KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Só 08/2022 Nghiên cúu thực nghiệm giải pháp tiêu năng trong thân cống dốc bằng phưong pháp cống có hai độ dốc ■ ThS HOÀNG THỊ MINH HẢI;TS NGUYỄN ĐĂNG PHÓNG; HOÀNG ĐÌNH TRUNG LÊ ĐỨC[.]
Trang 1KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Só 08/2022
Nghiên cúu thực nghiệm
giải pháp tiêu năng trong thân cống dốc
bằng phưong pháp cống có hai độ dốc
■ ThS HOÀNG THỊ MINH HẢI;TS NGUYỄN ĐĂNG PHÓNG; HOÀNG ĐÌNH TRUNG
LÊ ĐỨC ĐẠT; vũ VĂN THƯỞNG; HỔ BÁ DŨNG
Trường Đợi học Giao thông vận tải
TÓM TẮT: Trong công tác thiết kế cống dốc trên
đường giao thông ở khu vực đồi núi nước ta, nhiệm
vụ tính toán thủy lực cống ngoài việc xác định khẩu độ
cống để đảm bảo thoát hết lưu lượng thiết kế của cống,
vấn đề thiết kế cống để đảm bảo triệt tiêu một phần
năng lượng dòng chảy trong cống để làm giảm áp lực
cho công trình tiêu năng ở hạ lưu cống cần được đặt
ra Để làm giảm năng lượng dòng chảy trong thân cống
dốc, hiện nay ở Việt Nam thường áp dụng giải pháp
thiết kế cống có hai độ dốc, đoạn thượng lưu có độ dốc
lớn và đoạn hạ lưu có độ dốc nhỏ Trong bài báo này,
tác giả trình bày lý thuyết về tiêu năng và kết quả nghiên
cứu mô hình vật lý cống có 2 độ dốc được thực hiện
tại Phòng Thí nghiệm Thủy lực - Thủy văn, Trường Đại
học GTVT Kết quả thí nghiệm cho thấy, chiều dài đoạn
cống thứ hai tối thiểu phải bằng chiểu dài đoạn cống
thứ nhất và có độ dốc nhỏ hơn độ dốc phân giới
TỬ KHÓA: Cống dốc, tiêu năng trong thân cống,
cống có hai độ dốc
ABSTRACT: In the hydraulic design of highway steep
culverts in mountainous areas in Vietnam, in addition
of determining the size of culverts to drain the design
discharge, the design of energy dissipators in the
culvert body to reduce the size of the dissipators
at downstream of the culverts is also considered
Currently in Vietnam, single broken-back culverts
consisting of a steeper portion near the inlet and
a followed mild slope section may be used as an
internal energy dissipator for steep highway culverts
In this article, the author presents theories of internal
energy dissipators and the experimental results on
the physical model of the broken-back culverts at the
Laboratory of Hydraulics - Hydrology Departments,
University of Transport and Communications (UTC)
KEYWORDS: Steep culverts, internal energy
dissipator, broken - back culverts
1.ĐẶTVẤNĐẼ
Cống có độ dốc lớn trên đường giao thông thường
được xây dựng ở khu vực trung du và miền núi có địa hình
dốc, khi đó dòng chảy trong cống cũng là một dạng dòi chảy trên dốc nước Năng lượng dòng chảy ở hạ lưu nhữr cống này là rất lớn nên phải xây dựng các công trình ti< năng để giảm nguy cơ gây xói cho hạ lưu Vì vậy, giải phi tiêu năng ngay trong thân cống để giảm quy mô công trì r tiêu năng ở hạ lưu cống đã được các nhà khoa học nghií cứu từ nhiều năm trước đây
Nghiên cứu vể tiêu năng trong thân dốc bằng các n nhám gia cường như F Yousefi và nnk [1], J.George và ni [2],Y.Dilrooban và nnk [3], Pathirana.P F và nnk (2019) [4] Nghiên cứu tiêu năng trong cống đã được thực hit bởi nhiều tác giả trên thế giới Mohanty và Peterson (195 1960) [5], Morris (1968, 1969) [6] đã nghiên cứu bố trí G
mố nhám gia cường ở đoạn cuối của cống hộp và mươr
