Tổng quan luận án
Công trình luận án tiến sĩ kỹ thuật của nghiên cứu sinh Souvanhna Vongkhamchanh với đề tài "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" được thực hiện tại Bộ môn Đường bộ, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội (năm 2015), thuộc chuyên ngành Xây dựng đường ô tô và đường thành phố (Mã số: 62580205), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Quang Toản và PGS. Lã Văn Chăm.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào có điều kiện địa hình chủ yếu là đồi núi hiểm trở chiếm 70% diện tích tự nhiên, đồng bằng chỉ chiếm 30%. Mạng lưới giao thông trục Bắc - Nam đi qua nhiều khu vực đồi núi cao có độ dốc sườn tự nhiên rất lớn. Khí hậu Lào mang tính chất nhiệt đới gió mùa với lượng mưa trung bình hàng năm lên tới 3500 mm (một số vùng cao nguyên như Bô-lô-ven đạt từ 3800 mm đến 5000 mm), trong đó 80% lượng mưa tập trung dồn dập vào mùa mưa (tháng 5 đến tháng 11). Địa hình dốc kết hợp với lượng mưa tập trung sinh ra dòng chảy lũ trên các sườn núi đổ dồn về tuyến đường với lưu lượng lớn và vận tốc rất cao, gây ra hàng loạt hư hỏng nghiêm trọng cho hệ thống công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô (cống thoát nước, rãnh biên, cầu nhỏ). Hiện tượng xói lở hạ lưu cống thường xuyên cuốn trôi nền đường, cắt đứt mặt đường, làm tê liệt giao thông nhiều ngày sau mưa lũ và giảm tuổi thọ khai thác của công trình.
Tác giả chỉ rõ một trong những nguyên nhân kỹ thuật cốt lõi là phương pháp tính toán thủy lực cho công trình thoát nước nhỏ và việc xác định trạng thái nguy hiểm của công trình hiện nay chưa hợp lý. Ngành giao thông vận tải Lào đang áp dụng máy móc các tiêu chuẩn, phương pháp thiết kế của nước ngoài (chủ yếu từ châu Âu, Mỹ, Việt Nam) mà chưa có các nghiên cứu bài bản, đồng bộ thích ứng với đặc điểm khí hậu, thủy văn và địa hình dốc đặc thù của Lào. Cho đến thời điểm thực hiện đề tài, chưa có công trình nghiên cứu hoàn chỉnh nào tại Lào giải quyết thấu đáo các giải pháp kỹ thuật tính toán và cấu tạo công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô vùng đồi núi.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng nhằm nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào. Luận án tập trung giải quyết các mục tiêu cụ thể:
- Giải quyết các bài toán tính toán thủy lực cho hệ thống công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô, bao gồm: tính thủy lực bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng, tính sức cản thủy lực dốc nước, xác định tốc độ bắt đầu xói đáy đối với đất không dính và tính toán chiều sâu xói sau gia cố hạ lưu cống.
- Đề xuất các giải pháp thiết kế thủy lực và lựa chọn phương pháp gia cố hoặc biện pháp tiêu năng thích hợp tại cửa ra công trình cống.
- Đề xuất các giải pháp xây dựng công trình thoát nước ngang đường phù hợp với điều kiện địa hình đồi núi dốc đứng đặc thù và chế độ mưa lũ tại Lào.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Văn bản luận án xác định ba nội dung nhiệm vụ nghiên cứu chính (được đánh số theo văn bản):
- Nhiệm vụ a: Nghiên cứu 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 công trình thoát nước nhỏ ngang đường.
- Nhiệm vụ b: Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường cho nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào.
- Nhiệm vụ c: Đề xuất giải pháp xây dựng công trình thoát nước ngang đường có địa hình đặc thù ở nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô (bao gồm cống tròn bê tông cốt thép, cống hộp, rãnh thoát nước dọc, dốc nước, bậc nước nhiều cấp, bể tiêu năng và công trình gia cố thượng - hạ lưu).
- Phạm vi không gian: Hệ thống mạng lưới đường ô tô tại CHDCND Lào; số liệu khảo sát thực tế hư hỏng được thực hiện trên 7 tuyến quốc lộ: Đường 1D, Đường 1J, Đường 2E, Đường 4A, Đường số 7, Đường số 8, Đường số 12; số liệu khảo sát thủy văn chi tiết tại 4 vị trí công trình cống cụ thể.
