Xây dựng công thức kinh nghiệm tính toán hiệu quả bồi lắng của hệ thống đảo chiều hoàn lưu trên sông Dinh tại Phan Rang

Trong nghiên cứu, xây dựng các công trình chỉnh trị sông ở Việt Nam, rất nhiều công trình sau khi xây dựng không tạo được hiệu quả chỉnh trị, nguy hiểm hơn là dẫn đến những tổn thất về tài sản, thậm chí cả tính mạng con người và môi trường sinh thái. Mặc dù các công trình chỉnh trị sông ở nước ta được xây dựng từ rất sớm, nhưng hầu hết không đánh giá được hiệu quả sau đó.

XÂY DỰNG CƠNG THỨC KINH NGHIỆM TÍNH TỐN HIỆU QUẢ BỒI LẮNG CỦA HỆ THỐNG ĐẢO CHIỀU HOÀN LƯU TRÊN SƠNG DINH TẠI PHAN RANG TS Nguyễn Đăng Giáp Phịng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia Động lực học sông biển GS.TS Lương Phương H ậu Trường Đại học Xây dựng Tóm tắt: Trong nghiên cứu, xây dựng cơng trình chỉnh trị sơng Việt Nam , nhiều cơng trình sau xây dựng khơng tạo hiệu chỉnh trị, nguy hiểm dẫn đến tổn thất tài sản, chí tính mạng người môi trường sinh thái Mặc dù cơng trình chỉnh trị sơng nước ta xây dựng từ sớm, hầu hết không đánh giá hiệu sau Do vậy, việc phân tích ngun nhân, rút kinh nghiệm từ cơng trình thành công hay thất bại phục vụ cho xây dựng cơng trình khơng thực Kết nghiên cứu xây dựng công thức kinh nghiệm xác định hiệu gây bồi phía sau cơng trình chỉnh trị sơng Summ ary: In fact the river training works, after the works has built then: Light is not created to be effect of the river training, leading to severe dam age to property and even human lives and the environment ecological Although the river training works was built very early, but most the river training works after construction will not assess the effectiveness of the works Thus the analysis of causes and learn from the success or failure process for the construction of subsequent work is not done The research results have built experience form ula to calculate effective alluvia in the back of the river training works I ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu nay, khai thác có hiệu quả, hợp lý nguồn tài ngun dịng sơng nhu cầu cần thiết ngành kinh tế xã hội Trong đó, xây dựng hàng loạt loại cơng trình chỉnh trị phần lớn dịng sơng, đặc biệt đoạn sơng qua thành phố Các cơng trình chỉnh trị mức độ định xây dựng với nhiều mục tiêu khác như: thoát lũ, chống sạt lở bờ, ổn định luồng lạch cho giao thông thủy, chống bồi lấp cửa lấy nước, tạo cảnh quan cho khu vực thành phố v.v Những cơng trình đó, thơng qua việc điều chỉnh lịng dẫn (gây xói, bồi), dịng chảy (tăng, giảm mực nước, lưu tốc) mang lại hiệu kinh tế - kỹ thuật giải nhiệm vụ đặt [1],[3],[6] Trong cơng trình chỉnh trị sơng xây dựng Việt Nam, nhiều cơng trình mang lại hiệu tích cực như: Cơng trình