Xãi côc bé ë trô cÇu ®èi víi
®Þa chÊt lμ h¹t th«
TS. trÇn ®×nh nghiªn
Bé m«n Thuû lùc - Thuû v¨n
i. Giíi thiÖu chung vÒ xãi côc bé trô
cÇu qua s«ng
Xãi lë lµ mét hiÖn t−îng tù nhiªn cña
dßng ch¶y do dßng n−íc t¸c ®éng vµo ®¸y vµ
bê s«ng lµ ®Þa chÊt dÔ bÞ xãi. T¹i vÞ trÝ cÇu b¾c
qua s«ng xãi lµm mÊt æn ®Þnh trô vµ mè cÇu,
nh×n chung chiÒu s©u xãi phô thuéc vµo c¸c
tÝnh chÊt cña dßng ch¶y, vËt liÖu ®¸y s«ng
(thµnh phÇn h¹t, líp ®Þa chÊt, d¹ng h¹t, cì
h¹t, ®Êt rêi hay ®Êt dÝnh), kÝch th−íc, h×nh
d¹ng trô vµ h×nh thøc b¶o vÖ phßng ngõa xãi.
Tr−êng hîp nguy hiÓm nhÊt x¶y ra ®èi víi
trô khi xãi tù nhiªn lín nhÊt, xãi chung lín
nhÊt vµ xãi côc bé t¹i trô lín nhÊt l¹i x¶y ra
®ång thêi.
Xãi côc bé trô cÇu lµ xãi lµm h¹ thÊp cao
®é ®¸y s«ng ngay t¹i ch©n trô do chÝnh trô g©y
ra tÝnh tõ cao ®é ®¸y s«ng sau xãi chung
t−¬ng øng víi lò thiÕt kÕ. Nghiªn cøu [1] ÷ [3]
®· chØ ra c¬ chÕ g©y xãi côc bé vµ kiÕn nghÞ
c«ng thøc dù ®o¸n ®é s©u xãi côc bé hc (c«ng
thøc (1)) t¹i ch©n trô cÇu qua s«ng khi ®é s©u
dßng ch¶y sau xãi chung thay ®æi tõ 1,30 m ÷
18,00 m, chiÒu réng trô tíi 6,00 m vµ tèc ®é
dßng ch¶y sau xãi chung tíi 2,50 m/s ®ång
thêi ®−êng kÝnh h¹t ®¸y s«ng tíi 1,53 mm.
C«ng thøc cã sai sè t−¬ng ®èi:
%5,21
h
hh
%
cd
cdct ±=
−
=Δ hay 2,179,0
h
h
cd
ct ÷=
φα
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=KK
v
v
bhKh
n
ng
xchc (1)
trong ®ã:
77,0n;24,1K
=
=
khi vµ
0
vv <1
v
v
vd
≤
(xãi n−íc trong).
K = 1,11; n = 1,0 khi vµ
0
vv >1
v
v
vd
>
(xãi n−íc ®ôc).
α
K vµ lÇn l−ît lµ c¸c hÖ sè ¶nh
h−ëng h−íng dßng ch¶y tíi trô vµ ¶nh h−ëng
cña mãng trô, lÊy theo quy tr×nh hiÖn hµnh.
φ
K
v, m/s lµ tèc ®é dßng ch¶y tr−íc trô sau
xãi chung. v0 = 3,6 4xch d.h , m/s lµ tèc ®é
kh«ng xãi vµ d,hxch cã ®¬n vÞ lµ mÐt.
100
dp
dii
∑
=, vµ lÇn l−ît lµ ®−êng
kÝnh trung b×nh vµ phÇn tr¨m theo träng l−îng
i
d (%)pi
Khoa C«ng tr×nh - Tr−êng §HGTVT
Tãm t¾t: Bμi b¸o nªu kh¶ n¨ng më réng c«ng thøc míi do t¸c gi¶ kiÕn nghÞ tÝnh xãi côc
bé trô cÇu qua s«ng ®èi víi ®Þa chÊt lμ h¹t th« cã ®−êng kÝnh trung b×nh tõ 90 mm ®Õn 150 mm
rót ra tõ c¸c cÇu ®ang khai th¸c.
