Xây dựng mô hình thủy động lực học gồm các bước cơ bản sau: Thiết lập mô hình, hiệu chỉnh mô hình, kiểm định mô hình. Sau đó so sánh kết quả tính toán với thực đo nếu chưa đạt thì thực hiện lại các bước trước cho đến khi đạt.
3.2.1.1. Tài liệu cơ bản
a. Tài liệu địa hình
Tài liệu về bình đồ địa hình sông Tiền khu vực cù lao Long Khánh do Viện KHTLMN cung cấp, tài liệu được đo đạc năm 2010.
Hình 3.5. Cao độ địa hình khu vực nghiên cứu đo đạc năm 2010.
b. Tài liệu thủy văn
Tài liệu về lưu lượng và mực nước thực đo trong vòng 3 ngày đêm (từ ngày 25-28/12/2010) tại các trạm TC1,TC3, TC4, TC5, TC6 được dùng để cân chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực.
Tài liệu lưu lượng và mực nước ở 2 biên được trích từ mô hình một chiều MIKE 11 cho toàn ĐBSCL, đã được kiểm định và đảm bảo độ tin cậy, dùng để tiến hành tính toán dự báo sạt lở.
c. Tài liệu bùn cát
Tài liệu bùn cát được trích từ mô hình một chiều MIKE 11 cho toàn ĐBSCL, đã được kiểm định và đảm bảo độ tin cậy để mô phỏng trong mô hình.
3.2.1.2. Thiết lập biên và lưới tính toán
Sử dụng MIKE Zero Mesh Generator đưa vào tài liệu địa hình và tiến hành thiết lập, tạo lưới. Lưới tính toán trong mô hình là kết quả của sự cân đối giữa độ phân giải theo không gian, mục tiêu công việc, đối tượng nghiên cứu tính toán với thời gian sử dụng để tính toán cùng với các số liệu và tài liệu hiện có. Sau đó xuất
lưới và địa hình tính toán.
Lưới được thiết lập với 7550 phần tử và 13985 nút tính toán. Với số lượng phần tử như vậy và sự bố trí mật độ phân bố các phần tử tập trung nhiều vào các khu vực có địa hình phức tạp mà ta dự trù có các công trình chỉnh trị, công trình bảo vệ như đầu cù lao, cuối cù lao, bờ Tân Châu, bờ trái khúc cong nhánh Hồng Ngự, bờ phải khúc cong nhánh Long Thuận… nên lưới tính toán đã thể hiện được và phản ánh khá chính xác địa hình khu vực cần tính toán.
Hình 3.6. Lưới tính toán và địa hình khu vực nghiên cứu
3.2.1.3. Hiệu chỉnh các thông số mô hình và kiểm định tính toán
Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với tài liệu lưu lượng thực đo tại các trạm TC3, TC4, TC5 trong khoảng thời gian từ 25÷28/12/2010. Dựa vào 3 ngày tính toán trên để hiệu chỉnh kiểm tra xem xét kết quả mô hình tính toán có đúng với kết quả thực đo hay không. Tính toán mô hình lặp đi lặp lai nhiều lần và so sánh với kết quả thực đo.
Hình 3.7. Vị trí đo lưu lượng, mực nước tại trạm đo Tân Châu-sông Tiền
Hình 3.8. Kiểm chứng mô hình lưu lượng tại trạm TC3
Hình 3.10. Kiểm chứng mô hình lưu lượng tại trạm TC5
Hình 3-8, 3-9, 3-10 thể hiện sự so sánh giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại 3 trạm TC3, TC4, TC5 trong thời gian 3 ngày.
Đánh giá việc hiệu chỉnh qua so sánh giữa số liệu thực đo và tính toán tại các trạm được đánh giá theo chỉ số Nash-Sutcliffe.