chống bồi lấp cảng Hà Nội (1986-1990); hệ thống mỏ hàn Đông Trù sơng Đuống (1990); cơng trình cắt sơng Quản Xá sơng Chu (1994-1995) Đặc biệt cơng trình thử nghiệm bảo vệ bờ sông Dinh qua thành phố Phan Rang (1994-1997), đưa bùn cát vào lấp lạch sâu ép sát chân đê bồi cao thành bãi, đảm bảo ổn định cho tuyến đê qua thành phố [1], [3] Nhưng thực tế, số cơng trình sau xây dựng không tạo hiệu chỉnh trị, số cơng trình gây tổn thất tài sản, người môi trường Trong nghiên cứu chỉnh trị sơng, thành cơng hay thất bại có nhiều lý khách quan, chủ quan, trực tiếp hay gián tiếp, may mắn hay rủi ro v.v Nhưng có lý khẳng định chưa có phương pháp nghiên cứu hay quy trình, quy phạm đủ tin cậy để dự báo định lượng xác, đảm bảo cho tác động có lợi cơng trình chỉnh trị vào lịng sơng Do đó, thực tiễn nghiên cứu chỉnh trị sơng Việt Nam, việc xây dựng cơng trình chỉnh trị chủ yếu dựa theo theo kinh nghiệm từ nước khác, địa phương khác, theo yêu cầu cấp bách, theo phương pháp "thử phản ứng" có tính thăm dò [3] Do nhu cầu phát triển bền vững kinh tế xã hội, nhu cầu khai thác tổng hợp dịng sơng Việt Nam việc xây dựng cơng trình chỉnh trị sơng cịn phải tiếp tục thời gian tới Như vậy, nhu cầu có cơng thức tính tốn hiệu bồi lắng phía sau cơng trình chỉnh trị cần thiết, giúp cho cơng tác thiết kế xây dựng cơng trình chỉnh trị đảm bảo ổn định hiệu II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠ NG PHÁP NGHIÊN CỨU CƠNG TRÌNH ĐẢO CHIỀU HỒN LƯU (ĐCHL) 2.1 Kết cấu dịng chảy khúc sơng cong Theo [6], đặc điểm bật dịng chảy khúc sơng cong tồn độ dốc ngang mặt nước M ực nước cao xuất phía bờ lõm, mực nước thấp xuất phía bờ lồi Kết nghiên cứu đường đẳng trị mực nước khúc cong Rôzôpski Phitman A.I rõ rằng: - Dọc theo bờ lõm, đường mặt nước có dạng đường cong lồi, mực nước cao đỉnh cong D ọc theo bờ lồi, đường mặt nước có dạng đường cong lõm, mực nước thấp vị trí gần đỉnh cong - Độ dốc ngang lớn xuất vùng gần đỉnh cong, giảm dần phía Độ dốc ngang tăng lên mực nước tăng lên Tương ứng với độc dốc ngang mặt nước, tồn dòng chảy theo phương ngang, dạng hoàn lưu Hoàn lưu đoạn sơng cong có cường độ mạnh thường đơn nhất, phương chuyển động ổn định, kết hợp với dịng chảy dọc tạo thành dịng xoắn hình thể A A II I -I  2 G1 G2 Hình Hướng chuyển động dịng chảy khúc sơng cong Dịng hồn lưu thể qua giá trị uy/ux bắt đầu xuất với cường độ yếu trước vào khúc cong Sau đó, cường độ dịng hồn lưu tăng lên đạt giá trị cực đại lân cận đỉnh cong, sau lại bắt đầu giảm nhỏ Ra khỏi khúc cong, hoàn lưu cịn tiếp tục trì đoạn có tác dụng làm giảm yếu hồn lưu ngược chiều khúc cong Dựa vào kết cấu hoàn lưu khúc sông cong sông thiên nhiên, nhà nghiên cứu sáng tạo kết cấu hoàn lưu nhân tạo để phục