Một số phương pháp tính toán thủy lực chặn dòng khi xây dựng công trình ở vùng triều và quai đê lấn biển - PGS.TS. Hồ Sĩ Minh

Một số phương pháp tính toán thủy lực chặn dòng<br /> khi xây dựng công trình ở vùng triều và quai đê lấn biển<br /> PGS.TS. Hồ Sĩ Minh<br /> Bộ môn Thi công - Trường ĐHTL<br /> <br /> Tóm tắt: Nội dung bài báo dưới đây là kết quả một phần nghiên cứu thuộc đề tài cấp Bộ:<br /> “Nghiên cứu tính toán thủy lực và công nghệ chặn dòng các công trình ở vùng triều “do Trường<br /> Đại học Thủy lợi chủ trì, PGS.TS.Hồ Sĩ Minh chủ nhiệm đề tài.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề [1] bày bằng lý thuyết , kể cả chính xác bằng thực<br /> Tính toán thuỷ lực chặn dòng các công trình nghiệm. Rất khó để chỉ ra một cách chính xác<br /> xây dựng trên sông triều và quai đê lấn biển biên giới của đoạn dòng chảy thu hẹp. Phạm vi<br /> phụ thuộc rất nhiều yếu tố ảnh hưởng, đó là: lớn, bé của vùng này phụ thuộc vào kích thước<br /> dòng chảy sông, dòng triều, sóng; tác dụng cửa chặn dòng, phương pháp chặn dòng, thông<br /> tương hỗ giữa dòng nước và vật liệu chặn dòng thường được lấy 150m ở mỗi phía thượng, hạ lưu<br /> như: đất, cát, đá, khối bê tông, thùng chìm v.v... tuyến thu hẹp.Đoạn dòng chảy thu hẹp chia thành<br /> Quá trình mặt cắt sông bị thu hẹp dần và cuối vùng tăng tốc và vùng giảm tốc, có sự phân bố<br /> cùng bị chặn lại thì chuyển động chất lỏng có sự lưu tốc theo các phương phụ thuộc hình dáng kè<br /> thay đổi mạnh theo phương dòng chảy, theo chặn dòng. Thông thường mặt cắt ngang của kè<br /> phương ngang và theo phương đứng, hơn nữa lại chặn dòng lúc đầu là đỉnh nhọn, theo thời gian<br /> xẩy ra hai chiều thuận nghịch. Sự thay đổi áp lực chuyển dần đỉnh rộng . Phương pháp khép dần có<br /> nước gây ra sự chuyển dịch vật liệu chặn dòng, thể chia thành 3 kiểu thu hẹp:Thu hẹp đứng<br /> ngược lại sự chuyển động vật liệu chặn dòng với (hình1): Vật liệu có thể đổ xuống lấp dần từ bên<br /> phương pháp chặn khác nhau làm thay đổi này sang hoặc ngược lai, cũng có thể lấp từ 2<br /> hướng dòng chảy, có dòng xoáy và rối mạnh; cho phía.Thu hẹp bằng (hình2): Vật liệu đổ xuống<br /> nên về mặt lý luận không chỉ dừng lại ở nghiên đồng đều cho đến khi bị kín hoàn toàn dòng<br /> cứu chất lỏng đơn thuần. Chuyển động hỗn hợp chảy.Thu hẹp hỗn hợp (hình3): Lấp bằng đến<br /> của nước và vật liệu hạt thô là phức tạp, khó trình một cao độ nào đó rồi tiến hành lấp đứng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Lấp đứng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2: Lấp bằng Hình 3: Lấp hỗn hợp<br /> Khi lấp đứng với độ sâu không lớn : h: Mực nước hạ lưu (m)<br /> v  m. 2 g .Z  m. 2 g .H  h  (1) v : lưu tốc trung bình mặt cắt (m/s)<br /> Trong đó: m: hệ số lưu lượng Khi lấp đứng có lạch sâu và lòng sông rộng,<br /> H: Mực nước thượng lưu (m) theo [1]:<br /> <br /> 16<br />  ^<br /> 2 h- Mực nước trong vịnh triều có biên độ h ,<br /> vm gH (2)<br /> 3 ^ ^ 1  h <br /> m, H được giải thích như trong (1) h  h .Sint , h <br />   t  max<br /> 2. Phương pháp tính toán t - thời gian<br /> 2.1. Sử dụng biểu đồ lưu tốc thiết kế [2] A- Diện tích mặt cắt ngang vịnh.