SỬ DỤNG RỌ ĐÁ LÀM CÔNG TRÌNH TIÊU NĂNG
CHO CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG

KS. MAI QUANG HUY
KS. PHẠM THANH TÙNG
Bộ môn Thuỷ lực - Thuỷ văn
Khoa Công trình
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Báo cáo trình bày cơ sở thuỷ lực của việc áp dụng rọ đá làm công trình tiêu
năng ở hạ lưu công trình thoát nước nhỏ trên đường, đồng thời chỉ ra phương pháp đánh giá
ổn định của công trình và phạm vi áp dụng.
Summary: The report presents hydraulic basis of using gabions as energy dissipators at
outlets of small structures and proposes a method of computing gabions stability and the
application extent as well.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
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 các 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 các giáo
trình chưa trình bày cách tính toán thủy lực cho các công trình được thiết kế theo phương pháp
gia cố mềm. Do đó báo cáo 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.
TCT1

II. NỘI DUNG CHI TIẾT
2.1. Các dạng sơ đồ tính thủy lực cơ bản

a) Sân bậc không gia cố ở hạ lưu

b) Sân bậc không gia cố kết hợp với tường tiêu năng

c) Sân bậc có gia cố dạng tường tiêu năng

d) Sân bậc có gia cố dạng bể tiêu năng
Hình 1. Các sơ đồ 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.
2.2. Tính toán thuỷ lực
2.2.1. 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.
1. Đường năng
2. Đường mặt nước
3. Đáy tự nhiên
4. Hố xói cực đại
5. Kết cấu rọ đá
6. Đất đắp
X: Chiều dài nước rơi

L
g
: Chiều rộng của
công trình
Z: Cao độ mặt nước;
f
g- n
Cao độ đáy và
cao độ của kết cấu
công trình.
P
1
P
0
0
2
1
12
3
3
3
f
3
2
2
3
5
4
3
g

z
g
g
g
x
z
v
f
b
f
0
6
h
h
h
H

0: mặt cắt ở thượng lưu; g: mặt cắt trên đỉnh kết cấu
1: mặt cắt co hẹp; 2: mặt cắt ứng với chiều sâu liên hiệp
3. mặt cắt ở hạ lưu
Hình 2. Trường hợp không gia cố ở hạ lưu

CT 1
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:
h

x
= z
3
- f
b
= 4,75(H + P)
0,2
32,0
90
57,0
d
q

(2)
trong đó z
3
, f
b
, z
0
được tính bằng (m), q: lưu lượng đơn vị (m
3
/s/m), d
90
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.
2.2.2. 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.


1. Đường năng
2. Đường mặt
nước
3. Đáy tự nhiên
4. Hố xói cực đại
A. Kết cấu rọ đá
B. Đất đắp
C: Chiều cao
tường
L
g
: Chiều rộng
của công trình
Z: Cao độ mặt
nước

1
h
P
H
h
h
g
z

2
6
1
2
3
3
4
C
4
A
3
B
g
z
0
f
0
3
3
z
3
2
C
f
c
z
0
3
1
1

f
g- n
Cao độ đáy và cao độ của kết cấu công trình
0: mặt cắt ở thượng lưu; g: mặt cắt trên đỉnh kết cấu
1: mặt cắt co hẹp; 2: mặt cắt ứng với chiều sâu liên hiệp
Hình 3. Trường hợp không gia cố kết hợp với tường tiêu năng

Lưu lượng dòng chảy qua tường có thể xác định theo công thức:
3/2 3/2
c2c c1
Qmb2g(z f) mb2gH=−=
(3)
trong đó: b
c
: bề rộng đập; m: hệ số lưu lượng
g: gia tốc trọng trường; z
2
: được chọn ứng với giá trị giới hạn của chiều sâu xói, sau đó sử
dụng công thức trên để tính được f
c
(cao độ đỉnh tường). Khoảng cách giữa đập và tường tính
theo công thức sau:
L
t
= L
12
+ X (4)
L
12
: Chiều dài của nước nhảy, được tính theo công thức:

TCT1
L
12
= 6,9(z
2
- z
1
) (5)
2.2.3. Tường tiêu năng có gia cố đáy bể
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.
1. Đường năng
2. Đường mặt nước
3. Đáy tự nhiên
A. Kết cấu rọ đá
B. Gia cố đáy phần
trước tường
C. Chiều cao tường
D. Tường bên phía
sau
F. Đất đắp
L
g
: Chiều rộng của
công trình
Z: Cao độ mặt nước

