Nghiên cứu mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu Bến Thuỷ - Nghệ An

Bài viết Nghiên cứu mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu Bến Thuỷ - Nghệ An nghiên cứu mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu sử dụng (i) mô hình phân bố trung bình độ sâu để xác định vận tốc dòng chảy và (ii) các công thức kinh nghiệm khác nhau để tính xói cục bộ.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG XĨI CỤC BỘ MỐ VÀ TRỤ CẦU BẾN THUỶ - NGHỆ AN Phạm Văn Chiến Khoa Thuỷ văn Tài nguyên nước - Trường Đại học Thuỷ lợi, Email: Pchientvct_tv@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG dịng chảy (ii) cơng thức kinh nghiệm Xói cục mố trụ cầu yếu tố khác để tính xói cục Nghiên cứu áp quan trọng tính tốn ổn định cầu qua dụng cho mơ xói cục mố trụ cầu sơng Có nhiều phương pháp khác để Bến Thuỷ - Nghệ An nghiên cứu xói cục mố trụ cầu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU phương pháp sử dụng công thức kinh Module thuỷ động lực nghiệm, phương pháp mơ hình tốn Các đặc trưng dòng chảy (độ sâu vận phương pháp áp dụng kĩ thuật thông minh nhân tạo [1,2] Trong số đó, phương tốc trung bình độ sâu) mặt cắt xác pháp mơ hình tốn kết hợp sử dụng cơng định dựa việc giải số phương trình đặc trưng mà biến đổi dựa việc đơn thức kinh nghiệm thực nghiệm giản hố hệ phương trình Reynolds [3], cụ xu nghiên cứu phổ biến thể có dạng sau: Trong công thức kinh nghiệm đề xuất Bg gn  U  để tính xói cục bộ, vận tốc dòng chảy (1)  ghS x    h    1/3 U  y  y  h thành phần yếu tố then chốt, thường với U vận tốc dòng chảy trung bình độ tính tốn đơn giản cách sử dụng vận tốc sâu (m/s), y kí hiệu theo phương ngang, Sx trung bình mặt cắt Tuy nhiên, sử dụng vận tốc trung bình mặt cắt có ưu điểm việc tính độ dốc đáy sơng, B g hệ số, n hệ số toán đơn giản lại có nhược điểm nhám Manning, h độ sâu dòng 2chảy (m), mặc định vận tốc dịng chảy bãi nơng =U* h hệ số nhớt động học (m /s) với U*  trọng hai bờ sơng vận tốc dịng chủ lưu [3] vận tốc ma sát đáy (m/s) Hơn nữa, sơng tự nhiên, hình dạng mặt lượng riêng nước (kg/m ) Phương pháp sai phân hữu hạn phương cắt thay đổi vận tốc dòng chảy pháp lặp Newton-Raphson [1] sử vị trí khác mặt cắt thường khác Điều địi hỏi sử dụng vận tốc thay dụng để xấp xỉ thành phần đạo đổi mặt cắt tính tốn xói cục hàm xác định nghiệm số phương trình (1) Mặt cắt sơng chia thành N nodes thay vận tốc trung bình mặt cắt Có nhiều mơ hình khác phương pháp lặp Newton-Raphson node sử dụng để mô vận tốc dịng chảy thứ j có dạng sau: j f (U ) độ sâu dòng chảy mặt cắt U i j  U i j  (2) f '(U j ) sơng Trong mơ hình trung bình độ sâu với Ui j1 Ui j vận tốc trung thường sử dụng Do đó, mục tiêu nghiên cứu nghiên cứu mơ bình độ sâu node thứ j bước lặp thứ i+1 xói cục mố trụ cầu sử dụng (i) mơ hình vận tốc trung bình độ sâu