<br /> Hệ phương trình áp dụng: Nếu vùng cửa chặn dòng là sâu thì ảnh<br /> Q h gU U<br />  b hưởng của ma sát bỏ qua 0<br /> (3) C 2d<br /> S t<br /> h 1 Q QQ AWs u  2 g h<br />   2 2  (4)<br /> S gA t C A R gAR Q  mA 2 g h1  h2  (5)<br /> Ở đây: Sử dụng phương pháp số để lập quan hệ lưu<br /> Q - Lưu lượng tốc, độ cao kè, biên độ triều và chu kỳ triều<br /> S- Diện tích vịnh triều được thể hiện như hình 4<br /> Vmax<br /> h<br /> Y= oo<br /> TriÒu lªn Y= 300<br /> 4 Y= 200<br /> Y= 150<br /> <br /> Y=<br /> 100<br /> Y=<br /> 80<br /> 3 Y=<br /> Y= 60<br /> Y= 50<br /> 40<br /> Y=<br /> 2 Y= 30<br /> 25<br /> Y<br /> =<br /> 20<br /> Y=<br /> 15<br /> Y=<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a)<br /> Y= 2<br /> <br /> 10<br /> Y= 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> 3<br /> Y=<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1 a<br /> 0<br /> 0 -1 -2 -3 -4 -5 h<br /> <br /> <br /> Y= 1<br /> 1 Y= 2<br /> 5<br /> Y=<br /> 10<br /> Y=<br /> <br /> Y= 15<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> Y=<br /> Y= 20<br /> Y= 25<br /> 30<br /> 40<br /> =<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 50<br /> Y<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3 Y= = 60<br /> Y<br /> 80<br /> (b)<br /> Y= 0<br /> 10<br /> Y=<br /> TriÒu xuèng 150<br /> 4 Y=<br /> 00<br /> Y= 2 0<br /> Hình 5: Diễn biến kè chặn dòng (a)<br /> 0<br /> Y= 3<br /> Y = 10<br /> -3 T M2<br /> <br /> T<br /> =<br /> b<br /> BK<br /> h<br /> Y= oo và đặc trưng vịnh triều (b)<br /> 5<br /> Ghi chó 2<br /> BK = ChiÒu réng khu triÒu (m )<br /> h = Biªn ®é triÒu (m) a = §é cao kÌ so víi mùc n­íc trung b×nh (m)<br /> T = Chu kú triÒu (s)<br /> TM2 = Chu kú b¸n nhËt triÒu = 44700 (s)<br /> b = ChiÒu réng cöa chÆn dßng (m)<br /> Vmax = L­u tèc lín nhÊt mÆt c¾t cöa chÆn dßng (m/s)<br />  Hình 4: Biểu đồ lưu tốc thiết kế<br /> <br /> Biểu đồ có 2 phần: biểu diễn trị số a. Các đường cong trong biểu<br /> <br /> - Phần trên tra thông số triều lên. h<br /> - Phần dưới tra thông số triều xuống đồ với hệ số   103.<br /> TM 2 Bk<br /> . (6)<br /> T <br /> Trong hình 5: bS . h<br /> a - độ cao từ đỉnh kè đến mực nước trung Điều kiện áp dụng:<br /> bình (m)<br />  Nếu L Q1 : Vmax = 2. 2 2 (11)<br /> công thức:<br />  mi .bi .( d  zi1 )<br /> Vmax = 5. .F . h (9) <br /> A.T 2.2.3.2 Dòng chảy triều Q1 trội hơn dòng<br /> Trong đó : A thay đổi, được tính theo Ai chảy sông Q0<br /> Ai = bi.(d - z i1 ) 1 2<br />  Q1 (1  2<br />  )<br /> Q1 > Q0 : Vmax = 2. 2 2 (12)<br /> z i 1 được tính theo các bước ở bảng 1.<br /> mi .bi .(d  z i 1 )<br /> Theo [5], tính toán công thức (9) và tra biểu<br /> Trong công thức (11) và (12) :<br /> đồ là phù hợp .<br /> Q0 - lưu lượng dòng chảy sông, được xem là<br /> Trong đó: b0 - chiều rộng sông (m).<br /> không đổi;<br /> c.v.n 2 (1/m)  3<br />  7 Q1 - biên độ lưu lượng triều (m /s)<br /> 2.h 3 <br /> <br /> 1 = Q1 , Q0<br /> c - tốc độ truyền triều có xét sức cản lòng 2  ^<br /> Q0<br /> dẫn;(m/s) Q1<br /> v- lưu tốc dòng chảy sông tại tuyến xây<br /> mi, bi, d, z i , được giải thích như trên<br /> dựng khi chưa thu hẹp (m/s);<br /> n - hệ số nhám của sông; 2.3. Sử dụng phần mềm DUFLOW<br /> h - độ sâu lòng sông (m); DUFLOW là bộ phần mềm dùng để mô hình<br /> l - khoảng cách từ tuyến đập tới cửa biển (m) hoá 1 chiều dòng chảy và chất lượng nước. Với<br /> 2 mô đun thuỷ động lực học có thể tính toán lưu<br /> k =  với  <br /> c T tốc qua cửa chặn dòng. Kết quả tính toán cho dự<br /> T - chu kỳ triều thiết kế(s) án quai đê lấn biển Ngự hàm 4, Nga sơn, Thanh<br /> mi - hệ số lưu lượng, mi biến thiên từ 0,8 hóa là một ví dụ. Tuy nhiên sư dụng DUFLOW<br />  0,4, tại cửa chặn dòng chọn m = 0,4; để tính toán cho vịnh triều ngắn và vịnh triều<br /> bi - chiều rộng cửa thu hẹp ở giai đoạn thứ i (m); dài sẽ cho kết quả phù hợp hơn. Đồng thời nó<br /> d - chiều sâu dòng chảy tính từ mực nước cho biết thêm diễn biến mực nước trong chu kỳ<br /> v 2 i 1 triều. Hình 7 là kết quả các quan hệ lưu tốc,<br /> trung bình Z I 1  , ở giai đoạn khi chưa<br /> 2g mực nước và thời gian. Hình 8 là quan hệ lưu<br /> 2<br /> thu hẹp ta có: z  v tốc và tỷ lệ % diện tích thu hẹp.