Bảng 3. 1. Mức hiệu quả của mô hình theo Nash – Sutcliffe
Mức hiệu quả của mô hình Nash – Sutcliffe (E)
Rất tốt 0,75 ÷ 1 Tốt 0,65 ÷ 0,75 Trung Bình 0,50 ÷ 0,65 Kém ≤ 0,50 Hệ số Nash-Sutcliffe :
∑
∑
= = − − − = T t t T t t m t Q Q Q Q E 1 2 0 0 1 2 0 ) ( ) ( 1 (3-17) Trong đó : - Q0t : Số liệu thực đo (m3/s) - Qmt : Số liệu mô phỏng (m3/s)- E : Là sai số so sánh giữa tính toán và thực đo theo Nash – Sutcliffe. Bảng 3. 2. Hệ số E tính toán
E Ghi chú
TC3 0.604 Trung bình
TC4 0.726 Tốt
TC5 0.578 Trung bình
Ta thấy kết quả hệ số E tính toán như trong bảng 3.2 thỏa mãn các yêu cầu
sự phù hợp về lưu lượng. Kết quả so sánh giữa lưu lượng tính toán từ mô hình và
kết quả thực đo tại các trạm TC3, TC4, TC5 trong khoảng thời gian từ 25/12 ÷
28/12/2010, đạt theo chỉ số E.
Kết luận: Mô hình đã được thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định bằng phương pháp so sánh kết quả tính toán và lưu lượng thực đo tại các trạm. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định cho thấy các kết quả tính toán tương đối phù hợp, mô hình thủy lực chấp nhận được bộ thông số mô hình thu được là đáng tin cậy. Có thể sử dụng mô hình để tính toán các quá trình động lực và vận chuyển bùn cát.
Sau khi hiệu chỉnh ta có bộ thông số sau:
Bảng 3. 3 Các thông số mô hình
Thông số Giá trị
Bed resistance (Hệ số nhám) 0,02 ÷ 0,05
Deposition (Ứng suất cắt của bùn cát lơ lửng) 0,25 (N/m2) Erosion (Hệ số ứng với bùn cát đáy) 1,8 (N/m2)
Khối lượng riêng bùn cát đáy 400 ( kg/m3)
Sau khi kiểm định mô hình ta tiến hành tính toán dự báo sạt lở với điều kiện lũ tương đương lũ năm 2000. Đây là năm lũ điển hình và có số liệu thủy văn tương đối đầy đủ.
Tính vận tốc khởi động bùn cát để xác định khoảng thời gian dự báo sạt lở
Vận tốc khởi động bùn cát lòng dẫn được xác định từ các công thức kinh nghiệm đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới như Êri, Gôntrarốp, Samốp. Sau đây là một số công thức tính toán vận tốc khởi động bùn cát mà GS.TS. Lương Phương Hậu đã thống kê:
gd d
Vkđ =3,9 (1+0,0004) (3-18)
- Công thức của Gôntrarốp:
agd d h Vkđ 75 , 1 2 ) 8 , 8 (lg = (3-19)
- Công thức của Samốp:
6 )2 1000 ( 6 , 4 h d Vkđ = (3-20) Trong đó: - Vkđ: Lưu tốc khởi động bùn cát (m/s). - a: Hệ số Acsimet, λ γ γ − = s a thường lấy a =1,65.
- γs: Trọng lượng riêng của bùn cát.
- γ : Trọng lượng riêng của nước.
- g: Gia tốc trọng trường (m/s2).
- h: Chiều sâu dòng nước (m).
- d: Đường kính hạt (m).
Bảng 3. 4. Vận tốc khởi động tính toán
Độ sâu lấy mẫu h (m)
Đường kính hạt d
(mm) Vkđ (m/s)
Eri Samốp Gôntrarốp Trung bình
Hình 3.11. Quan hệ giữa Vkđ và Vtđ theo thời gian mùa lũ từ tháng 7 đến tháng 10 Từ hình 3.11 ta thấy vận tốc khởi động tính toán được nhỏ hơn rất nhiều so với vận tốc thực đo trong cả khoảng thời gian từ tháng 6 cho tới tháng 11. Vì vậy ta có thể chọn khoảng thời gian từ tháng 9 cho tới tháng 11 là 3 tháng mùa lũ để tiến hành tính toán dự báo sạt lở cho khu vực nghiêc cứu.
