NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG TRÌNH CẦU CANH VINH ĐẾN XÓI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU. LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM TRUNG HẬU NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG TRÌNH CẦU CANH VINH ĐẾN XĨI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Đà Nẵng- Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM TRUNG HẬU NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƠNG TRÌNH CẦU CANH VINH ĐẾN XÓI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Huy Công Đà Nẵng - Năm 2018 i 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 cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Phạm Trung Hậu ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC .II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VI DANH MỤC CÁC BẢNG .VII DANH MỤC CÁC HÌNH VIII MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CẤU TRÚC LUẬN VĂN CHƯƠNG I 1.1 Khái niệm, phân loại xói chế gây xói lở .4 1.1.1 Khái niệm, phân loại xói 1.1.2 Khái niệm, chế xói cục trụ cầu 1.2 Tình hình nghiên cứu xói cục trụ cầu giới nước .6 1.2.1 Tình hình nghiên cứu xói cục trụ cầu giới 1.2.2 Tình hình nghiên cứu xói cục trụ cầu nước .7 1.3 Tổng quan phương pháp nghiên cứu xói cục cầu 1.3.1 Phương pháp giải tích 1.3.2 Phương pháp đo xói thực tế trường KẾT LUẬN CHƯƠNG I 13 CHƯƠNG II 14 2.1 Tổng quan số mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát phổ biến 14 2.1.1 Mơ hình nước [12] 14 2.1.2 Mơ hình ngồi nước [12] .15 2.2 Giới thiệu hệ thống phần mềm Telemac 20 2.2 Ưu điểm nhược điểm .23 2.2.1 Ưu điểm .23 2.2.2 Nhược điểm 24 2.3 Lựa chọn mơ hình Telemac để giải u cầu toán 24 2.4 Các mô đun thủy lực telemac .24 iii 2.4.1 Thủy lực chiều (1D): 24 2.4.2 Thủy lực chiều (2D): 24 2.4.3 Thủy lực chiều (3D): 25 2.4.4 Một số Modun khác hệ thống TELEMAC: 25 2.5 Cơ sở lý thuyết phần mềm Telemac .26 2.5.1 Phương trình với giả thuyết áp lực thủy tĩnh .26 2.5.2 Phương trình Navier – Stoke với giả thuyết áp suất phi thủy tĩnh: .29 2.5.3 Mơ hình k - ε .30 2.6 Các thơng số mơ hình telemac 31 KẾT LUẬN CHƯƠNG II 32 CHƯƠNG III .33 3.1 Khu vực nghiên cứu 33 3.1.1 Vị trí cơng trình 33 3.1.2 Đặc điểm tự nhiên .34 3.2 Các thơng số cơng trình cầu Canh Vinh 41 3.3 Các bước thiết lập mơ hình Telemac 45 3.3.1 Chuẩn bị liệu 45 3.3.2 Xử lý số liệu địa hình khu vực cầu Canh Vinh 45 3.3.3 Tạo tập tin đầu vào Telemac 45 3.3.4 Kết tạo lưới 46 3.3.4 Thiết lập điều kiện biên thông số toán .49 3.4 Kiểm định mơ hình 51 3.4 Kết thảo luận với phương án thiết kế 51 3.4.1 Nhận xét khu vực xây dựng cầu 51 3.4.2 Thay đổi vận tốc dòng chảy .53 3.4.3 Thay đổi mực nước 57 3.4.4 Thay đổi đáy sôngxung quanh cầu .57 3.4.5 Tình trạng xói bồi khu vực hạ lưu cầu 65 3.5 Kết thảo luận với phương án mở rộng cầu .66 3.5.1 Sự thay đổi vận tốc 67 3.5.2 Sự thay đổi địa hình đáy sơng .69 KẾT LUẬN CHƯƠNG III 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 iv NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƠNG TRÌNH CẦU CANH VINH ĐẾN XĨI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU Học viên: Phạm Trung Hậu Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.02.02 Khóa: K34 Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Các cơng trình xây dựng sơng cầu giao thơng ln có ảnh hưởng đáng kể đến hình thái