10 Vận chuyển bùn cát & các khái niệm về kênh phù sa

10.1 Giới thiệu

Dòng nước chảy hình thành các kênh phù sa và vùng ngập lũ nhờ vào quá trình vận chuyển và lắng đọng phù sa. Phù sa có trong đoạn sông có thể bị xói mòn và vận chuyển về phía hạ lưu trong tương lai, dẫn đến sự điều chỉnh kênh tiềm năng. Quá trình bồi tụ và xói lở là sự nâng lên hoặc hạ thấp tổng thể của đáy kênh theo thời gian do tích tụ bùn cát hoặc xói mòn. Hiện tượng mở rộng và dịch chuyển kênh xảy ra do xói lở bờ do lực thủy lực hoặc do sạt lở hàng loạt của bờ kênh.

Hầu hết các kênh không cố định mà thay đổi đáy và bờ trong suốt vòng đời của cây cầu, và thiết kế cầu an toàn cần tính đến khả năng điều chỉnh kênh tiềm năng. FHWA định nghĩa “khả năng phục hồi” là:
“… khả năng dự đoán, chuẩn bị, hoặc thích nghi với điều kiện hoặc chịu đựng, ứng phó, hoặc phục hồi nhanh chóng từ những gián đoạn …” [23 U.S.C. § 101(a)(24)].
Độ tin cậy gắn liền với khả năng phục hồi vì một mạng lưới giao thông có tính phục hồi sẽ an toàn hơn và ít bị trì hoãn hoặc hư hỏng. Việc xác định và điều chỉnh các điều kiện sông ngòi tiềm năng trong tương lai ngay trong quá trình thiết kế làm cho các công trình giao thông trở nên bền vững và tin cậy hơn. Do đó, ranh giới có thể dịch chuyển của sông phù sa là một yếu tố cần được xem xét trong thiết kế cầu. Ngoài việc thích nghi với điều kiện tương lai, thiết kế cầu phù hợp với quá trình vận chuyển bùn cát từ thượng lưu sẽ ít cần bảo trì hơn và ít gây xáo trộn môi trường sống thủy sinh.

Tính ổn định của kênh và vận chuyển bùn cát là các quá trình phức tạp tương tác để tạo ra hình dạng kênh hiện tại và những điều chỉnh tiềm năng trong tương lai. HEC-20 (FHWA 2012c) đề xuất đánh giá định tính (Cấp độ 1) và phân tích kỹ thuật tiêu chuẩn (Cấp độ 2) ngay cả khi thực hiện mô hình vận chuyển bùn cát tiên tiến (Cấp độ 3). Thông tin và kiến thức từ các quá trình chính trong Cấp độ 1 là cơ sở cho Cấp độ 2 và 3. Cấp độ 2 thường được áp dụng trong các thiết kế cầu mới và trong nhiều đánh giá cầu hiện hữu. Nghiên cứu vận chuyển bùn cát trong Cấp độ 3 hiếm khi được thực hiện và chỉ dành cho các trường hợp phức tạp.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát, như được mô tả trong HEC-16 (FHWA 2023a). Các yếu tố bao gồm:

• Đặc tính bùn cát.
• Thủy văn.
• Điều kiện lưu vực và sử dụng đất.
• Hình học kênh (hình dạng và độ dốc).
• Thảm thực vật.
• Các yếu tố sinh học khác.

Các kênh phản ứng và điều chỉnh theo sự thay đổi của dòng chảy và nguồn cung cấp bùn cát. Do đó, sự thay đổi điều kiện lưu vực thường gây ra điều chỉnh hình học kênh. Hình học kênh, vật liệu đáy, và thảm thực vật quyết định các biến thủy lực (chẳng hạn như vận tốc và độ sâu đối với một lưu lượng nhất định), từ đó ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển bùn cát. Do đó, vận chuyển bùn cát và sự ổn định của kênh không chỉ phụ thuộc vào các quá trình vật lý cụ thể mà còn phụ thuộc vào lịch sử của các yếu tố tự nhiên và do con người gây ra trong lưu vực.

Tài liệu HEC-20 (FHWA 2012c) và HEC-16 (FHWA 2023a) là các tài liệu tham khảo chính của FHWA liên quan đến các chủ đề bất ổn dòng chảy và vận chuyển phù sa. Các nguồn tài liệu khác bao gồm:

• Sedimentation Engineering (ASCE 2008)
• Các giáo trình như:
  • Simons và Senturk (1992)
  • Yang (2003)
  • Julien (2010)
• Các tài liệu hướng dẫn sử dụng chương trình máy tính để mô phỏng vận chuyển phù sa.

10.2 Ứng dụng của bài toán Vận chuyển Bùn cát trong Các Dự án Cầu

Phân tích vận chuyển bùn cát có thể đóng vai trò trong một số khía cạnh của thiết kế cầu an toàn. Mối quan tâm chính là liệu kênh sẽ bị bồi lắng hay xói lở lâu dài. Bồi lắng làm giảm khả năng thoát nước và có thể làm tăng tần suất và mức độ ngập lụt, nước tràn qua đường và gián đoạn lưu thông. Xói lở đe dọa nền móng cầu do làm mất lớp nền hỗ trợ, khiến cầu dễ bị xói lở trong lũ. Một mối quan tâm liên quan là cây cầu có thể làm thay đổi điều kiện dòng chảy hiện hữu và gây ra bồi lắng hoặc xói lở.

Các cơ quan giao thông cũng có thể thực hiện phục hồi kênh như một phần của việc thay thế cầu. Phân tích vận chuyển bùn cát có thể giúp xác định tác động tiềm tàng của việc phục hồi này nhằm tránh tạo ra một kênh không đủ khả năng vận chuyển bùn cát từ thượng lưu. Kỹ sư có thể thực hiện đánh giá chi tiết hơn về xói do thu hẹp bằng cách sử dụng mô hình vận chuyển bùn cát thay vì dùng các phương trình xói do thu hẹp tiêu chuẩn trong HEC-18.

Tóm lại, các lý do sau đây có thể biện minh cho việc phân tích vận chuyển bùn cát trong một dự án thiết kế cầu:

• Đánh giá chi tiết hơn về xói do thu hẹp tiềm năng.
• Đánh giá khả năng xói lở hoặc bồi lắng lâu dài.
• Lo ngại về việc thay thế cầu hoặc cống có thể ảnh hưởng đến ổn định kênh trong tương lai.
• Duy trì việc vận chuyển bùn cát thông qua cầu, cống hoặc đoạn sông.
• Đánh giá tác động của dự án phục hồi kênh đối với vận chuyển bùn cát và ổn định theo phương thẳng đứng.

10.3 Tính liên tục của bùn cát (Sediment)

Lượng vật chất được vận chuyển, xói lở hoặc lắng đọng trong một kênh phù sa là hàm của nguồn cung bùn cát và khả năng vận chuyển của kênh. Lưu vực phụ và quá trình xói mòn xảy ra ở đáy và bờ kênh thượng lưu cung cấp nguồn bùn cát. Khả năng vận chuyển bùn cát chủ yếu là hàm của kích thước hạt và các đặc tính thủy lực của kênh. Khi khả năng vận chuyển bằng với lượng bùn cát được cung cấp từ thượng lưu, một trạng thái cân bằng được thiết lập.

