Nghiên cứu mô phỏng dòng chảy lũ và đánh giá ảnh hưởng của dòng chảy lũ đến xói trụ mố cầu bến thủy nghệ an

Sự cần thiết củađềtài

Nghệ An và Hà Tĩnh cùng thuộc vùng văn hóa xứ Nghệ, nhưng bị ngăn cách bởi dòng sông Lam mênh mông Đoạn sông Lam chảy qua khu vực Bến Thủy, nằm trên tuyến quốc lộ 1A rộng khoảng 650m, là khu vực quan trọng của thành phố Vinh (tỉnh Nghệ An) cũng như tỉnh Hà Tĩnh.

Do nhu cầu bức bách cần có cây cầu vĩnh cửu, mặt cầu rộng cho hai làn xe qua sông Lam, nhà nước quyết định đầu tư xây dựng cầu Bến Thủy 1 Cầu được khởi công vào tháng 3 năm 1986 và khánh thành vào tháng 5 năm 1990 Cầu Bến Thủy I có ý nghĩa to lớn đối với hệ thống giao thông vận tải trên toàn tuyến quốc lộ1A.

Hình 0.1 Sơ hoạ vị trí và công trình kè khu vực cầu Bến Thủy 1 và cầu Bến Thủy 2

Năm 2010, sau hơn 20 năm đi vào sử dụng, cầu Bến Thủy 1 đã xuất hiện tình trạng quátảivàxuốngcấp,vìvậyBộgiaothôngvậntảiđãquyếtđịnhđầutưxâydựngcầu

Bến Thủy 2 trên QL 1A nhằm chia sẻ và khắc phục tình trạng quá tải của cầu Bến Thủy I hiện tại và phù hợp với quy hoạch phát triển giao thông đường bộ, hoàn thiện và nâng cao hiểu quả khai thác của tuyến Tp Vinh, trong đó có kết nối với QL 18B. Góp phần tăng sức hấp dẫn và cải thiện môi trường đầu tư, thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội, ổn định chính trị, văn hóa, củng cố an ninh quốc phòng cho 2 tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và khu vực Bắc Trungbộ.

Tính toán xói mố và trụ cầu là một yếu tố quan trọng trong tính toán ổn định mố và trụ cầu qua sông Có nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu xói mố và trụ cầu như phương pháp sử dụng các công thức kinh nghiệm, phương pháp mô hình toán và phương pháp áp dụng các kĩ thuật thông minh nhân tạo Trong điều kiện và tình hình tài chính của các nghiên cứu nước ta hiện nay, thì phương pháp mô hình toán trong đó có sử dụng các công thức kinh nghiệm hoặc thực nghiệm đã và đang là một xu thế nghiên cứu phổ biến.

Trong các công thức kinh nghiệm đề xuất để tính xói cục bộ, vận tốc dòng chảy là thành phần và yếu tố quan trọng, thường được tính toán đơn giản bằng cách sử dụng vận tốc trung bình mặt cắt Tuy nhiên, sử dụng vận tốc trung bình mặt cắt có ưu điểm là việc tính toán đơn giản nhưng lại có nhược điểm là đã mặc định vận tốc dòng chảy tại các bãi nông hai bờ sông bằng vận tốc dòng chủ lưu Hơn nữa, trong sông tự nhiên, hình dạng mặt cắt luôn thay đổi và vận tốc dòng chảy tại các vị trí khác nhau trên mặt cắt là khác nhau Điều đó đòi hỏi sử dụng phân bố vận tốc trên mặt cắt trong tính toán xói trụ và mố cầu thay vì vận tốc trung bình mặt cắt, nhất là trong trường hợp có dòng chảy lớn như dòng chảylũ.

Có nhiều mô hình khác nhau có thể được sử dụng để mô phỏng vận tốc dòng chảy cũng như độ sâu dòng chảy trong mặt cắt sông và trong đó tính toán chính xác vận tốc dòng chảy là yếu tố then chốt và quan trọng bậc nhất [1, 2] Các mô hình tính nói chung được chia ra thành hai dạng chính, đó là nhóm các mô hình thương mại và nhóm các mô hình phi thươngmại.

Nhóm các mô hình phi thương mại nói chung thường có nguồn gốc từ châu Âu hoặc

Mỹ với điều kiện sông ngòi và dòng chảy khác hẳn điều kiện Việt nam (chẳng hạn ở

Việt Nam mạng kênh sông có dạng phức tạp, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều) cho nên không phải khi nào cũng sử dụng được các phần mềm nêu trên Hơn nữa, các mô hình phi thương mại nói chung là các mô hình thiết kế chủ yếu cho giảng dạy và đào tạo Trong khi đó, nhóm các mô hình thương mại như MIKE 21, mặc dù có giá thành rất đắt, đã và đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong các dự án, đề tài nghiên cứu khoa học cũng như sản xuất, bởi vì mô hình MIKE 21 có giao diện thân thiện và dễ dàng sử dụng, thao tác cũng như lưu trữ và liên kết giữa dữ liệu, số liệu đầu vào của môhình.

Mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21 cho phép mô phỏng trường phân bố vận tốc dòng chảy theo các phương, ngoại trừ phương thẳng đứng Nói cách khác, kết quả mô phỏng thủy động lực từ mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 sẽ cho phép xem xét sự thay đổi vận tốc dòng chảy tại các vị trí khác nhau tại mặt cắt sông, nơi có công trình cầu Do đó, một trong những mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn là nghiên cứu kết hợp mô hình tính thuỷ lực và các tính toán xói cho phép mô phỏng các đặc trưng của dòng chảy lũ và chiều sâu hố xói tại các mố và trụ cầu do dòng chảy lũ gâyra.

Vì vậy, đề tài: “ Nghiên cứu mô phỏng dòng chảy lũ và đánh giá ảnh hưởng củadòng chảy lũ đến xói trụ mố cầu Bến Thuỷ, Nghệ An” nhằm (i) mô phỏng quá trình dòng chảy lũ, (ii) tính toán các đặc trưng thuỷ động lực của dòng chảy lũ, (iii) tính toán chiều sâu hố xói tại các mố và trụ cầu và (iv) đánh giá thay đổi hình thái lòng sông khu vực cầu do dòng chảy lũ gâyra.

Mục tiêu nghiêncứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn bao gồm hai mục tiêu chính sau:

- Mô phỏng các đặc trưng thủy động lực của dòng chảy lũ khu vực cầu Bến Thủy 1 và cầu Bến Thủy 2 sử dụng mô hình toán thủylực.

- Tính toán định lượng chiều sâu hố xói chung, xói cục bộ, xói tổng cộng tại các vị trí trụ mố cầu Bến Thủy 1 và cầu Bến Thủy 2, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của dòng chảy lũ đến các chiểu sâu hố xói nêutrên.

Đối tượng và phạm vinghiêncứu

- Đối tượng nghiên cứu:Dòng chảy lũ và xói mố trụ cầu Bến Thủy 1 và2.

- Phạm vi nghiên cứu:Đoạn sông Lam (hay còn gọi là sông Cả) đoạn qua thành phố

Hình 0.2 Sơ hoạ địa hình khu vực nghiên cứu

Cách tiếp cận và phương pháp nghiêncứu

- Tiếp cận kế thừa: luận văn kế thừa các công trình nghiên cứu đã và đang được thực hiện bao gồm phương pháp luận, bộ số liệu về Khí tượng Thủy văn, bộ số liệu dòng chảy lũ (nếucó).

- Phân tích, đánh giá hệ thống: Nghiên cứu các tài liệu liên quan, xác định các đặc trưng thủy văn liên quan tới các đặc trưng thủy động lực học, xói trụ mố cầu Đánh giá phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới các đặc trưng thủy động lực của vùng hạ lưu sôngLam, nhất là khu vực cầu Bến Thủy thuộc thành phốVinh.

- Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu: phương pháp này được sử dụng trong việc thu thập các tài liệu, số liệu về địa hình, khí tượng thủy văn, thủy lực phục vụ cho tính toán và mô phỏng của luậnvăn.

- Phương pháp kế thừa: Trong quá trình thực hiện luận án đã kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu có liên quan trước đây của các tác giả, cơ quan và tổ chức Những kế thừa nhằm mục đích kết quả tính toán phù hợp với thực tiễn của vùng nghiên cứu cũng như giảm bớt các tính toán trung gian và tập trung vào các mục tiêu nghiên cứu chính của luậnvăn.

- Phương pháp mô hình toán: Tính toán mô phỏng dòng chảy lũ của lưu vực sôngLam (đến vị trí cầu cửa Hội) sử dụng họ mô hình MIKE, cụ thể là các module thủy lực của mô hình MIKE 11 và MIKE 21, module vận chuyển bùn cát và thay đổi hình thái của mô hình MIKE 21 để thực hiện các yêu cầu tính toán thủy lực, biến đổi hình thái khác nhau trong luậnvăn.

Tổng quan các nghiên cứu trênthếgiới

Xói dưới cầu là một quá trình vật lý phức tạp liên quan đến các đặc trưng dòng chảy, chuyển động của bùn cát và quá trình thay đổi lòng dẫn Về cơ bản, xói dưới cầu được chia thành ba dạng chính đó là xói tự nhiên, xói chung và xói cục bộ Xói tự nhiên là do các quá trình xói và bồi tự nhiên của lòng sông và quá trình này diễn ra không phụ thuộc vào sự có mặt của công trình trên sông mà chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố như chế độ thuỷ văn, điều kiện địa chất, quá trình khai thác nguồn nước Xói chung là do dòng chảy trên sông bị cầu thu hẹp Xói cục bộ là do mố và trụ cầu cản trở dòng chảy và thường xảy ra ở sát chân công trình, hố xói có dạng hẹp và sâu Nếu cả ba loại xói trên xảy ra đồng thời thì ảnh hưởng của xói tổng cộng dưới cầu đơn giản hoá theo nguyên lý là tổng số học của ba loại xói thành phần nêu trên[1].

Trong ba thành phần xói dưới cầu thì xói cục bộ mố và trụ cầu là quá trình rất phức tạp và quan trọng bậc nhất trong tính toán xói vì thành phần xói này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và ổn định của các mố và trụ cầu nói riêng cũng như toàn bộ công trình cầu nói chung [2] Chính vì lý do đó mà có rất nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện với mong muốn nghiên cứu nên các phương pháp phân tích dựa trên các cơ sở khoa học thống nhất và cho kết quả tính toán mô phỏng sát với thực tế Các nghiên cứu tính toán mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu kể trên được chia thành ba nhóm chính.

Nhóm thứ nhất là nhóm sử dụng các công thức kinh nghiệm được nghiên cứu dựa trên các số liệu thực hiện trong phòng thí nghiệm Do sự phức tạp nội tại và tự nhiên của dòng chảy trong sông, nhóm các công thức kinh nghiệm được coi là nhóm có lịch sử nghiên cứu và phát triển lâu đời nhất trong ba nhóm, với nhiều công thức ước tính xói cục bộ khác nhau được đề xuất, cải biên và cập nhật [1, 2, 7] Tuy nhiên, các công thức kinh nghiệm thường cho các kết quả tính toán xói cục bộ thiên lớn khi áp dụng vào thực tế [1, 2, 3] bởi vì các mô hình trong phòng thí nghiệm thì không thể xem xét đồng thời cả hai quá trình thay đổi liên quan đến kích thước của các trụ cầu và kích thước của các hạt bùn cát.

Nhóm thứ hai sử dụng các công nghệ và kĩ thuật của động lực học tính toán với các mô hình toán học phức tạp 3 chiều dạng đầy đủ Các mô hình phức tạp 3 chiều trong nhóm thứ hai này đã được áp dụng trong một số trường hợp cụ thể, cho dù các mô hình 3 chiều trong nhóm này còn một số hạn chế trong một số trường hợp phức tạp như tương tác giữa dòng chảy và công trình hình thành nên các xoáy cuộn [8, 9] Tuy nhiên, do sự phức tạp của chính các mô hình 3 chiều mà các mô hình này thường chỉ được xem xét áp dụng trong những trường hợp cụ thể nhất định và khi phải đáp ứng các yêu cầu đòi hỏi chi tiết cần thiết Đồng thời việc sử dụng các mô hình toán học 3 chiều dạng đầy đủ thì quá đắt đỏ và cũng đòi hỏi người dùng phải có kinh nghiệm để xử lý Do đó, các mô hình đơn giản hơn thường được áp dụng trong các tính toán thực tế [4, 5] Một số mô hình đơn giản điển hình hay dùng trong nghiên cứu mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu có thể kể đến như: HEC-RAS, MIKE 11, MIKE 21, TELEMAC, MIKE 3 [4, 5,28].

Nhóm thứ ba là tính toán xói cục bộ sử dụng các kĩ thuật thông minh nhân tạo như mạng thần kinh nhân tạo ANN, chuỗi fuzzy hay thuật toán di truyền [11, 13-17] Tính toán xói cục bộ sử dụng kĩ thuật thông minh nhân tạo trong các trường hợp khi mà quan hệ chính xác giữa các yếu tố ảnh hưởng đến xói rất khó xác định hoặc không thể xác định được Tuy nhiên, trong thực tế áp dụng kĩ thuật thông minh nhân tạo thì kết quả tính toán lại phụ thuộc rất nhiều vào dữ liệu máy học hay học máy (training data). Đồng thời các tính toán thường cho các kết quả chấp nhận được hoặc tương đối tốt trong phạm vi giới hạn của dữ liệu máy học.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học máy tính và kĩ thuật tính toán, các công thức kinh nghiệm hay phát triển các mô hình toán hay áp dụng các kĩ thuật thông minh nhân tạo ngày càng không ngừng phát triển Tuy nhiên, xu thế chung là các mô hình toán kết hợp với việc ứng dụng các công thức kinh nghiệp đang trở nên phổ biến hơn và trở thành một công cụ hữu ích cho việc phân tích và ước tính xói cục bộ mố và trụ cầu qua sông Liên quan đến các mô hình toán học, ngoài các mô hình 3 chiều đầy đủ còn có các mô hình một chiều và các mô hình hai chiều trung bình độ sâu hoặc trung bình chiều rộng Viêc áp dụng các mô hình ba chiều trong tính toán thực tế thường bị hạn chế bởi vì (i) sự phức tạp của chính các mô hình này và (ii) yêu cầu đòi hỏi các số liệu về địa hình, thuỷ hải văn, bùn cát chi tiết theo cả không gian và thời gian Ngược lại, các mô hình một chiều yêu cầu số liệu ít, đòi hỏi bộ nhớ máy tính không nhiều và đơn giản khi dùng nhưng lại cho các kết quả tính toán trung bình mặt cắt Do đó, các mô hình trung bình độ sâu thường được phát triển và áp dụng rất nhiều trong tính toán thực tế, và có thể nói rằng các mô hình trung bình độ sâu đã và đang là một công cụ tính toán hữu ích.

