Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.2. Mô phỏng và phân tích
Sau khi kiểm định mô hình đạt kết quả tốt, phần mô phỏng cho các trường hợp biến thiên lưu lượng và biến thiên mực nước được thực hiện nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố lưu lượng, mực nước lên cấu trúc dòng thứ cấp. Các điều kiện thủy lực thể hiện trong Bảng 3.3, Bảng 3.4.
Bảng 3.3. Các trường hợp lưu lượng mô phỏng ứng với mực nước cuối kênh giữ ở mức 2 (sâu cách đỉnh bờ 0,03 m)
STT Trường hợp lưu lượng Vận tốc (m/s) Re Fr 1 Q = 0,002083 m3/s
(hay Q = 7,5 m3/h) 0,0437 5882,0 0,0427 2 Q = 0,00278 m3/s
(hay Q = 10 m3/h) 0,0512 7842,7 0,0569 3 Q = 0,003472 m3/s
(hay Q = 12,5 m3/h) 0,0591 9803,4 0,0711
Bảng 3.4. Các trường hợp mô phỏng mực nước cuối kênh thay đổi ứng với lưu lượng 12,5 m3/h
STT Trường hợp mực nước Vận tốc (m/s) Re Fr
1 Mức 1
(thấp hơn đỉnh bờ 0,01m) 0,0508 8427,1 0,0446
2 Mức 2
(thấp hơn đỉnh bờ 0,03m) 0,0591 9803,4 0,0711
3 Mức 3
(thấp hơn đỉnh bờ 0,05m) 0,0702 10489,0 0,0984 Các điều kiện đầu vào cho các trường hợp mô phỏng được trình bày như trong Bảng 3.5 như sau:
Bảng 3.5. Các điều kiện đầu vào cho các trường hợp mô phỏng
Các trường hợp mô phỏng Lưới Vận tốc đầu
vào (m/s) Số lớp Số phần tử Số nút
Q = 7,5 m3/h
Mực nước mức 2
10 209084 62025 0,0437
Q = 10 m3/h 10 221671 67959 0,0512
Q = 12,5 m3/h 10 226505 71514 0,0591
Mực nước mức 1
Q = 12,5 m3/h
10 253082 84079 0,0508
Mực nước mức 2 10 226505 71514 0,0591
Mực nước mức 3 10 204122 66139 0,0702
Thông thường, xói lở bờ sông được đánh giá bằng ứng suất đáy [25]. Ứng suất đáy được tính theo công thức [26]:
𝜏 = 𝜇𝜕𝑢
𝜕𝑁 (3.3)
trong đó 𝜕𝑢
𝜕𝑁 là gradient vận tốc dòng chảy theo phương vuông góc với đáy.
Công thức (3.3) cho thấy ứng suất đáy tỉ lệ với gradient vận tốc dòng chảy.
Sau khi mô phỏng các trường hợp lưu lượng, mực nước thay đổi, các kết quả phân bố vận tốc bề mặt, phân bố vận tốc tại mặt cắt và phân bố ứng suất đáy được phân tích nhằm đánh giá mối quan hệ giữa các yếu tố dòng chảy đến sự thay đổi cấu trúc dòng thứ cấp và phân bố ứng suất đáy đến khả năng sạt lở bờ sông.
Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng đến cấu trúc dòng thứ cấp Phân bố vận tốc bề mặt
Kết quả phân bố vận tốc bề mặt dòng chảy ở ba trường hợp lưu lượng được thể hiện như trên Hình 3.6. Giá trị vận tốc được thể hiện theo màu ứng với màu xanh dương là vận tốc rất nhỏ gần như bằng 0 m/s, màu xanh lá ứng với vận tốc khoảng 0,04 m/s đến 0,06 m/s và màu cam ứng với vận tốc trên 0,1 m/s.
