Luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào, trong đó tập trung vào tính thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô và giải quyết một số tính toán thủy lực (bậc nước, dốc nước, tốc độ không xói đáy dòng chảy và xói sau gia cố) dùng trong thiết kế công trình thoát nước nhỏ ngang đường.
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nước Cộng hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào đang trên đường hiện đại hóa. Mạng lưới đường ơ tơ đang được cải tạo, nâng cấp và xây dựng mới để phục vụ u cầu phát triển ngày càng cao của đất nước. Trong những năm qua Đảng và Nhà nước Lào đã coi trọng việc xây dựng cơ sở hạ tầng. Trong đó đã chú trọng đến việc xây dựng và phát triển mạng lưới đường giao thơng, đặc biệt là đường bộ Khi xây dựng đường ơ tơ đa chú ý đ ̃ ặc biệt đến việc xây dựng cơng trình thốt nước nhỏ ngang đường ơ tơ, mặc dù loaị cơng trinh nay chi ̀ ̀ ếm tỷ trọng khơng lớn so với các cơng trình khác, nhưng khả năng tiêu thốt lũ của cơng trình thốt nước nhỏ lại ảnh hưởng liên quan trực tiếp đến tuổi thọ áo đường, nền đường và các cơng trình khác trên đường Nước Lào nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa và khí hậu điêu hoa trong năm, song m ̀ ̀ ột số vùng có lượng mưa lớn và khơng đều. Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao và mạng lưới giao thơng từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùng núi, do độ dốc lớn, lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuống nhanh dẫn đến những hư hỏng cơng trình thốt nước trên đường ơ tơ làm cho chất lượng của tuyến đường khơng ổn định theo các mùa trong năm. Một trong số các ngun nhân quan trọng là phương pháp tính tốn thủy lực cho cơng trình thốt nước nhỏ và sự lựa chọn trạng thái nguy hiểm của cơng trình có thể còn chưa hợp lý. Để nâng cao khả năng thốt nước ngang đường ơ tơ cần phải nghiên cứu một số bài tốn tính tốn thủy lực như: tính thủy lực bậc nước và dốc nước, tính xói sau cống, tính tốc độ bắt đầu xói đáy dòng chảy. Tất cả những vấn đề trên điều liên quan đến việc nghiên cứu phương pháp thiết kế 2 để nâng cao khả năng thốt nước nhỏ trên đường ơ tơ Tại CHDCND Lào, để tính tốn thuỷ lực cho cơng trình thốt nước này chúng tơi hiện nay đang dùng các phương pháp của nước ngồi (chủ yếu là châu Âu, Mỹ, Việt Nam) trong điều kiện tự nhiên và khí hậu của Lào. Thực tế đó đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này. Với trình độ và kinh nghiệm của các nhà khoa học – kỹ thuật Việt Nam có thể giúp tơi rất nhiều trong khi thực hiện đề tài. Chính vì vậy Nhà Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào cử tơi sang đây làm nghiên cứu sinh với đề tài : “Nghiên cưu đê xt ́ ̀ ́ phương phap thiêt kê va xây d ́ ́ ́ ̀ ựng đê nâng cao chât l ̉ ́ ượng cać công trinh thoat n ̀ ́ ươc nho trên đ ́ ̉ ường