Tổng quan các nghiên cứutrongnước

Do các yêu cầu của thực tiễn về phân tích và thiết kế cầu qua sông, việc tính toán xói cục bộ mố và trụ cầu cũng được nhiều chuyên gia trong nước quan tâm từ những năm

1980 của thế kỷ trước Tuy nhiên ở nước ta hiện nay, tính toán xói cục bộ áp dụng các mô hình toán học 3 chiều đầy đủ hoặc kĩ thuật thông minh nhân tạo còn rất hạn chế. Thay vào đó, tính toán xói cục bộ chủ yếu dựa vào các công thức kinh nghiệm hoặc các công thức thực nghiệm trong nhóm thứ nhất Điển hình trong số các công thức kinh nghiệm hoặc thực nghiệm trong nước có thể kể đến là một số công thức của các tác giả Nguyễn Xuân Trục và Nguyễn Hữu Khải [2, 3], Trần Đình Nghiên [1] mà thường được biết đến là công thức tính toán xói cục bộ của trường Đại học Xây dựng HàNội.

Các công thức kinh nghiệm của các tác giả trong nước trình bày ở trên được nghiên cứu dựa trên các kết quả nghiên cứu được về nguyên nhân và quá trình phát triển xói cục bộ trên các mô hình xói trụ cầu trong phòng thí nghiệm thuỷ lực và các kết quả nghiên cứu của các tác giả nước ngoài Cụ thể, các tác giả nêu trên đầu tiên xác định và lựa chọn dạng hợp lý của công thức tính xói cục bộ Sau đó khi xác định được dạng hợp lý của công thức, dựa vào các số liệu đo xói cục bộ ở các cầu cũ ở nước ta và nước ngoài, áp dụng lý thuyết đồng thứ nguyên và bình phương nhỏ nhất trong chỉnh biên số liệu để xác định hệ số của công thức tính toán Nói cách khác các hệ số trong công thức được xác định dựa trên các số liệu đo xói trên sông thiên nhiên mà không phải các số liệu thu được trong phòng thí nghiệm Nói chung, về cơ bản các công thức kiến nghị có xem xét được các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến xói lở, thoả mãn cân bằng thứ nguyên và đơn giản khi sử dụng Ngoài các công thức tính toán xói đề xuất bởi nhóm tác giả trình bày ở trên, thì các đơn vị tư vấn trong nước cũng thường sử dụng cáccông thức theo Quy trình của Liên bang Nga, Thông tư hướng dẫn về Công trình Thủy lực số 18 (được biết đến với tên gọi là HEC18) của Hoa Kỳ[28].

Tính toán xói cục bộ mố và trụ cầu là một yếu tố quan trọng trong tính toán ổn định mố và trụ cầu qua sông Có nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu xói cục bộ mố và trụ cầu như phương pháp sử dụng các công thức kinh nghiệm, phương pháp mô hình toán và phương pháp áp dụng các kĩ thuật thông minh nhân tạo Trong điều kiện và tình hình tài chính của các nghiên cứu nước ta hiện nay, thì phương pháp mô hình toán trong đó có sử dụng các công thức kinh nghiệm hoặc thực nghiệm đã và đang là một xu thế nghiên cứu phổ biến.

Trong các công thức kinh nghiệm đề xuất để tính xói cục bộ, vận tốc dòng chảy là thành phần và yếu tố quan trọng, thường được tính toán đơn giản bằng cách sử dụng vận tốc trung bình mặt cắt Tuy nhiên, sử dụng vận tốc trung bình mặt cắt có ưu điểm là việc tính toán đơn giản nhưng lại có nhược điểm là đã mặc định vận tốc dòng chảy tại các bãi nông hai bờ sông bằng vận tốc dòng chủ lưu Hơn nữa, trong sông tự nhiên, hình dạng mặt cắt luôn thay đổi và vận tốc dòng chảy tại các vị trí khác nhau trên mặt cắt là khác nhau Điều đó đòi hỏi sử dụng phân bố vận tốc trên mặt cắt trong tính toán xói cục bộ thay vì vận tốc trung bình mặtcắt.

Có nhiều mô hình khác nhau có thể được sử dụng để mô phỏng vận tốc dòng chảy cũng như độ sâu dòng chảy trong mặt cắt sông và trong đó tính toán chính xác vận tốc dòng chảy là yếu tố then chốt và quan trọng bậc nhất [13, 14] Các mô hình tính toán xói cục bộ mố và trụ cầu từ nước ngoài được du nhập vào Việt nam theo con đường các nghiên cứu (trong đó các phần mềm kèm theo được tính vào tiền nghiên cứu, tức là phải mua phần mềm) hoặc bằng con đường của du học sinh hoặc hợp tác song phương, dưới dạng các mô hình thương mại hoặc phi thươngmại.

Các mô hình phi thương mại nói chung thường có nguồn gốc từ châu Âu hoặc Mỹ với điều kiện sông ngòi và dòng chảy khác hẳn điều kiện Việt nam (chẳng hạn ở Việt nam mạng kênh sông có dạng phức tạp, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều) cho nên không phải khi nào cũng sử dụng được các phần mềm nêu trên Hơn nữa, các mô hình phi thương mại nói chung là các mô hình thiết kế chủ yếu cho giảng dạy và đào tạo Vì vậy, khi sử dụng các mô hình phi thương mại cho các bài toán thuỷ động lực và tính toán xói cục bộ mố và trụ cầu trong điều kiện cụ thể của sông ngòi nước ta cần phải có các cải biên và thay đổi thích hợp.

Trong khi đó các mô hình thương mại như MIKE 21 thì lại có giá thành rất đắt Hơn nữa, người dùng không biết được phần code của chương trình nên rất khó và gần như không thể can thiệp, cải biên và cập nhật chương trình của mô hình Khi người dùng muốn can thiệp và cải biên phải qua nơi bán, phải trả thêm tiền và mất thời gian chờ đợi Chính vì vậy, một số nhà nghiên cứu trong nước đã phát triển các mô hình trung bình độ sâu riêng nhằm đáp ứng các điều kiện cụ thể của các cầu qua sông.

Tổng quan về khu vựcnghiêncứu

1.3.1 Đặc điểm địa lý tựnhiên

Khu vực nghiên cứu nằm trong vùng hạ lưu của lưu vực sông Cả hay còn gọi là sông Lam, cụ thể là trong phạm vi giới hạn từ thượng lưu cầu Bến Thủy 2 khoảng 250 m đến hạ lưu cầu Bến Thủy 1 khoảng 500 m Lưu vực sông Cả nằm ở vị trí từ 18 o 15’50’’ đến 20 o 10’30’’vĩ độ Bắc, từ 103 o 45’10’’ đến 105 o 15’20’’ kinh độ Đông, với tổng diện tích lưu vực là 27200 Km 2 Phần diện tích trên lãnh thổ Việt Nam là 17730 km 2 , chiếm 65.2% diện tích lưu vực, thuộc địa phận 3 tỉnh là Thanh Hóa, Nghệ An và HàTĩnh.

1.3.1.2 Đặc điểm địahình Địa hình lưu vực sông Cả phát triển theo hướng Tây Bắc – Đông Nam, nghiêng dần ra biển Toàn bộ vùng thượng nguồn trên đất Lào có độ cao trung bình trên 1000 m Phần ở địa phận Việt Nam hơn 80% diện tích là đồi núi, trong đó có những dãy núi cao như dãy núi Phu Hoạt ở thượng nguồn sông Hiếu có đỉnh cao 2452 m, thượng nguồn sông Giăng, sông La là dãy núi Trường Sơn có độ cao trên 2000 m, thấp dần về phía Nam và Tây Nam núi đồi có độ cao từ 1300 đến 1800 m, đến vùng núi đồi Hà Tĩnh độ cao còn khoảng từ 400 đến 600m.

1.3.1.3 Đặc điểm thổnhưỡng Đất đai lưu vực sông Cả thành 2 loại chính: đất thuỷ thành và đất địa thành Đất thuỷ thành phân bố chủ yếu tập trung ở các huyện đồng bằng và đồng bằng ven biển Loại đất này có 5 nhóm đất chính: (i) nhóm đất cát phân bố ven biển Nghi Xuân (Hà Tĩnh), Nghi Lộc, thị xã Cửa Lò, Diễn Châu, Quỳnh Lưu, (ii) nhóm đất phù sa dốc tụ phân bố các huyện ven sông Cả, sông La, (iii) nhóm đất mặn chủ yếu ven cửa sông và ven biển, (iv) nhóm phèn mặn và (v) nhóm đất bạc màu và biến đổi do trồng lúa. Đất địa thành có khoảng 1447354 ha chiếm 83.51% diện tích đất điều tra thổ nhưỡng. Đất này tập trung chủ yếu ở vùng đồi núi bao gồm các nhóm đất: (i) đất Feralit đỏ vàng vùng đồi nằm ở cao trình dưới 200 m, (ii) đất xói mòn trơ sỏi đá nằm ở sườn núi dốcvàvensôngbịkhaiphálàmnươngrẫydochếđộcanhtácducanhvàphárừng, (iii) đất đen nằm kẹp giữa các thung lũng; (iv) đất Feralit vàng trên núi thấp từ cao trìnhtừ200đến100m,(v)đấtmàuvàngtrênnúitừcaotrìnhtừ1000đến1500mvà

(6) đất vàng trên núi cao.

Các loại đất trên lưu vực sông Cả được hình thành và phân bố trên nền địa hình phức tạp, hơn 83% diện tích là đồi núi, với điều kiện khí hậu thời tiết nóng ẩm và mưa nhiều, lượng mưa phân bố không đều theo mùa và có các trận mưa có cường độ lớn Nền địa chất lưu vực sông Cả thể hiện nhiều loại đá gốc khác nhau tạo cho lưu vực có nhiều chủng loại thổ nhưỡng đó là một điều kiện thuận lợi lớn cho việc đa dạng hoá cây trồng, đồng thời là một địa bàn phát triển cây lâm nghiệptốt.

Về kiến tạo:Lưu vực sông Cả nằm trong miền uốn nếp Bắc bộ và miền uốn nếp

Varixêt Đông Dương, ranh giới giữa hai miền uốn nếp là đới khâu sông Mã Những nghiên cứu mới nhất trong chuyên khảo “thành hệ địa chất và địa động học Việt Nam 1993” do Nguyễn Xuân Tùng biên tập, xếp lưu vực sông Cả nằm trong “lĩnh vực Bắc bộ - Dương Tử - KaTaZia” giữa đai vỏ lục địa Bắc Trường Sơn tuổi Paleozoi Thời kỳ trước Cambri đến Paleozoi sớm đến Paleozoi muộn vùng sông Cả tồn tại chế độ đại dương vi lục địa, sườn châu lục địa, cận lục địa Chế độ rift và prerift tồn tại trong thời gian Paleozoi muộn đến Merozoi muộn Từ Merozoi muộn phát sinh các bồn trũng nhỏ mang tính orogen dọc theo đứt gãy sông Cả lấp đầy bởi trầm tích lục nguyên vụn thô.

Về địa tầng:Địa tầng trên lưu vực sông Cả gồm các giới, hệ tầng từ cổ đến trẻ như giới

Paleozoi Giới Paleozoi có các hệ tầng: Oldovit thống thượng - hệ Silua thống hạ - hệ tầng sông Cả phân bố hầu hết toàn bộ lưu vực sông Cả, chúng bao gồm cả hệ tầng long đại trước đây Đất đá gồm phiến thạch anh Serixit - clorit đá phiến Silic, cát bột kết, đá vôi phân lớp mỏng chiều dày chung cả hệ tầng khoảng từ 1900 đến 2300m.

Về khoáng sản:Lưu vực sông Cả có cấu tạo địa chất rất phức tạp, các nham thạch có mặt đầy đủ thuộc các lớp tuổi từ cổ đến trẻ, tiếp theo là những hoạt động kiến tạo đã làm thay đổi các cơ cấu kiến trúc của nham thạch trong đó có mặt của các thành phần sa khoáng khác nhau Nhìn chung, trong toàn vùng gặp rất nhiều loại sa khoáng từ đơn giản đến phức tạp, từ nham thạch rẻ tiền như vật liệu xây dựng cho đến những khoáng sản quý như vàng Các mỏ khoáng sản có giá trị như: thiếc, sắt, vàng gặp nhiều ở các thung lũng suối lớn.

Dòng chính sông Cả:Bắt nguồn từ đỉnh núi Phulaileng thuộc tỉnh Hủa Phăm, Cộng hoà Dân chủ Nhân dân Lào, sông chảy theo hướng Tây bắc Đông Nam Nhập vào đất Việt Nam tại bản Keng Đu, dòng chính đi sát biên giới Việt Lào chừng 40 km và đi vào Việt Nam hoàn toàn tại chân của đỉnh núi cao 1067m Đến Bản Vẽ sông đổi dòng chảy theo hướng Bắc Nam về đến Cửa Rào sông nhập với nhánh Nậm Mô và lại chuyển dòng chảy theo hướng Tây Bắc- Đông Nam Qua nhiều lần uốn lượn đến Chợ Tràng sông Cả nhập với sông La và đổi dòng một lần nữa theo hướng Tây - Đông. Dòng chính sông Cả có chiều dài 531 km, phần chảy trên đất Việt Nam là 361 km còn lại là chảy trên đất Lào Phần miền núi lòng sông hẹp hình chữ V chảy len lỏi giữa các núi cao và dọc đường nhận rất nhiều các nhánh suối nhỏ Tại đất Việt Nam đến Cửa Rào sông Cả nhận thêm nhánh Nậm Mô ở phía hữu, đến cuối Tương Dương trên Khe

Bố sông Cả nhận nhánh sông Huổi Nguyên ở phía tả, đến Con Cuông nhận nhánh Khe Choang ở phía hữu đến ngã ba cây Chanh nhận sông Hiếu ở phía Tả và đến Thanh Chương nhận nhánh sông Giăng ở phía hữu, sông Gang ở phía tả đến Chợ Tràng sông

Cả nhập với sông La ở phía hữu và cũng chảy ra biển tại Cửa Hội Đoạn sông nhập lưu cuối cùng này được gọi là sôngLam.

