Ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy qua máng tràn ngang hồ chứa nước quang hiển, tỉnh bình định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  TRẦN HỮU SÁNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG HỒ CHỨA NƢỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SỸ Đà Nẵng - Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  TRẦN HỮU SÁNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG HỒ CHỨA NƢỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số : 58.80.02.02 LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN THẾ HÙNG Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết tính tốn đưa luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Trần Hữu Sáng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 11 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 11 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 11 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 12 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 13 CẤU TRÖC LUẬN VĂN 13 CHƢƠNG I 14 TỔNG QUAN VỀ DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ 14 1.1 CƠNG TRÌNH TRÀN TIÊU BIỂU 14 1.1.1 Tình hình xây dựng, cơng trình thủy lợi, thủy điện giới14 1.1.2 Tình hình xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện nƣớc ta 16 1.1.3 Nhận xét cơng trình tháo lũ nƣớc ta 18 1.2 CÁC VẤN ĐỀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH DÕNG CHẢY QUA CÁC TRÌNH THỦY LỢI 18 1.2.1 Khái niệm mơ hình tốn dịng chảy 18 1.2.2 Những vấn đề cần nghiên cứu dòng chảy máng ngang 21 KẾT LUẬN CHƢƠNG I 21 CHƢƠNG II 23 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ MƠ HÌNH TELEMAC3D 23 2.1 MỤC ĐÍCH VÀ U CẦU MƠ PHỎNG MƠ HÌNH TỐN 23 2.1.1 Mục đích mơ mơ hình tốn 23 2.1.2 Qui trình kiểm định mơ hình nội dung nghiên cứu 23 2.2TÀI LIỆU ĐƢỢC CUNG CẤP PHỤC VỤ MƠ HÌNH 25 2.2.1Giới thiệu chung 25 2.2.2 Tài liệu thủy văn 28 2.2.3 Tài liệu địa hình 30 2.3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THỦY LỰC TRÀN MÁNG BÊN 32 2.3 1Tính tốn thủy lực cho ngƣỡng tràn 32 2.3.2 Tính tốn thủy lực máng ngang 32 2.3.2.1 Phương pháp đơn giản Giáo sư E.A.Zamarin 33 2.3.2.2 Phương pháp dòng biến lượng 34 2.3.2.3 Các phương pháp khác 35 2.4 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHẦN MỀM TELEMAC 35 2.4.1 Thủy lực chiều (1D): 37 2.4.2 Thủy lực chiều (2D): 37 2.4.3 Thủy lực chiều (3D): 37 2.4.4 Một số Modun khác hệ thống TELEMAC: 37 2.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN MỀM TELEMAC-3D 39 KẾT LUẬN CHƢƠNG II 44 CHƢƠNG III 46 ÁP DỤNG MƠ HÌNH TỐN TELEMAC-3D MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA CƠNG TRÌNH TRÀN XẢ LŨ 46 3.1 CÁC BƢỚC XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ THỦY LỰC TRÀN XẢ LŨ VÀ BỂ TIÊU NĂNG TRÊN TELEMAC-3D46 3.1.1 Xây dựng mơ hình tràn ba chiều (3D) 46 3.1.2 Tạo tập tin đầu vào Telemac-3D 46 3.1.3 Kết tạo lƣới 47 3.1.4 Các thơng số hình học mơ hình Telemac 49 3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG50 3.2.1 Khả xả lũ 50 3.2.2 Các thông số thủy lực tràn qua mơ mơ hình 56 KẾT LUẬN CHƢƠNG III 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 KẾT LUẬN 65 KIẾN NGHỊ 66 NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI 67 TĨM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG HỒ CHỨA NƢỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH Học viên: Trần Hữu Sáng Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.02.02 