Cho đến nay phần lớn các công thức tính xói cục bộ tại trụ cầu đều xuất phát từ các kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm mà hạn chế của các công thức tính này là chưa kể ảnh hưởng của các điều kiện thủy lực dòng chảy, điều kiện địa chất đáy sông… đến sự hình thành và phát triển hố xói một cách đầy đủ. Các công thức thực nghiệm mà các tác giả đưa ra có rất nhiều dạng khác nhau. Tùy theo quan điểm của từng tác giả cho rằng yếu tố nào ảnh hưởng đến quá trình xói là quan trọng hơn mà các tham số khác nhau được đưa vào công thức tính toán. Tất cả các phương pháp tính xói cục bộ hiện nay có chung một tồn tại cơ bản là thiếu mô hình lý thuyết chặt chẽ, thiếu các số liệu đo xói thực tế để kiểm chứng độ tin cậy của công thức đề xuất. Với sự đa dạng của các công thức tính xói dẫn đến kết quả tính xói rất khác nhau. Không chỉ có sự sai khác về kết quả tính xói giữa các công thức tính xói với nhau mà còn có sự sai khác giữa kết quả tính xói theo các công thức đề nghị với kết quả đo đạc chiều sâu xói theo thực tế. Đây là hạn chế lớn trong việc lựa chọn công thức phù hợp để đưa vào tiêu chuẩn tính xói cục bộ cho trụ cầu cũng như kiểm định sự ổn định của móng trụ cầu ở nước ta hiện nay. Trong điều kiện các con sông ở thành phố Đà Nẵng thường là sông ngắn, có độ dốc lớn, vận tốc dòng chảy thay đổi trong thời gian lũ có ảnh hưởng đến việc lựa chọn các tham số trong công thức tính xói. Nhiệm vụ đặt ra cho đề xuất nghiên cứu này là khảo sát đánh giá lại các công thức dự báo chiều sâu xói cục bộ đang được sử dụng ở nước ta hiện nay có tham khảo một số công thức đang được áp dụng tại Mỹ. Tiến hành đo đạc chiều sâu xói cục bộ tại trụ cầu Trần Thị Lý ở khu vực thành phố Đà Nẵng, lấy mẫu số liệu và tiến hành phân tích đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như vận tốc dòng chảy đến, chiều sâu dòng chảy đến, bề rộng trụ, thuộc tính vật liệu, hình dạng đáy sông… đến sự hình thành và phát triển của xói cục bộ tại trụ cầu. So sánh với các tham số được đề xuất trong các công thức tính xói. Từ đó đề xuất lựa chọn công thức tính xói phù hợp với thực tế nhất trong điều kiện ở khu vực thành phố Đà Nẵng. “Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính xói cục bộ tại trụ cầu Trần Thị Lý, thành phố Đà Nẵng” làm đề tài nghiên cứu của luận văn.
Tính cấp thiết của đề tài
Cho đến nay phần lớn các công thức tính xói cục bộ tại trụ cầu đều xuất phát từ các kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm mà hạn chế của các công thức tính này là chưa kể ảnh hưởng của các điều kiện thủy lực dòng chảy, điều kiện địa chất đáy sông… đến sự hình thành và phát triển hố xói một cách đầy đủ Các công thức thực nghiệm mà các tác giả đưa ra có rất nhiều dạng khác nhau Tùy theo quan điểm của từng tác giả cho rằng yếu tố nào ảnh hưởng đến quá trình xói là quan trọng hơn mà các tham số khác nhau được đưa vào công thức tính toán Tất cả các phương pháp tính xói cục bộ hiện nay có chung một tồn tại cơ bản là thiếu mô hình lý thuyết chặt chẽ, thiếu các số liệu đo xói thực tế để kiểm chứng độ tin cậy của công thức đề xuất.
Với sự đa dạng của các công thức tính xói dẫn đến kết quả tính xói rất khác nhau Không chỉ có sự sai khác về kết quả tính xói giữa các công thức tính xói với nhau mà còn có sự sai khác giữa kết quả tính xói theo các công thức đề nghị với kết quả đo đạc chiều sâu xói theo thực tế Đây là hạn chế lớn trong việc lựa chọn công thức phù hợp để đưa vào tiêu chuẩn tính xói cục bộ cho trụ cầu cũng như kiểm định sự ổn định của móng trụ cầu ở nước ta hiện nay.
Trong điều kiện các con sông ở thành phố Đà Nẵng thường là sông ngắn, có độ dốc lớn, vận tốc dòng chảy thay đổi trong thời gian lũ có ảnh hưởng đến việc lựa chọn các tham số trong công thức tính xói
Nhiệm vụ đặt ra cho đề xuất nghiên cứu này là khảo sát đánh giá lại các công thức dự báo chiều sâu xói cục bộ đang được sử dụng ở nước ta hiện nay có tham khảo một số công thức đang được áp dụng tại Mỹ Tiến hành đo đạc chiều sâu xói cục bộ tại trụ cầu Trần Thị Lý ở khu vực thành phố Đà Nẵng,lấy mẫu số liệu và tiến hành phân tích đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như vận tốc dòng chảy đến, chiều sâu dòng chảy đến, bề rộng trụ, thuộc tính vật liệu, hình dạng đáy sông… đến sự hình thành và phát triển của xói cục bộ tại trụ cầu So sánh với các tham số được đề xuất trong các công thức tính xói.
Từ đó đề xuất lựa chọn công thức tính xói phù hợp với thực tế nhất trong điều kiện ở khu vực thành phố Đà Nẵng
Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn vấn đề
“ Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính xói cục bộ tại trụ cầu Trần
Thị Lý, thành phố Đà Nẵng ” làm đề tài nghiên cứu của luận văn.
Mục đích của đề tài
Lựa chọn được công thức tính xói cục bộ tại trụ cầu Trần Thị Lý phù hợp với điều kiện của các con sông tại khu vực thành phố Đà Nẵng.
Nội dung nghiên cứu
1 Tổng quan các công thức tính xói cục bộ tại trụ cầu.
2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng trong công thức tính xói cục bộ tại trụ cầu Trần Thị Lý và lựa chọn các công thức phù hợp.
3 Tiến hành đo xói thực tế tại hiện trường
4 Ứng dụng phần mềm RIVER 2D, so sánh và đề xuất công thức tính xói
5 Kết luận và kiến nghị
Phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
Chọn tên đề tài
" Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính xói cục bộ tại trụ cầu Trần
Thị Lý, thành phố Đà Nẵng "
Cấu trúc luận văn
Luận văn được chia thành phần mở đầu và 4 chương.
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU XÓI
1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ XÓI TRỤ CẦU TẠI CÔNG TRÌNH
Cầu là một công trình vượt sông trên đường ôtô, đường sắt và dễ mất ổn định dưới tác động của dòng lũ, đặc biệt là lũ lớn và lũ lịch sử Do vậy, để giảm thiểu tối đa rủi ro, bài toán xói cầu phải được đặt ra đầu tiên trong quá trình thiết kế Để đảm bảo các bộ phận công trình cầu làm việc bình thường trong mùa lũ thì khi thiết kế, các công trình này phải được tính xói và phòng xói đầy đủ
+ Xói tại công trình cầu đường có thể chia làm 3 loại sau:
- Xói do diễn biến tự nhiên của lòng sông hay biến dạng lòng sông tự nhiên là loại xói không liên quan đến công trình xây dựng trong sông thường được gọi là xói chung.
- Xói thu hẹp là xói do công trình cầu làm thu hẹp dòng lũ tự nhiên tạo ra.
- Xói cục bộ là xói ngay tại chân trụ, mố cầu hay kè…do chính mố trụ và mố cầu kè tạo ra khi tác động tương hỗ với dòng chảy, làm thay đổi cấu trúc cục bộ dòng chảy; loại xói này phụ thuộc vào loại công trình và được chồng lên xói chung và xói thu hẹp.
