Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu vị trí và cấu trúc của công trình chắn cát cho cửa lấy nước bên sông nhằm hạn chế tối đa bùn cát xâm nhập bồi lắng kênh dẫn nước vào các công trình lấy nước dưới đê. Để nắm chi tiết các nội dung nghiên cứu mời các bạn cùng tham khảo luận án.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM PHẠM ĐỨC THẮNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SỐ TRỊ CHIỀU NGHIÊN CỨU VỊ TRÍ VÀ CẤU TRÚC CƠNG TRÌNH CHẮN CÁT CỬA LẤY NƯỚC BÊN SƠNG TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà nội - 2010 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Hiện nay, mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng bùn cát bồi lắng cửa lấy nước tới công tác quản lý, vận hành cơng trình lấy nước bên sơng đòi hỏi cơng việc nghiên cứu nguyên nhân đề xuất giải pháp giảm bồi lắng cửa lấy nước bên sông cần tiếp tục thực Mục tiêu luận án: Nghiên cứu vị trí cấu trúc cơng trình chắn cát cho cửa lấy nước bên sông nhằm hạn chế tối đa bùn cát xâm nhập bồi lắng kênh dẫn nước vào cơng trình lấy nước đê Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án: Vấn đề bồi lắng cửa lấy nước nước ta quan tâm nghiên cứu từ năm 1960 chưa giải đạt yêu cầu, tồn gây xúc Mặt khác, tượng bồi lắng cửa lấy nước liên quan đến chế thuỷ lực, trao đổi bùn cát sơng kênh mùa lũ, tốn phức tạp khó lượng hố Do việc nghiên cứu nguyên nhân, lượng hoá diễn biến bồi lắng giải pháp chống bồi cho cửa lấy nước tính thời mà có tính khoa học cao Phạm vi nghiên cứu luận án: Đối tượng nghiên cứu cửa lấy nước vào cống tự chảy nằm dọc theo sông Hồng Khu vực nghiên cứu chịu ảnh hưởng thuỷ triều Thời gian nghiên cứu vào mùa lũ, đóng cống khơng lấy nước Phương pháp nghiên cứu: + Kế thừa nghiên cứu (lý thuyết, mơ hình vật lý, dự án) trước đây; + Thu thập, đo đạc khảo sát phân tích số liệu Ứng dụng cơng nghệ đại đo đạc thủy văn mặt cắt địa hình khu vực nghiên cứu; + Ứng dụng kỹ chia lưới xử lý biên giải thành công tốn phức tạp luận án mơ hình số trị chiều + Ứng dụng mơ hình tốn phương pháp số trị chiều nghiên cứu chế thuỷ lực, vận chuyển bồi lắng bùn cát cửa lấy nước bên sông; Bố cục luận án: gồm phần mở đầu, chương kết luận Những đóng góp luận án: Tổng quan, hệ thống tình hình bồi lắng cửa lấy nước nước giới Hệ thống lý thuyết MH 3D để NC bồi lắng bùn cát cửa lấy nước bên sông Ứng dụng thành cơng mơ hình số trị chiều mơ chế độ thuỷ lực, chế diễn biến bồi lắng kịch cơng trình chắn cát cho cửa lấy nước bên sông Đã xác định vị trí, hướng, tuyến cấu trúc cơng trình chắn cát đáp ứng yêu cầu chắn tối đa bùn cát từ sông vào kênh cung cấp đủ lưu lượng qua cống lấy nước Luận án đề xuất sơ đồ chống bồi lắng bùn cát hiệu cao cho cửa lấy nước Xuân Quan - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH BỒI LẮNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP CHỐNG BỒI LẮNG BÙN CÁT CỬA LẤY NƯỚC BÊN SƠNG 1.1 Tình hình bồi lắng trước cơng trình lấy nước bên sơng: Khối lượng phù sa lắng đọng hàng năm số cống lấy nước trạm bơm miền Bắc Việt nam trình bày Bảng 1.1 Bảng 1.1: Lượng bùn cát bồi lắng bình quân hàng năm số cửa lấy nước Tên cửa lấy nước Sông Khối lượng (m3) Trạm bơm ấp Bắc - Hà nội Hồng 30.000 Trạm bơm Đan Hoài - Hà Tây Hồng 150.000 Trạm bơm Thanh Điềm - Vĩnh Phúc Hồng 30.000 Cống lấy nước Xuân Quan - Hưng Yên Hồng 300.000 Cống lấy nước An Thổ - Hưng Yên Luộc 100.000 Cống lấy nước Lân - Thái Bình Hồng 100.000 Trạm bơm Hữu Bị - Như trác, Nam Định Hồng 100.000 Cống lấy nước Liên Mạc - Hà Tây Hồng 150.000 Trạm bơm Hồng Vân - Hà Tây Hồng 150.000 Trạm bơm La Khê - Hà Tây Đáy 150.000 Cống lấy nước Long Tửu - Hà nội Đuống 40.000 Trạm bơm Kiều Hợp - Vĩnh Phúc Hồng 10.000 Trạm bơm Bạch Hạc - Vĩnh Phúc Phó Đáy 10.000 Cống lấy nước Trung Trang - Hải Phòng Thái Bình 45.000 Cống lấy nước Rỗ - Hải Phòng Thái Bình 80.000 Mã 56.000 Trạm bơm Hoằng Khánh Nguồn: Tạp chí NN & PTNT số 49 năm 2004 Trên giới, nhiều hệ thống tưới gặp phải vấn đề bồi lắng kênh dẫn Trong nhiều thập kỷ qua, đến triệu m3 bùn cát nạo vét từ kênh lấy nước Các số liệu có cho thấy tổng lượng bùn cát vận