DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... ii
1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................................1
2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ......................................................................4
2.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới .........................................................4
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................6
3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................7
3.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................7
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................8
3.3. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................8
3.4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................10
4. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI ..............................................................................14
5. BỐ CỤC DỰ KIẾN ......................................................................................15
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................17
i
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Một số vị trí xói lở trong đoạn sông Sài Gòn (điểm màu đỏ là vị trí bị
thông báo xói lở) [1] .....................................................................................................2
Hình 2. Cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp ở đoạn sông cong [2] .......................3
Hình 3. Vị trí đoạn Thanh Đa trên thực tế..........................................................8
Hình 4. Mô hình thủy lực thu nhỏ đoạn Thanh Đa trong phòng thí nghiệm......8
Hình 5. Vị trí các mặt cắt .................................................................................11
Hình 6. Mô tả hệ thống PIV .............................................................................12
ii
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, tình hình sạt lở bờ sông Sài Gòn đang có xu thế gia
tăng và diễn biến ngày càng phức tạp, gây ra những thiệt hại không nhỏ đến dân sinh,
kinh tế. Theo Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, các khu vực có nguy cơ sạt lở cao
trên sông Sài Gòn là thượng lưu và hạ lưu nhà kho tang vật Công an quận Bình Thạnh
(dài khoảng 100m); khu vực từ bờ kè Công đoàn đến Trại cai nghiện ma túy phường
27, quận Bình Thạnh; khu vực hố xói nhà thờ Lasan Mai Thôn và hạ lưu của hố xói
nhà thờ Lasan Mai Thôn đến biệt thự Lý Hoàng; khu vực từ cảng container về phía
hạ lưu, phường Trường Thọ, quận Thủ Đức (có chiều dài 500m) nằm trên bờ lõm hố
xói sâu 20-25m... Đoạn bờ tại khu vực bán đảo Thanh Đa thuộc phường 27, 28 - quận
Bình Thạnh có chiều dài tổng cộng khoảng 1km trong những năm gần đây bị trượt lở
nghiêm trọng. Đây là khu vực rất đông dân cư nên nhà cửa và hàng quán mọc san sát
nhau. Có thể điểm qua một số vụ trượt lở đáng chú ý như sau:
+ Đoạn đường bờ có chiều dài khoảng 300m, cách rạch Ông Ngữ 200m về phía
hạ lưu thuộc khu phố 1 phường 28, quận Bình Thạnh, cũng đang bị sạt lở với tốc độ
trung bình 1.8m/năm.
+ Lúc 22h30 ngày 29/06/2007 và 22h45 ngày 30/06/2007, các đợt trượt lở liên
tiếp xảy ra tại khu vực phường 26, quận Bình Thạnh đã làm 15 căn nhà trên đường
Xô Viết Nghệ Tĩnh (địa chỉ số 801/70, 801/82, 801/82, 801/84, 801/86, 801/88...) bị
sụp xuống sông, may mắn không có thiệt hại về người.
+ Vụ sạt lở nghiêm trọng xảy ra vào khoảng 23h ngày 24/7/2010 tại khu vực bờ
sông kênh Thanh Đa (một nhánh của sông Sài Gòn, thuộc phường 27, quận Bình
Thạnh, TP.HCM). 11 căn nhà của người dân nằm trên đường Thanh Đa, phường 27,
quận Bình Thạnh bị sụp xuống sông và 12 căn nhà khác bị hư hại với nhiều mức độ
khác nhau.
Trước thực tế đó, việc chủ động phòng chống và đưa ra được những giải pháp
hữu hiệu để bảo vệ bờ sông thực sự cấp thiết.
Sạt lở bờ sông là một quá trình phức tạp, nó phụ thuộc nhiều yếu tố như: vật
liệu cấu tạo địa chất, hình thái sông, chế độ dòng chảy trong sông, các hoạt động dân
sinh… cụ thể trong thực tế là tác động thường xuyên và có tính vỗ đập của sóng (do
1
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
tàu thuyền, gió…), dòng chảy ép sát bờ, tình trạng khai thác cát trái phép gây xói sâu
dẫn đến sạt bờ, các công trình xây dựng ven bờ làm gia tăng áp lực lên lên mái bờ…
Theo thống kê trong nghiên cứu của Thiềm Quốc Tuấn, đoạn sông Sài Gòn từ
cầu Bình Phước đến ngã ba mũi Nhà Bè có nhiều điểm sạt lở (Hình 1) [1]. Hầu hết
các điểm sạt lở trong Hình 1 đều xảy ra ở đoạn sông cong.
Hình 1. Một số vị trí xói lở trong đoạn sông Sài Gòn (điểm màu đỏ là vị trí bị
thông báo xói lở) [1]
Tại những đoạn sông cong thường xuất hiện dòng chảy thứ cấp (những dòng
chuyển động trong sông không theo phương chung, có hướng ngang vuông góc với
bờ). Sơ lược cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp như sau: khi nước chảy qua những đoạn
sông cong, lực li tâm hướng theo phương của bán kính cong sẽ kết hợp với áp suất
dư của nước làm cho lớp nước theo phương thẳng đứng sẽ bị phân tách thành 2 phần:
phần phía trên dịch chuyển theo chiều của lực li tâm hướng từ bờ lồi sang bờ lõm,
lớp nước phía dưới thì di chuyển ngược lại theo chiều của áp suất dư từ bờ lõm sang
bờ lồi. Như vậy dòng chảy thứ cấp 1 chiều ở trong sông được hình thành. Dòng chảy
thứ cấp này gây xói bờ lõm và mang vật chất của bờ lõm sang bồi đắp bên bờ lồi
(Hình 2).
2
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
Hình 2. Cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp ở đoạn sông cong [2]
Dòng chảy thứ cấp là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến biến
hình lòng dẫn. Do tác dụng của dòng chảy thứ cấp mà dòng chảy trên mặt có lượng
ngậm cát tương đối bé chảy về phía bờ lõm, dòng chảy đáy có lượng ngậm cát tương
đối lớn chảy về phía bờ lồi làm xói bờ lõm và bồi bờ lồi. Ở những đoạn sông cong
gấp khúc, bùn cát ở đáy theo dòng chảy vòng di chuyển từ bờ lõm sang bờ lồi đối
diện và lắng đọng. Dòng chảy thứ cấp hướng ngang kết hợp với dòng chảy dọc làm
thành dòng chảy xoắn. Kích thước quy mô dòng chảy xoắn không giống nhau. Đối
với dòng chảy xoắn lớn có thể chiếm một phần lớn trong mặt cắt ngang của dòng
sông và ảnh hưởng đến sự biến hình lòng sông [3].
Vậy, để hiểu rõ cấu trúc của dòng chảy thứ cấp và ảnh hưởng của dòng thứ cấp
đến vấn đề sạt lở bờ sông như thế nào và làm sao để có thể hạn chế tác động của dòng
thứ cấp đến sạt lở bờ sông cong thì chưa có nghiên cứu cụ thể, đặc biệt là đoạn cong
Thanh Đa trên sông Sài Gòn trong những năm gần đây sạt lở bờ xảy ra thường xuyên
và nghiêm trọng. Xuất phát từ ý tưởng trên, đề tài “Nghiên cứu tác động của dòng
thứ cấp lên sạt lở bờ đoạn sông cong trên mô hình thủy lực thu nhỏ” được thực
hiện nhằm làm rõ vấn đề đã nêu cho đoạn Thanh Đa. Cụ thể, đề tài này sẽ đi chi tiết
vào nghiên cứu cấu trúc dòng thứ cấp, từ đó tìm ra ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên
sạt lở bờ để đoán sạt lở bờ và tìm giải pháp hạn chế tác động. Việc tập trung nghiên
cứu về bản chất xói lở để hạn chế dòng thứ cấp trong đề tài này là một nội dung mới
và đáp ứng được tình hình thực tế hiện nay. Bên cạnh đó việc kết hợp nghiên cứu trên
cả 2 mô hình: mô phỏng dòng 3 chiều và mô hình vật lý đoạn sông cong thu nhỏ là
phương pháp nghiên cứu mới, khả thi, phù hợp và ít được nghiên cứu ở Việt Nam.
3
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Từ trước tới nay, một số phương pháp thường được sử dụng để dự báo diễn biến
lòng sông, sạt lở bờ sông như: phương pháp đo đạc hiện trường, phương pháp mô
hình vật lý, phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS và phương pháp mô
hình toán. Các phương pháp này không thể thiếu và phải hỗ trợ cho nhau nhằm đưa
ra kết quả chính xác. Mỗi phương pháp khi áp dụng vào bài toán thực tế đều có những
ưu, nhược điểm riêng. Ví dụ, phương pháp hiện trường đòi hỏi nhiều năm quan trắc
một cách có hệ thống; phương pháp mô hình vật lý là cơ sở để xây dựng các công
thức kinh nghiệm và có khả năng mô phỏng chính xác nhất đoạn sông cần nghiên
cứu... Tùy theo nhu cầu và khả năng kinh tế mà sử dụng các phương pháp phù hợp.