hở James M.W và nnk [8] để xuất bố trí 5 mố nhám có dạr hình vành khăn trong cống tròn có độ dốc lớn, đảm bí nước nhảy theo chu kỳ ổn định và hiệu quả tiêu năng tươr đối cao A.L.Simon và nnk[9] nghiên cứu giải pháp tiêu năr trong cống tròn có độ dốc lớn bằng cách bố trí một đoỉ cống nằm ngang, trên đó bố trí 3 mố nhám dạng hình vàr khăn để tạo ra hiện tượng nước nhảy trong đoạn cống nồ thí nghiệm cho thấy năng lượng dòng chảy khi có mố nhá giảm từ 26 - 90% Rollin H.H và nnk (2005) [10] đã nghk cứu biện pháp tiêu năng trong cống cũng bằng cách giả nhỏ độ dốc ở cuối đoạn cống và bố trí 1 mổ nhám tror đoạn cống thoải, kết quả thí nghiệm cho thấy năng lượr
có thể giảm từ 6 - 71% A.Bushra và N.Afzal (2006) [11] C nghiên cứu vể nước nhảy trong cống tròn và kênh hở dạr chữ u bằng bố trí các mố nhám trong công trình
Nghiên cứu tiêu năng bằng cách bố trí cống có nhié
độ dốc, các đoạn thượng lưu có độ dốc lớn, đoạn hạ lưu c
độ dốc nhỏ cũng được để cập trong nghiên cứu của Phil L.T và Roger T.K [7], Để tăng hiệu quả tiêu năng của cống c nhiều độ dốc, ở đoạn cuối cống có độ dốc bằng không c thể thiết kế tường tiêu năng hay bậc nước một cấp [7], Vấn đề nghiên cứu tiêu năng trong dốc nước ở nước 1 chủ yếu là liên quan đến các công trình thoát nước của F chứa thủy lợi, thủy điện như công trình hô Ngàn Trươi c dốc nước tràn xả lũ được thiết kế nhám gia cường kiểu dầi
so le đểu trên toàn dốc; hó Đạ SỊ có dốc nước sau tràn xả I được thiết kế mố dạng thanh không liên tục suốt chiểu d dốc nước; hổ Ái Tử có cửa xả tràn là dốc nước có mố nhái chữ nhật so le kết hợp bể tiêu năng cuối dốc nước
Trang 2b) - Cống có 2 độ dốc Hình 1.1: Một số dạng tiêu năng trong thân cống [18]
Với công trình cống trên đường, vấn đề tiêu năng trong
ân cống bằng cách bố trí cống dạng bậc nước (Hình 1.1a)
lặc dạng có hai độ dốc (Hình 1.1b) được đề cập trong một
tài liệu như"Thiết kế điển hình cống dốc 83 - 02X" [12],
iy một số sách chuyên khảo của PGS Trương Xuân Khiêm
nnk [13], Nguyễn Quang Chiêu và Trần Tuấn Hiệp [14],
ly nhiên, các tài liệu này chỉ để cập đến vấn để thiết kế
>ng trình cống, còn vấn đề tiêu năng của các giải pháp
iy không được để cập đến Do hiệu quả tiêu năng chưa
ràng nên việc thiết kế cóng như vậy có làm giảm kích
ước công trình tiêu năng ở hạ lưu hay không thì chưa có
i giải rõ ràng
Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày lý thuyết về
ỈU năng trong thân cống bằng phương pháp bố trí cống
I hai độ dốc Đóng thời, nhóm tác giả cũng tiến hành
)hiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý tại Phòng Thí
jhiệm Bộ môn Thủy lực-Thủy văn,Trường Đại học GTVT
phân giới hoặc nhỏ hơn độ dốc phân giới nhưng chiều dài nhỏ hơn chiều dài đoạn phóng xa thì dòng chảy từ đoạn 1
sẽ nói tiếp với dòng chảy ở đoạn 2 bằng đường nước dâng c2 hoặc c, (Hình 2.1c), cuối đoạn này độ sâu dòng chảy sẽ tăng lên tiến tới gẩn độ sâu phân giới (khi i2 < ik) hoặc độ sâu chảy đều (khi i2 > ik) Trong trường hợp này, hiệu quả tiêu năng không cao vì tiêu hao năng lượng bằng dòng chảy thay đổi dấn không nhiều
Khu nước nháy Đường nước dâng cl /'
Dường nước hạ b2
a) - Nối tiếp bằng nước nhảy xa
Đường nước dâng cl/c2
c) - Nối tiếp bằng dòng chảy thay đổi dần Hình 2.1: Các dạng nối tiếp giũa đoạn cống dốc và cống thoải
Hiệu quả tiêu năng của cống có hai độ dốc được xác định:
\E = E'~E1100%.