- Phạm vi nội dung và thời gian: Tập trung vào tính toán thủy lực công trình thoát nước nhỏ chịu tác động của dòng chảy lũ và đề xuất giải pháp cấu tạo công trình. Luận án không đi sâu vào các dạng hư hỏng sụp đổ cống do tải trọng cơ học xe chạy hoặc do chất lượng thi công đắp nền đường kém. Dữ liệu mạng lưới đường bộ được cập nhật qua các giai đoạn từ trước 1975 đến 2015 (mốc thống kê toàn quốc năm 2009 của Bộ Giao thông và Công chính Lào).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước được tác giả tổng thuật
Luận án điểm lại hệ thống tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc 4 hướng lý thuyết chuyên sâu:
- Nghiên cứu tính thủy lực bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng:
- 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 và xác định chiều dài tương đối của nước hạ: Konstantinov IU.M (1966, 1969, 1984), Bolshakov V.A và Konstantinov IU.M (1984).
- Tốc độ và chiều sâu dòng chảy ở thượng lưu bậc nước: Popov V.N (1964).
- Chiều dài nước rơi $l_c$ và biểu đồ xác định chiều sâu bể tiêu năng: Chertouxov M.D (1962).
- Chiều dài nước nhảy trong kênh chữ nhật: Pavlovski N.N (1940), Bradley và Peterka (1957), Ohtsu và các cộng sự (1991, 1993, 1996).
- Đo đạc áp suất và xác định chiều sâu cửa vào rơi tự do $h_b$: Rajaratnam N. và Muralidhar D. (1968, 1971), Delleur J.W, Dooge J.C.I và Gent K.W (1956).
- Phương pháp giải chiều sâu co hẹp $h_{ch}$ và chiều sâu liên hợp $h_{2ch}$: Agroskin I.I (1964), Rakhmanov A.N (1960, 1961).
- Tính toán bể tiêu năng và tường tiêu năng sau bậc nước: Provorova T.P (1965, 1987), Wu S. và Rajaratnam N. (1997), Narayanam R. và Schizas L.S (1980), Hager W.H và Li D. (1921), Forster J.W và Skrinde R.A (1950), USBR (1973) với bể tiêu năng loại III có nhám gia cường, và Detlef Aigner (2008) với phương pháp tính bậc nước nhiều cấp dạng bể.
- Nghiên cứu về sức cản thủy lực ở dốc nước:
- Dòng chảy đoạn đầu dốc nước: Bogomolov A.S và Maeranovshii Ph.G (1979), Bolshakov V.A (1968).
- Đánh giá phân tán năng lượng và chiều sâu dòng chảy cuối dốc: Tsivin M.N (1977).
- Dòng chảy hàm khí và mức độ hòa khí trong dốc nước: Isachenko N.I, Ovcharenko I.Kh (1958), Vasiliew O.S (1965).
- Sức cản dòng chảy không hàm khí trong máng bê tông: Aivazian O.M và Makhmudov Kh.J (1992), cùng chuỗi công trình thực nghiệm của Aivazian O.M (1977, 1984, 1985, 1987, 1992, 1996, 2001).
- Các công thức tính hệ số Chezy $C$, Manning $n$ và Pavlovski N.N ($y = 2.5\sqrt{n} - 0.13 - 0.75\sqrt{R}(\sqrt{n}-0.1)$); phân tích công thức tính hệ số ma sát $f$ cho dòng xiết trong lòng dẫn bê tông của Kosichenko IU.M.
- Nghiên cứu điều kiện khởi động của hạt đất ở đáy dòng chảy:
- Hướng tiếp cận theo tốc độ khởi động đáy: Dubuat (1786), Bouniceau (1845), Blackwell (1857), Gras (1857), Lechalas (1871), Suchier (1874), Deacon (1894), Schaffernak (1922), Mavis, Ho và Tu (1934), Garde R.J và Ranga Raju K.G (1977); phương trình cân bằng áp lực thủy động của Brahms, Airy (theo Leliavsky, 1954) và Rebey (1937); mô hình cân bằng mô men lực của Goncharov V.N (1964) thiết lập công thức tốc độ đáy không xói $u_{dc}$; công thức bán thực nghiệm theo độ thô thủy lực của Yang C.T (1973); mô hình hạt trên đáy dốc của Baker C.J (1980).
- Hướng tiếp cận theo lực nâng thẳng đứng $P_y$: Jeffreys H. (1929), White C.M (1940), Einstein H.A và El Samne E.A (1949); quan hệ hệ số lực nâng $C_L$ với số Reynolds hạt $Re_c$ của James C.S (1990), Cheng E.D.H (1988), Coleman N.L (1971), Bagnold R.A (1974), Davies T.R.H và Samed M.A (1978), Watters D.G (1971), Chepil W.S (1958, 1961), Task Committee (Mỹ, 1966).
