước, tốc độ không xói đáy dòng chảy và xói sau gia cố) dùng trong thiết kế công trình thoát nước nhỏ ngang đường để từ đó đề xuất được các giải pháp thiết kế và lựa chọn phương pháp gia cố hoặc biện pháp tiêu năng thích hợp ở hạ lưu cống trên đường ô tô giải pháp xây dựng công trình thoát nước nhỏ ngang đường có địa hình đặc thù phù hợp với các đặc điểm điều kiện tự nhiên và đặc điểm khí hậu tại nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào. 3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu là tính thủy lực cho hệ thống công trình thoát nước nhỏ ngang đường ở nước Lào. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực tế.
3. - 3 - 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. Đặc điểm điều kiện địa hình và khí hậu ở Lào Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào là một nước có diện tích tương đối rộng với diện tích 236.800 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. + Mùa khô: từ tháng 11 đến tháng 04, ít mưa hơn và nhiệt độ khoảng 15oC, vùng núi có thời điểm là 0oC.
4. - 4 - 1.2. Giới thiệu chung về hệ thống đường ô tô ở Lào 1.2.1. Giai đoạn trước năm 1975 1.2.2. Giai đoạn năm 1975-1985 1.2.3. Giai đoạn năm 1985-2000 1.2.4. Giai đọan năm 2000-2015 1.3. Tình trạng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại nước CHDCND Lào Nước Lào có vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, do lượng mưa và khí hậu trong năm, chủ yếu là một số vùng có lượng mưa lớn và không đều trong năm. Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao và mạng lưới giao thông từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùng núi, do độ dốc lớn thì lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuống nhanh dẫn đến những hư hỏng công trình thoát nước trên đường ô tô và làm cho chất lượng của tuyến đường không ổn định theo các mùa trong năm. Công trình thoát nước trên đường ô tô ở Lào có thiết kế - kỹ thuật còn thấp, công tác duy tu bảo dưỡng không thường xuyên, công tác quản lý và chi phí còn hạn chế, chưa đáp ứng được kịp thời cho việc duy tu bảo dưỡng đường ô tô ở Lào. 1.3.1. Những hư hỏng thường gặp về công trình thoát nước trên đường ô tô và nguyên nhân gây ra Hiện tượng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô ở nước CHDCND Lào xảy trên tất cả các tuyến đường đang khai thác. Hậu quả do chúng để lại thường gây ra tổn thất lớn, tốn phí nhiều chi phí sửa chữa, khôi phục, gián đoạn giao thông nhiều ngày sau mưa lũ, đe dọa nghiêm trọng an toàn giao thông. Để phục vụ cho luận án NCS đã khảo sát nhiều tuyến đường ở nước CHDCND Lào như: đường 1D, đường số 1J, đường số 2E, đường số 4A, đường số 7, đường số 8, đường số 12 Các kết quả khảo sát NCS đã trình bày
5. - 5 - 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 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.