vụ cho yêu cầu chỉnh trị sông Sau ý tưởng thực hóa thành cơng thực tế Việt Nam 2.2 Ngun lý làm việc cơng trình tạo hoàn lưu Theo lý thuyết, hoàn lưu khúc sơng cong làm cho dịng chảy mặt có hướng từ bờ lồi xơ vào bờ lõm, ngược lại dịng chảy đáy lại từ bờ lõm chuyển sang bờ lồi Bờ lõm bị sạt lở dịng chảy mặt có vận tốc cao, xung kích lớn, phá hoại kết cấu đất bờ làm cho đất bờ sạt xuống Số đất bờ sạt xuống đáy dòng chảy đáy mang sang bờ lồi, gây bồi lắng bờ lồi [6] Cơng trình có kết cấu đảo chiều hồn lưu (ĐCHL) dùng cho mục đích chống sạt lở, bảo vệ bờ dựa nguyên tắc làm việc tác động vào dòng chảy theo chiều ngược lại, nghĩa là: đón dịng nước mặt có động lớn, đẩy xa bờ lõm, hướng chuyển sang phía bờ đối diện, với mục đích loại trừ nguyên nhân trực tiếp gây sạt lở; ngược lại, dòng chảy đáy mang nhiều bùn cát, theo quy luật hoàn lưu, tự động vào phía bờ lõm, để chân bờ khơng khơng bị sạt lở mà cịn bồi lắng thêm bùn cát Như vậy, hoàn lưu đảo chiều, [1],[2],[3],[5] 2.3 Phương pháp nghiên cứu Trong phạm vi báo này, để phân tích hiệu gây bồi phía sau cơng trình chỉnh trị, tác giả sử dụng phương pháp sau: - Nghiên cứu qua ảnh chụp: Thông qua ảnh chụp thời kỳ khác so sánh hiệu gây bồi Ảnh chụp thể rõ vị trí khối bồi so với khe hở hướng dòng - Nghiên cứu chỉnh lý phân tích số liệu thực đo: Chỉnh lý, phân tích số liệu thực đo ứng dụng phân tích hiệu gây bồi cơng trình ĐCHL III PHÂN TÍCH, NGHIÊN CỨ U HIỆU Q UẢ BỒI LẮNG CỦA CƠ NG TRÌNH ĐCHL TRÊN SƠNG DINH VÀ XÂY DỰNG CƠNG THỨC KINH NGHIỆM TÍNH TO ÁN HIỆU Q UẢ BỒ I LẮNG 3.1 Điều kiện tự nhiên đoạn sông Sông Cái Phan Rang, đoạn chảy qua thị xã Phan Rang – Tháp Chàm gọi sông Dinh Lũ sông Dinh thường xuất từ tháng IX÷XII hàng năm, hai tháng thường xuất lũ nhiều tháng X XI (chiếm 67% số trận lũ năm) Lũ sông Dinh lên xuống đột ngột, nhanh, có lưu tốc lớn ( >3m/s) Các đặc trưng lũ trạm Tân Mỹ bảng thể hiện,[3],[4] Bảng Lưu lượng lũ ứng với tần suất trạm Tân Mỹ Các thông số thống kê Lưu lượng thiết kế (m 3/s) Q(m3 /s) Cv Cs 1% 2% 3% 5% 10% 2528 0,57 1,00 6869 6169 5749 5206 4434 20% 3600 M ực nước thực đo cầu Đạo Long lũ 1986 5,08m, lũ 1992 4,57m Bùn cát chủ yếu tập trung vào mùa lũ, chủ yếu bùn cát đáy Sau mùa lũ, lịng sơng cạn, bề mặt lịng sơng phủ lớp bùn cát chủ yếu cát hạt trung đến thô, màu xám đen, đôi chỗ lẫn sỏi sạn xám đen, đường kính trung bình dao động phạm vi lớn D 50 = (0,36÷0,944)mm Đoạn sơng bố trí cơng trình thử nghiệm chống sạt lở, bảo vệ bờ đoạn từ cầu Đạo Long đến đình làng Tấn Lộc hạ lưu, dài khoảng 2km Đây đoạn sơng cong, có bán kính cong R =970m; chiều rộng trung bình B =186m, tỷ số bán kính cong chiều rộng sơng R  5,2 Bờ trái khúc cong bờ lõm, bị sạt lở áp sát B chân đê phường Tấn