Nghiên cứu diễn biến của luồng tàu dưới tác động của sóng và dòng chảy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ^ ‘ ] - NGUYỄN THỊ THANH XUÂN NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DỊNG CHẢY Chun ngành: CẢNG VÀ CƠNG TRÌNH THỀM LỤC ĐỊA LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2005 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : T.S TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG Cán chấm nhận xét : T.S NGUYỄN THẾ DUY Cán chấm nhận xét : T.S TRẦN THU TÂM Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ Trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 17 tháng 01 năm 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC XX XX Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 02 năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ THANH XUÂN Phái: Nữ Ngày tháng năm sinh: 02/9/1978 Nơi sinh: BÌNH ĐỊNH Chuyên ngành: MSHV: I Cảng Cơng trình thềm lục địa 00203050 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SĨNG VÀ DỊNG CHẢY II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tính tốn biến đổi dịng chảy khu vực lân cận luồng tàu - Tính tốn biến đổi sóng khu vực lân cận luồng tàu - Tính tốn lưu lượng bùn cát tác động tương tác sóng dịng chảy - Tính toán diễn biến cao độ đáy luồng tàu theo thời gian III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 20/1/2005 TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS Trương Ngọc Tường TS Trương Ngọc Tường TS Ngô Nhật Hưng Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày 22 tháng 02 năm 2006 TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Chân thành cảm ơn Tiến sĩ Trương Ngọc Tường tận tình bảo, giúp đỡ, động viên tơi suốt trình thực luận án Chân thành cảm ơn thầy cô môn Cảng – Cơng trình biển, thầy khoa Kỹ thuật xây dựng tận tình hướng dẫn, truyền thụ kiến thức cho tơi suốt khóa học Chân thành cảm ơn Ban Lãnh Đạo, đồng nghiệp Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng - Kỹ thuật biển giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt đẹp luận văn Chân thành cảm ơn gia đình, người thân bạn bè động viên, giúp đỡ thời gian thực luận án TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày sở lý thuyết để tính tốn phân bố vận tốc dòng chảy dọc theo mặt cắt ngang luồng, đặc trưng sóng dọc theo mặt cắt ngang luồng, lưu lượng bùn cát tác động tương tác sóng dịng chảy, tính tốn diễn biến cao độ đáy luồng theo thời gian Với số liệu đầu vào điều kiện biên mực nước, vận tốc, đặc trưng sóng, bùn cát,… Luận án đề xuất giải thuật chi tiết để tính tốn dịng chảy, biến đổi sóng, lưu lượng bùn cát biến đổi luồng Các chương trình ngơn ngữ lập trình FORTRAN thiết lập Luận án áp dụng tính tốn cho trường hợp luồng tương tự mơ hình SURTRENCH Các kết tính tốn lưu lượng bùn cát trường hợp sóng chiều ngược chiều với dòng chảy hợp lý Kết tính tốn diễn biến luồng tương tự mơ hình SURTRENCH Mơ hình áp dụng để phân tích biến đổi luồng khu vực ảnh hưởng triều có số liệu sóng cụ thể GVHD: TS Trương Ngọc Tường Trang HVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 Mục tiêu luận án: 1.3 Phạm vi CỦA LUẬN ÁN: TOÅNG QUAN VỀ LUỒNG VÀ CÁC MÔ HÌNH Đà ĐƯC NGHIÊN CỨU 2.1 Trạng thái dòng chảy ứng suất tiếp đáy: .8 2.2 Điều kiện tới hạn để bùn cát chuyển ñoäng .10 2.3 Lưu lượng bùn cát 11 2.4 Mô hình tính diễn biến đáy: 13 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 