Đang tải... (xem toàn văn)
ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH RMA2 ĐỂ TÍNH XÓI TẠI CẦU SÔNG HÀN
ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH RMA2 ĐỂ TÍNH XĨI TẠI CẦU SÔNG HÀN APPLYING RMA2 SOFTWARE TO THE SCOUR CALCULATION AT THE HAN RIVER BRIDGE ĐẶNG VIỆT DŨNG Sở Giao thơng Cơng chính, Thành phố Đà Nẵng NGUYỄN THẾ HÙNG Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Hiện hầu hết cơng thức tính xói chung xói cục cho cơng trình cầu vượt sơng sử dụng vận tốc dịng chảy tính tốn vận tốc trung bình chiều; điều sai khác nhiều so với phân bố thực vận tốc dịng chảy sơng; kết tính tốn xói thường có sai lệch lớn so với thực tế Trong viết này, tác giả tính tốn xói cục cầu sông Hàn với sử dụng trường vận tốc nhận chương trình tính RMA2, xây dựng từ mơ hình tốn dịng chảy hai chiều ngang giải theo phương pháp phần tử hữu hạn; kết tính tốn sát với thực tế ABSTRACT Until now, most formulae for calculating the scour depths in general and around the columns of river bridges have been based on the average velocity of one- dimensional flow in open channels, which differs greatly from the real distribution of the flow’s speed; consequently, the calculation of the scour depths usually results in big differences compared to the real situation In this paper, the authors calculate the partial scour depths of the Han River Bridge using the 2DH velocities produced by RMA2 software, thus the results will better reflect the reality Đặt vấn đề Các cơng trình vượt sơng thường địi hỏi độ an tồn cao chi phí đầu tư lớn Xói lở cơng trình tiêu chuẩn quan trọng cần thiết phân tích hệ thống cơng trình vượt sơng Trước đây, việc tính xói nghiên cứu theo giả thiết có tính thực nghiệm, thiếu vững Do loại bỏ nhiều yếu tố quan trọng tác động lên dịng chảy q trình mơ hình hố tốn dịng chảy thực tế, đặc biệt việc trung bình hố vận tốc dịng chảy theo chiều làm cho kết tính tốn theo lý thuyết sai khác nhiều so với thực tế Từ dẫn đến thiết kế cơng trình thường có hệ số an tồn q mức cần thiết gây lãng phí không nhỏ Bài báo đề cập đến vấn đề áp dụng chương trình RMA2 để tính vận tốc dòng chảy theo hai chiều ngang Sử dụng giá trị vận tốc tìm để xác định trị số xói thơng qua cơng thức tính xói sử dụng phổ biến nay, so sánh kết tính tốn với phương pháp tính xói sử dụng vận tốc trung bình, từ kiến nghị phương pháp tính vận tốc dịng chảy để xác định chiều sâu xói phù hợp Nội dung 2.1 Lựa chọn cơng thức tính xói chung xói cục Hiện để xác định trị số xói cho cơng trình vượt sơng, người thiết kế dùng nhiều cơng thức tính tốn khác Các cơng thức tính tốn xây dựng quan điểm tác giả kết đo từ thực nghiệm nên phạm vi sử dụng kết tính tốn cơng thức khác Tuy nhiên hầu hết công thức tính tốn có đặc điểm chung sử dụng vận tốc dịng chảy trung bình chiều để tính xói Vì để tiện so sánh báo chúng tơi lựa chọn hai cơng thức tính xói sử dụng tương đối phổ biến: - Cơng thức O.V Andreev để tính xói chung: h'ch hch ch8 / ( ' Bch ) / (1) Bch Bch, B’ch - chiều rộng dòng chủ trước sau xói; hch, h’ch - chiều sâu nước chảy dòng chủ lúc tự nhiên (trước xói) sau xói ch=Q’ch/Qch hệ số tăng lưu lượng dòng chủ so với lúc tự nhiên - Công thức I.A Iaroxlatsev để tính xói cục bộ: v2 v2 hcb K KV K H t ox (2) gg K - Hệ số phụ thuộc vào hình thù trụ hướng dòng nước chảy [1, 4] Kv - hệ số xói ảnh hưởng chiều rộng trụ tính tốn b1 tốc độ nước chảy tới trụ v, lấy theo đồ thị [1, 4] Phụ thuộc vào tỷ số v2/gB1.Với B1 - chiều rộng trụ tính tốn lấy theo quy định [1, 4] KH - hệ số phụ thuộc vào chiều sâu nước chảy trước cầu, xác định theo đồ thị hay theo công thức [1,4]: logKH = 0,17 - 0,35H/B1 v - tốc độ nước chảy sau xói chung; t - hệ số, bãi sơng t = 1, dịng chủ sơng có lịng sơng di động t = 0,6 vox - tốc độ cho phép khơng xói đất đáy hố xói cục tính m/s lấy theo bảng, đất khơng dính vox = (vod/d1/6)h1/6 H - chiều sâu nước chảy trước trụ cầu (m) 2.2 Giới thiệu chung chương trình RMA2 Chương trình RMA2 [7] mơ hình số trị động lực học chất lỏng giải theo phương pháp phần tử hữu hạn cho dịng chảy hai chiều ngang trung bình từ hệ phương trình Reynolds Mơ hình tính tốn thành phần cao độ mặt nước vận tốc hai chiều theo phương ngang cho dịng chảy rối có bề mặt tự Phương trình chủ đạo: - Phương trình chuyển động: u u u h 2u 2u a h gun2 h hu hv Exx Exy gh t x y x 1/ y x x (1.468h ) (3) (u v )1/ Va2 cos 2hv sin 0 v v v h 2v 2v a h gvn2 h hu hv E yx E yy gh t x y x 1/ y y y (1.468h ) (4) (u v )1/ Va2 sin 2hv sin 0 - Phương trình liên tục: h h u v u h v h 0 (5) t x y x y 2.3 Áp dụng chương trình RMA2 để tính xói cho cơng trình vượt sơng Hàn a Đặc điểm khu vực xây dựng cầu sông Hàn Địa hình khu vực xây dựng cầu có địa thuận lợi, hai bên đầu cầu cao so với địa hình xung quanh Khí hậu khu vực có hai mùa rõ rệt, mùa khơ mùa mưa Nhiệt độ trung bình 250C, dao động - 50 C Độ ẩm khơng khí trung bình hàng năm 82% Lượng mưa trung bình hàng năm 2.047,7 mm Lượng bốc nước trung bình 2.007 mm/năm Số nắng trung bình 2.158 giờ/năm Tốc độ gió trung bình 3,3m/s - 4m/s Mùa bão Đà Nẵng trùng với mùa mưa có gió mạnh từ cấp đến cấp Sông Hàn đoạn sông thuộc hạ lưu sông Vu Gia, lượng nước chảy đoạn sông phần lượng dòng chảy từ thượng nguồn sơng Vu Gia đổ Dịng chảy sơng Hàn phần thượng lưu biến đổi theo mùa rõ rệt Sơng Hàn sơng có chế độ dòng chảy phức tạp Đặc biệt mùa lũ (từ tháng đến tháng 12) dòng chảy vừa chịu tác động mạnh dòng chảy thượng nguồn đổ về, vừa chịu ảnh hưởng bão lũ Địa chất khu vực không phức tạp, gồm lớp là: lớp cát hạt mịn có màu vàng nằm bề mặt, lớp cát có lẫn vỏ sị hến kẹp thấu kính bùn cát có độ sâu -2m - 15m b Giới thiệu vài nét cầu qua sông Hàn Vị trí cầu qua sơng Hàn đặt vị trí đường Lê Duẩn Đường hai đầu cầu làm với cấp đường phố cấp III, cầu có qui mơ: Vĩnh cửu, tần xuất tính tốn P = 1%, xói P =2%, cầu rộng 13,5m Bề rộng nhịp thông tàu B=60m Chiều dài cầu L = 458,46m Cầu gồm 13 nhịp (Hình 1) 145 T IM Â Ỉ Å ÌN G T R Á ÖN P H U Ï 25 50 25 1050/ 10 50/ 25 150 25 Q UÁÛ N H AÍ I CHÁU Q UÁÛ N SÅN T RAÌ 1 28 35 50 435 61 89 7.1 30 62 62 MN L1985: + 1.40 52 M N TT: +0 48 