Các sông tự nhiên thường thể hiện sự thay đổi lớn về vận tốc, độ sâu và chiều rộng dọc theo dòng chảy. Điều này ngụ ý rằng khả năng vận chuyển bùn cát cũng thay đổi, dẫn đến hiện tượng bồi lắng và xói lở. Một kênh có khả năng thích nghi với sự mất cân bằng bùn cát tạm thời nhưng vẫn duy trì sự cân bằng dài hạn giữa nguồn cung và khả năng vận chuyển bùn cát được xem là ổn định động hoặc đang ở trạng thái cân bằng động. Trong một đoạn kênh ổn định động, việc điều chỉnh đáy và bờ kênh cho phép duy trì tính liên tục bùn cát lâu dài với nguồn cung bùn cát từ thượng lưu. Xem HEC-16 để biết thêm thông tin về các kênh ổn định động.

Áp dụng khái niệm tính liên tục bùn cát vào một đoạn kênh cho thấy mối quan hệ giữa nguồn cung bùn cát và khả năng vận chuyển. Trong một khoảng thời gian nhất định, lượng bùn cát vào đoạn kênh trừ đi lượng rời khỏi đầu hạ lưu của đoạn kênh sẽ bằng với sự thay đổi khối lượng bùn cát được lưu trữ trong đoạn kênh đó (Hình 10.1). Nguồn bùn cát từ lưu vực và kênh (thượng lưu đoạn nghiên cứu cộng với nguồn đầu vào bên hông trực tiếp vào đoạn nghiên cứu) xác định lượng bùn cát vào đoạn kênh. Khả năng vận chuyển của kênh trong đoạn nghiên cứu xác định lượng bùn cát ra. Sự thay đổi thể tích bùn cát trong đoạn kênh xảy ra khi tổng lượng đầu vào (nguồn cung bùn cát) không bằng lượng đầu ra (khả năng vận chuyển bùn cát).

Khi nguồn cung bùn cát nhỏ hơn khả năng vận chuyển, thì xảy ra hiện tượng xói (làm hạ thấp đáy) trong đoạn kênh để đáp ứng khả năng vận chuyển tại điểm ra, trừ khi có các biện pháp kiểm soát hạn chế xói. Ngược lại, khi nguồn cung lớn hơn khả năng vận chuyển, thì xảy ra hiện tượng bồi lắng (nâng cao đáy) trong đoạn kênh.

Phương trình Exner mô tả tính liên tục của bùn cát dưới dạng toán học. Dạng vi phân một chiều của phương trình là:

$$(1 – \eta)W \frac{\partial Z}{\partial t} = – \frac{\partial Q_s}{\partial X} \tag{10.1}$$

trong đó:

• W = Bề rộng kênh hoạt động, ft
• Z = Cao độ đáy kênh, ft
• t = Thời gian, s
• η = Độ rỗng của vật liệu đáy kênh (thể tích rỗng / tổng thể tích)
• Q_s = Lưu lượng bùn cát vận chuyển, cfs
• X = Khoảng cách dọc theo kênh, ft

Áp dụng cho một đoạn kênh, phương trình liên tục bùn cát là:

$$\Delta Z = \frac{\Delta t \left( Q_s(\text{in}) – Q_s(\text{out}) \right)}{W L (1 – \eta)} \quad \tag{10.2}$$

trong đó:

• L = Chiều dài đoạn kênh, ft.

10.4 Khái niệm vận chuyển bùn cát

10.4.1 Khởi đầu chuyển động

Dòng nước chảy tác động lên các hạt vật liệu đáy lộ thiên bằng lực kéo và lực nâng. Trường dòng gần biên, dao động rối, kích thước hạt, hình dạng hạt và vị trí tương đối so với các hạt khác đều góp phần vào hoặc ảnh hưởng đến các lực này. Các lực hỗ trợ bên ngoài và trọng lực (ma sát và các điểm tiếp xúc khác giữa các hạt) tác động lên các hạt bùn cát để chống lại chuyển động. Các lực kháng này là hàm của khối lượng riêng hạt, kích thước, hình dạng và vị trí tương đối so với các hạt khác. Vấn đề này đã được đơn giản hóa và nghiên cứu thực nghiệm bởi nhiều nhà khoa học trong điều kiện phòng thí nghiệm, bao gồm Shields (1935). Nhiều tài liệu chi tiết đã được công bố từ nhiều nguồn. Shields liên hệ giữa điểm khởi đầu chuyển động với kích thước hạt, trọng lượng đơn vị khi ngập nước, và ứng suất cắt dòng chảy để dự đoán điểm khởi đầu chuyển động.

Nước đứng tạo ra áp suất thủy tĩnh lên đáy kênh. Đối với dòng chảy đều với độ dốc nhỏ, nước chảy tạo ra một ứng suất cắt trung bình theo thời gian theo hướng dòng chảy bằng áp suất thủy tĩnh nhân với độ dốc đáy kênh:

$$\tau_0 = \gamma \, y \, S_0 \tag{10.3}$$

trong đó:

• τ0 = Ứng suất cắt, lb/ft²
• γ = Trọng lượng đơn vị của nước, lb/ft³
• y = Độ sâu dòng chảy (bán kính thủy lực, độ sâu thủy lực, hoặc độ sâu địa phương), ft
• \(S_0\) = Độ dốc đáy (hoặc độ dốc năng lượng đối với dòng chảy biến đổi dần)

Đối với điều kiện dòng chảy không đều, biến đổi dần, có thể tính ứng suất cắt tác dụng lên bề mặt đáy bằng cách sử dụng cùng công thức, nhưng thay độ dốc năng lượng vào chỗ độ dốc đáy. Một công thức khác hữu ích để ước tính ứng suất cắt trung bình đối với dòng chảy đều hoặc dòng chảy biến đổi dần là:

$$\tau_0 = \frac{\gamma}{y^{1/3}} \left(\frac{Vn}{1.486}\right)^2 \tag{10.4}$$

trong đó:

• n = Hệ số nhám Manning
• V = Vận tốc dòng chảy, ft/s

Phương trình 10.4 cho thấy mối quan hệ giữa vận tốc và ứng suất cắt; ứng suất cắt tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc. Tham số Shields liên hệ ứng suất cắt tới hạn với kích thước hạt và trọng lượng riêng bằng mối quan hệ sau:

$$\tau_c = k_s D_s (\gamma_s – \gamma) \tag{10.5}$$

trong đó:

• \(\tau_c\) = Ứng suất cắt tới hạn để bắt đầu chuyển động, lb/ft²
• \(k_s\) = Tham số Shields
• \(D_s\) = Kích thước hạt, ft
• \(\gamma_s\) = Trọng lượng riêng của hạt, lb/ft³

Tham số Shields thường nằm trong khoảng từ 0.03 đến 0.10 đối với bùn cát tự nhiên và phụ thuộc vào hình dạng hạt, độ sắc cạnh, cấp phối, và sự xếp chồng. Các kỹ sư thường sử dụng giá trị tham số Shields là 0.047 cho cỡ hạt cát. Khi ứng suất cắt do dòng chảy gây ra vượt quá ứng suất cắt tới hạn của hạt, lòng kênh bắt đầu bị động, vận chuyển vật liệu đáy về phía hạ lưu. Vì các hạt nhỏ, dễ di chuyển hơn bị che chắn bởi các hạt lớn hơn và các hạt lớn hơn, khó di chuyển hơn lại nhô vào trường dòng chảy, nên các khái niệm về hiding và equal mobility (threshold) (tạm dịch: che chắn và ngưỡng di động ngang nhau) của sediment bed load đã được phát triển (xem ASCE 2008 và Julien 2010 để biết thêm thông tin về chủ đề này). Mặc dù các hạt không thực sự di động như nhau, việc coi lòng sông là có thể di động khi sử dụng kích thước hạt trung vị, \(D_{50}\), để đánh giá tính động của đáy là hữu ích.

