Mục lục
Giới thiệu
Dòng chảy ở cửa ra sau các công trình thoát nước nhỏ trên đường và ở bậc nước, dốc nước thường có tốc độ lớn (có thể đạt tới 6 m/s) vượt quá tốc độ không xói cho phép của đất chưa gia cố (thường 0,7 – 0,1 m/s), tạo ra xói cục bộ lớn ở hạ lưu công trình, phá hủy công trình từ phía hạ lưu, do đo việc thiết kế kè rọ đá làm công trình tiêu năng là một vấn đề quan trọng và cần thiết.
Các công trình tiêu năng thường được thiết kế gia cố bằng bê tông, đá xây (gia cố cứng). Hiện các công trình này có thể sử dụng rọ đá để gia cố (gia cố mềm). Tuy nhiên trong giải pháp này chưa trình bày cách tính toán thủy lực cho các công trình được thiết kế kè rọ đá theo phương pháp gia cố mềm. Do đó bài viết xin trình bày cách tính thủy lực cho một số sơ đồ sử dụng rọ đá đơn giản trong các công trình tiêu năng trên đường.
Chi tiết thiết kế kè rọ đá làm công trình tiêu năng
Sơ đồ tính toán thủy lực cơ bản
Nhiệm vụ của việc tính toán tiêu năng là tìm được biện pháp tiêu huỷ năng lượng thừa của dòng chảy, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên trên một ngắn nhất để rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lưu công trình.
Tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể: lưu lượng, đặc điểm địa chất nơi xây dựng công trình, cách gia cố mà ta có thể đưa về một trong 4 sơ đồ tính (hình 1). Phương pháp lựa chọn kích thước của một công trình tiêu năng sẽ được trình bày dưới đây.
Tính toán thủy lực trong thiết kế kè rọ đá
Sân bậc không gia cố ở hạ lưu
Với những công trình nhỏ, lưu lượng nhỏ, năng lượng thừa bé, có thể dùng kết cấu rọ đá mà không cần công trình tiêu năng, nếu vật liệu cấu tạo đáy kênh đảm bảo cường độ, chịu được xói của dòng chảy. Khi đó phần nước rơi sẽ tạo ra một hố xói nhỏ ở phía sau của công trình. Trong trường hợp này ta cần phải tính chiều sâu của hố xói và khoảng cách từ đập đến hố xói, như sơ đồ ở hình 2.
Dòng chảy trên đỉnh bậc qua trạng thái chảy phân giới, đổ xuống hạ lưu tạo ra chiều dài nước rơi X: X ≅ + ) Ph (h2 (1) Chiều sâu xói có thể tính theo công thức của Scoklisch: hx = z3 – fb = 4,75(H + P)0,2 32,0 90 57,0 q d (2) trong đó z3, fb, z0 được tính bằng (m), q: lưu lượng đơn vị (m3/s/m), d90 đường kính lọt sàng chiếm trọng lượng 90%.
Để đảm bảo an toàn thì cao độ đáy móng của kết cấu rọ đá phải đặt thấp hơn cao độ nhỏ nhất của đáy hố xói theo quy phạm kỹ thuật công trình thuỷ.
Sân bậc không gia cố kết hợp tường tiêu năng
Với những trường hợp địa chất không tốt, đáy dòng chảy bị xói sâu, có thể xây dựng tường tiêu năng.
Tường làm tăng chiều sâu dòng chảy ngay phía sau công trình, làm giảm xói. Để bảo vệ được công trình đập, ta cần xác định vị trí, cao độ của tường tiêu năng để đảm bảo các điều kiện hình thành dòng chảy êm. Chiều cao của tường sẽ được tính theo các quan hệ chiều sâu dòng chảy như hình 3.
Nếu đáy dòng chảy có địa chất không tốt (cỡ hạt nhỏ), công trình tiêu năng cần gia cố bằng rọ đá để đảm bảo ổn định cho công trình như hình 4
Các kích thước của kết cấu, chiều sâu dòng chảy có thể được tính toán thông qua các quan hệ chiều sâu dòng chảy có sử dụng các giả thiết đơn giản hóa. Theo hình 4 ta có chiều sâu dòng chảy xiết trong bể được xác định như sau:
Khi phía trên của kết cấu rọ đá có đắp thêm một lớp đất để tăng tính ổn định, các công thức hiện nay cho phép ta xác định được các kích thước của kết cấu tiêu năng thông qua hệ số nước rơi D. Các công thức này được rút ra từ thực nghiệm. Hệ số nước rơi D được xác định:
Sân bậc có gia cố dạng bể
Trong trường hợp này, vai trò của bể cũng là tạo ra một dòng chảy ểm ở phía hạ lưu. Như hình 5.
Để xác định được các kích thước của bể ta có phải kết hợp các quan hệ dưới đây:
Từ công thức (13) ta tính được h1, từ công thức (14) ta tính được h2, thay hai giá trị này vào (15) nếu thỏa mãn thì chấp nhận được h1, h2. Nếu không thỏa mãn ta phải tính lại h1, h2.
Phân tích ổn định của kè
Sơ đồ phân tích ổn định như hình vẽ (theo Maccaferi 1990a). Trước tiên cần phân tích các tải trọng tác dụng lên kết cấu, sau đó sẽ tiến hành kiểm tra tối thiểu ba điều kiện sau:
Tải trọng tác dụng
| a. Theo phương ngang I. Do áp lực nước |
b. Theo phương đứng I. Do áp lực nước |
| H 0.5 (2h h h )(h h ) wm w 1 2 3 4 5 = γ + + + ở thượng lưu 2 H 0.5 (h h wm w 4 5 = γ + ở hạ lưu II. Áp lực đất 2 H 0.5 (h h tm tw a 2 3 = γ λ + ở thượng lưu 2 H 0.5 h tv = γ λ tw a 5 ở hạ lưu trong đó: |
P S w1 w1 w = γ P S w2 w2 w = γ II. Áp lực đất P S t soil = γ III. Do dòng nước chảy S b(h h ) 0,5 b[(h h h (h h )] w w 4 5 w 1 2 3 4 5 = γ + + γ + + – + IV. Tải trọng bản thân P S S . g sub.struc g1 drystru g = γ + γ |
| γw | Khối lượng riêng của nước (thường trong khoảng 1000 ÷ 1100 kg/m3) |
| γg | Khối lượng riêng của rọ đá γ = γ – g s g (1 n ) |
| γs | Khối lượng riêng của vật liệu. Có thể xem trong bảng. |
| g n |
Hệ số rỗng của đá (thường ng = 0.3) |
| γg1 | Khối lượng riêng bão hòa của nước γ = γ – + γ g1 s g g w (1 n ) n |
| γtw | Khối lượng đẩy nổi của đất: γ = γ – γ – tw s w ( )(1 |
| n | Hệ số rỗng của đất |
| γt1 | Khối lượng bão hòa của đất: γ = γ – + γ t1 s(1 n) n w |
| a λ |
Hệ số áp lực chủ động của đất: λa 2 = – ϕ tg (45 / 2) |
| ϕ | Góc ma sát trong của đất |
Kiểm tra ổn định
a. Kiểm tra khả năng chống lật
Kiểm tra khả năng lật quanh điểm F:
| Các lực gây lật: | + Áp lực ngang của nước (Hwm, Hwv) + Áp lực ngang của đất (Htm) + Áp lực động của nước (Sw) |
| Các lực giữ ổn định: | + Trọng lượng bản than kết cấu (Pg) |
+ Trọng lượng nước (Pw1, Pw2)
+ Trọng lượng đất (Pt)
+ Áp lực ngang của nước và đất ở phía hạ lưu (Hwv, Htv)
Hệ số chống lật: sr = Ms/Mr
trong đó: Ms: tổng mô men của các lực giữ ổn định đối với tâm quay; Mr: tổng mô men của
các lực gây lật.
Đối với những công trình nhỏ thì sr > 1.3, đối với các công trình lớn, quan trọng ta có thể
chọn trị số lớn hơn theo yêu cầu.
b. Kiểm tra khả năng chống trượt.
Công thức kiểm toán:
∑ ∑ H tg V < ϕ
trong đó:
∑ H : tổng các lực theo phương ngang
∑ V : tổng các lực theo phương đứng
ϕ : hệ số ma sát giữa rọ đá và nền đất, thường ta lấy bằng 350, khi đo tg ϕ ≅ 0,7. Khi
đó hệ số chống trượt ss sẽ được tính như sau:
s tg V / H s = ϕ∑ ∑
Để đảm bảo khả năng chống trượt thì ss >1.3. Đối với các công trình quan trọn hơn, ta có
thể lấy lớn hơn.
c. Kiểm tra chống đẩy trồi của đất
Hiện tượng đẩy trồi xẩy ra ở cửa vùng thấm khí áp lực thấm lớn hơn lực giữ khối đất (trọng
lượng bản thân, lực dính và ma sát với các khối xung quanh).
Ta có thể kiểm toán theo công thức sau:
TCT1
γ w c gl w h .s < γ + γ h
trong đó: s: chiều dầy của rọ đá gia cố;
h: chiều sâu dòng chảy bên trên phần rọ đá gia cố;
hc: cột nước thấm ở hạ lưu.
Tạm kết
Bài viết trình bày được các sơ đồ tính toán thủy lực cho một số công trình thiết kế kè rọ đá tiêu năng trên đường ô tô có sử dụng rọ đá hộc, rọ đá neo hoặc rọ đá mạ kẽm để gia cố. Đồng thời cũng nêu lên một số điều kiện ổn định cho dạng kết cấu này.
Tài liệu kỹ thuật cung cấp bởi KS. MAI QUANG HUY KS. PHẠM THANH TÙNG
Bộ môn Thuỷ lực – Thuỷ văn
Khoa Công trình
Trường Đại học Giao thông Vận tải