Chương 1 : Tổng quan về các phương pháp tính xói trụ cầu. - Chương 2 : Khái niệm cơ bản về dòng chảy trên sông. - Chương 3 : Phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình tính toán vận tốc dòng chảy theo bài toán 2 chiều nằm ngang. - Chương 4 : Áp dụng chương trình RMA2 để tính xói tại công trình cầu vượt sông Hàn.
- Kết luận và kiến nghị. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH XÓI TRỤ CẦU Xói xung quanh mố trụ cầu là một hiện tượng thủy lực vô cùng phức tạp, tại đây biên rắn là trụ cầu và lòng dẫn đóng vai trò quan trọng trong dòng chảy rối 3 chiều, các hiệu ứng cục bộ của dòng chảy khó có thể đưa vào đầy đủ trong mô hình tính toán. Các phương pháp thực nghiệm cũng rất khó thực hiện đúng, bởi lẽ không thể thỏa mãn đồng thời các tiêu chuẩn đồng dạng của lòng dẫn biến đổi được. Cho đến nay đã có nhiều phương pháp tính toán được giới thiệu, song chủ yếu vẫn là các phương pháp thực nghiệm kết hợp với lý thuyết.
Mỗi phương pháp tính toán đều dựa trên một số điều kiện ban đầu cho trước và bỏ qua một số yếu tố ảnh hưởng khác, chưa có tính thống nhất và kết quả tính toán thường cho trị số chênh lệch nhau lớn. Sau đây là một số phương pháp tính toán xói chung và xói cục bộ tại trụ cầu hiện nay. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH XÓI CHUNG DƯỚI CẦU 1. XÓI CHUNG Xói chung dưới cầu là xói hình thành do thắt hẹp dòng lũ bình thường, làm tăng tốc độ dòng chảy, tăng ứng xuất tiếp đáy dòng chảy dẫn đến tăng năng lượng đơn vị dòng chảy.
Tại khu vực trước cầu nước sông bị dâng lên và độ dâng lớn nhất so với đường mặt nước tự nhiên cách cầu khá xa. Do mặt cắt bị thu hẹp nên tốc độ dòng nước tăng dần lên và khả năng vận chuyển phù sa cũng tăng lên. Đây chính là nguyên nhân gây xói tại khu vực cầu. Xói dưới cầu còn xảy ra khi lượng bùn cát dưới cầu tải đi lớn hơn lượng bùn cát từ thượng lưu chuyển về cầu, xói ngừng lại khi hai lượng này cân bằng nhau.
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH XÓI CHUNG THEO CÔNG THỨC BÁN THỰC NGHIỆM 1. Gôtây: Phương pháp của E. Gôtây là tính khẩu độ cầu dựa trên điều kiện tốc độ nước chảy và nước dâng trên sông sau khi làm cầu không được quá lớn. Công thức tính tốc độ sau khi làm cầu có dạng: (1-1) Trong đó: - hệ số thu hẹp dòng chảy; v’c - tốc độ dòng chảy dưới cầu khi chưa xói; v 0 - tốc độ nước chảy trung bình của toàn mặt cắt sông tại vị trí cầu lúc tự nhiên; , 1 - diện tích dòng chảy toàn mặt cắt sông lúc tự nhiên và trong phạm vi cầu.
Phương pháp trên không cho phép xác định được diện tích thoát nước của dòng chảy dưới cầu sau khi xói bằng bao nhiêu. Công thức của H. Belleliutsky : Từ thực tế quan sát thấy tốc độ dòng chảy trên sông thiên nhiên lớn hơn rất nhiều so với tốc độ cho phép không xói của đất cấu tạo lòng sông, nhưng lòng sông không bị xói sâu thêm. Belleliutsky kết luận mỗi con sông được đặc trưng bằng tốc độ nước chảy, với tốc độ đó lòng sông không bị xói hay bồi.
Xói chung dưới cầu được xác định theo công thức: (1-2) 22 Trong đó: c - diện tích dòng chảy dưới cầu trước khi xói tính theo mực nước tính toán; Qp% - lưu lượng tính toán ứng với tần suất p%; vch - tốc độ dòng chủ lúc tự nhiên ứng với lũ tính toán; - hệ số thu hẹp dòng chảy do trụ cầu. p- hệ số xói chung cho phép lớn nhất. Ý nghĩa vật lý của hệ số xói chung p là tỉ số của chiều sâu nước chảy trung bình dưới cầu sau khi xói chia cho chiều sâu trung bình trước khi xói p = h’ /h. Dạng lòng sông dưới cầu khi xói được xác định với giả thiết chiều sâu tại mỗi đường thủy trực của mặt cắt ngang dưới cầu sau khi xói tăng lên một số lần như nhau: (1-3) Trong đó: hc, h’c là chiều sâu nước chảy trước và sau khi xói tại các đường thủy trực dưới cầu.
Phương pháp cân bằng thủy lực của A. Kasin : Phát triển giả định của Belleliutsky (tốc độ nước chảy sau khi xói bằng tốc độ dòng chủ lúc tự nhiên) và giả thiết xói phát triển đều trên trắc ngang, trong điều kiện thiếu các số liệu về lưu lượng và tốc độ nước chảy mà chỉ biết mực nước lũ tính toán.A Kasin đề nghị: (1-4) Trong đó : ch, b trắc ngang dòng nước tại dòng chủ và bãi sông. 23 Tỉ số tốc độ nước chảy vb, vch được xác định theo công thức cân bằng thủy lực: (1-5) Với : C - hệ số Sêdi; - chiều sâu trung bình của nước chảy; ch và b - chỉ số dưới thuộc về dòng chủ và về bãi sông; ch, b - hệ số nhám của dòng chủ và bãi sông tính theo Badanh. Phương pháp của F.
Latusenkov: Khác với Kasin, Sripnưi không dùng công thức Badanh mà dùng công thức Manninh để tính tỉ số vb/vch và đưa hệ số m < 1 vào công thức tính khẩu độ cầu (qua diện tích thoát nước ) để tăng tốc độ tính toán sau khi xói dưới cầu so với lúc tự nhiên: (1-6) Trong đó: m - hệ số tự nhiên, xét điều kiện làm việc của dòng chảy thay đổi so với lúc tự nhiên, m = 0,85 - 0,95; nch, nb - hệ số nhám của dòng chủ và bãi sông; A. Latưsenkôv đề nghị dùng tốc độ dòng chủ lúc tự nhiên nhân hệ số hiệu chỉnh >1 làm tốc độ tính toán sau khi xói dưới cầu. Latưsenkôv đề nghị đối với dòng nước trong (không mang phù sa) chiều sâu xói chung xác định theo tốc độ cho phép không xói của đất lòng sông và đối với dòng nước có mang phù sa (v>vox) xói chung được xác định theo công thức được xây dựng trên cơ sở giải phương trình cân bằng lượng phù sa. Phương pháp của L.
Listvan và Kherkheulit: a. Công thức của L. Listvan: Công thức tính tốc độ tính toán (tốc độ cân bằng động lực) của Listvan có dạng: Đối với đất không dính (cát, sỏi, cuội, đá. ) (1-7) Đối với đất dính: (1-8) Trong đó: d- đường kính trung bình hạt phù sa, (mm); c - dung trọng khô của đất phù sa, (T/m3); p - hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào tần suất lũ tính toán, tra theo Bảng 1-1.
Hệ số điều chỉnh phụ thuộc tần suất P% 0.33 1 2 4 10 20 30 40 50 60 70 p 1,07 1,00 0,97 0,92 0,86 0,84 0,77 0,74 0,72 0,69 0,67 x - hệ số triết giảm xói tra theo bảng theo phụ lục 2; a - hệ số phụ thuộc vào kích thước hạt; a = 0,601.18 đối với đất dính; a= 0,86d0,28 đối với đất không dính. Công thức tính chiều sâu sau khi xói tại bất cứ đường thủy trực nào của dòng sông dưới cầu theo L. Litsvan được xác định theo công thức: (1-9) hay: (1-10) Trong đó: a = 0,68d0. Nếu dòng sông cấu tạo bởi nhiều lớp đất có đường kính hạt khác nhau, tính toán bằng cách thử dần vì không biết xói sẽ ngừng ở lớp đất nào.
Xây dựng công thức và bảng tính tốc độ cân bằng động lực Listvan đã không xét ảnh hưởng của các tham số khác có ảnh hưởng tới tốc độ tính toán sau khi xói dưới cầu như độ dốc lòng sông, lượng phù sa và kích thước của nó lúc tự nhiên chuyển vận trên sông, chế độ lũ, mức độ thu hẹp dòng chảy, chiều dài khu vực biến dạng đằng trước cầu v. Công thức tính xói chung dưới cầu của I.Kherkheulit về kết cấu giống với công thức tính tốc độ cân bằng động lực Litsvan (khác về trị số) và đề cập cách xây dựng biểu đồ lưu lượng đơn vị tại mỗi đường thủy trực dưới cầu theo công thức kinh nghiệm rút ra từ kết quả thực nghiệm của tác giả. Phương pháp tính xói theo cân bằng giới hạn lượng phù sa của O.Andreev đề nghị phương pháp tính xói chung lớn nhất dưới cầu (giới hạn dưới của xói) dựa trên sự phân tích về chuyển động của các hạt phù sa tại dòng chủ lưu và phần bãi sông dưới cầu. Ở phần bãi sông dưới cầu, xói chỉ bắt đầu khi tốc độ nước chảy dưới cầu lớn hơn tốc độ cho 26 phép không xói của lớp đất địa chất cấu tạo bãi sông (vbc>vox) và xói sẽ ngừng khi tốc độ nước chảy giảm xuống bằng tốc độ cho phép không xói.
Ở dòng chủ do tốc độ nước chảy luôn lớn hơn tốc độ cho phép không xói của lớp địa chất cấu tạo lòng sông và do đó lớp đất trên cùng của lòng sông luôn luôn ở trạng thái chuyển động nhưng sông không bị xói sâu vì có sự cân bằng lượng phù sa dọc sông. Như vậy tốc độ dòng nước dưới cầu lớn hơn tốc độ cho phép không xói không phải là nguyên nhân gây xói ở dòng chủ và sự biến dạng dòng sông dưới cầu chỉ có thể giải thích hiện tượng mất cân bằng lượng phù sa dọc sông.