Phân tích kết quả mô hình thực nghiệm

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CHO CỐNG KÊNH CỤT

3.5. Kết quả mô hình vật lý và mô hình toán, phân tích biện pháp phòng xói công trình

3.5.1. Phân tích kết quả mô hình thực nghiệm

3.5.1.1. Phân tích kết quả thí nghiệm phương án thiết kế ban đầu xác định vận tốc trước và sau cống.( Trường hợp nước chảy từ đồng ra biển)

Để đánh giá phương án thiết kế về mặt thủy lực, thí nghiệm thủy lực đã sử dụng tổ hợp mực nước tính toán do cơ quan thiết kế cấp ứng với mực nước vận hành bất lợi, các tổ hợp mực nước tương ứng với cống vận hành bình thường. Dựa trên các công tác chuẩn bị mô hình cũng như các thông số đã thiết lập cho mô hình thực nghiệm, tiến hành đo chi tiết vận tốc trung bình dọc theo đoạn sông trước và sau cống. Bố trí 16 mặt cắt để đo vận tốc( ký hiệu từ S1S9 phía đồng và B1 B5 phía biển và N là ngưỡng cống), mỗi mặt cắt cách nhau 20m50m.

63

Sau khi tiến hành đo chi tiết ứng với các tổ hợp mực nước khác nhau, kết quả cho bảng phân bố vận tốc trung bình dòng chảy trong trường hợp nước tiêu từ Đồng ra biển ( trường hợp mở hết 3 của van) ( Xem Bảng PL 02)

- Khi tiêu nước với lưu lượng Qmax, Zmax và Zcao (Q=460m3/s490m3/s, chênh lệch mực nước trước và sau cống Z=(0,080,10m) thì vận tốc dòng chảy tại ngưỡng cống lớn, vận tốc dòng đáy Vđáy = 1,7m/s  2,1m/s. Vận tốc dòng mặt Vmặt = 1,6m/s  2,3m/s.

- Vận tốc đáy trong khoang cống, phần gia cố rọ đá Vđáy=0,9m/s  1,4m/s. Nhỏ hơn vận tốc xói cho phép của rọ đá.

- Vận tốc đáy tại khu vực nối tiếp cửa vào phía đồng (khu vực gia cố rọ đá) từ đầu trụ pin đến mặt cắt S2 (cách đầu trụ pin 39m) vận tốc đáy Vđáy= 0,6m/s  1,0m/s. Nhỏ hơn vận tốc xói cho phép của rọ đá.

- Khu vực lòng dẫn phía đồng nối tiếp với phần gia cố rọ đá (cách đầu trụ pin từ 39m đến 165m) vận tốc đáy dòng chảy lớn. Vđáy=0,8m/s1,5m/s lớn hơn vận tốc xói cho phép của đất nền [V]cpx=1,0m/s.

- Vận tốc dòng chảy quẩn tại khu vực chân kè bê tông của xưởng đóng tàu (bên phía bờ trái, Phía P. Rạch Sỏi ) khá lớn. Vquẩn=0,4m/s0,8m/s.

Xét khu vực nối tiếp tại cửa ra phía biển, trong khu vực gia cố rọ đá ( từ đuôi trụ pin tới mặt cắt B2, cách đuôi trụ pin 49m thì thấy vận tốc dòng chảy đáy Vđáy=0,8m/s  1,4m/s.

Nhỏ hơn vận tốc xói cho phép của rọ đá. Trong khi khu vực lòng dẫn phía biển nối tiếp với rọ đá ( cách đuôi trụ pin từ 49m đến 130m) vận tốc đáy Vđáy = 0,8m  1,6m/s lớn hơn vận tốc xói cho phép của đất nền Vcpx=0,66m/s1,0m/s (tùy thuộc độ mặn của nước biển).

Xét đến dòng quấn tại khu vực hai bên bờ kè phía biển ( khu vực nối tiếp sau đuôi trụ pin) từ 0,3m/s  0,8m/s

- Vận tốc đáy dòng chảy trên ngưỡng cống Vđáy 0,5m/s  0,8m/s, vận tốc mặt 0,6m/s  1,1m/s. Trong khi đó vận tốc đáy của dòng chảy trong khoang cống, khu vực nối tiếp phía đồng và phía biển cũng như khi vực dẫn đều nhỏ có Vđáy  0,8m/s. Giá trị này nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng vận tốc xói cho phép.

