Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu

Trần Đình Nghiênđã và đang quan tâm nghiên cứu về xói cục bộ trụ cầu, mố cầu, cơ chế xói cụcbộ,..đã đề xuất các công thức tính chiều sâu xói cục bộ trụ cầu lớn nhất và đãđược các kỹ sư t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Viết Thanh

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải

Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm vàPGS.TS Trần Đình Nghiên Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắctới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiệnthuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảmtưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ củacác thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án

đã được hoàn thành Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn cácnhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đãđược nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quýbáu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trường, PhòngĐào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Thủy lực-Thủy Văn, Hộiđồng Tiến sỹ Nhà trường vì đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện vàhoàn thành chương trình nghiên cứu của mình Nghiên cứu sinh cũng xin gửilời cảm ơn đến TS Đặng Hữu Chung-Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thínghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển thuộc Viện Khoa họcThủy lợi Việt Nam vì những sự giúp đỡ quý báu về thuật toán mô phỏng, xâydựng các mô hình thí nghiệm vật lý cũng như sự giúp đỡ, hướng dẫn về mặt

kỹ thuật

Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn UBND tỉnh Quảng Bình

đã đưa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn Lãnhđạo Ban Quản lý Khu kinh tế Quảng Bình đã tạo điều kiện cho nghiên cứusinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu

Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục độngviên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thờigian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thựchiện luận án

Hà Nội, tháng 10 năm 2014

Nguyễn Viết ThanhMỤC LỤC

MỞ ĐẦU xi

0.1 Lý do để chọn đề tài xi

0.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án xii

0.2.1 Ý nghĩa khoa học xii

0.2.2 Ý nghĩa thực tiễn xiv

0.2 Mục đích nghiên cứu xvi

0.3 Cấu trúc của luận án xvi

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ XÓI, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU 1

1.1 Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu 1

1.1.1 Khái niệm, phân loại xói 1

1.1.2 Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu 2

1.1.2.1 Khái niệm xói cục bộ trụ cầu 2

1.1.2.2 Cơ chế xói cục bộ trụ cầu 3

1.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới 5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước 5

1.3 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu 6

1.3.1 Phương pháp giải tích 6

1.3.2 Phương pháp mô hình vật lý 7

1.3.3 Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường 14

1.3.4 Phương pháp mô phỏng số 16

1.3.4.1 Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trên thế giới 16

1.3.4.2 Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trong nước 21

1.3.4.3 Một số phần mềm mô phỏng thủy động lực học thông dụng trên thế giới hiện nay 22

1.4 Đánh giá chung 30

1.4.1 Những thành tựu đạt được 30

1.4.1.1 Trên thế giới 30

1.4.1.2 Trong nước 31

1.4.2 Những vấn đề còn tồn tại 31

1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 32

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 33

1.7 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 34

1.8 Kết luận chương I 34

CHƯƠNG II - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ PHỎNG SỐ VÀ CÁCH THIẾT LẬP MÔ HÌNH BÀI TOÁN TÍNH XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU 35

2.1 Cơ sở lý thuyết và thuật toán của mô phỏng số 35

2.1.1 Hệ phương trình toán học cơ bản 35

2.1.2 Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên 37

2.2 Phương pháp giải số đối với FSUM 40

2.3 Hệ thống tổng quát các file số liệu của FSUM 44

2.4 Xây dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu trong FSUM 47

2.4.1 Các giả thiết 47

2.4.2 Các bước thiết lập mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu đối với FSUM 47

2.5 Các hiệu chỉnh mô hình số bài toán mô phỏng xói cục bộ trụ cầu 48

2.5.1 Thiết lập độ nhám theo khu vực 48

2.5.1.1 Cơ sở lý thuyết 48

2.5.1.2 Thiết lập mô đun hiệu chỉnh 51

2.5.2 Hiệu chỉnh tốc độ chìm lắng phần tử hạt 52

2.5.2.1 Cơ sở lý thuyết 52

2.5.2.2 Thiết lập mô đun hiệu chỉnh 53

2.5.3 Thiết lập mô đun mô tả trường dòng chảy, vận tốc trước và sau trụ cầu dọc theo chiều dòng chảy 54

2.5.3.1 Cơ sở lý thuyết 54

2.5.3.2 Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc 54

2.6 Kết luận Chương II 57

CHƯƠNG III - THÍ NGHIỆM VỀ XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU 58

3.1 Giới thiệu về các thí nghiệm 58

3.1.1 Mục tiêu và nguyên tắc xây dựng mô hình thí nghiệm 58

3.1.2 Mô tả thí nghiệm 59

3.2 Trình tự thí nghiệm 61

3.2.1 Công tác chuẩn bị 61

3.2.2 Trình tự các thí nghiệm 62

3.2.2.1 Thí nghiệm thứ nhất 62

3.2.2.2 Thí nghiệm thứ hai 63

3.2.2.3 Thí nghiệm thứ ba 64

3.3 Các quá trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm 65

3.3.1 Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ nhất 65

3.3.2 Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ hai 68

3.3.3 Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ ba 71

3.4 Đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm 75

3.5 Kết luận chương III 77

CHƯƠNG IV - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79

4.1 Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đơn 79

4.1.1 Thiết lập hình học 79

4.1.2 Thiết lập lưới mô phỏng 80

4.1.3 Xây dựng các điều kiện biên 81

4.1.4 Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm 82

4.1.4.1 Cơ chế dòng chảy, trường véc tơ vận tốc và xói xung quanh trụ 82

4.1.4.2 Quá trình hình thành và phát triển xói cục bộ theo thời gian 84

4.2 Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt dọc theo hướng dòng chảy 86

4.2.1 Thiết lập hình học 86

4.2.2 Thiết lập lưới mô phỏng 87

4.2.3 Thiết lập các điều kiện biên 88

4.2.4 Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm 89

4.2.4.1 Trường dòng chảy xung quanh trụ cầu 89

4.2.4.2 Trường dòng chảy trước và sau trụ cầu theo phương dọc 90

4.2.4.3 Xói cục bộ xung quanh các trụ cầu 92

4.3 Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt vuông góc với hướng dòng chảy.94

4.3.1 Xây dựng mô hình hình học 94

4.3.2 Thiết lập hình học và lưới mô phỏng 95

4.3.3 Thiết lập các điều kiện biên 96

4.3.4 Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm 96

4.3.4.1 Trường dòng chảy và vận tốc xung quanh các trụ cầu 96

4.3.4.2 Xói cục bộ xung quanh các trụ cầu 97

4.4 Kết luận chương IV 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100

I KẾT LUẬN 100

1 Những đóng góp chung của luận án 100

2 Những đóng góp mới của luận án 103

3 Những tồn tại, hạn chế 103

II KIẾN NGHỊ 104

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC 120

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 0.1: Thống kê số lượng cầu hỏng ở Mỹ do xói cục bộ từ năm 1985-1995 Bảng 2.1: Giá trị hệ số nhám n b

Bảng 2.2: Giá trị hệ số nhám n 3

Bảng 2.3: Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu

Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm thành phần hạt

Bảng 3.2: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ nhất

Bảng 3.3: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ hai

Bảng 3.4: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ ba

Bảng 3.5: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ nhất

Bảng 3.6: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ hai

Bảng 3.7: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ ba

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 0.1: Một số hình ảnh về hậu quả do xói cục bộ trụ cầu gây ra Hình 1.1: Phân loại xói

Hình 1.2: Minh họa xói tại trụ và mố cầu

Hình 1.3: Minh họa cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát quá trình tính toán của FSUM Hình 2.2: Thiết lập khu vực nhám cục bộ xung quanh trụ

Hình 2.3: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun1 Hình 2.4: Miền hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt

Hình 2.5: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun2 Hình 2.6: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun3 Hình 2.7: Sơ đồ khối bài toán mô phỏng tính xói cục bộ trụ cầu Hình 3.1a: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (1)

Hình 3.1b: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (2)

Hình 3.1c: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (3)

Hình 3.2: Tóm tắt sơ đồ thí nghiệm

Hình 3.3: Phân phối thành phần hạt

Hình 3.4: Bố trí trụ đơn đặt giữa tâm máng

Hình 3.5: Bố trí trụ đôi đặt dọc theo hướng dòng chảy

Hình 3.6: Bố trí trụ đôi đặt vuông góc với hướng dòng chảy

Hình 3.7: Bố trí vị trí các điểm đo chiều sâu xói

Hình 3.8: Hình ảnh hố xói xung quanh trụ sau khi kết thúc thí nghiệm

Hình 3.9: Đường đồng mức chiều sâu xói xung quanh trụ sau thời gian thí nghiệm T=3 giờ

Hình 3.10: Sự phát triển của chiều sâu xói cục bộ lớn nhất theo thời gian Hình 3.11: Bố trí vị trí các điểm đo chiều sâu xói

Hình 3.12: Biểu đồ vận tốc tức thời 3 phương u (phương x), v (phương y)

và w (phương z)

Hình 3.13: Hình ảnh đường dòng xung quanh trụ

Hình 3.14: Hình ảnh hố xói sau thời gian thí nghiêm T=5 giờ

Hình 3.15: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian

Hình 3.16: Sơ đồ vị trí các điểm đo chiều sâu xói

Hình 3.17: Hình ảnh thí nghiệm thứ ba

Hình 3.18: Hình dạng hố xói sau khi kết thúc thí nghiệm

Hình 3.19: Đường đồng mức mặt đáy xung quanh trụ cầu sau 4.5 giờ thí nghiệm

Hình 3.20: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian (thí nghiệm 3)

Hình 3.21: Mặt thoáng khu vực xung quanh trụ

Hình 4.1: Thiết lập hình học mô phỏng

Hình 4.2: Lưới mô phỏng tổng thể

Hình 4.3: Trường vận tốc dọc theo dòng chảy, trong hố xói và bao quanh trụ Hình 4.4: Mô phỏng đường dòng trước và sau trụ

Hình 4.5: Xói cục bộ xung quanh trụ cầu

Hình 4.6: So ánh chiều sâu lớn nhất xói cục bộ giữa thí nghiệm và mô phỏng số theo thời gian