6. - 6 - 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 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
7. - 7 - 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 cứu đề xuất giải pháp thiết kế thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường cho nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào; c. Giải pháp xây dựng công trình thoát nước ngang đường có địa hình đặc thù ở nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍNH THỦY LỰC BẬC NƯỚC NHIỀU CẤP, SỨC CẢN THỦY LỰC Ở DỐC NƯỚC, KHỞI ĐỘNG CỦA HẠT Ở ĐÁY DÒNG CHẢY VÀ XÓI SAU GIA CỐ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ NGANG ĐƯỜNG 2.1. Tổng quan nghiên cứu tính thủy lực bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng
8. - 8 - 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 hh , thường có dạng bể tiêu năng. 2.1.2. Các công thức tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể 2.1.2.1. Xác định chiều dài đoạn nước đổ ở cửa vào bậc nước [5] Chiều dài nước đổ trong kênh chữ nhật có thể tính theo công thức [5]. 2.1.2.2. Chiều dài nước rơi dọc phương chảy tại sân bậc [5] Dòng chảy rơi xuống sân bậc khi bậc không ngập gồm hai phần là phần rơi tự do trong không khí và phần sau ngập trong nước ở sân bậc có thể xác định theo nghiên cứu của (Kostantinov IU.M, 1988) [80]. - Đối với mặt cắt chữ nhật: Pavlovski N.N l 2.5 1.9h h (2.9) nn 2ch ch
9. - 9 - Chertouxov M.D lnn 5h2ch (trung bình) (2.10) 0.81 hay lnn 10.3hch Fr1 1 (2.10a) Bradley và Peterka lnn 6.9 h2ch hch (2.11) Ohtsu và các cộng sự lnn 5.5hch (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 hb 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 hch [2], [5] Chiều sâu ở mặt cắt co hẹp tại sân bậc xác định theo phương trình Bernoulli viết cho mặt cắt ở kênh thượng lưu và mặt cắt co hẹp tại sân bậc đối với mặt cắt chữ nhật. 2 2 2 Eo=hch+(q /2g h ch) (2.14) 1). Nghiên cứu của (Agroskin I.I, 1964) [2], [5]: 0.5 q= hch(2g(Eo-hch)) (2.18) Đặt: ch=hch/Eo và 2ch=h2ch/Eo 3/2 F(ch)=q/( E o) (2.19) 3/2 Thông qua quan hệ hàm số F(ch)=q/( E o) tương ứng với các giá trị hệ số tốc độ khác nhau 0.8 1.0 (phụ lục 1) tìm được hch và h2ch 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 hc : 2 3 Eo/hc=(hch/hc)+(1/2 )(hc/hch) (2.20) Đặt: Eo=Eo/hc; ch=hch/hc và 2ch=h2ch/hc
10. - 10 - Xây dựng đường cong quan hệ giữa  ,  với  ứng ch ch Eo 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 d tương ứng với nước nhảy tại chỗ xác định theo công thức (2.32) như sau: d=Eohc-Eo (2.32) Nghiên cứu của (Detlef Aigner) cho biết [23]: Tính bậc nước nhiều cấp dạng bể theo [23] đã biết lưu lượng đơn vị q(m3 / s.m) và chiều cao bậc nước P có thể tìm được tg =P/L, sau đó tìm được quan hệ giữa pt/P với hc/P và tính được các kích thước của bậc nước nhiều cấp như: chiều cao tường tiêu năng pt , chiều dài bậc nước L 2.1.3. Nhận xét về tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể Nghiên cứu này tác giả tập trung giải phương trình tìm chiều sâu mặt cắt co hẹp ở sân bậc, chiều sâu liên hợp lớn của nước nhảy với chiều sâu co hẹp h ở sân bậc là h , tính chiều cao tường ở bậc ch 2ch nước dạng bể của bậc nước nhiều cấp và chiều sâu bể tiêu năng ở bậc cuối theo phương pháp giải tích và phương pháp số, đồng thời lập biểu đồ xác định quan hệ giữa p t/hc với P/hc và Lbc/hc với P/hc tìm pt và Lbc. 2.2. Tổng quan các nghiên cứu về sức cản thủy lực ở dốc nước 2.2.1. Các nghiên cứu liên quan đến sức cản thủy lực ở dốc nước [5] Tính thủy lực dốc nước được chia làm ba phần: cửa vào, thân dốc và phần tiêu năng ở cửa ra của dốc (xem hình 2.7). 2.2.1.1. Tính thủy lực phần cửa vào dốc nước
