Chương 17: Bùn cát

Chia sẻ: Huynh Thi Thu Tram | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

223
lượt xem 39
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong chương này chỉ ra cách để thực hiện bài toán tính toán quá trình vận chuyển bùn cát với Hec ras. Môđun bùn cát yêu cầu về các file địa hình, dòng chảy không ổn định (quasi unsteady flow file), các file bùn cát và file sơ đồ phân tích bài toán bùn cát (sediment analysis plan file).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chương 17: Bùn cát

Chương 17: BÙN CÁT 1. Thực hiện phân tích quá trình vận chuyển bùn cát Trong chương này chỉ ra cách để thực hiện bài toán tính toán quá trình vận chuyển bùn cát với Hec ras. Môđun bùn cát yêu cầu về các file địa hình, dòng chảy không ổn định (quasi unsteady flow file), các file bùn cát và file sơ đồ phân tích bài toán bùn cát (sediment analysis plan file). Hướng dẫn cách tạo ra các file địa hình có thể tìm ở chương 6. Ba file còn lại mô tả ở chương này. Nhập vào và soạn tài liệu bùn cát Một dữ liệu địa hình dược nhập vào, ta có thể nhập thêm dự liệu bùn cát để phát triển modun vận chuyển bùn cát. Tuy nhiên, cần biết rằng người nhập dữ liệu chạy các file phải dùng lựa chọn là “dòng chảy ổn định”(steady flow analysis option). Nó cũng cho phép người ta tính được các phép tính về thủy lực học dòng sông, để phát triển các modul thủy lực học theo đúng tiêu chuẩn trước khi tham gia tính toán các phép tính thay đổi đáy sông.(mobile bed calculation)
Để vào dữ liệu cho bùn cát, chọn Sediment Data từ Edit menu. Thấy được (số liệu bùn cát) 2. Điều kiện ban đầu và thông số vận chuyển (transport parameters) Cửa sổ “Initial conditions and Transport Parameters”. Cần xác định: chức năng vận chuyển(transport function), phương pháp phân loại (sorting
method), phương pháp vận tốc dòng chảy (fall velocity method), thể tích bùn cát (sediment control volume) và cở hạt của đáy sông trên từng mặt cắt. Chức năng vận chuyển Các phương trình vận chuyển có thể chọn là Chú ý các kết quả vận chuyển bùn cát phụ thuộc rất lớn vào chức năng vận chuyển mà ta lựa chọn. Cẩn thận kiểm tra các điều kiện giả định, các điều kiện thủy lực học và kích cở hạt của từng phương pháp, chọn một pp mà có điều kiện cần giống với điều kiện của bài toán giả định. Phương pháp Chọn một pp phân loại hạt để tính toán các lớp dày hoạt động và các lớp theo phương thẳng đứng ứng với đúng dữ kiện. Có hai pp thường dùng Exner 5-A với 3 lớp hoạt động mà bào gồm khả năng hình thành các bề mặt lớp đất thô mà sẽ giảm được sự xói mòn cho các lớp sâu hơn, bằng cách đó có thể tính được lớp bọc ngoài (pp mặc định) Lớp hoạt động- có 2 lớp hoạt động. lớp dày hơn thì xếp ngang với d90. pp này chỉ dùng cho đáy sỏi và chỉ dùng pp vận chuyển Wilcock khi cần thiết. Những pp này có thể chọn từ họp Sorting method. Phương pháp vận tốc dòng chảy Vài pp đặc biệt dùng để tính toán vận tốc và người sử dụng nên chọn thuật toán thích hợp nhất. Các lựa chọn đó gồm:
Ruby Toffaleti Van rijn Report 12 Độ sâu lớn nhất hay cao trình nhỏ nhất Trong “initial condition and transport parameters” (điều kiện biên ban đầu và tham số vận chuyển) là một lưới tương ứng với từng mặt cắt trong mô hình, bao gồm các cột River, reach(nhánh sông), river station và dòng suối. Từng mặt cắt có thể được điền với river và reach . Trong khung hec ras, dung tích khống chế bắt đầu từ điểm bắt đầu nửa đường của phía trước mặt cắt đầu nguồn và nửa đường cuối của mặt cắt kế tiếp ở cuối nguồn. Chiều rộng và dày của dung