node thứ j bước phân bố trung bình độ sâu để xác định vận tốc lặp thứ i, f (U j ) f '(U j ) hàm 351 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 đạo hàm node thứ j, với hàm f (U j ) vế trái phương trình (1) Module tính xói Để tính tốn xói, cơng thức tính xói cục (i) Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (1982), (ii) M.M Zuravlev (1978), (iii) I.A Laratslasev (1953) (iv) Richardson (1990) lựa chọn áp dụng nghiên cứu bốn công thức sử dụng tương đối phổ biến mơ hình tốn khác Ví dụ, cơng thức tính xói cục Zuravlev (1978), Laratslasev (1953), Richardson (1990) sử dụng mô hình HEC-RAS MIKE [1,2] Cơng thức Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (1982) - DHXD 1.04   U  0.97Kd b 0.8 3h 0.1   U < U ox   U ox  hxcb=  1.16  0.8 0.12  U  0.52K b h    U  Uox d  U ox   (3) xói ảnh hưởng chiều rộng trụ cầu tính tốn tốc độ dòng chảy tới trụ, t hệ số bãi sơng t=1 dịng chủ lưu sơng có lịng sơng di động t = 0.6, Uox tốc độ cho phép khơng xói đất đáy hố xói cục bộ, Kh hệ số phụ thuộc vào chiều sâu dòng chảy trước cầu, xác định theo công thức log K h=0.17-0.35h/b (7) Công thức Richardson (1990) hxcb=2.0K1 K2 K3 K4b0.65h0.36 Fr0.43 (8) K1 hệ số điều chỉnh hình dạng đầu trụ, K2 hệ số điều chỉnh góc nghiêng dòng chảy tác dụng vào mặt trụ, K3 hệ số điều chỉnh tình trạng đáy sơng, K4 hệ số điều chỉnh để giảm bớt chiều sâu xói cục trường hợp đáy sơng có bùn cát thơ có đường kính d50 > 60 mm làm thơ hố đáy xói Fr hệ số Froude Kd hệ số xét đến ảnh hưởng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN hình dạng trụ cầu, Uox tốc độ cho phép không Kết mơ đặc trưng dịng chảy xói lớp đất vị trí xói phát triển tới, b chiều rộng trụ cầu tính tốn, h độ sâu dịng chảy trụ cầu trước có xói cục Công thức M.M Zuravlev (1978) 2/3 3/5 hxcb =K d b h U     UB   (4) với Kd hệ số xét đến ảnh hưởng hình dạng trụ cầu, b chiều rộng trụ cầu tính tốn, h độ sâu dịng chảy trụ cầu trước Hình Sơ hoạ nodes dùng có xói cục bộ,  hệ số mũ  = 3/4 tính tốn U/UB >  = 2/3 U/UB  1, UB Hình sơ hoạ nodes sử dụng tốc độ dòng chảy khuấy đục cát, xác định tính tốn cho mặt cắt sơng cầu Bến Thuỷ theo công thức, Mặt cắt sông chia thành phần bãi U B = g h (5) lịng sơng khác Các tính tốn thực với  đường kính thuỷ lực hạt bùn cát với lưu 3lượng mực nước thiết kế cấu tạo lịng sơng xác định dựa vào kích Qtk =16500 m /s Htk =5,84 m [4] Kết mô phân bố vận tốc lưu thước hạt bùn cát lượng đơn vị mặt cắt cầu Bến Thuỷ Công thức I.A Laratslasev (1953) (q=Uh) ứng với mực nước lưu lượng U2 U2 thiết kế thể Hình Hệ số hxcb =K Kv  K h  t   ox (6) g g nhám n=0,03 xác định từ đường kính K hệ số phụ thuộc vào hình hạt bùn cát d50 , hệ số nhám thù trụ hướng dòng nước chảy, Kv hệ số (nmc=0,029 nfp =0,04) xác định dựa 352 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 vào thử sai So