11. - 11 - 0.5 3/2 bb=Q/(m(2g) (Ho )) (2.40) 2.2.1.2. Tính thủy lực phần thân dốc 2 2 0.5 Chiều dài dốc:L d=(P +L ) (2.41) Dốc của dốc nước:i d=P/Ld (2.42) 0.5 Mô đun lưu lượng của kênh: Ko=Q/(id) (2.43) 2.2.1.3. Tính thủy lực cửa ra của dốc nước 2 3 0.5 h2=(h 1+2h c(1/h1-1/hcr)) (2.44) 2.2.2. Vấn đề tính sức cản thủy lực của dốc nước Để xác định khả năng chảy của công trình thoát nước ngang đường như cống, dốc nước, bậc nước điều quan trọng là phải xác định đúng tốc độ trung bình dòng chảy và lưu lượng tương ứng, song tốc độ và lưu lượng lại phụ thuộc vào việc xác định hệ số sức cản ma sát f được đưa vào trong công thức (Darcy – Weisbach) [79]. 1). Nghiên cứu của (Pavlovski N.N) [79]: Xác định hệ số Sedi áp dụng cho 0.1 1) thì:
12. - 12 - 0.0384 fx=0.0187Re (2.53) 2.2.3. Vấn đề cần nghiên cứu Nghiên cứu này tác giả tập trung vào nghiên cứu để kiểm tra kết quả phân tích hệ số f trong lòng dẫn bê tông thông qua việc sử dụng số liệu thực tế [73], [74], [75], [76], [77], (phụ lục 5) [89]. 2.3. Tổng quan về khởi động của hạt đất ở đáy dòng chảy 2.3.1. Vấn đề đã đạt được Hiện nay có bốn hướng chính nghiên cứu điều kiện khởi động của hạt đất là: 1. Tốc độ khởi động của hạt, trong đó đặt quan hệ đường kính hạt đất d với tốc độ đáy hay tốc độ trung bình dòng chảy làm cho hạt chuyển động. 2. Lực nâng, trong đó lực nâng đẩy hạt lên vừa chớm vượt quá trọng lượng hạt của dòng nước trong nước. 3. Ứng suất tiếp tới hạn, trong đó dựa vào nhận thức lực tiếp tuyến của dòng chảy tác dụng vào hạt ở đáy dòng chảy theo phương chảy là nguyên nhân chủ yếu đẩy hạt chuyển động. 4. Phương pháp xác suất được áp dụng để giải quyết vấn đề trên. 2.3.1.1. Tốc độ khởi động của hạt đất 2.3.1.2. Nhận thức về lực nâng tác động vào hạt Py 2.3.1.3. Ứng suất tiếp của dòng chảy 2.3.1.4. Phương pháp xác suất 2.3.2. Nhận xét Trong nghiên cứu này tác giả muốn nêu ra một mô hình đơn giản đối với cát đều hạt chịu tác dụng của các lực thủy động và di chuyển do trượt theo phương chảy có xét đến vai trò của rối và mạch
13. - 13 - động tốc độ theo quy luật 3 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: b b h H 1.9 0 0.35 0 x b 2l b 2l 0 gc 0 gc (2.74) 2.4.2. Vấn đề cần nghiên cứu Tác giả nghiên cứu vấn đề bằng cách sử dụng phương trình biến thiên động lượng để có thể nêu ra công thức lý thuyết 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 CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THỦY LỰC CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ NGANG ĐƯỜNG CHO NƯỚC CỘNG HÒA DÂN CHỦ NHÂN DÂN LÀO 3.1. Lý thuyết tính thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường 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:
14. - 14 - 3.1.1. Tính thủy lực bậc nước nhiều cấp 3.1.1.1. Xác định chiều sâu dòng chảy tại đỉnh bậc hb 2 2 oQ oQ y11  ybb g1 gb (3.1) 3.1.1.2. Xác định chiều sâu co hẹp tại sân bậc hch Viết phương trình Bernoulli qua hai mặt cắt (1-1) và (c-c) với mặt so sánh qua điểm viết phương trình ở mặt thoáng (hình 3.3). P V 2 P V 2 (3.2) P H a 1 1 h a ch ch h  2g ch  2g f(1-c) 3.1.1.3. Tính chiều cao tường tiêu năng của bậc nước pt pt=h2ch-H1 (3.8) 3.1.1.4. Bể tiêu năng kết hợp Để có nước nhảy ngập trong bể (xem hình 3.5), chiều sâu bể tiêu năng cần tăng thêm một lượng từ 5% đến 10% nghĩa là hb  h2ch , ta được: do pt  h2ch H1 (3.11) 3.1.1.5. Các bước chi tiết tính bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng 3.1.2. Dốc nước Việc tính toán thủy lực dốc nước như đã nêu trong chương 2. Vậy hệ số sức cản thủy lực có thể ở dạng tổng quát đối với một dạng mặt cắt cụ thể ở chế độ chảy ổn định sử dụng phương pháp thân tích thứ nguyên ta có: f g , R, Re, Fr (3.15) trong đó: g - gia tốc trọng lực; - độ nhám tuyệt đối của lòng dẫn; R - bán kính thủy lực; Re - hệ số Reynolds; Fr - hệ số froude.
