Doctoral thesis summary: Research proposed design mothod and construction to improve the quality of small drainage works on the road inLao People''s Democratic Republic

Research objectives: The thesis is focused on hydraulic calculation of small drainage works across of road such as: (step cascades, steep slope, velocity of soil scouring at culvert outlets and scour at culvert outlets). So that, Proposed solutions and selection methods to reinforced or choose the mitigating energy method relevant with downstream culverts on the roads; find solutions for small drainage works across the road with terrain characteristics matching the natural environment conditions and climate in Laos.

­ 1 ­ INSTRODUCTION 1. Reason of research selecting  Lao   People’s   Democratic   Republic   is   on   the   way   of  modernization. The road networks is being renovated, upgraded and  construction   to   serve   the   development   needed   of   the   country   In  recent   years,   Lao   Party   and   the   State   attach   importance   to   the  construction   of   infrastructure   Which   they   have   focused   on  constructing and developing road network, especially roads When constructing road, we have special attention on small  drainage   works   across   it,   although   it   is   not   large   proportion  compared with others, but the possibility of flood drainage of small  drainage works and influence are directly related to the life of the   pavement, roadbed and other structures on the road Laos is located in the tropical monsoon climate, rainfall and  climate   conditioning   in   the   year,   but   some   areas   have   large   and  irregular rainfall. Laos has hilly terrain with high cliffs and network  traffic from north to south through the mountainous route, because of  high slope, the volume of water flow on the peak of the mountain  flow down quickly lead to damage the samall drainage works and  make the quality of roads is not stable over the seasons. One of the  important reasons is the method of hydraulic calculation for small  drainage works and a large selection of the dangerous state of the the  road construction is irrational. To improve drainage capability across  roads need to study some hydraulic computational problems such as:  hydraulic   calculation   of   water   level   and   water   slopes,   estimating  hydraulic of step cascade and steep slope, scour at culvert outlets and  calculated velocity of soil scouring at culvert outlets. All these issues  that   involve   to   the   research   methods   to   designed   and   increase  possibility of flood drainage for small drainage works ­ 2 ­ In   Laos,     not   have   the   design   method   of   hydraulic  calculations of drainage works yet, we currently use foreign methods  such   as   (Europe,   America,   Vietnam)   for   natural   environment  conditions and climate in Laos.  In   fact   we   need   further   research   on   this   issue   With  qualification   and   experience   of   the   scientists   ­   Vietnamese  techniques can help me a lot on my research. So that, Government  Lao   send   me   to   research   this   topic:  “Research   proposed   design   mothod and construction to improve the quality of small drainage   works on the road in Lao People's Democratic Republic” 2. Purpose of the research The   thesis   is   focused   on   hydraulic   calculation   of   small  drainage works across of road such as: (step cascades,  steep slope,  velocity   of   soil   scouring   at   culvert   outlets   and   scour   at   culvert  outlets)   So   that,   Proposed   solutions  and   selection   methods  to  reinforced   or   choose the mitigating energy method  relevant  with  downstream   culverts   on   the   roads   And   find   solutions   for   small  drainage works across the road with terrain characteristics matching  the natural environment conditions and climate in Laos 3. scope of the reseach The scope of the research is the calculate the hydraulic for  small drainage works across the road in Laos 4.  Research Methodology 5.  Research methodology combines empirical theory Structure of the thesis Thesis   presented   in   166   pages   and   04   chapters, Conclusions,   Recommendations   subsequent   research,   References and Appendixs ­ 3 ­ CHAPTER   1:   OVERVIEW   THE   CHARACTERISTICS  NATURAL CONDITIONS,  ROAD   NETWORKS   AND   THE  DESTRUCTION OF SMALL DRAINAGE SYSTEMS ON THE  ROAD IN LAO P.D.R 1.1 Features of terrain conditions and climate in Laos Lao   People’s   Democratic   Republic   is   a   country   with  relatively area of 236,800 km2. The terrain of Laos mainly rolling  terrain with 70% and 30% of flat terrain ­   Topography:   mountains   and   highlands   make   over   3/4   of   the  natural area, the rest are flat terrain. Generally the mountains in Laos  with an average elevation on the north and east, the highest peak is  Mount Bịa (2820m), and some other high peaks such as Mount Xao   (2690m),   Hunting   mountain   (2218m)   mountain   Huat   (2452m).  