- Ngoài ra, xói còn được chia thành xói nước trong và xói nước đục liên quan trực tiếp đến điều kiện khác nhau của tải bùn cát [8]
Hình 1.1: Sơ đồ mô tả các dạng xói lở tại công trình trụ cầu [8] 1.1.1 Định nghĩa về xói thu hẹp
Xói thu hẹp dưới cầu là xói hình thành do thắt hẹp dòng chảy bình thường, làm tăng tốc độ dòng chảy, tăng ứng xuất tiếp đáy dòng chảy dẫn đến tăng năng lượng đơn vị dòng chảy Tại khu vực trước cầu nước sông bị dâng lên và độ dâng lớn nhất so với đường mặt nước tự nhiên cách cầu khá xa Do mặt cắt bị thu hẹp nên tốc độ dòng nước tăng dần lên và khả năng vận chuyển phù sa cũng tăng lên Đây chính là nguyên nhân gây xói tại khu vực cầu [8]
1.1.2 Định nghĩa về xói cục bộ
Xói cục bộ tại chân trụ mố cầu là sự hạ thấp cục bộ cao độ đáy sông xung quanh mố trụ tính từ đường xói chung và do sự có mặt của trụ hay mố cầu làm thay đổi cấu trúc cục bộ dòng chảy ở xung quanh trụ hay mố trụ so với dòng chảy bình thường [8]
Hình 1.2: Sơ đồ dòng chảy và xói, bồi tại trụ cầu [10] a - Giai đoạn chủ yếu, b - Giai đoạn xói ở hạ lưu
1.1.3 Phân loại xói cục bộ
- Lượng bùn cát ra vào hố xói
- Vận tốc khởi động hạt a Phân loại xói theo lượng bùn cát ra vào hố xói
Xói cục bộ được phân thành hai dạng gồm xói nước trong và xói nước đục dựa vào :
Xói xảy ra khi vật liệu đáy ngay phía trước vùng xói chân trụ ở trạng thái nghỉ không chuyển động, ứng suất tiếp hay tốc độ của dòng chảy ở trước vùng xói đúng bằng ứng suất tiếp phân giới hay tốc độ khởi động của hạt Hạt bắt đầu khởi động song chưa chuyển động.[8]
Xói nước đục xảy ra khi tốc độ sau xói chung lớn hơn tốc độ phân giới của hạt ở đáy sông, bùn cát ở thượng lưu luôn được dòng chảy cấp cho hố xói, xói cân bằng đạt đươc khi lưu lượng bùn cát từ thượng lưu cấp cho hố xói bằng lượng bùn cát bị xói chuyển đi từ hố xói Xói này gắn liền với quá trình di chuyển của bùn cát đáy sông, độ sâu xói không tăng theo độ sâu dòng chảy, không phụ thuộc vào độ lớn của lượng bùn cát mà dao động theo thời gian phù hợp với hình dạng đáy cát di chuyển [8] b Phân loại theo vận tốc khởi động hạt
Gọi Vc là tốc độ phân giới của hạt đất đáy sông trước trụ, V là tốc độ dòng chảy dưới cầu sau xói thì:
QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU XÓI
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHỦ YẾU HIỆN NAY
Tính toán xói lở hiện nay là một tiêu chuẩn rất quan trọng và cần thiết khi phân tích hệ thống công trình vượt sông Trước đây việc tính xói được nghiên cứu bằng những nghiên cứu thực nghiệm, thiếu những căn cứ vững chắc Hiện nay, có đã có nhiều mô hình tính xói cục bộ được sử dụng phổ biến hiện nay như:
1.2.1 Công thức tính chiều sâu xói cục bộ của TS Đặng Việt Dũng [2]
Trong đó: hcbmax- Chiều sâu xói cục bộ lớn nhất tại trụ cầu,m y - Chiều sâu dòng chảy tại vị trí dự kiến bố trí trụ có kể đến ảnh hưởng của xói chung , m.
KA - Hệ số thực nghiệm tổng hợp phụ thuộc đường kính hạt vật liệu.
Bảng 1.1: Hệ số thực nghiệm K A [2, tr.76]
Vật liệu đáy Cỡ hạt Đường kính hạt
Ky- Độ nông dòng chảy xác đinh theo công thức
Kh- Ảnh hưởng của kích thước hạt vật liệu xác đinh theo
- Vận tốc khởi động của hạt vật liệu
- Sức cản hình dạng lấy theo bảng 2-1 b - Bề rộng trụ trụ tính toán, m.
1.2.2 Công thức tính xói cục bộ của trường Đại học Xây dựng Hà Nội [1]
+ Đối với các trụ cầu nằm trên dòng chủ của sông được xác định theo công thức tính như sau:
+ Đối với các trụ cầu nằm ở bãi sông được xác định theo công thức sau:
Trong đó: hcbmax: Chiều sâu xói cục bộ lớn nhất tại trụ cầu, m.
Kd: hệ số xét đến ảnh hưởng của hình dạng trụ cầu, được lấy bằng 0,1Kζ
Kζ: hệ số hình dạng của Iaratslaxev; xác định theo Phụ lục 4-5 trang 152 – Sổ tay tình toán Thủy Văn, Thủy Lực Cầu Đường – Bộ Giao Thông Vận Tải [1] y: chiều sâu dòng nước chảy tại thượng lưu mũi trụ, m.
VC: tốc độ dòng chảy tại trụ cầu trước khi có xói cục bộ, m/s.
Vox: tốc độ cho phép không xói của lớp đất tại vị trí xói phát triển tới, m/s.Tra bảng 1 trang 135 – Sổ tay tính toán thủy Văn, Thủy Lực Cầu Đường – Bộ Giao Thông Vận Tải ứng với từng loại đất [1] b: chiều rộng tính toán của trụ, m.
Khi hướng dòng chảy xiên góc với tim trụ cầu một góc thì chiều rộng trụ b được thay bằng btt tính toán xác định theo công thức :
(m) (1-10) (: góc giữa hướng dòng chảy và tim cầu)
So với công thức tính xói cục bộ hiện nay, công thức của trường Đại học xây dựng Hà Nội có độ chính xác khá cao Giữa kết quả tính toán lý thuyết và số đo thực tế chỉ có 40 51% số trường hợp có sai số dưới 10% và 2 5%, trường hợp có sai số lớn hơn 40%
1.2.3 Công thức tính xói cục bộ của M.M Zuravlev và A.M. Latưsenkov [10] a Công thức của Zuravlev
Tiến sĩ khoa học kĩ thuật M.M Zuravlev là người đầu tiên đã xây dựng công thức tính xói cục bộ theo các số liệu đo xói tại các cầu cũ có dạng :
Kd - hệ số hình dạng trụ cầu, lấy bằng 1/10 trị số K; Kζ: hệ số hình dạng của Iaratslaxev; xác định theo Phụ lục 4-5 trang 152 – Sổ tay tình toán Thủy Văn, Thủy Lực Cầu Đường – Bộ Giao Thông Vận Tải, [1] n - hệ số mũ, bằng 3/4 khi v/vB >1 và bằng 2/3 khi v/vB 1;
VB - tốc độ dòng chảy khuấy đục cát,m/s
(m/s) (1-12) Với: y - Chiều sâu dòng nước chảy trước trụ cầu, m.
- đường kính thủy lực của hạt phù sa lòng sông trung bình (tốc độ rơi trong nước tĩnh, không chảy), m/s
1 đường kính thủy lực của các thành phần hạt, m.
P1 - tỉ lệ thành phần hạt tính theo phần trăm của trọng lượng. b Công thức của A.M Latưsenkôv :
- Khi V > 1,3 Vox: Xói nước đục
- Khi V 1,3 Vox: Xói nước trong
Kd - hệ số hình dạng trụ cầu, lấy bằng 1/10 trị số K; Kζ: hệ số hình dạng của Iaratslaxev; xác định theo Phụ lục 4-5 trang 152 – Sổ tay tình toán Thủy Văn, Thủy Lực Cầu Đường – Bộ Giao Thông Vận Tải [1]
Vox- tốc độ cho phép không xói của lớp đất tại vị trí xói phát triển tới, m/s Tra bảng 1 trang 135 – Sổ tay tính toán thủy Văn, Thủy Lực Cầu Đường – Bộ Giao Thông Vận Tải với từng loại đất [1] b: chiều rộng tính toán của trụ, m.