Tài, điểm dân cư đông đúc thành phố Phan Rang 3.2 Các thơng số cơng trình xây dựng Cơng trình ĐCHL xây dựng thử nghiệm sông Dinh khu vực Phan Rang - Tháp Chàm, từ 1993 (H2 , H3 ) 1997(H4 H5 ), đến khai thác 14-18 năm ổn định, an tồn, diễn biến khu vực cơng trình đạt đến mức độ ổn định Các thông tin chủ yếu cơng trình rõ bảng 2, [4] Bảng Các thông tin chủ yếu cơng trình Yếu tố Đơn vị Thơng tin TT Vị trí Sơng, khu vực Sơng Dinh, Phan Rang Bán kính cong R m 930 Chiều rộng sơng B m 186 Chiều rộng bãi trước đê m 2,0 Lưu lượng lũ 5% m3 /s 5.206 Đặc điểm bùn cát Nhiều bùn cát đáy M ực nước đỉnh lũ 5% m +5,0 Cao trình đỉnh cơng trình m +3,6 Vị trí bố trí cơng trình Đỉnh cong 10 Thời gian xây dựng năm 1993(H2 ,H3 ); 1997(H4 ,H5 ) 3.3 Hiệu gây bồi cơng trình ĐCHL lưu sơng Dinh Qua theo dõi điều tra, khảo sát thực địa (qua ảnh chụp thời kỳ) số liệu khảo sát bình đồ năm 2008, cho thấy khối bồi lắng phía sau cơng trình đảo chiều hồn lưu sơng Dinh đạt ổn định từ năm 2000-2002, tức khoảng 4÷6 năm sau xây dựng Từ số liệu thực đo kích thước, thể tích khối bồi cơng trình tạo có sở để tính tốn hiệu gây bồi cao mà cơng trình ĐCHL đạt được, điều kiện tương tự 3.3.1 Các tham số thiết kế bố trí cơng trình Bảng Các tham số cơng trình đảo chiều hồn lưu sơng Dinh Chiều Góc CT đỉnh CT đáy CT đỉnh Chiều Tên Chiều Công dài dài mở chắn lăng thể cao trình thân cánh φ (độ) (m) chắn chân cọc khe hở (m) (m) (m) (m) (m) H2 38 18 135 + 3,6 + 1,0 0,0 1,0 H3 36 18 135 + 3,6 + 1,5 +0,5 1,0 H4 29 22 123 + 3,6 +1,0 0,0 1,0 H5 27 28 126 + 3,6 +1,0 0,0 1,0 3.3.2 Khối lượng bồi lắng cơng trình tạo - Nghiên cứu qua kết chập bình đồ,[1]: Dựa sở bình đồ đo trước xây dựng cơng trình (1993, 1995) bình đồ đo năm 2008 đề tài KC.08.14/06-10 Tác giả tiến hành chập bình đồ giai đoạn công cụ phần mềm M IKE 21FM, với mục đích xác định thể tích khối bồi lắng phía sau cơng trình ĐCHL Kết thể hình 5 5 -0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 -5 -5 -6 Hình Biến đổi địa hình lịng dẫn khu vực H H 1279750 1279740 1279730 1279720 0.5 -0 2 -2 Phạm-1vi tính khối luợng 2 -3 -1 5- -2 1279690 498300 3.5 2.5 1279700 2 1279710 11.5 0.5 0.505 -0 KÌ H5 KÌ H4 498320 498340 498360 498380 498400 498420 498440 498460 498480 Hình Biến đổi địa hình lịng dẫn khu vực H H 5 498500 498520 Từ kết chập bình đồ, tác giả tính tốn thể tích khối bồi lắng cho cơng trình, cụ thể thể bảng Bảng Khối lượng bồi sau cơng trình đảo chiều hồn lưu TT Tên cơng trình Thể tích bồi (m 3) Năm tích lũy H2 2546,76 1993-2008 H3 3146,34 1993-2008 H4 1861,56 1997-2008 H5 2453,20 1997-2008 - Nghiên cứu qua kết chập mặt cắt ngang,[1] M ục đích việc chập mặt cắt ngang để xác định chiều dày bồi lắng lớn nhất, chiều dày bồi lắng