LUẬN VĂN THẠC SĨ: Nghiên cứu áp dụng chương trình RMA2 để tính xói tại công trình cầu vượt sông Hàn

1


2
LỜI CẢM ƠN
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu áp dụng chương trình RMA2 để tính
xói tại cơng trình cầu vượt sông Hàn” được thực hiện trong thời gian 5
tháng từ tháng 5 năm 2005 đến tháng 10 năm 2005. Để hoàn thành đề tài
nghiên cứu này, tác giả đã nhận được sự động viên, cổ vũ và giúp đỡ tận tình
về các tài liệu nghiên cứu, số liệu cần thiết phục vụ nội dung đề tài của các
thầy cô giáo và đồng nghiệp trong Khoa Xây dựng – Thủy lợi Thủy điện, Ban
quản lý Khoa học và Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách khoa Đà
Nẵng cùng các Kỹ sư, Chuyên viên đã và đang công tác trong ngành Giao
thơng cơng chính Đà Nẵng, các cơng ty tư vấn thiết kế xây dựng giao thông
v.v...
Đặc biệt tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS
Nguyễn Thế Hùng – là thầy giáo – đồng nghiệp – đã tận tình giúp đỡ tác giả
từng bước tiếp cận với tri thức, tham gia các diễn đàn khoa học, trực tiếp
huớng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này đúng yêu cầu nội dung, mục tiêu
đã đề ra.
Xin chân thành cám ơn tất cả các Thầy cô, đồng nghiệp đã đóng góp
những ý kiến q báu góp phần làm cho đề tài được sâu sắc và có ý nghĩa thực
tiễn cho nghiên cứu khoa học và phục vụ đời sống, đặc biệt giúp các cơ quan
tư vấn, các chủ đầu tư có thêm cơ hội để lựa chọn khi quyết định đầu tư các
cơng trình.
Đà Nẵng, tháng 10 năm 2005
Tác giả

ĐẶNG VIỆT DŨNG

3
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Đặng Việt Dũng


4

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa ..............................................................................................

1

Lời cảm ơn ....................................................................................................

2

Lời cam đoan ................................................................................................

3

Mục lục ..........................................................................................................

4

Mục lục bảng, biểu........................................................................................ 11
Mục lục hình vẽ ............................................................................................ 12
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 13
Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH XĨI TRỤ CẦU
20
1.1. Các phương pháp tính xói chung dưới cầu ................................. 20
1.1.1. Xói chung.............................................................................. 20
1.1.2. Các phương pháp tính xói chung theo cơng thức bán thực nghiệm
21
1.1.2.1. Công thức E.M. Gôtây .............................................................
21
1.1.2.2. Công thức của H.A. Belleliutsky ...............................................
21.......................................................................................................
1.1.2.3. Phương pháp cân bằng thủy lực của A.A. Kasin ............. 22
1.1.2.4. Phương pháp F.G. Sripnưi và A.M.Latusenko................. 23
1.1.2.5. Phương pháp của L.L. Listvan và Kherkheulit ................. 24
1.1.2.6. Phương pháp tính xói theo cân bằng giới hạn lượng phù sa
của O.V.Andreev ............................................................... 26
1.1.2.7. Phương pháp tính xói của Kenơđi và Lauren................... 29


5
1.1.2.8. Phương pháp tính xói của Nguyễn Xn Trục & Phêđơtov
30
1.1.3. Nhận xét ................................................................................ 32
1.2. Các phương pháp tính xói cục bộ tại trụ cầu .............................. 33
1.2.1. Xói cục bộ .............................................................................. 33
1.2.2. Ngun nhân và q trình phát triển xói cục bộ tại trụ cầu
34
1.2.2.1. Các nguyên nhân chính .................................................... 34

1.2.2.2. Các giai đoạn của q trình phát triển xói ........................ 34
1.2.3. Các phương pháp tính xói cục bộ tại trụ cầu....................... 35
1.2.3.1. Công thức của trường Đại học Xây dựng Hà Nội........... 35
1.2.3.2. Cơng thức tính của M.M.Zuravlev và A.M Latưsenkov

36

1.2.3.3. Tính xói cục bộ theo tiêu chuẩn BCH 62-69 của Liên Xơ
(cũ)........................................................................................................ 36
1.2.3.4. Cơng thức tính xói cục bộ theo I.A. Iaroxlatsev.............. 39
1.2.3.5. Cơng thức tính xói cục bộ theo Richardson ..................... 40
1.2.3.6. Cơng thức tính xói cục bộ theo David Froehlich............ 41
1.2.3.7. Công thức E. M. Laursen................................................ 41
1.2.3.8. Công thức Ấn Độ - Pakistăng .......................................... 41
1.2.3.9. Công thức S. Khuncơ ...................................................... 41
1.2.3.10. Công thức Nêin ............................................................. 42
1.2.3.11. Công thức Z. Lara......................................................... 42
1.2.4. Bảng tổng hợp các công thức tính tốn............................... 42
1.2.5. Nhận xét ................................................................................ 43
Chương 2 - KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ DỊNG CHẢY TRÊN SƠNG..... 46
2.1. Các trạng thái dịng chảy trên sơng ............................................. 46
2.1.1.Trạng thái chảy tầng và chảy rối ......................................... 46