Hình 4.7: Thiết lập hình học mô phỏng

Hình 4.8: Mô phỏng mô hình lưới 3D

Hình 4.9: Lưới mô phỏng trên mặt phẳng x-y

Hình 4.10: Đường dòng khu vực trụ cầu

Hình 4.11: Véc tơ vận tốc khu vực trụ cầu

Hình 4.12: Đường dòng khu vực trước giữa và sau trụ cầu

Hình 4.13: Véc tơ vận tốc khu vực giữa hai trụ

Hình 4.14: Các đặc trưng dòng chảy khu vực trước và giữa hai trụ

Hình 4.15: Kết quả mô phỏng xói xung quanh các trụ sau T=5 giờ tính toán Hình 4.16: So sánh chiều sâu xói lớn nhất tính toán và chiều sâu xói lớn nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ nhất

Hình 4.17: So sánh chiều sâu xói lớn nhất tính toán và chiều sâu xói lớn nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ hai

Hình 4.18: Kết quả mô phỏng đường mặt đáy kênh xung quanh trụ theo thời

gian phát triển xói sau 10 phút và 300 phút

Hình 4.19: Mô hình hình học cho bài toán trụ đôi đặt vuông góc

với hướng dòng chảy

Hình 4.20: Lưới mô phỏng hình học 3D

Hình 4.21: Lưới mô phỏng hình học 2D

Hình 4.22: Đường dòng khu vực xung quanh các trụ

Hình 4.23: Trường véc tơ vận tốc xung quanh các trụ

Hình 4.24: Đường đồng mức đáy xung quanh các trụ sau 4.5 giờ mô phỏng

Hình 4.25: Mô tả xói cục bộ xung quanh các trụ sau 4.5 giờ tính toán

Hình 4.26: So sánh chiều sâu xói lớn nhất theo thời gian giữa mô phỏng và

và tại Việt Nam, đây là một vấn đề mang tính chất thời sự mà các kết quảnghiên cứu đến nay vẫn chưa hoàn thiện Có rất nhiều nghiên cứu về xói cục

bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước đã được công bố; ở nước ta có một số

nhà khoa học như GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục, PGS.TS Trần Đình Nghiên

đã và đang quan tâm nghiên cứu về xói cục bộ trụ cầu, mố cầu, cơ chế xói cụcbộ, đã đề xuất các công thức tính chiều sâu xói cục bộ trụ cầu lớn nhất và đãđược các kỹ sư thiết kế cầu áp dụng để tính cao trình đặt đáy móng mố, trụcầu; tuy nhiên, phần lớn các công thức tính xói cục bộ trụ cầu hiện nay đượcxây dựng vào phương pháp nghiên cứu nửa lý thuyết nửa thực nghiệm sửdụng các mô hình xói trong điều kiện thí nghiệm ở trong phòng trên các mángthủy lực có hiệu chỉnh tham số tính toán theo các tài liệu đo xói trụ cầu hiệnđang sử dụng khai thác ngoài thực tế Có thể nói hiện nay chưa có phươngpháp tính xói cục bộ trụ cầu theo các phương trình lý thuyết được các Tiêuchuẩn thiết kế cầu đường và các nhà khoa học cầu đường chấp nhận

Tiếp cận hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số để dự

đoán xói cục bộ trụ cầu, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài " Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu"

0.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

0.2.1 Ý nghĩa khoa học

Như chúng ta đã biết, nguyên nhân gây hư hỏng công trình cầu phổbiến nhất là do tác động của dòng chảy lũ, mà trực tiếp là do xói cục bộ đáysông xung quanh móng mố, trụ cầu Đánh giá xói lở tại chân trụ, mố cầutương ứng với lưu lượng và mực nước lũ thiết kế trong lớp đất đáy sông dễxảy ra xói rất cần thiết đối với hệ thống công trình cầu bởi vì vị trí cầu cốđịnh, dòng chảy luôn di động gây xói sâu và mở rộng lòng vào bãi sông trongvùng dòng chảy bị ảnh hưởng của cầu, đe dọa đến an toàn công trình cầu.Trước những năm 60 của thế kỷ trước, việc đánh giá xói và tác động của xóiđến công trình còn rất hạn chế Sau những năm 60 đã có một số đáng kể cácphương trình dự đoán xói và mô hình vận chuyển bùn cát, song chưa hiểu đầy

đủ về cơ chế gây xói cũng như chưa có khả năng đưa ra mô hình đánh giáchính xác sự thay đổi hình thái đoạn sông ở vùng cầu trong thời gian lũ không

dài Các phương trình dự đoán xói hầu hết dựa vào mô hình vật lý rút ra từphòng thí nghiệm, còn bị hạn chế về các yếu tố thủy lực, địa chất, kích thướctrụ, chưa phản ánh đúng tính chất phức tạp của dòng chảy và bùn cát tươngtác với trụ cầu, do vậy nhiều công trình cầu bị hư hỏng do lũ.

Về mặt khoa học, các đặc trưng thủy động lực học tại đáy móng trụ cầu

vô cùng phức tạp, nhất là cơ chế dòng chảy xung quanh trụ, xác định chiềusâu lớn nhất có thể đạt được trong hố xói cục bộ còn nhiều điểm hấp dẫn cácnhà khoa học trong và ngoài nước, ở hiện tại và tương lai

Ngày nay, cùng với sự phát triển của phần mềm máy tính và hiệu quảkinh tế mà nó mang lại, các nhà nghiên cứu đã tiếp cận hướng nghiên cứu vềđộng lực học chất lỏng tính toán (CFD) Phương pháp mô hình mô phỏng số

đã đem lại những hiểu biết nhiều hơn về các đặc trưng thủy động lực học củadòng chảy một cách toàn diện và chi tiết trong lĩnh vực thủy lực sông biển vàcác công trình thủy lợi Tuy nhiên, trong thủy lực công trình cầu đường thìhướng nghiên cứu này còn ít được quan tâm

Hiện nay, trên thế giới đã xuất hiện một số phần mềm thương mại môphỏng 3 chiều (3D) được dùng trong động lực học chất lỏng tính toán, môphỏng dòng chảy trong sông, suối, đường ống dẫn dầu, dòng trongpíttông, như FLUENT-3D, FLOW-3D, Flo-3D, SSIIM-3D, một số ít phầnmềm đã được áp dụng để mô phỏng dòng chảy bao quanh trụ cầu, mô phỏngtrường vận tốc và hố xói xung quanh trụ cầu Mặc dù đã đạt được một số kếtquả đáng khích lệ, tuy nhiên vẫn đang dừng lại ở bước thử nghiệm, chưa cómột công bố chính thức nào về khả năng áp dụng các phần mềm thương mạinày vào lĩnh vực nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu Mặt khác, một rào cản lớncủa việc áp dụng các phần mềm thương mại này trên thế giới và tại Việt Nam

đó là đa số các phần mềm này đòi hỏi phải được chạy trên những máy tính cócấu hình mạnh, thời gian tính toán rất lâu có khi phải mất hàng tuần, hàngtháng; các phần mềm này thường có mã nguồn đóng, khó tiếp cận và sử dụng;

đặc biệt là giá thành các phần mềm thương mại đó rất cao lên đến hàng chụcnghìn, hàng trăm nghìn đô la Mỹ.

Như vậy, việc ứng dụng và phát triển một mô hình số trị mã nguồn mở

để mô phỏng 3 chiều để phân tích các đặc trưng thủy động lực học tại vị tríđáy móng công trình thủy lực nói chung và tại chân trụ cầu nói riêng cả vềkhông gian và thời gian là một vấn đề có ý nghĩa khoa học cao Mô phỏng số

giúp có thêm công cụ để phân tích thủy động lực học dòng chảy "Với sự linh

hoạt của mô hình số trị, sẽ có điều kiện nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực học một cách hoàn chỉnh hơn theo các phương diện về miền tính toán và các trường hợp tính toán Nó sẽ mang lại những nhìn nhận một cách tổng thể hơn và chi tiết hơn so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống'' (Lê

Văn Nghị, 2005, Viện KHTL Việt Nam) [6]

0.2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Ở nước ngoài, theo các tài liệu nghiên cứu trong 30 năm trở lại đây tại

Mỹ trong khoảng 6000 cầu được theo dõi, trong đó có hơn 1000 cầu bị pháhỏng, nguyên nhân do xói chiếm đến 60%, Cục đường bộ Liên bang Mỹ(FHWA) cho biết trận lũ năm 1973 đã làm sập 338 cầu, trong đó khoảng 25%

là do xói cục bộ trụ, 75% là do xói mố [80],[95] Hoffmans và Verheiij (1997)[57] tổng kết rằng xói cục bộ xảy ra xung quanh móng mố, trụ cầu do dòngchảy lũ là nguyên nhân chính gây ra sự phá hoại cầu; số liệu thống kê tại Mỹnăm 1995 về số lượng cầu bị phá hỏng do xói cục bộ tại bảng 0.1:

Bảng 0.1: Thống kê số lượng cầu hỏng ở Mỹ do xói cục bộ từ năm 1985-1995

Địa điểm và thời gian Số lượng cầu bị phá hỏng

Pennsylvania, West Virginia, Virginia, 1985

73

New York and New England, 1987

17 Midwestern United States, 1993 >2500

Virginia, 1995 74

Năm 2003, 51 cầu bắc qua sông Hatchie tại Tennessee (Mỹ) bị pháhỏng làm 8 người chết [63],[80],[95] Tại New Zealand, theo nghiên cứu củaMelville và cộng sự năm 2002 ít nhất có 1 cây cầu bị phá hủy mỗi năm do xói[63]

Ở Việt Nam, theo tài liệu thống kê “ Phòng chống bão lũ cho công trình

giao thông, Hà Nội 4/1992 “ cho thấy với trên 9930 cây cầu đang khai thác thì

có tới 448 cầu bị phá hỏng do bão lũ Điều này cho thấy rõ tác hại nghiêmtrọng của bão lũ và xói đến sự ổn định của các công trình giao thông đặc biệt

là công trình cầu Vì vậy xói lở là một tiêu chuẩn rất quan trọng và cần thiếtkhi phân tích hệ thống cầu vượt sông