32 52 M N L1976: +1.0 62 7.30 10 07 75 65 16 50 - 50 - 50 50 - 50 - 98 - 11 00 MN K S12 H00 21/ 02/ 98: - 278 - 98 - 50 - 50 - 50 - 50 - 50 0.2 89 10 30 52 52 62 5.3 10 07 75 - 50 50 MN K IÃ Û T: - 0.995 50 1.0 02 50 50 50 50 50 - 6.98 15 53 157 BT M 200 - 98 20 45 80 12 12 120 120 120 80 45 - 6.85 - 36 85 - 36 85 - 40 85 - 40 85 - 40 35 - 40 35 - 39.6 - 44 69 - 5.35 - 46 35 T1 98 M0 - 48 83 - 7.85 - 48 83 02 56 075 33 05 T2 T3 T4 T5 T6 10 00 T7 T8 T9 T10 T1 T1 M1 17 46 13 00 12 00 4.50 54 9 3 69 22 53 8 00 27 5.85 0.00 7.9 8 10 76 0 - 29 -5 -7 -9 9 - -9 -9 - 0 - - - - - - 0 -9 - - -7 - 10 5 -6 - -5 - - -4 -4 - 0 - 60 - - 5 -3 9 -3 - - - 9 - 0 82 25 09 35 00 0 340 05 91 3 Â Ä ÜD Ä Ú C THI Ã Ú T KÃ Ú % 97 70 50 50 70 0.9 27 27 29 1.2 73 C AO Â Ä Ü T HIÃ Ú T KÃ Ú M 14 10 00 4.00 10 00 29 30 C AO Â Ä Ü THI Ã N N HI Ã N M 9.75 4.75 24 75 33 05 33 05 33 05 56 075 33 05 33 05 24 75 24 75 24 75 12 6.2 C ỈÛLY LE Í M 12 14 00 40 14.2 0.70 T Ã N C OÜC 4 12 30 12 20 20 00 14 05 20 25 70 10 45 10.0 11.0 14 07 00 00 00 00 00 00 10 00 7.0 10 00 00 12 00 00 86 11 00 10 00 00 15 00 5.3 4.00 00 00 00 00 00 24 36 3.34 90 45 20 20 10 60 2.50 11 50 36 24 44 26 60 D1 M0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T1 T11T12 M1 Hình Sơ đồ bố trí trắc dọc trắc ngang cầu có 11 nhịp dầm BTCT dự ứng lực gián đơn dài 24m 33m, cắt ngang nhịp gồm dầm BTCT, khoảng cách dầm 2,4m Hai nhịp thông thuyền cầu (nhịp 6,7) có chiều dài L = 62,45m hệ dàn dây văng thép Sơ đồ bố trí xem Hình Mố sử dụng loại mố BTCT chữ bát Móng mố dùng cọc khoan nhồi 1m Đặt sâu vào tầng đá gốc 1,5m Trụ BTCT dạng chữ T, xà mũ trụ bệ đá kê gối BTCT M300 Thân trụ bệ trụ BTCT M200 Thân trụ có khía để tạo dạng kiến trúc, độ dốc thân trụ 30:1 c Kết qủa tính tốn xói trụ cầu sơng Hàn - với sử dụng phương pháp xác định vận tốc dòng chảy trung bình, tính với tần suất lưu lượng 2% [1] - Xói chung: + Chiều sâu dịng chảy sau xói chung: h’ch = 13,79m + Chiều cao nước dâng trước cầu là: 0,05m +Xói chung vị trí cầu: XC = 0,64m - Xói cục xem kết tính tốn Bảng Bảng Bảng kết tính chiều sâu xói cục theo phương pháp Vận tốc dòng tính vận tốc trung bình chiều chảy Chiều Chiều Tên trụ Trên Dưới đáy sâu xói Hệ số Bề Hệ số Chiều phụ sâu Hệ số Hệ số sâu xói bề mặt sơng cục hình rộng thuộc nước Hệ số triết cho cục dáng trụ vận tốc trước KH giảm t phép (4) (Kg) (B1) (Kv) trụ (H) không theo 0,217 xói phương 0,189 pháp tính (1) (2) (3) 0,129 (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) vận tốc Trụ 1,71 1,05 0,370 8,460 1,80 0,657 3,92 0,256 0,600 0,816 trung Trụ 1,67 1,02 0,305 8,380 1,82 0,658 3,92 0,261 0,600 0,816 Trụ 1,58 0,97 0,062 8,250 1,84 0,659 3,92 0,266 0,600 0,816 bình Trụ 2,38 1,46 0,302 8,040 3,50 0,715 11,40 0,107 0,600 0,975 Trụ 1,52 0,93 -0,287 10,000 14,00 0,809 15,42 0,609 0,600 1,025 (5) Trụ 1,86 1,14 -0,016 8,500 3,50 0,715 11,40 0,107 0,600 0,975 Trụ 1,84 1,13 8,300 1,84 0,659 3,92 0,266 0,600 0,816 1,879 Trụ -0,71 -0,44 8,340 1,82 0,658 3,92 0,261 0,600 0,816 Trụ 10 -1,35 -0,83 8,200 1,80 0,657 