2.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới
Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về cấu trúc phức tạp của dòng chảy qua
các đoạn sông cong, trong đó có sự góp mặt của dòng thứ cấp, gây bồi, xói và sạt lở
bờ sông. Có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm
về dòng thứ cấp ở đoạn kênh cong như:
- Jovein và cộng sự [4] đã làm mô hình thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc dòng
chảy trong kênh cong 900, dài 6m, rộng 0.4m và sâu 0.45m được làm bằng plastic
rắn. Thí nghiệm được làm với các mức lưu lượng khác nhau. Kết quả nhìn chung cho
thấy vận tốc tại đoạn cong rất lớn, vận tốc lớn ở gần bờ trong và vận tốc nhỏ gần bờ
bên ngoài. Qua khỏi đoạn cong thì xu hướng vận tốc đảo ngược lại với vận tốc lớn
nhất phân bố gần bờ ngoài và nhỏ nhất gần bờ trong.
- Thí nghiệm của Abad và Garcia [5] nghiên cứu trên kênh cong Kinoshita (kênh
gồm 7 đoạn cong liên tục và xen kẽ nhau, với tâm là đường cong Kinoshita). Thí
nghiệm được thiết lập theo 2 chiều chảy xuôi và chảy ngược. Kết quả thu được cho
thấy sự ảnh hưởng của bán kính cong và các thông số Reynolds, năng lượng nhớt
rối... có ảnh hưởng nhiều đến vận tốc và sự hình thành dòng chảy thứ cấp.
- Naji Abhari và cộng sự [6] kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình toán cho
dòng thứ cấp trên kênh cong 900 có mặt cắt ngang hình chữ nhật, đáy bằng, và thành
nhẵn.
4
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
- Donatella Termini [7] nghiên cứu “Xói lở bờ và dòng thứ cấp trong kênh thí
nghiệm uốn cong”. Mô hình thí nghiệm được thực hiện với 2 giá trị tỉ lệ rộng/sâu
khác nhau. Nghiên cứu này chú ý đến sự tác động của dòng thứ cấp lên bờ sông (bao
gồm mức độ ổn định của bờ). Kết quả cho thấy, với tỉ lệ rộng/sâu nhỏ (B/h<10) thì
dòng thứ cấp hình thành gần mặt thoáng ở phía bờ ngoài và phát triển cho tới khi lên
tới mặt thoáng rồi triệt tiêu ngay tại đoạn cong. Với tỉ lệ rộng/sâu lớn (B/h>10) thì
gần như không thấy xuất hiện dòng thứ cấp.
- Kết quả nghiên cứu “Dòng chảy qua đoạn sông cong” của Graf và Blanckaert
[8] với mô hình thí nghiệm là kênh có địa hình đáy có thể xói lở được cho thấy dòng
chảy thứ cấp là một hiện tượng đặc trưng trong kênh cong. Vận tốc dòng chảy tăng
dần về phía bờ ngoài và đạt giá trị lớn nhất ở gần đáy. Thí nghiệm trong nghiên cứu
này còn cho thấy có thể giảm xói lở ở đoạn cong bằng cách tạo một vùng đệm hợp lý
ở bờ ngoài để làm giảm vận tốc đập vào bờ ngoài gây xói lở.
Tuy nhiên những nghiên cứu này chỉ tập trung vào kiểm định lý thuyết về dòng
thứ cấp mà chưa ứng công cụ thể trong những địa hình phức tạp trên thực tế.
Một số công trình nghiên cứu dòng thứ cấp được thực hiện bằng cách kết hợp
đo đạc thực địa và mô phỏng bằng mô hình toán như nghiên cứu của Rodi [9],
Shimizu [10], Yang G Lai [11]… Nghiên cứu của Sinha và cộng sự [12] đã áp dụng
mô hình toán ba chiều cho một đoạn dài 4 km của sông Columbia phía hạ lưu của đập
Wanapum. Tuy nhiên đoạn sông này tương đối thẳng, do đó kết quả không thấy rõ
cấu trúc dòng thứ cấp.
Athanasios và cộng sự [13] nghiên cứu kết hợp đo đạc thực địa và làm thí
nghiệm trên mô hình vật lý. Các tác giả đã phân tích số liệu đo đạc thực tế một đoạn
sông thẳng với sự co hẹp và mở rộng đột ngột tại lưu vực Paluose thuộc bang
Washington, Hoa Kỳ. Kết quả cho thấy sự hiện diện của dòng thứ cấp làm tăng độ
lớn ứng suất cắt lên 2 lần, chứng tỏ dòng thứ cấp góp phần gây xói lở bờ sông và đáy
sông. Đồng thời, Athanasios sử dụng mẫu phù sa thu thập từ thực tế để tiến hành làm
thí nghiệm trên một mô hình kênh đơn giản trong phòng thí nghiệm nhằm so sánh kết
quả đo đạc thực tế và kết quả đo đạc thí nghiệm. Nghiên cứu này đã xác định được
mức độ tác động của dòng thứ cấp lên xói lở bờ sông. Tuy nhiên, việc vừa đo đạc
5
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
phân tích hiện trường, vừa thí nghiệm trên mô hình vật lý thật sự tốn kém. Bên cạnh
đó, kết quả nghiên cứu cũng còn nhiều hạn chế như chưa mô tả đúng thực tế và chỉ
áp dụng lên kênh mô hình đơn giản.
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong nước, trong những năm gần đây, nghiên cứu về xói lở, nhất là xói lở trên
những đoạn sông cong chủ yếu dựa vào thống kê, khảo sát thực địa; và mô hình toán
nghiên cứu tổng hợp các tác động.
Nghiên cứu dựa vào khảo sát thực địa của Lê Ngọc Thanh và Nguyễn Văn Giảng
[14] thực hiện khảo sát địa vật lý gần mặt đất để góp phần xác định nguyên nhân sạt
lở bờ sông Tiền và sông Sài Gòn. Kết quả nghiên cứu này đã cho thấy cấu trúc địa
chất bằng việc xác định các ranh giới giữa những lớp trầm tích, các lăng kính chứa
nước, các đụn cát được hình thành qua nhiều giai đoạn khác nhau, góp phần quan
trọng trong việc dự báo sạt lở đất và làm tiền đề cho các luận điểm về tích tụ trầm
tích vùng bờ sông Tiền và bờ sông Sài Gòn.
Các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán chủ yếu dùng mô hình dòng chảy 2
chiều với mục đích phục vụ cho công tác dự báo và thiết kế phương án phòng chống
xói lở. Những mô hình này có nhiều ưu điểm trong tính toán bồi xói. Tuy nhiên chúng
không thể mô tả được cấu trúc dòng thứ cấp theo phương ngang ở những đoạn sông
cong.
Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Hùng [15] sử dụng kết hợp khảo sát hiện trường
(đo đạc địa hình, địa chất lòng sông, chế độ thuỷ lực, thuỷ văn của dòng chảy) và mô
hình Mike21 để phân tích xác định nguyên nhân gây sạt lở khu vực kè Xuân Canh ở
đê tả sông Đuống. Kết quả của nghiên cứu cho thấy nguyên nhân sạt lở chủ yếu do
hình thái lòng sông kết hợp với các yếu tố dòng chảy và các yếu tố địa chất. Tuy
nhiên, nghiên cứu này mới dừng lại ở mức phân tích từ số liệu khảo sát đo đạc về địa
hình, thủy văn, thủy lực và dựa trên kết quả mô hình toán thủy lực để đưa ra các
nguyên nhân tổng hợp gây sạt lở bờ. Vì vậy cần có những nghiên cứu sâu để có thể
làm sáng tỏ hơn nữa những nguyên nhân này.
Một số công trình nghiên cứu về bồi xói trong sông, vùng cửa sông và ven biển
như:
6
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
- Nghiên cứu phòng chống xói lở bờ biển Hải Hậu, Cảnh Dương, Gò Công của
Viện Khoa học Thủy lợi (đề tài KT.03.12.1991 - 1995) [16].
- Dự án đo đạc giám sát diễn biến lòng dẫn, bồi đắp và sạt lở bờ sông, cửa sông
Đồng Nai - Sài Gòn và sông Cửu Long năm 2006 của Hoàng Văn Huân và các tác
giả [17]…
- Báo cáo nghiên cứu khả thi Dự án phòng chống sạt lở bờ sông, bờ biển Gành
Hào - huyện Giá Rai, tỉnh Bạc Liêu do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện
năm 1998 [18].
Mặc dù ở nước ta có rất nhiều công trình nghiên cứu về sạt lở bờ sông, nhưng
vẫn chưa có nghiên cứu đi sâu vào tác động của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ dưới sự
kết hợp mô hình vật lý và mô hình toán.
3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát:
Xác định ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên hiện tượng sạt lở bờ sông Sài Gòn.
Nghiên cứu đề xuất một phương án kỹ thuật hạn chế tác động của dòng thứ cấp
lên bờ sông và đáy sông.
Mục tiêu cụ thể:
(1) Tìm ra sự phân bố vận tốc của dòng chảy.
