Báo cáo khoa học: "TIÊU NĂNG TỰ NHIÊN Ở HẠ LƯU CỐNG VÀ CẦU NHỎ CỦA ĐƯỜNG

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

110
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Báo cáo trình bày hiểu biết về thuỷ lực gây ra xói lở của dòng chảy; phương pháp và công thức dự đoán chiều sâu và phạm vi xói sau cống theo No14 ASCE (2006) của Hội người xây dựng dân dụng Mỹ đối với đất không dính và đất dính. Trên cơ sở đó nêu ra phương pháp và trình tự xác định bậc nước dạng bể tiêu năng tự nhiên, thân thiện với môi trường sao cho gia cố nhỏ nhất....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "TIÊU NĂNG TỰ NHIÊN Ở HẠ LƯU CỐNG VÀ CẦU NHỎ CỦA ĐƯỜNG

TIÊU NĂNG TỰ NHIÊN Ở HẠ LƯU CỐNG VÀ CẦU NHỎ CỦA ĐƯỜNG TRẦN ĐÌNH NGHIÊN Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Báo cáo trình bày hiểu biết về thuỷ lực gây ra xói lở của dòng chảy; phương pháp và công thức dự đoán chiều sâu và phạm vi xói sau cống theo No14 ASCE (2006) của Hội người xây dựng dân dụng Mỹ đối với đất không dính và đất dính. Trên cơ sở đó nêu ra phương pháp và trình tự xác định bậc nước dạng bể tiêu năng tự nhiên, thân thiện với môi trường sao cho gia cố nhỏ nhất. Summary: Hydraulic concepts of flow scour at culverts & small bridges, expressions for predicting scour at culvert outlets in a cohesionless & cohesive soil as well as step pool energy dissipation design in nature while maintaining natural condition as stable “undisturbed” streams with minimal channel armoring are presented. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Quy trình hiện hành thường giải quyết bài toán gia cố chống xói ở hạ lưu cống và cầu nhỏ bằng cách gia cố cứng hay kết hợp giữa gia cố cứng và mềm song chưa chú ý đến sinh thái và đời sống riêng của dòng chảy nhỏ. Do vậy, báo cáo này trình bày phương pháp gia cố hạ lưu CT 1 bằng bậc nước dạng bể tiêu năng tự nhiên tương ứng với kiểu dòng chảy ở lưu vực nhỏ. 2. BẬC NƯỚC CÓ BỂ TIÊU NĂNG TỰ NHIÊN Mỗi dòng chảy trong tự nhiên đều có đời sống riêng trong sự cân bằng sinh thái và môi trường thủy sinh, có hình dạng nhất định ở mặt bằng với mặt cắt dọc và ngang ổn định theo thời gian. Dọc theo chiều dài dòng chảy thường tạo ra các dạng bậc nước hay dốc nước có bể tiêu năng tự nhiên phù hợp với địa hình, địa chất… mà dòng chảy đi qua. Để áp dụng dạng tự nhiên này vào hạ lưu cầu và cống ta cần phải giải quyết những nội dung sau: (1) Hiểu biết về thủy lực; (2) Hệ thống bậc nước dạng bể tự nhiên; (3) Xói lở sau cống hay cầu nhỏ; (4) Hiểu biết về thiết kế kênh tự nhiên; (5) Thiết kế bậc nước dạng bể. 3. NỘI DUNG CHI TIẾT 3.1. Hiểu biết về thủy lực Hình dạng dòng chảy gồm chiều rộng, chiều sâu, mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, chiều dài uốn lượn và các biến về thủy lực như: độ dốc dọc trung bình, ma sát trung bình, tốc độ trung bình đối với một lưu lượng xác định và lượng bùn cát nhất định cũng như các điều kiện biên cụ thể nơi dòng chảy đi qua, tất cả có liên quan mật thiết với nhau trong quá trình diễn biến dòng chảy. Tất cả các dòng chảy đều có xu hướng cân bằng, song do điều kiện biên thay đổi kết hợp với năng lượng vốn có của của dòng chảy, dòng chảy tập trung lại, làm tốc độ tăng lên, tạo ra động năng thừa gây xói lở làm thay đổi kích thước hình học và hình dạng của nó. Do vậy, có thể cho rằng, xói lở phụ thuộc vào năng lượng của dòng chảy và địa chất đáy dòng chảy (sơ đồ 1).
