Đang tải... (xem toàn văn)
Một số vấn đề về động lực học dòng chảy và quan hệ hình thái sông Cửu Long
Bộ GIáO DụC Bộ NÔNG NGHIệP V ĐO TạO V PHáT TRIểN NÔNG THÔN VIệN KHOA HọC THủY LợI MIềN NAM Đinh Công Sản MộT Số VấN Đề Về ĐộNG LựC HọC DòNG CHảY V QUAN Hệ HìNH THáI SÔNG CửU LONG Chuyên ngành: Chỉnh trị sông và bờ biển Mã số: 62449401 Tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh 2006 Công trình hòan thành tại: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Ngời hớng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Lơng Phơng Hậu 2. PGS. Lê Ngọc Bích Phản biện 1: GS,TS. Nguyễn Thế Hùng, Trờng Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng Phản biện 2: PGS,TS. Đỗ Tất Túc, Trờng Đại học Thủy lợi Phản biện 3: PGS,TS. Lê Song Giang, Trờng Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh Luận án đợc bảo vệ trớc hội đồng chấm luận án cấp Nhà nớc họp tại: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, số 2A Nguyễn Biểu (28 Hàm Tử), Phờng 1, Quận 5, Tp. Hồ Chí Minh vào hồi 08 giờ 00 ngày 17 tháng 04 năm 2007 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Th viện quốc gia Việt Nam - Th viện Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam 1 Mở đầu i. ý nghĩa thực tiễn của đề tài Sông Cửu Long (SCL) có chiều dài khoảng 230 km, nơi tập trung các đô thị lớn nằm trên bờ lõm của các đọan sông cong với 10 triệu dân. Lũ lụt và sạt lở bờ sông là hai thảm họa lớn ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Tuy nhiên, sử lý sạt lở ở ĐBSCL không đơn giản do tính đặc thù của điều kiện tự nhiên đặc biệt về kết cấu dòng chảy và quan hệ hình thái sông, với sự tồn tại của các hố xói cục bộ sâu từ 30 đến 50 m và hậu qủa của sự phát triển các hố xói này là những thảm họa về sạt lở. Lấy dòng chảy và lòng dẫn SCL làm đối tợng nghiên cứu để xác định đối tợng chỉnh trị và đối tợng tác động trong chống sạt lở chính là ý nghĩa thực tiễn của luận án này. ii. ý nghĩa khoa học của đề tài Luận án đề cập đến sự tơng tác giữa dòng chảy và lòng dẫn theo các kịch bản về góc giữa phơng dòng chủ lu và bờ diễn ra gần với các nguyên mẫu trên SCL. Từ đó, quá trình tạo ra hố xói cục bộ sẽ đợc khảo sát để phân tích, xây dựng quan hệ. Hố xói cục bộ là hậu qủa của sự thay đổi kết cấu dòng chảy do trờng áp mà dòng xung kích tạo ra trên mái bờ dốc. Hiện tợng này đợc phân tích các yếu tố ảnh hởng, sử dụng phép phân tích thứ nguyên để tìm ra mối quan hệ giữa chúng và xác lập biểu thức tóan học. Kết qủa tính từ biểu thức đề xuất có thể áp dụng cho những đọan sông có dòng chủ lu xô ngang vào bờ sông và đợc thử nghiệm bằng số liệu thực đo (SLTĐ) trên SCL. iii. Mục tiêu nghiên cứu của luận án 1) Thu thập, phân tích sự hình thành và phát triển, giải thích nguyên nhân và cơ chế hình thành các hố xói cục bộ trong lòng dẫn SCL và 2 hậu qủa do chúng gây ra; 2) Xây dựng đợc công thức tổng quát tính chiều sâu lớn nhất của hố xói cục bộ ở đọan sông có dòng chảy xô ngang bờ sông và áp dụng cho trờng hợp cụ thể là SCL; 3) Định hớng các biện pháp công trình chỉnh trị nhằm giảm chiều sâu hố xói cục bộ, giảm sạt lở bờ sông bảo vệ cơ sở hạ tầng gần khu vực hố xói cục bộ. iv. Phạm vi nghiên cứu và số liệu xuất phát Luận án đi sâu vào hiện tợng xói sâu cục bộ trong sự phát triển hình thái sông tự nhiên (cha có công trình) tại các đọan sông có dòng chủ lu xô ngang bờ sông và đợc áp dụng cụ thể cho SCL.Tài liệu sử dụng là các SLTĐ từ các dự án điều tra cơ bản và đề tài KHCN các cấp giai đọan 1995 -2000 của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam. v. Cấu trúc của luận án Ngòai phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chơng chính: Chơng 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về động lực học dòng chảy và quan hệ hình thái sông; Chơng 2: Cơ sở thực tiễn và phơng pháp luận trong nghiên cứu về sự hình thành và phát triển hố xói cục bộ trong lòng sông tự nhiên; Chơng 3: Xây dựng công thức tính tóan chiều sâu lớn nhất của hố xói cục bộ trong lòng sông tự nhiên; Chơng 4: ứng dụng kết qủa nghiên cứu vào chỉnh trị đọan sạt lở Tân Châu- sông Tiền. CHƯƠNG 1 : tổng quan tình hình nghiên cứu động lực học dòng chảy v quan hệ hình thái sông 1.1 Tổng quan thành tựu trong động lực học dòng sông - Về chuyển động bùn cát, từ những năm 80 của thế kỷ XX trở lại đây cha thể đạt tới mức độ chính xác có thể chấp nhận. ở Việt Nam có các chuyên gia nh Lu Công Đào,Vi Văn Vị, Nguyễn Viết Phổ, 3 Đỗ Trọng Thuận, Hòang Hữu Văn, Lơng Phơng Hậu, Lê Ngọc Bích v.vTrong luận án thạc sĩ tại AIT (Thái Lan), tác giả luận án có đánh giá độ mài mòn của bùn cát trên sông Tiền. - Về diễn biến lòng sông, quan điểm dòng sông là sản phẩm của sự tác động giữa hai yếu tố dòng chảy và lòng dẫn là một quan điểm biện chứng soi sáng cho mọi nghiên cứu. ở Việt Nam, có nhiều nghiên cứu về diễn biến, hình thái và công trình chỉnh trị sông. Các sông ở miền Bắc có nghiên cứu của Quản Ngọc An, Hòang Hữu Văn, Võ Phán, Lê Ngọc Túy, Lê Ngọc Bích, Lơng Phơng Hậu, Nguyễn Văn Tóan, Hòang Hng, Trần Minh Quang, Nguyễn Thới Giáp, Nguyễn Ngọc Cẩn, Trần Đình Tri, Lê Văn Kiến, Vũ Tất Uyên, Trần Xuân Thái, Đào Xuân Sơn, Trịnh Việt An, Phùng Quang Phúc, Nguyễn Thới Giáp, Tôn Thất Vĩnh, Trần Đình Hợi. ở miền Trung, có Ngô Đình Tuấn, Đỗ Tất Túc, Nguyễn Bá Quỳ, Lơng Phơng Hậu, Trịnh Việt An, Nguyễn Văn Tuần. Nam Trung Bộ có Nguyễn Ân Niên, Lê Ngọc Bích, Lơng Phơng Hậu, Lê Mạnh Hùng. Miền Nam có Lê Ngọc Bích, Lơng Phơng Hậu, Nguyễn Sinh Huy, Trần Minh Quang, Nguyễn Ân Niên, Lê Mạnh Hùng, Hòang Văn Huân v.v và một số cơ quan khác. Một số kết qủa nghiên cứu riêng cho các đọan sông cong, về chiều sâu trung bình và lớn nhất có các công thức thực nghiệm của PhaGờ , Atxmun và Boussinesque, Leliavsky (1955), Bagnold (1960), Abđurapốp (1977), Thorne (1988). Các hố xói cục bộ ở trụ cầu hay mỏ hàn có khỏang vài chục công thức kinh nghiệm tính chiều sâu hố xói của nhiều tác giả. 1.2 Tổng quan về phơng pháp nghiên cứu 1.2.1 Khái quát: Các hiện tợng vật lý trong động lực học dòng sông (ĐLHDS) liên quan đến chuyển động của môi trờng nớc, rời 4 và rắn, theo không gian, thời gian, không theo quy luật, nên cha có phơng pháp nào nghiên cứu đầy đủ. Nhận thức diễn biến dòng sông phần lớn là định tính. Để dự báo định lợng cần giải đợc các phơng trình biến hình lòng sông phức tạp và chúng cũng cha hòan thiện. Do các chuẩn tắc tơng tự của mô hình vật lý (MHVL) có thể dễ dàng tìm đợc, kể cả những vấn đề có tính chất 3 chiều (3D) của dòng chảy và bùn cát nên MHVL phát triển mạnh. Do sự xuất hiện của máy tính dung lợng lớn, tốc độ tính toán cao đã làm cho MHT có thể thay thế MHVL. Với diễn biến lòng sông 2 chiều (2D) ở khoảng cách ngắn, mô hình tóan (MHT) cũng đang phát triển song song với MHVL. Chỉ còn vấn đề biến hình 3D, do điều kiện biên quá phức tạp mà các quy luật chuyển động bùn cát cha đợc nghiên cứu đầy đủ, MHT 3D cha thể thay thế MHVL. 1.2.2 Phơng pháp nghiên cứu dựa đơn thuần trên cơ sở số liệu thực đo: Các quan hệ hình thái sông đợc ứng dụng đều là kết qủa của chỉnh lý, phân tích SLTĐ, điển hình là quy luật L.Fargue, lý thuyết chế độ (Regime Theory), của Gluscôp, Antunin ở Việt Nam, các công thức nớc ngòai đợc Nguyễn Thới Giáp, Lê Ngọc Bích, Vi Văn Vị, Lơng Phơng Hậu địa phơng hóa các hệ số, số mũ bằng các SLTĐ trên sông Hồng và SCL . 