Như vậy xét về tổng thể trong các trường hợp tiêu nước từ đồng ra biển với lưu lượng lớn, chênh lệch mực nước trước và sau cống cao thì vận tốc ngoài khu vực gia cố rọ đá vẫn còn khá lớn, Vđáy > 1,0m/s, Vận tốc này lớn hơn vận tốc cho phép xói của đất nền. Vì vậy cần

64

phải xem xét tính toán bố trí lại kết cấu công trình, bộ phận tiêu năng hợp lý để trách hiện tượng xói cho công trình.

3.5.1.2. Phân tích kết quả thí nghiệm phương án thiết kế ban đầu xác định vận tốc trước và sau cống.( Trường hợp nước chảy từ biển vào đồng)

Thí nghiệm trường hợp nước chảy từ biển vào đồng cũng thực hiện như quá trình nước chảy từ đồng ra biển. Ứng với các tổ hợp kịch bản khác nhau, qua quá trình thực nghiệm và đo số liệu ta có bảng tổng hợp giá trị vận tốc tại các vị trí mặt cắt như sau.(Xem bảng PL 03)

Từ bảng giá trị tổng hợp số tính toán thống kê trên ta có nhận xét như sau:

Trường hợp lấy nước với lưu lượng Qmax, Zmax (Q290,0m3/s; Z=0,05m)

- Vận tốc dòng chảy đáy tại ngưỡng cống Vđáy = 1,0m/s  1,2 m/s; dòng chảy mặt tại ngưỡng cống Vmặt = 1,1m/s  1,3m/s. Vận tốc đáy trong khoang cống, phần gia cố rọ đá Vđáy = 0,4m/s  0,5m/s. Vận tốc này nhỏ hơn vận tốc xói cho phép của rọ đá.

- Tại khu vực nối tiếp với đầu trụ pin phía đồng( khu vực gia cố rọ đá) vận tốc đáy tại đây là Vđáy = 0,6m/s  0,7m/s, nhỏ hơn vận tốc xói cho phép của rọ đá.

- Tại khu vực lòng dẫn phía đồng nối tiếp với phần gia cố rọ đá( cách trụ pin từ 39m đến 165m) vận tốc đáy dòng chảy dao động trong khoảng từ 0,5m/s  0,8m/s. Vận tốc này nhỏ hơn vận tốc xói cho phép của đất nền Vcpx=1,0m/s. Vận tốc dòng chảy quẩn tại chân kè bê tông của xưởng đóng tàu ( bên phía bờ trái – P. Rạch) nhỏ Vquẩn  0,3m/s.

Xét chế độ thủy lực tại khu vực nối tiếp với ngưỡng cống phía biển, phần gia cố rọ đá ( từ ngưỡng cống tới mặt cắt B2, cách đuôi trụ pin từ 49m đến 130m) vận tốc dòng chảy đáy Vđáy = 0,5m/s  0,6m/s. Vận tốc khu vực lòng dẫn nối tiếp với rọ đá ( cách trụ pin từ 49m đến 130m) có giá trị Vđáy = 0,3m/s  0,6m/s.

Trường hợp khi lấy nước với lưu lượng Q<Qmax, Zmax thì vận tốc dòng chảy đáy và dòng mặt tại ngưỡng cống có V1,0m/s.

Như vậy xét một cách tổng thể thì sự phân bố vận tốc đáy tại khu vực nối tiếp với rọ đá tại hai phía đồng và Biển đều nhỏ hơn hoạch xấp xỉ vận tốc xói cho phép của đất nền. Vì vậy trường hợp nước chảy từ biển vào đồng có phần thuận lợi hơn so với trường hợp nước chảy từ đồng ra biển.

65

3.5.1.3. Phân tích kết quả thí nghiệm phương án thiết kế ban đầu xác định chế độ thủy lực qua cống.( Trường hợp nước chảy từ biển vào đồng)

Phận tích kết quả thí nghiệm nhằm xác định chế độ thủy lực, hình thức chảy qua cống, xét tại các vị trí đặc trưng như khu xoáy và các khu vực chảy quẩn và các vị trí khác nhằm xác định chế độ bất lợi để từ đó có biện pháp giảm thiểu cũng như bố trí thiết kế kết cấu tại các khu vực này.