1.2.4 Tính xói cục bộ theo tiêu chuẩn BCH 62-69 của Liên Xô [10] a Đối với dòng nước đục :
Xói cục bộ tại chân trụ cầu cho dòng chủ hay cho bãi sông được xác định theo công thức sau:
V - tốc độ dòng chảy trung bình tại trụ cầu trước khi có xói cục bộ,m/s hcb- chiều sâu xói cục bộ tính từ mặt đất sau khi xói chung; m h0 - chiều sâu xói cục bộ giới hạn tại trụ hình tròn ứng với V = Vox; b - chiều rộng trụ tính toán, m
Vox - tốc độ gây xói , m/s
(m/s) (1-17) Với d - đường kính hạt đất, mm. y - chiều sâu dòng chảy trước trụ, m.
Kd - hệ số hình dạng trụ cầu, lấy bằng 1/10 trị số K =( 0,70 1,24).
Kζ - hệ số hình dạng của Iaratslaxev; xác định theo Phụ lục 4-5 trang 152 – Sổ tay tình toán Thủy Văn, Thủy Lực Cầu Đường – Bộ Giao Thông Vận Tải [1]
K - hệ số xét ảnh hưởng của hướng dòng nước, phụ thuộc vào góc làm thành giữa hướng chảy với tim của trụ dọc theo sông xác định theo công thức như sau:
Kα - hệ số lấy theo đồ thị , phụ thuộc vào tỉ số l/b (l và b chiều dài và chiều rộng trụ tính toán trên bình đồ, và góc xiên của dòng chảy đối với trụ . Trường hợp .10 o thì Kα = 1.
Hình 1.3: Giá trị Kα(α, l/b) α là góc tính bằng độ
V - tốc độ dòng chảy trung bình tại trụ cầu trước khi có xói cục bộ, m/s Công thức tổng quát tính chiều rộng trụ tính toán và móng có chiều rộng trụ thay đổi theo chiều cao được xác định theo công thức:
Trong đó: b1, b2 - các chiều rộng bộ phận, m. t1, t2 - chiều cao tương ứng của các bộ phận trụ có chiều rộng thay đổi b1, b2 được tính từ mực nước tới đường xói chung. b Đối với dòng nước trong
Trường hợp này thường gặp ở các sông có tốc độ nước chảy nhỏ hơn tốc độ gây xói đối với các hạt ở dòng chủ hay ở phần bãi sông dưới cầu.
V - tốc độ dòng chảy trung bình tại trụ cầu trước khi có xói cục bộ,m/s
Vh - tốc độ bắt đầu gây xói, m/s.
- đường kính thủy lực của hạt phù sa lòng sông trung bình (tốc độ rơi trong nước tĩnh, không chảy), m
1 đường kính thủy lực của các thành phần hạt, m 2
P1 - tỉ lệ thành phần hạt tính theo phần trăm của trọng lượng; trị số 1 xác định theo bảng, phụ thuộc vào đường kính hạt d.
Hệ số x được xác định theo công thức:
BẢNG TỔNG HỢP CÁC CÔNG THỨC TÍNH XÓI CỤC BỘ
Tổng hợp các công thức sử dụng theo các phương pháp tính xói chung và xói cục bộ theo bảng sau :
Bảng 1.3: Bảng tổng hợp các công thức tính toán xói cục bộ
TT PHƯƠNG PHÁP CÔNG THỨC
ĐẶC ĐIỂM MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC BỘ CẦU
Để nghiên cứu người ta thường tiến hành theo 3 hướng để rút ra công thức xác định xói cục bộ hcb
+Sử dụng lý thuyết nguyên thứ nguyên để phân tích ý nghĩa vật lý của xói và phân tích số liệu thí nghiệm trong phòng và số liệu đo xói cục bộ ở các cầu đang khai thác.
+Nghiên cứu cơ chế hình thành xói cục bộ trong phòng thí nghiệm kết hợp với số liệu thí nghiệm và số liệu đo xói thực tế.
+Nghiên cứu các biện pháp chủ động nhằm phòng xói nhằm giảm tối đa xói cục bộ hình thành ở chân trụ cầu [8]
NHẬN XÉT
Giá thành trụ và mố cầu chiếm tỉ lệ lớn trong giá thành toàn bộ công trình cầu Giá thành xây dựng trụ và mố cầu, mức độ phức tạp của việc thi công phụ thuộc vào chiều sâu đặt móng Theo quy trình thiết kế cầu qua sông cao độ đáy móng trụ cầu phải nằm dưới chiều sâu xói lỡ có thể phát triển đến một độ sâu dự trữ đảm bảo cho cầu ổn định Như vậy cao độ thiết kế của móng trụ và mố cầu phụ thuộc vào kết quả dự đoán chiều sâu xói lỡ Nếu việc nghiên cứu “dự đoán xói chung” trong những năm gần đây có những bước tiến bộ rất lớn, các nhà khoa học đã cơ bản thống nhất được về mô hình lý luận tính toán xói chung trong các tài liệu hướng dẫn phương pháp xác định khẩu độ và xói trong khu vực cầu thì vấn đề tính toán xói lỡ cục bộ tại trụ cầu vẫn là vấn đề còn chưa được nghiên cứu giải quyết thỏa đáng Hiện tượng xói cục bộ tại trụ cầu được giải thích theo các nguyên nhân khác nhau, kết quả tính toán xói theo các phương pháp sai nhau quá nhiều Tất cả các phương pháp tính toán xói cục bộ hiện nay có chung những nhược điểm cơ bản là thiếu mô hình lý luận thống nhất và vững chắc, hoàn toàn dựa vào thực nghiệm để xây dựng các tham số tính toán trong công thức, và cuối cùng là thiếu số liệu đo xói thực tế để kiểm tra độ tin cậy của công thức Nhiều công trình gần đây về tính xói cục bộ không theo hướng khắc phục những nhược điểm nêu ở trên, mà theo xu thế tăng mức độ an toàn công trình dẫn đến lãng phí không cần thiết Sự sai khác giữa kết quả tính lý thuyết và thực tế trước hết là do lý thuyết mô hình thí nghiệm hiện nay chỉ cho phép mô hình hóa yếu tố chính Mô hình hóa đồng thời hai yếu tố với yêu cầu ngang nhau đã gặp khó khăn Còn nếu mô hình hóa đồng thời ba yếu tố trở lên thì thực tế không giải quyết được Trong khi đối với các hiện tượng thủy lực chịu tác động đồng thời của nhiều yếu tố thì yêu cầu mô hình thí nghiệm không những chỉ thỏa mãn tính tương tự về hình học mà còn phải thỏa mãn sự tương tự về lưu lượng và tốc độ nước chảy, về áp lực thủy động, về độ nhám lòng sông, về hiện tượng phát sinh do lực hút trái đất (tiêu chuẩn Froude), về lực dính nhớt của chất lỏng chuyển động không ổn định theo thời gian của dòng sông thiên nhiên, độ đục của dòng chảy.v.v nên việc mô hình hiện tượng lại càng phức tạp Vì vậy các số liệu đo được về xói cục bộ ở các mô hình trong các phòng thí nghiệm thủy lực chỉ có thể giúp chúng ta nghiên cứu về mặt định tính của hiện tượng và các giá trị tương đối Hiện tượng xói cục bộ rất phức tạp, nó phát triển phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố mà trong thực tế thí nghiệm mô hình chỉ có thể lựa chọn một, hai yếu tố để mô hình hóa nên các trị số xói cục bộ trong phòng thí nghiệm không thể là cơ sở để suy ra trị số xói lỡ trụ cầu ngoài sông thiên nhiên Bên cạnh đó các máng thí nghiệm thủy lực hiện nay quá nhỏ so với dòng sông nên không đủ tin cậy để mô phỏng các diễn biến xảy ra trong thực tế.
Những nhược điểm nói trên có thể khắc phục phần lớn nếu có mô hình lí thuyết được xây dựng dựa trên những phương trình cơ bản của cơ học chất lỏng và động lực dòng sông Các tham số trong mô hình chỉ có thể xử lý đầy đủ bằng sự tham gia của các phần mềm tính toán
Trong các công thức tính xói cục bộ đã nêu, các tham số của công thức đều biểu thị phương pháp vận tốc trung bình một chiều theo hướng của dòng chảy và được coi là không đổi trong suốt quá trình tính toán Đây là một trong các nguyên nhân chính làm cho kết quả tính toán có nhiều sai khác so với thực tế Vì vận tốc dòng chảy tại khu vực trụ cầu thay đổi cả về trị số và hướng so với trước khu vực bố trí trụ cầu Cho nên cần hiệu chỉnh các tham số tính trong công thức tính vận tốc trung bình 1 chiều để chính xác với thực tế là dòng chảy luôn thay đổi về vận tốc và độ sâu mực nước [3]
TẢ VÀ PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỐ XÓI
Các nguyên nhân chính
- Do dòng chảy bị thu hẹp nên tốc độ dòng chảy và lưu lượng đơn vị hai bên tường trụ tăng lên.
