-1MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nước Cộng hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào đường đại hóa Mạng lưới đường tơ cải tạo, nâng cấp xây dựng để phục vụ yêu cầu phát triển ngày cao đất nước Trong năm qua Đảng Nhà nước Lào coi trọng việc xây dựng sở hạ tầng Trong trọng đến việc xây dựng phát triển mạng lưới đường giao thông, đặc biệt đường Khi xây dựng đường ô tô đã ý đặc biệt đến việc xây dựng cơng trình nước nhỏ ngang đường ô tô, loại công trình này chiếm tỷ trọng không lớn so với công trình khác, khả tiêu lũ cơng trình nước nhỏ lại ảnh hưởng liên quan trực tiếp đến tuổi thọ áo đường, đường cơng trình khác đường Nước Lào nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa khí hậu điều hòa năm, song số vùng có lượng mưa lớn khơng Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao mạng lưới giao thơng từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùng núi, độ dốc lớn, lưu lượng nước đỉnh núi chảy xuống nhanh dẫn đến hư hỏng cơng trình nước đường tơ làm cho chất lượng tuyến đường không ổn định theo mùa năm Một số nguyên nhân quan trọng phương pháp tính tốn thủy lực cho cơng trình nước nhỏ lựa chọn trạng thái nguy hiểm cơng trình cịn chưa hợp lý Để nâng cao khả thoát nước ngang đường ô tô cần phải nghiên cứu số tốn tính tốn thủy lực như: tính thủy lực bậc nước dốc nước, tính xói sau cống, tính tốc độ bắt đầu xói đáy dịng chảy Tất vấn đề điều liên quan đến việc nghiên cứu phương pháp thiết kế để nâng cao khả nước nhỏ đường tơ -2Tại CHDCND Lào, để tính tốn thuỷ lực cho cơng trình nước dùng phương pháp nước (chủ yếu châu Âu, Mỹ, Việt Nam) điều kiện tự nhiên khí hậu Lào Thực tế địi hỏi phải có nghiên cứu sâu vấn đề Với trình độ kinh nghiệm nhà khoa học– kỹ thuật Việt Nam giúp tơi nhiều thực đề tài Chính Nhà Nước Cộng Hịa Dân Chủ Nhân Dân Lào cử tơi sang 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 đường tơ tại nước Cộng Hồ Dân Chủ Nhân Dân Lào” Mục đích nghiên cứu Luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế và xây dựng để nâng cao chất lượng các công trình thoát nước nhỏ đường tơ tại nước Cộng Hịa Dân Chủ Nhân Dân Lào, đó tập trung vào tính thủy lực cơng trình nước nhỏ ngang đường tơ giải số tính tốn thủy lực (bậc nước, dốc nước, tốc độ khơng xói đáy dịng chảy xói sau gia cố) dùng thiết kế cơng trình nước nhỏ ngang đường để từ đề xuất giải pháp thiết kế lựa chọn phương pháp gia cố biện pháp tiêu thích hợp hạ lưu cống đường tô giải pháp xây dựng công trình thoát nước nhỏ ngang đường có địa hình đặc thù phù hợp với đặc điểm điều kiện tự nhiên đặc điểm khí hậu nước Cộng Hịa Dân Chủ Nhân Dân Lào Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu tính thủy lực cho hệ thống cơng trình nước nhỏ ngang đường nước Lào Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực tế -35 Bố cục luận án Luận án trình bày 166 trang gồm phần Mở đầu, Phần nội dung luận án 04 chương, Phần kết luận kiến nghị, Hướng nghiên cứu tiếp theo, Tài liệu tham khảo Phụ lục CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, TÌNH HÌNH MẠNG LƯỚI GIAO THƠNG VÀ SỰ PHÁ HOẠI CÁC CƠNG TRÌNH THỐT 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 nước có diện tích tương đối rộng với diện tích 236.800 km Địa hình Lào chủ yếu đồi núi cao chiếm tỷ lệ 70% đồng chiếm 30% diện tích nước - Địa hình: miền núi cao nguyên chiếm tới 3/4 diện tích tự nhiên, cịn lại số vùng đồng Nói chung vùng núi Lào có độ cao