Nghiên cứu mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu Bến Thuỷ - Nghệ An

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu Bến Thuỷ - Nghệ An nghiên cứu mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu sử dụng (i) mô hình phân bố trung bình độ sâu để xác định vận tốc dòng chảy và (ii) các công thức kinh nghiệm khác nhau để tính xói cục bộ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu Bến Thuỷ - Nghệ An

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG XÓI CỤC BỘ MỐ VÀ TRỤ CẦU BẾN THUỶ - NGHỆ AN Phạm Văn Chiến Khoa Thuỷ văn và Tài nguyên nước - Trường Đại học Thuỷ lợi, Email: Pchientvct_tv@tlu.edu.vn 1. GIỚI THIỆU CHUNG dòng chảy và (ii) các công thức kinh nghiệm Xói cục bộ mố và trụ cầu là một yếu tố khác nhau để tính xói cục bộ. Nghiên cứu áp quan trọng trong tính toán ổn định cầu qua dụng cho mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu sông. Có nhiều phương pháp khác nhau để Bến Thuỷ - Nghệ An. nghiên cứu xói cục bộ mố và trụ cầu như 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU phương pháp sử dụng các công thức kinh Module thuỷ động lực nghiệm, phương pháp mô hình toán và phương pháp áp dụng các kĩ thuật thông Các đặc trưng dòng chảy (độ sâu và vận minh nhân tạo [1,2]. Trong số đó, phương tốc trung bình độ sâu) trong mặt cắt được xác pháp mô hình toán kết hợp sử dụng các công định dựa trên việc giải số phương trình đặc trưng mà nó được biến đổi dựa trên việc đơn thức kinh nghiệm hoặc thực nghiệm đã và giản hoá hệ phương trình Reynolds [3], cụ đang là một xu thế nghiên cứu phổ biến. thể có dạng như sau: Trong các công thức kinh nghiệm đề xuất 2  U  Bg gn 2 để tính xói cục bộ, vận tốc dòng chảy là  ghS x    h    1/3 U  0 (1) thành phần và yếu tố then chốt, thường được y  y  h tính toán đơn giản bằng cách sử dụng vận tốc với U là vận tốc dòng chảy trung bình độ trung bình mặt cắt. Tuy nhiên, sử dụng vận sâu (m/s), y là kí hiệu theo phương ngang, Sx tốc trung bình mặt cắt có ưu điểm là việc tính là độ dốc đáy sông, B g là hệ số, n là hệ số toán đơn giản nhưng lại có nhược điểm là đã nhám Manning, h là độ sâu dòng 2chảy (m), mặc định vận tốc dòng chảy tại các bãi nông =U* h là hệ số nhớt động học (m /s) với U* hai bờ sông bằng vận tốc dòng chủ lưu [3]. là vận tốc ma sát đáy (m/s) và  là trọng 3 Hơn nữa, trong sông tự nhiên, hình dạng mặt lượng riêng của nước (kg/m ). cắt luôn thay đổi và vận tốc dòng chảy tại các Phương pháp sai phân hữu hạn và phương vị trí khác nhau trên mặt cắt thường là khác pháp lặp Newton-Raphson [1] đã được sử nhau. Điều đó đòi hỏi sử dụng vận tốc thay dụng để lần lượt xấp xỉ các thành phần đạo đổi trên mặt cắt trong tính toán xói cục bộ hàm và xác định nghiệm số của phương trình thay vì vận tốc trung bình mặt cắt. (1). Mặt cắt sông được chia thành N nodes và Có nhiều mô hình khác nhau có thể được phương pháp lặp Newton-Raphson tại node sử dụng để mô phỏng vận tốc dòng chảy thứ j có dạng như sau: j cũng như độ sâu dòng chảy trong mặt cắt f (U ) U i j 1  U i j  (2) f '(U j ) sông. Trong đó mô hình trung bình độ sâu thường được sử dụng. Do đó, mục tiêu chính với Ui j1 và Ui j lần lượt là vận tốc trung của nghiên cứu này là nghiên cứu mô phỏng bình độ sâu tại node thứ j bước lặp thứ i+1 và xói cục bộ mố và trụ cầu sử dụng (i) mô hình vận tốc trung bình độ sâu tại node thứ j bước phân bố trung bình độ sâu để xác định vận tốc lặp thứ i, f (U j ) và f '(U j ) lần lượt là hàm và 351
