TÍNH TÓAN SÓNG VÀ DÒNG CHẢY TRONG GIAO THÔNG THỦY

Giao thông thủy là một phương tiện quan trọng vào lọai bậc nhất ở ĐBSCL. Trong những năm gần đây, giao thông thủy đã và đang phát triển mạnh về cường độ và độ lớn trên tòan bộ hệ thống kênh, rạch của ĐBSCL. Xói lở bờ do giao thông thủy đã và đang xảy ra trên hầu hết các tuyến kênh, gây ra những thiệt hại to lớn. Các biện pháp công trình chống xói lở bờ trong các đề tài và dự án trước đây thường tập trung vào nguyên nhân gây ra là dòng chảy tự nhiên (dòng lũ, triều …). Bài báo giới thiệu cơ chế sinh ra dòng chảy và sóng trong giao thông thủy và phương pháp xác định các yếu tố dòng chảy và sóng do tàu thuyền gây ra, làm cơ sở để xác định các giải pháp bảo vệ bờ kênh rạch áp dụng cho ĐBSCL

TÍNH TÓAN SÓNG VÀ DÒNG CHẢY TRONG GIAO THÔNG THỦY FLOW AND WAVE CALCULATION IN NAVIGATION TS. Đinh Công Sản ABSTRACT Navigation is one of the most important mean of transportation in the Lower Mekong Delta. In recent yeas, navigation has been developed both in intensity and weight in all canal and channel system of the Delta. Bank erosion due to navigation has occurred almost every route which caused significant harm. The bank erosion measures in previous projects normally focused only on the causes due to natural flows (flood, tide …). This paper introduces the phenomenon, the mechanism causing return flow and waves in navigation, method to define them contributing to bank protection measures which can be applied for Lower Mekong Delta. TÓM TẮT Giao thông thủy là một phương tiện quan trọng vào lọai bậc nhất ở ĐBSCL. Trong những năm gần đây, giao thông thủy đã và đang phát triển mạnh về cường độ và độ lớn trên tòan bộ hệ thống kênh, rạch của ĐBSCL. Xói lở bờ do giao thông thủy đã và đang xảy ra trên hầu hết các tuyến kênh, gây ra những thiệt hại to lớn. Các biện pháp công trình chống xói lở bờ trong các đề tài và dự án trước đây thường tập trung vào nguyên nhân gây ra là dòng chảy tự nhiên (dòng lũ, triều …). Bài báo giới thiệu cơ chế sinh ra dòng chảy và sóng trong giao thông thủy và phương pháp xác định các yếu tố dòng chảy và sóng do tàu thuyền gây ra, làm cơ sở để xác định các giải pháp bảo vệ bờ kênh rạch áp dụng cho ĐBSCL 1. Đặt vấn đề Giao thông thủy là một phương tiện quan trọng vào lọai bậc nhất ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Cùng với sự phát triển mạnh của của kinh tế, giao thông thủy đã phát triển mạnh về cường độ và độ lớn trên tòan bộ hệ thống kênh, rạch giao thông chính ở ĐBSCL. Song song với hệ thống kênh rạch giao thông thủy thường là tuyến giao thông bộ liên tỉnh, liên huyện. Sạt lở bờ kênh rạch do sóng tàu thuyền gây ra hầu hết ở các tuyến giao thông thủy (điển hình như kênh xáng Bạc Liêu - Cà Mau (dọc theo quốc lộ 1), kênh Chợ Gạo (tỉnh Tiền Giang) v.v… đã gây ra thiệt hại vô cùng to lớn. Hành lang ngăn cách giữa tuyến đường thủy và bộ ngày càng bị thu hẹp do sạt lở. Chính vì sạt lở bờ, một khối lượng bùn cát khổng lồ từ bờ di chuyển ra lòng kênh rạch, gây bồi lắng và ách tắc giao thông thủy. Để hạn chế thiệt hại, hàng năm, nhà nước và chính quyền địa phương đã mất hàng trăm tỷ đồng để nạo vét bồi lắng nhằm khôi phục các tuyến giao thông huyết mạch. Để đối phó với những thiệt hại do sạt lở