Trường hợp lưu lượng Q = 7,5 m3/h, giá trị vận tốc bề mặt trên toàn miền đạt khoảng 0,04 m/s. Đối với trường hợp lưu lượng Q = 10 m3/h, giá trị vận tốc bề mặt trên toàn miền đạt khoảng 0,05 m/s đến 0,06 m/s với phân bố vận tốc gần như đồng nhất. Trường hợp lưu lượng Q = 12,5 m3/h, giá trị vận tốc bề mặt trên toàn miền tương đối lớn hơn so với hai trường hợp lưu lượng trước, đạt khoảng 0,07 m/s, có nơi lên đến 0,1 m/s và vận tốc phân bố theo luồng. Sự phân bố vận tốc bề mặt cho thấy vận tốc có giá trị tăng dần khi lưu lượng tăng dần.
Xét về sự phân bố vận tốc, ngay phía trước đoạn cong, dòng chảy chính tập trung gần bờ trong, nơi có độ sâu lớn hơn. Gần đoạn cong, sự kết hợp của luồng chính và địa hình tạo ra tương tác và có sự xáo trộn trên bề mặt. Vị trí xáo trộn được khoanh đỏ trên Hình 3.6. Khi lưu lượng tăng dần thì vị trí xáo trộn di chuyển dần ra bờ ngoài và về cuối dòng. Ở trường hợp Q = 12,5 m3/h ta thấy rõ luồng vận tốc có xu hướng đập vào bờ lõm mạnh sau khi qua khỏi đoạn cong.
Để thấy rõ hơn tác động của dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông, phân bố vận tốc trong mặt cắt ngang ngay tại đoạn cong được tiến hành phân tích.
Hình 3.6. Phân bố vận tốc bề mặt dòng chảy theo các trường hợp lưu lượng.
Phân bố vận tốc trong mặt cắt ngang
Kết quả dòng thứ cấp ở đoạn cong (mặt cắt 17, 16, 15 theo thứ tự như Hình 2.1) theo ba trường hợp lưu lượng được thể hiện như Hình 3.7.
Hình 3.7. Phân bố vận tốc dòng thứ cấp theo các trường hợp lưu lượng tại 3 mặt cắt ngay đoạn cong.
Kết quả Hình 3.7 cho thấy trong trường hợp lưu lượng thấp xuất hiện xoáy nhỏ hơn so với trường hợp lưu lượng cao do khi lưu lượng càng tăng, mực nước không thay đổi thì vận tốc sẽ tăng dần, vì vậy vận tốc của xoáy cũng tăng dần. Bên cạnh đó, vận tốc dòng thứ cấp và vận tốc dòng chảy chính tỉ lệ với nhau, vận tốc dòng chảy tại vị trí cong lớn nhất tương ứng với vận tốc xoáy tại đoạn cong cũng lớn nhất.
Xét về xu hướng dòng thứ cấp khi đi qua đoạn cong trong cả ba trường hợp lưu lượng, dòng chảy đều có xuất hiện 2 xoáy nước ngược chiều nhau, trước đoạn cong (mặt cắt 17), xoáy gần bờ lồi chiếm ưu thế hơn xoáy còn lại; tại mặt cắt sau đoạn cong, mặt cắt 15, xoáy gần bờ lõm luôn mạnh hơn xoáy gần bờ lồi. Các tâm xoáy có xu hướng di chuyển từ mặt thoáng với giá trị vận tốc nhỏ, xuống dưới tác động vào đáy và bờ với vận tốc lớn dần, độ lớn dòng chảy đáy tăng dần. Xoáy nước gần bờ lõm tại đoạn cong mạnh khiến dòng có xu hướng khoét vào bờ lõm nhiều hơn, do đó, sự tác động vào bờ và đáy kênh ngay tại đoạn cong sẽ lớn hơn những vị trí khác, tăng khả năng xói lở đáy dẫn đến sạt bờ.
Các kết quả phân bố vận tốc đã phân tích cho thấy các trường hợp lưu lượng khác nhau dẫn đến sự khác nhau rõ rệt về cấu trúc dòng thứ cấp cả vị trí xoáy và độ lớn vận tốc. Vì vậy dòng thứ cấp có khả năng gây ra xói lở dẫn đến sạt bờ.
Phân bố ứng suất đáy
Kết quả phân bố ứng suất đáy cho các trường hợp lưu lượng được thể hiện như trong Hình 3.8. Giá trị ứng suất đáy được thể hiện theo thang màu ứng với màu xanh dương là ứng suất bằng 0 Pa, màu xanh lá ứng với ứng suất khoảng 0,04 Pa đến 0,06 Pa và màu đỏ ứng với ứng suất trên 0,1 Pa.
