View Categories

9 Các vấn đề xói lở cầu và biện pháp chống xói

Mục lục

9.1 Giới thiệu

Xói là thuật ngữ kỹ thuật chỉ sự xói mòn đất, phù sa hoặc các vật liệu khác xung quanh móng cầu (trụ và mố cầu) do nước chảy. Thiết kế cầu an toàn cần tính đến các điều kiện xói và mất ổn định dòng có thể xảy ra trong suốt vòng đời của cây cầu. Chương này chủ yếu mô tả các vấn đề xói và phương pháp tiếp cận đối với các cây cầu trong bối cảnh sông ngòi.

Các tài liệu HEC-18 và HEC-20 (FHWA 2012b, 2012c) là tài liệu tham khảo chính của FHWA về đánh giá và thiết kế chống xói và mất ổn định dòng tại các vị trí cầu. HEC-18 trình bày hướng dẫn của FHWA về dự đoán xói và các phương pháp thiết kế chống xói. HEC-20 cung cấp hướng dẫn đánh giá các vấn đề ổn định dòng chảy tại các vị trí đường vượt sông.

Xói thường đạt mức nghiêm trọng nhất trong các trận lũ cực đoan khi dòng lũ tràn ra khắp lòng sông và bãi sông rồi hội tụ vào một khẩu độ cầu hẹp hơn. Xói do sự kiện gây ra sẽ tăng lên cùng với vận tốc và chiều sâu dòng chảy. Xói được cộng thêm vào các thành phần mất ổn định dòng dài hạn do sự dịch chuyển và suy thoái của lòng sông. Xói và mất ổn định dòng là những nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến sự cố cầu.

HEC-18 định nghĩa tổng xói tại vị trí đường vượt sông là tổng của: sự suy thoái lòng sông dài hạn (không xét đến khả năng bồi lắng khi thiết kế móng), xói co thắt tại cầu và xói cục bộ tại trụ hoặc mố cầu, có xét đến khả năng mất ổn định ngang của dòng chảy trong suốt vòng đời sử dụng của cầu (FHWA 2012c). Chương này mô tả chi tiết hơn các thành phần đó và các cân nhắc thiết kế cầu có liên quan.

Ấn bản lần thứ 9 của Hiệp hội Quốc gia các Cơ quan Giao thông và Xa lộ Tiểu bang Hoa Kỳ (AASHTO) Load and Resistance Factor Design (LRFD) Bridge Design Specifications bao gồm các quy định liên quan đến thiết kế chống xói và ổn định dòng trong bối cảnh thiết kế LRFD (AASHTO 2020).

  • Tiêu chuẩn thiết kế cầu LRFD quy định rằng: “Lũ thiết kế do bão dâng, thủy triều, hoặc lũ hỗn hợp từ nhiều nguồn sẽ được xác định là sự kiện nghiêm trọng hơn giữa lũ có chu kỳ 100 năm hoặc lũ tràn qua cầu với chu kỳ thấp hơn,” theo Mục 2.6.4.4.2. Tài liệu Scour Conditions within AASHTO LRFD Design Specifications năm 2021 của FHWA nêu rằng: “Lũ thiết kế xói [được định nghĩa trong HEC-18] tương đương với định nghĩa lũ thiết kế cho xói tại cầu trong AASHTO LRFD.” (FHWA 2021). Các kỹ sư thiết kế nên xem xét các trận lũ cho đến và bao gồm cả trận lũ thiết kế xói phù hợp, tức là gây ra độ sâu xói nghiêm trọng nhất.
  • Đối với lũ thiết kế xói, “vật liệu đáy sông trong vùng xói (scour prism) phía trên đường xói toàn phần (total scour line) được giả định là đã bị rửa trôi khi tính toán điều kiện thiết kế móng”, theo Mục 2.6.4.4.2. Sự mất mát của vật liệu đáy này trong toàn vùng xói được áp dụng cho thiết kế móng mố cầu và trụ cầu ở cả trạng thái giới hạn sức chịu tải và trạng thái sử dụng. Xem Điều khoản 3.7.5, Mục 10.5.2.1 và Mục 10.5.3.1 (AASHTO 2020) để biết thêm thông tin về các giới hạn này.
  • Đối với Lũ kiểm tra xói (Scour Check Flood), Mục 2.6.4.4.2 quy định: “Tính ổn định của móng cầu phải được kiểm tra đối với điều kiện xói do lũ, bão dâng, thủy triều hoặc lũ hỗn hợp từ nhiều nguồn, với cường độ không vượt quá sự kiện có chu kỳ 500 năm, hoặc do một trận lũ tràn qua cầu có chu kỳ nhỏ hơn… Trạng thái giới hạn sự kiện cực đoan (Extreme Event Limit State) sẽ được áp dụng.”
    Tài liệu năm 2021 của FHWA Scour Conditions within AASHTO LRFD Design cũng áp dụng điều này. Tiêu chuẩn thiết kế quy định rằng: “Lũ kiểm tra xói [được định nghĩa trong HEC-18] là tương đương với định nghĩa Lũ kiểm tra cho xói cầu của AASHTO LRFD.” (FHWA 2021).
  • Móng bản (spread footings) đặt trên đất hoặc đá dễ xói phải được bố trí sao cho đáy móng nằm dưới độ sâu xói được xác định cho trận lũ kiểm tra xói,” theo Mục 2.6.4.4.2.

Tiêu chuẩn thiết kế của 23 CFR Phần 625 yêu cầu rằng: “a. Các dự án thuộc Hệ thống Xa lộ Quốc gia (NHS) phải tuân theo các phần liên quan đến thủy văn, thủy lực và xói lở của AASHTO LRFD Bridge Design Specifications ấn bản thứ 8” [§625.3(a)(1) và §625.4(b)(3)]. b. Các dự án không thuộc NHS phải tuân theo tiêu chuẩn thoát nước và/hoặc cầu của tiểu bang [§625.3(a)(1)].” (FHWA 2021).

Ấn bản thứ 9 của AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO 2020) cũng bao gồm các quy định thiết kế trong Mục 2.6 liên quan đến xói và bất ổn dòng chảy. Các quy định kỹ thuật và phần chú giải của AASHTO trong mục này bao gồm các phát biểu sau (tất cả tham chiếu đến AASHTO 2020; số mục được ghi rõ):

  • “Chi phí bổ sung để làm cho cầu ít bị tổn thương hơn do xói là rất nhỏ so với tổng chi phí khi cầu bị hư hỏng.” (Mục 2.6.4.4.2)
  • Xem xét “tính không ổn định của dòng chảy, backwater, phân bố dòng chảy, vận tốc dòng, khả năng xói, nguy cơ lũ, động lực thủy triều (nếu thích hợp), và sự phù hợp với các tiêu chí đã được thiết lập trong Chương trình Bảo hiểm Lũ Quốc gia” trong quá trình đánh giá phương án thiết kế cầu (Mục 2.6.1).
  • “Đánh giá sự ổn định của thủy đạo và tác động của thi công lên thủy đạo.” (2.6.4.2)
  • Xem xét “tác động của sự thay đổi hình thái tự nhiên của dòng chảy lên công trình đề xuất.” (2.6.4.2)
  • Xem xét “liệu đoạn sông đó đang bị xói, bồi, hay đang ở trạng thái cân bằng.” (2.6.4.2)
  • Đối với dòng chảy không ổn định hoặc điều kiện dòng phức tạp, “đánh giá những thay đổi có thể xảy ra trong tương lai về hình dạng mặt bằng và mặt cắt dọc của dòng,” và “xác định các biện pháp đối phó cần được tích hợp vào thiết kế, hoặc trong tương lai, để đảm bảo an toàn cho cầu và đường dẫn vào cầu.” (2.6.4.2)
  • “Đặt mố cầu lùi vào khỏi mép kênh nơi dự báo có thể xảy ra các vấn đề nghiêm trọng như tích tụ băng/tàn dư, xói lở hoặc mất ổn định kênh…” (2.6.4.4.1)
  • “Thiết kế trụ cầu trên vùng ngập lũ (bờ ngập) như các trụ sông. Đặt móng của chúng ở độ sâu phù hợp nếu có khả năng kênh sông sẽ thay đổi trong suốt vòng đời của công trình hoặc (nếu) khả năng xảy ra cắt dòng.” (2.6.4.4.1)

Xói và bất ổn dòng chảy là những khía cạnh quan trọng trong thiết kế cầu an toàn và là sự kết hợp phức tạp giữa các yếu tố thủy văn, thủy lực, địa mạo dòng chảy, xói lở, vận chuyển trầm tích, địa kỹ thuật và kết cấu. Các phần sau mô tả các quá trình xói và bất ổn dòng chảy, cách thu thập dữ liệu từ các mô hình thủy lực để tính toán xói lở, và mô hình thủy lực cho các biện pháp chống xói.

¹ Theo bản ghi nhớ của FHWA đề ngày 11 tháng 4 năm 2022, FHWA đã phê duyệt việc sử dụng AASHTO LRFD Bridge Design Specification, ấn bản thứ 9, năm 2020, theo quy định tại 23 CFR 625.3(f)(2)
(https://www.fhwa.dot.gov/bridge/structures/policy.cfm).

9.2 Khái niệm xói cho thiết kế cầu

Lũ lụt vận chuyển nước trong lòng chính và các vùng tràn bờ liền kề với lòng chính. Hình 9.1 minh họa một vị trí cầu và đặc điểm dòng chảy trong điều kiện lũ, bao gồm các đường dòng (streamlines) và đường đồng vận tốc. Các streamline trong vùng tràn bờ chia dòng chảy thành các bước 5 phần trăm. Các streamline trong lòng chính, được phân cách gần nhau, chia dòng chảy thành các bước 10 phần trăm.

Các con đường đắp cao hai bên giới hạn dòng chảy vào khe hở khẩu độ cầu. Thượng lưu của khe hở khẩu độ cầu, nơi dòng chảy chiếm toàn bộ floodplain (vùng ngập lũ), khoảng 65% lưu lượng nằm trong lòng chính và 35% nằm trong overbank (vùng tràn bờ). Trong khe hở khẩu độ cầu, khoảng 90% lưu lượng nằm trong lòng chính và 10% nằm trong overbank giữa bờ lòng chính và mố cầu (setback area).