(nd: sediment bed load)

Sediment bed load là phần bùn cát/phù sa (trầm tích) nằm gần đáy dòng chảy và được vận chuyển dọc theo đáy do tác dụng của dòng nước.

Chuyển động của hạt bắt đầu như là sự trượt và lăn của các hạt riêng lẻ dọc theo đáy kênh. Phương trình Shields không phải là phương trình vận chuyển bùn cát vì nó không cung cấp ước lượng nào về khối lượng vật liệu đang chuyển động. Cũng cần lưu ý rằng chỉ ứng suất cắt tác động lên hạt, hoặc ma sát hạt (grain friction), mới nên được sử dụng trong quan hệ này. Điều này có nghĩa là ứng suất cắt từ các nguồn khác, bao gồm hình dạng đáy hoặc thực vật, bị loại khỏi ma sát hạt. Theo quan điểm của phương trình 10.4, nên sử dụng giá trị Manning’s n của ma sát hạt.

10.4.2 Các dạng vận chuyển bùn cát

Khi ứng suất cắt tác dụng vượt quá ứng suất cắt tới hạn, vật liệu đáy bắt đầu di chuyển (lăn, trượt, và nảy) dọc theo bề mặt đáy. Vật liệu này được gọi là bed load hoặc contact load vì nó gần như tiếp xúc liên tục với đáy kênh. Với một lượng nhỏ ứng suất cắt dư (được định nghĩa là ứng suất cắt tác dụng trừ đi ứng suất cắt tới hạn), đây là một dạng của vận chuyển vật liệu đáy.

Khi ứng suất cắt dư tăng lên, chuyển động rối bắt đầu cuốn một số hạt vào dòng chảy. Chuyển động rối khuấy trộn các hạt trong cột nước trong khi trọng lực đồng thời làm các hạt lắng xuống. Do đó, vật liệu đáy cũng có thể được vận chuyển về phía hạ lưu như suspended bed material load (tạm dịch: tải lượng vật liệu đáy lơ lửng). Hình 10.2 minh họa hai dạng bed material load (tạm dịch: tải lượng vật liệu đáy).

Suspended bed material load được minh họa trong Hình 10.2 là kết quả của sự tương tác giữa trọng lực và nhiễu loạn. Do trọng lực khiến các hạt lắng xuống, nồng độ cao nhất nằm gần đáy. Nhiễu loạn trộn các hạt trong cột nước và, tùy thuộc vào kích thước và tỷ trọng của các hạt, tương đối ít hạt có thể đến được mặt nước. Sự lơ lửng các hạt được minh họa trong Hình 10.3, trong đó biểu diễn phân bố nồng độ cho một dải kích thước hạt trong dòng chảy hỗn loạn. Một phương trình mô tả phân bố nồng độ là:

$$\frac{c}{c_a} = \left[ \frac{(y_0 – y)}{y} \left( \frac{a}{y_0 – a} \right) \right]^z \tag{10.6}$$

trong đó:

c = Nồng độ sediment tại cao độ y tính từ đáy kênh
c_a = Nồng độ sediment tham chiếu tại cao độ a tính từ đáy kênh
a = Cao độ tham chiếu tính từ đáy kênh, ft
y₀ = Tổng chiều sâu dòng chảy, ft
z = Số Rouse = ω / βkv*
ω = Vận tốc rơi của hạt trong nước tĩnh, ft/s
β = Tham số liên hệ giữa hạt và chuyển động động lượng do nhiễu loạn
k = Hằng số Von Karman bằng 0.4
v* = Vận tốc ma sát = (τ₀/ρ)^0.5 = (gRS₀)^0.5, ft/s
ρ = Khối lượng riêng của nước, slugs/ft³

g = Gia tốc trọng trường, ft/s²
R = Bán kính thủy lực, ft

Hạt lớn có vận tốc rơi lớn hơn và giá trị số Rouse cao hơn. Do đó, Hình 10.3 cho thấy rằng các hạt lớn vẫn ở gần đáy kênh khi có mức độ nhiễu loạn nhất định (được biểu thị bằng ứng suất cắt). Các hạt mịn hơn có giá trị số Rouse nhỏ hơn, được trộn cao hơn vào dòng chảy và có nồng độ tương đối cao hơn. Julien (2010) chỉ ra rằng các kích thước hạt có số Rouse nhỏ hơn 0.025 (1/40) có các đường phân bố nồng độ hầu như đồng đều trong toàn bộ cột nước. Những hạt này cực kỳ mịn, chủ yếu là bùn và đất sét. Chúng có vận tốc rơi rất nhỏ và tạo thành phần wash load (tải lượng trôi nổi) trong tổng sediment load. Wash load chủ yếu bắt nguồn từ xói mòn thượng lưu và xói mòn bờ tại vùng lũ. Vật liệu wash load không xuất hiện nhiều trong nền đáy kênh và có thể bao gồm các hạt lớn như cát.

Tóm lại, tổng sediment load được vận chuyển qua một đoạn kênh bao gồm bed material load và wash load. Một phần bed material load di chuyển dọc theo đáy (bed load), phần còn lại di chuyển trong trạng thái lơ lửng (suspended bed material load). Wash load được cung cấp cho đoạn kênh từ thượng lưu, không phải từ nền đáy kênh. Cát có thể hoạt động như wash load trong các kênh có đáy thô, như kênh có đá cuội hoặc sỏi lớn. Điều này là do các kênh này hầu như không có cát trong đáy nền và vì nguồn cung cấp ít hơn nhiều so với khả năng của kênh trong việc vận chuyển kích thước hạt đó.

10.4.3 Dạng đáy (Bed Forms)

Vật liệu đáy di chuyển dễ dàng trong các sand-bed streams (dòng đáy cát), và dòng chảy liên tục làm thay đổi hình dạng đáy. Sự tương tác giữa hỗn hợp nước-sediment và sand-bed tạo ra nhiều cấu hình đáy khác nhau, từ đó thay đổi sức cản dòng chảy, vận tốc, cao độ mặt nước và vận chuyển bùn cát. Do đó, việc hiểu các dạng đáy (bed form) khác nhau có thể xảy ra, hình dạng, sức cản dòng chảy và khả năng vận chuyển bùn cát tương ứng với mỗi dạng sẽ hỗ trợ phân tích điều kiện thủy lực trong kênh phù sa.

Chế độ dòng chảy (Flow Regime):

Các dạng đáy trong kênh đáy cát phù sa được chia thành chế độ dòng chảy thấp và cao, được phân tách bởi vùng chuyển tiếp. Hình 10.4 minh họa các chế độ và vùng chuyển tiếp này. Các con số trong hình thể hiện thứ tự xuất hiện của các dạng đáy khi dòng chảy tăng lên. Mặc dù vận tốc dòng chảy cao hơn trong chế độ cao, nhưng không có mối quan hệ cụ thể nào giữa phân loại chế độ dòng chảy theo dạng đáy và số Froude (tức là điều kiện siêu tới hạn hoặc dưới tới hạn). Các chế độ dòng chảy bao gồm:

• Chế độ dòng chảy thấp: sức cản dòng lớn và vận chuyển bùn cát nhỏ. Dạng đáy có thể là gợn (ripples), cồn (dunes) hoặc kết hợp cả hai. Dao động mặt nước ngược pha với mặt đáy, và có vùng phân tách phía hạ lưu của đỉnh mỗi gợn hoặc cồn. Vận tốc chuyển động của các gợn hoặc cồn phụ thuộc vào chiều cao và tốc độ di chuyển của các hạt dọc theo bề mặt dạng đáy.
• Vùng chuyển tiếp: cấu hình đáy có thể thay đổi từ chế độ thấp sang cao, phụ thuộc vào điều kiện ban đầu. Nếu đáy ban đầu là cồn, dòng chảy có thể tăng lên đến giá trị phù hợp với chế độ cao mà không thay đổi dạng đáy. Ngược lại, nếu đáy ban đầu là dạng phẳng (plane-bed), dòng chảy có thể giảm về mức phù hợp với chế độ thấp mà không thay đổi dạng đáy. Sức cản dòng và vận chuyển bùn cát cũng có mức độ biến thiên tương tự như cấu hình đáy trong vùng chuyển tiếp.
• Chế độ dòng chảy cao: sức cản dòng nhỏ và vận chuyển bùn cát lớn. Các dạng đáy điển hình là phẳng hoặc cồn ngược (antidunes). Mặt nước dao động cùng pha với mặt đáy, và thông thường chất lỏng không bị tách khỏi biên giới, trừ khi cồn ngược bị phá vỡ.

Tác động của dạng đáy tại các vị trí dòng chảy giao cắt với đường

Khi lưu lượng tăng trong nhánh lên của thủy đồ, hầu hết các dòng suối có đáy cát sẽ chuyển từ dạng đáy gợn sang vùng chuyển tiếp hoặc sang dạng đáy phẳng. Sự thay đổi dạng đáy làm giảm sức cản dòng chảy. Sự gia tăng vận tốc dòng chảy và hệ quả là độ sâu giảm có thể làm tăng độ sâu xói và kích thước của lớp đá (riprap) bảo vệ cần thiết để ngăn xói mòn.

Một tác động khác của dạng đáy đến các vị trí giao cắt đường là các cồn (dunes) trên đáy tạo nên mô hình xói dao động. Julien và Klaassen (1995) và Karim (1999) đưa ra các phương pháp tính toán hình học của dạng đáy. Karim đã sử dụng dữ liệu thực nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường cho thấy chiều cao từ đỉnh đến đáy của cồn dao động từ 10% đến 50% độ sâu dòng chảy. Karim cũng đưa ra khoảng chiều cao của antidunes từ 10% đến 40% độ sâu dòng chảy. Bennet (USGS 1997) chỉ ra giới hạn trên xấp xỉ là 40% độ sâu dòng chảy. Phương trình tính chiều cao trung bình của cồn (dune) do Julien và Klaassen đề xuất là:

$$\frac{\Delta}{y} = 2.5 \left( \frac{D_{50}}{y} \right)^{0.3} \tag{10.7}$$

trong đó:
Δ = Chiều cao từ đỉnh đến đáy dune, ft
\(D_{50}\) = Cỡ hạt trung vị của vật liệu đáy, ft
y = Độ sâu dòng chảy, ft

Chiều dài của dune có thể được xấp xỉ bằng 6.5 lần độ sâu dòng chảy (Julien và Klaassen 1995). Hệ số nhám Manning’s n đối với điều kiện đáy có dune có thể lớn hơn gấp đôi so với đáy phẳng (xem Hình 10.5). Việc chuyển đổi từ một đáy có dune sang đáy phẳng, hoặc ngược lại, có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến độ sâu và vận tốc. Khi thiết kế cầu hoặc biện pháp chống xói, một thực hành kỹ thuật tốt là giả định đáy có dune (giá trị n lớn) khi thiết lập cao độ mặt nước và đáy phẳng (giá trị n nhỏ) cho các tính toán liên quan đến vận tốc (FHWA 2012b).

10.5 Tổng quan và Lựa chọn Các Phương Trình Vận Chuyển Bùn cát

Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã tạo ra nhiều phương trình vận chuyển vật liệu đáy cho các dạng vận chuyển khác nhau. Ví dụ, ASCE (2008) thảo luận về mười sáu phương trình bed load (tải lượng đáy). Phương trình Meyer-Peter và Müller (1948) là một phương trình bed load cổ điển mà các kỹ sư vẫn thường xuyên sử dụng. Phương trình có dạng cơ bản như sau:

$$q_b = a \left( \tau_0 – \tau_c \right)^{3/2} \tag{10.8} $$

trong đó:

• q_b = Lưu lượng bed load theo đơn vị chiều rộng kênh, ft²/s
• a = Hệ số thực nghiệm

Cũng giống như trong phân tích sự bắt đầu chuyển động, giá trị ứng suất cắt đáy trong phương trình thường chỉ bao gồm phần ma sát hạt của hệ số nhám. Nhiều phương trình được trình bày trong ASCE (2008) bao gồm ứng suất cắt dư mũ 1.5. Vì ứng suất cắt đáy tỷ lệ với bình phương vận tốc (xem Phương trình 10.4), vận chuyển bùn cát chủ yếu dạng bed load, chẳng hạn như ở các sông đá cuội, thường tỷ lệ với lập phương vận tốc một khi đáy đã được làm chuyển động.

Phương pháp đồ thị Colby (1964) đối với bed material load (tải lượng vật liệu đáy) trong các con sông có đáy cát là một phương pháp kinh điển khác để ước tính vận chuyển bùn cát. Vận chuyển bùn cát lơ lửng là dạng chiếm ưu thế trong hầu hết các điều kiện dòng chảy trong các kênh có đáy cát. Các đường cong Colby tuân theo xu hướng lưu lượng bùn cát tỷ lệ với vận tốc lũy thừa từ 3.5 đến 6. Các số mũ lớn này cho thấy vận chuyển lơ lửng rất hiệu quả trong các kênh có đáy cát vì phần lớn bùn cát lơ lửng di chuyển với vận tốc dòng chảy trung bình.

Phương trình Meyer-Peter Müller và các đường cong Colby cho thấy độ nhạy cao đối với vận tốc dòng chảy. Độ không chắc chắn trong vận tốc dẫn đến độ không chắc chắn lớn hơn trong các tính toán vận chuyển bùn cát. Ví dụ, một thay đổi 10% trong vận tốc có thể dẫn đến thay đổi 30 đến 80% trong tốc độ vận chuyển bùn cát. Do đó, các sai số trong mô hình thủy lực làm tăng thêm sai số trong kết quả vận chuyển bùn cát.

Bed load tăng lên khi vận tốc dòng chảy và ứng suất cắt tăng, nhưng suspended load tăng nhanh hơn và có thể dễ dàng chiếm ưu thế trong quá trình vận chuyển bùn cát. Bed load được vận chuyển ở một phần nhỏ của chiều sâu dòng chảy (thường được xem là gấp đôi đường kính trung vị của hạt), và vận tốc dòng chảy (vận tốc bed load) thấp gần đáy. Dòng chảy mang suspended load qua phần lớn, và có thể là toàn bộ, chiều sâu dòng chảy (xem Hình 10.3). Vận tốc tăng nhanh theo khoảng cách lên khỏi đáy, vì vậy suspended load di chuyển về phía hạ lưu nhanh hơn nhiều so với bed load.

