Đang tải... (xem toàn văn)
Công trình vượt sông được thiết kế thu hẹp một phần hay không thu hẹp dòng chảy. Cầu xây dựng qua sông tự nhiên thường có chiều dài nhỏ thua chiều rộng ngập lũ tính toán. Do dòng chảy bị thắt hẹp khi qua cầu nên vận tốc dòng chảy tăng lên làm phát sinh xói lở đáy sông và hai bờ, thắt hẹp càng nhiều , xói lở phát sinh càng lớn. Xói lở đe dọa nghiêm trọng trụ cầu và gây nguy hiểm cho công trình. Để hạn chế ảnh hưởng của xói lở đến công trình cầu thì cần thiết phải đảm bảo xói lở dưới cầu ở phạm vi cho phép và móng, mố trụ cần đặt dưới chiều sâu xói lở. Đồng thời cần có các biện pháp để hạn chế và khắc phục các nguyên nhân gây xói. Chiều sâu đặt móng nhỏ nhất cho phép của mố cầu, trụ cầu được xác định dựa trên cơ sở tính toán xói lỡ xảy ra khi thắt hẹp dòng chảy và hình thành lại dòng sông. Sự thắt hẹp dòng chảy khi lũ lụt do đường dẫn hai đầu cầu đắp cao làm tăng lưu tốc ở mặt cắt co hẹp dưới cầu và hạ thấp cao độ lòng sông dưới cầu. Sự thắt hẹp dòng chảy lũ đã tạo ra khu vực ảnh hưởng tới khẩu độ thoát lũ dưới cầu và ở cả thượng, hạ lưu cầu. Trong một vài trường hợp, sự hạ thấp đáy sông xảy ra dưới cả bãi sông dưới cầu. Biến dạng này của lòng sông và bãi sông dưới cầu thường được gọi là xói. Xói lở là một tiêu chuẩn rất quan trọng và cần thiết khi phân tích hệ thống công trình vượt sông. Thiết kế công trình vượt dòng là tạo ra sự cân bằng có thể chấp nhận được giữa khẩu độ thoát lũ không gây ra nước dâng đáng kể hay chịu tổn thất do xói lở với cao độ tuyến cầu đi đủ cao để đảm bảo xe chạy với lưu lượng và tốc độ thiết kế. Trước đây, việc nghiên cứu các hiện tượng xảy ra tại khu vực sông chịu ảnh hưởng của cầu như hiện tượng nước dâng, sự phân bố lưu lượng, hiện tượng xói dưới trụ cầu. ... có tính chất riêng lẻ từng hiện tượng và chưa có công trình nghiên cứu một cách tổng hợp mối quan hệ giữa các hiện tượng với nhau. Trong những năm gần đây, các vấn đề trên đã được nhiều nhà khoa học thủy văn, thủy lực công trình nghiên cứu bằng mô hình toán như: O.V.Andreev, G.A. Fêđôtov, một số các nhà khoa học khác như: L.G. Bêgam, V.S. Murônôv, V.S. Allunin,... nghiên cứu các vấn đề này trong phòng thí nghiệm thủy lực. Từ năm 1972 1978, GS TSKH Nguyễn Xuân Trục đã nghiên cứu vấn đề xói lỡ trụ cầu trên cơ sở tiến hành hàng loạt những thí nghiệm thủy lực kết hợp với việc tính toán một cách hệ thống trên máy tính điện tử dựa trên các số liệu đo đạc ở các sông thiên nhiên và tiến hành phân tích các cầu cũ hiện nay. Các nghiên cứu chỉ ra có 3 loại xói lỡ có thể gây nguy hiểm cho các công trình (trụ, mố cầu, nền đường, kè) gồm: Xói tự nhiên trong dòng chảy là xói xảy ra với sự thay đổi của dạng đáy dòng chảy do tính chất tự nhiên của dòng sông quyết định, không liên quan đến việc có xây