- Hướng tiếp cận theo ứng suất tiếp tới hạn $\tau_c$: Thí nghiệm của Kramer H. (1935), trạm USWES (1936) và biểu đồ ứng suất tiếp của Shields A. (1936).
- Nghiên cứu tính toán xói sau gia cố cống và cầu nhỏ:
- Các nghiên cứu về nối tiếp dòng chảy hạ lưu cống và tính toán chiều sâu xói, kích thước hố xói theo tiêu chuẩn của Hội Cầu đường Mỹ (AASHTO/FHWA) và phần mềm thủy lực HY-8.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết
Tổng quan tài liệu cho thấy các phương pháp tính thủy lực bậc nước nhiều cấp hiện hành hầu hết dựa vào bảng tra, đồ thị rời rạc hoặc phương pháp thử dần mất nhiều thời gian, thiếu tính công cụ giải tích và phương pháp số tiện dụng. Đồng thời, việc tính toán sức cản thủy lực ở dốc nước cho dòng chảy xiết trong lòng dẫn bê tông mặt cắt chữ nhật và hình thang cần được kiểm chứng lại với các chuỗi số liệu thực tế. Đặc biệt, tại CHDCND Lào, chưa có nghiên cứu nào kết hợp đồng bộ việc giải quyết bài toán thủy lực bậc nước - dốc nước với bài toán xói lở hạ lưu cống để đưa ra các giải pháp cấu tạo công trình thoát nước thích ứng với địa hình dốc lớn.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và công thức sử dụng
- Lý thuyết dòng chảy hở trong thủy lực công trình: Luận án sử dụng phương trình bảo toàn năng lượng Bernoulli viết cho mặt cắt thượng lưu và mặt cắt co hẹp trên sân bậc nước; phương trình biến thiên động lượng cho dòng chảy trong kênh hở để xác định các đặc trưng của nước nhảy (chiều sâu co hẹp $h_{ch}$, chiều sâu liên hợp $h_{2ch}$, chiều dài nước nhảy $L_n$).
- Hệ thống công thức sức cản thủy lực:
- Công thức Darcy-Weisbach: $S_f = \frac{f}{4R} \frac{V^2}{2g}$
- Công thức Chezy: $Q = C \omega \sqrt{R S_0}$
- Công thức Manning: $V = \frac{1}{n} R^{2/3} S_0^{1/2}$
- Công thức Kosichenko IU.M tính hệ số ma sát $f_x$ cho dòng xiết ($Fr > 1$): $$f_x = \frac{0.25}{\left[\lg\left(\frac{12.5 R}{k_{td}}\right)\right]^2}$$
- Lý thuyết khởi động hạt đất không dính: Sử dụng phương trình cân bằng mô men của Goncharov V.N: $$u_{dc} = \sqrt{\frac{2}{\gamma_0} g d}$$ và quy luật phân phối vận tốc logarit để chuyển đổi từ vận tốc đáy $u_{dc}$ sang vận tốc trung bình dòng chảy $V_c$: $$V_c = u_{dc} \lg\left(\frac{1.8 h}{d}\right)$$
- Lý thuyết xói cục bộ sau cống: Áp dụng mô hình tính toán xói của Hội Cầu đường Mỹ và công thức xác định chiều dài gia cố hạ lưu cống $l_{gc}$ dựa trên tỷ số giữa vận tốc dòng chảy qua cống và vận tốc không xói của đất nền.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp số, phân tích thực nghiệm và điều tra thực tế tại hiện trường:
- Phương pháp số và giải tích: Tác giả sử dụng công cụ Goal Seek trong phần mềm Microsoft Excel để giải phương trình đại số bậc 3 phi tuyến tính từ phương trình Bernoulli, tìm nghiệm chiều sâu mặt cắt co hẹp $h_{ch}$ trên sân bậc nước một cách nhanh chóng, thay thế các phép tính thử dần thủ công truyền thống.
- Phương pháp mô hình hóa và lập biểu đồ không thứ nguyên: Xây dựng hệ thống đồ thị quan hệ giữa các tỷ số hình học và thủy lực không thứ nguyên ($P/h_c, L_{bc}/h_c, p_t/h_c, L_b/h_c$) phục vụ tính toán bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng.
- Phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm: Sử dụng tập số liệu thực nghiệm của Aivazian O.M để kiểm tra, phân tích mối quan hệ giữa hệ số ma sát $f$ và số Reynolds $Re$ cho dòng xiết trong lòng dẫn bê tông có mặt cắt hình thang và chữ nhật.