Phương pháp Colby cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình vận chuyển bùn cát. Tuy nhiên, Einstein (1950) đã nghiên cứu suspended load một cách chặt chẽ hơn. Cơ sở của phương trình suspended load Einstein là:

$$q_s = \int_a^{y_0} (v \times c) dy \tag{10.9}$$

trong đó các biến được định nghĩa như trong Phương trình 10.6 và:

• q_s = Lưu lượng suspended load trên mỗi đơn vị chiều rộng, ft²/s
• v = Vận tốc tại độ cao y phía trên đáy, ft/s

Giải tích phân này sử dụng Phương trình 10.6 cho nồng độ bùn cát và một phương trình phân bố vận tốc theo phương đứng. Hình 10.6 minh họa phân bố nồng độ và vận tốc trong cột nước. Việc tích phân phụ thuộc vào nồng độ tham chiếu xác định từ bed load. ASCE (2008) trình bày chín phương trình để xác định nồng độ tham chiếu và một phương trình dễ áp dụng (Abad và Garcia 2006) để giải tích phân Phương trình 10.9. Tốc độ vận chuyển bed load và phân bố nồng độ phụ thuộc vào kích thước hạt. Do đó, phương pháp này bao gồm việc tích phân cho phạm vi kích thước hạt trong vật liệu đáy, và tổng bed material load là tổng của các tỷ lệ vận chuyển được tính cho từng lớp kích thước. Julien (2010) đã sử dụng Phương trình 10.9 để chỉ ra rằng bed load chiếm 80 phần trăm hoặc nhiều hơn tổng tải khi vận tốc cắt chia cho vận tốc rơi nhỏ hơn 0.5, và rằng suspended load chiếm 80 phần trăm hoặc nhiều hơn tổng tải khi vận tốc cắt chia cho vận tốc rơi lớn hơn 2.0.

ASCE (2008) cũng trình bày sáu phương trình dựa trên thực nghiệm để xác định tổng sediment load. Các phương trình này có ưu điểm là dễ áp dụng hơn. Tuy nhiên, chúng chỉ phù hợp để sử dụng trong điều kiện tương tự với dữ liệu đã dùng để phát triển các phương trình đó hoặc khi có sự hỗ trợ từ so sánh với dữ liệu đo đạc. Khái niệm này áp dụng cho việc sử dụng bất kỳ phương trình vận chuyển bùn cát nào. Tài liệu HEC-16 (FHWA 2023a) mô tả một số phương trình vận chuyển bùn cát và các điều kiện được sử dụng trong quá trình phát triển chúng. Danh sách này không đầy đủ vì nó tập trung vào các phương trình trong các mô hình vận chuyển bùn cát không độc quyền.

Vận tốc tăng từ đáy lên mặt nước theo một đường cong lôgarit. Nồng độ bùn cát cao nhất ở đáy và giảm xuống giá trị thấp nhất tại mặt nước.

Có nhiều cách để biểu diễn và tính toán tốc độ vận chuyển bùn cát. Các cách này bao gồm thể tích (cfs, m³/s), khối lượng và trọng lượng (tấn/ngày, tấn-mét/ngày), và nồng độ (ppm, mg/l, thể tích bùn cát/tổng thể tích, và trọng lượng bùn cát/tổng trọng lượng). HEC-16 cung cấp các phương trình để chuyển đổi giữa các cách biểu diễn này (FHWA 2023a).

10.6 Tổng quan về Ứng dụng Mô hình Vận chuyển Bùn cát cho Dự án Cầu

Như đã mô tả trong Mục 10.2, các kỹ sư thực hiện các phân tích và mô hình vận chuyển bùn cát để giải quyết các câu hỏi và vấn đề cụ thể liên quan đến thiết kế cầu. Những vấn đề này bao gồm xói do thu hẹp, bồi tụ và xói lở lâu dài, ảnh hưởng của việc thay thế kết cấu lên ổn định kênh, duy trì vận chuyển bùn cát liên tục qua cầu, và phục hồi kênh như một phần của dự án thiết kế cầu. Mô hình được chọn cho phân tích phụ thuộc vào tình huống và điểm mạnh/yếu của mô hình. Tình huống cũng quyết định phạm vi mô hình, thời gian mô phỏng, và các loại điều kiện biên.

Những yếu tố cần cân nhắc chung cho tất cả các mô phỏng vận chuyển bùn cát bao gồm:

• Điều kiện thủy văn xác định rõ ràng.
• Biểu diễn chính xác các điều kiện thủy lực.
• Phạm vi mô hình hợp lý ở thượng lưu và hạ lưu.
• Xác định lưu lượng bùn cát đầu vào và, nếu có, các nguồn bùn cát khác.
• Xác định kích thước vật liệu đáy và, nếu có, các lớp vật liệu đáy.
• Lựa chọn mối quan hệ vận chuyển bùn cát phù hợp.

Vận chuyển bùn cát rất nhạy cảm với các biến thủy lực, đặc biệt là vận tốc. Mô hình hai chiều (2D) cung cấp kết quả thủy lực chính xác hơn so với mô hình một chiều (1D). Do đó, mô hình vận chuyển bùn cát 2D phù hợp hơn cho nhiều điều kiện thủy lực, bao gồm nhiều thiết kế thủy lực cầu, từ các trường hợp tương đối đơn giản đến phức tạp.

ASCE (2008) chỉ ra rằng các mô hình vận chuyển bùn cát 1D phù hợp cho các mô phỏng liên quan đến các đoạn sông dài và các giai đoạn thời gian kéo dài để xác định phản ứng dài hạn của sông đối với các thay đổi tự nhiên hoặc do con người gây ra. Điều này là do hiệu suất tính toán của mô hình 1D cao hơn so với mô hình 2D. Tuy nhiên, khi phần cứng và phần mềm tiếp tục phát triển, mô hình 2D được kỳ vọng sẽ được áp dụng rộng rãi hơn.

Các phần tiếp theo giải thích cơ sở và các yếu tố cần xem xét khi mô hình hóa cho các ứng dụng vận chuyển bùn cát đã liệt kê ở trên. Tài liệu HEC-16 (FHWA 2023a) thảo luận chi tiết hơn về các yếu tố này. Mỗi ứng dụng yêu cầu kỹ sư xác định kích thước vật liệu đáy và các lớp trầm tích, đồng thời lựa chọn mối quan hệ vận chuyển bùn cát thích hợp. Các yếu tố khác thường thay đổi đáng kể tùy theo từng ứng dụng.

10.6.1 Xói do thu hẹp

Như đã trình bày trong Chương 9, xói là một khía cạnh của thiết kế thủy lực ảnh hưởng đến hầu hết các cầu vượt sông. Xói do thu hẹp là quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát xảy ra trong điều kiện lũ. Khi nước lũ chảy qua lòng sông và vùng tràn bờ đi qua khẩu độ cầu bị thu hẹp, vận tốc tăng dẫn đến ứng suất cắt lớn hơn và khả năng vận chuyển bùn cát cao hơn. Tài liệu HEC-18 (FHWA 2012b) trình bày các phương trình xói do thu hẹp live-bed và clear-water. Xói do thu hẹp live-bed giả định rằng dòng chảy không bị thu hẹp ở thượng lưu đang vận chuyển bùn cát với công suất thủy lực tối đa. Trong khi đó, xói do thu hẹp clear-water giả định rằng không có vận chuyển bùn cát có kích thước vật liệu đáy trong dòng chảy thượng lưu.

