...GT Dong luc hoc dong song.pdf

Trong quá trình khai thác và lợi dụng tổng hợp nguồn nước, một số công trình được xây dựng trên sông, làm cho các điều kiện thuỷ văn thuỷ lực bùn cát, điều kiện cấu thành lòng sông cũng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

PGS TS Hoàng Ngọc quang

GIÁO TRÌNH

ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG SÔNG

Hà Nội, năm 2014

MỞ ĐẦU

Sông ngòi là nguồn tài nguyên thiên nhiên cùng phong phú và không thể thiếu đối với cuộc sống của con người Nó đem lại cho con người rất nhiều lợi ích nên ở hai bên bờ sông thường là nơi tập trung dân cư, các thành phố thị trấn làng mạc; các trung tâm chính trị kinh tế, văn hoá, xã hội Bên cạnh đó, hàng ngày sông ngòi cũng gây nên những tác hại ghê gớm như lũ lụt, bồi lắng và xói lở lòng sông gây nên những diễn biến phức tạp trên lòng sông làm ảnh hưởng đến phòng lũ, giao thông thuỷ, nhất là ở vùng cửa sông chịu ảnh hưởng của sóng gió, thuỷ triều, dòng hải lưu v.v.v Để chế ngự dòng sông, hạn chế những mặt hại và khai thác những mặt lợi của nó trong tương lai, bằng trí tuệ của con người cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã và đang đề

ra những biện pháp chỉnh trị để uốn nắn và khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá này

Trong quá trình khai thác và lợi dụng tổng hợp nguồn nước, một số công trình được xây dựng trên sông, làm cho các điều kiện thuỷ văn thuỷ lực bùn cát, điều kiện cấu thành lòng sông cũng thay đổi gây nên sự biến hình lòng sông ở thượng và hạ lưu công trình

Động lực học sông ngòi là môn khoa học chuyên nghiên cứu các quy luật cơ học của các quy trình vận động và phát triển của dòng sông dưới sự tác dụng tương hỗ giữa dòng nước và lòng sông thông qua yếu tố bùn cát, trong điều kiện tự nhiên hay dưới sự tác động của các công trình và các hoạt động của con người

Vấn đề trọng tâm của động lực học sông ngòi là sự tác động qua lại giữa dòng nước và lòng dẫn thông qua sự chuyển động của bùn cát Hai yếu tố cấu thành lòng sông này bằng các tác động cơ học và vật lý, sự vận động của dòng nước làm lòng dẫn thay đổi kích thước, hình dạng và vị trí Lòng dẫn mới hình thành lại làm thay đổi trạng thái và kết cấu của dòng nước Như vậy, sự tác động qua lại giữa dòng nước và lòng dẫn cứ thế tiếp diễn và không ngừng thay đổi Hai yếu tố này luôn mâu thuẫn nhau, khống chế lẫn nhau nhưng đồng thời cũng dựa vào nhau để tồn tại, để cùng tạo

ra một sản phẩm duy nhất là dòng sông

Phương pháp nghiên cứu

Hiện nay có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học sông ngòi được quan tâm, cụ thể là các vấn đề sau:

Nghiên cứu sự phân bố địa lý trong quá trình hình thành và phát triển của sông ngòi, mối quan hệ của nhân tố này với tình hình diễn biến dòng sông Đồng thời nghiên cứu về địa mạo lũng sông, lưu vực sông, về tác dụng giữa yếu tố động lực và hình thái lòng sông

Nghiên cứu vấn đề cơ học phức tạp giữa dòng chảy lòng sông và sự chuyển động của bùn cát, đồng thời ứng dụng những phương pháp vật lý, cơ học bằng những công cụ toán học để phân tích, tính toán tìm ra quy luật diễn biễn dòng sông

Nội dung của môn học bao gồm:

Lý luận về dòng chảy sông ngòi;

Dòng chảy vòng ở đoạn sông cong;

Các đặc trưng của bùn cát và sự chuyển động của nó trong sông ngòi;

Quá trình hình thành và diễn biến dòng sông;

Diễn biến dòng sông ở vùng cửa sông và hạ lưu công trình;

Tính toán bồi lắng kho nước

Lịch sử phát triển của động lực học sông ngòi thực chất xuất phát từ yêu cầu giải quyết các vấn đề thực tiễn sản xuất, phục vụ cho đời sống con người Khoa học chỉnh trị có lịch sử phát triển sớm hơn so với động lực học sông ngòi Từ thời cổ đại ở các nước Ai Cập, Ấn Độ, vấn đề phòng lũ, tưới tiêu vận tải thuỷ đã phát triển từ rất sớm, hay ở các nước Trung Quốc, Việt Nam do yêu cầu phòng chống lũ, bảo vệ bờ mà