Sông Cả tính đến cửa có diện tích lưu vực là 27200 km 2 Phần diện tích sông Cả chảy trên đất Lào là 9740 km 2 còn lại là nằm ở địa phận Việt Nam Đoạn sông Cả từ Cửa Rào đến Đô Lương được gọi là sông miền núi có nhiều ghềnh cao từ 23m Điển hình là Khe Bố, bề rộng trung bình ở đoạn này mùa kiệt là 150200 m Nhưng mùa lũ có nơi lên đến 2000 m, lòng sông cắt sâu vào địa hình và có hướng chảy tương đối thẳng ít gấp khúc Từ Đô Lương đến Yên Thượng lòng sông mở rộng dần và có đôi chỗ gấp khúc như đoạn Rú Guộc, chiều rộng sông mùa kiệt từ 200250 m Mùa lũ từ 25004000 m, vì khi có lũ lớn toàn bộ vùng hữu Thanh Chương đều tham gia vào dòng chảy, đến Yên Thượng do địa hình núi phát triển ngang của dãy núi thượng Nam Đàn nên dòng chảy lại bó gọn vào trong lòng chỉ chừng 150200 m mùa kiệt và 800900 m trong mùalũ.

Từ Yên Thượng đến Chợ Tràng, sông lại bắt đầu phát triển bề ngang có bãi rộng Từ Chợ Tràng đến Hưng Hoà sông mở rộng phần bãi dòng chảy ép sát vào bờ bắc phần bãi bồi phía Hà Tĩnh rất rộng và dân cư ở đây sinh sống ngay trên bãi sông này Cửa sông Cả đổ ra tại Nghi Thọ vuông góc với bờ biển Cửa sông rộng bình quân 1500 m. Lòng sông tại cửa sâu tới -14-30 m Đoạn sông Cả từ cửa đến cầu Bến Thuỷ có thể cho phép tàu tải trọng 5000 tấn10000 tấn đi lại bình thường trong cả mùa kiệt lẫn mùa lũ Tóm lại đặc điểm dòng chính sông Cả là nếp đứt gãy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam của miền địa chất cũ, lòng sông sâu, ít bãi sông và ít bãi bồi trên sông. Đoạn hạ lưu sâu và rộng đoạn trung lưu rộng nhưng lại nông Phần thượng nguồn có nhiều ghềnh thác hai bên mép sông là núi caovàđồi Phía thượng nguồn có nhiều vị trí có thể xây dựng được kho nước lợi dụng tổng hợp Sông Cả không có phân lưu, chỉ có một cửa thoát duynhất.

Dòng nhánh:dòng nhánh sông cả bao gồm nhiều sông khác nhau như sông Hiếu, sông

Nậm Mô, sông Giăng và sông La.Sông Hiếulà một chi lưu phía Tả nhập vào sông Cả ở đoạn trung lưu tại Ngã ba Cây Chanh Sông Hiếu có diện tích lưu vực tính đến cửa sông là 5340 km 2 với chiều dài sông 314 km bắt nguồn từ dãy núi Cao Phú Hoạt thuộcQuế Phong Sông chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, gần song song với dòng chínhsôngCả.SôngNậmMôbắtnguồntừvùngrừngnúicủatỉnhBôlikhămXay(Lào)chảyvàoVi ệtNamtạiLàngNhãnthuộchuyệnKỳSơn.ỞphíaLàosôngchảytheo hướngBắcNamvòngquanhđỉnhHuổngMangNgai(2406m)vàđổidòngtheohướng Đông Nam - Tây Bắc đến bản Suông Hang sông đổi theo hướng Tây Bắc - Đông Nam và nhập lưu với dòng chính sông Cả tại CửaRào.Cũng có thể nói đây là dòng chínhsôngCảvìnóđổvàosôngtrùngvớihướngchảycủadòngchính.SôngNậmMôcódiệntíchlưu vực3970km 2 chiềudàisông189kmphầnchảytrênđấtViệtNam89km.SôngGiănglà một phụ lưu phía hữu sông Cả có cửa ra tại xã Thanh Luân cách đập Đô Lương về phía hạ lưu chừng 20 km.Sông Lalà phụ lưu gần hạ du của sông Cả với 2 nhánh sông lớn sông Ngàn Phố, Ngàn Sâu nhập lưu tại Linh Cảm Từ Linh Cảm đến Chợ Tràng được gọi là Sông La Tổng diện tích lưu vực sông La 3210 km 2

Hình 1.1 Mạng lưới sông ngòi và các trạm thuỷ văn thuộc lưu vực sông Cả

Sông Ngàn Phốbắt nguồn từ cửa khẩu Cầu Treo, xã Sơn Kim, sông chảy theo hướng gần như Tây- Đông, cửa sông cùng hướng với cửa sông Cả Lòng sông từ Sơn Tiến đến ngã ba Linh Cảm mở rộng, có nhiều bãi sỏi cuội, mặt nước trung bình mùa kiệt

120 m, mặt nước mùa lũ có nơi tới 800 m Diện tích lưu vực sông Ngàn Phố tính đến cửa sông khoảng 1350km 2 trong đó tới 60% là vùng đồi núi Sông Ngàn Phố nằm trong vùng mưa lớn, tập trung của sông Cả nên có rất nhiều nhánh sông suối nhỏ nhập lưu điển hình là Khe Tre, Khe Nẫm, Khe Cò, Vực Rồng Các nhánh nhỏ trên sông Ngàn Phố đã được sử dụng xây dựng các hồ chứa phục vụ tưới và cấp nước Sông Ngàn Phố là nguồn nước quan trọng cấp cho các ngành kinh tế của huyện Hương Sơn nhưng cũng là tác nhân gây thiệt hại cho nền kinh tế của huyện Điển hình như trận lũ quét cuối tháng 9/2002 gây thiệt hại cho nền kinh tế huyện có 37 người chết hàng nghìn nóc nhà bị sập, đường 8 bị cắt đứt không giao thông được gần 25 ngày, thiệt hại kinh tế lên tới trên 50 tỷ đồng Tổn thất lớn như vậy làm cho huyện Hương Sơn phải nhiều năm mới phục hồi lại được nền kinh tế củahuyện.

SôngNgàn Sâubắt nguồn từ dãy núi Giăng Màn thuộc xã Hương Can chảy theo hướng

TâyBắc-ĐôngNamđếnChúcA,sôngđổidòngtheohướngĐôngNam-TâyBắc,trên dọc đường sông rất nhiều nhánh sông, suối nhỏ điển hình là sông Tiêm, sông NgànTrươi.Lưu vực sôngNgànSâu phát triển lệch về phía Tây SôngNgànSâu nhập vàosôngLa tại LinhCảm.Tổng chiều dài dòng chính sông là 102 km vớidiện tíchlưu vực1860km 2 CũngnhưsôngNgànPhố,sôngNgànSâucũngnằmởtrungtâmmưalớncủasôngLa do vậy rất nhiều nhánh suối nhỏ nhập lưu Chiều rộng đáysôngtừ Chúc A tới phà Địa Lợi mùa kiệt từ 6080 m, mùa lũ từ 300400 m Từ phà Địa Lợi xuống hạ dulòngsông cắt sâu vào địa hình có eo chẹt địahìnhtại Hoà Duyệt gây cản trở cho công tác thoát lũ của lưu vực So với sôngNgànPhố, sông Ngàn Sâu có các thung lũng sôngrộnglớn điển hình như thung lũng hạ du sông Tiêm, hạ du Ngàn Trươi và thượngChúc

Hiện trạng dòng chảy lũ và tình hình xói lở khu vực cầuBếnThủy

2.1 Phântích lựa chọn mô hình và sơ đồ quá trình tínhtoán

Mô phỏng các đặc trưng thủy động lực của dòng chảy là yếu tố tiên quyết và đầu vàoquantrọng để thực hiện các tính toán mô phỏng liên quan đến bồi, xói nói chung cũng như vận chuyển bùn cát vàthayđổi hình tháilòngsông khu vực có các công trình nói chung và công trình giao thông (như cầu qua sông) nói riêng Do đó, khi mô phỏng xói trụmốcầucũngnhưthayđổiđặctrưnghìnhtháilòngsôngkhuvựccầuquasông,ngoài cácphươngtrìnhbảotoànkhốilượngvàphươngtrìnhbảotoànđộnglượngápdụngchodòngchảy,còn cóphươngtrìnhliênquanđếnvậnchuyểnbùncátvàbiếnđổihìnhthái Các phương trình này cho phép xem xét các quá trình bồi xói của bề mặt đáy lòngsôngcũngnhưchophépxemxétcácquátrìnhliênquanđếnbồixóitrụmốcầu.

Trong những năm gầnđây,sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp số và các tiến bộ vượt bậc của công nghệ máy tính, các mô hình toán thủy lực ngày càng đượcpháttriểnkhôngngừng,đãvàđangđượcápdụngthànhcôngtrongnhiềunghiêncứuvề thuỷđộnglựccũngnhưmôphỏngdiễnbiếnthayđổihìnhtháitrongcácvùngcửasông ven biển cũng như trong các đoạn sông nghiên cứu khác nhau Theo tiêu chí về sự phụ thuộccủacácyếutốmôphỏngvàokhônggian,cácmôhìnhtoáncóthểphânchiathành ba loạisau:(i) mô hình một chiều (1D) thường được biết đến là các môhìnhtrung bình mặtcắt, (ii)môhìnhhaichiều(2D)baogồmcácmôhìnhhaichiềutrungbìnhđộsâuvà haichiềutrungbìnhchiềungangsông,và(iii)môhìnhbachiều(3D).

Về cơbản,các môhình toán 1D,2D và 3D cóthểchia thànhhainhómcơbản,đó lànhómcácmôhìnhmãnguồnmởvà nhóm cácmôhìnhphải trảphí bảnquyền.Một sốmôhình điển hìnhtrongnhómmôhìnhmãnguồnmởcóthểkểđến như:môhình HEC- RAS,TELEMAC,DELFT, EFDC Nhómmôhìnhmôhìnhphải trảphí bản quyền nhưMIKE,ISIS.Họ môhìnhMIKElàbộphầnmềm củaViệnThuỷ lực ĐanMạch (DHI), đượcứngdụngnhiều trongquyhoạchvàquảnlý tàinguyênnướcvàphòngchống thiêntaitạinhiều nước trênthếgiới như Nhật Bản, Thái Lan,BangladevàcócảViệt Nam.

Bộ mô hình MIKE đã được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam,đây là bộ mô hình có đủ các chức năng đáp ứng việc giải quyết bài toán thực tế Mô

PHƯƠNG PHÁPNGHIÊN CỨU

Phân tích lựa chọn mô hình và sơ đồ quá trìnhtínhtoán

Mô phỏng các đặc trưng thủy động lực của dòng chảy là yếu tố tiên quyết và đầu vàoquantrọng để thực hiện các tính toán mô phỏng liên quan đến bồi, xói nói chung cũng như vận chuyển bùn cát vàthayđổi hình tháilòngsông khu vực có các công trình nói chung và công trình giao thông (như cầu qua sông) nói riêng Do đó, khi mô phỏng xói trụmốcầucũngnhưthayđổiđặctrưnghìnhtháilòngsôngkhuvựccầuquasông,ngoài cácphươngtrìnhbảotoànkhốilượngvàphươngtrìnhbảotoànđộnglượngápdụngchodòngchảy,còn cóphươngtrìnhliênquanđếnvậnchuyểnbùncátvàbiếnđổihìnhthái Các phương trình này cho phép xem xét các quá trình bồi xói của bề mặt đáy lòngsôngcũngnhưchophépxemxétcácquátrìnhliênquanđếnbồixóitrụmốcầu.

Trong những năm gầnđây,sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp số và các tiến bộ vượt bậc của công nghệ máy tính, các mô hình toán thủy lực ngày càng đượcpháttriểnkhôngngừng,đãvàđangđượcápdụngthànhcôngtrongnhiềunghiêncứuvề thuỷđộnglựccũngnhưmôphỏngdiễnbiếnthayđổihìnhtháitrongcácvùngcửasông ven biển cũng như trong các đoạn sông nghiên cứu khác nhau Theo tiêu chí về sự phụ thuộccủacácyếutốmôphỏngvàokhônggian,cácmôhìnhtoáncóthểphânchiathành ba loạisau:(i) mô hình một chiều (1D) thường được biết đến là các môhìnhtrung bình mặtcắt, (ii)môhìnhhaichiều(2D)baogồmcácmôhìnhhaichiềutrungbìnhđộsâuvà haichiềutrungbìnhchiềungangsông,và(iii)môhìnhbachiều(3D).

Về cơbản,các môhình toán 1D,2D và 3D cóthểchia thànhhainhómcơbản,đó lànhómcácmôhìnhmãnguồnmởvà nhóm cácmôhìnhphải trảphí bảnquyền.Một sốmôhình điển hìnhtrongnhómmôhìnhmãnguồnmởcóthểkểđến như:môhình HEC- RAS,TELEMAC,DELFT, EFDC Nhómmôhìnhmôhìnhphải trảphí bản quyền nhưMIKE,ISIS.Họ môhìnhMIKElàbộphầnmềm củaViệnThuỷ lực ĐanMạch (DHI), đượcứngdụngnhiều trongquyhoạchvàquảnlý tàinguyênnướcvàphòngchống thiêntaitạinhiều nước trênthếgiới như Nhật Bản, Thái Lan,BangladevàcócảViệt Nam.