3.1 Toång quan 16 3.2 Thay đổi vận tốc dòng chảy thay đổi độ sâu nước .17 3.3 Vận tốc sóng biến đổi chiều cao sóng thay đổi độ sâu nước 18 3.3.1 Vận tốc sóng 18 3.3.2 Biến đổi chiều cao sóng thay đổi độ sâu nước 18 3.4 Lưu lượng bùn cát tác động kết hợp sóng dòng chảy .19 NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY GVHD: TS Trương Ngọc Tường Trang HVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân 3.4.1 Lớp biên đáy hệ số ma sát đáy 20 3.4.2 Độ nhám đáy tương đương Nikuradse Kn 27 3.4.3 Thông số Shields tới hạn ψcr .28 3.4.4 Góc pha sóng-dòng 29 3.4.5 Vận tốc rơi hay độ thô thủy lực bùn cát wf 30 3.4.6 Nồng độ bùn cát lơ lửng cR 32 3.4.7 Bùn cát đáy 33 3.4.8 Bùn cát lơ lửng 34 3.4.9 Lưu lượng bùn cát tổng cộng 38 3.5 Tính toán bồi xói luồng tác động sóng dòng chảy .39 PHƯƠNG PHÁP THIẾT LẬP MÔ HÌNH 40 4.1 Các giả thiết 40 4.2 TÍNH TOÁN VẬN TỐC DÒNG CHÀY 41 4.3 tính toán lan truyền sóng điều kiện đơn giản 42 4.4 tính toán lưu lượng bùn cát TRONG TRƯỜNG HP TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY 44 4.5 SÔ ĐỒ SAI PHÂN PHƯƠNG TRÌNH BIẾN ĐỔI ĐÁY 50 4.6 tính toán diễn biến đáy luồng 52 4.7 Số liệu đầu vào 53 4.7.1 Số liệu mặt cắt luồng 53 4.7.2 Số liệu dòng chảy 53 4.7.3 Số liệu sóng 53 4.7.4 Các số liệu khác 54 4.8 Điều kiện ban đầu điều kiện biên .55 HIEÄU CHỈNH MÔ HÌNH 56 5.1 TRƯỜNG HP VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CỦA MÔ HÌNH SURTRENcH 58 NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY GVHD: TS Trương Ngọc Tường Trang HVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân 5.2 TRƯỜNG HP VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CỦA LUẬN ÁN 59 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CHI TIẾT 63 6.1 TRƯỜNG HP 64 6.1.1 Các biểu đồ vận tốc 64 6.1.2 Các biểu đồ phân bố chiều cao sóng 78 6.1.3 Caùc biểu đồ phân bố lưu lượng bùn cát 92 6.1.4 Caùc biểu đồ diễn biến cao độ đáy 106 6.2 TRƯỜNG HÔÏP 120 6.2.1 Các biểu đồ vận toác .120 6.2.2 Các biểu đồ phân bố chiều cao sóng 126 6.2.3 Các biểu đồ phân bố lưu lượng bùn cát 132 6.2.4 Các biểu đồ diễn biến đáy luoàng 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 144 7.1 KẾT LUẬN .144 7.2 KIEÁN NGHÒ 145 TÀI LIỆU THAM KHẢO 146 PHỤ LỤC GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH SURTRENCH 150 NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY GVHD: TS Trương Ngọc Tường Trang HVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Bùn cát mặt cắt ngang luoàng Hình 3.1: Biểu đồ xác định thông số Shields 31 Hình 4.1: Sơ đồ tính toán 40 Hình 4.2: Sơ đồ sai phân 50 Hình 4.3: Mặt cắt luồng tính toán 53 Hình 5.1: Cao độ đáy sau 10 ngày – Trường hợp 58 Hình 5.2: Cao độ đáy sau 80 – Trường hợp 58 Hình 5.3: Phân bố vận tốc sau 10 ngày (240 giờ), εq = – Trường hợp 59 Hình 5.4: Phân bố lưu lượng bùn cát sau 10 ngày (240 giờ), εq = – Trường hợp 59 Hình 5.5: Cao độ đáy sau 10 ngày (240 giờ) – Trường hợp 60 Hình 5.6: Phân bố vận tốc sau 80 giờ, εq = – Trường hợp 60 Hình 5.7: Phân bố lưu lượng bùn cát sau 80 giờ, εq = – Trường hợp 61 Hình 5.8: Cao độ đáy sau 80 với chiều cao sóng khác nhau, εq = – Trường hợp 61 Hình 5.9: Cao độ đáy sau 80 với εq khác – Trường hợp 62 NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY GVHD: TS Trương Ngọc Tường Trang HVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Để thiết kế luồng