Vận tốc nhỏ hơn 6 ft/s trong kênh thượng lưu và 1 ft/s trong vùng tràn bờ thượng lưu. Trong khi đó, vận tốc trong khe hở khẩu độ cầu có thể cao đến 9 ft/s trong kênh và 4 ft/s trong setback area. Vận tốc cao hơn trong khe hở khẩu độ cầu gây ra hiện tượng xói mòn lớn hơn so với dòng chảy ở thượng lưu. Bên cạnh việc vận tốc tăng, các trụ cầu và mố cầu gây cản trở dòng chảy và làm tăng xói mòn tại những vị trí này.

Các phần tiếp theo mô tả các loại xói có thể ảnh hưởng đến cầu.

Hình 9.1. Vận tốc và dòng chảy tại điểm co thắt của cầu

9.2.1 Xói do thu hẹp dòng chảy (Contraction Scour)

Xói do thu hẹp dòng chảy xảy ra do sự mất cân bằng trầm tích trong lũ khi lượng trầm tích được cung cấp từ thượng lưu nhỏ hơn khả năng vận chuyển trầm tích tại khe hở khẩu độ cầu. Như minh họa ở Hình 9.1, vận tốc dòng chảy tăng lên trong vùng bị thu hẹp. Vì ứng suất cắt thường tỉ lệ với bình phương vận tốc, nên ứng suất cắt tăng lên một cách rõ rệt

Có hai điều kiện cung cấp trầm tích liên quan đến xói do thu hẹp dòng chảy là clear-water và live-bed.

Xói lở do thu hẹp trong điều kiện clear-water xảy ra khi vận tốc dòng chảy thượng lưu không đủ để vận chuyển vật liệu đáy. Tài liệu HEC-18 (FHWA 2012b) đưa ra các phương trình để xác định vận tốc tới hạn khi bắt đầu có chuyển động vật liệu đáy, phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy và kích thước hạt. Điều kiện clear-water xảy ra với các loại trầm tích hạt mịn (cát và sỏi mịn) chỉ khi vận tốc dòng nhỏ, và với các hạt thô (sỏi thô và cuội) ngay cả khi vận tốc tương đối lớn. Điều kiện clear-water thường xảy ra ở các bãi tràn khi đất được bảo vệ bởi thảm thực vật.

Điều kiện live-bed xảy ra khi vận tốc dòng đủ lớn để vận chuyển vật liệu đáy từ thượng lưu cầu.

Trầm tích rất mịn (bùn sét và bùn mịn) thường không xuất hiện đáng kể trong lòng sông và nhìn chung không đóng vai trò trong xói lở do co thắt ở cả điều kiện clear-water hoặc live-bed. Nước có thể bị đục do vận chuyển lơ lửng của bùn sét, nhưng điều kiện xói lở vẫn có thể được xem là clear-water xét từ góc độ vận chuyển vật liệu đáy.

Đối với xói lở do thu hẹp, trong điều kiện clear-water, vận tốc dòng chảy dưới cấu trúc cầu đủ để di chuyển vật liệu đáy, mặc dù vận tốc dòng từ thượng lưu quá thấp để gây chuyển động vật liệu đáy. Đối với xói lở do thắt hẹp trong điều kiện live-bed, vận tốc dòng dưới cấu trúc cầu cao hơn có khả năng vận chuyển trầm tích lớn hơn so với vận tốc dòng thấp hơn ở thượng lưu. Trong cả hai trường hợp, đều tồn tại sự mất cân bằng giữa lượng cung cấp trầm tích và khả năng vận chuyển trầm tích, dẫn đến hiện tượng xói lở do thu hẹp. Khi xói lở do thu hẹp tiến triển, đáy kênh bị xói và hạ thấp, qua đó làm tăng độ sâu dòng chảy và giảm vận tốc dòng, cho đến khi khả năng vận chuyển vật liệu đáy cân bằng với lượng cung cấp từ thượng lưu. Trạng thái cân bằng này được xem là độ sâu xói lở cực đại ứng với điều kiện dòng chảy đang xét. Xói lở do thu hẹp cần thời gian để phát triển, và tùy thuộc vào thời gian diễn ra trận lũ, hiện tượng xói có thể dừng lại trước khi đạt đến độ sâu cực đại.

Tính toán chính xác xói lở do thu hẹp phụ thuộc vào việc ước lượng chính xác sự phân bố dòng chảy tại thượng lưu và bên dưới cấu trúc cầu. Các mô hình hai chiều (2D) cung cấp kết quả thủy lực đáng tin cậy và có tính thông tin cao hơn so với mô hình một chiều (1D), do đó mô hình thủy lực 2D được kỳ vọng sẽ cho kết quả xói lở chính xác hơn. Trong tính toán xói lở do thu hẹp, dòng chảy được chia thành các khu vực: lòng chính, bãi tràn trái và bãi tràn phải ở đoạn không bị thu hẹp phía thượng lưu cầu; và chia tiếp thành lòng chính, vùng lùi trái và vùng lùi phải bên dưới cấu trúc cầu. Lưu lượng qua các phân vùng này sẽ chi phối quá trình xói lở do thu hẹp.

Hình 9.2 bao gồm sơ đồ mặt bằng và mặt cắt để minh họa điều kiện dòng chảy gây ra xói do thu hẹp. Người thiết kế chọn vị trí mặt cắt khảo sát dòng chảy (Mặt cắt 1) tại một điểm ở thượng lưu vùng thu hẹp dòng do cầu và đường đầu cầu gây ra. Vị trí này cũng cần được chọn sao cho điều kiện thủy lực tại đó phản ánh đúng điều kiện vận chuyển trầm tích thượng lưu. Hình ảnh trường vận tốc từ mô hình 2D có thể hỗ trợ trực tiếp trong việc xác định Mặt cắt 1 (FHWA 2019) cho một mô phỏng cụ thể. Khi sử dụng mô hình 1D, hướng dẫn thực hành tốt nhất có thể được áp dụng bằng phương pháp Phụ lục B của HEC-RAS Hydraulic Reference Manual để xác định Mặt cắt 1. Các kỹ sư thiết kế thường chọn Mặt cắt 2 tại điểm thu hẹp lớn nhất của cấu trúc cầu. Các công cụ tự động trích xuất biến trong SMS giả định rằng mặt cắt này nằm tại tâm của cấu trúc cầu.

Xói do thu hẹp trong điều kiện Live-Bed

Hiện tượng xói live-bed gần như luôn xảy ra trong các lòng sông khi xảy ra các trận lũ thiết kế, vì lòng sông phù sa có thể huy động và vận chuyển toàn bộ vật liệu đáy. Các trường hợp ngoại lệ là các kênh có đá cuội hoặc đá gốc không phải phù sa. Các kênh có sự điều hướng đáng kể và/hoặc kiểm soát lũ cũng là ví dụ về các kênh không phải phù sa. Các kênh không phải phù sa thường dễ gặp hiện tượng xói clear-water hơn là live-bed trong điều kiện thiết kế, và cần được kiểm tra riêng biệt. Tổng lượng trầm tích trong dòng chảy ở mặt cắt tiếp cận chủ yếu phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy, vận tốc, lưu lượng, chiều rộng và kích thước hạt. Các vùng ngập bên dưới cấu trúc cầu (vùng setback) có thể ở điều kiện live-bed nếu vận tốc dòng, ứng suất cắt, loại trầm tích và điều kiện thảm thực vật trong vùng ngập thượng lưu cho phép vận chuyển trầm tích đáy – tuy nhiên điều này không phổ biến.

Hình 9.2. Biến số xói mòn do thu hẹp trong điều kiện live-bed
Live-bed contraction scour variables

Đối với xói do thu hẹp trong điều kiện live-bed, vận tốc dòng chảy trong lòng sông đủ lớn để vận chuyển vật liệu đáy tại mặt cắt tiếp cận (Mặt cắt 1). Tại mặt cắt cầu (Mặt cắt 2), dòng chảy từ bãi tràn đã vào lòng chính, nên lưu lượng dòng chảy, vận tốc và khả năng vận chuyển trầm tích tại đây lớn hơn so với tại mặt cắt tiếp cận. Các mô hình thủy lực với đáy kênh cố định, dù là 1D hay 2D, đều sử dụng cao độ đáy trước khi xói, do đó độ sâu và vận tốc dòng chảy không bao gồm ảnh hưởng của xói. Từ điều kiện thủy lực trước khi xói, phép tính xói do thu hẹp dự đoán độ sâu dòng chảy bao gồm cả phần bị xói.

Giả sử điều kiện lũ kéo dài đủ lâu, hiện tượng xói do thu hẹp trong điều kiện live-bed sẽ tiếp diễn cho đến khi khả năng vận chuyển trầm tích trong lòng cầu (vùng bị thu hẹp) cân bằng với lượng trầm tích được cung cấp từ kênh thượng lưu. HEC-18 (FHWA 2012b) đưa ra phương trình tính xói do thu hẹp trong điều kiện live-bed. Phương trình này cho ra tổng độ sâu dòng chảy bao gồm cả phần bị xói tại lòng chính dưới cầu (Y₂), và độ sâu xói được tính bằng hiệu giữa độ sâu này và độ sâu dòng chảy trước khi xói. Vì phương pháp tính toán giả định rằng kích thước vật liệu đáy không đổi dọc theo đoạn kênh, nên kích thước vật liệu đáy chỉ được dùng để xác định có hay không tồn tại điều kiện live-bed, và không thực sự xuất hiện trong phương trình xói do thu hẹp live-bed.

Các định nghĩa biến sau đây dành riêng cho xói trong điều kiện live-bed tại lòng chính sông. Xói live-bed là dạng xói phổ biến nhất trong kênh sông khi xảy ra lũ. Các biến liên quan đến vùng có vận chuyển trầm tích chủ động. Do đó, chiều rộng, độ sâu và lưu lượng nên được xác định phù hợp nhất tại đáy lòng chính kênh. Tuy nhiên, cũng có thể dùng chiều rộng ở đỉnh kênh nếu đảm bảo các biến được xác định nhất quán giữa mặt cắt tiếp cận và mặt cắt tại lòng dưới cầu. Khi cầu có các vùng setback, các giá trị sẽ được xác định từ phần lòng chính của kênh trong lòng dưới cầu. Nếu điều kiện nền hoạt động (mobile bed) tồn tại ở vùng ngập thượng lưu, phương trình xói do thu hẹp trong điều kiện live-bed có thể áp dụng bằng cách sử dụng các biến thượng lưu xác định cho vùng có vận chuyển trầm tích chủ động tại mặt cắt tiếp cận. Phương trình xói live-bed trong HEC-18 bao gồm các biến sau:

  • Y₁, độ sâu dòng trung bình (độ sâu thủy lực) trong lòng chính của kênh tại thượng lưu cầu (hoặc vùng có vận chuyển trầm tích chủ động).
  • Q₁, lưu lượng trong lòng chính của kênh tại thượng lưu cầu (hoặc vùng có vận chuyển trầm tích chủ động).
  • W₁, chiều rộng của lòng chính kênh tại thượng lưu cầu (hoặc vùng có vận chuyển trầm tích chủ động).
  • Y₀, độ sâu dòng trung bình (độ sâu thủy lực) trong lòng chính của kênh trong lòng dưới cấu trúc cầu (hoặc vùng bị thu hẹp) trước khi xảy ra xói do thu hẹp.
  • Q₂, lưu lượng trong lòng chính của kênh trong lòng dưới cấu trúc cầu (hoặc vùng bị thu hẹp).
  • W₂, chiều rộng của lòng chính kênh trong lòng dưới cấu trúc cầu (hoặc vùng bị thu hẹp).