chuyển sơng tăng lên, trung bình khoảng 50 % thập kỷ vừa qua điều phản ánh nhu cầu chống bồi lắng cửa lấy nước bên sông nhiều hệ thống tưới giới ngày cấp thiết 1.2 Các phương pháp nghiên cứu bồi lắng cửa lấy nước bên sơng: Gồm có nhóm: (i) Đo đạc, thu thập phân tích số liệu; (ii) Thí nghiệm mơ hình vật lý; (iii) Mơ hình tốn phương pháp số trị Phương pháp (i) đòi hỏi đầu tư thời gian kinh phí lớn, nhiều không thực đặc biệt nước nghèo nước ta Phương pháp (ii) giảm đáng kể yêu cầu thời gian kinh phí, gặp khó khăn tương tự vật liệu bùn cát Các nghiên cứu phương pháp nước ta dừng mức mô xu xác định vị trí bồi lắng, chưa xác định lượng bồi lắng chưa lượng hoá diễn biến vận chuyển diễn biến bồi lắng Phương pháp mơ hình hố mơ hình số trị gần phát triển cho toán bồi lắng Các nghiên cứu gần giới chưa nhiều song cho thấy mơ hình số trị chiều có nhiều hứa hẹn phương pháp hữu hiệu nghiên cứu toán bồi lắng cửa lấy nước bên sơng Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu Việt Nam sử dụng mơ hình số trị chiều cho toán này, nên cần đầu tư nghiên cứu theo hướng 1.3 Các cơng trình nghiên cứu bồi lắng cửa lấy nước bên sông Từ năm 1968 đến năm 1972, Tại Viện Khoa Học Thuỷ Lợi GS Nguyễn Thanh Ngà, PGS Lưu Như Phú NCV thí nghiệm mơ hình cửa lấy nước: Xuân Quan, Liên Mạc, hệ thống thí nghiệm nước đục xây dựng từ năm 1970 Kết nghiên cứu tìm số nguyên nhân dẫn đến bồi lắng cửa lấy nước, sở nhóm nghiên cứu đề xuất giải pháp đập chắn cát dạng tường chắn mũi hắt áp dụng cửa lấy nước Xuân Quan năm 1970 - 1972, cửa lấy nước trạm bơm Cốc Thành, cửa lấy nước Chành Chữ, cửa cống Trịnh Xuyên Trên tập san Thuỷ lợi tháng - 4/1968, GS Vũ Tất Uyên GS Nguyễn Thanh Ngà có viết: “Bàn tượng bồi lấp cửa cống lấy nước mùa lũ” Năm 1988 GS Vũ Tất Uyên TS Đào Xn Sơn nghiên cứu mơ hình thí nghiệm vật lý tượng bồi lấp cửa lấy nước trạm bơm Hoằng Khánh - Thanh Hoá Năm 1992, Viện KHTL, vấn đề nghiên cứu chống bồi lắng kết hợp lấy nước phù sa tưới cho vụ mùa cơng trình lấy nước ven sơng lại tiếp tục chủ trì GS Nguyễn Thanh Ngà, PGS Trần Xuân Thái, NCV Lê Duy Hàm, kết nghiên cứu cho thấy tác dụng đập chắn cát cửa lấy nước Năm 1997, nhóm nghiên cứu gồm GS Trần Đình Hợi, NCVC Lê Duy Hàm có báo cáo số kết bước đầu việc nghiên cứu chống bồi cho cửa lấy nước Xuân Quan sau xây dựng nhà máy Thuỷ điện Hồ Bình Năm 2000, Nhóm nghiên cứu gồm: GS Nguyễn Thanh Ngà, Th.S Nguyễn Thu Hương, NCVC Lê Duy Hàm cộng phòng thí nghiệm Thuỷ lực - Viện KHTL thực đề tài: “Nghiên cứu giải pháp Thuỷ lợi tiên tiến để khai thác nước phù sa nâng cao độ phì đất đồng sông Hồng” Năm 2001, Trung tâm Thuỷ cơng - Viện KHTL nhóm nghiên cứu chủ trì PGS Vũ Đình Hùng tiếp tục nghiên cứu giải pháp cơng trình chống bồi lắng bùn cát cho cống lấy nước Xuân Quan Năm 2002, luận văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu giải pháp cơng trình chống bồi lắng cống lấy nước Xuân Quan” hoàn thành trường Đại học Thủy lợi 1.4 Những kết tồn nghiên cứu trước Các kết nghiên cứu thực mô tả chế độ thủy lực vận chuyển bùn cát khu cửa lấy nước, từ xác định nguyên nhân chế bồi lắng cửa lấy nước Hạn chế chưa định lượng diễn biến vận chuyển, diễn biến bồi lắng bùn cát chưa lượng hoá lượng bồi lắng cửa lấy nước 1.5 Những giải pháp chống bồi lắng cửa lấy nước bên sông đề xuất áp dụng Trên giới Việt Nam, giải pháp khắc phục bồi lắng phổ biến nạo vét Về chống hay giảm bồi lắng, bên cạnh chọn vị trí cửa lấy nước phù hợp, nước tiên tiến giới phát triển cơng nghệ kiểm sốt dòng bùn cát cơng trình đặt sơng lái dòng bùn cát đặc biệt bùn cát đáy xa cửa lấy nước, đồng thời bố trí bẫy hay bể lắng để lắng giữ bùn cát tương đối mịn không xa tránh không cho chúng bồi lắng kênh dẫn Xây dựng cơng trình lái dòng bùn cát sơng đòi hỏi đầu tư lớn trình độ cơng nghệ xây dựng cao, Việt Nam chưa có điều kiện áp dụng Do vậy, nghiên cứu nước ta tập trung vào cơng trình chắn cát cửa lấy nước chắn cát kiểu phao nổi, chắn cát dạng tường chắn mũi hắt, chắn cát kiểu che di động Các giải pháp ứng dụng Xuân Quan vài cửa lấy nước nhỏ Đồng Bằng sông Hồng Thực tế vận hành cho thấy giải pháp mang