Theo Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương “Báo cáo tổng hợpthiệt hại do lũ lụt tại miền Trung gây ra tháng 12/1999”, chỉ tính riêng trận lũtháng 12/1999 đối với các tỉnh Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi,Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa đã có số công trình như cầu cống sập trôi 43cái, cầu cống hư hỏng 1060 cái Thiên tai gây ra trong năm 2000 ở khu vựcĐồng bằng sông Cửu Long rất nghiêm trọng, gần 5.000 cầu, cống các loại bịngập, hư hỏng nặng, có một số bị sập

Ngày 5/11/2007, trụ cầu số 8 của cầu Bung (phía xã Chư Đrăng, huyệnChư Prông, tỉnh Gia Lai) bị đổ xuống sông, làm rơi 4 dầm cầu của nhịp 8 vànhịp 9 Ngay sau khi bị đổ, trụ số 8 đã bị nước lũ cuốn trôi

Gần đây, tại huyện Bảo Yên, tỉnh Lào Cai mưa lớn kèm theo gió lốcvào rạng sáng ngày 11/5/2013 làm 3 cầu bị sập

Số liệu thống kê nêu trên cho thấy xói cục bộ trụ cầu thực sự là nguyênnhân chính gây sự cố hư hỏng cầu, là mối hiểm họa cho ngành giao thông, đòihỏi có thêm nhiều nghiên cứu sâu ở nhiều góc độ khác nhau sao cho dự đoánngày càng tiếp cận gần hơn đến độ chính xác của việc xác định chiều sâu xóicục bộ trụ cầu trong đất dễ bị xói

a) Cầu Đen bắc qua sông nối quốc lộ 1A b) Xói trụ cầu Long Biên (Hà Nội, 2008)

với 3 xã Gò Nổi, huyện Điện Bàn bị lũ

làm sập cầu vào mùa mưa năm 2010

c) Hố xói trụ cầu Schoharie Creek (Mỹ, 2001) d) Hố xói trụ cầu Burke&Wills (Úc, 2010)

Hình 0-1: Một số hình ảnh về xói cục bộ trụ cầu

Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để dự đoán xói cục bộtrụ cầu sẽ mang lại lợi ích to lớn đảm bảo an toàn các cầu khi thiết kế xâydựng và trong quá trình khai thác

0.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm mô phỏng số dòng chảy 3chiều để mô tả các đặc trưng dòng chảy khu vực xung quanh trụ cầu, bằng kếtquả mô phỏng chỉ rõ nguyên nhân gây xói trụ cầu, quá trình phát triển chiềusâu xói theo thời gian, và chiều sâu xói lớn nhất tại trụ cầu, kiểm chứng kếtquả mô phỏng số bằng kết quả thí nghiệm vật lý trong phòng và của các côngthức bán thực nghiệm, từ đó đề ra khả năng ứng dụng mô phỏng số để dựđoán xói cục bộ trụ cầu ở Việt Nam trong tương lai

0.3 Cấu trúc của luận án

Chương III: Thí nghiệm về xói cục bộ trụ cầu

Chương IV: Phân tích, đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng số với kếtquả nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Xãi tù nhiªn

Xãi trong thêi gian dµi Xãi trong thêi gian ng¾n

Xãi t¹i vÞ trÝ c«ng tr×nh

Xãi chung Xãi côc bé

Xói nước đục Xói nước trong

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ XÓI, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC

BỘ TẠI TRỤ CẦU

1.1 Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu

1.1.1 Khái niệm, phân loại xói

Xói là sự di chuyển bùn cát và hạ thấp cao độ đáy sông xung quanh vịtrí công trình được đặt trong dòng chảy Xói là một hiện tượng tự nhiên dodòng chảy trong các sông, suối gây ra, là kết quả của tác động của dòng chảylàm cuốn trôi bùn cát đáy sông, ven bờ sông và xung quanh móng mố, trụcầu Xói có khả năng gây nguy hiểm cho công trình cầu và các công trìnhthuỷ lực, cụ thể là phá hoại móng công trình đặt trong dòng chảy [8],[9],[10],[11], [18],[23],[45],[65],[66],[67],[80],[83]

Xói được phân loại như sau [10],[11],[37],[65],[66]:

Hình 1.1: Phân loại xói

Tóm lại, xói lở là một hiện tượng tự nhiên của dòng chảy khi tốc độ củadòng chảy hay ứng suất tiếp do dòng chảy tạo ra vượt quá khả năng chịu lựccủa hạt bùn cát ở đáy dòng chảy biểu thị qua tốc độ tới hạn hay ứng suất tiếptới hạn, lúc này các hạt đất bắt đầu chuyển động hình thành lưu lượng bùn cát

và tạo nên các hình dạng khác nhau Tại chân trụ cầu đặt trong dòng chảy sẽxuất hiện quá trình xói, quá trình này thường được chia thành ba loại: xói tựnhiên, xói thu hẹp (xói chung) và xói cục bộ (Hình 1.1, 1.2) [10],[11],[67],[80]

Xói tự nhiên là sự hạ thấp cao độ đáy sông do khả năng tải cát vượt

quá khả năng cung cấp bùn cát của đoạn sông, làm thay đổi độ dốc đáy vàhình dạng đáy dòng chảy trong thời gian dài có khi tới 100 hay 500 năm [10],[11],[80]

Xói chung hay xói thu hẹp tại vị trí cầu là do mố, trụ cầu và đường dẫn

cầu không ngập làm thu hẹp dòng chảy tự nhiên tương ứng với lũ thiết kế tại

vị trí cầu bắc qua sông Xói thu hẹp xảy ra do mặt cắt dòng chảy dưới cầu bị

co hẹp, làm tăng tốc độ dòng chảy hay ứng suất tiếp trong vùng dòng chảy bịthu hẹp dưới cầu, làm tăng khả năng tải bùn cát, hạ thấp cao độ đáy sông và là

cơ sở ban đầu xác định chiều sâu để tính xói cục bộ trụ cầu [10],[11],[80]

Hình 1.2: Minh họa xói tại trụ và mố cầu

1.1.2 Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu

1.1.2.1 Khái niệm xói cục bộ trụ cầu

Xói cục bộ trụ cầu là sự hạ thấp cao độ đáy sông sâu và hẹp ngay tại

chân trụ do dòng chảy tác dụng vào trụ, làm thay đổi cấu trúc bình thường củadòng chảy, làm tăng cục bộ ứng suất tiếp và tốc độ dòng chảy, vượt qua sứccản của hạt đất bao quanh chân trụ, xói đất lên và đẩy chúng khỏi chân trụ tạothành hố xói cục bộ ở trụ Xói tại chân trụ sẽ nguy hiểm nhất khi cả 3 loại xóitrên đồng thời xảy ra khi lũ thiết kế thông qua dưới cầu [8],[9],[10],[11], [18],[23],[45],[65],[67],[80],[83]

Xói cục bộ tại chân trụ cầu có thể được chia thành xói nước trong vàxói nước đục (Hình 1.1) Xói nước trong xảy ra khi dòng chảy ở thượng lưu

hố xói không mang bùn cát lấp vào hố xói, trong khi xói nước đục xảy ra khidòng chảy thượng lưu mang bùn cát lấp vào hố xói đồng thời bùn cát trongkhu vực hố xói cũng bị cuốn trôi về phía hạ lưu Breusers và cộng sự (1977)phân biệt xói nước trong và xói nước đục phụ thuộc vào tỷ số (v/vc); không cóxói (v/vc<0.5), xói nước trong (0.5≤v/vc<1), xói nước đục (v/vc1), trong đó v

là vận tốc dòng chảy đến trụ, vc là vận tốc tới hạn xói theo tiêu chuẩn Shields[23]

1.1.2.2 Cơ chế xói cục bộ trụ cầu

Theo các nhà nghiên cứu Heidarpour và cộng sự (2003) [58],Muzzammil và cộng sự (2004) [72], Melville và cộng sự (1977) [66],Lauchlan và cộng sự (2001) [65], Breusers và cộng sự (1977) [23], Breusers

và cộng sự (1991) [24], Lagasse và cộng sự (2001) [59], Nguyễn Xuân Trục(1982) [3], Trần Đình Nghiên (1999) [8], thì khi thiết kế công trình cầu vượtsông tương ứng với lũ thiết kế, sự có mặt của mố, trụ cầu đặt trong dòng chảy

đã làm thay đổi cấu trúc của dòng chảy so với cấu trúc của dòng chảy thông

thường khi không có trụ Chính trụ là vật cản dòng chảy, tự tạo ra một vùng

có áp suất thay đổi quanh trụ khác với dòng chảy bình thường khi không cótrụ và làm tăng tốc độ dòng chảy ở sát đáy, kết quả là cuốn trôi bùn cát tạothành hố xói

Cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu có thể mô tả như sau [35],[39],[58], [72], [66],[65],[23],[24],[59],[8]:

Hình 1.3: Minh họa cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu

Trụ cầu đặt trong sông là một vật cản làm hình thành dòng chảy baoquanh trụ, tạo ra gradien áp suất ngược ở dòng chảy đến trụ ngay trước chântrụ Khi áp suất này đủ lớn sẽ hình thành sự tách dòng chảy ba chiều ở trướcchân trụ Trên mặt thoáng phía trước trụ hình thành các xoáy mặt ngược chiềudòng chảy Trong lớp biên bao trụ của dòng chảy không đều đến trụ, sát mặttrước trụ hình thành gradien áp suất dừng hướng xuống tạo ra dòng thứ cấpdọc thân trụ ở trước và hai bên trụ Sự tương tác giữa dòng thứ cấp hướngxuống với tách lớp biên 3 chiều ở khu vực gần đáy làm hình thành hệ thốngxoáy trục ngang trước chân trụ với hai tay xoáy bao chân trụ có dạng hìnhmóng ngựa trên mặt bằng được gọi là “xoáy hình móng ngựa” Nguyên lý cơbản của cơ chế xói cục bộ tại trụ cầu chính là sự hình thành xoáy hình móngngựa tại đáy trụ cầu Dòng thứ cấp cùng với hệ thống xoáy này tách lớp đất dễxói ở chân trụ, tạo ra quá trình xói và hình thành vùng xói nhỏ, sâu ở chân trụđược gọi là hố xói cục bộ tại chân trụ, có chiều sâu lớn nhất là chiều sâu xói

cục bộ trụ cầu Quá trình xói mang các hạt bùn cát từ phía trước trụ về phía hạlưu Do sự tăng tốc dòng chảy, các hạt bùn cát cứ tiếp tục bị cuốn đi tạo thành

hố xói gia tăng về chiều rộng và chiều sâu Dòng chảy phía sau trụ bị chia rẽtạo thành các xoáy đứng sau trụ và biến mất khi di chuyển về phía hạ lưu, trụccủa xoáy đứng có khuynh hướng tác động như một chân không hút bùn cátcuốn theo dòng chảy, bùn cát lơ lửng sau đó bồi lắng khi các xoáy đứng biếnmất (Hình 1.3) Thuần túy về lý thuyết đây là vấn đề không đơn giản bởi vì sựphức tạp của dòng chảy ba chiều tại chân trụ tương tác với vận tải bùn cát và

sự thay đổi của lớp biên là đáy di động [10],[11]

1.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới

Việc nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu được tiến hành từ những năm đầuthế kỷ XX, trải qua hơn 110 năm phát triển, đã có hàng trăm công trìnhnghiên cứu của các nhà khoa học tại Liên Xô, Mỹ, Trung Quốc và một sốnước khác Điển hình có nghiên cứu của Laursen và cộng sự (1956) [63];Yaroslavtsev và cộng sự (1953) [100]; Latyshenkov và cộng sự (1960) [62];Zhuravlev và cộng sự (1978) [103]; Melville và cộng sự(1975,1977,2001,2002) [61,65,66,67], XinBao Yu (2009) [98], Trong nhữngnăm gần đây, gần như các nước trên thế giới đều yêu cầu tất cả các cầu phảiđược tính xói trước khi thiết kế thi công điều này làm cho việc nghiên cứu vềxói cầu có đã có những bước phát triển quan trọng Hàng loạt các nghiên cứu

về xói đã được công bố bao gồm: Lander cộng sự (1996) [60]; Sturm và cộng

sự (2001) [88]; Ủy ban an toàn giao thông quốc gia Mỹ (1989,1990); Cụcđường bộ liên bang Mỹ (FHWA) (2003); Bộ giao thông bang Florida (Mỹ)(2005), theo thống kê đã có hơn 100 nghiên cứu về lĩnh vực này của các nhàkhoa học của các nước trên thế giới

1.2.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước

Ở trong nước, người đặt nền móng đầu tiên về nghiên cứu xói cục bộtrụ cầu là GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục - Trường Đại học Xây dựng, năm

1982 ông cùng KS Nguyễn Hữu Khải [11] xây dựng công thức xác địnhchiều sâu xói cục bộ lớn nhất tại trụ cầu bằng phương pháp nửa lý thuyết nửathực nghiệm căn cứ kết quả đo xói thực tế ở một số công trình cầu đang khaithác Các công thức tính xói này hiện đang được sử dụng rộng rãi khi tínhtoán thiết kế cầu vượt sông Năm 2000, PGS.TS Trần Đình Nghiên - TrườngĐại học Giao thông Vận tải Hà nội [8,9,10] đã xây dựng công thức bán thựcnghiệm để tính chiều sâu xói cục bộ lớn nhất cho trụ cầu cả trong các trườnghợp xói nước trong và xói nước đục Các công thức tính xói cục bộ nói trên đã

được giới thiệu trong cuốn "Sổ tay tính toán thủy văn, thủy lực cầu đường" do

Bộ GTVT xuất bản năm 2006 [1] Ngoài ra có một số công thức tính xói cục

bộ trụ cầu đã được đề xuất trong các luận án thạc sĩ, tiến sĩ của một số tác giảkhác,

1.3 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu

Hiện nay có bốn phương pháp phổ biến để nghiên cứu xói cục bộ trụcầu, bao gồm: 1) Phương pháp giải tích; 2) Phương pháp mô hình vật lý; 3)Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường; 4) Phương pháp mô phỏng số Sơlược về các phương pháp như sau:

1.3.1 Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích được sử dụng để dự tính sự phát triển của xóidựa vào nghiên cứu sự tương quan giữa hệ thống xoáy xung quanh trụ cầu vàchiều sâu xói trụ cầu Các nghiên cứu đều dựa trên kết quả phân tích, đánh giá

sử dụng các giả thiết khoa học lý thuyết, các nguyên lý, định luật bảo toànnăng lượng, động lượng, để xây dựng mối quan hệ giữa xói cục bộ và cáctham số chính ảnh hưởng đến quá trình xói Do đó, có thể gọi là phương phápbán kinh nghiệm Cartens (1966) [28] giả thiết hố xói có hình dạng hình chóp

ngược với đường kính đáy bằng đường kính trụ Sử dụng phương trìnhchuyển động bùn cát đề xuất một phương trình dự đoán sự phát triển chiềusâu xói khi biết vận tốc dòng chảy đến trụ, kích thước hạt, gia tốc trọngtrường, góc nghỉ của hạt và đường kính trụ Muzzammil và Gangadhariah(2004) [72] nhận thấy chiều sâu xói cân bằng có liên quan đến kích thước cáccuộn xoáy hình móng ngựa, vận tốc tiếp tuyến và cường độ xoáy trong hố xói.Các tác giả đã đề xuất một phương trình dự đoán chiều sâu xói lớn nhất Hiệnnay, đã có một số phương trình dự đoán xói cục bộ được các nhà khoa học đềxuất Các phương trình giải tích này thường sử dụng các giả thiết về hìnhdạng xói, vận tốc tới hạn và các phương trình liên tục (phương trình chuyểnđộng bùn cát).

Nhận xét:

Phương pháp giải tích sử dụng rất nhiều giả thiết để xây dựng côngthức tính xói cục bộ trụ cầu nên rất khó để áp dụng vào thực tế khi mà bảnchất của các hiện tượng thực tế là các hiện tượng ngẫu nhiên

1.3.2 Phương pháp mô hình vật lý

Mô hình vật lý thường được sử dụng trong các nghiên cứu xói cục bộtrụ cầu Phần lớn các phương trình dự đoán xói cục bộ trụ cầu đều dựa trêncác số liệu thu được từ các thí nghiệm trong phòng Các khảo sát trên các môhình thu hình thu nhỏ trong phòng được thực hiện để nghiên cứu xói cục bộtrụ cầu Do đó, sự ảnh hưởng của các yếu tố lên quá trình xói có thể đượcnghiên cứu chi tiết, có thể khảo sát chiều sâu xói lớn nhất và tốc độ xói trongcác điều kiện xói nước trong, xói nước đục, vật liệu đáy là cát hoặc sét, vànghiên cứu đối với tổ hợp trụ phức tạp

Các yếu tố ảnh hưởng đến xói trụ cầu theo Breuser và cộng sự (1977)[23] bao gồm:

- Các yếu tố đặc trưng chất lỏng:

+ g: gia tốc trọng trường;

+ : khối lượng riêng chất lỏng;

+ : hệ số nhớt động học chất lỏng;

- Các yếu tố đặc trưng dòng chảy:

+ h: chiều sâu dòng chảy đến trụ;

Nhiều công thức dự đoán xói được đề xuất dựa trên các nghiên cứutrong phòng thí nghiệm của các tác giả trên thế giới và trong nước

Sturm và cộng sự (2001) [88] sử dụng phương pháp phân tích thứ

nguyên xây dựng phương trình chiều sâu xói là một hàm số đa biến phụ thuộccác tham số ảnh hưởng đến xói trụ cầu:

Trong đó: hc là chiều sâu xói cục bộ; b là bề rộng trụ; K là hệ số điềuchỉnh do hình dạng trụ; K là hệ số điều chỉnh do góc tác dụng của dòng chảy

đến trụ; g là gia tốc trọng trường; d50 là kích thước trung bình hạt; σ g độ lệch

tiêu chuẩn hình học của sự phân bố kích thước hạt; μ là độ nhớt động lực họcchất lỏng; ρ khối lượng riêng chất lỏng; Vc là vận tốc tới hạn bắt đầu chuyển

động hạt trong dòng chảy đến trụ; h là chiều sâu dòng chảy đến trụ; V là vậntốc dòng chảy đến trụ

Rất nhiều phương trình dự đoán xói được đề xuất từ các số liệu thínghiệm trong phòng đều xuất phát từ phương trình cơ bản (1.1) bằng cách sửdụng một vài tham số không thứ nguyên trong vế phải của phương trình (1.1)

Latyshenkov và cộng sự (1960) cho rằng dòng chảy đến trụ, đập vào

trụ có dạng sóng tạo ra dòng đứng đi xuống dọc thân trụ, gặp dòng đáy hìnhthành dòng xoáy trục ngang ngược chiều với dòng chính, xoáy đáy trước trụhình thành xoáy tuần hoàn có cường độ lớn, các dòng xoáy ôm lấy hai bên trụtrong quá trình chảy xuôi dòng, xói đất và hình thành hố xói ở trụ Động năngcủa dòng chảy được giải phóng, nhờ vào dòng đứng đi xuống sát trụ nănglượng này đã chuyển thành năng lượng dòng xoáy tròn bao quanh trụ Trên cơ

sở thí nghiệm năm 1948, Latyshenkov đã đề nghị công thức xác định độ sâuxói cục bộ [62]