gây ra bởi sóng tàu thuyền làm thu hẹp khỏang cách an tòan đường giao thông bộ, làm mất đất canh tác, nhà cửa, ruộng vườn…, chính quyền địa phương và nhân dân các tỉnh ĐBSCL đã phải đầu tư kinh phí thực hiện một số biện pháp công trình bảo vệ bờ theo kinh nghiệm, nhưng nhiều công trình chưa bảo đảm kỹ thuật, công trình bị sụp đổ, ảnh hưởng không nhỏ đến phát triển kinh tế và đời sống nhân dân địa phương. Các giải pháp chống sạt lở bờ của các đề tài nghiên cứu trước đây mới giải quyết các sông rạch chịu ảnh hưởng của dòng chảy là chính, chưa tập trung vào giải pháp giảm phá sóng do giao thông thủy gây ra. Biện pháp công trình bảo vệ bờ các kênh rạch giao thông thủy vì vậy cần phải được nghiên cứu trên cơ sở hiểu rõ yếu tố tác động chính là sóng và dòng chảy do tàu thuyền giao thông thủy gây nên, đó cũng là mục đích của nghiên cứu này. 2. Tính tóan sóng và dòng chảy trong giao thông thủy 2.1 Hiện tượng và cơ chế tạo sóng và dòng chảy trong giao thông thủy Trên quan điểm về thủy lực, tàu thuyền chuyển động trong sông, kênh, rạch cũng giống như dòng chảy bao quanh một vật thể cố định trong lòng dẫn. Hình 1 mô tả các hiện tượng tạo ra sóng và dòng chảy khi tàu thuyền giao thông. Mực nước hạ thấp dọc theo thân tàu sinh ra dòng chảy ngược. Sóng tạo ra là sóng chính có chiều dài sóng bằng khỏang chiều dài thân tàu. Nếu người quan sát đứng trên bờ kênh sẽ thấy sóng chính xuất phát từ sóng ở đầu. Tiếp theo là mực nước hạ thấp ở thân tàu và kết thúc là sóng ở đuôi. Nếu quan sát trên ảnh hàng không sẽ thấy có rất nhiều sóng thấp hơn xuất phát từ thân tàu, gọi là sóng bên. Tất cả các lọai sóng nói trên đều giống như sóng bình thường. Các quy luật về chiều cao, chiều dài, vận tốc và chu kỳ sóng vẫn như sóng bình thường. Thông thường sóng bên khá nhỏ ngọai trừ trường hợp do tàu cao tốc gây ra. Trong trường hợp lòng dẫn giao thông hẹp, thì sóng chính (sóng đầu) đóng vai trò quan trọng, còn khi lòng dẫn giao thông rộng thì sóng bên đóng vai trò quan trọng. Dòng chảy gây ra bởi lực đẩy của cánh quạt (chân vịt) có đặc điểm giống như dòng tia. Dòng tia này rất quan trọng khi tàu kéo gần cảng hoặc chỗ đậu. Khi giao thông, dòng tia này một phần bị “trung hòa” bởi tốc độ của tàu. Hình 1. Hiện tượng gây ra sóng và dòng chảy xung quanh thuyền giao thông thủy (Theo RWS/DHL 1988) Hầu hết sự phá hủy bờ kênh rạch không phải do tàu lớn gây ra, bởi vì tàu lớn thường chạy với vận tốc nhỏ và cách xa bờ kênh. Những tàu thuyền nhỏ chạy với tốc độ lớn và gần bờ lại có sức phá hủy bờ kênh đáng kể. 2.2 Vận tốc giới hạn của tàu thuyền Vận tốc chạy tàu không thể lớn hơn tốc độ sóng chính do nó tạo ra và không phụ thuộc vào công suất của tàu (ngọai trừ nó bay trên mặt nước như tàu cao tốc). Giả thiết là chiều dài sóng do tàu gây ra bằng với chiều dài của tàu, có thể tính giá trị vận tốc cực đại của tàu xấp xỉ bằng vận tốc truyền sóng trong phương trình sóng tuyến tính như sau (công thức (3)): L hgT c π π 2 tanh 2 = (1) Mực nước hạ thấp Mực nước tĩnh Mực nước tĩnh Sóng đầu Sóng đuôi Dòng chảy ngược Dòng chảy ngược Mực nước hạ thấp Sóng bên Sóng đầu Sóng đuôi Lan truyền sóng bên đuôi Thời gian Tàu hạ thấp Dòng tia đẩy Mực nước tĩnh Dòng chảy ngược cTL = (2) L hgL cV l π π 2 tanh 2 == (3) Trong đó: c là