- Phương pháp tính toán ứng dụng phần mềm chuyên ngành: Khai thác phần mềm HY-8 để mô phỏng thủy lực cống, tính toán khẩu độ thoát nước, chiều sâu xói $h_x$, chiều rộng xói $b_x$, chiều dài xói $L_x$ và thể tích hố xói $W_x$ tại các vị trí cống khảo sát.
- Phương pháp khảo sát hiện trường: Khảo sát hiện trạng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ dọc 7 tuyến đường quốc lộ tại Lào; đo đạc số liệu địa hình, trắc dọc suối, chất lượng nền đất và đặc trưng lưu vực tại 4 vị trí công trình cống thực tế.
Nguồn tư liệu và dữ liệu
- Số liệu thống kê mạng lưới đường bộ năm 2009 của Bộ Giao thông và Công chính Lào.
- Chuỗi dữ liệu lượng mưa tại trạm Viêng Chăn từ năm 1900 đến 1988 (lượng mưa bình quân 224 mm/ngày-đêm; lượng mưa tháng lớn nhất ghi nhận năm 1971 đạt 625 mm/ngày-đêm trong tháng 8).
- Chuỗi số liệu thực nghiệm thủy lực của Aivazian O.M (1977 - 2001) về dòng xiết không hàm khí trong máng dẫn bê tông.
- Hồ sơ kỹ thuật và số liệu khảo sát thực địa tại 4 vị trí cống thoát nước nhỏ trên mạng lưới đường quốc lộ Lào.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về đặc điểm điều kiện tự nhiên, tình hình mạng lưới giao thông và sự phá hoại các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô ở nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào
Chương 1 tổng hợp các yếu tố địa lý tự nhiên của Lào với diện tích 236.800 km², địa hình đồi núi chiếm 70% với các dãy núi cao ở phía Bắc và Đông Bắc (đỉnh cao nhất là núi Phou Bia cao 2820m, núi Xao cao 2690m, núi San cao 2218m, núi Huat cao 2452m). Khí hậu chia thành 2 mùa rõ rệt: mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 11 (nhiệt độ trung bình khoảng 30°C, tập trung 80% lượng mưa cả năm), mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau (nhiệt độ trung bình khoảng 15°C, vùng núi cao có thời điểm xuống 0°C).
Về lịch sử mạng lưới đường bộ, tác giả điểm qua 4 giai đoạn phát triển:
- Giai đoạn trước năm 1975: Hệ thống đường bộ nghèo nàn, mật độ thuộc nhóm thấp nhất châu Á với 2,6 km/100 km² lãnh thổ; chiều dài đường bộ tăng từ 4300 km lên 7400 km (đường nhựa tăng từ 1200 km lên 2900 km), chỉ có 4 thành phố kết nối biên giới.
- Giai đoạn 1975 - 1985: Sửa chữa, nâng cấp 3496 km đường (1420 km rải nhựa), xây dựng 61 cầu Bailey (dài 1844 m), 109 cầu bê tông cốt thép (dài 6159,5 m); đến năm 1985 toàn quốc có 12.500 km đường bộ.
- Giai đoạn 1985 - 2000: Mở rộng đường tới vùng sâu vùng xa, biên giới và xây dựng hai cầu lớn vượt sông Mê Kông (Tha Đừa - Nông Khai; Pak Sê - Mường Phôn Thong).
- Giai đoạn 2000 - 2015: Xây dựng mới 24.000 km đường, trong đó có 3800 km đường rải nhựa. Mặc dù vậy, hệ thống đường bộ Lào chủ yếu chỉ đạt cấp kỹ thuật III, IV và V.
| TT | Kết cấu mặt đường | Chiều dài (km) |
|---|---|---|
| 1 | Đường bê tông | 34 |
| 2 | Đường bê tông Asphalt | 496 |
| 3 | Đường nhựa | 4882 |
| 4 | Đường cấp phối | 13864 |
| 5 | Đường đất | 20292 |
| Tổng cộng | 39568 |
Bảng 1.1: Thống kê đường bộ toàn quốc CHDCND Lào năm 2009 (Nguồn: Bộ Giao thông và Công chính Lào)
Số liệu thống kê năm 2009 cho thấy đường cấp phối và đường đất chiếm hơn 86% tổng chiều dài mạng lưới đường bộ toàn quốc. Qua khảo sát thực địa trên 7 tuyến quốc lộ chính, tác giả phân loại 5 dạng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ điển hình:
- Hư hỏng rãnh thoát nước: Do chiều dài rãnh quá dài, độ dốc lớn nhưng rãnh không có cấu tạo bậc tiêu năng; vận tốc nước cuối rãnh quá cao gây xói sâu ta luy và cắt lở nền đường (điển hình tại km 43+500 trên Quốc lộ 8).
