kết nối mô hình tính toán thuỷ lực một chiều với mô hình phát triển vết vỡ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHÉ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN c ơ HỌC NGUYỄN CHÍNH KIÊN KẾT NỔI MỎ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY L ự c M ỘT CHIỂU VỚI MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN VẾT VỠ LUẬN VĂN THẠC sĩ HÀ N Ộ I- 2005 2 MUC LUC « % Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan 1 Mục lục 2 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 4 Danh lĩiục các bàng 5 Danh mục các hình vẽ, đổ thị 6 MỞ ĐẦU 8 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH PHÁT TRIEN v ế t v ỡ 1.1. Tình hình nghiên cứu 11 1.1.1. Mục đích nghiên cứu mô hình phát triển vết vỡ 11 1.1.2. Hướng nghiên cứu 13 1.2. Những khái niệm định nghĩa cơ bản 13 1.2.1. Các kiểu vỡ và dạng phát triển vết vỡ 14 1.2.2. Khái niệm bùn cát 18 1.2.3. Khái niệm chung về vận chuyên bùn cát 18 1.3. Tổng quan các mô hình phát triển vết vỡ trên thế giới 23 1.1.3. Tinh hình nghiên cứu trên thế giới 12 1.1.4. Tinh hình nghiên cứu trong nước 13 Chương 2 Cơ SỚ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG THỨC c ơ BẢN 2.1. Công thức tính lưu lượng dòng cháy qua vết vỡ 35 2.1.1. Dạng vỡ tràn 35 2.1.2. Dạng vỡ dẫn 40 3 2.2. Công thức tính đơn vị lưu lượng vận chuyển bùn cát 42 2.3. Công thức tính các đại lượng hình học đặc trưng cho vết vỡ 44 2.3.1. Phương trình liên tục 44 2.3.2. Các đại lưựng hình học của mô hình 44 Chương 3 - XÂY DỤNG MÔ HÌNH TÍNH, KlỂM đ ịn h và s o sá n h 3.1. Mô hình tính 46 3.2.Khảo sát độ nhạy các tham số mỏ hình 50 3.3. Kiểm định mô hình 61 3.4. So sánh với các mô hình khác 69 3.4.1. Đặt vấn đề bài toán 69 3.4.2. Kết quá so sánh 72 Chương 4 - KẾT Nối VÓI MÔ HÌNH THỦY Lực MỘT CHIÊU 4.1. Giới thiệu chung về mô hình thúy lực 1 chiều 74 4.1. Kết nồi mô hình 1D và mô hình phát triển vết vỡ 78 4.3. Áp dụng tính cơn lũ năm 1996 tại vùng Thanh Hà-Hải Dương 80 4.4. Áp dụng tính cơn lũ năm 1971 trên toàn đổng bằng Bắc Bộ 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤ C 92 4 D A N H M Ụ C C Á C K Ý H I Ệ U , C H Ữ V l Ế T t ắ t MPM : Meyer Peter and Miller & : và MH : mô hình 5 D A N H M Ụ C C Á C B Ả N G C Ó T R O N G L U Ậ N V Ă N Chương 1 Bảng / ./. Bủng giá trị các tham sô trong công thức vận chuyển bủn cát Rà tì il ì .2. Tổng kết một số mô hình trên thế giới hơn nửa thế kỷ qua Chương 2 Bảng 2.1. Báng xác định các đại lượng hình học theo các dạng vết vỡ Chương 3 Bảng 3.1. Kích thước hình học của đập Yahekou Bảng 3.2. Thông sổ vật liệu đập Yahekou Báng 3.3. Sô liệu thực đo thí nghiệm Yahekou Chương 4 Bủmị 4.1. Sô liệu vê vỡ đê thực đo năm 1971 lại đồng bằng Bắc Bộ 6 D A N H M Ụ C C Á C H Ì N H C Ó T R O N G L U Ậ N V Ă N Chương 1 