Thủy văn công trình Chương 4

 Chế độ thủy văn, thủy lực và hình thành của đoạn sông rất phức tạp; về thủy văn phải xác định đồng thời lũ ở cả hai sông; về thủy lực thì phải phân phối dòng chảy, độ dốc thủy lực, tốc

Chương IV

KHẨU ĐỘ CẦU VÀ XÓI DƯỚI CẦU

4.1 Chọn vị trí công trình, nhiệm vụ

thiết kế và quy định tần suất lũ TK

4.1.1 Giới thiệu chung về các hạng mục công trình cầu.

7

7

7

7 6

Hình 4.1 Sơ đồ khẩu độ cầu.

1 Phần khẩu độ cầu thoát nước.

4.1.2 Nhiệm vụ thiết kế.

a) Phân tích thủy văn:

 Phân tích tần suất lũ tại nơi vượt dòng chảy

 Lũ thiết kế được lựa chọn dựa vào cơ sở kinh tế, xây

dựng công trình, xã hội, chính trị và môi trường

 Xác định lưu lượng và mực nước lũ thiết kế, đường quá trình lũ thiết kế thay đổi theo thời gian, các mực nước thông thuyền, thi công, mực nước thấp nhất và thời gian kéo dài cấp mực nước đã nêu

b) Phân tích thủy lực:

 Xây dựng quan hệ lưu lượng và mực nước

 Xác định phân phối dòng chảy và phân phối tốc độ

Các yêu cầu bắt buộc đối với thiết kế thủy lực CT vượt sông:

nhà cửa, ruộng vườn, các công trình xây dựng ven sông phía thượng lưu cầu.

sản, nhà cửa công trình phía hạ lưu.

 Duy trì phân phối lưu lượng trong phạm vi thực tế.

 Sự tập trung dòng chảy do diện tích trụ, mố chiếm chỗ ít ảnh

hưởng đến dòng chảy bình thường và giảm thiểu tiềm ẩn xói lở.

 Tác động xấu ít nhất đến hệ sinh thái lòng và bãi sông.

đảm bảo về mặt pháp lý.

4.1.3 Vị trí vượt dòng.

 Phù hợp với tuyến đường, song phải tính đến các điều kiện cụ thể nơi vượt dòng về mặt thủy văn, địa chất công trình, thông thuyền, cây trôi, môi trường sinh thái.

 Cầu nên bố trí ở nơi có nền địa chất tốt, đá gốc gần mặt đất, không

có phong hóa và không có thế nằm trượt ra sông, không có hiện tượng Catsto, không sụt lở.

Cụ thể là:

 Hướng dòng sông song song với bãi sông, hay lệch một góc nhỏ; đoạn sông ổn định, lạch sâu rõ ràng, thẳng hay là đường cong trơn, bán kính lớn, êm thuận.

 Bãi sông nhỏ và ở cao trình cao, không bị lầy, không có đầm, hồ, không có sông nhánh, cũ.

 Nếu hướng dòng chảy và dòng bãi không song song thì nên vuông góc với hướng chung song nên lệch về dòng chủ, cũng có thể

vuông góc với dòng bãi khi bãi thông qua trên 70% lưu lượng

 Không đặt cầu tại nơi lạch tàu đi chéo từ bờ này sang

bờ kia

4.1.4 Tần suất thiết kế.

Bảng 4.1 Tần suất lũ thiết kế theo TCVN4054-2005.

Tên công trình Cấp thiết kế của đường

Cao tốc Cấp I,II Cấp III đến VI Nền đường, kè Theo tần suất tính toán cầu hoặc cống

(2) Nếu trong khảo sát điều tra được mực nước lịch sử cao hơn mực nước lũ tính toán theo tần suất quy định trong bảng trên thì đối với cầu lớn phải dùng mực nước lũ lịch sử làm trị số tính toán.

(3) Tại các đoạn đường chạy qua khu đô thị và các khu dân cư, cao độ thiết

(3) Đối với các cầu lớn, để đảm bảo mố, trụ không bị xói, cần phải tính toán kiểm

Loại công trình Cấp đường

Cao tốc, cấp I Cấp II,III Cấp IV Nền đường Như đối với cầu nhỏ và cống

4.2 TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT,

THỦY VĂN.

4.2.1 Đặc điểm địa hình, địa chất.

Số liệu khảo sát địa hình là cơ sở để lựa chọn vị trí

đặt công trình, nghiên cứu thủy lực và kết cấu nền

móng Tài liệu về địa hình, địa chất bao gồm:

+ Bình đồ khu vực cầu, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang

dưới cầu trước khi làm cầu

+ Mặt cắt ngang dưới cầu hiện tại

+ Địa chất hai bờ và đáy sông, lớp đá gốc

+ Sự bồi tích, xói mòn, xói lở

4.2 TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT,

THỦY VĂN.

