Nghiên cứu xói cục bộ ở trụ cầu dạng phức hợp

1 PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu tóm tắt luận án Xói cầu liên quan chặt chẽ đến chế độ dịng chảy sơng, đến tượng xói lở bờ khu vực xây dựng cầu, đến môi trường hai bên bờ sông, đến giá thành xây dựng công trình cầu qua sơng Xói khu vực tr cầu t hợp c a xói tự nhiên, xói chung xói c c bộ; chiều sâu xói c c lớn nh t iệc dự tính chiều sâu h xói c c tr cầu đ nh phần đến chiều sâu đặt móng tr cầu, đến giá thành cơng trình cầu iệc nghiên c u xói c c tr cầu đ người xây dựng cơng trình giao thơng quan tâm t lâu Các nhà nghiên c u đ kiến ngh nhiều phư ng pháp khác đ xác đ nh chiều sâu h xói c c Các nghiên c u ban đầu ch yếu t p trung vào tr cầu đ n, mặt c t ngang tr không thay đ i theo chiều cao tr Nhưng thực tế tr cầu thường có d ng ph c hợp g m thân tr , bệ c c nhóm c c, v y n m gần nhiều nghiên c u tiến hành đ i với tr cầu có d ng ph c hợp tr cầu thực tế xây dựng khai thác Trong lu n án này, tác giả tiến hành nghiên c u xác đ nh chiều sâu h xói c c tr cầu ph c hợp, ngh a tr cầu có đầy đ ba thành phần thân tr , bệ c c nhóm c c đáy c ng đáy cát Nội dung lu n án g m có chư ng; phần mở đầu; kết lu n kiến ngh ; ngồi cịn có phần ph l c: + Phần mở đầu + Chương I T ng quan tình hình nghiên c u xói c c tr cầu tr cầu ph c hợp + Chương II C sở lý lu n giả thiết khoa h c nghiên c u xói c c tr cầu tr cầu ph c hợp + Chương III Thí nghiệm mơ hình xói c c tr cầu ph c hợp + Chương IV Nghiên c u xây dựng công th c dự tính xói c c tr cầu ph c hợp + Kết luận + Kiến nghị hướng nghiên cứu + Phần phụ lục Lý lựa chọn đề tài Theo th ng kê c s p cầu giới c ng iệt Nam, nguyên nhân s p cầu xói cầu chiếm t lệ tư ng đ i lớn H n 85000 cầu b xói c c nghiêm tr ng (Lagasse ccs, 1995) 30 n m qua s khoảng 6000 cầu Mỹ theo dõi đ có h n 1000 cầu b hư hỏng, 60% s xói c c (Briaud ccs, 1999) 86% s 577000 cầu cầu vượt sơng, 26000 cầu b hư h i có nguyên nhân ch yếu xói c c (Richardson ccs, 2001) C c đường liên bang Mỹ (FHWA) cho biết tr n l 1973 đ làm s p 338 cầu, có 25% xói c c tr , 75% xói m ; l 1993 làm s p 23 cầu thượng ngu n sông Mississippi N m 1994 bang Georgia có 500 cầu b hư hỏng (Jones, 2002) Th ng kê cầu b hỏng xói t i Mỹ (1985 ÷ 1995) báo cáo FHWA-RD-03-052 (Mueller Wagner,2005) cho bảng 0.1 Bảng 0.1 Thống kê cầu bị hỏng xói Mỹ (1985÷1995) Đia điểm thời gian Số lượng cầu bị lũ gây cố Pennsylvania, West Virginia, Virginia, 1985 73 New York and New England, 1987 17 Midwestern United States, 1993 >2500 Georgia, 1994 >1000 Virginia, 1995 74 California, 1995 45 Tr n l n m 1976 Nh t cu n trôi 233 cầu, làm hỏng 337 cầu (Holford, 1977) Theo thông kê c s p cầu nước, n m t 1988 đến 1992 đ có 488 cầu b l phá hỏng (Phịng ch ng b o l cho cơng trình giao thơng – Hà Nội 4/1992) Chỉ tính riêng tr n l tháng 12 n m 1999 tỉnh Th a Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ng i, Bình Đ nh, Phú n, Khánh Hịa đ có s cơng trình như: cầu c ng s p trôi 43 cái, cầu c ng hư hỏng 1060 (Ban đ o phòng ch ng l t b o Trung ng “Báo cáo t ng hợp thiệt h i l l t t i miền Trung gây tháng 12 n m 1999”) Thiên tai gây n m 2000 khu vực đ ng sông Cửu Long r t nghiêm tr ng: gần 5.000 cầu, c ng lo i b ng p, hư hỏng nặng, có s b s p (trung tâm dự báo khí tượng th y v n 2008) H nh 0.1 Sập cầu Bung (xã Phú Cần, huyện Krông Pa, Gia Lai) (Nguồn Internet) H nh 0.2 Cầu Xóm Đền (Quảng Ngãi) bị sập trụ bị phá hoại (Nguồn Internet) H nh 0.3 Cầu Đen bắc qua sông nối quốc H nh 0.4 Cầu La Oh (huyện Chư lộ 1A với xã Gò Nổi, huyện Điện Bàn bị Pảh, tỉnh Gia Lai) bị sập mưa lũ làm sập cầu vào mùa mưa năm 2010 lũ làm rỗng đế trụ cầu (Nguồn Internet) (Nguồn Internet) T i huyện Bảo Yên, tỉnh Lào Cai mưa lớn kèm theo gió l c vào r ng sáng ngày 11/5/2013 làm cầu b s p Lúc 12 ngày 5/11/2007, tr cầu s c a cầu Bung (phía x Chư Đr ng, huyện Krông Pa, tỉnh Gia Lai) b đ xu ng sông, làm r i dầm cầu c a nh p nh p Ngay sau b đ , tr s đ b nước l cu n trôi S liệu th ng kê nêu cho th y xói c c tr cầu thực nguyên nhân gây c hư hỏng cầu, m i hi m h a cho ngành giao thông T m i hi m h a đó, địi hỏi có thêm nhiều nghiên c u sâu nhiều góc độ khác cho dự tính ngày tiếp c n gần h n đến độ xác c a việc xác đ nh chiều sâu xói c c tr cầu đ t dễ b xói Đưa ki u móng tr dự tính xác chiều sâu xói v n đề quan tr ng c a thiết kế móng cầu an tồn kinh tế Xói lở chân tr cầu không th tránh, th a chiều sâu xói làm cho thiết kế khơng kinh tế, trái l i đánh giá xói chưa đ dẫn đến thiết kế khơng an tồn n đề xói ph thuộc vào trường dòng chảy quanh tr cầu, trường dòng chảy dịng chảy bao, dịng ngồi đ i với tr , song l i dịng chảy bên c a tồn dịng chảy, dịng hỗn hợp nước bùn cát chảy chiều r t ph c t p tách dòng chân tr t o Tính ph c t p t ng lên thời gian l tính khơng n đ nh c a dòng chảy c ng tác động tư ng hỗ c a dịng chảy với cơng trình cầu Dịng chảy tư ng tác th y động lực với tr đ t chân tr q trình hình thành h xói Trường dịng chảy làm thay đ i dịng chảy bình thường t o c chế xói diễn biến q trình xói xung quanh tr Hiện với yêu cầu mặt kinh tế - kỹ thu t, tr cầu thường thiết kế d ng hình h c ph c hợp (Hình 0.5 đến Hình 0.9) D ng tr ph c hợp ph biến nh t giới c ng nước ta tr cầu g m thân tr , bệ c c đặt hệ th ng c c Đến nay, việc tính xói cho lo i tr chưa phản ánh c chế dòng chảy bùn cát tác động vào tr hệ th ng c c Do kết tính c a phư ng pháp sai khác sai khác với s liệu đo xói thực tế cầu khai thác Xu t phát t thực tế tác giả ch n đề tài nghiên c u: "Nghiên cứu xói cục trụ cầu dạng phức hợp" với mong mu n làm sáng tỏ phần yếu t ảnh hưởng đến xói c c tr cầu ph c hợp A MAT BANG Dong chay C A C A-A Lf h C-C bc h bpg T Lpg Hcol S D LU Lc LU Lf Hpc (coc) D Hình 0.5 Mơ hình trụ cầu phức hợp Mục tiêu nghiên cứu - Phân tích yếu t ảnh hưởng đến xói c c tr cầu - Nghiên c u thay đ i lưu t c xung quanh tr cầu ph c hợp - Phân tích ảnh hưởng c a thân tr , bệ c c nhóm c c đến xói c c tr cầu ph c hợp - Kiến ngh cơng th c dự tính chiều sâu h xói c c tr cầu ph c hợp (Tû lƯ : 1/200) Hình 0.6 Trụ cầu Vĩnh Tuy Hình 0.7 Trụ cầu Thanh Tr Hình 0.8 Trụ cầu Cao Lãnh Hình 0.9 Trụ cầu Vàm Cống Đối tượng nghiên cứu - Nghiên c u tác động c a dòng chảy bùn cát đến tr cầu ph c hợp Phạm vi nghiên cứu - Dòng chảy n đ nh - t liệu đáy cát đ ng nh t - Tr đặt song song với dòng chảy ngh a hoa học thực ti n đề tài - Tính tốn thu lực cầu nói chung xói c c tr cầu nói riêng v n đề ph c t p, liên quan đến nhiều v n đề quy ho ch giao thông, thu lợi, giao thông đường thu , xói lở bờ sơng, đó, cơng trình nghiên c u phải đưa giả thiết khác đ h n chế yếu t ảnh hưởng đến chiều sâu h xói dẫn đến kết có sai khác sai khác với thực tế ì v y việc nghiên c u xói c c tr cầu tr cầu ph c hợp v n đề cần tiếp t c nghiên c u sâu h n đ có nhìn rõ h n xói c c tr cầu - Chiều sâu h xói c c tr cầu đ nh đến phần nhiều đến chiều sâu đặt móng c a tr cầu, v y đ nh đến giá thành cơng trình cầu Như v y việc dự tính tư ng đ i xác chiều sâu h xói c c tr cầu có ý ngh a thực tiễn công tác xây dựng cầu CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XĨI CỤC BỘ TRỤ CẦU VÀ TRỤ CẦU PHỨC HỢP Xói c c t i tr cầu theo nhà nghiên c u h th p c c cao độ đáy sơng quanh tr tính t đường xói chung Chiều sâu xói c c tr tr s quan tr ng không th thiếu đ đưa vào cơng th c xác đ nh chiều sâu đặt móng tr cầu qua sơng Đến đ có nhiều nghiên c u xói c c tr cầu c ng nước Các nghiên c u thường tiến hành theo hướng: - Sử d ng nguyên lý đ ng th nguyên đ phân tích s liệu thí nghiệm phịng s liệu đo xói thực tế cầu khai thác, t rút cơng th c bán thực nghiệm đ dự tính chiều sâu h xói c c lớn nh t Quan hệ thường ph thuộc vào b n nhóm yếu t đặc trưng ch t lỏng (nước), dòng chảy, v t liệu đáy sông tr cầu - Nghiên c u c chế hình thành xói c c tr cầu phịng thí nghiệm, sau dùng s liệu thí nghiệm phịng s liệu đo đ c thực tế đ rút công th c dự tính chiều sâu h xói - Nghiên c u giải pháp ch động phịng xói t i tr cầu, giảm hay kh ng chế c chế hình thành xói nghiên c u hình d ng tr cầu hợp lý nhằm giảm t i đa xoáy xung quanh tr , nghiên c u cải t o đ a ch t đáy sông xung quanh tr nhằm giảm ảnh hưởng c a dịng chảy đến đáy sơng Điều cho ph p giảm chiều sâu đặt móng c a tr cầu giúp giảm giá thành cơng trình - Sử d ng mơ hình s giải hệ phư ng trình Navier-Stokes với mơ hình k khác Nội dung c a lu n án nghiên c u xói c c tr cầu ph c hợp (g m thân tr , bệ c c nhóm c c), nghiên c u xói c c tr cầu ph c hợp c a tác giả coi tr cầu ph c hợp (hoặc ph n c a tr cầu ph c hợp) tr cầu đ n tư ng đư ng đ tính tốn ì v y chư ng này, trước hết lu n án trình bày tóm t t nghiên c u tr cầu đ n giới c ng iệt Nam, sau lu n án sâu vào phân tích nghiên c u xói c c tr cầu ph c hợp Phân loại ói cục b Khi tính xói c c tr cầu cần phân biệt c chế xói nước xói nước đ c hai lo i xói thay đ i theo thời gian, song m c độ diễn biến khác Xói nước xói h t v t liệu đáy sơng trước vùng xói tr ng thái nghỉ không chuy n động, ng su t tiếp trung bình hay lưu t c trung bình dòng chảy nhỏ h n ng su t tiếp trung bình giới h n hay lưu t c trung bình giới h n mà ng với ng su t tiếp trung bình hay lưu t c trung bình dòng chảy vượt qua làm h t v t liệu chuy n động Khi xói nước trong, kết nhiều nghiên c u cho th y chiều sâu h xói t ng gần tuyến tính với thời gian Xói nước đ c xảy lưu t c trung bình dịng chảy lớn h n lưu t c trung bình giới h n c a v t liệu đáy sơng Trong xói nước đ c bùn cát t thượng lưu liên t c c p vào h xói xói đ t cân có cân bùn cát t thượng lưu chuy n h xói với lượng bùn cát b cu n t h xói h lưu Xói ch u ảnh hưởng c a lưu t c dòng chảy, dao động theo thời gian phù hợp với hình d ng đáy cát di chuy n đến tr Đ phân biệt hai lo i xói trên, nghiên c u sử d ng lưu t c khơng xói Vc (hay Vo) lưu t c trung bình đ phân biệt chế độ xói [2], [20], [34], [36]: ≤ 0,5 c – khơng có xói 0,5Vc < V ≤ Vc – xói nước V > Vc - xói nước đ c C ch ói cục b trụ cầu Tr cầu dịng chảy, làm hình thành dịng chảy bao quanh tr , song dòng chảy l i dịng chảy sơng Chính hai tính ch t c a dòng chảy kết hợp với bùn cát đ t o c u trúc động h c dòng chảy ph c t p t i tr cầu T i chân 10 tr cầu hình thành vùng khác c a diễn biến dịng sơng, vùng ngồi – vùng khơng ch u ảnh hưởng c a tr vùng vùng ch u ảnh hưởng trực tiếp c a tr Ở vùng ngoài, chế độ bùn cát đáy b chi ph i điều kiện c a dòng chảy tự nhiên b thu hẹp chiều dài cầu mà đ i bi u t c độ trung bình tới h n Vc (t c độ khơng xói) hay ng su t tiếp trung bình tới h n τc; vùng ch u ảnh hưởng c a tr vùng đặc biệt, vùng dòng chảy b nhiễu động áp su t, t c độ mà n đ nh c a bùn cát có quy lu t riêng c a dịng chảy h xói Bùn cát b cu n vào hệ th ng xốy có d ng móng ngựa b chi ph i c u trúc tính ch t c a hệ th ng xốy [2] Cho đến đ có nhiều nghiên c u mô tả c u trúc động h c c a dòng chảy ch u ảnh hưởng c a tr đáy khơng xói nghiên c u c a tác giả Nguyễn Xuân Tr c [4], Trần Đình Nghiên [2], I.A.Iaraslavtsev, A.M.Latushenkov, A.M.Juravlev, A.G.Arkhipov, V.S.Altunin, Quada, Tison, Keutner, Posey, Laursen Toch [25], Neill [29], Roper, Schneider Shen [35], Mellvile [26], Padmini K ccs [32], Các nghiên c u đặc m c c a dòng chảy chân tr dịng chảy có c u trúc xốy hay hệ th ng xốy phát tri n chân tr (Hình 1.1), c chế xói c c a xói c c chân tr Tùy thuộc vào hình d ng tr điều kiện biên c a dòng chảy đến tr mà c u trúc xốy có th một, hai hay t t hệ th ng xoáy c sau [34], [36]: - Hệ th ng xoáy mặt nước trước tr ngược chiều dịng chảy - Hệ th ng xốy có d ng hình móng ngựa mặt chân tr - Hệ th ng xoáy tr c gần đ ng sau tr Hình 1.1 Sơ đồ dịng chảy hệ thống xốy quanh trụ trịn [34], [36]