Một điểm phân biệt quan trọng đối với các phép tính xói trong điều kiện live-bed là các biến liên quan đến lòng chính của kênh, nơi vận chuyển vật liệu đáy, chứ không phải các bãi tràn, vốn thường không vận chuyển vật liệu đáy. Nếu một vùng bãi tràn cũng vận chuyển vật liệu đáy (tức là không có thảm thực vật và vận tốc dự đoán tại bãi tràn vượt quá vận tốc tới hạn đối với vật liệu bãi tràn), thì phép tính xói do thu hẹp trong điều kiện live-bed sẽ bao gồm cả các bãi tràn thượng lưu (trái, phải hoặc cả hai) và vùng setback tương ứng, thay vì gộp bãi tràn và lòng kênh vào một phép tính duy nhất.

Một điểm phân biệt khác là chiều rộng kênh được sử dụng tại mặt cắt tiếp cận trong phương trình thực chất là chiều rộng của vùng có vận chuyển vật liệu đáy chủ động. Mô hình 2D có thể trực tiếp minh họa vùng này dựa trên tính toán vận tốc tới hạn. Trên thực tế, hầu hết các kỹ sư thiết kế đơn giản chỉ xác định vị trí mép bờ bao gồm toàn bộ chiều rộng kênh không có thảm thực vật. Việc sử dụng một định nghĩa nhất quán về chiều rộng và các lưu lượng, độ sâu tương ứng là rất quan trọng khi áp dụng phương trình. Việc xác định chiều rộng vận chuyển trầm tích và xác định các giá trị đầu vào phù hợp thường dễ dàng hơn nhiều trong mô hình 2D so với mô hình 1D vì trong mô hình 1D, định nghĩa và kết quả đầu ra mở rộng đến đỉnh của mái bờ hai bên.

Lượng xói do thu hẹp lớn hơn xảy ra khi có sự chênh lệch lớn giữa lưu lượng dòng chảy tại mặt cắt tiếp cận và mặt cắt tại cầu. Xói cũng gia tăng khi chiều rộng kênh của mặt cắt tại cầu hẹp hơn. Trường hợp tệ nhất của điều kiện lòng dưới cấu trúc cầu đối với xói do thu hẹp trong điều kiện live-bed xảy ra khi mố cầu và đường đầu cầu xâm lấn vào lòng kênh và toàn bộ dòng chảy bị dồn vào đoạn kênh bị thu hẹp tại vị trí cấu trúc cầu. Xói do thu hẹp trong điều kiện live-bed sẽ giảm khi các mố cầu được bố trí lùi xa hơn khỏi mép bờ kênh và khi số lượng hoặc bề rộng của các trụ cầu trong kênh ít hơn hoặc hẹp hơn.

Xói do thu hẹp trong điều kiện Clear-Water

Xói do thu hẹp trong điều kiện clear-water thường xảy ra ở các vùng setback dưới cầu và tại các cầu nằm trong vùng ngập. Dòng chảy trên vùng ngập thượng lưu cầu thường có vận tốc thấp tại các bãi tràn và không đủ để làm di động các trầm tích rời của bãi tràn. Đất bãi tràn thường bao gồm các vật liệu kết dính có phủ thực vật. Các hạt rất mịn (bùn sét và bùn mịn) có thể di chuyển xuôi dòng ở trạng thái lơ lửng, nhưng thường rất ít khả năng xảy ra vận chuyển vật liệu đáy hoặc xói trong điều kiện live-bed tại các bãi tràn. Trong lũ, vận tốc dòng chảy tại vùng setback dưới cầu thường đủ lớn để gây xói mòn. Do đó, xói trong điều kiện clear-water là quá trình xói mòn do vận tốc dòng cao và ứng suất cắt lớn dưới cầu, thay vì là quá trình vận chuyển trầm tích từ thượng lưu phù hợp với điều kiện dòng chảy.

Hình 9.3 bao gồm sơ đồ mặt bằng và mặt cắt mô tả điều kiện xói do thu hẹp trong điều kiện clear-water. Biến quan trọng tại mặt cắt tiếp cận (Mặt cắt 1) là vận tốc trung bình (V₁), được dùng để so sánh trực tiếp với vận tốc tới hạn gây chuyển động vật liệu đáy. Việc so sánh này áp dụng khi có nghi ngờ về việc dòng chảy thượng lưu có vận chuyển vật liệu đáy hay không (ví dụ, bãi tràn hầu hết hoặc hoàn toàn không có thảm thực vật). Lòng kênh có thể xảy ra xói do thu hẹp trong điều kiện clear-water, nhưng thường chỉ xuất hiện ở các vùng setback. Như thể hiện trong Hình 9.3, nếu cầu có đường đầu cầu đặt trên bãi tràn, thì lòng dưới cấu trúc cầu đó cũng thường gặp xói do thu hẹp trong điều kiện clear-water.

Phương trình xói do thu hẹp trong điều kiện clear-water chỉ xem xét điều kiện thủy lực tại tiểu vùng dưới cầu, không tính đến điều kiện ở thượng lưu. Việc tính toán giả định rằng xói sẽ tiếp diễn đến khi bề mặt đất bị xói, làm tăng độ sâu và giảm vận tốc dòng, đạt tới vận tốc không gây xói. Vận tốc không gây xói là một hàm của kích thước hạt đối với đất không dính và là hàm của ứng suất cắt tới hạn đối với đất dính. HEC-18 (FHWA 2012b) cung cấp phương trình cho xói trong điều kiện clear-water. Cũng như với phương trình xói do thu hẹp trong điều kiện live-bed, phương trình xói trong điều kiện clear-water cho ra tổng độ sâu dòng chảy (Y₂) dưới cầu, và độ sâu xói được tính là hiệu giữa độ sâu này và độ sâu dòng trước khi xói.

Hình 9.3. Biến số xói mòn thắt hẹp trong điều kiện Clear-Water

Phương trình xói do thu hẹp trong điều kiện clear-water bao gồm các biến sau:

  • Q, lưu lượng trong tiểu vùng dưới cấu trúc cầu.
  • W, chiều rộng trong tiểu vùng dưới cấu trúc cầu.
  • Y₀, độ sâu dòng chảy trong tiểu vùng dưới cấu trúc cầu trước khi xảy ra xói do thu hẹp.
  • D₅₀, đường kính hạt trung bình của đất hoặc vật liệu đáy trong tiểu vùng dưới cấu trúc cầu hoặc khu vực bị thu hẹp.
  • Ứng suất cắt tới hạn hoặc công suất dòng tới hạn của lớp đất dính hoặc lớp chống xói trong tiểu vùng dưới cấu trúc cầu hoặc khu vực bị thu hẹp.

Xói do thu hẹp trong điều kiện clear-water được tính riêng biệt cho từng tiểu vùng. Các tiểu vùng này bao gồm các vùng setback giữa lòng kênh và mố cầu, vùng lòng bên dưới cấu trúc cầu, và đôi khi bao gồm cả vùng lòng kênh.

Xói do thu hẹp theo phương đứng (Xói do dòng chảy áp lực):

Xói do dòng chảy áp lực là một dạng khác của xói do thu hẹp. Hiện tượng này được tạo ra bởi sự thu hẹp theo phương đứng và có thể xảy ra ngay cả khi không có sự thu hẹp theo phương ngang. Xói do dòng chảy áp lực có thể thuộc điều kiện live-bed hoặc clear-water, tùy thuộc vào điều kiện dòng chảy và đặc điểm trầm tích ở thượng lưu. Việc dự đoán xói do dòng chảy áp lực trong các điều kiện dòng làm ngập các kết cấu thấp nhất có thể cần thiết để thiết kế cầu an toàn và để đánh giá xói tại các cầu hiện hữu. HEC-18 (FHWA 2012b) cung cấp quy trình dự đoán xói áp lực. Đối với thành phần xói do thu hẹp trong tổng độ sâu xói khi tồn tại điều kiện dòng chảy áp lực, sử dụng giá trị lớn hơn giữa xói do thu hẹp phương đứng (bao gồm xói do thu hẹp phương ngang), hoặc sự suy thoái lòng dẫn dài hạn cộng với xói do thu hẹp phương ngang nhưng không bao gồm thành phần phương đứng (FHWA 2018).

Hình 9.4 minh họa đặc điểm dòng chảy tại một mặt cầu bị ngập hoàn toàn. Xem HEC-18 để biết mô tả chi tiết về các biến và phương trình tính toán xói do dòng chảy áp lực. Điều kiện dòng chảy áp lực có thể làm tăng đáng kể tổng độ sâu xói tại cầu. Độ sâu xói do thu hẹp (Y₂ từ các phép tính xói do thu hẹp live-bed hoặc clear-water) cộng với độ dày của vùng tách dòng (kích thước t) trong Hình 9.4 sẽ được trừ khỏi đáy mặt cầu để xác định cao độ đáy xói. Việc tính toán xói không bao gồm dòng qua đập tràn (weir flow).

Hình 9.4. Sự xói do thu hẹp theo phương đứng

9.2.2 Xói cục bộ (Local Scour)

Xói cục bộ xảy ra khi trường dòng bị rối loạn bởi một vật cản. Thành phần này được gọi là xói “cục bộ” vì nó xảy ra gần khu vực có vật cản, chứ không phải trên toàn bộ lòng kênh hay toàn bộ đoạn cầu. Vật cản làm thay đổi hướng dòng chảy và tăng cục bộ vận tốc dòng, tạo nên các xoáy và vùng tách dòng, đồng thời làm tăng độ nhiễu loạn. Hai loại xói cục bộ phổ biến nhất tại cầu là xói quanh trụ (pier scour) và xói quanh mố cầu (abutment scour). Băng và rác trôi nổi cũng có thể ảnh hưởng đến xói cục bộ.