4.2.2 Tài liệu thủy văn.

Tài liệu thủy văn cần thiết phải dựa vào phương

pháp sẽ áp dụng để đánh giá lũ; song thông

thường phải có:

+ Các thông tin về các trận lũ (Lưu lượng, mực

nước các trận lũ trong các năm)

+ Điều kiện khí tượng, khí hậu (Lượng mưa)

+ Các đặc trưng của lưu vực

+ Kích thước, hình dạng sông

+ Phiếu điều tra mực nước

4.2 TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT,

THỦY VĂN.

4.2.3 Tài liệu môi trường.

+ Những thông tin cần thiết xác định tính nhạy cảm

của môi trường tại nơi vượt dòng và thông tin về

vùng đất trũng

+ Thông tin về dòng chảy và lưu lượng bùn cát

+ Thông tin cần thiết xác định mức độ và sự cần

thiết phải đưa ra và thiết kế các biện pháp giảm

thiểu: các loại cá, thủy sinh, phân tích bùn cát, sử

dụng nước và chất lượng nước

4.2 TÀI LIỆU ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT,

THỦY VĂN.

4.2.4 Các đặc trưng dòng chảy.

+ Mặt cắt ngang dòng sông để xây dựng quan hệ

mực nước- lưu lượng

+ Mặt cắt dọc sông để xây dựng đường mặt nước,

độ dốc dọc

+ Số liệu về sử dụng đất, diện tích có cây che phủ,

vật liệu đáy sông để xác định độ nhám và tính mô

đun lưu lượng

4.3 HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.

Để là quy hoạch và chọn vị trí vượt dòng, người kỹ

sư cần hiểu rõ hình thái dòng sông và sự thay đổi

do công trình vượt dòng gây ra Diễn biến dòng

sông liên quan đến vị trí chọn công trình có thể

thông qua các thông tin sau:

+ Các yếu tố địa chất, thạch học

+ Các yếu tố thủy văn

+ Đặc trưng hình thái địa chất

+ Đặc trưng thủy lực: chiều sâu dòng chảy, tốc độ,

độ dốc, chiều rộng, lưu lượng bùn cát, xói, bồi tích,

vị trí lòng lạch thay đổi theo không gian và thời

gian

4.3 HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.

4.3.1 Sông thẳng

 Chiều dài lạch sâu nhất trên chiều dài thung lũng nhỏhơn 1,5 và lạch sâu uốn lượn trong phạm vi chiềurộng kênh mùa lũ

 Lạch sâu đối diện với bãi cát liền bờ và so le nhau dọctheo dòng chảy, dịch chuyển xuôi dòng dưới tác dụngcủa dòng chảy

 Đoạn này địa chất bờ thường khó xói, thuận lợi choxây dựng công trình vượt dòng

4.3 HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.

4.3 HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.

 Những bờ lõm ở sông cong là hiểm họa đối với cầuđường Do vậy, việc thiết kế công trình vượt dòng ởnhững đoạn sông cong khá phức tạp vì khó dự đoán

sự phân phối dòng lũ

4.3 HÌNH THÁI ĐOẠN SÔNG.

4.3.3 Sông phân lạch

 Trên MB đường mép nước có hình dạ dày, thắt nút hai đầu và phình rộng ở giữa Nơi phình rộng sông chia làm nhiều lạch (thường 2, 3 lạch), trong đó có một lạch chính, giữa các lạch là bãi giữa Bãi giữa thường có cao độ gần bằng bãi sông, ngập trong mùa lũ, lộ ra trong mùa nước trung và kiệt.

 Chế độ thủy văn, thủy lực và hình thành của đoạn sông rất phức tạp; về thủy văn phải xác định đồng thời lũ ở cả hai sông; về thủy lực thì phải phân phối dòng chảy, độ dốc thủy lực, tốc độ dòng chảy, tất cả đều phụ thuộc vào sự thay đổi tương đối giữa lưu lượng và mực nước ở hai sông.