tính chất tạm thời, vận hành thủ công, hiệu chống bồi không cao nên không nhân rộng 1.6 Kết luận chương: Ở Việt Nam, hầu hết cửa lấy nước bên sông bị bồi lấp phù sa sau mùa lũ, khối lượng bồi lắng phụ thuộc vào quy mô nhiệm vụ cơng trình, hình dạng, vị trí cửa lấy nước, hướng tuyến kênh dẫn, chiều dài kênh dẫn vào cơng trình lấy nước, chế độ dòng chảy bùn cát sơng Các cơng trình nghiên cứu bồi lắng cửa lấy nước Việt Nam trước chủ yếu sử dụng phương pháp: Đo đạc, thu thập phân tích số liệu; Thí nghiệm mơ hình vật lý Các phương pháp có ưu điểm riêng, nhiều hạn chế nghiên cứu bồi lắng cửa lấy nước bên sông, đặc biệt chưa định lượng thơng số đặc tính dòng bùn cát, trình trao đổi, biến đổi (lơ lửng, lắng đọng, di đẩy, tái lơ lửng,…) bùn cát dòng chảy Một số giải pháp chống bồi đề xuất sử dụng Việt Nam, là: Giải pháp tường chắn cát kiểu phao nổi; Giải pháp chắn cát dạng tường chắn mũi hắt; Giải pháp chắn cát kiểu che di động,… chưa đạt hiệu mong muốn, tượng bồi lắng diễn cửa lấy nước hàng năm nhà nước phải đầu tư khoản kinh phí lớn cho việc nạo vét di dời bùn cát bồi lắng tàu hút bùn Để khắc phục tượng bồi lắng cửa lấy nước nước ta nay, cần tiếp tục nghiên cứu nguyên nhân giải pháp giảm bồi cho cửa lấy nước Tác giả định hướng nghiên cứu với nhiệm vụ sau: + Nghiên cứu ứng dụng mơ hình toán phương pháp số trị chiều để phân tích chế độ thuỷ lực định lượng q trình vận chuyển, bồi lắng bùn cát cửa lấy nước vào mùa lũ, đóng cống khơng lấy nước + Từ kết nghiên cứu định lượng trình vận chuyển bồi lắng bùn cát cửa lấy nước, nghiên cứu giải pháp chống bồi lắng có hiệu quả, quan tâm nghiên cứu vị trí cấu trúc cơng trình chắn cát kiên cố, có tuổi thọ cao, quản lý vận hành thuận lợi + Nghiên cứu đề xuất sơ đồ bố trí, hình thức, cấu trúc cụm cơng trình lấy nước chống bồi lắng cho cửa lấy nước bên sông đạt hiệu chống bồi cao mùa lũ mùa kiệt mà khơng ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy qua cống lấy nước CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MƠ HÌNH TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP SỐ TRỊ - ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN BỒI LẮNG CỬA LẤY NƯỚC BÊN SÔNG 2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình tốn phương pháp số 2.1.1 Hệ tọa độ: Sử dụng hệ tọa độ thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng (2.1) ⎛ z − ς (x, y, t ) ⎞ ⎟ s = s⎜⎜ ⎟ ⎝ H ( x, y) + ς (x, y, t ) ⎠ với − ≤ s ≤ Và hệ tọa độ cong trực giao theo phương ngang:(ξ, η) (2.1) 2.1.2 Hệ phương trình điều kiện biên: 2.1.2.1 Mơ hình dòng chảy: Phương trình bản: ∂ ∂t ∂ ⎛ H zu ⎛ H zu ⎞ ⎜ ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎝ mn ⎠ ∂ξ ⎜⎝ n ⎞ ∂ ⎛ H z uv ⎞ ∂ ⎛ H z uΩ ⎞ ⎟+ ⎟ ∂η ⎜⎜⎝ m ⎟⎟⎠ + ∂s ⎜⎜⎝ mn ⎟⎟⎠ ⎠ (2.2) ⎧⎛ f ⎞ H ⎛ ∂P g ρ ∂ z ∂ς ⎞ H z ∂ ⎛ ⎞⎫ ∂ ⎛1⎞ ⎟+ (Fu + Du ) + +g − ⎨⎜⎜ ⎜ ⎟ ⎬ H z v = − z ⎜⎜ ⎜ ⎟−u ⎟⎟ + v ρ ∂ξ n ⎝ ∂ξ ∂ξ ⎟⎠ mn ∂η ⎜⎝ m ⎟⎠ ⎭ ∂ξ ⎜⎝ n ⎟⎠ ⎩⎝ mn ⎠ ∂ ⎛ H z v ⎞ ∂ ⎛ H z uv ⎞ ∂ ⎜⎛ H z v ⎜ ⎟+ ⎜ ⎟+ ∂t ⎜⎝ mn ⎟⎠ ∂ξ ⎜⎝ n ⎟⎠ ∂η ⎜⎝ m ⎞ ∂ ⎛ H z vΩ ⎞ ⎟+ ⎜ ⎟ ⎟ ∂s ⎜⎝ mn ⎟⎠ ⎠ (2.3) ⎧⎛ f ⎞ H ⎛ ∂P gρ ∂z ∂ς ⎞ H z ∂ ⎛1⎞ ∂ ⎛ ⎞⎫ ⎟+ +g (Fv + Dv ) + + ⎨⎜ ⎟+v ⎜ ⎟−u ⎜ ⎟⎬ H z u = − z ⎜⎜ ∂η ⎟⎠ mn m ⎝ ∂η ρ ∂η ∂ξ ⎝ n ⎠ ∂η ⎝ m ⎠⎭ ⎩⎝ mn ⎠ ρ = ρ (T , S , P ) ∂φ ⎛ − gH z ρ =⎜ ∂s ⎜⎝ ρ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (2.4) (2.5) ∂ ⎛ ζ ⎞ ∂ ⎛ H zu ⎞ ∂ ⎛ H zv ⎞ ∂ ⎛ H zΩ ⎞ ⎟=0 ⎜ ⎟+ ⎜ ⎟+ ⎜ ⎜ ⎟+ ∂t ⎝ mn ⎠ ∂ξ ⎜⎝ n ⎟⎠ ∂η ⎜⎝ m ⎟⎠ ∂s ⎜⎝ mn ⎟⎠ Điều kiện biên: + Theo phương thẳng đứng: Tại đỉnh (s = 0): ⎛ Km ⎜ ⎜H ⎝ z ⎞ ∂u ⎛ Km x ⎟ ⎜ ⎟ ∂s = τ s (x, y, t ) , ⎜ H ⎠ ⎝ z ⎛ K m ⎞ ∂u ⎟ = τ bx (x, y, t ) ⎟ ⎝ H z ⎠ ∂s Và đáy (s = -1): ⎜⎜ ⎛ Km ⎜ ⎜H ⎝ z ⎞ ∂v y ⎟ ⎟ ∂s = τ s (x, y , t ) ⎠ ⎞ ∂v y ⎟ ⎟ ∂s = τ b (x, y , t ) ⎠ ,Ω = ,Ω = + Theo phương ngang: Sử dụng điều kiện biên trượt 2.1.2.2 Mơ hình bùn cát: Phương trình bản: ∂C k ∂uC k ∂vC k ∂ ( w − w s k )C k ∂C k ∂ ⎛ ⎜ ε s, x + + + = ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x ⎜⎝ ∂x ∂C k ⎞ ∂ ⎛ ⎜⎜ ε s , y ⎟⎟ + ∂y ⎠ ∂y ⎝ ⎞ ∂ ⎛ ∂C k ⎟⎟ + ⎜⎜ ε s , z ∂z ⎠ ∂z ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ (2.51) Điều kiện biên: + Theo phương đứng: ∂C k = z→ η ∂z ∂C k = E k − D k z→∂z Tại bề