(1) Sơ đồ dòng chảy gây xói lở: Tập trung dòng chảy Thừa động năng Xói lở (2) Chiều sâu xói: hx = f(năng lượng E, vật liệu đáy), trong đó: E = z + v2/2g (m) Năng lượng: (1) 2 v: tốc độ trung bình mặt cắt (m/s); g: gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s ); z: chiều cao so với mặt so sánh (m). v = (1/n)R2/3S1/2 (3) Tốc độ: (2) n: hệ số nhám, R: bán kính thủy lực, S: độ dốc. Bảng 1. Tốc độ cho phép (4) Địa chất được đặc trưng bằng tốc độ cho không xói lớn nhất [vomax] phép không xói, có thể tham khảo bảng 1. Vật liệu [vomax] (m/s) (5) Tốc độ tại cửa ra của cống thường lớn hơn 3 Cát đều hạt và đất không dính 0.457 m/s, do vậy thường gây xói lở hạ lưu cống. Cát có cấp phối đất 0.762 Cát lẫn đất 0.914 (6) Các cách giảm vận tốc dòng chảy từ phương Sét 1.219 trình (2). Sỏi sạn 1.83 Tăng ma sát (tăng nhám n); Giảm bán kính thủy lực; Giảm độ dốc đáy dòng chảy. TCT1 (7) Thông qua nước nhảy để tiêu hao năng lượng thừa từ dòng chảy xiết sang dòng chảy êm. EL = E1 – E2 (3) trong đó: EL, E1, E2 lần lượt là năng lượng mất đi do nước nhảy, năng lượng dòng xiết và năng lượng của dòng êm sau nước nhảy. 3.2. Mất mát năng lượng tự nhiên Dòng chảy có độ dốc nhỏ (thường < 2%) thường tạo ra các dạng uốn lượn trên mặt bằng (meandering); là dòng chảy êm. Dòng chảy có độ dốc lớn (thường > 4%) thì tạo ra bậc nước dạng bể tiêu năng hay hố tiêu năng, nước nhảy như hình 1. Hình thành bể tự nhiên sau bậc nước thường là kết quả của lũ có chu kỳ 20 đến 50 năm; do dòng chảy thượng lưu có cột nước cao (thế năng lớn); do lưu vực tụ nước cung cấp ít bùn cát và thường là vật liệu lớn. (đá cuội, đá tảng…). Chúng ta Hình 1. Dòng chảy chuyển từ dòng xiết ở bậc sang bể tiêu năng tự nhiên. không thấy hình thái bể tiêu năng tự nhiên 1. Dốc năng lượng; 2. Mực nước cao; 3. Mực nước ở hệ thống dòng chảy lưu vực có địa chất là thấp; 4. Bậc; 5. Hố xói – bể tiêu năng tự nhiên. cát, sỏi sạn hay là sét.
3.3. Xói ở hạ lưu cống Lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra có thể dự đoán xói sau cống dựa vào lưu lượng, kích cỡ và loại vật liệu đáy dòng chảy, chiều cao nước rơi. 3.3.1. Công thức xác định xói theo thông tư N0/14 ASCE (2006) Xói ở hạ lưu cống phụ thuộc vào lưu lượng, hình dạng cống, loại đất, thời gian lũ, dốc đặt cống, chiều cao đặt cống so với đáy kênh và chiều sâu mực nước hạ lưu. a. Đối với đất không dính β ⎛ α ⎞⎛ Q ⎞ ⎛ t ⎞ θ ⎡ h x b x l x ∀x ⎤ (4) ⎥ = Cs C h ⎜ 1/ 2 ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎢, , , ⎟ ⎜ 2.5 ⎟ ⎝ σ ⎠ ⎝ gR c ⎠ ⎝ 316 ⎠ ⎣ Rc Rc Rc Rx ⎦ trong đó: hx – chiều sâu xói (m); bx – chiều rộng hố xói (m); lx – chiều dài hố xói (m); ∀x – thể tính hố xói (m); Rc – bán kính thủy lực tại cửa ra của cống (giả thiết chảy đầy cống); Q – lưu lượng chảy (m3/s); g = 9,81 m/s2; t – thời gian (phút); σ = (D84/D16)0,5 – độ lệch tiêu chuẩn của vật liệu đáy; α, β, θ - hệ số theo bảng 2; Cs – hệ số điều chỉnh độ dốc theo bảng 3; Ch – hệ số điều chỉnh độ cao nước rơi tra bảng 4; Nếu σ < 1,5 thì vật liệu đáy coi như đều hạt; thông thường σ > 1,87 cho cát và σ > 2,10 cho sỏi sạn không đồng nhất. Chiều sâu xói lớn nhất hxmax tại 0.4lx tương ứng với chiều sâu hạ lưu cống nhỏ hơn 0,5 chiều cao cống. Thí nghiệm chỉ ra xói đạt 2/3 – 3/4 giá