4.3.4 Quan hệ hình thái giữa các yếu tố của MCN

 Quan hệ hình thái theo phương trình liên tục của dòng

trong đó tốc độ V và độ dốc thủy lực S vừa là điều kiện

quy định, vừa là kết quả của diễn biến lòng sông phù

hợp với tải bùn cát từ thượng lưu tới

 Quan hệ hình thái theo Velikanov:

 Quan hệ hình thái theo Grishanin:

M thay đổi: (0,75  M  1,05); M lớn khi tích tụ bùn cát,

M nhỏ khi bị xói



0,5 0,25

MQ R

(gP)



0,5 0,25

MQ h

(gB)

4.3.4 Quan hệ hình thái giữa các yếu tố của MCN

4.4 KHẨU ĐỘ CẦU VÀ DỰ ĐOÁN XÓI DƯỚI CẦU.

4.4.1 Vị trí khẩu độ thoát lũ.

 Vị trí khẩu độ thoát lũ với sông có bãi bị ngập lũ rộng làrất phức tạp Nhìn chung khẩu độ bố trí tại lòng sôngvới chiều dài thoát lũ lớn hơn hay bằng chiều rộng lòngsông kết hợp với thoát lũ ở bãi sông

 Đối với đoạn sông có lòng, bãi rõ ràng, bãi nhỏ, nôngthì chỉ cần bố trí một khẩu độ thoát lũ ở lòng sông

 TH bãi sông lớn, có nhiều lạch nhỏ, có vùng tụ nước vàlưu lượng bãi chiếm một phần đáng kể so với tổng lưulượng thì phải bổ sung công trình vượt lũ qua bãi đểkhông phá vỡ sự phân bố lưu lượng và hướng dòngchảy tự nhiên, tránh dòng chảy dọc theo đường bãisông trên phạm vi dài, tránh ngập lụt lớn ở thượng lưu

4.4 KHẨU ĐỘ CẦU VÀ DỰ ĐOÁN XÓI DƯỚI CẦU.

4.4.2 Nguyên lý tính chiều dài thoát nước dưới cầu

4.4 KHẨU ĐỘ CẦU VÀ DỰ ĐOÁN XÓI DƯỚI CẦU.

4.4.3 Xói dưới cầu.

a Phân loại xói:

Nghiên cứu chỉ ra dưới cầu có ba loại xói làm hạ thấpcao độ đáy sông:

 Xói tự nhiên: do sự biến dạng (xói và bồi) tự nhiên

của lòng sông, không phụ thuộc vào sự có mặt củacông trình trên sông mà phụ thuộc vào nhiều yếu tốkhác như chế độ thuỷ văn, điều kiện địa chất, sự khaithác nguồn nước ; Muốn xác định phải có tài liệuquan trắc trong nhiều năm

 Xói chung (xói thu hẹp): do dòng chảy trên sông bị

cầu thu hẹp

 Xói cục bộ: do trụ và mố cầu cản dòng nước, xảy ra ở

Sơ đồ các loại xói dưới cầu

Nếu ba loại xói này xảy ra đồng thời tại một nơi, thí

dụ tại chân trụ cầu thì ảnh hưởng của xói theo nguyên lýcộng tác dụng là tổng số học của ba loại xói thành phần.Chiều sâu dòng nước sau xói cục bộ tại trụ là:

Dhxch: chiều sâu xói chung do cầu thu hẹp dòng chảy,m;

a Phân loại xói:

Cầu Kaoping, Đài Loan

Các loại xói

Hình ảnh xói cục bộ tại trụ tròn (mô hình)

 Xói tự nhiên:

có thể là đê, hồ chứa, sự thay đổi địa hình trong quá trình sử dụng đất trên lưu vực (quá trình đô thị hoá, việc tàn phá rừng v.v ), việc kênh hoặc cứng hoá đoạn cong (tự nhiên và nhân tạo), sự thay đổi cao độ lòng sông ở

hạ lưu, sự hạ thấp dần dần lòng sông, sự làm lệch hướng dòng chảy ở nơi phân lưu hoặc nhập lưu đối với đoạn sông, sự bào mòn tự nhiên hệ thống sông, sự chuyển động của đoạn cong, vị trí cầu làm ảnh hưởng tới hình dạng sông Các tác động hình thái trực tiếp cũng có thể do hoạt động của con người gây nên.

cả các cơ quan liên quan tới sông ngòi để tìm hiểu những tài liệu về quá trình lòng sông đã và đang thay đổi, và dự báo sự thay đổi tiềm ẩn của nó trong tương lai.

b Nguyên nhân gây ra các loại xói

 Xói chung

cầu có liên quan tới sự chuyển động của vật liệu đáy và bờ sông trên toàn bộ hoặc phần lớn bề rộng sông, là kết quả gia tăng của tốc độ dòng chảy và ứng suất tiếp ở đáy sông.

choán vào bãi hoặc lòng chính là nguyên nhân chủ yếu nhất của xói chung.