1.2.3 Phơng pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý hoặc kết hợp số liệu thực đo và bổ sung bằng số liệu đo đạc trên mô hình vật lý: Những công thức nổi tiếng dựa trên MHVL là công thức lu lợng bùn cát đáy của E. Meyer - Peter và Muller, vận tốc khởi động của bùn cát dính của Đậu Quốc Nhân (1962), trờng động lực dòng chảy quanh mỏ hàn của Lơng Phơng Hậu, xói cục bộ ở sau đập, mỏ hàn hay trụ cầu của Nguyễn Xuân Trục (1980) thông qua MHVL kết hợp với SLTĐ v.v. 5 1.2.4 Một xu thế khác là kết hợp giữa lý thuyết và số liệu thực đo hay số liệu trong phòng thí nghiệm: Ibad-Zađê dùng các SLTĐ điều chỉnh biểu thức cho nguyên lý ổn định lòng sông của Vêlicanốp. Đậu Quốc Nhân đề ra giả thiết độ biến động nhỏ nhất cùng với SLTĐ để suy ra quan hệ hình thái sông vùng triều. Lơng Phơng Hậu xác lập quan hệ hình thái sông với theo SLTĐ ở Việt Nam. 1.2.5 Phơng pháp mô phỏng số: MHT đợc phát triển mạnh tính tóan cho các hiện tợng vật lý 1D, 2D và 3D nh bộ HEC của Mỹ, SMS của Anh, SOGREAH của Pháp, MIKE của Đan Mạch, TREM của Nhật, DELFT-3D của Hà Lan v.v 1.2.6 Kết hợp mô hình tóan và mô hình vật lý MHT và MHVL, là hai phơng pháp độc lập nhau có thể kết hợp với nhau để bổ sung cho nhau. 1.2.7 Phơng pháp phân tích thứ nguyên Releigh (1899) áp dụng đầu tiên và Buckingham (1914) phát triển định lý tổng quát về phép phân tích thứ nguyên (định luật ). Ví dụ điển hình ứng dụng thành công phơng pháp này là công thức tính sức tải cát lở lửng của Trơng Thụy Cẩn với hệ số và số mũ xác định bằng SLTĐ. ở Việt Nam, Hòang Hữu Văn đã sử dụng phơng pháp này để xác định phơng trình sức cản ở khúc sông cong. 1.2.8 Nhận xét chung: Với việc thu thập SLTĐ thì cần thiết cho mọi mô hình. Trớc mắt, MHT và MHVL là hai phơng pháp quan trọng có thể hỗ trợ lẫn nhau. Phơng pháp phân tích thứ nguyên dùng cho hiện tợng vật lý có nhiều biến, phức tạp, cần đợc kết hợp với SLTĐ. 1.3 Đánh giá chung 1.3.1 Những thành tựu đ đạt đợc 6 a) Trên thế giới: Các quy luật cơ bản của ĐLHDS và các vấn đề chủ yếu đặt ra đều đã có lời giải. b) ở Việt Nam: Đội ngũ cán bộ nghiên cứu ĐLHDS ngày càng lớn mạnh. Cơ sở vật chất phục vụ nghiên cứu ngày càng hiện đại (máy hồi âm +DGPS, ADCP, OBS). Công tác chỉnh trị sông có những kết qủa đáng khích lệ với các công trình xây dựng trên cả nớc. 1.3.2 Những vấn đề tồn tại a) Về lu lợng tạo lòng: vùng cửa sông, việc xác định chúng gặp khó khăn do dòng chảy thuận nghịch, bậc sông các mùa nớc không rõ ràng. b) Về sạt lở bờ sông: không thể giải bằng các phơng trình ĐLHDS vì chúng liên quan đến cơ học đất với nhiều yếu tố không có mặt trong phơng trình bùn cát. c) Vấn đề về xói cục bộ: xảy ra do biến động mạnh kết cấu dòng chảy, cha đợc nghiên cứu đầy đủ, cha giải đợc bằng MHT. Nguyên nhân là do bản chất vật lý của hiện tợng xói sâu có những điểm khác biệt của hớng và độ lớn dòng chảy xô ngang vào bờ, dẫn đến một cơ chế tạo thành hố xói riêng biệt. d) Tồn tại trong các phơng pháp nghiên cứu: Phơng pháp chỉnh lý SLTĐ không đáp ứng đợc mọi yêu cầu. MHT 2D, 3D do dòng chảy không đều, không ổn định, bùn cát không đều và tải cát không cân bằng vẫn cha sáng tỏ. Mặt khác phơng pháp và kỹ thuật tính vẫn còn phải hòan thiện hơn. MHVL cần xem xét ảnh hởng của biến thái hình học, độ dốc, thời gian và vật liệu cho mô hình lòng động. Vì vậy, nghiên cứu về hình thái sông phải đợc tiếp cận từ nhiều phía và kết hợp nhiều phơng pháp để hỗ trợ cho nhau. 1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án Hiện tợng bức xúc nhất ở SCL là sạt lở tại các