Bài báo này giới thiệu mô hình hình thái một chiều dựa trên cơ sở thủy động lực học về dòng chảy và bùn cát trong sông nội địa để phân tích biến hình lòng dẫn tại khu vực lân cận phần từ kè cuối cùng ở hạ lưu của cụm kè chỉnh trị, giúp cho các nhà tư vấn dự báo hiệu quả cũng như tác động của phần tử kè này đối với lòng dẫn cũng như các công trình lân cận, từ đó có thể đề xuất các giải pháp hợp lý. ...
KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG XY DNG Mễ HÌNH TÍNH TỐN BIẾN HÌNH LỊNG DẪN TẠI VỊ TRÍ KÈ HẠ LƯU CỦA CỤM CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ SƠNG NỘI ĐỊA Trần Văn Sung1 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu mơ hình hình thái chiều dựa sở thủy động lực học dòng chảy bùn cát sơng nội địa để phân tích biến hình lịng dẫn khu vực lân cận phần từ kè cuối hạ lưu cụm kè chỉnh trị, giúp cho nhà tư vấn dự báo hiệu tác động phần tử kè lịng dẫn cơng trình lân cận, từ đề xuất giải pháp hợp lý Từ khóa: chỉnh trị sơng, kè mỏ hàn, xói luồng tàu Abstract: This paper introduces one-dimensional morphological model based on hydrodynamics of flow and sediment in inland rivers to analyze the river bed transformation in the neighbouring of last groyne element of the downstream regulating groynes The result helps the consultants to forecast the effect as well as the impact of this groyne element on the river bed and neighbouring contructions, which can propose a reasonable solution Keywords: river regulation, groyne, stream erosion Nhận ngày 20/2/2013, chỉnh sửa 19/3/2013, chấp nhận đăng 30/3/2013 Đặt vấn đề Trong hệ thống kè chỉnh trị, phần tử kè thường bố trí theo phương thức đối diện cặp; cặp kè phía thượng lưu ép dịng chảy vào luồng đồng thời tạo hiệu dâng nước rõ rệt Chính vậy, phần tử kè cuối hạ lưu nằm trạng thái chuyển từ khu vực “bờ nửa cứng” sang “bờ mềm” với độ dốc mặt nước lớn trước xây dựng cụm kè Do đó, việc kiểm sốt xói lịng sơng sau phần tử kè cần quan tâm đặc biệt mà tiêu chuẩn ngành [2] chưa đưa yêu cầu cụ thể Dưới đây, dựa thành tựu nghiên cứu dịng chảy bùn cát, nhóm tác giả đề tài hệ thống phương trình để xây dựng mơ hình hình thái chiều, nhằm tính tốn đưa độ sâu xói trung bình phân đoạn sơng lân cận phần tử kè cuối hạ lưu cụm kè Hệ phương trình Hệ phương trình mơ hình hình thái cục áp dụng cho đoạn sơng có bố trí kè mỏ hàn theo [1] [3] xác định sau Nghiên cứu tốn biến hình lịng sơng trường hợp dịng chảy ổn định, chiều, với giả thiết sau: TS, Khoa Xây dựng Cơng trình thủy, Trường Đại học Xây dựng E-mail: tranvansungdhxd@yahoo.com.vn T¹p chÝ khoa häc công nghệ xây dựng Số 15/3-2013 47 KếT QUả NGHIÊN CøU Vµ øNG DơNG + Chuyển động biến đổi dần Với giả thiết ứng dụng quy luật sức cản cơng thức tính lưu lượng bùn cát dịng chảy Sức cản tính theo Chézy-Manning + Chiều rộng bờ sông B biến đổi không đáng kể, độ sâu trung bình tính ω/B Với giả thiết nêu, viết phương trình sau: + Phương trình chuyển động : − ∂Z Bv = ∂X C ω (1) + Phương trình liên tục: Q = v.