Một số phương pháp tính toán thủy lực chặn dòng khi xây dựng công trình ở vùng triều và quai đê lấn biển

Tính toán thuỷ lực chặn dòng các công trình xây dựng trên sông triều và quai đê lấn biển phụ thuộc rất nhiều yếu tố ảnh hưởng, đó là: dòng chảy sông, dòng triều, sóng; tác dụng tương hỗ giữa dòng nước và vật liệu chặn dòng như: đất, cát, đá, khối bê tông, thùng chìm. Bài viết trình bày một số phương pháp tính toán thủy lực chặn dòng khi xây dựng công trình ở vùng triều và quai đê lấn biển.

Một số phương pháp tính tốn thủy lực chặn dịng xây dựng cơng trình vùng triều quai đê lấn biển PGS.TS Hồ Sĩ Minh Bộ môn Thi cơng - Trường ĐHTL Tóm tắt: Nội dung báo kết phần nghiên cứu thuộc đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu tính tốn thủy lực cơng nghệ chặn dịng cơng trình vùng triều “do Trường Đại học Thủy lợi chủ trì, PGS.TS.Hồ Sĩ Minh chủ nhiệm đề tài Đặt vấn đề [1] Tính tốn thuỷ lực chặn dịng cơng trình xây dựng sông triều quai đê lấn biển phụ thuộc nhiều yếu tố ảnh hưởng, là: dịng chảy sơng, dịng triều, sóng; tác dụng tương hỗ dòng nước vật liệu chặn dòng như: đất, cát, đá, khối bê tơng, thùng chìm v.v Q trình mặt cắt sơng bị thu hẹp dần cuối bị chặn lại chuyển động chất lỏng có thay đổi mạnh theo phương dòng chảy, theo phương ngang theo phương đứng, lại xẩy hai chiều thuận nghịch Sự thay đổi áp lực nước gây chuyển dịch vật liệu chặn dòng, ngược lại chuyển động vật liệu chặn dòng với phương pháp chặn khác làm thay đổi hướng dòng chảy, có dịng xốy rối mạnh; mặt lý luận không dừng lại nghiên cứu chất lỏng đơn Chuyển động hỗn hợp nước vật liệu hạt thơ phức tạp, khó trình bày lý thuyết , kể xác thực nghiệm Rất khó để cách xác biên giới đoạn dòng chảy thu hẹp Phạm vi lớn, bé vùng phụ thuộc vào kích thước cửa chặn dịng, phương pháp chặn dịng, thơng thường lấy 150m phía thượng, hạ lưu tuyến thu hẹp.Đoạn dòng chảy thu hẹp chia thành vùng tăng tốc vùng giảm tốc, có phân bố lưu tốc theo phương phụ thuộc hình dáng kè chặn dịng Thơng thường mặt cắt ngang kè chặn dịng lúc đầu đỉnh nhọn, theo thời gian chuyển dần đỉnh rộng Phương pháp khép dần chia thành kiểu thu hẹp:Thu hẹp đứng (hình1): Vật liệu đổ xuống lấp dần từ bên sang ngược lai, lấp từ phía.Thu hẹp (hình2): Vật liệu đổ xuống đồng bị kín hồn tồn dịng chảy.Thu hẹp hỗn hợp (hình3): Lấp đến cao độ tiến hành lấp đứng Hình 1: Lấp đứng Hình 2: Lấp Khi lấp đứng với độ sâu không lớn : v  m g Z  m g H  h  Trong đó: m: hệ số lưu lượng H: Mực nước thượng lưu (m) 16 Hình 3: Lấp hỗn hợp (1) h: Mực nước hạ lưu (m) v : lưu tốc trung bình mặt cắt (m/s) Khi lấp đứng có lạch sâu lịng sơng rộng, theo [1]: ^ gH m, H giải thích (1) vm (2) h- Mực nước vịnh triều có biên độ h , ^ ^ h  h Sint , h  t - thời gian A- Diện tích mặt cắt ngang vịnh Nếu vùng cửa chặn dịng sâu ảnh Phương pháp tính toán 2.1 Sử dụng biểu đồ lưu tốc thiết kế [2] Hệ phương trình áp dụng: Q h  b S t  h    t  max (3) hưởng ma sát bỏ qua gU U C 2d 0 u  g h QQ AWs h Q   2  S gA t C A R gAR Ở đây: Q - Lưu lượng S- Diện tích vịnh triều (4) Q  mA g h1  h2  (5) Sử dụng phương pháp số để lập quan hệ lưu tốc, độ cao kè, biên độ triều chu kỳ triều thể hình Vmax h Y= oo Y= 300 Y= 200 Y= 150 TriỊu lªn Y= 100 Y= 80 Y= Y= Y= 30 25 Y= Y= 60 50 40 = Y 20 Y= 10 Y= 15 (a) Y= Y= Y= a 0 -1 -2 -3 -4 -5 h Y= Y= Y= 10 Y= Y= 15 Y= 20 Y= 25 30 Y = 40 Y= TriÒu xuèng -3 T M2 Y = 10 T = BK b h 50 Y= = 60 Y 80 Y= 10 Y= (b) 150 Y= 00 Y= 0 Y= Y= oo Ghi chó h = Biên độ triều (m) T = Chu kỳ triều (s) TM2 = Chu kú b¸n nhËt triỊu = 44700 (s) Hình 5: Diễn biến kè chặn dịng (a) đặc trưng vịnh triều (b) BK = ChiÒu réng khu triỊu (m ) a = §é cao kÌ so víi mùc n­íc trung b×nh (m) b = ChiỊu réng cửa chặn dòng (m) Vmax = Lưu tốc lớn mặt cắt cửa chặn dòng (m/s) Hỡnh 4: Biu đồ lưu tốc thiết kế Biểu đồ có phần: - Phần tra thông số triều lên - Phần tra thơng số triều xuống Trong hình 5: a - độ cao từ đỉnh kè đến mực nước trung bình (m)  h - biên độ triều chu kỳ triều thiết kế (m) Bk - diện tích vịnh triều xem số (m2) bs - chiều rộng cửa thu hẹp (m) Trục tung biểu diễn trị số vmax trục hoành  h biểu diễn trị số a Các đường cong biểu  h đồ với hệ số   103 TM Bk  T bS h (6) Điều kiện áp dụng: Nếu L Q1 : Vmax =  ) 2. 2 mi bi ( d  zi1 ) Q0 (1   Vmax = 5. F h (9) A.T Trong : A thay đổi, tính theo Ai Ai = bi.(d - z i1 )  2.2.3.2 Dòng chảy triều Q1 trội dịng chảy sơng Q0  ) 2. 2 mi bi (d  z i 1 ) Q1 (1   Q1 > Q0 : Vmax = z i 1 tính theo bước bảng Theo [5], tính tốn cơng thức (9) tra biểu đồ phù hợp Trong đó: b0 - chiều rộng sông (m) c.v.n (1/m)  2.h (11) (12) Trong công thức (11) (12) : Q0 - lưu lượng dịng chảy sơng, xem không đổi;  Q1 - biên độ lưu lượng triều (m /s)  c - tốc độ truyền triều có xét sức cản lịng dẫn;(m/s) v- lưu tốc dịng chảy sơng tuyến xây dựng chưa thu hẹp (m/s); n - hệ số nhám sông; h - độ sâu lịng sơng (m); l - khoảng cách từ tuyến đập tới cửa biển (m) 2 k =  với   c T T - chu kỳ triều thiết kế(s) mi - hệ số lưu lượng, mi biến thiên từ 0,8  0,4, cửa chặn dòng chọn m = 0,4; bi - chiều rộng cửa thu hẹp giai đoạn thứ i (m); d - chiều sâu dịng chảy tính từ mực nước trung bình Z I 1  v i 1 2g , giai đoạn chưa thu hẹp ta có: z  v 1 = Q1 Q0 , 2  Q0 ^ Q1 mi, bi, d, z i , giải thích 2.3 Sử dụng phần mềm DUFLOW DUFLOW phần mềm dùng để mơ hình hố chiều dịng chảy chất lượng nước Với mơ đun thuỷ động lực học tính tốn lưu tốc qua cửa chặn dịng Kết tính tốn cho dự án quai đê lấn biển Ngự hàm 4, Nga sơn, Thanh hóa ví dụ Tuy nhiên sư dụng DUFLOW để tính tốn cho vịnh triều ngắn vịnh triều dài cho kết phù hợp Đồng thời cho biết thêm diễn biến mực nước chu kỳ triều Hình kết quan hệ lưu tốc, mực nước thời gian Hình quan hệ lưu tốc tỷ lệ % diện tích thu hẹp 2g QUAN HỆ VẬN TỐC DỊNG CHẢY LỚN NHẤT VÀ ĐỘ MỞ Triều xuống 0.8 0.6 Z(m) 