điểm dân c tập trung do sự phát triển các hố xói cục bộ mà các biện pháp công trình cha thể khống chế đợc. Vấn đề này cha lý giải đợc cơ chế hình thành 7 và phát triển, cha xây dựng đợc các công thức tính tóan và cơ sở khoa học cho biện pháp công trình. Chính vì vậy luận án chọn vấn đề này để nghiên cứu, với mong muốn có những giải thích khoa học cho hiện tợng này và đa ra đợc phơng pháp tính chiều sâu hố xói. CHƯƠNG 2: cơ sở thực tiễn v phơng pháp luận trong nghiên cứu về sự hình thnh v phát triển hố xói cục bộ trong lòng sông tự nhiên 2.1 Hiện tợng xói sâu trong lòng dẫn sông Cửu Long. 2.1.1 Mô tả chung: SCL đã tạo ra rất nhiều hố xói sâu, gây ra sạt lở và thiệt hại lớn. Có 9 hố xói có cao trình đáy thấp hơn -30 m. 2.1.2 Nhận xét a) Vị trí xuất hiện của hố xói: Bảy hố xói sâu xuất hiện ở đọan sông có dòng chảy xô ngang vào bờ. Hai hố xói xuất hiện ở điểm hợp lu (Vàm Nao, Hồng Ngự). Bảy trong chín hố xói xuất hiện ở cả vùng ảnh hởng thợng nguồn là chính. b) Về độ sâu: Các hố xói có độ sâu bất thờng so với độ sâu trung bình trên và dới nó từ 2.3 đến 5.5 lần và từ 1.6 đến 3.8 lần so v i bán kính thủy lực tại đó. B /H qua tâm hố xói khác với các mặt cắt ổn định trên SCL, dao động quanh giá trị 1.0. Riêng tại Sa Đéc, B /H lớn hơn nhiều và lớn hơn cả ở các mặt cắt ổn định (hình 2.6). c) Mặt cắt đi qua hố xói : Có hai lọai: dạng tam giác lệch về phía bờ lõm của đọan sông cong và có dòng chủ lu xô ngang; dạng tam giác khá đối xứng đại diện cho các hố tại hợp lu. Độ dốc dọc hố xói i > 1% và có xu thế hố xói càng sâu thì càng dốc. Riêng tại Sa Đéc, i < 0,5%, nhỏ hơn nhiều các hố xói khác. d) Dòng chảy ở đọan có hố xói cục bộ : Trừ hố xói Sa Đéc, các hố xói khác đều có chủ lu xô ngang vào bờ. Chủ lu chảy thẳng, hớng vào bờ một góc nhọn và chỉ đổi hớng đột ngột khi tới gần bờ. 8 Tỷ lệ B 0.5 /H trên sông Tiền 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 0255075100125150175200225250 Khỏang cách tính từ cửa sông (Km) B 0.5 /H Tại mặt cắt ổn định Tại các hố xói cục bộ tại hố xói Sa Đéc Hình 2.6 Quan hệ B /H và khỏang cách mặt cắt tính từ cửa sông e) Quan hệ với sạt lở: Tất cả các hố xói sâu đều kèm theo sạt lở bờ. f) Định danh hố xói: Các hố xói trên SCL có các đặc trng hình thái sau đây đợc gọi là hố xói cục bộ (scour hole): H B = 0,85 ữ2,0; i 1%; 45 o . Các hố xói có các đặc trng hình thái sau đây đợc gọi là lạch sâu (deep pool): H B > 4,0; i 0,5 %; 110 o . Hai lọai hố xói này tuy đều có chung hiện tợng xói sâu, nhng về bản chất nguyên nhân tạo thành hố xói khác nhau. 2.2 Phân tích sự hình thành và phát triển của các hố xói sâu: Sự hình thành, phát triển của chúng liên quan đến điều kiện hình thái, dòng chảy, địa chất, bùn cát cùng tồn tại và là nhân qủa của nhau. 2.2.1 Điều kiện hình thái a) Sông cong gấp tạo ra hố xói cục bộ tại bờ lõm của đoạn cong: Việc giải thích nguyên nhân hình thành sông cong chia làm 4 loại: 1) tính tự điều chỉnh của dòng sông; 2) tính chuyển động cong theo chu kỳ của dòng nớc và lòng sông bị uốn theo; 3) sự hình thành các yếu tố cục bộ trên sông; 4) quan hệ tơng đối giữa tốc độ vận động trầm tích đáy sông và tốc độ xói lở bờ. b) Đoạn sông nhập lu tạo ra hố xói cục bộ ở ngã ba sông: Sau khi nhập lu dòng chảy bị co hẹp, tạo các khu xóay trục đứng. Mặt khác, bờ sông thờng khó xói hơn đáy sông, nên sông phát triển chiều sâu. 9 2.2.2 Điều kiện dòng chảy: ở đoạn sông gấp khúc, dòng chảy bị co hẹp và tăng tốc, vợt quá vận tốc không xói của lòng sông cùng với dòng hoàn lu gây mất cân bằng bùn cát theo phơng ngang, làm bùn cát di chuyển từ bờ lõm sang bờ lồi. ở đoạn sông nhập lu, sự co hẹp trên mặt bằng làm vận tốc tăng, sức tải cát tăng lên nhiều lần và dòng chảy phải lấy bùn cát bù vào lợng thiếu hụt so với sức tải của nó. Mặt khác, bùn cát đi vào nhỏ hơn đi ra khỏi điểm nhập lu (đã đợc tác giả luận án chứng minh), tạo ra hố xói sâu. 2.2.3 Điều kiện địa chất: do các lớp mặt là bùn sét, có vận tốc không xói lớn hơn lớp cát lòng sông, nên lòng dẫn dễ bị xói sâu hơn xói ngang, tạo hố xói cục bộ (sông Tiền: 6 /7; sông Hậu: 3 /4 khu vực). 