- Hư hỏng thượng lưu và hạ lưu cống: Do độ dốc lòng suối lớn, dòng chảy xiết mang bùn đá va đập làm hỏng thượng lưu; hạ lưu cống bị xói sâu làm sạt lở toàn bộ nền đường, đứt mặt đường nhựa (điển hình tại km 55+200 trên Quốc lộ 4A).
- Hư hỏng xói lở thân cống, nền đường bị cắt đứt: Do khẩu độ cống thiết kế không đủ thoát lưu lượng lũ, nước tràn qua mặt đường gây xói trôi nền đắp và phá hủy hoàn toàn công trình.
- Hư hỏng mối nối cống: Do xử lý móng cống không tốt gây lún lệch cục bộ, kỹ thuật thi công mối nối chưa đạt yêu cầu.
- Lắng đọng đất cát trong cống: Do độ dốc đặt cống quá nhỏ hoặc cửa ra hạ lưu bị tắc nghẽn, bùn cát bồi lấp gần kín khẩu độ cống.
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 dòng chảy và xói sau gia cố công trình thoát nước nhỏ ngang đường
Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết tổng quan về 4 bài toán thủy lực:
- Thủy lực bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng: Phân tích cơ chế nước nhảy tại chỗ và nước nhảy xa; xác định chiều dài đoạn nước đổ ở cửa vào bậc nước $l_1$; tính chiều dài nước rơi dọc phương chảy $l_c$ theo Chertouxov và Konstantinov; các công thức tính chiều sâu co hẹp $h_{ch}$ từ phương trình Bernoulli: $$E_0 = h_{ch} + \frac{q^2}{2 g \varphi^2 h_{ch}^2}$$ Phân tích các phương pháp giải của Agroskin I.I (1964) và Rakhmanov A.N; tính toán chiều sâu bể tiêu năng $d = \sigma h_{2ch} - h_h - Z$ và chiều cao tường tiêu năng $p_t$ theo Detlef Aigner, Provorova T.P và USBR.
- Sức cản thủy lực ở dốc nước: Khảo sát dòng chảy xiết ($S_0 > S_c$), hiện tượng dòng hàm khí làm chiều sâu dòng chảy tăng từ 1,5 đến 2 lần và tạo chuyển động sóng; các công thức tính hệ số Chezy, Manning, Pavlovski; phân tích hiện tượng ma sát trong máng bê tông theo Aivazian O.M và Kosichenko IU.M: đối với dòng êm ($Fr < 1$), hệ số ma sát $f$ giảm khi số $Re$ tăng; ngược lại đối với dòng xiết ($Fr > 1$), hệ số ma sát $f_x$ tăng khi số $Re$ tăng.
- Khởi động của hạt đất ở đáy dòng chảy: Tổng quan 4 quan điểm lý thuyết (tốc độ khởi động đáy, lực nâng thẳng đứng, ứng suất tiếp tới hạn, phương pháp xác suất); chi tiết công thức cân bằng lực đẩy trượt $P_x$, lực nâng $P_y$ và trọng lượng chìm $G$ của Goncharov V.N, Baker C.J, Yang C.T, James C.S và biểu đồ Shields.
- Tính xói sau gia cố công trình cống: Cơ chế nối tiếp dòng chảy hạ lưu cống khi chiều sâu hạ lưu $S_h < S_c$, các dạng nối tiếp dòng chảy và công thức xác định quy mô hố xói cục bộ sau gia cố.
Chương 3: Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường cho nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào
Chương 3 là phần nghiên cứu tính toán cốt lõi của tác giả với các kết quả cụ thể:
- Ứng dụng công cụ Goal Seek giải phương trình thủy lực bậc nước: Tác giả xây dựng thuật toán giải phương trình năng lượng bậc 3 phi tuyến tìm chiều sâu co hẹp $h_{ch}$ trên sân bậc bằng công cụ Goal Seek trong Excel. Kết quả tính toán thử dần tự động cho phép xác định chính xác $h_{ch}$ và chiều sâu liên hợp $h_{2ch}$ một cách trực tiếp mà không cần dùng bảng tra rời rạc.
- Xây dựng biểu đồ thiết kế không thứ nguyên cho bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng: Lập các biểu đồ quan hệ thủy lực:
- Đồ thị quan hệ giữa $\frac{P}{L}$ với $\frac{p_t}{P}$ và $\frac{h_c}{P}$.
