Xói cục bộ ở trụ cầu đối với địa chất l hạt thô TS. trần đình nghiên Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn i. Giới thiệu chung về xói cục bộ trụ cầu qua sông Xói lở là một hiện tợng tự nhiên của dòng chảy do dòng nớc tác động vào đáy và bờ sông là địa chất dễ bị xói. Tại vị trí cầu bắc qua sông xói làm mất ổn định trụ và mố cầu, nhìn chung chiều sâu xói phụ thuộc vào các tính chất của dòng chảy, vật liệu đáy sông (thành phần hạt, lớp địa chất, dạng hạt, cỡ hạt, đất rời hay đất dính), kích thớc, hình dạng trụ và hình thức bảo vệ phòng ngừa xói. Trờng hợp nguy hiểm nhất xảy ra đối với trụ khi xói tự nhiên lớn nhất, xói chung lớn nhất và xói cục bộ tại trụ lớn nhất lại xảy ra đồng thời. Xói cục bộ trụ cầu là xói làm hạ thấp cao độ đáy sông ngay tại chân trụ do chính trụ gây ra tính từ cao độ đáy sông sau xói chung tơng ứng với lũ thiết kế. Nghiên cứu [1] ữ [3] đã chỉ ra cơ chế gây xói cục bộ và kiến nghị công thức dự đoán độ sâu xói cục bộ h c (công thức (1)) tại chân trụ cầu qua sông khi độ sâu dòng chảy sau xói chung thay đổi từ 1,30 m ữ 18,00 m, chiều rộng trụ tới 6,00 m và tốc độ dòng chảy sau xói chung tới 2,50 m/s đồng thời đờng kính hạt đáy sông tới 1,53 mm. Công thức có sai số tơng đối: %5,21 h hh % cd cdct = = hay 2,179,0 h h cd ct ữ= = KK v v bhKh n ng xchc (1) trong đó: 77,0n;24,1K = = khi và 0 vv < 1 v v vd (xói nớc trong). K = 1,11; n = 1,0 khi và 0 vv > 1 v v vd > (xói nớc đục). K và lần lợt là các hệ số ảnh hởng hớng dòng chảy tới trụ và ảnh hởng của móng trụ, lấy theo quy trình hiện hành. K v, m/s là tốc độ dòng chảy trớc trụ sau xói chung. v 0 = 3,6 4 xch d.h , m/s là tốc độ không xói và d,h xch có đơn vị là mét. 100 dp d ii = , và lần lợt là đờng kính trung bình và phần trăm theo trọng lợng i d (%)p i Khoa Công trình - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Bi báo nêu khả năng mở rộng công thức mới do tác giả kiến nghị tính xói cục bộ trụ cầu qua sông đối với địa chất l hạt thô có đờng kính trung bình từ 90 mm đến 150 mm rút ra từ các cầu đang khai thác. Su mmary: New design equation for local scour around bridge piers applied to coarse beds grained from 90 mm to 150 mm in the field data is presented. của nhóm thứ i khi phân tích hạt địa chất đáy sông. 2 dd d 1ii i + + = s/m, d h ghv 06,0 xch 3 xchng = , là tốc độ ngừng xói trong hố xói (2) s/m,ghv 3 xchkhd = , là tốc độ khuấy đục đáy hố xói. s/m, 100 p ii = , là độ thô thủy lực của bùn cát lấy theo bảng 1. 2 1ii i + + = , (%)p, ii lần lợt là độ thô thủy lực và phần trăm theo trọng lợng của nhóm hạt thứ i của địa chất đáy sông. II. Dòng chảy quanh trụ có địa chất l lớp hạt thô (cuội sỏi) Dòng chảy chảy trên lớp hạt thô có đờng kính trung bình từ 90 mm đến 150 mm là những loại dòng chảy không hoàn toàn tơng tự nh dòng chảy trong lớp biên là hạt nhỏ, dù là không di động hay di động; đó là vấn đề phân phối tốc độ trung bình, cờng độ rối và lực cản ở đáy dòng chảy, đặc biệt là khi lớp sỏi sạn đáy có thể bắt đầu di chuyển chậm. Khi dòng chảy có 1 oc 0 thì sức cản dòng chảy đáy ở trạng thái phân giới và áp lực mặt tác dụng lên đáy với cỡ hạt đã cho phải là nhỏ nhất, quy luật lôgarít của phân phối tốc độ hầu nh phù hợp trong phạm vi h y )75,0035,0( ữ . Trụ cầu đặt vào dòng chảy nh vậy sẽ chịu ảnh hởng lớn của cấu trúc thủy lực dòng chảy ngoài, làm ảnh hởng đến cơ chế xoáy và độ sâu xói cục bộ ở trụ. Khi độ thô tơng đối của hạt so với trụ 128,0 b d 033,0 << thì phần lớn năng lợng của dòng chảy dọc theo thân trụ bị mất đi trong lớp hạt thô, khả năng xoáy tỷ lệ lớn yếu. Nếu hạt thô hơn nữa thì xói sẽ chỉ xảy ra dọc hai bên trụ, sau đó lan ra trớc trụ và sau trụ. Khi chiều sâu tơng đối của dòng chảy đối với trụ nhỏ ( b h xch nhỏ) thì xoáy ngợc chiều dòng chảy hình thành tại mặt nớc khi va đập vào trụ giống nh sóng ở mũi tàu, tác động vào xoáy dạng móng ngựa xuôi chiều dòng chảy ở chân trụ, làm suy yếu, ngăn cản xoáy này và thay đổi chiều của xoáy chân trụ, làm giảm chiều sâu xói ở trụ. Khi tỷ số 1 b h xch , tốc độ dòng chảy gần tốc độ giới hạn xói thì dòng chảy ở phía sau trụ hình thành nh một vật cản làm thay đổi chiều dòng chảy, suy yếu năng lợng dòng trong lớp biên bao trụ và làm giảm đáng kể xói cục bộ [1]. áp dụng kết quả đã đạt đợc về cơ chế xói và những thay đổi cấu trúc dòng chảy ngoài và trong lớp biên bao trụ đối với hạt thô (cuội sỏi) cho trờng hợp trong thực tế đối với trụ trong lớp cuội sỏi có mm15090d ữ= nhằm tìm ra khả năng mở rộng sự áp dụng công thức (1) cho địa chất là hạt thô. Iii. Đánh giá công thức kiến nghị bằng số liệu thực tế ở cầu đang khai thác Kết quả đánh giá và so sánh công thức kiến nghị (1) với công thức hiện hành của quy trình Nga (Juravlev M. M) và công thức hiện hành của Mỹ (Richardson và đồng tác giả) khi sử dụng 24 số liệu về xói cục bộ ở các cầu đang khai thác cho trong bảng 2. Bảng so sánh công thức (1) với công thức (J - Nga) và công thức (R - Mỹ) với chiều sâu Khi 1 v v khd > thì n 0,1 xói cục bộ ở các cầu đang khai thác khi hạt có cd h mm15090d ữ= . 1 = và khi 1 v v khd thì n 67,0 2 = . Công thức của quy trình Mỹ: 43,0 65,0 xch 321xchc Fr h b KKKh2h = (4a) xch xch gh v Fr = (4b) Công thức của quy trình Nga: 2 n ng xch 0,4 xch 0,6 c KK v v h1,1bh = ( ) (3a) 0 vv = KK v v bh1,1h 2 n, 1 n ng xchc ( 0 vv > ) (3b) d (mm) (m/ s) d (mm) (m/ s) d (mm) (m/ s) 7 10 15 20 25 30 40 0,297 0,352 0,430 0,492 0,548 0,600 0,689 50 60 80 100 120 140 160 0,769 0,842 0,969 1,080 1,190 1,280 1,370 180 200 250 300 350 400 500 1,45 1,52 1,70 1,86 2,01 2,15 2,40 Bảng 1. Độ thô thủy lực của bùn cát phụ thuộc vo d (mm) d (mm) (m/ s) d (mm) (m/ s) d (mm) (m/ s) 0,01 0,03 0,05 0,08 0,10 0,25 0,20 0,00007 0,00062 0,00178 0,00443 0,00692 0,01557 0,02160 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60 0,80 1,00 0,0270 0,0324 0,0432 0,0540 0,0648 0,0807 0,0944 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 0,126 0,153 0,177 0,193 0,209 0,223 0,249 Bảng 2 Tính v so sánh công thức (1), (3) v (4) TT h xch (mm) b (mm) d (mm) v (m/s) v 0 (m/s) v khd (m/s) v ng (m/s) 1 1,1 2,00 100 1,62 2,073 2,267 2,618 2 1,0 2,00 100 2,02 2,024 2,196 2,521 3 2,1 2,11 120 2,84 2,551 2,905 3,449 4 0,8 2,00 100 2,06 1,915 2,039 2,310 5 4,7 2,50 140 2,93 3,242 3,893 4,810 6 1,7 2,00 120 2,50 2,419 2,707 3,174 7 1,6 2,00 120 2,49 2,383 2,653 3,100 8 1,1 2,00 100 2,00 2,073 2,267 2,618 9 4,0 2,36 150 3,33 3,168 3,732 4,545 10 1,9 2,00 120 2,09 2,488 2,810 3,316 11 1,1 2,00 100 1,48 1,194 2,267 2,618 12 3,8 2,41 130 2,61 3,018 3,584 4,388 13 1,6 2,00 100 1,38 2,277 2,569 3,034 14 1,0 2,00 90 1,02 1,972 2,158 2,493 15 1,3 2,00 100 2,38 2,162 2,397 2,796 16 3,3 2,00 130 2,60 2,914 3,419 4,152 17 2,0 2,00 110 1,23 2,466 2,813 3,348 18 1,6 2,00 110 1,18 2,332 2,612 3,067 19 1,0 2,00 110 1,13 2,073 2,233 2,549 20 2,6 2,30 120 2,82 2,691 3,119 3,751 21 2,2 2,15 120 2,63 2,580 2,950 3,515 22 0,4 1,50 34 0,95 1,229 1,360 1,577 23 1,2 2,00 100 2,46 2,119 2,334 2,709 24 1,4 2,00 100 2,71 2,202 2,457 2,879 Kết b chỉ ra: - Tỷ c quả ở ảng 2 đối với 24 trờng hợp số xói ục bộ thực tế b h cd thay đổi từ 0,42 đến - C n 5 2,41 m ( - Tỷ 1,49. hiều rộ g trụ thay đổi từ 1, m đến chủ yếu là 2,0 m). số b h x (một trờ - Đ ín ch thay đổi từ 0,4 đến 1,88 ng hợp là 0,27). ờng k h d dao động từ 90 mm ữ 150 mm 1 , chỉ có trờng hợp m34 m ; tỷ sd = ố b d dao động từ ,023). 0,045 đến 0,065 (một trờng hợp là 0 - Công thức kiến nghị có sai số tơng đối %; % = cd h cdct hh , (%) dao động từ 23,21% đến ơn h 9% ữ và g ỏ hơn từ 3 ôn ủa n hành d ng +23,17%, trong đó có 10 trờng hợp dao động d g (+) (tín lớn hơn thực tế) từ 23,17% 7 trờn hợp âm (-) (tính nh thực tế) 10% ữ 2 ,21%. - C g thức c quy trình Nga hiệ ao độ có % t 3,97%, t ó có g ữ n hơn +9, 3 ôn ủ hành ừ 30,65% đến +1 rong đ 9 trờn hợp tính nhỏ thua thực tế từ 10% 30,65% và 5 trờng hợp lớ thực tế 5% ữ +1 ,97%. - C g thức c a quy trình Mỹ hiện có % da từ 3,41%, ó c h ỏ hơn còn n tế rất có g tế từ 2 3 t có tới 12 trờng hợp lớn hơn 80% trở lên. iV. Kết luận c kiến nghị (1) với công ì kết luận: TT h ct (mm) % h ct -Ju o động 34,28% đến +13 trong đ ó duy n ất 1 trờng hợp nh thực tế 23 trờ g hợp lớn hơn thực nhiều, 21 trờn hợp lớn hơn thực 3% ữ +1 3,41%, rong 21 trờng hợp Việc so sánh công thứ thức của quy tr nh Nga (3) và của Mỹ (4) với số liệu thực tế có thể rút ra ( ) r (mm) (%) h -Mỹ (mm) ct (%) h cd (m) 1 1,270 -1,560 1,256 -2,64 2,394 85,60 1,29 2 1,478 1,730 1,436 13,97 0,828 -34,28 1,26 3 2,250 -23.21 2,032 -30,65 3,444 17,53 2,93 4 1,440 9,090 1,412 6,97 2,543 92,66 1,32 5 2,900 12,840 2,537 -1,28 4,345 69,06 2,57 6 1,903 -10.260 1,756 -17,17 3,060 44,34 2,12 7 1,874 20,890 1,736 12,00 3,030 95,47 1,55 8 1,495 15,880 1,446 12,09 2,621 103,20 1,29 9 2,998 -14,570 2,600 -25,93 4,327 23,26 3,51 10 2,180 23,170 1,581 -10,68 2,876 62,48 1,77 11 1,185 9,770 1,182 9,44 2,303 113,24 1,08 12 2,515 19,210 2,244 6,35 3,922 85,90 2,11 13 1,209 4,250 1,187 2,33 2,351 102,65 1,16 14 0,999 20,330 0,835 0,60 1,937 113,41 0,83 15 1,766 7,690 1,610 -1,83 2,890 76,18 1,64 16 2,222 5,290 1,963 -6,97 3,404 61,30 2,11 17 1,147 -6 8 7,740 1,125 - 8 1,54 2,306 ,45 ,23 18 1,063 -20,060 1,061 -20,23 2,198 65,24 1,33 19 0,937 - 16,310 0,967 -13,66 2,025 80,76 1,12 20 2,434 -5,290 2,193 -14,67 3,737 45,41 2,57 21 2,158 -23,200 1,965 -30,10 3,394 20,78 2,81 22 0,650 -14,450 0,692 -8,95 1,313 31,28 0,76 23 1,547 10,520 1,560 11,43 2,899 107,09 1,40 24 1,733 5,660 1,760 7,32 3,086 88,17 1,64 1. Công thức (1) có cơ sở lý thuyết và th ức có thể mở rộng áp dụng cho địa c ng công (1), có giá trị âm (-) nhỏ thua so với công ực tế. 2. Công th hất là hạt thô từ 90 mm ữ 150 mm. 3. Tro thức dự đoán xói cục bộ y trình Nga và quy trình Mỹ. 4. Công thức (1) có giá trị % dơng (+) lớn hơn không nhiều %)10( % thức của qu so với công thức ở qu am để tiếp tục đợc đánh giá xem xét. ing like aster of Technology. Departt - n Instutite of Technology, Kanpur, Janu ấp Bộ 1992 - 1993, DT 000141, phân loại 624. [3]. T ông, Luận án Tiến sỹ, 2000. [4]. T , trang 9 - 12 y trình Nga, song lại nhỏ thua rất nhiều so với công thức ở quy trình Mỹ. 5. Kiến nghị công thức (1) có thể áp dụng thử vào thực tế xây dựng cầu ở Việt N Tài liệu tham khảo [1]. Trần Đình Nghiên. Laboratory investigation of scour reduction near bridge pier by delta-w passive device. M Civil Engrg. India ary, 1998. [2]. Trần Đình Nghiên. Lý thuyết tính xói cục bộ trụ cầu qua sông Việt Nam. Đề tài NCKH c rần Đình Nghiên. Nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu qua s rần Đình Nghiên. "Công thức mới dự đoán xói cục bộ trụ cầu". Tạp chí CĐVN, 6/2001 . Xói cục bộ ở trụ cầu đối với địa chất l hạt thô TS. trần đình nghiên Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn i. Giới thiệu chung về xói cục bộ trụ cầu qua sông Xói lở là một hiện tợng. cục bộ tại trụ lớn nhất lại xảy ra đồng thời. Xói cục bộ trụ cầu là xói làm hạ thấp cao độ đáy sông ngay tại chân trụ do chính trụ gây ra tính từ cao độ đáy sông sau xói chung tơng ứng với. bao trụ đối với hạt thô (cuội sỏi) cho trờng hợp trong thực tế đối với trụ trong lớp cuội sỏi có mm15090d ữ= nhằm tìm ra khả năng mở rộng sự áp dụng công thức (1) cho địa chất là hạt thô.