Khóa: 2016-2018 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Cơng trình tháo lũ nằm cụm đầu mối cơng trình thủy lợi, thủy điện cơng trình quan trọng Nên việc nghiên cứu thiết kế, xây dựng cơng trình cẩn trọng Đối với cơng trình tràn có qui mô lớn (cấp II trở lên) việc thực mô hình vật lý tốn thời gian kinh phí thực hiện; kết tương đối, cần kiểm chứng cơng trình tương tự ngồi thực địa Đối với cơng trình tháo lũ có qui nhỏ (Khơng u cầu làm mơ hình vật lí) việc tính tốn thiết kế theo Qui chuẩn, Tiêu chuẩn, Sổ tay tính tốn…hiện hành Nhà Nước chưa phản ánh tượng vật lý tràn làm việc Đặc biệt, dòng chảy đường tràn ngang dòng chảy biến lượng theo chiều, xoắn ốc phức tạp Ứng dụng mơ hình tốn chiều mơ hình TELEMAC-3D cho dịng máng tràn ngang Hồ chứa nước Quang Hiển nói riêng, cơng trình vừa nhỏ nói chung có ý nghĩa lớn công tác thiết kế Nhằm nâng cao độ tin cậy tính tốn thiết kế chạy nhiều phương án khác hình dạng, kích thước, độ dốc máng ngang để tìm phương án thiết kế phù hợp mặt thủy lực, an tồn hiệu kinh tế Từ khóa – Máng tràn ngang – Quang Hiển, mô máng ngang, dịng chảy biến lương, mơ hình TELEMAC-3D APPLICATION OF OVERFLOW SIMULATION MODEL FOR QUANG HIEN RESERVOIR IN BINH DINH PROVINCE Abstract: In general, seepage in the earth dam is really complex, especially the 3D seepage at the locations which are contacted to hillsides, spillways, culverts Seepage has intimately relation to the conditions of topology, geology and hydrology In present design calculation of earth dam, seepage calculation is normally used 2dimensional vertical model (2DV), which is solved according to finite element method (FEM) for computation of typical cross-sections of earth dam However, this model has not reflexed correctly the real seepage, especially in the high dam with the ratio between the dam length (L) and the dam height (H) from to The result of design calculation has ability of causing the incidents or increasing the budget In this paper, the authors studies 3D seepage of Atop Kon-Tum earth dam, in special topology and geology, to evaluate their impacts on the dam safety and economic effective Since then, proposals of the study are given in earth dam design Key words- Lateral spillway, Quang Hien, simulation of lateral spillway, changeable flow, TELEMAC-3D model DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam BNN&PTNN : Bộ Nông nghiệp Phát triển Nơng thơn KTTV : Khí tượng thủy văn MNDBT : Mực nước dâng bình thường MNLTK : Mực nước lũ thiết kế MNC : Mực nước chết MNLKT : Mực nước lũ kiểm tra MNHL : Mực nước hạ lưu DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU F : Diện tích lưu vực (Km2) P% : Tần suất Q : Lưu lượng t : Thời gian Qp% : Lưu lượng tương ứng với tần suất Vc : Thể tích chết VMNDBT : Thể tích mực nước dâng bình thường X : Lượng mưa năm Znc : Lượng bốc đo mực nước Z : Mực nước U : Lượng ẩm Wtb : Dung tích tồn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1- 1:Một số cơng trình tiêu biểu Việt Nam 16 Bảng 2- 1: Nội dung nghiên cứu mô mô hình tràn .24 Bảng 2- 2:Bảng tần suất thiết kế cơng trình 26 Bảng 2- 3: Các thông số kỹ thuật cơng trình 26 Bảng 2- 4: Đặc trưng khu vực 28 Bảng 2- 5: Dòng chảy năm 28 Bảng 2- 6: Dòng chảy lũ thiết kế 29 Bảng 3- 1: Khả xả qua tràn phương án thiết kế 50 Bảng 3- 2: Khả xả qua tràn ứng lũ 2017 53 Bảng 3- 3: Khả xả qua tràn ứng với p = 