tàu cần phải xác định kích thước luồng thích hợp với cỡ tàu tính toán, tốc độ chạy tàu, khoảng hở sống tàu, quy định địa phương, điều kiện trầm tích (ổn định mái dốc) Về mặt bằng, tuyến luồng tàu phải xác định nhằm đảm bảo khối lượng nạo vét tu hợp lý kinh tế Thông thường, với luồng tàu cụ thể, khả bồi xói phụ thuộc vào điều kiện thủy hải văn, thủy lực, bùn cát khu vực Hình 1.1: Bùn cát mặt cắt ngang luồng Để tính toán khả bồi xói luồng tàu, cần xác định điều kiện biên như: dòng chảy, đặc trưng sóng, đặc điểm vật liệu đáy, nồng độ bùn cát, độ thô thủy lực bùn cát lơ lửng ảnh hưởng độ nhám đáy,… Khi có dòng chảy ngang qua luồng, thông thường tổng lưu lượng bùn cát giảm xuống vào luồng gây nên bồi xói luồng Hầu hết trình NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY GVHD: TS Trương Ngọc Tường Trang 149 HVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân 29 Van Rijn, L C., 1989 Handbook of Sediment Transport by Currents and Waves Report No H461, Delft Hydraulics 30 Vongvisessomjai, S., 1984 Oscillatory Boundary Layer and Eddy Viscosity, Journal of The Hydraulics Division, ASCE 31 Vongvisessomjai, S and Pongpirodom, P., 1986 A Laterally Averaged Model For Estuarine Sedimentation Proceedings of The 3rd International Symposium on River Sedimentation, Mississipi, USA 32 Vongvisessomjai, S., Weaakul, S., Shibayama, T., Thuc, T., Truong, T N and Arain, A S., 1994 Mathematical Model of Siltation in Second Navigation Channel of Bangkok Port Research Report No 282, Asian Institute of Technology, Bangkok, Thailand 33 Watanabe, A., Maruyama, K., Shimizu, T and Sakakiyama, T., 1986 Numerical Prediction Model of Three-Dimensional Beach Deformation Around a Structure Coastal Engineering in Japan 34 Deguchi, I and Sawagari, T., 1988 Effects of Coastal Structure on Deposition of Discharged Sediment around River Mouth Proceedings of 21st International Conference of Coastal Engineering NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY GVHD: TS Trương Ngọc Tường Trang 150 HVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân PHỤ LỤC GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH SURTRENCH NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Thị Thanh Xuân Sinh ngày 02 tháng 09 năm 1978 Nơi sinh: Bình Định Địa liên lạc: 92 Nam Kỳ Khởi Nghóa, Q 1, Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Từ năm 1996 đến năm 2001: học ngành Cảng – Công trình biển, khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Từ năm 2003 đến năm 2005: học Cao học ngành Cảng Công trình thềm lục địa, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC: Từ năm 2001 đến năm 2002: công tác Công ty Xây dựng Giao thông Sài Gòn Từ năm 2002 đến nay: Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng – Kỹ Thuật Biển ... lớp biên đáy sóng làm cho dòng chảy phải qua vật cản lớn so với sóng Ngược lại, sóng lớp biên đáy dòng chảy chịu tác NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY GVHD:... giản có tương tác sóng dòng chảy Các mô hình đề xuất độ nhớt rối số lớp biên dòng chảy thay đổi lớp biên sóng NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY GVHD: TS Trương... TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỦA LUỒNG TÀU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tính tốn biến đổi dịng chảy khu vực lân cận luồng tàu - Tính tốn biến đổi sóng khu vực