TIÊU NĂNG TỰ NHIÊN
Ở HẠ LƯU CỐNG VÀ CẦU NHỎ CỦA ĐƯỜNG

TRẦN ĐÌNH NGHIÊN
Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn
Khoa Công trình
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Báo cáo trình bày hiểu biết về thuỷ lực gây ra xói lở của dòng chảy; phương
pháp và công thức dự đoán chiều sâu và phạm vi xói sau cống theo N
o
14 ASCE (2006) của Hội
người xây dựng dân dụng Mỹ đối với đất không dính và đất dính. Trên cơ sở đó nêu ra phương
pháp và trình tự xác định bậc nước dạng bể tiêu năng tự nhiên, thân thiện với môi trường sao
cho gia cố nhỏ nhất.
Summary: Hydraulic concepts of flow scour at culverts & small bridges, expressions for
predicting scour at culvert outlets in a cohesionless & cohesive soil as well as step pool energy
dissipation design in nature while maintaining natural condition as stable “undisturbed”
streams with minimal channel armoring are presented.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Quy trình hiện hành thường giải quyết bài toán gia cố chống xói ở hạ lưu cống và cầu nhỏ
bằng cách gia cố cứng hay kết hợp giữa gia cố cứng và mềm song chưa chú ý đến sinh thái và
đời sống riêng của dòng chảy nhỏ. Do vậy, báo cáo này trình bày phương pháp gia cố hạ lưu
bằng bậc nước dạng bể tiêu năng tự nhiên tương ứng với kiểu dòng chảy ở lưu vực nhỏ.
CT 1
2. BẬC NƯỚC CÓ BỂ TIÊU NĂNG TỰ NHIÊN
Mỗi dòng chảy trong tự nhiên đều có đời sống riêng trong sự cân bằng sinh thái và môi
trường thủy sinh, có hình dạng nhất định ở mặt bằng với mặt cắt dọc và ngang ổn định theo thời
gian. Dọc theo chiều dài dòng chảy thường tạo ra các dạng bậc nước hay dốc nước có bể tiêu
năng tự nhiên phù hợp với địa hình, địa chất… mà dòng chảy đi qua. Để áp dụng dạng tự nhiên

v: tốc độ trung bình mặt cắt (m/s); g: gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s
2
); z: chiều cao so
với mặt so sánh (m).
(3) Tốc độ: v = (1/n)R
2/3
S
1/2
(2)
n: hệ số nhám, R: bán kính thủy lực, S: độ dốc.
Bảng 1. Tốc độ cho phép
(4) Địa chất được đặc trưng bằng tốc độ cho
phép không xói, có thể tham khảo bảng 1.
không xói lớn nhất [v
omax
]
Vật liệu [v
omax
] (m/s)
Cát đều hạt và đất không dính
Cát có cấp phối đất
TCT1
(5) Tốc độ tại cửa ra của cống thường lớn hơn 3
m/s, do vậy thường gây xói lở hạ lưu cống.
Cát lẫn đất
Sét
Sỏi sạn
0.457
0.762
0.914

thường là kết quả của lũ có chu kỳ 20 đến
50 năm; do dòng chảy thượng lưu có cột
nước cao (thế năng lớn); do lưu vực tụ
nước cung cấp ít bùn cát và thường là vật
liệu lớn. (đá cuội, đá tảng…). Chúng ta
không thấy hình thái bể tiêu năng tự nhiên
ở hệ thống dòng chảy lưu vực có địa chất là
cát, sỏi sạn hay là sét.

