Đường giao thông thường cắt ngang sông suối thoát nước hoặc cắt ngang kênh tưới, tiêu, vì vậy khi thiết kế tuyến đường người ta cũng phải có dự liệu cho các công trình cắt ngang này. Tuyến đường khi thiết kế thường chạy theo đường đồng mức cao (mặc dù như vậy có thể sẽ quanh co và không thoả mãn độ dốc cần thiết) có thể loại bỏ bớt những công trình vượt sông suối như vậy sẽ tiết kiệm hơn.
Công trình tiêu cắt ngang đường giao thông thường là cống, cầu và ngầm. Cống thường được áp dụng khi khẩu độ công trình ngắn (nhỏ hơn 6 m), trên đỉnh cống thường không có dạng mặt đường như kiểu cầu. Cống là kết cấu chôn chìm trong khối đắp cao. Mặt khác, nếu khối đắp có cao trình thấp thì phải sử dụng công trình có khả năng cho tràn nước khi lũ lớn. Chẳng hạn sử dụng ngầm vượt suối trong trường hợp không thể sử dụng cống. Giải pháp này thường kinh tế hơn cống hoặc cầu nếu việc trì trệ giao thông khi lũ lớn không tốn kém bằng việc xây dựng công trình cầu. Giải pháp cống kết hợp ngầm là giải pháp khả dĩ cho dòng chảy nhỏ có lưu lượng chảy quanh năm và lũ nhanh, ngắn. Tuy nhiên hệ thống cảnh báo giao thông, biển báo cũng phải được thiết kế đồng bộ, thống nhất.
Cầu là công trình vượt trên cao vì vậy khá tốn kém khi sông rộng. Vì thế cầu phải được thiết kế an toàn trong cả trường hợp lũ cực lớn. Giải pháp thường dùng là cho tràn qua một đoạn đất đắp mà nó như một chiếc cầu chì và sau trận lũ, nếu cần nó sẽ được sửa lại như cũ. Giải pháp này thường hạ mực nước, không cho tràn qua cầu và giảm được vận tốc xói ở chân cầu.
5.4.2.Cống qua đường
Cống bao gồm các đoạn ống chôn dưới khối đắp và có gia cố bảo vệ ở cửa vào và cửa ra. Tại cửa vào có tường đầu cốngcó thể bố trí hoặc không bố trí tường cánh và bố trí lưới chắn rác. Tại cửa ra, nếu cần sẽ bố trí tường cuối cống với các mố tiêu năng.
Cống ngầm làm co hẹp và tạo ra hiệu ứng nước xoáy ngược lại dòng chảy, vì thế mà nước dâng trước cửa vào cống. Dòng chảy trong các ống cống có thể có mặt thoáng, với điều kiện dòng xiết hay dòng êm phụ thuộc vào chiều dài, độ nhám, độ dốc và cao trình mực nước thượng lưu, hạ lưu cống. Nếu cột nước thượng lưu đủ lớn thì dòng chảy trong cống có thể đầy hoặc không đầy, và chế độ thuỷ lực phụ thuộc cả vào tổn thất cửa vào, tổn thất ma sát, chiều dài cống và cả ảnh hưởng của nước xoáy ngược trở lại ở hạ lưu cống (hình 524).
188
Hình 5-24. Dòng chảy trong cống ngầm
Các dạng dòng chảy có thể tồn tại trong ống cống trình bày ở bảng 53. Thiết kế dòng chảy trong ống dựa vào đặc tính của dòng chảy trong ống tròn, và bài tập ví dụ 54 là những tính toán điển hình bao gồm 6 dạng dòng chảy được thống kê ở bảng 53.
