Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại nước cộng hòa dân chủ nhân dân lào

Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao và mạnglưới giao thông từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùngnúi, do độ dốc lớn, lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuống nhanhdẫn đến những

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nước Cộng hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào đang trên đườnghiện đại hóa Mạng lưới đường ô tô đang được cải tạo, nâng cấp vàxây dựng mới để phục vụ yêu cầu phát triển ngày càng cao của đấtnước Trong những năm qua Đảng và Nhà nước Lào đã coi trọngviệc xây dựng cơ sở hạ tầng Trong đó đã chú trọng đến việc xâydựng và phát triển mạng lưới đường giao thông, đặc biệt là đườngbộ

Khi xây dựng đường ô tô đã chú ý đặc biệt đến việc xâydựng công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô, mặc dù loại côngtrình này chiếm tỷ trọng không lớn so với các công trình khác, nhưngkhả năng tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ lại ảnh hưởng

và liên quan trực tiếp đến tuổi thọ của áo đường, nền đường và cáccông trình khác trên đường

Nước Lào nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượngmưa và khí hậu điều hòa trong năm, song một số vùng có lượng mưalớn và không đều Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao và mạnglưới giao thông từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùngnúi, do độ dốc lớn, lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuống nhanhdẫn đến những hư hỏng công trình thoát nước trên đường ô tô làmcho chất lượng của tuyến đường không ổn định theo các mùa trongnăm Một trong số các nguyên nhân quan trọng là phương pháp tínhtoán thủy lực cho công trình thoát nước nhỏ và sự lựa chọn trạng tháinguy hiểm của công trình có thể còn chưa hợp lý Để nâng cao khảnăng thoát nước ngang đường ô tô cần phải nghiên cứu một số bàitoán tính toán thủy lực như: tính thủy lực bậc nước và dốc nước, tínhxói sau cống, tính tốc độ bắt đầu xói đáy dòng chảy Tất cả nhữngvấn đề trên điều liên quan đến việc nghiên cứu phương pháp thiết kế

để nâng cao khả năng thoát nước nhỏ trên đường ô tô

Tại CHDCND Lào, để tính toán thuỷ lực cho công trìnhthoát nước này chúng tôi hiện nay đang dùng các phương pháp củanước ngoài (chủ yếu là châu Âu, Mỹ, Việt Nam) trong điều kiện tựnhiên và khí hậu của Lào

Thực tế đó đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu hơn về vấn

đề này Với trình độ và kinh nghiệm của các nhà khoa học– kỹ thuậtViệt Nam có thể giúp tôi rất nhiều trong khi thực hiện đề tài Chính

vì vậy Nhà Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào cử tôi sang đây

làm nghiên cứu sinh với đề tài : “Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô tại nước Cộng Hoà Dân Chủ Nhân Dân Lào”.

2 Mục đích nghiên cứu

Luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xâydựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ trênđường ô tô tại nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào, trong đó tậptrung vào tính thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường ô tô

và giải quyết một số tính toán thủy lực (bậc nước, dốc nước, tốc độkhông xói đáy dòng chảy và xói sau gia cố) dùng trong thiết kế côngtrình thoát nước nhỏ ngang đường để từ đó đề xuất được các giảipháp thiết kế và lựa chọn phương pháp gia cố hoặc biện pháp tiêunăng thích hợp ở hạ lưu cống trên đường ô tô giải pháp xây dựngcông trình thoát nước nhỏ ngang đường có địa hình đặc thù phù hợpvới các đặc điểm điều kiện tự nhiên và đặc điểm khí hậu tại nướcCộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào

3 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu là tính thủy lực cho hệ thống công trìnhthoát nước nhỏ ngang đường ở nước Lào

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực tế

5 Bố cục của luận án

Luận án trình bày trong 166 trang gồm phần Mở đầu, Phầnnội dung luận án trong 04 chương, Phần kết luận và kiến nghị,Hướng nghiên cứu tiếp theo, Tài liệu tham khảo và Phụ lục

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, TÌNH HÌNH MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG VÀ SỰ PHÁ HOẠI CÁC CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ Ở NƯỚC CHDCND LÀO

