Đề xuất một số giải pháp phòng tránh sự tích tụ cây trôi ở khu vực cầu

Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (08/2021), 702-712 Transport and Communications Science Journal PROPOSED COUNTERMEASURES AGAINST DEBRIS ACCUMULATION AT BRIDGE CROSSINGS Nguyen Dang Phong University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Scientific communication Received: 18/5/2021 Revised: 25/6/2021 Accepted: 10/7/2021 Published online: 15/8/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.6.3 * Corresponding author Email: ndphong@utc.edu.vn; Tel: +84904222171 Abstract: In the mountainous and midlands of Vietnam, during the flood season, the debris accumulation (large timber, bamboo) at bridge crossings is a big problem This causes an adverse effect on the hydraulic regime of flow through the bridge, which causes increasing the risk of flooding or scour under the bridges, even the bridge collapses This paper presents some solutions to minimize debris accumulation including structural and non-structural one The criteria set of evaluation and selection for countermeasures against the debris accumulation in accordance with the specific conditions of the bridge is also detailed Three recommended methods of debris control countermeasures for Ngoi Thia bridge (provincial highway No.174, Yen Bai, Vietnam) including debris deflector, debris fins and debris sweeper at upstream of bridge piers were presented as well Even it is necessary to an economic - technical comparison to get the best method, the most commonly used countermeasures for bridge structures are features incorporated into the design of the structure to reduce the potential for trapping and accumulating debris: 1) Freeboard is a safety precaution of providing additional space between the design water surface elevation and the low chord elevation of the bridge 2) Piers that have adequate spacing and are out of the debris path (Piers are out of the main channel) Keywords: Bridge collapse, Bridge piers, Debris  2021 University of Transport and Communications 702 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (08/2021), 702-712 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÒNG TRÁNH SỰ TÍCH TỤ CÂY TRƠI Ở KHU VỰC CẦU Nguyễn Đăng Phóng Trường Đại học Giao thơng vận tải, số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUYÊN MỤC: Thông tin khoa học Ngày nhận bài: 18/5/2021 Ngày nhận sửa: 25/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 10/7/2021 Ngày xuất Online: 15/8/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.6.3 * Tác giả liên hệ Email: ndphong@utc.edu.vn; Tel: +84904222171 Tóm tắt: Với cầu miền núi trung du nước ta vào mùa lũ tích tụ vật trơi trôi (cây gỗ, tre, nứa, ) hay bùn đá vấn đề phổ biến Sự tích tụ trơi mố, trụ cầu gây ảnh hưởng xấu đến chế độ thủy lực dòng chảy cầu, làm tăng nguy ngập lụt thượng lưu, tăng chiều sâu hố xói cầu, gây sập cầu Để phịng tránh tích tụ trơi khu vực cầu có hai biện pháp biện pháp kết