- Trường hợp tiêu nước từ đồng ra biển với các tổ hợp Qmax, Zđồng= +0,33m, Zbiển=+

0,23m, =0,10m( trường hợp 1)

Hướng chủ lưu dòng chảy thẳng, ổn định, dòng chính tập trung ở khu vực lòng sông, hai bên gần bờ dòng chảy nhỏ. Vận tốc dòng chảy mặt trong các khoang cống Vmặt = ( 1,8

2,1)m/s. Khu vực phía đông bên bờ trái cách trụ pin 167,5m  326m tồn tại khu vực xoáy quẩn, chiều dài khu xoáy quẩn Lquẩn=145m, bề rộng xoáy bxoáy(14m18m); vận tốc dòng quẩn Vquản=(0,50,8)m/s. Tại vị trí hai bên mang cống phía đồng và phía biển hình thành khu xoáy quẩn rộng nhưng lại có vận tốc dòng quẩn nhỏ Vquẩn 0,2m/s. Dòng ngang từ hai bên mang cống đổ vào khoang 1 và khoang 3 rất nhỏ, gây co hẹp ngang không đáng kể, trong khi dòng chảy đổ vào các khoang lại lớn.

Khu vực nối tiếp sau cống phía biển là chảy ngập, không có nước nhảy, dòng chủ lưu qua cống tương đối thẳng, dòng êm. Một số khu vực chân kè dòng chảy nhỏ, đôi lúc có dòng quẩn nhưng không đáng kể.

- Xét các trường hợp tương tự với các tổ hợp kịch bản khác nhau ta có bảng thống kê về các thông số thủy lực như sau.( Xem bảng PL04)

Các hình vẽ được thể hiện trong phụ lục.

Như vậy, nhìn chung ứng với các tổ hợp kịch bản khác nhau đã có sự thay đổi về chế độ thủy lực qua cống từ đó ta có thể đánh giá được các yếu tố bất lợi về mặt thủy lực để tìm ra được tổ hợp kịch bản thuận lợi nhất trong việc thiết kế công trình cống Kênh Cụt.

3.5.1.4. Phân tích kết quả thí nghiệm phương án thiết kế ban đầu xác định hình thức nối tiếp qua cống.

Phân tích đánh giá các thông số thủy lực của dòng chảy để xác định các hình thức nối tiếp thủy lực qua cống từ đó đánh giá được các ảnh hưởng của các chi tiết kết cấu đến các hình

66

thức nối tiếp. Thông qua các giá trị đó đề ra các biện pháp thiết kế công trình sao cho phù hợp.

- Trường hợp tiêu nước từ đồng ra biển:( tổ hợp Qmax, Hđ=+0,33m, HB=+0,23m)

Hình thức nối tiếp dòng chảy trước và sau cống là dạng nối tiếp chảy mặt ngập, không có nước nảy. Nói tiếp trước và sau cống thuận, co hẹp nhỏ, không đáng kể, dòng chảy trước và sau cống tản đều trên diện rộng, dòng mặt tương đối êm, dòng chảy hướng lưu thẳng và ít bị lệch dòng. Trường hợp này tồn tại vũng quẩn hai bên mang cống, vận tốc quẩn Vquẩn(0,30,7)m/s, nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này là do cấu tạo tường bên của khoang bên có tường cánh vuông góc 900. Bên cạnh đó sau đoạn gia cố phía đồng và phía biển với với lòng dẫn tự nhiên có vận tốc đáy lớn, Vđáy=(1,51,6)m/s.

Ứng với tổ hợp Zmax (Hđ=+0,25m; HB=+0,15m); Zcao (Hđ=+0,28m; HB=+0,20m); Ztb

(Hđ=-0,14m; HB=-0,16m) và tổ hợp Ztb (Hđ=+0,81m; HB=+0,79m, thì hình thức nối tiếp dòng chảy sau cống đều là dạng nối tiếp chảy mặt ngập, không có nước nhảy, dòng thuận và dòng chủ lưu thẳng, ít lệch dòng. Các vận tốc dòng quẩn và vận tốc đáy tại các điểm xét lần lượt có các chỉ số là Vquẩn=(0,30,9)m/s, Vđáy=(1,01,4)m/s; Vquẩn=(0,31,0)m/s, Vđáy=(0,81,2)m/s; Vquẩn=(0,20,4)m/s, Vđáy  0,5m/s.