Bộ mô hình MIKE đã được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam,đây là bộ mô hình có đủ các chức năng đáp ứng việc giải quyết bài toán thực tế Mô hìnhMIKE21củaViệnThủyLợiĐanMạchđượcbiếtđếnlàmộttrongnhữngmôhìnhthương mại đã và đang được sử dụng rộng rãi cả trong và ngoài nước, với môi trườngthânthiệnvớingườisửdụng,linhhoạtvàcótốcđộtínhtoántươngđốicao.HọmôhìnhMIKEcu ng cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kĩ thuật công trình, tài nguyênnước,quảnlýchấtlượngnướcvàquyhoạchđượcứngdụngtrongviệctínhtoánvềthuỷ lực, mô phỏng diễn biếnchấtlượng nước, tínhtoánvận chuyển bùn cát, tài nguyên và môitrườngnước,baogồmcảtrongsông,vùngcửasông,venbiểnvàbiển.

Họ mô hình MIKE ngày càng được sử dụng rộng rãi, đã và đang trở thành một công cụ tính toán mang tính hiệu quả cao, với nhiều tính năng vượt trội bởi (1) sự kết hợp đồng bộ nhiều module cho phép người dùng thực hiện các tính toán mô phỏng khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu phức tạp của các bài toán thực tế và (2) dễ dàng sử dụng cũng như phù hợp với các điều kiện về cơ sở dữ liệu hiện có trên các lưu vực sông Mô hình này liên kết giữa các mô đun tính toán dòng chảy phù hợp tốt với đường bờ và địa hình đáy phức tạp Vì vậy, trong luận văn này, mô hình MIKE (cụ thể là mô hình MIKE 11 và MIKE 21) đã được sử dụng để thực hiện các yêu cầu tính toán thủy lực khác nhau của luận văn.

Ngoài ra, liên quan đến tính toán xói mố trụ cầu, các công thức kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm thường được sử dụng để tính xói chung, xói cục bộ cũng như xói tổng cộng do dòng chảy gây ra [7].Hình 2.1thể hiện sơ đồ tính toán thực hiện trong luận văn, bao gồm các nội dung chính, như: (1) thu thập số liệu, dữ liệu, (2) tính toán mô phỏng thủy lực sử dụng mô hình 1 chiều, (3) tính toán mô phỏng thủy lực sử dụng mô hình hai chiều, (4) tính toán mô phỏng các đặc trưng dòng chảy lũ, xói trụ mố cầu và thay đổi hình thái và (5) đề xuất các giải pháp giảm xói trụ mố cầu.

Trước tiên, dựa trên cơ sở dữ liệu, số liệu khí tượng thủy văn, dòng chảy lũ, mạng lưới sông ngòi, các công trình khu vực nghiên cứu (như cầu Bến Thủy 1 và 2, kè bờ nằm giữa hai cầu), địa hình mặt cắt ngang vùng hạ lưu sông Lam, sông Ngàn Sâu và sông Ngàn Phố, dữ liệu địa hình lòng sông khu vực cầu Bến Thủy 1 và 2, các mô hình toán thủy lực một chiều MIKE 11 sẽ được thực hiện cho vùng hạ lưu sông Lam Sau đó, kết quả mô phỏng từ mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 sẽ là đầu vào cho các tính toán mô phỏng của mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 Tiếp theo, các kết quả tính toán các đặc trưng thủy động lực của dòng chảy lũ từ mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 sẽ được sử dụng để tính toán mô phỏng xói trụ mố cầu cũng như trong các tính toán mô phỏng thay đổi hình thái lòng sông khu vực giữa hai cầu Bến Thủy 1 và 2 Cuối cùng, dựa trên các kết quả tính toán mô phỏng xói trụ mố cầu và thay đổi hình thái lòng sông, một số biện pháp nhằm giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực của xói trụ mố cầu và thay đổi hình thái lòng sông sẽ được đề xuất và xemxét.

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình tính toán thực hiện trong luận văn

Trong sơ đồHình 2.1, Ht là đường quá trình mực nước, Qt là đường quá lưu lượngdòng chảy, h xc , hxcb, hxtclần lượt là độ sâu xói chung, xói cục bộ và xói tổng cộng vàzt là đường quá trình địa hình đáy lòng sông theo thờigian.

Giới thiệu mô hình thủy lựcMIKE11

Module thuỷ lực (HD) trong mô hình MIKE 11 được sử dụng để tính toán thuỷ động lực xác định các đặc trưng thuỷ lực và dòng chảy trên hệ thống sông vùng luận văn. Module thủy lực (HD) là phần trung tâm của mô hình MIKE 11 và kết quả của module thuỷ động lực là cơ sở dữ liệu đầu vào cho hầu hết các module khác của mô hình MIKE11.

Module thuỷ động lực của mô hình MIKE 11 giải hệ phương trình cơ bản Saint- Venant viết cho trường hợp dòng chảy một chiều trong lòng kênh dẫn hở, bao gồm: phương trình liên tục và phương trình động lượng Hệ phương trình trên được viết cụ thể như sau [2, 3]:

Trong đóQlà lưu lượng nước chảy qua mặt cắt (m 3 /s),là hệ số động năng,là hệ số phân bố lưu tốc,qlà lưu lượng nhập lưu (m 3 /s),g= 9,81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường,xlà chiều dài theo hướng dòng chảy (m),Alà diện tích mặt cắt (m 2 ),Rlà bán kính thuỷ lực (=A/P, vớiPlà chu vi ướt) vànlà hệ số nhám Manning thể hiện ma sát của bề mặt đáy sông và là thông số chính của module thuỷ động lực trong mô hình MIKE 11. Thông số chính này được hiệu chỉnh cẩn thận dựa vào kết quả tính toán và thực đo của mực nước tại trạm kiểm tra trong vùng tínhtoán.

2.2.2 Phươngpháp giải phương trình đặctrưng

6điểmẩn(Abbott-Ionescu6- point).Tronglượcđồnày,cáccấpmựcnướcvàlưulượngdọctheocácnhánhsôngđượctínhtrongmộ thệthốngcácđiểmlướixenkẽnhau.

Hệ phương trình sai phân ẩn được thể hiện trong mạng lưới bao gồm các điểm Q và H luân phiên nhau Các điểm Q luôn luôn được đặt ở giữa các điểm H xung quanh,t r o n g khi đó khoảng cách giữa các điểm H có thể khác nhau Vận tốc dòng chảy và lưu lượng sẽ được xác định là dương theo chiều của dòng chảy từ thượng lưu về hạ lưu (hay theo chiều dương của trục x), trong khi đó vận tốc dòng chảy và lưu lượng sẽ mang giá trị âm trong trường hợp ngượclại.

MIKE 11 có thể xử lý được nhiều nhánh và tại các nhập lưu nơi mà tại đó các nhánh gặp nhau Một nút sẽ được tạo ra để thực hiện các kết nối tại các vị trí sông chính và sông nhánh giao nhau (hay còn gọi là tại các ngã ba sông), trong đó mực nước được tính toán. Để đảmbảo điềukiện ổn đinh củamôhìnhthì bước thờigianlựachọn trongtínhtoánphảiđảmbảothoả mãn điều kiện ổn địnhCourant.Cụthểtrongtínhtoán,bước thời gian

t phútđãđược lựa chọn.Ngoàira,đểđảm bảo độchính xácvàtăngsựtin tưởngcủacác kết quảtínhtoánkhoảng cách giữacácmặtcắtkhông nênlớnquá (thườngΔx 60 mm làm thô hoá đáy xói vàFrlà hệ số Froude.

Bốn công thức tính toán xói cục bộ kể trên được áp dụng để tính toán xói ở trụ mố Cầu Bến Thuỷ, sử dụng phân bố vận tốc trên mặt cắt cầu từ mô hình hai chiều MIKE 21. Các hệ số liên quan trong mỗi công thức được tra từ các bảng tra trong “Sổ tay tínhtoán Thủy văn, Thủy lực Cầu đường” Kết quả tính toán cụ thể cho hai trường hợp kể trên được thể hiện trong các mục tiếp theo.

Xói tổng cộng tại các mố trụ cầu được tính toán đơn giản bằng tổng của xói chung và xói cục bộ [7], như phương trình(2.29). h xtc =h xc +h xcb (2.29)

Trong đóh xcvàh xcblần lượt là chiều sâu xói chung và xói cục bộ.

2.4.2 Tínhtoán thay đổi hình thái lòngsông Để ước tính sự thay đổi hình thái đáy lòng sông khu vực cầu Bến Thủy 1 và 2, luận văn đã sử dụng module vận chuyển bùn cát (Sand transport) và biến đổi hình thái của mô hình MIKE 21 Module Sand transport cho phép thực hiện các tính toán tốc độ vậnchu yể n t r ầ m t í c h ( c á t ) k h ô n g kết d í n h d ư ớ i tác đ ộ n g của d ò n g c h ả y C ác t h àn h phần vận chuyển trầm tích có thể gây ra biến đổi đáy Việc tính toán được thực hiện dưới điều kiện thuỷ động lực cơ bản tương ứng với độ sâu đã cho Kết quả cung cấp bởi module vận chuyển bùn cát có thể sử dụng để xác định khu vực có khả năng xói hoặc bồi và chỉ ra tốc độ biến đổi đáy.

Sự thay đổi hình thái lòng sông được xác định dựa trên phương trình liên tục về bùn cát và thường được gọi là phương trìnhExner.

Trong đó z là cao trình đáy lòng sông,plà độ rỗng của đáy lòng sông, Sxvà Sylần lượtlà bùn cát chuyển động theo phương x và phương y.

Các công thức kinh nghiệm có thể được sử dụng trong tính toán bùn cát là: công thức vận chuyển tổng tải của Engelund và Hansen, công thức vận chuyển tổng tải (được xác định như tải đáy + tải lơ lửng) của Engelund và Fredsoe, công thức vận chuyển tổng tải (tải đáy + tải lơ lửng) của Zyserman và Fredsoe, công thức vận chuyển tải bùn cát đáy của Meyer-Peter và công thức vận chuyển tổng tải của Ackers và White Các côngthức nêu trên có thể được sử dụng để tính toán S x và Sytrong phương trình(2.30). Tuynhiên, trong luận văn này, do sự hạn chế về các số liệu bùn cát cũng như để thuận tiện cho việc tính toán, công thức tính toán bùn cát của Engelund và Hansen đã được sử dụng khi ước tính sự thay đổi của hình thái lòngsông.

Các chỉ tiêu đánh giásaisố

Có rất nhiều chỉ tiêu sai số khác nhau có thể sử dụng để đánh giá sự phù hợp giữa kết quả tính toán, mô phỏng từ mô hình so với các giá trị thực đo nói chung và các kết quả tính toán mô phỏng thủy lực từ mô hình thủy lực một, hai chiều MIKE 11 và MIKE 21 nói riêng Tuy nhiên, các chỉ tiêu sai thường được phân chia thành hai nhóm chính: nhóm các chỉ tiêu sai số có thứ nguyên và nhóm các chỉ tiêu sai số không có thứ nguyên Trong luận văn này, để đánh giá định lượng sự phù hợp giữa kết quả tính toán bằng mô hình và giá trị thực đo tại các trạm kiểm tra Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thuỷ, năm chỉ tiêu sai số khác nhau đã được sử dụng Năm chỉ tiêu sai số này đó là sai số quân phương (RMSE), sai số tuyệt đối trung bình (MAE), hệ số tương quan (r) và hệ số Nash-Sufficient Effficient (NSE) và chênh lệch mực nước lớn nhất giữa thực đo và tính toán (H) Các chỉ tiêu sai số kể trên được xác định cụ thể theo các công thức sau:

TrongđóXm,jvàXd,jlầnlượtlàmựcnước(hoặclưulượng)tínhtoánvàthựcđotại thờiđiểmthứj,X mv à X dlần lượtlàmựcnước(hoặclưulượng)tínhtoánvàthựcđo trung bình của chuỗi số,X max,dvàX max,mlần lượt là giá trị mực nước thực đo lớn nhấtvà mực nước tính toán lớn nhất vàNlà chiều dài của chuỗi sốliệu.

Mỗi chỉ tiêu đánh giá sai số khác nhau có những ưu nhược điểm, tuy nhiên cả các chỉ tiêu có đơn vị và không có đơn vị được sử dụng kết hợp với nhau nhằm bổ sung và hỗ trợ nhau trong quá trình đánh giá kết quả tính toán, mô phỏng từ tmoo hình Nói cách khác mỗi sai số đều có ưu nhược điểm và cách khắc phục riêng, các chỉ tiêu sai số được sử dụng trong luận văn có tính bổ trợ cho nhau Sai số quân phương (RMSE) và sai số tuyệt đối trung bình (MAE) đều biểu thị độ lớn trung bình của sai số Sai số quân phương (RMSE) xem xét chênh lệch bình phương của giá trị tính toán so với giá trị thực đo nên khi chênh lệch lớn thì khi bình phương sẽ càng lớn hơn, trong khi đó các chênh lệch thiên nhỏ có thể bị bỏ qua (sai số càng nhỏ bình phương sẽ càng nhỏ).

Vì vậy, sai số tuyệt đối trung bình (MAE) được sử dụng để bổ sung cho sai số quân phương(RMSE).

Hệ số tương quan r và hệ số NSE là các sai số không có thứ nguyên Hệ số tương quan cho phép xem xét đánh giá xu hướng thay đổi của giá trị tính toán so với xu hướng của giá trị thực đo Hệ số NSE càng gần 1 thì giá trị tính toán càng gần sát với giá trị thực đo Ngoài ra, chênh lệch giữa giá trị lớn nhất tính toán và thực đo cũng được xem xét thêm, nhằm bổ trợ cho việc đánh giá kết quả mô phỏng từ mô hình.

