BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TÀO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
--------------------

SOUVANHNA VONGKHAMCHANH

NGHI N CỨU Đ

UẤT PHƯ NG PHÁP THI T

VÀ

D NG Đ N NG CAO CHẤT Ư NG CÁC CÔNG
TR NH THOÁT NƯỚC NHỎ TR N ĐƯỜNG Ô TÔ TẠI NƯỚC
CỘNG HÕA D N CHỦ NH N D N ÀO

UẬN ÁN TI N SĨ

HÀ NỘI - 2015

Ỹ THUẬT


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TÀO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
--------------------

SOUVANHNA VONGKHAMCHANH

NGHI N CỨU Đ


H

D

C ủN

D

L

” là công trình nghiên

cứu riêng của tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu được sử dụng trong luận án này hoàn toàn
trung thực. Nội dung trình bày trong luận án này chưa từng được công bố trong
bất kỳ công trình nào từ trước cho tới nay.
Tác giả luận án

SOUVANHNA VONGKHAMCHANH


ii
ỜI CẢM

N

Luận án này được thực hiện trong khuôn kh chư ng trình đào t o tiến s
chuyên ngành đư ng bộ do

ộ môn


quý báu giúp tác giả hoàn thành luận án.
Cuối c ng tôi xin cảm n các b n b , đ ng nghiệp và các thành viên của
gia đình tôi đã đ ng hành c ng với tôi, chia s những khó kh n và giúp đỡ to lớn
về tinh thần c ng như vật chất trong suốt quá trình h c tập và nghiên cứu luận
án của tôi t i trư ng

i h c Giao thông Vận tải.
Tác giả luận án

SOUVANHNA VONGKHAMCHANH


iii
MỤC ỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƯ NG 1 TỔNG QUAN V
T NH H NH MẠNG

ĐẶC ĐI M ĐI U

ƯỚI GIAO THÔNG VÀ S

IỆN T

NHI N,

PHÁ HOẠI CÁC

CÔNG TR NH THOÁT NƯỚC NHỎ TR N ĐƯỜNG Ô TÔ Ở NƯỚC

ÓI SAU GIA CỐ CÔNG TR NH THOÁT

NƯỚC NHỎ NGANG ĐƯỜNG ...................................................................... 15
2.1. Tổng quan nghiên cứu t nh thủy lực b c nước nhi u cấp d ng b tiêu năng.
............................................................................................................................. 15
2.1.1. Các nghiên cứu liên quan đến tính thủy lực bậc nước nhiều cấp ............. 15
2.1.2. Các công thức tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp d ng bể .................. 17
2.1.3. Nhận xét về tính thủy lực cho bậc nước nhiều cấp d ng bể ..................... 27
2.2. Tổng quan c c nghiên cứu v sức cản thủy lực ở dốc nước ................... 27


iv
2.2.1. Các nghiên cứu liên quan đến sức cản thủy lực ở dốc nước [5] ............... 27
2.2.2. Vấn đề tính sức cản thủy lực của dốc nước .............................................. 30
2.2.3. Vấn đề cần nghiên cứu .............................................................................. 32
2.3. Tổng quan v

hởi động của h t đất ở đ y dòng chảy ........................... 32

2.3.1. Vấn đề đã đ t được .................................................................................... 32
2.3.2. Nhận xét .................................................................................................... 39
2.4. Tổng quan c c nghiên cứu v t nh xói sau gia cố công tr nh tho t nước
nhỏ ngang đường ............................................................................................... 40
2.4.1. Các nghiên cứu liên quan đến tính xói sau gia cố cống và cầu nhỏ .......... 40
2.4.2. Vấn đề cần nghiên cứu .............................................................................. 44
2.5.