1.1 Đặc điểm điều kiện địa hình và khí hậu ở Lào

Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào là một nước códiện tích tương đối rộng với diện tích 236.800 km2 Địa hình của Làochủ yếu là đồi núi cao chiếm tỷ lệ 70% và đồng bằng chiếm 30% củadiện tích cả nước

- Địa hình: miền núi và cao nguyên chiếm tới hơn 3/4 diện tích tự

nhiên, còn lại là một số vùng đồng bằng Nói chung là vùng núi ởLào có độ cao trung bình chiếm phần lớn phía Bắc và phía Đông,đỉnh cao nhất là núi Bịa (2820m), và một số đỉnh cao khác như: núiXao (2690m), núi Săn (2218m), núi Huạt (2452m) Núi ở hai tỉnhĐông Bắc Lào là Xiêng Khoảng - Xăm Nưa, nơi bắt đầu của dãy núiTrường Sơn Bắc Hướng chung của chúng là Đông Bắc - Tây Namnằm toàn bộ ở phía Tây, không liền dài và không phẳng như ở châuthổ sông Mê Kông

- Khí hậu: khí hậu nhiệt đới gió mùa, với 2 mùa rõ rệt:

+ Mùa mưa: bắt đầu từ tháng 05 đến tháng 11, nhiệt độ vào

khoảng 30oC, mưa khá thường xuyên, một vài năm thậm chí bị lũ lụttràn dòng sông Mê Kông

+ Mùa khô: từ tháng 11 đến tháng 04, ít mưa hơn và nhiệt độ

khoảng 15oC, vùng núi có thời điểm là 0oC

1.2 Giới thiệu chung về hệ thống đường ô tô ở Lào

1.2.1 Giai đoạn trước năm 1975

1.2.2 Giai đoạn năm 1975-1985

1.2.3 Giai đoạn năm 1985-2000

1.2.4 Giai đọan năm 2000-2015

1.3 Tình trạng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đường

ô tô tại nước CHDCND Lào

Nước Lào có vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, do lượng mưa

và khí hậu trong năm, chủ yếu là một số vùng có lượng mưa lớn vàkhông đều trong năm Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao vàmạng lưới giao thông từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường quavùng núi, do độ dốc lớn thì lưu lượng nước trên đỉnh núi chảy xuốngnhanh dẫn đến những hư hỏng công trình thoát nước trên đường ô tô

và làm cho chất lượng của tuyến đường không ổn định theo các mùatrong năm

Công trình thoát nước trên đường ô tô ở Lào có thiết kế - kỹthuật còn thấp, công tác duy tu bảo dưỡng không thường xuyên, côngtác quản lý và chi phí còn hạn chế, chưa đáp ứng được kịp thời choviệc duy tu bảo dưỡng đường ô tô ở Lào

1.3.1 Những hư hỏng thường gặp về công trình thoát nước trên

đường ô tô và nguyên nhân gây ra

Hiện tượng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đường ô

tô ở nước CHDCND Lào xảy trên tất cả các tuyến đường đang khaithác Hậu quả do chúng để lại thường gây ra tổn thất lớn, tốn phínhiều chi phí sửa chữa, khôi phục, gián đoạn giao thông nhiều ngàysau mưa lũ, đe dọa nghiêm trọng an toàn giao thông Để phục vụ choluận án NCS đã khảo sát nhiều tuyến đường ở nước CHDCND Làonhư: đường 1D, đường số 1J, đường số 2E, đường số 4A, đường số

7, đường số 8, đường số 12 Các kết quả khảo sát NCS đã trình bày

chi tiết ở báo cáo chuyên đề : Sự phá hoại các công trình thoát nước

nhỏ trên đường ô tô của nước CHDCND Lào và các nguyên nhân gây ra Dưới đây NCS xin tóm tắt một số hư hỏng điển hình liên

quan trực tiếp đến những vấn đề trong nội dung của luận án

1 Hư hỏng rãnh thoát nước (hình 1.2A và 1.2B);

2 Hư hỏng thượng lưu và hạ lưu công trình cống thóatnước(hình 1.3A, 13B, 13C và 13D);

3 Hư hỏng xói lở thân cống, nền đường tại vị trí cống bị cắtđứt(hình 1.4);

4 Hư hỏng mối nối cống (hình 1.5);

5 Lắng đọng đất cát trong cống (hình 1.6A và 1.6B)

1.3.2 Tình hình áp dụng kết cấu công trình thoát nước ở Lào

Trong quá trình xây dựng và phát triển mạng lưới giao thôngvận tải, các dạng kết cấu cống và cầu nhỏ trên đường ô tô ở Lào cũngnghiên cứu và nâng cao chất lượng xây dựng để thoát nước trêntuyến đường và đỉnh núi, thuận lợi cho việc duy tu bảo dưỡng, hạ giáthành công trình, đảm bảo chất lượng và sự an toàn xe chạy trêntuyến đường

