Bài giảng Công trình chỉnh trị luồng tàu và ổn định đường bờ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơng trình - Bộ mơn Cơng trình Cảng - Đường thủy CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ LUỒNG TÀU VÀ ỔN ĐỊNH ĐƯỜNG BỜ Giảng viên: Dương Đức Toàn Email: duongductoan@tlu.edu.vn Điện thoại: 0934.469.181 LỊCH HỌC • Thời gian, địa điểm: • tuần, từ 03/02 ÷ 29/03/2020 • Thứ - Tiết 1, 2, - Phịng 339 A3 • Thứ - Tiết 1, 2, - Phòng 341 A3 KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ • Đánh giá: • Hình thức: Thi viết • Thời gian thi: 90 phút • Trọng số điểm trình: 30% • Trọng số điểm thi kết thúc mơn học: 70% NỘI DUNG MƠN HỌC • Chương 1: Mở đầu • Chương 2: Dịng chảy sơng ngịi • Chương 3: Quy hoạch chỉnh trị sơng • Chương 4: Kết cấu cơng trình chỉnh trị • Chương 5: Chỉnh trị đoạn sơng uốn khúc ghềnh cạn • Chương 6: Chỉnh trị đoạn sông phân lạch đoạn nhập lưu • Chương 7: Chỉnh trị đoạn sơng có cầu vượt GIẢNG VIÊN • TS Dương Đức Tồn • PGS TS Mai Văn Cơng • TS Lê Tuấn Hải TÀI LIỆU THAM KHẢO • Động lực học sơng biển - Nguyễn Bá Quỳ, Phạm Thị Hương Lan - Đại học Thủy lợi • Chỉnh trị sơng - Nguyễn Bá Quỳ, Phạm Thị Hương Lan - Đại học Thủy lợi • Đường thủy nội địa - Lương Phương Hậu- Đại học Xây dựng TÀI LIỆU THAM KHẢO • Cẩm nang thiết kế xây dựng cơng trình thủy Trần Đình Quang NXB Giao thơng vận tải, 2012 • Diễn biến cửa sông vùng đồng Bắc Lương Phương Hậu, Trịnh Việt An, Lương Phương Hợp NXB Xây dựng, 2002 • River training techniques B Przedwojki, R Blazejewski, K.W Pilarczyk Rotterdam, 1995 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơng trình - Bộ mơn Cơng trình Cảng - Đường thủy CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ LUỒNG TÀU VÀ ỔN ĐỊNH ĐƯỜNG BỜ CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Giảng viên: Dương Đức Toàn Email: duongductoan@tlu.edu.vn Điện thoại: 0934.469.181 NỘI DUNG CHÍNH • Vai trị giao thông vận tải thủy đặc trưng kinh tế kỹ thuật đường thủy nội địa • Luồng tàu thủy • Sơ lược loại tàu hoạt động tuyến đường thủy nội địa • Phân loại, phân cấp đường thủy nội địa • Cảng sơng, bến tàu nội địa 1.1 VAI TRÒ CỦA GIAO THÔNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN 1.1 VAI TRỊ CỦA GIAO THƠNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN • Giao thơng vận tải khơng tạo giá trị vật chất song thúc đẩy q trình sản xuất, đưa nguyên vật liệu, sản phẩm đến người tiêu thụ • Giao thơng vận tải thuỷ ngành giao thơng khác, chiếm vị trí quan trọng • Ngành vận tải thuỷ bao gồm vận tải ven biển, đại dương vận tải thuỷ nội địa 1.1 VAI TRỊ CỦA GIAO THƠNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN • GTVT thuỷ nội địa tiến hành sông suối thiên nhiên, hồ thiên tạo nhân tạo, sông kênh hóa kênh nhân tạo, chủ yếu sơng thiên nhiên • GTVT thủy so với GTVT khác có giá thành rẻ Việt Nam nước có mạng lưới giao thơng thuỷ phát triển Do giao thơng thuỷ Việt Nam đóng vai trị quan trọng 1.1 VAI TRỊ CỦA GIAO THÔNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN Các tuyến vận tải đường thủy nội địa (Nguồn: Cục đường thủy nội địa http://viwa.gov.vn) 1.1 VAI TRÒ CỦA GIAO THƠNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN • Hiệu vận tải thuỷ nội địa phụ thuộc vào yếu tố sau: • Giá thành vận chuyển • Tốc độ vận tải • Năng lực thông qua • Tính chất hàng hố • Tính liên tục, tính quy luật • Mức bảo đảm 1.1 VAI TRỊ CỦA GIAO THƠNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN • Giá thành vận chuyển: vận tải thuỷ nội địa đơn thuần, giá thành vận chuyển bao gồm: giá khấu hao, giá đầu tư, chi phí quản lý tu, trả lương nghĩa vụ với xã hội, chi phí nhiên liệu, chi phí bảo hiểm chi phí khác • Tốc độ vận tải: so với đường sắt, tốc độ vận tải đường thuỷ tương đối chậm Thông thường, chiều dài đường thuỷ thực tế dài gấp 1.5÷2.0 lần khoảng cách vị trí đầu vị trí cuối, đặc điểm uốn khúc sơng thiên nhiên Trong đường sắt, hệ số 1.2÷1.5 1.1 VAI TRỊ CỦA GIAO THƠNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN 1.1 VAI TRỊ CỦA GIAO THƠNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN 1.1 VAI TRÒ CỦA GIAO THÔNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN 1.1 VAI TRỊ CỦA GIAO THƠNG THỦY TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN • Năng lực thơng qua: sông lớn, không bị khống chế tĩnh không chiều rộng, lực thông qua đường thuỷ gần khơng hạn chế, khơng bắt buộc phải tránh nhau, vượt nơi quy định Trên sơng kênh hố, lực thơng qua bị hạn chế phải qua âu cơng trình nâng tầu • Tính chất hàng hố: phương tiện vận tải thuỷ vân chuyển loại hàng hố có khối lượng lớn, kích thước cồng kềnh như: quặng, than, VLXD, máy móc lớn v.v Một sà lan 800÷1000 tương đương với đồn tàu hoả 7.2 TÍNH TỐN DÂNG NƯỚC Ở THƯỢNG LƯU CẦU • Yếu tố ảnh hưởng đến trị số dâng mực nước tỷ lệ ép dòng M (tỷ số phần lưu lượng qua khoang cầu chưa xây dựng tổng lưu lượng), số trụ cầu, kích thước, hình dạng phương vị, tính đối xứng cầu mặt cắt ngang, góc lệch cầu hướng dịng chảy mùa lũ • Bradley (Hydraulics of Bridge Waterways, 1973) dùng định luật bảo toàn lượng hai mặt cắt xuất dâng nước lớn mặt cắt phục hồi mực nước bình thường hạ lưu để suy cơng thức tính trị số dâng nước cực đại 7.2 TÍNH TỐN DÂNG NƯỚC Ở THƯỢNG LƯU CẦU • Trị số dâng nước cực đại Z: • Trong đó: K: hệ số dâng nước tổng hợp; 1, 2: hệ số sửa chữa động mặt cắt dâng nước cực đại đoạn thu hẹp; A1: diện tích mặt cắt nước mặt cắt (bao gồm phần nước dâng); A2, A4: diện tích mặt cắt mực nước bình thường mặt cắt 4; V2: lưu tốc trung bình phần nén ép (hoặc Q/A1); Q: tổng lưu lượng thiết kế 7.2 TÍNH TỐN DÂNG NƯỚC Ở THƯỢNG LƯU CẦU • Trị số dâng nước cực đại Z: • Để đơn giản, xác định theo cơng thức: • Trong đó: : hệ số phụ thuộc vào sức cản dịng chảy vào khoang cầu; V: lưu tốc trung bình cầu, xác định theo tính chống xói đất; V0: lưu tốc trung bình mặt cắt đoạn thượng lưu cầu • Phạm vi dâng nước tính sau (với J độ dốc lịng sơng): 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Độ sâu xói lở lịng sơng cầu quan trọng để xác định độ chôn sâu trụ cầu mố cầu cách kinh tế an tồn • Xói lịng sơng gần cầu có loại: • Xói diễn biến tự nhiên lịng sơng gây nên • Xói phổ biến dịng chảy bị thu hẹp bề rộng • Xói cục kết cấu dòng chảy quanh trụ cầu, mố cầu • Ba loại xói có liên quan với Độ sâu cực đại quanh trụ cầu xác định cuối sau xét đến cách tổng hợp ba loại biến hình 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Xói diễn biến tự nhiên: chia thành loại • 1) Xói tập trung dao động trục động lực Loại biến hình khơng thể tính tốn cách xác, thơng qua phân tích số liệu thực đo, điều tra lịch sử để dự báo Cũng nghiên cứu mơ hình vật lý để xác định • 2) Biến hình theo phương dọc q trình phát triển tự nhiên dịng sơng (cắt gọt sông vùng núi, bồi lắng sông đồng bằng) Loại biến hình chậm, khơng xét đến 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Xói diễn biến tự nhiên: chia thành loại • 3) Tác động cơng trình thượng lưu làm thay đổi q trình tạo lịng hạ lưu • Trong thiết kế cầu, thường khơng sử dụng tài liệu đo đạc thực tế mặt cắt cầu mà lấy mặt cắt phụ cận có độ sâu lớn làm mặt cắt thiết kế, lấy độ sâu cực đại lưu lượng đơn vị cực đại mặt cắt làm thiết kế 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Tính tốn xói phổ biến: • Giả thiết rằng, trước phần lưu lượng thơng qua vị trí khoang cầu trạng thái