trung bình mặt cắt Qua xác định cao trình đỉnh khối bồi lắng, đồng thời biết khối bồi lắng đạt đến ổn định lâu dài hay chưa? Từ số liệu quan trắc địa hình 1993, 1995 2008, ta vẽ chập 12 mặt cắt ngang để nghiên cứu khối bồi khu vực cơng trình xác định chiều dày bồi lắng mặt cắt, thể bảng Bảng Chiều dày bồi lắng sau cơng trình đảo chiều hồn lưu Tên mặt cắt Chiều dày bồi Chiều dày bồi lớn Cao trình đỉnh – Cơng trình trung bình T tb (m) Tmax (m) khối bồi Z đ (m) – H5 2,60 2,85 + 1.85 – H5 3,24 3,65 +2.06 – H5 4,12 4,82 + 2.12 – H4 2,31 3,87 + 2.01 – H4 2,85 3,20 + 2.04 – H4 3,49 3,42 + 2.22 – H3 3,68 4,32 + 2.40 – H3 3,75 4,63 + 2.53 – H3 3,27 4,29 + 1.78 10 – H 3,13 3,45 + 2.02 11 – H 3,30 3,58 + 2.20 12 – H 3,60 4,17 + 2.18 Qua kết chập mắt ngang bảng trên, có thơng tin quan trọng cho nghiên cứu: + Cao trình đỉnh khối bồi lắng phát triển ổn định; + Độ dày khối bồi lắng - Nghiên cứu qua ảnh viễn thám (Google), [1]: Hình dạng khối bồi lắng phát triển hồn thiện cơng trình ĐCHL tạo quan sát qua hình ảnh Google hình Hình Mặt cơng trình đảo chiều hoàn lưu qua ảnh Google 2008 Xuất phát từ số liệu đo đạc bình đồ hình ta thấy, khối bồi lắng sau cơng trình ĐCHL có dạng hình thang lệch mặt (hình 5), [1] - Đỉnh hình thang có chiều dài chiều dài cánh cơng trình, ký hiệu b; - Đáy hình thang đoạn đường bờ dài (a + b+2a), với a hình chiếu đoạn thân cơng trình đường bờ; - Chiều cao hình thang H khoảng cách từ bờ đến cánh cơng trình a b 2a H Thân Cánh Dòng chảy Hỡnh S đồ tính diện tích khối bồi lắng sau cơng trình đảo chiều hoàn lưu Từ số liệu khảo sát thực địa, số liệu đo đạc bình đồ năm 2008 khẳng định khối bồi lắng sau phát triển ổn định có cao trình đỉnh trung bình cao cao trình đáy hướng dịng từ 0,8÷1,2m Khi có cao trình đỉnh khối bồi, chiều dày khối bồi tính từ địa hình trước xây dựng cơng trình hình vẽ mặt cắt ngang Từ suy luận vậy, ta tính tốn thể tích khối bồi lắng cho cơng trình sau: A= b  (a  b  a ) H = H/2 ( 2b +3a) V= A x T tb ( 1) (2) Trong - đó: A: diện tích hình thang lệch V: thể tích khối bồi lắng sau cơng trình ĐCHL Ttb: chiều dày trung bình khối bồi lắng sau cơng trình ĐCHL Với số liệu thực tế đo đạc từ cơng trình, tác giả áp dụng cơng thức để tính tốn thể tích khối bồi lắng sau cơng trình Kết tính tốn thể bảng Bảng 6: Tính tốn thể tích hình học khối bồi lắng sau cơng trình ĐCHL TT Cơng Tính diện tích Diện tích hình Độ dày trung Thể tích trình Hình thang bao khối bồi bình khối bồi khối bồi tính (m) A(m 2) T tb (m) toán V (m3 ) H2 (18+75)/2 x16 744 3,34 2485 H3 (18+78)/2x18 864 3,56 3076 H4 (23+59)/2x16 656 2,88 1889 H5 (27+66)/2x18 783 3,17 2482 Với kết tính tốn từ Bảng Bảng cho thấy: kết tính toán theo (1) (2), xấp xỉ với kết tính