15. - 15 - 3.1.3. Xói sau gia cố 3.1.3.1. Xác định tốc độ khởi động của hạt cát ở đáy dòng chảy 3.1.3.2. Phương trình động lượng của dòng chảy ổn định 3.2. Nghiên cứu xây dựng biểu đồ xác định bậc nước nhiều cấp và nghiên cứu sức cản trong tính dốc nước 3.2.1. Tính thủy lực bậc nước nhiều cấp mặt cắt chữ nhật ở dạng bể tiêu năng 3.2.1.1. Trình tự tính bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng bằng chương trình Excel 3.2.1.2. Giải bài toán tính bậc nước nhiều cấp bằng chương trình Excel Bài toán tác giả nêu ra để tính toán thủy lực bậc nước nhiều cấp cho lưu lượng nước đơn vị q 1.0;2.0;3.0;4.0;5.0 m3 / s.m khi bậc nước có chiều cao bậc P 1.0;1.2;1.5 m , chênh cao độ đáy thượng và hạ lưu dốc là Zthl 74.0m và Zhl 68.0m . 3.2.1.3. Xây dựng biểu đồ quan hệ tính bậc nước nhiều cấp đối với 3 lưu lượng đơn vị q m / s.m và chiều cao bậc P(m) khác nhau bằng chương trình Excel Hình: 3.15 L P bâc 1.554 8.1974 hc hc (3.24)
16. - 16 - p P t 0.223 0.3728 hc hc (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, tác giả sử dụng số liệu thực tế (bảng PL5.1, phụ lục 5) [89] và xây dựng quan hệ giữa f và Re (xem hình 3.16). Hình 3.16 Hình 3.19 3.2.2.2. Kết luận quan hệ thực nghiệm về sức cản thủy lực f Kết luận: Dòng chảy trong máng bê tông là chảy êm và chảy xiết sẽ có hệ số ma sát dọc đường f . Kết quả nghiên cứu của tác giả chỉ ra đối với: Mặt cắt hình thang: 0.0381 fHTH=0.0182Re (3.26a) Mặt cắt hình chữ nhật:
17. - 17 - 0.3123 fCN=0.00045Re (3.26b) 3.3. Nghiên cứu tốc độ bắt đầu xói đáy và xói sau gia cố công trình thoát nước nhỏ ngang đường đối với đất không dính 3.3.1. Tính tốc độ bắt đầu xói đáy và trung bình đối với dòng chảy có địa chất là đất không dính 3.3.1.1. Xây dựng công thức [6], [7], [8], [87] (3.35) udc 1.1013 gd 3.3.1.2. Kết quả tốc độ không xói ở đáy dòng chảy Tốc độ không xói đáy ở lòng sông công thức (3.35) được so sánh với công thức của Goncharov và [6] cho hạt có d 1  75 mm (bảng 3.6). Bảng 3.6: Tính tốc độ không xói ở đáy dòng chảy d uc m / s mm Tác giả Goncharov [6] 1 0.140 0.136 0.20 2.5 0.222 0.215 0.25 5 0.313 0.304 0.35 10 0.443 0.430 0.50 15 0.543 0.527 0.60 25 0.701 0.680 0.80 40 0.886 0.860 1.00 75 1.213 1.180 1.35 3.3.2. Tính xói sau gia cố công trình thoát nước nhỏ ngang đường 3.3.2.1. Tính xói sau gia cố ở hạ lưu theo phương trình động lượng của dòng chảy ổn định [7] Đối với cống qua đường, nếu chiều dài gia cố không đủ sẽ xảy ra xói sau phần gia cố mà hố xói và cấu trúc dòng chảy được chỉ ra ở (xem hình 3.21). 2 2 (3.55) 2Q1 Q1 b1 2 2 4.5n lxucb hx 1.12 2.62ucb h1 h2 1/3 gb2 b1h1 b2 h2