Bảng 5-3. Các dạng dòng chảy trong ống tròn (Chow,1983) Dạng H/D Độ sâu cửa
ra y2
Dạng dòng chảy
Chiều dài L
Độ dốc cống S0
Kiểm tra Ghi chú
Điều kiện ngập cửa vào
1 >1.0 >D Chảy đầy Bất kỳ Bất kỳ Cửa ra chảy trong ống
2 >1.2 <D Chảy đầy Dài Bất kỳ Cửa ra chảy trong ống
3 >1.2 <D Chảy bán áp Ngắn Bất kỳ Cửa ra Chảy qua lỗ Điều kiện hở cửa vào
4 <1.2 <D
> phân giới
Chảy bán áp Bất kỳ Trung bình
Cửa ra Chảy êm
5 <1.2 <D
< phân giới
Chảy bán áp Bất kỳ Trung bình
Cửa ra Chảy êm
6 <1.2 <D
< Phân giới
Chảy bán áp Bất kỳ Dốc Cửa vào Chảy xiết
> Phân giới Hình thành nước nhảy trong cống
Bạn đọc nên tham khảo Bodhaine (1976), Ramsbottom và nnk ( 1997) và Chanson (1999) để có thêm thông tin về dòng chảy trong cống và thiết lập quan hệ trạng thái và lưu lượng.
189
Chế độ thuỷ lực của cống có thể thay đổi bởi yếu tố sau đây:
1.Tuyến cống:
Theo quy luật chung, cống cũng phải tuân theo tuyến kênh và độ dốc của nó để có thể giảm thiểu tổn thất cột nước và chống xói mòn. Điều này có thể dẫn đến phải thiết kế những tuyến cống dài, và tất nhiên dẫn đến tường đầu cống và cuối cống sẽ rất phức tạp. Tuy nhiên đôi khi vì điều kiện kinh tế, ở những chỗ giao cắt tuyến kênh với tuyến đường người ta phải chấp nhận thay đổi nào đó trong tuyến kênh (Tham khảo Linsley và Franzini).
2. Kết cấu cửa vào cống :
Chắc chắn là kết cấu cửa vào cống sẽ hạn chế xói bờ kênh và cải thiện điều kiện thuỷ lực của cống. Một số kiểu kết cấu cửa vào (tường đầu cống và tường cánh) được đề xuất ở hình 525. Phải lắp đặt lưới chắn rác ở đầu cống để ngăn chặn rác và vật nổi vào cống.
Hình 5-25. Mặt bằng bố trí một số dạng kết cấu cửa vào
Trong trường hợp cống có cửa vào chảy ngập, cửa vào dạng loe mở rộng sẽ gia tăng khả năng tháo của cống. Với các cống có mặt cắt vuông hoặc chữ nhật thì diện tích phần loe
190
ra phải gấp đôi diện tích mặt cắt cống và chiều dài loe ra bằng 1.2D, với D là chiều cao của cống.
Với kết cấu cửa vào kiểu bậc nước thì nhất thiết phải bố trí chắn rác và vật lắng đọng (có thể là bằng gỗ hoặc bê tông) ở cửa vào cống tại đáy kênh tiêu, hình thành bậc ngay trên độ dốc của kênh. Các cửa vào dạng bậc được thể hiện ở hình 526. Chiều dài ngưỡng cống cửa vào phải đủ để dòng chảy thiết kế với độ hạ thấp mực nước hợp lý.Với cống cần thoát lưu lượng lớn, cửa vào cần phải loe rộng và phải gia tăng chiều dài đỉnh. Cửa vào loe rộng với tường chắn trên đỉnh cống để chống nước xoáy ngược trở lên và cũng gia tăng lưu lượng vào cống. Các ống thông khí của các khoang cũng có thể được bố trí nếu hình thành nước nhảy trong cống.
3. Kết cấu cửa ra của cống:
Cửa ra của cống cần phải bố trí với kết cấu hợp lý để chống xói đáy kênh và bờ kênh.
191
Hình 5-26. Cửa vào cống kiểu bậc
Với lưu lượng nhỏ, cửa ra chỉ cần nắn thẳng hoặc tường cuối (end wall) dạng chữ U là đủ. Với dòng chảy trung bình, cần tường cánh cửa ra loe để nối tiếp với kênh có kích thước rộng hơn sẽ giảm được xói của khối đắp và xói bờ kênh. Góc loe cho dòng chảy tới hạn nên nhỏ hơn 1:2, giảm tuyến tính với số Froude. Với dòng chảy êm thì góc loe có thể lớn hơn 1:2.