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 -0.2 -0.2 -0.4 -0.4 12:00 Zbãi(m) 0:00 Z(m) 12:00 Zbiển(m) -0.6 0:00 V(m/s) Hình 7:Quan hệ lưu tốc, mực nước thời gian Vân tốc (m/s) 0.8 -0.6 0:00 Triều lên V(m/s) 1.2 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Độ mở (m) Hình 8: Quan hệ lưu tốc tỷ lệ % diện tích thu hẹp 19 Kết luận Những phương pháp tính tốn thủy lực nêu áp dụng cho trường hợp cụ thể tính lưu tốc giai đoạn đắp đập lấn dần giai đoạn chặn dòng, giúp cho đơn vị thi công chuẩn bị vật liệu phương pháp thi công phù hợp Lưu tốc qua cửa thu hẹp qua cửa chặn dòng thay đổi theo thời gian chu kì triều, cịn phụ thuộc vào cách thả vật liệu xuống dịng chảy Ứng dụng phương pháp tính lưu tốc giới thiệu cần xét cụ thể cơng trình xây dựng hình thái vùng triều Do tượng thủy lực phức tạp nêu mục phương pháp tính tốn cho giá trị gần Tài liệu tham khảo [1] Dr.J.J.Dronkers- Experimental research ICD-10-64, 1967.Closure of Estuarine chanels in tidal regions Considerations on fluid motion in and around closure gaps p.p 1-7 [2] J.C Huis in’t Veld - Closing of Tidal Basins , Lecture notes–IHE, 1980 [3] US Army, CERC- Shore Protection Manual, 1975 p.p 7-203 [4] Hồ Sĩ Minh - Closure of the Tidal channels and Estuaries in VietNam Proceedings of the COPEDEC V, South Africa, p.p 1782 – 1788 1999 [5] Hồ Sĩ Minh - Cơng nghệ khép kín chặn dịng cơng trình vùng triều ven biển Luận án Tiến sĩ kỹ thuật năm 1997 [6] Hồ Sĩ Minh - Design of encloure dam with a discharge sluice and a shipping lock in the bay of Asan in Korea Design report at IHE, the Netherlands, 1981 Abstract: Some of the methods for determination the velocity through constrict gap in cases of closing of in tidal regions and land out off the sea The closure of the final gaps is one of the most difficult parts for the construction of the dams in tidal regions The changes of velocities in the closure gap during the closure period can be computed An attempt is made to introduce some formulae or the methods in which we can determinate the velocity of flow in the closure gap in order to apply in the construction of hydraulic works These are also the results of a research part are done by working group of the Water Resources University Người phản biện: GS Lê Kim Truyền 20 ... động lực học tính tốn lưu tốc qua cửa chặn dịng Kết tính tốn cho dự án quai đê lấn biển Ngự hàm 4, Nga sơn, Thanh hóa ví dụ Tuy nhiên sư dụng DUFLOW để tính tốn cho vịnh triều ngắn vịnh triều. .. Những phương pháp tính tốn thủy lực nêu áp dụng cho trường hợp cụ thể tính lưu tốc giai đoạn đắp đập lấn dần giai đoạn chặn dịng, giúp cho đơn vị thi cơng chuẩn bị vật liệu phương pháp thi công. .. chặn dịng thay đổi theo thời gian chu kì triều, cịn phụ thuộc vào cách thả vật liệu xuống dịng chảy Ứng dụng phương pháp tính lưu tốc giới thiệu cần xét cụ thể cơng trình xây dựng hình thái vùng