Hình /./. Các kiểu vỡ chính Hình 1.2. Biểu đó tỉ lệ phầm trăm các loại vỡ đập trên thế giới Hình 1.3. Các clựng phát triển vết vỡ theo mặt cắt dọc đập Hình 1.4. Các dạng pliát triển vết vỡ tlìeo mặt cất nẹang đập Hình 1.5. Các dạng phát triển vết vỡ theo mặt cắt ngang đập dạng tam iỊÌác Chương 2 Hình 2.1. Biểu đồ mặt cắt dọc của mô hình dòng chảy tràn qua vết vỡ llìnli 2.2. Mô lììnli dòng chảy qua đê bao Hình 2.3. Biểu đồ Govinda Rao và Muralidhar Hình 2.4. Biểu đồ mặt cắt dọc của mô hình dồng chảy qua vết vỡ dẫn Chương 3 Hình 3.1. Mặt cắt ngang đập với vết vỡ Hình 3.2. Mặt cắt ngang đập veri các chuỗi dạng vết vỡ phát triển theo thời gian Hình 3.3. Đồ thị chiều sán vết vỡ theo thời gian ứng với các liệ số độ dính vật liệu klìác nhau Hình 3.4. Đồ thị chiều rộng vết vỡ theo thời gian ứng với các hệ số độ dính vật liệu khác nhau 7 Hình 3.5. Đồ thị lưu lượng qua vết vỡ theo thời gian ứng với các hệ số độ dínlì vụt liệu khác nhau Hình 3.6. Đồ thị chiểu sáu vết vỡ theo thời gian ứng với các đường kính triun’ bình liạt khác nhau Hình 3.7. Đồ thị chiều rộng vết vỡ theo thời gian ứng với các đường kính trung bìnli hạt khác nhau Hình 3.8. Đồ thị lưu lượng chảy qua vết vỡ theo thời gian ứng với các đường kính trung bình hạt khác nhau Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa đường kính hạt trung bình vật liệu dê và thời gian vết vỡ đạt các giá trị cực đại hình học Hình 3.10. Đồ thị chiều sâu vết vỡ theo thời gian ứng với các giá trị khôi lượng riêng bùn cát khác nhau Hình 3.J I . Đồ thị chiều rộng vết vỡ theo thời gian ứng với các giá trị khối lượng riêng bùn cát khác nhau Hình 3.12. Đồ thị lư u lư ợ n g qua vết vỡ theo thời gian ứrig với các giá trị khôi lượng riêng vật liệu đê khác nhau llìnli 3.13. Đổ thị biểu diễn quan hệ giữa giá trị khối lượng riêng vật liệu đê và thời gian vết vỡ đạt các giá trị cực đại hình học Hình 3.14. Đồ thị chiêu sâu vết vỡ theo thời giun ibĩg với các giá trị độ sâu vết vỡ xuất phát ban đầu khác nhau Hình 3.15. Đồ thị chiều rộng vết vỡ theo thời gian ứng với các giá trị độ sâu vết vỡ xuất phát ban đầu khác nliau Hình 3.16. Đồ thị lưu lượng qua vết vỡ theo thời gian ứng với các giá trị độ sâu vết vỡ xuất phát ban đấu khác nhau Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ sâu vết vỡ ban đầu và thời gian dể các vết vỡ đạt giá trị cực đại hình học ỉlình 3.18. Cấu tạo đập Yahekou ¡lililí 3.19. Kết quà đo thí nghiệm Yahekou: quá trìnli phát triển vết vỡ 8 Hình 3.20. Biểu đồ lưu lượng dồng chảy qua vết vỡ thực đo và tính toán của thí nghiệm Yehakou Hình 3.21. Khu chậm lũ Vân Cốc Hình 3.22. Biểu đồ so sánh cao trình đáy vết vỡ phát triển theo thời ạian của các mỏ hình Hình 3.23. Biêu đồ so sánh lưu lượng qua vết vỡ tlìeo thời gian của các mỏ hình Chương 4 Hình 