3.2.2. Kết quả tính toán bằng mô hình MIKE 21FM
Mô hình MIKE 21FM HD tính chế độ dòng chảy cho khu vực cù lao Long Khánh, sau khi hiệu chỉnh mô hình, kết quả của mô hình được thể hiện dưới đây.
Hình 3.13. Phân bố vận tốc dòng chảy năm 2000
Hình 3.15. Kết quả diễn biến mặt cắt ngang 16
Hình 3.16. Kết quả diễn biến mặt cắt ngang 1
Từ kết quả mô phỏng bằng MIKE 21FM, ta thấy diễn biến địa hình mặt cắt ngang lòng sông khu vực đầu cù lao Long Khánh có xu hướng bị xói sâu, có những vị trí lòng sông bị xói sâu tới gần 2m như trên hình 3.15, 3.16 tại MC1 và MC16. Xói lở tại đây do dòng chảy mùa lũ với vận tốc lớn, thúc thẳng vào đầu cù lao gây ra.
Hình 3.17. Kết quả diễn biến mặt cắt ngang 8
Hình 3.18. Kết quả diễn biến mặt cắt ngang 6
Còn cuối cù lao địa hình lòng sông cũng bị biến đổi mạnh, theo kết quả mô phỏng bằng mô hình MIKE 21FM ta thấy tại MC6 và MC8 đáy sông bị xói sâu từ 0,7÷3m.
Hình 3.20. Kết quả diễn biến mặt cắt ngang 12
Hình 3.21. Kết quả diễn biến mặt cắt ngang 9
Đoạn cong Hồng Ngự đường bờ cũng bị biến đổi. Theo kết quả mô phỏng tại các mặt cắt 9, 12, 14 thì có những vị trí lòng sông bị xói sâu tới gần 5m. Nhưng cũng có những vị trí đường bờ không bị thay đổi nhiều như tại mặt cắt 12 và 14.
Hình 3.22. Kết quả diễn biến mặt cắt ngang 3
Tại MC3 nhánh phải Long Thuận - Long Khánh lòng sông bị đào sâu, vị trí lớn nhất khoảng từ 2 đến 3m. Đường lạch sâu có xu thế áp sát vào mép bờ.
3.2.3. Nhận xét kết quả tính toán
Kết quả mô phỏng bằng mô hình MIKE 21FM cho thấy khu vực cù lao Long Khánh mặt cắt ngang lòng sông bị biến đổi mạnh so với trước lũ. Từ hình 3.13, ta thấy ở đầu khu vực nghiên cứu bề rộng lòng sông lớn sau đó bị thu hẹp lại tại nút co hẹp Tân Châu, rồi lại phình to ra ngay sau đó và phân thành hai nhánh, làm cho vận tốc dòng chảy cũng thay đổi theo. Từ hình 3.13 ta thấy vận tốc dòng chảy từ đầu khu vực nghiên cứu tới nút co hẹp Tân Châu tăng dần lên, khi qua nút co hep lòng sông bị mở rông ra nên vận tốc dòng chảy có giảm đi. Dòng chảy xô thẳng vào đầu cù lao với vận tốc lớn như trên hình 3.13 và gây ra xói lở mạnh ở đầu cù lao như MC16, MC1. Vậy kết quả tính toán bằng mô hình MIKE 21FM cho thấy cả hai nhánh sông thuộc khu vực nghiên cứu đều bị xói. Nguyên nhân là do mô phỏng cho mùa lũ năm 2000. Đây là một mùa lũ lớn với lưu lượng có thể lên tới hơn 30000m3/s nên gây ra xói ở cả hai nhánh sông. Kết quả diễn biến địa hình sẽ phục vụ cho việc kiểm tra ổn định bằng phần mềm GeoSlope, để xác định các phạm vi có
nguy cơ bị sạt lở.