Xói quanh trụ (Pier Scour):

Hình 9.5 minh họa xói quanh trụ. Vận tốc dòng ở thượng lưu trụ tăng lên quanh trụ và dòng chảy chuyển hướng gắt xuống đáy ở phía trước trụ. Một xoáy hình móng ngựa (horseshoe vortex) hình thành nơi dòng chảy đi xuống chạm đáy, và kích thước xoáy tăng lên khi hố xói mở rộng. Dòng chảy quanh trụ tạo ra các xoáy phụ ở hai bên trụ. Lắng đọng trầm tích thường xảy ra ở vùng sau trụ theo hướng dòng chảy.

Xói quanh trụ có thể xảy ra trong điều kiện clear-water hoặc live-bed. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mức độ xói quanh trụ. Các yếu tố thủy lực chính là vận tốc, độ sâu và góc tới của dòng chảy so với hướng trụ. Điều kiện thủy lực gây ra xói quanh trụ là đoạn dòng chảy ngắn phía thượng lưu trụ, ngoài vùng ảnh hưởng trực tiếp của trụ nhưng vẫn trong phạm vi ảnh hưởng bởi thu hẹp tại cầu. Hình dạng trụ (tròn, vuông, nhọn, trụ mũi tròn hoặc chữ nhật), bề rộng trụ và chiều dài trụ cũng ảnh hưởng đáng kể đến mức độ xói. Tính toán xói quanh trụ còn xét đến các hình học phức tạp của trụ như nhóm cọc, cọc có mũ hoặc tường chắn. Một số phương trình xói quanh trụ còn xét đến kích thước hạt, mật độ và sự phân bố hạt. Mặc dù xói quanh trụ có vẻ là quá trình tương đối đơn giản, nhưng việc tính toán thường khá phức tạp trừ khi gặp những trường hợp đơn giản nhất.

HEC-18 (FHWA 2012b) trình bày một số phương trình tính xói quanh trụ cho các điều kiện khác nhau. Tóm lại, các phép tính xói quanh trụ có thể bao gồm các biến sau:

  • Vận tốc dòng hướng đến trụ, nhưng nằm ngoài vùng ảnh hưởng thủy lực cục bộ của trụ.
  • Độ sâu dòng chảy tại cùng vị trí đó.
  • Góc tới của vận tốc dòng so với hướng trụ.
  • Bề rộng, chiều dài và hình dạng trụ.
  • Hình học phức tạp của trụ bao gồm móng, mũ cọc và nhóm cọc.
  • Điều kiện đáy nền (ví dụ: clear-water, live-bed, sự hiện diện của các dạng địa hình đáy).
  • Kích thước, mật độ và sự phân bố của vật liệu đáy.
  • Ứng suất cắt tới hạn hoặc công suất dòng tới hạn của lớp đất đáy.
Hình 9.5. Đặc điểm dòng chảy tại trụ (NCHRP 2011a).

Xói quanh mố cầu (Abutment Scour)

Xói xảy ra quanh mố cầu khi đường đầu cầu và mố cầu cản trở dòng chảy trong điều kiện lũ. Xói quanh mố là một dạng xói cục bộ có liên hệ chặt chẽ với xói do thu hẹp, vì đường đầu cầu chính là nguyên nhân gây ra sự thu hẹp dòng.

NCHRP (2011b) đã thực hiện đánh giá về các quá trình xói quanh mố cầu và các phương pháp dự đoán. Các kết luận và khuyến nghị liên quan đến việc đánh giá xói quanh mố và thiết kế cầu an toàn bao gồm:

  • Xói do thu hẹp nên được xem là độ sâu xói tham chiếu để tính xói quanh mố. Xói quanh mố nên được xác định bằng cách nhân xói do thu hẹp — gây ra bởi sự gia tốc dòng chảy qua cửa hẹp — với một hệ số phản ánh nhiễu loạn quy mô lớn. Cách tiếp cận này sẽ thay thế phương pháp hiện tại là cộng xói do thu hẹp vào xói quanh mố được tính riêng.
  • Mố cầu nên được thiết kế với khoảng lùi tối thiểu từ mép lòng kênh chính và có lớp bảo vệ riprap cho cả nền đường đầu cầu và một lớp riprap dạng “apron” để chống xói. Khoảng cách lùi nên đủ để đặt được lớp riprap apron (sân đá hộc) theo khuyến nghị trong HEC-23 (FHWA 2009a).
  • Mô hình hai chiều (2D) nên được sử dụng cho tất cả các trường hợp ngoại trừ những trường hợp đơn giản nhất.

Thiết kế móng mố cầu cũng cần xem xét đến tổng xói, bao gồm các tác động tiềm ẩn từ suy thoái dài hạn, dịch chuyển ngang, xói do thu hẹp và xói cục bộ. Một số cơ quan giao thông (DOTs) có thể cho phép kỹ sư bỏ qua thành phần xói cục bộ của xói quanh mố trong thiết kế. Trong trường hợp này, kỹ sư thiết kế móng mố cần xem xét các tác động tiềm năng từ suy thoái dài hạn, dịch chuyển ngang và xói do thu hẹp. Xét đến các tác động này, họ sẽ thiết kế các biện pháp bảo vệ để kiểm tra các điều kiện xói theo phương pháp trình bày trong HEC-23, được điều chỉnh bởi FHWA Hydraulic Considerations for Shallow Foundations (2018).

NCHRP (2010b) đã xây dựng các phương trình xói quanh mố bao gồm nhiều loại hình mố, vị trí đặt mố, điều kiện dòng chảy và điều kiện vận chuyển trầm tích. HEC-18 (FHWA 2012b) tích hợp các mối quan hệ này và tài liệu Hydraulic Considerations for Shallow Foundations (FHWA 2018) tiếp tục áp dụng chúng. Hình 9.6 minh họa các điều kiện xói quanh mố. Với các thiết kế đặt mố lùi xa khỏi lòng kênh, xói quanh mố xảy ra hoàn toàn tại bãi tràn. HEC-18 gọi điều kiện này là “Xói Điều kiện B (Scour Condition B)”. Xói quanh mố cũng có thể xảy ra hoàn toàn trong lòng kênh, hoặc cả trong bãi tràn và lòng kênh khi mố được đặt gần kênh. HEC-18 gọi điều kiện này là “Xói Điều kiện A (Scour Condition A)”. Trong trường hợp này, đặc điểm trầm tích của lòng kênh và bãi tràn, bao gồm kích thước hạt và độ kết dính, sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ xói xảy ra trong bãi tràn so với trong lòng kênh. Phương trình của NCHRP sẽ tính xói do thu hẹp (theo Điều kiện A hoặc B, tùy trường hợp) và áp dụng thêm hệ số khuếch đại tùy theo hình dạng mố và điều kiện dòng chảy.

(nd: HEC…)

HEC-18 (FHWA 2012b)

HEC-23 (FHWA 2009a)

FHWA Hydraulic Considerations for Shallow Foundations (2018).

Xói quanh mố có thể gây ra phá hoại địa kỹ thuật của đường đầu cầu hoặc vật liệu mái bờ kênh. Khi độ sâu phá hoại địa kỹ thuật bị đạt tới, xói sẽ không tiếp tục sâu thêm mà lan rộng theo phương ngang, có thể tạo ra một nền mố độc lập giống như một trụ xét về mặt xói. Mặc dù một mố được đặt lùi xa khỏi lòng kênh có thể thuộc Điều kiện xói B (Scour Condition B) trong điều kiện thiết kế, nếu lòng kênh có khả năng dịch chuyển vào vùng mố trong suốt thời gian khai thác cầu, thì điều kiện tương lai tiềm tàng (Điều kiện xói A (Scour Condition A)) cũng cần được xem xét trong quá trình thiết kế (FHWA, 2018).

Hình 9.6. Minh họa các điều kiện xói quanh mố cầu

9.2.3 Tác động của vật cản (debris) đến xói

Sự tích tụ vật cản là vấn đề phổ biến tại các cầu, đặc biệt trong thời kỳ lũ. Tải trọng và lực va chạm từ vật cản có thể làm hư hại trụ, bản mặt và dầm cầu. Việc tích tụ vật cản làm giảm tiết diện thoát nước dưới cầu, từ đó làm tăng nguy cơ ngập lũ ở thượng lưu. Vật cản làm tăng tiềm năng xói cho tất cả các loại hình xói. Ví dụ, tiềm năng xói do thu hẹp tăng lên khi vật cản thu hẹp chiều rộng dòng chảy bằng cách che khuất một phần thủy đạo dưới cầu. Tương tự, tiềm năng xói do dòng chảy áp lực (pressure scour) cũng tăng khi vật cản tích tụ, gây ra sự thu hẹp theo phương đứng nghiêm trọng hơn.

Xói quanh trụ tăng lên là dạng phổ biến nhất của xói do vật cản. Hình 9.7 minh họa ví dụ về xói quanh trụ bị tăng cường do vật cản. Các cụm vật cản thay đổi rất nhiều từ cầu này sang cầu khác và từ trận lũ này sang trận lũ khác (NCHRP 2010c). HEC-20 (FHWA 2012c) cung cấp thông tin về cách xác định khả năng tạo vật cản từ thượng lưu, tùy thuộc vào vị trí trụ trong lòng kênh. HEC-18 (FHWA 2012b) cung cấp các mối quan hệ tính xói do vật cản tại trụ cầu. Hình 9.8 minh họa sự hình thành xói do vật cản tại trụ, nơi dòng chảy đập vào trụ và vật cản rồi đâm xuống dưới gây ra hiện tượng dòng chảy rơi (plunging flow) phía sau mép đầu cụm vật cản. Dòng chảy rơi này tạo ra một hố xói ngay phía hạ lưu cụm vật cản, và sự kết hợp giữa cụm vật cản và trụ gây ra một hố xói cục bộ. Độ sâu xói cực đại tại trụ được dự đoán sẽ xảy ra khi kích thước cụm vật cản và độ sâu dòng chảy làm cho hai hố xói này (do trụ và vật cản) trùng nhau.

Hình 9.7. Nhìn xuống một hố rác và hố xói ở đầu thượng lưu của một trụ.
Hình 9.8. Mô hình dòng chảy lý tưởng và xói tại trụ cầu có vật cản.

Các mô hình thủy lực một chiều như HEC-RAS có thể mô phỏng thủy lực hiện tượng tắc nghẽn do vật cản tại các trụ riêng lẻ bằng cách giảm diện tích dòng chảy tại cửa cầu. Chương 7 mô tả nhiều phương pháp khác nhau để biểu diễn trụ trong mô hình 2D, tất cả đều có thể điều chỉnh để bao gồm ảnh hưởng của vật cản tích tụ. Đối với vật cản tích tụ dưới mặt cầu, có thể điều chỉnh phần dưới dầm (low chord) của cầu trong cả mô hình 1D và 2D.

