Báo cáo khoa học: "tốc độ không xói của hạt ở đáy, mái sông, mái kênh và mái dốc ta luy đường bãi sông" potx

Giới thiệu Sự ổn định của đất ở mái sông và đáy sông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, phần lớn các yếu tố này rất phức tạp và không dễ dàng định lượng trực tiếp, do vậy cho tới nay có không í

1 Giới thiệu

Sự ổn định

của đất ở mái

sông và đáy sông

phụ thuộc vào

nhiều yếu tố,

phần lớn các yếu

tố này rất phức

tạp và không dễ

dàng định lượng

trực tiếp, do vậy

cho tới nay có

không ít công

thức xác định tốc

độ giới hạn tương

ứng với trạng thái

khởi động của hạt

mà ta quen gọi là

tốc độ không xói

như công thức

của V N

Gon-charov, I I Levi;

V S Knoroz, B I Studenichnikov, A.M

Laty-shenkov, T I Shamov, Mirtskhulava… Nhìn

chung những công thức này chưa tính đến độ

bền của đất, độ lỗ rỗng và thường được rút ra

từ phòng thí nghiệm trong máng kính, có kiểm

tra lại với số lượng hạn chế trong sông thiên

nhiên, còn ít công thức xét đến ổn định của

hạt ở mái sông hay mái kênh Do vậy bài báo

trình bày công thức đơn giản có kể đến một số

tồn tại đã nêu đối với đất mái sông và đáy

sông

tốc độ không xói của hạt

ở đáy, mái sông, mái kênh vμ mái dốc

ta luy đường bãi sông

TS trần đình nghiên

Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn - ĐH GTVT

Tóm tắt: Bμi báo trình bμy biểu thức tính ổn định của hạt ở đáy sông

vμ ở mái dốc khi ổn định trượt có kể đến mạch động tốc độ, điều kiện lμm việc của hạt, lực dính kết của hạt, từ đó rút ra công thức không xói ở đáy, ở mái dốc vμ xói trung bình mặt cắt ở dạng đơn giản, dễ sử dụng trong thực

tế

Summary: General expressions for determining grain stability on bed

and bank slopes of rivers and channels in sliding stability condition that takes into account of fluctuating velocity, geotechnical environment of sediment and soil cohesion affecting grain stability, as well as non-scour velocity formulae on bed, bank and for cross-section in simple structure and easy practice are all presented here

2 Xây dựng công thức

Xét một diện tích mặt đáy sông khá nhỏ

song đủ chứa một số hạt nhất định hay

một hạt gọi đơn giản là hạt, hạt có đường kính

đặc trưng là d Khi xét các lực tác dụng vào

hạt ta sẽ chưa kể đến lực bổ sung khối lượng

(Murphy và Aguirre, 1985) lực Basset do hạt

quay và lực của các hạt tác động lẫn nhau (Nakagwa) vậy hạt chỉ còn chịu các lực:

ω

Δ

Lực đẩy trượt:

4

d 2

u C n P

2 2 d x x 1 x

π ρ α

Lực nâng:

4

d 2

u C n P

2 2 d y y 1 y

π ρ α

Trọng lượng hạt trong nước:

3 g

6

G=γ α π

(3)

Lực dính của đất:

4

d C

2 p

π

α (4) Trong điều kiện cân bằng trượt thì:

4

d C tg ) P G ( P

2 y p y

x

π α + φ

ư

trong đó:

Cx, Cy - hệ số áp lực mặt và hệ số lực

nâng;

αx, αy, αg - hệ số hình dạng hạt theo diện

tích và thể tích;

Cp - lực dính của đất;

Φ - góc nội ma sát của hạt;

n1 - hệ số làm tăng tốc độ trung bình thời

gian của hạt do mạch động tốc độ

gây ra

Mức độ chính xác của công thức phụ

thuộc vào việc xác định các hệ số n1,, Cx, Cy,

αx, αy và αg cũng như góc Φ và lực dính Cp và

điều kiện làm việc của hạt n2 mà n2 phụ thuộc

vào nồng độ bùn cát đáy và đường kính hạt

Để tính có thể sử dụng αg = 0,8

(Goncharov, 1938) (Einstein và

El-Samni, 1949) hay C

178 , 0

Cy =

y = 0,2 cho Re* =

ν

d u > 60 (Borovkov, 1989); cát trong tự nhiên có hệ số

hình dạng là 0,7; kết hợp với có thể

Rukovodstvo…1981);

8 , 0

g = α 71

,

0

y =

α

y

x (3 4)P

P = ữ

d

00316 , 0

; trong đó có đơn vị là mét,

có đơn vị là

mm

1

15

,

0

p

lấy bằng 0,75Cp

Ngoài ra Cp có thể lấy theo bảng lập sẵn

Khi d ≥ 1 mm thì Cp =0

Nếu xét cho hạt có và với điều

kiện đã nêu thì (5) có dạng:

mm 1

d <

2

u

3346

,

0

n

- n1.0,1115ρ

2

u2d

d2)tgφ - 0,558Cpd2 (5a)

hay

) tg 1115 , 0 3346 , 0 ( d 2

u n

n 2d

2 1

= 0,419.Δρgd3 - 0,558Cpd2

trong đó: trọng lượng riêng hạt ngập trong nước γ1=(ρhưρ)g và

ρ

ρ

ư ρ

=

Kết quả thí nhiệm đối với hạt tự nhiên khi mm

1

d50 < thì φ từ tròn tới góc cạnh là

φ = (300 ữ 350) và d = 1 ữ 10 mm thì φ = (32 ữ

400); khi hạt d=10ữ100mmthì φ = (320 ữ

400)

Nếu lấy trung bình φ = 360 thì 7265

, 0

tg =ϕ khi đó (5a) là:

2 p 3

2 2 d 2

1 d (0,4156) 0,419 gd 0,558C d 2

u n

n

ư ρ Δ

= ρ

n2 = 1 khi hàm lượng bùn cát S < 0,1 kg/m3; n = 1,3 ữ 1,5 đối với hạt cát nhỏ và trung, n=1,5ữ1,7 đối với hạt cát thô và sỏi sạn khi S ≥0,1kg/m3(a)

Khi hạt có d ≥1mm, S< 0,1 kg/m3 và 3

, 1

n1= vì tốc độ trong trạng thái giới hạn ổn

định của hạt có dạng ud =ud+ u,2 ≈1, ud Trong điều kiện này thì (5c) có dạng:

0,351ρu2dd2 =0,419Δρgd3 (6) hay:

= 1931, Δ gd

u2dc

hay udc =1,1 Δgd (7)

nếu Δ=1,65 thì udc =1,4 gd (8) Biết quy luật phân phối tốc độ trong khu vực sức cản bình phương có dạng:

8,5

k

y lg 75 , 5 ) k

y , 30 lg(

75

,

5

u

u

*

+

≈

Lấy thì tốc độ tại đỉnh hạt rút ra từ

(9) là:

d

k =

76 , 6 u

u

*

Cho udc =udvà nhớ rằng:

g

C ) u

v (

2 2

*

= (11) thì (7) có dạng:

2 2

c 0,00265 C gd

v

Δ

= (12) Nếu Δ=1,65g thì:

2 2

c 0,0044C gd

v

gd C 0663 , 0

Sử dụng:

6 / 1

R n

1

và nhám theo Strickler:

6 / 1 50

d

g 75 , 6 n

thì: v =c 4,4R1/6d150/3 (16)

Khi hạt ở mái sông hay mái kênh hay mái

dốc taluy đường thì (16) được nhân với hệ số

, tức là tốc độ chịu ảnh hưởng của cả độ

dốc dọc và độ dốc ngang (CUR Report 169,

1995) [3]

d

K

dng dd

φ

β

ư φ

= sin

) sin(

) tg

tg 1 ( cos k

2 dng

φ

α

ư α

kđ là hệ số ảnh hưởng độ dốc dọc, song vì góc β đối với dòng chảy tự nhiên khá bé nên thường lấy kdd =1, là hệ số ảnh hưởng của độ dốc ngang, làm tăng khả năng mất ổn định của hạt do đó khi hạt ở mái sông, mái kênh, mái dốc taluy đường bãi sông thì vế phải của các công thức (7), (8), (12), (13) và (13a), (16) được nhân với

dng

k

dng

k Vậy tốc ổn định trung bình của hạt ở mái dốc là:

dng 3 / 1 50 6 / 1

Ngoài ra ảnh hưởng của độ dốc ngang có thể có thể còn được xác định theo quan hệ Cho rằng hệ số Sêdi và độ dốc không đổi thì:

C

α

ư

h

y h u

trong đó:

dm

u - tốc độ đáy ở mái dốc tại điểm cách

đáy độ cao là y và độ sâu là hm =hưy;

h - độ sâu dòng chảy ở đáy sông

Như vậy khi hạt ở mái dốc thì (8) sẽ là:

h

h 4 , 1

và (13a) sẽ là:

gd cos h

h C 0663 , 0

hay:

α

h

h d R 4 , 4

vc 1/6 150/3 m (16b) Kết quả của tốc độ không xói đáy ở lòng sông được so sánh với công thức của

Goncharov và [2] cho hạt có

ở bảng 1

mm

75

mm

1

Bảng 1

) s / m (

uc

d

(mm)

1

2,5

5

10

15

25

40

75

0,14

0,22

0,31

0,44

0,54

0,69

0,876

1,20

0,2 0,25 0,35 0,50 0,60 0,80 1,00 1,35

0,136 0,215 0,304 0,430 0,527 0,680 0,860 1,180

3 Kết luận

• Công thức chung về tốc độ ổn định

của hạt ở đáy (5c) đã tính đến lực

dính của đất, điều kiện làm việc, yếu

tố mạch động, độ bền của đất, và có

dạng đơn giản dễ thực hành

• Khi hạt thì công thức (5c)

có dạng đơn giản là (7) hay (8)

mm 1

d ≥

• Giá trị của uc cho trong bảng 1 chỉ

ra công thức (8) cho giá trị trong

khoảng từ công thức của Goncharov

đến [2] hay quy trình Nga sẽ thiên về

an toàn, song lại có cơ sở khoa học

và thực tiễn

• Công thức có thể sử dụng làm cơ sở cho tính gia cố và ổn định bờ, đáy sông khi sử dụng trực tiếp tốc độ ổn

định của hạt

• Từ công thức chung rút ra được công thức cho hạt có tính tới độ dốc ngang và độ dốc dọc thông qua hệ

số Kd (17) hay quan hệ (18)

• Công thức tốc độ ổn định trung bình (16) hay (16a), (13b) hay (16b) có dạng đơn giản dễ sử dụng và thiên

về an toàn

Tài liệu tham khảo [[1] Trần Đình Nghiên ‘’Động lực học dòng sông

và xói đối với công trình giao thông’’ Tài liệu giảng dạy cao học, Trường ĐHGTVT, 1996

[2] Trần Đình Nghiên ‘’Thiết kế cầu vượt sông’’

(Bản dịch từ tiếng Nga của O.V Andreev, 1980), NXB GTVT, 1984

[3] Manuela Escarameia ‘’River & Channel

revetments’’ Thomas Telford Ltd UK, 1998

[4] Y Lam Lau & Peter Engd "Technical note

17149", J Hydr Eng, May 1999 Ă