ết lu n chương 2 ...................................................................................... 45

CHƯ NG 3 NGHI N CỨU Đ

ết lu n chương 3 ...................................................................................... 88

CHƯ NG 4 GIẢI PHÁP

D NG CÔNG TR NH THOÁT NƯỚC

NGANG ĐƯỜNG CÓ Đ A H NH ĐẶC TH

Ở NƯỚC CỘNG HÕA D N

CHỦ NH N D N ÀO .................................................................................... 89
4.1.

hảo s t thủy văn và c c phương ph p x c đ nh lưu lượng nước có th

p dụng đ thiết ế công tr nh tho t nước nhỏ ở CHDCND ào ................. 89
4.1.1. Nội dung công tác khảo sát thủy v n để thiết kế công trình thoát nước
ngang đư ng ........................................................................................................ 89
4.1.2. Các phư ng pháp xác định lưu lượng nước có thể áp dụng để thiết kế công
trình thoát nước nhỏ ở CHDCND Lào ................................................................ 92
4.2. Giải ph p v tho t nước m t đường và tho t nước ngang đường ...... 100
4.2.1. Nguyên tắc chung .................................................................................... 100
4.2.2. Giải pháp về thoát nước mặt đư ng và ngang đư ng ............................. 101
4.2.3. iện pháp gia cố thượng lưu công trình [1] ............................................ 105
4.2.4. iện pháp gia cố h lưu công trình [1] .................................................... 106
T UẬN VÀ

I N NGH ........................................................................ 110

DANH MỤC CÔNG TR NH Đ CÔNG BỐ CÓ I N QUAN ................ 113

h
P
p
với t và c với t .......................... 25
L
P
P
P

Hình 2.7: S đ dốc nước.................................................................................... 28
Hình 2.8: S đ nước chảy ở đo n cửa vào dốc nước ........................................ 28
Hình 2.9: S đ dốc nước đo n thân dốc ............................................................ 29
Hình 2.10: S đ nước nhảy dâng ....................................................................... 30
Hình:2.11: S đ h t bị đẩy trượt........................................................................ 37
Hình 2.12: iểu đ ứng suất tiếp dòng chảy theo Shields (1936) ...................... 37
Hình 2.13: S đ các d ng nối tiếp sau cống khi Sh  Sc .................................... 40


vii
Hình 2.14: iểu đ quan hệ giữa

l gc
b0

với

hx
....................................................... 44
H


Lb
hc

với P ...................................................... 63
hc

Hình 3.14: iểu đ quan hệ giữa pt với P ..................................................... 63
hc

hc

Hình 3.15: iểu đ quan hệ giữa pt với P và Lb với P ................................... 64
hc

hc

hc

hc

Hình 3.16: iểu đ thay đ i hệ số sức cản thủy lực f theo số Re ở dòng chảy xiết
đều không làm hàm khí trong lòng dẫn bê tông. ................................................. 66
Hình 3.17: Quan hệ giữa hệ số sức cản f và Re dựa vào kết quả đối với mặt cắt
hình thang ............................................................................................................ 68


viii
Hình 3.18: Quan hệ giữa hệ số sức cản f

x

 b0 

ảng 2.2: Hàm số f 

ảng 3.1: Hệ số  n phụ thuộc với hn ................................................................ 49
H1

ảng 3.2: Nhập số liệu đầu vào .......................................................................... 56
ảng 3.3 Tính thử H1 .......................................................................................... 58
ảng 3.4: Tính thử dần tìm H1 ............................................................................ 58
ảng 3.5: Kết quả tính toán bậc nước nhiều cấp ................................................ 61
ảng 3.6: Tính tốc độ không xói ở đáy dòng chảy ............................................. 76
ảng 3.7: Hệ số và số m tính xói cho đất r i r c .............................................. 83
ảng 3.8: Hệ số Ch cho cửa ra cống đặt cao h n đấy dòng chảy ....................... 84
ảng 3.9: Hệ số điều chỉnh độ dốc đặt cống Cs ................................................. 84
ảng 3.10: Kết quả tính xói sau cống theo phần mềm HY-8 t i hai vị trí đặt cống
(phụ lục 10 và phụ lục 11)................................................................................... 87
ảng 3.11: Kết quả tính xói sau cống theo phư ng pháp của Hội cầu đư ng Mỹ
t i hai vị trí đặt cống (phụ lục 12 và phụ lục 13) ................................................ 87
ảng 3.12: T ng kết quả tính chiều sâu xói gia cố ............................................. 87
ảng 4.1: Hệ số dòng chảy C ............................................................................. 93
ảng 4.2: Hệ số điều tiết lưu lượng (do ao h , đầm lầy)  ............................... 95
ảng 4.3: Hệ số nhám của sư n dốc msd ............................................................ 96
ảng 4.4: ặc số nhám của lòng sông mls .......................................................... 97
ảng 4.5: Hệ số dòng chảy phụ thuộc vào diện tích lưu vực  ......................... 98
ảng 4.6: Tính

