Nghiên cứu chế độ thủy lực và giải pháp tiêu năng phòng xói công trình cống kênh cụt thành phố rạch giá, tỉnh kiên giang

Cống Kênh Cụt có bề rộng thông nước lớn, đặt trên nền địa chất mền yếu, tính kháng xói thấp, ảnh hưởng của thủy triều…Nhũng vấn đề này cho thấy chế độ thủy lực dòng chảy qua công trình l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐỖ VĂN ĐẠO

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CÔNG TRÌNH CỐNG KÊNH CỤT THÀNH PHỐ RẠCH GIÁ, TỈNH KIÊN GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐỖ VĂN ĐẠO

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CÔNG TRÌNH CỐNG KÊNH CỤT THÀNH PHỐ RẠCH GIÁ, TỈNH KIÊN GIANG

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60 - 58 – 02 - 02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1 TS LÊ TRUNG THÀNH

2 PGS.TS NGUYỄN THANH HẢI

LỜI CAM KẾT CỦA TÁC GIẢ

Tên tôi là: Đỗ Văn Đạo

Lớp cao học: CH23C11, chuyên ngành Xây dựng công trình thủy tại Cơ sở 2 – Đại học Thủy lợi

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu chế độ thủy lực và giải pháp tiêu năng phòng xói công trình cống Kênh Cụt thành phố Rạch Giá, tỉnh Kiên Giang” là công trình nghiên cứu

do chính tôi Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Lê Trung Thành và PGS.TS Nguyễn Thanh Hải, đề tài này chưa được công bố trên bất kỳ tạp chí, sách báo nào Các trích dẫn

và số liệu sử dụng trong luận văn có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi Nếu có điều gì sai trái, không đúng với lời cam đoan này, Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2017

Người viết cam kết

Đỗ Văn Đạo

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS Lê Trung Thành và PGS.TS Nguyễn Thanh Hải, những người hướng đã hướng dẫn tận tình tôi để hoàn thành luận văn này Bên cạnh đó tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới quý thầy cô giáo đã giảng dạy trong xuất quá trình học tập tại Cơ sở 2 – Đại học Thủy lợi, các anh chị của Trung tâm Thủy Công & Thủy Lực – Viện khoa học Thủy lợi Miền Nam đã tạo điều kiện hướng dẫn tận tình

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tấm lòng của những người thân trong gia đình, bạn

bè đồng nghiệp đã động viên khích lệ tôi trong xuất quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Vì thời gian hoàn thành luận văn có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và đồng nghiệp, bạn bè để tôi hoàn thiện tốt hơn trong quá trình nghiên cứu và công tác sau này

Xin trân trọng cảm ơn./

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2017

Tác giả

Đỗ Văn Đạo

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

IV KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CHO CỐNG VÙNG TRIỀU 3

1.1 Đặc điểm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu cống 3

1.1.1 Nối tiếp chảy đáy sau bậc 3

1.1.2 Nối tiếp chảy mặt sau bậc 5

1.2 Các biện pháp tiêu năng phòng xói thượng hạ lưu cống 9

1.2.1 Tiêu năng thượng hạ lưu cống 9

1.2.2 Tiêu năng dòng chảy đáy, mặt, phóng xa 10

1.3 Nghiên cứu về xói cục bộ thượng hạ lưu công trình 13

1.3.1 Khái niệm 13

1.3.2 Diễn biến quá trình xói 13

1.3.3 Đặc điểm cống vùng triều 14

1.3.4 Các dạng đặc trưng xói hạ lưu cống vùng triều 15

1.3.5 Một số sự cố của công trình liên quan đến vấn đề xói lở 15

1.4 Một số kết quả nghiên cứu liên quan của nước ngoài 16

1.5 Một số kết quả liên quan ở trong nước 16

Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CÔNG TRÌNH CỐNG VÙNG TRIỀU 20

2.1 Đặc điểm dòng chảy sau cống và ý nghĩa tiêu năng phòng xói 20

2.1.1 Đặc điểm dòng chảy sau cống 20

2.1.2 Ý nghĩa tiêu năng phòng xói 21

2.2 Các vấn đề thủy lực và phương hướng giải quyết 21

2.2.1 Các vấn đề thủy lực 21

2.2.2 Xác định nguyên nhân dẫn đến tới bất lợi về mặt thủy lực khu vực hạ lưu 22

2.2.3 Phương hướng giải quyết 23

2.3 Các phương pháp nghiên cứu diễn biến xói lở 23

2.3.1.Mô hình toán 23

2.3.2.Điều tra thực địa 24

2.3.3.Mô hình vật lý 24

2.3.4.Công nghệ ảnh viễn thám 25

2.4 Mô hình vật lý và lý thuyết tương tự 25

2.4.1 Khái niệm về mô hình vật lý 25

2.4.2 Lý thuyết tương tự thiết lập mô hình nghiên cứu 26

2.5 Tổng quan mô hình toán Mike 21/3 Couple 28

2.5.1 Moduyn thủy động lực MIKE21 HD 29

2.5.2 Moduyn tính vận chuyển bùn cát Mike21 MT 31

2.6 Các bước thiết lập mô hình Mike 21HD-MT 39

2.6.1 Xây dựng lưới mô hình tính toán 39

2.6.2 Thiết lập bộ thông số mô hình HD 40

2.6.2 Thiết lập bộ thông số mô hình MT 42

Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CHO CỐNG KÊNH CỤT 45

3.1 Tổng quan cống Kênh Cụt 45

3.1.1 Giới thiệu về cống Kênh Cụt 45

3.1.2 Công tác thiết kế cống Kênh Cụt 46

3.1.3 Vấn đề giải quyết tiêu năng phòng xói cho cống Kênh Cụt 47

3.2 Cơ sở lý luận của giải pháp tiêu năng phòng xói 47

3.2.1 Đặc điểm làm việc của cống Kênh Cụt 47

3.2.2 Cơ sở lý luận đề xuất giải pháp tiêu năng phòng xói 48

3.3 Phương pháp thực nghiệm mô hình thủy lực 49

3.3.1 Mô hình thủy lực cống 49

3.3.2 Các tài liệu cơ bản thí nghiệm mô hình 49

3.3.3 Thiết kế mô hình và trình tự thí nghiệm 49

3.3.4 Mô phỏng các trường hợp thiết kế 54

3.4 Mô phỏng diễn biến thủy lực trên mô hình Mike 21/3 54

3.4.1 Thiết lập mô hình 54

3.4.2 Kiểm định với mô hình vật lý 56

3.4.3 Mô phỏng các trường hợp đặc biệt và mô phỏng diễn biến thủy lực và tiêu năng phòng xói bằng mô hình 3 chiều 59

3.5 Kết quả mô hình vật lý và mô hình toán, phân tích biện pháp phòng xói công trình 62

3.5.1 Phân tích kết quả mô hình thực nghiệm 62

3.5.2 Phân tích kết quả trên mô hình toán 72

3.5.3 Phân tích biện pháp phòng xói công trình 84

Kết luận chương 3 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

1 Kết luận kết quả nghiên cứu 87

2 Kiến nghị 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 89

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nối tiếp chảy đáy sau bậc 3

Hình 1.2 Nước nhảy tại chỗ 4

Hình 1.3 Nước nhảy phóng xa 4

Hình 1.4 Nước nhảy ngập 5

Hình 1.5 Nối tiếp chảy mặt có ba trường hợp xảy ra 6

Hình 1.6 Nối tiếp chảy mặt không ngập 6

Hình 1.7 Khu cột nước cuộn 6

Hình 1.8 Nối tiếp chảy 6

mặt ngập 6

Hình 1.9 Nối tiếp mặt – đáy ngập 7

Hình 1.10 Nối tiếp chảy đáy hồi phục 7

Hình 1.11 Chảy ngập ở hạ lưu 8

Hình 1.12 Chảy ngập sau của van 8

Hình 1.13 Dòng chảy sau cống 9

Hình 1.14 Bể tiêu năng 10

Hình 1.15 Tường tiêu năng 11

Hình 1.16 Bể kết hợp tường tiêu năng 11

Hình 1.17 Kè chống sạt lở hạ lưu công trình Thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang (Vũ Quang – Hà Tĩnh) bị sạt lở nghiên trọng 15

Hình 2.1 Dòng chảy xoáy sau cống 20

Hình 2.2 Dòng chảy ngoằn ngèo sau cống 22

Hình 2.3 Đường quan hệ vận tốc lắng động và nồng độ bùn cát lơ lửng 34

Hình 2.4 Phạm vi xây dựng lưới mô hình nghiên cứu 39

Hình 2.5 Thiết lập dạng biên cho mô hình 39

Hình 2.6 Lưới mô hình và các biên được thiết lập 40

Hình 2.7 Lưới chi tiết mô phỏng công trình cống Kênh Cụt 40

Hình 2.8 Thông số về bước thời gian tính toán và hệ số CFL 41

Hình 2.9 Khai báo thông số về cạn và ngập 41

Hình 2.10 Thông số nhớt Eddy 41

Hình 2.11 Hệ số nhám vùng nghiên cứu 42

Hình 3.1 Vị trí công trình 45

Hình 3.2 Số liệu địa hình địa chất khu vực 55

Hình 3.3 Lưới chi tiết khu vực công trình 56

Hình 3.4 Mô phỏng khu vực công trình 56

Hình 3.5 Kết quả trên mô hình vật lý 57

Hình 3.6 Kết quả trường vận tốc dòng chảy Mike 3 HD 57

Hình 3.7 Kết quả trên mô vật lý 58

Hình 3.8 Kết quả trường vận tốc dòng chảy Mike 3 HD 58

Hình 3.9 Kết quả trường vận tốc dòng chảy (Mike 21HD và Mike 3 HD) Kịch bản KB1 60

Hình 3.10 Kết quả trường vận tốc dòng chảy (Mike 21HD và Mike 3 HD) Kịch bản KB2 60

Hình 3.11 Kết quả trường vận tốc dòng chảy (Mike 21HD và Mike 3 HD) Kịch bản KB3 61

Hình 3.12 Kết quả trường vận tốc dòng chảy (Mike 21HD và Mike 3 HD) Kịch bản KB4 61

Hình 3.13 Kết quả trường vận tốc dòng chảy (Mike 21HD và Mike 3 HD) Kịch bản KB5 62

Hình 3.14 Hiệu chỉnh cửa vào phía sông và phía biển ( phương án SĐCV 1) 68

Hình 3.15 Hiệu chỉnh cửa vào phía sông và phía biển ( phương án SĐCV 2) 69

Hình 3.16 Sửa đổi nối tiếp phía đồng (SĐTN 3) 70

Hình 3.17 Sửa đổi nối tiếp phía đồng (SĐTN 4) 70

Hình 3.18 Sơ đồ bố trí các vị trí của cống 73

Hình 3.19 Mô phỏng vận tốc dòng chảy (Mike 21 HD) trường hợp ( Q=294,8 m3/s; ZB=0.23m; ZĐ=0.18m) 73

Hình 3.20 Mô phỏng vận tốc dòng chảy mặt cắt dọc theo khoang cống 74

Hình 3.21 Mô phỏng vận tốc dòng chảy Mike 21 HD (Q = 241,5 m3/s; ZB= 0,5m; ZĐ= 0,47m) 74

Hình 3.22 Mô phỏng trường vận tốc dòng chảy tại mặt cắt dọc theo khoang cống 75

Hình 3.23 Mô phỏng vận tốc dòng chảy (Q= 64,3 m3/s; ZB= -0,39m; ZĐ= -0,4 m) 76

Hình 3.24 Mô phỏng vận tốc dòng chảy dọc khoang cống (Q= 64,3m3/s;ZB= -0,39; ZĐ =-0,4) 76

Hình 3.25 Mô phỏng vận tốc dòng chảy (Q= 294,8 m3/s; ZB= 0,23m; ZĐ= 0,18 m) 77

Hình 3.26 Mô phỏng trường vận tốc dòng chảy (Q= 294,8 m3/s; ZB= 0,23m; ZĐ= 0,18 m) 78

Hình 3.27 Trường vận tốc dòng chảy tại mặt cắt dọc cống trường hợp đóng cửa giữa 78

Hình 3.28 Trường vận tốc dòng chảy trường hợp đóng hai cửa bên 79

Hình 3.29 Trường vận tốc dòng chảy tại mặt cắt dọc qua khoang công 79

Hình 3.30 trường vận tốc dòng chảy trường hợp đóng hai cửa 1 và 2 80

Hình 3.31 Trường vận tốc dòng chảy tại mặt cắt dọc theo khoang cống 1 80

Hình 3.32 Mô phỏng trường vận tốc dòng chảy tổng thể trên mô hình ( Q = 482,3 m3/s; ZĐ = 0.33m; ZB = 0.23m) 81

Hình 3.33 Trường vận tốc dòng chảy tại mặt cắt dọc theo khoang cống 1 ( Q = 482,3 m3/s; ZĐ = 0.33m; ZB = 0.23m) 82

Hình 3.34 Mô phỏng trường vận tốc dòng chảy tổng thể các kịch bản tính toán 82

Hình 3.35 Mô phỏng trường vận tốc dòng chảy tại các mặt cắt dọc theo khoang cống các kịch bản tính toán 83

Hình 3.36 Trường vận chuyển bùn cát 84

Hình 3.37 Diễn biến xói 85

Hình 3.38 Diễn biến xói tại hai điểm P1 và P2 85

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Điều kiện biên mô hình 40

Bảng 3.1 Quan hệ giữa các đại lượng thông qua tỷ lệ mô hình 50

Bảng 3.2 Các tổ hợp kịnh bản 55

Bảng 3.3 Vận tốc tại các điểm xét 58

Bảng 3.4 Vận tốc tại các điểm xét 59

Bảng 3.5 Mô phỏng các trường hợp đặc biệt 59

Bảng 3.6 Chế độ thủy lực của hai phương án PATK và PASĐ 71

(Qmax và Zmax, ZBiển = +0,23 m, Zđồng= +0,18m, Z = 0,05 m) 71

Bảng 3.7 Chế độ thủy lực của hai phương án PATK và PASĐ 71

(ZCao, ZBiển= +0,50 m, ZĐồng= +0,47 m, Z = 0,03m) 71

Bảng 3.8 Chế độ thủy lực của hai phương án PATK và PASĐ 72

(ZTB, ZBiển= +0,12 m, Zbiển +0,10 m, Z = 0,02 m) 72

Bảng PL01 Kết quả sai số trên mô hình tổng thể (tỷ lệ mô hình 1/35) 90

Bảng PL02 Tổng hợp vận tốc trung bình – Trường hợp tiêu nước từ đồng ra biển 91

Bảng PL03 Tổng hợp vận tốc trung bình – Trường hợp lấy nước từ Biển vào Đồng 92

Bảng PL04 Chế độ thủy lực dòng chảy qua cống trong các tổ hợp kịch bản khác nhau 92

Bảng PL05 Các phương án sửa đổi cửa vào 94

Bảng PL06 Các phương án sửa đổi nối tiếp phía đồng 94

Bảng PL07 Chế độ thủy lực trước và sau cống ứng với phương án sửa đổi cửa vào 1 95

( Trường hợp tiêu nước từ đồng ra biển) 95

Bảng PL08 Chế độ thủy lực trước và sau cống ứng với phương án sửa đổi cửa vào 1 96

( Trường hợp lấy nước từ biển vào đồng) 96

Bảng PL09 Chế độ thủy lực trước và sau cống ứng với phương án sửa đổi cửa vào 2 98

( Trường hợp tiêu nước từ đồng ra biển) 98

Bảng PL10 Chế độ thủy lực trước và sau cống ứng với phương án sửa đổi cửa vào 2 99

( Trường hợp lấy nước từ biển vào đồng) 99

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Kiên Giang là tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long, nằm ven biển thuộc phía tây Việt Nam Nơi đây có bốn vùng đất đai chính là vùng phù sa ngọt thuộc tây sông Hậu, vùng phèn ngập lũ thuộc tứ giác Long Xuyên, vùng nhiễm mặn thuộc bán đảo Cà Mau và vùng đồi núi,hải đảo ở hai huyện Phú Quốc và Kiên Hải Là tỉnh nằm ven biển nên trong những năm gần đây cũng chịu nhiều ảnh hưởng của biến đổi khí hậu nước biển dâng làm ảnh hưởng không nhỏ tới đời sống của nhân dân trong vùng, trong đó nghành nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản chịu thiệt hại lớn

Vấn đề ngập úng, ngăn mặn xâm nhập, ngăn triều cường hầu hết là bài toán cấp thiết và cần được giải quyết cho các tỉnh ven biển chịu ảnh hưởng

Nghiên cứu các giải pháp ngăn triều cường, kiểm soát và thoát lũ, chống sạt lở tại các bờ sông nhằm giải quyết tình trạng ngập úng nhiễm mặn không chỉ là mục tiêu trước mắt mà

đó còn là bài toán lâu dài trong việc phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Để thực hiện được điều đó cần xây dựng một hệ thống công trình thủy lợi để đảm bảo phát huy được hết lợi thế trong vấn đề chống triều cường, ngăn mặn

Căn cứ vào đặc điển tự nhiên, điều kiện địa hình, tính chất sạt lở, quy hoạch phát triển khu vực, việc xây dựng các cống ngăn triều, chống xâm nhập mặn là vấn đề cần thiết và cấp bách, Vì vậy tiểu dự án cống Kênh Cụt đang được triển khai xây dựng

Cống vùng ven biển chịu ảnh hưởng của thủy triều nên diễn biến chế độ thủy lực dòng chảy qua cống diễn biến rất phức tạp

Cống Kênh Cụt có bề rộng thông nước lớn, đặt trên nền địa chất mền yếu, tính kháng xói thấp, ảnh hưởng của thủy triều…Nhũng vấn đề này cho thấy chế độ thủy lực dòng chảy qua công trình là rất phức tạp, việc tính toán, mô phỏng diễn biến thủy lực của dòng chảy, tính toán mô phỏng xói lở thượng, hạ lưu công trình, tính toán để đưa ra giải pháp tiêu năng phòng xói.Do đó để đáp ứng yêu cầu đặt ra và bền vững với điều kiện tự nhiên là vấn đề rất khó khăn trong quá trình thiết kế, vì vậy cần có thí nghiệm bằng mô hình thủy lực, kết hợp mô hình toán là rất cần thiết

Với những lý do trên học viên chọn đề tài “ Nghiên cứu chế độ thủy lực và giải pháp tiêu năng phòng xói công trình cống Kênh Cụt thành phố Rạch Giá, tỉnh Kiên Giang”

nhằm tìm được biện pháp tiêu năng phòng xói hợp lý cho công trình

II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu diễn biến thủy lực thượng hạ lưu cống Kênh Cụt

- Đề xuất biện pháp tiêu năng phòng xói hợp lý cho cống Kênh Cụt

- Kiểm nghiệm bằng mô hình vật lý và mô hình toán

- Khái quát được những kết quả nghiên cứu và rút ra những kết luận có tính chất tham khảo cho những công trình có hình thức và điều kiên tương tự

III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a.Cách tiếp cận

- Tiếp cận từ thực tế

- Kế thừa kết quả nghiên cứu đã có

- Tiếp cận mô hình thí nghiệm

- Tiếp cận mô hình toán

b.Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết

- Phương pháp mô hình vật lý, mô hình toán

- Phương pháp chuyên gia, kế thừa: Kế thừa kết quả từ những đề tài, dự án trước có liên quan

IV KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC

- Xác định được tổ hợp kịch bản vận hành cửa van gây bất lợi về thủy lực

- Xác định được kết cấu công trình tiêu năng nối tiếp hạ lưu cống

- Tìm ra mối tương quan của các yếu tố thủy lực kết hợp với tiêu năng phòng xói và đề gia được hình thức tiêu năng hợp lý cho cống Kênh Cụt

- So sánh được kết quả giữa mô hình vật lý và mô hình toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CHO CỐNG VÙNG TRIỀU

1.1 Đặc điểm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu cống

Chế độ thủy lực xuất hiện trong quá trình nước chảy từ thượng lưu về chân hạ lưu công trình gọi là hình thức nối tiếp dòng chảy thượng hạ lưu công trình

Dòng chảy từ thượng lưu về hạ lưu công trình qua ngưỡng cống có bậc thẳng đứng nối tiếp với dòng chảy hạ lưu công trình qua hai hình thức nối tiếp chủ yếu đó là

- Hình thức nối tiếp chảy đáy

- Hình thức nối tiếp chảy mặt

1.1.1 Nối tiếp chảy đáy sau bậc

Với những độ sâu hạ lưu không lớn lắm, trạng thái dòng chảy có thể xuất hiện dòng chảy đáy ở hạ lưu công trình có thể là dạng nối tiếp bằng nước nhảy phóng xa hay nước nhảy tại chỗ hoặc là nước nhảy ngập, trong trường hợp này lưu tốc lớn nhất của dòng chảy xuất hiện ở gần đáy lòng dẫn

Dòng chảy hạ lưu là dòng êm, trong trường hợp này dòng chảy qua ngưỡng đổ xuống hạ lưu xuất hiện mặt cắt co hẹp c - c, tại mặt cắt co hẹp độ sâu dòng chảy (hC) là nhỏ nhất và lưu tốc đạt giá trị lớn nhất, có hC < hK, do vậy nối tiếp chảy đáy bắt buộc phải qua nước nhảy Dạng và vị trí của nước nhảy phụ thuộc vào năng lượng đơn vị của mặt cắt co hẹp

và mặt cắt dòng chảy êm phía hạ lưu công trình Gọi h”C là độ sâu liên hiệp với hC, h’h là

độ sâu liên hiệp với hh

Hình 1.1 Nối tiếp chảy đáy sau bậc

Khi chiều sâu liên hiệp của nước nhảy bằng chiều sâu nước hạ lưu (h”C= hh), nước nhảy bắt đầu từ mặt cắt co hẹp c - c và chiều sâu trước nước nhảy bằng chiều sâu tại mặt cắt co



hẹp (h’h = hC), trường hợp này gọi là nước nhảy tại chỗ Năng lượng thừa được tiêu hao phần lớn bằng nước nhảy Dạng nước nhảy này không ổn định vì không có công trình nào thoả mãn được lưu lượng ổn định theo thời gian

Khi chiều sâu liên hiệp h”C lớn hơn hh, nước nhảy bị đẩy về phía hạ lưu so với mặt cắt co hẹp c- c, đoạn trước nước nhảy dòng chảy xiết (đường nước dâng) Năng lượng dư một phần tiêu hao trên đoạn nước dâng và bằng nước nhảy, dạng này gọi là nước nhảy phóng

xa

Khi chiều sâu liên hiệp h”C nhỏ hơn hh, năng lượng dòng chảy hạ lưu lớn hơn năng lượng

dư, nước nhảy bị đẩy gần về phía công trình, nước nhảy làm ngập mặt cắt co hẹp bởi khu nước vật ở trên, dạng này gọi là nước nhảy ngập Mức độ ngập được đặc trưng bởi hệ số

Nếu h”C = hh (hay h’h = hC) có nước nhảy tại chỗ

Hình 1.2 Nước nhảy tại chỗ Nếu h”C > hh (hay h’h > hC) có nước nhảy phóng xa

Hình 1.3 Nước nhảy phóng xa Nếu h”C < h’h (hay h’h < hC) có nước nhảy ngập

h h k

i<i C

h

''

hc = h C

hn

®-êng n-íc d©ng C 1

1

l p k

C

k

h ''

hc > h C

h n

h k

k

Hình 1.4 Nước nhảy ngập

Để tiêu năng dòng đáy thường được dùng các biện pháp công trình sau:

- Tiêu năng bằng bể tiêu năng

- Tiêu năng bằng tường tiêu năng

- Tiêu năng kết hợp cả tường và bể

Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, đạt giá trị lớn cả về tần

số và biên độ, có khả năng gây xói lở Để tăng hiệu qủa tiêu năng, giảm độ sâu sau nước nhảy bằng bố trí thiết bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tạo tường phân dòng

để khuếch tán đều ở hạ lưu, tạo sự xung kích nội bộ dòng chảy càng mãnh liệt và tăng ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó làm tiêu hao một phần năng lượng Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước thấp, địa chất nền tương đối kém

1.1.2 Nối tiếp chảy mặt sau bậc

Để ngắn gọn, ta gọi hình thức nối tiếp ở trạng thái chảy mặt là nối tiếp chảy mặt

Nối tiếp chảy mặt thường gặp trong điều kiện công trình có bậc thẳng đứng ở hạ lưu (hình 1.5)

Hình 1.5 Nối tiếp chảy mặt có ba trường hợp xảy ra Trong trường hợp này, hiện tượng thủy lực ở hạ lưu công trình rất phức tạp tuỳ thuộc vào

độ sâu bình thường của dòng chảy trong kênh dẫn, ở hạ lưu có thể xuất hiện nhiều dạng nối tiếp khác nhau

Với độ sâu ở hạ lưu không lớn lắm, dòng chảy ra khỏi bậc với độ cong uốn lên rồi đổ xuống đáy công trình Lúc đó trạng thái dòng chảy vẫn là trạng thái chảy đáy, ở hạ lưu công trình

có thể là dạng nối tiếp bằng nước nhảy xa, nước nhảy tại chỗ hay nước nhảy ngập Trong trường hợp nước nhảy ngập, ở ngay chân bậc xuất hiện khu nước cuộn có kích thước đáng

kể

Lúc ở hạ lưu công trình đã có dạng nước nhảy ngập mà độ sâu vẫn tăng lên thì dòng chảy ra khỏi bậc với độ cong lớn hơn, khu nước cuộn ở đây to lên Dòng chảy không đi xuống đáy nữa mà sẽ phóng ra xa, hướng lên trên mặt thoáng và hình thành dòng chảy mặt dạng sóng, khu nước cuộn trên mặt biến mất Lưu tốc đáy giảm, lưu tốc mặt tăng và trị số lớn nhất ở gần mặt thoáng Trong đoạn nối tiếp từ chân bậc đến chỗ dòng chảy có các điều kiện gần với dòng chảy bình thường của kênh hạ lưu đều có lưu tốc lớn ở trên mặt

Hình 1.6 Nối tiếp chảy mặt

Dạng nối tiếp này gọi là dạng nối tiếp chảy mặt không ngập Sự chuyển tiếp từ nối tiếp chảy đáy ngập sang nối tiếp chảy mặt không ngập (hình 1.6) gọi là trạng thái phân giới thứ nhất Độ sâu hạ lưu tương ứng gọi là độ sâu phân giới thứ nhất, ký hiệu hh 1

Dạng nối tiếp chảy mặt không ngập tồn tại trong phạm vi thay đổi độ sâu hạ lưu tương đối lớn Khi độ sâu ở hạ lưu tăng lên đến một trị số nào đó thì ngay sau nước nhảy sóng dòng chảy không đi lên mặt, mà lại đi xuống đáy hạ lưu, ở trên mặt thoáng cách công trình một đoạn xuất hiện khu nước cuộn (hình 1.7) Trong trường hợp này, ở khu vực đầu là trạng thái chảy mặt, ở khu vực sau đó là chảy đáy Dạng nối tiếp này gọi là nối tiếp mặt đáy không ngập

Dạng nối tiếp này là dạng nối tiếp trung gian, không ổn định, chỉ tồn tại trong phạm vi thay đổi rất nhỏ của độ sâu hạ lưu, rồi có thể diễn biến theo hai cách:

1 Khu nước chảy cuộn trên mặt bị đẩy về phía trên bậc và dòng chảy trở lại trạng thái chảy mặt hoàn toàn (hình 1.8) Dạng nối tiếp này gọi là chảy mặt ngập

Sự chuyển tiếp từ nối tiếp chảy mặt không ngập sang nối tiếp chảy mặt ngập gọi là trạng thái phân giới thứ hai Độ sâu hạ lưu tương ứng gọi là độ sâu phân giới thứ hai, ký hiệu

hh 2

Dạng nối tiếp chảy mặt ngập này có lưu tốc lớn ở trên mặt trên cả đoạn nối tiếp

Dạng nối tiếp này là dạng nối tiếp ổn định và tồn tại trong phạm vi thay đổi độ sâu hạ lưu khá lớn

2 Có thể khu nước chảy cuộn trên mặt thoáng vẫn tồn tại và đồng thời xuất hiện khu nước chảy cuộn mặt thứ hai ngay trên bậc công trình (hình 1.9)

Dạng nối tiếp này gọi là dạng nối tiếp mặt - đáy ngập Dạng nối tiếp này có thể xem là dạng nối tiếp cuối cùng ở trạng thái chảy mặt

Khi độ sâu hạ lưu lại tiếp tục tăng lên nữa thì dòng chảy có thể chuyển thành trạng thái chảy đáy Dạng nối tiếp này gọi là dạng nối tiếp chảy đáy hồi phục Đặc điểm của dạng này là khu nước cuộn mặt rất lớn và khu nước cuộn đáy lại rất bé (hình 1.10)

Hình 1.9 Nối tiếp mặt – đáy ngập Hình 1.10 Nối tiếp chảy đáy hồi phục

Với độ sâu hạ lưu rất lớn thì bậc công trình không còn đặc điểm riêng của nó nữa, vì trong trường hợp này bậc không có ảnh hưởng gì đến sự nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu Lúc đó dòng chảy qua công trình là dòng chảy ngập hoàn toàn và do tác dụng của đỉnh đập mà hình thành dòng chảy mặt ở hạ lưu (hình 1.11)

Cũng cần chú ý thêm rằng, với những điều kiện cho trước (lưu lượng, chiều cao công trình v.v…) ở hạ lưu công trình chỉ có thể nối tiếp chảy mặt lúc chiều cao bậc phải lớn hơn chiều cao tối thiểu nào đó

Việc xác định các dạng nối tiếp chảy mặt rất phức tạp, vì lúc tăng độ sâu hạ lưu thì thấy xảy ra một dạng nối tiếp ở một trị số độ sâu nào đó, mà lúc giảm độ sâu qua trị số trên thì lại không thấy xảy ra dạng nối tiếp tương tự

Trạng thái chảy mặt không những chỉ xảy ra ở hạ lưu những công trình có bậc, mà theo Rakhơmanốp cũng có thể xảy ra với dòng chảy ngập sau cửa van (hình 1.12)

Trong trường hợp này trạng thái chảy mặt phụ thuộc vào mức độ ngập của dòng chảy và thông số động học của mặt cắt co hẹp

Nói chung, nối tiếp chảy mặt có khả năng tiêu hao năng lượng lớn qua khu nước chảy cuộn

ở đáy cũng như khu chảy cuộn ở mătj Lưu tốc ở đáy bé không gây ra xói lở nghiêm trọng nên giảm bớt yêu cầu gia cố hạ lưu Do đó, nên ở các công trình lớn, có cột nước cao, có nhiều vật trôi trong nước (cây, củi, băng…) người ta thường cố gắng tạo nên nối tiếp chảy mặt

Trong các dạng nối tiếp chảy mặt nói trên, tốt nhất là nối tiếp chảy mặt không ngập; còn chế độ chảy mặt ngập cũng tốt cho việc chống xói lở ở hạ lưu nhưng có nhược điểm là có khu nước cuộn trên mũi bậc, làm cho các vật rắn lẫn trong nước không thoát ngay được xuống hạ lưu mà bị cuộn trong khu nước cuộn và đập vào công trình

Z H

E

c c

Vì các hình thức nối tiếp diễn biến phức tạp khi mực nước hạ lưu thay đổi rất dễ dàng từ hình thức có lợi chuyển sang hình thức bất lợi, nên nối tiếp chảy mặt chỉ thích hợp với các công trình có mực nước hạ lưu thay đổi ít

1.2 Các biện pháp tiêu năng phòng xói thượng hạ lưu cống

1.2.1 Tiêu năng thượng hạ lưu cống

Hình 1.13 Dòng chảy sau cống Khi xây dựng cống trên sông, kênh, rạch thì mực nước phía thượng lưu công trình sẽ dâng lên nghĩa là thế năng của dòng nước tăng lên Khi dòng chảy đổ từ thượng lưu về hạ lưu, thế năng đó chuyển thành động năng, một phần động năng phục hồi thành thế năng (bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại (gọi là năng lượng thừa) nếu không có giải pháp tiêu hao hữu hiệu thì sẽ gây xói lở nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn công trình

a Đặc điểm dòng chảy ở hạ lưu công trình:

- Có lưu tốc lớn lại phân bố không đều trên mặt cắt ngang

- Mực nước thượng hạ lưu luôn thay đổi

- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xảy ra với mức độ cao

- Có nhiều khả năng xuất hiện dòng chảy ngoằn nghèo, dòng xiên, nước nhảy sóng Những đặc điểm trên giải thích vì sao ở hạ lưu cống thường xảy ra các hiện tượng như xói cục bộ, mài mòn, xâm thực

Từ sự phân tích trên ta thấy việc giải quyết vấn đề tiêu năng ở hạ lưu công trình là một trong những công việc quan trọng nhất của tính toán thiết kế các công trình thủy lợi

b Nhiệm vụ tính toán tiêu năng là phải tìm được biện pháp tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động, để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó trên một đoạn ngắn nhất, giảm chiều dài đoạn gia cố ở hạ lưu

c Tiêu hao năng lượng thừa dựa trên nguyên tắc

- Năng lượng thừa được tiêu tán bằng nội ma sát

- Năng lượng thừa được tiêu hao bằng xáo trộn với không khí bằng khuyếch tán theo phương đứng và phương ngang

1.2.2 Tiêu năng dòng chảy đáy, mặt, phóng xa

1.2.2.1 Tiêu năng dòng chảy đáy

Tiêu năng dòng đáy là lợi dụng sức cản ma sát nội bộ của nước nhảy để tiêu hao năng lượng thừa Đây là hình thức thường dùng nhất trong các công trình tháo nước Điều kiện

cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hiệp thứ hai của nước nhảy hh > hc” để đảm bảo sinh nước nhảy ngập, và tiêu năng tập trung

Để tiêu năng dòng đáy thường được dùng các biện pháp công trình sau:

- Tiêu năng bằng bể tiêu năng

Hình 1.14 Bể tiêu năng

- Tiêu năng bằng tường tiêu năng

Hình 1.15 Tường tiêu năng

- Tiêu năng kết hợp cả tường và bể

Hình 1.16 Bể kết hợp tường tiêu năng Trong tiêu năng đáy, lưu tốc ở đáy rất lớn, mạch động mãnh liệt, đạt giá trị lớn cả về tần

số và biên độ, có khả năng gây xói lở Để tăng hiệu quả tiêu năng, giảm độ sâu sau nước nhảy bằng bố trí thiết bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tạo tường phân dòng

để khuếch tán đều ở hạ lưu, tạo sự xung kích nội bộ dòng chảy càng mãnh liệt và tăng ma sát giữa dòng chảy với các thiết bị đó làm tiêu hao một phần năng lượng Tiêu năng dòng đáy thường dùng với cột nước thấp, địa chất nền tương đối kém

1.2.2.2 Tiêu năng dòng chảy mặt

Dòng chảy của hình thức tiêu năng này ở trạng thái chảy mặt Hiệu quả tiêu năng dòng mặt không kém nhiều so với hình thức tiêu năng đáy (có thể đạt 65%) , nhưng chiều dài sân sau ngắn hơn 1/2 1/5 lần, đồng thời lưu tốc ở đáy nhỏ nên chiều dày sân sau bé, thặm chí

trên nền đá cứng không cần làm sân sau Ngoài ra còn có ưu điểm là có thể tháo được

những vật nổi qua đập mà không sợ hỏng sân sau

Tùy theo mực nước hạ lưu, trạng thái dòng chảy ở hạ lưu tràn có bậc thụt và được phân

biệt như sau:

- Khi mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh bậc thụt, tức là hh < a, dòng chảy ở hạ lưu là dòng

chảy phóng xa

- Khi cột nước hạ lưu (hh) nhỏ hơn độ sâu giới hạn thứ nhất (hgh1): hh < hgh1 Dòng chảy ở

trạng thái chảy đáy lúc đó có thể là nước nhảy ngập hoặc nhảy xa tùy theo hc” và hh

Khi cột nước hạ lưu ở trạng thái giữa độ sâu giới hạn thứ nhất (hgh1) và độ sâu giới hạn thứ

hai(hgh2): hgh1 < hh < hgh2 sẽ có dòng chảy mặt không ngập và dòng chảy này yêu cầu hh >

hc” của nước nhảy đáy, đồng thời hh > a, thường dùng chiều cao bậc thụt a= 0,250,35

chiều cao đập Góc nghiêng  ở chân đập có ảnh hưởng đến trạng thái chảy: nếu  lớn quá

có thể sinh ra chảy phóng xa,  nhỏ quá có thể xuất hiện dòng chảy đáy Thường dùng  =

10 15 là thích hợp

- Khi cột nước hạ lưu lớn hơn độ sâu giới hạn thứ hai:hh > hghII sẽ xuất hiện dòng chảy

mặt ngập

Hình thức tiêu năng mặt có một số nhược điểm là làm việc không ổn định khi mực nước

hạ lưu thay đổi nhiều, ở hạ lưu có sóng làm ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các công

trình khác như nhà máy thủy điện, âu tàu, đe dọa sự ổn định của bờ gây xói lở lòng sông

Nhìn chung, với chế độ nhảy mặt ở hạ lưu tạo thành sóng giảm dần làm xói lở ở vùng này

Thường động năng thừa phân tán trên một chiều dài lớn hơn so với chế độ chảy đáy Chế

độ chảy mặt thích hợp trong trường hợp nền đá, khi không cần gia cố hạ lưu hay giảm

chiều dài gia cố, mực nước hạ lưu ít thay đổi

1.2.2.3 Tiêu năng phóng xa

Tiêu năng phóng xa được lợi dụng mũi phun ở cuối dốc nước trên ngưỡng cống để dòng

chảy có lưu tốc lớn phóng xa khỏi ngưỡng cống, dòng chảy được khuyếch tán trong không

khí, sau đó đổ xuống lòng sông Cao trình đỉnh mũi phun phải lớn hơn mực nước lớn nhất

ở hạ lưu

Đây là hình thức tiêu năng lợi dụng ma sát với không khí để tiêu hao một phần năng lượng,

cống chảy xuống men theo đường biên của mũi phun, do lưu tốc cao, ma sát lớn làm mức

độ rối loạn của dòng chảy tăng lên, không khí trộn vào dòng nước càng nhiều Dòng chảy càng khuyếch tán lớn trong không khí và càng trôn lẫn nhiều không khí thì năng lượng được tiêu hao càng lớn Dòng chảy sau khi phóng ra ngoài không khí thì nhấn chìm vào trong mặt nước hạ lưu, đến giai đọan này, một phần năng lượng gây lên xói lở hạ lưu, một phần khác bị tiêu hao do ma sát nội bộ nhờ sự hình thành các dòng rối mãnh liệt ở hai cuộn phía sau và phía trước dòng chính Nếu mực nước hạ lưu càng lớn và khả năng mở rộng của dòng phóng xa càng nhiều thì mức độ xói lở lòng sông càng giảm Đồng thời do dòng chảy được phóng khỏi ngưỡng cống tương đối xa nên dù có xói lở cục bộ đáy sông hạ lưu cũng ít ảnh hưởng đến nguy hại của công trình

Trong các hình thức nối tiếp tiêu năng nêu trên, thì hình thức nối tiếp tiêu năng dòng đáy

và nối tiếp tiêu năng phóng xa có điều kiện làm việc ổn định và được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi

1.3 Nghiên cứu về xói cục bộ thượng hạ lưu công trình

1.3.1 Khái niệm

Dòng chảy qua cống chịu tác động nhiều do sự biến đổi chế độ chảy qua công trình, tất cả các dòng chảy đều có xu hướng cân bằng, song do điều kiện biên thay đổi kết hợp với năng lượng vốn có của dòng chảy, dòng chảy tập trung lại, tốc độ dòng chảy tăng lên, tạo nên năng lượng thừa gây xói lở làm thay đổi kích thước hình học và hình dạng của lòng dẫn ở

hạ lưu Xói xuất hiện ngay chân công trình, nới có lưu tốc rất lớn và phân bố không đều, nơi có mạch động lưu tốc và áp lực rất lớn

1.3.2 Diễn biến quá trình xói

- Xói trong giai đoạn đầu xẩy ra trong thời gian tương đối ngắn, hố xói được tạo nên rất nhanh

- Xói trong giai đoạn hai diễn ra từ từ, sự hủy hoại lòng dẫn diễn ra tương đối chậm, thời gian gian diễn ra giai đoạn này là rất lớn

- Giai đoạn cuối là sự mở rộng của xói đến một chiều dài nhất định ở hạ lưu dẫn đến giảm cao trình đáy của lòng dẫn, giai đoạn này kéo dài bao lâu tùy thuộc vào độ dốc của lòng dẫn

Quá trình xói ngay sau chân của công trình có nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra, dưới đây là một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến xói sau công trình:

- Do phần năng lượng dư thừa của dòng chảy qua công trình còn tồn tại, chưa tiêu hao hết

- Do dòng chảy bị co hẹp đột ngột bởi xây dựng công trình dẫn đến việc lưu tốc dòng chảy tăng lên

- Do hình dạng, kết cấu công trình chưa phù với với điều kiện thủy lực

- Do dòng chảy qua công trình vượt tần suất thiết kế của công trình

- Do yếu tố về thủy lực, thủy văn và các yếu tố của đất nền khu vực công trình

1.3.3 Đặc điểm cống vùng triều

Cống được xây dựng dưới đê biển hay cửa sông ven biển, chịu sự tác động trực tiếp của chế độ thủy lực triều gọi là cống vùng triều Các cống này thường có nhiệm vụ tiêu nước, lấy nước, ngăn triều… Nhiều cống còn có nhiệm vụ giao thông thủy

Cống thường bố trí theo sơ đồ cống lộ thiên, nhưng có trường hợp chọn sơ đồ cống ngầm Với các cống lộ thiên, cửu van thường chọn loại van phẳng, van cung, hay van tự động Loại van tự động được áp dụng khá nhiều trong thời gian gần đây, đặc biệt là vùng đồng bằng Nam Bộ Ưu điểm nổi bật của loại này là tự động đóng mở tùy mức theo chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, thích hợp với cống vùng triều, có mực nước phía sông và biển thường xuyên thay đổi

Mực nước thượng hạ lưu thường xuyên thay đổi, làm chế độ chảy qua cống không ổn định

có thể chuyển đổi chế độ này sang chế độ khác Đối với khu vực kín, thủy triều chỉ ảnh hưởng mực nước ở cả hai phía cống làm cho chế độ chảy càng phức tạp mà việc xác định chúng cần xét trong hệ thống liên hoàn các cống, kênh dẫn và vùng chứa Đối với vùng triều thì nguyên nhân gây xói ở hạ lưu cần xét đến cả hai thái cực của mực nước

Dòng chảy hạ lưu khuếch tán không đều do các cửa van đóng mở không đồng bộ và không đều Đối với cống có van tự động trục đứng thì khi cửa van mở không hết cũng là nguyên nhân gây lệch dòng lưu lượng tập trung vào nhưng luồng nhất định gây xói đáy hoặc bờ khi ra khỏi sân sau cống

Phân lớn các cống vùng đồng bằng ven sông, biển thường đặt trên nền đất yếu và phức tạp Lòng dẫn thường qua các vùng địa chất yếu dễ bị xói, đặc biệt là điều kiện mà mạch động lưu tốc và áp lực có biên độ lớn, phạm vi tác động rộng Những điều kiện trên đã làm cho

tình hình xói lở ở hạ lưu các cống vùng triều trở nên phổ biến, đe dạo sự làm việc của nhiều công trình

1.3.4 Các dạng đặc trưng xói hạ lưu cống vùng triều

Quá trình xói bắt đầu hình thành ở tuyến tiếp giáp giữa phần gia cố với phần không gia cố Khi mà hố xói phát triển sẽ làm sụp dần lớp gia cố ở sân sau và tiến về phía bể tiêu năng

Ở nhiều cống, hố xói khoét sâu xuống dưới đáy bể tiêu năng (như cống Phát Diệm – Ninh Bình), tạo nguy cơ sụp gẫy, tạo mất an toàn cho công trình cống

Ngoài ra xói cũng xẩy ra ở vai sau tường cánh của công trình, dạng này cũng rất phổ biến

ở các cống vùng triều, đặc biệt là các cống có sự mở rộng đột ngột trên mặt bằng ở hạ lưu Xói lở bắt đầu hình thành tại khu vực chuyển tiếp lòng dẫn, và phát triển cùng với sự xuất hiện các xoáy bên Hố xói ở phần chân mái cũng là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến trượt mái, mặt trượt lấn sâu vào bộ phận gia cố, gay hư hỏng lớn đến bộ phận tiêu năng sau cống

Ở các tỉnh ven biển nước ta đã xây dựng nhiều cống lấy nước, tiêu úng và ngăn triều, phèn

để phục vụ sản xuất và đời sống nhân dân nhưng hiện tượng xói lở sau cống xảy ra phổ biến Nhiều cống đã bị xói sập mất hết sân phủ và móc hàm ếch vào bể tiêu năng hoặc dưới tường cánh làm de dọa đến an toàn của công trình

1.3.5 Một số sự cố của công trình liên quan đến vấn đề xói lở

Vấn đề xói lở hạ lưu công trình không chỉ ảnh hưởng nghiên trọng đến sự ổn định của công trình mà nó còn gây ra những thiệt hại không nhỏ tới đời sống của người dân khu vực dự

án Cụ thể như sự cố gây xạt lở hạ lưu công trình Thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang ( Vũ Quang – Hà Tĩnh) bị sạt lở gây ra hậu quả nghiêm trọng không chỉ gây thiệt hại lớn công sức, tiền của của nhà thầu, ảnh hưởng tiến độ bàn giao dự án, mà còn ảnh hưởng đến đời sống của rất nhiều hộ dân trên địa bàn

Hình 1.17 Kè chống sạt lở hạ lưu công trình Thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang (Vũ

Quang – Hà Tĩnh) bị sạt lở nghiên trọng

Nguyên nhân ban đầu được xác định là do cống xả đáy nằm ngay sát mép kè, hướng xả lại

đổ vào khúc eo, phía chân khay, rọ đá của mái kè, áp lực xả rất lớn nên công trình vừa thi công xong đã bị hư hỏng nghiêm trọng ( Trích Báo Dantri.com)

Một số thống kê cho thấy một cố cống có hố xói sâu điển hình như cống Cầu Xe ( Hải Dương xói sâu 11,3m; cống Ngô Đồng ( Nam Định) xói sâu 9,9m cống Vàm Đồn ( Bến Tre) xói saau 7,4m…

1.4 Một số kết quả nghiên cứu liên quan của nước ngoài

Hình thức cống ngăn triều trên thế giới được sử dụng rất nhiều, đặc biệt là các nước phát triển, các nước có danh giới giáp biển như Hà Lan, Anh, Mỹ, Đức… Chúng được xây dựng với quy mô lớn, có khẩu độ cửa van lớn như:

- Cống ngăn lũ Ravenswaay, Hà Lan: bề rộng cửa 80m, cao 11.6m, mực nước trước cửa 7.4m, chênh lệch cột nước 4.5m, kết cấu 01 cửa phẳng và âu tàu

- Cống ngăn triều Krimpen, Hà Lan: bề rộng cửa 80m, cao 11.5m, mực nước trước cửa 6.5m, chênh lệch cột nước 5m, kết cấu 02 cửa phẳng (trong đó 01 cửa dự phòng) và âu tàu

- Cống ngăn triều Hartelkanaal, Hà Lan: bề rộng cửa 98m và 47.3m, cao 9.5m, mực nước trước cửa 6.5m, chênh lệch cột nước 4.8m, kết cấu 02 cửa phẳng và âu tàu

- Đập ngăn lũ Heusden(Mỹ): bề rộng cửa 50m, cao 10m, mực nước trước cửa 7m, chênh lệch cột nước 3.8m, kết cấu 01 cửa phẳng

- Cống ngăn triều Oosterschede, Hà Lan: bề rộng cửa 40m, cao 11.7m và 5.7m, mực nước trước cửa 20m và 14m, chênh lệch cột nước 6.2m, kết cấu 62 cửa phẳng không cho thông thuyền và âu tàu

1.5 Một số kết quả liên quan ở trong nước

Cùng với su thế phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong nghành Thủy lợi, nhiều năm qua đã và đang có nhiều khoa học ứng dụng vào thực tiễn Đáp ứng được các nhu cầu cũng như đem lại hiệu quả trong việc ngăn triều, chống xâm ngậm mặn hiệu quả Một số nghiên cứu liên quan đến cống vùng triều như:

a Nghiên cứu của cố GS.TS Trần Như Hối và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam [5]

- Đặc điểm chung:

Cống vùng triều đồng bằng sông Cửu Long đều làm việc với cột nước thấp, nối tiếp bằng nước chảy ngập hay chảy mặt ngập

+ Dòng chảy trong hệ thống sông, kênh, rạch chịu ảnh hưởng thủy triều, là dòng không ổn định

+ Nền công trình và lòng dẫn là đất mềm yếu, nhiễm mặn với lượng muối dễ hòa tan, rất nhạy cảm với tan rã, xói sạt lở

+ Dòng chảy qua cống thường bị lệch, phân bố không đều trên mặt cắt ngang, vùng xoáy vật 2 bên, chủ lưu vận tốc đáy lớn

- Kết quả đạt được: Trong phạm vi từng công trình đã giải quyết đồng thời nhiều vấn đề liên quan như:

(1) lựa chọn tổ hợp mực nước đặc trưng từ đường quá trình mực nước trước và sau công trình;

(2) Lựa chọn lưu tốc không xói để so sánh với lưu tốc đáy khi chọn phương án;

(3) Xác định kết cấu hỗ trợ đặt ở thân cống để cửa van mở hết, ổn định,;

(4) xác định và kiểm định kết cấu tiêu năng phòng xói

Giải pháp lưỡi, gờ, ngưỡng, sân sau, hố phòng xói là kết quả đã được kiểm chứng cho hơn

40 công trình Kết quả thực tế là những công trình này làm việc khá tốt, an toàn

b Nghiên cứu của cố PGS.TS Lưu Như Phú (Viện KHTL)

Tại khu vực nối tiếp sau bậc, mực nước hạ lưu tăng dần, đã xác định được trạng thái “nước nhảy sóng không ổn định” tồn tại trong thời đoạn khi nước nhảy ngập sau bậc chuyển sang trạng thái nước nhảy sóng Ở trạng thái này tồn tại bất lợi thủy lực là vận tốc lớn ở khu gần mặt nước nên làm giảm hiệu quả của bể tiêu năng/kết cấu tiêu năng phòng xói Đồng thời đã kiến nghị thay mái bậc thẳng đứng bằng mái bậc m ≥ 3 hoặc mái cong y = 0,01x2nhằm tạo ra dòng chảy xiết dưới đáy bể để tiêu hao có hiệu quả hơn năng lượng dư của dòng chảy

a) Nghiên cứu của Tiến sĩ Hàn Quốc Trinh

- Tồn tại của sân sau đáy bằng có cao trình bằng ngưỡng cống

+ Không tránh được tác động phá hoại mạnh của dòng chảy từ bể tiêu năng ra

+ Không tăng được chiều sâu, tức là không giảm được vận tốc dòng chảy ra khỏi sân sau, đổ vào lòng dẫn hạ lưu

- Biện pháp tiêu năng phòng xói

+ Trong phạm vi bể tiêu năng có cấu tạo 2 ngưỡng

+ Nối tiếp sau bể là hố phòng xói tạo sẵn

b) Nghiên cứu của TS Nguyễn Thanh Hải [3]

- Những vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết:

+ Chưa tổng quát hóa được sơ đồ kết cấu tiêu năng phòng xói hợp lý

+ Chưa có hướng dẫn tính thông số tiêu năng phòng xói

- Kết quả đạt được:

+ Đánh giá được ảnh hưởng của yếu tố không ổn định đến khả năng tháo nước qua công trình trong MHTL, xác định được yếu tố cơ bản liên quan, trên cơ sở đó lựa chọn phạm vi khống chế mực nước trong mô hình vừa đủ để ảnh hưởng đến lưu lượng là nhỏ, có thể bỏ qua được – hạn chế sai khác về thủy động lực trong mô hình thủy lực với nguyên hình + Xác định được tổ hợp mực nước có lưu lượng lớn nhất {H; hh; Qmax} để sử dụng tính toán trong sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lưu công trình cột nước thấp vùng triều ĐBSCL

+ Phân loại sơ đồ cấu tạo kết cấu hạ lưu công trình cột nước thấp vùng triều ĐBSCL theo điều kiện làm việc và đặc điểm tiêu năng phòng xói, thành 3 loại cơ bản: cống có 01 khoang cửa, cống có 02 khoang cửa và cống ≥ 03 khoang cửa

+ Xác định được sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lưu cho 3 loại công trình, bao gồm cống 01 khoang cửa; cống 02 khoang cửa và cống ≥ 03 khoang cửa, trong đó có các nguyên lý, phương trình thực nghiệm để xác định các thông số tiêu năng phòng xói cần tìm như chiều dài sân sau, chiều rộng và chiều sâu hố phòng xói

Kết luận chương 1

Nghiên cứu các giải pháp ngăn triều cường, kiểm soát và thoát lũ, chống sạt lở tại các bờ sông nhằm giải quyết tình trạng ngập úng nhiễm mặn là mục tiêu mang tính cấp thiết cao Mục tiêu của các giả pháp công trình không chỉ hạn chế ảnh hưởng của thủy triều, lũ, sạt

lở mà còn phải khai thác được nguồn lợi từ dòng chảy sông dòng chảy biển phục vụ sự phát triển dân sinh kinh tế của vùng Để thực hiện được điều đó cần xây dựng một hệ thống công trình thủy lợi để đảm bảo phát huy được hết lợi thế trong vấn đề chống triều cường, ngăn mặn

Thực tế, cống vùng ven biển chịu ảnh hưởng của thủy triều nên diễn biến chế độ thủy lực dòng chảy qua cống diễn biến rất phức tạp Cống Kênh Cụt có bề rộng thông nước lớn, đặt trên nền địa chất mền yếu, tính kháng xói thấp, ảnh hưởng của thủy triều…Nhũng vấn đề này cho thấy chế độ thủy lực dòng chảy qua công trình là rất phức tạp, việc tính toán, mô phỏng diễn biến thủy lực của dòng chảy, tính toán mô phỏng xói lở thượng, hạ lưu công trình, tính toán để đưa ra giải pháp tiêu năng phòng xói

Vấn đề thủy lực nối tiếp tiêu năng là vấn đề rất phức tạp vì thế cần đi nghiên cứu bản chất cũng như tìm các biện pháp để thiết kế công trình một cách tốt nhất để giải bài toán tiêu năng phòng xói Về sơ bộ chúng ta đã có cái nhìn tổng quát về vấn đề thủy lực liên quan đến cống, và đặc biệt là cống vùng triều

Việc tính toán thủy lực để lực chọn hình thức kết cấu hợp lý cho việc tiêu năng, phòng xói khí xét đến cả chế độ vận hành của công trình với các tổ hợp kịch bản khác nhau là rất phức tạp Do đó để đáp ứng yêu cầu đặt ra và bền vững với điều kiện tự nhiên là vấn đề rất khó khăn trong quá trình thiết kế, vì vậy cần có thí nghiệm bằng mô hình thủy lực, kết hợp

mô hình toán là rất cần thiết

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CÔNG TRÌNH CỐNG VÙNG TRIỀU

2.1 Đặc điểm dòng chảy sau cống và ý nghĩa tiêu năng phòng xói

2.1.1 Đặc điểm dòng chảy sau cống

Dòng chảy từ thượng lưu qua ngưỡng cống nối tiếp với dòng chảy hạ lưu công trình có nhũng đặc tích thủy lực của dòng chảy sau cống là:

- Dòng chảy ở hạ lưu cống có lưu tốc lớn, phân bố rất không đồng đều trên mặt cắt ngang

- Mực nước hạ lưu lại thường thay đổi theo thời gian

- Mạch động áp lực và mạch động áp suất dòng chảy xẩy ra với mức độ cao

Thường sau một đoạn nhất định lưu tốc trở về dạng phân bố bình thường, nhưng mạch động phải sau một đoạn dài hơn nhiều mới trở về trạng thái bình thường

Hình 2.1 Dòng chảy xoáy sau cống Khi công trình được xây dựng trên sông, suối, kênh…, thì sẽ có sự thay đổi về mặt thủy lực, làm biết đổi tính chất của dòng chảy, khi đó mực nước trước công trình sẽ dâng lên đồng nghĩa với việc thế năng của dòng nước tăng lên Theo quy luật của dòng chảy, nước

đổ từ thượng lưu về hạ lưu thế năng đó chuyển thành động năng, một phần động năng phục hồi thành thế năng ( bằng mực nước hạ lưu), phần còn lại ( là năng lượng thừa), phần năng lượng này đặc biệt được chú ý tới bởi đây là thành phần chính gây ra xói lở, ảnh hưởng tới công trình Vì thế cần có các biện pháp để giảm thiểu tối đa các các năng lượng thừa này

2.1.2 Ý nghĩa tiêu năng phòng xói

Như ta đã biết phần năng lượng thừa khi chảy qua công trình là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng xói lở trước và sau công trình, vì thế cần phải giải quyết phần năng lượng này

đó là xây dựng hệ thống tiêu năng hợp lý để giải thiểu tối đa Tiêu hao năng lượng thừa, phân bố đều dòng chảy trên mặt cắt, đưa dòng chảy qua cống về dòng chảy tự nhiên trong phạm vi ngắn nhất, giảm khối lượng gia cố phía sau công trình

2.2 Các vấn đề thủy lực và phương hướng giải quyết

2.2.1 Các vấn đề thủy lực

Như đã biết với các đặc điểm như đã phân tích ở các mục trên, cống chảy ngập và các thiết

bị đi kèm như thiết bị tiêu năng đều ngập sâu dưới mực nước nên dòng chảy qua ngưỡng cống và các thiết bị tiêu năng thì tiêu hao năng lượng rất nhỏ, vân tốc dòng chảy phân bố không đều vì thế nên khu vực thượng hạ lưu có thể dẫn đến xói lở Nguyên tác của các biện pháp tiêu năng là làm năng lượng dư thừa một các tối đa nhất có thể, hướng dòng chảy sao cho thành dòng chảy tự nhiên khi về hạ lưu, đảm bảo trọng phạm vi ngắn nhất, đảm bảo tính ổn định cho công trình

2.2.1.1 Co hẹp dòng chảy khi qua cống so với lòng sông

Khi công trình được xây dựng trên dòng sông và đặc biết là công trình cống thì được thiết

kế thu hẹp khá lớn so với mặt cắt tự nhiên của lòng sông Điều đó dòng chảy biết đổi, bên cạch đó việc thiết kế kết cấu nối tiếp mở rộng từ khoang cống tới lòng dẫn chưa phù hợp, chưa phân tích được yếu tố gây xói chính và chưa đánh giá tính phù hợp của các hình thức kết cấu hạ lưu cống

2.2.1.2 Phân bố vận tốc khu vực nối tiếp hạ lưu cống

Khu vực nối tiếp hạ lưu cống, tồn tại vùng xoáy quẩn bên mang bờ, dòng chủ lưu lệch dòng không ổn định, làm vận tốc đáy cục bộ tăng cao hơn khả năng kháng xói của đất và gây hiện tượng xói lở Để giảm thiểu xói lở hạ lưu cần phải thay đổi cấu trúc dòng chảy theo hướng có lợi: dòng chảy mở rộng trong phạm vi mặt cắt, vận tốc đáy nhỏ hơn vận tốc trên mặt và nhỏ hơn [V]cpx Vì vậy cần phải thay đổi hình thức kết cấu tiêu năng phòi xói cho phù hợp với điều kiện làm việc của từng cống

Hình 2.2 Dòng chảy ngoằn ngèo sau cống Diễn biến hình thái dòng chảy khu vực nối tiếp hạ lưu (ZHL) thay đổi theo sự biến đổi của mực nước hạ lưu (do ảnh hưởng thủy triều): khi ZHL thấp dòng chảy từ khoang cống mở rộng dần ra 2 bên, khi ZHL dâng lên đến một cao trình, dòng chủ lưu khu vực hạ lưu lệch dòng, lệch về 1 phía, đồng thời phía bờ bên kia tồn tại vùng nước xoáy quẩn, qui mô của vùng xoáy quẩn và vùng dòng chủ lưu luôn biến đổi theo sự thay đổi ZHL Trong quá trình biến đổi hình thái dòng chảy khu vực nối tiếp hạ lưu luôn tồn tại bất lợi về thủy lực mà tại

đó vận tốc đáy lớn, không ổn định gây xói lở lòng dẫn, bất lợi thủy lực gây xói lở hạ lưu thường xảy ra ở tổ hợp mực nước lưu lượng tháo qua cống lớn

2.2.2 Xác định nguyên nhân dẫn đến tới bất lợi về mặt thủy lực khu vực hạ lưu

- Cống được xây dựng trên phạm vi có ảnh hưởng của thùy triều vì thế dòng chảy diễn biến phức tạp, nên trong quá trình tính toán thiết kế, lựa chọn tổ hợp mực nước bất lợi về tiêu năng là rất khó xác định, lựa chọn tổ hợp mực nước bất lợi về tiêu năng là khó xác định, đồng thời tính toán để xác định hình thức kết cấu hợp lý hạ lưu cống ở ĐBSCL cũng còn thiếu hưỡng dẫn và đây cũng là những tồn tại trong thiết kế cỗng vùng triều thường gặp

- Hầu hết các công trình cống ngăn triều khu vực ĐBSCL đều nằm trên nền đất yếu, đa phần thuộc loại đất sét yếu Tính chất cơ lý của loại đất thường gặp có dung trọng khô thấp, cường độ kháng cắt nhỏ C = 0,05 ÷ 0,12 kg/cm2 ; góc ma sát trong chỉ khoảng 30 ÷ 100 vì thế khả năng kháng xói của đất của khu vực tương đối thấp

- Trong quá trình tính toán thủy văn, thủy lực còn nhiều hạn chế, có tính chưa phù hợp dẫn đến thiết kế cấu tạo, kết cấu nối tiếp hạ lưu không phù hợp với chế độ thủy lực

- Trong quá trình xây dựng không tính toán kỹ lưỡng tới nhiệm vụ của công trình cũng như nhu cầu sản xuất của khu vực

- Do quản lý vận hành hệ thống thủy lợi chưa hợp lý, đây là nguyên nhân không nhỏ dẫn đến xói lở hạ lưu công trình: trong hệ thống có nhiều cống khi mực nước trong hệ thống ở mức cao (do mưa lũ hay lợi dụng đỉnh triều mở cống lấy nước vào trong hệ thống nâng cao mực nước - “nhồi nước theo đỉnh triều” để tăng diện tích lấy nước tự chảy), nếu mở tiêu với số cống ít hơn số cống trong hệ thống, tại cống vận hành có thể sẽ xuất hiện chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn hơn so với tính toán, hoặc do đóng/mở số cửa không cân xứng, cũng là nguyên nhân tạo ra xói lở sau cống

2.2.3 Phương hướng giải quyết

Khi nói tới công trình tháo nước nói chung và công trình cống khu vực vùng triều nói riêng thì bộ phận tiêu năng là một trong những bộ phận quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, hiệu quả của công trình Vì thế công việc tính toán tiêu năng là sao tìm được biện pháp tốt nhất để tiêu hủy toàn bộ năng lượng thừa, điều chỉnh phân bổ lại lưu tốc và làm giảm mạnh động, để cho dòng chảy qua cống trở về trạng thái tự nhiên một đoạn ngắn nhất Trên cơ sở đó luận văn giải quyết bài toán theo hướng làm tường hoặc tường răng kết hợp hoặc hạ bậc kết hợp với tiêu năng Để nghiên cứu vấn đề này luận văn đi theo hướng thí nghiệm mô hình thủy lực để xác định các kích thước hợp lý, từ đó kết hợp mô hình toán

để nghiên cứu các tổ hợp kịch bản khác nhau

2.3 Các phương pháp nghiên cứu diễn biến xói lở

Ngành khoa học về động lực sông biển, được phát triển mạnh trong nửa thế kỷ thứ XIX ở các nước Âu Mỹ và trên thế giới cho đến ngày nay

Từ những năm 60 thế kỷ XX đến nay, nhờ sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật và đặc biệt là những tiến bộ trong kỹ thuật tính toán, động lực học sông biển có những bước phát triển mới qua đó hoàn thiện hơn về quá trình mô hình hoá các diễn biến, hiện tượng thủy lực, bùn cát phức tạp

2.3.1 Mô hình toán

Mô hình toán dùng để mô phỏng và xác định các quy luật liên quan đến diễn biến cửa sông như vận chuyển bùn cát, quá trình diễn biến đường bờ, diễn biến mực nước, thủy triều và sóng biển khu vực ngoài khơi và vùng cửa sông Các công cụ nghiên cứu xói lở, bồi tụ,

dịch chuyển cửa sông, bờ biển bằng mô hình toán động lực hình thái 2 chiều, 3 chiều Quá trình mô phỏng ngày càng được hoàn thiện và cho phép mô phỏng chi tiết hơn các hiện tượng diễn biến trong tự nhiên sát thực hơn với thời đoạn mô phỏng ngày càng dài hơn

- Để nghiên cứu diễn biến vùng cửa sông, ven biển, hiện nay các mô hình đang được sử dụng là (i)- các mô hình tính sóng; (ii)- các mô hình tính nước dâng và (iii)- các mô hình tính vận chuyển bùn cát và biến đổi đường bờ

- Mô hình tiêu biểu có thể kể đến như Mike 21/3 FM couple[17,22,23] cho kết quả tính toán thủy lực, dòng chảy và dự báo diễn biến xói lở tương đối phù hợp với quy luật thực

tế Mô hình này tích hợp với công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS), cho phép biểu thị,

mô phỏng quá trình diễn biến các cửa sông trực quan và sinh động hơn

2.3.2 Điều tra thực địa

Nghiên cứu thực địa đã có những thiết bị đo đạc hiện đại, nhanh chóng, chính xác, có thể nhận được trường vận tốc dòng chảy ở độ sâu khác nhau, -cùng với tọa độ địa lý của điểm

đo như máy đo tổng hợp các yếu tố dòng chảy ADCP, máy hồi âm có định vị GPS,

2.3.3 Mô hình vật lý

Nghiên cứu diễn biến xói lở, bồi tụ cửa sông bằng mô hình vật lý đã có những tiến bộ khi

đã thực hiện được việc mô phỏng bùn cát đáy, bùn cát lơ lửng bằng vật liệu tương tự đảm bảo độ chính xác cao hơn Các nghiên cứu các tập trung đi sâu phân tích trường dòng chảy

và các tác động của công trình xây dựng ở cửa sông Do tính chất phức tạp của các quá trình thủy động lực hình thái ở cửa sông, bờ biển mà các nghiên cứu trên mô hình vật lý có những hạn chế về phạm vi không gian nghiên cứu cũng như thời đoạn nghiên cứu Nghiên cứu trên mô hình vật lý bằng mô hình lòng động có xét tới vận chuyển bùn cát và biến đổi lòng dẫn chỉ có thể thực hiện được một số rất ít phòng thí nghiệm tiên tiến trên thế giới như phòng thí nghiệm biển của Hiệp hội kỹ thuật Quân đội Mỹ, phòng thí nghiệm biển của Đại học Hanover, Đức, hay phòng thí nghiệm thủy lực của Deltares (trước kia là Viện thủy lực Delft, Hà Lan)

2.3.4 Công nghệ ảnh viễn thám

Ứng dụng GIS vào xây dựng các bản đồ về độ sâu để đánh giá sự biến đổi địa hình Từ các

số liệu đo đạc khảo sát thực tế của một vùng tại các thời gian khác nhau, xây dựng mô hình

số độ sâu cho khu vực nghiên cứu Mô hình số độ sâu (DEM) là mô hình số về độ cao hoặc

độ sâu của địa hình, biến thiên liên tục tại bất kỳ một vị trí nào trên bề mặt trái đất Chồng ghép các DEM với nhau để tìm ra sự biến động địa hình đáy qua các thời kỳ theo mùa và theo năm, trên cơ sở đó định lượng sự biến động địa hình đáy như: lượng bồi, xói lớn nhất, bồi - xói trung bình và thể tích bồi, xói cho một khu

Bốn phương pháp trên đều có ưu điểm và hạn chế tuy nhiên có thể nhận thấy phương pháp

mô hình vật lý và phương pháp mô hình toán có điểm mạnh về nghiên cứu thủy động lực kết hợp với diễn biến xói lở, do vậy học viên lựa chọn 2 phương pháp này để nghiên cứu trong phần sau của luận văn

2.4 Mô hình vật lý và lý thuyết tương tự

2.4.1 Khái niệm về mô hình vật lý

Là hình ảnh của tư duy hay là một sản phẩm của vật chất tạo ra băng các vật liệu khác nhau nhằm phản ánh hoặc giống đối tượng nghiên cứu và những kết quả nghiên cứu trên đó đem đến những thông tin chính xác về đối tượng cần nghiên cứu trong thực tế Mô thì được chia

ra làm hai loại

- Thứ nhất là mô hình hóa: Là sự biểu thị bằng hình ảnh các công trình hoặc hiện tương thực tế, bằng công cụ vật lý và toán học hợp lý để có thể nghiên cứu hiệu quả, toàn diện và tối ưu công trình hoặc hiện tượng đó

- Thứ hai là mô hình vật lý: Là mô hình dựa trên sự tương tự giữa hai hệ thực thể Mô hình thủy lực là một loại của mô hình vật lý, thường được chế tạo với tỷ lệ bé hơn và đặt trong phòng thí nghiệm Vật liệu dùng trong mô hình thủy lực cũng tương tự như trong thực tế Mô hình hóa hiện tượng thủy lực dựa trên lý thuyết tương tự Lý thuyết tương tự xuất phát từ sự phân tích toán học hoặc phân tích thứ nghuyên các đại lượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu Các định luật hay tiêu chuẩn tương tự cho phép chúng ta chuyển những kết qủa thu được trên mô hình sang thực tế Nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực là khảo sát nghiên cứu những quy

luật của dòng chảy, tác động của nước lên môi trường mà nó chuyển động trong đó, nhằm góp phần thiết thực vào việc thiết kế tối ưu cho công trình

Khi đi nghiên cứu trên mô hình vật lý mà cụ thể là mô hình thủy lực thì cho ta những thuận lợi sau

- Kính thước nhỏ hơn so với thực tế

- Đo các đại lượng chính xác, nhanh và thuận tiện hơn

- Đo đạc bất cứ vị trí nào cần đo, quan sát và nghiên cứu sâu về một vấn đề cần nghiên cứu

2.4.2 Lý thuyết tương tự thiết lập mô hình nghiên cứu

2.4.2.1 Khái niệm chung

Nghiên cứu các hiện tượng thủy động lực học trên mô hình thủy lực dựa trên lý thuyết tương tự giữa dòng nước trong thực tế và dòng chảy trên mô hình Chất lòng dùng trên mô hình thủy lực thường là nước Lý thuyết tương tự được phát triển theo hai hướng:

(1) Dựa trên sự xách định giới hạn tương tự bằng sự phân tích hệ phương trình vi phân cơ bản của chuyển động chất lỏng thực

(2) Dựa trên cơ sở phân tích thứ nguyên

Cơ sở của lý thuyết mô hình là các định luật tương tự cơ học ( còn được gọi là các tiêu chuẩn tương tự) Các định luật này phản ánh mối quan hệ giữa các đại lượng trên mô hình

và trong thực tế Các quan hệ này được biểu thị bằng các công thức toán học

Khi nghiên cứu các vấn đề mô hình hóa hiện tượng thủy lực, người ta biểu diễn các đặc trưng của hiện tượng thủy lực bằng ba đại lượng cơ bản:

- Độ dài ( với thứ nguyên là L)

- Khối lượng ( với thứ nguyên là M)

- Thời gian ( với thứ nghuyên là T)

2.4.2.2 Tương tự hình học

Tương tự hình học là tương tự về hình thái hình học giữa mô hình và nguyên hình Bất kỳ

độ dài tuyến tính tương ứng nào của nguyên hình và mô hình phải có một tỷ lệ Mọi góc tương ứng không đổi, mọi kích thước đều được giảm nhỏ theo cùng một tỷ lệ Tỷ số giữa

độ dài trong thực tế (lt) và độ dài tương ứng trên mô hình (lm) gọi là tỷ lệ hình học

Nếu tỷ lệ độ dài theo 3 phương là:

t s

S

l m

t v V

lz ly

l u t

lx az ay

a





(2-10)

khi có tương tự hình học theo cả 3 phương như nhau (lx = ly = lz) thì ta có:

Vì m = PV = Pl3 nên :

Hoặc thay V = l /t vào trên ta được: P = P.V.V2

Nếu trong phương trình (2-10) chọn Px = Py = Pz thì chúng ta có tương tự động lực học Tượng tự cơ học giữa công trình thực tế và mô hình được đảm bảo khi có được tương tự hình học, tương tự động học và tương tự động lực học

2.5 Tổng quan mô hình toán Mike 21/3 Couple

Mike 21/3 coupled là mô hình nằm trong bộ mô hình Mike của tập đoàn DHI – Đan Mạch

Mô hình Mike 21/3 coupled là một hệ thống mô hình thích hợp chuyên dùng cho tính toán

về diễn biến dòng chảy trong môi trường ven biển, cửa sông và sông

Mike 21/3 coupled gồm các module sau đâu:

 Hydrodynamic Module

 Transport Module

 ECO Lab/Oil Spill Module

 Mud Transport Module

 Particle Tracking Module

 Sand Transport Module

 Spectral Wave Module

Hai module thủy động lực và sóng quang quang phổ là những thành phần tính toán cơ bản của mô hình Mike 21/3 coupled Sử dụng Mike 21/3 coupled có thể mô phỏng các diễn

2

2 2

2

2 2

2

1

1

1

t lz m t mz m

m tz t mz

tz Pz

t ly m t my m

m ty t my

ty Py

t lx m t mx m

m tx t mx

tx Px

t l m

t l m P

P

t l m

t l m P

P

t l m

t l m P





 