Tác động dòng chảy lũ lên các bộ phận công trình cầu là một trong những nguyên nhân lớn gây ra hư hỏng, sập đổ các công trình cầu ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Đối với các công trình cầu được thiết kế chịu ngập hoặc ngập một phần, hoặc do thay đổi điều kiện thủy lực, thủy văn, biến đổi khí hậu dẫn đến công trình cầu cũng có thể chịu ngập một phần hoặc hoàn toàn trong quá trình khai thác. Khi đó việc tính toán áp lực dòng chảy lên các bộ phận công trình cầu là rất cần thiết để đảm bảo an toàn công trình dưới tác dụng của dòng chảy. Tính toán áp lực dòng chảy lên trụ cầu được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành ở Việt Nam là TCVN 11823:2017, tuy nhiên tính toán áp lực dòng chảy lên kết cấu nhịp thì chưa được quy định. Một số tiêu chuẩn thiết kế cầu ở nước ngoài đã đề cập nhưng việc lựa chọn, áp dụng vào điều kiện Việt Nam chưa được phân tích, khuyến cáo đầy đủ gây khó khăn cho công tác tính toán thiết kế trên thực tế.

Từ thực tế trên, nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Hữu Thuấn tại Tổng cục Đường bộ Việt Nam đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tính toán áp lực dòng chảy lên công trình cầu chịu ảnh hưởng của lũ lụt do biến đổi khí hậu” từ năm 2020 đến năm 2021. Đề tài nhằm thực hiện mục tiêu nghiên cứu, đánh giá phương pháp tính toán áp lực dòng chảy lũ, lụt lên công trình cầu trong các tiêu chuẩn hiện hành ở Việt Nam và trên thế giới; và đề xuất các giải pháp phù hợp trong thiết kế để giảm thiểu tác động của dòng chảy lên công trình cầu, đảm bảo an toàn cho kết cấu cầu trong khai thác, vừa đảm bảo tiết kiệm chi phí xây dựng.

Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tính toán áp lực dòng chảy lũ, lụt lên công trình cầu, trong đó chủ yếu là đối với kết cấu nhịp. Các phương pháp tính toán áp lực dòng chảy trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành ở Việt Nam và trên thế giới đã được trình bày, làm rõ các tham số ảnh hưởng đến tính toán áp lực dòng chảy lên kết cấu. Kết quả tính toán theo các phương pháp trong các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau được phân tích, đánh giá thông qua ví dụ tính toán đối với một công trình cầu thực tế là ở Việt Nam, chịu ảnh hưởng lớn của dòng chảy lũ, lụt. Kết quả cho thấy kết quả tính toán từ các tiêu chuẩn khác nhau trên thế giới có sự chênh lệch lớn. Từ đó kiến nghị sử dụng phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với điều kiện thủy văn phức tạp ở Việt Nam và đảm bảo tính an toàn cao.

Một mô hình phân tích số theo phương pháp SPH (smoothed particles hydrodynamics) đã được phát triển để phân tích toàn diện và đầy đủ tác động của dòng chảy đối với kết cấu nhịp. Mô hình cho phép tính toán chính xác, đầy đủ hơn ảnh hưởng của các tham số đối với áp lực dòng chảy lên kết cấu như cấu tạo mặt cắt ngang, vị trí, độ sâu của dòng chảy, tỷ lệ tương quan giữa kích thước và chiều sâu của dòng chảy…đây là các ảnh hưởng mà chưa được xem xét đầy đủ trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành ở Việt Nam và trên thế giới. Mô hình cũng cho phép tính toán hệ số cản Cd của bất kỳ dạng mặt cắt ngang nào trong thực tế xây dựng cầu. Kết quả phân tích ứng xử cơ học của kết cấu nhịp cầu dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng gồm áp lực dòng chảy với tĩnh tải, hoạt tải thiết kế cầu đã được đưa ra. Ảnh hưởng bổ sung của cây trôi, tắc nghẽn trong dòng chảy lên kết cấu cũng được xem xét. Kết quả phân tích được thực hiện với các tham số cụ thể của công trình cầu ở Việt Nam (Cành Nàng), cho thấy có sự phù hợp tốt trong tính toán phân tích với hư hỏng thực tế của công trình.

Ngoài ra, đề tài cũng đề xuất các giải pháp cấu tạo trong thiết kế mới và thiết kế sửa chữa các cầu nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng lớn của lũ, lụt nhằm giảm thiểu tác động do áp lực dòng chảy gây ra, các giải pháp bao gồm lựa chọn mặt cắt thoát nước hợp lý cho mặt cắt ngang, bổ sung kết cấu vào mặt cắt ngang để cải thiện tính thoát nước; thiết kế hoặc bổ sung kết cấu neo, ụ chống xô ngang, neo dầm vào đỉnh xà mũ mố, trụ cầu nhằm tránh chuyển vị trượt ngang của dầm cầu dưới lực đẩy ngang của dòng chảy.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21222/2021) tại Cục Thông tin, Thống kê.

N.P.D (NASTIS)