4. Xói sau cửa ra của cống:
Dòng chảy qua cống có thể gây xói tại những vị trí cửa ra không có gia cố dẫn tới hư hỏng công trình. Một số nhà nghiên cứu đã làm thí nghiệm mô hình xói ở hạ lưu cống và đưa ra những đề xuất tổng hợp dùng làm hướng dẫn thiết kế (xem Breusers và Raudkivi,1991) :
Chiều sâu hố xói so với đáy cống:
/ * 13
65 .
0 o c
x DU U
d
(514) trong đó :
Uo
= vận tốc dòng chảy tại cửa ra và U*c
= vận tốc xói tới hạn tại bề mặt lớp c /12
;
Bề rộng hố xói:
13
5 .
7 r
s DF
B (515)
Chiều dài hố xói :
13
15 r
s DF
L
(516)
trong đó :
D là chiều cao cống, Fr U02/gD
; 0.07Fr 7.3 và 0.22D(mm)7.3. Phương trình (514) có thể chỉnh sửa trong trường hợp vật liệu rời:
4 . 0 114 . 0 285 50 .
18 0
.
3
r g
x D
DF d
d
(517) trong đó:
2 1
16
84
d d
g .
Để bảo vệ đáy kênh không bị xói, kích thước khối đá nhỏ nhất được xác định :
2 /
25 1
.
0 r
s DF
d
(518) Công thức (518) dùng trong trường hợp mực nước hạ lưu thấp. Trường hợp mực nước hạ lưu cao (>D/2) thì kích thước viên đá gia cố chỉ nên là 0.15D.
Fletcher và Grace (1974) đề xuất mặt cắt ngang dạng xoắn vỏ đỗ của cửa ra cống, phạm vi này kéo dài 5D với độ dốc đáy 1:10 tiếp theo là tường bên có chiều dài bằng D và góc nghiêng 1:2. Cạnh nghiêng của tường xoắn vỏ đỗ cũng nghiêng là 1:2. Một đề xuất khác của Simons và Stevén (1972) cũng có thể được dùng để chống xói và bảo vệ đáy xói bằng đá (xem Breusers và Raudkivi,1991).
192
Blaisdell và Anderson (1988a,b) đã thực hiện một nghiên cứu về xói sau cửa ra của ống chìa (ống công xôn) và đề xuất công thức tính chiều sâu tới hạn của hố xói, Zmax
, dưới mực nước hạ lưu (cao trình không) là :
0.6 2
max 7.51e Frd D
Z
khi 1 D Zp
(519) và
0.35 2
max 10.51e Frd D
Z
khi 1 D Zp
(520) trong đó :
D là đường kính ống,
Zplà chiều cao của ống so với mực nước hạ lưu
50
2/ g d V
Frd ,
V là vận tốc của ống phụt ra tại vị trí mực nước hạ lưu.
(Frd 2;2Zp(m)8; độ dốc cửa ra : 0 0,782).
Các biện pháp tiêu năng thông thường như (tường ngăn, bể tiêu năng, sân tiêu năng, hố đào tiêu năng…) cũng được áp dụng khi vận tốc dòng chảy của cống lớn.
5.4.3. Cầu
Cầu bắc ngang qua dòng chảy sẽ làm hẹp mặt cắt dòng chảy ở đó vì (a) giảm bề rộng dòng chảy do các mố cầu và đầu cầu; (b) Do sự co hẹp của bản thân dòng chảy (vì thường chọn vị trí cầu tại chỗ có bề rộng hẹp nhất để có lợi về kinh tế).
Có thể xảy ra xói ở vị trí các mố cầu hay xói ở đáy lòng dẫn, có những xem xét về nước xoáy cuộn do ảnh hưởng của cầu. Tương ứng với hiện tượng này là sự dâng nước ở thượng lưu cầu, hiện tuợng này phụ thuộc vào dạng dòng chảy (xiết hay êm). Phần lớn cầu được thiết kế với điều kiện dòng chảy êm cho mục đích giảm xói và co hẹp đột ngột. Các thảo luận thêm ở đây chủ yếu là giới hạn của dòng chảy êm.