2.3 Phân tích diễn biến của các hố xói sâu trên SCL 2.3.1 Diễn biến trên mặt bằng: Diễn biến SCL giai đoạn 1890 - 2000 cho thấy biến đổi trên mặt bằng của các hố xói nhỏ, trừ Sa Đéc. 2.3.2 Diễn biến trên mặt cắt dọc và cao trình đáy hố xói : vị trí tâm xói dịch chuyển ngợc xuôi, nhng xu thế chung là dịch chuyển về hạ lu với tốc độ chậm (lớn nhất tại Hồng Ngự: 31.6m/năm). Tốc độ xói sâu trung bình hố xói nhỏ (lớn nhất tại Sa Đéc: 0.25m/năm) 2.4 Cơ chế hình thành và phát triển hố xói cục bộ: Tham khảo hai trờng hợp: a) Hố xói cục bộ đầu mũi mỏ hàn không ngập và b) Hố xói cục bộ ở trụ cầu qua sông cho thấy dòng chảy có vận tốc lớn khi xô vào bờ giống nh trớc kè chắn hoặc mỏ hàn. Ngay dọc bờ, động năng biến thành thế năng, nớc dâng lên và tạo vùng áp suất cao. Phần sông phiá ngoài lu tốc lớn, hình thành vùng áp suất thấp. Khi bờ sông khó bị sạt lở vì lực xung kích, phần lớn khối nớc ở vùng áp suất cao đi về vùng áp suất thấp, luồn xuống đáy để hình thành dòng chảy xoắn, gặp đáy sông có điạ chất yếu sẽ xói sâu mang bùn cát ra ngoài hố xói. 10 2.5 Lựa chọn trờng hợp nghiên cứu 2.5.1 Tiêu chí lựa chọn: a) Tính phổ biến của vấn đề, là sự tồn tại các hố xói sâu tại các đọan sông có dòng chảy xô ngang; b) Tại các hố xói có nhiều tài liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu. 2.5.2 Trờng hợp nghiên cứu : các yếu tố quyết định chiều sâu hố xói cục bộ (scour hole) tại các đọan sông có dòng chủ lu xô ngang vào bờ trong lòng dẫn tự nhiên, thờng hình thành từ: a) các sông cong gấp, tức là từ đọan sông thẳng và một đọan sông cong ở giữa có chiều dài không lớn, làm cho sông bị gấp với góc ở tâm nhỏ hơn 45 0 ; b) từ đọan nhập lu của một sông có vận tốc lớn với sông có vận tốc nhỏ. Đây là vấn đề xói cục bộ lòng dẫn do sự xáo động mạnh kết cấu nội của dòng chảy mà mạch động áp suất và mạch động lu tốc là nguyên nhân chủ yếu. Trục động lực gần nh thẳng và chỉ đổi hớng mạnh tại chỗ gấp khúc, tạo ra dòng biến đổi nhanh. 2.5.3 Các hố xói cục bộ điển hình: là các hố xói sâu tại Tân Châu, Bình Thạnh, Mỹ Thuận và Cần Thơ. Những hố xói này vừa bảo đảm tính phổ biến của vấn đề, vừa có tài liệu để phân tích. 2.6 Xác định phơng pháp nghiên cứu. Do thiếu các số liệu lịch sử đồng bộ và tin cậy, nên không thể dựa hòan tòan vào SLTĐ. Không thể dựa vào MHVL của cơ sở đào tạo do cha đáp ứng đựợc yêu cầu nghiên cứu. Vấn đề đặt ra là có thể nghiên cứu trên MHT đợc hay không. Phơng trình biến hình lòng sông (2.11) đã thiết lập trên cơ sở cân bằng lăng thể dòng chảy dài dx, rộng dy, sâu h=Z-Z 0 (hình 2.20). 0)1( 0 = + + t hs t Z b q l q sbsl (2.11) 11 h dx Zo Z' dZo q s s q x dx s q dy + Hình 2.20 Sơ đồ thiết lập phơng trình biến hình lòng dẫn Vì vấn đề phức tạp của vận chuyển bùn cát đáy theo phơng dọc, ngang, bùn cát lơ lửng theo phơng đứng v.v đặc biệt là ở đọan sông cong, nên không thể giải trực tiếp phơng trình (2.11). Do vậy, luận án sử dụng phép phân tích thứ nguyên kết hợp với SLTĐ. 2.7 Cơ sở lý thuyết của phép phân tích thứ nguyên. Một phơng trình vật lý hòan chỉnh tất yếu phải thỏa mãn điều kiện thứ nguyên đồng nhất, đó là nguyên lý của phép phân tích thứ nguyên. a) Phép phân tích thứ nguyên theo định lý Releigh: giả thiết hàm số một hiện tợng nào đó bằng tích các hàm số mũ của các biến lợng. b) Phép phân tích thứ nguyên theo định lý : dùng đại lợng vật lý cơ bản mới, độc lập với nhau và bao gồm đợc tòan bộ thứ nguyên cơ bản. c) Cơ sở số liệu đáp ứng yêu cầu của phép phân tích thứ nguyên: Trên SCL đã có SLTĐ tại các hố xói cục bộ ở các đọan sông có dòng chủ lu xô ngang là Tân Châu, Bình Thạnh, Mỹ Thuận và Cần Thơ. Những hố xói trên vừa bảo đảm tính phổ biến vừa có thể kiểm nghiệm phép phân tích thứ nguyên về tính tóan hố xói cục bộ. CHƯƠNG 3: xây dựng công thức tính tóan chiều sâu lớn nhất của hố xói cục bộ trong lòng sông tự nhiên 3.1. Phân tích yếu tố ảnh hởng đến hố xói ở đọan sông có dòng chảy xô ngang vào bờ sông 12 3.1.1 Yếu tố dòng chảy a) Độ lớn của dòng chảy: Độ lớn dòng chảy ở đây là lu lợng Q, (hoặc q) hay vận tốc V thông qua kích thớc mặt cắt (R, B). b) Phân bố dòng chảy theo thời gian: Biểu đồ dòng chảy nhiều đỉnh sẽ tạo ra hố xói có chiều sâu lớn hơn biểu đồ ít đỉnh. 3.1.2 Yếu tố lòng dẫn a) Khả năng chống xói của lòng dẫn: là vận tốc không xói cho phép V 0 hay đờng kính hạt trung bình d. b) Mái dốc của lòng dẫn: bờ sông càng dốc hố xói tạo ra càng sâu. 3.1.3 Yếu tố lực tác động giữa dòng chảy và lòng dẫn a) Xung lực của dòng chảy p: tỷ lệ với độ lớn của vận tốc và góc hợp bởi dòng chủ lu với bờ sông ( ). Do p lớn, mực nớc tại bờ đối diện dâng lên, dẫn đến vùng áp suất cao, tạo ra dòng chảy đi đến vùng áp suất thấp càng mạnh, gây ra dòng chảy xoắn và mạch động càng lớn, tạo ra hố xói càng sâu. b) Hình thái và cân bằng bùn cát: khi càng lớn, dòng chảy càng bị dồn ép, co hẹp, vận tốc gia tăng, sức tải cát tăng lên, lòng dẫn bị đào xói bù vào bùn cát bị thiếu hụt, gây ra xói sâu. 3.1.4 Lựa chọn các yếu tố cơ bản và quyết định chiều sâu hố xói: Q và R của đọan sông trớc hố xói liên quan đến vận tốc và sức tải cát. Yếu tố lòng dẫn là V 0 hay d. Độ dốc mái bờ sông i đợc xét đến trong xung lực của dòng chảy. Tơng tác dòng chảy và lòng dẫn là p tác động lên mái bờ sông. Còn sức tải cát đã bao hàm trong Q (hoặcV) và V o (hoặc d). Trọng lợng nớc liên quan đến độ lớn của áp lực. 3.2 Xây dựng công thức tính chiều sâu hố xói theo phép phân tích thứ nguyên 3.2.1 Đặt bài tóan: Xét dòng chảy tại đoạn sông gấp khúc từ một đoạn sông thẳng có bán kính thủy lực R, có vận tốc V đâm vào mái 13 dốc i tại điểm S, tạo với bờ một góc (hình 3.2). Đáy sông là vật liệu đồng nhất. Chiều sâu xói tới hạn cần xác định là H max = H +Z max . V S I MAậT BAẩNG MAậT ẹệNG H I H Z S Hình 3.2: Sơ đồ dòng chảy ở đọan sông gấp khúc tác động vào bờ Khi đập vào bờ, dòng chảy giống nh dòng tác động vào thành phẳng. Do bị bờ sông cản lại, khu vực điểm S trở thành vùng áp suất cao. Sau đó dòng chảy đổi hớng, xiên xuống đáy tới vùng áp suất thấp và đi tới điểm I. Năng lợng dòng chảy bị giảm do ma sát với bờ, tiêu hao năng lợng trong nội bộ dòng chảy, tạo ra bùn cát và vận chuyển bùn cát. Khi dòng chảy đi tới điểm I, nó đã bào xói lòng dẫn độ sâu Z. 3.2.2 Yếu tố lòng dẫn xem xét dới dạng đờng kính hạt cát a)Theo định lý Releigh: 4 3 21 / max pdKQRH = (3.3) Cân bằng thứ nguyên: [] [] 43 2 1 32 3 1 = L F L F L T L (3.4) Thứ nguyên L: 0 = 3 1 + 2 - 2 3 - 3 4 (3.5) Thứ nguyên T: 0 = - 1 (3.6) Thứ nguyên F: 0 = 3 + 4 (3.7) Giải hệ (3.5), (3.6) và (3.7) ta đợc một nghiệm tầm thờng 1 = 2 = 3 = 4 =0 và : 1 = 0 ; 2 = - 3 = 4 (3.8) Thay (3.7) vào (3.3) ta đợc: 3 max = d p K R H (3.9) 14 Phân tích hàm (3.9) thành chuỗi Taylor ta đợc: 0 10 max K d p K d p K R H n n n n + = = (3.10) cuối cùng đợc