tích khống chế phải được xác định bởi người sử dụng. Chiều dày của thể tích khống chế có thể được xm ,mặc định trong Max Depth hay Min elevation. Max Depth cho phép người sử dụng đặt chiều sâu của thể tích khống chế như 1 khoảng cách từ mặt đáy của đoạn sông tới vị trí đá gốc. Khi dùng lựa chọn này, phần mềm sẽ tính theo cao trình xói mòn bé nhất (the minimum erodible elevation) như cao trình đáy kênh ban đâù trừ đi chiều sâu lớn nhất. Lựa chọn thứ hai, min elev, cho phép đặt cao trình bên dưới nơi mà vật liệu không thể bị xói mòn. Lựa chọn này thường được dùng để thiết lập một lớp đá cứng, cấu trúc dốc, đáy mương, hay kênh bê tông. Modun cho phép sự xói mòn này xói tới vị trí cao trình này. Tuy nhiên, nếu mặt cắt dọc c ủa vùng trũng này có cao trình bằng cao trình thấp nhất này, không thêm bất cứ sự cuốn theo vật liệu nào hay sự phân rã kênh nhánh.
Các giới hạn mặt cắt dọc di động (mobile cross section limits) Chiều rộng là độ dài yêu cầu cuối cùng. Hai giới hạn sau cùng của sự xói hay bồi lắng là station left và station right. Hec ras cho phép sự bồi lăng xảy ra trên toàn bộ chu vi của bờ sông mặt cắt nhưng chỉ cho phép xói ở vùng đáy sông di động. Sau khi đã cố định các vị đáy sông di động, sẽ có một điểm cao trình một điểm ở vị trí này của mặt cắt dọc. Nếu không có thì chương trình tự động thêm vảo một điểm tự động. Hec ras nâng lên hay hạ xuống các điểm trên mặt cắt giữa các điểm giới hạn. Các điểm này được chọn cẩn thận để chắc chắn khi bồi lắng sẽ không làm cho cao trình kênh cao hơn các điểm giới hạn đó. Nút the use banks for extends cho phép người dùng thiết lập các điểm giới hạn xói cho các kênh trạm kênh chính như các phếp thử ban đầu. Cấp phối hạt của đáy sông (Bed gradation) Mỗi mặt cắt phải có một sự phân cấp cở hạt. Hec ras có yêu cầu trước tiên là tạo ra các cấp độ về cỡ hạt trên đáy sông. Khi nó có thể liên hiệp với các lớp hạt của các mặt cắt để chọn và kéo đi.
Các cấp cỡ hạt (bed gradation templates) để gán cấp cớ hạt cho một mặt cắt, đầu tiên phải tạo cấp cỡ hạt. Trong các chương trình ứng dụng, các cấp này sẽ chiệu trách nhiệm cho các mẫu đáy sông riêng biệt. Các mẫu này được tạo ra và sắp lại khi nhấn vào nút Define/ edit bed gradation, nó sẽ hiện ra hộp sau: Các cấp phối này có thể đưa dưới hai dạng : %finer và grain class fraction/weight * %finer là một đường cong lủy tích các cấp hạt (cumulative bed gradation curve). Đương kính của mỗi lớp là giới hạn trên của lớp đó và giá trị này nên đưa vào theo phần trăm (ví dụ như 50% chứ không là 0.5) * grain class fraction/weight là phân số của mỗi lớp hạt (ví dụ 20% là cát mịn thì đưa vào là 20). Giá trị này sẽ được chuẩn hóa nên giá trị sẽ không phải tích lũy lên 100%. Giới hạn trên của đường kính hạt sẽ được liên hợp với mỗi lớp hạt để phát họa dãy các lớp hạt. Lựa chọn một mẫu đất
Sau khi thiết lập mẫu bồi tích, có một hộp các list (sự lựa chọn) trên cột bed gradation như hình dưới đây. Một lớp riêng sẽ liên tục gán cho các mặt cắt. Từ đó, khi một cái được chọn, thì lớp riêng này sẽ dễ dàng gán cho các phần tử khác bởi việc chỉ vào như dưới đây. Nội suy (interpolation) Trong trường hợp mà địa hình nhánh đó có sự chuyển tiếp dần dần giữa các loại mẫu hạt thì chọn phép nội suy. Để nội suy làm như ví dụ sau: Hec ras sẽ nội suy thành phần hạt ở bất kì trạm nào mà dùng interpolated trong bed gradation. Nếu mặt cắt nằm giữa một mặt cắt có lớp hạt đã định, còn lại là đầu hay cuối dòng của một nhánh sông thì lớp hạt gần nhất sẽ lấy từ lớp đầu tiên.(hình (b)).