Xác định cao trình mực nước dâng do dồn ứ nước phía thượng lưu cầu là một vấn đề cực kỳ quan trọng để thiết kế đê và các công trình bảo vệ khác đồng thời cũng là để đảm bảo mức cao trình an toàn cho bản mặt cầu (tránh lũ dâng cao tràn bản mặt cầu và phá huỷ các kết cấu). Cũng rất quan trọng khi xác định khoảng cách nhỏ nhất giữa các nhịp cầu (xét theo điều kiện kinh tế) để không gây ra hiện tượng nước dâng ở thượng lưu cầu. Để có thể thiết lập chính xác cao trình mực nước thượng lưu, cần phải có các khảo sát chi tiết các đặc tính dòng chảy. Hạ lưu cầu thì mực nước có thể duy nhất bị ảnh hưởng bởi công trình gần cầu nhất.
Những giá trị mực nước này có thể thiết lập được bằng các tính toán nước xoáy ngược (tham khảo thêm Hamill,1999).
1. Độ dềnh nước thượng lưu:
193 Các co hẹp ngắn
Trong dòng chảy qua mặt cắt co hẹp khá ngắn (cầu hẹp không hình thành máng chảy) với một vài mố cầu. Vấn đề nước xoáy ngược không quan trọng lắm. Xem hình 527.
Hình 5-27. Mặt cắt dòng chảy qua cầu khi đoạn co hẹp có chiều dài ngắn ( dòng chảy êm).
Sự thay đổi mực nước,h, có thể có được khi viết phương trình năng lượng giữa mặt cắt 1 và 2 (Kindsvater, Carter và Tracy,1953) là :
g V L
S g V
hB 22/2 o / 1 12/2
; (521)
Trong đó B là hệ số tổn thất qua cầu (bảng 10.2) là hàm của tỷ số lưu chuyển
B b
k
k
Bảng 5-3. Hệ số tổn thất qua cầu,KB
B
1.0 1.00
0.8 1.36
0.6 1.67
0.4 1.88
0.2 1.92
194
kb là lưu chuyển của toàn bộ mặt cắt co hẹp với cùng độ sâu và đặc tính độ nhám; còn kB là lưu chuyển của mặt cắt ngay sát ở thượng lưu.
Với những mặt cắt chữ nhật không phải của kênh dẫn, tỷ số lưu lượng (tỷ số co hẹp,
1 ) trở thành b/B, trong đó b là bề rộng thoát nước tại vị trí cầu, B là bề rộng tổng cộng của dòng chảy (xem hình 527).
Hệ số tổn thất qua cầu cũng là hàm của mặt cắt hình học cầu, độ xiên của cầu, độ lệch tâm của cầu và độ chìm nước của kết cấu (chẳng hạn như bản mặt).
V2 là vận tốc dòng chảy ở hạ lưu của mố cầu tính với mặt cắt thực tại vị trí cầu có cùng độ sâu ở thượng lưu, và 1 là hệ số hiệu chỉnh năng lượng của mặt cắt dẫn nước đến. L được giả thiết bằng chiều dài cầu (từ điểm đầu đến điểm cuối), và So
là độ dốc trung bình của đáy dòng chảy tại vị trí cầu.
Các co hẹp dài:
Trong trường hợp cầu có một số lượng lớn các mố và chiều dài đưòng dẫn lên cầu lớn làm co hẹp bề rộng dòng chảy, ảnh hưởng xoáy ngược phía thượng lưu sẽ đáng kể. Xem mặt cắt được thể hiện ở hình 527. Dọc theo mặt cắt co hẹp ylà độ dâng cao của mực nước thượng lưu do các mố trụ và sự co hẹp của đoạn dòng chảy.
Các phương trình liên tục và phương trình năng lượng giữa mặt cắt 1 và 3 (giả thiết áp lực thuỷ tĩnh phân bố nhưng không xét đến độ dốc đáy và sức kháng ma sát) kết quả là :
12 / /6
/y3 A A2 C b B Fr3 12
y D
(523)
trong đó:
/ 2 3 2
C b B Fr
A D (523)
Fr3
là số Froude 3
2 3 / gy V
tại mặt cắt 3
Phương trình (523) đưa ra kết quả khá chính xác nếu hệ số cản CD được đánh giá chính xác. Hệ số cản của mố trụ được thiết lập là hàm Gradient lưu tốc của dòng chảy tới gần, b/B, và hình dạng mố ; tuy nhiên, nếu hệ số cản lấy một cách định tính thì phương trình (523) sẽ cho kết quả hạn chế.