(2) Mô phỏng cấu trúc dòng chảy thứ cấp qua đoạn sông cong thu nhỏ ở trên và
mở rộng ra mô phỏng cho các tỷ lệ thu nhỏ từ biến dạng đến không biến dạng với
sông
(3) Mối tương quan giữa ứng suất tiếp dòng chảy theo các đặc trưng hình học
và đặc trưng thủy lực của sông cong, cụ thể như sau:
- Ảnh hưởng của đặc trưng hình học sông (hình dạng, kích thước và bán kính
cong) đến cấu trúc dòng thứ cấp và sự phân bố ứng suất tiếp dòng chảy.
- Ảnh hưởng của lưu lượng dẫn trong kênh đến cấu trúc dòng thứ cấp và phân
bố ứng suất tiếp dòng chảy.
7
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
(4) Nghiên cứu đề xuất một phương án kỹ thuật phù hợp hạn chế tác động của
dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông.
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu dựa trên mô hình thủy lực mô phỏng đoạn sông cong kênh Thanh
Đa thuộc phường 27, 28 quận Bình Thạnh - quy mô phòng thí nghiệm.
Hình 3. Vị trí đoạn Thanh Đa trên
thực tế
Hình 4. Mô hình thủy lực thu nhỏ
đoạn Thanh Đa trong phòng thí nghiệm
3.3. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Tổng quan lý thuyết
- Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến dòng thứ cấp và
sạt lở bờ sông.
- Tìm hiểu và nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mô hình toán mô phỏng cấu trúc
dòng thứ cấp.
- Dựa trên các thông tin tìm hiểu được, thiết kế các phương án thí nghiệm và
các kịch bản mô phỏng dòng thứ cấp để giải quyết vấn đề.
Kết quả cần đạt:
- Tổng quan tình hình nghiên cứu.
- Nắm vững cơ sở lý thuyết mô hình toán.
- Đề xuất phương án thí nghiệm và các kịch bản mô phỏng.
Nội dung 2: Xác định các thông số vật lý từ mô hình vật lý thu nhỏ
- Xây dựng mô hình vật lý thu nhỏ theo tỷ lệ biến dạng 1: 500 theo phương
ngang và 1:100 theo phương đứng.
- Đo đạc các thông số về địa hình đáy của mô hình thu nhỏ.
8
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
- Đo đạc giá trị mực nước của mô hình thu nhỏ theo các chế độ lưu lượng khác
nhau: cao, trung bình, và thấp.
- Thí nghiệm chụp ảnh PIV (Particle Image Velocimetry) bề mặt dòng chảy;
phân tích và tính toán trường vận tốc từ thí nghiệm này.
Kết quả cần đạt:
- Số liệu đo đạc địa hình đáy của mô hình thu nhỏ.
- Số liệu đo đạc mực nước và vận tốc của mô hình thu nhỏ theo các chế độ lưu
lượng khác nhau: cao, trung bình, và thấp.
Nội dung 3: Tính toán dòng chảy 3 chiều tương ứng mô hình thủy lực cho
đoạn sông cong thu nhỏ
- Thiết lập mô hình hình học và các điều kiện tính toán.
- Chọn phương pháp giải cấu trúc dòng phù hợp.
- Mô phỏng đối với các mô hình có tỉ lệ thu nhỏ khác nhau:
• (1) Tỉ lệ ngang 1:500; tỉ lệ đứng 1:100
• (2) Tỉ lệ ngang 1: 250; tỉ lệ đứng 1:100
• (3) Tỉ lệ ngang 1: 100; tỉ lệ đứng 1:100
Mỗi trường hợp tỉ lệ thu nhỏ sẽ được mô phỏng với 3 mức lưu lượng khác nhau:
cao, trung bình, và thấp.
Đối với trường hợp (1), kết quả mô phỏng sẽ được hiệu chỉnh với kết quả đo
đạc từ thí nghiệm.
Kết quả cần đạt:
- Kết quả hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình toán với mô hình vật lý (trường hợp
1) phải phù hợp với nhau và đảm bảo độ chính xác cao của mô hình toán.
- Mô hình toán ứng dụng phải phù hợp và đảm bảo đúng bản chất về các thông
số Froude, Reynolds của sông thực.
- Mô phỏng được cấu trúc dòng chảy thứ cấp.
Nội dung 4: Xác định tương tác của dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông
- Thống kê và phân tích kết quả để đưa ra kết luận về mối liên hệ của hình dạng,
kích thước, bán kính cong, lưu lượng dẫn trong kênh đến phân bố ứng suất tiếp dòng
chảy.
9
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
- Tổng hợp để đưa ra ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ sông đoạn cong
Thanh Đa dựa vào hiện trạng sạt lở thực tế ở đoạn sông đó.
Kết quả cần đạt:
- Mối liên hệ giữa cấu trúc dòng thứ cấp và ứng suất tiếp.
- Mức độ ảnh hưởng của dòng thứ cấp đến sạt lở bờ sông đoạn cong Thanh Đa.
Nội dung 5: Đề xuất giải pháp kỹ thuật để hạn chế tác động của dòng thứ
cấp lên bờ sông và đáy sông
(1) Từ các kết quả phân tích được ở nội dung 4, đề ra giải pháp kỹ thuật thích
hợp để hạn chế tác động của dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông.
(2) Thực nghiệm giải pháp đó trên mô hình vật lý biến dạng.
(3) Ứng dụng mô hình toán tương ứng với trường hợp thí nghiệm trên mô hình
biến dạng.
(4) Ứng dụng mô hình toán cho trường hợp sử dụng giải pháp trên mô hình thu
nhỏ không biến dạng.
(5) Phân tích hiệu quả của giải pháp kỹ thuật dựa trên kết quả tính.
Kết quả cần đạt:
Đánh giá được tính hiệu quả của giải pháp kỹ thuật bằng so sánh cấu trúc dòng
thứ cấp trong đoạn sông cong trước và sau khi có giải pháp.
3.4. Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành các nội dung được đề ra, một số phương pháp chính được sử
dụng trong đề tài bao gồm:
-
Phương pháp thu thập số liệu và tài liệu;
-
Phương pháp thực nghiệm;
-
Phương pháp mô hình toán.
3.4.1. Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu
-
Thu thập và tổng hợp tài liệu, sách, báo, báo cáo, các nghiên cứu trong và
ngoài nước có liên quan đến đề tài…
-
Thu thập tài liệu về lý thuyết mô hình toán liên quan: lý thuyết về động lực
học, thủy lực…
10
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
-
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
Thu thập các số liệu về động lực học trên đoạn sông thực tế để thiết kế các
kịch bản phù hợp cho thí nghiệm trên mô hình vật lý thu nhỏ.
3.4.2. Phương pháp thực nghiệm: thí nghiệm trên mô hình vật lý
Đo đạc trên mô hình thuỷ lực thu nhỏ của sông Sài Gòn – đoạn Thanh Đa. Mô
hình thu nhỏ được xây dựng dựa vào tiêu chuẩn Froude theo công thức:
V
g .H
V'
(1)
g .H '
với V ,V ' lần lượt là vận tốc dòng chảy của sông thực và vận tốc dòng chảy mô
hình thu nhỏ, H, H ' lần lượt là độ sâu dòng chảy của sông thực và mô hình thu nhỏ.
Ngoài ra, dòng chảy trong mô hình thu nhỏ cũng phải thoả mãn số Reynolds
trong miền chảy rối giống dòng chảy thực tế trên sông. Vì không thể đáp ứng đồng
thời cả 2 quy luật đồng dạng về số Froude và số Reynold nên xây dựng mô hình thu
nhỏ dựa trên sự đồng dạng số Froude và giữ Reynolds trên 500 để đảm bảo điều kiện
chảy rối trong mô hình thu nhỏ.
Mô hình thu nhỏ được xây dựng dựa trên số liệu đo đạc địa hình từng mặt cắt
năm 2011. Các mặt cắt được đánh số như trong Hình 5.
Hình 5. Vị trí các mặt cắt
Để thu thập số liệu vận tốc bề mặt dòng chảy nhằm phục vụ cho việc hiệu chỉnh
mô hình số, phương pháp thí nghiệm được sử dụng là phương pháp PIV (Partilce
Image Velocimetry) (Hình 6).
11
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
Hình 6. Mô tả hệ thống PIV
Nguyên lý cơ bản của PIV là thả những hạt nhỏ (tracer particle) trong dòng chảy
và chiếu sáng vào vùng cần nghiên cứu để một thiết bị ghi hình các vị trí hạt này tại
hai thời điểm rất gần nhau (thiết bị được sử dụng là máy ảnh có thể chụp được 36
hình/giây). Từ hình ảnh thu được tại 2 thời điểm liên tiếp, phân tích vết di chuyển các
hạt này để tìm trường vận tốc của dòng chảy.
Phương pháp PIV được lựa chọn trong thí nghiệm này bởi những ưu điểm sau:
-
Không làm xáo trộn trường dòng chảy.
-
Xác định được trường vận tốc bề mặt của dòng chảy.
Sử dụng mô hình vật lý để đo đạc các thông số địa hình, mực nước và vận tốc
dòng chảy bề mặt, phục vụ cho việc thiết lập và hiệu chỉnh mô hình toán.