Yaroslavtsev và cộng sự (1956) nghiên cứu cấu trúc dòng chảy bao

quanh trụ hoặc là cơ chế hình thành xói cục bộ với giả thiết động năng củadòng chảy đến trụ chuyển thành áp năng làm tăng thêm áp năng của dòngchảy ở mặt trước trụ, áp lực dư này tạo ra độ chênh áp lực so với phần gầnđáy và hình thành dòng hướng xuống đáy song song với mặt trụ Khi gặp đáydòng đứng làm xói đáy, tách hạt khỏi mặt trụ tạo thành hố xói cạnh trụ Nănglượng của dòng chảy ở đáy hố xói khi xói kết thúc phụ thuộc vào đường kínhcủa hạt đất đối với đất rời nói riêng và các thông số thể hiện tính chất và loạiđất nói chung, ông đã xây dựng công thức tính chiều sâu lớn nhất xói cục bộtrụ cầu [100]

Altunin và cộng sự (1974) thừa nhận cấu trúc tương hỗ của dòng đứng

đi xuống, dòng đáy và xoáy Xói lở là do xoáy với cường độ lớn tác dụng vàođất quanh trụ cầu, xói ngừng khi hạt không tách ra khỏi hố xói hoặc do cânbằng động của lưu lượng bùn cát vào và ra khỏi hố xói Sử dụng sơ đồ dòng

chảy bao quanh trụ khi hố xói ổn định để viết phương trình cân bằng động,đồng thời đặt quan hệ giữa lưu tốc không xói trong hố xói ổn định với lưu tốcdòng đến trụ, với độ sâu dòng chảy, độ sâu xói, chiều rộng trụ và chiều rộng

hố xói dựa vào giả thiết lưu lượng đi qua diện tích do trụ chiếm bằng lưulượng được phân phối lại dọc hai bên trụ trong phạm vi chiều rộng hố xói vàdiện tích mặt cắt ngang của hố xói vuông góc với hướng dòng chảy tới trụ để

đề xuất công thức tính chiều sâu xói cục bộ trụ cầu [18]

Zhuravlev và cộng sự (1984) cho rằng cơ chế xói gồm hai phần chính

có biểu hiện rất phức tạp, đó là áp lực ở mặt trước của trụ và di chuyển rối củabùn cát Dòng chảy phía trước trụ khoảng 2/3 độ sâu từ đáy lên mặt hìnhthành hai xoáy liên tiếp nhau không tách rời nhau trực tiếp xói đất trước trụ.Xói ở trụ do tác động đồng thời của dòng đứng đi xuống dọc thân trụ, dòngxoáy tuần hoàn và các dòng xoáy đan chéo nhau Sự chuyển động này tạo ramột khu vực xáo trộn bùn cát đáy đặc biệt, các hạt đất bị tách khỏi đáy bậtvào dòng rối và chuyển ra sau trụ Khu vực trao đổi mãnh liệt này có thể xemnhư hình ảnh của elip tròn xoay quay quanh trục nghiêng với phương đứnggóc  có tg ϕ=

V

V v (Vv – là tốc độ xáo lộn đáy trung bình đặc trưng cho tácdụng xói của dòng phía trước trụ) Các hạt nhỏ lưu thông ở dạng lơ lửng trongphạm vi hố xói, các hạt thô hơn di chuyển sát đáy tạo ra hiệu quả đặc biệt củaxoáy Thông qua kích thước của xoáy dạng elip tròn xoay có thể xác địnhđược kích cỡ hố xói, đó là hình chiếu của xoáy trên mặt phẳng đáy Để rút racông thức tính độ sâu xói, Juravlev tính áp lực lên mặt trụ căn cứ vào thông sốtrao đổi rối bùn cát đáy đối với hai trường hợp V<Vo và VVo, dùng kết quảthí nghiệm xác định các tham số tính toán [103]

Muromov và cộng sự (1961) sau khi quan sát xoáy hình thành trước

trụ và cơ chế xói đã tập hợp, chỉnh lý số liệu thí nghiệm trong phòng, trongsông và số liệu đo ngoài thực tế khai thác cầu, từ đó kiến nghị công thức đượcđưa vào quy trình của Liên Xô cũ [71]

Richardson và cộng sự (1991) nêu ra công thức dự đoán xói cục bộ đối

với trụ chữ nhật thẳng hàng với dòng chảy (công thức này do Cục đường bộLiên bang Mỹ giới thiệu), sau đó công thức tiếp tục được phát triển vào cácnăm 1999 và 2001 [80]

Công thức tính xói cục bộ của Bộ Giao thông Florida [10] được pháttriển bởi Sheppard cùng các nghiên cứu sinh của ông tại trường Đại học

Florida Các thí nghiệm của các tác giả được thực hiện tại bốn phòng thínghiệm khác nhau (Đại học Florida ở Gainesville, Florida; Đại học ColoradoState ở Fort Collins, Colorado; Đại học Auckland ở Auckland, New Zealand

và Phòng thí nghiệm Conte USGS-BRD ở Turners Falls, Massachusetts).Công thức của Sheppard được thiết lập với hai cơ chế xói nước trong và nướcđục

Laursen và cộng sự (1956), giới thiệu công thức đối với trụ chữ nhật

[63]

Melville và cộng sự (1975) cho rằng chiều sâu hố xói cục bộ là một quá

trình thay đổi theo thời gian Chiều sâu xói theo thời gian lớn nhất là giới hạncủa chiều sâu xói khi cân bằng Ở điều kiện cân bằng, tác giả kiến nghị côngthức dự đoán chiều sâu hố xói cục bộ ở trụ cầu và mố cấu [67]

Nguyễn Xuân Trục và Nguyễn Hữu Khải (1982) [1],[11] (Trường

Đại học Xây dựng Hà Nội) đã giới thiệu công thức xác định trị số xói cục bộlớn nhất tại trụ cầu dựa vào kết quả nghiên cứu xói cục bộ trên các mô hìnhvật lý, áp dụng lý thuyết thứ nguyên và lý thuyết bình phương nhỏ nhất đểđiều chỉnh các hệ số theo các tài liệu đo xói thực tế ở một số cầu đang khaithác như sau:

- Đối với trụ xây dựng ở bãi sông (V<Vox):

Trần Đình Nghiên (1999) [1],[8],[10] (Trường Đại học Giao thông

Vận tải) đã xây dựng công thức lý thuyết, đồng thời kiến nghị công thức thựchành tính xói cục bộ ở trụ cầu đối với cả hai loại xói nước đục và xói nướctrong như sau:

hc= K √ b.hx( V Vng)nKα.Kϕ

(1.3)trong đó:

Kα và K: hệ số xét tới ảnh hưởng của hướng dòng chảy và hình dạngtrụ;

K = 1.24; n = 0.77 khi V < Vox; và khi V > Vox nhưng V ¿ Vng (xóinước trong);

K = 1.11; n = 1 khi V > Vox nhưng V > Vng (xói nước đục)

Vng: tốc độ ngừng xói phụ thuộc vào dòng nước là trong hay đục, đượcxác định theo công thức:

Do đó, b) Các nhà nghiên cứu thường xây dựng các mô hình tỷ lệ thu nhỏtrong phòng và luôn cố gắng để các mô hình thu nhỏ này hoạt động gần đúngnhư mô hình nguyên mẫu thực tế Dựa trên các kết quả nghiên cứu về dòngchảy, vận tốc, hệ thống xoáy, các tham số khác ảnh hưởng đến quá trình hìnhthành và phát triển của xói cục bộ xung quanh trụ cầu để xây dựng cácphương trình tính xói

- Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các yếu tố quan trọng ảnh hưởngcốt lõi đến quá trình hình thành và phát triển xói cục bộ tại trụ cầu và đã xâydựng được các phương trình tính xói xoay quanh các yếu tố ảnh hưởng chính

đó Có thể phân nhóm các phương trình theo các dạng sau: 1) nhóm phươngtrình coi trọng ảnh hưởng của độ nông dòng chảy, vận tốc dòng chảy, hìnhdạng trụ, kích thước hạt bùn cát; 2) nhóm phương trình coi trọng ảnh hưởngcủa độ nông dòng chảy, hình dạng trụ, tham số Froude, tính chất bùn cát; 3)

nhóm phương trình sự phát triển của xói theo theo gian đến khi chiều sâu xóiđạt giá trị cân bằng; 4) nhóm phương trình chỉ coi trọng ảnh hưởng của bềrộng trụ thông qua diện tích cản dòng do sự có mặt của trụ trong dòng chảy.

- Các phương trình tính xói sử dụng khá nhiều giả thiết và thường bỏqua các yếu tố phức tạp nhất của dòng chảy mà bản chất chính là dòng chảy 3chiều nên dẫn đến có sự sai khác nhau khá lớn về kết quả tính xói giữa kếtquả tính xói của phương trình đề xuất so với kết quả đo xói thực tế tại trụ cầuđiều này dẫn đến việc hiện nay chưa có một phương trình tính xói cục bộ trụcầu nào được giới thiệu đưa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu vượt sông, hầu hếtđều dùng để cho các nhà thiết kế tham khảo vận dụng khi tính toán cao độ đặtđáy móng mố, trụ cầu

- Một số nhược điểm của phương pháp mô hình vật lý:

+ Mô hình vật lý không thỏa mãn sự tương tự thủy lực bao gồm:1) Tương tự về hình học là sự tương tự về hình dạng Hệ nguyên mẫu và môhình được gọi là tương tự hình học khi và chỉ khi tất cả tất cả các kích thướctrong hệ tọa độ 3 chiều có cùng một tỷ lệ thu nhỏ Tất cả các góc tác dụng vàhướng dòng chảy được giữ nguyên Vị trí của mô hình và hệ nguyên mẫu sovới môi trường xung quanh phải đồng nhất Tuy nhiên khó có thể xây dựngđược một mô hình thu nhỏ hoàn hảo theo các điều kiện nêu ở trên và khinghiên cứu về quá trình chuyển động bùn cát thì không thể thu nhỏ kích thướchạt bùn cát vì như vậy sẽ sai bản chất bài toán 2) Tương tự về động học là sựtương tự về chuyển động của dòng chảy nghĩa là tất cả các thành phần vận tốcgiữa hệ nguyên mẫu và mô hình phải cùng một tỷ lệ tương ứng Điều này khóđảm bảo vì hầu hết phương tiện đo tốc độ hiện nay khó đo chính xác vận tốcdòng chảy theo 3 phương đặc biệt là theo phương thẳng đứng 3) Tương tựđộng lực học là sự tương tự về các lực tác dụng nghĩa là tất cả các lực tácdụng lên hệ nguyên mẫu và mô hình phải có cùng một tỷ lệ tương ứng trongtrường dòng chảy Tóm lại, việc xây dựng mô hình vật lý khó đảm bảo thỏamãn tất cả các điều kiện tương tự về thủy lực giữa hệ nguyên mẫu so với môhình do vậy chưa phản ánh đầy đủ bản chất các hiện tượng vật lý dẫn đến kếtquả tính toán còn sai lệch so với đo đạc thực tế