- Trường hợp lấy nước từ biển vào đồng với tổ hợp Qmax và Zmax ( HBiển=+0,23m;

Hđồng=+0,18m)

Dạng nối tiếp qua ở trường hợp này là dạng nối tiếp dòng mặt chảy ngập, không có nước nhảy, dòng chảy qua cống thuận, dòng chủ lưu thẳng, phân tán khá đều trên diện rộng, dòng chảy êm và không bị lệch dòng. Tại hai bên mang cống trước và sau cống thì vẫn tồn tại vùng nước quẩn rộng, vận tốc vùng quẩn có giá trị Vquẩn = 0,3 0,5)m/s, còn vận tốc tại đoạn nối tiếp giữa phần gia cố rọ đá phía đồng với lòng dẫn tự nhiên còn tương đối lớn, Vđáy0,9m/s.

Tương tự ứng với các tổ hợp kịch bản khác Zcao (HBiển=+0,50m; Hđồng=+0,47m);

(HBiển=+0,12m; Hđồng=+0,10m); ZTB (HBiển= +0,72m; Hđồng= +0,71m) và tổ hợp ZTB

(HBiển= -0,39m; Hđồng= -0,40m) thì cũng có chế độ thủy lực tương tự, tuy nhiên có sự khác nhau về giá trị của các vận tốc quẩn và vận tốc tại đoạn nối tiếp với lòng dẫn tự nhiên. Cụ thể các giá trị lần lượt là : Vquẩn=(0,10,2)m/s, Vđáy0,8m/s; Vquẩn  0,1m/s, Vđáy  0,5m/s;

vận tốc quẩn không đáng kể, Vđáy  0,4m/s.

67

3.5.1.5. Phân tích đánh giá xói lở trên mô hình theo phương án thiết kế

Thông qua các thí nghiệm thực hiện ở trên, ứng với từng tổ hợp kịch bản khác nhau bước đầu đã nhìn nhận được các mức độ gây ảnh hưởng xói lở đến công trình. Tùy theo từng tổ hợp kịch bản mà có mức độ gây xói khác nhau. Dựa trên kết quả khảo sát địa chất cho thấy lớp đất 1 có chiều sâu dao động trong khoảng -3,0m đến -7,5m, Như vậy toàn bộ lòng dẫn trước và sau cống đều nằm trong lớp đất này. Trên cơ sở đó như đã phân tích ở trên thì vận tốc xói phía đồng cho phép của lớp đất 1 là Vcpx = 1,0m/s. Còn vận tốc xói cho phép phía biển là Vcpx = 0,66m/s1,0, giá trị này còn phụ thuộc vào độ mặn của nước biển. Đối với rọ đá, thảm đá phổ biến hiện nay thì vận xói cho phép vào khoảng Vcpx=2m/s5m/s (tùy thuộc vào chất lượng rọ và đường kính đá trong rọ). Thường được xác định với rọ đá

Vrọcpx=4,0 m/s; Đối với thảm đá Vthảmcpx=2,0 m/s. Như vậy dựa vào các giá trị vận tốc cho phép xói đã biết ta có một số kết quả phân tích như sau:

- Trường hợp tiêu nước từ đồng ra biển:

+ Kết quả thí nghiệm cho thấy ứng với các tổ hợp mực nước từ Qmin đến Qmax (mở hoàn toàn 3 cửa van) thì các giá trị lưu tốc dòng chảy đáy trong phạm vi gia cố rọ đá là Vđáy = 0,9m/s  1,4m/s. Vì vậy trong khu vực được gia cố bằng rọ đá ít có khả năng xảy ra xói.

