V tb : tốc độ trung bình toàn mặt cắt thực của dòng chảy khi chưa bị thu hẹp, m/s; (Fr / i o ): thành phần không thứ nguyên của dòng chảy khi chưa bị thu hẹp; Fr = V tb 2 / gL ngập (4-22) trong đó: L ngập : chiều rộng ngập tính toán, m; khi dòng chảy bị thu hẹp một phía, lấy toàn bộ chiều rộng ngập, còn khi dòng chảy bị thu hẹp cả hai phía, lấy bằng một nửa chiều rộng ngập; i o : độ dốc dọc của đường mặt nước khi dòng chảy chưa bị thu hẹp. a: hệ số lấy theo bảng 4-11. b. Xác định khoảng cách từ cầu lên thượng lưu, nơi có độ dềnh nước lớn nhất Khoảng cách từ cầu lên thượng lưu, nơi có độ dềnh nước lớn nhất được xác định theo công thức: x o = aL ngập (Fr/i o ) 0,5 (4-23) Các ký hiệu trong công thức đã được giải thích ở trên. Bảng 4-11 Xác định hệ số a Fr/i o Q TK /Q C 1,25 1,50 2,00 2,50 3,00 4,00 0,05 1,14 1,21 1,36 1,51 1,66 2,28 0,10 1,07 1,12 1,24 1,39 1,54 2,00 0,15 1,02 1,05 1,13 1,28 1,42 1,72 0,20 0,98 1,01 1,08 1,19 1,30 1,48 0,25 0,94 0,97 1,04 1,11 1,18 1,26 0,30 0,90 0,92 0,97 1,03 1,09 1,08 0,40 0,81 0,82 0,86 0,88 0,90 0,83 0,50 0,73 0,74 0,74 0,73 0,72 0,51 Trong bảng trên: Q C : lưu lượng qua bộ phận mặt cắt chưa bị thu hẹp của mặt cắt thực dưới cầu. Lưu ý: Trường hợp các trị số Q TK /Q C và Fr/i o ở ngoài giá trị trong bảng trên, lấy giá trị của a theo trị số gần nhất. c. Xác định độ dềnh nước lớn nhất ở mái dốc đường dẫn lên cầu Độ dềnh nước lớn nhất ở mái dốc đường dẫn lên cầu Dh TL được xác định theo công thức: Dh TL = Dh d. max. + x o i o + V o 2 / g (4-24) Các ký hiệu trong công thức đã được giải thích ở trên. Đ 4.8. Tĩnh không dưới cầu 4.8.1. Tĩnh không hay khổ giới hạn gầm cầu Tĩnh không dưới cầu (hay khổ giới hạn gầm cầu) là đường giới hạn tối thiểu của khoảng không gian dưới dầm cầu tính theo hướng vuông góc với dòng chảy trong sông, đảm bảo cho thuyền bè qua lại không bị va chạm vào các chi tiết kết cấu của cầu. Các kích thước tối thiểu của khổ giới hạn gầm cầu được quy định theo cấp sông trong Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5664-92. Bảng 4-12 trình bày tổng hợp một số thông số theo phân cấp kỹ thuật đường thuỷ nội địa. 4.8.2. Xác định mực nước thông thuyền Mực nước thông thuyền theo TCVN 5664-92 là mực nước cao có tần suất 5%, là mực nước cao nhất cho phép thuyền bè có thể qua lại an toàn dưới cầu. Mực nước này dùng để xác định kích thước công trình bắc qua. Trường hợp đặc biệt có thể dùng mực nước cao có tần suất 10% do cấp có thẩm quyền quyết định. Mực nước thông thuyền được xác định tương tự như mực nước đỉnh lũ thiết kế. Chi tiết cách xây dựng đường tần suất mực nước cao xem Đ 2.3, Chương II. Bảng 4-12 Bảng tổng hợp phân cấp đường thuỷ nội địa C ấp sôn g Kích thước luồng lạch, m Kích thước công trình, m Sông thiên nhiên Kênh đào Bán kính cong Cầu Tĩnh không dây điện chưa kể phần an toàn từ trường Chiều sâu nước Chiều rộng đáy Chiều sâu nước Chiều rộng đáy Khẩu độ Tĩnh khôn g Sông Kênh I > 3,0 > 90 > 4,0 > 50 > 700 80 50 10 12 II 2,0- 3,0 70- 90 3,0-4,0 40- 50 500- 700 60 40 9 11 III 1,5- 2,0 50- 70 2,5-3,0 30- 40 300- 500 50 30 7 9 IV 1,2- 1,5 30- 50 2,0-2,5 20- 30 200- 300 40 25 6 (5) 8 V 1,0- 1,2 20- 30 1,2-2,0 10- 20 100- 200 25 20 3,5 8 VI < 1,0 10- 20 < 1,2 10 60-150 15 10 2,5 8 Ghi chú: 1) Trị số ( ) được phép dùng khi có sự đồng ý của cơ quan có thẩm quyền. 