1.0% .55 Bảng 3- 4: Khả xả qua tràn ứng với p = 0.2% 55 Bảng 3- 5: Kết khả xả lũ qua tràn theo phương pháp tính 56 Bảng 3- 6: So sánh mực nước máng theo phương pháp tính (Q1%) 59 Bảng 3- 7: So sánh mực nước máng theo phương pháp tính (Q0.2%) 60 Bảng 3- 8: So sánh mực nước dốc phương pháp tính Q1.0% 60 Bảng 3- 9: So sánh mực nước dốc phương pháp tính Q0.2% 61 -65 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu đề tài « Ứng dụng mơ hình tốn mơ dịng chảy qua máng tràn ngang hồ chứa nước Quang Hiển,tỉnh Bình Định », luận văn đến kết luận sau: Dịng chảy mơ ứng với cấp lưu lượng tần suất thiết kế, tần suất kiểm tra mực nước lũ đo lũ năm 2017 công trình hồ chứa nước Quang Hiển, so sánh với kết tính tốn theo phương pháp cổ điển (dùng cơng thức giải tích chiều), có nhận xét sau: - Khả tháo lũ qua tràn thông qua mô hình cho kết sai khác với phương pháp cổ điển chấp nhận Khả tháo lũ công trình tính theo mơ hình cho thấy đáp ứng u cầu so với thiết kế Mực nước lũ 2017 nhỏ chưa đủ phản ánh dịng chảy cơng trình - Mực nước gần đầu máng ứng với cấp lương lượng tần suất p=1% p=0.2% phương pháp tính thiết kế mơ hình tương đương Nhưng gần cuối máng có sai khác lớn Nhưng đến dốc nước chênh lệch nước phương pháp không lớn - Về mực nước lưu tốc dòng chảy máng, kết qua mơ hình gần với tượng vật lý dòng chảy thực máng Mực nước thành đối diện ngưỡng tràn cao điểm mặt cắt ngang, lưu tốc dòng chảy hướng, sát đáy mặt khác Đây tính ưu việc mơ hình tốn TELEMAC-3D so với phương án thiết kế giải tích chiều Dịng chảy qua đập tràn máng ngang mơ hình TELEMAC-3D mơ tả dịng chảy biến lượng xoắn ốc chiều… bất lợi thủy lực khác máng ngang; Trong phương pháp cổ điển cơng thức giải tích chiều chưa nêu hết yếu tố bất lợi, tính hợp lí hình dạng, độ dốc, kết cấu, vật liệu xây dựng cơng trình…Cụ thể cơng trình tràn Quang Hiển hình dạng đầu máng ngang chưa hợp lý dẫn đến tạo vùng xốy gây bất lợi cho cơng trình, dịng xốy làm phá hủy kết cấu, giảm khả nước bể, kích thước bể tăng…chi phi đầu tư tăng Việc mơ dịng chảy máng mơ hình tốn TELEMAC-3D chạy nhiều phương án khác với độ dốc máng khác để tìm độ dốc thích -66 - hợp lợi mặt thủy lực, lợi mặt kinh tế đầu tư Qua kết mô ứng với cấp lưu lượng thiết kế (tần suất p=1.0%) lưu lượng kiểm tra (tần suất p=0.2%) công trình tràn hồ Quang Hiển, cho thấy: cấp lưu lượng kiểm tra, cho kết mực nước máng lớn cịn thấp cao trình ngưỡng tràn, chưa xét đến khả tháo lũ máng trường hợp mực nước máng cao ngưỡng tràn không vượt 0.4H so với ngưỡng tràn (H: chiều cao cột nước tràn qua ngưỡng) Điều có nghĩa đáy bể ngang tràn Quang Hiển thấp, dẫn đến đào phá móng tràn lớn, kinh phí đầu tư tăng Ứng dụng hệ thống mơ hình tốn TELEMAC-3D để xác định thông số thủy lực cho máng tràn ngang hồ chứa nước Quang Hiển, cho thấy tính ưu việc mơ hình: - Có khả mơ phỏng, tìm sơ thông số thủy lực để từ tìm yếu tố thủy lực bất lợi ảnh hưởng đến cơng trình, mà phương pháp cổ điển chưa làm Đồng thời, mơ hình chạy nhiều phương án khác nhau, để nhà thiết kế đưa hình dạng, kết cấu phù hợp mặt thủy lực hiệu kinh tế đầu tư - Ngồi ra, chạy mơ hình tốn TELEMAC-3D để xác định hình dạng cơng trình hợp lí nhất; cho phép tiết kiệm thời gian kinh phí xây dựng mơ hình vật lý phục vụ cho sản xuất nghiên cứu khoa học thủy động học có mặt thống KIẾN NGHỊ Cơng trình tháo lũ nằm cụm đầu mối cơng trình thủy lợi, thủy điện cơng trình quan trọng, ảnh hưởng lớn trị, xã