ω + Phương trình sức cản: (2) 1 ⎛ω ⎞6 C= ⎜ ⎟ n⎝B⎠ (3) + Phương trình biến hình lịng sơng: ∂Qs ⎛ ∂Z ∂ω ⎞ + (1 − ε )⎜ B − ⎟=0 ∂X ∂t ⎠ ⎝ ∂t (4) + Phương trình lưu lượng bùn cát: Q s = D2 D2 = 40 K2 K 63 B 2Q (5) ω7 ⎛ ρ ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ρs − ρ ⎠ ⎛ W ⎞ ⎜⎜ ⎟ ⎟ ⎝ d g ⎠ (6) Trong phương trình trên: Z cao trình mặt thống; B bề rộng lịng sơng; ω diện tích mặt cắt ướt; Q lưu lượng dịng chảy tính tốn; n hệ số nhám lịng dẫn; C hệ số Sêdi Qs lưu lượng bùn cát cho tồn dịng; v vận tốc trung bình mặt cắt; K hệ số; ε hệ số rỗng đất đáy; ρ khối lượng riêng nước; ρs khối lượng riêng bùn cát; W độ thơ thủy lực; d đường kính hạt Các điều kiện biên ban đầu sau: + Điều kiện ban đầu để giải toán là: Z = Z(x) thời điểm t = 0; ω = ω (x) thời điểm t = + Điều kiện cho mặt cắt cuối đoạn sông: Z(L, t) = const; ω( L, t) = const Để phân tích biến hình lịng dẫn gây phần tử kè chúng tơi xác định vị trí tính tốn sau: Mặt cắt tương ứng với vị trí cách điểm bố trí kè mỏ hàn chiều dài kè phía thượng lưu; Mặt cắt 1* tương ứng với vị trí cách điểm bố trí kè mỏ hàn nửa chiều dài kè phía thượng lưu; Mặt cắt nơi bố trí kè mỏ hàn; Mặt cắt 2* tương ứng với vị trí điểm bố trí kè mỏ hàn khoảng Ld/2 phía hạ lưu; Mặt cắt tương ứng vị trí mặt cắt co hẹp; Mặt cắt 3* tương ứng với vị trí cách điểm bố trí kè mỏ hàn khoảng Ld +( LV -Ld )/2 phía hạ lưu; Và mặt cắt tương ứng vị trí điểm giới hạn khu nước vật, nơi dòng chảy phân bố trở lại tồn mặt cắt sơng; Từ sơ đồ tính tốn thể hình 48 Số 15/3-2013 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Hỡnh Sơ đồ tính tốn Phương pháp giải tốn dự báo biến hình lịng dẫn Để giải hệ phương trình Mơ hình Hình thái cục nêu, hệ phương trình biến đổi đưa phương trình đặc trưng tích phân trực tiếp điều kiện mực nước dao động nhỏ Trong trường hợp mực nước dao động đáng kể nên dùng phương pháp sai phân hữu hạn Dưới trình bày phương pháp thứ hai Theo cần phải sai phân phương trình (4) sau: Δω = ω ( x + Q ( x + Δx, t ) − Qs ( x, t ) Δx Δx , t + Δt ) − ω ( x + , t) = s Δt 2 (1 − ε )Δx (7) Δt Δx xác định theo tiêu chuẩn Coran Phương hướng giải phương trình là: Xác định phân đoạn tính tốn theo sơ đồ hình 1; Tính lưu lượng bùn cát Qs đầu thời đoạn cho mặt cắt đầu mặt cắt cuối; Tính hiệu số Qs hai đầu đoạn tính Δω; Đưa Δω vào mặt cắt cụ thể để tính diện tích mặt cắt cuối thời đoạn; Và chuyển sang tính tốn cho thời đoạn khác Cụ thể bước sau: Bước : Xác định thông số đầu vào: - Q, J, ρ , ρs ,d, W; ε - Mực nước tính tốn vị trí thời điểm ban đầu; - Xác định đặc trưng hình học gồm: ω1, ω1*, ω2, ω2 + 10, ω2 + 20,ω2 + 30, ω2 + 40, … ω2 + * 200; B1, B1 , B2, B2 + 10, B2 + 20,B2 + 30, B2 + 40, … B2 + 200, để phục vụ cho việc nhận dạng giá trị mặt cắt tính tốn Bước : Tính tham số khu nước vật - Ld, Lv, Bc, Ld, Ld/2, Lv/2 B2*’; B3*’ (theo phương pháp xấp xỉ) Bước : So sánh chọn vị trí để xác định (B, ω) ứng với khoảng cách tính bước gồm: - LK+ Lv L − Ld ; LK+ Ld; LK+ Ld+ v ; LK+ Lv hình 2 Bước : Tính độ sâu trung bình mặt cắt cho mặt cắt vị trí 1*,2, 2*,3, 3*: T¹p chÝ khoa häc công nghệ xây dựng Số 15/3-2013 49 KếT QUả NGHIÊN CøU Vµ øNG DơNG htb,i = ωi (8) Bi Bước : Tính lưu lượng bùn cát mặt cắt : 1, 2, 3, theo công thức: Q s = D2 Q6B2 (9) ω7 Bước : Tính giá trị Δω cho trung đoạn Δω1−2 = - Δω 2−3 = Δω3−4 = (Qs 2,t − Qs1,t ) (1 − ε )LK Δt (Qs 3,t − Qs 2,t ) (1 − ε )Ld (Qs 4,t − Qs 3,t ) Δt (1 − ε )(L v − Ld ) (10) Δt Bước 7: Tính giá trị ωđạt mốc (t + Δt) - ω1 = const nơi mà hệ thống kè trì cân bùn cát - ω2 t + Δt = ω2 t + Δω1−2 + Δω2−3 (11) Δω2−3 + Δω3−4 - ω3 t + Δt = ω3 t + - ω4 = cosnt Nơi mà kết cấu dòng chảy cục khơng cịn ảnh hưởng nhiều đến biến hình đáy sơng phía hạ lưu Bước : Tính độ sâu mặt cắt thể hình thời điểm t + Δt theo công thức chung - hi t + Δt - h1* t + Δt = ω i t + Δt Bi t = h1* + ; Δω12 Δω23 Δω34 t + Δt t t + Δt t ; h2* ; h3* = h2* + = h3* + B1* B2* B3* Bước 9: Để tính cho bước (t+2Δt) ta đưa giá trị ω trở lại bước Bước 10: Trong lặp lại mục từ bước đến bước giá trị Qs ≠ ; cịn ΔQ nhận giá trị dương, âm ; kiểm tra điều kiện dừng chương trình 10⏐Δω⏐≤ B.d với điều kiện ta xuất kết cuối Bước 11: Xuất ω1, ω2, ω3, ω4, ω1*, ω2*, ω3* ; với giá trị h cuối Bước 12: Phân tích kết : Với số liệu xuất đánh giá được: Khoảng thời gian đáy sơng đạt tới tiệm cận xói; Và thời điểm luồng tầu đạt độ sâu chạy tầu Việc thực bước tính tốn nói tự động hóa xây dựng thành chương trình KMH 2.0 theo sơ đồ khối sau: 50 Sè 15/3-2013 T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng KếT QUả NGHIÊN CứU Vµ øNG DơNG BẮT ĐẦU Số liệu đầu vào: Q, J, ρ , ρ s ,d, W; ε Mực nước tính tốn Đặc trưng hình học Tính tham số khu nước vật Lk, Lv, Ld … Xác định (B,ω) tương ứng Tính htb,i m/c 1*, 2, 2*, 3, 3* Tính Qs m/c 1, 2, 3, Tính Δω1-2, Δω2-3, Δω3-4 t = t + Δt Tính ω1, ω2, ω3, ω4 (t+Δt) Tính hi (t+Δt) FALSE 10⏐Δω⏐≤ B.d TRUE Xuất kết (ωi, hi) END Hình Sơ đồ khối thut toỏn Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 15/3-2013 51 KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Áp dụng tính tốn Trong khn khổ nghiên cứu, chúng tơi áp dụng tính tốn cho đoạn sơng Lão Hồng sơng Lơ, nơi xây dựng cụm kè chỉnh trị phục vụ vận tải thủy Tài liệu