mặt tự do: ε s , z Tại lớp sát đáy: ε s , z + Theo phương ngang:Tại biên cứng: ∂C =0 ∂n Tại biên hở : 2.1.3 Các đặc trưng vật lý mơ hình bùn cát: H ∂ ⎛ ∂C ⎞ ⎟=0 ⎜ ∂n ⎝ ∂n ⎠ Các đặc trưng vật lý bùn cát xét đến mơ hình gồm: Ứng suất tiếp đáy Cơ chế tái lơ lửng bùn cát kết dính Cơ chế lắng đọng bùn cát kết dính Mơ hình bùn cát kết dính đáy Cơ chế tái lơ lửng bùn cát khơng dính Cơ chế lắng đọng bùn cát khơng dính Bùn cát khơng dính bọc cứng đáy 2.1.4 Phương pháp tính: 2.1.4.1 Sai phân + Theo không gian: Sai phân trung tâm bậc hai lưới Arakawa + Theo thời gian: Giải phương trình chuyển động để tính vận tốc ngang sau tích phân phương trình liên tục từ mặt tới đáy để tính thành phần vận tốc thẳng đứng 2.1.4.2 Tham số hoá: Hệ số khuếch tán rối hệ số xáo trộn rối 2.2 Ứng dụng nghiên cứu toán bồi lắng cửa lấy nước bên sơng 2.2.1 Mơ hình số trị chiều: Sau nhiều thử nghiệm, chọn mô hình cho nghiên cứu luận án mơ hình có mã nguồn mở ROMS chạy hệ điều hành Linux ROMS phát triển từ SCRUM, mơ hình đa ứng dụng có modun tính tốn dòng chảy vận chuyển bùn cát phát triển sở lý thuyết trình bày 2.1 2.2.2 Kiểm định mơ hình: Một số kiểm định thực luận văn: Kiểm tra dao động mực nước truyền vào kênh khơng có ma sát đáy kiểm tra phù hợp phân bố vận tốc dòng chảy theo phương phẳng đứng kênh dước tác động ứng suất gió 0.1 N/m2 2.2.3 Xây dựng toán nghiên cứu sơ đồ giả định: 2.2.3.1 Miền tính: Miền tính xây dựng đoạn sông giả định dài 2500 m, rộng 500 m, cửa lấy nước dài 1000 m, rộng 100 m tạo với dòng chảy ngồi sơng góc 1350, 900 450 Lưới tính chia 120x80 lưới theo phương ngang (20 x18m) lớp theo chiều thẳng đứng (0,8 - m) 14 đạc đầu mùa lũ chiều dài bãi bồi xuất cửa lấy nước sau mùa lũ (từ 150 đến 200 m) Phía sau khu nước vật này, hồn lưu dòng chảy có vùng nước vật có cường độ phạm vi hoạt động yếu + Theo kết tính tốn thuỷ lực, việc đặt tường chắn vng góc với trục kênh, sát mép sơng chiếm 1/3 2/3 chiều rộng lòng kênh có tác dụng lớn việc khử bỏ khu nước vật xuất đầu kênh vào mùa lũ, đóng cống không lấy nước 3.3.5.2 Bùn cát: Phương án cơng trình tường chắn cửa lấy nước: + Bùn cát từ ngồi sơng chủ yếu xâm nhập vào cửa lấy nước từ phía bờ hạ lưu kênh dẫn theo dòng chảy vào khu nước vật thứ (Hình 3.18, 3.19, 3.20, 3.21) sức tải bùn cát giảm nhiều dẫn đến bùn cát lắng đọng mạnh, đến vị trí cuối khu nước vật phần bùn cát theo dòng hồn lưu khu nước vật sơng, phần lại tiếp tục xâm nhập vào sâu phía kênh theo dòng chảy vào khu nước vật thứ hai (sát bờ kênh phía thượng lưu - theo chiều dòng chảy sơng) Tại hàm lượng bùn cát nhỏ nhiều nên lượng bồi lắng khu vật phía ngồi + Kết tính tốn thấy vào mùa lũ lưu lượng dòng chảy hàm lượng bùn cát sông trước cửa lấy nước lớn khơng mở cống lấy nước bùn cát vào sâu kênh mà chủ yếu tập trung khu vực cửa lấy nước, vị trí xuất khu nước vật phía sâu kênh khối nước có hàm lượng bùn cát thấp, so với phía gần bờ hạ lưu kênh lòng kênh gần bờ thượng lưu kênh dòng chảy có hàm lượng bùn cát lớn vào xa (Hình 3.22, 3.23, 3.24) + Kết tính tốn mơ hình tương đối phù hợp với số liệu đo đạc nồng độ bùn cát thuỷ trực cửa lấy nước Xuân Quan vào mùa lũ đóng cống khơng lấy nước (Hình 3.25) + Kết tính tốn thay đổi chiều dày bùn cát đáy (Hình 3.26) cho thây đầu mùa lũ đóng cống khơng lấy nước, dòng bùn cát từ ngồi sơng vào 15 kênh theo dòng chảy vào khu nước vật thứ lắng đọng xuống đáy kênh gần phía bờ hạ lưu Phạm vi lắng đọng tăng lên theo thời gian tính tốn, đáy kênh bị bồi cao lên cộng với mực nước lưu lượng dòng chảy sơng tăng lên mùa lũ làm cho lưu tốc dòng vật vào kênh tăng lên xói lở bùn cát bồi lên, dòng bùn cát theo dòng hồn lưu khu nước vật chuyển sang bồi phía bờ thượng lưu kênh Khi bùn cát bồi bị xói đi, gần phía bờ hạ lưu cao độ đáy kênh lưu tốc dòng chảy vào giảm xuống, nhiên lúc cuối mùa lũ dòng chảy sơng có hàm lượng bùn cát nhỏ q trình bồi khơng thể xảy phía bờ hạ lưu cửa lấy nước nữa, bùn cát bồi lấp phía thượng lưu kênh So sánh xâm nhập dòng bùn cát mức độ bồi lắng khu vực cửa lấy nước kịch tính tốn khác Trên sở lựa chọn tuyến, vị trí cấu trúc cơng trình chắn cát: Với xu