3.4.3. Phương pháp mô hình toán: mô hình toán 3 chiều
Trong đề tài này, phương pháp mô hình toán sẽ được sử dụng để mô phỏng các
quá trình vật lý, quá trình chuyển động của dòng chảy trong sông bằng những phương
trình toán học là những phương trình vi phân cơ bản (phương trình liên tục và phương
trình động lượng). Những phương trình này sẽ được giải xấp xỉ bằng phương pháp
thích hợp như phương pháp sai phân hữu hạn, hay phương pháp phần tử hữu hạn,…
để tính toán các thành phần dòng chảy như mực nước, vận tốc, lưu lượng,… tại những
vị trí khác nhau trong khu vực tính toán.
Sử dụng mô hình toán để thấy được các kết quả sau:
-
Quá trình hình thành dòng chảy thứ cấp trên các đoạn sông cong trong thực tế.
-
Sự phân bố trường vận tốc và phân bố ứng suất tiếp trên các đoạn sông cong.
12
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
-
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
Sự thay đổi của vận tốc và ứng suất tiếp ứng với đoạn sông cong trong trường
hợp có sự thay đổi giữa tỉ lệ độ rộng và độ sâu của sông.
Nhìn chung, phương pháp mô hình toán là phương pháp được sử dụng phổ
biến để nghiên cứu rất nhiều vấn đề trong lĩnh vực đời sống. Hiện nay có rất nhiều
mô hình có thể được xem xét lựa chọn để phục vụ tính toán dòng chảy như mô hình
Ansys Fluent, Mike 3D, CCHE3D… Trong đề tài này sẽ ứng dụng Ansys Fluent để
tính toán dòng chảy 3 chiều vì ưu điểm mô hình này cho kết quả mô phỏng tốt cấu
trúc dòng chảy.
Cơ sở lý thuyết mô hình Ansys Fluent
Miền tính
Miền tính toán 3 chiều là khối nước được giới hạn bởi địa hình đáy kênh, mặt
thoáng, đầu vào của mô hình thuỷ lực, và đầu ra. Số liệu địa hình đáy và mực nước
cho mô hình tính được đo lại tại các mặt cắt của mô hình thủy lực thu nhỏ.
Phương trình mô tả
Chảy rối là trạng thái chuyển động của dòng chất lỏng có hình dạng ngẫu nhiên
và chuyển động xoáy hỗn loạn theo 3 chiều. Tất cả các mô hình rối đều xuất phát từ
hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục và phương trình động lượng.
Có nhiều mô hình rối, bao gồm mô hình giải trực tiếp lưới thô (coarse DNS),
nhiều mô hình RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations), và mô hình
LES (Large Eddy Simulation). Sau khi thử nghiệm các mô hình, chỉ có mô hình LES
thể hiện hợp lý cấu trúc dòng.
Các phương trình quan trọng sử dụng cho mô hình rối LES thu được nhờ việc
lọc các biến trong phương trình Navier-Stokes. Phương trình lọc Navier-Stokes như
sau:
u i
0
xi
và
(2)
u i
u i
2ui
1 p τ ij
u j
t
x j
x j x j
x j x j
(3)
Các phương trình này mô tả sự chuyển động của xoáy lớn, còn các xoáy nhỏ
được mô phỏng qua mô hình rối SGS (subgrid-scale) τij:
13
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
ij u i u j u i u j
(4)
Mô hình SGS Smagorinsky có dạng (Piomelli, 1999):
1
3
ij ij 2 T S ij
1 u i u j
S
với ij 2 x x
i
j
(5)
(6)
Độ nhớt rối trong mô hình được biểu diễn như phương trình (7):
T (C S ) 2 S
(7)
với CS là hằng số Smagorinsky.
Điều kiện biên
Điều kiên bên bao gồm: điều kiện biên không trượt trên đáy kênh, điều kiện
không ứng suất tiếp trên mặt thoáng, điều kiện biên với phân bố vận tốc đều ở đầu
vào, và điều kiện dòng phát triển đều ở đầu ra.
Vận tốc ở đầu vào được được tính theo lưu lượng và diện tích ướt. Độ rối ở đầu
vào được bỏ qua.
4. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học: Kết quả công việc mà đề tài hướng đến sẽ góp phần hiểu rõ
bản chất của dòng thứ cấp, một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến sạt lở bờ
sông cong. Tuy dòng thứ cấp đã được nghiên cứu trước đây, nhưng ở Việt Nam chưa
có nghiên cứu sâu được tiến hành cũng như ứng dụng để giải quyết vấn đề xói lở đoạn
cong Thanh Đa trên sông Sài Gòn.
Ý nghĩa thực tiễn: đề tài hướng đến giải quyết vấn đề thực tế: xói lở bờ sông
trên những đoạn sông cong.
Bên cạnh đó, những mối tương quan giữa ứng suất tiếp, đặc trưng hình học và
thủy lực của đoạn sông cong (bán kính cong, lưu lượng và tỉ lệ giữa độ rộng và độ
sâu của kênh) đối với một số đoạn sông Sài Gòn có thể phục vụ tốt cho những nghiên
cứu sâu hơn, và thực tế hơn cho các đoạn sông khác ở Việt Nam.
14
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
5. BỐ CỤC DỰ KIẾN
TÓM TẮT
ABSTRACT
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
2. Mục tiêu nghiên cứu
3. Nội dung nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu
5. Ý nghĩa của đề tài
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÒNG THỨ CẤP TRÊN ĐOẠN
SÔNG CONG
1.1 Tình hình sạt lở bờ sông
1.2 Dòng thứ cấp trên đoạn sông cong
1.3 Tình hình nghiên cứu về dòng thứ cấp ảnh hưởng đến sạt lở bờ sông
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ THU NHỎ
SÔNG SÀI GÒN ĐOẠN CONG THANH ĐA
2.1 Xây dựng mô hình vật lý
2.2 Các phương pháp thực nghiệm
15
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG
CỦA DÒNG THỨ CẤP LÊN SẠT LỞ BỜ SÔNG CONG
3.1 Dữ liệu đầu vào cho mô hình
3.2 Trình tự tính toán mô hình
3.2.1 Phương pháp giải cấu trúc dòng
3.2.2 Kiểm tra độ hội tụ của lưới tính toán
3.2.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
3.3 Mô phỏng theo các kịch bản tính toán
3.4 Kết quả tính toán, phân tích và kết luận
CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG THỨ CẤP CHO
KHU VỰC NGHIÊN CỨU
4.1 Đề xuất giải pháp kỹ thuật thích hợp để hạn chế tác động của dòng thứ
cấp lên bờ sông và đáy sông
4.2 Thực nghiệm trên mô hình vật lý và mô phỏng trên mô hình toán
4.3 Phân tích tính hiệu quả của giải pháp kỹ thuật
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1 Kết quả đạt được
2 Hạn chế
3 Hướng phát triển
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
16
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
Thiềm Quốc Tuấn, Huỳnh Ngọc Sang, Đậu Văn Ngọ (2008). Hiện trạng trượt
lở bờ sông Sài Gòn, phương hướng ngăn ngừa khắc phục. Tạp chí phát triển
KH&CN, tập 11, số 11 – 2008.
[2]
DHI Water & Environment. Mike 21C River Morphology - A Short
Description.
[3]
Nguyễn Thị Nga, Trần Thục (2003). Động lực học sông. NXB ĐHQGHN, 2003.
[4]
E. B. Jovein, S. M. Ghaneeizad, A. A. Akhtari (2009). Experimental Study on
Flow Structure in Strongly Curved Open Channel 90-degree Bends.
International Symposium on Water Management and Hydraulic Engineering
Ohrid/Macedonia, 1-5 Sep 2009. pp. 98 – 108.
[5]
Abad, J.D., Garcia, M.H. Experiments in a high-amplitude kinoshita
meandering channel: 1. implications of bend orientation on mean and
turbulentflow structure. Water Resources Research, Vol. 45, W02401.
[6]
M. Naji Abhari et al (2010). Experimental and numerical simulation of flow in
a 90° bend. Flow Measurement and Instrumentation 21 (2010) 292–298.
[7]
Donatella Termini (2013). Bank erosion and secondary circulation in a
meandering laboratory flume. The 3rd International Geography Symposium –
GEOMED2013. Procedia – Social and Behavioral Sciences 120(2014),pp. 496
– 505.
[8]
W.H. Graf, K. Blanckaert (2002). Flow around bends in rivers. The 2nd
International Conference New Trends in Water and Environmental Engineering
for Safety and Life: Eco-compatible Solutions for Aquatic Environments. Capri
(Italy), June 24-28, 2002.
[9]
Rodi, w., and Leschziner, M. A. Calculation ofStrongly Curved Open Channel
Flow, J. of Hyd. Div., ASCE, (1978) 105(HY10)
[10] Y. Shimizu, T. Itakura. Calculation of Bed Variation in AlluvialChannels, J.