Nói chung các kết cấu công trình thoát nước nhỏ đã được ápdụng trên tuyến đường ở Lào có cống và cầu nhỏ, gồm có: cống tròn

bê tông cốt thép, cống hộp bê tông cống thép, rãnh thoát nước 2 bêntuyến đường, cầu bản bê tông cốt thép v.v

Hiện nay chưa có một công trình nào có nghiên cứu đầy đủ vềcác giải pháp kỹ thuật để xử lý các công trình thoát nước ở Lào Khi

có đoạn tuyến đường bị hư hỏng xảy ra thì sẽ tổ chức sửa chữa đưa

ra một số giải pháp nào đó cho phù hợp với hiện trạng hư hỏng thực

tế cần xử lý và thuộc vào năng lực chuyên môn và kinh nghiệm củađơn vị thi công

2 Cùng với các đồng nhiệp, các cơ quan hữu quan NCS đãxem xét một số tuyến đường chính như hình ảnh đã nói trên là một

số hư hỏng rất hay gặp trên đường là sự phá hoại tại các vị trí côngtrình thoát nước nhỏ như: cầu nhỏ, cống Tùy dạng phá hoại rất đadạng nhưng nguyên nhân thường gặp nhất là nền đường, mặt đườngtại những vị trí này bị nước xói, đất đá bị cuốn trôi Kiểu phá hoạinày chắc chắn là do công tác dự báo thủy văn và tính toán thủy lựccông trình không hợp lý dẫn đến vận tốc nước, áp lực nước tác độnglên nền mặt đường quá lớn dẫn đến phá hoại công trình làm giảm antoàn giao thông Những dự đoán này giải thích luận án của NCS tậptrung vào công tác tính thủy lực cho các công trình thoát nước nhỏ.Như vậy, hy vọng rằng sau này các đoạn đường ít bị nước cuốn trôi,

vị trí cống, vị trí cầu bị nước tàn phá sau mỗi mùa lụt Kiểu phá hoạinày khác biệt với kiểu phá hoại một cái cầu hay một cái cống sụp đổdưới tác động của tải trọng xe và tải trọng bản thân nền đắp Những

kiểu phá hoại này hình thành do chất lượng xây dựng kém, luận ánnày NCS không giải quyết được vấn đề đó.

3 Điều kiện khí hậu, nhiệt độ, mưa gió rất khắc nghiệt, hìnhthành các vùng khí hậu rất rõ ràng Sau này khi áp dụng các côngthức chung tính thủy lực cho các công trình thoát nước nhỏ ngangđường rất cần chú ý đến đặc điểm này Nhưng đây là một vấn đề rấtphức tạp đòi hỏi rất nhiều công trình nghiên cứu, rất nhiều kinhnghiệm xây dựng công trình Vì vậy luận án của chúng tôi muốn có

sự chặt chẽ vào các lý thuyết chung được thừa nhận và các kinhnghiệm mà các nhà bác học, các nhà kỹ thuật đã đạt được với mongmuốn vấn đề được giải quyết nhanh chóng hơn

Để đáp ứng các yêu câu về mục tiêu, nội dung đề tài luận án,các vấn đề sau đây sẽ được nghiên cứu trong các chương tiếp theo:

a Các nội dung chính khi tính thủy lực bậc nước nhiều cấp,sức cản thủy lực ở dốc nước, khởi động của hạt ở đáy dòng chảy vàxói sau gia cố công trình thoát nước nhỏ ngang đường;

b Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế thủy lực công trìnhthoát nước nhỏ ngang đường cho nước Cộng Hòa Dân Chủ NhânDân Lào;

c Giải pháp xây dựng công trình thoát nước ngang đường cóđịa hình đặc thù ở nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍNH THỦY LỰC BẬC NƯỚC NHIỀU CẤP, SỨC CẢN THỦY LỰC Ở DỐC NƯỚC, KHỞI ĐỘNG CỦA HẠT Ở ĐÁY DÒNG CHẢY VÀ XÓI SAU GIA CỐ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ NGANG ĐƯỜNG