ơ tơ tai n ̣ ươc ́ Cộng Hồ Dân Chủ Nhân Dân Lào” Mục đích nghiên cứu Luận án nghiên cứu đê xuât ph ̀ ́ ương phap thiêt kê va xây ́ ́ ́ ̀ dựng đê nâng cao chât l ̉ ́ ượng cac công trinh thoat n ́ ̀ ́ ươc nho trên ́ ̉ đường ơ tơ tai n ̣ ươc ́ Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào, trong đó tâp trung vao ̣ ̀ tính thủy lực cơng trình thốt nước nhỏ ngang đường ơ tơ và giải quyết một số tính tốn thủy lực (bậc nước, dốc nước, tốc độ khơng xói đáy dòng chảy và xói sau gia cố) dùng trong thiết kế cơng trình thốt nước nhỏ ngang đường để từ đó đề xuất được các giải pháp thiết kế và lựa chọn phương pháp gia cố hoặc biện pháp tiêu năng thích hợp hạ lưu cống trên đường ô tô giai phap ̉ ́ xây dựng công trinh thoat n ̀ ́ ươc nho ngang đ ́ ̉ ường co đia hinh đăc ́ ̣ ̀ ̣ thù phù hợp với các đặc điểm điều kiện tự nhiên và đặc điểm khí hậu tại nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào 3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu là tinh thuy l ́ ̉ ực cho hệ thống cơng trình thốt nước nhỏ ngang đường ở nước Lào 3 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực tê.́ 5. Bố cục của luận án Luận án trình bày trong 166 trang gồm phần Mở đầu, Phần nội dung luận án trong 04 chương, Phần kết luận và kiến nghị, Hướng nghiên cứu tiếp theo, Tài liệu tham khảo và Phụ lục CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, TÌNH HÌNH MẠNG LƯỚI GIAO THƠNG VÀ SỰ PHÁ HOẠI CÁC CƠNG TRÌNH THỐT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ Ở NƯỚC CHDCND LÀO 1.1. Đăc điêm điêu kiên đia hinh va khi hâu ̣ ̉ ̀ ̣ ̣ ̀ ̀ ́ ̣ ở Lao ̀ Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào là một nước có diện tích tương đối rộng với diện tích 236.800 km2. Địa hình của Lào chủ yếu là đồi núi cao chiếm tỷ lệ 70% và đồng bằng chiếm 30% của diện tích cả nước Địa hình: miền núi và cao ngun chiếm tới hơn 3/4 diện tích tự nhiên, còn lại là một số vùng đồng bằng. Nói chung là vùng núi ở Lào có độ cao trung bình chiếm phần lớn phía Bắc và phía Đơng, đỉnh cao nhất là núi Bịa (2820m), và một số đỉnh cao khác như: núi Xao (2690m), núi Săn (2218m), núi Huạt (2452m). Núi hai tỉnh Đơng Bắc Lào là Xiêng Khoảng Xăm Nưa, nơi bắt đầu của dãy núi Trường Sơn Bắc. Hướng chung của chúng là Đơng Bắc Tây Nam nằm tồn bộ ở phía Tây, khơng liền dài và khơng phẳng như ở châu thổ sơng Mê Kơng Khí hậu: khí hậu nhiệt đới gió mùa, với 2 mùa rõ rệt: + Mùa mưa: bắt đầu từ tháng 05 đến tháng 11, nhiệt độ vào khoảng 30oC, mưa khá thường xun, một vài năm thậm chí bị lũ lụt tràn dòng sơng Mê Kơng 4 + Mùa khơ: từ tháng 11 đến tháng 04, ít mưa hơn và nhiệt độ khoảng 15oC, vùng núi có thời điểm là 0oC 1.2. Giơi thiêu chung vê hê thơng đ ́ ̣ ̀ ̣ ́ ường ô tô ở Lao ̀ 1.2.1. Giai đoạn trước năm 1975 1.2.2. Giai đoạn năm 19751985 1.2.3. Giai đoạn năm 19852000 1.2.4. Giai đọan năm 20002015 1.3 Tinh ̀ trang ̣ hư hong ̉ công trinh ̀ thoat́ nươć nhỏ đường ơ tơ tai n ̣ ươc ́ CHDCND Lào Nước Lào có vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, do lượng mưa và khí hậu trong năm, chủ yếu là một số vùng có lượng mưa lớn và khơng đều trong năm. Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao và mạng lưới giao thơng từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùng núi, do độ dốc lớn thì lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuống nhanh dẫn đến những hư hỏng cơng trình thốt nước trên đường ơ tơ và làm cho chất lượng của tuyến đường khơng ổn định theo các mùa trong năm Cơng trình thốt nước trên đường ơ tơ Lào có thiết kế kỹ thuật còn thấp, cơng tác duy tu bảo dưỡng khơng thường xun, cơng tác quản lý và chi phí còn hạn chế, chưa đáp ứng được kịp thời cho việc duy tu bảo dưỡng đường ơ tơ ở Lào 1.3.1. Những hư hỏng thường gặp về cơng trình thốt nước trên đường ơ tơ và ngun nhân gây ra Hiện tượng hư hỏng cơng trình thốt nước nhỏ trên đường ơ tơ nước CHDCND Lào xảy trên tất cả các tuyến đường đang khai thác. Hậu quả do chúng để lại thường gây ra tổn thất lớn, tốn phí nhiều chi phí sửa chữa, khơi phục, gián đoạn giao thơng nhiều ngày sau mưa lũ, đe dọa nghiêm trọng an tồn giao thơng. Để phục 5 vụ cho luận án NCS khảo sát nhiều tuyến đường nước CHDCND Lào như: đường 1D, đường số 1J, đường số 2E, đường số 4A, đường số 7, đường số 8, đường số 12 Các kết quả khảo sát NCS đã trình bày chi tiết ở báo cáo chun đề : Sự phá hoại các cơng trình thốt nước nhỏ trên đường ơ tơ của nước CHDCND Lào và các ngun nhân gây ra. Dưới đây NCS xin tóm tắt một số hư hỏng điển hình liên quan trực tiếp đến những vấn đề trong nội dung của luận án 1. Hư hỏng rãnh thốt nước (hình 1.2A và 1.2B); 2. Hư hỏng thượng lưu và hạ lưu cơng trình cống thóat nước (hình 1.3A, 13B, 13C và 13D); 3. Hư hỏng xói lở thân cống, nền đường tại vị trí cống bị cắt đứt (hình 1.4); 4. Hư hỏng mối nối cống (hình 1.5); 5. Lắng đọng đất cát trong cống (hình 1.6A và 1.6B) 1.3.2. Tình hình áp dụng kết cấu cơng trình thốt nước ở Lào Trong q trình xây dựng và phát triển mạng lưới giao thơng vận tải, các dạng kết cấu cống và cầu nhỏ trên đường ơ tơ ở Lào cũng nghiên cứu và nâng cao chất lượng xây dựng để thốt nước tuyến đường đỉnh núi, thuận lợi cho việc tu bảo dưỡng, hạ giá thành cơng trình, đảm bảo chất lượng và sự an tồn xe chạy trên tuyến đường Nói chung các kết cấu cơng trình thốt nước nhỏ đã được áp dụng trên tuyến đường Lào có cống và cầu nhỏ, gồm có: cống tròn bê tơng cốt thép, cống hộp bê tơng cống thép, rãnh thốt nước 2 bên tuyến đường, cầu bản bê tơng cốt thép v.v Hiện nay chưa có một cơng trình nào có nghiên cứu đầy đủ các giải pháp kỹ thuật để xử lý các cơng trình thốt nước ở Lào. Khi có đoạn tuyến đường bị hư hỏng xảy ra thì sẽ tổ chức 6 sửa chữa