+ Việc đo đạc thực hiện trên mô hình vật lý phụ thuộc vào chấtlượng và tính năng, sai số khi đo của các thiết bị được dùng để đo, có một sốcông tác đo rất khó thực hiện do hiện nay chưa có thiết bị tinh vi để thao tác

ví dụ như đo trường vận tốc dòng chảy 3 chiều xung quanh trụ, điều này dẫnđến sai số khá lớn khi chuyển số liệu đo được trong mô hình ra thực tế, đôikhi sai số trong mô hình chỉ vài milimét nhưng khi chuyển ra thực tế theo tỷ

lệ thì sai số này có thể lên đến hàng mét

+ Khi xây dựng mô hình vật lý, các nhà nghiên cứu thường sửdụng nhiều giả thiết về điều kiện dòng chảy, kích thước hình dạng trụ, vật liệuđáy sông, nhằm mục đích đơn giản hóa quá trình xây dựng mô hình, đo đạc

và xây dựng biểu thức tính xói và khắc phục bằng cách đưa ra các hệ số kinhnghiệm để cải thiện kết quả tính toán vì vậy khi điều kiện thực tế trên sôngnơi đặt trụ cầu thay đổi thì các kết quả mà các công thức tính toán đưa rakhông còn phù hợp nữa

+ Một nhược điểm khác của phương pháp mô hình vật lý là môhình vật lý chỉ nghiên cứu được một không gian cục bộ của dòng chảy nơimột đoạn sông có đặt công trình, ngoài ra hướng nghiên cứu này tốn mấtnhiều thời gian, chi phí và không phải bất cứ ai cũng có thể tiếp cận nó

- Tuy vẫn tồn tại một số nhược điểm nêu trên nhưng những thành tựu

do nghiên cứu bằng phương pháp mô hình vật lý mang lại rất đáng trân trọng,nghiên cứu mô hình vật lý đã tìm ra được các hiện tượng thủy lực làm nềntảng cho các phương pháp lý thuyết phát triển Kết quả của nghiên cứu môhình vật lý cung cấp số liệu đủ tin cậy để kiểm chứng các nghiên cứu lýthuyết

1.3.3 Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường

Kết quả đo xói cầu ở hiện trường rất ý nghĩa, cho phép kiểm chứng cácphương trình dự đoán xói và các kết quả mô phỏng số từ đó hiểu sâu hơn quátrình xói Những kết quả đo này được phân tích để phân biệt ba loại xói đó làxói trụ cầu, xói mố cầu, xói do sự co hẹp Các số liệu đo xói cục bộ trụ cầuđược sử dụng để đánh giá các phương trình dự đoán xói cục bộ trụ cầu

Inglis và cộng sự (1949) đã xây dựng một công thức tính chiều sâu xói

lớn nhất dưới cao độ lũ lớn nhất sử dụng số liệu đo đạc tại 17 cầu trên cácsông tại Ấn Độ [75]

Froehlich và cộng sự (1988) xây dựng một phương trình dự đoán

chiều sâu xói trụ tròn trong bùn cát đồng nhất trong điều kiện xói nước đục.Phương trình được kiểm chứng bằng 184 số liệu đo xói thực tế tại các nướcthuộc Liên Xô cũ [51]

Gao và cộng sự (1993) xây dựng một phương trình tính chiều sâu xói

được sử dụng tại Trung Quốc trong hơn 20 năm bởi các kỹ sư đường bộ vàđường sắt Phương trình được xây dựng từ các số liệu đo xói tại Trung Quốc,bao gồm 212 số liệu đo xói nước đục và 40 số liệu đo xói nước trong [53]

Ansari và cộng sự (1994) đã tiến hành hơn 100 thí nghiệm đo hiện

trường từ hơn 12 địa điểm khác nhau tại một số nước để xây dựng đưa racông thức tính xói cục bộ trụ cầu [15,16]

Ngoài ra một số nhà khoa học khác sử dụng phương pháp quan sát đođạc thực địa để xây dựng phương trình dự đoán xói trụ cầu như: Landers vàcộng sự (1996) [60] đã giới thiệu một sự phân tích chi tiết một tập hợp số liệuxói cục bộ trụ cầu, mỗi thí nghiệm đo tiến hành tại một cầu; Ông so sánh các

số liệu thu được ở hiện trường với nhiều thí nghiệm trong phòng và kết luậnrằng giữa kết quả đo thực tế và kết quả đo trong phòng có mối tương quan vớinhau; Mueller và cộng sự (2002, 2005) [69,70] đã tiến hành đo xói hiệntrường 79 cầu tại 17 bang tại Mỹ

Nhận xét:

- Các công thức tính xói cục bộ trụ cầu được xây dựng sử dụng kết quả

đo đạc thực tế trên sông có ưu điểm là áp dụng phù hợp với điều kiện tại chỗ

và các đoạn sông có địa hình tương tự

- Phương pháp đo xói tại hiện trường tồn tại một số hạn chế như sau:

+ Do tất cả số liệu đo đạc đều được thực hiện tại hiện trường nên

đã không xác định được các tham số liên quan đến quá trình hình thành và

phát triển xói cục bộ theo thời gian, sự phụ thuộc vào lượng phù sa mà dòngchảy mang theo, ảnh hưởng của tính dính của đất, sự không đồng đều củahạt, mặt khác trong quá trình đo đạc tại hiện trường do ảnh hưởng của cácđiều kiện ngoại cảnh như thời tiết, sóng, gió, chế độ thủy triều, độ tin cậy củathiết bị đo đạc nên dẫn đến các số liệu đo còn nhiều sai số.

+ Phạm vi áp dụng của các công thức tính xói theo phương pháp đo xóitại hiện trường còn hạn chế, mang tính chất cục bộ địa phương, khu vực

1.3.4 Phương pháp mô phỏng số

1.3.4.1 Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trên thế giới

Bên cạnh những phương pháp truyền thống đã nêu ở trên, ngày nay, kể

từ khi phần mềm máy tính được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế côngtrình cầu, phương pháp phân tích thủy lực đã có sự thay đổi đáng kể Một số

mô hình số xuất hiện bước đầu làm thay đổi quan điểm về công cụ phân tích,đánh giá xói cục bộ trụ cầu Các mô hình thuỷ động lực học cho phép phântích đặc trưng dòng chảy một cách thuận lợi và hiệu quả xuất phát từ các hệphương trình vi phân đạo hàm riêng mô phỏng các chuyển động của chấtlỏng Phương pháp số, mô hình toán học đã trở thành những công cụ khôngthể thiếu trong các nghiên cứu và phân tích của nhiều ngành khoa học và thuỷlực học nói riêng

Phương pháp mô phỏng số là phương pháp sử dụng lý thuyết tương tự,

lý thuyết động lực học chất lỏng tính toán, lý thuyết số, lý thuyết xác suất, lýthuyết lớp biên để thiết lập mô hình dòng chảy trước trụ, bao quanh trụ, sautrụ và quá trình diễn biến xói cục bộ theo không gian và thời gian tại khu vựcđáy sông xung quanh trụ cầu từ đó xây dựng các mô đun phần mềm dự báoxói cục bộ trụ cầu Các phần mềm thương mại hiện có như HEC-RAS,FLUENT, Star-CD, CFX, SSIIM3-D, FLOW3D, Một số phần mềm khá nổitiếng được phát triển bởi một nhóm nhà nghiên cứu như CCHE (1D, 2D và

3D); và các mô đun tính toán được phát triển bởi các nhà nghiên cứu như Ge(2004) [99], Olsen (2003) [76], Tseng (2000) [91],

- Mô hình tính toán khả năng vận chuyển bùn cát dựa trên cách tiếp cận

dòng chảy một pha: Bakker và cộng sự (1974,1980) [19,20] đã phát triển một

mô hình số để tính toán sự tập trung bùn cát lơ lửng Hagatun và cộng sự

(1986) [56] giới thiệu một mô hình rối để mô phỏng sự tập trung bùn cát tức

thời và lớp biên rối trong chế độ chảy trên đáy phẳng Ahilan và cộng sự

(1987) [13] nghiên cứu sự chuyển động của bùn cát trong dòng chảy dao động

trên đáy phẳng bằng phương pháp lý thuyết và cả thực nghiệm Nadaoka và

cộng sự (1990) [73] phát triển một mô hình có đáy di động được xét đến sựthay đổi động lượng và khối lượng của dòng chảy một pha Các tương tácchất lỏng/phần tử và phần tử/phần tử không được tính toán trong các mô hìnhtrên Do vậy, các mô hình một pha đều có những mặt hạn chế trong nghiêncứu các chuyển động bùn cát