2.1 Tổng quan nghiên cứu tính thủy lực bậc nước nhiều cấp

dạng bể tiêu năng

2.1.1 Các nghiên cứu liên quan đến tính thủy lực bậc nước

Bậc nước nhiều cấp bao gồm nhiều bậc nước một cấp nốitiếp nhau kiểu bậc thang được áp dụng ở nơi có địa hình dốc, đểgiảm khối lượng công tác làm đất, ít phá hủy môi trường Như vậy,mỗi bậc phải được tính sao cho có chiều dài tối thiểu về tính thủylực, đồng thời đảm bảo điều kiện địa hình cụ thể tức là độ dốc cục bộtrung bình phải được thỏa mãn Scb=∑Pi/∑Li [5]

Khi tính bậc nước nhiều cấp, thường chỉ tính bậc 1 và bậc 2,các bậc tiếp theo tính như bậc thứ hai, bậc cuối cùng có tính tới ảnhhưởng của dòng chảy hạ lưu h h, thường có dạng bể tiêu năng.

2.1.2 Các công thức tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể

2.1.2.1 Xác định chiều dài đoạn nước đổ ở cửa vào bậc nước [5]

Chiều dài nước đổ trong kênh chữ nhật có thể tính theo côngthức [5]

2.1.2.2 Chiều dài nước rơi dọc phương chảy tại sân bậc [5]

Dòng chảy rơi xuống sân bậc khi bậc không ngập gồm haiphần là phần rơi tự do trong không khí và phần sau ngập trong nước

ở sân bậc có thể xác định theo nghiên cứu của (Kostantinov IU.M,1988) [80]

- Đối với mặt cắt chữ nhật:

Pavlovski N.N lnn  2.5 1.9  h2ch hch

(2.9)

Chertouxov M.Dl nn 5h2ch (trung bình) (2.10)

hay l nn 10.3h Fr ch 110.81

(2.10a)Bradley và Peterkal nn6.9h2ch h ch

(2.11)Ohtsu và các cộng sựl nn 5.5h ch (2.12)2.1.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm phần cửa vào bậc nước rơi tự do [5]

Số liệu đo thay đổi áp suất dọc theo chiều sâu hb ở ngay cửa

vào bậc, theo nghiên cứu của (Rajaratnam và Muralidha, 1968) [54]

Áp suất dư tại đỉnh và đáy luồng nước bằng không, trong phạm viluồng nước là đường cong có giá trị lớn hơn áp suất không khí songluôn nhỏ hơn áp suất thủy tĩnh

Nghiên cứu thực nghiệm và bán thực nghiệm chỉ ra hb/hc=0.715 cho mặt cắt chữ nhật

2.1.2.4 Xác định chiều sâu ở mặt cắt co hẹp hch[2], [5]

Chiều sâu ở mặt cắt co hẹp tại sân bậc xác định theo phươngtrình Bernoulli viết cho mặt cắt ở kênh thượng lưu và mặt cắt cohẹptại sân bậc đối với mặt cắt chữ nhật

Eo=hch+(q2/2g2h2 ch) (2.14)1) Nghiên cứu của (Agroskin I.I, 1964) [2], [5]:

q=hch(2g(Eo-hch))0.5 (2.18)Đặt: ch=hch/Eo và 2ch=h2ch/Eo

F(ch)=q/(E3/2 o) (2.19)Thông qua quan hệ hàm số F(ch)=q/(E3/2 o) tương ứng vớicác giá trị hệ số tốc độ khác nhau  0.8 1.0 (phụ lục 1) tìm được

ch

h và h 2chtương ứng với hệ số 

2) Nghiên cứu của (Rakhamanov A.N) [5]:

Sử dụng phương trình (2.14) viết phương trình ở dạng tỷ sốtương đối so với chiều sâu phân giới h c:

Eo/hc=(hch/hc)+(1/22)(hc/hch)3 (2.20)Đặt: Eo=Eo/hc; ch=hch/hc và 2ch=h2ch/hc

Xây dựng đường cong quan hệ giữach, ch với  ứng vớiE o

hệ số lưu tốc  (phụ lục 2)