tốc độ truyền sóng; g là gia tốc trọng trường; T là chu kỳ sóng; h là chiều sâu nước; L là chiều dài của tàu ; V l là vận tốc lớn nhất của tàu. Trong kênh rạch có chiều sâu lớn, vận tốc lớn nhất của tàu chỉ tỷ lệ với căn bậc hai của chiều dài của tàu. Còn trong kênh rạch có độ sâu nhỏ, vận tốc chỉ tỷ lệ với chiều sâu nước và hầu như không phụ thuộc vào chiều dài của tàu. Nếu diện tích mặt cắt ngang trong nước của tàu (A s = BD) không thể bỏ qua so với mặt cắt ướt của kênh dẫn, thì phương trình (3) không còn đúng nữa. Trong trường hợp lòng dẫn tương đối hẹp và tương đối nông, dòng chảy xung quanh tàu được sơ đồ hóa (một chiều ) trên Hình 2 (Schijf, 1949). Trường hợp này có thể bỏ qua tổn thất năng lượng và tính tóan theo phương trình Bernoulli và phương trình liên tục. Phương trình Bernoulli: g uv zh g v h rss 2 )( 2 2 2 + +−=+ (4) Phương trình liên tục: ))(( rss uvbzBDbhbhvQ +−−== (5) Trong đó: + v s là vận tốc của tàu; + u r là vận tốc dòng chảy ngược ; + BD = A s là diện tích mặt cắt ướt của tàu chiếm chỗ ; + A c là diện tích mặt cắt ướt của kênh. Hình 2. Sơ đồ giao thông thủy lý tưởng - 1 chiều (theo Schijf, 1949) Mực nước ban đầu Vận tốc lớn nhất đạt được khi dòng chảy ngược trở thành dòng chảy giới hạn giữa dòng chảy êm và dòng chảy xiết (critical), khi đó, độ hạ thấp mực nước z bằng 0, nghĩa là: 0 ))(( = +−− = dz uvbzBDbhd dz dQ rs (6) Kết hợp với phương trình Bernoulli, tìm được: 1 )( 2 3 2 3/1 3/22 =−= gh V gh V A A ll c s (7) Hình 3. Biểu đồ xác định vận tốc lớn nhất của tàu Hình 3 trình bày kết qủa lời giải của phương trình (7). Trên Hình 3 có thể thấy khi A s rất nhỏ so với A c (A s /A c ≈ 0) thì vận tốc lớn nhất V l bằng với vận tốc sóng lý tưởng 1 chiều. Khi lòng dẫn bị chiếm hòan tòan, tất nhiên khi đó vận tốc lớn nhất bằng 0. Trong việc thiết kế kênh dẫn, người ta đề nghị giá trị vận tốc tàu bằng 90% vận tốc lớn nhất của tàu. 2.3 Sóng chính Độ hạ thấp mực nước (z ) và dòng chảy ngược (u r ) có thể tính tóan được từ phương trình (4 ) và (5), đó là: 1)//1( /2 2 2 −−− = − hzAA hz gh v cs s (8) gh v hzAA gh u s cs r       − −− = 1 //1 1 (9) Trong công thức (8) và (9), giá trị z hay u r tính được là cho trường hợp lý tưởng với giả thiết mặt cắt kênh là hình chữ nhật và vị trí của tàu là tại trung tâm của kênh. Trong thực tế, trường hợp mặt cắt kênh là hình thang với chiều rộng mặt nước là b, chiều sâu nước (A c /b) (Hình 4), tàu di chuyển tại vị trí cách trục của kênh là y, độ hạ thấp mực nước và dòng chảy ngược được sửa lại là: z b y z ecc       += 2 1 (10) reccr u b y u       += − 1 (11) Trong đó: z ecc là độ hạ thấp mực nước trong trường hợp lệch trục; u r-ecc là vận tốc dòng chảy ngược trường hợp lệch trục. Hình 4. Sơ đồ giao thông thủy trong thực tế - 1 chiều (theo Schierec,G.J., 2001) Trong trường hợp có nhiều tàu cùng chạy, chẳng hạn 2 tàu chạy ngược nhau hoặc vượt nhau thì chỉ trường hợp vượt nhau là tạo ra tải trọng lớn hơn trường hợp một tàu chạy. Phương pháp tính gần đúng có thể cộng 2 tàu thành 1 tàu với mặt cắt lớn hơn. Đối với sóng đuôi tàu, là sóng quan trọng nhất tạo tải trọng trên bờ kênh, có thể sử dụng công thức gần đúng sau: ecc zz 5.1 max = (12) với z max là chiều cao của sóng đuôi tàu. 2.4 Sóng bên Sóng chính nhiều hay ít có đặc điểm