gồm có địa hình lịng dẫn sau xây dựng xong hệ thống cơng trình chỉnh trị tháng 5/2010 (hình 3), địa hình lịng dẫn sau mùa lũ tháng 8/2010 (hình 4), tài liệu thủy văn bùn cát lấy theo dự án “Cải tạo nâng cấp tuyến vận tải thủy Việt Trì – Tun Quang” Hình Bình đồ đo hồn cơng 05/2010 Hình Bình đồ đo sau lũ 08/2010 Kết tính tốn tổng hợp bảng sau Tuyến kè T5 T8 H4 Vị trí mặt cắt 1* 2* 3* Δhks (m) 0.000 0.000 0.668 0.732 0.312 0.278 0.000 Δhtt (m) 0.000 0.000 0.625 0.690 0.265 0.231 0.000 Δhks (m) 0.000 0.000 1.107 1.296 0.090 0.083 0.000 Δhtt (m) 0.000 0.000 1.069 1.260 0.078 0.070 0.000 Δhks (m) 0.000 0.000 0.411 0.452 0.143 0.142 0.000 Δhtt (m) 0.000 0.000 0.366 0.407 0.122 0.120 0.000 % max 17% 16% 15% Hình Biểu đồ biến hình xói lịng dẫn lân cận kè T5 52 Sè 15/3-2013 T¹p chí khoa học công nghệ xây dựng KếT QUả NGHIÊN CøU Vµ øNG DơNG Hình Biểu đồ biến hình xói lịng dẫn lân cận kè T8 Hình Biểu đồ biến hình xói lịng dẫn lân cận kè H4 Nhận xét kết quả: Biến hình lịng dẫn kè tạo có dạng hình phễu; Phạm vi xói, độ sâu xói phụ thuộc chủ yếu vào độ chốn tương đối kè so với lịng dẫn; Và giá trị tính tốn dự báo so với giá trị đo đạc thực tế sai khác phạm vi từ 15% ÷ 17% nhiên sai số tuyệt đối nằm phạm vi từ ÷ 6cm, giá trị chấp nhận nhỏ sai số nạo vét cho phép Kết luận - Việc tính tốn dự báo tác động kè hạ lưu cụm kè chỉnh trị sông nội địa tự động hóa dạng mơ hình hình thái chiều - Với chương trình xây dựng, phân tích dự báo biến đổi độ sâu trung bình đoạn sơng lân cận kè hạ lưu cụm kè chỉnh trị sông nội địa - Mơ đun ghép nối với mơ đun phân tích biến hình lịng dẫn phạm vi cụm kè để xây dựng phần mềm chuyên dụng phục vụ cho tính tốn dự báo biến đổi độ sâu luồng vận tải thủy tác động hệ thống kè chỉnh trị Tài liệu tham khảo Lương Phương Hậu (1992), Động lực học dịng sơng, Hà Nội Bộ Giao thông vận tải (1998), Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 241-98: Cơng trình chỉnh trị luồng chạy tàu sông, Hà Nội Van Rijn, L.C (1985), Mathematical Models for Sediment Concentration Profiles in Steady Flow, Munich, Germany T¹p chí khoa học công nghệ xây dựng Số 15/3-2013 53 ... dự báo tác động kè hạ lưu cụm kè chỉnh trị sơng nội địa tự động hóa dạng mơ hình hình thái chiều - Với chương trình xây dựng, phân tích dự báo biến đổi độ sâu trung bình đoạn sơng lân cận kè hạ. .. lân cận kè hạ lưu cụm kè chỉnh trị sơng nội địa - Mơ đun ghép nối với mơ đun phân tích biến hình lịng dẫn phạm vi cụm kè để xây dựng phần mềm chun dụng phục vụ cho tính tốn dự báo biến đổi độ sâu... phân tích biến hình lịng dẫn gây phần tử kè xác định vị trí tính tốn sau: Mặt cắt tương ứng với vị trí cách điểm bố trí kè mỏ hàn chiều dài kè phía thượng lưu; Mặt cắt 1* tương ứng với vị trí cách