với giá trị trung bình mặt cắt kết mơ từ phương trình (1) cho phép thể ảnh hưởng thay đổi địa hình tới đặc trưng dòng chảy thiết vận tốc thiên lớn Khi sử dụng vận tốc thay đổi mặt cắt, chiều sâu xói mố trụ cầu thay đổi khoảng rộng hơn, từ 0.80 đến 8.00 m Cả bốn công thức thể xu chung chiều sâu xói dịng chủ lưu thường lớn so với chiều sâu xói bãi gần hai bên bờ sông Một điểm thú vị cơng thức tính xói cục Trường Đại học xây dựng, Zuravlev Laratslasev cho kết tính xói tương tự bãi Tại lịng sơng (khu vực dịng chủ lưu) kết từ cơng thức Trường Đại học Xây Dựng lớn kết tính từ cơng thức Zuravlev Laratslasev Kết tính tốn cịn thể cơng thức tính xói cục Richardson cho kết tính tốn lớn Hình Kết mơ phỏng: a) vận tốc cơng thức sử dụng cơng thức tính xói cục Richardson cho kết dịng chảy b) lưu lượng đơn vị Kết mô xói cục mố trụ cầu tính chiều sâu xói lớn KẾT LUẬN Tính tốn xói cục mố trụ cầu Bến Thuỷ thực dựa công thức sử dụng phổ biến mơ hình tốn tính tốn xói trụ mố cầu Các kết mô thể (i) công thức tính xói cục Richardson cho kết tính lớn cơng thức sử dụng, (ii) chiều sâu xói thay đổi từ 0.80 đến 8.00 m (iii) chiều sâu xói dịng chủ lưu thường lớn so với chiều sâu xói bãi Hình Kết tính tốn xói cục sử dụng: a) vận tốc trung bình mặt cắt b) vận tốc thay đổi mặt cắt Hình thể kết tính xói cục mố trụ cầu Bến Thuỷ Khi sử dụng vận tốc trung bình mặt cắt, chiều sâu xói mố trụ cầu thay đổi khoảng từ 1,60 đến 7,30 m tuỳ thuộc vào công thức sử dụng để tính tốn Đồng thời, chiều sâu xói cục bãi gần hai bên bờ sông tương đối lớn, có trường hợp gần chiều sâu xói dịng chủ lưu (cơng thức tính xói cục Laratslasev (1953)) Ngun nhân dẫn đến kết tính xói thiên lớn bãi giả TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đình Nghiêm, Thiết kế thuỷ lực cho dự án cầu đường, NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội 2003 [2] Nguyễn Xn Trục, Tính tốn thuỷ văn cơng trình vượt sơng, NXB Xây dựng, Hà Nội 2000 [3] Phạm Văn Chiến (2016) A twodimensional quasi model for simulating flow in open-channels Tạp Chí Khoa học kỹ thuật Thuỷ lợi & Môi trường, 54, 3-10 [4] Báo cáo tóm tắt: Dự án Quy hoạch phịng chống lũ đê lưu vực sông Cả địa bàn tỉnh Nghệ An Viện Quy hoạch Thủy lợi 6/2008 353 ... tính chiều sâu xói lớn KẾT LUẬN Tính tốn xói cục mố trụ cầu Bến Thuỷ thực dựa công thức sử dụng phổ biến mơ hình tốn tính tốn xói trụ mố cầu Các kết mô thể (i) công thức tính xói cục Richardson... mặt cắt Hình thể kết tính xói cục mố trụ cầu Bến Thuỷ Khi sử dụng vận tốc trung bình mặt cắt, chiều sâu xói mố trụ cầu thay đổi khoảng từ 1,60 đến 7,30 m tuỳ thuộc vào công thức sử dụng để tính... tính xói cục Richardson cho kết tính tốn lớn Hình Kết mơ phỏng: a) vận tốc cơng thức sử dụng cơng thức tính xói cục Richardson cho kết dịng chảy b) lưu lượng đơn vị Kết mô xói cục mố trụ cầu tính