3. Điều kiện biên bùn cát (sediment boundary condition) Trên bảng điều kiện biên này, lượng bùn cát có thể xác định ở các vị trí khác nhau như hình sau. Dạng này sẽ tự động lắp vào các điều kiện biên của modun (On the boundary conditions tab, sediment loads can be specified in a variety of locations and formats as shown in Figure 17-6. The form will automatically list external boundaries of the model) Thêm vào vị trí cho điều kiện biên của bùn cát (add sediment boundary location) Mặt dù Hec ras tự động tạo các biên ngoài, người sử dụng phải xác định vị trí của biên trong nơi mà có yêu cầu đưa điều kiện biên bùn cát vào. Để thêm biên trong, nhấn add sediment boundary locations, nó sẽ đưa ra các
trạm trên các nhánh sông mô tả như hình dưới đây. Một hay nhiều trạm của con sông này có thể được chọn bởi việc nhấn đúp (2 lần liên tục) vào dãy danh sách hay chọn vị trí cùng việc giữ nút control hay shift. Các trạm này có thể tự dời đi từ selected locations bởi việc nhấn đúp vào chúng hay nhấn vào nút clear selected list. Khi vị trí này được chọn thì sẽ xuất hiên sediment data editor và đưa ra các dạng truyền tải thiết kế này ban đầu là không có gì. Điều kiện biên bùn cát được dùng bởi việc chọn ra phần tử liên hệ với 1 vị trí nào đó. Dựa vào tính chất tại vị trí đó thì có các điều kiện biên khác nhau. Chon từ điều kiện biên bùn cát có sẵn để đặt điều kiện biên và bắt đầu đưa vào dữ liệu. Equilibrium load (cân bằng tải cát) Có giá trị chỉ cho mặt cắt đầu nguồn, được quyết định bỏi khả năng vận chuyển. Hec ras sẽ tính khả năng vận chuyển bùn cát cho mỗi bước thời gian, ở mặt cắt xác định và sẽ dùng như một lưu lượng bùn cát đi vào. Khi tải lượng này sẽ đặt cân bằng với sức chứa của mỗi kích thước hạt, sẽ không có việc xói mòn hay bồi lắng xảy ra cho mặt cắt trên
Đường cong lưu lượng (rating curve) Một đường cong lưu lượng quyết định lượng cát đưa vào dựa vào lưu lượng nước. Dòng nước đưa vào có thể là dãy các điều kiện biên l ưu l ượng đầu dòng, cuối dòng…Nếu đường cong lưu lượng được chọn cho một trạm với dãy đều các bên thì sẽ tải phân phối dọc theo mặt cắt dọc trong cùng một kiểu dòng chảy. Chọn hộp này sẽ mở ra load specification mô tả ở hình dưới đây. Khi đó đường cong lưu lượng liên hệ với việc tải lượng bùn cát đi vào với lưu lượng nước chảy vào, dãy mối quan hệ giữa dòng chảy và sức tải cát được tạo ra. Trong mỗi cặp quan hệ dùng number of flow load points ở trên hộp ở định cửa sổ. dảy các lưu lượng nên đưa vào bao bọc hoàn toàn các l ưu lượng trên sông. Nếu nó vượt quá giới hạn trên, hec ras sẽ không ngoại suy được, nhưng sẽ dùng lưu lượng bùn cát lớn nhất đã cho từ số liệu nhập vào. Lưu lượng nhỏ hơn lưu lượng cho phép thì sẽ nội suy tới 0. Mỗi cột có lưu lượng và lượng truyền tải cát mỗi ngày (tấn/ngày). Đặc trưng của lớp bùn cát phải được xác định rõ trong từng cột. (chú ý: không dùng % finer, là phần trăm tích lũy). Phần trăm ở đây đưa vào cho mỗi lớp hạt. Nếu tổng lượng phần trăm không vượt quá 100 hay 1 thì nó sẽ tính toán bình thường.
Truyền tải một nút hay phân phối (point loads and distributed loads) Nếu lượng truyền tải yêu cầu không quan hệ với biên lưu lượng nước, có thể đưa vào dảy truyền tải bùn cát (If a load is required that is not tied to a flow boundary, it can be entered as a sediment load series). Vì điều kiện biên không phụ thuôc vào biên lưu lượng, nên có thể dùng mọi mặt cắt dọc ngoại trừ điểm ở hạ lưu. Lưu lượng bùn cát đưa vào (là khối lượng) trong cùng một điều kiện nhiệt độ và lưu lượng. Vận chuyển bùn cát theo thời gian, tuy nhiên vẫn yêu cầu thông tin về cỡ hạt. Vì thế, đường cong lưu lượng liên quan đ ến phân phối cỡ hạt vẫn phải có.(có thể xem hình ở phần tiếng anh) Đường biên ở cuối dòng (downstream pass through boundary) Để thiết lập điều kiện biên ở cuối dòng (bảo vệ khỏi bi bồi lắng hay xói lở), ở cuối dòng cần có điều kiện biên. Biên này thường dùng cho kênh dẫn nước hay với biên cuối dòng có độ sâu hẹp. Khi biên này được sử dụng, vật liệu bị vận chuyển ra ngoài thể tích khống chế ở cuối dòng phải bằng chính xác với lượng đi vào, kết quả là không có bị xới hay bồi. Đ ể dùng loại biên này, vào set downstream pass through boundary ở dưới đáy của hộp boundary conditions của the sediment data editor. Các lựa chọn thuộc tính bùn cát (sediment properties options) Có nhiều giá trị mặc định dùng bởi Hec ras mà có thể được thay đổi bởi nguời sử dụng. Để thay đổi mặc định thì chọn các hộp khác nhau từ options trên sediment data editor. Chỉ thay đổi chế độ mặc định nếu nó cho một
trường hợp rõ ràng. Danh sách của các lựa chọn đó như sau: Thiết lập thuộc tính bùn cát (set sediment properties) Chọn set sediment properties mà cho phép trọng lượng riêng và khối lượng riêng của bùn cát bị thay đổi Specific gravity (trọng lượng riêng) giá trị mặc định của trọng lương riêng cho tất cả bùn cát là 2.65. Về tương thích thì kết luận này không phải là giá trị thống nhất. chỉ có một giá trị trọng lượng biểu diên cho một số liệu bùn cát đã cho. Shape factor: (yếu tố hình học) là tỉ số giữa trục ngắn nhất chia cho dài nhất của hạt. một thành phần có dạng hình cầu sẽ có giá trị là 1 trong khi loại dài mà có bề dài hơn hai lần bề rộng thì có giá trị là 0.5. Khối lượng riêng/trong lượng riêng (unit weight/density): trọng lượng riêng bùn cát được dùng để chuyển đổi lượng bồi lắng hoặc xói thành thể tích mà cho thấy được sự thay đổi của cao trình đáy sông. Chỉ một thông số khác nhau về đơn vị SI và US. US là trong lượng riêng (lb/ft), trong khi SI thì là dung trọng (kg/m3). Sự chuyển đổi giữa trọng lượng riêng và khối lượng riêng có bên trong chương trình. Có 3 trọng lượng riêng hay khối lượng riêng dùng cho
cát và sét, đất bùn và sét. Có 3 thông số có thể thay đổi trong Sediment properties editor (Trọng lượng riêng bùn cát mặc định là 2.65) Cohesive options Phương pháp cohesive và các thông số Cohesive có thể xác định bởi việc chọn Set cohesive options trong họp Option menu. Phương pháp này được chọn dùng cho đất sét và đất bùn. Vận chuyển hạt mịn được tính toán sử dụng phương pháp được chọn để tính khả năng vận chuyển cho sét và lớp bùn, hay để có thể lựa chọn, Krone and Parthenadies có thể dùng cho lớp đất mịn. Nếu vây thì các thông số ngưỡng xói (erosion threshold), tỉ lệ xói (erosion rate), khối lượng ngưỡng xói (mass erosion threshhold), và tỉ lệ khối lượng xói phải được xác định. Người dùng có thể tự qui định thành phần hạt. Hec ras mặc định 20 thành phần hạt theo tỉ lệ . Sử dụng các lớp hạt ( user difined grain classes)
Đưa vào các thông số quan sát thực tế Các cao trình đo đạt thực tế có thể có trong Hecras cho phép so sánh với số liệu mô hình hay nhưng thông số được biết khác. Chọn observed dât từ option của menu trong sediment Dâta editor sẽ có hợp observed Data. Nó đưa vào 1 hay nhiều mặt cắt, những cao trình này sẽ có giá trị cho việc kiểm chứng với các thông số ngoài thực tế khi đưa dữ liệu ra ngoài.
Đưa và biên tập các số liệu thủy lực về dòng chảy bán ổn định (quasi unsteady flow) Chạy chương trình bùn cát dựa vào quasi unsteady flow. quasi unsteady flow tương tự với loạt tài liệu dòng ổn định theo từng thời đoạnbởi vì dạng của phép giải tích này yêu cầu các thông tin khác nhau hơn là dòng ổn định hay không ổn định, dòng bán ổn đinh được chọn như sau: trong edit của Main hecras. Ta sẽ thấy:
3. Điều kiện biên Một vài điều kiên biên khác nhau ở hec ras như sau. Mỗi điều kiện biên cho mặt cắt thượng lưu thường là Flow series boundary (lưu lượng theo thời gian). Điều kiện biên trong lựa chọn được bao gồm Lateral flow sêries và uniform lateral flow series. Mỗi điều kiện biên hạ lưu (vùng hạ lưu mà là mặt cắt mở nhất của nhánh) có thể chọn là : stage time series, rating curve, normal depth. Flow series Đưa só liệu dòng bán ổn định vào sẽ tự động gán cho tất cả các mặt cặt liên quan với điều kiện biên ngoài. (nghĩa là sẽ gán cho tất cả các mặt cắt của nhánh sông một lưu lượng trên) điều kiện biên ngoài được yêu cầu đ ể chạy bài toán bùn cát. Cho điều kiện biên ngoài ở thượng lưu là flow series phải được lựa chọn. Chọn mặt cắt thượng lưu rồi nhấn vào Flow series :
Flow series (Phần này tự dich vì dễ)
Lateral flow series ( dùng để đưa điều kiên biên lưu lượng trong)
Cái này cũng có thể kết hợp với bất kì mặt cắt bên trong của dòng chảy. Nó thường sử dụng để tính cho dòng chảy đi vào mà không nằm trên dòng chảy thể hiện trên mô hình. Trước khi đưa loại điều kiện này vào ta phải chọn mặt cắt nhánh sông nào để đưa nước vào Chuỗi thời gian mở van cung Các cổng, được thêm vào trong công trình có thể điều khiển từ phép phân tích dòng bán ổn định sử dụng điều kiện biên mở cổng “ gate openings boundary condition”. Các cổng này là điều kiện biên trong mà không bắt buộc phải có. Vì thế, để điều khiển việc đóng mở cổng, công trình này phải được thêm vào như điều kiên biên. Nhấn vào add flow change location và chọn trạm có công trình Inline structure (đã làm rồi ở geometry). Cho một mô hình lớn có rất nhiều mặt cắt, một công trình phải được thể hiện bởi nút Node types và chọn inline structure