3,92 0,256 0,600 0,816 1,875 1,855 1,371 4,057 1,482 1,869 1,864 1,809 d Áp dụng chương trình RMA2 để tính xói trụ cầu sơng Hàn - Sử dụng hình ảnh nền: Mặt khu vực bố trí cầu sơng Hàn cơng trình liên quan qut lưu trữ file ảnh có tên SƠNG HÀN1.tif Trong cửa sổ đăng ký xuất ba điểm toạ độ giả định, số liệu khảo sát ta xác định toạ độ thực tế (địa phương) khu vực dự kiến tính tốn - Tạo đường biên đặc trưng - Phân bố đỉnh - Đăng ký tham số lưới - Áp đặt điều kiện biên: + Đăng ký lưu lượng thượng lưu: 5500 m3/s + Đăng ký cao độ mặt nước hạ lưu cầu sông Hàn là: 2.36m - Đăng ký vật liệu: + Độ nhám n = 0.018 + Độ nhớt động lực E = 50 Pascal-s - Nội suy cao độ lưới - Đánh số lại lưới - Chạy chương trình RMA2 - Kết tính tốn: + Kết tính tốn vận tốc dịng chảy trước sau bố trí trụ: Bảng Bảng vận tốc dịng chảy tính theo chương trình RMA2 trước sau bố trí trụ vị trí cầu sơng Hàn Trước bố trí trụ Sau bố trí trụ Nút Vận tốc Vận tốc theo Vận tốc Vận tốc theo Vận tốc theo Vận tốc tổng 1855 (T2) theo phương tổng phương phương y(m/ (m/s) 1921(T3) 1888(T4) phương y(m/s) (m/s) x(m/s) s) 1814(T5) 1821(T6) x(m/s) 1829(T7) 1871(T8) -0,341 1,493 1,531 -0,386 1,707 1,750 1874(T9) -0,124 1,550 1,555 1971(T10) -0,036 3,527 3,527 -0,367 2,338 2,367 -0,217 2,674 2,707 -0,313 1,609 1,639 0,365 1,055 1,067 -0,111 2,064 2,183 -0,393 1,658 1,704 -1,335 1,906 1,955 -0,506 2,685 2,685 -0,242 1,473 1,493 0,696 -5,327 5,327 -1,995 1,702 2,622 0,909 -0,337 0,969 -1,202 -1,047 1,594 1,316 2,636 2,946 - Áp dụng vận tốc dịng chảy tính theo RMA2 để tính xói cầu sơng Hàn: +Xác định chiều cao nước dâng trước cầu +Xác định chiều sâu xói chung +Xác định chiều sâu xói cục Bảng Bảng xác đinh chiều cao nước dâng, chiều sâu xói chung cục Điểm tính tốn Chiều cao nước Chiều sâu xói chung Chiều sâu xói cục dâng(m) (m) (m) (1) 1855 (T2) (2) (3) (4) 1921(T3) 1888(T4) 0,411 -0,174 0,217 1814(T5) 0,457 -0,347 0,189 1821(T6) 0,565 -0,269 0,129 1829(T7) -0,038 -0,853 0,370 1871(T8) 0,655 -0,097 0,305 1874(T9) 0,261 -0,383 0,062 1971(T10) 0,285 -0,302 0,302 1,831 4,363 -0,287 0,975 0,730 -0,016 - So sánh kết tính hai phương pháp: Bảng Bảng so sánh kết tính tốn theo hai phương pháp Tên trụ Vận tốc dịng chảy Chiều sâu xói tổng Chiều sâu xói tổng cộng (1) Tính theo Tính theo cộng theo phương theo phương pháp tính Trụ RMA2 phương pháp pháp tính vận tốc vận tốc trung bình Trụ RMA2 (m) (m) Trụ (2) trung bình (5) Trụ 1,046 (3) (4) 2,519 Trụ 1,021 2,17 0,391 2,515 Trụ 0,969 2,17 0,536 2,495 Trụ 1,456 2,17 0,389 2,011 Trụ 0,931 2,17 1,223 4,697 Trụ 10 1,143 2,17 0,402 2,122 1,125 2,17 0,445 2,509 -0,436 2,17 0,604 2,504 -0,825 2,17 -2,156 2,449 2,17 -0,746 +Vẽ lại mặt cắt đáy sơng sau xói xây dựng cầu: Hình Chiều sâu xói tổng hợp tính theo RMA2 MÀÛ T NỈ ÅÏC CHIÃƯU CAO NỈ ÅÏC DÁNG 252 cm 251.5 cm 249.5 cm 201.1 cm 469.7 cm 212.2 cm 250.9 cm 250.4 cm 244.9 cm TRUÛ2 TRUÛ3 TRUÛ4 TRUÛ5 TRUÛ6 TRUÛ7 TRUÛ8 TRUÛ9 TRỦ10 Hình Chiều sâu xói tổng hợp tính theo phương pháp vận tốc trung bình Kết luận Kết tính tốn cho thấy so với