xâm nhập bùn cát vào cửa lấy nước trình bày tác giả thực tính tốn phương án cơng trình giả định (đặt tường chắn bờ hạ lưu cửa lấy nước) để xác định hiệu ngăn chặn bùn cát xâm nhập vào cửa lấy nước mùa lũ nhằm xác định tuyến, vị trí cấu trúc hợp lý cơng trình chắn cát + So sánh xâm nhập bùn cát vào cửa lấy nước trường hợp khơng có tường chắn trường hợp có tường chắn vng góc với trục lòng kênh, đặt sát mép sơng chiếm 1/3 chiều rộng lòng kênh phía bờ hạ lưu (Hình 3.32) có tường chắn phần lớn bùn cát xâm nhập vào cửa lấy nước phía bờ hạ lưu bị chặn lại, phần nhỏ bùn cát vào cửa lấy nước phía bờ thượng lưu kênh Như việc đặt cơng trình ngăn dòng vật từ sơng ép vào phía bờ hạ lưu cửa lấy nước có tác dụng tích cực việc ngăn bùn cát xâm nhập + Khi tính tốn so sánh q trình vận chuyển bùn cát vào cửa lấy nước trường hợp tường chắn vng góc với trục kênh, chiếm 1/3 chiều 16 rộng lòng kênh phía bờ hạ lưu trường hợp tường chắn xiên góc có kích thước vị trí tương tự (Hình 3.34) thấy chiều dài xâm nhập bùn cát vào kênh trường hợp tường chắn vuông góc nhỏ trường hợp tường chắn xiên góc Như lựa chọn tuyến cơng trình nhằm ngăn chặn bùn cát xâm nhập cửa lấy nước nên ưu tiên lựa chọn phương án tường chắn vng góc với trục lòng kênh + Kết tính tốn so sánh ảnh hưởng vị trí đặt tường chắn tới trình xâm nhập bồi lắng bùn cát cửa lấy nước cho thấy vị trí đặt sát mép sơng hiệu + Kết tính toán cho thấy, độ tường chắn cát lớn so với mặt cắt ngang cửa lấy nước hiệu chắn cát cao, với phương án tường chắn 2/3 chiều rộng lòng kênh phía bờ hạ lưu cửa lấy nước ngăn dòng bùn cát có hàm lượng lớn xâm nhập vào kênh mùa lũ (trích Hình 3.36) Như cửa lấy nước Xuân Quan lựa chọn cấu trúc chắn cát cơng trình có khoang cửa, khoang có chiều rộng 1/3 lòng kênh thuận lợi cho việc thiết kế, thi công công trình chắn cát quy trình quản lý vận hành cơng trình đáp ứng tốt u cầu cống lấy nước + So sánh thay đổi chiều dày bùn cát lớp đáy đặt tường chắn vng góc, chiếm 1/3 chiều rộng lòng kênh với điều kiện tính tốn tương tự trường hợp khơng có tường chắn có tường chắn (trích Hình 3.37) khơng thấy xuất bãi bồi cửa lấy nước phía sau tường chắn Như đặt tường chắn 1/3 cửa lấy nước hiệu chống bồi vào mùa lũ lớn đặt tường chắn 2/3 vng góc (trích Hình 3.38) có hiệu chống bồi tốt nhiều, kể lượng bùn cát hạt mịn từ ngồi sơng khuếch tán vào kênh Kết tính tốn cho thấy nồng độ bùn cát lớp nước có khác nhau, tập trung nhiều từ lớp đáy lớp dần lớp nước mặt Qua phân tích kết tính tốn mơ hình số trị chiều kết hợp với 17 kết thí nghiệm mơ hình vật lý thực Viện KHTL (KCĐL-94-15-6) tác giả luận án nhận thấy cấu trúc hợp lý theo phương thẳng đứng cửa lấy nước Xuân Quan chia làm tầng cửa có kích thước tầng cửa với kích thước khơng Khi đó, nhằm hạn chế đến mức tối đa lượng bùn cát lắng đọng vào kênh, chế độ vận hành đóng mở khoang tầng cửa chắn cát giữ vai trò quan trọng, đảm bảo mở cửa đủ để cung cấp lưu lượng qua cống Xuân Quan theo yêu cầu ưu tiên mở theo thứ tự từ tầng cao xuống tầng thấp từ thượng lưu xuống phía hạ lưu cửa lấy nước, đóng theo quy trình ngược lại 3.4 Kết luận chương: Kết đo đạc kênh Xuân Quan cho thấy vào mùa lũ, đóng cống khơng lấy nước khối nước kênh gần trạng thái tĩnh, có khu nước vật có cường độ mạnh hoạt động đầu cửa lấy nước Hàm lượng bùn cát phân bố thuỷ trực đo gần bờ hạ lưu lớn phía gần bờ thượng lưu kênh giảm dần từ vào kênh Địa hình cửa lấy nước thay đổi đáng kể sau mùa lũ, bùn cát bồi lắng chủ yếu tập trung đoạn kênh sát sông nơi xuất khu nước vật Ứng dụng mơ hình 3D thử nghiệm sơ đồ giả định để nghiên cứu khu vực cửa lấy nước Xuân Quan với điều kiện địa hình đo đạc khảo sát phương án tính khác cho thấy tính đắn kết luận rút từ nghiên cứu lý thuyết mơ hình vật lý trình bày chương kết luận sau phân tích kết đo đạc khảo sát trình bày trên, cụ thể sau: + Mùa lũ, cống Xuân Quan không lấy nước dòng chảy ngồi sơng có trường lưu tốc hàm lượng bùn cát lớn khối nước kênh gần trạng thái tĩnh, tượng trao đổi nước sông kênh diễn đầu kênh, vị trí xuất khu nước vật trình bồi lắng xuất 18 + Việc đặt tường chắn bờ hạ lưu có tác dụng tích cực việc ngăn chặn dòng bùn cát xâm nhập vào cửa lấy nước mùa lũ hạn chế phạm vi hoạt động khu nước vật làm giảm đáng kể lượng bồi + Vị trí cơng trình chắn cát nên đặt sát mép sông Hướng, tuyến hiệu vng góc với trục lòng kênh Như cơng trình chắn cát (tường chắn cát) xuất phát từ điểm giao mép sông bờ hạ lưu kênh nhơ vng góc với trục lòng kênh + Khẩu độ tường chắn lớn so với độ kênh hiệu chắn cát cao Qua tính tốn cho thấy chọn độ tường chắn 2/3 kênh đặt sát mép sơng giảm gần hết bùn cát vào bồi lắng kênh + Trong trường hợp cơng trình chắn cát Xn Quan, kết tính tốn cho thấy cần đặt vị trí cơng trình chắn cát sát mép sơng chia cơng trình làm khoang với tầng cửa tầng cửa có kích thước khơng với quy trình vận hành lấy nước theo khoang tầng cửa theo nguyên tắc mở từ xuống từ phía bờ thượng lưu phía bờ hạ lưu tuỳ thuộc vào mực nước ngồi sơng trước cửa lấy nước (khi đóng ngược lại) giải tốt vấn đề bồi lắng Khi ứng dụng mơ hình 3D cửa lấy nước Xuân Quan, tác giả luận án xử lý thành công số vấn đề sau: + Trong q trình xây dựng miền tính phải tiến hành nội suy, trơn địa hình đáy dựa số phần mềm chuyên dụng khác + Thời gian tính tốn cho kịch lâu điều kiện ổn định mơ hình, u cầu hệ thống máy tính kết nối để tính tốn phải có tốc độ cao Do mơ hình sử dụng nghiên cứu mơ hình tựa ba chiều với giả thiết áp suất thuỷ tĩnh nên chưa xét ảnh hưởng trực tiếp cơng trình chắn cát tới chế độ thuỷ lực vận chuyển bùn cát cửa lấy nước theo phương thẳng đứng (khi tường chắn thấp mực nước) - ii Hình 3.1: Cửa lấy nước Xuân Quan chụp từ vệ tinh Mặtcắt cắtkênh kênhphía phía trong cửa Mặt cửalấy lấynước nước Đongày ngày20/07và 20/07và 18/11/2004 Đo 18/11/2004 Mặt cắt ngang cửa lấy nước sát sông đo ngày 20/07 18/11/2004 7.00 6.00 H = 5.8 m 6.0 H = 2.93 m 4.0 Độ sâu (m) Cao độ đáy kênh (m) 8.0 2.0 0.0 -2.0 H=5.8 5.00 4.00 H=2.93 3.00 2.00 1.00 0.00 -4.0 -1.00 -6.0 0.0 0.0 25.0 50.0 75.0 100.0 Khoảng cách (m) 125.0 20.0 40.0 150.0 60.0 80.0 100.0 Khoảng cách (m) Hình 3.4: Mặt cắt kênh số đo lúc Hình 3.5: Mặt cắt kênh số 21 đo lúc đầu lũ cuối mùa lũ đầu lũ cuối l đờng phân bố tốc độ theo mặt ngang cống số vị trí đo: xuân quang đờng phân bố tốc độ theo mặt ngang cống số 23 sông: hồng vị trí đo: xuân quang đo lúc 10h31' ngày 20 tháng năm 2004 sông: hồng đo lúc 15h03' ngày 20 tháng năm 2004 10 10 H = 5.80 mÐt H = 5.78 mÐt 5 0 -5 -5 -10 -10 -15 -15 20 40 60 80 Cao trình đáy sông 100 120 140 160 Đờng phân bố tốc độ 10 20 30 40 Cao trình đáy sông 50 60 70 80 Đờng phân bố tèc ®é Hình 3.6: Lưu tốc dòng chảy trung Hình 3.7: Lưu tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu đo mặt cắt bình theo độ sâu đo mặt cắt 23 Hình 3.8: Miền tính khu vực cửa lấy nước Xuân Quan iii m/c Hình 3.11: Trường lưu tốc theo phương ngang khu vực cửa lấy nước Xuân Quan m/c m/c Hình 3.12: Chiều dài khu nước vật thứ cửa lấy nước Hình 3.13: Trường lưu tốc theo phương thẳng đứng mặt cắt Hình 3.14: Trường lưu tốc theo phương thẳng đứng mặt cắt Hình 3.15: Trường lưu tốc theo phương thẳng đứng mặt cắt m/c m/c m/c Hình 3.18: Bùn cát từ ngồi sơng xâm nhập vào cửa lấy nước Xn Quan Hình 3.19: Phân bố nồng độ bùn cát mặt cắt vng góc với trục kênh iv Hình 3.20: Phân bố nồng độ bùn cát mặt cắt vng góc với trục kênh Hình 3.21: Phân bố nồng độ bùn cát mặt cắt vuông góc với trục kênh Hình 3.22: Phân bố nồng độ bùn cát mặt cắt thẳng đứng, song song với trục lòng kênh gần phía bờ hạ lưu Hình 3.23: Phân bố nồng độ bùn cát mặt cắt thẳng đứng trùng với trục kênh Hình 3.24: Phân bố nồng độ bùn cát mặt cắt thẳng đứng, song song với trục lòng kênh gần phía bờ thượng lưu Hình 3.25: So sánh kết tính tốn đo đạc phân bố nồng độ bùn cát thuỷ trực cửa lấy nước v t = 8h t = 12h t = 16h t = 18h Hình 3.26: Sự thay đổi chiều dày lớp đáy trưòng hợp khơng có tường chắn Trường hợp khơng có tường chắn Tường chắn 1/3, vng góc Mặt cắt song song với trục lòng kênh gần phía bờ hạ lưu Trường hợp khơng có tường chắn Tường chắn 1/3, vng góc Mặt cắt trùng với trục lòng kênh Trường hợp khơng có tường chắn Tường chắn 1/3, vng góc Mặt cắt song song với trục lòng kênh gần