 Các yếu tố khác có thể gây ra xói chung là: sự thu hẹp dòng chảy tự nhiên; nền đường đắp dẫn vào cầu làm thu hẹp dòng chảy; cỏ, rác chắn dòng chảy; hoặc lớp phủ thực vật mọc trên phần lòng dẫn hoặc bãi sông v.v

 Xoáy móng ngựa được tạo nên do

dòng nước phía thượng lưu xô vào

mặt cản làm tăng dòng chảy quanh

mũi trụ hoặc mố Hoạt động của

xoáy làm di chuyển vật liệu đáy

quanh móng mố, trụ Mức mang

bùn cát ra khỏi vùng móng lớn hơn

mức mang bùn cát đến, kết quả là

một hố xói được hình thành Khi

chiều sâu xói tăng lên, cường độ

của xoáy móng ngựa giảm đi làm

giảm mức vận chuyển bùn cát.

 Cả hai loại xoáy này làm chuyển

động vật liệu ra khỏi khu vực móng

trụ Tuy nhiên, cường độ của xoáy

trục đứng giảm nhanh khi khoảng

cách hạ lưu của trụ tăng Do vậy ở

ngay phía sau của một trụ dài theo

 Có hai loại xói chung và xói cục bộ: Xói nước trong và xói nước đục

 Xói nước trong:

TL đến cầu hoặc vật liệu đáy được vận chuyển từ TLvề ở dạng

lơ lửng ít hơn khả năng mang bùn cát của dòng chảy.

+ Các tình trạng xói nước trong điển hình bao gồm: sông, suối

có vật liệu đáy ở dạng thô; sông, suối có độ dốc bằng phẳng trong quá trình dòng chảy ở mực nước thấp; có sự lắng đọng cục bộ của vật liệu đáy lớn hơn những phần tử lớn nhất mà dòng nước có thể vận chuyển đi; đáy sông, suối được cấu tạo bằng lớp vật liệu thô; các lòng dẫn hoặc khu vực bờ sông, suối

có thực vật che phủ.

 Xói nước đục: xảy ra khi có sự vận chuyển bùn cát trên đoạn

sông từ thượng lưu về khu vực cầu.

dòng chảy có mang vật liệu đến và đi và quá trình xói chấm dứt Đối với xói nước trong, quá trình xói chấm dứt khi ứng suất

 Hsx, Bsx , Htx, Btx - chiều sâu trung bình và chiều dài mặt nước của mặt cắt ngang dòng chảy dưới cầu sau xói và trước xói.

 Ph, Pb - hệ số xói theo chiều sâu và chiều rộng dòng

4.4.5 Công thức chung xác định khẩu độ cầu

.V [P]

 e

4.4.6 Phương trình liên tục bùn cát (PT BDạng

lòng sông)

trong đó: Gl, GC: Lưu lượng bùn cát chuyển đến và đi khỏi l/s dưới cầu.

h – Độ hạ thấp đáy sông (chiêu sâu xói).

S – diện tích bị xói trong đoạn l, S = B l.

Theo phương trình trên thì xói ngừng khi tốc độ xói bằng không

H

® y

B

m y

dy

Q G

G+

Q

dl G l

- Q thiết kế thuần túy tính theo Sedi-Manning:

a Xói nước đục:

 Điều kiện: v > vc, với vc = 6.19hlc1/6 D501/3

 Nguyên lý: Sau khi kết thúc xói, lưu lượng bùn cát bị mang

đi khỏi lòng sông dưới cầu phải cân bằng với lưu lượng bùn

7 6

Theo Van Rijn (1989):

1 gd

cho d 0, 01cm 18

Đồ thị tra độ thô thủy lực theo đường kính hạt d50

Bảng tra k theo phương thức vận chuyển bùn cát

U * /ω k Phương thức vận chuyển bùn cát đáy

< 0,50 0,59 Phần lớn lưu lượng bùn cát là bùn cát đáy

0,50 đến 2,00 0,64 Một phần lưu lượng bùn cát ở dạng lơ lửng

b Xói nước trong

lc 2 / 3 2

m c

Q h

D50: đường kính hạt có lượng lọt sàng là 50%

3 9

Ví dụ 1: Một cầu bắc qua sông có:

- Lưu lượng lũ thiết kế Qmax.1% = 5000 m 3 /s;

- Độ dốc mặt nước I = 0,0004;

- Chiều sâu trung bình dòng chảy ở thượng lưu cầu hl = 12,00 m;

- Chiều rộng lòng sông (ứng với MNTK) tại MC thượng lưu cầu

Bl = 500 m;

- Chiều dài thoát nước dưới cầu Lc = 386,50 m;

- Đoạn sông bắc cầu tương đối thẳng và ổn định, không có bãi,

đáy sông khá bằng phẳng, lòng sông dưới cầu là cát mịn có đường kính hạt D50 = 0,02 mm.