Các mô hình vận chuyển bùn cát có thể mô phỏng cả xói do thu hẹp live-bed và clear-water. Việc mô hình hóa xói do thu hẹp bằng phương pháp vận chuyển bùn cát không phổ biến, nhưng có thể hữu ích trong các trường hợp điều kiện thủy lực khiến các phương trình HEC-18 cho kết quả không tin cậy. Một lý do khác để sử dụng mô hình vận chuyển bùn cát là vì các phương trình HEC-18 giả định xói đạt đến độ sâu tối đa trong sự kiện thiết kế. Trái lại, mô hình vận chuyển bùn cát có thể cung cấp thông tin về thời gian để đạt đến độ sâu xói tối đa. Một lý do khác để cân nhắc mô hình này là khi backwater do cầu gây ra bị giảm đáng kể vì ảnh hưởng của xói do thu hẹp. Xói do thu hẹp làm mở rộng khẩu độ dòng chảy tại cầu và giảm vận tốc dòng. Do đó, backwater thực tế do cầu gây ra có thể nhỏ hơn so với dự đoán của mô hình đáy cố định. Mô hình vận chuyển bùn cát với nền di động có thể phản ánh chính xác hơn các điều kiện dòng chảy thực tế tại cầu. Hình 10.7 minh họa khái niệm này, thể hiện đường mặt nước từ một mô hình đáy cố định trong điều kiện tự nhiên (không có cầu) và có cầu. Đồ thị cũng thể hiện xói do thu hẹp và đường mặt nước được dự đoán bởi mô hình nền di động có xét đến thu hẹp tại cầu. Backwater do cầu gây ra nhỏ hơn trong mô hình nền di động.

Các yếu tố cần xem xét khi phát triển mô hình để phân tích xói do thu hẹp bằng mô hình vận chuyển bùn cát bao gồm:

• Thủy văn: Lưu lượng đỉnh không đổi hoặc toàn bộ biểu đồ lưu lượng cho sự kiện thiết kế xói.
• Thủy lực: Ưu tiên mô hình 2D, trừ khi điều kiện thủy lực đơn giản và được thể hiện tốt trong mô hình 1D.
• Phạm vi mô hình: Giới hạn thượng lưu được thiết lập để xác định lượng bùn cát vào, và giới hạn hạ lưu được thiết lập để xác định điều kiện biên thủy lực ngoài phạm vi ảnh hưởng của xói do thu hẹp.
• Điều kiện biên lượng bùn cát vào: Bằng với khả năng vận chuyển bùn cát.

10.6.2 Suy thoái và bồi tích dài hạn

Khả năng xảy ra suy thoái hoặc bồi tích dài hạn là một yếu tố quan trọng trong thiết kế cầu. Tuy nhiên, việc ước tính điều này thường rất khó khăn. Vì suy thoái và bồi tích là phản ứng của hệ thống sông đối với các điều kiện thay đổi trong lưu vực, nên việc mô hình hóa vận chuyển bùn cát thường bao gồm các miền mô hình lớn và thời gian mô phỏng kéo dài. Loại phân tích này cũng thường bao gồm nhiều nguồn bùn cát và điều kiện thủy văn không ổn định. Mô phỏng vận chuyển bùn cát dài hạn thường bao gồm:

• Thủy văn: Phân tích yêu cầu các biểu đồ lưu lượng hàng ngày kéo dài qua nhiều năm và thường là hàng thập kỷ.
• Phân tích thủy lực: Phân tích thường sử dụng mô hình 1 chiều.
• Phạm vi mô hình: Phạm vi thượng lưu và hạ lưu cần đủ lớn để xác định lượng bùn cát vào và mực nước ngoài phạm vi ảnh hưởng của các thay đổi lòng dẫn quy mô đoạn. Trong nhiều trường hợp, miền mô hình có thể dài hàng chục đến hàng trăm dặm.
• Điều kiện biên bùn cát: Các điều kiện biên này có thể là khả năng vận chuyển bùn cát hoặc đường cong đánh giá bùn cát đã được xác lập. Phân tích thường bao gồm các nguồn bùn cát từ phụ lưu.

10.6.3 Ảnh hưởng của việc thay thế công trình đến ổn định kênh trong tương lai

Các công trình hiện có có kích thước nhỏ hơn yêu cầu có thể làm gián đoạn việc dẫn chuyển bùn cát dọc theo kênh, gây ra bồi lắng phía thượng lưu công trình và xói lở phía hạ lưu công trình (xem Hình 10.8). Một cống có đáy cứng có thể hoạt động như một điểm kiểm soát độ dốc bằng cách ngăn chặn sự hạ thấp lòng dẫn phía hạ lưu lan lên phía thượng lưu. Những điều kiện này thường hạn chế sự di chuyển của sinh vật thủy sinh vào mạng lưới kênh phía thượng lưu. Khi các công trình này được thay thế bằng cầu, cống ba mặt, hoặc cống có đáy hạ thấp, lòng dẫn có thể phản ứng cả ở phía thượng lưu và hạ lưu.

Thường có thể xác định tác động của công trình hiện có bằng cách đánh giá mặt cắt dọc lòng dẫn, đặc biệt nếu có mặt cắt trước khi xây dựng để so sánh. Có thể cần đánh giá phản ứng tiềm năng của kênh phía thượng lưu và hạ lưu đối với một dự án thay thế công trình. Đây là một ứng dụng khác của phân tích vận chuyển bùn cát. Loại phân tích này yêu cầu:

• Thủy văn: Phân tích yêu cầu biểu đồ lưu lượng dòng chảy hàng ngày kéo dài trong nhiều năm.
• Thủy lực: Phân tích thường sử dụng mô hình 1D, nhưng mô hình 2D phù hợp hơn khi phạm vi ảnh hưởng không quá lớn.
• Phạm vi mô hình: Phạm vi thượng lưu và hạ lưu cần đủ để thiết lập dòng bùn cát đầu vào và mặt nước nằm ngoài ảnh hưởng của biến đổi lòng dẫn theo quy mô đoạn và bao phủ một vùng lớn hơn vùng phản ứng dự kiến.
• Điều kiện biên về bùn cát: Các điều kiện biên này có thể là năng lực vận chuyển bùn cát hoặc đường cong đánh giá bùn cát đã thiết lập. Phân tích thường bao gồm các nguồn bùn cát chảy vào từ các nhánh phụ lưu.

10.6.4 Duy trì khả năng vận chuyển bùn cát qua công trình

Tránh những tác động minh họa trong Hình 10.8 là một cân nhắc cho nhiều dự án cầu. Ngay cả khi lòng dẫn dưới cầu có thể phản ứng với các điều kiện lưu vực thay đổi, một công trình vẫn có thể cản trở khả năng tải bùn cát dọc suốt dòng chảy, dẫn đến bồi lắng phía thượng lưu và xói lở lòng dẫn phía hạ lưu.

HEC-16 (FHWA 2023a) giải thích một phương pháp so sánh khả năng cung cấp bùn cát lâu dài với năng lực vận chuyển bùn cát trong đoạn thiết kế của kênh. Phương pháp dựa trên khái niệm Tỷ lệ cung cấp (Capacity Supply Ratio – CSR) của Soar và Thorne (2001). Bledsoe và các cộng sự (2017) đã phát triển một công cụ bảng tính để áp dụng phương pháp này. Công cụ so sánh năng lực vận chuyển bùn cát lâu dài từ đoạn cung cấp với đoạn thiết kế phía hạ lưu. Nó sử dụng các tính toán thủy lực đơn giản kết hợp với các phép tính vận chuyển bùn cát dựa trên dữ liệu dòng chảy hoặc đường cong phân bố thời gian dòng chảy.

Công cụ xác định một dải điều kiện kênh (độ dốc, bề rộng, độ sâu, và độ uốn khúc) cho các giá trị CSR bằng 1.0, nghĩa là đoạn thiết kế có năng lực vận chuyển bùn cát dài hạn giống với đoạn cung cấp. Phương pháp này dựa trên giả định rằng đoạn kênh thiết kế được tự do điều chỉnh bề rộng, độ sâu và hình thái mặt bằng trong tương lai để duy trì trạng thái ổn định động.