18. - 18 - 3.3.2.2. Tính xói sau cống theo tiêu chuẩn của Hội cầu đường Mỹ [7], [86], [88]   hx bx Lx x Q t , , , 3 Cs .Ch 1/3 R R R R  2.5 316 (3.58) co co co co g g.Rco trong đó: hx - chiều sâu xói (m); bx - chiều rộng hố xói (m); Lx - chiều dài hố xói (m);  x - thể tích hố xói (m); Rco - bán kính thủy lực tại cửa ra của cống (giả thiết chảy đầy cống) Q - lưu lượng chảy trong cống m3 / s; g - gia tốc trọng lực bằng 9,81 m2 / s ; t - thời gian lũ (phút);  g - độ lệch tiêu chuẩn của hạt vật liệu lòng đáy; ,  và  - hệ số và số mũ (bảng 3.7); Ch - hệ số điều chỉnh độ cao nước rơi (bảng 3.8) Cs - hệ số điều chỉnh độ dốc (bảng 3.9); 3.3.2.3. Tính xói sau cống sử dựng phần mềm HY-8 [85] Phần mềm HY-8 được phát triển từ Hội cầu đường Mỹ FHWA (Federal Highway Administration) có khả năng tính toán thiết kế như sau: - Tính toán và cung cấp biểu đồ đường cong hạ lưu cống; - Biểu đồ đường cong mặt nước; - Phân tích các loại công trình thoát nước nhỏ như: cống tròn, cống hộp, cống vòm - Tính xói sau công trình. 3.3.3. Tính toán và áp dụng công thức tính xói sau cống cho công trình cống ngang đường 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
19. - 19 - chữa hạ lưu cống này bằng phương pháp tính xói sâu cống (Andreev O.V) công thức (2.74) và phương trình động lượng của dòng chảy ổn định [7] kiểm tra với Hội cầu đường Mỹ FHWA [7], [86], [88] và phần mềm HY-8 [85]. 3.3.3.2. Kết quả nghiên cứu đạt được Bảng 3.10: Kết quả tính xói sau cống theo phần mềm HY-8 tại hai vị trí đặt cống (phụ lục 10 và phụ lục 11) Kết quả xác định kích thước hố xói Lý trình Khẩu độ Chiều Chiều Chiều Thể tích đặt cống cống sâu xói rộng xói dai xói xói D (m) hx (m) Bx (m) Lx (m) x (m) km 0+934.43 1.00 0.961 5.345 4.607 17.713 km 5+500.00 1.50 2.194 13.076 10.723 193.817 Bảng 3.11: Kết quả tính xói sau cống theo phương pháp của Hội cầu đường Mỹ tại hai vị trí đặt cống (phụ lục 12 và phụ lục 13) Kết quả xác định kích thước hố xói Lý trình Khẩu độ Chiều Chiều Chiều Thể tích đặt cống cống sâu xói rộng xói dai xói xói D (m) hx (m) Bx (m) Lx (m) x (m) km 0+934.43 1.00 0.792 3.808 6.007 12.427 km 5+500.00 1.50 1.798 10.358 13.238 144.122 Bảng 3.12: Tổng kết quả tính chiều sâu xói gia cố Phương pháp tính Chiều sâu xói Chiều sâu xối km 0+934.43 km 5+500.00 Công thức (2.74) 0.49 (m) 1.63 (m) (Andreev O.V) khi gia cố (phụ lục 14) Công thức (2.74) 0.98 (m) 2.82 (m) (Andreev O.V) khi chưa gia cố (phụ lục 14) Công thức (3.55) 0.76 (m) 1.51 (m)
20. - 20 - Phương trình động lượng của dòng chảy ổn định [7] (phụ lục 15 và phụ lục 16) Phần mềm HY-8 [85] (phụ lục 10 0.961 (m) 2.194 (m) và phụ lục 11) Hội cầu đường Mỹ [7], [86], [88] 0.792 (m) 1.798 (m) (phụ lục 12 và phụ lục 13) 3.4. Kết luận chương 3 Sau khi tìm hiểu và phân tích tính toán cụ thể trên chung tôi thấy rằng có thể áp dụng các công thức kiến nghị để tính toán thủy lực cho các công trình thoát nước nhỏ ở Lào. Khi áp dụng cần đặc biệt lưu ý đến các hạn chế của từng phương pháp đã nêu ở phần nhận xét và kết luận. CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NGANG ĐƯỜNG CÓ ĐỊA HÌNH ĐẶC THÙ Ở NƯỚC CỘNG HÒA DÂN CHỦ NHÂN DÂN LÀO 4.1. Khảo