Kết quả cho thấy giá trị ứng suất đáy tăng khi lưu lượng tăng. Ứng suất đáy ở trường hợp lưu lượng Q = 7,5 m3/h đạt giá trị khoảng 0,01 Pa đến 0,03 Pa. Trường hợp lưu lượng Q = 10 m3/h tương tự như trường hợp Q = 7,5 m3/h nhưng ứng suất đáy có giá trị lớn phân bố rộng hơn. Kết quả trường hợp lưu lượng Q = 12,5 m3/h cho giá trị ứng suất đáy lớn nhất trong cả ba trường hợp với khoảng giá trị phân bố từ 0,02 Pa đến 0,08 Pa.
Xét về phân bố, ứng suất đáy có xu hướng giống nhau ở tất cả các trường hợp lưu lượng, ứng suất đáy có giá trị lớn tập trung phía bờ lồi ở trước đoạn cong và đạt
giá trị lớn nhất ngay tại đoạn cong (tương ứng với mặt cắt 16 được thể hiện bằng đường màu đỏ trên Hình 3.8). Sau khi qua khỏi đoạn cong, ứng suất đáy có giá trị lớn di chuyển dần ra phía bờ lõm. Tại mặt cắt 15, vận tốc đáy lớn khi lưu lượng tăng dẫn đến ứng suất đáy tại đây cũng lớn. Dòng chảy đáy lớn có khả năng gây ra xói lở nhiều.
Hình 3.8. Phân bố ứng suất đáy theo các trường hợp lưu lượng ngay đoạn cong.
Khảo sát ảnh hưởng của mực nước đến cấu trúc dòng thứ cấp Lưu lượng đầu vào cho cả 3 trường hợp này là Q = 12,5 m3/h, trong đó trường hợp mực nước mức 1 cố định mực nước cuối kênh thấp hơn đỉnh bờ 0,01m, tương ứng mực nước mức 2 thấp hơn đỉnh bờ 0,03m và mực nước mức 3 thấp hơn 0,05m.
Phân bố vận tốc bề mặt
Kết quả phân bố vận tốc bề mặt dòng chảy ở ba trường hợp mực nước được thể hiện như trên Hình 3.9. Giá trị vận tốc được thể hiện theo màu ứng với màu xanh dương là vận tốc rất nhỏ gần như bằng 0 m/s, màu xanh lá ứng với vận tốc khoảng 0,04 m/s đến 0,06 m/s và màu cam ứng với vận tốc khoảng 0,1 m/s.
Ở các trường hợp mực nước, giá trị vận tốc lớn phân bố theo luồng. Đối với trường hợp mực nước mức 1, vận tốc bề mặt trên toàn miền đạt khoảng 0,05 m/s, vận tốc ở luồng đạt khoảng 0,08 m/s, có nơi đạt 0,09 m/s. Trường hợp mực nước mức 2, giá trị vận tốc bề mặt tăng lên, đạt khoảng 0,07 m/s. Trường hợp mực nước mức 3, vận tốc toàn miền đạt khoảng 0,06 m/s đến 0,08 m/s, vận tốc toàn miền lớn hơn so với hai trường hợp mực nước mức 1 và 2.
Sự phân bố vận tốc ở các trường hợp mực nước thay đổi có xu hướng giống nhau. Ngay phía trước đoạn cong, dòng chảy chính tập trung gần bờ lồi, nơi có độ sâu lớn hơn. Vận tốc bề mặt sau khi qua khỏi đoạn cong có sự thay đổi ở các điều kiện mực nước khác nhau. Khi mực nước hạ dần, vận tốc phân bố ở sát bờ lõm ngay sau đoạn cong càng lớn. Khi mực nước giảm dần, lưu lượng dòng chảy không đổi, thì vận tốc càng tăng dần. Do đó, luồng dòng chảy phân bố càng rõ ràng và có xu hướng di chuyển về sát bờ lõm ở phía sau đoạn cong.
Hình 3.9. Phân bố vận tốc bề mặt dòng chảy theo các trường hợp mực nước.