phía bờ thượng lưu Hình 3.32: So sánh xâm nhập bùn cát vào cửa lấy nước theo phương thẳng đứng trường hợp khơng có đặt tường chắn 1/3, vng góc Mặt cắt song song với trục lòng kênh gần phía bờ hạ lưu vi Mặt cắt trùng với trục lòng kênh Tường chắn 1/3, vng góc Tường chắn 1/3, xiên góc Mặt cắt song song với trục lòng kênh gần phía bờ thượng lưu Hình 3.34: So sánh xâm nhập bùn cát vào cửa lấy nước theo phương thẳng đứng trường hợp đặt tường chắn 1/3, vng góc xiên góc Trích Hình 3.36: So sánh xâm nhập bùn cát vào cửa lấy nước trường hợp tường chắn 1/3, 1/2, 2/3 vng góc đặt sát mép sơng Trích Hình 3.37: So sánh thay đổi chiều dày lớp đáy trưòng hợp khơng có tường chắn trường hợp tường chắn vng góc chiếm 1/3 chiều rộng lòng kênh Trích Hình 3.38: So sánh thay đổi chiều dày lớp đáy trường hợp tường chắn vng góc chiếm 1/3 chiều rộng lòng kênh trường hợp tường chắn vng góc chiếm 2/3 chiều rộng lòng kênh 19 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐẬP CHẮN CÁT CHO CỬA LẤY NƯỚC XUÂN QUAN Trên sở phân tích ưu nhược điểm giải pháp sử dụng ngồi nước, kết cơng trình nghiên cứu trước kết ứng dụng mơ hình 3D tính tốn chế độ thuỷ lực, vận chuyển lắng đọng bùn cát cửa lấy nước, kiến nghị sử dụng sơ đồ hình 4.1 với hệ thống cơng trình chắn cát, lấy nước vào cống Xn Quan Thiết bị tách bùn cát đáy Tunnel Vortex Tupe Đập chắn cát Bể lắng cát Sông Cống lấy nớc Kênh dẫn nớc Cống xả cát Kênh xả cát §ª Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống cơng trình chắn cát lấy nước Trong sơ đồ này, đập chắn cát đặt đầu cửa lấy nước giữ vai trò chủ yếu việc ngăn bùn cát từ ngồi sơng xâm nhập bồi lắng cửa lấy nước việc tính tốn thiết kế sơ thực đập chắn cát, cơng trình khác nghiên cứu sâu đề tài nghiên cứu sau 4.1 Các thông số cần thiết cho việc tính tốn: Mực nước sơng Hồng tương ứng với thời kỳ lấy nước Lượng ngậm cát từ mặt xuống đáy Lưu lượng nước cần tưới theo yêu cầu thời vụ 4.2 Hình thức kết cấu đặc điểm cơng trình đập chắn cát: Đập chắn kênh, chiều rộng khoang 1/3 chiều rộng lòng kênh có nhiều tầng cửa Cao trình, kích thước, vị trí quy trình vận hành khoang cửa cho đảm bảo hạn chế nhiều bùn cát vào kênh mà không ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy vào kênh 4.3 Bố trí kết cấu cơng trình đập chắn cát (Hình 4.2): 4.3.1 Tính chọn vị trí cho tầng cửa: Căn vào mực nước sơng, phân bố bùn cát kích thước cửa van thuận lợi cho việc chế tạo lắp đặt, 20 sơ chọn cao trình ngưỡng khoang cửa mở sau: Tầng I: ∇ = -1,00 m; Tầng II: ∇ = +1,50 m; Tầng III: ∇ = +4,00 m; Tầng IV: ∇ = +6,50 m 4.3.2 Tính diện cho tầng cửa: a Trường hợp tính tốn: Khẩu diện cống tính tốn với trường hợp bất lợi nhu cầu dùng nước, thời kỳ lấy nước mùa kiệt chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ lưu lượng lấy nước tương đối lớn Trong trường hợp ta tính với mực nước ∇smin ∇kmax tương ứng với Qmax b Tính bề rộng cống: Khi lấy nước với lưu lượng Qmax = 103,50 m3/s, mực nước ∇smin = +2,4 m ∇kmax = +2,34 m việc lấy nước thực tầng cửa I II Kết tính Bđ = 48,00 m 4.4 Vận hành đập chắn cát: Mở khoang tầng cửa theo quy trình từ thượng lưu hạ lưu kênh từ xuống (khi đóng ngược lại hạn chế đến mức tối thiểu lượng bùn cát bồi lắng 15,00 250 1600 1600 12,00 1600 8,70 6,50 4,00 3,00 1,50 -1,50 -1,00 11,00 11,00 150 1600 150 1600 150 1600 150 -1,50 -1,50 970 870 -1,50 -1,50 -1,50 Hình 4.2: Chính diện mặt đập chắn cát 21 4.5 Tính tốn sơ hiệu chống bồi cơng trình chắn cát 4.5.1 Thời gian tính: Tháng 4.5.2 Cơ sở tính tốn: Thời gian lấy nước Lưu lượng nước cần lấy vào cống đê Lưu lượng dòng chảy trao đổi sơng kênh chưa có cơng trình chắn cát Cao trình độ mở cửa đập chắn cát Mực nước ngồi sơng trước cửa lấy nước Phân bố nồng độ bùn cát thuỷ trực 4.5.3 Kết tính tốn sơ hiệu chống bồi: Bảng 4.1: Tính tốn sơ hiệu chống bồi có cơng trình chắn cát Chưa có cơng trình chắn cát Có cơng trình chắn cát Lưu lượng nước trao đổi: 69,2 m3/s Lưu lượng nước cần lấy: 34,38 m3/s Thời gian: 30 ngày Thời gian: 307 (12,79 ngày) Mực nước: +5,8 m; ∇mở: + m Mực nước: + 5,8 m Lượng ngậm cát: ρ1 = 0,215 kg/m ρ2 = 0,149 kg/m3 Mật độ bùn