Đây là tài liệu khá chi tiết về các biện pháp chỉnh trị dòng chảy của sông ngòi giúp các bạn sinh viên về kỹ thuật hay những người đã đi làm có thể nghiên cứu để hiểu sâu hơn các kiến thức phục vụ cho học tập và công tác
Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 2 Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 3 CHƢƠNG 1 4 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG 4 1.1 Các khái niệm cơ bản 4 1.1.1 Diện tích lưu vực: 4 1.1.2 Hệ số hình dạng (Shape factor) 6 1.1.3 Một số định nghĩa cơ bản dùng trong lý thuyết vận chuyển bùn cát 6 1.1.4 Ứng suất đáy (bed shear stress) 8 1.2 Sự vận chuyển bùn cát 13 1.2.1 Độ thô thuỷ lực (Settling velocity of sediment particles) 13 1.2.2 Các phương thức vận chuyển bùn cát (modes of sediment transport) 16 1.2.3 Thông số Shields (Shields parameter) 18 1.2.4 Vận tốc khởi động của hạt cát 18 1.2.5 Vận tốc vận chuyển bùn cát di đáy 24 1.2.6 Vận tốc vận chuyển bùn cát lơ lửng 25 1.2.7 Vận chuyển bùn cát tổng cộng 26 1.2.8 Độ nhám đáy các sông đáy trầm tích 29 1.3 Dòng thứ cấp trong sông (secondary current) 32 1.3.1 Khái niệm 32 1.3.2 Nguyên nhân xuất hiện dòng thứ cấp 33 1.3.3 Dòng chảy vòng do lực li tâm gây ra ở đoạn sông cong 34 1.3.4 Dòng chảy vòng do lực quán tính Coriolis gây ra 36 1.4 Sự diễn biến và hình thái dòng sông 39 1.4.1 Khái niệm chung 39 1.4.2 Lưu lượng tạo lòng sông 47 1.4.3 Độ ổn định của lòng sông và các chỉ tiêu ổn định 50 1.4.4 Các biểu thức quan hệ hình thái sông 53 Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 4 CHƢƠNG 1 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG (Fundamentals of the river dynamics) Cơ sở lý thuyết của môn học chỉnh trị sông là động lực sông ngòi; các vấn đề cơ bản của nó là tương tác giữa dòng chảy và lòng dẫn hoặc các công trình. 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.1 Diện tích lưu vực: Diện tích lưu vực của một con sông là toàn bộ diện tích hứng nước mưa của con sông đó. Diện tích lưu vực sông cũng được gọi là diện tích thoát nước hay diện tích thuỷ vực (Hình 1.1a). Đường phân chia giữa hai lưu vực sông thường là đường đi qua khu vực cao, ngăn cách nước chảy từ một lưu vực sông nầy sang lưu vực sông kế cận (Hình 1.1b). a) b) Hình 1.1 Định nghĩa lƣu vực sông và đƣờng phân thủy Sông thường được chia thành sông chính và sông nhánh. Các nhánh sông được chia thành nhánh cấp 1, cấp 2 v.v., như chỉ ra trên Hình 1.2. Một trong những vấn đề quan trọng nhất của kỹ thuật sông là xem xét quá trình vận chuyển bùn cát. Thông thường, bùn cát được cung cấp cho các sông thông qua quá trình xói mòn tại lưu vực sông và được vận chuyển bởi dòng chảy tràn trên mặt đất trước khi tới dòng sông. Trong quá trình vận chuyển, bùn cát trải qua quá trình lắng đọng và tái xói mòn cho tới khi tới biển và lắng đọng. Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 5 Hình 1.2 Sông chính và sông nhánh Khoa học vận chuyển bùn cát giải quyết mối quan hệ giữa dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát. Trong thuật ngữ Tiếng Việt, bùn cát cũng được gọi là trầm tích. Trầm tích là một hỗn hợp chất rắn được dòng chảy vận chuyển. Thông thường, hạt trầm tích có hình dạng khá phức tạp. Bởi vậy, người ta thường sử dụng Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 6 3 đường kính để mô tả hạt trầm tích (Hình 1.3). Như thấy trên hình 3, đường kính này là đường kính chính, đường kính phụ và đường kính giữa. 3 abcd Hình 1.3 -Hạt trầm tích 1.1.2 Hệ số hình dạng (Shape factor) Hình dạng của hạt bùn cát trong song thiên nhiên rất không đều. Nó thường mô tả bởi hệ hệ số hình dạng Corey S p : ab c S p Hệ số hình dạng Corey đối với các hạt cát trong sông thiên