dựng cầu hay không. Xói chung, hay xói do thắt hẹp bởi khẩu độ thoát lũ nhỏ thua chiều rộng ngập lũ tính toán, là xói xảy ra dọc theo đường đáy của mặt cắt ngang dưới cầu. Xói chung sinh ra do tốc độ dòng chảy dưới cầu tăng lên khi sông bị thu hẹp. Tại khu vực này có sự phân phối lại lưu lượng nước, lưu lượng bùn cát, phân phối lại tốc độ dòng chảy. Xói cục bộ là xói xảy ra tập trung tại chân mố, chân trụ cầu, xói lở tại đầu đê điều tiết, đầu kè bảo vệ do tốc độ tăng cục bộ và do các dòng xoáy tập trung. Chiều sâu xói toàn bộ đo tại các công trình của cầu là tổng hợp của 3 loại xói trên, loại thứ nhất thường phải dựa vào tài liệu quan trắc cao độ lòng sông trong nhiều năm để xác định, hai loại sau có thể dùng các công thức lý luận hoặc thực nghiệm để dự đoán. Xói tự nhiên thì ảnh hưởng đến xói chung, xói chung thì ảnh hưởng đến xói cục bộ. Trong quá trình xói, do mặt cắt lòng sông tại cầu biến dạng không đều nên lưu lượng nước phân bố lại một cách tương ứng theo bề rộng sông. Sự biến dạng (do xói hoặc bồi) không đều của mặt cắt dưới cầu phát sinh là do nhiều nguyên nhân khác nhau: do cấu tạo địa chất khác nhau giữa các đường thủy trực, chiều sâu nước chảy và độ nhám lòng sông không đồng nhất trên mặt cắt ngang sông. Lưu lượng ở các đường thủy trực trong nhiều trường hợp thay đổi rất lớn theo thời gian nên cần phải được xét tới khi tính toán. Lưu lượng dòng chảy, mặt cắt dòng chảy thay đổi dẫn đến vận tốc dòng chảy thay đổi theo. Tuy nhiên do tính chất phức tạp của địa chất, địa hình, hình dạng dòng sông, hình dạng bờ, hình dáng và cấu tạo công trình việc tính toán vận tốc dòng chảy một cách chính xác không thể thực hiện bằng các phương pháp tính thông thường. Những hiện tượng có tính chất qui luật xảy ra tại khu vực chịu ảnh hưởng của cầu chính là cơ sở để xây dựng các nguyên lý tính toán của các phương pháp tính xói hiện đại. Tuy nhiên những hiện tượng này vẫn chưa được phản ảnh một cách đầy đủ trong nhiều phương pháp tính xói hiện nay. Trong một thời gian dài, việc tính xói được nghiên cứu theo các giả thiết có tính thực nghiệm, thiếu những căn cứ vững chắc. Cụ thể là trong các phương pháp tính xói , xói được xác định với giả thiết lưu lượng cực đại tại đỉnh lũ không thay đổi trong một thời gian dài, qui luật phân bố lưu lượng của dòng chủ và phần bãi dưới cầu không thay đổi, các công thức tính xói chỉ cho giá trị trung bình của chiều sâu nước chảy tại dòng chủ sau khi xói và đặc biệt vận tốc dòng chảy đưa vào công thức tính xói là vận tốc trung bình theo một chiều. Trong khi chúng ta đều biết dòng sông thiên nhiên có tính chất của dòng chảy không ổn định, lưu lượng nước chảy luôn thay đổi theo thời gian và không gian. Bản thân mặt cắt ngang dòng sông tại vị trí xây dựng cầu cũng thay đổi, đặc