tự nhiên Q, tổng lưu lượng Q0 • Sau xây dựng cầu, tồn lưu lượng Q0 chảy thông qua khoang cầu Số lần tăng lên lưu lượng khoang cầu Q0/Q Trong điều kiện dòng chảy thuận lợi, giả thiết lưu lượng phần lòng phần bãi khoang cầu tăng lên tỷ lệ, ta có: 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Tính tốn xói phổ biến: • Trong đó: • Qt-o, Qt: lưu lượng qua phần bãi khoang cầu trước sau có cầu • Qc-o, Qc: lưu lượng qua phần lòng khoang cầu trước sau có cầu • : hệ số tỷ lệ • Do đó, ta có: 10 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Tính tốn xói phổ biến: • Khi tính tốn xói phổ biến, tách riêng phần bãi phần lịng • Cho n J khơng đổi theo phương ngang, dùng cơng thức Manning tìm lưu lượng đơn vị thủy trực sau xây cầu chưa bị xói trị số trung bình qbj trung phần khoang cầu tương ứng 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Tính tốn xói phổ biến: • Giả thiết khơng tính đến tác dụng dâng nước cầu, lưu lượng đơn vị thủy trực trước lúc xây dựng cầu là: • Một cách gần đúng, lấy gần h'pj = hpj, ta có: 11 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Tính tốn xói phổ biến: • Trong đó: • h, hpj, B: độ sâu thủy trực bất kỳ, độ sâu thủy trực trung bình (khơng bao gồm phần không gian mố cầu chiếm) chiều rộng phần khoang cầu mặt cắt thiết kế chưa xói • h'pj: độ sâu trung bình phần khoang cầu lúc chưa có cầu (bao gồm khơng gian trụ cầu chiếm) • : tỷ lệ tổng chiều rộng mố cầu khoang cầu chiều rộng tổng cộng • : hệ số co hẹp cục mố cầu tạo 7.3 TÍNH TỐN XĨI LỊNG SƠNG VÙNG GẦN CẦU • Tính tốn xói phổ biến: • Sau tìm q tính tốn độ sâu dịng chảy lớn sau xói phổ biến là: • Trong đó, vkd lưu tốc khởi động 12 7.4 TÍNH TỐN XĨI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU • Xói cục lịng sơng quanh trụ cầu sản sinh tác dùng cản dòng trụ cầu, làm thay đổi kết cấu dịng chảy • Một mặt, hai mặt bên trụ cầu xuất hiện tượng dòng chảy tập trung, làm cho động tăng lên Mặt khác, sau gặp trở ngại, phần động dịng chảy chuyển thành • Do không đồng phân bố lưu tốc thủy trực phân bố nhỏ to áp lực, vị trí thấp cao trình điểm có lưu tốc cực đại thủy trực hình thành mặt phân giới 7.4 TÍNH TỐN XĨI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU • Dịng chảy mặt phân giới sau gặp vật cản hướng lên mặt nước, làm mặt nước dâng cao • Dịng chảy phía mặt phân giới sau gặp vật cản chui xuống đáy, hình thành dịng chảy hạ thấp vùng gần đáy sơng hình thành dịng xốy trục ngang từ đáy cuộn lên • Dịng xốy kết hợp với dịng chảy đáy tập trung từ thượng lưu hình thành hệ thống xốy hình móng ngựa bao quanh hai bên trụ cầu, chuyển động xi 13 7.4 TÍNH TỐN XĨI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU 7.4 TÍNH TỐN XĨI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU • Dưới tác dụng hệ thống xoáy này, xung quanh trụ cầu (đầu tiên mũi đầu trụ), bùn cát lịng sơng xới lên mang hạ lưu, hình thành hố xói • Bùn cát xới lên, dịng xốy mang đến phần trụ, dịng xốy ngóc lên, bùn cát rơi xuống hình thành luống cát dài Dần dần, độ sâu hố xói tăng lên, khả tải cát dòng chảy yếu đi, chúng cân xói cục dừng lại • Hố xói trước trụ thường có hình nón, mái dốc tương đương với góc nghỉ nước bùn cát 14 7.4 TÍNH TỐN XĨI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU • Do kết cấu dịng chảy phức tạp, việc tiến hành phân tích xác định biểu thức tốn học cho q trình xói cục trụ cầu gặp nhiều khó khăn • Việc tính tốn chiều sâu hố xói cục quanh trụ cầu chủ yếu dựa vào công thức kinh nghiệm Rất nhiều loại công thức công bố điều kiện ứng dụng có tính chất cục • Ví dụ, cơng thức Jain đề nghị năm 1981: 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Để tiết kiệm đầu tư, hai đầu cầu thường làm đường dẫn • Đường dẫn trụ cầu làm thay đổi lớn đến dòng chảy, gây xói lở bờ sơng, lịng sơng, uy hiếp an tồn thân cầu • Mục đích chỉnh trị đoạn sông gần cầu cải thiện điều kiện nối tiếp dòng chảy thượng, hạ lưu cầu, điều chỉnh kết cấu dịng chảy, tiêu hao lực xói • Ngoài ra, chỉnh trị để tăng cường khả chống xói lịng sơng, bảo vệ mố, trụ cầu, điều chỉnh dòng chủ lưu để thuyền bè qua khoang cầu thuận lợi 15 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Tường dẫn dòng: • Do đường dẫn chặn ngang dòng chảy tràn bãi, buộc dòng chảy chuyển động theo phương ngang, sau lại quay ngoặt gấp để đưa vào khoang cầu thu hẹp, hình thành dịng chảy tập trung xơ xiên vào lịng dẫn, làm giảm chiều dài hữu hiệu khoang cầu, kết cấu dòng chảy hỗn loạn • Để giải vấn đề người ta thường xây dựng tường dẫn dịng • Tường dẫn dòng thường vào mực nước lũ thiết kế để xác định cao trình đỉnh, khơng cho dịng chảy vượt tràn qua 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Tường dẫn dịng: 16 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Tường dẫn dịng: • Nhiệm vụ tường dẫn dịng là: • Ngăn chặn tượng dòng chảy vòng qua mố cầu dịng chảy lũ xói lở bờ • Bảo vệ chống ngập lụt • Thực đường viền thủy động lực học, hướng dòng chảy nối tiếp thuận lợi với thượng, hạ lưu cầu để không xuất dịng chảy xiên, khu nước vật bất lợi 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Tường dẫn dịng: • Cơng trình tường dẫn dịng quan trọng có trường hợp kéo dài hàng số, kinh phí cao thân cầu Vì cần thiết kế cẩn thận, có phải thí nghiệm mơ hình vật lý • Có hai phương pháp thường dùng để vạch tuyến tường dẫn dòng phương pháp Andreev phương pháp Bradley 17 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Bảo vệ trụ cầu: • Khi móng cầu không chôn đủ độ sâu dễ phát sinh cố xói trụ Vấn đề bảo vệ chống xói trụ cầu có tầm quan trọng đặc biệt • Cơng trình phịng hộ cầu móng nơng chia thành: • Phịng hộ tồn khoang: gia cố đá xây, bê tơng, đập ngăn cát 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Bảo vệ trụ cầu: • Cơng trình phịng hộ cầu móng nơng chia thành (tiếp): • Phịng hộ cục bộ: • Trường hợp phịng hộ mặt: gia cố móng đá hộc, bê tơng, mảng bê tơng đúc sẵn, bê tơng phủ móng • Trường hợp phòng hộ lập thể: bệ cọc khoan lỗ đổ đá khung cọc, đóng cừ khoan vữa tạo bờ vây, gia cố móng hóa chất 18 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Bảo vệ trụ cầu: • Cơng trình phịng hộ đá xây bê tơng 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Bảo vệ trụ cầu: • Cơng trình gia cố kiểu mố nhảy • Trong đoạn sơng dốc, xiết, q trình cắt gọt nghiêm trọng, nước lên xói, nước xuống bồi, thường dùng cơng trình phịng hộ kiểu mố nhảy bố trí vị trí thích hợp hạ lưu cầu để ổn định lịng sơng giảm xói, bảo vệ an tồn cho móng cầu • Bề mặt cơng trình kiểu mố nhảy yêu cầu xây đá hộc, độ dày không nhỏ 40cm, bề rộng đỉnh không nhỏ 50cm 19 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Bảo vệ trụ cầu: • Cơng trình gia cố kiểu mố nhảy 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Bảo vệ trụ cầu: • Phịng hộ trụ cầu cơng trình hồn lưu • Trong đoạn sơng có nhiều bùn cát đáy, dùng cơng trình hồn lưu dạng Potapov để bảo vệ trụ cầu • Cơng trình hồn lưu dạng ngưỡng ngầm: cao (0.3÷0.5)H với H chiều sâu dòng chảy mùa kiệt gần trụ Tuyến trục ngưỡng ngầm tạo với dịng chảy góc  khoảng 12ữ18o ã Cụng trỡnh hon lu dng phao ni hoc chắn dịng mặt: sử dụng vùng có mực nước biến đổi nhỏ, dịng chảy khơng q xiết Số lượng khoảng 3÷4 tấm, đặt với khoảng cách chiều rộng trụ cầu 20 7.5 CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ • Bảo vệ trụ cầu: • Phịng hộ trụ cầu cơng trình hồn lưu 21