Mountain in Northeast Provinces Xieng Khouang Laos ­ Tattooing  Nua, which begins north of the Truong Son mountain range. Their  general direction is northeast ­ southwest lies the entire West, not  consecutive long and flat as in Mekong Delta ­ Climate: tropical monsoon climate, with two seasons:  + Rainy season: starting from May to November, The temperature is  about 30oC, rain fall quite often, and there are some flooded overflow  the Mekong river after several years + Dry season: from November to April, less rain and temperature is  about 15oC, Mountains sometime is 0°C 1.2. Introduction of the road network systems in Laos 1.2.1. Period before 1975 1.2.2. Period 1975­1985 1.2.3. Period 1985­2000 1.2.4. Period 2000­2015 ­ 4 ­ In Laos there is not yet have a complete road network systems  to connecting between provinces and districts. The Internal transport  to   some   provinces   still   cannot   let   the   car   drive   smoothly   to   the  provincial capital, and between districts, and to the villages are more  difficult. Now, the road network systems in Laos is only have grade  III, IV and V 1.3   Depravity   of   small   drainage   works   on   the   roads   in   Lao  P.D.R Laos has the tropical monsoon climate, cause of rainfall and  climate in year, mainly some areas with lots of rain and some areas  with irregular rainfall over the year. Laos has hilly terrain with high  cliffs   and   road   network   systems   from   north   to   south   through   the  mountainous route, due to the high slopes, volume of water on the  peak   of   the   mountain   flow   down   quickly,   resulting   to   damaged  drainage system on roads and makes the quality is not stable over the  seasons Drainage systems on the roads in Laos have designed with low  technical, and need maintenance infrequently, with the management  and maintenance fee are limited, so it may not yet maintenance in  time for roads in Laos 1.3.1. Common failures of drainage systems on the roads and cause of failures Phenomenon damaged small drainage works on the roads in  Lao P.D.R occurred on all the routes are exploited. Consequently, as  they   so   often   cause   large   losses,   costs,   repair   To   serve   thesis  explored many roads and servey in Lao P.D.R: road No.1D, 1J, 2E,  4A, 7, 8, 12 The survey results were presented detailed in thematic  reports:  The   destructive   small   drainage   works   on   roads   in   Lao   People's   Democratic   Republic   and   the   cause   In   here   summarize  ­ 5 ­ some typical damages directly related to the issues in the content of  the thesis 1. Damaged drains (hình 1.2A và 1.2B);  Damage   upstream   and   downstream   of   culvert  (hình   1.3A,  13B, 13C và 13D); 3. Damage erosion of culvert body (hình 1.4); 4. Damaged joints of culvert (hình 1.5); 5. Deposition soil, sand in culvert (hình 1.6A và 1.6B) 1.3.2. The situation applies structural drainage works in Laos During the construction and development of transportation  network systems, we research for shapes of culverts structures and  small bridges on the roads, and also make new research to improve  the   quality   of   construction,   easy   to   maintenances,   lower   fee,   and  ensuring   the   quality   and   safety   for   cars   driving   on   the   mountain  roads Generally these small drainage structures (culverts and small  bridges) have been applied on the roads in Laos, such as: reinforced  concrete pipe culvert, reinforced concrete box culverts, steel culverts,  ditch on 2 side of roads, reinforced concrete bridge etc Currently, we not yet have research and technical solutions  to handle the drainage structures in Laos. When the damaged roads  sections occur, we will have organization to repairs, and choose a  certain solutions suitable to the actual damages and depending on the  professional competencies and experience of construction unit 1.4. Conclusion chapter 1 After studying, the researcher have some necessary problem  and some important conclusions below related the objectives of the  thesis: ­ 6 ­ 1. Develop and maintain