trị xói lớn nhất trong vòng 30 phút, do đó nếu không biết thời gian đỉnh lũ có thể lấy thời gian bằng 30 phút. Bảng 2. Hệ số xác định xói cống theo (4) Bảng 3. Hệ số điều chỉnh độ dốc đặt cống Cs. α β θ Độ dốc Chiều Chiều Chiều Thể Danh mục (%) sâu rộng dài tích Chiều sâu xói hx 2.27 0.39 0.06 0 1.00 1.00 1.00 1.00 CT 1 Chiều rộng bx 6.94 0.53 0.08 2 1.03 1.20 1.17 1.30 Chiều dài lx 17.10 0.47 0.10 5 1.08 1.28 1.17 1.30 Thể tích Vx 127.08 1.24 0.18 >7 1.12 1.28 1.17 1.30 Trình tự thiết kế: Bảng 4. Hệ số Ch, cho cửa ra cống đặt cao hơn đáy dòng chảy 2 (1) Xác định lưu lượng Qp% (m /s) và thời gian tính lũ t (phút); (2) Tính Rc (chảy Hd Chiều sâu Chiều rộng Chiều dài Thể tích đầy cống); (3) Xác định Hd; (4) Xác định hệ 0 1.00 1.00 1.00 1.00 số xói (bảng 2) và hệ số Cs (bảng 3) & Ch 1 1.22 1.51 0.73 1.28 (bảng 4); (5) Xác định σ = (D84/D16)0,5 của vật 2 1.26 1.54 0.73 1.47 liệu theo mẫu đất; (6) Áp dụng công thức (4) 4 1.34 1.66 0.73 1.55 tính kích thước hố xói; (7) Xác định vị trí xói lớn nhất lxmax = 0,4lx Hd = khoảng cách từ đáy cống đến đáy dòng chảy/đường kính cống b. Xói trong đất dính Kết quả thí nghiệm đối với đất có 58% cát, 27% sét, 15% đất và 1% chất hữu cơ; cát có d50 = 0,15 mm và chỉ số dẻo đối với sét PI là 15 thì công thức (5) đối với cống tròn: β θ ⎛ ρV 2 ⎞ ⎛ t ⎞ ⎡ h x b x l x ∀x ⎤ (5) , , , 3 ⎥ = Cs C h ( α ) ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎢D D D D ⎦ ⎝ τc ⎠ ⎝ 316 ⎠ ⎣
Công thức đồi với cống chữ nhật: ρ θ ⎡ h x b x l x ∀x ⎤ ⎛ ρV 2 ⎞ ⎛ t ⎞ (6) , , , ⎥ = Cs C h ( α e ) ⎜ ⎟⎜ ⎢ ⎟ ⎝ τc ⎠ ⎝ 316 ⎠ ⎣ ye ye ye ye ⎦ trong đó: D – đường kính cống (m); ye – chiều sâu tương đương (A/2)0.5 (cm); A – diện tích mặt cắt ngang dòng chảy; v – tốc độ tại cửa ra của cống (m/s); ρ = 1000 kg/m3; (ρv2/τc) - số ứng suất tiếp; αe = α/0,63 cho hx, bx, lx; αe = α/0,633cho ∀x. α, β, θ và αe cho trong bảng 5. τc = 0.001(Sv + α u ) tan(30 + 1, 73PI) Bảng 5. (7) Danh αe α β θ trong đó: τc – ứng suất tiếp tới hạn (N/m2); Sv – mục cường độ ứng suất tiếp bão hòa (N/m2) (ASTM (D- hx 0.86 0.18 0.1 1.37 211-66-76)); αu – hằng số đổi đơn vị; αu = 8630 bx 3.55 0.17 0.07 5.63 N/m3 trong hệ đơn vị SI; PI – chỉ số dẻo sử dụng lx 2.82 0.33 0.09 4.48 ASTM (D423 -36)). ∀x 0.62 0.93 0.23 2.48 Trình tự tính khi: PI = 5 ÷ 16 là: (1) Xác định lưu lượng lũ Qp% và thời gian đỉnh lũ (phút); (2) Xác định V ở cửa ra của cống; (3) Phân tích mẫu đất tại nơi đặt cống; (4) Xác định τc theo (7); (5) Tính số ứng suất tiếp (ρv2/τc) = Snm và Hd cho dốc lớn hơn 0%; (6) Xác định hệ số theo bảng 5, và Cs (bảng 3), Ch (bảng 4); (7) Xác định kích thước xói theo (5) hay (6); (8) Xác định nơi xói lớn nhất tại lxmax = 0,4lx. Ngoài ra nên tính xói theo một công thức khác để so sánh, đánh giá trước khi lựa chọn giá trị xói để thiết kế. TCT1 3.3.2. Các loại tiêu hao năng lượng tiêu biểu Phương pháp bỏ đá rời; Rọ đá; Rọ đá, vải địa kĩ thuật và tầng lọc ngược kết hợp; Bể tiêu năng; Nối cống tạo bậc; Hố tiêu năng; Tiêu năng dạng bậc nước kiểu bể tự nhiên dựa vào hiểu biết về thiết kế kênh tự nhiên. 