cấu phi kết cấu Vấn đề lựa chọn giải pháp phịng tránh tích tụ trôi phù hợp với điều kiện cụ thể công trình cầu, cần đưa tiêu chí đánh giá nhiều mặt Trong nội dung báo tác giả kiến nghị 03 biện pháp phịng tránh tích tụ trơi áp dụng cho khu vực cầu Ngịi Thia (thuộc tỉnh lộ 174, tỉnh Yên Bái) làm lệch hướng trôi, làm tường cánh dẫn hướng, lắp máy quét trôi thượng lưu trụ cầu Cho dù để lựa chọn xác biện pháp phải có so sánh đầy đủ mặt Kinh tế - Kỹ thuật, nhiên để đối phó với tích tụ trơi cách hiệu từ bước thiết kế phải đảm bảo giảm khả mắc kẹt tích tụ trơi như: 1) Tạo tĩnh không cần thiết mực nước thiết kế cao độ đáy dầm cầu; 2) Bố trí trụ/mố có khoảng cách thích hợp khơng nên đặt trụ đường trôi (không đặt trụ lịng sơng suối) Từ khóa: Sập cầu, trụ cầu, trôi  2021 Trường Đại học Giao thơng vận tải 703 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (08/2021), 702-712 ĐẶT VẤN ĐỀ Trên hệ thống sông, suối khu vực miền núi trung du vào mùa mưa lũ thường theo nhiều cối, bùn đá (Hình 1) Nguồn gốc vật trơi (cây cối, bùn đá) có số nguyên nhân chủ yếu là: 1) Do mưa lũ lớn làm sạt lở đất dẫn đến cối bị đổ vào dòng chảy; 2) Việc khai thác rừng trái phép, người khai thác chủ yếu lấy phần Hình Sập cầu Cổ Ngựa, huyện Ba Chẽ, Quảng Ninh thân gỗ cành bị bỏ dòng chảy theo nhiều trôi lại gặp mưa lũ bị vào dòng (Nguồn:http://www.nhandan.com.vn/xahoi/tintuc/item/33777402-lu-quet-lam-sap-cau-ba-xa-vungchảy; cao-quang-ninh-bi-co-lap.html) 3) Việc khai thác khống sản khơng quy trình, sau khai thác khơng hồn trả lại mặt bằng, đất đá sau khai thác đổ lại bề mặt đất gặp mưa lũ bị vào dịng chảy góp phần hình thành lũ bùn đá, Các trơi gặp vật cản cố định dòng chảy (như mố, trụ cầu, cửa cống, cầu tràn, ) bị mắc lại (tích tụ) (Hình 2, 3) Sự tích tụ gây ảnh hưởng xấu tới cơng trình cầu cản trở dịng chảy làm xói lở cầu tăng lên, tăng áp lực dịng chảy lên kết cầu cầu, Do vấn đề phịng tránh tích tụ trơi mố trụ cầu cần đặt Hình Cây trơi tích tụ trụ cầu dân sinh xã Kim Ngọc, Bắc Quang, HG năm 2019 Hình Cây trơi tích tụ trụ cầu Ngịi Thia tháng 10 năm 2017 ẢNH HƯỞNG XẤU CỦA CÂY TRÔI CẦU TỚI CƠNG TRÌNH CẦU 704 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (08/2021), 702-712 Cây trơi tích lũy trụ cầu làm tăng cản trở dòng chảy, thay đổi hình dạng trụ cầu, tăng lực tác dụng dòng chảy lên kết cấu cầu Trong khoảng từ năm 2000, giới có số nghiên cứu ảnh hưởng xấu trôi đến cơng trình cầu nghiên cứu ảnh hưởng trơi đến xói cầu Ana Josefa Dias nnk (2019) [1], Mohammad Najafzadeh, Mohammad Rezaie Balf Esmat Rashedi (2016) [2], Zevenbergen et al (2006) [3], J.B Bradley, D.L Richards, C.D., (2005) [4], Lagasse, P.F [5], Ebrahimi et al (2016) [6], T J Wipf nnk [7], Ryan N Tyler (2011) [8], Khối trôi tích tụ trụ cầu có hình dạng khác nghiên cứu A J Dias nnk [1], M.Najafzadeh M R Balf, E Rashedi [2], L W Zevenbergen et al [3], J B Bradley [4], khối trơi quy hình chữ nhật hình tam giác Các tác giả đưa công thức xác định chiều rộng tương đương trụ cầu a*d có xét