Báo cáo nghiên cứu khoa học: So sánh giải pháp sử dụng kênh tiêu nước đỉnh đê và các phương pháp thiết kế truyền thống

Báo cáo nghiên cứu khoa học: So sánh giải pháp sử dụng kênh tiêu nước đỉnh đê và các phương pháp thiết kế truyền thống nêu lên mục tiêu của bài toán, tính cao trình đỉnh đê, tính toán các thông số sóng tràn lên mái đê, tính toán kích thước và bố trí hệ thống ống tiêu nước.

Báo cáo nghiên cứu khoa học -1- Khoa kỹ thuật Biển I Ý tưởng xuất phát giải pháp II Mục tiêu toán III Tính cao trình đỉnh đê .3 IV Tính tốn thơng số sóng tràn lên mái đê với giả thiết IV.1 IV.2 IV.3 V Chiều cao sóng tràn Z2% .5 Vận tốc sóng tràn UA2% Chiều dày lớp sóng tràn hA2% .6 Tính tốn kích thước bố trí hệ thống ống tiêu nước .6 VI Thiết kế kênh theo thể tích tràn lớn sóng Vmax VI.1 VI.2 VII Tính thể tích tràn lớn sóng Vmax Thiết kế kích thước kênh thu nước Thiết kế kênh theo thể tích nhỏ sóng Vmin .9 VIII Quan hệ lưu lượng tràn cho phép thể tích tràn Vmax, Vmin 11 IX X Tính tốn ổn định cho kênh thu nước 14 Đề xuất dạng kết cấu bố trí 16 XI Phạm vi ứng dụng 17 XII Kết luận lựa chọn phương án thiết kế 17 SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học -2- Khoa kỹ thuật Biển Đề tài: So sánh giải pháp sử dụng kênh tiêu nước đỉnh đê phương pháp thiết kế truyền thống I Ý tưởng xuất phát giải pháp Hình Giải pháp tiêu nước mặt đê Sự thay đổi khí hậu tồn cầu vấn đề thực nhức nhối toàn cầu Được dự đốn ngun nhân gây tình trạng bất ổn giới tương lai gần Hậu nhìn thấy rõ ràng tượng gia tăng mực nước biển Điều làm giảm diện tích đất liền, hàng trăm thành phố ven biển biến ta khơng có giải pháp khắc phục kịp thời Ngày hầu hết bãi biển bảo vệ hệ thống đê Nếu mực nước biển tăng lên tính tốn cho thiết kế tác dụng Giải pháp nghĩ đến nâng cao cao trình đê Tuy nhiên điều đồng nghĩa với việc phải mở rộng diện tích chiếm chỗ đê tăng khối lượng đất đắp thân đê Trong tình hình quỹ đất ngày khan đắt đỏ cần tìm giải pháp thay mà đảm bảo độ an toàn cho tuyến đê SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học -3- Khoa kỹ thuật Biển Xuất phát từ yêu cầu mà giải pháp sử dụng kênh tiêu nước đỉnh đê làm giảm lưu lượng sóng tràn đời II Mục tiêu toán Yêu cầu cần giải tốn tính tốn kích thước hợp lý cho hệ thống kênh thu nước ống tiêu Xuất phát từ lưu lượng tràn cho phép qua đỉnh đê, kênh thu nước hệ thống ống tiêu phải có kích thước cho đảm bảo việc bảo vệ mái khỏi xói sóng tràn xuống mái sau Trình tự tính tốn để giải vấn đề sau:  Từ lưu lượng sóng tràn cho phép ta tính cao trình đê  Với cao trình đê tính, tính thơng số sóng tràn lên mái ngồi chiều cao sóng tràn, vận tốc sóng tràn, chiều dày lớp sóng tràn  Tính tốn kích thước bố trí ống nước  Thiết kế kích thước kênh thu nước o Thiết kế kênh theo lưu lượng tràn Vmax  Tính lưu lượng tràn Vmax  Tính tốn kích thước hợp lý cho kênh thu nước đỉnh o Thiết kế kênh theo lưu lượng tràn Vmin  Tính tốn xác suất thể tích tràn sóng làm tràn dung tích chứa kênh thu nước  Kiểm tra vận tốc nước chảy xuống mái sau có làm xói mái sau hay khơng III Tính cao trình đỉnh đê Ở ta chọn thiết kế cho tuyến đê cấp III Lưu lượng tràn cho phép 20l/s Sử dụng phương pháp tính cáo trình đê theo tiêu chuẩn sóng tràn (CEM2002) SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học -4- Khoa kỹ thuật Biển Phương pháp tính cao trính đê theo tiêu chuẩn sóng tràn: • • • • • Xác định lưu lượng tràn cho phép qtc vào chất lượng đỉnh mái phía Giả thiết Rc Tính tan hệ số triết giảm  Tính q theo cơng thức So sánh với qtc Lưu lượng tràn cho phép xác định theo Tiêu chuẩn sóng tràn CEM Ở chọn từ 20l/s - 40l/s Tuy nhiên để đảm bảo an toàn bão ta chọn giá trị lưu lượng tràn 20l/s Q q g H m3   R 0, 067  b exp  4.30 c  H m   b  f    v tan       Do cơng thức tính sóng tràn có nhiều hàm số phụ thuộc lẫn ta cần phải giả thiết Rc để tiến hành tính thử dần Sau tính tốn giá trị Rc giả thiết so sánh kết tính Q với giá trị Q chọn từ đầu Nều chưa lập lại bước tính tốn đến chọn giá trị Rc hợp lý Sau có Rc thay vào cơng thức tính cao trình đỉnh đê theo tiêu chuẩn sóng tràn sau Zd = MNTK + Rc + a Với số liệu đầu vào sau  Bề rộng đỉnh đê b = 5m (Cơng trình cấp III có phối hợp giao thơng)  Hệ số nhám kết cấu kè chọn cấu kiện BTĐS có ngàm âm dương γf = 0,85  Không sử dụng mái  Hệ số mái mái m =  Hệ số mái mái m = 2.5  Mực nước thiết kế Htk = 3,5m  Chu kỳ sóng nước sâu Tp = 8s  Độ vượt cao an tồn a = 0.4 (Cơng trình cấp III) SV: Trịnh Cơng Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học -5- Khoa kỹ thuật Biển  Chiều cao sóng trước chân cơng trình Hs = 2m Tính tốn cho ta kết qua cao trình đê tính theo tiêu chuẩn sóng tràn Rc = 2,74m Zd = 5.95m Chọn cao trình đê 6m IV Tính tốn thơng số sóng tràn lên mái đê với giả thiết IV.1 Chiều cao sóng tràn Z2% Z 2%  1,75. f  b    H m0 Trong  γf = 0,85  γβ = 0,978  γb =  ζ = 1,75 Kết cho ta Z2% = 3,2m IV.2 Vận tốc sóng tràn UA2% U A 2% g.Hs  C *AU RU 2%  Z A Hs Trong  C*Au – hệ số kinh nghiệm (có thể chọn 1,3 theo Van Gent-2002)  ZA - chiều cao từ mực nước biển đến điểm cần tính vận tốc A Tính tốn vận tốc cho điểm A giao điểm đỉnh đê mái UA2% = 2,76m/s SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học IV.3 -6- Khoa kỹ thuật Biển Chiều dày lớp sóng tràn hA2% h A 2% *  RU 2%  Z A   C Ah   Hs Hs   Trong đó:  C*Ah - hệ số kinh nghiệm (có thể chọn 0,15 theo Van Gent-2002) Tính tốn độ dày lớp sóng tràn điểm A giao điểm đỉnh đê mái ngồi hA2% = 0,06 m V Tính tốn kích thước bố trí hệ thống ống tiêu nước Theo nghiên cứu phòng thí nghiệm tổn thất dọc đường ống không đáng kể so sánh với tổn thất cửa vào Do chiều dài đường ống ngắn, với chiều cao đê 6m hệ số mái m = 2.5 chiều dài ống ước lượng khoảng 16m Vì lý đó, yếu tố định đến khả tiêu thoát cước cống áp lực nước đỉnh Theo để tính vận tốc nước ống ta sử dụng công thức: v  2.g h Trong đó:  v – vận tốc ống (m/s)  g – gia tốc trọng trường (9,81m/s2)  h - cột nước áp lực phía cửa vào cống (m) Để đảm bảo khả tiêu cống ổn định ta phải trì cột nước áp lực khơng đổi suốt thời gian xảy bão SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học -7- Hình Khoa kỹ thuật Biển Sơ đồ rãnh thu nước Lưu lượng tiêu nước cống tính theo cơng thức Q = v.A Trong  A - diện tích tiết diện cống Từ ta tính khả tiêu nước của cống với đường kính khác Hình Quan hệ đường kính khoảng cách bố trí ống tiêu nước MỰC NƯỚC TRONG KÊNH (M) ĐƯỜNG KÍNH ỐNG (M) ĐỘ SÂU ĐẶT ỐNG (M) 0.25 0.30 0.40 0.50 0.35 0.40 0.50 0.60 0.1 0.5 0.6 X V V V (M) (M/S) Q (M3/S) X (M/S) Q (M3/S) X (M) (M) (M/S) Q (M3/S) 11 22 36 2.97 3.13 3.43 3.71 0.15 0.22 0.43 0.73 10 15 28 46 4.08 4.20 4.43 4.65 0.20 0.30 0.56 0.91 11 16 29 48 4.32 4.43 4.65 4.85 0.21 0.31 0.58 0.95 Trong  v - vận tốc tiêu nước cống  Q - Lưu lượng tiêu thoát SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học -8- Khoa kỹ thuật Biển  x - Khoảng cách cống để tiêu lưu lượng sóng tràn 20l/s Lựa chọn khoảng cách thích hợp bố trí ống tiêu Cần phải bố trí cho khơng q ngắn, làm tuyến đê bị chia cắt nhỏ gây rời rạc hệ thống Theo tính tốn bảng trên, ta thấy khoảng cách hợp lý để bố trí miệng cống 10m với đường kính cống 30cm VI Thiết kế kênh theo thể tích tràn lớn sóng Vmax VI.1 Tính thể tích tràn lớn sóng Vmax Thể tích nước lớn sóng tràn mang vào Vmax = a.[ln(Nov)](4/3) Trong  a = 0,84.Tm.q/Pov  Nov - số sóng tràn qua đỉnh  Tm – chu kỳ sóng trung bình (tại chân cơng trình) [s]  q – lưu lượng tràn trung bình [l/s]  Pov – xác suất sóng tràn qua đỉnh   Rc     Pov  exp    ln(0,02) Z 2%      Với lưu lượng tràn cho phép q = 20l/s tính theo tiêu chuẩn sóng tràn cho Rc = 2,52m Chu kỳ sóng trung bình Tm =Tp/1,2 = 6,6s Chiều cao sóng leo Z2% = 3,2m  Pov =   2,52   exp   ln(0,02)   3,2     = 17,6% a = 0,84 6,6 17,6% = 0,47 Nov = N.Pov = (3h*3600/8s) 17,6% = 285 (con sóng)  Vmax = 0,47.[ln(285)]^(4/3) = 4,8m3/m SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học -9- Khoa kỹ thuật Biển VI.2 Thiết kế kích thước kênh thu nước Do bề rộng đỉnh đê 6m nên bề rộng kênh nên chọn lớn 4m Vậy với chiều rộng kênh phải sâu 1,2m chứa tồn thể tích sóng tràn lớn Vmax (1,2m x 4m) VII Thiết kế kênh theo thể tích nhỏ sóng Vmin Xác suất để sóng tích nhỏ V tính theo cơng thức   V  Pv = P(V Fn = 0,16KN/m Kênh thu nước ổn định tải trọng động nước SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học X -16- Khoa kỹ thuật Biển Đề xuất dạng kết cấu bố trí Khả tiêu nước hệ thống thu nước đỉnh đê hoàn toàn khả thi Để tăng khả tiêu nước giảm lưu lượng sóng tràn ta sử dụng kênh tiêu nước kết hợp với nhiều loại kết cấu khác bố trí vị trí tuyến kênh có tác dụng tích cực việc tiêu nước đỉnh đê Hình 15 Hình 16 Dùng tường chắn sóng phía trước kết hợp với kênh thu nước Tường chắn sóng hắt lại phần sóng tràn trở phía biển Tường chắn sóng phía trước tường phía sau tạo thành kênh thu nước đỉnh đê SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B Báo cáo nghiên cứu khoa học Hình 17 -17- Khoa kỹ thuật Biển Sử dụng tường chắn sóng phía sau mặt đê Hắt sóng trở lại phía biển phần kênh thu nước tiêu XI Phạm vi ứng dụng Ta ứng dụng giải pháp tuyến đê thiết kế hoàn toàn Điều giúp giảm cao trình đê làm giảm chi phí xây dựng cơng trình Bên cạnh giải pháp vơ có ích việc sửa chữa nâng cấp tuyến đê có sẵn Đặc biệt nơi tuyến đê nằm sát với khu dân cư Việc nâng cao cao trình đê đồng nghĩa với việc mở rộng diện tích đê Khi đó, kênh thu nước phát huy tác dụng giảm lưu lượng sóng tràn mà khơng cần phải nâng cao cao trình đê XII Kết luận lựa chọn phương án thiết kế Phương án tiêu nước đỉnh đê có nhiều ưu điểm tiết kiệm chi phí cho việc bảo vệ mái phía đồng Ưu điểm bật Tuy nhiên phần nước tiêu phía sau đê cần phải có quy hoạch cụ thể cho khu chứa lũ Ngoài cần phải mở rộng nghiên cứu cho phương án sử dụng kênh tiêu nước đỉnh đê để ứng dụng phương án vào thực tế Cần tính tồn xem cao trình đê đạt đến giá trị phương án phát huy hết ưu điểm so sánh với phương án bảo vệ mái sau Tính tốn sử dụng mơ hình vật lý để tìm hình dạng kênh hợp lý Đưa phương án sử dụng kết hợp kênh kết cấu bảo vệ mái khác để mang lại hiệu cao SV: Trịnh Công Dân Lớp 45B .. .Báo cáo nghiên cứu khoa học -2- Khoa kỹ thuật Biển Đề tài: So sánh giải pháp sử dụng kênh tiêu nước đỉnh đê phương pháp thiết kế truyền thống I Ý tưởng xuất phát giải pháp Hình Giải pháp tiêu. .. tràn cho phép Nếu thiết kế tuyến đê khơng cho phép tràn xuống mái sau sử dụng giải pháp tiêu nước đỉnh đê giúp làm giảm cao trình đỉnh đê so sánh với phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn sóng leo... mở rộng nghiên cứu cho phương án sử dụng kênh tiêu nước đỉnh đê để ứng dụng phương án vào thực tế Cần tính tồn xem cao trình đê đạt đến giá trị phương án phát huy hết ưu điểm so sánh với phương