Hydraul. Eng. 115(3), (1989) 367-384
17
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................................1
2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ......................................................................4
2.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới .........................................................4
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................6
3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................7
3.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................7
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................8
3.3. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................8
3.4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................10
4. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI ..............................................................................14
5. BỐ CỤC DỰ KIẾN ......................................................................................15
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................17
i
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Một số vị trí xói lở trong đoạn sông Sài Gòn (điểm màu đỏ là vị trí bị
thông báo xói lở) [1] .....................................................................................................2
Hình 2. Cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp ở đoạn sông cong [2] .......................3
Hình 3. Vị trí đoạn Thanh Đa trên thực tế..........................................................8
Hình 4. Mô hình thủy lực thu nhỏ đoạn Thanh Đa trong phòng thí nghiệm......8
Hình 5. Vị trí các mặt cắt .................................................................................11
Hình 6. Mô tả hệ thống PIV .............................................................................12
ii
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, tình hình sạt lở bờ sông Sài Gòn đang có xu thế gia
tăng và diễn biến ngày càng phức tạp, gây ra những thiệt hại không nhỏ đến dân sinh,
kinh tế. Theo Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, các khu vực có nguy cơ sạt lở cao
trên sông Sài Gòn là thượng lưu và hạ lưu nhà kho tang vật Công an quận Bình Thạnh
(dài khoảng 100m); khu vực từ bờ kè Công đoàn đến Trại cai nghiện ma túy phường
27, quận Bình Thạnh; khu vực hố xói nhà thờ Lasan Mai Thôn và hạ lưu của hố xói
nhà thờ Lasan Mai Thôn đến biệt thự Lý Hoàng; khu vực từ cảng container về phía
hạ lưu, phường Trường Thọ, quận Thủ Đức (có chiều dài 500m) nằm trên bờ lõm hố
xói sâu 20-25m... Đoạn bờ tại khu vực bán đảo Thanh Đa thuộc phường 27, 28 - quận
Bình Thạnh có chiều dài tổng cộng khoảng 1km trong những năm gần đây bị trượt lở
nghiêm trọng. Đây là khu vực rất đông dân cư nên nhà cửa và hàng quán mọc san sát
nhau. Có thể điểm qua một số vụ trượt lở đáng chú ý như sau:
+ Đoạn đường bờ có chiều dài khoảng 300m, cách rạch Ông Ngữ 200m về phía
hạ lưu thuộc khu phố 1 phường 28, quận Bình Thạnh, cũng đang bị sạt lở với tốc độ
trung bình 1.8m/năm.
+ Lúc 22h30 ngày 29/06/2007 và 22h45 ngày 30/06/2007, các đợt trượt lở liên
tiếp xảy ra tại khu vực phường 26, quận Bình Thạnh đã làm 15 căn nhà trên đường
Xô Viết Nghệ Tĩnh (địa chỉ số 801/70, 801/82, 801/82, 801/84, 801/86, 801/88...) bị
sụp xuống sông, may mắn không có thiệt hại về người.
+ Vụ sạt lở nghiêm trọng xảy ra vào khoảng 23h ngày 24/7/2010 tại khu vực bờ
sông kênh Thanh Đa (một nhánh của sông Sài Gòn, thuộc phường 27, quận Bình
Thạnh, TP.HCM). 11 căn nhà của người dân nằm trên đường Thanh Đa, phường 27,
quận Bình Thạnh bị sụp xuống sông và 12 căn nhà khác bị hư hại với nhiều mức độ
khác nhau.
Trước thực tế đó, việc chủ động phòng chống và đưa ra được những giải pháp
hữu hiệu để bảo vệ bờ sông thực sự cấp thiết.
Sạt lở bờ sông là một quá trình phức tạp, nó phụ thuộc nhiều yếu tố như: vật
liệu cấu tạo địa chất, hình thái sông, chế độ dòng chảy trong sông, các hoạt động dân
sinh… cụ thể trong thực tế là tác động thường xuyên và có tính vỗ đập của sóng (do
1
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
tàu thuyền, gió…), dòng chảy ép sát bờ, tình trạng khai thác cát trái phép gây xói sâu
dẫn đến sạt bờ, các công trình xây dựng ven bờ làm gia tăng áp lực lên lên mái bờ…
Theo thống kê trong nghiên cứu của Thiềm Quốc Tuấn, đoạn sông Sài Gòn từ
cầu Bình Phước đến ngã ba mũi Nhà Bè có nhiều điểm sạt lở (Hình 1) [1]. Hầu hết
các điểm sạt lở trong Hình 1 đều xảy ra ở đoạn sông cong.
Hình 1. Một số vị trí xói lở trong đoạn sông Sài Gòn (điểm màu đỏ là vị trí bị
thông báo xói lở) [1]
Tại những đoạn sông cong thường xuất hiện dòng chảy thứ cấp (những dòng
chuyển động trong sông không theo phương chung, có hướng ngang vuông góc với
bờ). Sơ lược cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp như sau: khi nước chảy qua những đoạn
sông cong, lực li tâm hướng theo phương của bán kính cong sẽ kết hợp với áp suất
dư của nước làm cho lớp nước theo phương thẳng đứng sẽ bị phân tách thành 2 phần:
phần phía trên dịch chuyển theo chiều của lực li tâm hướng từ bờ lồi sang bờ lõm,
lớp nước phía dưới thì di chuyển ngược lại theo chiều của áp suất dư từ bờ lõm sang
bờ lồi. Như vậy dòng chảy thứ cấp 1 chiều ở trong sông được hình thành. Dòng chảy
thứ cấp này gây xói bờ lõm và mang vật chất của bờ lõm sang bồi đắp bên bờ lồi
(Hình 2).
2
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
Hình 2. Cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp ở đoạn sông cong [2]
Dòng chảy thứ cấp là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến biến
hình lòng dẫn. Do tác dụng của dòng chảy thứ cấp mà dòng chảy trên mặt có lượng
ngậm cát tương đối bé chảy về phía bờ lõm, dòng chảy đáy có lượng ngậm cát tương
đối lớn chảy về phía bờ lồi làm xói bờ lõm và bồi bờ lồi. Ở những đoạn sông cong
gấp khúc, bùn cát ở đáy theo dòng chảy vòng di chuyển từ bờ lõm sang bờ lồi đối
diện và lắng đọng. Dòng chảy thứ cấp hướng ngang kết hợp với dòng chảy dọc làm
thành dòng chảy xoắn. Kích thước quy mô dòng chảy xoắn không giống nhau. Đối
với dòng chảy xoắn lớn có thể chiếm một phần lớn trong mặt cắt ngang của dòng
sông và ảnh hưởng đến sự biến hình lòng sông [3].
Vậy, để hiểu rõ cấu trúc của dòng chảy thứ cấp và ảnh hưởng của dòng thứ cấp
đến vấn đề sạt lở bờ sông như thế nào và làm sao để có thể hạn chế tác động của dòng
thứ cấp đến sạt lở bờ sông cong thì chưa có nghiên cứu cụ thể, đặc biệt là đoạn cong
Thanh Đa trên sông Sài Gòn trong những năm gần đây sạt lở bờ xảy ra thường xuyên
và nghiêm trọng. Xuất phát từ ý tưởng trên, đề tài “Nghiên cứu tác động của dòng
thứ cấp lên sạt lở bờ đoạn sông cong trên mô hình thủy lực thu nhỏ” được thực
hiện nhằm làm rõ vấn đề đã nêu cho đoạn Thanh Đa. Cụ thể, đề tài này sẽ đi chi tiết
vào nghiên cứu cấu trúc dòng thứ cấp, từ đó tìm ra ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên
sạt lở bờ để đoán sạt lở bờ và tìm giải pháp hạn chế tác động. Việc tập trung nghiên
cứu về bản chất xói lở để hạn chế dòng thứ cấp trong đề tài này là một nội dung mới
và đáp ứng được tình hình thực tế hiện nay. Bên cạnh đó việc kết hợp nghiên cứu trên
cả 2 mô hình: mô phỏng dòng 3 chiều và mô hình vật lý đoạn sông cong thu nhỏ là
phương pháp nghiên cứu mới, khả thi, phù hợp và ít được nghiên cứu ở Việt Nam.
3
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Từ trước tới nay, một số phương pháp thường được sử dụng để dự báo diễn biến
lòng sông, sạt lở bờ sông như: phương pháp đo đạc hiện trường, phương pháp mô
hình vật lý, phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS và phương pháp mô
hình toán. Các phương pháp này không thể thiếu và phải hỗ trợ cho nhau nhằm đưa
ra kết quả chính xác. Mỗi phương pháp khi áp dụng vào bài toán thực tế đều có những
ưu, nhược điểm riêng. Ví dụ, phương pháp hiện trường đòi hỏi nhiều năm quan trắc
một cách có hệ thống; phương pháp mô hình vật lý là cơ sở để xây dựng các công
thức kinh nghiệm và có khả năng mô phỏng chính xác nhất đoạn sông cần nghiên
cứu... Tùy theo nhu cầu và khả năng kinh tế mà sử dụng các phương pháp phù hợp.
2.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới
Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về cấu trúc phức tạp của dòng chảy qua
các đoạn sông cong, trong đó có sự góp mặt của dòng thứ cấp, gây bồi, xói và sạt lở
bờ sông. Có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm
về dòng thứ cấp ở đoạn kênh cong như:
- Jovein và cộng sự [4] đã làm mô hình thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc dòng
chảy trong kênh cong 900, dài 6m, rộng 0.4m và sâu 0.45m được làm bằng plastic
rắn. Thí nghiệm được làm với các mức lưu lượng khác nhau. Kết quả nhìn chung cho
thấy vận tốc tại đoạn cong rất lớn, vận tốc lớn ở gần bờ trong và vận tốc nhỏ gần bờ
bên ngoài. Qua khỏi đoạn cong thì xu hướng vận tốc đảo ngược lại với vận tốc lớn
nhất phân bố gần bờ ngoài và nhỏ nhất gần bờ trong.
- Thí nghiệm của Abad và Garcia [5] nghiên cứu trên kênh cong Kinoshita (kênh
gồm 7 đoạn cong liên tục và xen kẽ nhau, với tâm là đường cong Kinoshita). Thí
nghiệm được thiết lập theo 2 chiều chảy xuôi và chảy ngược. Kết quả thu được cho
thấy sự ảnh hưởng của bán kính cong và các thông số Reynolds, năng lượng nhớt
rối... có ảnh hưởng nhiều đến vận tốc và sự hình thành dòng chảy thứ cấp.
- Naji Abhari và cộng sự [6] kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình toán cho
dòng thứ cấp trên kênh cong 900 có mặt cắt ngang hình chữ nhật, đáy bằng, và thành
nhẵn.
4
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
- Donatella Termini [7] nghiên cứu “Xói lở bờ và dòng thứ cấp trong kênh thí
nghiệm uốn cong”. Mô hình thí nghiệm được thực hiện với 2 giá trị tỉ lệ rộng/sâu
khác nhau. Nghiên cứu này chú ý đến sự tác động của dòng thứ cấp lên bờ sông (bao
gồm mức độ ổn định của bờ). Kết quả cho thấy, với tỉ lệ rộng/sâu nhỏ (B/h<10) thì
dòng thứ cấp hình thành gần mặt thoáng ở phía bờ ngoài và phát triển cho tới khi lên
tới mặt thoáng rồi triệt tiêu ngay tại đoạn cong. Với tỉ lệ rộng/sâu lớn (B/h>10) thì
gần như không thấy xuất hiện dòng thứ cấp.
- Kết quả nghiên cứu “Dòng chảy qua đoạn sông cong” của Graf và Blanckaert
[8] với mô hình thí nghiệm là kênh có địa hình đáy có thể xói lở được cho thấy dòng
chảy thứ cấp là một hiện tượng đặc trưng trong kênh cong. Vận tốc dòng chảy tăng
dần về phía bờ ngoài và đạt giá trị lớn nhất ở gần đáy. Thí nghiệm trong nghiên cứu
này còn cho thấy có thể giảm xói lở ở đoạn cong bằng cách tạo một vùng đệm hợp lý
ở bờ ngoài để làm giảm vận tốc đập vào bờ ngoài gây xói lở.
Tuy nhiên những nghiên cứu này chỉ tập trung vào kiểm định lý thuyết về dòng
thứ cấp mà chưa ứng công cụ thể trong những địa hình phức tạp trên thực tế.
Một số công trình nghiên cứu dòng thứ cấp được thực hiện bằng cách kết hợp
đo đạc thực địa và mô phỏng bằng mô hình toán như nghiên cứu của Rodi [9],
Shimizu [10], Yang G Lai [11]… Nghiên cứu của Sinha và cộng sự [12] đã áp dụng
mô hình toán ba chiều cho một đoạn dài 4 km của sông Columbia phía hạ lưu của đập
Wanapum. Tuy nhiên đoạn sông này tương đối thẳng, do đó kết quả không thấy rõ
cấu trúc dòng thứ cấp.
Athanasios và cộng sự [13] nghiên cứu kết hợp đo đạc thực địa và làm thí
nghiệm trên mô hình vật lý. Các tác giả đã phân tích số liệu đo đạc thực tế một đoạn
sông thẳng với sự co hẹp và mở rộng đột ngột tại lưu vực Paluose thuộc bang
Washington, Hoa Kỳ. Kết quả cho thấy sự hiện diện của dòng thứ cấp làm tăng độ
lớn ứng suất cắt lên 2 lần, chứng tỏ dòng thứ cấp góp phần gây xói lở bờ sông và đáy
sông. Đồng thời, Athanasios sử dụng mẫu phù sa thu thập từ thực tế để tiến hành làm
thí nghiệm trên một mô hình kênh đơn giản trong phòng thí nghiệm nhằm so sánh kết
quả đo đạc thực tế và kết quả đo đạc thí nghiệm. Nghiên cứu này đã xác định được
mức độ tác động của dòng thứ cấp lên xói lở bờ sông. Tuy nhiên, việc vừa đo đạc
5
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
phân tích hiện trường, vừa thí nghiệm trên mô hình vật lý thật sự tốn kém. Bên cạnh
đó, kết quả nghiên cứu cũng còn nhiều hạn chế như chưa mô tả đúng thực tế và chỉ
áp dụng lên kênh mô hình đơn giản.
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong nước, trong những năm gần đây, nghiên cứu về xói lở, nhất là xói lở trên
những đoạn sông cong chủ yếu dựa vào thống kê, khảo sát thực địa; và mô hình toán
nghiên cứu tổng hợp các tác động.
Nghiên cứu dựa vào khảo sát thực địa của Lê Ngọc Thanh và Nguyễn Văn Giảng
[14] thực hiện khảo sát địa vật lý gần mặt đất để góp phần xác định nguyên nhân sạt
lở bờ sông Tiền và sông Sài Gòn. Kết quả nghiên cứu này đã cho thấy cấu trúc địa
chất bằng việc xác định các ranh giới giữa những lớp trầm tích, các lăng kính chứa
nước, các đụn cát được hình thành qua nhiều giai đoạn khác nhau, góp phần quan
trọng trong việc dự báo sạt lở đất và làm tiền đề cho các luận điểm về tích tụ trầm
tích vùng bờ sông Tiền và bờ sông Sài Gòn.
Các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán chủ yếu dùng mô hình dòng chảy 2
chiều với mục đích phục vụ cho công tác dự báo và thiết kế phương án phòng chống
xói lở. Những mô hình này có nhiều ưu điểm trong tính toán bồi xói. Tuy nhiên chúng
không thể mô tả được cấu trúc dòng thứ cấp theo phương ngang ở những đoạn sông
cong.
Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Hùng [15] sử dụng kết hợp khảo sát hiện trường
(đo đạc địa hình, địa chất lòng sông, chế độ thuỷ lực, thuỷ văn của dòng chảy) và mô
hình Mike21 để phân tích xác định nguyên nhân gây sạt lở khu vực kè Xuân Canh ở
đê tả sông Đuống. Kết quả của nghiên cứu cho thấy nguyên nhân sạt lở chủ yếu do
hình thái lòng sông kết hợp với các yếu tố dòng chảy và các yếu tố địa chất. Tuy
nhiên, nghiên cứu này mới dừng lại ở mức phân tích từ số liệu khảo sát đo đạc về địa
hình, thủy văn, thủy lực và dựa trên kết quả mô hình toán thủy lực để đưa ra các
nguyên nhân tổng hợp gây sạt lở bờ. Vì vậy cần có những nghiên cứu sâu để có thể
làm sáng tỏ hơn nữa những nguyên nhân này.
Một số công trình nghiên cứu về bồi xói trong sông, vùng cửa sông và ven biển
như:
6
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
- Nghiên cứu phòng chống xói lở bờ biển Hải Hậu, Cảnh Dương, Gò Công của
Viện Khoa học Thủy lợi (đề tài KT.03.12.1991 - 1995) [16].
- Dự án đo đạc giám sát diễn biến lòng dẫn, bồi đắp và sạt lở bờ sông, cửa sông
Đồng Nai - Sài Gòn và sông Cửu Long năm 2006 của Hoàng Văn Huân và các tác
giả [17]…
- Báo cáo nghiên cứu khả thi Dự án phòng chống sạt lở bờ sông, bờ biển Gành
Hào - huyện Giá Rai, tỉnh Bạc Liêu do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện
năm 1998 [18].
Mặc dù ở nước ta có rất nhiều công trình nghiên cứu về sạt lở bờ sông, nhưng
vẫn chưa có nghiên cứu đi sâu vào tác động của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ dưới sự
kết hợp mô hình vật lý và mô hình toán.
3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát:
Xác định ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên hiện tượng sạt lở bờ sông Sài Gòn.
Nghiên cứu đề xuất một phương án kỹ thuật hạn chế tác động của dòng thứ cấp
lên bờ sông và đáy sông.
Mục tiêu cụ thể:
(1) Tìm ra sự phân bố vận tốc của dòng chảy.
(2) Mô phỏng cấu trúc dòng chảy thứ cấp qua đoạn sông cong thu nhỏ ở trên và
mở rộng ra mô phỏng cho các tỷ lệ thu nhỏ từ biến dạng đến không biến dạng với
sông
(3) Mối tương quan giữa ứng suất tiếp dòng chảy theo các đặc trưng hình học
và đặc trưng thủy lực của sông cong, cụ thể như sau:
- Ảnh hưởng của đặc trưng hình học sông (hình dạng, kích thước và bán kính
cong) đến cấu trúc dòng thứ cấp và sự phân bố ứng suất tiếp dòng chảy.
- Ảnh hưởng của lưu lượng dẫn trong kênh đến cấu trúc dòng thứ cấp và phân
bố ứng suất tiếp dòng chảy.
7
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
(4) Nghiên cứu đề xuất một phương án kỹ thuật phù hợp hạn chế tác động của
dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông.
3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu dựa trên mô hình thủy lực mô phỏng đoạn sông cong kênh Thanh
Đa thuộc phường 27, 28 quận Bình Thạnh - quy mô phòng thí nghiệm.
Hình 3. Vị trí đoạn Thanh Đa trên
thực tế
Hình 4. Mô hình thủy lực thu nhỏ
đoạn Thanh Đa trong phòng thí nghiệm
3.3. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Tổng quan lý thuyết
- Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến dòng thứ cấp và
sạt lở bờ sông.
- Tìm hiểu và nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mô hình toán mô phỏng cấu trúc
dòng thứ cấp.
- Dựa trên các thông tin tìm hiểu được, thiết kế các phương án thí nghiệm và
các kịch bản mô phỏng dòng thứ cấp để giải quyết vấn đề.
Kết quả cần đạt:
- Tổng quan tình hình nghiên cứu.
- Nắm vững cơ sở lý thuyết mô hình toán.
- Đề xuất phương án thí nghiệm và các kịch bản mô phỏng.
Nội dung 2: Xác định các thông số vật lý từ mô hình vật lý thu nhỏ
- Xây dựng mô hình vật lý thu nhỏ theo tỷ lệ biến dạng 1: 500 theo phương
ngang và 1:100 theo phương đứng.
- Đo đạc các thông số về địa hình đáy của mô hình thu nhỏ.
8
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
- Đo đạc giá trị mực nước của mô hình thu nhỏ theo các chế độ lưu lượng khác
nhau: cao, trung bình, và thấp.
- Thí nghiệm chụp ảnh PIV (Particle Image Velocimetry) bề mặt dòng chảy;
phân tích và tính toán trường vận tốc từ thí nghiệm này.
Kết quả cần đạt:
- Số liệu đo đạc địa hình đáy của mô hình thu nhỏ.
- Số liệu đo đạc mực nước và vận tốc của mô hình thu nhỏ theo các chế độ lưu
lượng khác nhau: cao, trung bình, và thấp.
Nội dung 3: Tính toán dòng chảy 3 chiều tương ứng mô hình thủy lực cho
đoạn sông cong thu nhỏ
- Thiết lập mô hình hình học và các điều kiện tính toán.
- Chọn phương pháp giải cấu trúc dòng phù hợp.
- Mô phỏng đối với các mô hình có tỉ lệ thu nhỏ khác nhau:
• (1) Tỉ lệ ngang 1:500; tỉ lệ đứng 1:100
• (2) Tỉ lệ ngang 1: 250; tỉ lệ đứng 1:100
• (3) Tỉ lệ ngang 1: 100; tỉ lệ đứng 1:100
Mỗi trường hợp tỉ lệ thu nhỏ sẽ được mô phỏng với 3 mức lưu lượng khác nhau:
cao, trung bình, và thấp.
Đối với trường hợp (1), kết quả mô phỏng sẽ được hiệu chỉnh với kết quả đo
đạc từ thí nghiệm.
Kết quả cần đạt:
- Kết quả hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình toán với mô hình vật lý (trường hợp
1) phải phù hợp với nhau và đảm bảo độ chính xác cao của mô hình toán.
- Mô hình toán ứng dụng phải phù hợp và đảm bảo đúng bản chất về các thông
số Froude, Reynolds của sông thực.
- Mô phỏng được cấu trúc dòng chảy thứ cấp.
Nội dung 4: Xác định tương tác của dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông
- Thống kê và phân tích kết quả để đưa ra kết luận về mối liên hệ của hình dạng,
kích thước, bán kính cong, lưu lượng dẫn trong kênh đến phân bố ứng suất tiếp dòng
chảy.
9
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
- Tổng hợp để đưa ra ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ sông đoạn cong
Thanh Đa dựa vào hiện trạng sạt lở thực tế ở đoạn sông đó.
Kết quả cần đạt:
- Mối liên hệ giữa cấu trúc dòng thứ cấp và ứng suất tiếp.
- Mức độ ảnh hưởng của dòng thứ cấp đến sạt lở bờ sông đoạn cong Thanh Đa.
Nội dung 5: Đề xuất giải pháp kỹ thuật để hạn chế tác động của dòng thứ
cấp lên bờ sông và đáy sông
(1) Từ các kết quả phân tích được ở nội dung 4, đề ra giải pháp kỹ thuật thích
hợp để hạn chế tác động của dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông.
(2) Thực nghiệm giải pháp đó trên mô hình vật lý biến dạng.
(3) Ứng dụng mô hình toán tương ứng với trường hợp thí nghiệm trên mô hình
biến dạng.
(4) Ứng dụng mô hình toán cho trường hợp sử dụng giải pháp trên mô hình thu
nhỏ không biến dạng.
(5) Phân tích hiệu quả của giải pháp kỹ thuật dựa trên kết quả tính.
Kết quả cần đạt:
Đánh giá được tính hiệu quả của giải pháp kỹ thuật bằng so sánh cấu trúc dòng
thứ cấp trong đoạn sông cong trước và sau khi có giải pháp.
3.4. Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành các nội dung được đề ra, một số phương pháp chính được sử
dụng trong đề tài bao gồm:
-
Phương pháp thu thập số liệu và tài liệu;
-
Phương pháp thực nghiệm;
-
Phương pháp mô hình toán.
3.4.1. Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu
-
Thu thập và tổng hợp tài liệu, sách, báo, báo cáo, các nghiên cứu trong và
ngoài nước có liên quan đến đề tài…
-
Thu thập tài liệu về lý thuyết mô hình toán liên quan: lý thuyết về động lực
học, thủy lực…
10
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
-
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
Thu thập các số liệu về động lực học trên đoạn sông thực tế để thiết kế các
kịch bản phù hợp cho thí nghiệm trên mô hình vật lý thu nhỏ.
3.4.2. Phương pháp thực nghiệm: thí nghiệm trên mô hình vật lý
Đo đạc trên mô hình thuỷ lực thu nhỏ của sông Sài Gòn – đoạn Thanh Đa. Mô
hình thu nhỏ được xây dựng dựa vào tiêu chuẩn Froude theo công thức:
V
g .H
V'
(1)
g .H '
với V ,V ' lần lượt là vận tốc dòng chảy của sông thực và vận tốc dòng chảy mô
hình thu nhỏ, H, H ' lần lượt là độ sâu dòng chảy của sông thực và mô hình thu nhỏ.
Ngoài ra, dòng chảy trong mô hình thu nhỏ cũng phải thoả mãn số Reynolds
trong miền chảy rối giống dòng chảy thực tế trên sông. Vì không thể đáp ứng đồng
thời cả 2 quy luật đồng dạng về số Froude và số Reynold nên xây dựng mô hình thu
nhỏ dựa trên sự đồng dạng số Froude và giữ Reynolds trên 500 để đảm bảo điều kiện
chảy rối trong mô hình thu nhỏ.
Mô hình thu nhỏ được xây dựng dựa trên số liệu đo đạc địa hình từng mặt cắt
năm 2011. Các mặt cắt được đánh số như trong Hình 5.
Hình 5. Vị trí các mặt cắt
Để thu thập số liệu vận tốc bề mặt dòng chảy nhằm phục vụ cho việc hiệu chỉnh
mô hình số, phương pháp thí nghiệm được sử dụng là phương pháp PIV (Partilce
Image Velocimetry) (Hình 6).
11
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
Hình 6. Mô tả hệ thống PIV
Nguyên lý cơ bản của PIV là thả những hạt nhỏ (tracer particle) trong dòng chảy
và chiếu sáng vào vùng cần nghiên cứu để một thiết bị ghi hình các vị trí hạt này tại
hai thời điểm rất gần nhau (thiết bị được sử dụng là máy ảnh có thể chụp được 36
hình/giây). Từ hình ảnh thu được tại 2 thời điểm liên tiếp, phân tích vết di chuyển các
hạt này để tìm trường vận tốc của dòng chảy.
Phương pháp PIV được lựa chọn trong thí nghiệm này bởi những ưu điểm sau:
-
Không làm xáo trộn trường dòng chảy.
-
Xác định được trường vận tốc bề mặt của dòng chảy.
Sử dụng mô hình vật lý để đo đạc các thông số địa hình, mực nước và vận tốc
dòng chảy bề mặt, phục vụ cho việc thiết lập và hiệu chỉnh mô hình toán.