2) Kích thước luồng lạch được xác định ứng với mực nước mùa cạn có tần suất 95%. Cho đến nay, do còn có những điểm cần xem xét thêm về phân cấp sông cho một số đoạn sông trên cả nước nên đối với mỗi cầu dự kiến xây dựng qua một đoạn sông cụ thể nào đó, nên đơn vị Tư vấn thiết kế cần có công văn xin ý kiến về yêu cầu thông thuyền dưới cầu của cơ quan quản lý có liên quan đoạn sông đó như Cục Đường sông Việt Nam; Sở Giao thông vận tải các tỉnh, thành phố hoặc Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (chẳng hạn cầu qua lòng hồ của nhà máy thuỷ điện) v.v Tài liệu sử dụng trong chương IV [1]. Nguyễn Xuân Trục. Thiết kế đường ô tô, Công trình vượt sông (Tập 3). Nhà xuất bản Giáo dục, 2003 (Tái bản lần thứ ba). [2]. Tiến sĩ Trần Đình Nghiên. Thiết kế thuỷ lực cho dự án cầu đường. Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội 2003. [3]. Giáo sư, Tiến sĩ O.V. Andreev. Thiết kế cầu vượt sông. Nhà xuất bản Giao thông vận tảI, Matxcơva 1980. [4]. Quy định về Khảo sát và Thiết kế các công trình vượt sông trên đường bộ và đường sắt. Bộ Xây dựng - Vận tải Liên Xô (trước đây), Matxcơva 1972 (NIMP 72). [5]. Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79, Bộ Giao thông vận tải 1979. [6]. Thiết kế đường thuỷ, Tài liệu hướng dẫn thiết kế thuỷ lực cầu, cống và đường tràn, Hiệp hội quản lý giao thông và đường bộ quốc gia Oxtrâylia, Sydney 1994. [7]. Hướng dẫn phân tích thuỷ lực công trình - HEC No.18, Phân tích xói dưới cầu, Cục Đường bộ của Bộ Vận tải Hoa Kỳ xuất bản tháng 11 năm 1995. [8]. Chương trình phân tích sông ngòi HEC-RAS - Trung tâm Thuỷ lực công trình của Hiệp hội Kỹ sư quân đội Mỹ (cập nhật thông tin đến tháng 12 năm 2005). [9]. Sổ tay Hướng dẫn bảo vệ môi trường trong xây dựng công trình giao thông đường bộ, do Nhóm chuyên gia Canađa về Môi trường giao thông vận tải biên soạn. Nhà xuất bản Giao thông vận tải phát hành năm 2000. [10]. R.V. Farraday và F.G. Charlton. Các yếu tố thuỷ lực trong thiết kế cầu. Nhà xuất bản Oxfordshire, 1983. [11]. PGS. TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu xói cục bộ mố cầu, Đề tài nghiên cứu khoa học mã số B2004-35-86, hoàn thành tháng 6 năm 2005. [12]. PGS. TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu mới về xói cục bộ mố cầu. Tạp chí Cầu đường Việt Nam, các số tháng 8 và 9 năm 2005. PHỤ LỤC 4-1 Giới thiệu một số phương pháp dự báo xói dưới cầu Dự báo xói chung và xói cục bộ trình bày ở Đ4.3; Đ4.4 và Đ4.5 dựa theo Hướng dẫn "Phân tích xói dưới cầu" [7]. Mặc dù còn những điểm cần phải tiếp tục nghiên cứu, nhưng cho đến nay các phương trình dự báo xói trong Hướng dẫn này vẫn đang được áp dụng rộng rãi trong thiết kế cầu vượt sông ở nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên dự báo xói dưới cầu là một trong những vấn đề khá phức tạp, đã và đang được rất nhiều cơ quan tiếp tục nghiên cứu, mong muốn xây dựng nên những phương pháp phân tích dựa trên cơ sở khoa học thống nhất và cho kết quả sát hơn với thực tế. Phần dưới đây xin giới thiệu những phương trình phân tích xói chung và xói cục bộ dưới cầu đã công bố trong một số tài liệu để khi cần, bạn đọc có thể tìm hiểu áp dụng, xác định thêm kết quả. 1. Công thức tính xói chung Quan sát dòng chảy trên các sông cho thấy một thực tế là: tốc độ chảy của sông thiên nhiên thường lớn hơn nhiều so với tốc độ cho phép không xói của các loại đất cấu tạo lòng sông, nhưng lòng sông vẫn không bị xói sâu thêm. Ví dụ tốc độ cho phép không xói của cát chỉ khoảng từ 0,2 đến 0,6 m/s, trong khi đó tốc độ nước chảy trên đáy sông có cấu tạo là cát thường từ 1,3 đến 1,6 m/s và lớn hơn nhưng lòng sông vẫn không bị xói. Trên những đoạn sông có cầu vượt cũng có hiện tượng tương tự. Dòng chảy dưới cầu sau khi xói có tốc độ chảy lớn hơn tốc độ không xói cho phép của đất cấu tạo lòng sông, nhưng đáy sông dưới cầu chỉ bị xói đến một mức độ nhất định. Hiện tượng trên đã được Kỹ sư cầu nổi tiếng người Nga, Giáo sư H.A. Belleliutsky nhận xét vào năm 1875: mỗi con sông được đặc trưng