9.2.4 Mất ổn định dòng chảy (Channel Instability)

Trong bối cảnh thiết kế cầu an toàn, mất ổn định dòng chảy bao gồm mọi thay đổi của dòng chảy có thể đe dọa đến nền móng cầu. Dù các thay đổi này là tự nhiên hay do con người gây ra, chúng đều có thể làm lộ móng cầu và gia tăng hiện tượng xói trong các trận lũ. HEC-20 và HEC-16 (FHWA 2012c và 2023) cung cấp thông tin về đánh giá mất ổn định dòng chảy tại cầu. Dù sự thay đổi dòng chảy có thể diễn ra từ từ hoặc theo từng đợt, chúng thường tích lũy dần theo thời gian và có tác động lâu dài đến dòng chảy trong suốt tuổi thọ cầu. Do đó, cần xem xét khả năng xảy ra thay đổi theo phương đứng và phương ngang của lòng dẫn trong thiết kế cầu an toàn.

(nd: HEC-20, HEC-16)

HEC-20 và HEC-16 (FHWA 2012c và 2023)

Việc đánh giá mất ổn định dòng chảy cần xét đến các điều kiện hiện tại và các điều kiện tiềm ẩn trong tương lai. Các yếu tố cần xem xét khi đánh giá khả năng mất ổn định dòng chảy bao gồm:

  • Kích thước và hình dạng kênh.
  • Lịch sử dòng chảy và lũ lụt.
  • Đặc điểm thung lũng và vùng ngập lũ.
  • Các yếu tố địa chất hoặc các yếu tố kiểm soát phương đứng và ngang.
  • Vật liệu lòng kênh và bãi tràn.
  • Thảm thực vật và các yếu tố sinh học khác.
  • Mục đích sử dụng đất.
  • Nguồn gốc và nguồn cung cấp trầm tích.

Mất ổn định theo phương đứng (Vertical Instability):

Sự thay đổi lòng dẫn theo phương đứng bao gồm sự bồi lắng và xói lở do mất cân bằng lâu dài về nguồn cung trầm tích, cũng như hiện tượng xói do tạo hàm ếch (headcutting). Xu hướng thay đổi lâu dài của lưu lượng cũng ảnh hưởng đến hình dạng kênh vì dòng chảy tăng có xu hướng làm mở rộng dòng. Điều này có thể xảy ra do tăng dòng chảy mặt bắt nguồn từ đô thị hóa, hoặc do thay đổi khí hậu, và nhiều nguyên nhân khác. Các hồ sơ kiểm tra cầu, bao gồm các lần đo mặt cắt lặp lại theo thời gian, rất hữu ích trong việc xác định các vấn đề và xu hướng bồi lắng/xói lở.

Chương về vận chuyển trầm tích (Chương 10) bao gồm nội dung về tính liên tục của trầm tích và cách các khái niệm vận chuyển trầm tích được sử dụng để phân tích khả năng bồi lắng hoặc xói lở khi có sự mất cân bằng giữa nguồn cung và khả năng vận chuyển trầm tích.

Hiện tượng headcut xảy ra khi lòng dẫn bị xói lở lan ngược từ hạ lưu lên thượng lưu. Điều này thường bắt nguồn khi mực đáy kênh ở hạ lưu bị hạ thấp. Hình 9.9 minh họa một headcut có thể lan lên thượng lưu và đi qua khu vực cầu trong các trận mưa lũ tương lai. Những đặc điểm của headcut có thể đe dọa công trình cầu bao gồm: suy thoái lòng dẫn kéo dài sau khi headcut đã lan đến thượng lưu cầu, hố sâu tạo bởi dòng đâm thẳng xuống (plunge pool) khi headcut nằm dưới cầu, và hiện tượng mở rộng dòng do đáy bị hạ thấp gây mất ổn định mái bờ.

Mất ổn định theo phương ngang (Lateral Instability):

Hình 9.10 minh họa sự dịch chuyển lòng dẫn tích lũy qua thời gian 72 năm tại một địa điểm. Các đường ranh giới lòng dẫn được xác định và truy vết từ ảnh hàng không lịch sử và hiện tại. Những đường này không chỉ cho thấy xu hướng dịch chuyển lòng dẫn theo chiều dọc thung lũng mà còn thể hiện sự thay đổi chiều rộng lòng dẫn theo thời gian. Quá trình dịch chuyển bao gồm: xói mòn vật liệu bờ kênh, phá hoại địa kỹ thuật mái bờ, vận chuyển vật liệu bị xói và bồi tụ trầm tích tại phía trong các khúc uốn (điểm lắng – point bars).

Việc phân tích ảnh hàng không lịch sử không chỉ giúp nhận diện khả năng xảy ra mất ổn định ngang tại vị trí cầu mà còn hỗ trợ dự báo vị trí lòng dẫn trong suốt vòng đời khai thác của cầu. HEC-20 (FHWA 2012c) giới thiệu các kỹ thuật so sánh ảnh để đánh giá. Mặc dù quá trình dịch chuyển lòng dẫn thường là chậm và tích lũy theo thời gian dài, các sự kiện lũ lớn riêng lẻ cũng có thể gây ra sự dịch chuyển cực đoan và làm mở rộng đáng kể lòng dẫn — điều này gây ra nhiều thách thức lớn cho công tác thiết kế cầu.

Hình 9.9. Headcut ở hạ lưu của một cây cầu (được Don Lozano cho phép sử dụng)
Hình 9.10. Sự dịch chuyển quanh co trên sông Wapsipinicon gần De Witt, Iowa

9.2.5 Xói lở trong vùng thủy triều

Các cây cầu bắc qua vùng thủy triều có những thách thức liên quan đến xói khác biệt ở một mức độ nào đó. Dòng triều và sóng ảnh hưởng đến các cầu và đường gần bờ biển một cách liên tục, hoặc đôi khi trong các trận bão. HEC-25 (FHWA 2020) là tài liệu tham khảo chính của FHWA về thiết kế đường trong môi trường ven biển. Cầu ven biển khác với cầu sông về cả vị trí địa lý lẫn điều kiện thủy lực. Nhiều khái niệm và phương trình về xói có thể áp dụng từ sông sang vùng ven biển, nhưng điều kiện ven biển đưa ra những yếu tố bổ sung cần cân nhắc trong phân tích thủy lực và tính toán xói. Chương 8 cung cấp thông tin chi tiết hơn về các quá trình ven biển và vùng thủy triều. Phần này tóm tắt các thông tin có trong chương Coastal Scour của HEC-25.

(nd: HEC-25)

HEC-25 Highways in the Coastal Environment

Trong môi trường ven biển, các cầu có mức độ phức tạp khác nhau, từ đường địa phương nhỏ băng qua các lạch thủy triều đến các đường cao tốc giới hạn truy cập dọc theo bờ biển. Thực hành thiết kế tốt là phải xem xét dải điều kiện thủy lực có thể xảy ra tại vị trí cầu để xác định các điều kiện chi phối hiện tượng xói. Trong môi trường sông ngòi, kỹ sư xác định lưu lượng dòng chảy trước khi thực hiện phân tích thủy lực. Các mô hình thủy lực sông phục vụ tính toán xói thường chỉ mở rộng phạm vi mô phỏng một đoạn ngắn ở thượng lưu và hạ lưu cầu. Trong môi trường ven biển, các mô hình dòng không ổn định được sử dụng để xác định biểu đồ lưu lượng tại vị trí cầu. Các mô hình này mô phỏng ảnh hưởng của mực nước thay đổi theo thời gian do thủy triều và nước dâng do bão, đồng thời bao gồm toàn bộ vùng bị ngập, thường mở rộng xa về cả thượng lưu và hạ lưu của vị trí cầu. Điều kiện thủy lực vùng ven biển cũng bao gồm sóng, vốn gây ứng suất cắt lên đáy, vận chuyển trầm tích và tạo ra xói.

Tùy thuộc vào khu vực của Hoa Kỳ và điều kiện ven biển, thủy triều, sóng thần, bão, áp thấp vùng cực hoặc các hệ thống áp suất mạnh là những yếu tố chi phối điều kiện thiết kế thủy lực. Các cơ chế cơ bản gây ra xói trong môi trường sông và ven biển là tương tự nhau: vận tốc và độ sâu dòng chảy. Tuy nhiên, phản ứng của xói ven biển đối với các sự kiện thiết kế khác với xói trong sông vì các lý do sau:

  • Không tồn tại dòng chảy rõ ràng từ một nguồn “thượng lưu” mang trầm tích.
  • Dòng chảy không ổn định và đa hướng.
  • Sự hiện diện của sóng làm phức tạp quá trình xói.
  • Các sự kiện dâng sóng/lũ lớn không phải lúc nào cũng tạo ra vận tốc dòng lớn.
  • Vận tốc lớn nhất trong một đợt thủy triều hoặc dâng sóng có thể xảy ra trước hoặc sau đỉnh thủy trình.

Tiêu chuẩn kiểm tra cầu quốc gia (NBIS) là khung quy định liên bang để kiểm tra cầu và đánh giá hiện tượng xói. [23 CFR 655 Subpart C]. NBIS không phân biệt giữa các tình huống xói trong sông và xói ven biển. Tuy nhiên, FHWA lưu ý rằng trong môi trường ven biển, chuyên môn thủy lực cần được kết hợp trong các nhóm kỹ thuật liên ngành, và nên bao gồm cả chuyên môn kỹ thuật ven biển nếu thích hợp. Tài liệu AASHTO Guide Specifications for Bridges Vulnerable to Coastal Storms (AASHTO 2008) đưa ra một bộ tiêu chí xác nhận trình độ cho kỹ sư ven biển và trình bày danh sách các điều kiện cần được chuyên gia ven biển xem xét. Danh sách đó bao gồm dự đoán xói do sóng tại cầu và kè biển, cùng với thiết kế các biện pháp chống xói do sóng gây ra tại mố cầu và đường dẫn lên cầu.

HEC-25 bao gồm các quy trình ví dụ phân tích xói do sự kiện thiết kế đối với các cầu chịu ảnh hưởng thủy triều, chịu chi phối bởi thủy triều, và cầu bắc qua vùng thủy triều. Các quy trình này bao gồm lưu lượng và điều kiện biên mực nước, các tùy chọn mô hình thủy lực và mô hình thủy động lực, và xem xét liệu xói do sóng hoặc các yếu tố khác có được tính đến hay không. Thực tiễn kỹ thuật hiện tại ủng hộ khái niệm tính toán độ sâu xói cực đại cho xói quanh trụ dựa trên các tham số nền móng (ví dụ: vận tốc dòng và độ sâu do dòng chảy và hình dạng trụ), với cả tham số dòng chảy và sóng đóng vai trò lớn tại mố cầu. Tương tự như môi trường sông ngòi, các trụ cọc gần mố cầu có thể gặp thêm xói cục bộ do điều kiện tại mố.

Ngoài các quá trình vật lý khác, thời gian ngắn của trận bão thiết kế điển hình cũng cần được xem xét trong thiết kế xói vùng thủy triều. Mọi loại xói, dù là xói cục bộ quanh trụ và mố cầu hay xói do thu hẹp, đều cần thời gian để đạt đến giá trị cực đại, dựa trên điều kiện thủy lực lớn nhất. Trong một số trường hợp, đặc biệt là đối với xói do thu hẹp, một đợt dâng sóng không được kỳ vọng sẽ tạo ra xói cực đại trong khoảng thời gian tương đối ngắn của pha có vận tốc dòng lớn nhất của sự kiện. Mặc dù chủ đề này cần được nghiên cứu thêm đối với xói cục bộ, các phân tích vận chuyển trầm tích có thể được áp dụng để ước tính tốt hơn mức xói do thu hẹp trong các giai đoạn ngắn.

9.3 Tính toán xói

Chất lượng và độ chính xác của mô hình thủy lực ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của các phép tính xói. Các biến trong tính toán xói bao gồm vận tốc, độ sâu, lưu lượng, chiều rộng dòng chảy, lưu lượng đơn vị và hướng dòng chảy. Nếu hình học mô hình hoặc biểu diễn địa hình không chính xác, các điểm bờ có thể không được xác định đúng hoặc nhất quán và các yếu tố điều khiển thủy lực có thể bị bỏ sót. Nếu hệ số nhám Manning’s n không chính xác, hoặc các giả định mô hình bị vi phạm, thì chất lượng kém của kết quả thủy lực dùng trong tính toán xói có thể dẫn đến các ước lượng xói không hợp lý và sai lệch. Các biến này đều phụ thuộc vào mức độ phù hợp của mô hình thủy lực trong việc xác định phân bố dòng chảy, yếu tố ảnh hưởng đến tính toán xói do thu hẹp, xói quanh trụ và xói quanh mố.

Phần này trình bày việc trích xuất thông tin thủy lực cần thiết từ các mô hình 1D và 2D. Nhận thấy rằng các mô hình 2D cung cấp biểu diễn chính xác hơn về trường dòng và phân bố dòng chảy, FHWA khuyến khích sử dụng mô hình 2D cho tất cả các trường hợp ngoại trừ các cầu đơn giản nhất. Mô hình hai chiều cũng mô phỏng tốt hơn tác động của các yếu tố điều khiển thủy lực do sự thay đổi trong hình học lòng dẫn và địa hình vùng ngập lũ.

9.3.1 Sự kiện được phân tích

HEC-18 (FHWA 2012b) cung cấp các hướng dẫn liên quan đến việc lựa chọn các trận lũ để phân tích xói và thiết kế móng để chịu được xói. HEC-18 nêu rằng: “Móng cầu cho các cầu mới nên được thiết kế để chịu được tác động của xói do điều kiện thủy lực từ các trận lũ lớn hơn trận lũ thiết kế” (nghĩa là lũ thiết kế thủy lực).

23 CFR § 650.105 (d) quy định:
“Design Flood shall mean the peak discharge, volume if appropriate, stage or wave crest elevation of the flood associated with the probability of exceedance selected for the design of a highway encroachment. By definition, the highway will not be inundated from the stage of the design flood.”

“Lũ thiết kế (Design Flood) là lưu lượng đỉnh, thể tích (nếu thích hợp), mực nước hoặc đỉnh sóng của trận lũ được lựa chọn dựa trên xác suất vượt quá, nhằm phục vụ thiết kế công trình đường vượt sông. Theo định nghĩa, tuyến đường sẽ được coi là không bị ngập bởi mực nước của trận lũ thiết kế.”

Định nghĩa này thừa nhận rằng tồn tại nhiều sự kiện có xác suất vượt mức khác nhau (AEP – Annual Exceedance Probability) có thể áp dụng cho thiết kế thủy lực của một công trình. Vượt quá lũ thiết kế thủy lực có thể dẫn đến tràn mặt đường và có thể yêu cầu đóng đường tạm thời hoặc sửa chữa, nhưng điều đó không đồng nghĩa với việc công trình đã sập, hỏng hay bị hư hại.

HEC-18 xác định các trận lũ thiết kế liên quan đến xói là “Lũ thiết kế xói” (Scour Design Flood) và “Lũ kiểm tra thiết kế xói” (Scour Design Check Flood). Các lưu lượng lũ cho các trường hợp này vượt quá Lũ thiết kế thủy lực vì hậu quả của việc vượt quá lũ thiết kế xói là nghiêm trọng hơn rất nhiều. Những hậu quả này có thể bao gồm: hư hỏng kết cấu, gián đoạn sử dụng kéo dài và thiệt hại về người.

Trong trường hợp Lũ thiết kế xói, móng cầu và các biện pháp bảo vệ chống xói (nếu có) được thiết kế để chịu được tổng độ sâu xói tính toán, bao gồm các hệ số an toàn, hệ số tải và các hệ số kháng tại các trạng thái giới hạn tương ứng (phục vụ và chịu lực). Trong Lũ kiểm tra thiết kế xói, móng cầu được thiết kế để đảm bảo hệ số an toàn tối thiểu cho độ sâu xói tính toán tại trạng thái giới hạn sự kiện cực đoan.

Khi các biện pháp bảo vệ xói được sử dụng để bảo vệ móng cầu khỏi xói, chúng cũng được thiết kế để đảm bảo ổn định tại trạng thái giới hạn của sự kiện cực đoan.

Đối với cầu thuộc hệ thống đường quốc gia (NHS), FHWA yêu cầu áp dụng các tiêu chuẩn AASHTO LRFD theo 23 CFR § 625.4. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications xác định tần suất các trận lũ thiết kế xói và lũ kiểm tra thiết kế xói liên quan, các hệ số tải tương ứng, và các trạng thái giới hạn tương ứng như được mô tả trong Mục 9.1. Đối với cầu không thuộc NHS, các Sở GTVT cấp bang xác lập tần suất sự kiện liên quan và các hệ số tải tương ứng và trạng thái giới hạn theo 23 CFR § 625.3(a)(2). HEC-18 xác định ví dụ về các tần suất lũ thiết kế xói tối thiểu dựa trên rủi ro liên quan đến tần suất lũ thiết kế thủy lực.

Các sự kiện khác cũng được xem xét; một sự kiện có khả năng xảy ra cao hơn (chu kỳ lặp lại ngắn hơn) so với sự kiện thiết kế được chọn có thể gây ra mức xói nghiêm trọng hơn (sâu hơn) và cần được đánh giá trong thiết kế. Ví dụ, Bảng 2.1 trong HEC-18 ghép tần suất thiết kế thủy lực 50 năm với các tần suất thiết kế xói và kiểm tra xói 100 năm và 200 năm tương ứng. Tuy nhiên, nếu lũ tràn mặt đường xảy ra nằm giữa các sự kiện này, thì sự kiện đó cũng được phân tích vì nó có thể gây ra điều kiện xói nghiêm trọng nhất tại cầu.

9.3.2 Sử dụng mô hình một chiều

Hình 9.11 minh họa các mặt cắt ngang trong khu vực cầu cho một mô hình thủy lực 1D. Mặt cắt Approach biểu diễn các điều kiện ngay trước điểm dòng bắt đầu thu hẹp vào khu vực cầu, và mặt cắt Exit biểu diễn nơi dòng chảy mở rộng hoàn toàn trở lại. Các phép tính xói do thu hẹp và xói quanh mố bao gồm dòng chảy qua lòng kênh và phần bãi tràn tại mặt cắt Approach và Crossing. Trong mô hình HEC-RAS, mặt cắt Crossing bao gồm dữ liệu hình học của cầu và mặt đường đặt giữa hai mặt cắt biên, vốn nằm liền kề với cầu và mặt đường (xem Chương 6). Mô hình một chiều cung cấp ước tính các biến thủy lực bằng cách tính toán vận chuyển riêng biệt tại từng phần trong mỗi mặt cắt ngang và phân phối dòng theo tỷ lệ với khả năng vận chuyển (conveyance).

Hình 9.12 là biểu đồ biểu diễn phân bố dòng chảy tại vị trí cầu từ mô hình HEC-RAS. Kết quả này cũng có dạng bảng dữ liệu đầu ra từ phần mềm HEC-RAS. Mặt cắt được minh họa là mặt cắt biên thượng lưu. Mặt cắt này được sử dụng trong tính toán xói để tránh ảnh hưởng từ trụ. Vùng gạch chéo biểu thị các khu vực dòng chảy không hiệu dụng do bị chặn bởi nền đường đắp. Hình này thể hiện vận tốc thấp trong vùng bãi tràn dưới cầu, nơi có độ sâu nhỏ và hệ số Manning’s n cao. Ngược lại, vận tốc cao trong lòng kênh, nơi độ sâu dòng lớn và Manning’s n thấp.

Các phép tính xói quanh trụ sử dụng vận tốc và độ sâu dòng chảy ở cả thượng lưu và vị trí trụ. Giá trị vận tốc và độ sâu lớn nhất (được đánh dấu trong Hình 9.12) thường được dùng để tính xói quanh trụ vì chúng tạo ra kết quả bảo thủ nhất và vì sự dịch chuyển của lòng dẫn chính (thalweg) có thể đưa dòng chảy này đến vị trí bất kỳ trụ nào trong lòng kênh.

Cần lưu ý rằng phân bố dòng chảy trong HEC-RAS chỉ là xấp xỉ vì nó dựa trên một số giả định, bao gồm:

  • Dòng chảy thay đổi dần dần.
  • Dòng chảy được phân bố theo khả năng vận chuyển nước của từng phần.
  • Mực nước được giả định là ngang bằng trên toàn bộ mặt cắt ngang.
  • Có một giá trị duy nhất cho độ dốc năng lượng trên toàn mặt cắt ngang.
Hình 9.11. Vị trí mặt cắt ngang ở chế độ 1D
Hình 9.12: Phân bố dòng chảy từ mô hình 1D

Mặc dù các giả định này ảnh hưởng đến toàn bộ phân bố dòng chảy ở một mức độ nhất định, nhưng sai số lớn nhất thường xảy ra gần mố cầu, nơi mà vận tốc và mật độ dòng chảy (lưu lượng đơn vị) cao hơn nhiều thường được dự đoán. Như sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo, giả định duy nhất trong danh sách trên vẫn còn áp dụng cho mô hình 2D là: dòng chảy thay đổi dần dần.

9.3.3 Sử dụng mô hình hai chiều

Hình 9.13 trình bày kết quả mô hình 2D dưới dạng đồ thị với các đường đồng mức và vectơ vận tốc. Các đường đồng mức độ sâu và mực nước cũng có thể được hiển thị dưới dạng đồ họa, và một số phần mềm xử lý hậu mô hình 2D cho phép tính toán và hiển thị các bộ dữ liệu mới sử dụng kết quả mô hình. Hình minh họa một tình huống dòng chảy phức tạp trong đó một con đường băng qua một kênh và vùng bãi tràn rộng. Có một cầu chính dài bắc qua kênh chính, một cầu phụ ngắn hơn ở phía bãi tràn phía trên bên phải hình. Ngoài ra còn có một đường đắp hẹp dành cho đường sắt, với một cầu chính và một cầu phụ nằm ở hạ lưu của đường bộ.

Đối với tính toán xói quanh trụ, kỹ sư thiết kế có thể lấy trực tiếp các giá trị điểm của vận tốc, độ sâu và góc dòng chảy từ kết quả mô hình tại bất kỳ vị trí nào trong phạm vi mô hình. Tài liệu Two-Dimensional Hydraulic Modeling for Highways in the River Environment của FHWA (2019) cung cấp thêm thông tin về cách chọn vị trí để lấy vận tốc, độ sâu và hướng dòng tại vị trí trụ. Hình 9.13 cũng hiển thị bốn đường dòng (còn gọi là đường quan trắc hoặc đường theo dõi dòng chảy). Một mô hình 2D có thể tính toán lưu lượng và các biến thủy lực trong vùng dòng chảy được xác định bởi các đường dòng này. Các đường dòng trong hình được định vị để tính toán lưu lượng qua cửa cầu chính và mặt cắt tiếp cận, lưu lượng qua bãi tràn rộng ở vùng setback bên dưới cầu chính, và tổng lưu lượng qua cầu phụ. Đầu ra của đường dòng cũng có thể bao gồm diện tích, chiều dài, vận tốc trung bình và độ sâu trung bình. Các biến này cung cấp dữ liệu đầu vào cho các phép tính xói do thu hẹp và xói tại mố.

Hình 9.13 cũng hiển thị sự tập trung dòng chảy (vận tốc cao) tại hai mố của cầu chính. Mô hình một chiều không thể tính toán kiểu tập trung dòng chảy này. Nhân vận tốc với độ sâu tại bất kỳ điểm nào trong miền mô hình 2D sẽ cho lưu lượng đơn vị tại điểm đó. Chia lưu lượng đơn vị này cho chiều dài đường dòng sẽ cho lưu lượng đơn vị trung bình dọc theo đường dòng.

Bộ công cụ mô hình 2D được FHWA chấp nhận bao gồm Surface Water Modeling System (SMS) – bộ xử lý trước và sau mô phỏng – và mô hình số SRH2D (Sedimentation and River Hydraulics 2D) của Cục Khai hoang Hoa Kỳ (FHWA 2019). SMS bao gồm các công cụ hỗ trợ bởi FHWA để trích xuất các biến xói, giúp tính toán xói sử dụng kết quả thủy lực từ SRH2D. Sau khi người dùng hoàn tất và kiểm tra mô phỏng mô hình, họ có thể tạo một phạm vi xói (scour coverage) trong SMS. Người dùng sau đó xuất ra một tệp *.HYD chứa:

  • Sự phân loại vật liệu đáy tại mặt cắt tiếp cận (bed material gradation),
  • Các biến thủy lực cho xói do thu hẹp, xói cục bộ quanh trụ, và xói mố kết hợp (thu hẹp và cục bộ).

Tệp này tương thích với phần mềm Hydraulic Toolbox (phiên bản 4.2 trở lên) của FHWA, giúp đẩy nhanh quá trình trích xuất các biến thủy lực và phân loại vật liệu đáy từ mô hình 2D.

Hình 9.14 trình bày một ví dụ mô hình 2D sử dụng phạm vi xói. Hình vẽ bao gồm các cung tiếp cận, thu hẹp và bờ. Mô hình cũng bao gồm các cung trụ và cung mố. Các công cụ trong phạm vi xói sẽ trích xuất các biến cần thiết cho xói do thu hẹp, xói mố, và xói quanh trụ tại các vị trí được xác định bởi các cung này.

Hình 9.13. Đường vận tốc và dòng chảy trong mô hình 2D
Hình 9.14. Ví dụ SMS về phạm vi xói

Hydraulic Toolbox áp dụng các phương pháp dự đoán xói theo HEC-18, cung cấp bảng tổng hợp thuận tiện và có thể vẽ biểu đồ mô phỏng hình học khối xói (scour prism). Cả quá trình trích xuất từ phạm vi xói và công cụ Hydraulic Toolbox đều đưa ra các giả định liên quan đến cao trình tham chiếu xói và có thể kết hợp giá trị xói cực đại cục bộ và theo mặt cắt để tính toán xói cục bộ.

Hydraulic Toolbox cũng yêu cầu các thông tin đầu vào bổ sung cho tính toán xói, bao gồm hình dạng trụ và kích thước chi tiết, thông tin kết cấu cầu, cấu hình mố cầu, điều kiện hình thái đáy kênh, và khả năng suy giảm đáy dài hạn. Trước khi hoàn thiện cao trình thiết kế xói, người dùng sẽ rà soát và cập nhật từng biến đầu vào, đảm bảo rằng các công cụ đã kết hợp và áp dụng các giá trị trích xuất một cách hợp lý.

Ví dụ, tại một đoạn kênh không ổn định theo phương ngang, kỹ sư thiết kế có thể chọn đáy lòng dẫn chính (thalweg) làm cao trình tham chiếu thiết kế cho tất cả các phần kết cấu dưới nước dựa trên cao trình mặt cắt (nền cứng) từ mô hình thủy lực. Họ cũng có thể đánh giá xói mố theo điều kiện xói loại A (Scour Condition A) đối với điều kiện thủy lực chính trong kênh. Các cao trình sau xói tại mỗi phần kết cấu sau đó được sử dụng trong thiết kế kết cấu móng trụ và mố cầu. Hình 9.15 minh họa một ví dụ về sơ đồ hình học khối xói từ Hydraulic Toolbox.

Hình 9.15. Ví dụ về biểu đồ xói từ Hydraulic Toolbox thể hiện sự suy thoái đáy dài hạn, xói do thu hẹp, và xói cục bộ đối với một kênh ổn định theo phương ngang.

9.4 Biện pháp chống xói

Xói và mất ổn định dòng chảy đe dọa đến sự an toàn của các cây cầu bắc qua sông. Các biện pháp chống xói và mất ổn định dòng chảy giúp kiểm soát, ngăn chặn, thay đổi, trì hoãn hoặc giảm thiểu các mối đe dọa này. HEC-23 (FHWA 2009a) cung cấp hướng dẫn và tài liệu hỗ trợ nhằm giúp lựa chọn và thiết kế biện pháp chống xói cho nhiều loại mối đe dọa, có xét đến các đặc điểm đa dạng của sông ngòi. Ngoài chức năng chống xói và xâm thực, hầu hết các biện pháp thủy lực còn làm thay đổi dòng chảy và cần được đưa vào mô hình thủy lực. Phần này mô tả các cân nhắc thiết kế và mô hình thủy lực đối với một số biện pháp chống xói.

Thiết kế kết cấu của trụ cầu và mố cầu phải xét đến tổng xói tiềm năng (bao gồm xói dài hạn, xói do thu hẹp, xói cục bộ) và mất ổn định theo phương ngang trong suốt tuổi thọ sử dụng của cầu (theo 23 CFR § 650.313(o)), như đã trình bày ở Chương 3 và Mục 9.1. HEC-18 đưa ra các lưu ý thiết kế nhằm giảm thiểu các vấn đề mất ổn định dòng và xói đối với các cầu mới (FHWA 2012b).

Cũng như trong các tính toán xói, thiết kế biện pháp chống xói đáng tin cậy phụ thuộc vào chất lượng và độ chính xác của mô hình thủy lực. Các biến thiết kế chính gồm vận tốc, độ sâu và ứng suất cắt – tất cả đều được xác định tốt nhất từ các mô hình 2D. Các sai số trong biểu diễn hình học của lòng dẫn, vùng ngập, kết cấu cầu và biện pháp chống xói có thể tạo ra kết quả thủy lực kém chất lượng và dẫn đến thiết kế thừa hoặc thiếu. Một phạm vi rộng các điều kiện dòng chảy cần được mô phỏng để xác định điều kiện thiết kế chi phối.

9.4.1 Biện pháp chống xói mố cầu

Như được mô tả trong tài liệu Scour Conditions within AASHTO LRFD Design Specifications của FHWA năm 2021, FHWA và AASHTO yêu cầu phải có biện pháp bảo vệ nền đường tại mố cầu để nâng cao khả năng phục hồi của mạng lưới giao thông đường bộ trước các gián đoạn do lũ và giảm thiểu công tác bảo trì (FHWA 2021). Khi móng mố cầu đã được thiết kế để chịu tổng xói, bao gồm cả xói tại mố, AASHTO vẫn yêu cầu các bang phải bảo vệ mái đắp mố khỏi bị xói lở (AASHTO 2020).

AASHTO và FHWA không quy định tần suất lũ thiết kế hay tiêu chí thiết kế cho bảo vệ mái đắp mố. Các bang có thể lựa chọn thiết kế biện pháp bảo vệ này cho lũ thiết kế xói (Scour Design Flood) và sử dụng phương pháp của HEC-23 (FHWA 2009a) hoặc tiếp cận dựa trên rủi ro.