trung bình chiếm phần lớn phía Bắc phía Đơng, đỉnh cao núi Bịa (2820m), số đỉnh cao khác như: núi Xao (2690m), núi Săn (2218m), núi Huạt (2452m) Núi hai tỉnh Đông Bắc Lào Xiêng Khoảng - Xăm Nưa, nơi bắt đầu dãy núi Trường Sơn Bắc Hướng chung chúng Đơng Bắc - Tây Nam nằm tồn phía Tây, khơng liền dài khơng phẳng châu thổ sơng Mê Kơng - Khí hậu: khí hậu nhiệt đới gió mùa, với mùa rõ rệt: + Mùa mưa: tháng 05 đến tháng 11, nhiệt độ vào khoảng 30oC, mưa thường xuyên, vài năm chí bị lũ lụt tràn dịng sơng Mê Kơng + Mùa khơ: từ tháng 11 đến tháng 04, mưa nhiệt độ khoảng 15oC, vùng núi có thời điểm 0oC -41.2 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 đường ô tô tại nước CHDCND Lào Nước Lào có vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa khí hậu năm, chủ yếu số vùng có lượng mưa lớn khơng năm Lào có địa hình đồi núi có vách đá cao mạng lưới giao thông từ miền Bắc xuống Nam có tuyến đường qua vùng núi, độ dốc lớn lưu lượng nước đỉnh núi chảy xuống nhanh dẫn đến hư hỏng cơng trình nước đường ô tô làm cho chất lượng tuyến đường không ổn định theo mùa năm Cơng trình nước đường tơ Lào có thiết kế - kỹ thuật cịn thấp, cơng tác tu bảo dưỡng không thường xuyên, công tác quản lý chi phí cịn hạn chế, chưa đáp ứng kịp thời cho việc tu bảo dưỡng đường ô tô Lào 1.3.1 Những hư hỏng thường gặp cơng trình nước đường tơ nguyên nhân gây Hiện tượng hư hỏng công trình nước nhỏ đường tơ nước CHDCND Lào xảy tất tuyến đường khai thác Hậu chúng để lại thường gây tổn thất lớn, tốn phí nhiều chi phí sửa chữa, khôi phục, gián đoạn giao thông nhiều ngày sau mưa lũ, đe dọa nghiêm trọng an tồn giao thơng Để phục vụ cho luận án NCS khảo sát nhiều tuyến đường nước CHDCND Lào như: đường 1D, đường số 1J, đường số 2E, đường số 4A, đường số 7, đường số 8, đường số 12 Các kết khảo sát NCS trình bày -5chi tiết báo cáo chuyên đề : Sự phá hoại cơng trình nước nhỏ đường tơ nước CHDCND Lào nguyên nhân gây Dưới NCS xin tóm tắt số hư hỏng điển hình liên quan trực tiếp đến vấn đề nội dung luận án Hư hỏng rãnh thoát nước (hình 1.2A 1.2B); Hư hỏng thượng lưu hạ lưu cơng trình cống thóat nước(hình 1.3A, 13B, 13C 13D); Hư hỏng xói lở thân cống, đường vị trí cống bị cắt đứt(hình 1.4); Hư hỏng mối nối cống (hình 1.5); Lắng đọng đất cát cống (hình 1.6A 1.6B) 1.3.2 Tình hình áp dụng kết cấu cơng trình nước Lào Trong trình xây dựng phát triển mạng lưới giao thông vận tải, dạng kết cấu cống cầu nhỏ đường ô tô Lào nghiên cứu nâng cao chất lượng xây dựng để thoát nước tuyến đường đỉnh núi, thuận lợi cho việc tu bảo dưỡng, hạ giá thành cơng trình, đảm bảo chất lượng an tồn xe chạy tuyến đường Nói chung kết cấu cơng trình nước nhỏ áp dụng tuyến đường Lào có cống cầu nhỏ, gồm có: cống trịn bê tơng cốt thép, cống hộp bê tơng cống thép, rãnh nước bên tuyến đường, cầu bê tông cốt thép v.v Hiện chưa có cơng trình có nghiên cứu đầy đủ giải pháp kỹ thuật để xử lý cơng trình nước Lào Khi có đoạn tuyến đường bị hư hỏng xảy tổ chức sửa chữa đưa số giải pháp cho phù hợp với trạng hư hỏng thực tế cần xử lý thuộc vào lực chuyên môn kinh nghiệm đơn vị thi công -61.4 Kết luận chương Sau nghiên cứu NCS thấy cần nêu số kết luận quan trọng liên quan đến mục tiêu luận án: Phát triển trì hệ thống đường tơ để phục vụ cho việc phát triển kinh tế nước Lào chúng tôi, Đảng Nhà nước Lào xác định nhiệm vụ trọng tâm nhiều đường có quy mơ lớn xây dựng cải tạo cho tương lai Để công trình đường tơ hoạt động có hiệu cần nâng cao chất lượng xây dựng Nhiệm vụ nâng cao chất lượng xây dựng cơng trình đường cần phải bước lập kế hoạch thiết kế công trình Luận án mong muốn tham gia khâu nói với mục tiêu nâng cao chất lượng xây dựng phải kéo dài tuổi thọ cơng trình đảm bảo chất lượng khai thác Cùng với đồng nhiệp, quan hữu quan NCS xem xét số tuyến đường hình ảnh nói số hư hỏng hay gặp đường phá hoại vị trí cơng trình nước nhỏ như: cầu nhỏ, cống Tùy dạng phá hoại đa dạng nguyên nhân thường gặp đường, mặt đường vị trí bị nước xói, đất đá bị trôi Kiểu phá hoại chắn công tác dự báo thủy văn tính tốn thủy lực cơng trình khơng hợp lý dẫn đến vận tốc nước, áp lực nước tác động lên mặt đường lớn dẫn đến phá hoại cơng trình làm giảm an tồn giao thơng Những dự đốn giải thích luận án NCS tập trung vào cơng tác tính thủy lực cho cơng trình nước nhỏ Như vậy, hy vọng sau đoạn đường bị nước trơi, vị trí cống, vị trí cầu bị nước tàn phá sau mùa lụt Kiểu phá hoại khác biệt với kiểu phá hoại cầu hay cống sụp đổ tác động tải trọng xe tải trọng thân đắp Những -7kiểu phá hoại hình thành chất lượng xây dựng kém, luận án NCS không giải vấn đề Điều kiện khí hậu, nhiệt độ, mưa gió khắc nghiệt, hình thành vùng khí hậu rõ ràng Sau áp dụng cơng thức chung tính thủy lực cho cơng trình nước nhỏ ngang đường cần ý đến đặc điểm Nhưng vấn đề phức tạp địi hỏi nhiều cơng trình nghiên cứu, nhiều kinh nghiệm xây dựng cơng trình Vì luận án chúng tơi muốn có chặt chẽ vào lý thuyết chung thừa nhận kinh nghiệm mà nhà bác học, nhà kỹ thuật đạt với mong muốn vấn đề giải nhanh chóng Để đáp ứng yêu câu mục tiêu, nội dung đề tài luận án, vấn đề sau nghiên cứu chương tiếp theo: a Các nội dung tính thủy lực bậc nước nhiều cấp, sức cản thủy lực dốc nước, khởi động hạt đáy dịng chảy xói sau gia cố cơng trình thoát nước nhỏ ngang đường; b Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế thủy lực công trình thoát nước nhỏ ngang đường cho nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào; c Giải pháp xây dựng cơng trình nước ngang đường có địa hình đặc thù 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 DỊNG CHẢY VÀ XĨI SAU GIA CỐ CƠNG TRÌNH THỐT NƯỚC NHỎ NGANG ĐƯỜNG 2.1 Tổng quan nghiên cứu tính thủy lực bậc nước nhiều cấp dạng bể tiêu -82.1.1 Các nghiên cứu liên quan đến tính thủy lực bậc nước nhiều cấp Bậc nước nhiều cấp nhiều tác giả nghiên cứu mức độ tiếp cận khác như: Hệ số tốc độ mặt cắt chữ nhật bậc nước nhiều cấp (Alekxeev IU.S, 1965); hình dạng dịng chảy qua bậc nước (Konstantinov IU.M, 1966, 1969); tốc độ chiều sâu dòng chảy thượng lưu bậc nước (Popov V.N, 1957) Bậc nước nhiều cấp bao gồm nhiều bậc nước cấp nối tiếp kiểu bậc thang áp dụng nơi có địa hình dốc, để giảm khối lượng cơng tác làm đất, phá hủy mơi trường Như vậy, bậc phải tính cho có chiều dài tối thiểu tính thủy lực, đồng thời đảm bảo điều kiện địa hình cụ thể tức độ dốc cục trung bình phải thỏa mãn Scb=∑Pi/∑Li [5] Khi tính bậc nước nhiều cấp, thường tính bậc bậc 2, bậc tính bậc thứ hai, bậc cuối có tính tới ảnh h hưởng dòng chảy hạ lưu h , thường có dạng bể tiêu 2.1.2 Các cơng thức tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể 2.1.2.1 Xác định chiều dài đoạn nước đổ cửa vào bậc nước [5] Chiều dài nước đổ kênh chữ nhật tính theo cơng thức [5] 2.1.2.2 Chiều dài nước rơi dọc phương chảy sân bậc [5] Dòng chảy rơi xuống sân bậc bậc không ngập gồm hai phần phần rơi tự khơng khí phần sau ngập nước sân bậc xác định theo nghiên cứu (Kostantinov IU.M, 1988) [80] - Đối với mặt cắt chữ nhật: Pavlovski N.N lnn = 2.5 ( 1.9h2ch − hch ) (2.9) -9- l = 5h2 ch Chertouxov M.D nn (trung0.81bình) (2.10) lnn = 10.3hch ( Fr1 − 1) hay (2.10a) lnn = 6.9 ( h2 ch − hch ) Bradley Peterka (2.11) l = 5.5 h ch Ohtsu cộng nn (2.12) 2.1.