sơng Do đó, việc đánh giá khả ảnh hưởng loại hình cơng trình nhằm đưa giải pháp giảm nhẹ tác động đến lịng dẫn, bờ ln xem yêu cầu bắt buộc trình thiết kế, tính tốn cơng trình Trong nghiên cứu tác giả sử dụng mơ hình TELEMAC kết hợp với moudel Sisyphe để đánh giá thay đổi dịng chảy, diễn biến hình thái sơng … tác động cơng trình cầu Canh Vinh Kết nghiên cứu đề tài hy vọng cung cấp luận chứng cụ thể, giúp đưa giải pháp để tối ưu hóa thiết kế cầu quan điểm thủy lực, đề xuất giải pháp nhằm giảm thiểu tác động cơng trình cầu Canh Vinh tới bờ lịng dẫn sơng Hà Thanh Đề tài cho thấy tính ưu việt TELEMAC việc mô xác định thay đổi hình thái sơng yếu tố bên ngồi Từ khóa – xói, Telemac, nước dềnh, vận tốc dịng chảy STUDY ON THE IMPACT OF CANH VINH BRIDGE TO EROSION AT DOWNSTREAM Abstract - Construction works like bridges may affect significantly the morphology of a river Estimating the potential impact in order to propose the most appropriate mitigating solution is considered as a compulsory requirement in the design process towards river construction In this work, author has used the TELEMAC program assess the variation erosion process within the Ha Thanh river for the development of the new Canh Vinh bridge The paper provides an operational approach for both optimizing the Canh Vinh bridge on the hydraulic point The paper also demonstrates the TELEMAC coupling with Sisyphe ability in simulating and determining the river’s morphological variation due to external factors Keywords - Erosion, Telemac, backwater curve, velocity v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam 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 vi 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 Wtb : Dung tích tồn vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Đặc trưng nhiệt độ không khí thời kỳ nhiều năm (0C) 35 Bảng 3.2: Lượng mưa trung bình tháng năm (mm) 36 Bảng 3.3: Số ngày mưa trung bình tháng năm (ngày) 36 Bảng 3.4: Lượng mưa ngày lớn ứng với tần suất (mm) 36 Bảng 3.5: Độ ẩm tương đối khơng khí trung bình tháng năm (%) 36 Bảng 3.6: Tổng số nắng trung bình tháng năm (giờ) 37 Bảng 3.7: Vận tốc gió trung bình tháng năm (m/s) 37 Bảng 3.8: Tần suất tính tốn 43 Bảng 3.9: Bảng tổng hợp số liệu (đơn vị tư vấn cung cấp) 44 Bảng 3.10: Dự báo chiều sâu hố xói trụ đạt tới trị số sau (đơn vị tư vấn thiết kế cung cấp): 44 Bảng 3.11: Thông số lưới tính .49 Bảng 3.12 Các thơng số mơ hình 50 Bảng 3.13: So sánh vận tốc điểm đặc biệt 55 Bảng 3.14: Giá trị vận tốc điểm quan sát theo phương án 68 Bảng 3.15: Giá trị bồi lắng lớn trụ theo phương án 69 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Phân loại xói Hình 1.2: Minh hoạ xói trụ mố cầu Hình 1.3: Minh hoạ chế dịng chảy xung quanh trụ cầu .6 Hình 2.1: Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret 21 Hình 2.2: Hệ thống phần mềm TELEMAC 22 Hình 3.1: Vị trí cơng trình Google Earth Pro 33 Hình 3.2: Hạ lưu cầu Canh Vinh 33 Hình 3.3 Mặt cắt ngang cầu 42 Hình 3.4: Mặt trắc dọc cơng trình cầu Canh Vinh– Bình Định .42 Hình 3.5 Hình dạng trụ cầu 43 Hình 3.6: Sử dụng Blue Knue để tạo lưới .46 Hình 3.7: Tạo lưới cho mơ hình 47 Hình 3.8: Chi tiết lưới xung quanh trụ cầu 48 Hình 3.9 Thiết lập điều kiện biên cho mơ hình 50 Hình 3.10 Sự phân bố lưu tốc dịng chảy chưa có cơng trình cầu 51 Hình 3.11: Địa hình lịng sơng chưa xây dựng cầu 52 Hình 3.12: Địa hình lịng sơng có cơng trình cầu 52 Hình 3.13 Sự phân bố lưu tốc dịng chảy có cơng trình cầu (a) thể dạng véc tơ, (b) thể dạng contour fill 53 Hình 3.14 Sự phân bố lưu tốc xung quanh trụ 54 Hình 3.15 Sự phân bố lưu tốc xung quanh trụ 54 Hình 3.16: Các vị trí quan sát so sánh vận tốc 56 Hình 3.17 Sự khác vận tốc số điểm trước sau xây dựng cầu Canh Vinh 56 Hình 3.18 Độ cao mực nước dọc theo sông sau xây dựng cầu 57 Hình 3.19: Sự thay đổi địa hình đáy sơng có cơng trình cầu .58 Hình 3.20: Bản đồ đia hình ban đầu, thể vị trí hố sâu bị lấp 59 Hình 3.21: Hiện tượng bồi lắng xói lở xung quanh trụ thứ 1, 59 70 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Kết mô cho thấy với việc xây dựng công trình, dịng chảy quanh sơng Hà Thanh khác đáng kể Vận tốc dịng chảy tăng cao phía sát mố trái mố phải (mố trái tăng 44%, mố phải tăng 30%) Ở lịng sơng (khu vực trụ 4-7), vận tốc tăng hơn, khoảng 20% Khi xây dựng cầu, mực nước dềnh lên trước cầu khoảng 0.10 m Những thay đổi vận tốc làm cho tình trạng xói xung quanh khu vực trụ cầu trở nên phức tạp Khác so với kết đơn vị tư vấn cung cấp tình trạng xói xảy gần trụ, kết mơ tìm thấy tình trạng xói xảy chủ yếu mố bên bờ trái, độ xói trung bình khoảng 2.1 m Điều giải thích kết tính tốn xói đơn vị tư vấn dựa công thức thực nghiệm không kể đến thay đổi chiều vận tốc dòng chảy vị trí khác thực tế Xem xét bảng tính đơn vị tư vấn thấy hệ số ảnh hưởng địa hình khu vực trụ cầu nhau, vận tốc áp dụng có giá trị gần dẫn đến kết xói trụ tương đồng Thực tế cho thấy kết xói đơn vị tư vấn cung cấp thiên an toàn 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận văn này, mơ hình mã nguồn mở Telemac áp dụng để mô tác động cầu Canh Vinh đến chế độ dòng chảy q trình xói lịng sơng khu vực xây dựng cầu Khi thực mô phỏng, mô đun thủy lực mô đun vận chuyển bùn cát SISYPHE kết nối với Kết mô cho thấy với việc xây dựng cơng trình, dịng chảy địa hình sơng thay đổi đáng kể, cụ thể sau: - Vận tốc dịng chảy tăng cao phía sát mố trái mố phải (mố trái tăng 44%, mố phải tăng 30%) Ở lịng sơng (khu vực trụ 4-7), vận tốc tăng hơn, khoảng 20% - Khi xây dựng cầu, mực nước dềnh lên trước cầu khoảng 0.10 m - Tình trạng xói xảy chủ yếu mố bên bờ trái, chiều sâu xói trung bình khoảng 2.1 m So sánh với kết đơn vị tư vấn thiết kế tính tốn cơng thức kinh nghiệm thấy đơn vị tư vấn thiên an toàn Điều giải thích kết tính tốn xói đơn vị tư vấn dựa công thức thực nghiệm không kể đến thay đổi chiều vận tốc dòng chảy vị trí khác thực tế Xem xét bảng tính đơn vị tư vấn thấy hệ số ảnh hưởng địa hình khu vực trụ cầu nhau, vận tốc áp dụng có giá trị gần dẫn đến kết xói trụ tương đồng - Phía hạ lưu cầu cách cầu khoảng 45m, chiều sâu xói giảm xuống cịn 0.1-0.2m - Đối với phương án kéo dài thêm chiều dài cầu để giảm độ co hẹp lòng chảy Tác giả tìm thấy vận tốc chiều sâu xói giảm đáng kể Kiến nghị: Kết hy vọng cung cấp kết để giảm thiểu tác động cầu Canh Vinh đến dòng chảy, tìm kiếm giải pháp hợp lý để bảo vệ bờ sơng Mơ coi minh chứng cho hiệu phương pháp số (phương pháp CFD) việc giải vấn đề dòng chảy xung quanh cơng trình vấn đề xói Qua tác giả khuyến nghị việc áp dụng mơ hình số vào tính tốn xói lở giai đoạn thiết kế cầu để nâng cao kết tính tốn 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] Laursen