đến trơi xác định theo phương trình (1): ad*  K1 (H W )  ( y  K1 H ).a y (1) đó: a*d - chiều rộng tương đương trụ cầu có trơi, m; a - chiều rộng trụ cầu, m; K1 - hệ số phụ thuộc hình dạng trơi: K1 = 0,79 (hình chữ nhật), K1 = 0,21 (hình tam giác); H - chiều cao cây, m; W - chiều rộng trơi, m; y - độ sâu trung bình dịng chảy, m Khi trơi tích tụ trụ cầu làm cho áp lực dòng chảy lên kết cấu cầu thay đổi Lực tác động dịng chảy đến cầu xác định từ cơng thức chung [3], [9]: FD  CD  A D Vr2 2g (2) đó: CD – hệ số;  - trọng lượng riêng nước, N/m3; AD – diện tích khối trơi tích tụ, m2; Vr – lưu tốc tham chiếu phụ thuộc vào tỷ lệ cản dòng chảy khối trơi tích tụ trụ cầu, m/s Do hình dạng kích thước trụ cầu bị thay đổi trơi tích tụ làm chiều sâu xói cầu tăng, lực tác động dòng chảy tăng Vì tích tụ trơi khu vực cầu nguyên nhân gây cố sập cầu, ví dụ vấn đề thấy nhiều tài liệu [4], [8], 705 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (08/2021), 702-712 Hình 4.Sự cố sập cầu cho trơi tích tụ khu vực cầu [4], [8] Hình Kích thước khối trơi trụ cầu Ngịi Thia tháng 10 năm 2017 [10] Theo tài liệu Trung tâm kỹ thuật đường [10] [11] phân tích nguyên nhân sập trụ số cầu Ngịi Thia năm 2017 khối trơi trụ số có dạng hình tam giác (Hình 2, 5) với chiều cao H = 6,877m bề rộng W = 12,93m làm cho bề rộng trung bình trụ cầu số tăng từ a = 1,5m lên a*d = 3,63m, bề rộng trụ tăng nên chiều sâu hố xói trụ tăng theo Đây nguyên nhân dẫn đến sập trụ số cầu Ngòi Thia Ở nước ta vấn đề nghiên cứu phịng tránh tích tụ trôi mố trụ cầu, ảnh hưởng xấu tích tụ trơi (nếu có) đến cơng trình cầu đề cập số nghiên cứu gần [10], [11], [12] Hoặc quy trình thiết kế cầu nước ta có quy định sơng suối có trơi để giảm tích tụ trơi khu vực cầu phải đảm bảo tĩnh không cầu tối thiểu 1m (nhưng chưa có quy định cụ thể theo kích thước trơi), ngồi cịn u cầu thiết kế trụ dạng trơn nhẵn không đặt trụ phạm vi lịng sơng (hoặc đặt số trụ phạm vi lòng chính) LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHỊNG TRÁNH SỰ TÍCH TỤ CỦA CÂY TRƠI Bài tốn lựa chọn biện pháp phịng tránh tích tụ trôi khu vực cầu phụ thuộc thông số đặc điểm cầu, yếu tố dịng chảy, đặc điểm trơi, giá thành xây dựng bảo trì, Các bước lựa chọn thực theo trình tự sau: 706 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (08/2021), 702-712 Có xảy vấn đề trôi khu vực cầu?  Khảo sát đặc điểm  cầu Khảo sát đặc điểm dòng chảy  Lựa chọn giải pháp (phương án) phù hợp  So sánh phương án Kinh tế - Kỹ thuật Đề xuất  số phương án khác 3.1 Điều tra, khảo sát trường Để trả lời câu hỏi có xảy vấn đề trôi khu vực cầu hay không cần tiến hành điều tra, khảo sát thực địa Mục đích điều tra có hiểu biết chung vấn đề trôi khu vực; thu thập liệu cần thiết để ước tính số lượng trơi vận chuyển đến khu vực; thực phân tích thủy văn, thủy lực, bồi lắng có liệu thiết kế khác Các thơng tin cần thu thập q trình điều tra trường: - Phân loại trôi vận chuyển đến khu vực cầu: Cây lớn, trung bình, nhỏ hay khơng có trơi? [4], [5], [8], [9], [12] Thơng