- Đồ thị quan hệ giữa $\frac{P}{h_c}$ với $\frac{L_{bc}}{h_c}$, $\frac{p_t}{h_c}$ và $\frac{L_b}{h_c}$. Các biểu đồ này cho phép kỹ sư thiết kế nhanh chóng tra cứu chiều cao tường tiêu năng $p_t$, chiều dài bậc $L_{bc}$ và chiều dài bể tiêu năng $L_b$ tương ứng với chiều cao bậc $P$ và chiều sâu phân giới $h_c$.
- Kiểm chứng hệ số sức cản thủy lực ở dốc nước: Sử dụng chuỗi số liệu thực tế của Aivazian O.M, tác giả xây dựng đồ thị quan hệ giữa hệ số sức cản $f$ và số Reynolds $Re$ cho dòng xiết trong máng dẫn bê tông; so sánh sự biến thiên của hệ số sức cản giữa mặt cắt hình thang ($f_{HTH}$) và mặt cắt chữ nhật ($f_{CN}$), chứng minh tính đúng đắn của việc áp dụng công thức Kosichenko trong tính toán dốc nước.
- Tính toán vận tốc không xói đáy và tính xói sau gia cố cống:
- Lập bảng tính tốc độ không xói ở đáy dòng chảy $u_c$ đối với các cấp phối đất không dính.
- Xác định các hệ số điều chỉnh độ dốc cống $C_s$, hệ số chênh cao cửa ra $C_h$.
- Ứng dụng phần mềm HY-8 kết hợp với phương pháp của Hội Cầu đường Mỹ (AASHTO/FHWA) tính toán xói sau cống tại 2 vị trí công trình cống thực tế ở Lào; xác định chiều sâu xói lớn nhất $h_x$, chiều dài xói $L_x$ và thể tích hố xói $W_x$.
Chương 4: Giải pháp xây dựng công trình thoát nước ngang đường có địa hình đặc thù ở nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào
Chương 4 đưa ra các giải pháp công trình thực tiễn dựa trên kết quả tính toán thủy lực:
- Công tác khảo sát thủy văn và tính lưu lượng thiết kế:
- Chuẩn hóa nội dung khảo sát thủy văn tiểu lưu vực cho công trình thoát nước nhỏ vùng núi Lào.
- Ứng dụng các công thức tính lưu lượng đỉnh lũ $Q$ có xét đến hệ số dòng chảy $C$, hệ số điều tiết ao hồ $\delta$, hệ số nhám sườn dốc $m_{sd}$, đặc số nhám lòng sông $m_{ls}$, hệ số dòng chảy phụ thuộc diện tích lưu vực $\alpha$ và độ dốc sườn dốc $i_{sd}$.
- Tính toán lưu lượng kiểm tra tại 4 vị trí công trình cống thực tế trên mạng lưới đường ô tô Lào.
- Giải pháp thiết kế và cấu tạo công trình thoát nước đặc thù:
- Cấu tạo cống kết hợp tường chắn: Áp dụng tại các vị trí đường đắp cao trên sườn dốc hiểm trở, tường chắn vừa có nhiệm vụ giữ ổn định ta luy nền đắp, vừa đóng vai trò tường đầu và tường cánh hướng dòng chảy vào cống.
- Bố trí cửa ra cống kết hợp tường chắn và bể tiêu năng: Tạo bể tiêu năng hạ lưu cống kết hợp ngưỡng tràn tiêu hao động năng dòng xiết trước khi xả ra tự nhiên.
- Cống dốc bố trí theo kiểu bậc cấp: Đối với sườn dốc tự nhiên quá lớn, thay vì đặt thân cống dốc liên tục gây vận tốc dòng chảy quá cao, thân cống hoặc đoạn nối tiếp hạ lưu được thiết kế hạ bậc nhiều cấp để triệt tiêu năng lượng nước ngay trong lòng cống.
- Xác định kích thước đoạn gia cố hạ lưu cống: Tính toán chiều dài gia cố $l_{gc}$ bằng đá lát hoặc bê tông dựa trên tỷ số vận tốc dòng chảy ở cửa ra và vận tốc không xói của đất lòng suối, ngăn ngừa hiện tượng dòng nước khoét hàm ếch phá hủy nền đường.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học
- Đã ứng dụng phương pháp số với công cụ Goal Seek để giải phương trình đại số bậc 3 phi tuyến tính từ phương trình bảo toàn năng lượng Bernoulli, xác định chính xác chiều sâu co hẹp $h_{ch}$ và chiều sâu liên hợp $h_{2ch}$ trên sân bậc nước nhiều cấp mặt cắt chữ nhật dạng bể tiêu năng, khắc phục hạn chế của các phương pháp thử dần truyền thống.
- Đã xây dựng hệ thống biểu đồ thiết kế không thứ nguyên biểu thị quan hệ giữa các đại lượng hình học và thủy lực ($\frac{P}{h_c}, \frac{L_{bc}}{h_c}, \frac{p_t}{h_c}, \frac{L_b}{h_c}$), giúp tính toán trực quan và nhanh chóng kích thước của bậc nước nhiều cấp và bể tiêu năng.
- Đã phân tích và kiểm chứng quy luật biến thiên của hệ số sức cản thủy lực $f$ theo số Reynolds $Re$ trong dòng xiết không hàm khí đối với lòng dẫn bê tông mặt cắt chữ nhật và hình thang dựa trên chuỗi số liệu thực tế.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Thiết lập quy trình tính toán thủy văn, thủy lực đồng bộ thích ứng với điều kiện tự nhiên, khí hậu và địa hình đồi núi dốc đứng của CHDCND Lào; kết hợp công thức giải tích với phần mềm chuyên ngành HY-8 trong tính toán khẩu độ và xói sau cống.
- Đề xuất các giải pháp kết cấu xây dựng công trình thoát nước nhỏ phù hợp với địa hình đặc thù tại Lào: cống dốc bố trí kiểu bậc cấp, cống kết hợp tường chắn, cửa ra cống kết hợp tường chắn và bể tiêu năng, rãnh dọc bố trí bậc tiêu năng nhiều cấp.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Đề nghị các cơ quan quản lý và các đơn vị tư vấn thiết kế đường bộ tại CHDCND Lào áp dụng hệ thống biểu đồ tính thủy lực bậc nước và quy trình tính xói hạ lưu cống vào công tác lập dự án, thiết kế kỹ thuật các tuyến đường ô tô xây dựng mới hoặc nâng cấp.
- Cần thay thế các rãnh dẫn nước dài dốc thẳng bằng kết cấu rãnh bậc nước nhiều cấp để giảm vận tốc xói mòn; tại các cống có độ dốc sườn suối lớn, bắt buộc phải thiết kế bể tiêu năng hạ lưu và tính toán đủ chiều dài gia cố chống xói $l_{gc}$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
- Luận án tập trung giải quyết bài toán tính toán thủy lực dòng chảy và đề xuất giải pháp cấu tạo công trình; chưa nghiên cứu sâu cơ chế biến dạng, nứt vỡ kết cấu thân cống dưới tác động đồng thời của tải trọng động xe chạy và ứng suất cơ học đất đắp nền đường.
- Số liệu thực nghiệm về dòng chảy hàm khí trong dốc nước chủ yếu kế thừa từ các công trình nghiên cứu đã công bố của Aivazian O.M, chưa tiến hành đo đạc thực nghiệm mô hình vật lý dòng hàm khí quy mô lớn tại hiện trường Lào.
- Các công thức tính xói sau cống và vận tốc không xói đáy mới chỉ tập trung cho loại địa chất là đất không dính (cát, sỏi, cuội).
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường về mức độ hàm khí và sóng dòng chảy xiết trên các máng dốc nước có độ dốc lớn tại vùng núi cao CHDCND Lào.
- Mở rộng bài toán tính toán tốc độ bắt đầu xói đáy và quy mô hố xói hạ lưu cống cho các loại địa chất nền đất dính và nền địa chất hỗn hợp phức tạp.
- Nghiên cứu tương tác động lực học giữa thân cống bê tông cốt thép, nền đất đắp và tải trọng đoàn xe khai thác trên đường ô tô vùng đồi núi.
Giá trị tham khảo
Đối tượng thụ hưởng
- Kỹ sư tư vấn thiết kế và quản lý dự án: Là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật trong việc tính toán khẩu độ cống, thiết kế bể tiêu năng, dốc nước, rãnh thoát nước bậc cấp và công trình gia cố hạ lưu cống cho các tuyến đường miền núi tại Lào và khu vực lân cận có điều kiện địa hình tương đồng.
- Cơ quan quản lý giao thông CHDCND Lào (Bộ Giao thông và Công chính Lào): Cung cấp cơ sở khoa học để rà soát, bổ sung và hoàn thiện các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô.
- Nghiên cứu sinh, giảng viên và học viên cao học: Là tài liệu tham khảo chuyên khảo trong chuyên ngành Xây dựng đường ô tô, Kỹ thuật công trình giao thông và Thủy lực công trình.
Nội dung đáng tham khảo nhất
- Phương pháp ứng dụng Goal Seek trong Excel để giải nhanh phương trình bậc 3 năng lượng Bernoulli cho bài toán dòng chảy qua bậc nước.
- Hệ thống biểu đồ không thứ nguyên tính toán kích thước bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng tại Chương 3.
- Các sơ đồ cấu tạo giải pháp kỹ thuật công trình cống dốc bậc cấp, cống kết hợp tường chắn và cửa ra bể tiêu năng hạ lưu tại Chương 4.
Câu hỏi thường gặp
1. Nguyên nhân chủ yếu nào dẫn đến sự phá hoại nghiêm trọng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại CHDCND Lào?
Theo khảo sát thực địa của luận án, nguyên nhân chủ yếu gồm: địa hình đồi núi chiếm 70% với độ dốc sườn suối rất lớn; lượng mưa trung bình năm lên tới 3500 mm và 80% tập trung vào mùa mưa sinh ra dòng chảy lũ có lưu lượng và vận tốc rất cao; phương pháp tính toán thủy lực chưa phù hợp dẫn đến thiết kế khẩu độ cống không đủ làm nước lũ tràn qua mặt đường; đồng thời cống thiếu các công trình tiêu năng và gia cố hạ lưu phù hợp khiến dòng chảy xiết gây xói sâu, khoét hàm ếch làm sạt lở nền và cắt đứt mặt đường nhựa.
2. Tác giả đã giải quyết bài toán tìm chiều sâu co hẹp $h_{ch}$ trên sân bậc nước bằng công cụ nào?
Tác giả đã sử dụng công cụ Goal Seek trong phần mềm Microsoft Excel để giải phương trình đại số bậc 3 phi tuyến tính thiết lập từ phương trình Bernoulli. Giải pháp này giúp tự động hóa quá trình tính lặp, tìm ra nghiệm chiều sâu co hẹp $h_{ch}$ và chiều sâu liên hợp $h_{2ch}$ một cách chính xác mà không phải thực hiện các bước thử dần thủ công phức tạp.
3. Quy luật biến thiên của hệ số sức cản ma sát thủy lực $f$ ở dòng chảy xiết trong dốc nước có điểm gì khác biệt so với dòng chảy êm?
Số liệu thực nghiệm của Aivazian O.M được tác giả phân tích và kiểm chứng chỉ ra rằng: đối với dòng chảy êm ($Fr < 1$), khi số Reynolds $Re$ tăng thì hệ số ma sát $f$ giảm dần; ngược lại, đối với dòng chảy xiết ($Fr > 1$), hệ số ma sát $f_x$ lại tăng theo sự gia tăng của số $Re$, và được mô tả phù hợp qua công thức Kosichenko IU.M.
4. Luận án đề xuất những giải pháp kết cấu thoát nước đặc thù nào cho các tuyến đường ô tô vùng núi tại Lào?
Luận án đề xuất 4 giải pháp kết cấu chính:
- Cống thoát nước kết hợp tường chắn thượng lưu và hạ lưu tại các đoạn đường đắp cao sườn dốc;
- Bố trí cửa ra cống kết hợp tường chắn và bể tiêu năng hạ lưu;
- Thiết kế cống dốc theo kiểu bậc cấp nhằm giảm độ dốc dòng chảy và tiêu hao động năng dòng lũ ngay trong thân cống;
- Cấu tạo rãnh thoát nước biên thành bậc nước nhiều cấp để chống xói rãnh và ta luy nền đường.
5. Phần mềm nào được tác giả ứng dụng để mô phỏng và tính toán xói hạ lưu cống?
Tác giả ứng dụng phần mềm chuyên ngành HY-8 kết hợp với phương pháp của Hội Cầu đường Mỹ (AASHTO/FHWA) để tính toán mô phỏng khẩu độ cống, xác định chiều sâu xói lớn nhất $h_x$, chiều rộng xói $b_x$, chiều dài hố xói $L_x$ và thể tích đất bị xói $W_x$ tại các vị trí cống khảo sát thực tế trên mạng lưới đường quốc lộ Lào.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của Souvanhna Vongkhamchanh đã giải quyết một vấn đề kỹ thuật cấp bách trong công tác xây dựng hạ tầng giao thông đường bộ tại CHDCND Lào. Bằng việc kết hợp nghiên cứu lý thuyết thủy lực công trình với điều tra thực tế mạng lưới quốc lộ Lào, tác giả đã ứng dụng thành công phương pháp số Goal Seek và xây dựng hệ thống biểu đồ thiết kế không thứ nguyên cho bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu năng. Đồng thời, công trình đã đề xuất hệ thống giải pháp kết cấu công trình thoát nước nhỏ thích ứng với điều kiện địa hình đồi núi dốc đứng và khí hậu mưa tập trung của Lào. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thực hành tin cậy cho công tác khảo sát, thiết kế và thi công hệ thống thoát nước đường ô tô nhằm nâng cao tuổi thọ công trình và đảm bảo an toàn giao thông.