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3 đạo hàm tại node thứ j, với hàm f (U j ) là vế xói ảnh hưởng của chiều rộng trụ cầu tính trái của phương trình (1). toán và tốc độ dòng chảy tới trụ, t là hệ số đối Module tính xói với bãi sông t=1 và đối với dòng chủ lưu và Để tính toán xói, công thức tính xói cục bộ sông có lòng sông di động t = 0.6, Uox là tốc của (i) Trường Đại học Xây dựng Hà Nội độ cho phép không xói của đất ở đáy hố xói (1982), (ii) M.M. Zuravlev (1978), (iii) I.A. cục bộ, Kh là hệ số phụ thuộc vào chiều sâu Laratslasev (1953) và (iv) Richardson (1990) dòng chảy trước cầu, xác định theo công đã được lựa chọn và áp dụng trong nghiên thức. cứu này bởi vì đây là bốn công thức hiện đang log K h=0.17-0.35h/b (7) được sử dụng tương đối phổ biến trong các mô Công thức của Richardson (1990) hình toán khác nhau. Ví dụ, công thức tính xói cục bộ của Zuravlev (1978), Laratslasev hxcb=2.0K1 K2 K3 K4b0.65h0.36 Fr0.43 (8) (1953), Richardson (1990) được sử dụng trong trong đó K1 là hệ số điều chỉnh do hình dạng mô hình HEC-RAS và MIKE [1,2]. đầu trụ, K2 là hệ số điều chỉnh do góc Công thức của Trường Đại học Xây dựng nghiêng dòng chảy tác dụng vào mặt trụ, K3 Hà Nội (1982) - DHXD là hệ số điều chỉnh do tình trạng đáy sông, K4   U  1.04 là hệ số điều chỉnh để giảm bớt chiều sâu xói 0.97Kd b 0.8 3h 0.1 7   khi U < U ox cục bộ trong trường hợp đáy sông có bùn cát   U ox  hxcb=  1.16 (3) thô có đường kính d50 > 60 mm làm thô hoá  0.8 8 0.12  U  đáy xói và Fr là hệ số Froude. 0.52Kd b h   khi U  Uox   U ox  trong đó Kd là hệ số xét đến ảnh hưởng của 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN hình dạng trụ cầu, Uox là tốc độ cho phép không Kết quả mô phỏng đặc trưng dòng chảy xói của lớp đất tại vị trí xói phát triển tới, b là chiều rộng của trụ cầu tính toán, h là độ sâu dòng chảy tại trụ cầu trước khi có xói cục bộ. Công thức của M.M. Zuravlev (1978)  2/3 3/5 U  hxcb =K d b h   (4)  UB  với Kd là hệ số xét đến ảnh hưởng của hình dạng trụ cầu, b là chiều rộng của trụ cầu tính toán, h là độ sâu dòng chảy tại trụ cầu trước Hình 1. Sơ hoạ các nodes dùng khi có xói cục bộ,  là hệ số mũ và  = 3/4 trong tính toán khi U/UB > 1 và  = 2/3 khi U/UB  1, UB là Hình 1 sơ hoạ các nodes sử dụng trong tốc độ dòng chảy khuấy đục cát, xác định tính toán cho mặt cắt sông cầu Bến Thuỷ. theo công thức, Mặt cắt sông được chia thành các phần bãi và U B = 3 g h (5) lòng sông khác nhau. Các tính toán được thực với  là đường kính thuỷ lực các hạt bùn cát hiện với lưu 3lượng và mực nước thiết kế cấu tạo lòng sông được xác định dựa vào kích Qtk =16500 m /s và Htk =5,84 m [4]. thước của hạt bùn cát. Kết quả mô phỏng phân bố vận tốc và lưu Công thức của I.A. Laratslasev (1953) lượng đơn vị trong mặt cắt cầu Bến Thuỷ (q=Uh) ứng với mực nước và lưu lượng U2 U2 hxcb =K Kv  K h  t   6 ox (6) thiết kế được thể hiện trên Hình 2. Hệ số g g nhám n=0,03 được xác định từ đường kính trong đó K là hệ số phụ thuộc vào hình của hạt bùn cát d50 , trong khi hệ số nhám thù trụ và hướng dòng nước chảy, Kv là hệ số (nmc=0,029 và nfp =0,04) được xác định dựa 352