của sóng đơn. Còn sóng bên được tạo ra bởi hàng lọat các con sóng có chu kỳ. Sóng bên tạo ra bởi dạng phân bố áp lực không liên tục ở thành tàu. Sự phân bố áp lực không liên tục có thể thấy tại mũi và đuôi tàu là nơi sinh ra sóng bên. Thông thường, mũi tàu sinh ra sóng bên là chính. Sóng sinh ra ở mũi tàu có thể coi như có sự chuyển động liên tục của các nhiễu lọan. Mỗi nhiễu lọan sinh ra một sóng tròn. Mỗi nhiễu lọan giống như khi chúng được tạo ra khi ném một hòn đá vào trong hồ nước. Những vòng tròn sóng tạo ra một đường bao sóng được gọi là sóng phân kỳ. Phía sau của tàu, phần còn lại của các vòng tròn sóng tạo ra sóng ngang. Sóng ngang di chuyển cùng hướng và cùng tốc độ với tàu, còn sóng phân kỳ di chuyển chậm hơn. Sự khác nhau về vận tốc được tính từ góc giữa sóng và hướng di chuyển của tàu ( Φ= cos s vc ). Hình 5 trình bày sóng bên phía sau tàu với sóng phân kỳ và sóng ngang. Tim lòng dẫn Hình 5. Dạng sóng bên khi thuyền giao thông (Theo Schiereck G.J, 2001) Hình 6 trình bày kết qủa thí nghiệm chiều cao sóng từ nhiều nơi khác nhau, từ mô hình tỷ lệ nhỏ đến số liệu thực đo. Số liệu cho kết qủa tính tóan chiều cao sóng bên theo công thức (13). 4 3/1 r F h s h H −       = ζ (13) Với ζ =1.2 ứng với giới hạn trên của các số liệu thí nghiệm. Trong trường hợp F r < 0.75 sóng bên là sóng nước sâu. Khi đó (với 0 35;cos =ΦΦ= s vc ) dẫn tới: π 2 gT c = . Các số liệu thí nghiệm và số liệu thực đo khá phù hợp với công thức này. Hình 6. Chiều cao sóng bên đo đạc (từ nhiều nguồn khác nhau) 3. Nhận xét Sóng phân kỳ Sóng ngang Hướng tàu chạy Đường đỉnh sóng Đường truyền sóng Đường bờ Số liệu thí nghiệm Hầu hết các công thức tính tóan dòng chảy và sóng do tàu thuyền gây ra được phát triển từ lý thuyết đơn giản và phần lớn vẫn dựa vào các số liệu thí nghiệm ở trong phòng hay số liệu thực tế ở Hà Lan. Chính vì vậy, khi có điều kiện thí nghiệm hoặc đo đạc từ thực tế ở Việt Nam, các công thức tính cần được bổ sung, điều chỉnh cho phù hợp, nhất là trong điều kiện lòng dẫn kênh rạch có ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều như ở ĐBSCL. Tài liệu tham khảo chính 1. Gerrit J. Schiereck (2001), In troduction to bed, bank and shore protection, Delf University Press; 2. Przedwojski B., Blazejewski R., and Pilarczyk K.W. (1995), River training techniques, fundamentals, design and applications, A.A Balkema / Rotterdam / Brookfield; 3. Lê Mạnh Hùng và nnk (2004), Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước KC08-15 “Nghiên cứu dự báo xói lở, bồi lắng lòng dẫn và đề xuất các biện pháp phòng chống cho hệ thống sông ở Đồng bằng sông Cửu Long’’,Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam. . Mekong Delta. In recent yeas, navigation has been developed both in intensity and weight in all canal and channel system of the Delta. Bank erosion due to navigation has occurred almost every. TÍNH TÓAN SÓNG VÀ DÒNG CHẢY TRONG GIAO THÔNG THỦY FLOW AND WAVE CALCULATION IN NAVIGATION TS. Đinh Công Sản ABSTRACT Navigation is one of the most important mean of transportation in the. bank and shore protection, Delf University Press; 2. Przedwojski B., Blazejewski R., and Pilarczyk K.W. (1995), River training techniques, fundamentals, design and applications, A. A Balkema