6
2.1.2.Trạng thái chảy không ổn định, ổn định, đều và không đều 47
2.1.3.Trạng thái chảy êm và chảy rối ............................................. 48
2.2. Một số khái niệm về trạng thái chảy rối ...................................... 48
2.2.1. Khái niệm chung về dòng chảy rối ....................................... 48
2.2.2. Khái niệm về dịng chảy rối trung bình theo thời gian........ 50

2.2.3. Khái niệm về lớp mỏng chảy tầng và lõi rối........................ 50
2.2.4. Ứng suất tiếp trong dòng chảy rối ........................................ 51
2.3. Phân bố vận tốc dòng chảy trong kênh hở................................... 51
2.3.1. Công thức phân bố vận tốc lý luận...................................... 52
2.3.1.1. Phân bố vận tốc luật luỹ thừa ......................................... 52
2.3.1.2. Phân bố vận tốc dạng lôga .............................................. 52
2.3.1.3. Phân bố vận tốc dạng parabol ......................................... 52
2.3.2. Một số công thức kinh nghiệm xác định phân bố vận tốc

54

2.3.2.1. Phân bố dạng parabol - công thức Brazin...................... 54
2.3.2.2. Phân bố dạng loga - công thức Nicuratde...................... 54
2.3.2.3. Phân bố dạng đường elip - cơng thức Karausev............. 55
2.4. Các phương trình cơ bản ............................................................. 56
2.4.1. Phương trình Navier-stokes................................................ 56
2.4.1.1.Hệ phương trình chuyển động ........................................ 56
2.4.1.2 Phương trình liên tục...................................................... 56
2.4.2. Phương trình Reynolds........................................................ 56
2.4.2.1. Hệ phương trình chuyển động của dịng chảy rối.......... 57
2.4.2.2. Phương trình liên tục của dịng chảy rối ........................ 58
Chương 3 - PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ MƠ HÌNH TÍNH
TỐN VẬN TỐC DỊNG CHẢY THEO BÀI TOÁN HAI CHIỀU NẰM
NGANG ......................................................................................................... 59
3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).................................... 59


7
3.1.1. Khái quát chung.................................................................. 59
3.1.2. Một số khái niệm cơ bản ..................................................... 60

3.1.2.1. Các phương pháp biến phân........................................... 60
3.1.2.2. Các loại phân tử hữu hạn ............................................... 63
3.1.2.3. Hàm nội suy cho bài toán hai chiều............................... 64
3.1.3. Áp dụng phương pháp PTHH cho bài tốn 2 chiều......... 67
3.1.3.1. Phương trình chủ đạo ..................................................... 68
3.1.3.2. Rời rạc phân tử hữu hạn................................................. 68
3.1.3.3. Thiết lập dạng yếu cho bài toán hai chiều...................... 69
3.1.3.4. Mơ hình phần tử hữu hạn ............................................... 71
3.1.3.5. Các hàm nội suy............................................................. 72
3.2. Mơ hình tính tốn vận tốc dịng chảy theo bài toán hai chiều nằm ngang

74

3.2.1. Giới thiệu chung về SMS .................................................... 74
3.2.2. Giới thiệu chung về chương trình RMA2 .......................... 76
3.2.2.1. Khái niệm chung ............................................................ 76
3.2.2.2. Ứng dụng của RMA2 ..................................................... 76
3.2.2.3. Khả năng của RMA2 ...................................................... 77
3.2.2.4. Hạn chế của RMA2........................................................ 77
3.2.2.5. Phương trình chủ đạo ..................................................... 77
3.2.2.6. Các dạng phần tử được sử dụng ..................................... 78
Chương 4 - ÁP DỤNG MƠ HÌNH RMA2 ĐỂ TÍNH XĨI TẠI TRỤ CẦU
SƠNG HÀN .................................................................................................... 79
4.1. Đặc điểm khu vực xây dựng cầu................................................. 79
4.1.1. Địa hình .............................................................................. 79
4.1.2. Khí hậu ................................................................................ 80
4.1.2.1. Nhiệt độ không khi (00 C) ............................................... 80


8

4.1.2.2. Độ ẩm khơng khí (%) ..................................................... 80
4.1.2.3. Mưa (mm) ....................................................................... 80
4.1.2.4. