SỬ DỤNG RỌ ĐÁ LÀM CÔNG TRÌNH TIÊU NĂNG CHO CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG KS. MAI QUANG HUY KS. PHẠM THANH TÙNG Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Báo cáo trình bày cơ sở thuỷ lực của việc áp dụng rọ đá làm công trình tiêu năng ở hạ lưu công trình thoát nước nhỏ trên đường, đồng thời chỉ ra phương pháp đánh giá ổn định của công trình và phạm vi áp dụng. Summary: The report presents hydraulic basis of using gabions as energy dissipators at outlets of small structures and proposes a method of computing gabions stability and the application extent as well. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Dòng chảy ở cửa ra sau các công trình thoát nước nhỏ trên đường và ở bậc nước, dốc nước thường có tốc độ lớn (có thể đạt tới 6 m/s) vượt quá tốc độ không xói cho phép của đất chưa gia cố (thường 0,7 – 0,1 m/s), tạo ra xói cục bộ lớn ở hạ lưu công trình, phá hủy công trình từ phía hạ lưu, do đo việc thiết kế các công trình tiêu năng là một vấn đề quan trọng và cần thiết. Các công trình tiêu năng thường được thiết kế gia cố bằng bê tông, đá xây (gia cố cứng). Hiện các công trình này có thể sử dụng rọ đá để gia cố (gia cố mềm). Tuy nhiên trong các giáo trình chưa trình bày cách tính toán thủy lực cho các công trình được thiết kế theo phương pháp gia cố mềm. Do đó báo cáo xin trình bày cách tính thủy lực cho một số sơ đồ sử dụng rọ đá đơn giản trong các công trình tiêu năng trên đường. TCT1 II. NỘI DUNG CHI TIẾT 2.1. Các dạng sơ đồ tính thủy lực cơ bản a) Sân bậc không gia cố ở hạ lưu b) Sân bậc không gia cố kết hợp với tường tiêu năng c) Sân bậc có gia cố dạng tường tiêu năng d) Sân bậc có gia cố dạng bể tiêu năng Hình 1. Các sơ đồ cơ bản Nhiệm vụ của việc tính toán tiêu năng là tìm được biện pháp tiêu huỷ năng lượng thừa của dòng chảy, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên trên một ngắn nhất để rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lưu công trình. Tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể: lưu lượng, đặc điểm địa chất nơi xây dựng công trình, cách gia cố mà ta có thể đưa về một trong 4 sơ đồ tính (hình 1). Phương pháp lựa chọn kích thước của một công trình tiêu năng sẽ được trình bày dưới đây. 2.2. Tính toán thuỷ lực 2.2.1. Sân bậc không gia cố ở hạ lưu Với những công trình nhỏ, lưu lượng nhỏ, năng lượng thừa bé, có thể dùng kết cấu rọ đá mà không cần công trình tiêu năng, nếu vật liệu cấu tạo đáy kênh đảm bảo cường độ, chịu được xói của dòng chảy. Khi đó phần nước rơi sẽ tạo ra một hố xói nhỏ ở phía sau của công trình. Trong trường hợp này ta cần phải tính chiều sâu của hố xói và khoảng cách từ đập đến hố xói, như sơ đồ ở hình 2. 1. Đường năng 2. Đường mặt nước 3. Đáy tự nhiên 4. Hố xói cực đại 5. Kết cấu rọ đá 6. Đất đắp X: Chiều dài nước rơi L g : Chiều rộng của công trình Z: Cao độ mặt nước; f g- n Cao độ đáy và cao độ của kết cấu công trình. P 1 P 0 0 2 1 12 3 3 3 f 3 2 2 3 5 4 3 g z g g g x z v f b f 0 6 h h h H 0: mặt cắt ở thượng lưu; g: mặt cắt trên đỉnh kết cấu 1: mặt cắt co hẹp; 2: mặt cắt ứng với chiều sâu liên hiệp 3. mặt cắt ở hạ lưu Hình 2. Trường hợp không gia cố ở hạ lưu CT 1 Dòng chảy trên đỉnh bậc qua trạng thái chảy phân giới, đổ xuống hạ lưu tạo ra chiều dài nước rơi X: X ≅ )Ph(h2 + (1) Chiều sâu xói có thể tính theo công thức của Scoklisch: h x = z 3 - f b = 4,75(H + P) 0,2 32,0 90 57,0 d q (2) trong đó z 3 , f b , z 0 được tính bằng (m), q: lưu lượng đơn vị (m 3 /s/m), d 90 đường kính lọt sàng chiếm trọng lượng 90%. Để đảm bảo an toàn thì cao độ đáy móng của kết cấu rọ đá phải đặt thấp hơn cao độ nhỏ nhất của đáy hố xói theo quy phạm kỹ thuật công trình thuỷ. 2.2.2. Sân bậc không gia cố kết hợp tường tiêu năng Với những trường hợp địa chất không tốt, đáy dòng chảy bị xói sâu, có thể xây dựng tường tiêu năng. Tường làm tăng chiều sâu dòng chảy ngay phía sau công trình, làm giảm xói. Để bảo vệ được công trình đập, ta cần xác định vị trí, cao độ của tường tiêu năng để đảm bảo các điều kiện hình thành dòng chảy êm. Chiều cao của tường sẽ được tính theo các quan hệ chiều sâu dòng chảy như hình 3. 1. Đường năng 2. Đường mặt nước 3. Đáy tự nhiên 4. Hố xói cực đại A. Kết cấu rọ đá B. Đất đắp C: Chiều cao tường L g : Chiều rộng của công trình Z: Cao độ mặt nước 1 h P H h h g z 2 6 1 2 3 3 4 C 4 A 3 B g z 0 f 0 3 3 z 3 2 C f c z 0 3 1 1 f g- n Cao độ đáy và cao độ của kết cấu công trình 0: mặt cắt ở thượng lưu; g: mặt cắt trên đỉnh kết cấu 1: mặt cắt co hẹp; 2: mặt cắt ứng với chiều sâu liên hiệp Hình 3. Trường hợp không gia cố kết hợp với tường tiêu năng Lưu lượng dòng chảy qua tường có thể xác định theo công thức: 3/2 3/2 c2c c1 Qmb2g(z f) mb2gH=−= (3) trong đó: b c : bề rộng đập; m: hệ số lưu lượng g: gia tốc trọng trường; z 2 : được chọn ứng với giá trị giới hạn của chiều sâu xói, sau đó sử dụng công thức trên để tính được f c (cao độ đỉnh tường). Khoảng cách giữa đập và tường tính theo công thức sau: L t = L 12 + X (4) L 12 : Chiều dài của nước nhảy, được tính theo công thức: TCT1 L 12 = 6,9(z 2 - z 1 ) (5) 2.2.3. Tường tiêu năng có gia cố đáy bể Nếu đáy dòng chảy có địa chất không tốt (cỡ hạt nhỏ), công trình tiêu năng cần gia cố bằng rọ đá để đảm bảo ổn định cho công trình như hình 4. 1. Đường năng 2. Đường mặt nước 3. Đáy tự nhiên A. Kết cấu rọ đá B. Gia cố đáy phần trước tường C. Chiều cao tường D. Tường bên phía sau F. Đất đắp L g : Chiều rộng của công trình Z: Cao độ mặt nước P h V V Z C h P H 1 1 2 D 1 2 B C B A F B 0 0 z 0 g g 2 z 2 C 3 z 3 3 3 C 2 f L b L 12 L g1 1 1 f g- n Cao độ đáy và cao độ của kết cấu công trình 0: mặt cắt ở thượng lưu; g: mặt cắt trên đỉnh kết cấu; 1: mặt cắt co hẹp; 2: mặt cắt ứng với chiều sâu liên hiệp; 3. mặt cắt ở hạ lưu Hình 4. Trường hợp tường tiêu năng có gia cố đáy bể Các kích thước của kết cấu, chiều sâu dòng chảy có thể được tính toán thông qua các quan hệ chiều sâu dòng chảy có sử dụng các giả thiết đơn giản hóa. Theo hình 4 ta có chiều sâu dòng chảy xiết trong bể được xác định như sau: h 1 = )PH(g2b Q b + (6) Để tiêu hao phần lớn năng lượng trong phạm vi bể, cần phải tạo ra nước nhảy tại chỗ. Chiều sâu dòng chảy ở trạng thái chảy êm trong bể (chiều sâu bể) có thể tính theo: 2 22 111 2 2 b1 b1 hhh 2Q 8Q h 2gbh42 gbh 23 11 ⎡ ⎤ =− + + = + − ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (7) Chiều cao tường có thể được xác định theo công thức: 3/2 c2 Qmb2g(h C)=− (8) Chiều sâu dòng chảy dưới luồng nước rơi có thể xác định theo công thức sau: 2 a 230,22 b Q hP (gb P ) = (9a) Khoảng cách từ chân công trình đến mặt cắt co hẹp (có chiều sâu nhỏ nhất) và chiều dài nước nhảy sẽ là chiều dài bể tiêu năng. Chiều dài nước rơi: 1 a (2P h) P h Lg 2(P h ) h + + = − + (9b) CT 1 Chiều dài nước nhảy được xác định theo công thức: 12 2 1 L6,9(hh) = − (10) Khi phía trên của kết cấu rọ đá có đắp thêm một lớp đất để tăng tính ổn định, các công thức hiện nay cho phép ta xác định được các kích thước của kết cấu tiêu năng thông qua hệ số nước rơi D. Các công thức này được rút ra từ thực nghiệm. Hệ số nước rơi D được xác định: 2 Dq/gP= 3 ) (11) Khi biết D, các kích thước của kết cấu có thể xác định như sau: 0.27 1 0.22 a 0.425 1 0.27 2 12 2 1 Lg / P 4,3D h/P 1.00D h/P 0.54D h/P 1.66D L6.9(hh = = = = =− (12) 2.2.4. Sân bậc có gia cố dạng bể Trong trường hợp này, vai trò của bể cũng là tạo ra một dòng chảy ểm ở phía hạ lưu. Như hình 5. 1. Đường năng 2. Đường mặt nước 3. Đáy tự nhiên A. Kết cấu rọ đá B. Gia cố đáy bể D. Tường bên phía sau F. Đất đắp L 12 : Chiều dài nước nhảy tối thiểu L g : Chiều rộng của công trình Z: Cao độ mặt nước H P 1 P h h v h b h h F B 1 2 B C B A F B z 0 f 0 z 0 f 3 z 3 z 2 z g z 1 g C 2 L b L 12 L g1 0 0 g 1 2 2 2 z v g f D 3 3 E D f g- n Cao độ đáy và cao độ của kết cấu công trình 0: mặt cắt ở thượng lưu; g: mặt cắt trên đỉnh kết cấu; 1: mặt cắt co hẹp 2: mặt cắt ứng với chiều sâu liên hiệp;3. mặt cắt ở hạ lưu Hình 5. Trường hợp gia cố dạng bể Để xác định được các kích thước của bể ta có phải kết hợp các quan hệ dưới đây: 22 1 222 01b 2 22 111 2 22 b1 b1 22 hb 2 222 32b QQ (P H) h 2g 2gh b hhh 2Q 8Q h1 2gbh42 gbh QQ (h h ) h 2g 2gh b ++ =+ Ω 3 1 ⎡ ⎤ =− + + = + − ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ++ =+ Ω (13) (14) (15) TCT1 2 3 F 1 h h 1 1 2 h 3 H w z m f m S w H wm P t P 2w P 1w H tv h 4 h 5 P g z v 1. Đáy dòng chảy; 2. Mặt nước; 3. Đấ đắp t Hình 6. Sơ đồ tính toán ổn định Từ công thức (13) ta tính được h 1 , từ công thức (14) ta tính được h 2 , thay hai giá trị này vào (15) nếu thỏa mãn thì chấp nhận được h 1 , h 2 . Nếu không thỏa mãn ta phải tính lại h 1 , h 2 . 2.3. Phân tích ổn định của đập Sơ đồ phân tích ổn định như hình vẽ (theo Maccaferi 1990a). Trước tiên cần phân tích các tải trọng tác dụng lên kết cấu, sau đó sẽ tiến hành kiểm tra tối thiểu ba điều kiện sau: 2.3.1. Tải trọng tác dụng a. Theo phương ngang I. Do áp lực nước b. Theo phương đứng I. Do áp lực nước wm w12345 H 0.5 (2h h h )(h h )=γ ++ + ở thượng lưu 2 wm w 4 5 H0.5(hh=γ +) ) ở hạ lưu II. Áp lực đất 2 tm tw a 2 3 H0.5 (hh=γλ + ở thượng lưu 2 tv tw a 5 H0.5 h=γλ ở hạ lưu trong đó: w1 w1 w PS = γ w2 w2 w PS = γ II. Áp lực đất tsoil PS t1 = γ III. Do dòng nước chảy w w45 w 123 45 S b(h h ) 0,5 b[(h h h (h h )] = γ++γ ++−+ IV. Tải trọng bản thân g sub.struc g1 drystru g PS S . = γ+ γ w γ Khối lượng riêng của nước (thường trong khoảng 1000 ÷ 1100 kg/m 3 ) g γ Khối lượng riêng của rọ đá gs g (1 n )γ=γ − s γ Khối lượng riêng của vật liệu. Có thể xem trong bảng. g n Hệ số rỗng của đá (thường n g = 0.3) g1 γ Khối lượng riêng bão hòa của nước g1 s g g w (1 n ) nγ=γ − + γ tw γ Khối lượng đẩy nổi của đất: tw s w ()(1γ=γ−γ −n) n Hệ số rỗng của đất t1 γ Khối lượng bão hòa của đất: t1 s w (1 n) nγ=γ − +γ a λ Hệ số áp lực chủ động của đất: a2 tg (45 / 2) λ =−ϕ ϕ Góc ma sát trong của đất CT 1 2.3.2. Kiểm tra ổn định a. Kiểm tra khả năng chống lật Kiểm tra khả năng lật quanh điểm F: Các lực gây lật: + Áp lực ngang của nước (H wm , H wv ) + Áp lực ngang của đất (H tm) + Áp lực động của nước (S w ) Các lực giữ ổn định: + Trọng lượng bản than kết cấu (P g ) + Trọng lượng nước (P w1 , P w2 ) + Trọng lượng đất (P t ) + Áp lực ngang của nước và đất ở phía hạ lưu (H wv , H tv ) Hệ số chống lật: s r = M s /M r trong đó: M s : tổng mô men của các lực giữ ổn định đối với tâm quay; M r : tổng mô men của các lực gây lật. Đối với những công trình nhỏ thì s r > 1.3, đối với các công trình lớn, quan trọng ta có thể chọn trị số lớn hơn theo yêu cầu. b. Kiểm tra khả năng chống trượt. Công thức kiểm toán: Htg V<ϕ ∑∑ trong đó: : tổng các lực theo phương ngang H ∑ : tổng các lực theo phương đứng V ∑ : hệ số ma sát giữa rọ đá và nền đất, thường ta lấy bằng 35 ϕ 0 , khi đo tg ϕ≅ 0,7. Khi đó hệ số chống trượt s s sẽ được tính như sau: s stg V/H=ϕ ∑ ∑ Để đảm bảo khả năng chống trượt thì s s >1.3. Đối với các công trình quan trọn hơn, ta có thể lấy lớn hơn. c. Kiểm tra chống đẩy trồi của đất Hiện tượng đẩy trồi xẩy ra ở cửa vùng thấm khí áp lực thấm lớn hơn lực giữ khối đất (trọng lượng bản thân, lực dính và ma sát với các khối xung quanh). Ta có thể kiểm toán theo công thức sau: TCT1 wc gl w h.sh γ <γ +γ trong đó: s: chiều dầy của rọ đá gia cố; h: chiều sâu dòng chảy bên trên phần rọ đá gia cố; h c : cột nước thấm ở hạ lưu. III. KẾT LUẬN Báo cáo trình bày được các sơ đồ tính toán thủy lực cho một số công trình tiêu năng trên đường ô tô có sử dụng rọ đá để gia cố. Đồng thời cũng nêu lên một số điều kiện ổn định cho dạng kết cấu này. Tài liệu tham khảo [1]. PGS.TS. Trần Đình Nghiên. Thiết kế thủy lực cho các dự án cầu đường. NXB Giao thông vận tải 2003. [2]. Trần Đình Nghiên, Bùi Thị Vinh, Phạm Văn Vĩnh. Thủy lực công trình. Trường Đại học GTVT 1996. [3]. Tricoli Dario. Use of gabions in small hydraulic works. 2004♦ . tắt: Báo cáo trình bày cơ sở thuỷ lực của việc áp dụng rọ đá làm công trình tiêu năng ở hạ lưu công trình thoát nước nhỏ trên đường, đồng thời chỉ ra phương pháp đánh giá ổn định của công trình. SỬ DỤNG RỌ ĐÁ LÀM CÔNG TRÌNH TIÊU NĂNG CHO CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG KS. MAI QUANG HUY KS. PHẠM THANH TÙNG Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn Khoa Công trình Trường Đại. Tường tiêu năng có gia cố đáy bể Nếu đáy dòng chảy có địa chất không tốt (cỡ hạt nhỏ) , công trình tiêu năng cần gia cố bằng rọ đá để đảm bảo ổn định cho công trình như hình 4. 1. Đường năng