+ Khi tiêu nước qua cống với lưu lượng 204m3/s<Q485,6m3/s (mở hoàn toàn 3 cửa van) thì lưu tốc đáy tại lòng dẫn đoạn nối tiếp với rọ đá phía sông và phía đồng tương đối lớn Vđáy >1,2m/s, lớn hơn vận tốc xói cho phép của đất nền cho nên hiện tượng xói lở lòng dẫn phía đồng và phía biển có thể xảy ra, cần phải thí nghiệm xác định hình thức hợp lý cho đoạn chuyển tiếp. Tại khu vực mang cống tồn tại dòng quẩn nhưng ít gây khả năng xói, tuy nhiên tại đây lại là nơi tồn đọng nhiều rác thải, vật trôi nổi.

+ Khi tiêu nước với lưu lượng Q204 m3/s (mở hoàn toàn 3 cửa van) vận tốc đáy lòng dẫn tại khu vực nối tiếp với rọ đá cũng như hai bên bờ đều nhỏ hơn vận tốc xói cho phép, do vậy những tổ hợp chênh lệch mực nước nhỏ ít xảy ra xói lở lòng dẫn.

- Trường hợp lấy nước từ biển vào đồng:

+ Khi lấy nước với lưu lượng 241,5m3/sQ294,8m3/s (mở hoàn toàn 3 cửa van) thì lưu tốc đáy trong phần gia cố rọ đá nhỏ hơn so với vận tốc xói cho phép của rọ đá nên trong khu vực gia cố ít có khả năng xảy ra xói lở. Tại Khu vực nối tiếp với rọ đá phía đồng vận tốc dòng chảy đáy xấp xỉ hoặc lớn hơn vận tốc xói cho phép nên về lầu dài vẫn xảy ra xói

68

tại khu vực này, tuy nhiên trường hợp dòng chảy từ Biển vào đồng ít nguy hiểm hơn so với trường hợp tiêu nước từ đồng ra Biển.

+ Khi lấy nước từ biển vào đồng với lưu lượng Q<241,5 m3/s (mở hoàn toàn 3 cửa van) thì vận tốc đáy tại khu vực gia cố rọ đá cũng như đoạn sông nối tiếp không lớn lắm, nhỏ hơn vận tốc xói cho phép, vì vậy những trường hợp lấy nước với lưu lượng nhỏ hơn 241,5 m3/s ít có khả năng xảy ra hiện tượng xói lở.

Nhìn chung thông qua thí nghiệm mô hình với phương án thiết kế thì cơ bản các thông số, hình dạng kết cấu là tương đối tốt, tuy nhiên thì vẫn còn tồn tại một số yếu tố chưa được hợp lý như lòng dẫn phía sau rọ đá có thể bị xói do vận tốc lớn, một số vị trí như mang cống còn tồn đọng vật trôi nổi... Vì vậy để cho công trình hoàn thiện hơn cả về mặt kết cấu lẫn mỹ quan thì cần thiết kế lại một số chi tiết của công trình.

3.5.1.6. Phân tích đánh giá chế độ thủy lực với phương án sửa đổi

R= 84 .0 m

R = 84.0m R = 85.0m

R = 85.0m

Hình 3.14 Hiệu chỉnh cửa vào phía sông và phía biển ( phương án SĐCV 1)

Mục đích tiến hành thí nghiệm với phương án sửa đổi nhằm tìm ra các phương án sao cho hạn chế được tối đa các yếu tố bất lợi từ phương án thiết kế để công trình hoàn thiện hơn.

Vấn đề được chú ý quan tâm nhất ở đây là làm sao để hạn chế được vận tốc dòng đáy, khu

69

vực nước quẩn và vấn đề nối tiếp thượng hạ lưu cống. Sau đây ta tiến hành phân tích đánh giá với từng phương án sửa đổi.

- Phương án hiệu chỉnh cửa vào: Do phương án thiết kế ban đầu còn tồn tại những bất lợi như vùng xoáy quẩn rộng tồn tại hai bên mang cống, vì thế vật trôi nổi, rác còn tồn đọng, tồn tại dòng ngang từ hai bên mang cống đổ vào. Phương án sửa đổi được thể hiện dưới bảng sau: ( Xem bảng PL05)

Hình 3.15 Hiệu chỉnh cửa vào phía sông và phía biển ( phương án SĐCV 2)

Do thay đổi về hình dạng cửa vào của cống vì thế chế độ thủy lực cũng có sự thay đổi đáng kể so với phương án thiết kế ban đầu. Dưới đây là phân tích kết quả của sự thay đổi cửa vào.( Xem PL06; PL07; PL08;PL09)

Các bản vẽ chi tiết được thể hiện trong phụ lục hình vẽ.