<br /> 2g<br /> <br /> QUAN HỆ VẬN TỐC DÒNG CHẢY LỚN NHẤT VÀ ĐỘ MỞ<br /> <br /> Triều xuống Triều lên<br /> 1.2 1<br /> 1<br /> 2<br /> 0.8<br /> 1.8<br /> 0.8 0.6 1.6<br /> 0.6 1.4<br /> Vân tốc (m/s)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.4<br /> V(m/s)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1.2<br /> Z(m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.4<br /> 0.2<br /> 0.2 1<br /> 0 0.8<br /> 0<br /> -0.2 0.6<br /> -0.2<br /> 0.4<br /> -0.4 -0.4 0.2<br /> -0.6 -0.6 0<br /> 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000<br /> Độ mở (m)<br /> Zbãi(m) Z(m) Zbiển(m) V(m/s)<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7:Quan hệ lưu tốc, mực nước và thời gian Hình 8: Quan hệ lưu tốc và tỷ lệ %<br /> diện tích thu hẹp<br /> 19<br />  3. Kết luận nó còn phụ thuộc vào cách thả vật liệu xuống<br /> Những phương pháp tính toán thủy lực nêu dòng chảy. Ứng dụng phương pháp tính lưu tốc<br /> trên được áp dụng cho các trường hợp cụ thể khi nào như đã giới thiệu ở trên cần xét cụ thể công<br /> tính lưu tốc trong giai đoạn đắp đập lấn dần và trình được xây dựng trong hình thái của vùng<br /> giai đoạn chặn dòng, giúp cho đơn vị thi công triều đó như thế nào. Do hiện tượng thủy lực<br /> chuẩn bị vật liệu và phương pháp thi công phù phức tạp như đã nêu trong mục 1. cho nên bất<br /> hợp. Lưu tốc qua cửa thu hẹp hoặc qua cửa chặn cứ một phương pháp tính toán nào cũng chỉ cho<br /> dòng thay đổi theo thời gian trong chu kì triều, giá trị gần đúng.<br /> <br /> Tài liệu tham khảo<br /> [1] Dr.J.J.Dronkers- Experimental research ICD-10-64, 1967.Closure of Estuarine chanels in<br /> tidal regions. Considerations on fluid motion in and around closure gaps. p.p. 1-7<br /> [2] J.C. Huis in’t Veld - Closing of Tidal Basins , Lecture notes–IHE, 1980<br /> [3] US Army, CERC- Shore Protection Manual, 1975. p.p 7-203<br /> [4] Hồ Sĩ Minh - Closure of the Tidal channels and Estuaries in VietNam. Proceedings of the<br /> COPEDEC V, South Africa, p.p 1782 – 1788. 1999<br /> [5] Hồ Sĩ Minh - Công nghệ khép kín và chặn dòng các công trình vùng triều và ven biển -<br /> Luận án Tiến sĩ kỹ thuật năm 1997.<br /> [6] Hồ Sĩ Minh - Design of encloure dam with a discharge sluice and a shipping lock in the bay<br /> of Asan in Korea. Design report at IHE, the Netherlands, 1981<br /> <br /> <br /> Abstract:<br /> Some of the methods for determination<br /> the velocity through constrict gap in cases of closing<br /> of in tidal regions and land out off the sea<br /> <br /> The closure of the final gaps is one of the most difficult parts for the construction of the dams in<br /> tidal regions. The changes of velocities in the closure gap during the closure period can be<br /> computed. An attempt is made to introduce some formulae or the methods in which we can<br /> determinate the velocity of flow in the closure gap in order to apply in the construction of hydraulic<br /> works. These are also the results of a research part are done by working group of the Water<br /> Resources University.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: GS. Lê Kim Truyền<br /> <br /> <br /> 20<br />