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 5: CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG UỐN KHÚC VÀ GHỀNH CẠN Giảng viên: Dương Đức Toàn Email: duongductoan@tlu.edu.vn Điện thoại: 0934.469.181 NỘI DUNG CHÍNH • Đặc điểm chung • Cơng trình bảo vệ bờ đoạn sơng cong gấp khúc • Cơng trình cắt dịng đoạn sơng cong gấp • Các biện pháp thường dùng để cải tạo điều kiện chạy tàu qua đoạn sơng có ngưỡng cạn • Chỉnh trị đoạn ghềnh cạn đảm bảo chiều sâu chạy tàu • Thiết kế nạo vét 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Sơng uốn khúc, phát triển bình thường, vốn có dịng chảy thơng thuận, tập trung, lịng dẫn tương đối ổn định, đáp ứng hầu hết yêu cầu ngành phịng chống lũ, giao thơng vận tải thủy, lấy nước, xây dựng, nên thông thường không cần chỉnh trị • Nếu đoạn sơng uốn khúc có bán kính cong góc tâm q lớn nhỏ, đoạn độ dài ngắn, thường hình thành kết cấu dòng chảy phức tạp, gây diễn biến lòng dẫn bất thường, dẫn đến ảnh hưởng hoạt động ngành kinh tế quốc dân Những đoạn sông cần phải tiến hành chỉnh trị 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Đối với phịng chống lũ lụt: • Dịng sơng q cong làm tăng thêm sức cản dịng chảy chủ lưu q ép sát vào bờ, cường độ dòng chảy vòng lớn hình thành khu nước vật sát hạ lưu bờ lồi • Sức cản dịng chảy khúc sơng cong thể công thức Boussinesq: 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Đối với phịng chống lũ lụt: • Trong đó: • Jc, V, hc, Bc biểu thị độ dốc mặt nước, lưu tốc trung bình mặt cắt, độ sâu trung bình chiều rộng mặt nước khúc sơng cong • C: hệ số Chezy • r: bán kính cong • : hệ số sức cản tăng thêm, trị số khoảng 0.75 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Đối với phịng chống lũ lụt: • Do phải khắc phục sức cản tăng thêm đoạn sơng cong để nước, buộc dòng chảy phải dâng mực nước thượng lưu lên nhằm có đủ trì chảy • Từ cơng thức sức cản dịng chảy ta thấy: bán kính cong r nhỏ sức cản tăng thêm lớn Vì vậy, đoạn sơng cong có r nhỏ, mực nước thượng lưu dâng lên cao 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Đối với phịng chống lũ lụt: • Nếu trì độ dốc mặt nước nhau, khúc cong kéo dài, mực nước thượng lưu lại phải dâng cao Vì vậy, đoạn sơng uốn khúc có bán kính cong nhỏ, hệ số uốn khúc lớn bất lợi cho lũ • Mặt khác, đoạn sơng uốn khúc có bán kính cong nhỏ, dịng chảy mùa lũ khơng thơng thuận Dịng chảy với vận tốc lớn xô mạnh vào bờ lõm gây sạt lở bờ, uy hiếp tuyến đê, tràn bãi bên, phá vỡ eo sơng, tạo tình cắt sơng bị động, gây tác hại lớn 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Đối với giao thơng vận tải thủy: • Đi đoạn sơng uốn khúc với bán kính cong q nhỏ, góc tâm lớn, tàu thuyền quay trở khó, thao tác bất tiện, dễ húc vào bờ, tầm nhìn hạn chế không tránh kịp tàu ngược chiều, dễ gây cố • Trong đoạn sơng trên, dịng chảy mùa kiệt có độ sâu thay đổi lớn cửa vào, cửa ra, dòng chảy mùa lũ lại xiết, phân tán, gây trở ngại cho lại tàu thuyền Hơn nữa, khúc cong gấp, lộ trình bị kéo dài, thời gian, làm giảm suất quay vịng tàu thuyền, chi phí phao tiêu báo hiệu lớn 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Đối với giao thơng vận tải thủy: • Ngược lại, đoạn sơng uốn khúc có bán kính cong q lớn, góc tâm nhỏ có điều