- Mô hình tính toán khả năng vận chuyển bùn cát dựa trên cách tiếp cận

dòng chảy hai pha: Asano và cộng sự (1990) [17] đề xuất một mô hình dòng

chảy hai pha trong đó vận tốc theo phương thẳng đứng của các phần tử được

tính toán xấp xỉ bằng một công thức kinh nghiệm Li và cộng sự (1995) [64]

nối tiếp nghiên cứu của Asano xây dựng một tập hợp hoàn chỉnh các phương

trình đối với dòng chảy hai pha Gotoh và cộng sự (1997) [55] giới thiệu một

mô hình số để mô phỏng sự vận chuyển bùn cát và động năng dòng chảy với

các tương tác phần tử/phần tử trong chế độ chảy lớp biên Dong và cộng sự

(1999) [40] đề xuất một mô hình dòng chảy hai pha hoàn chỉnh để mô phỏngcác chuyển động của chất lỏng và bùn cát trong chế độ chảy lớp biên dưới cácđiều kiện dòng chảy không ổn định; Mô hình xét đến các lực chủ yếu như lực

tương tác chất lỏng/phần tử và phần tử/phần tử và các ứng suất rối Yang

Qiping (2005) [99] xây dựng các mô hình vật lý xét đến sự tương tự hình học

và tương tự số Froude sau đó ông sử dụng phần mềm FLUENT mô phỏng

theo mô hình Euler hai chiều để xem xét sự ảnh hưởng của tỷ lệ mô hình đếnkết quả tính toán xói cục bộ trụ cầu Ông nhận thấy mặc dù kết quả mô phỏngkhá tương đồng với kết quả đo thí nghiệm nhưng đường đồng mức xói cục bộgiữa mô hình tỷ lệ thu nhỏ và mô hình tỷ lệ lớn có sự sai khác khá rõ rệt do

mô hình tỷ lệ lớn không thỏa mãn nguyên lý tương tự số Reynolds và do đókhó có thể áp dụng để dự đoán xói cục bộ trụ cầu

- Phương pháp sử dụng mô hình dòng chảy 3 chiều: Trường dòng chảyxung quanh trụ cầu là dòng chảy 3 chiều, do đó cần thiết để khảo sát chi tiết

hố xói xung quanh trụ cầu Ushijima và cộng sự (1992) [93] bổ sung một mô

hình rối 2 phương trình để tính xói cục bộ trong dòng chảy không ổn định

Ushijima và cộng sự (1996) [94] mở rộng mô hình trên cơ sở phương trình

Lagrange – Euler và thu được nhiều kết quả đáng tin cậy Olsen và cộng sự

(1993) [76] dự đoán quá trình phát triển xói cục bộ trụ cầu sử dụng một môhình dòng chảy 3 chiều và chuyển động bùn cát Tác giả giải các phương trìnhReynolds với mô hình k- đối với chảy rối Xem xét cả hai loại bùn cát ở đáy

và bùn cát lơ lửng, tác giả giải phương trình bảo toàn bùn cát đáy bằng cách

lặp lại quá trình xói cho đến khi hố xói đạt trạng thái cân bằng S.Fukuoka

(1994) và cộng sự [84] đề xuất một mô hình 3D mô phỏng xói cầu Mô hìnhdòng chảy dựa trên phương trình xoáy nhớt áp suất thuỷ tĩnh Trong nghiêncứu của Fukuoka, một quá trình chuyển động bùn cát không cân bằng được sửdụng để tính biến dạng đáy Kết quả mô phỏng xói thu được bởi Fukuoka khá

phù hợp Watanabe và cộng sự (2001) [105] mở rộng mô hình trong kênh cong Richardson và cộng sự (1998) [79] đã mô phỏng các cấu trúc dòng

chảy xung quanh một trụ cầu trong trường hợp có hố xói và không có hố xói.Tác giả sử dụng phần mềm FLOW-3D với mô hình k- RNG Khi so sánh cáckết quả mô phỏng với các kết quả thí nghiệm, tác giả chỉ ra rằng mô hình thủyđộng học 3D cho kết quả tốt khi mô phỏng thành phần phần dòng chảy phức

tạp xung quanh trụ cầu Wang và cộng sự (1999) [104] nghiên cứu những ảnh

hưởng quan trọng của các dòng chảy không ổn định đến sự chuyển động của

bùn cát Tác giả sử dụng một mô hình số để mô phỏng các điều kiện dòngchảy ba chiều xung quanh một trụ trong hố xói Các hàm số kinh nghiệmđược sử dụng để thay đổi ứng suất tiếp trong mô hình kinh nghiệm về chuyểnđộng bùn cát, từ đó nghiên cứu các tác động của dòng chảy chính, dòng chảy

đi xuống, xoáy đứng sau trụ, và mật độ rối trong hố xói đến xói Tác giả đã

mô phỏng sự phát triển của hố xói xung quanh trụ cầu bằng cách sử dụngphần mềm CCHE-3D, chứng minh tầm quan trọng của các tác động của dòng

chảy riêng rẽ đối với chuyển động bùn cát Peng và cộng sự (1998) [77]

nghiên cứu quá trình xói như là một trạng thái ổn định bằng cách giả thiếtbiến dạng đáy là ổn định trong mỗi bước tính toán Sự kết hợp mô hình rối k-điều chỉnh với công thức chuyển động bùn cát Meyer-Peter và Muller sửa đổi

cho phép mô phỏng hoàn toàn xói cân bằng xung quanh trụ cầu Yen và cộng

sự (2001) [101] đã kết hợp mô hình xoáy lớn (LES) với mô hình rốiSmagorinsky để mô phỏng trường dọc chảy 3D và ứng suất tiếp xung quanh

trụ cầu Chang và cộng sự (1999) [30] sử dụng một mô hình xoáy lớn (LES)

để giải các phương trình dòng chảy xung quanh một trụ cầu với đáy cố định

và không có xói Sau đó tác giả đã điều chỉnh ứng suất tiếp đáy phẳng để tínhbiến dạng đáy mà không cần tính toán lại các phương trình dòng chảy Tácgiả đã áp dụng ứng suất tiếp điều chỉnh này vào công thức của Van Rijn(1984) để tính chuyển động bùn cát đáy, và kiểm tra các kết quả thu được sosánh với số liệu của Ettema năm 1980 Kết quả so sánh cho thấy phù hợp với

số liệu của Ettama, từ đó cho phép áp dụng công thức chuyển động bùn cátphẳng với một giá trị ứng suất tiếp để mô hình hóa hố xói phát triển theo thời

gian Tseng và cộng sự (2000) [91] xây dựng một mô hình số với trụ vuông

và trụ tròn Tác giả nhận thấy dòng chảy đi xuống được hình thành trước mặt

trụ và các tác động của nó tạo thành các cuộn xoáy móng ngựa Sumer và

cộng sự (2002) [89] sử dụng một mô hình thủy động học thể tích hữu hạn với

mô hình rối k- để mô phỏng dòng chảy 3 chiều xung quanh một trụ Ôngcũng thu được tất cả các đặc trưng của quá trình xói (như xoáy hình móng

ngựa, sự gợn sóng ở đáy, hình dạng của hố xói, ) và chiều sâu xói cân bằngxấp xỉ với các kết quả đo Tuy nhiên mô hình Sumer khó áp dụng vào thực tế

do thời gian tính toán đến khi xói đạt giá trị cân bằng mất vài tuần Nagata và

cộng sự (2002) [74] giới thiệu một mô hình k- phi tuyến tính hệ toạ độ biên

di động để mô phỏng trường dòng chảy xung quanh trụ cầu Salaheldin và

cộng sự (2004) [82] nghiên cứu dòng chảy rối 3D xung quanh trụ thẳng đứng

sử dụng phần mềm thương mại FLUENT Ông sử dụng mô hình dòng chảythể tích 2 pha Hai điều kiện xói, đáy phẳng và hố xói được đưa vào trong môphỏng xói nước trong Một số mô hình rối được sử dụng để nghiên cứu, baogồm: mô hình Spalart-Allmaras một phương trình, mô hình k- hai phươngtrình và mô hình ứng suất Reynolds (RSM) Những mô hình này được phântích dựa trên ứng suất tiếp tại đáy và trường vận tốc, kết quả mô phỏng được

so sánh với các kết quả nghiên cứu trước đó Mô hình một phương trình chokết quả có độ tin cậy thấp Mô hình k- sử dụng hiệu quả trong mô phỏngtrường vận tốc nhưng không khả thi trong mô phỏng ứng suất đáy Mô hìnhứng suất Reynolds sử dụng tốt cho mô phỏng trường vận tốc và ứng suất tiếp

đáy trên đáy phẳng và hố xói Zhang và cộng sự (2005) [102] phân tích

trường dòng chảy bằng cách giải phương trình Navier-Stokes (RANS) trung

bình Reynolds kết hợp với mô hình rối k- Evagelia D.Farsirotou và cộng

sự (2005) [47] sử dụng mô hình HEC-RAS và các phương trình CSU vàFroehlish để dự đoán chiều sâu xói lớn nhất Tác giả cũng tiến hành các thínghiệm sử dụng các trụ vuông và trụ tròn với các kích thước bề rộng khácnhau và so sánh giữa chiều sâu xói cân bằng thực đo và chiều sâu xói dự đoánbằng mô hình HEC-RAS Kết quả sử dụng mô hình hai chiều dự đoán khá

hợp lý chiều sâu xói lớn nhất của trụ cầu Esmaeili, T, và cộng sự (2009) [46]

đã tiến hành nghiên cứu một cầu bắc qua sông Tanana, Mỹ Chương trìnhSSIIM sử dụng mô hình rối k- để dự đoán chiều sâu xói lớn nhất tại các trụcầu Mô hình SSIIM có thể giải các bài toán chuyển động dòng chảy và bùncát ba chiều theo thời gian và mô phỏng chuyển động bùn cát trong những

hình dạng đáy kênh phức tạp Gamal H.Elsaeed và cộng sự (2011) [52] sử

dụng mô hình số 3D –SSIIM để dự đoán xói cục bộ trụ cầu trong đất cát Kếtquả mô phỏng số cho thấy chiều sâu xói lớn nhất lớn hơn kết quả với quan sátthực địa của Sharafaddin (2003) là 2% Điều này chứng tỏ các kết quả môphỏng khá phù hợp với các quan sát thực địa