Su mmary: New design equation for local scour around bridge piers applied to coarse
beds grained from 90 mm to 150 mm in the field data is presented.
cña nhãm thø i khi ph©n tÝch h¹t ®Þa chÊt ®¸y
s«ng.
2
dd
d1ii
i+
+
=
s/m,
d
h
ghv
06,0
xch
3xchng ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ω= , lµ tèc ®é
ngõng xãi trong hè xãi (2)
s/m,ghv 3xchkhd ω= , lµ tèc ®é khuÊy
®ôc ®¸y hè xãi.
s/m,
100
pii
∑ω
=ω , lµ ®é th« thñy lùc cña
bïn c¸t lÊy theo b¶ng 1.
2
1ii
i+
ω+ω
=ω , (%)p, ii
ω
lÇn l−ît lµ ®é th«
thñy lùc vµ phÇn tr¨m theo träng l−îng cña
nhãm h¹t thø i cña ®Þa chÊt ®¸y s«ng.
II. Dßng ch¶y quanh trô cã ®Þa chÊt
lμ líp h¹t th« (cuéi sái)
Dßng ch¶y ch¶y trªn líp h¹t th« cã
®−êng kÝnh trung b×nh tõ 90 mm ®Õn 150 mm
lµ nh÷ng lo¹i dßng ch¶y kh«ng hoµn toµn t−¬ng
tù nh− dßng ch¶y trong líp biªn lµ h¹t nhá, dï
lµ kh«ng di ®éng hay di ®éng; ®ã lµ vÊn ®Ò
ph©n phèi tèc ®é trung b×nh, c−êng ®é rèi vµ
lùc c¶n ë ®¸y dßng ch¶y, ®Æc biÖt lµ khi líp
sái s¹n ®¸y cã thÓ b¾t ®Çu di chuyÓn chËm.
Khi dßng ch¶y cã 1
oc
0≈
τ
τ th× søc c¶n dßng
ch¶y ®¸y ë tr¹ng th¸i ph©n giíi vµ ¸p lùc mÆt
t¸c dông lªn ®¸y víi cì h¹t ®· cho ph¶i lµ nhá
nhÊt, quy luËt l«garÝt cña ph©n phèi tèc ®é hÇu
nh− phï hîp trong ph¹m vi h
y
)75,0035,0( ÷.
Trô cÇu ®Æt vµo dßng ch¶y nh− vËy sÏ
chÞu ¶nh h−ëng lín cña cÊu tróc thñy lùc dßng
ch¶y ngoµi, lµm ¶nh h−ëng ®Õn c¬ chÕ xo¸y
vµ ®é s©u xãi côc bé ë trô.
Khi ®é th« t−¬ng ®èi cña h¹t so víi trô
128,0
b
d
033,0 << th× phÇn lín n¨ng l−îng cña
dßng ch¶y däc theo th©n trô bÞ mÊt ®i trong
líp h¹t th«, kh¶ n¨ng xo¸y tû lÖ lín yÕu. NÕu
h¹t th« h¬n n÷a th× xãi sÏ chØ x¶y ra däc hai
bªn trô, sau ®ã lan ra tr−íc trô vµ sau trô. Khi
chiÒu s©u t−¬ng ®èi cña dßng ch¶y ®èi víi trô
nhá ( b
hxch nhá) th× xo¸y ng−îc chiÒu dßng
ch¶y h×nh thµnh t¹i mÆt n−íc khi va ®Ëp vµo
trô gièng nh− sãng ë mòi tµu, t¸c ®éng vµo
xo¸y d¹ng mãng ngùa xu«i chiÒu dßng ch¶y ë
ch©n trô, lµm suy yÕu, ng¨n c¶n xo¸y nµy vµ
thay ®æi chiÒu cña xo¸y ch©n trô, lµm gi¶m
chiÒu s©u xãi ë trô. Khi tû sè 1
b
hxch ≤, tèc ®é
dßng ch¶y gÇn tèc ®é giíi h¹n xãi th× dßng
ch¶y ë phÝa sau trô h×nh thµnh nh− mét vËt
c¶n lµm thay ®æi chiÒu dßng ch¶y, suy yÕu
n¨ng l−îng dßng trong líp biªn bao trô vµ lµm
gi¶m ®¸ng kÓ xãi côc bé [1]. ¸p dông kÕt qu¶
®· ®¹t ®−îc vÒ c¬ chÕ xãi vµ nh÷ng thay ®æi
cÊu tróc dßng ch¶y ngoµi vµ trong líp biªn
bao trô ®èi víi h¹t th« (cuéi sái) cho tr−êng
hîp trong thùc tÕ ®èi víi trô trong líp cuéi sái
cã mm15090d ÷= nh»m t×m ra kh¶ n¨ng
më réng sù ¸p dông c«ng thøc (1) cho ®Þa
chÊt lµ h¹t th«.