Hình 1. Dòng chảy chuyển từ dòng xiết ở bậc
sang bể tiêu năng tự nhiên.
1. Dốc năng lượng; 2. Mực nước cao; 3. Mực nước
thấp; 4. Bậc; 5. Hố xói – bể tiêu năng tự nhiên.
3.3. Xói ở hạ lưu cống
Lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra có thể dự đoán xói sau cống dựa vào
lưu lượng, kích cỡ và
loại vật liệu đáy dòng chảy, chiều cao nước rơi.
3.3.1. Công thức xác định xói theo thông tư N0/14 ASCE (2006)
Xói ở hạ lưu cống phụ thuộc vào lưu lượng, hình dạng cống, loại đất, thời gian lũ, dốc đặt
cống, chiều cao đặt cống so với đáy kênh và chiều sâu mực nước hạ lưu.
a. Đối với đất không dính

xxx x
sh
1/2
2.5
cccx

– chiều dài hố xói (m); –
thể tính hố xói (m); R
x
∀
c
– bán kính thủy lực tại cửa ra của cống (giả thiết chảy đầy cống); Q – lưu
lượng chảy (m
3
/s); g = 9,81 m/s
2
; t – thời gian (phút); σ = (D
84
/D
16
)
0,5
– độ lệch tiêu chuẩn của
vật liệu đáy; α, β, θ - hệ số theo bảng 2; C
s
– hệ số điều chỉnh độ dốc theo bảng 3; C
h
– hệ số
điều chỉnh độ cao nước rơi tra bảng 4; Nếu σ < 1,5 thì vật liệu đáy coi như đều hạt; thông
thường σ > 1,87 cho cát và σ > 2,10 cho sỏi sạn không đồng nhất.
Chiều sâu xói lớn nhất h
xmax
tại 0.4l
x
tương ứng với chiều sâu hạ lưu cống nhỏ hơn 0,5
chiều cao cống. Thí nghiệm chỉ ra xói đạt 2/3 – 3/4 giá trị xói lớn nhất trong vòng 30 phút, do

Chiều
sâu
Chiều
rộng
Chiều
dài
Thể
tích
0

2

5

>7

1.00
1.03
1.08
1.12
1.00
1.20
1.28
1.28
1.00
1.17
1.17
1.17
1.00
1.30

lớn nhất l
xmax
= 0,4l
x

Bảng 4. Hệ số C
h
, cho cửa ra cống
đặt cao hơn đáy dòng chảy
H
d
Chiều sâu Chiều rộng Chiều dài Thể tích
0
1
2
4

1.00
1.22
1.26
1.34
1.00
1.51
1.54
1.66
1.00
0.73
0.73
0.73
1.00

τ
⎝⎠⎣⎦
⎝⎠
⎞
⎟
(5) Công thức đồi với cống chữ nhật:

2
xxx x
sh e
eeee c
hbl
Vt
,,, CC()
y y y y 316
ρ
θ
⎡⎤⎛⎞
∀
ρ
⎛
=α
⎜⎟
⎢⎥
⎜
τ
⎝⎠

. α, β, θ và α
e
cho trong bảng 5.
(7)
cvu
0.001(S ) tan(30 1,73PI)τ= +α +
trong đó: – ứng suất tiếp tới hạn (N/m
c
τ
2
); S
v
–
cường độ ứng suất tiếp bão hòa (N/m
2
) (ASTM (D-
211-66-76)); α
u
– hằng số đổi đơn vị; α
u
= 8630
N/m
3
trong hệ đơn vị SI; PI – chỉ số dẻo sử dụng
ASTM (D423 -36)).
Bảng 5.
Danh
mục
α β θ
α

và thời gian đỉnh lũ (phút); (2) Xác định V ở cửa ra của
cống; (3) Phân tích mẫu đất tại nơi đặt cống; (4) Xác định
c
τ
theo (7); (5) Tính số ứng suất tiếp
(ρv
2
/τ
c
) = S
nm
và H
d
cho dốc lớn hơn 0%; (6) Xác định hệ số theo bảng 5, và C
s
(bảng 3),
C
h
(bảng 4); (7) Xác định kích thước xói theo (5) hay (6); (8) Xác định nơi xói lớn nhất tại
l
xmax
= 0,4l
x
.
Ngoài ra nên tính xói theo một công thức khác để so sánh, đánh giá trước khi lựa chọn giá
trị xói để thiết kế.
TCT1
3.3.2. Các loại tiêu hao năng lượng tiêu biểu
Phương pháp bỏ đá rời; Rọ đá; Rọ đá, vải địa kĩ thuật và tầng lọc ngược kết hợp; Bể tiêu
năng; Nối cống tạo bậc; Hố tiêu năng; Tiêu năng dạng bậc nước kiểu bể tự nhiên dựa vào hiểu