Số liệu thí nghiệm của Yarnell (1934) cho dòng chảy qua mố cầu được biểu thị bằng công thức bán kinh nghiệm :
32 4
3
3 5 0.6 15
/
y y KFr K Fr
(524) trong đó:
B b/ 1 1
(525)
và K là hàm của hình dạng mố được thể hiện ở bảng 54.
195
Bảng 5-4. Các giá trị K là hàm của hình dạng mố
Hình dạng mố K Nhận xét
Hai đầu dạng bán nguyệt 0.9 Tất cả các giá trị đều áp dụng cho tất cả các mố với tỷ số dài chia rộng bằng 4.
Đánh giá bảo toàn của y được thành lập cho các tỷ số lớn hơn
Hai đầu mố dạng thấu kính 0.9 Hai đầu hình trụ được nối bằng
tường ngăn
0.95
Hai đầu hình trụ nhưng không nối bằng tường ngăn
1.05 Mũi thấu kính được hình thành từ hai cung tròn, bán kính cung gấp 2 lần bề rộng mố và mỗi cung tiếp tuyến với mặt mố.
Hai đầu là tam giác vuông 1.05
Hai đầu vuông 1.25
Phương trình (524) chỉ có giá trị khi lớn, tức là sự co hẹp không thể gây ra dòng chảy tới hạn giữa các mố và chỗ co hẹp dòng chảy. Nếu dòng chảy bị co hẹp đột ngột thì về cơ bản độ dâng nước thượng lưu sẽ gia tăng (hình 528). Xem hình 528 các giá trị giới hạn của (giả thiết vận tốc tại mặt cắt 2 là chảy đều) cho dòng chảy tới hạn tại mặt cắt 2 có thể viết :
3 3
2 3
3 /1 2
/ 1
2 Fr Fr
(526)
Trong trường hợp dòng chảy co hẹp, năng lượng tổn thất giữa mặt cắt 1 và 2 được Yarnell đưa ra :
g V C E
E1 2 L 12/2 (527)
trong đó :
CL cũng là hệ số phụ thuộc hình dạng mố (bằng 0.35 với mố có cạnh vuông và bằng 0.18 với các mố lượn tròn, tỷ số giữa chiều dài và rộng bằng 4).
Từ phương trình (527) chiều sâu nước ở thượng lưu cầu y1 có thể tính toán, từ đó cũng tính được độ dềnh nước y (bằng y1y3).
Tính toán cầu xiên cho độ dềnh nước thượng lưu lớn, và Yarnell tìm ra rằng nếu cầu xiên 100 gây ảnh hưởng không đáng kể nhưng nếu xiên 200 thì cho giá trị độ nước dềnh tăng đến 250%.
196
Hình 5-28. Mặt cắt dòng chảy trong điều kiện dòng chảy co hẹp.
2. Tính toán lưu lượng tại các mố cầu:
a. Nagler (1918) đưa ra công thức tính lưu lượng cho dòng chảy chưa tới hạn và gần tới hạn như công thức sau :
2 12 /2 3 12/2 12
2 3
3 V g h V g
y g b K
Q N
(528) Các ký hiệu dùng trong phương trình (528) được thể hiện ở hình 5.29 (a). KN
là hệ số phụ thuộc vào độ thu hẹp của kênh và các đặc tính của vật co hẹp (bảng 5.5) ; là nhân tố hiệu chỉnh có xu hướng giảm độ sâu từ y3
tới y2 và là hệ số hiệu chỉnh lưu tốc tới gần, phụ thuộc vào tỷ số lưu chuyển ( hình 529,b).
b.D’Aubuisson (1840) đề xuất công thức tính :
3 1212
3
2y 2gh V
b K
Q A
(529) trong đó :
KA phụ thuộc vào độ co hẹp của kênh và hình dạng cũng như hướng của chỗ co hẹp (bảng 5
5).
D’Aubuisson đã không phân biệt giữa y3 và y2, mặc dù trong rất nhiều trường hợp có một chút khác biệt giữa chúng, phương trình (529) được nhận biết như công thức gần đúng.
c. Chow (1983) đưa ra một suy luận tổng hợp về quan hệ lưu lượng giữa dòng chảy qua các đoạn co hẹp và hình dạng của chúng cùng các đặc tính khác, cùng với một loạt các biểu đồ thiết kế của Kindsvater, Carter và Tracy (1953).