E' V,-V,
Và độ giảm lưu tốc: AK = 1 Moo%
2 LÝ THUYẾT VÉ TIÊU NĂNG TRONG THÂN CỐNG
5 HAI Độ DỐC (l,>ụ
Trong trường hợp độ dốc đặt cống lớn có thể bố trí
ing dạng máng nghiêng có độ dốc thay đổi phù hợp với
) dốc tự nhiên Đoạn dốc thứ nhất là cống dốc (i>5%),
)ạn dốc 2 là đoạn cống có độ dốc thông thường (Hình
1b, Hình 2.1) Trong đoạn cống 1 sẽ có dòng chảy xiết
2) với độ sâu đẩu đoạn dốc xấp xỉ độ sâu phân giới hk và
) sâu cuối đoạn tiến tới gần độ sâu chảy đểu ho (h0 < hk)
òng chảy từ đoạn 1 nối với dòng chảy ở đoạn 2 sẽ có dạng
tờng nước dâng hoặc nước nhảy:
- Trường hợp 1: Nếu đoạn dốc thứ hai có độ dốc nhỏ
Jn độ dốc phân giới và chiều dài đủ lớn (lớn hơn chiểu
ii đoạn phóng xa trong nối tiếp bằng nước nhảy xa) thì ở
lối đoạn thứ hai sẽ có hiện tượng nước nhảy (Hình 2.1 a,b)
ong trường hợp này, năng lượng dòng chảy sẽ được tiêu
ÌO tương đối lớn (trong nước nhảy, năng lượng dòng chảy
■ tiêu hao từ 45 - 47% [16,17])
- Trường hợp 2: Nếu độ dốc đoạn thứ hai lớn hơn độ dốc
E,, E2- Năng lượng đơn vị dòng chảy tương ứng ở cuối hai đoạn cống, E = h+hđ;
h - Chiểu sâu trung bình dòng chảy ở cuối các đoạn dốc;
K2
h - Cột nước lưu tốc, ha = -C-;
V - Lưu tốc trung bình, K =
B.h
B - chiều rộng máng thí nghiệm
3 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ CỐNG CÓ HAI Độ DỐC
Thí nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Thủy lực -Thủy văn, Trường Đại học GTVT
Trang 3KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Só 08/2022
Hình 3.1: Máng thí nghiêm
Cấu tạo hệ thống máng kính tuần hoàn có thể thay đổi
độ dốc với sơ đổ như Hình 3.1 Chiểu dài máng 5 m, chiều
rộng 0,073 m, chiểu dài từ cửa cuối đến trục kích 3,3 m
Thiết bị đo lưu lượng là ống Venturi gắn trên ống cấp nước
Đoạn cống thí nghiệm 1 có chiểu dài 1 m làm bằng tấm
mica được đặt trực tiếp trên máng kính, độ dốc đoạn cống
1 được tạo thành bằng cách kê cao đầu thượng lưu đoạn
cống Khe hở giữa tấm mica, miếng kê và máng kính được
bịt bằng đất lặn Độ dốc đoạn cống 1 là i1 = 5 -17%
Đoạn cống 2 là đáy máng kính, độ dốc đoạn cống 2
được thay đổi bằng cách tăng giảm chiểu cao kích của
máng thí nghiệm, thí nghiệm được thực hiện với độ dốc
đoạn cống 2 là i2 = 0 - 2%
3.2 Trình tự thí nghiệm
Trước khi tiến hành thí nghiệm cần lắp đặt mô hình
thí nghiệm gồm gắn đoạn cống 1 lên đáy máng kính, tạo
độ dốc cẩn thiết cho mô hình và đảm bảo không có rò rỉ
nước Sau khi lắp đặt xong mô hình tiến hành bật máy bơm
để tạo ra dòng chảy, sau khoảng 5 phút dòng chảy đạt ổn
định Tiến hành kiểm tra lưu lượng ở lưu lượng kế gắn trên
ống đẩy, quan sát dòng chảy trong máng kính và đo chiều
sâu dòng chảy tại các vị trí khác nhau trên hai đoạn cống
3.3 Kết quả thí nghiệm
Quan sát dòng chảy trong máng thí nghiệm cho thấy
phía thượng lưu đoạn cống 1 hình thành đường mặt nước
gần như nằm ngang, vào đến đoạn cống dốc hình thành
đường nước hạ b2 (chảy xiết), đến cuối đoạn cống dốc 1 dòng
chảy đi vào đoạn dốc 2 (i2<i,) hình thành đường nước dâng
—I - -
1 - 1 - 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 - —Đáy kênh ——MN
ĐMNI) = 11,2%; = 0%
Hình 3.2: Đường mặt nước trong cống có 2 độ dốc
Từ kết quả quan trắc lưu lượng và độ sâu dòng chảy các điểm đo, tiến hành tính toán lưu tốc trung bình, nè lượng đơn vị dòng chảy, độ giảm lưu tốc, độ giảm nè dòng chảy ở cuối các đoạn cống dốc Kết quả thí nghiệrr tính toán cho trong Bảng 3.1,3.2 và Hình 3.3.