hội, kinh tế vùng, lớn tỉnh, vùng lãnh thổ, Quốc gia Nên việc nghiên cứu thiết kế, xây dựng cơng trình cẩn trọng Ngày nay, nhà tư vấn thiết kế cơng trình thủy nói chung cơng trình tháo lũ thủy lợi, thủy điện nói riêng, cần phải nâng cao trình độ chuyên môn, tiếp cận với khoa học kỹ thuật, công nghệ giới, phục vụ cho công tác chun ngành ngày tốt hơn, an tồn Việc xây dựng mơ hình vật lý để thí nghiệm phục vụ cho cơng tác thiết kế cơng trình lớn tốn thời gian kinh phí; chưa xác hay áp dụng rộng rãi cho cơng trình tương tự khác, cần kiểm chứng ngồi thực địa, nghiên cứu kết luận có sở khoa học Đối với cơng trình nhỏ vừa thiết kế cơng trình áp dụng Quy chuẩn, Tiêu chuẩn, Cẩm nang thiết kế chưa đủ, chưa có nhìn tổng quan, khoa học để đánh giá chọn phương án tối ưu Để khắc phục điều này, tác giả đề nghị quan quản lý Nhà nước xem xét, thực sách thiết thực lĩnh vực khoa học kỹ thuật này: Các cơng trình tràn, tháo lũ hồ chứa nước hay -67 - cơng trình dâng nước sơng cần có hệ thống quan trắc chi tiết thông số thủy lực mực nước, lưu tốc, lưu lượng trước sau cơng trình Tập hợp số liệu quan trắc cần thiết cho nhà khoa học nghiên cứu thủy động học, nhà tư vấn thiết kế cơng trình…Đây sở nhà khoa học kỹ thuật hội thảo, nghiên cứu, đánh giá kiến nghị áp dụng cho cơng trình tương tự, nâng cao độ tin cậy cơng trình Hệ thống TELEMAC xây dựng dựa thuật toán mạnh, dùng phương pháp phần tử hữu hạn, miền tính tốn rời rạc hóa lưới phần tử tam giác khơng có cấu trúc, mã nguồn mở giúp người sử dụng điều chỉnh thay đổi dễ dàng Nhờ vậy, nên khuyến kích sử dụng hệ thống TELEMAC để nghiên cứu, áp dụng, so sánh với mơ hình khác phát triển NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI Bên cạnh kết đạt nêu trên, luận văn vấn đề tồn như: - Luận văn xem xét khả tháo lũ tràn, xem xét, so sánh thông số thủy lực: lưu lượng, lưu tốc, đường mực nước phương pháp chạy mơ hình phương pháp tính tốn theo cổ điển Các vùng dòng chảy nghiên cứu trước sau ngưỡng tràn, đặc biệt dòng chảy máng ngang, chưa xem xét tồn cơng trình - Số liệu quan trắc lũ năm 2017 chưa đủ sở khoa học để nghiên cứu, như: cấp lưu lượng nhỏ không đủ mô tả hết tượng vật lý thực trạng tràn làm việc, quan trắc mực nước hồ trước ngưỡng tràn, chưa đo lưu lượng qua tràn, mực nước hay lưu tốc ngưỡng tràn dịng chảy máng ngang, cơng trình nối tiếp - Chạy mơ hình cấp lưu lượng: Thiết kế, kiểm tra mực nước thực đo năm 2017, chưa đủ để đánh giá hết hay dự báo yếu tố thủy lực gây bất lợi ứng với cấp lưu lượng cần xem, quan tâm; Chưa chạy nhiều phương án độ dốc, kích thước đáy máng ngang để tìm phương án tốt -68 - DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Nguyễn Thế Hùng (2006), Thủy lực tập 1, NXB xây dựng [2] GS.TS Nguyễn Thế Hùng (2004), Bài giảng cao học Thủy lực tính tốn, Đại học Đà Nẵng [3] PGS.TS Hồng Thị Bích Ngọc, Lý thuyết lớp biên phương pháp tính, Đại học bách khoa Hà Nội [4] P.G Kixelep, A.D Altsul, nnk 2008 Sổ tay tính tốn thủy lực NXB xây dựng [5] Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Văn Cung, nnk.2006 Giáo trình thủy lực tập 1,2,3 Nhà xuất Nông nghiệp [6] Bộ Nông nghiệp PTNT (1999), Quy phạm Thiết kế tràn xả lũ SDJ 341-89 (bản dịch từ tiếng Trung Quốc), Hà Nội [7] Phạm Ngọc Quý 2003 Nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình tháo nước NXB Xây dựng [8] Giáo trình Thủy cơng – Tập 2, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội 2004 [9] TCVN 9147:2012: Cơng trình thủy lợi – Qui trình tính tốn thủy lực tràn [10] TCVN 8214:2009: Thí nghiệm mơ hình thủy lực cơng trình thủy lợi, thủy điện [11] Lê Văn Nghị (2014), Báo cáo kết thí nghiệm mơ hình thủy lực (phương án điều chỉnh) dự án :Hồ chứa nước Nặm Cắt – tỉnh Bắc Kạn [12] La Thị Cang (2005), Nhập môn Động lực học chất lỏng địa vật lý (Tập I), Nhà xuát Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [13] Phạm Văn Huấn (2005), Ngơn ngữ lập trình Fortran ứng dụng Khí tượng thủy văn, Nhà xuất Nông nghiệp [14] Phạm Văn Tân (2007), Ngơn ngữ lập trình Fortran 90, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội [15] Phan Thái Nguyên Nguyễn Minh Giám (2013), Tổng quan hệ thống mơ hình hố Telemac-Mascaret khả ứng dụng, Tạp chí Khí tượng thủy văn, (627), 9-13 Tiếng Anh [16] Versteeg, H.K, and Malalasekera, W, 2007 An introduction to Computational Fluid Dynamics The Finite Volume Method- 2nd edition, Longman Scientific & Technical,Essex, United Kingdom [17] CHC (2011), Blue Kenue: Reference Manual -69 - [18] EDF-DER (1999), TELEMAC modeling system: Mesh interface STBTEL software, Version 4.1, Introductory Examples [19] USACE, 1992, EM 1110-2-1603 Hydraulic Design of Spillway, Washington, DC, USA [20] EDF-DER (1999), TELEMAC modeling system: Mesh interface STBTEL software, Version 4.1,Reference Manual [20] EDF-DER (1999), TELEMAC modeling system: Mesh interface STBTEL software, Version 4.1,User Manual [21] EDF-R&D (2010), Guide to programming in the TELEMAC system version 6.0 [22] EDF-R&D (2010), SISYPHE 6.0 User Manual [23] EDF-R&D (2009), TELEMAC modeling system: Artemis Software – Wave agitation, Version 6.2, Theoretical Note and User Manual [24] EDF-R&D (2010), TELEMAC modeling system: 2D hydrodynamics TELEMAC2D software, Version 6.0, Reference Manual [25] EDF-R&D (2010), TELEMAC modeling system: 2D hydrodynamics TELEMAC2D software, Version 6.0, User Manual [26] EDF-R&D (2011), TELEMAC modeling system: 2D hydrodynamics TELEMAC2D software, Version 6.1, Validation Docunment [27] EDF-R&D (2013), TELEMAC modeling system: 3D hydrodynamics TELEMAC3D software, Release 6.2, Operating Manual [28] EDF-R&D (2013), TELEMAC modeling system: 3D hydrodynamics TELEMAC3D software, Release 6.2, Reference Manual Internet [29]http://www.opentelemac.org/, [30] http://www.opentelemac.org/index.php/installation [31] http://wiki.opentelemac.org/doku.php?id=user_manual_telemac-2d [32] http://wiki.opentelemac.org/doku.php?id=user_manual_telemac-3d [33] http://www.opentelemac.org/index.php/manuals/viewcategory/13-telemac-2d [34]http://www.opentelemac.org/index.php/manuals/viewcategory/14-telemac-3d -70 - QUYẾT ĐỊNH GIAO NHẬN ĐỀ TÀI -71 - PHỤ LỤC TÍNH TỐN 72 -73 - -74 - -75 - -76 - -77 - -78 - -79 - ... chưa phản ánh dịng chảy thực cơng trình máng tràn ngang Do đó, đề tài luận văn chọn: ? ?Ứng dụng mơ hình tốn mơ dịng chảy qua máng tràn ngang Hồ chứa nƣớc Quang Hiển, Tỉnh Bình Định? ?? để nghiên cứu... CỨU Ứng dụng mơ hình TELEMAC-3D để mơ dịng chảy qua cơng trình máng tràn ngang hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định, nhằm xác định: + Tính hợp lý hình dạng, kích thước phận cơng trình tràn. .. lý tràn làm việc Đặc biệt, dòng chảy đường tràn ngang dòng chảy biến lượng theo chiều, xoắn ốc phức tạp Ứng dụng mơ hình tốn chiều mơ hình TELEMAC-3D cho dịng máng tràn ngang Hồ chứa nước Quang