3.4. Hiểu biết và thiết kế kênh tự nhiên Xuất phát từ dòng chảy ổn định bao gồm hình dạng và kích thước mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, tuyến dòng chảy, vật liệu đáy; Nghiên cứu phân loại dòng chảy; Đánh giá sự vận tải bùn cát; Xem xét chức năng sinh thái; Sử dụng vật liệu tự nhiên (gỗ, cây cỏ, đá, …) để tạo ra sự kiểm soát và làm chệch hướng dòng chảy; Thiết kế sao cho tạo ra cân bằng động giữa dòng nước và bùn cát. Nhớ rằng dòng chảy ổn định là dòng chảy vận chuyển nước và bùn cát do lưu vực cấp nước tạo ra trong lúc luôn duy trì được kích thước, chế độ chảy, mặt cắt dọc và tuyến chảy mà không gây xói, bồi. Giúp người thiết kế có hiểu biết rộng về các biện pháp và phạm vi tiêu hao năng lượng gây xói với mức độ gia cố kênh tối thiểu. 3.4.1. Các giả thiết (1) Xét cho trường hợp cống kiểm soát thượng lưu; (2) Xét phần hạ lưu cống; (3) Không thay đổi kích thước cống, độ dốc dọc hay vật liệu; (4) Cống và kênh hạ lưu tương đối dốc (> 4%). 3.4.2. Thiết kế gồm: Xác định bậc nước và kích thước bể tiêu năng; Xác định số lượng bậc
và bể; Tính chi tiết kích thước bậc, bể và kênh dẫn. 3.4.3. Phân tích bao gồm: + Xác định đặc điểm của kênh và dòng chảy (loại dòng chảy, độ dốc và độ ổn định…). + Xác định đặc điểm của thủy lực cống (tốc độ ra Vr, chiều cao nước rơi) + Dự đoán chiều sâu xói (theo các công thức khác nhau có tính đến vật liệu đáy dòng chảy). Hình 2. Hiểu biết về thiết kế kênh tự nhiên Tóm lại việc phân tích phải đạt được: Đánh giá xói theo các công thức khác nhau hay phương pháp khác nhau; Quan sát được hiện trạng hạ lưu cống lân cận hay tương tự; Sử dụng quan sát thực tế và kinh nghiệm để hiệu chỉnh kích thước bể tiêu năng ngăn cản xói; Thiết kế chi tiết bậc và bể thứ nhất, các bậc và bể sau làm tương tự; HEC – RAS là công cụ tốt để kiểm tra thủy lực cống và kênh. Mục đích cuối cùng của thiết kế là: Bảo vệ được cống và kích thước lòng; Tạo ra được bể tiêu năng tự nhiên sau cống; Tạo ra sự êm thuận giữa bề mặt tự nhiên và dòng chảy hạ lưu; Sử dụng vật liệu tại chỗ; Thiết kế đơn giản, dễ xây dựng và bảo dưỡng; Thuận lợi cho đời sống của cá và sinh vật khác, đảm bảo môi trường sinh thái thủy sinh; Đối với bậc nước tự nhiên thiết kế phải bao gồm: Chiều cao bậc; Chiều dài bậc; Chiều dài bể; Chiều rộng kênh ở nơi quan trọng; Các loại kết cấu kiểm soát độ cao và vật liệu tại chỗ. Do vậy, sơ bộ có thể sử dụng kết quả nghiên cứu của Thomas và các cộng sự. CT 1 3.5. Trình tự thiết kế theo Thomas (1) Xác định chiều cao bậc hay đập H, từ đáy thượng lưu tới đáy nơi kiểm soát hạ lưu; (2) Xác định độ dốc trung bình thực tế của dòng chảy; (3) Tính chiều rộng kênh B; (4) Tính chiều rộng B1; (5) Xác định lưu lượng chu kỳ 2 và 25 năm đối với đập; (6) Tính D30 là đường kính đá nhỏ nhất của loại đá cuội lớn xây dựng đập và bậc nước cho q có chu kỳ 25 năm (q25): D30 = (1,95 S 0,555 q 2 / 3 )/(g1/3) 0 (8) trong đó: S0 là độ dốc dọc, q là lưu lượng đơn vị (m3/s.m). (7) Tính chiều dài bể tự nhiên l2: l2 = 0, 409 + 4, 211 H + 87,341 S0 q25 (9) B B g B1,5 (8) Chiều sâu xói hx từ đáy thượng lưu đến đáy bể Công thức: hx = −0, 0118 + 1,394 H + 5,514 S0 q25 B B g B1,5 (9) Tính chiều rộng co hẹp tại vị trí kiểm soát chiều sâu hạ lưu của bể tự nhiên cho lưu lượng chu kỳ 2 năm (q2): B5 = 0,92B1 (10) Tính chiều rộng lớn nhất của bể cho lưu lượng q2: B3 =1,20.B1 (11) Xác định độ cao của bờ kênh để đảm bảo lưu lượng chỉ chảy qua đập.