Độ giảm năng lượng trung bình
—Ì2 = o% —■—12 = 0,5% —*—12=1%
—H—Í2 = 1,5% —4— Í2 = 2% —♦—TB
Hình 3.3: Mối quan hệ giữa độ giảm luu tốc và năng luợng
với tỷ lệ chiểu dài các đoạn đoạn cống
3.4 Nhận xét kết quả thí nghiệm
-Đường mặt nước ở đoạn cống 2 trong các trường hi thí nghiệm chủ yếu ở trạng thái chảy xiết (h<hk=3,8 cr Chỉ có 2 trường hợp xảy ra nước nhảy khi i2=0 với i,=5% (I 1/^=2) và i2=0 với i1=6,3% (khi L2/L)=3)
- Khi chiều dài đoạn dốc 2 (doc thoải) càng lớn thì hi quả tiêu năng càng cao: Trung bình từ 25,38% khi L2/Lf đến 38,64% khi L2/L,=3 Tương tự vậy, độ giảm lưu tốc th đổi từ 19,14-35,33%
Trang 4Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm
,(%)
£
h,(cm)
>oạn cống 1
Đoạn công j
Độ sâu h (cm)
ỉ: i2 = 0%
Lưu tốc V (m/s)
i =0,5%
i , = 1%
i =1,5%
i,= 2%
Bảng 3.2 Kết quả tính độ giám lưu tốc và năng lượng dòng chảy trung bình
Trang 5KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Só 08/2022
- Độ dốc càng nhỏ thì độ giảm năng lượng và lưu
tốc càng lớn: với độ dốc i2 = 0% độ giảm năng lượng từ
31,52% (Lj/L, = 1) đến 45,96% (L2/L, =3) và độ giảm lưu
tốc từ 25,06 - 54,19%; với độ dốc i2=2%, độ giảm năng
lượng còn từ 22,96% (L2/L, = 1) đến 34,69% (L2/L( = 3), độ
giảm lưu tốc từ 16,26 - 26,26%
4 KẾT LUẬN
- Giải pháp thiết kế cống có hai độ dốc để giảm năng
lượng dòng chảy được áp dụng tương đối phổ biến ở khu
vực địa hình vùng đổi núi nước ta do có ưu điểm là thuận
lợi trong công tác thiết kế và thi công
- Hiệu quả tiêu năng của cống có hai độ dốc phụ thuộc
nhiều vào chiểu dài của đoạn cống sau (đoạn cống thoải) do
tổn thất năng lượng chủ yếu là tổn thất dọc đường Do vậy,
khi áp dụng giải pháp cống có hai độ dóc cần thiết kê' đoạn
cống 2 có chiều dài tối thiểu bằng chiểu dài đoạn cống 1
- Đồng thời, để hiệu quả tiêu năng lớn thì độ dốc đoạn
cống 2 nên thiết kế nhỏ hơn độ dốc phân giới
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường
Đại học GTVT trong Để tài mã số T2022-CT-028
Tài liệu tham khảo
[1] F Yousefi et al„ Developing a hydraulic jump length
model on horizontal rough beds, Journal of the South
african institution of civil engineering ISSN 1021-2019,
DOI:10.17159/2309-8775/2019/v61 n3a 1
[2] George J et al., Modeling roughness effects in
turbulent boundary layers by elliptic relaxation, Center for
Turbulence Research Proceedings of the Summer Program
2010,
/15712b74c3208e6e1467f859862357376ef830d8.