Thiết lập mô hình cho vùngnghiêncứu

2.6.1 Thiếtlập mô hình thủy lực MIKE11

2.6.1.1 Sơ đồ mạng lưới sông và vị trí mặtcắt

Hình 2.3 Sơ đồ mạng lưới sông dùng trong tính toán mô phỏng

Hình 2.3thể hiện sơ đồ mạng lưới sông dùng trong tính toán khi sử dụng MIKE 11,bao gồm ba nhánh sông chính đó là (1) hạ lưu sông Cả (tính từ trạm thuỷ văn YênThượng), (2) hạ lưu sông Ngàn Phố (tính từ trạm thuỷ văn Sơn Diệm) và (3) hạ lưu sông Ngàn Sâu (tính từ trạm thuỷ văn Hoà Duyệt) với tổng số 78 mặt cắt Trong đó,đoạn hạ lưu sông Cả có 46 mặt cắt, hạ lưu sông Ngàn Phố có 11 mặt cắt và hạ lưu sông Ngàn Sâu có 21 mặt cắt Tại đoạn sông khu vực luận văn (nằm giữa Cầu Bến Thuỷ 1 và Cầu Bến Thuỷ 2 như thể hiện trênHình 2.3), các mặt cắt ngang sông được bố trí đo vẽ cách nhau khoảng 200 m một mặt cắt.

Sơ đồ vị trí các mặt cắt dùng trong mô hình MIKE 11 được thể hiện như trên hìnhHình 2.4.Hình 2.5là ví dụ thể hiện một số mặt cắt ngang trên các nhánh sông, bao gồm mặt cắt ngang sông số 10 trên sông Cả (kí hiệu MCSC10), mặt cắt cầu Bến Thuỷ 2 (kí hiệu là MCCau2), mặt cắt cầu Bến Thuỷ 1 (kí hiệu là MCCau1) và mặt cắt ngang sông số

10 trên sông Ngàn Sâu (kí hiệu là MCSNS10) Có thể thấy rằng dòng chảy chủ lưu thay đổi tuỳ thuộc vào các vị trí khác nhau dọc sông Mặt cắt các cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2 được sử dụng trong tính toán để đảm bảo thể hiện lại hiện trạng khu vực tính toán một cách tốt nhất trong môhình.

Hình 2.4 Sơ đồ vị trí các mặt cắt trong mô hình MIKE 11

Trong các tính toán thuỷ lực, biên trên trên trong mô hình MIKE 11 mà chuỗi số liệu đường quá trình lưu lượng ngày thực đo tại các trạm thuỷ văn Yên Thượng (trên sôngCả), Sơn Diệm (trên sông Ngàn Phố) và Hoà Duyệt (trên sông Ngàn Sâu) Biên dưới là đường quá trình mực nước giờ thực đo tại trạm Cửa Hội (Hình 2.3) Số liệu lưu lượng và mực nước sử dụng trong tính toán của luận văn do Trung Tâm khí tượng thuỷ văn Bắc Trung Bộ cấp.

Hình 2.5 Ví dụ một số mặt cắt trên các đoạn sông (xem thêmHình 2.4)

2.6.1.2 Điều kiện biên và điều kiện banđầu

Do điều kiện số liệu không cho phép nên nhập lưu khu giữa của các đoạn sông trong mô hình MIKE 11 không được xem xét trong tính toán Giả thiết rằng ảnh hưởng của nhập lưu khu giữa được điều chỉnh thông qua việc xác định giá trị thích hợp của các thông số của mô hình Lưu ý, chuỗi số liệu dòng chảy năm 2011 được sử dụng để hiệu chỉnh thông số mô hình trong khi đó chuỗi số liệu năm 2005 được sử dụng để kiểm định mô hình.

Hình 2.6là đường quá trình mực nước và lưu lượng ngày năm 2005 tại các vị trí biên hạ lưu và thượng lưu khi sử dụng mô hình MIKE 11, trong khi đó đường quá trình mực nước và lưu lượng cho năm 2011 được thể hiện trênHình 2.7 Mô hình MIKE 11 sau khi hiệu chỉnh và kiểm định, sẽ được áp dụng để mô phỏng các đặc trưng dòng chảy lũ của trận lũ lớn điển hình năm 1978 và dòng chảy lũ thiết kế ứng với tần suấtP=1% Kết quả mô phỏng dòng chảy lũ nêu trên sẽ là dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 Đường quá trình mực nước tại Cửa Hội và lưu lượng dòngchảylũtạiHòaDuyệt,SơnDiệmvàYênThượngchotrậnlũlớnđiểnhìnhtừ ngày 16/9/1978 đến ngày 6/10/1978 được thể hiện trênHình 2.8 Như đã thể hiện trên hình vẽ, đường quá trình dòng chảy lũ của trận lũ điển hình năm 1978 nêu trên có hình dạng rất khác nhau trên các sông Cụ thể, trên nhánh sông Ngàn Sâu và Ngàn Phố, dòng chảy lũ có dạng lũ kép, với hai đỉnh có giá trị tương đương nhau Trên sông Cả (hay còn gọi là sông Lam), đường quá trình lũ tại Yên Thượng cũng có xu hướng hai đỉnh nhưng đỉnh lũ sau lớn hơn đỉnh lũ trước. a) Đường quá trình mực nước tại Cửa Hội năm2005 b) Đường quá trình lưu lượng tại các trạm năm2005

Hình 2.6 Đường quá trình mực nước và lưu lượng tại các biên năm 2005 a) Đường quá trình mực nước tại Cửa Hội năm2011 b) Đường quá trình lưu lượng tại các trạm năm2011

Hình 2.7 Đường quá trình mực nước và lưu lượng tại các biên năm 2011

Như đã trình bày trong các nội dung trước, do trong khu vực cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2 không có các số liệu đo đạc chi tiết các đặc trưng dòng chảy (như vận tốc dòng chảy, lưu lượng dòng chảy) nói chung và dòng chảy lũ nói riêng nên chuỗi số liệu dòng chảy ngày năm 2011 và 2005 đã được sử dụng cho các mục đích hiệu chỉnh thông số mô hình MIKE 11 cũng như kiểm định mô hình Mặt khác, trong các mô phỏng, bước thời gian cũng cần phải xác định dựa trên điều kiện ổn định Courant của mô hình Cụ thể, để đảm bảo tính ổn định của các mô phỏng khi sử dụng mô hìnhMIKE 11, bước thời gian ∆t=1s được lựa chọn cho tất cả các tính toán của luậnvăn. a) Đường quá trình mực nước tại Cửa Hội năm1978 b) Đường quá trình lưu lượng tại Hòa Duyệt năm 1978 c) Đường quá trình lưu lượng tại Sơn Diệm năm1978 d) Đường quá trình lưu lượng tại Yên Thượng năm1978

Hình 2.8 Đường quá trình mực nước và lưu lượng tại các biên năm 1978

2.6.2 Thiếtlập mô hình thủy lực MIKE21

2.6.2.1 Giới hạn miền tính toán và lưới của mô hình haichiều

Hình 2.9 Thiết lập ô lưới tam giác dùng trong tính toán

Vùng tính toán trong mô hình MIKE 21 được giới hạn từ thượng lưu cầu Bến Thuỷ 2 khoảng 250 m đến hạ lưu cầu Bến Thuỷ 1 khoảng 500 m, với tổng chiều dài sông là 1650m Miền tính toán được lựa chọn như trên là do sự hạn chế của dữ liệu địa hình lòng sông (cụ thể địa hình lòng sông chỉ có trong phạm vi không gian nêu trên).Hình 2.9thể hiện giới hạn vùng tính toán và lưới tam giác dùng trong mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 Tổng số ô lưới tam giác dùng cho thể hiện lại vùng tính toán là 75161 ô lưới và 37917 nodes Lưới tính toán càng chi tiết thì mức độ thể hiện hệ vùng tính toán thực càng chi tiết và chính xác Tuy nhiên, khi sử dụng lưới càng chi tiết thì đòi hỏi thời gian tính toán càng nhiều Ngược lại, lưới tính toán càng thô thì việc thể hiện vùng tính toán thực sẽ bị đơn giản hoá và do đó thời gian thực hiện các tính toán mô phỏng sẽ ngắn (nhanh hơn) Do đó, lưới trong vùng tính toán cần phải đảm bảo tính chính xác vừa phải đảm bảo thời gian tính toán không quá lâu. a) Cầu Bến Thủy 1 trong môhình b) Cầu Bến Thủy 2 trong môhình c) Kè bảo vệ bờ giữa cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy2

Hình 2.10 Sơ họa các công trình khu vực nghiên cứu trong mô hình MIKE 21

Trong khu vực cầu Bến Thủy 1 và 2 có các công trình khác nhau như: các công trình cầu Bến Thủy 1 và 2, kè bờ nằm giữa hai cầu Do đó, trong tính toán mô phỏng của mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21, các công trình trên cần phải được thể hiện lại trong mô hình tương tự như trong mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 Trong mô hình MIKE 21, các công trình có thể được mô tả bằng nhiều cách khác nhau như thông qua định nghĩa trực tiếp các công trình hoặc có thể thông qua việc tạo lưới tính toán. Trong luận văn này, để cho việc tính toán được đơn giản, các công trình cầu Bến Thủy

1 và 2 cũng như kè bờ nằm giữa hai cầu được khai báo trong mô hình thông qua việc thay đổi trực tiếp trên lưới tính toán.Hình 2.10là ví dụ thể hiện sơ họa các công trình nêu trên trong mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 Kích thước các mố trụ cầu và khoảng cách giữa các trụ cầu cũng được xem xét và thể hiện lại chính xác trong lưới tính toán để đảm bảo rằng mô hình tái hiện tốt nhất có thể hiện trạng vùng nghiêncứu.

Hình 2.11 Địa hình vùng tính toán của mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21

Hình 2.11thể hiện địa hình của vùng tính toán sử dụng mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21.Chúýrằngdữliệu địahìnhđểxây dựngmôhình đoạnsôngkhuvựccầu BếnThủy1và2đượckếthừa từdữliệu khảo sát địa hìnhdoTEDI-RECOthựchiện tháng 7/2017 Nhưđãthểhiện trênhình vẽ, địahìnhkhu vực cầu Bến Thủy1vàcầuBến Thủy2thayđổirất mạnh mẽ từthượnglưuvềhạ lưucũngnhưtừbãingậphai bênđếnlòng sông. Trongcácbãingậpvàbãi tràn dọc theo hai bờsông,địa hình cũng thay đổi mạnh mẽ, cácdiệntíchcóđịa hìnhcaođan xenvớicác diệntíchcóđịa hìnhthấp,ảnhhưởngđến quátrình traođổi dòng chảygiữalòngsôngvà bãitràn.Dođó,trongcác tính toán môphỏng đòihỏiphảithểhiệnđượckhôngcácthayđổiđịahìnhnêutrênmàcònphảithểhiệnđượccácquátrìn hlantruyền dòngchảy Khu vựclòngsông cóđịahìnhthấp và lòng sông khu vực giữa2cầucũngthể hiện cácbãiđá cóxuthếhướngdòng chảytheobờ bởhữusangbờtả(theohướngdòngchảytừthượnglưuvềhạlưu).

2.6.2.3 Điều kiện biên và điều kiện banđầu

Tương tự như mô hình MIKE 11, khi thực hiện các mô phỏng thủy động lực của dòng chảy lũ sử dụng mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21, các điều kiện biên và điều kiện ban đầu cũng cần phải được xác định và khai báo một cách chính xác và cụ thể.Hình 2.12thể hiện vị trí các biên thượng và hạ lưu của miền tính toán khi sử dụng mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21 Mặc dù, quá trình xói trụ mố cầu xảy ra ở khu vực và diện tích lân cận cầu, nhưng vị trí các biên thượng lưu và hạ lưu trong mô phỏng của mô hình MIKE 21 đã được mở rộng ra ngoài phạm vi của hai cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2 Vị trí biên thượng lưu đã được mở rộng về phía thượng lưu của cầu Bến Thủy 2 một khoảng cách bằng 500 m, trong khi vị trí của biên hạ lưu được mở rộng về phía hạ du cầu Bến Thủy 1 một khoảng cách khoảng 1000m.

Tại vị trí các biên, dữ liệu dòng chảy từ mô hình MIKE 11 được sử dụng để thực hiện các tính toán trong mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21 Cụ thể, trong tính toán thuỷ động lực, chuỗi số liệu lưu lượng được dùng tại biên thượng lưu, trong khi đó chuỗi số liệu mực nước được sử dụng tại biên hạ lưu.Hình 2.13là đường quá trình lưu lượng dòng chảy lũ (từ kết quả mô phỏng của mô hình MIKE 11 cho trận lũ lớn điển hình từ ngày 16/9/1978 đến ngày 6/10/1978) sử dụng tại vị trí biên thượng lưu của mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21 Trong khi đó, đường quá trình mực nước tại vị trí biên hạ lưu cho trận lũ nêu trên được thể hiện như trênHình 2.14.

Hình 2.12 Vị trí biên thượng lưu và biên hạ lưu trong mô hình MIKE 21

Hình 2.13 Đường quá trình lũ năm 1978 tại vị trí biên thượng lưu

Hình 2.14 Đường quá trình mực nước tại vị trí biên hạ lưu cho trận lũ năm

1978Tương tự như khi sử dụng mô hình MIKE 11, để đảm bảo tính ổn định của mô hình, bước thời gian∆t= 1s cũng được lựa chọn cho tất cả các tính toán Chi tiết các kết quả tính toán mô phỏng thủy động lực của dòng chảy lũ từ mô hình toán thủy lực hai chiều MIKE 21 được thể hiện trong chương tiếp theo.

2.6.3 Thiếtlập tính toán xói trụ mốcầu a) Mô hình cầu Bến Thủy1 b) Mô hình cầu Bến Thủy2

Hình 2.15 Sơ họa cầu Bến Thủy 1 và cầu Bến Thủy 2

Bảng 2.1 Bảng thống kê các đặc trưng kích thước của Cầu Bến Thủy 1

Cao trình đỉnh cầu, z đỉnh (m)

Cao trình đáycác trụ z đáy (m)

Bảng 2.2 Bảng thống kê các đặc trưng kích thước của Cầu Bến Thủy 2

Cao trình đáycác trụ z đáy (m)

Cao trình Chiều rộng trụ cầu, b (m)

Chiều dài trụ, L (m) z đỉnh (m) đáycác trụ z đáy (m)

KẾT QUẢ VÀTHẢOLUẬN

Kết quả mô phỏng thủy lực từ mô hìnhMIKE11

Mô hình thủy lực MIKE 11 được áp dụng để mô phỏng dòng chảy trên các sông Cả, sông Ngàn Sâu và sông Ngàn Phố cũng như đoạn sông Lam Các kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình, kết quả kiểm định mô hình và kết quả mô phỏng trận lũ lớn điển hình từ ngày 16/9/1978 đến ngày 6/10/1978 cũng như trận lũ thiết kế ứng với tần suất

P = 1% sẽ lần lượt được trình bày trong các nội dung tiếptheo.

