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
bằng bậc nước dạng bể tiêu năng tự nhiên tương ứng với kiểu dòng chảy ở lưu vực nhỏ.
CT 1
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:
Năng lượng: E = z + v
2/2g (m) (1)
v: tốc độ trung bình mặt cắt (m/s); g: gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2); z: chiều cao so
với mặt so sánh (m).
(3) Tốc độ: v = (1/n)R
2/3S1/2 (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
phép không xói, có thể tham khảo bảng 1. không xói lớn nhất [vomax]
Vật liệu [vomax] (m/s)
Cát đều hạt và đất không dính
Cát có cấp phối đất
TCT1
(5) Tốc độ tại cửa ra của cống thường lớn hơn 3
m/s, do vậy thường gây xói lở hạ lưu cống.
Cát lẫn đất
Sét
Sỏi sạn
0.457
0.762
0.914
1.219
1.83
(6) Các cách giảm vận tốc dòng chảy từ phương
trình (2).
Tăng ma sát (tăng nhám n); Giảm bán kính thủy
lực; Giảm độ dốc đáy dòng chảy.
(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
không thấy hình thái bể tiêu năng tự nhiên
ở hệ thống dòng chảy lưu vực có địa chất là
cát, sỏi sạn hay là sét.
Hình 1. Dòng chảy chuyển từ dòng xiết ở bậc
sang bể tiêu năng tự nhiên.
1. Dốc năng lượng; 2. Mực nước cao; 3. Mực nước
thấp; 4. Bậc; 5. Hố xói – bể tiêu năng tự nhiên.
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
xxx x sh 1/2 2.5
cccx c
hbl Q t
,,, CC
RRRR 316
gR
β
θ
⎛⎞
⎡⎤
∀α
⎛⎞ ⎛
=⎜⎟
⎢⎥
⎜⎟ ⎜
⎜⎟
σ
⎝⎠ ⎝
⎣⎦
⎝⎠
⎞
⎟
⎠
(4)
trong đó: hx – chiều sâu xói (m); bx – chiều rộng hố xói (m); lx – chiều dài hố xói (m); –
thể tính hố xói (m); R
x
∀
c – 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)
Danh mục α β θ
Chiều sâu xói hx
Chiều rộng bx
Chiều dài lx
Thể tích Vx
2.27
6.94
17.10
127.08
0.39
0.53
0.47
1.24
0.06
0.08
0.10
0.18
Bảng 3. Hệ số điều chỉnh độ dốc đặt cống Cs.
Độ dốc
(%)
Chiều
sâu
Chiều
rộng
Chiều
dài
Thể
tích
0
2
5
>7
1.00
1.03
1.08
1.12
1.00
1.20
1.28
1.28
1.00
1.17
1.17
1.17
1.00
1.30
1.30
1.30
CT 1
Trình tự thiết kế:
(1) Xác định lưu lượng Qp% (m2/s) và
thời gian tính lũ t (phút); (2) Tính Rc (chảy
đầy cống); (3) Xác định Hd; (4) Xác định hệ
số xói (bảng 2) và hệ số C
s (bảng 3) & Ch
(bảng 4); (5) Xác định σ = (D84/D16)0,5 của vật
liệu theo mẫu đất; (6) Áp dụng công thức (4)
tính kích thước hố xói; (7) Xác định vị trí xói
lớn nhất lxmax = 0,4lx
Bảng 4. Hệ số Ch, cho cửa ra cống
đặt cao hơn đáy dòng chảy
HdChiều sâu Chiều rộng Chiều dài Thể tích
0
1
2
4
1.00
1.22
1.26
1.34
1.00
1.51
1.54
1.66
1.00
0.73
0.73
0.73
1.00
1.28
1.47
1.55
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:
2
xxx x
sh
3
c
hbl V t
,,, CC()
D D D D 316
β
θ
⎛⎞
∀ρ
⎡⎤ ⎛
=α
⎜⎟
⎜
⎢⎥
τ⎝⎠⎣⎦
⎝⎠
⎞
⎟
(5)
Công thức đồi với cống chữ nhật:
2
xxx x sh e
eeee c
hbl Vt
,,, CC()
y y y y 316
ρ
θ
⎡⎤⎛⎞
∀ρ⎛
=α
⎜⎟
⎢⎥ ⎜
τ⎝⎠
⎣⎦⎝⎠
⎞
⎟
(6)
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.
(7)
cvu
0.001(S ) tan(30 1, 73PI)τ= +α +
trong đó: – ứng suất tiếp tới hạn (N/m
c
τ2); Sv –
cường độ ứng suất tiếp bão hòa (N/m2) (ASTM (D-
211-66-76)); αu – hằng số đổi đơn vị; αu = 8630
N/m3 trong hệ đơn vị SI; PI – chỉ số dẻo sử dụng
ASTM (D423 -36)).
Bảng 5.
Danh
mục α β θ αe
hx
bx
lx
∀x
0.86
3.55
2.82
0.62
0.18
0.17
0.33
0.93
0.1
0.07
0.09
0.23
1.37
5.63
4.48
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 c
τ
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 )/(g
3/2555,0
0qS1/3) (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: 025
2
1,5
0,409 4,211 87,341 Sq
lH
BB
g
B
=+ + (9)
(8) Chiều sâu xói hx từ đáy thượng lưu đến đáy bể
Công thức: 025
1,5
0,0118 1,394 5,514
x
hS
H
BB
q
g
B
=− + +
(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.