Iii. §¸nh gi¸ c«ng thøc kiÕn nghÞ
b»ng sè liÖu thùc tÕ ë cÇu ®ang
khai th¸c
KÕt qu¶ ®¸nh gi¸ vµ so s¸nh c«ng thøc
kiÕn nghÞ (1) víi c«ng thøc hiÖn hµnh cña quy
tr×nh Nga (Juravlev M. M) vµ c«ng thøc hiÖn
hµnh cña Mü (Richardson vµ ®ång t¸c gi¶) khi
sö dông 24 sè liÖu vÒ xãi côc bé ë c¸c cÇu
®ang khai th¸c cho trong b¶ng 2.
B¶ng so s¸nh c«ng thøc (1) víi c«ng thøc
(J - Nga) vµ c«ng thøc (R - Mü) víi chiÒu s©u
Khi 1
v
v
khd
> th× n 0,1
xãi côc bé ë c¸c cÇu ®ang khai th¸c khi
h¹t cã
cd
h
mm15090d ÷= .
1
=
vµ khi 1
v
v
khd
≤
th× n 67,0
2
=
.
C«ng thøc cña quy tr×nh Mü:
43,0
65,0
xch
321xchc Fr
h
b
KKKh2h ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
= (4a)
xch
xch
gh
v
Fr = (4b)
C«ng thøc cña quy tr×nh Nga:
φα
2
n
ng
xch
0,4
xch
0,6
cKK
v
v
h1,1bh ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=() (3a)
0
vv ≤
φα
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=KK
v
v
bh1,1h
2
n,
1
n
ng
xchc (0
vv >) (3b)
d
(mm)
ω
(m/ s)
d
(mm)
ω
(m/ s)
d
(mm)
ω
(m/ s)
7
10
15
20
25
30
40
0,297
0,352
0,430
0,492
0,548
0,600
0,689
50
60
80
100
120
140
160
0,769
0,842
0,969
1,080
1,190
1,280
1,370
180
200
250
300
350
400
500
1,45
1,52
1,70
1,86
2,01
2,15
2,40
B¶ng 1. §é th« thñy lùc cña bïn c¸t
ω
phô thuéc vμo d (mm)
d
(mm)
ω
(m/ s)
d
(mm)
ω
(m/ s)
d
(mm)
ω
(m/ s)
0,01
0,03
0,05
0,08
0,10
0,25
0,20
0,00007
0,00062
0,00178
0,00443
0,00692
0,01557
0,02160
0,25
0,30
0,40
0,50
0,60
0,80
1,00
0,0270
0,0324
0,0432
0,0540
0,0648
0,0807
0,0944
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
5,0
0,126
0,153
0,177
0,193
0,209
0,223
0,249
B¶ng 2
TÝnh vμ so s¸nh c«ng thøc (1), (3) vμ (4)
TT hxch (mm) b (mm) d (mm) v (m/s) v0 (m/s) vkhd (m/s) vng (m/s)
1 1,1 2,00 100 1,62 2,073 2,267 2,618
2 1,0 2,00 100 2,02 2,024 2,196 2,521
3 2,1 2,11 120 2,84 2,551 2,905 3,449