3.1.1 Phântích độ nhạy và hiệu chỉnh thông số môhình

Trong mô hình MIKE 11, hệ số nhám lòng sông là thông số chính của mô hình và hệ số này được xác định dựa trên số liệu đo đạc mực nước trung bình ngày tại 3 trạm Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thuỷ (Hình 2.3) Trước tiên để đơn giản trong tính toán, hệ số nhám của các đoạn sông nghiên cứu được giả định là hằng số Sau đó, hệ số nhám được thay đổi và sử dụng các giá trị khác nhau cho các đoạn sông khác nhau để tìm ra giá trị thích hợp dựa trên phương pháp thử sai Sự phù hợp của kết quả tính toán từ mô hình và giá trị thực đo được xác định dựa trên (1) sự phù hợp giữa đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại các trạm kiểm tra và (2) các chỉ tiêu đánh giá sai số trình bày trong Mục3.4.

3.1.1.1 Sử dụng hệ số nhám là hằng số cho các đoạnsông

Bảng 3.1vàHình 3.1thể hiện chi tiết giá trị của các chỉ tiêu sai số khác nhau tại 3 trạm Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thuỷ khi sử dụng hệ số nhám giả định là hằng số trên các đoạn sông tính toán Kết quả tính toán các chỉ tiêu sai số có thứ nguyên (RMSEvàMAE) tại các trạm kiểm tra thay đổi lớn khi hệ số nhám thay đổi trong khoảng từ 0,025 đến 0,04, trong khi đó giá trị của các chỉ tiêu sai số không có thứ nguyên như hệ số tương quanrthay đổi không nhiều khi sử dụng các hệ số nhám khác nhau ngược lại hế số NSE thay đổi rất lớn khi hệ số nhám thay đổi Tương quan giữa mực nước thực đo và tính toán khi sử các hệ số nhám khác nhau (n= 0,026, 0,032,

0,036 và 0,04) cho các trạm Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thuỷ lần lượt được thể hiện như trên các hình từHình 3.2đếnHình3.4.

Kết quả tính toán các chỉ tiêu sai số khác nhau cũng thể hiện rằng (1) giá trị củaR M S E vàMAEnhỏnhấttạicáctrạmkhácnhauứngvớicácgiátrịđộnhámlòngsôngkhác nhau, (2) chênh lệch mực nước lớn nhất thực đo và tính toán tại các trạm dao động trong khoảng từ 0,02 đến 1,20 m tuỳ thuộc vào giá trị độ nhám lòng dẫn được sử dụng.

Ví dụ, tại trạm Nam Đàn, giá trị củaRMSEvàMAEnhỏ xuất hiện khi hệ số nhám thay đổi từ trong khoảng từ 0,03 đến 0,036, trong khi đó tại trạm Bến Thuỷ thì các giá trị củaRMSEvàMAEnhỏ ứng với hệ số nhám dao động trong khoảng từ 0,03 đến 0,038. Điều đó thể hiện rằng, kết quả tính toán mực nước trên các đoạn sông nhạy với sự thay đổi hệ số ma sát của lòng dẫn và hệ số nhám nên sử dụng khác nhau cho các đoạn sông khác nhau. Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán ứng với các hệ số nhám là hằng số khác nhau tại trạm Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thủy được thể hiện lần lượt trên các hình từHình 3.5đếnHình 3.7 Kết quả mô phỏng thể hiện rằng mực nước tính toán tại cả 3 vị trí so sánh (Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thủy) thay đổi lớn khi sử dụng hệ số nhám là hằng số khác nhau, nhất là trong thời kỳ mùa lũ.

Hình 3.1 Quan hệ giữa giá trị của các chỉ tiêu sai số và hệ số nhám tại các trạm

NamĐàn, Chợ Tràng và Bến Thuỷ

Bảng 3.1 Bảng thống kê giá trị các chỉ tiêu sai số tại các trạm kiểm tra khi sử dụng hệsố nhám là hằng số

RMSE MAE r NSE H max,tt

Hình 3.2 Tương quan mực nước thực đo và tính toán ứng với các hệ số nhám khácnhau tại trạm Nam Đàn

Hình 3.3 Tương quan mực nước thực đo và tính toán ứng với các hệ số nhám khácnhau tại trạm Chợ Tràng

Hình 3.4 Tương quan mực nước thực đo và tính toán ứng với các hệ số nhám khácnhau tại trạm Bến Thuỷ

Hình 3.5 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán ứng với các hệ số nhám làhằng số tại trạm Nam Đàn

Hình 3.6 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán ứng với các hệ số nhám làhằng số tại trạm Chợ Tràng

Hình 3.7 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán ứng với các hệ số nhám làhằng số tại trạm Bến Thủy 3.1.1.2 Sử dụng hệ số nhám khác nhau cho các đoạnsông Để xác định hệ số nhám phù hợp của các đoạn sông Cả, sông Ngàn Phố và sông Ngàn Sâu, hệ số nhám có giá trị khác nhau đã được thử dần cho các đoạn sông Phương pháp thử được tiến hành thay đổi hệ số nhám của 1 đoạn sông trong khi đó giữ nguyên hệ số nhám của 2 đoạn sông còn lại Cuối cùng, trong một đoạn sông nghiên cứu được chia thành các đoạn nhỏ hơn và sử dụng các hệ số nhám khác nhau cho các đoạn nhỏ hơn khác nhau Quá trình thử dần như trên được thực hiện cho tới khi xác định được hệ số nhám phù hợp của các đoạn sông Kết quả thử dần cuối cùng cho hệ số nhám phù hợp của các đoạn sông thay đổi từn= 0,03 đếnn= 0,037, cụ thể như thống trongBảng 3.2.Dựa vào các đặc trưng bùn cát (như đường kính hạt bùn cát trung bình d 50 hoặc d90) hệsố nhám của các đoạn sông được xác định thay đổi trong khoảng từ 0,03 đến 0,033. Giá trị của hệ số nhám của lòng dẫn xác định bằng phương pháp thử sai từ mô hình MIKE 11 tương tự như hệ số nhám xác định từ các đặc trưng bùn cát Giá trị của các chỉ tiêu sai số tại Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thuỷ ứng với trường hợp sử dụng giá trị phù hợp của hệ số nhám được tóm tắt trongBảng3.3.

Hình 3.8 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại các trạm kiểm tra khi sửdụng giá trị nhám thích hợp

Hình 3.9 Tương quan mực nước thực đo và tính toán tại các trạm khi sử dụng hệ sốnhám thích hợp Bảng 3.2 Bảng hệ số nhám sử dụng cho các đoạn sông

Cả Từ biên thượng lưu – đến ngã ba nhập lưu với sông Ngàn Sâu 0,036

Cả Từ ngã ba nhập lưu sông Ngàn Sâu – đến biên hạ lưu 0,030 Ngàn Phố Từ biên thượng lưu – đến nhập lưu sông ngàn Sâu 0,037 Ngàn Sâu Từ biên thượng lưu – đến ngã ba nhập lưu sông Cả 0,037

Bảng 3.3 Bảng thống kê giá trị các chỉ tiêu sai số tại các trạm kiểm tra ứng với giá trịphù hợp nhất

RMSE MAE r NSE H max,tt

Như thống kê trongBảng 3.3, sai số quân phương (RMSE) và sai số tuyệt đối trung bình (MAE) của mực nước tại các trạm kiểm tra thay đổi trong khoảng từ 0.11 m đến0.33 m ( 0,91 (xem chi tiết thống kê trongBảng 3.4và trênHình 3.14) vàNSE> 0,77 (chi tiết trongBảng 3.4), trong khi đó các chỉ tiêu sai số có thứ nguyên như sai số quân phươngRMSEvà sai số tuyệt đối trung bìnhMAEtương đối nhỏ dao động trong khoản từ 0,10 m đến 0,28 m chiếm từ 3% đến 13% biên độ dao động mực nước thực đo tại trạm (Bảng 3.4) Đồng thời, mô hình cũng thể hiện rất tốt sự thay đổi mực nước trong thời kỳ mùa lũ tại các trạm so sánh Giá trị mức nước lớn tính toán từ mô hình rất gần với các giá trị thực đo, trong các thời điểm lũ lớn trên sông Các kết quả trên khẳng định rằng hệ số nhám đã sử dụng là chấp nhận được Do đó các giá trị của hệ số nhám này sẽ được sử dụng để (1) tạo chuỗi dữ liệu tại biên thượng lưu và tại biên hạ lưu cho tính toán mô phỏng thuỷ động lực khi sử dụng mô hình hai chiều MIKE 21 cũng như (2) tính toán xác định định lượng mực nước dềnh giữa cầu Bến Thuỷ 1 và 2. Đường quá trình mực nước dọc sông Cả, sông Ngàn Sâu và sông Ngàn Phố tại một số thời điểm cụ thể khác nhau cho bước kiểm định mô hình được thể hiện lần lượt trên các hình từHình 3.15đếnHình 3.17 Kết quả mô phỏng thể hiện mực nước giảm dần từ thượng lưu về hạ du, tương tự như các kết quả mô phỏng trong bước hiệu chỉnh thông số mô hình Đồng thời, kết quả tính toán cũng thể hiện ảnh hưởng của sự thay đổi địa hình đáy lòng sông tới sự thay đổi mực nước dọc sông Tại những vị trí có đáy lòng sông thay đổi phức tạp hoặc tại những nơi địa hình đáy lòng sông có sự chênh lệch lớn giữa các vị trí, kết quả mô phỏng mực nước thể hiện rõ sự dao động rõ rệt Ví dụ, tại vị trí Km50 trên sông Cả, nơi có sự biến đổi mạnh mẽ và chênh lệch cao độ đáy lòngsônglớn,mựcnướctínhtoántừmôhìnhthủylựcmộtchiềuMIKE11đãcósự nhiễu động và thay đổi lớn Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng trên là do ảnh hưởng và thay đổi quá đột ngột của đáy lòng sông, dẫn đến xuất hiện nước nhảy. a) Tại thời điểm 08:00:00 ngày12-08-2005 b) Tại thời điểm 16:00:00 ngày31-10-2005

Hình 3.15 Đường quá trình mực nước dọc sông Cả tại các thời điểm khác nhau chobước kiểm định mô hình a) Tại thời điểm 12:00:00 ngày18-08-2005 b) Tại thời điểm 23:00:00 ngày14-09-2005

Hình 3.16 Đường quá trình mực nước dọc sông Ngàn Sâu tại các thời điểm khác nhaucho bước kiểm định mô hình

Mô hình MIKE 11 sau khi được hiệu chỉnh và kiểm định đã được áp dụng để mô phỏng các đặc trưng thủy động lực của dòng chảy cho trận lũ điển hình năm 1978 và trận lũ thiết kế P =1% Chi tiết các kết quả tính toán nêu trên được trình bày trongPHỤ LỤCI. a) Tại thời điểm 05:00:00 ngày13-08-2005 b) Tại thời điểm 05:00:00 ngày31-08-2005

Hình 3.17 Đường quá trình mực nước dọc sông Ngàn Phố tại các thời điểm khác nhaucho bước kiểm định mô hình

Kết quả mô phỏng thuỷ lực từ mô hìnhMIKE21

Bảng 3.5 Kết quả kiểm định mực nước tại Cầu Bến Thuỷ 1 và 2 khi sử dụng mô hìnhhai chiều MIKE 21 [28]

Cầu Bến Thủy 1 Cầu Bến Thủy 2

Mực nước thiết kế cầu

Mực nước tính toán mô hình

Mực nước thiết kế cầu

Mực nước tính toán mô hình

Hình 3.18 Sơ họa hệ số nhám sử dụng cho bãi và lòng sông trong mô hình MIKE 21

Mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21 bao gồm có 2 thông số: hệ số đặc trưng cho dòng chảy rốiCvà hệ số nhám thể hiện ma sát của bề mặt đáy lòng sông hay còn gọi là hệ số nhámn Giá trị của hai thông số trên thường được hiệu chỉnh thông qua việc so sánh các đặc trưng thủy động lực (vận tốc, mực nước, lưu lượng) tính toán với các giá trị thực đo tại các vị trí kiểm tra trong vùng tính toán Tuy nhiên, do trong miền tính toán của mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21 không có các số liệu đo đạc chi tiết lưu lượng, vận tốc dòng chảy lũ cũng như để cho quá trình hiệu chỉnh thông số được đơn giản, giá trị của hệ số đặc trưng cho dòng chảy rốiC= 0,28 đã được sửd ụ n g cố định trong các mô phỏng của mô hình thủy động lực hai chiều MIKE 21 của luận văn Bởi vì, theo tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình MIKE [9], giá trịC= 0,28 hoàn toàn có thể áp dụng trong các mô phỏng thủy động lực khi sử dụng mô hình MIKE 21. Đồng thời, hệ số nhámncũng được kế thừa từ các kết quả nghiên cứu trước đây [28].

Hệ số nhám n1= 0,05 và n2= 0,032 đã lần lượt được sử dụng cho bãi tràn hai bênbờsông và lòng sông khu vực nghiên cứu (chi tiết xem trênHình 3.18) Như đã trình bày trong nghiên cứu trước đây [28], hệ số nhám trên đã được xác định dựa trên sự so sánh mực nước đỉnh lũ thiết kế tại cầu Bến Thủy 1 và cầu Bến Thủy 2 Đồng thời trận lũ thiết kế được thu phóng từ trận lũ điển hình năm 1979 Kết quả cụ thể như tóm tắt trongBảng 3.5và trênHình3.19.