18.6
t y thuộc với độ dốc của sư n dốc lưu vực i sd ............ 98
f (isd )0.4


Chiều rộng cửa vào bậc nước

4

bd

Chiều rộng đáy dòng chảy

5

bx

Chiều rộng xói

6

C

Chiều cao tư ng

7

CHDCND Lào

8

d

Chiều sâu bể tiêu n ng


14

fe

Sức cản thủy lực đối với dòng chảy êm

15

fx

Sức cản thủy lực đối với dòng chảy xiết

16

Fr

Số froude

17

G

Tr ng lượng của h t trong nước

18

g

Gia tốc tr ng lực


24

h2cd

Chiều sâu liên hợp n i cuối dốc

25

hch

Chiều sâu mặt cắt co h p trên sân bậc

26

h2ch

Chiều sâu liên hợp lớn với chiều sâu mặt cắt co h p

27

hđd

Chiều sâu đầu dốc

TT

Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào




33

K

Mô đun lưu lượng của kênh

34

ktđ

Chiều cao nhám tư ng đư ng

35

Lb

Chiều dài bể tiêu n ng

36

Ld

Chiều dài dốc nước

37

Lđh

Chiều dài địa hình


43

p

Chiều cao bậc

44

Px

Lực đẩy trượt theo phư ng chảy

45

Py

Lực nâng tác động vào h t đất

46

Q

Lưu lượng nước

47

R

Bán kính thủy lực của mặt cắt ngang


53

Vb

Tốc độ dòng chảy t i cửa vào

54



Hệ số tốc độ dòng chảy

55



Hệ số co h p

56

t

Chiều dày tư ng


xii
57



bộ.
Khi xây dựng đư ng ô tô đã chú ý đặc biệt đến việc xây dựng công trình
thoát nước nhỏ ngang đư ng ô tô, mặc d lo i công trình này chiếm t tr ng
không lớn so với các công trình khác, nhưng khả n ng tiêu thoát l của công
trình thoát nước nhỏ l i ảnh hưởng và liên quan trực tiếp đến tu i th của áo
đư ng, nền đư ng và các công trình khác trên đư ng.
Nước Lào nằm trong v ng khí hậu nhiệt đới gió m a, lượng mưa và khí
hậu điều hòa trong n m, song một số v ng có lượng mưa lớn và không đều. Lào
có địa hình đ i núi có vách đá cao và m ng lưới giao thông từ miền ắc xuống
Nam có tuyến đư ng qua v ng núi, do độ dốc lớn, lưu lượng nước trên đỉnh núi
chảy xuống nhanh dẫn đến những hư hỏng công trình thoát nước trên đư ng ô tô
làm cho chất lượng của tuyến đư ng không n định theo các m a trong n m.
Một trong số các nguyên nhân quan tr ng là phư ng pháp tính toán thủy lực cho
công trình thoát nước nhỏ và sự lựa ch n tr ng thái nguy hiểm của công trình có
thể còn chưa hợp lý.

ể nâng cao khả n ng thoát nước ngang đư ng ô tô cần

phải nghiên cứu một số bài toán tính toán thủy lực như: tính thủy lực bậc nước
và dốc nước, tính xói sau cống, tính tốc độ bắt đầu xói đáy dòng chảy. Tất cả
những vấn đề trên điều liên quan đến việc nghiên cứu phư ng pháp thiết kế để
nâng cao khả n ng thoát nước nhỏ trên đư ng ô tô.
T i CHDCND Lào, để tính toán thủy lực cho công trình thoát nước này,
nước Lào hiện nay đang d ng các phư ng pháp của nước ngoài (chủ yếu là châu
Âu, Mỹ, Việt Nam) trong điều kiện tự nhiên và khí hậu của Lào.


2
Thực tế đó đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu h n về vấn đề này. Với
trình độ và kinh nghiệm của các nhà khoa h c – kỹ thuật Việt Nam có thể giúp

Luận án trình bày trong 166 trang g m phần Mở đầu, Phần nội dung luận
án trong 04 chư ng, Phần kết luận và kiến nghị, Hướng nghiên cứu tiếp theo,
Tài liệu tham khảo và Phụ lục.
Luận án g m những phần sau:


3
M
Mở ầ
C

1: T ng quan về đặc điểm điều kiện tự nhiên, tình hình m ng
lưới giao thông và sự phá ho i các công trình thoát nước nhỏ
trên đư ng ô tô ở Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào.