road network systems to serve the  develop economy of Laos, the Lao Party and State were identified as  a key task, lots of roads will be built and renovated in future. For the  construction road works effectively need to improve the quality of  construction. Tasks to improve quality of road construction should  start at the planning stage to design. This thesis wants to participate  in the first  stage  above  with  the  aim  of  improving the  quality of  construction to extend the level service life of the project and ensure  the quality 2. Together with colleagues, the researcher have reviewed  some main roads systems as mentioned above with a very common  failure on the destructive road at positions of drainage structures like  small bridges and culverts. Depending on varied of destructive forms  but   the   most   common   failures   are   road­bed,   pavements   at   the  location   of   erosion,   scour   at   the   culvert   outlets   This   destructive  pattern   is   absolutely   cause   of   forecast   hydrological   work   and  hydraulic modeling calculation are not suitable,    resulting the water  speed, water pressure on the pavement is too strong that can damage  road construction and reduced security of safety traffic.  These   predictions   explain   the   thesis   that   focused   on   hydraulic  calculation for small drainage systems. Thus, hope that later road less  swept away by water, less culverts damage, and less bridges damage  after flood season. This destructive pattern is different from bridges  collapsed or culverts failures under the impact of vehicle weight and  embankment weight itself. These types of failures are caused by poor  construction quality, this thesis does not solve that problem.  3. Climatic conditions, temperature, rain and wind are very  harsh   Later   when   applying   the   general   formula   for   hydraulic  ­ 7 ­ calculation   for   small   drainage   systems   across   the   road   needed  attention to this characteristic. But this is a very complex problem  requires  more  research,  and more construction experience   So my  thesis wanted to have the general granted theory and experience of  scientists, technicians to achieved with desire problems are resolved  more quickly To   response  the  objectives   and  contents   of   the   thesis,   the  following issues will be studied in the next chapter: a. The main contents of hydraulic calculation of pooled step  cascade,   hydraulic   resistance   at   steep   slope,   scouring   of   the  downstream river bed and scour at culvert outlets of small drainage  works across the road; b. Research proposed design method of hydraulic calculation  for   small   drainage   structures   across   the   roads   in   Lao   People’s  Democratic Republic c   Construction   solution   for   small   drainage   works   across  specific terrain in Lao People’s Democratic Republic CHAPTER   2:   OVERVIEW   OF   HYDRAULIC   PROPERTIES  WITH   POOLED   STEP   CASCADES,   HYDRAULIC  RESISTANCE   AT   STEEP   SLOP   SCOURING   OF   THE  DOWNSTREAM   RIVER   BED   AND   SCOUR   AT   CULVERT  OUTLETS  OF  SMALL  DRAINAGE WORKS  ACROSS  THE  ROAD 2.1. Overview of hydraulic properties with pooled step cascades  in hydraulic type stilling basin 2.1.1. The studies hydraulic property of pooled step cascades Pooled step cascades were studied by lots of authors with  different   approach like:  Velocity  coefficient   for  rectangular   cross­ ­ 8 ­ sections of the water layer of (Alekxeev IU.S, 1965), the forms of  flow current through the step cascades of (IU.M Konstantinov, 1966,  1969),   the   speed   and   depth   of   flow   on   upstream   of   (Popov   VN,  1957)   Pooled   step   cascades   include   many   step   cascades   link  together   in   serial   with   cascade   types   are   applied   for   the   rolling  terrain,   to   reduce   volume   of   earthworks,   less   environmental  destruction   Thus,   each   step   cascade   must   be   calculated   for   the  minimum length of hydraulic properties, while ensuring the specific  terrain conditions that is the average local slope must be satisfied:  Scb=∑Pi/∑Li [5].  