3.2.4. Kiểm tra ổn định đất bờ bằng phần mềm GEOSLOPE
3.2.4.1. Tài liệu tính toán
- Sau khi có kết quả tính toán diễn biến lòng sông vùng cù lao Long Khánh, sử dụng phần mềm Geoslope để xác định phạm vi có nguy cơ sạt lở ở nhiều mặt cắt khác nhau, cho điều kiện mực nước kiệt nhất, có mưa và bão hòa.
- Tổng số các mặt cắt kiểm tra 16 mc, các mặt cắt ngang tỷ lệ 1/200; - Tài liệu địa chất như đã nêu ở chương 2;
- Tính toán với mực nước kiệt nhất là -0,5m;
3.2.4.2. Kết quả tính toán
Tại mỗi mặt cắt phần mềm sẽ tiến hành tính toán với nhiều cung trượt khác nhau và cho ta một hệ số an toàn nhỏ nhất Kminmin.
- Nếu Kminmin > 1,3 => thì ta kết luận vị trí mặt cắt tính toán là ổn định.
- Nếu 1,15 < Kminmin < 1,3 thì ta có thể kết luận mặt cắt tính toán mất ổn định nhưng có điều kiện. Với các đều kiện có thể là sự gia tải trên mái bờ, triều cường, lũ lớn, mưa… một cách bất thường làm mặt cắt bị mất ổn định.
- Nếu Kminmin < 1,15 thì ta kết luận mắt cắt tính toán mất ổn định.
Từ cung trượt cho giá trị Kminmin mà phần mềm đã tính toán được ta sẽ xác định được một khoảng cách từ mép bờ sông đến vị trí cung trượt. Khi ta tiến hành tính toán với nhiều mặt cắt thì sẽ xác định được một hành lang bảo vệ quan trọng, phục vụ cho công tác dự báo, cảnh báo (phương pháp xác định trong hình 3.24)
Hình 3.23. Minh họa kết quả tính dự báo sạt lở bằng Geoslope
Hình 3.24. Dự báo vùng sạt lở khu vực cù lao Long Khánh bằng phần mềm Geoslope
Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3. 5. Tính toán ổn định tại các mặt cắt bằng phần mềm Geo-Slope MC Kminmin Khoảng cách từ mép bờ tới cung lở Kmin = 1,15 Khoảng cách từ mép bờ tới cung lở Kmin = 1,3 Khoảng cách từ mép bờ tới cung lở Kết luận 1 0,919 6,5 1,15 9 1,3 15 Mất ổn định 2 1,066 5,5 1,15 12 1,3 14 Mất ổn định 3 1,246 5,5 1,3 11,5 Mất ổn định có điều kiện 4 1,247 3,5 1,3 6 Mất ổn định có điều kiện 5 1,473 6,1 Ổn định 6 1,154 7,5 1,3 15,6 Mất ổn định có điều kiện 7 1,263 7,2 1,3 11 Mất ổn định có điều kiện 8 0,908 3,5 1,15 7,3 1,3 12,7 Mất ổn định 9 1,198 3,5 1,3 11 Mất ổn định có điều kiện 10 1,628 4 Ổn định 11 1,519 7 Ổn định 12 1,739 5 Ổn định 13 1,371 6 Ổn định 14 1,111 5 1,15 5,5 1,3 8,5 Mất ổn định 15 0,911 4,5 1,15 8,5 1,3 14 Mất ổn định 16 1,108 3,5 1,15 5,5 1,3 7 Mất ổn định 3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Thông qua tính toán dự báo sạt lở bằng mô hình MIKE 21FM và GeoSlope
cho thấy, mặc dù khối lượng công việc khá nhiều và mất thời gian, nhưng kết quả
thể hiện khá trực quan về dự báo các phạm vi có nguy cơ sạt lở.