phơng trình 2 3 1max / K d p KRH + = (3.11). b) Theo định lý : Biểu thức (3.2), có thể viết lại nh sau : 0),,,,/( max = = pdQRHf (3.12) Chọn d, Q, làm ba đại lợng vật lý cơ bản mới và dùng tích hàm số mũ của chúng để mô tả các đại lợng còn lại trong (3.12) dẫn tới: 0,,,, / 535251434241333231232221131211 max = dQdQ p dQ d dQ Q dQ RH f (3.13) RH dQ / max 131211 1 = (3.14) Q dQ 232221 2 = (3.15) d dQ 333231 3 = (3.16) p dQ 434241 4 = (3.17) 535251 5 dQ = 3.18) Đồng nhất thứ nguyên các phơng trình từ (3.14) đến (3.18) dẫn tới: [] [ ] [ ][] 131211 max / dQRH = (3.14) [] [ ] [ ][] 232221 dQQ = (3.15) [] [ ] [ ][] 333231 dQd = (3.16) [] [ ] [ ][] 434241 dQp = (3.17) [] [ ] [ ][] 535251 dQ= (3.18). Để xác định các số mũ ii và ii , từ các phơng trình (3.14) đến (3.18) có thể viết đợc 3 phơng trình từ mỗi phơng trình đó bằng cách đồng nhất các thứ nguyên, kết qủa thu đợc là: (3.14) và (3.14): 11 = 0; 12 = 0; 13 = 0; 1 = R /H max (3.15) và (3.15): 21 = 0; 22 = 1; 23 = 0; 2 =1 (3.16) và (3.16): 31 = 1; 32 = 0; 33 = 0; 3 =1 (3.17) và (3.17): 41 = 0; 42 = 1; 43 = 1; 4 = ( pd /) (3.18) và (3.18): 51 = 0; 52 = 0; 53 = 1; 5 =1. 15 Quan hệ hàm số (3.13) đợc viết lại dới dạng thức mới: 0),/(1,,1,1),/( maxmax = = d p RHf p d HRf (3.19) Biểu thức (3.19) có thể viết thành: = d p KRH max (3.20) 3.2.3 Yếu tố lòng dẫn xem xét là vận tốc không xói của cát đáy V 0 Các yếu tố quyết định chiều sâu hố xói trong trờng hợp này là Q, V 0 , p, , R. Cách thức tiến hành nh mục 3.2.2 theo cả định luật Releigh và định luật , công thức tìm đợc là: 4 1 2 0 3max )/( K pV Q KRH + = (3.29) 3.2.4 Nhận xét: Biểu thức tính chiều sâu hố xói theo định luật ReLeigh và định luật về cơ bản là giống nhau. 3.3 Xây dựng công thức tính tóan xung lực của dòng chảy tác động trên mái bờ dốc và công thức chi tiết tính chiều sâu lớn nhất hố xói Xung lực p chính là áp lực thủy động của dòng chảy. Việc tính tóan áp lực thủy động của dòng chảy đã đợc tiêu chuẩn hóa thành Tiêu chuẩn ngành trong thiết kế công trình bảo vệ bờ sông. Dòng chảy xô ngang vào bờ sông cũng tơng tự dòng chảy bị chắn bởi kè mỏ hàn. Từ đó có thể tính đợc áp lực thủy động bằng cách viết phơng trình động lợng cho tòan dòng. áp lực thủy động cũng đợc sử dụng trong việc tính tóan áp lực của dòng tia lên thành phẳng. Trong tất cả các trờng hợp nêu trên, áp lực thủy động không những tỷ lệ thuận với bình phơng trị số của vận tốc trung bình, mà còn tỷ lệ với hàm sin của góc hợp bởi hớng dòng chủ lu và đờng mép nớc bờ sông. Xung lực p của dòng chảy tác động lên mái bờ sông có độ dốc i tại điểm S đợc tính tóan nh trên Hình 3.3. 16 Hình 3.3: Phân tích áp lực của dòng tia tác động vào bờ sông = g V kp 2 2 2 " ; = sin 2 2 2 ' g V kp ; = sin.sin 2 2 2 g V kp (3.40) Vì gi tan = =1 / m nên ta có 2 2 1 sin i i + = và + = 2 22 1 sin 2 2 i i g V kp (3.42) Thay giá trị tìm đợc từ (3.42) vào (3.11) và (3.29): 2 2 22 1 max 3 1 sin 2 2 K d i i g V k K R H + + = (3.43) 4 1 2 2 22 0 3 max 1 sin 2 2 1 K i i g V k V Q K R H + + = (3.44) 17 3.4 Xác định hệ số thực nghiệm trong các công thức đã thiết lập Các hố xói sâu điển hình đợc chọn là Tân Châu, Bình Thạnh, Mỹ Thuận, Cần Thơ với địa hình thực đo giai đọan 1983-2003. 3.4.1 Công thức có chứa đờng kính hạt lòng dẫn d Kết qủa tính tóan từ SLTĐ và công thức (3.43) là công thức (3.45) với sai số trung bình giữa tính tóan và thực đo là 5 % (hình 3.5). 