Mục 9.2.2 của tài liệu HDS-7 này trình bày thêm các yếu tố cần xem xét trong thiết kế biện pháp chống xói tại mố, trong trường hợp Sở GTVT của bang cho phép kỹ sư thiết kế bỏ qua thành phần xói cục bộ trong tổng xói (chỉ đối với mố; tổng xói luôn bao gồm xói cục bộ đối với trụ). Trong trường hợp đó, tính ổn định của kết cấu sẽ phụ thuộc vào biện pháp chống xói, và cần thiết kế biện pháp này để bảo vệ mố cầu và mái đắp khỏi lũ kiểm tra và các cao trình xói tương ứng (FHWA, 2018). HEC-23 (2009a) cùng với tài liệu Hydraulic Considerations for Shallow Abutment Foundations (FHWA 2018) cung cấp thêm thông tin thiết kế, mặt cắt, và bố trí cho kỹ sư thiết kế.

HEC-23, được bổ sung bởi tài liệu Hydraulic Considerations for Shallow Abutment Foundations (FHWA 2018), cung cấp thông tin và tài nguyên để thiết kế các biện pháp chống xói tại mố. Những điểm chính bao gồm:

  • Trường dòng gần mố vi phạm các giả định của mô hình 1D. Loại và kích thước vật liệu chống xói tại mố được xác định chính xác hơn thông qua kết quả mô hình 2D cho sự kiện thiết kế tương ứng.
  • Sân đệm ngang tại mố (horizontal apron) có tác dụng chống lại xói cục bộ tại chân tường mố hoặc mái đắp. Chỉ bảo vệ mái dốc là không đủ.
  • Sân đệm ngang có thể bị xói dưới đáy trừ khi cao trình đỉnh của nó được đặt thấp hơn mức suy giảm đáy dài hạn cộng với xói do thu hẹp (hoặc xói do thu hẹp thẳng đứng nếu có), có xét đến mất ổn định theo phương ngang. Nếu mố có thể gặp phải điều kiện dòng chính trong suốt vòng đời sử dụng, thì cao trình tham chiếu trước khi xói phải là đáy lòng dẫn chính (thalweg).
  • Thiết kế bảo vệ xói tại mố phải bao quanh khối đắp đường dẫn cầu ở cả phía thượng lưu và hạ lưu để chống xói do hiện tượng phân tách dòng và xoáy sau vật cản.

Hình 9.16 trình bày một bản phác họa mặt cắt cầu với các biện pháp chống xói tại mố. Các mái đắp xả lũ tại mố được bố trí lùi vào trong, cách xa lòng dẫn chính, và cầu sử dụng móng sâu.

  • Phía bên trái mô tả cao trình xói đối với cây cầu bắc qua một kênh ổn định theo phương ngang.
  • Phía bên phải mô tả cao trình xói đối với cây cầu bắc qua một kênh không ổn định theo phương ngang, với cao trình xói được tham chiếu theo đáy lòng dẫn chính (thalweg).
Hình 9.16. Ví dụ mặt cắt cầu với các biện pháp chống xói tại mố nhằm bảo vệ mái dốc trước mố.
(Hình theo Idaho Transportation Department, 2021).

(nd: Hình 9.16 thể hiện các vùng bên dưới mặt nước bao gồm: suy thoái lâu dài, xói do thu hẹp, xói cục bộ tại trụ và xói do thu hẹp cộng với xói cục bộ tại mố cầu. Các khu vực ổn định và không ổn định theo phương ngang được ghi chú. Lớp bảo vệ mố bằng đá hộc (riprap apron) phải được đặt sâu hơn đối với đoạn sông không ổn định theo phương ngang, nhằm tính đến khả năng dòng chảy có thể dịch chuyển đến vị trí bảo vệ mố cầu)

Các ký hiệu trong hình:

  • LTD: Long Term Degradation (Suy thoái lâu dài)
  • CS: Contraction Scour (Xói do thu hẹp)
  • PS: Pier Scour (Xói tại trụ)
  • AS: Abutment Scour (Xói tại mố cầu)

Gia cố mái và thảm thực vật (Revetments and Vegetation)

Các lớp gia cố mái bờ sông và thảm thực vật là loại biện pháp chống xói phổ biến nhất để chống lại mất ổn định dòng chảy theo phương ngang và xói lở bờ. Gia cố mái được đặt trực tiếp lên bờ sông và bao gồm đá hộc (riprap), các khối bê tông liên kết, nhiều loại đệm (mattress), đê chắn gỗ kỹ thuật (engineered log jams) và có thể kết hợp với thảm thực vật như một giải pháp kết hợp với thiên nhiên.
Việc mô phỏng thủy lực đối với biện pháp gia cố mái và thảm thực vật bao gồm việc điều chỉnh hình học để mô phỏng địa hình thiết kế và gán giá trị hệ số nhám Manning’s n đại diện cho loại vật liệu chống xói.

Bờ dẫn dòng (Guide Banks):

Khi đường đắp xâm lấn vào vùng ngập rộng, một lượng lớn dòng chảy có thể tiếp cận cầu theo hướng song song với đường đắp. Sự tập trung dòng chảy và xoáy rối quy mô lớn sinh ra có thể gây xói nghiêm trọng tại mố cầu. Phân tách dòng cũng có thể làm giảm hiệu quả khẩu độ cầu, từ đó có khả năng làm tăng xói do thu hẹp.
Bờ dẫn dòng (như minh họa trong Hình 9.17) có thể ngăn chặn xói nghiêm trọng tại mố cầu và giảm phân tách dòng. Xói cục bộ vẫn có thể xảy ra, nhưng thường chỉ xuất hiện ở đầu thượng lưu của bờ dẫn dòng, cách xa các cấu kiện móng của mố cầu.

Hình 9.17. Guide Bank (bờ dẫn dòng) điển hình (điều chỉnh từ FHWA 1978).

Như thể hiện trong Hình 9.18, các mô hình 2 chiều có thể mô phỏng trực tiếp hình học của bờ dẫn dòng. Theo tài liệu Two-Dimensional Hydraulic Modeling for Highways in the River Environment: Reference Document (FHWA 2019), lưới phi cấu trúc trong hình này cho thấy rằng các khu vực có sự thay đổi nhanh về độ lớn hoặc hướng của vận tốc cần một mạng lưới phần tử tinh hơn. Lưới phi cấu trúc cũng cho phép gán chi tiết các giá trị hệ số Manning’s n.

Hình 9.19 trình bày trường dòng quanh bờ dẫn dòng này và trường dòng quanh mố cầu ở đầu kia của cầu. Có hiện tượng phân tách dòng bên dưới mố phải của cầu (bên trái của hình), nhưng không xảy ra ở phía có bờ dẫn dòng. Vận tốc dòng chảy cực đại cũng thấp hơn nhiều ở phía được bờ dẫn dòng bảo vệ.

Hình 9.18. Bờ dẫn dòng trong lưới mô hình 2 chiều phi cấu trúc.

Kỹ sư có thể mô phỏng bờ dẫn dòng bằng mô hình 1 chiều (1D), nhưng chỉ ở mức gần đúng. Mô hình 1D không có khả năng mô phỏng và biểu diễn đầy đủ các tác động có lợi về xói do bờ dẫn dòng. Hình 9.19 minh họa rõ ràng một số lợi ích của mô hình 2 chiều (2D) trong phân tích và thiết kế biện pháp phòng chống xói. Mô hình 2D mô phỏng bờ dẫn dòng thực tế, cao trình mặt nước và vận tốc một cách chính xác và toàn diện hơn nhiều so với mô hình 1D.

Vì mô hình 2D bảo toàn động lượng theo cả hai phương X và Y, hướng dòng chảy được tính toán trực tiếp trên toàn miền mô hình, cho phép xác định chính xác góc tấn công, mặc dù các khả năng thay đổi trong tương lai có thể làm thay đổi các kiểu dòng chảy trong suốt vòng đời của cầu. Mô hình 2D cũng cho thấy rằng bờ mố phải – không có bờ dẫn dòng – xuất hiện hiện tượng phân tách dòng chảy và một phần của khẩu độ cầu không hiệu quả trong việc dẫn dòng, do đó có thể làm tăng xói do thu hẹp. Vận tốc lớn nhất tại bờ dẫn dòng cũng thấp hơn nhiều so với bờ mố đối diện.

Vì vậy, kích thước đá (riprap) yêu cầu nhỏ hơn nhiều đối với bờ dẫn dòng. Tài liệu HEC-23 cung cấp thông tin và tài nguyên để thiết kế bờ dẫn dòng.

Hình 9.19. Độ lớn vận tốc và vectơ tại cầu với một bờ dẫn dòng.

Đê chắn và Đập uốn khúc (Spurs và Bendway Weirs):

Spurs và bendway weirs có thể bảo vệ bờ kênh khỏi xói mòn và cải thiện hướng dòng chảy tại các cầu nơi có sự di chuyển của dòng. Hình 9.20 và Hình 9.21 cho thấy kết quả mô hình 2D của dòng chảy cong không được bảo vệ và cùng đoạn cong đó được bảo vệ bằng spurs. Như đã thảo luận trong HEC-23 (FHWA 2009a), chức năng thủy lực và thiết kế của hai biện pháp bảo vệ này khác nhau rõ rệt ở chỗ dòng chảy bên trong kênh tràn qua bendway weirs theo thiết kế, còn spurs thì không. Điểm giống nhau chính là cả hai đều kéo dài từ mép bờ và thường có đoạn bờ không được bảo vệ giữa các cấu trúc. Trong các mô hình thể hiện ở Hình 9.20 và 9.21, vận tốc lớn xuất hiện tại chân bờ không được bảo vệ (Hình 9.20) nhưng lại có dòng chảy xoáy vận tốc thấp dọc theo bờ được bảo vệ bằng spurs (Hình 9.21). Ứng suất cắt (hoặc bất kỳ thông số thủy lực nào khác) cũng có thể được tính toán, tạo đường đồng mức và so sánh giữa điều kiện hiện hữu và đề xuất bằng giao diện mô hình 2D.

Các mô hình này cũng cho thấy rằng spur ở thượng lưu chịu vận tốc dòng chảy lớn nhất và có khả năng làm lệch thalweg và gây xói sang bờ đối diện do vận tốc dòng tăng lên từ spur. Mô hình một chiều cũng có thể được dùng để mô phỏng điều kiện này, tuy nhiên kết quả chỉ mang tính trung bình tại mặt cắt chứ không phải là phân bố chi tiết như kết quả dòng chảy 2D. Tuy nhiên, ngay cả một mạng lưới 2D tinh vi cũng không thể mô tả đầy đủ các đặc điểm dòng chảy vì có các đặc trưng dòng 3 chiều đáng kể liên quan đến bendway weirs và spurs, đặc biệt khi có tràn qua công trình.

Hình 9.20. Phân tích dòng chảy 2D không có spur.

Hình 9.21. Phân tích dòng chảy 2D có spur.