Các kích thước của bậc và đập được chỉ ra ở hình 3. Hình 4. Mặt cắt dọc bậc nước và bể tự nhiên 1. Đáy dòng chảy hay đáy cống; 2. Đá ở đỉnh; 3. Đá ở chân; 4. Vải địa kỹ thuật; 5. Bể tiêu năng tự nhiên; 6. Chiều dòng chảy. Hình 3. Chi tiết kích thước bể tự nhiên. b/B1 độ cong đập; Mặt cắt dọc bậc nước tự nhiên chỉ ra ở hình 4. 4. GỢI Ý Nhiều nghiên cứu thực nghiệm và đo trong tự nhiên cho thấy: Chiều sâu bể tự nhiên từ 0,61 m đến 1,22 m; Chiều rộng bể = 1,2 (chiều rộng mặt kênh tự nhiên); Chiều cao bậc nhiều nhất là 0,46 m đến 0,61 m (để cá vượt qua); Chiều dài bậc xấp xỉ 0,3113/(độ dốc)1.118; Nên đặt bậc đầu tiên ngay cửa ra của cống để dịch xói về hạ lưu; Thay đổi chiều cao và chiều dài bậc phù hợp với địa hình. Việc thiết kế bể tiêu năng tự nhiên là một xu hướng mới thân thiện môi trường, dễ thiết kế và xây dựng, chi phí rẻ, dễ bảo dưỡng sửa chữa, song cần có nghiên cứu nhiều hơn trong điều kiện địa hình vùng núi và trung dU Việt Nam để có chỉ dẫn thật chi tiết cho kỹ sư thiết kế hay thi công ở các địa phương. TCT1 Phụ lục Phụ lục 1. Tốc độ xói tới hạn Vc hay [Vomax] Phụ lục 2. Ứng suất tiếp tới hạn (Van Rijn, 1984) Vc Vật Vc Vật liệu (m/s) liệu (m/s) Đường kính hạt Ứng suất tiếp tới hạn Cuội lớn ( ≥ 250mm) (τ0 = Fr2doρΔgd) không đơn vị Sỏi thô 1.3-1.8 5.0 2 1/3 D* = d(Δg/ν ) Cát thô 0.5 – 0.7 với Frdb= 3.0-2.5 Đá (150-100mm) 0.2 – 0.5 − 0,24 D • 10 D• ≤ 4 Cát mịn 1.8 Đất phủ cỏ mọc 1.3-1.5 Đất sét pha, sét cứng − 0,14 D • 64 4 < D* ≤ 10 − 10 < D* ≤ 20 0,10 D • 10 Trong đó Δ ≈ 1,65; g = 9,81m/s2; d là d50 có đơn vị là mét. 20 < D* ≤ 150 0,24 D • , 29 0 D* > 150 0.055 Tài liệu tham khảo [1]. Andrew Bick. PE. Erosion & Sedimentation Control planning & Design Workshop. October 30, 2007. [2]. D.B Thomas et al. Fish passage Guidance, 2000. [3]. Hydraulic Engineering circular numner 14. Third Edition, 2006. [4]. Montgomery, D.R & Buffington, J.M, 1997. Channel – reach Morphology in mountain drainage basins. Geol. Soc. Amer. Bullrtin, V.109, no.5, P. 596 – 611♦