69,1 1 sin 2 2 78,8 5.1 2 22 max + + = d i i g V k H H (3.45) Biểu đồ thiết lập công thức tính tóan chiều sâu lớn nhất của hố xói tại các đọan gấp khúc trên sông Cửu Long theo công thức (3.11') H max /H = 8.78M 1.5 + 1.69 R 2 = 0.92 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 M 1.5 (H max /H) Tan Chau Binh Thanh My Thuan Can Tho Hình 3.5: Biểu đồ tính tóan chiều sâu lớn nhất của hố xói cục bộ tại các đọan sông có dòng chảy xô ngang vào bờ theo công thức (3.45). 3.4.2 Công thức chứa vận tốc không xói của chất tạo lòng dẫn V 0 . Tơng tự nh mục 3.4.1 từ (3.44) tìm đợc công thức (3.46) và biểu đồ hình 3.8 với sai số giữa tính tóan và thực đo là 7.4%. 07,1 1 sin 2 2 1 14,178 25,0 2 2 22 0 max + + = i i g V k V Q H H (3.46) [...]... trªn s«ng Cưu Long , Tun tËp kÕt qđa khoa häc vµ c«ng nghƯ n¨m 2005, ViƯn Khoa häc Thđy lỵi miỊn Nam, tr 304-318 2 §inh C«ng S¶n (2006), “§Ỉc ®iĨm h×nh th¸i c¸c hè xãi cơc bé trong lßng s«ng tù nhiªn trªn s«ng Cưu Long , T¹p chÝ khoa häc Thđy lỵi & M«i tr−êng, Trõ¬ng ®¹i häc Thđy lỵi sè 15/11-2006 3 §inh C«ng S¶n (2006), “ KÕt cÊu dßng ch¶y trong hè xãi cơc bé tù nhiªn trªn s«ng Cưu Long vµ ®Þnh h−íng... th−êng trªn s«ng Cưu Long, lµm c¬ së cho viƯc nghiªn cøu tÝnh ®Ỉc thï vỊ h×nh th¸i cđa hƯ thèng s«ng nµy, còng nh− nguyªn nh©n g©y s¹t lë bê nghiªm träng ë c¸c ®o¹n s«ng ®ã 2 Trªn c¬ së thèng kª, m« t¶ vµ ph©n tÝch c¸c ®Ỉc ®iĨm cđa c¸c hè xãi s©u, ln ¸n ®· ®Ị ra c¸c chØ tiªu cơ thĨ ®Ĩ nhËn d¹ng hè xãi cơc bé, ph©n biƯt víi lo¹i l¹ch s©u t¹i c¸c ®o¹n cong th«ng th−êng trªn s«ng Cưu Long 3 Ln ¸n ®· lý... tãan chiỊu s©u lín nhÊt cđa hè xãi t¹i c¸c ®äan gÊp khóc trªn s«ng Cưu Long theo c«ng thøc (3.30) 4.0 (H max/H) 3.0 2.0 Tan Chau Binh Thanh My Thuan Can Tho Hmax/H = 178.14A 1.0 -0.25 + 1.07 2 R = 0.77 0.0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 -0.25 A 0.012 0.014 0.016 H×nh 3.8 S¬ ®å tÝnh tãan chiỊu s©u lín nhÊt cđa hè xãi trªn s«ng Cưu Long theo c«ng thøc (3.46) 3.5 Ph¹m vi øng dơng cđa c¸c c«ng thøc 3.5.1... Ph¹m vi øng dơng cđa c¸c c«ng thøc 3.5.1 §iỊu kiƯn øng dơng C«ng thøc tỉng qu¸t (3.43), (3.44) kh«ng h¹n chÕ ph¹m vi øng dơng C«ng thøc (3.45) vµ (3.46) víi c¸c hƯ sè thùc nghiƯm chØ ¸p dơng cho s«ng Cưu Long víi ph¹m vi : Q = 12000 ÷ 20.000 m3/s; V= 0,9 ÷ 1,5 m/s; d = 0,11÷ 0,23 mm; i = 0,16 ÷0,36 ; β = 200 ÷750 víi tèc ®é ®¹t tíi 40 m/n¨m ThÞ trÊn T©n Ch©u, tèc ®é s¹t lë chØ ®¹t vµi m/n¨m Cao tr×nh ®¸y... ®−ỵc nghiªn cøu thiÕt lËp trªn b¶ng 4.1 4.3.2 Tun chØnh trÞ: b¾t ®Çu vµ kÕt thóc tõ ®äan s«ng ỉn ®Þnh ë th−ỵng l−u vµ h¹ l−u PhÇn nµy chØ nªu ph−¬ng ¸n II: chđ ®éng ®−a Tỉnh ĐỒNG THÁP GHI CHÚ: Đườ ng bờ sông 7/2004 Gia cố bờ Tuyến chỉnh tri Kè mỏ hà n TT T N CHÂU Kênh Vónh An H×nh 4.14 ChØnh trÞ ®äan T©n Ch©u- Ph−¬ng ¸n 2 vµ 3: §iỊu chØnh gãc β 1, β 2 b»ng má hµn M1, M2, M3 ë Th−êng Ph−íc vµ gi¶m gãc... ®Þnh chiỊu s©u hè xãi”, T¹p chÝ khoa häc Thđy lỵi & M«i tr−êng, Trng ®¹i häc Thđy lỵi sè 15/11-2006 4 §inh C«ng S¶n (2007), “X©y dùng c«ng thøc tÝnh chiỊu s©u lín nhÊt cđa hè xãi cơc bé trªn s«ng Cưu Long t¹i nh÷ng ®äan s«ng cã dßng chđ l−u x« ngang bê s«ng dùa trªn phÐp ph©n tÝch thø nguyªn” Tun tËp kÕt qđa khoa häc vµ c«ng nghƯ n¨m 2006, ViƯn Khoa häc Thđy lỵi miỊn Nam TiÕng Anh 1 Tawatchai Tingsanchali . VIệN KHOA HọC THủY LợI MIềN NAM Đinh Công Sản MộT Số VấN Đề Về ĐộNG LựC HọC DòNG CHảY V QUAN Hệ HìNH THáI SÔNG CửU LONG Chuyên ngành: Chỉnh trị sông và bờ biển Mã số: 62449401. tình hình nghiên cứu về động lực học dòng chảy và quan hệ hình thái sông; Chơng 2: Cơ sở thực tiễn và phơng pháp luận trong nghiên cứu về sự hình thành và phát triển hố xói cục bộ trong lòng sông. lòng sông tự nhiên; Chơng 4: ứng dụng kết qủa nghiên cứu vào chỉnh trị đọan sạt lở Tân Châu- sông Tiền. CHƯƠNG 1 : tổng quan tình hình nghiên cứu động lực học dòng chảy v quan hệ hình thái sông