biệt là hình dạng đáy sông làm cho vận tốc dòng chảy trên sông và chiều cao nước dâng trước cầu cũng thay đổi theo. Bên cạnh đó do có những khó khăn trong tính toán, các công thức tính xói được xây dựng trong các điều kiện thí nghiệm hạn chế về điều kiện thuỷ lực, địa chất, kích thước hình dạng của máng thí nghiệm mô phỏng. Việc loại bỏ nhiều yếu tố quan trọng tác động lên dòng chảy trong quá trình mô hình hoá bài toán dòng chảy thực tế để tiến hành thí nghiệm dự đoán các giá trị thực nghiệm và việc tiến hành các thí nghiệm trên các máng thuỷ lực tại phòng thí nghiệm đã làm cho kết quả tính toán theo lý thuyết sai khác nhiều so với thực tế. Kết quả là trị số xói tính ra thường lớn hơn nhiều so với trị số xói đo được trong thực tế ở các cầu cũ. Công trình thiết kế thường có hệ số an toàn quá mức cần thiết và do đó gây lãng phí không ít. Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn vấn đề Nghiên cứu áp dụng chương trình RMA2 để xác định vận tốc dòng chảy hai chiều theo phương ngang làm cơ sở tính xói tại công trình cầu vượt sông Hàn làm đề tài nghiên cứu của luận văn. Từ đó kiến nghị phương pháp xác định vận tốc mới nhằm đảm bảo thoả mãn sự ổn định của công trình đồng thời giảm được chi phí xây dựng đến mức thấp nhất.
1 LỜI CẢM ƠN Đề tài luận văn: “Nghiên cứu áp dụng chương trình RMA2 để tính xói cơng trình cầu vượt sơng Hàn” thực thời gian tháng từ tháng năm 2005 đến tháng 10 năm 2005 Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, tác giả nhận động viên, cổ vũ giúp đỡ tận tình tài liệu nghiên cứu, số liệu cần thiết phục vụ nội dung đề tài thầy cô giáo đồng nghiệp Khoa Xây dựng – Thủy lợi Thủy điện, Ban quản lý Khoa học Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Kỹ sư, Chuyên viên công tác ngành Giao thơng cơng Đà Nẵng, cơng ty tư vấn thiết kế xây dựng giao thông v.v Đặc biệt tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thế Hùng – thầy giáo – đồng nghiệp – tận tình giúp đỡ tác giả bước tiếp cận với tri thức, tham gia diễn đàn khoa học, trực tiếp huớng dẫn tác giả hoàn thành luận văn yêu cầu nội dung, mục tiêu đề Xin chân thành cám ơn tất Thầy cô, đồng nghiệp đóng góp ý kiến q báu góp phần làm cho đề tài sâu sắc có ý nghĩa thực tiễn cho nghiên cứu khoa học phục vụ đời sống, đặc biệt giúp quan tư vấn, chủ đầu tư có thêm hội để lựa chọn định đầu tư công trình Đà Nẵng, tháng 10 năm 2005 Tác giả ĐẶNG VIỆT DŨNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đặng Việt Dũng MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Mục lục bảng, biểu 11 Mục lục hình vẽ 12 MỞ ĐẦU 13 Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH XĨI TRỤ CẦU 20 1.1 Các phương pháp tính xói chung cầu 20 1.1.1 Xói chung 20 1.1.2 Các phương pháp tính xói chung theo cơng thức bán