P
h
V

V
Z
C
h
P
H
1
1
2
D
1
2
B
C
B
A
F
B
0
0
z
0
g
g
2
z
2
C
3
z

3
3
3
C
2
f
L
b
L
12
L
g1
1
1

f
g- n
Cao độ đáy và cao độ của kết cấu công trình
0: mặt cắt ở thượng lưu; g: mặt cắt trên đỉnh kết cấu; 1: mặt cắt co hẹp;
2: mặt cắt ứng với chiều sâu liên hiệp; 3. mặt cắt ở hạ lưu
Hình 4. Trường hợp tường tiêu năng có gia cố đáy bể

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:
h
1
=

)PH(g2b
Q
b
+
(6)
Để tiêu hao phần lớn năng lượng trong phạm vi bể, cần phải tạo ra nước nhảy tại chỗ.
Chiều sâu dòng chảy ở trạng thái chảy êm trong bể (chiều sâu bể) có thể tính theo:
2
22
111
2
2
b1 b1
hhh
2Q 8Q
h
2gbh42 gbh
23
11
⎡
⎤
=− + + = + −
⎢
⎥
⎢
⎥
⎣
⎦
(7)
Chiều cao tường có thể được xác định theo công thức:

3/2
c2
Qmb2g(h C)=−
(8)
Chiều sâu dòng chảy dưới luồng nước rơi có thể xác định theo công thức sau:
2
a
230,22
b
Q
hP
(gb P )
=
(9a)
Khoảng cách từ chân công trình đến mặt cắt co hẹp (có chiều sâu nhỏ nhất) và chiều dài
nước nhảy sẽ là chiều dài bể tiêu năng.
Chiều dài nước rơi:
1
a
(2P h) P h
Lg
2(P h ) h
+
+
=
−
+
(9b)
CT 1
Chiều dài nước nhảy được xác định theo công thức:

12 2 1
L6,9(hh)
=
−
(10)
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:
2
Dq/gP=
3
)
(11)
Khi biết D, các kích thước của kết cấu có thể xác định như sau:
0.27
1
0.22
a
0.425
1
0.27
2
12 2 1
Lg / P 4,3D
h/P 1.00D
h/P 0.54D
h/P 1.66D
L6.9(hh
=
=

=
=
=−
(12)
2.2.4. 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.


1. Đường năng
2. Đường mặt
nước
3. Đáy tự nhiên
A. Kết cấu rọ đá
B. Gia cố đáy bể
D. Tường bên
phía sau
F. Đất đắp
L
12
: Chiều dài
nước nhảy tối
thiểu
L
g
: Chiều rộng
của công trình
Z: Cao độ mặt
nước


H
P
1
P
h
h
v
h
b
h
h
F
B
1
2
B
C
B
A
F
B
z
0
f
0
z
0
f
3
z

3
z
2
z
g
z
1
g
C
2
L
b
L
12
L
g1
0
0
g
1
2
2
2
z
v
g
f
D
3
3

E
D

f
g- n
Cao độ đáy và cao độ của kết cấu công trình
0: mặt cắt ở thượng lưu; g: mặt cắt trên đỉnh kết cấu; 1: mặt cắt co hẹp
2: mặt cắt ứng với chiều sâu liên hiệp;3. mặt cắt ở hạ lưu
Hình 5. Trường hợp gia cố dạng bể
Để xác định được các kích thước của bể ta có phải kết hợp các quan hệ dưới đây:
22
1
222
01b
2
22
111
2
22
b1 b1
22
hb 2
222
32b
QQ
(P H) h
2g 2gh b
hhh
2Q 8Q
h1

2gbh42 gbh
QQ
(h h ) h
2g 2gh b
++ =+
Ω
3
1
⎡
⎤
=− + + = + −
⎢
⎥
⎢
⎥
⎣
⎦
++ =+
Ω

(13)


(14)


(15)
TCT1
2
3

F
1
h
h
1
1
2
h
3
H
w
z
m
f
m
S
w
H
wm
P
t
P
2w
P
1w
H
tv
h
4
h

5
P
g
z
v

1. Đáy dòng chảy; 2. Mặt nước; 3. Đấ đắp t
Hình 6. Sơ đồ tính toán ổn định

Từ công thức (13) ta tính được h
1
, từ công thức (14) ta tính được h
2
, thay hai giá trị này vào
(15) nếu thỏa mãn thì chấp nhận được h
1
, h
2
. Nếu không thỏa mãn ta phải tính lại h
1
, h
2
.
2.3. Phân tích ổn định của đập
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:

2.3.1. Tải trọng tác dụng
a. Theo phương ngang
I. Do áp lực nước

b. Theo phương đứng
I. Do áp lực nước


wm w12345
H 0.5 (2h h h )(h h )=γ ++ +
ở
thượng lưu
2
wm w 4 5
H0.5(hh=γ +)
)
ở hạ lưu
II. Áp lực đất
2
tm tw a 2 3
H0.5 (hh=γλ +
ở thượng lưu
2
tv tw a 5
H0.5 h=γλ
ở hạ lưu

trong đó:
w1 w1 w
PS
=
γ

w2 w2 w

PS
=
γ

II. Áp lực đất
tsoil
PS
t1
=
γ

III. Do dòng nước chảy
w w45 w 123 45
S b(h h ) 0,5 b[(h h h (h h )]
=
γ++γ ++−+

IV. Tải trọng bản thân
g sub.struc g1 drystru g
PS S .
=
γ+ γ

w
γ
Khối lượng riêng của nước (thường trong khoảng 1000
÷
1100 kg/m
3
)

g
γ

Khối lượng riêng của rọ đá
gs g
(1 n )γ=γ −
s
γ
Khối lượng riêng của vật liệu. Có thể xem trong bảng.
g
n

Hệ số rỗng của đá (thường n
g
= 0.3)
g1
γ

Khối lượng riêng bão hòa của nước
g1 s g g w
(1 n ) nγ=γ − + γ
tw
γ
Khối lượng đẩy nổi của đất:
tw s w
()(1γ=γ−γ −n)
n Hệ số rỗng của đất
t1
γ Khối lượng bão hòa của đất:
t1 s w

(1 n) nγ=γ − +γ
a
λ
Hệ số áp lực chủ động của đất:
a2
tg (45 / 2)
λ
=−ϕ

ϕ
Góc ma sát trong của đất
CT 1
2.3.2. 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 (H
wm
, H
wv
)
+ Áp lực ngang của đất (H
tm)
+ Áp lực động của nước (S
w
)
Các lực giữ ổn định: + Trọng lượng bản than kết cấu (P
g
)
+ Trọng lượng nước (P
w1

, P
w2
)
+ Trọng lượng đất (P
t
)
+ Áp lực ngang của nước và đất ở phía hạ lưu (H
wv
, H
tv
)
Hệ số chống lật: s
r
= M
s
/M
r
trong đó: M
s
: tổng mô men của các lực giữ ổn định đối với tâm quay; M
r
: tổng mô men của


các lực gây lật.
Đối với những công trình nhỏ thì s
r
> 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:
Htg V<ϕ
∑∑

trong đó:
: tổng các lực theo phương ngang
H
∑
: tổng các lực theo phương đứng
V
∑
: hệ số ma sát giữa rọ đá và nền đất, thường ta lấy bằng 35
ϕ
0
, khi đo tg
ϕ≅
0,7. Khi
đó hệ số chống trượt s
s
sẽ được tính như sau:
s
stg V/H=ϕ
∑
∑

Để đảm bảo khả năng chống trượt thì s
s
>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
wc gl w
h.sh
γ
<γ +γ

trong đó: s: chiều dầy của rọ đá gia cố;
h: chiều sâu dòng chảy bên trên phần rọ đá gia cố;
h
c
: cột nước thấm ở hạ lưu.

III. KẾT LUẬN
Báo cáo trình bày được các sơ đồ tính toán thủy lực cho một số công trình tiêu năng trên
đường ô tô có sử dụng rọ đá để gia cố. Đồng thời cũng nêu lên một số điều kiện ổn định cho
dạng kết cấu này.

Tài liệu tham khảo
[1]. PGS.TS. Trần Đình Nghiên. Thiết kế thủy lực cho các dự án cầu đường. NXB Giao thông vận tải
2003.
[2]. Trần Đình Nghiên, Bùi Thị Vinh, Phạm Văn Vĩnh. Thủy lực công trình. Trường Đại học GTVT 1996.
[3]. Tricoli Dario. Use of gabions in small hydraulic works. 2004♦