197
Hình 5-29. Tính toán lưu lượng qua chỗ co hẹp (Sơ đồ).
Bảng 5-5. Các giá trị KN và KA.
Dạng mố Tỷ số lưu chuyển
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
KN KA KN KA KN KA KN KA KN KA
Hai đầu vuông 0.91 0.96 0.87 1.02 0.86 1.02 0.87 1.00 0.89 0.97 Hai đầu dạng bán nguyệt 0.94 0.99 0.92 1.13 0.95 1.20 1.03 1.26 1.11 1.31 Hai đầu là tam giác
vuông
0.95 0.94 0.92
Hai đầu hình trụ được nối bằng tường
0.91 0.89 0.88
Hai đầu mố dạng thấu kính
0.95 1.00 0.94 1.14 0.97 1.22
3. Chiều sâu xói ở hạ lưu cầu:
Nếu bề rộng của đoạn co hẹp (chính là chiều dài L của cầu) nhỏ hơn bề rộng B0 của dòng chảy (phương trình (213)), độ sâu xói tiêu chuẩn, DN
, dưới cầu được xác định :
0.61 0/L) B
s(
N R
D (530)
trong đó : Rs
là độ sâu hố xói phổ biến (phương trình (214)).
198
Độ sâu hố xói lớn nhất tại một khẩu độ cầu (không tính mố) theo đường biên thẳng (trường hợp 1) là nhỏ hơn hố xói tiêu chuẩn tính theo phương trình (530) khoảng 25%. Trong khi đó, trường hợp nhiều khẩu độ với sông cong (trường hợp 2) thì lớn hơn 100% hố xói tiêu chuẩn. Nếu sự co hẹp là đặc biệt thì độ sâu hố xói là trị số lớn nhất của trường hợp 1 và 2, được tính bởi công thức :
1.56 0/L) B
s(
N R
D (531)
4. Xói xung quanh mố cầu:
Một số công thức dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm được đề xuất để dự đoán độ sâu hố xói lớn nhất (ys
, thấp hơn đáy dòng chảy) xung quanh các mố cầu. Nhìn chung những giả thiết này là quan hệ:
1 '
' / , , /
/b y b Fr d b
dx (532)
trong đó:
b’ là bề rộng mố, y1là độ sâu dòng chảy thượng lưu, d là đường kính hạt vật liệu xói, Fr là số Froude.
Các thí nghiệm của Laursen (1962) ước tính chiều sâu xói nhỏ hơn một số kết quả thí nghiệm của Ấn Độ (Inglis, 1949) đã đề nghị công thức tính (dòng chảy tới gần là vuông góc với mố).
/ '0.78 0.26
2 . 4 '
/b y b Fr
dx o (533)
Các dữ liệu hiện trường của các nhà nghiên cứu Ấn Độ cũng đề nghị rằng độ sâu hố xói tại mố nên lấy gấp 2 lần độ sâu hố xói dòng chảy.
Trong trường hợp lòng động (dòng chảy có đáy biến đổi) thì dùng công thức :
/ 1
/ 7
5 '
1 B b
y
dx (534)
để dự đoán độ sâu hố xói cân bằng lớn nhất.
Với dòng chảy sâu, đánh giá cấp một xói cục bộ xung quanh mố có thể tính theo : 3 '
. 2 K b dx
(535)
trong đó:
K
là hệ số nghiêng và là một hàm của mố nghiêng, chẳng hạn góc tác dụng của dòng chảy vào mố.
Một lần nữa có thể nói rằng, sẽ đạt được đánh giá tốt nhất với những hệ số thích hợp cho độ sâu dòng chảy, tuyến,… (xem Breusers và Raudkivi(1991) để tham khảo thêm). Tuy nhiên lòng động có đóng góp đáng kể vào việc giảm chiều sâu xói cục bộ. Nếu vật liệu lắng đọng ở đáy phân rõ từng lớp và các lớp phủ (thường là vật liệu thô) có chiều dày nhỏ hơn chiều sâu xói cục bộ thì hiện tượng xói sẽ khác (tham khảo Ettema,1980).