chập bình đồ từ M IKE 21FM Vấn đề cần thời gian để hoàn thành khối lượng Vấn đề tác giả đề cập báo IV KẾT LUẬN Thông qua phân tích số liệu thực đo số liệu điều tra cơng trình ĐCHL sơng Dinh, khu vực thành phố Phan Rang-Tháp Chàm Tác giả đề xuất công thức kinh nghiệm phục vụ tính tốn, dự báo hiệu gây bồi phía sau cơng trình chỉnh trị sơng Từ công thức cho thấy: - Để đảm bảo hiệu bồi lắng phía sau cơng trình khoảng cách cơng trình ĐCHL L nên nhỏ (2b+3a) Vì cơng trình sơng Dinh, với số liệu đo đạc cho thấy khối bồi lắng không liên tục H H - Công thức (1) sử dụng để tính tốn dự báo khối lượng bồi lớn cơng trình đảo chiều hồn lưu M ặc dù cơng thức xây dựng dựa cơng trình cụ thể, tính hợp lý công thức kiểm chứng qua hiệu gây bồi phía sau cơng trình ĐCHL V3, V4, V5 tiểu dự án chỉnh trị sông Quảng Huế [7] Phạm vi áp dụng công thức: i) cho dịng sơng mà dịng chảy mang nhiều bùn cát; ii) Chiều sâu dòng chảy H≤10m TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đăng Giáp (2012), “Nghiên cứu tính tốn diễn biến lịng sơng tác dụng cơng trình chỉnh trị” Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Đăng Giáp (2007), “Ứng dụng kết cấu đảo chiều hồn lưu bảo vệ bờ sơng Dinh, tỉnh Ninh Thuận” Đặc san KHCN Viện Khoa học thủy lợi [3] Lương Phương Hậu nnk (2010), “Nghiên cứu giải pháp KHCN cho hệ thống cơng trình chỉnh trị sông đoạn trọng điểm vùng đồng Bắc Bộ Nam Bộ” Báo cáo tổng hợp đề tài KHCN trọng điểm cấp Nhà nước KC.08.14/06-10 [4] Lương Phương Hậu, Lê Ngọc Bích, Đinh Cơng Sản (1998), Nghiên cứu chỉnh trị sông Dinh, đoạn thị xã Phan Rang Tuyển tập Kết KHCN phòng chống thiên tai, chỉnh trị sông, bảo vệ bờ biển, Nhà xuất Nông Nghiệp [5] Lương Phương Hậu (2001), “Nghiên cứu tạo kết cấu hồn lưu cơng trình bảo vệ bờ sơng” Tạp chí Tài Nguyên Nước [6] Lương Phương Hậu, Trần Đình Hợi (2004), “Động lực học dịng sơng Chỉnh trị sông” Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội [7] Nguyễn Phương Mậu (2009), “Tiểu dự án thử nghiệm nghiên cứu chỉnh trị sông Quảng Huế, tỉnh Quảng Nam Bộ Nông nghiệp PTNT Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quỳnh ... phân tích hiệu gây bồi cơng trình ĐCHL III PHÂN TÍCH, NGHIÊN CỨ U HIỆU Q UẢ BỒI LẮNG CỦA CÔ NG TRÌNH ĐCHL TRÊN SƠNG DINH VÀ XÂY DỰNG CƠNG THỨC KINH NGHIỆM TÍNH TO ÁN HIỆU Q UẢ BỒ I LẮNG 3.1 Điều... nghiên cứu khối bồi khu vực cơng trình xác định chiều dày bồi lắng mặt cắt, thể bảng Bảng Chiều dày bồi lắng sau cơng trình đảo chiều hoàn lưu Tên mặt cắt Chiều dày bồi Chiều dày bồi lớn Cao trình... (1) sử dụng để tính tốn dự báo khối lượng bồi lớn cơng trình đảo chiều hồn lưu M ặc dù công thức xây dựng dựa cơng trình cụ thể, tính hợp lý công thức kiểm chứng qua hiệu gây bồi phía sau cơng