C

2: T ng quan về tính thủy lực bậc nước nhiều cấp, sức cản thủy
lực ở dốc nước, khởi động của h t ở đáy dòng chảy và xói
sau gia cố công trình thoát nước nhỏ ngang đư ng.

C

3: Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế thủy lực công trình
thoát nước nhỏ ngang đư ng cho nước Cộng Hòa Dân Chủ
Nhân Dân Lào.

C

4: Giải pháp xây dựng công trình thoát nước ngang đư ng có


PHÁ HOẠI CÁC CÔNG TR NH

THOÁT NƯỚC NHỎ TR N ĐƯỜNG Ô TÔ Ở NƯỚC
CỘNG HÒA D N CHỦ NH N D N ÀO
Đ c đi m đi u iện đ a h nh và h h u ở ào

1.1.

Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào là một nước có diện tích tư ng
đối rộng với diện tích 236.800 km2.

ịa hình của Lào chủ yếu là đ i núi cao

chiếm t lệ 70% và đ ng bằng chiếm 30% của diện tích cả nước.
- Đ a h nh: miền núi và cao nguyên chiếm tới h n 3/4 diện tích tự nhiên, còn l i
là một số v ng đ ng bằng. Nói chung là v ng núi ở Lào có độ cao trung bình
chiếm phần lớn phía

ắc và phía

ông, đỉnh cao nhất là núi

ịa (2820m), và

một số đỉnh cao khác như: núi Xao (2690m), núi S n (2218m), núi Hu t
(2452m). Núi ở hai tỉnh ông ắc Lào là Xiêng Khoảng - X m Nưa, n i bắt đầu
của dãy núi Trư ng S n ắc. Hướng chung của chúng là

ông ắc - Tây Nam


1.2.1. G

ớ

ăm 1975

Vấn đề giao thông vận tải liên l c là một trong những vấn đề quan tr ng
nhất mà Lào phải tiếp thu l i di sản của chế độ thuộc địa. Việc không có đư ng
sắt và lối thông ra biển c ng như một hệ thống đư ng bộ thống nhất trong cả
nước, sự phân bố không đều các tuyến đư ng theo lãnh th đã kìm hãm sự phát
triển của quan hệ kinh tế giữa những v ng khác nhau trong nước, cản trở sự hình
thành một thị trư ng chung trong toàn quốc và phát triển những quan hệ kinh tế
quốc tế. Chi phí vận chuyển rất cao đã làm t ng thêm giá thành những hàng hoá
lư ng thực và các hàng hoá tiêu d ng khác, điều đó đã tác động nghiêm tr ng
đến đ i sống của nhân dân.
Những tuyến đư ng quốc lộ chỉ nối liền các thành phố lớn nhất của đất
nước, trong khi nhiều v ng nông thôn, đặc biệt là v ng miền núi vẫn hoàn toàn
bị cách ly. Trong th i kỳ 1963-1974 độ dài đư ng sá đã t ng từ 4300-7400 km,
trong đó có đư ng rải nhựa t ng từ 1200-2900 km. Song mật độ đư ng bộ ở Lào
vẫn là một trong những mức thấp nhất ở Châu á có 2,6 km/100 km2 lãnh th .
Chỉ có 4 thành phố như: Luông Pha

ang, X m Nửa, Ph ng Xả Ly và

Luông N m Tha đi tới biên giới Thái Lan, Trung Quốc và Việt Nam. Th i kỳ
1965-1974, ở đây đã xây dựng một vài tuyến đư ng rải nhựa, có thể sử dụng
trong bất kỳ m a nào, chúng ch y từ Ph ng Xả Ly đến biên giới phía

ắc và

1985 nước Lào có 12500 km đư ng, trong đó đư ng nhựa 2400 km, đư ng rải
đá d m 3300 km, đư ng cấp phối 6800 km.
1.2.3. G