Các dữ liệu đầu vào cho phương pháp này bao gồm:

• Thủy văn: Công cụ yêu cầu đầu vào trực tiếp của đường cong phân bố thời gian dòng chảy hoặc dữ liệu dòng chảy để xây dựng đường cong đại diện cho thủy văn dài hạn của toàn bộ chuỗi dòng chảy.
• Thủy lực: Thủy lực tại độ sâu normal được tính cho đoạn cung cấp và đoạn thiết kế.
• Phạm vi mô hình: Công cụ sử dụng mặt cắt đại diện và độ dốc cho các đoạn cung cấp và thiết kế.
• Điều kiện biên về bùn cát: Công cụ tính toán năng lực vận chuyển bùn cát cho đoạn cung cấp dựa trên phân bố kích thước hạt vật liệu đáy.

10.6.5 Phục hồi kênh

Một số dự án thay thế cầu bao gồm các hoạt động phục hồi kênh. Một mục tiêu của phục hồi là thiết kế một kênh cân bằng lâu dài với nguồn cung cấp bùn cát từ thượng lưu. Công cụ CSR mô tả trong phần trước được phát triển chính để phục vụ mục đích này và các yếu tố đã nêu ở trên cũng được áp dụng. Vì đoạn phục hồi kênh thường nằm ngoài phạm vi hành lang giao thông đường bộ, nên có thể có nhiều tự do hơn để phát triển một thiết kế đạt được sự cân bằng vận chuyển bùn cát lâu dài và cho phép kênh tự điều chỉnh.

Sự cân bằng bùn cát cũng có thể đạt được thông qua đoạn cầu và hành lang vận tải, nhưng các ràng buộc bổ sung — chẳng hạn như chiều rộng cầu giới hạn chiều rộng kênh, độ dốc và độ uốn khúc — có thể hạn chế các phương án thiết kế.

10.7 Alluvial Fans (Quạt Bồi tích)

Alluvial Fan là các địa hình trầm tích rất năng động có thể gây ra các mối nguy hiểm đáng kể cho đường bộ do lũ lụt, dòng bùn đá, bồi lắng, xói mòn đáy kênh và sự phân dòng (Schumm và Lagasse 1998). Ủy ban Quốc gia về Alluvial Fan Flooding của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia (NRC 1996) định nghĩa alluvial fan là một trầm tích có profile ngang lồi và nằm tại điểm gãy địa hình, như chân núi, vách dốc hoặc sườn thung lũng. Một alluvial fan được hình thành bởi dòng chảy sông và/hoặc dòng chảy bùn đá và có hình dạng như chiếc quạt, hoặc đầy đủ hoặc mở rộng một phần. Hình 10.9 cho thấy một alluvial fan ở Thung lũng Chết, California. Khi vật liệu đáy và nước chảy đến khu vực phẳng hơn của dòng và ra khỏi hẻm núi, các vật liệu đáy thô hơn không còn có thể được vận chuyển do giảm đột ngột độ dốc, vận tốc và sự giới hạn của kênh. Do đó, vật liệu lắng đọng tạo thành hình nón hoặc quạt lan ra phần thung lũng không bị giới hạn. Các tải lượng bùn cát thường được lắng đọng ban đầu trong các kênh hiện hữu trong các sự kiện mưa bão, có khả năng làm nghẽn hoặc hạn chế dòng chảy, điều này dẫn đến sự di chuyển ngang hoặc phân dòng vì dòng có thể chiếm các khu vực liền kề có cao độ thấp hơn.

Alluvial fan thường có hình học kênh không ổn định và di chuyển ngang nhanh do độ dốc giảm và mất sự giới hạn kênh. Ủy ban NRC xác định rằng các mối nguy hiểm của alluvial fan bao gồm:
(1) sự không chắc chắn về hướng dòng chảy bên dưới đỉnh quạt,
(2) sự lắng đọng đột ngột và xói lở tiếp theo do dòng chảy mất khả năng vận chuyển vật liệu xói từ khu vực nguồn thượng lưu dốc hơn, và
(3) các điều kiện và rủi ro nguy hiểm mà việc lấp đất hoặc tăng cao độ không thể khắc phục một cách đáng tin cậy.

Sự dịch chuyển đột ngột, bồi lắng, tắc nghẽn dòng chảy và xói mòn lòng kênh có thể gây ra những thách thức đối với thiết kế đường tại các Alluvial Fans. Cần phải khảo sát sơ bộ về fan và lưu vực của nó để xác định các thay đổi tiềm tàng, cho phép nhóm thiết kế đường phát triển các biện pháp giảm thiểu tác động. Tài liệu Guidelines for Determining Flood Hazards on Alluvial Fans của FEMA cung cấp thông tin hữu ích trong việc nhận diện các địa hình Alluvial Fan và phương pháp xác định các khu vực hoạt động và không hoạt động (FEMA 2000). Bất kỳ nghiên cứu nào về Alluvial Fan cũng nên bao gồm bản đồ địa hình thể hiện các khu vực hoạt động và không hoạt động của fan và xác định các điểm có vấn đề trong các khu vực hoạt động của fan. Ví dụ, sự bồi lắng cục bộ trong kênh có thể dẫn đến sự dịch chuyển dòng chảy vì dòng chảy dễ xảy ra ở những nơi mà việc bồi lắng đã nâng cao đáy kênh đến mức gần như bằng với bề mặt xung quanh của fan. Tình trạng này có thể được xác định tại hiện trường thông qua quan sát hoặc khảo sát theo mặt cắt ngang của fan (Schumm và Lagasse 1998).

French (1987) cảnh báo rằng thủy lực trong Alluvial Fan có tính không ổn định cao và có bản chất hai chiều (2D). Phân tích các điều kiện thủy lực và vận chuyển bùn cát trong Alluvial Fan cần bao gồm đánh giá địa mạo chuyên sâu. Trước đây, FEMA đã sử dụng các phương pháp xác định rủi ro theo xác suất (Dawdy, 1979) cho Chương trình Bảo hiểm Lũ lụt Quốc gia (NFIP). ASCE (2008) chỉ ra rằng các mô hình 2D có thể được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong Alluvial Fan, cụ thể là đề cập đến FLO-2D (OBrien 2009). Mô phỏng dòng chảy bùn đá cũng mới được bổ sung gần đây như một khả năng mô hình 2D trong HEC-RAS 6.0.

10.7.1 Biện pháp giảm thiểu rủi ro tại Alluvial Fans

Cách duy nhất để loại bỏ hoàn toàn rủi ro địa mạo và lũ lụt đối với cơ sở hạ tầng gần hoặc nằm trên một alluvial fan là tránh toàn bộ khu vực alluvial fan đó. Tuy nhiên, điều này có thể không thực tế hoặc không khả thi đối với một số dự án. Trong các trường hợp như vậy, nhóm thiết kế chịu trách nhiệm cho các dự án giao thông bị ảnh hưởng bởi alluvial fan có nhiều cách tiếp cận khác nhau để giảm thiểu và làm giảm các mối nguy tiềm ẩn. Các kỹ thuật giảm thiểu thường bao gồm: 1) lựa chọn tuyến đường, 2) kiểm soát và truyền tải bùn cát, và 3) giám sát, vận hành và bảo trì.