thực nghiệm 21 1.1.2.1 Công thức E.M Gôtây 21 1.1.2.2 Công thức H.A Belleliutsky 21 1.1.2.3 Phương pháp cân thủy lực A.A Kasin 22 1.1.2.4 Phương pháp F.G Sripnưi A.M.Latusenko 23 1.1.2.5 Phương pháp L.L Listvan Kherkheulit 24 1.1.2.6 Phương pháp tính xói theo cân giới hạn lượng phù sa O.V.Andreev 26 1.1.2.7 Phương pháp tính xói Kenơđi Lauren 29 1.1.2.8 Phương pháp tính xói Nguyễn Xn Trục & Phêđơtov 30 1.1.3 Nhận xét 32 1.2 Các phương pháp tính xói cục trụ cầu 33 1.2.1 Xói cục 33 1.2.2 Nguyên nhân trình phát triển xói cục trụ cầu 34 1.2.2.1 Các nguyên nhân 34 1.2.2.2 Các giai đoạn trình phát triển xói 34 1.2.3 Các phương pháp tính xói cục trụ cầu 35 1.2.3.1 Công thức trường Đại học Xây dựng Hà Nội 35 1.2.3.2 Cơng thức tính M.M.Zuravlev A.M Latưsenkov 36 1.2.3.3 Tính xói cục theo tiêu chuẩn BCH 62-69 Liên Xô (cũ) 36 1.2.3.4 Cơng thức tính xói cục theo I.A Iaroxlatsev 39 1.2.3.5 Cơng thức tính xói cục theo Richardson 40 1.2.3.6 Công thức tính xói cục theo David Froehlich 41 1.2.3.7 Công thức E M Laursen 41 1.2.3.8 Công thức Ấn Độ - Pakistăng 41 1.2.3.9 Công thức S Khuncơ 41 1.2.3.10 Công thức Nêin 42 1.2.3.11 Công thức Z Lara 42 1.2.4 Bảng tổng hợp công thức tính tốn 42 1.2.5 Nhận xét 43 Chương - KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ DỊNG CHẢY TRÊN SƠNG 46 2.1 Các trạng thái dịng chảy sơng 46 2.1.1.Trạng thái chảy tầng chảy rối 46 2.1.2.Trạng thái chảy không ổn định, ổn định, không 47 2.1.3.Trạng thái chảy êm chảy rối 48 2.2 Một số khái niệm trạng thái chảy rối 48 2.2.1 Khái niệm chung dòng chảy rối 48 2.2.2 Khái niệm dòng chảy rối trung bình theo thời gian 50 2.2.3 Khái niệm lớp mỏng chảy tầng lõi rối 50 2.2.4 Ứng suất tiếp dòng chảy rối 51 2.3 Phân bố vận tốc dòng chảy kênh hở 51 2.3.1 Công thức phân bố vận tốc lý luận 52 2.3.1.1 Phân bố vận tốc luật luỹ thừa 52 2.3.1.2 Phân bố vận tốc dạng lôga 52 2.3.1.3 Phân bố vận tốc dạng parabol 52 2.3.2 Một số công thức kinh nghiệm xác định phân bố vận tốc 54 2.3.2.1 Phân bố dạng parabol - công thức Brazin 54 2.3.2.2 Phân bố dạng loga - công thức Nicuratde 54 2.3.2.3 Phân bố dạng đường elip - công thức Karausev 55 2.4 Các phương trình 56 2.4.1 Phương trình Navier-stokes 56 2.4.1.1.Hệ phương trình chuyển động 56 2.4.1.2 Phương trình liên tục 56 2.4.2 Phương trình Reynolds 56 2.4.2.1 Hệ phương trình chuyển động dịng chảy rối 57 2.4.2.2 Phương trình liên tục dịng chảy rối 58 Chương - PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ MƠ HÌNH TÍNH TỐN VẬN TỐC DỊNG CHẢY THEO BÀI TỐN HAI CHIỀU NẰM NGANG 59 3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 59 3.1.1 Khái quát chung 59 3.1.2 Một số khái niệm 60 3.1.2.1 Các phương pháp biến phân 60 3.1.2.2 Các loại phân tử hữu hạn 63 3.1.2.3 Hàm nội suy cho toán hai chiều 64 3.1.3 Áp dụng