Yêu cầu: Tính xói chung dưới cầu theo Laursen?

Ví dụ 2: Tại một mặt cắt dự kiến làm cầu thu thập được những số

liệu sau: Bch = 460m; hch = 8,5m; ch =1,6;  =0,08.

Yêu cầu: Lập quan hệ h’ch và Lcm theo Andreev.

Tính h’ch và hệ số xói chung p theo 2 phương án Lcm = 600m và L = 460m.

Ví dụ 3: Sông có mặt cắt ngang hình thang cân có chiều sâu h=5m;

chiều rộng đáy bđ=70m; hệ số mái dốc m=2; hệ số nhám đáy

nđ=0.02; hệ số nhám mái sông nm=0.04; độ dốc mặt nước Im=0.0001 Kết cấu nhip đặt trên 2 mố dạng tường cánh thẳng với chiều dài cầu giữa 2 mép mố Lcm=84m; 2 trụ thân hẹp đầu tròn có bề rộng trụ

b=1.2m; vật liệu đáy có d50=0.8mm có độ thô thủy lực w=99mm/s

Yêu cầu: Tính lưu lượng chảy qua mặt cắt.

Tính xói chung dưới cầu theo Laursen.

Ví dụ 4: Sông có mặt cắt ngang dạng hình chữ nhật, có một bãi,

chiều rộng lòng sông Bl=240m; chiều rộng bãi sông Bb=30m; chiều

sâu trung bình lòng htbl=18m; chiều sâu trung bình bãi htbb=4m; hệ số nhám lòng sông nl=0.02; hệ số nhám ở bãi 0.04; độ dốc mặt nước

Im=0.0001 Vật liệu đáy có d50=0.2mm.

Yêu cầu: Tính lưu lượng chảy qua mặt cắt.

Tính xói chung dưới cầu theo Laursen với Lc=240m.

4.5 Xói cục bộ trụ cầu

4.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến xói cục bộ trụ cầu.

 Các yếu tố thể hiện cho trụ cầu: Hình dạng trụ, kích thước trụ (d, b), điều kiện bề mặt trụ và hình thức cản xói bảo vệ trụ phòng ngừa xói (nếu có).

 Các yếu tố thể hiện chất lỏng: Gia tốc trọng trường: g, khối lượng riêng của nước: , hệ số nhớt động học của nước: 

 Các yếu tố thể hiện dòng chảy: Chiều sâu dòng chảy trước trụ (sau xói chung): hx, lưu tốc trung bình dòng chảy trước trụ (sau xói chung): vx, hệ số nhám dòng chảy trước trụ: k; hướng dòng chảy đến trụ; biểu đồ lũ và thời gian lũ.

 Các yếu tố thể hiện vật liệu đáy sông (Địa chất): Khối lượng riêng của hạt bùn cát: bc, phân phối cỡ hạt (d50 ), hình dạng hạt và mức

độ dính kết của địa chất đáy sông (c).

 Các yếu tố ảnh hưởng đến xói cục bộ có nhiều yếu tố độc lập, nhiều yếu tố phụ thuộc, nhiều yếu tố rất khó định lượng Nếu chỉ xét địa chất rời rạc, tốc độ dòng chảy phụ thuộc vào mức độ thắt hẹp và chỉ xét đỉnh lũ thì xói cục bộ phụ thuộc 8 yếu tố:

4.5.2 Một số CT dự đoán xói cục bộ trụ cầu.

a Công thức ĐHXD (Nguyễn Xuân Trục và Nguyễn Hữu

Khải)

trong đó: K1, m, n là các hệ số tùy thuộc vào loại xói:

 Xói nước trong: vx < vox

 Xói nước đục: vx  vox

n m

Kd: Hệ số xét đến ảnh hưởng của hình dạng trụ cầu, được lấy bằng 0.1Kξ;

Kξ: Hệ số hình dạng của Iaslavtsev xác định theo bảng tra.

hx: chiều sâu nước chảy tại trụ cầu trước khi có xói cục bộ (sau xói chung), m;

vx: tốc độ nước chảy tại trụ cầu trước khi có xói cục bộ (sau xói chung), m/s;

vox: tốc độ cho phép không xói của lớp đất tại vị trí xói phát triển tới, m/s;

b: chiều rộng tính toán của trụ, m.

4

V  3, 6 h d