4.1. Bản đồ chia ô đồng bằng Bắc Bộ dựa trên DEM tỉ lệ 1:25000 Hìnli 4.2. Mô hình hóa hệ thấnẹ sông đồng bằng Bắc Bộ Hình 4.3. Sơ đồ khối của chương trình kết nối Hình 4.4. Bản đồ chia ỏ và vị trí vết vỡ vùng Thanh Hà Hình 4.5. Đồ thị lưu lượng nước tràn qua vết vỡ theo thời gian Hìnli 4.6. Dồ thị chiều cao đáy vết vỡ biến đổi theo thời gian Hìnli 4.7. Mô phỏng ngập lụt năm 1996 tại Thanh Hà theo diễn tiến thời gian lỉìnlì 4.8. Biểu đổ biểu diễn cao trình đáy vết vỡ ỉ xói mòn theo thời gian Hình 4.9. Biêu đồ biểu diễn lưu ỉượniị qua vết vỡ sô I theo thời gian Hình 4.10. Biểu đồ biểu diễn cao trình đáy vết vỡ 9 xói mòn theo thời gian Hình 4.11. Biểu đồ biếu diễn lưu lượng qua vết vỡ 9 theo thời gian Hình 4.12. Bán đồ tính toán diện tích ngập lụt dồng bằng Bắc Bộ năm 197! 9 M Ở Đ Ầ U Đổng bằng Bắc Bộ chiếm vị trí quan trọng của nước ta, hàng năm luôn phải chịu những cơn lũ gây tổn thất lớn về cả con ngưòi và vật chất. Do đó dẫn đến một yéu cầu cấp bách là phải dự báo, đưa ra những biện pháp phòng hộ để tránh tổn thất. Từ năm 2000, nhóm đc tài công trình “Công nghệ mô phỏng số phục vụ cho việc đề xuất, đánh giá và điều hành các phương án phòng chống lũ lụt trên đồng bằng sông Hồng - Thái Bình” do GS. TSKH. Nguyễn Văn Điệp và GS. TSKH Ngô Huy cẩn chỉ đạo đã xây dựng bộ chương trình tính toán thủy lực một chiều mở rộng và đã được Hội đồng nghiệm thu cấp Nhà nước đánh giá xuất sắc vào cuối nãm 2002 là một bước tiến trong lĩnh vực đề xuất các hiện pháp công trinh và không công trình nhằm hạn chế những thiệt hại do lũ lụt gây ra. Trong quá irình tính toán dự báo lũ trên hệ thống các sông đồng bằng Bắc Bộ, với những cơn lũ lớn như cơn lũ năm 1996 và cơn lũ năm 1999, chương trình TLVCỈỉ đã mô phỏng tốt quá trình diễn biến cơn lũ nhưng đối với cơn lũ tần suất 1/125 năm như cơn lũ năm 1971 có xảy ra hiện tượng vỡ đê tại nhiều nơi và nhiều thời điểm khác nhau thi chương trình TLVCH chưa mô phỏng được quá trình này. Vì vậy trong quá trình hoàn thiện chương trình, tác giả được GS. TSKH. Nguyền Văn Điộp, TS. Hà Ngọc Hiến hướng dẫn nghiên cứu về vấn đề phát triển vết vỡ để tính toán về hình dạng, kích thước vết vỡ, lưu lượng trao đổi qua vết vỡ để từ đó có thể mô phỏng gẩn hơn nữa so với thực tế các trận lũ có xáy ra hiện tượng vỡ đê. Trên thế giới, các sự cố vỡ đập, vỡ đc cũng gây ra những tác hại vô cùng to lớn như vỡ đập Malpasset của Pháp, hay vỡ đập Teton của Mỹ. Các nhà khoa học 10 trong 50 năm qua cũng đã bỏ nhiều công sức nghiên cứu về vấn dề này. Các hội thảo, hội nghị, dự án quốc tế bàn về vấn đề vỡ đê, vỡ đập đã được tổ chức như hội nghị ‘Internationa! Dam Breach Processes Workshop, 10-11 March 1998, Stillwater, Oklahoma hay dự án CADAM (Concerted Action on Dam Break Waves) Luận văn bao gồm 4 chương