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3 vào thử sai. So với giá trị trung bình mặt cắt thiết vận tốc thiên lớn tại đây. Khi sử dụng thì kết quả mô phỏng từ phương trình (1) chovận tốc thay đổi trên mặt cắt, chiều sâu xói phép thể hiện sự ảnh hưởng và thay đổi của tại các mố và trụ cầu thay đổi trong khoảng địa hình tới các đặc trưng dòng chảy. rộng hơn, từ 0.80 đến 8.00 m. Cả bốn công thức đều thể hiện xu thế chung là chiều sâu xói tại dòng chủ lưu thường lớn hơn so với chiều sâu xói tại các bãi gần hai bên bờ sông. Một điểm thú vị nữa là công thức tính xói cục bộ của Trường Đại học xây dựng, Zuravlev và Laratslasev cho kết quả tính xói tương tự nhau tại các bãi. Tại lòng sông (khu vực dòng chủ lưu) thì kết quả từ công thức của Trường Đại học Xây Dựng lớn hơn kết quả tính từ công thức của Zuravlev và Laratslasev. Kết quả tính toán còn thể hiện công thức tính xói cục bộ của Richardson cho kết quả tính toán lớn nhất Hình 2. Kết quả mô phỏng: a) vận tốc trong 4 công thức được sử dụng bởi vì công dòng chảy và b) lưu lượng đơn vị thức tính xói cục bộ của Richardson cho kết Kết quả mô phỏng xói cục bộ mố và trụ cầu quả tính chiều sâu xói lớn nhất. 4. KẾT LUẬN Tính toán xói cục bộ mố và trụ cầu Bến Thuỷ đã được thực hiện dựa trên 4 công thức đang được sử dụng phổ biến trong các mô hình toán và trong các tính toán xói trụ mố cầu hiện nay. Các kết quả mô phỏng thể hiện rằng (i) công thức tính xói cục bộ của Richardson cho kết quả tính lớn nhất trong 4 công thức được sử dụng, (ii) chiều sâu xói thay đổi từ 0.80 đến 8.00 m và (iii) chiều sâu xói tại dòng chủ lưu thường lớn hơn so với chiều sâu xói tại các bãi. Hình 3. Kết quả tính toán xói cục bộ khi sử dụng: a) vận tốc trung bình mặt cắt và 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO b) vận tốc thay đổi trên mặt cắt [1] Trần Đình Nghiêm, Thiết kế thuỷ lực cho dự Hình 3 thể hiện kết quả tính xói cục bộ tại án cầu đường, NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội 2003. mố và trụ cầu Bến Thuỷ. Khi sử dụng vận tốc [2] Nguyễn Xuân Trục, Tính toán thuỷ văn trung bình mặt cắt, chiều sâu xói tại các mố công trình vượt sông, NXB Xây dựng, và trụ cầu thay đổi trong khoảng từ 1,60 đến Hà Nội 2000. 7,30 m và tuỳ thuộc vào công thức sử dụng [3] Phạm Văn Chiến (2016). A two- để tính toán. Đồng thời, chiều sâu xói cục bộ dimensional quasi model for simulating ở bãi gần hai bên bờ sông tương đối lớn, có flow in open-channels. Tạp Chí Khoa học kỹ thuật Thuỷ lợi & Môi trường, 54, 3-10. trường hợp gần bằng chiều sâu xói tại dòng [4] Báo cáo tóm tắt: Dự án Quy hoạch phòng chủ lưu (công thức tính xói cục bộ của chống lũ và đê lưu vực sông Cả trên địa Laratslasev (1953)). Nguyên nhân dẫn đến bàn tỉnh Nghệ An. Viện Quy hoạch Thủy lợi kết quả tính xói thiên lớn ở các bãi là do giả 6/2008. 353