đê điều đã được hình thành từ những thế kỷ đầu của công nguyên Tại các nước châu

Âu, châu Mỹ các công trình chỉnh trị sông phục vụ cho giao thông vận tải thuỷ xuất hiện từ những thế kỉ XVII- XVIII Cho đến nửa thế kỷ XIX ở các nước này khoa học động lực học sông ngòi và chỉnh trị sông mới thực sự được phát triển mạnh mẽ Những nghiên cứu của các nhà khoa học Pháp như Du Boys về chuyển động của bùn cát, Barre de Saint -Vernant về dòng không ổn định, L Fargue về hình thái dòng sông uốn khúc vào năm 1895 nhà khoa học Nga Lotchin V.M đã đưa ra luận văn “cơ cấu lòng sông” làm cơ sở cho môn động lực học sông ngòi ở Nga về sau này

Từ thế kỷ XIX trở về trước có thể xem là thời kỳ tổng kết kinh nghiệm xây dựng môn Động lực học sông ngòi Đến đầu thế kỷ XX do công tác chỉnh trị sông phát triển mạnh mẽ kéo theo những lý luận có liên quan trước cùng phát triển, do đó môn Động lực học sông ngòi trở thành môn khoa học độc lập, xuất hiện đầu tiên ở Liên Xô sau đó xuất hiện trên các nước tiên tiến khác trên thế giới

Động lực học sông ngòi và chỉnh trị sông được nghiên cứu và phát triển mạnh

mẽ vào giữa thế kỷ XX Với các đóng góp lớn lao của các nhà khoa học Xô Viết như Bernadski về chuyển động hai chiều, Vêlikanốp về quá trình diễn biến lòng sông, Gôntrarôp và Lê Vi về chuyển động của bùn cát, Antunin và Grisanhin về chỉnh trị sông.v v

Vào thời gian này cũng đã nổ ra những cuộc tranh luận gay gắt giữa lý thuyết khuyếch tán và lý thuyết trọng lực Ngoài ra, ở Tây Âu còn có những công trình chuyển động của bùn cát của Meyer Peter và Muller, về hình thái lòng sông ổn định của các nhà khoa học Anh Kennedy R.G và Lindley E.S Nhiều công trình nghiên cứu

về dòng chảy và chuyển động của bùn cát của các nhà khoa học Mỹ Enstein H.A., Ven

te chow v v

Từ giữa thế kỷ XX đến nay do ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật, đặc biệt là các kỹ thuật tính toán Động lực học sông ngòi đã có những bước phát triển mới bằng việc hoàn thiện mô hình hoá các hiện tượng thuỷ lực phức tạp, bằng những thiết

bị hiện đại trong đo đạc, nhanh chóng và chính xác trong nghiên cứu thực địa Trong nghiên cứu mô hình vật lý thực hiện được những tiêu chuẩn tương tự khó hoặc trong

mô hình toán đã giải quyết được các bài toán về dòng không ổn định nhiều chiều bằng phương pháp số.v v Đã xuất hiện những tên tuổi như Cunge J.A(Pháp), Mamak W(Ba Lan), Grisanhin K.V(Liên Xô).v v hoặc xuất hiện những công trình tập thể, cơ quan nghiên cứu như DELFT(Hà Lan), Học viện thuỷ lợi Vũ Hán (Trung Quốc) v v

Cùng với sự phát triển của khoa học Động lực học sông ngòi và chỉnh trị sông trên thế giới, ở Việt Nam, ông cha ta đã biết lợi dụng nguồn nước để phục vụ nông nghiệp Kể từ thời đại đồ đá cũ đến thời đại đồ đồng, bốn nghìn năm vua Hùng dựng nước, hệ thống đê điều, công trình thuỷ lợi dần dần được phát triển Từ năm 983 thời

Lê Hoàn đã đào sông, rồi qua các đời Lý, Trần, Lê việc tu bổ đê điều phòng lụt, khơi dòng nạo vét lòng phục vụ cho giao thông thuỷ đã được tiến hành thường xuyên Đến thế kỷ XVI, XIII sang thời kỳ Pháp thuộc, nhiều công trình thuỷ lợi phục vụ tưới, tiêu được xây dựng