bằng tốc độ nước chảy, với tốc độ đó lòng sông không bị xói hay bồi. Đối với đoạn sông có cầu, tốc độ đó là tốc độ nước chảy sau xói dưới cầu. Nó không có quan hệ trực tiếp với kích thước của hạt đất cấu tạo lòng sông vì còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác như độ dốc lòng sông, lượng phù sa và kích thước hạt của nó v.v Hiện tượng tốc độ dòng nước dưới cầu lớn hơn tốc độ cho phép không xói không phải là nguyên nhân gây xói ở dòng chủ, và sự biến dạng lòng sông dưới cầu chỉ có thể giải thích bằng sự mất cân bằng lượng phù sa, đã được nhà bác học Eksner người Áo giới thiệu trong Phương trình cân bằng phù sa năm 1926 để tính toán biến dạng phù sa dọc sông [1]. Trong số nhiều phương pháp tính xói chung đã sử dụng, ở đây chúng tôi chỉ lựa chọn và giới thiệu phương pháp của Giáo sư O.V. Andreev. Lý do mà chúng tôi chọn phương pháp này là vì Giáo sư O.V. Andreev đã phân biệt rõ hai nguyên nhân khác nhau gây ra xói chung ở lòng sông của phần dòng chủ và lòng sông của phần bãi sông dưới cầu; trên cơ sở đó đưa ra các phương trình dự báo xói chung phù hợp cho mỗi trường hợp. Theo Giáo sư O.V. Andreev, ở phần bãi sông dưới cầu lúc tự nhiên dòng nước không mang phù sa. Vì tốc độ chảy nhỏ hơn vận tốc cho phép không xói của lớp đất cấu tạo bãi sông nên xói chỉ bắt đầu khi tốc độ nước chảy dưới cầu lớn hơn tốc độ cho phép không xói của lớp đất cấu tạo bãi sông (V bc. > V ox. ), và xói sẽ ngừng khi tốc độ nước chảy giảm xuống bằng tốc độ cho phép không xói của lớp đất. Khác hẳn với điều kiện chảy ở bãi sông, ở lòng sông ngay trong điều kiện tự nhiên, tốc độ nước chảy đã lớn hơn tốc độ cho phép không xói của lớp địa chất cấu tạo nên lòng sông, và do đó lớp đất trên cùng của của nó luôn luôn ở trạng thái chuyển động, nhưng lòng sông không bị xói sâu vì có sự cân bằng lượng phù sa dọc sông (theo phương trình cân bằng phù sa dọc sông của Eksner). Phần dưới đây trình bày nội dung phương pháp phân tích xói chung dưới cầu của Giáo sư O.V. Andreev. a. Phương pháp tính xói chung theo nguyên lý cân bằng giới hạn lượng phù sa đối với dòng chủ và những phần dòng chảy có vận chuyển phù sa. Công thức xác định chiều sâu nước chảy sau xói như sau. h' ch = h ch (Q' ch / Q ch ) 8/9 (B ch / B' ch ) 2/3 (1) trong đó: Q ch ; Q' ch : lưu lượng nước chảy trước và sau khi làm cầu tại dòng chủ; h ch ; h' ch : chiều sâu nước chảy tại dòng chủ trước (lúc tự nhiên) và sau khi xói. Nếu gọi hệ số tăng lưu lượng tại dòng chủ so với lúc tự nhiên b ch = Q' ch / Q ch thì Công thức 1 có dạng: h' ch = h ch (b ch ) 8/9 (B ch / B' ch ) 2/3 (2) Trong tính toán thực tế có thể gặp hai trường hợp.  Nếu trong thiết kế có đào rộng dòng chủ hay đảm bảo sau khi xói dòng chủ phát triển rộng ra toàn cầu (chiều sâu sau khi xói ở bãi sông lớn hơn chiều sâu lòng chủ lúc tự nhiên h' b > h ch ) thì thay: b ch = b = Q / (Q ch + Q bc ) và B' ch = L c (1 - l) vào công thức 2 để tính toán. Trong đó: b: hệ số tăng lưu lượng toàn bộ, hay hệ số tăng lưu lượng trung bình tại mặt cắt dưới cầu; Q: lưu lượng tính toán toàn bộ, m 3 /s; . phân tích thuỷ lực công trình - HEC No.18, Phân tích xói dưới cầu, Cục Đường bộ của Bộ Vận tải Hoa Kỳ xuất bản tháng 11 năm 1995. [8]. Chương trình phân tích sông ngòi HEC-RAS - Trung tâm Thuỷ. hạn 22TCN 18-79, Bộ Giao thông vận tải 1979. [6] . Thiết kế đường thuỷ, Tài liệu hướng dẫn thiết kế thuỷ lực cầu, cống và đường tràn, Hiệp hội quản lý giao thông và đường bộ quốc gia Oxtrâylia,. Trung tâm Thuỷ lực công trình của Hiệp hội Kỹ sư quân đội Mỹ (cập nhật thông tin đến tháng 12 năm 2005). [9]. Sổ tay Hướng dẫn bảo vệ môi trường trong xây dựng công trình giao thông đường bộ, do