đưa ra một số giải pháp nào đó cho phù hợp với hiện trạng hư hỏng thực tế cần xử lý và thuộc vào năng lực chuyên mơn và kinh nghiệm của đơn vị thi cơng 1.4. Kết luận chương 1 Sau khi nghiên cứu NCS thấy cần nêu ra một số kết luận quan trọng dưới đây liên quan đến mục tiêu của luận án: 1. Phát triển và duy trì hệ thống đường ơ tơ để phục vụ cho việc phát triển kinh tế của nước Lào chúng tơi, được Đảng và Nhà nước Lào xác định là một nhiệm vụ trọng tâm rất nhiều các con đường có quy mơ lớn sẽ được xây dựng và cải tạo cho tương lai. Để các cơng trình đường ơ tơ hoạt động có hiệu quả cần nâng cao chất lượng xây dựng Nhiệm vụ nâng cao chất lượng xây dựng công trình đường cần phải bắt đầu từ bước lập kế hoạch thiết kế cơng trình. Luận án này mong muốn tham gia các khâu đầu tiên nói trên với mục tiêu nâng cao chất lượng xây dựng phải kéo dài tuổi thọ cơng trình và đảm bảo chất lượng khai thác 2. Cùng với các đồng nhiệp, các cơ quan hữu quan NCS đã xem xét một số tuyến đường chính như hình ảnh đã nói trên là một số hư hỏng rất hay gặp trên đường là sự phá hoại tại các vị trí cơng trình thốt nước nhỏ như: cầu nhỏ, cống. Tùy dạng phá hoại rất đa dạng nhưng ngun nhân thường gặp nhất là nền đường, mặt đường tại những vị trí này bị nước xói, đất đá bị cuốn trơi Kiểu phá hoại này chắc chắn là do cơng tác dự báo thủy văn và tính tốn thủy lực cơng trình khơng hợp lý dẫn đến vận tốc nước, áp lực nước tác động lên nền mặt đường q lớn dẫn đến phá hoại cơng trình làm giảm an tồn giao thơng. Những dự đốn này giải thích luận án của NCS tập trung vào cơng tác tính thủy lực cho 7 các cơng trình thốt nước nhỏ. Như vậy, hy vọng rằng sau này các đoạn đường ít bị nước cuốn trơi, vị trí cống, vị trí cầu bị nước tàn phá sau mỗi mùa lụt. Kiểu phá hoại này khác biệt với kiểu phá hoại một cái cầu hay một cái cống sụp đổ dưới tác động của tải trọng xe và tải trọng bản thân nền đắp. Những kiểu phá hoại này hình thành do chất lượng xây dựng kém, luận án này NCS khơng giải quyết được vấn đề đó 3. Điều kiện khí hậu, nhiệt độ, mưa gió rất khắc nghiệt, hình thành các vùng khí hậu rất rõ ràng. Sau này khi áp dụng các cơng thức chung tính thủy lực cho các cơng trình thốt nước nhỏ ngang đường rất cần chú ý đến đặc điểm này. Nhưng đây là một vấn đề rất phức tạp đòi hỏi rất nhiều cơng trình nghiên cứu, rất nhiều kinh nghiệm xây dựng cơng trình. Vì vậy luận án của chúng tơi muốn có sự chặt chẽ vào các lý thuyết chung được thừa nhận và các kinh nghiệm mà các nhà bác học, các nhà kỹ thuật đã đạt được với mong muốn vấn đề được giải quyết nhanh chóng hơn Để đáp ứng các yêu câu về mục tiêu, nội dung đề tài luận án, các vấn đề sau đây sẽ được nghiên cứu trong các chương tiếp theo: a. Các nội dung chính khi tính thủy lực bậc nước nhiều cấp, sức cản thủy lực ở dốc nước, khởi động của hạt ở đáy dòng chảy