Lựa chọn tuyến đường

Tuyến đường có thể phụ thuộc vào đặc điểm sinh cảnh đa dạng có trên một alluvial fan cụ thể. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải hiểu được động học của từng lựa chọn tuyến đường. Một tuyến chạy qua đỉnh (apex alignment) nằm gần nhất có thể với điểm đỉnh thượng nguồn của alluvial fan. Tại đây, kênh dòng chảy vẫn còn bị giới hạn bởi địa hình, làm giảm khả năng dòng chảy có thể chuyển hướng hoặc dịch chuyển ngang. Tuyến này sẽ đòi hỏi phải có một cầu nhịp đơn hoặc cống nhưng đồng thời cũng sẽ đón nhận lưu lượng, lực thủy lực và lượng bùn cát lớn nhất. Một vị trí vượt qua tại đây có thể cần một công trình khá lớn kèm biện pháp chống xói lở. Tuy nhiên, tuyến này có lợi thế là xác định chính xác được đường đi và quy mô của dòng chảy.

Một tuyến giữa quạt (mid-fan alignment) đi theo đường giữa từ đỉnh đến chân của alluvial fan và cắt qua nhiều kênh hoặc đường dòng chảy. Việc chia dòng chính thành nhiều nhánh nhỏ hơn làm giảm lưu lượng và tải bùn cát tại mỗi điểm vượt, từ đó có thể dẫn đến kích thước công trình nhỏ hơn. Tuy nhiên, sự thiếu giới hạn của kênh tại vị trí này lại khiến tuyến đường và công trình vượt qua đối mặt với rủi ro liên quan đến mất ổn định đất, sự dịch chuyển ngang và sự phân nhánh dòng chảy (avulsion). Ngoài ra, theo thời gian, bất kỳ một trong số các kênh trên alluvial fan có thể xói lở đủ sâu để chiếm toàn bộ dòng chảy, có thể dẫn đến quá tải cho một công trình vượt đơn lẻ. Nhìn chung, tuyến giữa quạt không được ưu tiên vì có nhiều yếu tố không chắc chắn, khó khăn trong thiết kế và chi phí xây dựng cao hơn so với tuyến đỉnh.

Một tuyến dọc theo chân quạt (toe alignment) chạy dọc theo chân, hoặc rìa ngoài của alluvial fan. Tại đây, mức độ không chắc chắn về vị trí và cường độ của các vị trí giao cắt dòng chảy là cao nhất. Tuy nhiên, cường độ dòng chảy tại bất kỳ vị trí nào được giả định là giảm thiểu, do khả năng phân tán và thấm của dòng chảy qua quạt là lớn hơn. Hơn nữa, do khoảng cách xa so với đỉnh của alluvial fan, phần lớn vật liệu thô như bùn cát, gỗ và mảnh vụn được kỳ vọng sẽ lắng đọng ở các phần trên của quạt trước khi đến đường, từ đó làm giảm rủi ro do dòng chảy khối, tắc nghẽn và sự phân nhánh dòng chảy (avulsion). Giống như tuyến giữa quạt, tuyến này sẽ có một loạt các điểm vượt nhỏ hơn. Tuy nhiên, các điểm vượt nhỏ hơn này dễ bị quá tải nếu có sự xói sâu xảy ra và dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng về khả năng truyền tải dòng chảy.

Kiểm soát bùn cát & khả năng truyền tải

Alluvial fan là khu vực không ổn định và chuyển tiếp giữa các hẻm núi vùng núi, là nơi có năng lượng cao, nguồn gốc bùn cát, và các vùng đáy hoặc đồng bằng lớn hơn. Sự chuyển tiếp này từ vùng có vận tốc và khả năng truyền tải cao sang vùng có vận tốc và khả năng truyền tải thấp dẫn đến lượng lớn lắng đọng, hình thành các đặc điểm địa hình. Kiểm soát nguồn – nghĩa là quản lý nguồn cung bùn cát – có thể giảm nguy cơ làm đầy các kênh hiện hữu (thường ổn định hơn), buộc dòng chảy phải phản ứng bằng cách chuyển dịch bên hoặc phân nhánh dòng chảy. Kiểm soát nguồn, theo cách đơn giản nhất, có nghĩa là hạn chế việc sử dụng đất trong lưu vực và duy trì hành lang ven sông có thảm thực vật tốt. Tuy nhiên, các cơ quan giao thông thường không có quyền kiểm soát việc sử dụng đất trong lưu vực. Các hoạt động tự nhiên và con người như cháy rừng, sâu bệnh, chăn thả quá mức, trượt đất, quản lý rừng không bền vững và phát triển đất đai có thể làm tăng đáng kể lượng bùn cát trong lưu vực.

Trong một số trường hợp, rủi ro đối với đường hoặc cộng đồng đủ lớn để xây dựng các công trình giữ lại bùn cát, gỗ và dòng chảy từ nguồn. Điều này thường bao gồm xây dựng đập, cấu trúc hạ thấp dòng, bẫy trầm tích, hoặc bể chứa vật cản/mảnh vụn (Zech et al., 2014) ở phía thượng lưu của alluvial fan. Các bẫy và bể này được làm trống định kỳ hoặc sau các trận lũ lớn. Chi phí dài hạn và tác động môi trường của việc vận hành, bảo trì và xử lý vật liệu thu được bởi các công trình này là những yếu tố cần xem xét đáng kể đối với tính bền vững của dự án đường (Zech et al., 2014).

Các công trình truyền tải để điều hướng dòng nước và dòng chảy có mảnh vụn qua alluvial fan, như kênh bọc đá, máng dẫn hoặc bờ dẫn dòng, đã được sử dụng tại nhiều địa điểm. Hình 10.10 cho thấy một cộng đồng gần Palm Desert, CA đã xây dựng các bờ dẫn dòng trên một alluvial fan để gom lại các luồng dòng chảy không đều và một kênh bọc đá có cấu trúc kiểm soát để dẫn dòng chảy qua khu dân cư và kiểm soát việc lắng đọng bùn cát. Mật độ và độ nhớt biến đổi liên quan đến bùn và dòng chảy có mảnh vụn tạo ra những thách thức và sự không chắc chắn đáng kể trong thiết kế các công trình này. Việc quản lý và loại bỏ bùn cát được lắng đọng tại các đầu ra của các công trình truyền tải này cũng là một yếu tố then chốt để đảm bảo thành công cho hệ thống truyền tải.

Giám sát, vận hành và bảo trì dài hạn

Alluvial fan là các địa hình sông năng động không ngừng thay đổi để phản ứng với các dòng nước, trầm tích, gỗ và mảnh vụn biến đổi được cung cấp từ lưu vực thượng nguồn. Do đặc điểm độc đáo và thay đổi theo thời gian của alluvial fan, việc bố trí cơ sở hạ tầng giao thông trên hoặc gần alluvial fan đòi hỏi cam kết dài hạn đối với công tác kiểm tra, giám sát và bảo trì nhằm bảo đảm đường cao tốc an toàn, có khả năng chống chịu và đáng tin cậy nhất có thể. Tùy thuộc vào hoàn cảnh cụ thể tại hiện trường, các chương trình dài hạn hiệu quả có thể bao gồm:

• Đánh giá khả năng truyền tải thủy lực của tất cả các công trình vượt như cầu và cống. Sự xói lở hoặc bồi lắng quá mức là những dấu hiệu điển hình của các vấn đề truyền tải và cần được ghi nhận ở các công trình lân cận.
• Đánh giá khả năng truyền tải thủy lực và vị trí của các dòng chảy trên fan liên quan đến các công trình vượt qua.
• Kiểm tra, làm sạch và sửa chữa các công trình kiểm soát trầm tích và truyền tải bảo vệ hành lang đường.

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA