intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Báo cáo khoa học:Mô hình số mô phỏng sự xói lở mái dốc do nước tràn bờ

Chia sẻ: Lan Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST
Báo xấu
126
lượt xem 20
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mô hình toán được xây dựng bằng cách kết hợp mô hình dòng chảy một chiều và mô hình biến đổi đáy để mô phỏng sự xói lở khi nước tràn qua bờ đê. Phương pháp cộng trực tiếp được ứng dụng để xác định đường mặt nước và phương pháp sai phân hữu hạn theo sơ đồ cải tiến Lax-Scheme được dùng để giải phương trình biến đổi đáy. Công thức chuyển tải bùn cát của Meyer-Peter và Muller được ứng dụng để xác định lưu lượng bùn cát cho thấy thích hợp với hiện tượng xói lở...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học:Mô hình số mô phỏng sự xói lở mái dốc do nước tràn bờ

  1. Science & Technology Development, Vol 13, No.T3- 2010 MÁI D C DO NƯ C TRÀN B MÔ HÌNH S MÔ PH NG S XÓI L Huỳnh Công Hoài Trư ng Đ i h c Bách khoa, ĐHQG – HCM (Bài nh n ngày 08 tháng 01 năm 2009, hoàn ch nh s a ch a ngày 24 tháng 09 năm 2009 TÓM T T: Mô hình toán ñư c xây d ng b ng cách k t h p mô hình dòng ch y m t chi u và mô hình bi n ñ i ñáy ñ mô ph ng s xói l khi nư c tràn qua b ñê. Phương pháp c ng tr c ti p ñư c ng d ng ñ xác ñ nh ñư ng m t nư c và phương pháp sai phân h u h n theo sơ ñ c i ti n Lax-Scheme ñư c dùng ñ gi i phương trình bi n ñ i ñáy. Công th c chuy n t i bùn cát c a Meyer-Peter và Muller ñư c ng d ng ñ xác ñ nh lưu lư ng bùn cát cho th y thích h p v i hi n tư ng xói l do nư c tràn qua b ñê. Mô hình ñư c hi u ch nh và ki m nghi m b ng nh ng s li u th c ño trong phòng thí nghi m và k t qu mô ph ng di n bi n xói l phù h p v i s li u t thí nghi m. T khóa: mô hình dòng ch y, mô hình bi n ñ i ñáy, mô ph ng s xói l . 2 . CƠ S 1. GI I THI U LÝ THUY T Khi m c nư c dâng cao tràn qua ñ nh các Khi nư c tràn qua ñ nh b ñê lưu lư ng c n cát, b ñê, dòng ch y trên mái d c phía h dòng ch y s thay ñ i do ñ nh b tràn b xói l , lưu là dòng ch y xi t có v n t c r t l n, do ñó c t nư c tràn tăng nhanh, dòng ch y th c ch t ñ nh và mái d c h lưu h u h t ñ u b xói l n ñ nh. Tuy nhiên do dòng là dòng không nghiêm tr ng. Trong nghiên c u n y gi i thi u ch y trên b m t ch y u là dòng ch y xi t nên có th ñơn gi n xem là chuy n ñ ng n ñ nh mô hình toán 2D mô ph ng di n bi n s thay ñ i hình d ng profile mái d c khi nư c tràn qua t ng th i ño n (quasi – steady flow). ñ nh b ñê. K t qu t mô hình toán ñư c so sánh v i k t qu thí nghi m trên mô hình v t lý. θ b H z M t chu n Hình 1. M t c t ngang ñ nh b hình thang, lưu lư ng ñư c xác ñ nh theo Lưu lư ng tràn qua ñ nh b ñê xem như Singh và Scarlatos (1989): lưu lư ng tràn qua b tràn có m t c t ngang Q = [C1b + C2 ( H − z ) tanθ ]( H − z )3 / 2 (1) B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 78
  2. T P CHÍ PHÁT TRI N KH&CN, T P 13, S T3 - 2010 Trong ñó: m c nư c trên ñ nh ng v i ñ sâu phân gi i do ñó ñư ng m t nư c trên mái d c là ñư ng C1, C2 : h ng s không th nguyên nư c h và phương trình ñư ng m t nư c ñư c z : cao trình ñ nh b ñê xác ñ nh: θ : góc c nh hình thang d Q  2 H : ñ sâu tràn qua ñ nh  + y + z + S f = 0 (3) dx  2 gA 2    Trư ng h p m t c t hình ch nh t, (1) tr thành: Trong ñó Sf ñ d c th y l c Q = Kb( H − z ) 3 / 2 (2) Q2 Sf = (4) C 2 A2 R trong ñó K là h s lưu lư ng xác ñ nh b ng th c nghi m V i: C: h s Chezy, xác d nh theo 1/6 Manning C = R /n Dòng ch y trên mái d c ñư c xem là dòng n ñ nh t ng th i ño n và chuy n ñ ng không n: h s nhám ñ u. Theo thí nghi m c a Pugh và Cray (1984) R: bán kính th y l c hcr H y z Hình 2. Dòng ch y tràn b Đ xác ñ nh s xói l trên ñ nh b ñê và As : th tích bùn cát lơ l ng trên m t ñơn mái d c, phương trình liên t c bùn cát ñư c áp v chi u dài dòng ch y d ng: N u xem m t c t b xói d ng hình ch ∂Qs ∂A ∂A nh t và b qua ph n bùn cát lơ l ng, phương + (1 − p ) d + s = 0 (5) ∂x ∂t ∂t trình (5) ñơn gi n thành ∂q s ∂z Trong ñó: + (1 − p ) = 0 (6) ∂x ∂t Qs : lưu lư ng bùn cát di chuy n p : ñ r ng Trong ñó Ad : th tích bùn cát ñáy b xói trên m t ñơn v chi u dài dòng ch y qs : lưu lư ng bùn cát ñáy ñơn v B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 79
  3. Science & Technology Development, Vol 13, No.T3- 2010 µ:h s z : cao trình ñáy m t ñáy, ñư c xác ñ nh b i c Lưu lư ng bùn cát ñáy Qs hay qs ñã ñư c µ =   c'  nhi u nhà khoa h c nghiên c u và ñ xu t nhi u công th c tính toán, trong ñó có nh ng c : ñ nhám tuy t ñ i công th c ñư c s d ng nhi u như Meyer Peter c’ : ñ nhám do kích thư c h t bùn cát & Muller (MPM, 1948), Einstein – Brow, 12h c' = 18 log Engelund – Hansen (EH, 1967), Van Rijn D90 (1984) hay c a Nakagawa va Tsujimoto (1980) h : ñ sâu nư c có xét thêm nh hư ng c a s không bão hòa n ng ñ bùn cát, hay c a Koch (1980) có xét D90 : Đư ng kính h t ng v i c p ph i h t ñ n nh hư ng c a d d c ñáy. Tuy nhiên vi c 90% ψc : giá tr phân gi i c a ψ , xác ñ nh d a s d ng công th c nào hoàn toàn ph i d a vào ñi u ki n ng d ng và ph i ki m tra v i k t vào ñ th Shields. qu th c t . Trong nghiên c u n y ñã s d ng Phương trình (1), (3) và (5) ñư c gi i b ng nhi u d ng công th c khác nhau nhưng công phương pháp sai phân h u h n cho di n bi n s th c c a Meyer Peter & Muller cho k t qu xói l trên ñ nh b ñê và trên mái d c. h p lý nh t. Công th c c a Meyer Peter & 3. PHƯƠNG PHÁP S Muller có d ng sau: 3.1. Sơ ñ sai phân φ = 8( µψ −ψ c )1,5 (7) Phương pháp sai phân h u h n sơ ñ hi n trong ñó : ñư c s d ng ñ gi i các phương trình vi phân S (5) hay (6). Sơ ñ sai phân c a Lax bi n ñ i φ= và ∆gd 3 b i Vreugdenhil và De Veries ñư c áp d ng như sau: hi ψ= ∂f 1  i−1  f j + f j  ∆d =  fi − (1−α ) fi j +α i+1 i−1  (8)  2  ∂t ∆t     v i: S: lưu lư ng bùn cát ñáy ∆: + + f i +j1 1 − f i −j1 1 f i+j1 − f i−j1 ∂f tương ñi t tr ng bùn cát + (1 − λ ) =λ (9) ρ ∂x 2∆x 2∆x  ∆ =  s − 1 ρ    Trong ñó: ∆x, ∆t: bư c không gian và th i gian ρs và ρ : là kh i lư ng riêng c a bùn cát và c a nư c i, j: ch v trí i và th i ñi m j α, λ : tr ng s sai phân d : ñư ng kính h t B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 80
  4. T P CHÍ PHÁT TRI N KH&CN, T P 13, S T3 - 2010 Áp d ng (8) và (9) vào phương trình (5) cho d ng sai phân như sau: Qs i +1 − Qs i −1 1 − p  j +1  A j + Adji −1  j +1 j +1 Qs i +1 − Qs i −1 j j + (1 − λ )  (1 − α ) Adji + α d i +1  = 0 (10) λ −  Ad i −   2∆x 2∆x ∆t  2    Suy ra Adji +1 + Adji −1 = (1 − α ) A + α j +1 j A di di 2 [( )] ) ( ∆t λ Q s ij++11 − Q s ij−+11 + (1 − λ ) Q s ij+ 1 − Q s ij−1 = 0 − (11) 2 (1 − p )∆ x Đ trên ñ nh và mái d c ñê Trong ñó: sâu xói l ∆zij+1 : ñ sâu b xói ñư c xác ñ nh b i: Adji+1 − Adji χ : chu vi ư t j +1 ∆z i = (12) χ N u cho m t c t b xói có d ng hình ch nh t thì (11) tr thành: [( )] ) ( z ij+1 + z ij−1 ∆t λ q s ij++11 − q s ij−+11 + (1 − λ ) q s ij+1 − q s ij−1 = 0 (13) z ij +1 = (1 − α )z ij + α − 2(1 − p )∆x 2 ñư c l y b ng ñ sâu phân gi i hcr, và ñư c và (12) thành xác ñ nh t lưu lư ng tràn ñã bi t. ∆z ij +1 = z ij +1 − z ij (14) Đi u ki n biên ñ i v i chuy n ñ ng bùn Đ xác ñ nh Qs hay qs trong (11) và (13), cát (phương trình 5, 6): công th c (7) ñư c áp d ng nhưng c n ph i T i m t c t ñ u tiên (i = 1) th i ñi m bi t ñ sâu và v n t c c a dòng ch y. D a vào j+1, không th xác ñ nh cao trình ñáy do ñó (1) xác ñ nh lưu lư ng tràn qua ñê và gi i (3) ñư c gi thi t như sau: b ng phương pháp c ng tr c ti p xác ñ nh z1j +1 = z1j++11/ 2 (15) ñư c m t nư c và t ñó suy ra v n t c dòng ch y. z1j++11/ 2 : cao trình ñáy gi a m t c t 1 v i: 3.2.Đi u ki n biên và 2 Đi u ki n biên ñ i v i dòng ch y (phương Áp d ng (15) vào (13) cho trình 3): ñ sâu t i m t c t ñ u tiên trên ñ nh b [( )] z 2j + z 1j ) ( ∆t λ q s 2j +1 − qs 1j +1 + (1 − λ ) qs 2j − qs1j = 0 z 1j +1 = z 1j + α − (16) 2(1 − p )∆x 2 B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 81
  5. Science & Technology Development, Vol 13, No.T3- 2010 z N+−11 / 2 : cao trình ñáy gi a m t c t N h lưu (i = N) T i m t c t cu i th i j v i: ñi m j+1 cũng không th xác ñ nh cao trình ñáy và N-1 do ñó ñư c ch p nh n: Tương t áp d ng (17) vào (13) cho j +1 j +1 =z z (17) N −1 / 2 N [( )] z 2j + z 1j ) ( ∆t λ q s 2j +1 − qs 1j +1 + (1 − λ ) qs 2j − qs1j = 0 = z +α j +1 − j z (18) 2(1 − p )∆x 1 1 2 3.3. Đi u ki n ban ñ u Mô hình toán ñư c l p trình b ng ngôn ng Fortran 90. Đi u ki n ban ñ u cho lưu lư ng bùn cát ñư c l y b ng không và cao trình ñáy là hình 4. KI M NGHI M MÔ HÌNH d ng ban ñ u c a b ñê. Đ i v i dòng ch y ñ Đ ki m nghi m, mô hình ñư c áp d ng xác ñ nh m t nư c không c n ñi u ki n ban tính cho m t mô hình thí nghi m c a ñ u. Tawatchai và Hoai [3] th c hi n trong phòng 3.4. Trình t tính toán thí nghi m. Mô hình thí nghi m là m t b ñê Mô hình tính toán theo các bư c sau làm b ng cát ñư ng kính d50 = 0,50 mm, có Bư c 1: Đ t giá tr H trong (1) b ng giá tr m t c t hình thang v i kích thư c như sau: ban ñ u hay b ng giá tr c a th i ñi m trư c và - Chi u cao ñ nh b ñê : 0,4 m xác ñ nh Q ñ nh : 0,40 m - B r ng Bư c 2: T (3) xác ñ nh ñư ng m t nư c, - B r ng chân : 2,40 m suy ra ñ sâu và v n t c ch y tràn trên ñ nh và mái d c - B ñê dài : 0,45 m Bư c 3: Dùng (12), (14) xác ñ nh ñ sâu b - Mái d c thư ng lưu : 2:1 xói - Mái d c h lưu : 3:1 K t qu bư c 3 ñư c dùng ñ xác ñ nh các giá tr cho bư c 1 và l p l i chu kỳ tính m i. B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 82
  6. T P CHÍ PHÁT TRI N KH&CN, T P 13, S T3 - 2010 3:1 2:1 0,4 m 0,4 m 1,2 m 0,8 m Hình 3. Kích thư c mô hình 4.2. Ki m nghi m mô hình Thí nghi m ñư c th c hi n v i hai c p lưu lư ng Q1 = 3,134 lít/s và Q2 = 4,01 lít/s tràn Sau khi các thông s ñư c hi u ch nh, mô qua ñ nh b ñê. Di n bi n xói l trên ñ nh và hình toán ñư c ng d ng mô ph ng cho m t mái d c h lưu ñư c ghi l i b ng camera và sau trư ng h p khác ñ ki m nghi m ñ tin c y và ñó ñư c phân tích thành s li u s dùng cho tính ñúng ñ n c a các thông s hi u ch nh. Thí nghiên c u. K t qu thí nghi m cho trư ng h p nghi m ng v i lưu lư ng Q2 = 4,01 lít/s ñư c Q1 ñư c dùng ñ hi u ch nh mô hình toán và dùng ñ ki m nghi m l i mô hình. K t qu mô trư ng h p Q2 ñư c dùng ñ ki m nghi m mô ph ng di n bi n ñ nh và mái d c b ñê cho t ng th i ñi m ñư c trình bày trên hình 7. So hình toán. ñê gi a tính toán và thí sánh hình d ng b Lư i tính toán cho mô hình s có ∆x = 5 nghi m t i th i ñi m 30s và 60 s ñư c trình cm, t ng s nút trên ñ nh b ñê và mái d c h bày trên hình 8 và 9. lưu là 33 nút. Bư c th i gian tính ∆t = 0,05s. K t qu cho th y v i các thông s hi u 4.1. Hi u ch nh mô hình ch nh ñư c l a ch n, mô hình cho k t qu ki m Các thông s trong mô hình ñư c hi u nghi m khá t t, hình d ng m t ñê mô ph ng ch nh d a vào k t qu thí nghi m v i lưu lư ng b ng mô hình t i các th i ñi m khá phù h p Q1 = 3,134 lít/s. K t qu hi u ch nh cho các v i thí nghi m. thông s như sau: 5. K T LU N - H s lưu lư ng K = 1,1 trong (2) Mô hình toán mô ph ng s s t l ñ nh và - H s nhám n = 0,025 ñê ñã ñư c hi u ch nh và ki m mái d c b nghi m d a vào các s li u thí nghi m th c ño. λ = 0,5 và α = 0,01 trong (8) - Tr ng s K t qu mô ph ng t mô hình ph n nh ñúng và (9) v i di n bi n x y ra trong thí nghi m, ñ c bi t K t qu mô ph ng di n bi n xói l trên ñ nh và mái d c b ñê t i các th i s xói l m t ñê sau khi hi u ch nh t i các th i ñi m ñi m r t phù h p gi a tính toán và thí nghi m. ñư c trình bày trên hình 4. Hình 5, hình 6 là M c dù ng d ng tính toán cho trư ng h p khá k t qu gi a tính toán và thí nghi m t i th i lý tư ng trong phòng thí nghi m, nhưng v n ñi m 30s và 60s. h i ñ các y u t th y l c gây tác ñ ng ñ n s B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 83
  7. Science & Technology Development, Vol 13, No.T3- 2010 L i c m ơn: Nghiên c u n y ñã nh n ñư c s xói l trong th c t , do ñó có th nh n th y mô hình toán ph n ánh ñư c các b n ch t v t lý cơ h tr c a chương trình nghiên c u cơ b n c a b n c a hi n tư ng xói l do dòng ch y tràn b Khoa h c Công ngh và Môi trư ng. qua m t ñê. Đ phát tri n, mô hình c n ñư c ng d ng mô ph ng cho các trư ng h p th c t. NUMERICAL MODEL TO SIMULATE THE EROSION ON THE SLOPE DUE TO OVERTOPPING Huynh Cong Hoai University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT: The numerical model is developed consisting of a 1D flow model and the