Hình 3.19 Kết quả kiểm định mô hình MIKE 21 [28]

3.2.2 Kếtquả mô phỏng trận lũ thiết kếP=1%

Sử dụng giá trị của hệ số đặc trưng cho dòng chảy rốiC= 0,28 và giá trị của hệ số nhám như đã trình bày trong trên, mô hình MIKE 21 đã được áp dụng để mô phỏng các đặc trưng thủy động lực (như vận tốc dòng chảy theo các phương, vận tốc tổng cộng, ) cho trận lũ lớn điển hình xuất hiện từ ngày 16/9/1978 đến ngày 9/10/1978 và trận lũ thiết kế ứng với tần suất P = 1% (tương tự như trường hợp tính toán sử dụng mô hình thủy lực một chiều MIKE 11) Do trận lũ thiết kế ứng với tần suất P =1% được thu phóng từ trận lũ lớn điển hình năm 1978 sử dụng phương pháp một tỷ số, nên các kết quả mô phỏng thủy động lực trong mục này sẽ tập trung trình bày các kết quả cho trận lũ thiết kế Bởi vì kết quả mô phỏng của trận lũ lớn điển hình năm 1978 thì tươngtựnhưtrậnlũthiếtkếvàchỉkhácnhauvềbiênđộ.Kếtquảmôphỏngcủamô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 cho phép trích xuất các thành vận tốc dòng chảy lũ theo các phương, cụ thể bao gồm: (1) thành phần vận tốc theo phương x kí hiệu là U (m/s), thành phần vận tốc theo phương y kí hiệu là V (m/s), thành phần vận tốc tổng cộng tại các thời điểm mô phỏng khác nhau. a) Thời điểm 1 giờ ngày 22/9/1978 (T1) b) Thời điểm 1 giờ ngày 29-9-1978(T2) c) Thời điểm 1 giờ ngày 3/10/1978 (T3) d) Tại thời 19 giờ ngày 8/10/1978 (T4)

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng thành phần vận tốc U tại các thời điểm khác nhau chotrận lũ thiết kế P=1% (theo mô hình lũ điển hình năm 1978)

Hình 3.20làvídụsơhọa vềkếtquả mô phỏngthành thànhvận tốcUtại các thờiđiểmmôphỏng(T1,T2,T3vàT4 –chitiếtxem trênHình 2.13)khácnhau cho trận lũthiếtkế ứng với tầnsuấtP=1% Kết quả môphỏngthểhiệnrằngthànhphần vận tốcUcủadòng chảylũthayđổitừ-0,8m/sđến2,4m/strongmiềntínhtoán.Tạithờiđiểmxuấthiệnđỉnhlũ(thờiđiể mT2),kếtquảmôphỏngthànhphầnvậntốcUlớnhơnsovớicácthờiđiểm khác (nhưT1,T3vàT4).Tạicác khu vực lân cậncáctrụ cầu Bến Thủy1 vàBến Thủy 2, do cản trở dòngchảycủacác trụ cầu,hướngvậntốc dòngchảytạicác khu vực nàycó sựthayđổimạnhmẽ.Ngoàira,dọctheo bờ kè,thànhphần vận tốc dòngchảyUcóhướng xuôi thuậnvàhướngchủ yếu từthượnglưu về hạ lưu. a) Thời điểm 1 giờ ngày 22/9/1978 (T1) b) Thời điểm 1 giờ ngày 29-9-1978 (T2) c) Thời điểm 1 giờ ngày 3/10/1978 (T3) d) Tại thời 19 giờ ngày 8/10/1978(T4)

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng thành phần vận tốc V tại các thời điểm khác nhau chotrận lũ thiết kế P=1% (theo mô hình lũ điển hình năm 1978)

Mặt khác, kết quả mô phỏng thành phần vận tốc U của dòng chảy cũng thể hiện rằng các diện tích khô ướt xuất hiện đan xen nhau trong miền tính toán, tùy từng thời điểm mô phỏng cụ thể Khi dòng chảy lũ lớn (nhất là ứng với trường hợp lũ lên và đỉnh lũ như thời điểm T1 và T2), phần lớn các diện tích trong miền tính toán đều bị ngập,trongkhiđótạithờiđiểmlũxuống(thờiđiểmT3vàT4),mộtsốdiệntíchtrongcác bãi ngập hai bên bờ sông đã không bị ngập Kết quả trên thể hiện rằng kỹ thuật khô/ướt sử dụng trong mô hình đã thực hiện tốt quá trình thay đổi các diện tích ngập và không ngập trong các bãi tràn hai bên bờsông. a) Thời điểm 1 giờ ngày 22/9/1978 (T1) b) Thời điểm 1 giờ ngày 29-9-1978(T2) c) Thời điểm 1 giờ ngày 3/10/1978 (T3) d) Tại thời 19 giờ ngày 8/10/1978 (T4)

Hình 3.22 Kết quả mô phỏng vận tốc tổng cộng tại các thời điểm khác nhau cho trậnlũ thiết kế P=1% (theo mô hình lũ điển hình năm 1978)

Hình 3.21thể hiện kếtquảmôphỏng thànhphần vận tốcVcủatrậnlũứng với tầnsuất thiếtkế P=1% tại các thời điểmkhácnhau(T1,T2,T3 vàT4–chitiếtxemtrênHình2.13).Kết quảmôphỏngthể hiện rằng thànhphần vận tốcVtrongmiềntính toáncósựthayđổi mạnh mẽ về độ lớnsovớithành phầnvậntốcU.Tại khu vực dòng chủ lưutrong miền tính toán nhấtlàtrongdiệntích giớihạn bởi hai cầu Bến Thủy1 vàBếnThủy2,giá trịcủaV cóbiênđộ lớnhơn2,4 m/s.Tạithờiđiểm tươngứngvớisựxuấthiện của lưu lượng đỉnhlũ, vậntốclớn(vớigiá trị trên 2,0m/s) phânbốtrongphần lớn các diệntích khác nhaugiới hạn bởihaicầu.Đồng thời,kếtquảmôphỏng thànhphần vận tốcVcũng thểhiện rõ sự ảnh hưởngvàcản trởdòng chảylũ củacáctrụcầu,vớiđặctrưngphânbốvậntốc dòng chảyở hạlưu các trụ cầu nhỏ hơn vận tốcdòngchảyởkhuvựcthượnglưucầu.Hình 3.22thểhiệnkết quả môphỏngvận tốc tổng cộng tại các thời điểmtínhtoánkhác nhaucho trận lũ thiếtkế.Tại thời điểmxuấthiện lưu lượng đỉnh lũ, vận tốcdòngchảylớn (vớibiênđộtrên2,4m/s)xuất hiệnvàduy trìtrongtoànbộlòng sông.Giátrịvậntốc dòng chảy lớnnêu trênsẽảnh hưởngmạnhmẽtới các quátrình xóivàthayđổilòng sông.Tại các bãitrànhai bênbờsông,vận tốc dòng chảy có xu hướng nhỏtươngtự xu hướng của cácthànhphần vận tốcUhoặc V.

Kết quả tính toán xói trụ mố cầu BếnThủy1

Sử dụng công thức kinh nghiệm kết hợp với các bảng tra để tính toán chiều sâu xói chung tại các mố trụ cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2 như đã trình bày trong Mục 3.3. Kết quả tính toán xói chung cầu Bến Thủy 1 ứng với trận lũ lớn điển hình năm 1978 (từ ngày 16/9/1978 đến ngày 6/10/1978) và trận lũ ứng với tần suất thiết kế P = 1% được thống kê như trongBảng 3.6 Trận lũ lớn điển hình năm 1978 có tổng lưu lượng dòng chảy lũ tại Yên Thượng, Hòa Duyệt và Sơn Diệm là 13640 m 3 /s, trong khi đó trận lũ ứng với tần suất thiết kế P =1% có lưu lượng đỉnh lũ là 16500m 3 /s.

Bảng 3.6 Kết quả tính toán chung cầu Bến Thủy 1

STT Trận lũ Lưu lượng,

1 Điển hình năm 1978 13640 1,092 Vận tốc dòng chảy mô phỏng từ mô hình MIKE 21

2 Thiết kế, P= 1% 16500 1,108 Vận tốc dòng chảy mô phỏng từ mô hình MIKE 21

Kết quả tính toán xói chung thể hiện rằng chiều sâu xói chung lần lượt là 1,092 m và1,108 m cho các trận lũ lớn năm 1978 và trận lũ ứng với tần suất thiết kế P =1% Vận tốc dòng chảy sử dụng trong tính toán được xác định từ kết quả mô phỏng của mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 Chênh lệch chiều sâu xói chung giữa hai trận lũ nêu trên khoảng 0,02 m.

3.3.2 Kếtquả tính toán xói cụcbộ

Hình 3.23 Kết quả tính toán xói cục bộ cầu Bến Thủy 1 cho trận lũ năm 1978

Hình 3.24 Kết quả tính toán xói cục bộ cầu Bến Thủy 1 cho trận lũ thiết kế P =1%

Bảng 3.7 Kết quả tính toán xói cục bộ cầu Bến Thủy 1 cho trận lũ thiết kế P=1%

Chiều sâu xói cục bộ - h xcb (m)

Tương tự như tính toán xói chung, tính toán xói cục bộ tại các trụ cầu được thực hiện sửdụngcáccôngthứckinhnghiệmvàbánkinhnghiệmnhưđãtrìnhbàytrongMục 3.3 Kết quả tính toán xói cục bộ cho trận lũ lớn điển hình năm 1978 được thể hiện trênHình 3.23, trong khi đóHình 3.24thể hiện kết quả tính toán xói cục bộ tại các trụ cầuBếnThuỷ1theocáccôngthứckhácnhauchotrậnlũứngvớitầnsuấtthiếtkếP

=1% Kết quả chi tiết chiều sâu xói cục bộ cho hai trận lũ nêu trên được thống kê như trongBảng 3.7. Ứng với trận lũ lớn điển hình năm 1978, chiều sâu xói cục bộ thay đổi từ 0,66 đến 6,85 m khi sử dụng công thức tính xói cục bộ của Trường Đại học Xây dựng (1982) Giá trị của xói cục bộ dao động từ 0,57 đến 6,0 m nếu công thức tính xói đề xuất bởi M.M. Zuravlev (1978) được áp dụng Trong khi đó, nếu công thưc tính xói cục bộ của I.A. Laratslasev (1953) được sử dụng thì giá trị xói cục bộ tại các trụ cầu Bến Thủy 1 biến đổi từ 0,83 đến 5,80 m Giá trị xói cục bộ tại các trụ cầu dao động từ 1,73 đến 7,72 m khi sử dụng công thức kinh nghiệm đề xuất bởi Richardson (1990).

Tương tự, kết quả mô phỏng xói cục bộ ứng với trận lũ có tần suất thiết kế P = 1% cũng thể hiện rằng chiều sâu xói cục bộ thay đổi lần lượt trong khoảng (0.937.25) m,(0,866,40) m, (1,186,32) m và (2,138,0) m khi sử dụng công thức tính xói cục bộ của Trường Đại học Xây dựng, của M.M Zuravlev, của I.A Laratslasev và của

Richardson (Bảng 3.7) Đồng thời, trong bốn công thức xem xét thì công thức tính xói cục bộ đề xuất bởi Richardson (1990) cho các kết quả tính xói cục bộ lớn nhất cho cả trận lũ điển hình năm 1978 và trận lũ ứng với tần suất thiết kế P =1% Nguyên nhân chính dẫn đến kết quả nêu trên là do công thức kinh nghiệm đề xuất bởi Richardson

(1990) được xây dựng dựa trên giả thiết là kết quả xói cục bộ lớn nhất.

Kết quả tính toán xói cục bộ cho cả hai trận lũ xem xét đều thể hiện rằng chiều sâu xói cục bộ lớn tại các vị trị có tốc độ dòng chảy lớn hay tại các vị trí chủ lưu (khu vực của các trụ cầu số 5, 6, 7 và 8), trong khi đó giátrịcủa chiều sâu hố xói cục bộ nhỏ hơn tại các trụ hai bên bãi tràn Khi sử dụng 4 công thức tính toán xói khác nhau, kết quả tính xói cục bộ tại các trụ cầu cho trận lũ lớn điển hình năm 1978 thay đổi từ 0,571 đến 7,720 m, trong khi giá trị xói cục bộ dao động từ 0,86 đến 8,0 m cho trận lũ ứng với tần suất thiết kế P =1% Bốn công thức kinh nghiệm và bán kinh nghiệm sử dụng trong luận văn đều thể hiện xu hướng nêu trên Điều đó có nghĩa rằng các kết quả tính toán xói cục bộ tại trụ cầu Bến Thủy 1 có sự liên kết chặt chẽ với vận tốc dòng chảy tại bãi tràn và lòngsông.

3.3.3 Kếtquả tính toán xói tổngcộng

Kết quả tính toán xói tổng cộng tại các trụ Cầu Bến Thuỷ 1 cho trận lũ điển hình và trận lũ thiết kế được thể hiện lần lượt trênHình 3.25vàHình 3.26 Sơ họa độ sâu xói tổng cộng cùng chiều sâu cọc tại các trụ cầu Bến Thủy 1 được thể hiện như trênHình3.27 Khi sử dụng các công thức khác nhau để tính toán xói cục bộ, chiều sâu xói tổng cộng tại các trụ cầu Bến Thủy 1 lớn nhất lần lượt là 7,94, 7,08, 6,90 và 8,82 m khi sử dụng công thức tính xói đề xuất bởi Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, công thức tính xói của M.M Zuravlev, công thức tính xói của I.A Laratslasev và công thức tính xói của Richardson cho trận lũ điển hình năm 1978 Tương tự, ứng với trận lũ thiết kế P 1%, giá trị của xói tổng cộng lớn nhất tại các trụ cầu lần lượt là 8,35, 7,51, 7,43 và9,10 m khi sử dụng các công thức tính xói trên Kết quả tính toán xói tổng cộng cho trận lũ ứng với tần suất thiết kế lớn hơn so với các giá trị tính toán cho trận lũ điển hình, bởi vì trận lũ thiết kế có lưu lượng dòng chảy lũ lớn hơn trận lũ điểnhình.