3.4.3. Phương pháp mô hình toán: mô hình toán 3 chiều
Trong đề tài này, phương pháp mô hình toán sẽ được sử dụng để mô phỏng các
quá trình vật lý, quá trình chuyển động của dòng chảy trong sông bằng những phương
trình toán học là những phương trình vi phân cơ bản (phương trình liên tục và phương
trình động lượng). Những phương trình này sẽ được giải xấp xỉ bằng phương pháp
thích hợp như phương pháp sai phân hữu hạn, hay phương pháp phần tử hữu hạn,…
để tính toán các thành phần dòng chảy như mực nước, vận tốc, lưu lượng,… tại những
vị trí khác nhau trong khu vực tính toán.
Sử dụng mô hình toán để thấy được các kết quả sau:
-
Quá trình hình thành dòng chảy thứ cấp trên các đoạn sông cong trong thực tế.
-
Sự phân bố trường vận tốc và phân bố ứng suất tiếp trên các đoạn sông cong.
12
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
-
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
Sự thay đổi của vận tốc và ứng suất tiếp ứng với đoạn sông cong trong trường
hợp có sự thay đổi giữa tỉ lệ độ rộng và độ sâu của sông.
Nhìn chung, phương pháp mô hình toán là phương pháp được sử dụng phổ
biến để nghiên cứu rất nhiều vấn đề trong lĩnh vực đời sống. Hiện nay có rất nhiều
mô hình có thể được xem xét lựa chọn để phục vụ tính toán dòng chảy như mô hình
Ansys Fluent, Mike 3D, CCHE3D… Trong đề tài này sẽ ứng dụng Ansys Fluent để
tính toán dòng chảy 3 chiều vì ưu điểm mô hình này cho kết quả mô phỏng tốt cấu
trúc dòng chảy.
Cơ sở lý thuyết mô hình Ansys Fluent
Miền tính
Miền tính toán 3 chiều là khối nước được giới hạn bởi địa hình đáy kênh, mặt
thoáng, đầu vào của mô hình thuỷ lực, và đầu ra. Số liệu địa hình đáy và mực nước
cho mô hình tính được đo lại tại các mặt cắt của mô hình thủy lực thu nhỏ.
Phương trình mô tả
Chảy rối là trạng thái chuyển động của dòng chất lỏng có hình dạng ngẫu nhiên
và chuyển động xoáy hỗn loạn theo 3 chiều. Tất cả các mô hình rối đều xuất phát từ
hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục và phương trình động lượng.
Có nhiều mô hình rối, bao gồm mô hình giải trực tiếp lưới thô (coarse DNS),
nhiều mô hình RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations), và mô hình
LES (Large Eddy Simulation). Sau khi thử nghiệm các mô hình, chỉ có mô hình LES
thể hiện hợp lý cấu trúc dòng.
Các phương trình quan trọng sử dụng cho mô hình rối LES thu được nhờ việc
lọc các biến trong phương trình Navier-Stokes. Phương trình lọc Navier-Stokes như
sau:
u i
0
xi
và
(2)
u i
u i
2ui
1 p τ ij
u j
t
x j
x j x j
x j x j
(3)
Các phương trình này mô tả sự chuyển động của xoáy lớn, còn các xoáy nhỏ
được mô phỏng qua mô hình rối SGS (subgrid-scale) τij:
13
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
ij u i u j u i u j
(4)
Mô hình SGS Smagorinsky có dạng (Piomelli, 1999):
1
3
ij ij 2 T S ij
1 u i u j
S
với ij 2 x x
i
j
(5)
(6)
Độ nhớt rối trong mô hình được biểu diễn như phương trình (7):
T (C S ) 2 S
(7)
với CS là hằng số Smagorinsky.
Điều kiện biên
Điều kiên bên bao gồm: điều kiện biên không trượt trên đáy kênh, điều kiện
không ứng suất tiếp trên mặt thoáng, điều kiện biên với phân bố vận tốc đều ở đầu
vào, và điều kiện dòng phát triển đều ở đầu ra.
Vận tốc ở đầu vào được được tính theo lưu lượng và diện tích ướt. Độ rối ở đầu
vào được bỏ qua.
4. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học: Kết quả công việc mà đề tài hướng đến sẽ góp phần hiểu rõ
bản chất của dòng thứ cấp, một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến sạt lở bờ
sông cong. Tuy dòng thứ cấp đã được nghiên cứu trước đây, nhưng ở Việt Nam chưa
có nghiên cứu sâu được tiến hành cũng như ứng dụng để giải quyết vấn đề xói lở đoạn
cong Thanh Đa trên sông Sài Gòn.
Ý nghĩa thực tiễn: đề tài hướng đến giải quyết vấn đề thực tế: xói lở bờ sông
trên những đoạn sông cong.
Bên cạnh đó, những mối tương quan giữa ứng suất tiếp, đặc trưng hình học và
thủy lực của đoạn sông cong (bán kính cong, lưu lượng và tỉ lệ giữa độ rộng và độ
sâu của kênh) đối với một số đoạn sông Sài Gòn có thể phục vụ tốt cho những nghiên
cứu sâu hơn, và thực tế hơn cho các đoạn sông khác ở Việt Nam.
14
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
5. BỐ CỤC DỰ KIẾN
TÓM TẮT
ABSTRACT
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
2. Mục tiêu nghiên cứu
3. Nội dung nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu
5. Ý nghĩa của đề tài
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÒNG THỨ CẤP TRÊN ĐOẠN
SÔNG CONG
1.1 Tình hình sạt lở bờ sông
1.2 Dòng thứ cấp trên đoạn sông cong
1.3 Tình hình nghiên cứu về dòng thứ cấp ảnh hưởng đến sạt lở bờ sông
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ THU NHỎ
SÔNG SÀI GÒN ĐOẠN CONG THANH ĐA
2.1 Xây dựng mô hình vật lý
2.2 Các phương pháp thực nghiệm
15
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG
CỦA DÒNG THỨ CẤP LÊN SẠT LỞ BỜ SÔNG CONG
3.1 Dữ liệu đầu vào cho mô hình
3.2 Trình tự tính toán mô hình
3.2.1 Phương pháp giải cấu trúc dòng
3.2.2 Kiểm tra độ hội tụ của lưới tính toán
3.2.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
3.3 Mô phỏng theo các kịch bản tính toán
3.4 Kết quả tính toán, phân tích và kết luận
CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG THỨ CẤP CHO
KHU VỰC NGHIÊN CỨU
4.1 Đề xuất giải pháp kỹ thuật thích hợp để hạn chế tác động của dòng thứ
cấp lên bờ sông và đáy sông
4.2 Thực nghiệm trên mô hình vật lý và mô phỏng trên mô hình toán
4.3 Phân tích tính hiệu quả của giải pháp kỹ thuật
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1 Kết quả đạt được
2 Hạn chế
3 Hướng phát triển
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
16
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu
Trà Nguyễn Quỳnh Nga
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
Thiềm Quốc Tuấn, Huỳnh Ngọc Sang, Đậu Văn Ngọ (2008). Hiện trạng trượt
lở bờ sông Sài Gòn, phương hướng ngăn ngừa khắc phục. Tạp chí phát triển
KH&CN, tập 11, số 11 – 2008.
[2]
DHI Water & Environment. Mike 21C River Morphology - A Short
Description.
[3]
Nguyễn Thị Nga, Trần Thục (2003). Động lực học sông. NXB ĐHQGHN, 2003.
[4]
E. B. Jovein, S. M. Ghaneeizad, A. A. Akhtari (2009). Experimental Study on
Flow Structure in Strongly Curved Open Channel 90-degree Bends.
International Symposium on Water Management and Hydraulic Engineering
Ohrid/Macedonia, 1-5 Sep 2009. pp. 98 – 108.
[5]
Abad, J.D., Garcia, M.H. Experiments in a high-amplitude kinoshita
meandering channel: 1. implications of bend orientation on mean and
turbulentflow structure. Water Resources Research, Vol. 45, W02401.
[6]
M. Naji Abhari et al (2010). Experimental and numerical simulation of flow in
a 90° bend. Flow Measurement and Instrumentation 21 (2010) 292–298.
[7]
Donatella Termini (2013). Bank erosion and secondary circulation in a
meandering laboratory flume. The 3rd International Geography Symposium –
GEOMED2013. Procedia – Social and Behavioral Sciences 120(2014),pp. 496
– 505.
[8]
W.H. Graf, K. Blanckaert (2002). Flow around bends in rivers. The 2nd
International Conference New Trends in Water and Environmental Engineering
for Safety and Life: Eco-compatible Solutions for Aquatic Environments. Capri
(Italy), June 24-28, 2002.
[9]
Rodi, w., and Leschziner, M. A. Calculation ofStrongly Curved Open Channel
Flow, J. of Hyd. Div., ASCE, (1978) 105(HY10)
[10] Y. Shimizu, T. Itakura. Calculation of Bed Variation in AlluvialChannels, J.
Hydraul. Eng. 115(3), (1989) 367-384
17
Tóm tắt Đề cương Nghiên cứu