ăm 1985-2000

Trong giai đo n này ngành giao thông vận tải của Lào đã phát triển một
số tuyến đư ng nối tới nông thôn, v ng sâu, v ng xa, các tuyến đư ng đi ra các
nước láng giềng Việt Nam, Thái Lan, Campuchia, Trung Quốc, các tuyến đư ng
đi tới biển phía ông Việt Nam và phía Nam Campuchia và một số tuyến đư ng
d c theo biên giới phía Tây Thái Lan. Cải t o và phục h i các tuyến đư ng từ
trung ư ng đến các tỉnh và các tỉnh đi tới một số huyện lỵ (chưa có đư ng). ặc
biệt đã thành công xây dựng đư ng mới trong thủ đô và xây dựng được hai
chiếc cầu lớn vượt qua sông Mê kông Tha
Phôn Thong.

ưa - Nông Khai; Pak Sê - Mư ng


7
1.2.4. G

ọ

ăm 2000-2015

Những n m gần đây, thực hiện chính sách đ i mới, Chính phủ Lào đã tập
trung đầu tư m nh mẽ cho c sở h tầng giao thông vận tải đư ng bộ. Nhiều
tuyến đư ng đã xây dựng mới hoặc nâng cấp theo hướng công nghiệp hoá - hiện
đ i hoá, với tiêu chuẩn kỹ thuật cao, với công nghệ tiên tiến. C sở h tầng giao


3

ư ng nhựa

4

ư ng cấp phối

13864

5

ư ng đất

20292

Tổng cộng

34
496
4882

39568


8

Hình 1.1: Bản đồ mạng lưới đường Quốc lộ CHDCND Lào


thấp, công tác duy tu bảo dưỡng không thư ng xuyên, công tác quản lý và chi
phí còn h n chế, chưa đáp ứng được kịp th i cho việc duy tu bảo dưỡng đư ng
ô tô ở Lào.
1.3.1. Nhữ

ờ

ặ

ớ

ờ

và nguyên nhân gây ra
Hiện tượng hư hỏng công trình thoát nước nhỏ trên đư ng ô tô ở nước
CHDCND Lào xảy trên tất cả các tuyến đư ng đang khai thác. Hậu quả do
chúng để l i thư ng gây ra t n thất lớn, tốn phí nhiều chi phí sửa chữa, khôi
phục, gián đo n giao thông nhiều ngày sau mưa l , đe d a nghiêm tr ng an toàn
giao thông. ể phục vụ cho luận án NCS đã khảo sát nhiều tuyến đư ng ở nước
CHDCND Lào như: đư ng 1D, đư ng số 1J, đư ng số 2E, đư ng số 4A, đư ng
số 7, đư ng số 8, đư ng số 12... Các kết quả khảo sát NCS đã trình bày chi tiết ở
báo cáo chuyên đề : Sự phá hoại các công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô
của nước CHDCND Lào và các nguyên nhân gây ra. Dưới đây NCS xin tóm tắt
một số hư hỏng điển hình liên quan trực tiếp đến những vấn đề trong nội dung
của luận án.
1. Hư hỏng rãnh thoát nước
Rãnh thoát nước đóng vai trò quan tr ng đảm bảo chất lượng khai thác
các đư ng ô tô t i Lào, lượng mưa hàng n m lớn, địa hình dốc, nếu không có




Hình 1.3A: Hư hỏng thượng lưu cống

Hình 1.3B: Hư hỏng hạ lưu cống

Hình 1.3C: Hậu quả của hiện tượng

Hình 1.3D: Hậu quả xói hạ lưu làm

xói hạ lưu cống, nền đường bị cắt đứt

đứt cả mặt đường nhựa tuyến đường
4A tại km 55+200

3. Hư hỏng xói lở thân cống, nền đư ng t i vị trí cống bị cắt đứt
Nguyên nhân: do lưu lượng nước chảy quá lớn, thiết kế khẩu độ cống
không thích hợp (không đủ khả n ng thoát nước). Khi mưa l một phần lớn
lượng nước tràn trên nền đư ng, gây xói và cắt đứt nền đư ng t i vị trí cống.
Cống bị phá hủy hoàn toàn. Khắc phục hiện tượng này phải chủ ý đến phư ng
pháp xác định lưu lượng nước thiết kế và các công thức xác định khẩu độ cống
(nội dung trình bày trong chư ng 4).

Hình 1.4: Sự phá hoại cống do đất nền đường bị xói mòn