Phân bố vận tốc trong mặt cắt ngang
Kết quả về dòng thứ cấp ở đoạn cong (mặt cắt 17, 16, 15 theo thứ tự như Hình 2.1) theo ba trường hợp mực nước được trình bày như Hình 3.10.
Hình 3.10. Phân bố vận tốc dòng thứ cấp theo các trường hợp mực nước tại 3 mặt cắt ngay đoạn cong.
Kết quả cho thấy xoáy nước trong trường hợp mực nước mức 1 có vận tốc nhỏ hơn so với trường hợp mực nước 2 và 3 do khi mực nước càng giảm, lưu lượng không thay đổi thì vận tốc sẽ tăng dần, vì vậy vận tốc của xoáy cũng tăng dần. Bên cạnh đó, vận tốc dòng thứ cấp và vận tốc dòng chảy chính tỉ lệ với nhau, vận tốc dòng chảy tại vị trí cong lớn nhất tương ứng với vận tốc của xoáy tại đoạn cong cũng lớn nhất.
Xét về xu hướng dòng thứ cấp khi đi qua đoạn cong trong cả ba trường hợp, dòng chảy đều có xuất hiện 2 xoáy nước ngược chiều nhau, trước đoạn cong (mặt cắt 17), xoáy gần bờ lồi chiếm ưu thế hơn xoáy còn lại; tại mặt cắt sau đoạn cong, mặt cắt 15, xoáy gần bờ lõm luôn mạnh hơn xoáy gần bờ lồi. Các tâm xoáy có xu hướng di chuyển từ mặt thoáng với cường độ nhỏ, xuống dưới tác động vào đáy và bờ với vận tốc lớn dần. Xoáy nước gần bờ lõm tại đoạn cong mạnh khiến dòng có xu hướng khoét vào bờ lõm nhiều hơn, do đó, sự tác động vào bờ và đáy kênh ngay tại đoạn cong sẽ lớn hơn những vị trí khác, tăng xói lở bờ.
Các kết quả phân bố vận tốc đã phân tích cho thấy các trường hợp mực nước khác nhau dẫn đến sự khác nhau rõ rệt về cấu trúc dòng thứ cấp cả vị trí xoáy và độ lớn vận tốc. Vì vậy dòng thứ cấp có khả năng gây ra sạt lở bờ.
Phân bố ứng suất đáy
Kết quả phân bố ứng suất đáy cho các trường hợp mực nước được thể hiện như trong Hình 3.11. Giá trị ứng suất đáy được thể hiện theo thang màu ứng với màu xanh dương là ứng suất bằng 0 Pa, màu xanh lá ứng với ứng suất khoảng 0,04 Pa đến 0,06 Pa và màu đỏ ứng với ứng suất trên 0,1 Pa.
Kết quả Hình 3.11 cho thấy giá trị ứng suất đáy tăng khi mực nước giảm. Ứng suất đáy ở trường hợp các trường hợp mực nước có giá trị phân bố từ 0,01 Pa đến 0,08 Pa. Trường hợp mực nước giảm thì ứng suất đáy có giá trị lớn phân bố rộng hơn.
Xét về phân bố ứng suất đáy, ứng suất đáy có xu hướng giống nhau ở cả 3 trường hợp mực nước. Ở trước đoạn cong, ứng suất đáy lớn tập trung phía bờ lồi và đạt giá trị lớn nhất ngay tại đoạn cong (tương ứng với mặt cắt 16 được thể hiện bằng đường màu đỏ trên Hình 3.11). Sau khi qua khỏi đoạn cong, ứng suất đáy có giá trị lớn di chuyển dần ra phía bờ lõm. Dòng chảy đáy lớn có khả năng gây ra xói lở nhiều.
Hình 3.11. Phân bố ứng suất đáy theo các trường hợp mực nước ngay đoạn cong.
Cấu trúc dòng chảy ở đoạn kênh thẳng
Hình 3.12 thể hiện cấu trúc dòng chảy tại những đoạn kênh thẳng, kết quả này nhằm khẳng định rằng ở những đoạn kênh thẳng không có dòng thứ cấp, chỉ những đoạn kênh cong mới có sự xuất hiện của dòng thứ cấp. Mô hình toán mô phỏng cấu trúc dòng chảy phù hợp với lý thuyết.