tin để ước tính số lượng trơi (mật độ trơi dịng chảy) Bản đồ sử dụng đất (đất ở, đất lâm nghiệp, đất nông nghiệp, đất hoang hóa, ) loại đất Các chứng liên quan đến khả phân phối trơi (diện tích rừng, loại rừng, kế hoạch khai quản lý thác rừng, ) Thông tin thay đổi tương lai ảnh hưởng đến số lượng trôi (dự án khai thác rừng, dự án trồng rừng, ) 3.2 Khảo sát đặc điểm cầu Đặc điểm cầu nhận hồ sơ thiết kế cầu có khảo sát thực tế Các thông tin cần thu thập cầu gồm: - Bố trí mố trụ cầu sơng (trụ phạm vi lịng sơng hay bãi sơng) Hình dạng, kích thước mố, trụ cầu Tĩnh khơng cầu 3.3 Khảo sát đặc điểm dòng chảy Các đặc điểm dòng chảy cần thu thập: Các trường hợp xảy lũ thiết kế, lũ hàng năm, Dòng chảy bình thường, dịng chảy vào mùa khơ, Lưu vực thượng nguồn cầu Khảo sát đặc điểm dòng chảy coi phần điều tra, khảo sát trường - 3.4 Đề xuất số phương án phịng tránh tích tụ trơi Biện pháp đối phó với trơi có hai hướng biện pháp cơng trình phi cơng trình Biện pháp cơng trình để đối phó, kiểm sốt trơi gồm số loại [4], [7], [12] như: Tường cánh dẫn hướng trơi (Hình 6), Tường chắn trơi sơng suối (Hình 7), 707 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (08/2021), 702-712 Cấu trúc cải tạo sơng (Hình 8), Làm lệch hướng trơi (Hình 9), Máy qt trơi (Hình 10), Biện pháp phi kết cấu (phi cơng trình) thực chất biện pháp loại bỏ trôi dịng chảy trơi tích tụ khu vực cầu mà không cần lắp thêm thiết bị phụ trợ Đối với cầu làm để giảm thiểu tích tụ trơi khu vực cầu thiết kế cần thực theo số nguyên tắc sau: Hình Xây dựng tường cánh dẫn hướng trôi thượng lưu trụ cầu [4], [7] Hình Biện pháp xây dựng tường chắn trơi sơng suối [4], [7] Hình Biện pháp cải tạo sơng suối (đập đá) để phịng tránh trơi [4], [7] Hình Biện pháp làm lệch hướng trôi sông Eel thuộc bang Indiana [4], [7] Hình 10 Biện pháp lắp máy qt trơi [4], [7] - Phải đảm bảo tĩnh không (chiều cao từ mực nước thiết đáy dầm) cần thiết để trơi qua cầu dễ dàng, biện pháp phịng ngừa an tồn tạo tĩnh không cầu phù hợp với loại trôi - Nên thiết kế trụ loại trụ tường đặc vững chắc, phù hợp với hướng dòng chảy, mũi trụ dạng trơn nhẵn để giảm tích tụ trơi Khoảng cách trụ hay trụ mố phải phù hợp cho khả tích tụ trơi giảm thiểu Đồng thời trụ khơng nên đặt phạm vi lịng sơng phải đặt trụ phạm vi lịng sơng số trụ cầu phải trụ 708 ... (hoặc đặt số trụ phạm vi lịng chính) LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHỊNG TRÁNH SỰ TÍCH TỤ CỦA CÂY TRƠI Bài tốn lựa chọn biện pháp phịng tránh tích tụ trôi khu vực cầu phụ thuộc thông số đặc điểm cầu, yếu... chí Khoa học Giao thơng vận tải ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHỊNG TRÁNH SỰ TÍCH TỤ CÂY TRƠI Ở KHU VỰC CẦU Nguyễn Đăng Phóng Trường Đại học Giao thông vận tải, số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THÔNG... sập cầu Để phịng tránh tích tụ trơi khu vực cầu có hai biện pháp biện pháp kết cấu phi kết cấu Vấn đề lựa chọn giải pháp phịng tránh tích tụ trơi phù hợp với điều kiện cụ thể cơng trình cầu,