phương pháp tính xói theo vận tốc trung bình chiều, việc sử dụng chương trình RMA2 để xác định vận tốc dòng chảy theo hai chiều ngang làm sở tính xói cho cơng trình vượt sông cho thấy mặt cắt đáy sông sau xây dựng cơng trình có chỗ bồi, chỗ xói; Trong sử dụng phương pháp xác định vận tốc trung bình chiều cho kết xói tồn mặt cắt sơng Như định tính cho thấy việc xử dụng chương trình RMA2 làm sở để tính xói phù hợp với thực tế Chiều sâu xói tính theo RMA2 nhỏ nhiều so với phương pháp vận tốc trung bình chiều, vị trí số trụ trí khơng phát sinh xói Sở dĩ có kết chương trình RMA2 sử dụng phương trình chủ đạo để tính tốn phương trình gồm phương trình liên tục phương trình chuyển động Các phương trình mô tả gần qui luật phân bố vận tốc sơng; ngồi RMA2 có khả kể đến gió xuất bề mặt dịng chảy, tốc độ quay trái đất,… Và đặc biệt phương trình kể đến tác động tượng chảy rối, tương bản, phức tạp khó mơ tả dịng chảy sông thông qua hệ số nhớt động lực Về mặt lý thuyết, kết tính tốn tin cậy phản ánh tương đối rõ trình thay đổi vận tốc trung bình theo phương đứng dịng chảy sơng So với cách tính thơng thường việc xác định vận tốc theo chiều ngang điểm làm cho kết tính tốn q trình hình thành xói chung, chiều sâu lớn cuả xói cục khu vực xây dựng trụ cầu xác nhiều Điều giúp cho xác định tương đối xác khu vực nguy hiểm trắc ngang dịng chảy để đưa giải pháp phịng chống có hiệu hơn, kinh tế Tuy kết tính tốn mặt lý thuyết chấp nhận được, dịng chảy sơng phức tạp lại chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố nên cần số liệu đo thực tế để kiểm chứng lại kết tính tốn lý thuyết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Việt Dũng, Nghiên cứu áp dụng chương trình RMA2 để tính xói cơng trình cầu vượt sơng Hàn, Luận văn Thạc sĩ, Đà Nẵng 2005 [2] Nguyễn Thế Hùng, Phương pháp phần tử hữu hạn học chất lỏng, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 2004 [3] Trần Đình Nghiêm, Thiết kế thuỷ lực cho dự án cầu đường, NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội 2003 [4] Nguyễn Xn Trục, Tính tốn thuỷ văn cơng trình vượt sơng, NXB Xây dựng, Hà Nội 2000 [5] J.N.Reddy, An introduction to the finite element method, McGraw-Hill, Inc, Second Edition 1992 [6] Ven-te-chow, David R Maidment, Larry W.Mays, Applied Hydrology, McGraw-Hill, Inc 1998 [7] Environmental Modeling Research Laboratory of Brigham Young University, Surface water modeling system, Brigham young university 2002 ... 1,809 d Áp dụng chương trình RMA2 để tính xói trụ cầu sơng Hàn - Sử dụng hình ảnh nền: Mặt khu vực bố trí cầu sơng Hàn cơng trình liên quan quyét lưu trữ file ảnh có tên SƠNG HÀN1.tif Trong... [1] Đặng Việt Dũng, Nghiên cứu áp dụng chương trình RMA2 để tính xói cơng trình cầu vượt sông Hàn, Luận văn Thạc sĩ, Đà Nẵng 2005 [2] Nguyễn Thế Hùng, Phương pháp phần tử hữu hạn học chất lỏng,... Chiều sâu xói tổng hợp tính theo phương pháp vận tốc trung bình Kết luận Kết tính tốn cho thấy so với phương pháp tính xói theo vận tốc trung bình chiều, việc sử dụng chương trình RMA2 để xác