2.1.2.5 Tính chiều sâu bể tiêu năng [5]

Xác định chiều sâu bể tiêu năng có thể theo biểu đồ của(Chertouxov M.Đ, 1962) đã xây dựng biểu đồ thông quan quanhệ:z=f(Eo,) (phụ lục 3)

Biểu đồ cho giá trị d tương ứng với nước nhảy tại chỗ xácđịnh theo công thức (2.32) như sau:

Nghiên cứu của(Detlef Aigner) cho biết [23]:

Tính bậc nước nhiều cấp dạng bể theo [23] đã biết lưu lượngđơn vị q m s m( 3/ ) và chiều cao bậc nước P có thể tìm được tg=P/

L, sau đó tìm được quan hệ giữa pt/P với hc/P và tính được các kíchthước của bậc nước nhiều cấp như: chiều cao tường tiêu năng p t

,chiều dài bậc nước L

2.1.3 Nhận xét về tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể

Nghiên cứu này tác giả tập trung giải phương trình tìm chiềusâu mặt cắt co hẹp ở sân bậc, chiều sâu liên hợp lớn của nước nhảyvới chiều sâu co hẹp h chở sân bậc làh 2ch, tính chiều cao tường ở bậc

nước dạng bể của bậc nước nhiều cấp và chiều sâu bể tiêu năng ở bậccuối theo phương pháp giải tích và phương pháp số, đồng thời lậpbiểu đồ xác định quan hệ giữa pt/hc với P/hc và Lbc/hc với P/hc tìm pt

và Lbc

2.2 Tổng quan các nghiên cứu về sức cản thủy lực ở dốc nước

2.2.1 Các nghiên cứu liên quan đến sức cản thủy lực ở dốc nước [5]

Tính thủy lực dốc nước được chia làm ba phần: cửa vào,thân dốc và phần tiêu năng ở cửa ra của dốc (xem hình 2.7)

2.2.1.1 Tính thủy lực phần cửa vào dốc nước

bb=Q/(m(2g)0.5(Ho3/2)) (2.40)2.2.1.2 Tính thủy lực phần thân dốc

Chiều dài dốc: Ld=(P2+L2)0.5 (2.41)

Mô đun lưu lượng của kênh: Ko=Q/(id)0.5 (2.43)2.2.1.3 Tính thủy lực cửa ra của dốc nước

h2=(h2+2h3 c(1/h1-1/hcr)) 0.5 (2.44)

2.2.2 Vấn đề tính sức cản thủy lực của dốc nước

Để xác định khả năng chảy của công trình thoát nước ngangđường như cống, dốc nước, bậc nước điều quan trọng là phải xácđịnh đúng tốc độ trung bình dòng chảy và lưu lượng tương ứng, songtốc độ và lưu lượng lại phụ thuộc vào việc xác định hệ số sức cản masát f được đưa vào trong công thức (Darcy – Weisbach) [79]

1) Nghiên cứu của (Pavlovski N.N) [79]:

fx=0.0187Re0.0384 (2.53)

2.2.3 Vấn đề cần nghiên cứu

Nghiên cứu này tác giả tập trung vào nghiên cứu để kiểm trakết quả phân tích hệ số f trong lòng dẫn bê tông thông qua việc sửdụng số liệu thực tế [73], [74], [75], [76], [77], (phụ lục 5) [89]

2.3 Tổng quan về khởi động của hạt đất ở đáy dòng chảy

2.3.1 Vấn đề đã đạt được

Hiện nay có bốn hướng chính nghiên cứu điều kiện khởiđộng của hạt đất là:

1 Tốc độ khởi động của hạt, trong đó đặt quan hệ đường kínhhạt đất d với tốc độ đáy hay tốc độ trung bình dòng chảy làmcho hạt chuyển động

2 Lực nâng, trong đó lực nâng đẩy hạt lên vừa chớm vượt quátrọng lượng hạt của dòng nước trong nước

3 Ứng suất tiếp tới hạn, trong đó dựa vào nhận thức lực tiếptuyến của dòng chảy tác dụng vào hạt ở đáy dòng chảy theophương chảy là nguyên nhân chủ yếu đẩy hạt chuyển động

4 Phương pháp xác suất được áp dụng để giải quyết vấn đềtrên