nhiên thường khoảng 0.7 1.1.3 Một số định nghĩa cơ bản dùng trong lý thuyết vận chuyển bùn cát 1.1.3.1 Mật độ: Mật độ là khối lượng của mỗi đơn vị thể tích. 1.1.3.2 Trọng lượng riêng: Trọng lượng riêng là trọng lượng của mỗi đơn vị thể tích. Giữa mật độ và trọng lượng riêng có quan hệ sau: g (1.2) Trong đó: là mật độ; là trọng lượng riêng g là gia tốc trọng trường. (1.1) Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 7 1.1.3.3 Trọng lực riêng: Trọng lực riêng là tỉ số giữa trọng lượng riêng của vật liệu đó và trọng lượng riêng của nước tại 4 o C hoặc 39,2 o F. Trọng lựơng riêng trung bình của bùn cát là 2,65(quartz particles). 1.1.3.4 Đường kính danh nghĩa (nominal diameter): Đường kính danh nghĩa là đường kính của hình cầu có thể tích bằng thể tích của hạt. 1.1.3.5 Đường kính sàng (sieve diameter): Đường kính sàng là đường kính của hình cầu, bằng chiều dài cạnh của lỗ sàng hình vuông, vừa đủ để hạt có thể lọt qua. Nó xấp xỉ bằng đường kính danh nghĩa. (The sieve diameter is the length of the side of a square sieve opening through which the given particle will just pass). 1.1.3.6 Đường kính rơi (fall diameter): Đường kính rơi là đường kính của hình cầu có trọng lựơng riêng bằng 2,65 và có cùng tốc độ rơi ở giai đoạn kết thúc với hạt khi hạt được để lắng chìm đơn độc trong nước cất tĩnh. Đường kính rơi tiêu chuẩn là đường kính rơi xác định tại nhiệt độ nước 24 o C. (The standard fall diameter is the diameter of a sphere that has a specific gravity of 2.65 and has the same terminal settling velocity as the given particle in uiescent, distilled water at a temperature of 24◦C). 1.1.3.7 Độ cầu (sphericity): Độ cầu bằng tỷ số giữa diện tích bề mặt hình cầu có cùng thể tích với hạt và diện tích bề mặt của hạt. 1.1.3.8 Độ tròn (roundness): Độ tròn bằng tỷ số giữa giá trị trung bình của đường kính cong của các đầu hạt và đường kính của hình tròn nội tiếp diện tích hình chiếu lớn nhất của hạt. (average radius of curvature of the edges / radius of a circle that can inscribe the max. projected area of the particle). 1.1.3.9 Tốc độ chìm lắng (hay còn gọi là độ thô thủy lực) (settling velocity): Tốc độ chìm lắng (hay còn gọi là độ thô thủy lực) là tốc độ lắng chìm trung bình ở giai đoạn kết thúc rơi của một hạt rơi đơn độc trong nước cất tĩnh có khoảng Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 8 rộng vô hạn. Khi tốc độ rơi được đo tại nhiệt độ 24 o C, nó được gọi là tốc độ rơi tiêu chuẩn (hay độ thô thủy lực tiêu chuẩn). 1.1.3.10 Góc nghỉ (Repose angle): Góc nghỉ là góc dốc tạo bởi vật liệu đó cho dưới điều kiện trượt ban đầu. (The repose angle is the angle, with respect to the horizontal, of the slope formed by sediment particles submerged in water under incipient sliding conditions). 1.1.3.11 Độ rỗng và Khối lượng riêng khô (Porosity and dry density) Độ rỗng: là số đo thể tích các khoảng trống trong mỗi đơn vị thể tích bùn cát, tức là: V V p (1.3) trong đó: là độ rỗng; p V là thể tích của lỗ hổng; V là tổng thể tích bùn cát bao gồm cả thể tích khoảng trống và là thể tích bùn cát đó trừ khoảng trống. Khối lượng riêng khô: Trọng lượng đơn vị thể tích bùn cát khi được sấy khô 1.1.4 Ứng suất đáy (bed shear stress) Ứng suất đáy là lực do dòng chảy tác dụng lên một đơn vị diện tích đáy. Đơn vị của ứng suất đáy là Nm -2 trong hệ SI. Thông thường, để thuận tiện cho việc biểu thị ứng suất đáy, người ta sử dụng một đại lượng, được gọi là vận tốc ma sát hay quy mô vận tốc, ký hiệu bằng * u (shear velocity). Khi sử dụng vận tốc ma sát, ứng suất đáy được biểu thị như sau 2 *0 u (1.4) 2/1 0* / u (1.5) Với 0 là ứng suất đáy. Thông thường, việc tính ứng suất tác dụng lên đáy là khá khó khăn. Người ta thường tính dựa vào vận tốc dòng chảy trung bình ở trong sông. Trong thực tế, hầu như trong tất cả các trường hợp, dòng chảy trong sông là dòng chảy rối. Đối với dòng chảy rối, bằng cách sử dụng khái niệm độ nhớt rối, ứng suất cắt gần đáy sông được tính như sau Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 9 z u t với t là hệ số nhớt rối. (1.6) Nếu sử dụng lý thuyết đoạn đường xáo trộn của Prandtl để xác định hệ số nhớt rối, ta có thể viết lại ứng suất cắt dưới dạng z u z u l 2 (1.7) Với l là đoạn đường xáo trộn của Prandtl. Giả thiết là tại các vị trí gần đáy, đoạn đường xáo trộn tỷ lệ với khoảng cách tới đáy zl ; đồng thời, dòng chảy trong sông là dòng chảy dừng, đều, có độ dốc mặt nước bằng độ dốc đáy. Khi đó, gradient áp suất thuỷ tĩnh cân bằng với ứng suất đáy và phương trình cân bằng động lượng cho dòng dừng đều trong kênh có thể được viết như sau 0 x z g b (1.8) Thế (1.5) vào (1.6) và tích phân theo z, ta có 0 ln 1 z z ghiu (1.9) Phương trình (1.9) biểu thị phân bố vận tốc dòng chảy gầy đáy sông trong trường hợp dòng chảy rối. Cần chú ý là trong phương trình (1.9), z là cao độ tính từ đáy sông. Từ đó, có thể thấy rằng 0 z là cao độ tính từ đáy sông mà tại đó vận tốc dòng chảy bằng 0. Vì vậy, 0 z thường được gọi là độ nhám của sông. Bằng cách tích phân phương trình (1.9) từ mặt đến đáy, ta có thể thấy tại khoảng cách từ đáy z = 0.368 h, vận tốc dòng chảy rối bằng vận tốc dòng chảy trung bình theo phương thẳng đứng. Trong thực tế, phương trình (1.9) được rút ra với giả thiết là trong dòng chảy rối, ở gần đáy, tồn tại một lớp nước gọi là lớp có thông lượng không đổi. Có nghĩa là trong lớp này, thông lượng động lượng, nhiệt và vật chất là không đổi. Vì thông lượng động lượng được giả thiết là không đổi, ứng suất đáy tính theo phương trình (1.4) được giả thiết là bằng ứng suất cắt tại các lớp trên tính theo phương trình (1.7). Điều đó có nghĩa phương trình (1.9) có thể được viết lại như sau 0 * ln z z u u (1.10) Hay vận tốc ma sát có thể được biểu thị qua độ dốc mặt nước như sau Chỉnh trị sông & Công trình ven bờ | Khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện 10 0 * ghiu (1.11) Hình 1.4 Phân bố vận tốc dòng chảy gần đáy sông Có thể biểu thị phân bố vận tốc dòng chảy gần đáy sông như trên hình 1.4. Trong thực tế, ở ngay sát đáy sông, chuyển động rối bị triệt tiêu và các quá trình vận chuyển động lượng là quá trình vận chuyển phân tử. Điều đó có nghĩa là ứng suất đáy có thể tính theo ứng suất đối với chuyển động tầng. Theo định luật ma sát của Newton, trong trường hợp này, ứng suất đáy được tính như sau z u 0 (1.12) Với là hệ số nhớt động học của nước. ở ngay sát đáy sông, trong chuyển động tầng, vận tốc dòng chảy có thể xem là phụ thuộc tuyến tính vào khoảng cách từ đáy. Với giả thiết này và bằng cách so sánh phương trình (1.12) với (1.11), ta có thể rút ra phương trình sau z u u 2 * (1.13) Nếu lấy giá trị vận tốc dòng chảy tại giới hạn của phân bố tuyến tính của vận tốc dòng chảy (là độ dày của lớp chuyển động tầng ngay tại đáy sông) là u A , từ phương trình (1.13), ta có thể rút ra phương trình sau * * u u u A (1.14) Các đo đạc trong phòng thí nghiệm đã cho thấy rằng với chuyển động rối, trong trường hợp đáy sông là trơn thuỷ lực (mố nhám có độ cao nhỏ hơn ), 01.0 0 z . Do vậy, 100ln5.2 * uu A (1.15) Hay Vận tốc tuyến tính u A u . tích 1.1.2 Hệ số hình dạng (Shape factor) Hình dạng của hạt bùn cát trong song thiên nhiên rất không đều. Nó thường mô tả bởi hệ hệ số hình dạng Corey. như trên hình 1.4. Trong thực tế, ở ngay sát đáy sông, chuyển động rối bị tri t tiêu và các quá trình vận chuyển động lượng là quá trình vận chuyển phân