- Tại khu vực trước trụ cầu hình thành những dòng chảy có hướng dọc theo tường trụ về đáy tạo thành các dòng xoáy có trục nằm ngang di chuyển theo hướng ngược lại với chiều của dòng chảy cơ bản Các dòng xoáy ngược chiều này cuốn các hạt đất từ hố xói lên trên và các dòng chảy lớp bên trên và hai phía trụ tiếp tục vận chuyển đất bị xói về phía hạ lưu.
- Dòng chảy quẩn gây ra hiện tượng bồi (giai đoạn đầu của xói) hay xói sau trụ cầu (giai đoạn cuối)
- Do điều kiện bất lợi về vị trí (thế nằm) của các hạt cát sỏi nằm trong hố xói cục bộ cũng tạo thuận lợi hình thành hố xói [8]
Các giai đoạn của quá trình phát triển xói
a.Giai đoạn bắt đầu hình thành hố xói
Hình 2.1: Mô tả vị trí xói cục bộ tại mố trụ cầu [2]
Các quan sát từ thí nghiệm của TS Đặng Việt Dũng cho thấy sự hình thành của hố xói bắt đầu từ hai bên thân trụ trong phạm vi từ khoảng 30 0 đến
90 0 (Theo Nguyễn Xuân Trục là một góc từ 30-40 0 , Ettema là khoảng 45 0 , Melville là khoảng 100 0 ) so với hướng dòng chảy đến Hố xói ban đầu có kích thước nhỏ, sau đó lan dần theo chu vi của trụ lên phía thượng lưu và phía hạ lưu của trụ Nguyên nhân gây ra xói hai bên tường trụ là do sự tăng vận tốc dòng chảy tại khu vực này [2]
Hình 2.2: Mô tả góc hình thành xói tại chân trụ cầu [2] b Giai đoạn chủ yếu phát triển hố xói:
Hình 2.3: Mô tả giai đoạn hình thành phát triển hố xói [2]
Ngay sau khi hố xói nông trước trụ được hình thành, dòng chảy xuống có cường độ cao sẽ tách các hạt vật liệu khỏi vị trí của nó và đưa chúng lên miệng hố xói, dòng xoắn của xoáy móng ngựa phía thượng lưu sẽ đẩy các hạt vật liệu này ra phía sau trụ làm cho hố xói phát triển cả về chiều sâu và chiều rộng Bùn cát ra khỏi hố xói thì đọng lại phía sau trụ hình thành đụn cát Khi năng lượng dòng chảy xuống không đủ để đưa hạt bùn cát lên miệng hố xói và bùn cát nằm trên taluy không trôi xuống đáy hố xói thì chiều sâu của hố xói đạt đến giá trị lớn nhất.
Khi xói ngừng, hố xói có dạng vành khăn với chiều sâu lớn nhất đạt được ở mũi trụ phía thượng lưu và giảm dần độ dốc về phía hai bên trụ cầu [2]
Quá trình hình thành và phát triển hố xói
Xói cục bộ hình thành và phát triển dưới chân trụ cầu là do trụ cản dòng chảy tạo ra hệ thống dòng chảy mới quanh trụ Trong đó dòng chảy xuống dọc theo thân trụ nằm phía trước trụ (dòng tia) là dòng chảy chính thực hiện giải phóng liên kết giữa các hạt vật liệu nằm dưới đáy hố xói, và dòng cuộn xoáy dưới chân trụ có nhiệm vụ đẩy hạt vật liệu ra khỏi hố xói Khi năng lượng của dòng chảy xuống cân bằng với năng lượng để đưa hạt vật liệu lên miệng hố xói thì chiều sâu xói không phát triển nữa, quá trình xói dừng lại và đạt đến trạng thái cân bằng [8]
Hệ thống thành phần dòng chảy quanh trụ tròn
Hình 2.4: Thành phần dòng chảy quanh trụ tròn [2]
1 Thành phần dòng chảy phía thượng lưu trụ
Khi dòng chảy tới trụ, vận tốc giảm dần và bằng không (điểm dừng) tại mặt trụ.Do vận tốc dòng chảy phân bố dạng loga nên có sự chênh lệch trị số giảm vận tốc trên mặt trụ dẫn đến sự chênh lệch năng lượng giữa các điểm trên mặt trụ.
Chênh lệch năng lượng giữa điểm B và E hình thành dòng chảy hướng lên phía trên tạo ra cuộn xoáy bề mặt hay nước dềnh
Chênh lệch năng lượng giữa điểm B và điểm D hình thành dòng tia chuyển động dọc theo thân trụ xuống dưới đáy, tạo nên áp lực tác dụng lên bùn cát đáy sông Dòng tia có nhiệm vụ giải phóng liên kết giữa các hạt vật liệu đáy và đưa chúng ra khỏi hố xói [2]
Hình 2.5: Mô tả dòng chảy phía thượng lưu [2]
2 Hệ thống xoáy "móng ngựa“
Dòng tia chảy dọc thân trụ xuống dưới gặp phải vật cản là đáy sông hay móng trụ cầu sẽ phân thành 03 chiều
Một chiều chảy ngược với hướng chảy của sông, khi gặp dòng chảy tới sẽ cuộn lên phía trên, hai chiều còn lại cuộn sang hai bên thân trụ.
Hệ thống này gọi là xoáy móng ngựa
Các cuộn xoáy đi qua hai bên thân trụ sẽ tiếp tục phát triển xuống hạ lưu dưới dạng cuộn dây thừng
Cuộn xoáy lên phía trên có tác dụng đẩy hạt vật liệu lên miệng hố xói. Các cuộn xoáy đi qua hai bên thân trụ tham gia vào quá trình phát triển của hố xói bằng việc vận chuyển vật liệu ra khỏi hố xói [2]
Hình 2.6: Mô tả hệ thống xoáy móng ngựa [2]
3 Thành phần dòng chảy hai bên thân trụ
Sự có mặt của trụ cầu trong khối chất lỏng di chuyển làm thu hẹp mặt cắt dòng chảy dẫn đến vận tốc dòng chảy khu vực hai bên thân trụ tăng lên Dựa vào lý thuyết chuyển động thế phẳng, vận tốc dòng chảy tại một điểm nằm trên chu vi nửa đường tròn phía thượng lưu của trụ được xác định :
Thành phần dòng chảy hai bên thân trụ gây ra xói cục bộ hai bên thân trụ cầu
Hình 2.7: Mô tả dòng chảy bao quanh thân trụ cầu [2]
Dòng chảy hai bên thân trụ gặp nhau ở phía sau trụ hình thành hệ thống xoáy vệt hướng từ dưới đáy sông lên phía trên mặt thoáng Hệ thống xoáy này đã đẩy các hạt vật liệu đáy sông di chuyển lên phía trên gây ra hiện tượng xói phía sau trụ
Do năng lượng của xoáy vệt thường nhỏ hơn xoáy móng ngựa nên chiều dài di chuyển của các hạt vật liệu đáy ngắn dẫn đến chiều sâu xói phía sau trụ nhỏ và các hạt vật liệu thường rơi ngay tại miệng hố xói hình thành đụn cát [2]
Hình 2.8: Mô tả hệ thống xoáy vệt [2]
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỐ XÓI
2.2.1 Sự ảnh hưởng của sức cản hình dạng đến chiều sâu xói (Kc )
Khi bố trí trụ trên sông, trụ sẽ cản dòng chảy tới Mức độ cản dòng chảy tới của trụ phụ thuộc vào :
- Hướng dòng chảy tới trụ
- Sơ đồ bố trí trụ trong nhóm trụ
Sức cản hình dạng và được xác đinh theo công thức :
- Hệ số ảnh hưởng của hình dạng mũi trụ
- Hệ số ảnh hưởng của hướng dòng chảy đến trụ
- Hệ số đồng đều của kích thước thân trụ
- Hình thức bố trí trụ trong nhóm trụ a Hệ số ảnh hưởng của hình dạng mũi trụ ( )
Các kết quả nghiên cứu cho thấy hình dạng trụ có dạng đường dòng sẽ làm giảm áp lực mặt của dòng chảy tác động vào trụ, giảm xoáy và cường độ gây xói vào đáy cát Từ sự thay đổi của kích thước dọc thân trụ có thể phân ra các trường hợp sau [8]:
Bảng 2.1: Hệ số ảnh hưởng của hình dạng mũi trụ (Ks) khi trụ thẳng hàng với dòng chảy của DietZ(1972) [2]
Ks Hình dạng Giá trị
Chữ nhật mũi tròn đầu 1:3 0.9 Đầu tròn và đuôi hình nêm 1:5 0.86
Chữ nhật vê tròn cạnh 1:4 1.01
Dạng đầu hình nêm và đuôi chữ nhật
Với: b – bề rộng trụ tính toán, m. l,l’ – chiều dài trụ tính toán, m. b Hệ số ảnh hưởng của hướng dòng chảy đến trụ( )
Chiều sâu xói cục bộ trừ trụ tròn chịu ảnh hưởng rất lớn của hướng dòng chảy đến trụ, với hcb là hàm của hình chiếu chiều rộng trụ lên phương vuông góc với dòng chảy Góc nghiêng của dòng chảy so với trục dọc đi qua tim trụ càng lớn thì hcbmax càng dịch lùi về phía cuối trụ ở hạ lưu [8]
Hình 2.9: Giá trị (α, l/b) Laursen và Toch 1956 [8] Đối với trụ không tròn thì hệ số được xác định như sau:
(2-3) c Hệ số đồng đều của kích thước thân trụ ( )
Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật cản có dạng dòng chảy sẽ ít cản dòng chảy nhất và ảnh hưởng đến sự phát triển của chiều sâu xói là nhỏ nhất.
Từ sự thay đổi của kích thước dọc thân trụ có thể phân ra các trường hợp sau:
Đối với thân trụ có kích thước không đổi: Nếu mặt cắt ngang trụ có dạng dòng chảy hay hình tròn, ảnh hưởng đến sự phát triển của chiều sâu xói là nhỏ nhất Ngược lại nếu mặt cắt ngang trụ có dạng hình chữ nhật hoặc hình vuông ảnh hưởng đến chiều sâu xói là lớn nhất
Đối với thân trụ có kích thước biến đổi đều từ trên xuống dưới hoặc ngược lại: Chiều sâu xói tăng khi kích thước trụ biến đổi đều từ trên xuống dưới và độ dốc mặt thượng lưu của trụ so với phương thẳng đứng tăng.
Đối với thân trụ có kích thước biến đổi không đều: Ảnh hưởng của hình dạng trụ đến chiều sâu xói được xác định thông qua ảnh hưởng của diện tích cản dòng chảy qui đổi [2]
Hình 2.10: Mô tả sự đồng đều của kích thước trụ [2] a) Trụ nhỏ dần lên phía trên b) Trụ nhỏ dần xuống dưới
Bảng 2.2: Hệ số đồng đều của kích thước thân trụ ( ) [2]
Sự đồng đều của kích thước thân trụ
Thân trụ biến đổi đều K p Giá trị
Trên nhỏ dưới to 0.76 d Hệ số ảnh hưởng do hình thức bố trí trụ trong nhóm trụ ( )
Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi số lượng trụ hay cọc được bố trí thành nhóm lớn hơn 1, chiều sâu xói tại mỗi trụ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các trụ và hướng dòng chảy tới theo sơ đồ bố trí trụ Theo chiều dọc của dòng chảy sự có mặt của hàng trụ trước có thể gây ra việc giảm ảnh hưởng của vận tốc dòng chảy đến đối với hàng trụ sau Từ đó giảm ảnh hưởng của xoáy móng ngựa và giảm chiều sâu xói tại hàng trụ ở hạ lưu Việc hình thành lớp lắng còn xảy ra khi bùn cát đáy từ hố xói ở hàng trụ trước di chuyển lắng đọng tại đáy phía trước hàng trụ sau Xoáy vệt hình thành phía sau trụ trước đi lên từ đáy cũng góp phần làm giảm cường độ xoáy móng ngựa tại trụ phía sau Tuy nhiên nếu hàng trụ phía sau được đặt gần với hàng trụ phía trước, xoáy vệt sẽ hỗ trợ nâng bùn cát khỏi hố xói làm cho chiều sâu xói của hàng trụ phía sau tăng lên Khi khoảng cách giữa các các hàng trụ tăng lên, cơ cấu gây xói tương tự như xói xảy ra đối với trụ đơn [2]
Hình 2.11: Mô tả sự ảnh hưởng do nhóm cọc [8]
Bảng 2.3: Hệ số ảnh hưởng do hình thức bố trí trụ trong nhóm trụ ( ) [2]
Hình thức bố trí nhóm cọc hình trụ
SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐÁY ĐẾN CHIỀU SÂU XÓI
Ảnh hưởng của kích thước hạt bùn cát đáy đến chiều sâu xói có liên quan với quá trình khởi động hạt và sự di chuyển của bùn cát Đối với hạt bùn cát có đường kính lớn, tức là d50 lớn, b/d50 nhỏ năng lượng tiêu hao để làm cho các hạt vật liệu di chuyển khỏi hố xói lớn hơn so với vật liệu đáy có kích nhỏ. Hơn nữa, lỗ rỗng giữa các hạt vật liệu lớn sẽ làm tiêu tán năng lượng dòng chảy xuống, làm giảm cường độ của xoáy móng ngựa nên khả năng gây xói và vận chuyển vật liệu của hệ thống giảm xuống, chiều sâu xói cục bộ nhỏ. Đối với hạt bùn cát có d50 nhỏ, tức là b/d50 lớn năng lượng tiêu hao ít hơn nên chiều sâu xói lớn hơn.[2]
Hình 2.12: Đường biễu diễn quan hệ h cb =f(b/d 50 ) [2]
2.3.2 Ảnh hưởng do sự đồng đều của kích thước hạt
Trong điều kiện nước trong:
Khi vật liệu đáy có độ lệch chuẩn (g) tăng, chiều sâu xói sẽ giảm xuống do hình thành lớp lắng dưới đáy hố xói.
Trong điều kiện nước đục:
Nếu ứng suất tiếp đáy do dòng chảy gây ra cao hơn ứng suất tiếp yêu cầu để làm di chuyển các hạt lớn nhất trong bùn cát thì các hạt đều di chuyển nên độ đồng đều của vật liệu không ảnh hưởng đến chiều sâu xói.
Nếu ứng suất tiếp đáy gần với ứng suất tiêu chuẩn của các hạt lớn, các hạt lớn sẽ có thể gây ra bồi lấp tạo đầy hố xói, làm cho chiều sâu xói lớn nhất giảm xuống,
Nếu ứng suất tiếp đáy nhỏ hơn ứng suất tiêu chuẩn của hạt thô, chỉ có thành phần hạt nhỏ trong bùn cát di chuyển, thành phần hạt lớn ở lại trong đáy hố xói vì vậy chiều sâu xói cân bằng lớn nhất nhỏ hơn chiều sâu xói cân bằng lớn nhất đạt được trong điều kiện nước trong, vật liệu đáy đồng nhất [2]
SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU SÂU DÒNG CHẢY TỚI ĐẾN CHIỀU SÂU XÓI (Y/B)
Kết quả thí nghiệm của nhiều nghiên cứu cho thấy khi chiều sâu dòng chảy tới y tăng chiều sâu xói cục bộ tăng Ảnh hưởng của tham số y/b( độ nông dòng chảy) đối với chiều sâu xói cục bộ có thể được biểu diễn bởi hàm:
Và được phân ra trụ rộng, trụ trung bình và trụ hẹp Đối với trụ rộng, chiều sâu xói tăng tuyến tính với chiều sâu dòng chảy tới, nhưng độc lập với bề rộng trụ Đối với trụ có bề rộng trung bình, chiều sâu xói phụ thuộc vào cả y và b theo quan hệ hàm số mũ Đối với trụ hẹp, chiều sâu xói tăng tỷ lệ với bề rộng trụ theo quan hệ hàm logarit, nhưng độc lập với chiều sâu dòng chảy tới.[2]
Hình 2.14: Chiều sâu xói thay đổi theo chiều sâu tương đối, y/b với cỡ hạt tương đối b/d 50 làm thông số theo kết quả thí nghiệm của Ettema(1980);
SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN CƯỜNG ĐỘ DÒNG CHẢY ĐẾN CHIỀU SÂU XÓI
2.5.1 Thành phần vận tốc khởi động hạt [2]
Xói bắt đầu xảy ra khi khả năng gây xói của dòng chảy vượt qua khả năng chống xói của các hạt bùn cát đáy tại điểm khởi động Để xác định điều kiện bắt đầu xói của lòng dẫn, vận tốc khởi động được sử dụng
Có nhiều phương pháp để xác định vận tốc khởi động của hạt Nhưng phương pháp được sử dụng phổ biển hiện nay là cân bằng các lực do dòng chảy gây ra tác động lên hạt vật liệu độc lập, nằm trong lòng dẫn có đáy phẳng,trong dòng chảy chuyển động ổn định, một chiều Công thức tổng quát có dạng :
(2-5) Các thành phần trong công thức trên chủ yếu được xác định bằng thực nghiệm, như các đề xuất của Yang (1973), của Samôp (1956), của Gôntrarôp
(1962), của Levi - Knoroz (1955) trong đó công thức của Samôp có dạng gần nhất và tương đối dễ sử dụng Vì vậy vận tốc khởi động hạt có thể lấy theo công thức
LỰA CHỌN CÔNG THỨC TÍNH XÓI CỤC BỘ ĐỂ ĐƯA VÀO SO SÁNH
Trong khuôn khổ hạn chế về thời gian và nội dung, luận văn lựa chọn yếu tố vận tốc dòng chảy để nghiên cứu tính toán Với việc tính xói chung thì công thức của O.V Andreev dựa vào lý thuyết cân bằng phù sa là gần thực tế hơn cả Với việc tính xói cục bộ sử dụng các công thức sau:
2.6.1 Lựa chọn các công thức tính toán xói cục bộ
Các công thức sử dụng để so sánh theo các phương pháp tính xói được tổng hợp theo bảng sau:
Bảng 2.4: Bảng tổng hợp các công thức tính xói lựa chọn
TT PHƯƠNG PHÁP CÔNG THỨC
CÔNG THỨC TÍNH XÓI CỤC BỘ
2 ĐHXD Hà Nội Khi V=7m, Theo phương ngang: B >Pm; Khổ giới hạn đường bộ: H >=4,75m.
- Điểm đầu: Nút giao thông Duy Tân-2/9
- Điểm cuối: Nút giao thông Nguyễn Văn Thoại-Ngô Quyền
4.2.5 Phương án kết cấu a Bố trí chung
Bố trí chung của cầu tôn trọng qui hoạch tổng thể của Thành phố, góp phần tạo ra một cảnh quan kiến trúc hài hoà với lòng sông và 2 bờ Cao độ kiến trúc của cầu và đường dẫn phải phù hợp với cao độ tại các nút giao thông chính. b Kết cấu
Do sông Hàn chịu ảnh hưởng xâm thực lớn của môi trường nước mặn tại khu vực gần biển nên tốc độ gây rỉ khá lớn Vì vậy phương án kết cấu sử dụng kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DUL) Đặc điểm mang tính đặc trưng nhất của loại kết cấu này là nhờ tạo ứng suất nén trước nên kết cấu thanh mảnh, nhẹ có thể vượt khẩu độ nhịp lớn. Đối với nhịp ở giữa, do yêu cầu phải giải quyết thông thuyền nên nhịp này là nhịp động sử dụng vật liệu thép có kết cấu nhẹ và thanh mảnh. c Phương án kết cấu
Kết cấu phần trên của cầu Nguyễn Văn Trỗi - Trần Thị Lý bao gồm 2 kết cấu độc lập Phần cầu chính nằm trong phạm vi từ mố S1 (vị trí mà các dây cáp sẽ được neo vào đó) tới trụ S6, điểm kết thúc của nhịp neo cáp Phần còn lại của cầu (từ nhịp S6 tới S13) là phần cầu dẫn.
Kết cấu phần trên của cầu được tách ra tại trụ S6 bằng một khe co giãn Các kết cấu được thiết kế riêng biệt với nhau.
Sơ đồ nhịp cầu chính là 50+50+50+50+230m với chiều rộng mặt cầu là 34,5m Tổng chiều dài cầu chính khoảng 450m (tổng chiều dài nhịp là 430m + mố và đường chui). Đường chui dưới cầu được bố trí phía sau mố S1 với tĩnh không rộng 8m và cao khoảng 3m.
Hình 4.4: Mặt cắt đứng cầu Trần Thị Lý d Kết cấu nền móng cầu
Tất cả các trụ cầu được đặt trên hệ thống cọc khoan nhồi đường kính 1500mm Khả năng chịu tải của cọc đã được xác định theo phương pháp của tiêu chuẩn AASHTO 1998 LFRD Để đạt được khả năng chịu tải yêu cầu, cao độ đáy mũi cọc được đặt vào chiều sâu từ -45 tới -56 Phần mố So được thiết kế đặt trên hệ móng cọc đóng BTCT 350x350mm. e Kết cấu trụ cầu
Tất cả các trụ trung gian phần cầu dẫn bao gồm hai cột tròn bê tông cốt thép Các cột được thiết kế với mặt cắt ngang đủ rộng để có vị trí đặt kích trong quá trình thay thế gối cầu. f Trụ S6-S8
Các trụ ở vị trí dưới nước (các trụ S2-S5, S6 – S8) được đỡ trên một bệ cọc bê tông cốt thép Các trụ phía gần bờ sông (trụ S9, S11) cũng tương tự các trụ dưới nước, nhưng bệ cọc được tách biệt, không có liên kết ở giữa nối 2 khối lại với nhau Hình dạng bệ cọc là khối hình chữ nhật Các thân trụ tại trụ S12 rộng hơn các thân trụ khác, có dạng hình oval Mỗi thân sẽ có 2 gối để đỡ nhịp dầm bản dự ứng lực và được đặt trên bệ cọc bê tông cốt thép và các cọc khoan nhồi.
Khe co giãn giữa cầu chính và cầu dẫn được đặt tại trụ S6 Các trụ được lắp đặt các gối để đỡ hai dầm Các thân trụ S6 có đường kính lớn hơn các các cột tại trụ khác nhằm đảm bảo bố trí được số lượng gối cầu nhiều hơn. g Trụ S5
Hình dạng của trụ S5 đã được nghiên cứu để hợp lý hơn về mỹ quan cũng như tính kinh tế Trụ bao gồm kết cấu bê tông cốt thép hình elíp, đặt trên bệ trụ dày 4m trên hệ móng cọc gồm 58 cọc khoan nhồi đường kính 1,5m.
Mố S1 được liên kết cứng với kết cấu thượng bộ của cầu Mố được đặt trên bệ mố dày 2m và các cọc khoan nhồi đường kính 1,5m Lớp bê tông bịt đáy không cốt thép phía dưới bệ mố được neo vào bệ mố bằng các thanh cốt thép
Các dây cáp văng của cầu được neo tại mố và kéo về sau mố Phòng neo cáp được trang bị hệ thống thông gió và lỗ thoát nước Mố được dự ứng lực theo cả 2 hướng Dự ứng lực theo phương ngang được kéo mép tường sau của bệ mố Dự ứng lực ngang được thiết kế kéo dự ứng lực từ khe nối thi công.
Dự ứng lực theo phương đứng được nối từ khu vực liên kết của kết cấu thượng bộ với mố Các tường có neo cáp cũng được dự ứng lực theo phương thẳng đứng.
Kết cấu đường chui tại bên trái phía cuối cầu (S0) được nối cứng với mố Loại của kết cấu đường chui là khung bản Góc của khung được nối cứng Hệ thống khung này được đặt trên hai hàng cọc 35x35cm Phía dưới chân khung được liên kết với mố S1 bằng các thanh dầm BTCT. i Mố S13
TÍNH TOÁN XÓI TRỤ CẦU TẠI CẦU TRẦN THỊ LÝ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUNG BÌNH DÒNG CHẢY MỘT CHIỀU
4.3.1 Xác định đặc trưng mực nước, tốc độ dòng chảy, lưu lượng ứng P = 1%
- Dựa vào chuỗi số liệu quan trắc từ năm 1976-2007 (N2 năm) tại trạm thủy văn Cẩm Lệ, xác định được mực nước lớn nhất tườn ứng với tần suất tính toán 1% theo phương pháp tích hợp Pearson III.
- Các kết quả điều tra khảo sát về độ cao các vết lũ từ trạm Cẩm Lệ đến cửa sông Hàn -Thuận Phước.
- Tài liệu đo tốc độ dòng chảy, lưu lượng nước của một số đợt đo đạc, khảo sát tại cầu Nguyễn Văn Trỗi.
- Đặc điểm địa hình đoạn sông khu vực cầu Nguyễn Văn Trỗi-Trần Thi Lý. Chúng ta có kết quả tính toán mực nước, lưu lượng và tốc độ chảy tại cầu Trần Thị Lý của công ty cổ phần Tư Vấn Xây Dựng 533 như sau : [4]
Bảng 4.1: Bảng giá trị vận tốc, lưu lượng và cao độ mực nước
P% Hmax (cm) Htk (cm) Qmax (m 3 /s) Vmax (m/s)
4.3.2 Tính xói chung và chiều cao nước dâng trước cầu ứng với tần suất 1%
- Diện tích ướt của mặt ngang dòng chảy tại cầu Trần Thị Lý khi chưa làm cầu: 0 = 4642,49 m 2 , sau khi làm cầu 0 = 4467,26 m 2
- Chiều rộng sông khi chưa làm cầu: L = 553.11 m
- Chiều rộng sông sau khi làm cầu : L0 = 531.71 m a Tính xói chung
Xói chung dưới cầu được tính theo nguyên lý cân bằng giới hạn lượng phù sa đối với dòng chủ và những phần dòng chảy có vận tốc chuyển phù sa của giáo sư O.V.Andreev [10]
Công thức xác định chiều sâu nước chảy sâu khi xói như sau:
Trong đó: βch= : Hệ số tăng lưu lượng dòng chủ so với lúc tự nhiên, m.
Do sau khi xói dòng chủ phát triển ra toàn cầu ( chiều sâu sau khi xói ở bãi sông lớn hơn chiều sâu dòng chủ lúc tự nhiên h’b> hb nên: βch= B=Q/(Qch+Qbc) và B’ch=Lc(1-λ) Với
B: Hệ số tăng lưu lượng toàn bộ hay hệ số tăng lưu lượng trung bình tại mặt cắt dưới cầu
Q: Lưu lượng tính toán toàn bộ; tính bằng lưu lượng thiết kế + lưu lượng nước dâng trước cầu Q= 7620,98 m 3 /s
Qch, Qbc: lưu lượng chảy qua dòng chủ và bãi sông lúc tự nhiên m 3 /s
Từ bảng tính hình thái đoạn sông với htk= 3,63( lấy theo mực nước thiết kế) ta tính được:
Qbcr8,04 m 3 /s hch, h'ch : Chiều sâu nước chảy tại dòng chủ trước (lúc tự nhiên) và sau khi xói, m
Bch, B'ch: Chiều rộng dòng chủ trước và sau khi làm cầu, m
Lc: Khẩu độ cầu kể cả trụ, LcU3,11 m λ: Hệ số thu hẹp do trụ cầu choán vào dòng chảy, λ=btr\lnh λ=0,039
Thay các giá trị vào (*) ta được: Ở đây ta chỉ xác định được chiều sâu dòng chảy sau khi xói chung, để xác định cao trình đáy sông sau khi bị xói chung, ta phải xác định được chiều cao nước dâng trước cầu. b Xác định chiều cao nước dâng trước cầu
Chiều cao nước dâng trước cầu xác định theo công thức sau O.V.Andreev [10] :
B0: Chiều rộng của sông lúc tự nhiên, B0 = L = 553.11m.
L0: Chiều rộng dòng chảy sau khi đã làm cầu, L0 = 531.71m.
I : Độ dốc dòng sông lúc tự nhiên, I = 0,02544%
: Hệ số thu hẹp chung:
Qtb: lưu lượng toàn bộ của dòng chảy, Qtb = Qmax = 7576,73 (m 3 /s)
QI: Phần lưu lượng chảy qua diện tích ướt dưới cầu, m/s.
Ta có: Vận tốc dòng chảy tại khu vực bố trí cầu Trần Thị Lý khi chưa làm cầu
LKT : Chiều dài của kè từ vị trí tính toán về phía thượng lưu = 8000m
Thay các giá trị vào (**) ta được :
Vậy: - Chiều cao nước dâng trước cầu là: 0,07m
- Cao độ thấp nhất của đáy sông sau khi xói chung:
Xói chung tại vị trí cầu XC = 4,46– 4,28 = 0,18 (m)
4.3.3 Tính xói cục bộ (P = 1%) sử dụng phương pháp vận tốc dòng chảy trung bình một chiều a Xác định xói cục bộ theo công thức của TS Đặng Việt Dũng
Trong đó: hcbmax- Chiều sâu xói cục bộ lớn nhất tại trụ cầu,m y - Chiều sâu dòng chảy tại vị trí dự kiến bố trí trụ có kể đến ảnh hưởng của xói chung , m.
KA-Hệ số thực nghiệm tổng hợp phụ thuộc đường kính hạt vật liệu (tra bảng 1-1)
Ky- Độ nông dòng chảy xác đinh theo công thức n: hệ số thực nghiệm
Kh- Ảnh hưởng của kích thước hạt vật liệu xác đinh theo l: hệ số thực nghiệm
- Vận tốc khởi động của hạt vật liệu
- Sức cản hình dạng lấy theo bảng 2-1
- Bề rộng trụ trụ tính toán, m.
Bảng 4.2: Bảng kết quả tính chiều sâu xói cục bộ theo công thức của
Chiều sâu xói cục bộ h cb
Chiều sâu xói tổng cộng h x
(m) S2 0.7 0.25 2.6 4.14 0.348 0.779 1 0.26 0.012 0.18 0.192 S3 0.7 0.25 2.6 5.06 0.312 0.779 1.08 0.32 0.023 0.18 0.203 S4 0.7 0.25 2.6 7.23 0.256 0.779 1.08 0.46 0.059 0.18 0.239 S5 0.7 0.25 5 6.93 0.376 0.941 0.76 0.44 0.034 0.18 0.214 S6 0.7 0.25 3.4 7.28 0.296 0.846 1.12 0.47 0.060 0.18 0.240 S7 0.7 0.25 2.6 12.26 0.192 0.779 1.12 0.78 0.251 0.18 0.431 S8 0.7 0.25 2.6 12.94 0.186 0.779 1.12 0.83 0.289 0.18 0.469 b Xác định xói cục bộ theo công thức của trường Đại Học Xây Dựng
+ Đối với các trụ cầu nằm trên dòng chủ của sông được xác định theo công thức tính như sau:
(m)+ Đối với các trụ cầu nằm ở bãi sông được xác định theo công thức sau:
(m) Trong đó: hcbmax: Chiều sâu xói cục bộ lớn nhất tại trụ cầu, m.
Kd: hệ số xét đến ảnh hưởng của hình dạng trụ cầu, được lấy bằng 0,1Kζ
Kζ: hệ số hình dạng của Iaratslaxev; xác định theo Phụ lục 4-5 trang 152 – Sổ tay tình toán Thủy Văn, Thủy Lực Cầu Đường – Bộ Giao Thông Vận Tải [1] y: chiều sâu dòng nước chảy tại thượng lưu mũi trụ, m.
VC: tốc độ dòng chảy tại trụ cầu trước khi có xói cục bộ, m/s.
Vox: tốc độ cho phép không xói của lớp đất tại vị trí xói phát triển tới, m/s.Tra bảng 1 trang 135 – Sổ tay tính toán thủy Văn, Thủy Lực Cầu Đường – Bộ Giao Thông Vận Tải ứng với từng loại đất [1] b: chiều rộng tính toán của trụ, m.
Khi hướng dòng chảy xiên góc với tim trụ cầu một góc thì chiều rộng trụ b được thay bằng btt tính toán xác định theo công thức :
(m) (: góc giữa hướng dòng chảy và tim cầu).
Bảng 4.3: Bảng kết quả tính chiều sâu xói cục bộ theo công thức của trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội
Chiều sâu xói cục bộ hcb
Chiều sâu xói chung hc
Chiều sâu xói tổng cộng hx
S8 2.6 12.94 1.96 1.1 2.72 0.18 2.90 c Xác định xói cục bộ theo công thức của I.A Iaroxlatsev
Kξ: Hệ số phụ thuộc vào hình trụ và hướng dòng nước chảy tới trụ, Tra phụ lục 3
Kv:Hệsố tính tới ảnh hưởng của chiều rộng trụ tính toán B và vận tốc chảy tới trụ V
B1: Chiều rộng trụ tính toán.m (Tra phụ Lục 3)
KH: Hệ số phụ thuộc vào chiều sâu nước trước trụ cầu. y: chiều sâu mực nước trước trụ
V: vận tốc dòng nước sau khi xói chung m/s t : Hệ số triết giảm vận tốc theo chiều sâu do đã dùng vận tốc trung bình mà không dùng vận tốc đáy trong công thức tính toán s, lấy t = 0,6
Vox: tốc độ cho phép không xói của lớp đất tại vị trí xói phát triển tới,m/s [10]
Hình 4.8: Sơ đồ tính trụ S2 Trụ S3: SƠ ĐỒ TÍNH
Hình 4.9: Sơ đồ tính trụ S3
Hình 4.10: Sơ đồ tính trụ S4 Trụ S5: SƠ ĐỒ TÍNH
Hình 4.11: Sơ đồ tính trụ S5
Hình 4.12 Sơ đồ tính trụ S6 Trụ S7: SƠ ĐỒ TÍNH
Hình 4.13 Sơ đồ tính trụ S7
Hình 4.14: Sơ đồ tính trụ S8
Bảng 4.4: Bảng kết quả tính chiều sâu xói cục bộ theo phương pháp tính vận tốc trung bình của I.A Iaroxlatsev
Bề rộng trụ tt(Bt) (m)
Vận tốc dòng chảy tới trụ (m/s)
Hệ số phụ thuộc vận tốc (K v )
Chiều sâu xói cục bộ h cb
Chiều sâu xói tổng cộng h x
S2 8.5 1.77 1.23 0.75 0.25 1.1 0.096 0.180 0.276 S3 8.5 2.90 1.23 0.80 0.40 1.1 0.309 0.180 0.489 S4 8.5 4.43 1.23 0.75 0.36 1.1 0.204 0.180 0.384 S5 10 12.76 1.96 0.85 0.90 1.1 4.253 0.180 4.433 S6 8.5 5.70 1.96 0.80 0.60 1.1 2.455 0.180 2.635 S7 8.5 4.79 1.96 0.80 0.60 1.1 2.455 0.180 2.635 S8 8.5 4.96 1.96 0.80 0.60 1.1 2.455 0.180 2.635 d Xác định xói cục bộ theo công thức của Richardson và Davis
Công thức tính chiều sâu xói cục bộ trụ cầu của Richardson và Davis thiết lập năm 1990 có dạng như sau:
(m) Trong đó: y1 : chiều sâu dòng chảy tới trụ, m
Kc: hệ số theo sức cản hình dạng trụ cầu (Theo công thức 2-2)
Kα: hệ số điều chỉnh do góc của dòng chảy so với trụ cầu.(Tra hình 2-9)
K3: Hệ số điều kiện đáy sông =1,1 với điều kiện đáy sông tương đối bằng phẳng
K4 : hệ số gia tăng chiều sâu xói do ảnh hưởng của vật liệu đất lòng sông,
= 1 với D50 = 0,025 mm < 60 mm, hoặc được xác định theo công thức.
Với: VR tỉ lệ vận tốc xác định theo công thức:
V1: vận tốc dòng chảy tại trụ cầu, m/s
Vi : vận tốc khởi động bùn cát, m/s
Vc90 : vận tốc tới hạn của hạt D90 , m/s
Vc50 : vận tốc tới hạn của hạt D50 , m/s b: bề rộng trụ cầu
Bảng 4.5: Bảng kết quả tính chiều sâu xói cục bộ theo công thức của
Chiều sâu xói chung hc
Chiều sâu xói cộng htổng x
S7 1.12 1 1.1 1 2.6 12.26 0.212 0.179 2.26 0.18 2.44 S8 1.12 1 1.1 1 2.6 12.94 0.201 0.174 2.22 0.18 2.40 e So sánh kết quả và lựa chọn công thức phù hợp
Bảng 4.6 : Kết quả so sánh tói xói cục bộ bằng phương pháp vận tốc trung bình 1 chiều với kết quả đo xói
Việt Dũng Đại học Xây Dựng Hà Nội
Richardson và Davis Đo xói tại hiện trường
Hình 4.15: Biểu đồ so sánh các giá trị tính xói so với thực tế f Nhận xét
Kết quả đo xói thực tế tại hiện trường cho thấy, kết quả tính toán xói bằng phương pháp vận tốc trung bình 1 chiều cho kết quả không chính xác so với thực tế thực tế đo xói tại hiện trường Tác giả sẽ lựa chọn công thức của
TS Đặng Việt Dụng áp dụng để tính xói cho trụ cầu Trần Thị Lý vì kết quả tương đối phù hợp với kết quả đo xói thực tế Cho nên tôi sử dụng công thưc tính xói cục bộ của TS Đặng Việt Dũng có kết hợp sử dựng phần mềm River_2D để hiệu chỉnh các tham số trong công thức tính xói cục bộ của TS. Đặng Việt Dũng để áp dụng tính xói cục bộ cho trụ cầu Trần Thị Lý.
4.4 ÁP DỤNG MÔ HÌNH RIVER 2D ĐỂ TÍNH VẬN TỐC DÒNG
CHẢY TẠI TRỤ CẦU TRẦN THỊ LÝ
4.4.1 Thành lập bed trong River 2D
Sử dụng file số liệu địa hình mặt bằng khu vực bố trí cầu Trần Thị Lý được cung cấp dưới dạng file bản vẽ địa hình autocad Lấy tọa độ các điểm theo phương x, y và cao độ của nó dưới dạng file *.txt
Hình 4.16: Bản đồ tính toán khu vực cầu Trần Thị Lý
Sử dụng module River 2d_bed, import file địa hình, ta sẽ có được một bản đồ tọa độ các điểm đo Trong module này thực hiện lệnh tam giác hóa, định nghĩa các đường biên, thiết lập đọ nhám cho phù hợp với một số vùng, thêm và hiệu chỉnh các nút nếu cần…
Lưu file lại dưới dạng file *.bed, là dữ liệu đầu vào khi chạy module River2d_mesh.
Hình 4.17: Dữ liệu *bed sau khi xây dựng 4.4.2 Thành lập mesh trong River 2D
Sử dụng module River 2D-mesh: mở file *bed đã được lưu ở trên Thiết lập điều kiện biên vào và điều kiện biên ra cho bài toán Điều kiện biên vào ở đây là lưu lượng: Q= 7576,73 m 3 Điều kiện biên ra ở đây là mực nước: Htk= 3.63 m
Chia lưới và làm mịn lưới tại những vị trí đặc biệt Chạy module River 2d_mesh và lưu file dữ liệu thành file *.cdg
Hình 4.18: Mở dữ liệu *bed bằng River 2d_mesh
Hình 4.19: Dữ liệu mesh sau khi xây dựng
4.4.3 Kết quả tính toán vận tốc và chiều cao mực nước tại khu vực đặt trụ
Sử dụng module cuối cùng, module River_2d Mở file *.cdg đã được lưu trong mesh để chạy chương trình tính dòng ổn định
Hình 4.20: Độ sâu và vận tốc trung bình theo phương thẳng đứng gần trụ cầu của chương trình River 2D
Kết quả tính toán độ sâu và vận tốc trung bình theo phương thẳng đứng gần trụ cầu của chương trình River 2D dùng để tính xói cầu được cho ở bảng 5-6