phương pháp PTHH cho toán chiều 67 3.1.3.1 Phương trình chủ đạo 68 3.1.3.2 Rời rạc phân tử hữu hạn 68 3.1.3.3 Thiết lập dạng yếu cho toán hai chiều 69 3.1.3.4 Mơ hình phần tử hữu hạn 71 3.1.3.5 Các hàm nội suy 72 3.2 Mơ hình tính tốn vận tốc dịng chảy theo toán hai chiều nằm ngang 74 3.2.1 Giới thiệu chung SMS 74 3.2.2 Giới thiệu chung chương trình RMA2 76 3.2.2.1 Khái niệm chung 76 3.2.2.2 Ứng dụng RMA2 76 3.2.2.3 Khả RMA2 77 3.2.2.4 Hạn chế RMA2 77 3.2.2.5 Phương trình chủ đạo 77 3.2.2.6 Các dạng phần tử sử dụng 78 Chương - ÁP DỤNG MƠ HÌNH RMA2 ĐỂ TÍNH XĨI TẠI TRỤ CẦU SƠNG HÀN 79 4.1 Đặc điểm khu vực xây dựng cầu 79 4.1.1 Địa hình 79 4.1.2 Khí hậu 80 4.1.2.1 Nhiệt độ không (00 C) 80 4.1.2.2 Độ ẩm khơng khí (%) 80 4.1.2.3 Mưa (mm) 80 4.1.2.4 Bốc mặt nước 80 4.1.2.5 Nắng 81 4.1.2.6 Mây 81 4.1.2.7 Gió 81 4.1.2.8 Bão áp thấp nhiệt đới 82 4.1.3 Thủy văn 82 4.1.4 Địa chất 83 4.2 Giới thiệu vài nét cầu qua sông Hàn 84 4.2.1 Phương án vị trí cầu đường hai đầu cầu 84 4.2.2 Qui mơ cơng trình 84 4.2.3 Độ dốc giới hạn tĩnh không cầu 85 4.2.4 Phạm vi dự án 85 4.2.5 Phương án kết cấu 85 4.2.5.1 Bố trí chung 85 4.2.5.2 Kết cấu 85 4.2.5.3 Phương án kết cấu 86 4.3 Kết tính tốn xói trụ cầu cầu sơng hàn sử dụng phương pháp xác định vận tốc dòng chảy trung bình 88 4.3.1 Xác định đặc trưng mực nước, tốc độ dòng chảy, lưu lượng ứng với tần suất p = 1%, 2%, 5% 88 4.3.2 Tính xói chung chiều cao nước dâng trước cầu ứng với tần suất 2% 89 4.3.2.1 Tính xói chung 89 4.3.2.2 Xác định chiều cao nước dâng trước cầu 90 4.3.3 Tính xói cục (p = 2%) 91 4.3.3.1 Xác định vận tốc sau xói chung 91 4.3.3.2 Các cơng thức tính tốn 92 4.3.3.3 Trụ số 93 4.3.3.4 Trụ số 93 4.3.3.5 Trụ số 94 4.4 Áp dụng mơ hình RMA2 để tính xói trụ cầu sơng Hàn 95 4.4.1 Sử dụng hình ảnh 95 4.4.1.1 Mở file hình ảnh 95 4.4.1.2 Đăng ký hình ảnh .95 4.4.1.3 Làm rõ hình ảnh 96 4.4.2 Tạo đường biên đặc trưng 96 4.4.3 Phân bố đỉnh 96 4.4.4 Đăng ký tham số lưới 97 4.4.5 Áp dụng điều kiện biên 97 4.4.5.1 Đăng ký lưu lượng thượng lưu 98 4.4.5.2 Đăng ký cao độ mặt nước hạ lưu 98 4.4.6 Đăng ký vật liệu 99 4.4.7 Nội suy cao độ cho lưới 100 4.4.8 Đánh số lại lưới 101 4.4.9 Chạy chương trình RMA2 101 4.4.9.1 Quản lý chương trình 101 10 4.4.9.2 Kiểm tra chương trình 101 4.4.9.3 Sử dụng mô duyn GFGEN 102 4.4.9.4 Chạy chương trình RMA2 102 4.4.10 Kết tính tốn vận tốc chiều cao mực nước khu vực đặt trụ 102 4.4.10.1 Trường hợp trước bố trí trụ 102 4.4.10.2 Trường hợp sau bố trí trụ 105 4.4.11 Áp dụng vận tốc dòng chảy tính theo RMA2 để tính xói trụ cầu sông Hàn 107 4.4.11.1 Xác định chiều cao nước dâng trước cầu 107 4.4.11.2 Xác định xói chung 109 4.4.11.3 Xác định chiều sâu xói cục trụ cầu 111 4.4.11.4 Vẽ lại mặt cắt đáy sơng sau xói xây dựng cầu 113 4.4.12 Đánh giá kết 114