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm phần cửa vào bậc nước rơi tự [5] h Số liệu đo thay đổi áp suất dọc theo chiều sâu b cửa vào bậc, theo nghiên cứu (Rajaratnam Muralidha, 1968) [54] Áp suất dư đỉnh đáy luồng nước không, phạm vi luồng nước đường cong có giá trị lớn áp suất khơng khí song ln nhỏ áp suất thủy tĩnh Nghiên cứu thực nghiệm bán thực nghiệm hb/hc=0.715 cho mặt cắt chữ nhật h 2.1.2.4 Xác định chiều sâu mặt cắt co hẹp ch [2], [5] Chiều sâu ở mặt cắt co hẹp sân bậc xác định theo phương trình Bernoulli viết cho mặt cắt kênh thượng lưu mặt cắt co hẹptại sân bậc đối với mặt cắt chữ nhật Eo=hch+(q2/2gϕ2h2ch) (2.14) 1) Nghiên cứu (Agroskin I.I, 1964) [2], [5]: q=ϕhch(2g(Eo-hch))0.5 (2.18) Đặt: τch=hch/Eo τ2ch=h2ch/Eo F(τch)=q/(ϕE3/2o) (2.19) Thông qua quan hệ hàm số F(τch)=q/(ϕE3/2o) tương ứng với ϕ = 0.8 ÷ 1.0 ) giá trị hệ số tốc độ khác ( (phụ lục 1) tìm hch h2ch ϕ tương ứng với hệ số 2) Nghiên cứu (Rakhamanov A.N) [5]: Sử dụng phương trình (2.14) viết phương trình dạng tỷ số h tương đối so với chiều sâu phân giới c : Eo/hc=(hch/hc)+(1/2ϕ2)(hc/hch)3 (2.20) Đặt: ξEo=Eo/hc; ξch=hch/hc ξ2ch=h2ch/hc - 10 - ξ ξ ξ Xây dựng đường cong quan hệ ch , ch với Eo ứng với hệ số lưu tốc ϕ (phụ lục 2) 2.1.2.5 Tính chiều sâu bể tiêu [5] Xác định chiều sâu bể tiêu theo biểu đồ (Chertouxov M.Đ, 1962) xây dựng biểu đồ thông quan quan hệ:ξz=f(ξEo,ϕ) (phụ lục 3) Biểu đồ cho giá trị d tương ứng với nước nhảy chỗ xác định theo công thức (2.32) sau: d=ξEohc-Eo (2.32) Nghiên cứu của(Detlef Aigner) cho biết [23]: Tính bậc nước nhiều cấp dạng bể theo [23] đã biết lưu lượng đơn vị q( m / s.m) và chiều cao bậc nước P có thể tìm được tgα=P/L, sau đó tìm được quan hệ p t/P với hc/P và tính được các kích thước của bậc nước nhiều cấp như: chiều cao tường tiêu pt ,chiều dài bậc nước L 2.1.3 Nhận xét tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp dạng bể Nghiên cứu tác giả tập trung giải phương trình tìm chiều sâu mặt cắt co hẹp sân bậc, chiều sâu liên hợp lớn nước nhảy h h với chiều sâu co hẹp ch sân bậc 2ch , tính chiều cao tường bậc nước dạng bể bậc nước nhiều cấp chiều sâu bể tiêu bậc cuối theo phương pháp giải tích phương pháp số, đồng thời lập biểu đồ xác định quan hệ p t/hc với P/hc Lbc/hc với P/hc tìm pt Lbc 2.2 Tổng quan nghiên cứu sức cản thủy lực dốc nước 2.2.1 Các nghiên cứu liên quan đến sức cản thủy lực dốc nước [5] Tính thủy lực dốc nước chia làm ba phần: cửa vào, thân dốc phần tiêu cửa dốc (xem hình 2.7) 2.2.1.1 Tính thủy lực phần cửa vào dốc nước - 11 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) Dốc dốc nước: id=P/Ld (2.42) Mô đun lưu lượng kênh: 0.5 Ko=Q/(id) (2.43) 2.2.1.3 Tính thủy lực cửa dốc nước h2=(h21+2h3c(1/h1-1/hcr))0.5 (2.44) 2.2.2 Vấn đề tính sức cản thủy lực dốc nước Để xác định khả chảy cơng trình nước ngang đường cống, dốc nước, bậc nước điều quan trọng phải xác định tốc độ trung bình dịng chảy lưu lượng tương ứng, song tốc độ lưu lượng lại phụ thuộc vào việc xác định hệ số sức cản ma sát f đưa vào công thức (Darcy – Weisbach) [79] 1) Nghiên cứu (Pavlovski N.N) [79]: Xác định hệ số Sedi áp dụng cho 0.1