sát thủy văn và các công thức tính lưu lượng có thể áp dụng để thiết kế công trình thoát nước ngang đường ở CHDCND Lào 4.1.1. Nội dung công tác khảo sát thủy văn để thiết kế công trình thoát nước ngang đường 4.1.2. Các phương pháp tính thủy văn có thể áp dụng để thiết kế công trình thoát nước nhỏ ở CHDCND Lào 4.1.2.1. Phương pháp xác định lưu lượng nước theo tiêu chuẩn Lào (4.1) trong đó: Q - lưu lượng dòng chảy, m3 / s ; I - cường độ nước mưa trong một thời gian, mm / h A - diện tích lưu vực, km 2 ; C - hệ số dòng chảy, (bảng 4.1).
21. - 21 - 4.1.2.2. Phương pháp xác định lưu lượng nước theo quy trình tính dòng chảy lũ do mưa rào ở lưu vực nhỏ của (Viện thiết kế giao thông) [1], [9] (4.4) trong đó: QP - 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  - 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); a p - 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 tắc chung 4.2.2. Giải pháp về thoát nước mặt đường và ngang đường 4.2.2.1. Lựa chọn bố trí dốc nước 4.2.2.2. Lựa chọn bố trí bậc nước 4.2.2.3. Lựa chọn bố trí cống thoát nước 4.2.3. Biện pháp gia cố thượng lưu công trình [1] 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
22. - 22 - ngoặt gấp, không được rút ngắn các công trình dẫn nước vào. 2. Chiều dài đoạn khe suối cần đào để dẫn nước vào cống càng ngắn càng tốt. Nếu địa chất của khe suối ở thượng lưu là loại đất dễ thấm nước thì không nên dùng biện pháp cải suối để tránh không cho dòng nước chảy vào khe suối cũ làm hỏng nền đường. 3. Nếu cống nằm trên nền đá thì căn cứ vào điều kiện địa hình mà xử lý cửa vào. Độ dốc phần đào xử lý ở thượng lưu thường lấy từ 1,0 : 1,0 hoặc 1,0 : 2,0. 4. Khi lòng khe suối thượng lưu là sỏi sạn thì phải làm một tường chắn nhỏ để chấn sỏi sạn ở đầu đoạn xây lát cửa cống. 4.2.4. Biện pháp gia cố hạ lưu công trình [1] 4.2.4.1. Một số nguyên nhân gây hư hỏng hạ lưu công trình 4.2.4.2. Biện pháp xử lý gia cố chống xói ở hạ lưu công trình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trình bày trong các chương 1, 2, 3, 4, tổng hợp và đánh giá toàn bộ, rút ra các kết luận và kiến nghị sau đây: I. ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC ĐÓNG GÓP CHO SỰ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Luận án của NCS đã có những đóng góp nhỏ cho sự phát triển và thực tiễn dưới đây: 1). Hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô ở CHDCND Lào. Chúng là một hiện tượng thường gặp trên mọi tuyến đường ô tô đang khai thác (như đã trình bày ở chương 1). Hư hỏng công trình thoát nước nhỏ ảnh hưởng nghiêm trọng đến giao thông và gây tổn thất kinh tế lớn khi sửa chữa chúng. Nâng cao chất lượng sử dụng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô là một nhu cầu thực tế và có ý nghĩa to lớn về kinh tế-kỹ thuật, đối với nước CHDCND Lào 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