4 0,8 2,00 100 2,06 1,915 2,039 2,310
5 4,7 2,50 140 2,93 3,242 3,893 4,810
6 1,7 2,00 120 2,50 2,419 2,707 3,174
7 1,6 2,00 120 2,49 2,383 2,653 3,100
8 1,1 2,00 100 2,00 2,073 2,267 2,618
9 4,0 2,36 150 3,33 3,168 3,732 4,545
10 1,9 2,00 120 2,09 2,488 2,810 3,316
11 1,1 2,00 100 1,48 1,194 2,267 2,618
12 3,8 2,41 130 2,61 3,018 3,584 4,388
13 1,6 2,00 100 1,38 2,277 2,569 3,034
14 1,0 2,00 90 1,02 1,972 2,158 2,493
15 1,3 2,00 100 2,38 2,162 2,397 2,796
16 3,3 2,00 130 2,60 2,914 3,419 4,152
17 2,0 2,00 110 1,23 2,466 2,813 3,348
18 1,6 2,00 110 1,18 2,332 2,612 3,067
19 1,0 2,00 110 1,13 2,073 2,233 2,549
20 2,6 2,30 120 2,82 2,691 3,119 3,751
21 2,2 2,15 120 2,63 2,580 2,950 3,515
22 0,4 1,50 34 0,95 1,229 1,360 1,577
23 1,2 2,00 100 2,46 2,119 2,334 2,709
24 1,4 2,00 100 2,71 2,202 2,457 2,879
KÕt b
chØ ra:
- Tû c
qu¶ ë ¶ng 2 ®èi víi 24 tr−êng hîp
sè xãi ôc bé thùc tÕ b
hcd thay ®æi tõ
0,42 ®Õn
- C n 5
2,41 m (
- Tû
1,49.
hiÒu ré g trô thay ®æi tõ 1, m ®Õn
chñ yÕu lµ 2,0 m).
sè b
hx
(mét tr−ê
- § Ýn
ch thay ®æi tõ 0,4 ®Õn 1,88
ng hîp lµ 0,27).
−êng k h d dao ®éng tõ 90 mm ÷
150 mm 1
, chØ cã tr−êng hîp m34 m ; tû sd=è
b
d dao ®éng tõ
,023).
0,045 ®Õn 0,065 (mét tr−êng
hîp lµ 0
- C«ng thøc kiÕn nghÞ cã sai sè t−¬ng ®èi
Δ%; Δ% =
cd
h
−cdct hh , (%) dao ®éng tõ –23,21%
®Õn
−¬n h 9% ÷
vµ g á h¬n
tõ 3
«n ña n hµnh
d ng
+23,17%, trong ®ã cã 10 tr−êng hîp dao
®éng d g (+) (tÝn lín h¬n thùc tÕ) tõ
23,17% 7 tr−ên hîp ©m (-) (tÝnh nh
thùc tÕ) 10% ÷ 2 ,21%.
- C g thøc c quy tr×nh Nga hiÖ
ao ®é cã %
Δ
t 3,97%,
t ã cã g
÷ n h¬n
+9, 3
«n ñ hµnh
õ –30,65% ®Õn +1
rong ® 9 tr−ên hîp tÝnh nhá thua thùc tÕ
tõ 10% 30,65% vµ 5 tr−êng hîp lí
thùc tÕ 5% ÷ +1 ,97%.
- C g thøc c a quy tr×nh Mü hiÖn
cã %
Δ
da tõ 3,41%,
ã c h á h¬n
cßn n tÕ rÊt
cã g tÕ tõ
23 t cã tíi
12 tr−êng hîp lín h¬n 80% trë lªn.