Hình 3.25 Kết quả tính toán xói tổng cộng cầu Bến Thủy 1 cho trận lũ năm 1978

Hình 3.26 Kết quả tính toán xói tổng cộng cầu Bến Thủy 1 cho trận lũ thiết kế P =1% a) Trận lũ lớn điển hình năm1978 b) Trận lũ ứng với tần suất thiết kế P =1%

Hình 3.27 Sơ họa xói tổng cộng tại các trụ cầu Bến Thủy 1 cho các trận lũ

Kết quả tính toán xói trụ mố cầu BếnThủy2

Kết quả tính toán xói chung cầu Bến Thủy 2 ứng với trận lũ lớn điển hình năm 1978(từ ngày 16/9/1978 đến ngày 6/10/1978) và trận lũ ứng với tần suất thiết kế P = 1% được thống kê như trongBảng 3.8 Tương tự như cầu Bến Thủy 1, kết quả tính toán xói chung thể hiện rằng chiều sâu xói chung lần lượt là 1,41 m và 1,61 m cho các trận lũ lớn năm 1978 và trận lũ ứng với tần suất thiết kế P=1% Vận tốc dòng chảy sửd ụ n g trong tính toán được xác định từ kết quả mô phỏng của mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 Chênh lệch chiều sâu xói chung giữa hai trận lũ nêu trên khoảng 0,20 m.

Bảng 3.8 Kết quả tính toán chung cầu Bến Thủy 2

STT Trận lũ Lưu lượng,

1 Điển hình năm 1978 13640 1,413 Vận tốc dòng chảy mô phỏng từ mô hình MIKE 21

2 Thiết kế, P= 1% 16500 1,613 Vận tốc dòng chảy mô phỏng từ mô hình MIKE 21

3.4.2 Kếtquả tính toán xói cụcbộ

Kết quả tính toán xói cục bộ cho trận lũ lớn điển hình năm 1978 được thể hiện trênHình 3.28, trong khi đóHình 3.29thể hiện kết quả tính toán xói cục bộ tại các trụ cầu Bến Thuỷ 2 theo các công thức khác nhau cho trận lũ ứng với tần suất thiết kế P

=1% Kết quả chi tiết chiều sâu xói cục bộ cho hai trận lũ nêu trên được thống kê như trongBảng 3.9vàBảng 3.10. Ứng với trận lũ lớn điển hình năm 1978 (Bảng 3.9), chiều sâu xói cục bộ thay đổi từ 0,61 đến 12,17 m khi sử dụng công thức tính xói cục bộ của Trường Đại học Xây dựng

(1982) Giá trị của xói cục bộ dao động từ 0,59 đến 10,15 m nếu công thức tính xói đề xuất bởi M.M Zuravlev (1978) được áp dụng Trong khi đó, nếu công thưc tính xói cục bộ của I.A Laratslasev (1953) được sử dụng thì giá trị xói cục bộ tại các trụ cầu Bến Thủy 1 biến đổi từ 0,81 đến 6,73 m Giá trị xói cục bộ tại các trụ cầu dao động từ 1,70 đến 12,36 m khi sử dụng công thức kinh nghiệm đề xuất bởi Richardson(1990).

Kết quả mô phỏng xói cục bộ ứng với trận lũ có tần suất thiết kế P = 1% cũng thể hiện rằng chiều sâu xói cục bộ thay đổi lần lượt trong khoảng (0,5912,12) m, (0,6810,38) m, (0,826,67) m và (1,7912,46) m khi sử dụng công thức tính xói cục bộ của Trường Đại học Xây dựng, của M.M Zuravlev, của I.A Laratslasev và của Richardson (Bảng 3.10) Đồng thời, trong bốn công thức xem xét thì công thức tính xói cục bộ đề xuất bởi Richardson (1990) cho các kết quả tính xói cục bộ lớn nhất cho cả trận lũ điển hình năm 1978 và trận lũ ứng với tần suất thiết kế P=1%.

Hình 3.28 Kết quả tính toán xói cục bộ cầu Bến Thủy 2 cho trận lũ năm 1978

Hình 3.29 Kết quả tính toán xói cục bộ cầu Bến Thủy 2 cho trận lũ thiết kế P =1%

Bảng 3.9 Kết quả tính toán xói cục bộ cầu Bến Thủy 2 cho trận lũ năm 1978

Chiều sâu xói cục bộ - h xcb (m) DHXD

Bảng 3.10 Kết quả tính toán xói cục bộ cầu Bến Thủy 2 cho trận lũ thiết kế P=1%

Chiều sâu xói cục bộ - h xcb (m) DHXD

Kết quả tính toán xói cục bộ cho cả hai trận lũ xem xét đều thể hiện rằng chiều sâu xói cục bộ lớn tại các vị trị có tốc độ dòng chảy lớn hay tại các vị trí chủ lưu (khu vực của các trụ cầu số 16 và 17), trong khi đó giá trị của chiều sâu hố xói cục bộ nhỏ hơn tại các trụ hai bên bãi tràn Khi sử dụng 4 công thức tính toán xói khác nhau, kết quả tính xói cục bộ tại các trụ cầu cho trận lũ lớn điển hình năm 1978 thay đổi từ 0,58 đến 12,36 m, trong khi giá trị xói cục bộ dao động từ 0,59 đến 12,46 cho trận lũ ứng với tần suất thiết kế P =1% Bốn công thức kinh nghiệm và bán kinh nghiệm sử dụng trong luận văn đều thể hiện xu hướng nêutrên.

3.4.3 Kếtquả tính toán xói tổngcộng

Kết quả tính toán xói tổng cộng tại các trụ Cầu Bến Thuỷ 1 cho trận lũ điển hình và trận lũ thiết kế được thể hiện lần lượt trênHình 3.30vàHình 3.31 Sơ họa độ sâu xói tổng cộng cùng chiều sâu cọc tại các trụ cầu Bến Thủy 1 được thể hiện như trênHình 3.32 Khi sử dụng các công thức khác nhau để tính toán xói cục bộ, chiều sâu xói tổng cộng tại các trụ cầu Bến Thủy 2 lớn nhất lần lượt là 13,58, 11,56, 8,14 và 13,77 m khi sử dụng công thức tính xói đề xuất bởi Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, công thức tính xói của M.M Zuravlev, công thức tính xói của I.A Laratslasev và công thức tính xói của Richardson cho trận lũ điển hình năm 1978 Ứng với trận lũ thiết kế P = 1%, giá trị của xói tổng cộng lớn nhất tại các trụ cầu lần lượt là 13,75, 12,01, 8,30 và 14,09 m khi sử dụng các công thức tính xói trên.

Kết quả tính toán xói trụ mố cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2 thể hiện rằng xói cục bộ và xói tổng cộng tại các trụ cầu Bến Thủy 2 có giá trị lớn hơn so với cầu Bến Thủy 1. Biên độ của giá trị xói tổng cộng tại Cầu Bến Thủy 2 khoảng 14,0 m khi sử dụng bốn công thức tính toán xói cục bộ khác nhau, trong khi giá trị này tại cầu Bến Thủy 1 khoảng 9,10 m Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng nêu trên là do diện tích dòng chủ lưu của mặt cắt cầu Bến Thủy 2 bị thu hẹp, mặc dù, chiều rộng mặt cắt ngang sông cầu Bến Thủy 2 lớn hơn rất nhiềuso với chiều rộng của mặt cắt ngang sông cầu Bến Thủy

1 Mặt khác, theo tài liệu thiết kế của các cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2, chiều sâu tại các cọc bê tông trụ mố cầu có độ sâu khoảng 30 m (tính từ đáy lòng sông) Điều đó có nghĩa rằng kết quả tính toán xói cho các trụ mố cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2 cho các kết quả chiều sâu xói nhỏ hơn chiều sâu cọc bê tông tại các trụ cầu Nói cách khác, kết quả tính toán chiều sâu cục bộ và xói tổng cộng cho trận lũ lớn điển hình năm 1978 và trận lũ thiết kế ứng với tần suất P =1% thể hiện các trụ cầu vẫn đảm bảo antoàn.

Hình 3.30 Kết quả tính toán xói tổng cộng cầu Bến Thủy 2 cho trận lũ năm 1978

Hình 3.31 Kết quả tính toán xói tổng cộng cầu Bến Thủy 2 cho trận lũ thiết kế P =1% a) Trận lũ lớn điển hình năm1978 b) Trận lũ ứng với tần suất thiết kế P =1%

Hình 3.32 Sơ họa xói tổng cộng tại các trụ cầu Bến Thủy 2 cho các trận lũ

Kết quả mô phỏng thay đổi hình tháilòngsông

Để tính toán mô phỏng thay đổi hình thái lòng sông khu vực nghiên cứu, trong mô phỏng đã giả thiết bề mặt đáy lòng sông bao gồm các hạt bùn cát với hạt đất là chủ yếu Đồng thời, độ dày của lớp hạt đất có giá trị đủ lớn để các quá trình bồi, xói lòng sông diễn ra liên tục trong toàn bộ thời gian mô phỏng. a) Thời điểm 1 giờ ngày 22/9/1978 (T1) b) Thời điểm 1 giờ ngày 29-9-1978 (T2) c) Thời điểm 1 giờ ngày 3/10/1978 (T3) d) Tại thời 19 giờ ngày 8/10/1978(T4)

Hình 3.33 Kết quả mô phỏng tỷ lệ thay đổi địa hình đáy lòng sông tại các thời điểmkhác nhau của trận lũ ứng với tần suất thiết kế P = 1%

Hình 3.33thể hiện kết quả tính toán mô phỏng tỷ lệ thay đổi địa hình đáy lòng sông tại các thời điểm mô phỏng khác nhau cho trận lũ ứng với tần suất thiết kế P =1% trong khu vực cầu Bến Thủy 1 và cầu Bến Thủy 2 sử dụng module vận chuyển bùn cát của mô hình MIKE 21 Kết quả mô phỏng thể hiện rằng đáy lòng sông khu vực giữa hai cầu Bến Thủy thay đổi mạnh mẽ, với giá trị lên đến 0,30 m/ngày Tại khu vực diễn gần kè bờ giữa hai cầu, tỷ lệ thay đổi đáy lòng sông diễn ra mạnh mẽ hơn cả so với các vùng khác trong miền tính toán Nguyên nhân chính là do khu vực này lòng sông bị thu hẹp, tốc độ dòng chảylớn. a) Thời điểm 1 giờ ngày 22/9/1978 (T1) b) Thời điểm 1 giờ ngày 29-9-1978(T2) c) Thời điểm 1 giờ ngày 3/10/1978 (T3) d) Tại thời 19 giờ ngày 8/10/1978 (T4)

Hình 3.34 Kết quả mô phỏng hình thái long sông tích lũy tại các thời điểm khác nhaucủa trận lũ ứng với tần suất thiết kế P = 1%

Kết quả mô phỏng sự thay đổi hình thái lòng sông tích lũy tại các thời điểm khác nhau(T1, T2, T3, T4 xem trênHình 2.13) được thể hiện như trênHình 3.34 Các khu vực và diện tích xói, bồi trong miền tính toán xuất hiện đan xen nhau Đồng thời, giá trị cũng thay đổi tùy từng vị trí cụ thể trong miền tính toán cũng như tùy từng thời điểm xem xét cụ thể Đáy lòng sông biến đổi mạnh mẽ ở khu vực giữa hai cầu, với giá trị thay đổi từ 0,28 đến 1,75 m Tại khu vực dòng chủ lưu giữa hai cầu Bến Thủy 1 vàBếnThủy2,kếtquảmôphỏnghìnhtháicũngthểhiệnquátrìnhxóidiễnramạnhmẽ, trong khi tại các trụ cầu nằm trong khu vực bãi tràn thì quá trình thay đổi hình thái lòng dẫn diễn ra chậm hơn và giá trị cũng nhỏ hơn Các kết quả mô phỏng thay đổi hình thái lòng sông trên từ mô hình MIKE 21 cũng khá tương đồng với các kết quả tính toán xói cục bộ và xói tổng cộng tại các trụcầu.

Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng và tính toán thay đổi hình thái lòng sông khu vực cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2 được thực hiện với một số giả thiết như đã trình bày ở trên Sự thay đổi hình thái lòng sông là kết quả của các quá trình bồi xói lòng sông tự nhiên do dòng chảy, trong khi đó xói trụ mố cầu là kết quả của sự thay đổi dòng chảy do sự thu hẹp mặt cắt, sự ảnh hưởng của các trụ cầu, sự tác động của dòng chảy lũ. Ngoài ra, do trong khu vực tính toán không có các số liệu đo đạc về thay đổi hình thái lòng sông, nhất là các số liệu thay đổi địa hình lòng dẫn trong và sau các trận lũ lớn.

Do đó, các kết quả mô phỏng thay đổi hình thái lòng sông sẽ tiếp tục được nghiên cứu trong tương lai khi các dữ liệu đo đạc về sự thay đổi lòng dẫn khu vực nghiên cứu được thực hiện thông qua việc sử dụng các thiết bị và dụng cụ đo đạc địa hình hiện đại, như máy đo sâu hồi âm ADCP hoặcADP.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kếtluận

Dựa trên các kết quả tính toán mô phỏng đã trình bày chi tiết trong các chương trước, một số kết luận chính của luân văn “ Nghiên cứu mô phỏng dòng chảy lũ và đánh giáảnh hưởng của dòng chảy lũ đến xói trụ mố cầu Bến Thủy, Nghệ An ” là:

1.1 Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 mô phỏng dòng chảylũ

- Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định thông số mô hình MIKE 11 thể hiện rằng giá trị củaRMSEvàMAEcủa mực nước tại Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thủy thay đổi trong khoảng từ 0,10 m đến 0,33 m (

Tiêu đề	Nghiên Cứu Mô Phỏng Dòng Chảy Lũ Và Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Dòng Chảy Lũ Đến Xói Trụ Mố Cầu Bến Thủy, Nghệ An
Tác giả	Trần Anh Tuấn
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hữu Duy, PGS. TS. Phạm Văn Chiến
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Thủy Văn Học
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	127
Dung lượng	2,12 MB