chính, trong đó ở chương 1, tác giả trình bày vổ mục đích, các hướng nghiên cứu của mô hình phát triển vết vỡ, đưa ra một số các khái niệm cơ bản và giới thiệu tổng quan về quá trình nghiên cứu về việc phút triển vct vỡ trên thế giới cũng như trong nước, dưa một số mô hình đã có trên thế giới. Tiếp theo, trong chương 2, tác giả đưa ra các công thức C Ư bản, cơ s ớ lý thuyết mà tác giả áp dụng để xây dựng mô hình tính cúa mình. Chương 3 là chương giới thiệu mô hình tính toán đã xây dựng theo các công thức ớ chương 2 và một số bài toán phân tích kiểm chứng, so sánh mà tác giả đã thực hiện được. Chương cuối cùng là chương 4 với nội dung: kết nối mô hình phát triển vết vỡ với mô hình tính toán thủy lực một chiểu nhằm thử nghiệm mô phỏng lại cơn lũ có xảy ra vỡ đê trong lịch sử ứ đồng bằng Bắc Bộ năm 1971 và 1996. [...]... sụp xuống và vết vỡ có dạng như vỡ tràn ỉ ỉai kiểu vỡ được minh họa trong hình 1.1 v«v t ri* II ^K Ê Ê Ê Ê Ê IB SÎM W Ê Ê Ê Ê Ê M } - ' (l>) D > 1 t (c) l Hình / / Các kiểu vỡ chính (a) mô tả vết vỡ ớ trạng thái bắt đầu phát triển, (b) mô tả vết vỡ dang phát triển, (c) mô tả vết vỡ khi đã phát triển hoàn toàn Bcn cạnh đó còn một số nguyên nhân khác đã được Sametz (1981 ) [8,tr.3] tổng kết theo tỉ... h ạ d u đ ậ p Hình Ị 3 Các dạng phát triển vết vỡ theo mặt cắt dọc đập 17 Đĩnh đập a / h co nst ÂA* _ / C h in đ ậ p Đ Ĩn li đ âp Đ ỉn h đập c Hình 1.4 Các dạng phát triển vết vỡ theo mặt cắt ngang đập Ngoài ra, F Macchione và A Rino [17, tr.2] đưa ra dạng phát triển vết vỡ theo mặt cắt ngang của đập phát triển từ dạng dạng hình tam giác đến hết đáy thì chuycn sang dạng hình thang như hình 1.5 I ĐA!... 1.3 Tình hình nghiên cứu Bài toán về mô hình phát triển vết vỡ đã được nghiên cứu theo nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp thực nghiệm , phương pháp phân tích, phương pháp tham số, mô hình số Mỗi phương pháp có m ột ưu, nhược điểm riêng nhưng ngày nay với sự phát triển cùa máy tính thì các mô hình số dang được các nhà khoa học áp đụng dê nghiên cứu Việc lựa chọn mô hình số thích 25 hợp mô phỏng... cứu mô hình phát triển vết vỡ Mục đích của việc nghiên cứu các mô hình phát triển vết vỡ nhằm đánh giá tác động sự cố vỡ đập, từ đó dự báo được tình trạng ngập lụt có thể xẩy ra do vỡ đập một phần hoặc toàn phần (hiểm hoạ) Các thông tin này được dùng để: • Xây dựng kế hoạch cứu hộ khẩn cấp để hành động khi xẩy ra sự cố vỡ đập, do vậy mục đích việc phân tích vỡ đập cần: Đưa ra các bản đổ ngập lụt với. .. do vỡ đập, về cơ bản, là nhằm đạt được sự thoa hiệp chấp nhận được giữa ycu cầu về độ chính xác mô phỏng và giá thành tính toán (cả về phần m ềm và thời gian tính) Hiện tại các nhà khoa học vẫn chủ yếu xây dựng và phát trien m ô hình 1 chiều và 2 chiều, còn hiện tại m ổ hình 