23. - 23 - bản: thiết kế công trình, xây dựng và giám sát quá trình xây dựng, các khảo sát tình trạng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trình bày ở chương 1 cho NCS thấy rằng nguyên nhân chính gây ra hư hỏng là: do công trình đã được chọn không đúng về loại hình, khẩu độ cũng như các cấu tạo chính. Những nguyên nhân này xảy ra trong quá trình thiết kế đã không có phương pháp khảo sát xác định lưu lượng, chọn vị trí công trình, chọn phương pháp tính toán thủy lực cho những loại công trình đặc biệt. 3). Về mặt thủy lực, luận án tập trung nghiên cứu phương pháp tính thủy lực cho dạng công trình thường gặp và theo chúng tôi nên khuyến khích sử dụng rộng rãi ở Lào là bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng. 4). Khi tính toán thủy lực bậc nước nhiều cấp theo số liệu tính thay đổi của lưu lượng nước với chiều cao bậc khác nhau có thể xây dựng biểu đồ xác định bậc nước nhiều cấp công thức (3.24) và (3.25): L P (3.24) bâc 1.554 8.1974 hc hc p P t 0.223 0.3728 (3.25) hc hc 5). Nghiên cứu sức cản thủy lực ở dốc nước, kết quả nghiên cứu chỉ ra công thức (3.26a) và (3.26b): Mặt cắt hình thang: 0.0381 fHTH=0.0182Re (3.26a) Mặt cắt hình chữ nhật: 0.3123 fCN=0.00045Re (3.26b) 6). Nghiên cứu tốc độ bắt đầu xói đáy, tác giả rút ra kết quả tính tốc độ không xói của hạt công thức (3.35): (3.35) udc 1.1013 gd 7). Về mặt thủy văn như trình bày ở chương 4, chúng tôi thấy rằng ở Lào nên chọn phương pháp tính thủy văn như: phương pháp cường độ mưa tiêu chuẩn của Lào và tiêu chuẩn (22 TCN 220-95) Việt
24. - 24 - Nam. Sau đó chọn trị số lưu lượng lớn nhất làm lưu lượng thiết kế công trình. 8). Các dạng công trình và cấu tạo chi tiết của chúng ở chương 4, chúng tôi khuyến khích sử dụng với mục đích nâng cao chất lượng phục vụ của các công trình thoát nước đường ô tô ở CHDCND Lào. 9). Để phục vụ tốt hơn cho thực tế sản xuất và phát triển khoa học nên xây dựng biểu đồ chiều dài tương đối của bậc và chiều cao tường tương đối để tìm chiều cao tường và chiều dài bậc nước, giúp cho người thiết kế có thể sử dụng, tham khảo và so sánh kết quả với công thức khác để sử dụng trong các quy trình thiết kế ở CHDCND Lào. 10). Khảo sát kiểm tra, sử dụng phần mềm HY-8 để tính chiều sâu xói ở các điều kiện địa chất khác nhau. Đảm bảo tính được nhanh và có kết quả tin cậy về xói như bề rộng b x, chiều dài Lx và thể tích hố xói  x . Giúp cho việc gia cố hạ lưu một cách chính xác, tiết kiệm kinh phí gia cố phần hạ lưu của công trình cống, sau đó cũng có thể dự báo tương đối chính xác tình hình hoạt động thực tế của công trình. II. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu bản chất, nguyên nhân của xói lở hạ lưu cống và cầu nhỏ trên đường giao thông một cách định lượng. Dựa trên các số liệu thực nghiệm với các trường hợp, sau đó dùng mô hình toán giải các trường hợp khác nhau ở các công trình khác nhau.