E.M and T A, “Scour around bridge piers and butments,” Iowa Inst Hydraul Res., 1956 Yaroslavtsev, “Computing Local Scour near Bridge Piers,” Commun No 80, 1956 Zhuravlev M.M, “Local Scour Near Bridge Piers,” Transp Moscow, 1984 Melville B.W and C S.E, Bridge scour Water Resources Publications, LLC, Colorado, 2002 X Yu, “Experimental Study of an Innovative Bridge Scour Sensor,” PhD thesis, Dep Civ Eng Case West Reserv Univ., 2009 Lander M.N and D S Mueller, “Channel scour at bridges in the United States,” Fed Highw Adm Res Rep FHWA-RD-95-184, 1996 Sturm T.W, Open-channel hydraulics, McGraw-Hill, Boston 2001 Đặng Việt Dũng, Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính xói cục tại trụ cầu Ln Văn Tiến sĩ Võ Văn Dương; Nguyễn Hoàng Lâm; Nguyễn Thế Hùng, “Áp dụng mơ hình số trị tính xói cầu Rồng sông Hàn,” Tuyển tập sinh viên nghiên cứu khoa học Bách Khoa -ĐHĐN, 2010 Cartens, “Similarity laws for localized scour,” Am Soc Civ Eng Proc J Hydraul Div., vol 92, no 13, 1966 M Gangadhariah, “An experimental investigation of a horseshoe vortex induced by a bridge pier.,” Water Manag Journal, Proc Inst Civ Eng Thomas Telford Journals, London, vol 157, no 2, pp 109–119, 2004 H T Tiến and L N Anh, “TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT, KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ ĐÀO TẠO\ Tổng quan mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát, khả ứng dung đào tạo,” Tuyển tập khoa học công nghệ 2016, pp 233–243, 2016 Phan Văn Thái Nguyên; Nguyễn Minh Giám, “Tổng quan hệ thống mơ hình hóa Telemac-Mascaret khả ứng dụng,” Tạp chí khí tượng thủy văn, vol 03, pp 9–13, 2013 Nguyễn Tiến Cường Nguyễn Thành Đơn;, “Bước đầu thử nghiệm mơ hình kết nối MARINE TELEMAC-2D để mô lũ quét,” Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học Cơ học tồn quốc năm 2004, vol 2, pp 8– 15, 2004 N T Hùng, L V Hợi, and N M Sơn, “Áp dụng mơ hình tốn nối kết tính tốn lũ vùng hạ du sơng Hàn,” Hội nghị Cơ học Thuỷ khí Cơng nghệ tồn quốc, vol 7, pp 169–178, 2001 Nguyễn Quang Bình; Nguyễn Thế Hùng, “Tính xói cục trụ cầu dựa vào mơ số dịng chảy ba chiều,” Hội nghị khoa học học thủy khí toàn quốc, vol 19, pp 34–43, 2016 73 [17] Nguyễn Quang Bình; Võ NGọc Dương, “Đánh giá ảnh hưởng cơng trình xây dựng đến hình thái sơng TELEMAC-3D,” Hội nghị khoa học học thủy khí tồn quốc, 2017 [18] J.-M Hervouet, Hydrodynamics of free surface flows: modelling with the finite element method John Wiley & Sons, 2007 [19] C Villaret, “SISYPHE release 5.4,” User Manual Rep P75G17, EDF/LNHE, Chatou, Fr., pp 1–69, 2004 [20] J M Hervouet, E Razafindrakoto, and C Villaret, “Dealing with dry zones in free surface flows: a new class of advection schemes,” in Proceedings of the 34th World Congress of the International Association for Hydro-Environment Research and Engineering: 33rd Hydrology and Water Resources Symposium and 10th Conference on Hydraulics in Water Engineering, 2011, p 4103 [21] E J Langendoen et al., “Improved numerical modeling of morphodynamics of rivers with steep banks,” Adv Water Resour., vol 93, pp 4–14, 2016 [22] H C Vu, J Ahn, and J H Hwang, “Numerical Simulation of Flow Past Two Circular Cylinders in Tandem and Side-by-side Arrangement at Low Reynolds Numbers,” KSCE J Civ Eng., vol 20, no 4, pp 1594–1604, 2016