Qua phân tích đánh giá chế độ thủy lực của hai phương án sửa đổi ứng với từng tổ hợp kịch bản về cơ bản ta đã phần nào giải quyết được những vấn đề tồn tại trong phương án thiết kế ban đầu.

- Phương án sửa đổi nối tiếp hạ lưu sau cống

Do vận tốc khu vực nối tiếp còn lớn, chủ yếu là phía lấy nước từ biển vào đồng, dòng chảy tập trung ở giữa sông vì vậy cần sửa đổi phương án thiết kế để đảm bảo chế độ thủy lực

70

thuận lợi nhất cho công trình. Sau đây là một số phương án sửa đổi đoạn nối tiếp.( Xem PL10)

10

Hình 3.16 Sửa đổi nối tiếp phía đồng (SĐTN 3)

-5.00 -5.00 -5.00

Hình 3.17 Sửa đổi nối tiếp phía đồng (SĐTN 4)

71

Sau khi bố trí các phương án sửa đổi đoạn nối tiếp dòng chảy phía đồng ta tiến hành thí nghiệm và kết quả được phân tích đánh giá thông qua bảng so sánh giữa các thông số thủy của PATK và PASĐ ( xét trên các tổ hợp lưu lượng, mực nước, cao trình khác nhau)

Bảng 3.6 Chế độ thủy lực của hai phương án PATK và PASĐ (Qmax và Zmax, ZBiển = +0,23 m, Zđồng= +0,18m, Z = 0,05 m) Chế độ thủy lực của PATK Chế độ thủy lực PASĐ - Nối tiếp sau cống là chảy ngập, không có

nước nhảy.

-Hướng chủ lưu dòng chảy thẳng, dòng chính tập trung mạnh ở khu vực giữa sông, hai bên bờ dòng chảy nhỏ hơn, có chỗ còn xuất hiện dòng quẩn.

- Vùng quẩn khu vực nối tiếp rọ đá với lòng dẫn phía đồng tương đối hẹp, vận tốc quẩn nhỏ. Vquẩn=(0,20,5)m/s.

- Vận tốc đáy tại đoạn tiếp giáp với rọ đá là Vđáy= (0,6  0,9) m/s.

- Nối tiếp sau cống là chảy ngập, không có nước nhảy.

-Dòng chủ lưu chảy thẳng, ổn định dòng chính phân tán tương đối đều trên diện rộng

-Vùng quẩn khu vực nối tiếp rọ đá với lòng dẫn phía đồng tương đối hẹp, vận tốc quẩn nhỏ. Vquẩn=(0,10,2)m/s.

- Vận tốc đáy tại đoạn tiếp giáp với rọ đá là Vđáy  (0,6  0,7) m/s

Bảng 3.7 Chế độ thủy lực của hai phương án PATK và PASĐ (ZCao, ZBiển= +0,50 m, ZĐồng= +0,47 m, Z = 0,03m)

Chế độ thủy lực của PATK Chế độ thủy lực PASĐ - Nối tiếp sau cống là dòng chảy ngập,

không có nước nhẩy.

- Dòng mặt tại khu vực nối tiếp êm.

- Hai bên bờ khu vực gia cố giữa rọ đá và lòng dẫn tự nhiên tồn tại vùng quẩn tương đối rộng, vận tốc dòng quẩn Vquẩn=(0,20,3)m/s

- Nối tiếp sau cống là dòng chảy ngập, không có nước nhẩy.

- Dòng mặt tại khu vực nối tiếp êm.

- Hai bên bờ kè khu vực nối tiếp rọ đá với lòng dẫn phía đồng vùng quẩn hẹp, vận tốc dòng quẩn Vquẩn 0,1m/s.

- Phân bố vận tốc đáy đoạn tiếp giáp rọ đá với lòng dẫn phía đồng tương đối đều Vđáy0,6m/s.