Từ ngày hoà bình lập lại, việc nghiên cứu Động lực học sông ngòi được bắt đầu vào cuối những năm 60 của thế kỷ trước, với các công trình phục vụ phòng chống lũ lụt, giao thông thuỷ và chống bồi lắng cửa lấy nước ở các công trình tưới ruộng, phục

vụ cho nông nghiệp trên các sông miền Bắc, điển hình là các công trình nghiên cứu, tính toán về chuyển động không ổn định của Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Ân Niên, Lương Phương Hậu v.v

Hiện nay, nhà nước ta đã và đang đầu tư đáng kể vào các cơ sở nghiên cứu thí nghiệm chuyên sâu Nhiều viện nghiên cứu khoa học thuỷ lợi miền Bắc, phòng thí nghiệm động lực và chỉnh trị sông (của Viện khoa học thuỷ lợi miền Nam), Viện thiết

kế giao thông vận tải, trường Đại học Thuỷ Lợi, trường Đại học Xây Dựng v v tập trung một lực lượng đáng kể cán bộ khoa học trẻ được đào tạo trong và ngoài nước đã

và đang nắm bắt được các thành tựu tiến bộ khoa học công nghệ mới của thế giới, chắc chắn sẽ có những đóng góp tích cực cho sự phát triển nghành khoa học Động lực sông ngòi và Chỉnh trị sông ở nước ta trong tương lai

1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: LÝ LUẬN VỀ DÒNG CHẢY TRONG SÔNG NGÒI 5

1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG CHẢY TRONG SÔNG 5

1.2 PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY TRONG SÔNG THIÊN NHIÊN 6

1.3 DÒNG CHẢY RỐI 11

1.4 LÝ LUẬN TRUYỀN ĐỘNG LƯỢNG TRONG DÒNG CHẢY RỐI 17

1.5 PHÂN BỐ TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY TRONG LÒNG DẪN HỞ 24

1.6 DÒNG CHẢY VÒNG Ở ĐOẠN SÔNG CONG 29

Bài tập chương 1 48

Chương II: CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA BÙN CÁT TRONG SÔNG 50

2.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI BÙN CÁT 50

2.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BÙN CÁT 53

Chương III: CHUYỂN ĐỘNG CỦA BÙN CÁT TRONG SÔNG 75

3.1 SỰ KHỞI ĐỘNG CỦA BÙN CÁT ĐÁY 75

3.2 TỐC ĐỘ KHỞI ĐỘNG CỦA HẠT BÙN CÁT 78

3.3 SUẤT CHUYỂN CÁT ĐÁY 88

3.4 CHUYỂN ĐỘNG CỦA BÙN CÁT LƠ LỬNG 91

3.5 TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRONG SÔNG 97

3.6 SUẤT CHUYỂN CÁT LƠ LỬNG (LƯU LƯỢNG BÙN CÁT LƠ LỬNG ĐƠN VỊ) 98

Bài tập chương 3 105

CHƯƠNG IV : QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ DIỄN BIẾN DÒNG SÔNG 108

4.1 KHÁI NIỆM - PHÂN ĐOẠN SÔNG NGHIÊN CỨU 108

4.2 NGUYÊN NHÂN VÀ CÁC HÌNH THỨC DIỄN BIẾN DÒNG SÔNG 109

4.3 SỰ HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA SÔNG NGÒI 114

4.4 SỰ DIỄN BIẾN CỦA SÔNG ĐỒNG BẰNG 120

4.5 GHỀNH CẠN 126

CHƯƠNG V- QUAN HỆ HÌNH THÁI SÔNG NGÒI 138

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG 138

5.3 ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA LÒNG SÔNG VÀ CÁC CHỈ TIÊU ỔN ĐỊNH 141

5.4 CÁC BIỂU THỨC QUAN HỆ HÌNH THÁI SÔNG 143

CHƯƠNG V ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG TRÊN SÔNG ĐẾN DIỄN BIẾN LÒNG SÔNG 162

6.1 KHÁI NIỆM CHUNG 163

6.2 DIỄN BIẾN LÒNG SÔNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐẬP NGĂN SÔNG 164

6.3 DIỄN BIẾN LÒNG SÔNG Ở GẦN CÁC CỬA LẤY NƯỚC 191

2

6.4 DIỄN BIẾN LÒNG SÔNG Ở GẦN CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG TRÊN SÔNG 196 6.5 DIỄN BIẾN LÒNG SÔNG Ở GẦN CÁC CÔNG TRÌNH TRỊ SÔNG 197 TÀI LIỆU THAM KHẢO 205