cát lắng đọng gây bồi: Δρ = 0,0657 kg/m Lượng bồi: V 179,366x10 W = Δρ = x 0,0657 = 6546,86 m γ 1,8x103 Lượng ngậm cát: ρ1 = 0,186 kg/m3 ρ2 = 0,131 kg/m3 Mật độ bùn cát lắng đọng gây bồi: Δρ = 0,055 kg/m3 Lượng bồi: V 37,996x106 W = Δρ = x 0,055 = 1160,1m3 γ 1,8x103 Kết tính tốn sơ cho thấy sử dụng cơng trình chắn cát hiệu giảm bồi đạt được: 82,28% 4.6 Kết luận chương: Sau so sánh phương án cơng trình cách toàn diện mặt kỹ thuật, kinh tế, tính khả thi thi cơng quản lý vận hành, tác giả luận văn kiến nghị chọn phương án sử dụng sơ đồ hệ thống lấy nước, ngăn bùn cát gồm cơng trình: đập chắn cát, bể lắng, thiết bị tách bùn cát vào kênh xả cát sơng làm giải pháp cơng trình giảm bồi lắng cho cửa lấy nước bên sơng Trong đó, đập chắn cát cơng trình chủ đạo, cơng trình khác bổ trợ 22 Đối với đập chắn cát, cấu trúc nhiều khoang, nhiều tầng với cao trình, kích thước khoang tầng phù hợp quy trình đóng mở khoang tầng hợp lý hạn chế đến tối thiểu lượng bùn cát vào bồi lắng phía trong, đồng thời đảm bảo lấy nước mùa kiệt lấy sa mùa lũ Kết tính tốn cho thấy sơ đồ hệ thống cơng trình chống bồi lắng đề xuất có hiệu chống bồi lắng cao Riêng đập chắn cát cửa giảm 80% bùn cát vào bồi lắng kênh dẫn sau đập KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kế thừa kết nghiên cứu có, sau nhiều năm nỗ lực nghiên cứu, luận án đạt số kết sau: Luận án tổng quan tình hình bồi lắng cửa lấy nước; phương pháp nghiên cứu bồi lắng cửa lấy nước; cơng trình nghiên cứu bồi lắng cửa lấy nước; nguyên nhân giải pháp chống bồi lắng cửa lấy nước bên sông nước giới Đã phân tích tồn nghiên cứu nước trước mà quan trọng tính định lượng thấp nguyên nhân hạn chế phương pháp hay công cụ nghiên cứu Từ đó, xác định hướng nghiên cứu cho luận án Luận án hệ thống lý thuyết mơ hình tốn nghiên cứu ứng dụng mơ hình số trị chiều phù hợp để mơ tính tốn định lượng chế độ thủy lực trình vận chuyển, bồi lắng bùn cát cửa lấy nước bên sông Nghiên cứu ứng dụng mô hình số trị chiều cho tốn bồi lắng cửa lấy nước bên sông Đã nghiên cứu thử nghiệm sơ đồ cửa lấy nước giả định xác lập sở tổng kết sơ đồ thực tế Kết tính tốn chế độ thủy lực; vận chuyển bồi lắng bùn cát sơ đồ giả định phù hợp với kết luận rút từ phân tích lý thuyết Điều cho thấy mơ hình số trị chiều cơng cụ nghiên cứu định lượng hữu hiệu toán phức tạp 23 Đã tiến hành đo đạc thực tế trước sau lũ, sử dụng số liệu đo kết thí nghiệm mơ hình vật lý thực trước hiệu chỉnh mơ hình số trị chiều để ứng dụng nghiên cứu cửa lấy nước Xuân Quan Ứng dụng thành công mơ hình số trị chiều kiểm nghiệm sơ đồ cửa lấy nước giả định nghiên cứu định lượng chế, diễn biến bồi lắng giải pháp giảm bồi lắng cho cửa lấy nước Xuân Quan Kết tính tốn phù hợp với kết luận rút từ nghiên cứu lý thuyết, thí nghiệm mơ hình vật lý trước kết đo đạc thực tế Kết nghiên cứu luận án cho thấy muốn giảm bồi lắng cần thiết phải có cơng trình kiểm sốt q trình vận chuyển lắng đọng bùn cát đặt cửa lấy nước Tại Xuân Quan, theo đề xuất tác giả sử dụng sơ đồ hệ thống lấy nước, chắn cát với cơng trình chủ đạo đập chắn cát khoang tầng cửa đặt sát mép sông với cơng trình phụ trợ khác bể lắng, kênh xả cát, hiệu chống bồi lắng cao Từ kết đạt luận án, tác giả kiến nghị số nội dung sau: Đề nghị quan có thẩm quyền quan hữu quan quan tâm cho phép ứng dụng kết nghiên cứu Luận án vào thực tiễn sản xuất Xây dựng phát triển công nghệ lưới lồng (Nesting) Tiếp tục ứng dụng mô hình để nghiên cứu kiểm chứng số cửa lấy nước khác có số liệu thu thập đo đạc ... lắng bùn cát cửa lấy nước bên sông Ứng dụng thành cơng mơ hình số trị chiều mô chế độ thuỷ lực, chế diễn biến bồi lắng kịch cơng trình chắn cát cho cửa lấy nước bên sông Đã xác định vị trí, hướng,... tốn nghiên cứu ứng dụng mơ hình số trị chiều phù hợp để mơ tính tốn định lượng chế độ thủy lực trình vận chuyển, bồi lắng bùn cát cửa lấy nước bên sông Nghiên cứu ứng dụng mơ hình số trị chiều. .. mơ hình vật lý thực trước hiệu chỉnh mơ hình số trị chiều để ứng dụng nghiên cứu cửa lấy nước Xuân Quan Ứng dụng thành cơng mơ hình số trị chiều kiểm nghiệm sơ đồ cửa lấy nước giả định nghiên cứu