When   calculate   pooled   step   cascades,   we   often   only  calculate   first   cascade   and   second   cascade,   the   next   cascade   is  calculated as second cascade, the last cascade we calculate include  the   influence   of   water   current   on   downstream   flow,   usually   in  hydraulic type stilling basin 2.1.2   The formulas  for  hydraulic  pooled  step cascades   in basin   type 2.1.2.1. Determine the length of the water fall in the step cascade  inlets [5] Length   of   water   fall   in   the   rectangular   channel   can   be  calculated by the formula [5] 2.1.2.2. Length of water fall along the water current at stepped weir  [5] Water current flow on  stepped weir  when the cascades are  not flooded include two parts are the free fall part in the air and   nother submerged on stepped weir can be determined according the  research of (Kostantinov IU.M, 1988) [80] ­ 9 ­ ­ For the rectangular section: Pavlovski N.N (2.9)             Chertouxov M.D     (trung bình)  (2.10)        or          (2.10a)          Bradley and Peterka    (2.11)    Ohtsu et al           (2.12) 2.1.2.3. Experimental study on the inlet cascades hydraulic jump [5] Figures measure pressure changes along the depth  at inlets,  according to research (Rajaratnam and Muralidha, 1968) [54]. Excess  pressure at the top and bottom water flow is zero, in the scope which  value of curvature is greater than atmospheric pressure, but always  less than the statically hydrostatic pressure Research and semi experimental indicated h b / hc = 0715 for  rectangular sections 2.1.2.4. Determine the depth on narrowing sectional [2], [5] Depth on narrowing sectional on stepped weir determined by  the   equation   of   (Bernoulli)   for   the   cross   upstream   channel   and  narrowed section on stepped weir for rectangular sections Eo=hch+(q2/2g 2h2ch) (2.14) 1). Research of (Agroskin I.I, 1964) [2], [5]: q= hch(2g(Eo­hch))0.5 For:  ch=hch/Eo and  2ch (2.18) =h2ch/Eo F( ch)=q/( E3/2o) (2.19) Through   the   relations   of   function  F( ch)=q/( E3/2o)  corresponding   to   the   coefficients   ratio   value   of   different   speed  (Appendix   1)   we   can   calculate    and     corresponding   coefficients  ratio  2). Research of (Rakhamanov A.N) [5]: ­ 10 ­ Using equation (2.14) write the equation in the form of ratio  relative to the critical depth : Eo/hc=(hch/hc)+(1/2 2)(hc/hch)3 For:  Eo =Eo/hc;  ch =hch/hc and  2ch (2.20) =h2ch/hc Relationship   curve   between   ,     with     corresponding  coefficients ratio  (Appendix 2)   2.1.2.5. Calculated depth of stilling basin [5] Determine depth of stilling basin can follow the diagrams of  (Chertouxov M.D, 1962) that diagrams have built through relations  between  z=f( , ) (Appendix 3) Eo The graph shows the value d corresponding to the hydraulic  jump in place determined by the formula (2.32) as follows: d= h ­Eo Eo c (2.32) Research of (Detlef Aigner) [23]: Calculated the pooled step cascades at hydraulic type stilling  basin [23] by known flow unit     and step cascade height   can find  tg =P/L, after that find the relation between p t/P with hc/P and can  calculate the size of pooled step cascade such as: height of stilling  wall, length of step cascade  2.1.3. Evaluation of hydraulic type stilling basin This   study,   authors   focused   on   solving   equations   to   find  depth of narrow section on the stepped weir, large combines depth of  hydraulic jump with the depth of narrow section  on stepped weir is,  calculate  wall   height  of  pooled step  cascade  and  depth  of   stilling  basin   on   final   cascade   follow   the   analysis   method   and   numerical  method, charting to define the relationship between p t/hc  with P/hc  and Lbc/hc with P/hc define pt and Lbc 2.2. Overview of research on hydraulic resistance at steep slope ­ 11 ­ 2.2.1. The studies related to hydraulic resistance at steep slope [5] Calculated  hydraulic at  steep  slope,  are  divided  into  three  sections:   culvert   inlets,   steep   slope   and   culvert   outlets   sections  (Figure 2.7) 2.2.1.1. Calculate culvert inlets hydraulic at stepped chutes bb=Q/(m(2g)0.5(Ho3/2)) (2.40) 2.2.1.2. Calculate steeped slopes hydraulic Slopes length: Ld=(P2+L2)0.5 (2.41) Slopes of water slopes: id=P/Ld (2.42) Flow modulus of channel: Ko=Q/(id) 0.5 (2.43) 2.2.1.3. Calculate culvert outlets hydraulic at steep slope h2=(h21+2h3c(1/h1­1/hcr))0.5 (2.44) 2.2.2. The issue of hydraulic resistance calculation of steep slope To determine the flow ability of drainage structures across  the   road   such   as   culverts,   steep   slope,   step   cascades   are   also  important to determine the correct average speed of water current  and   correspondent   of   flow   volume,   speed   and   volume   of   water  current depends on defining  resistance friction coefficient f , (Darcy­ Weisbach) [79] 1). Research of (Pavlovski N.N) [79]: Define Sedi factor used for 0.1