1.3.4.2 Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trong nước

Trong vài năm trở lại đây, một số nhà khoa học nước ta đã phát triểnmột số mô hình số để mô phỏng quá trình truyền triều, lũ lụt, xâm nhập mặn

và đánh giá chất lượng nước trên hệ thống sông ngòi, kênh, suối PGS.TSNguyễn Tất Đắc (2005) [2] đã xây dựng một mô hình thủy lực số trị mộtchiều cho quá trình truyền triều và lan truyền mặn trên hệ thống kênh, sông,

sử dụng chương trình SAL (Hà Lan) để tính toán sự truyền triều và xâm nhậpmặn trên một số sông ở Miền Nam và Đồng bằng sông Cửu Long GS.TSKHLương Phương Hậu (Trường Đại học Xây dựng) (2010) [4] đã xây dựng được

mô hình toán tính toán diễn biến lòng sông dưới tác dụng tổng hợp của hệthống công trình chỉnh trị sông ở Việt Nam, ông đã đề xuất mô hình số 3chiều tính toán xói cục bộ khu vực mỏ hàn cho trường hợp có bùn cát lơ lửngtrong dòng chảy ngập, đề xuất các giải pháp khoa học, công nghệ cho hệthống công trình chỉnh trị sông trên các đoạn trọng điểm vùng đồng bằng Bắc

Bộ và Nam Bộ PGS.TS Lê Văn Nghị (2005) [6] đã xây dựng mô hình haichiều đứng bằng cách giải hệ phương trình Reynolds hai chiều đứng trongkhông gian có giới hạn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứucác đặc trưng thủy động lực học công trình tháo cột nước thấp và ổn định lòngdẫn hạ lưu cống vùng triều, xác định sự phân bố vận tốc, áp suất và đườngmặt nước, đánh giá ảnh hưởng của hình dạng, kích thước kết cấu tiêu năngđến phân bố vận tốc dòng chảy ở hạ lưu công trình Mô hình của PGS TS LêVăn Nghị cũng đã được kiểm chứng qua một số kết quả thí nghiệm mô hìnhvật lý trong phòng và đã thu được kết quả khá phù hợp PGS.TS Nguyễn Thọ

Sáo (Trường Đại học KHTN-Đại học Quốc gia Hà Nội) (2008) [7] đã xâydựng mô hình toán áp dụng phần mềm HEC-RAS 1 chiều và MIKE21C 2chiều để nghiên cứu các giải pháp đoạn sông phân lạch Trung Hà trên sông

Đà nhằm hoàn thiện tuyến vận tải thủy từ Hải Phòng đến nhà máy thủy điệnSơn La TS Đặng Hữu Chung (Viện Cơ học Việt Nam) (2007) [42] phát triểnphần mềm FSUM ba chiều và được áp dụng để mô phỏng quá trình vậnchuyển bùn cát và hình thái động học của bờ biển Hải Hậu (Nam Định) ởMiền Bắc Việt Nam Số liệu thực tế về điều kiện sóng, gió và nồng độ bùn cát

lơ lửng dựa trên số liệu thu thập tại trạm quan sát gần cửa Ba Lạt Kết quảtính toán cho thấy các yếu tố thủy động lực học phụ thuộc đáng kể vào điềukiện gió, địa hình khu vực cửa sông và các tham số này chi phối phươnghướng và phạm vi chuyển động bùn cát lơ lửng đặc biệt là tại các khu vựcnước nông do chịu ảnh hưởng của sự biến đổi đột ngột của độ dốc đáy Kếtquả nhiên cứu cũng chỉ ra rằng, xu hướng chung của sự chuyển động bùn cát

từ phía bắc xuống phía nam là đặc trưng của vùng bờ biển Hải Hậu, đồng thời

bờ biển bị xói lở lớn, đặc biệt là khu vực gần cửa Ba Lạt Ngoài ra còn một sốnhà nghiên cứu ở Viện Cơ học Việt Nam, Trường Đại học Xây dựng, TrườngĐại học Thủy Lợi, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,v.v đã đề xuất một số

mô hình dòng chảy 1 chiều, 2 chiều để nghiên cứu các đặc trưng, chế độ thủytriều biển, ven bờ, xói lở bờ biển, sông, hồ, luồng lạch, môi trường biển, lantruyền ô nhiễm, tràn dầu, Bên cạnh đó còn có một số những nghiên cứu khácchủ yếu áp dụng một số các mô hình dòng chảy ba chiều thương mại (ví dụnhư Mike 3, Delft-3D, Flo-3D,…) để nghiên cứu về cấu trúc dòng chảy vàvận tải bùn cát ở vùng cửa sông ven biển nào đó, hầu như chưa có công trìnhnghiên cứu nào nghiên cứu về cấu trúc ba chiều trường dòng chảy xung quanhcác công trình thủy lực (trụ cầu) trong sông

Từ những khảo sát trên chúng ta có thể thấy rằng, hiện nay ở trongnước, chưa có công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số để

dự tính xói cục bộ trụ cầu

1.3.4.3 Một số phần mềm mô phỏng thủy động lực học thông dụng trên thế giới hiện nay

Nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực phần mềm máytính, một số phần mềm động lực học chất lỏng tính toán đã được ứng dụng đểtính xói trụ cầu, có thể kể đến một số phần mềm thông dụng hiện nay baogồm:

1) Phần mềm HEC-RAS [92] (Hydrologic Engineering Center's River

Analysis System) của Cục kỹ thuật công trình quân đội Mỹ Mô hình RAS là hệ thống phần mềm tổng hợp, được thiết kế để sử dụng trong môitrường nhiều chức năng có ảnh hưởng lẫn nhau Các mô đun trong Mô hìnhHEC-RAS đều được xây dựng dựa trên những cơ sở lý thuyết có liên quan tớinhững khả năng tính toán khác nhau Nhưng trong tất cả các mô đun đều có

HEC-sử dụng chung hai phương trình cơ bản là phương trình năng lượng vàphương trình động lượng Đối với công trình cầu vượt sông, để phục vụ dựbáo xói chung dưới cầu do cầu thu hẹp dòng chảy và xói cục bộ tại chân trụ

và mố cầu, trong Mô hình HEC-RAS còn sử dụng các phương trình bán thựcnghiệm Phương trình cơ bản được sử dụng trong HEC-RAS là phương trìnhnăng lượng (phương trình Becnuli) dùng để xác định đường mặt nước từ mặtcắt này đến mặt cắt khác:

h2+z2+α2v23

2 g =h1 +z1+α1v13

2 g +h e (1.5)

Trong đó, h là chiều sâu dòng chảy, v là vận tốc dòng chảy trung bình,

z là cao độ đáy, he là tổn thất năng lượng đơn vị giữa hai mặt cắt

Phương trình thứ hai là phương trình bảo toàn động lượng xuất phát từđịnh luật 2 Newton có dạng:

P2−P1+W x−F f=∑ρV Q v x (1.31)

trong đó, P là áp lực thủy tĩnh, Ff là lực ma sát, Wx là trọng lực của khốinước theo phương x, Q là lưu lượng nước, vx là lưu tốc mặt cắt ở biên.

Mô hình HEC-RAS sử dụng công thức tính chiều sâu xói cục bộ lớnnhất của Richardson (1990) [80] thuộc Trường Đại học bang Colorado (Mỹ):

h c

h =2.0 K1K2K3K4(b h)0.65Fr10.43 (1.6)

trong đó, h là chiều sâu dòng chảy đến trụ, K1 là hệ số điều chỉnh dohình dạng đầu trụ, K2 là hệ số điều chỉnh do góc nghiêng dòng chảy tác dụngvào mặt trụ, K3 là hệ số điều chỉnh do tình trạng đáy sông, K4 là hệ số điềuchỉnh để giảm bớt chiều sâu xói cục bộ trong trường hợp đáy sông có bùn cátthô đường kính d50>60mm làm thô hóa đáy xói

Nhận xét:

Phần mềm HEC-RAS cho phép tính toán thủy lực dòng sông sử dụng cácgiả thiết coi dòng chảy trên sông là dòng chảy một chiều, ổn định và không ổnđịnh, tính toán vận chuyển bùn cát, tính xói chung, xói cục bộ trụ cầu [92].Tuy nhiên, do mô hình HEC-RAS tính cho dòng chảy một chiều và sử dụngcông thức bán thực nghiệm để tính chiều sâu xói nên không phân tích được cơchế dòng chảy xung quanh trụ và khó áp dụng ở các bài toán thực tế

2) Phần mềm FLUENT-3D [49] (Mỹ) là một phần mềm đa chức năng

được sử dụng trong ngành xây dựng, y tế, cơ học, có khả năng mô phỏngdòng chảy, truyền nhiệt, tương tác hóa học FLUENT phân tích và giải các bàitoán thủy động lực học dựa trên các nguyên lý bảo toàn khối lượng, bảo toànđộng lượng và bảo toàn năng lượng Mô hình FLUENT-3D giải đầy đủphương trình Navier-Stokes trong bài toán thủy lực công trình Một ưu điểmnổi trội của FLUENT-3D là sử dụng kỹ thuật mô hình hóa dòng chảy nhiềupha FLUENT-3D sử dụng mô hình đa pha Euler với tập hợp các phươngtrình động lượng và phương trình liên tục trong mỗi pha Cấu trúc của các

phương trình này phụ thuộc vào loại pha, bao gồm các dòng chảy mang hạtbùn cát (chất lỏng-chất rắn) và các dòng chảy không mang hạt [107].

Phương trình bảo toàn khối lượng pha thứ q:

Phương trình bảo toàn động lượng:

Mô hình FLUENT-3D đã được sử dụng để mô phỏng cơ chế dòng chảy

3 chiều và trường vận tốc xung quanh trụ, đã chỉ ra được cơ chế hình thànhxói cục bộ xung quanh trụ, tuy nhiên kết quả tính xói so sánh với kết quả đothí nghiệm vẫn tồn tại sai số lớn đặc biệt là khi mô phỏng trụ cầu có đườngkính lớn Mặt khác, nhược điểm của mô hình FLUENT-3D là không giải quyếtđược bài toán chuyển động bùn cát và tính rối đây chính là các tham số cơbản ảnh hưởng đến xói đồng thời FLUENT-3D chỉ mô phỏng được bài toántrụ cầu đơn, chưa giải được bài toán trụ cầu phức tạp [99]

3) Phần mềm FLOW-3D [48]