Hình 2. Hiểu biết về thiết kế kênh tự nhiên
Tóm lại việc phân tích phải đạt được:
Đánh giá xói theo các công thức khác nhau hay phương pháp khác nhau; Quan sát được
hiện trạng hạ lưu cống lân cận hay tương tự; Sử dụng quan sát thực tế và kinh nghiệm để hiệu
chỉnh kích thước bể tiêu năng ngăn cản xói; Thiết kế chi tiết bậc và bể thứ nhất, các bậc và bể
sau làm tương tự; HEC – RAS là công cụ tốt để kiểm tra thủy lực cống và kênh.
Mục đích cuối cùng của thiết kế là: Bảo vệ được cống và kích thước lòng; Tạo ra được bể
tiêu năng tự nhiên sau cống; Tạo ra sự êm thuận giữa bề mặt tự nhiên và dòng chảy hạ lưu; Sử
dụng vật liệu tại chỗ; Thiết kế đơn giản, dễ xây dựng và bảo dưỡng; Thuận lợi cho đời sống của
cá và sinh vật khác, đảm bảo môi trường sinh thái thủy sinh;
Đối với bậc nước tự nhiên thiết kế phải bao gồm: Chiều cao bậc; Chiều dài bậc; Chiều dài
bể; Chiều rộng kênh ở nơi quan trọng; Các loại kết cấu kiểm soát độ cao và vật liệu tại chỗ.
Do vậy, sơ bộ có thể sử dụng kết quả nghiên cứu của Thomas và các cộng sự.
CT 1
3.5. Trình tự thiết kế theo Thomas
(1) Xác định chiều cao bậc hay đập H, từ đáy thượng lưu tới đáy nơi kiểm soát hạ lưu; (2)
Xác định độ dốc trung bình thực tế của dòng chảy; (3) Tính chiều rộng kênh B; (4) Tính chiều
rộng B
1
; (5) Xác định lưu lượng chu kỳ 2 và 25 năm đối với đập; (6) Tính D
30
là đường kính đá
nhỏ nhất của loại đá cuội lớn xây dựng đập và bậc nước cho q có chu kỳ 25 năm (q
25
):
D
30
= (1,95 )/(g
3/2555,0
0

x
hS
H
BB
q
g
B
=− + +

(9) Tính chiều rộng co hẹp tại vị trí kiểm soát chiều sâu hạ lưu của bể tự nhiên cho lưu
lượng chu kỳ 2 năm (q
2
): B
5
= 0,92B
1

(10) Tính chiều rộng lớn nhất của bể cho lưu lượng q
2
: B
3
=1,20.B
1

(11) Xác định độ cao của bờ kênh để đảm bảo lưu lượng chỉ chảy qua đập. Các kích thước của bậc và đập được chỉ ra ở hình 3.

Hình 3. Chi tiết kích thước bể tự nhiên.

Vật liệu
V
c

(m/s)
Vật
liệu
V
c

(m/s)
Cuội lớn ( 250mm) ≥
Đá (150-100mm)
Đất phủ cỏ mọc
Đất sét pha, sét cứng
5.0
3.0-2.5
1.8
1.3-1.5
Sỏi thô
Cát thô
Cát mịn
1.3-1.8
0.5 – 0.7
0.2 – 0.5

Trong đó Δ ≈ 1,65; g = 9,81m/s
2
; d là d
50

•
29,0
D
•
≤ 4
4 < D
*
≤ 10
10 < D
*
≤ 20
20 < D
*
≤ 150
D
*
> 150
0,24
D

0,14
D

0,10
D

0,24
0.055