https://www.semanticscholar.org/paper/Modeling-roughness-effects-in-turbulent-boundary-by-George-Simone
[3] Dilrooban Y et al (2014), Effect of Bed Roughness
on Submerged Hydraulic Jumps, ENGINEER - vol.XLVIl,
No 04, pp.33-39 (
f51 1ecaca65f483943d09bf0f05ca 1492424.pdf).
https://pdfs.semanticscholar.org/762a/
[4], p Fosumpaur et al (2019), Study of boundary
conditions for design of new types of fibre concrete energy
dissipators in hydraulic structures, FIBRE CONCRETE (https://
iopscience.iop.org/artide/10.1088/1757-899X/596/1/012031).
[5] Peterson, D.F and P.K.Mohanty (1960), Flume Studies
of Flow in Steep Rough Channels, ASCE Hydraulics Journal,
HY-9 (
).
https://scholarworks.umass.edu/fishpassageJournal-articles/1443/
[6] Morris, H.M (1969), Design of Roughness Elements
for Energy Dissipation in Highway Drainage Chutes, HRR
#261, pp.25-37, TRB, Washington, D.c (https://www
semanticscholar.org/paper/Design-of-Roughness-Elements-for-Energy-Dissipation-Morris/09bcbb81 Cf677ec2d5f6b6c8 29e69c5d89c795).
[7] Philip L.T và Roger T.K (2006), Hydraulic Desk
of Energy Dissipators for Culverts and Channels - Hl -14, Federal Highway Administration National Highw
Institute ( pubs/06086/hec 14.pdf).
https://www.fhwa.dot.gov/engineering/hydrauli<
[8] James M.w et al (1971), Roughness elements as ener dissipators of free-surface flow in circular pipes, Sponsor!
by Committee on Surface Drainage of Highways (http
onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/hrr/1971/373/373-006.pdf).
[9] Simon A.L et al., Internal Energy Dissipators I Culverts on Steep Slopes with Inlet Control, Transportatk Research Record 1151 (
trr/1987/1151/1151 -003.pdf).
http://onlinepubs.trb.org/Onlineput
[10] Rollin H.H.et al (2005), Energy Dissipation in Culvei
by Forced Hydraulic Jump Within a Barrel, Transportatk Research Record Journal of the Transportation Resear< Board, DOI:10.1177/0361198105190400113
[11] Bushra A và Afzal N (July 2006), Hydraulic jump
circularand U-shaped channels, Journal of HydraulicResearc
( Hydraulic_Jump_in_U-Shaped_Open_Channel).
https://www.researchgate.net/publication/33747474‘
[12] Bộ GTVT (1983), Thiết kế điển hình cống dốc 8:
02X, Hà Nội
[13] Trương Xuân Khiêm và nnk (1998), Quy hoạc
thiết kế và xây dựng đường giao thông nông thôn, NXB GTV
Hà Nội
[14] Nguyễn Quang Chiêu và Trần Tuấn Hiệp (200
Thiết kế cống và cầu nhỏ trên đường ô tô (tái bản), NXB GTV
Hà Nội
[15] Nguyễn Đăng Phóng và Hoàng Thị Minh H (2020), Nghiên cứu hiệu guả giảm năng lượng trong cốr hộp trên đường giao thông bằng nhám gia cường, Kỷ yếu H nghị KHCN lần thứ XXII, Trường Đại học GTVT, ISBN: 98 604-76-2272-6
[16], Nguyễn Cảnh cẩm và nnk (2006), Thủy lực (t bản), NXB Nông nghiệp
[17], Mai Quang Huy và nnk (2020), Thủy lực, NXB GTV [18] Nguyễn Đăng Phóng và Hoàng Thị Minh H (4/2022), Nghiên cứu biện pháp tiêu năng dòng chảy tror
thân cống dốc trên đường giao thông - biện pháp bố trí rr nhám gia cường trong thân cống, Tạp chí Khoa học GTVT, í 73,3 https://doi.Org/10.47869/tcsj.73.2.4 ).
Ngày nhận bài: 18/5/2022 Ngày chấp nhận đăng: 27/6/2022 Người phản biện: TS Mai Quang Huy
TS Lê Th; Việt Hà