morphological model to simulate the erosion due to the water overtopping. The step method is applied to solve the water surface on the slope and the finite difference method of the modified Lax Scheme is applied for bed change equation. The Meyer-Peter and Muller formulae is used to determine the bed load transport rate. The model is calibrated and verified based on the data in experiment. It is found that the computed results and experiment data are good agreement. Keywords: numerical model, flow model, the morphological model. Proceeding International Conference on TÀI LI U THAM KH O Hydroscience and Engineering. Organized [1]. C.A. Pugh, E.W. Gray, Fuse Plug by the University of Mississippi. Embankments in auxiliary spillway Washington DC, USA, 7-11, June, (1993). developing design guidelines and [4]. M De Vries, Mophological Computation, parameter, Report Hydraulics Branch Lecture note, Delft University of Bureau of Reclamation, (1984). Technology, Department of Civil [2]. V.P. Singh, C.A. Quiroga, A dam – breach Engineering, (1976). Erosion model, Water Resources Management, Vol. 1, No.3, (1987). [3]. Tawatchai Tingsachali, Huynh Cong Hoai, Numerical modeling of dam surface erosion due to flow overtopping, B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 84
  8. T P CHÍ PHÁT TRI N KH&CN, T P 13, S T3 - 2010 (Cm) 120 Th i gian 100 t = 0s t = 15s 60 t = 30s t = 45s 60 t = 60s t = 75s 40 20 0 -20 0 50 150 200 250 100 Kho ng cách (cm) Hình 4. Trư ng h p hi u ch nh mô hình - Di n bi n mái d c b ñê theo th i gian mô ph ng b i mô hình 100 (Cm) Th i gian: 30s 80 T ính toán Th c t 60 40 20 0 -20 -40 0 50 150 200 250 100 Kho ng cách (cm) Hình 5. Trư ng h p hi u ch nh mô hình - Mái d c gi a tính toán và thí nghi m t i th i ñi m t= 30 s B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 85
  9. Science & Technology Development, Vol 13, No.T3- 2010 cm 100 Th i g ian: 60s 80 Tính toán Th c t 60 40 20 0 20 -40 0 50 100 250 200 150 Kho ng cách (cm) Hình 6. Trư ng h p hi u ch nh mô hình . Mái d c gi a tính toán và thí nghi m t i th i ñi m t = 60 s (Cm) 120 Th i gian 100 t = 0s t = 15s 60 t = 30s t = 45s 60 t = 60s t = 75s 40 20 0 -20 0 50 150 200 250 100 Kho ng cách (cm) Hình 7. Trư ng h p ki m nghi m mô hình - Di n bi n mái d c b ñê theo th i gian mô ph ng b i mô hình B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 86
  10. T P CHÍ PHÁT TRI N KH&CN, T P 13, S T3 - 2010 100 (Cm) Th i gian: 30s 80 T ính toán Th c t 60 40 20 0 -20 -40 0 50 150 200 250 100 Kho ng cách (cm) Hình 8. Trư ng h p ki m nghi m mô hình - Mái d c gi a tính toán và thí nghi m t i th i ñi m t= 30 s 100 (Cm) Th i gian: 60s 80 T ính toán Th c t 60 40 20 0 -20 -40 0 50 150 200 250 100 Kho ng cách (cm) Hình 9. Trư ng h p ki m nghi m mô hình - Mái d c gi a tính toán và thí nghi m t i th i ñi m t= 60 s B n quy n thu c ĐHQG-HCM Trang 87
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.26: Bộ 320 Luận Văn Thạc Sĩ Y Học
320 tài liệu
1253 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
3=>0