Trên hình 3.24, là kết quả tính toán của 2 bộ mô hình toán, mô hình MIKE 21FM tính toán diễn biến dòng chảy, bùn cát đáy lòng sông cho toàn vùng nghiên cứu, và phần mềm GeoSlope tính toán kiểm tra ổn định sau khi có kết quả của MIKE 21FM, cho 16 mặt cắt. Trên thực tế, nếu kiểm tra ổn định càng nhiều mặt cắt, phạm vi dự báo sạt lở sẽ càng chính xác hơn, tuy nhiên do thời gian làm luận văn hạn chế, nên em chỉ tính cho khối lượng 16 mặt cắt. Đồng thời, do thiếu tài liệu địa
chất bờ Long Thuận, nên việc tính toán dự báo sạt lở cho khu vực này chưa được tính toán.
Với mô hình MIKE 21FM MT cho ta thấy có những vị trí lòng sông bị xói sâu tớí gần 5m như ở mặt cắt 9, 12, 14 ở khúc cong nhánh trái Hồng Ngự và nhánh phải Long Thuận-Long Khánh ở mặt cắt 3 với vị trí lớn nhất khoảng từ 2 đến 3m. Còn ở đầu cù lao Long Khánh ta thấy diễn biến địa hình mặt cắt ngang lòng sông cũng có xu hướng bị xói sâu, có những vị trí lòng sông bị xói sâu tới gần 2m như tại MC1 và MC16. Xói lở tại đây do dòng chảy mùa lũ với vận tốc lớn, thúc thẳng vào đầu cù lao gây ra. Còn cuối cù lao địa hình lòng sông cũng bị biến đổi mạnh tại MC6 và MC8 đáy sông bị xói sâu từ 0,7÷3m.
Với mô hình Geoslope tiến hành tính toán ổn định cho 16 mặt cắt, kết quả được tổng hợp như ở bảng 3.4. Có những vị trí mất ổn định phạm vi cung trượt, lở từ 8÷15m. Tại những khu vực mất ổn định này không được gia tăng tải trọng trên mép bờ, đồng thời tiến hành gia cường, gia cố bờ, di dời dân đến những khu vực an toàn hơn.
CHƯƠNG 4:
ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ĐỂ ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN
ĐỊNH CÙ LAO LONG KHÁNH
4.1. YÊU CẦU ĐỐI VỚI GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
Khu vực nghiên cứu là khu vực có đoạn sông phân lạch, với nút phân lưu tại Tân Châu. Cù lao Long Khánh chia sông Tiền đoạn này thành 2 lạch: Lạch tả Hồng Ngự (HN) là một đoạn sông cong với chiều dài khoảng 15km, đỉnh cong tại Ấp Thị, xã Thường Lạc; Lạch hữu gọi là lạch phía Long Thuận (LT) cũng là một đoạn sông hơi cong, với bờ lõm thuộc xã Long Thuận, dài khoảng 11,6km.
Sự phân chia lưu lượng về các nhánh thay đổi theo thời gian, gây ra hiện tượng sạt lở, làm thiệt hại lớn về tài sản cũng như tính mạng của người dân trong khu vực. Theo nghiên cứu của TS. Trần Bá Hoằng, GS.TS. Lương Phương Hậu, PGS.TS. Lê Mạnh Hùng và các cộng sự ta có lưu lượng phân chia qua các thời kì thể hiện ở bảng 4.1.
Bảng 4. 1. Lưu lượng phân chia qua các thời kì[21]
Năm 1993 (%) 1996 (%) 2003 (%) 2008 (%) 2010 (%)
Hồng Ngự 62,54 59,6 48,93 37 32,4
Long Khánh 26,5 30,8 46,68 58 62,6