iV. KÕt luËn
c kiÕn nghÞ (1) víi
c«ng ×
kÕt luËn:
TT hct (mm) %hct-Ju
o ®éng –34,28% ®Õn +13
trong ® ã duy n Êt 1 tr−êng hîp nh
thùc tÕ 23 tr−ê g hîp lín h¬n thùc
nhiÒu, 21 tr−ên hîp lín h¬n thùc
3% ÷ +1 3,41%, rong 21 tr−êng hîp
ViÖc so s¸nh c«ng thø
thøc cña quy tr nh Nga (3) vµ cña Mü (4)
víi sè liÖu thùc tÕ cã thÓ rót ra
Δ( ) r (mm)
Δ
(%) h-Mü (mm)
ct
Δ
(%) hcd
(m)
1 1,270 -1,560 1,256 -2,64 2,394 85,60 1,29
2 1,478 1,730 1,436 13,97 0,828 -34,28 1,26
3 2,250 -23.21 2,032 -30,65 3,444 17,53 2,93
4 1,440 9,090 1,412 6,97 2,543 92,66 1,32
5 2,900 12,840 2,537 -1,28 4,345 69,06 2,57
6 1,903 -10.260 1,756 -17,17 3,060 44,34 2,12
7 1,874 20,890 1,736 12,00 3,030 95,47 1,55
8 1,495 15,880 1,446 12,09 2,621 103,20 1,29
9 2,998 -14,570 2,600 -25,93 4,327 23,26 3,51
10 2,180 23,170 1,581 -10,68 2,876 62,48 1,77
11 1,185 9,770 1,182 9,44 2,303 113,24 1,08
12 2,515 19,210 2,244 6,35 3,922 85,90 2,11
13 1,209 4,250 1,187 2,33 2,351 102,65 1,16
14 0,999 20,330 0,835 0,60 1,937 113,41 0,83
15 1,766 7,690 1,610 -1,83 2,890 76,18 1,64
16 2,222 5,290 1,963 -6,97 3,404 61,30 2,11
17 1,147 -6 8 7,740 1,125 - 8 1,54 2,306 ,45 ,23
18 1,063 -20,060 1,061 -20,23 2,198 65,24 1,33
19 0,937 - 16,310 0,967 -13,66 2,025 80,76 1,12
20 2,434 -5,290 2,193 -14,67 3,737 45,41 2,57
21 2,158 -23,200 1,965 -30,10 3,394 20,78 2,81
22 0,650 -14,450 0,692 -8,95 1,313 31,28 0,76
23 1,547 10,520 1,560 11,43 2,899 107,09 1,40
24 1,733 5,660 1,760 7,32 3,086 88,17 1,64
1. C«ng thøc (1) cã c¬ së lý thuyÕt vµ
th
øc cã thÓ më réng ¸p dông cho
®Þa c
ng c«ng
(1), cã gi¸ trÞ ©m (-) nhá thua so víi c«ng
ùc tÕ.
2. C«ng th
hÊt lµ h¹t th« tõ 90 mm ÷ 150 mm.
3. Tro thøc dù ®o¸n xãi côc bé
y tr×nh Nga vµ quy tr×nh Mü.
4. C«ng thøc (1) cã gi¸ trÞ %Δ d−¬ng (+)
lín h¬n kh«ng nhiÒu %)10(
%Δ
thøc cña qu
≈
so víi c«ng thøc
ë qu
am ®Ó
tiÕp tôc ®−îc ®¸nh gi¸ xem xÐt.
ing like
aster of Technology. Departt -
n Instutite of Technology, Kanpur,
Janu
Êp Bé
1992 - 1993, DT 000141, ph©n lo¹i 624.
[3]. T
«ng, LuËn ¸n TiÕn sü, 2000.
[4]. T
, trang
9 - 12♦
y tr×nh Nga, song l¹i nhá thua rÊt nhiÒu so
víi c«ng thøc ë quy tr×nh Mü.
5. KiÕn nghÞ c«ng thøc (1) cã thÓ ¸p dông
thö vµo thùc tÕ x©y dùng cÇu ë ViÖt N
Tµi liÖu tham kh¶o
[1]. TrÇn §×nh Nghiªn. Laboratory investigation of
scour reduction near bridge pier by delta-w
passive device. M
Civil Engrg. India
ary, 1998.
[2]. TrÇn §×nh Nghiªn. Lý thuyÕt tÝnh xãi côc bé trô
cÇu qua s«ng ViÖt Nam. §Ò tµi NCKH c
rÇn §×nh Nghiªn. Nghiªn cøu xãi côc bé trô
cÇu qua s
rÇn §×nh Nghiªn. "C«ng thøc míi dù ®o¸n
xãi côc bé trô cÇu". T¹p chÝ C§VN, 6/2001