bất lợi: xuất bãi bên bờ lõm, tuyến luồng mùa kiệt quanh co, khó • Chiều dài đoạn độ hai khúc cong có ảnh hưởng đến điều kiện chạy tàu: ngắn xuất ngưỡng cạn hai lạch sâu so le, dài xuất ngưỡng cạn phức tạp, phân tán, trở ngại cho lại tàu thuyền 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Đối với cơng trình lấy nước: • Cửa lấy nước dẫn tưới từ sơng thường bố trí bờ lõm khúc cong • Nếu khúc cong có bán kính nhỏ, bờ lõm chịu tác động dòng chảy vận tốc lớn, sạt lở mạnh dẫn đến thay đổi đường bờ, làm cho cửa lấy nước khơng đón dịng chảy cách thuận lợi, thân cơng trình lấy nước bị uy hiếp 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Đối với cơng trình bến cảng: • Tại đoạn sông cong gấp ngắn, vùng nước sâu thường hẹp, tàu thuyền vào bến khó qua trở Đồng thời, dòng chảy vận tốc lớn gây trở ngại khơng an tồn cho tàu thuyền neo đậu, khởi hành • Do phát triển khơng ngừng đoạn sông uốn khúc, bờ sông bị sạt lở, làng mạc, thị trấn, ruộng vườn, đường giao thông ven bờ bị phá hoại, gây tổn thất lớn 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG • Những đoạn sơng uốn khúc có bán kính cong q nhỏ, góc tâm q lớn, đoạn độ dài ngắn bất lợi cho hoạt động ngành kinh tế • Chỉnh trị đoạn sơng uốn khúc có loại: • Ổn định trạng, ngăn chặn phát triển theo xu bất lợi • Thay đổi trạng, tác động để đoạn sơng phát triển theo xu có lợi • Các biện pháp ổn định trạng chủ yếu bảo vệ bờ lõm, hạn chế sạt lở lớn, ngăn chặn khúc cong phát triển thành cong gấp Chỉ cần ổn định bờ lõm, khống chế sông, đoạn độ ổn định 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 dòng 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 trình tạo lịng hạ lưu • Trong thiết kế cầu, thường không 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 thơng 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 dòng 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 • Dòng 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 dòng 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, công 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 • Ngồi 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 dịng: • 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 dịng chảy vịng 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 dòng 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 tông, 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 u 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  khong 12ữ18o ã Cụng trỡnh hon lu dng phao ni 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: • Phòng hộ trụ cầu cơng trình hồn lưu 21 ... THỦY LỢI Khoa Cơng trình - Bộ mơn Cơng trình Cảng - Đường thủy CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ LUỒNG TÀU VÀ ỔN ĐỊNH ĐƯỜNG BỜ CHƯƠNG 5: CHỈNH TRỊ ĐOẠN SÔNG UỐN KHÚC VÀ GHỀNH CẠN Giảng viên: Dương Đức Toàn... bùn cát kênh dẫn ta có đường số đồ thị Đường coi không phụ thuộc vào trị số Bk • Trị số Bk thỏa mãn điều kiện Rôxinxki trị số nằm bên phải giao điểm đường số số 30 5.3 CƠNG TRÌNH CẮT DỊNG ĐOẠN SƠNG... vào lòng dẫn tự nhiên, tạo luồng đào nhân tạo để chạy tàu 35 5.4 BIỆN PHÁP CẢI THIỆN ĐIỀU KIỆN CHẠY TÀU Ở ĐOẠN SƠNG CĨ NGƯỠNG CẠN • Chỉnh trị ngưỡng cạn: • Bố trí cơng trình thích hợp tuyến chỉnh