3 chiều không phải là sự lựa chọn thực tế để m ô phỏng bài toán vỡ đập Đ iều này có thể thay đổi trong tương lai với sự phát triển. .. trone hình 1.2 ü 15 Nguyên nhân khác 17% 43% Hình 1.2 Biểu đồ tì lệ phầm trăm các loại vỡ đập trên th ế g iớ i Để mô phỏng một quá trình trong tự nhiên, các nhà khoa học cũng phải đưa ra các giả thiết nhất định cho các mô hình thuật toán cúa mình Broich ỊX.tr.l 1] giả thiết về các dạng phát triển của vết vỡ theo mặt cắt ngang như hình 1.3 theo 3 dạng: Xói mòn theo hướng song song với mặt đập (đáy của vết. .. năng tính toán, tuy nhicn hiện nay mới chỉ có một số xem xét cơ sở lí thuyết của vấn đề này Ngay cả việc lựa chọn mô hình 1 chiều hay 2 chiều cũng còn tùy thuộc vào bản chất của dòng chảy Thí dụ, nếu dòng cháy chủ yếu là 1 chiều (như dọc theo thung lũng hẹp) thì mô hình 1 chiều là thích hựp Nếu vùng cần mô phỏng dòng chảy vỡ đập là thung lũng mở rộng và vùng đồng hằng bàng phẳng thì m ô hình 2 chiều. .. Liên tục / dạng hình Tính toán Gần đúng Ponce DEICH_A phân tích chữ nhật Ghi chú Tác giả, năm, Phưoìig Cóng thức vận chuyển bùn Chưưng trình pháp giải cát 1 ' , " Sự phát triến / hình dạng vết vỡ (ỉhi chú Hình chữ nhật, tròn (cho vỡ dẫn), hình 1 chiều trường sô liệu Công thức vận chuyển lcV p (1998) sự thống nhất với chữ nhật nếu người Mô hình sô Cơ sở logic dựa trên thang (thay cho hình Paquier et... & tính không Hàm đặc biệt Q uiroga (1988) tam giác hoặc hình thang thứ nguyên M acchione và dạng vét vỡ Mô hình sổ Liên tục / dạng hình Không thông tin Sirangelo (1988) 1 chiều Mô hình thang Biểu diễn dạng bàng, đường cong Froehlich (1989) Thưc nghiệm hiệu chỉnh lưu lượng tốt nhất 1 Tác giả, năm, Phương pháp giãi Chưưng trình Công thức vận chuyến bùn cát Sự phát triển / hình dạng vết vỡ. .. m ô hình phát triển vết vỡ ngày càng được phát triển đa dạng về phương pháp giải, các giả thiết được m ở rộng hay các công thức ngày càng được nâng cao độ phức tạp để áp dụng cho nhiều trường hợp thực tế hơn Tác giá, năm, Phương Công thức vân chuvển bùn Chưưng trình pháp giái cát Sự phát triển / hình dạng vết vỡ Ghi chú Liên tục/Chicu rộng Phân tích, Cách tiếp cận riêng C ristofano (1965) vết vỡ là . 69 3.4.2. Kết quá so sánh 72 Chương 4 - KẾT Nối VÓI MÔ HÌNH THỦY Lực MỘT CHIÊU 4.1. Giới thiệu chung về mô hình thúy lực 1 chiều 74 4.1. Kết nồi mô hình 1D và mô hình phát triển vết vỡ 78 4.3 Chương cuối cùng là chương 4 với nội dung: kết nối mô hình phát triển vết vỡ với mô hình tính toán thủy lực một chiểu nhằm thử nghiệm mô phỏng lại cơn lũ có xảy ra vỡ đê trong lịch sử ứ đồng. ü (c) Hình /./. Các kiểu vỡ chính (a) mô tả vết vỡ ớ trạng thái bắt đầu phát triển, (b) mô tả vết vỡ dang phát triển, (c) mô tả vết vỡ khi đã phát triển hoàn toàn. Bcn cạnh đó còn một số nguyên nhân