và xói sau gia cố cơng trình thốt nước nhỏ ngang đường; b. Nghiên cưu đê xt giai phap thiêt kê thuy l ́ ̀ ́ ̉ ́ ́ ́ ̉ ực công trinh ̀ thoat n ́ ươc nho ngang đ ́ ̉ ường cho nươc Công Hoa Dân Chu Nhân ́ ̣ ̀ ̉ Dân Lao; ̀ c. Giải pháp xây dựng cơng trình thốt nước ngang đường có địa hình đặc thù ở nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào 8 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍNH THỦY LỰC BẬC NƯỚC NHIỀU CẤP, SỨC CẢN THỦY LỰC Ở DỐC NƯỚC, KHỞI ĐỘNG CỦA HẠT Ở ĐÁY DỊNG CHẢY VÀ XĨI SAU GIA CỐ CƠNG TRÌNH THỐT NƯỚC NHỎ NGANG ĐƯỜNG 2.1 Tổng quan nghiên cứu tính thủy lực bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng 2.1.1. Các nghiên cứu liên quan đến tính thủy lực bậc nước nhiều cấp Bậc nước nhiều cấp đã được nhiều tác giả nghiên cứu ở các mức độ tiếp cận khác nhau như: Hệ số tốc độ đối với mặt cắt chữ nhật của bậc nước nhiều cấp (Alekxeev IU.S, 1965); hình dạng dòng chảy qua bậc nước (Konstantinov IU.M, 1966, 1969); tốc độ và chiều sâu dòng chảy ở thượng lưu bậc nước (Popov V.N, 1957) Bậc nước nhiều cấp bao gồm nhiều bậc nước một cấp nối tiếp nhau kiểu bậc thang được áp dụng ở nơi có địa hình dốc, để giảm khối lượng cơng tác làm đất, ít phá hủy mơi trường. Như vậy, mỗi bậc phải được tính sao cho có chiều dài tối thiểu về tính thủy lực, đồng thời đảm bảo điều kiện địa hình cụ thể tức là độ dốc cục bộ trung bình phải được thỏa mãn Scb=∑Pi/∑Li [5] Khi tính bậc nước nhiều cấp, thường chỉ tính bậc 1 và bậc 2, các bậc tiếp theo tính như bậc thứ hai, bậc cuối cùng có tính tới ảnh hưởng của dòng chảy hạ lưu , thường có dạng bể tiêu năng 2.1.2 Các cơng thức tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể 9 2.1.2.1. Xác định chiều dài đoạn nước đổ ở cửa vào bậc nước [5] Chiều dài nước đổ trong kênh chữ nhật có thể tính theo cơng thức [5] 2.1.2.2. Chiều dài nước rơi dọc phương chảy tại sân bậc [5] Dòng chảy rơi xuống sân bậc khi bậc khơng ngập gồm hai phần là phần rơi tự do trong khơng khí và phần sau ngập trong nước sân bậc có thể xác định theo nghiên cứu của (Kostantinov IU.M, 1988) [80] Đối với mặt cắt chữ nhật: Pavlovski N.N (2.9) Chertouxov M.D (trung bình) (2.10) hay (2.10a) Bradley và Peterka (2.11) Ohtsu và các cộng sự (2.12) 2.1.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm phần cửa vào bậc nước rơi tự do [5] Số liệu đo thay đổi áp suất dọc theo chiều sâu ở ngay cửa vào bậc, theo nghiên cứu của (Rajaratnam và Muralidha, 1968) [54]. Áp suất dư tại đỉnh và đáy luồng nước bằng khơng, trong phạm vi luồng nước là đường cong có giá trị lớn hơn áp suất khơng khí song ln nhỏ hơn áp suất thủy tĩnh Nghiên cứu thực nghiệm bán thực nghiệm ra hb/hc=0.715 cho mặt cắt chữ nhật 2.1.2.4. Xác định chiều sâu ở mặt cắt co hẹp [2], [5] Chiều sâu ở mặt cắt co hẹp sân bậc xác định theo phương trình Bernoulli viêt cho m ́ ặt cắt ở kênh thượng lưu và mặt cắt co hẹp tại sân bậc đơi v ́ ơi m ́ ặt cắt chữ nhật Eo=hch+(q2/2g 2h2ch) (2.14) 10 1). Nghiên cứu của (Agroskin I.I, 1964) [2], [5]: q= hch(2g(Eohch))0.5 (2.18) Đặt: ch=hch/Eo và 2ch=h2ch/Eo F( ch)=q/( E3/2o) (2.19) Thơng qua quan hệ hàm số F( ch)=q/( E3/2o) tương ứng với các giá trị hệ số tốc độ khác nhau (phụ lục 1) tìm được và tương ứng với hệ số 2). Nghiên cứu của (Rakhamanov A.N) [5]: Sử dụng phương trình (2.14) viết phương trình dạng tỷ số tương đối so với chiều sâu phân giới : Eo/hc=(hch/hc)+(1/2 2)(hc/hch)3 (2.20) Đặt: Eo=Eo/hc; ch=hch/hc và 2ch=h2ch/hc Xây dựng đường cong quan hệ giữa , với ứng với hệ số lưu tốc (phụ lục 2) 2.1.2.5. Tính chiều sâu bể tiêu năng [5] Xác định chiều sâu bể tiêu năng có thể theo biểu đồ của (Chertouxov M.Đ, 1962) đã xây dựng biểu đồ thơng quan quan hệ: z=f( Eo, ) (phụ lục 3) Biểu đồ cho giá trị tương ứng với nước nhảy tại chỗ xác định theo công thức (2.32) như sau: d= EohcEo (2.32) Nghiên cứu của (Detlef Aigner) cho biết [23]: Tinh ́ bâc ̣ nươć nhiều cấp dang ̣ bể theo [23] đã biêt́ lưu lượng đơn vi va chiêu cao bâc n ̣ ̀ ̀ ̣ ươc co thê tim đ ́ ́ ̉ ̀ ược tg =P/L, sau đo tim đ ́ ̀ ược quan hê gi ̣ ữa pt/P với hc/P va tinh đ ̀ ́ ược cac kich th ́ ́ ươć cua bâc n ̉ ̣ ươc nhiêu câp nh ́ ̀ ́ ư: chiêu cao t ̀ ương tiêu năng , chiêu dai ̀ ̀ ̀ bâc n ̣ ươc ́ 2.1.3. Nhận xét về tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể 11 Nghiên cứu này tác giả tập trung giải phương trình tìm chiều sâu mặt cắt co hẹp sân bậc, chiều sâu liên hợp lớn của nước nhảy với chiều sâu co hẹp sân bậc là , tính chiều cao tường ở bậc nước dạng bể của bậc nước nhiều cấp và chiều sâu bể tiêu năng bậc cuối theo phương pháp giải tích và phương pháp số, đồng thời lập biểu đồ xác định quan hệ giữa pt/hc với P/hc và Lbc/hc với P/hc tìm pt và Lbc 2.2. Tổng quan các nghiên cứu về sức cản thủy lực ở dốc nước 2.2.1. Các nghiên cứu liên quan đến sức cản thủy lực dốc nước [5] Tính thủy lực dốc nước được chia làm ba phần: cửa vào, thân dốc và phần tiêu năng ở cửa ra của dốc (xem hình 2.7) 2.2.1.1. Tính thủy lực phần cửa vào dốc nước bb=Q/(m(2g)0.5(Ho3/2)) (2.40) 2.2.1.2. Tính thủy lực phần thân dốc Chiều dài dốc: Ld=(P2+L2)0.5 (2.41) Dốc của dốc nước: id=P/Ld (2.42) Mơ đun lưu lượng của kênh: Ko=Q/(id) 0.5 (2.43) 2.2.1.3. Tính thủy lực cửa ra của dốc nước h2=(h21+2h3c(1/h11/hcr))0.5 (2.44) 2.2.2. Vấn đề tính sức cản thủy lực của dốc nước Để xác định khả chảy cơng trình thoát nước ngang đường như cống, dốc nước, bậc nước điều quan trọng là phải xác định đúng tốc độ trung bình dòng chảy lưu lượng tương ứng, song tốc độ và lưu lượng lại phụ thuộc vào việc xác định hệ số sức cản ma sát f được đưa vào trong công thức (Darcy – Weisbach) [79] 12 1). Nghiên cứu của (Pavlovski N.N) [79]: Xác định hệ số Sedi áp dụng cho 0.1