Hình 3.12. Cấu trúc dòng chảy tại đoạn kênh thẳng (MC23 và MC8) Kết luận về ảnh hưởng của lưu lượng, mực nước đến cấu trúc dòng thứ cấp và hiện tượng sạt lở bờ
Các kết quả đã phân tích trên cho thấy độ lớn vận tốc bề mặt dòng chảy tăng khi lưu lượng tăng hoặc mực nước giảm. Bên cạnh đó, vận tốc phân bố ở đoạn kênh cong có xu hướng giảm dần từ bờ trong (bờ lồi) ra bờ ngoài (bờ lõm) ở trước đoạn cong và sau khi qua khỏi đoạn cong thì vận tốc ở gần bờ ngoài tăng dần. Điều này cho thấy rõ hơn rằng đã có sự xáo trộn vận tốc bên trong dòng chảy khi đi qua đoạn cong, vận tốc dòng chảy có sự phân bố lại. Mức độ xáo trộn bên trong dòng chảy khác nhau với từng trường hợp lưu lượng và mực nước.
Kết quả phân bố vận tốc trong từng mặt cắt ở các trường hợp cho thấy: Dòng chảy có xuất hiện 2 xoáy nước ngược chiều nhau trong tất cả các trường hợp; vận tốc xoáy và vận tốc dòng chảy chính tỉ lệ với nhau, vận tốc dòng chảy tại vị trí cong lớn nhất tương ứng với vận tốc xoáy tại đoạn cong cũng lớn nhất; xoáy trong trường hợp lưu lượng thấp có vận tốc nhỏ hơn so với trường hợp lưu lượng cao do khi lưu lượng càng tăng, mực nước không thay đổi thì vận tốc sẽ tăng dần, vì vậy vận tốc xoáy cũng
tăng dần; tương tự, xoáy trong trường hợp mực nước mức 1 có giá trị vận tốc nhỏ hơn so với trường hợp mực nước mức 2 và 3 do mực nước càng giảm, lưu lượng dòng chảy không thay đổi thì vận tốc sẽ tăng dần, vì vậy vận tốc xoáy cũng tăng dần; các tâm xoáy có xu hướng di chuyển từ mặt thoáng với cường độ nhỏ, xuống dưới tác động vào đáy và bờ với cường độ xoáy lớn dần; xoáy nước có xu hướng tác động ở vị trí bờ lõm và đáy tại đoạn cong, do đó, sự tác động vào bờ và đáy kênh ngay tại đoạn cong sẽ lớn hơn những vị trí khác, tăng xói lở d9áy và bờ, dẫn đến sạt bờ. Các kết quả phân bố vận tốc đã phân tích cho thấy các trường hợp lưu lượng và mực nước khác nhau dẫn đến sự khác nhau rõ rệt về cả vị trí xoáy và độ lớn vận tốc, làm thay đổi cấu trúc dòng thứ cấp, từ đó ảnh hưởng đến khả năng gây sạt lở bờ.
Kết quả phân bố ứng suất đáy trong các trường hợp cho thấy ứng suất đáy có giá trị lớn tập trung phía bờ lồi và đạt giá trị lớn nhất ngay tại đoạn cong (mặt cắt 16).
Sau khi qua khỏi đoạn cong, ứng suất đáy có giá lớn di chuyển dần ra phía bờ lõm.
Phân bố ứng suất đáy có xu hướng giống nhau ở tất cả các trường hợp lưu lượng và mực nước, nhưng khác nhau về giá trị, ứng suất đáy càng tăng khi lưu lượng càng tăng và mực nước càng giảm. Bên cạnh đó, cần phải so sánh ứng suất tiếp đáy tính toán được với ứng suất tới hạn cho phép xói tại các vị trí có khả năng sạt lở để đánh giá được chính xác về khả năng sạt lở bờ. Ngoài ra, ứng suất tới hạn cho phép xói sẽ khác nhau tùy thuộc vào đặc tính địa chất của từng khu vực nghiên cứu.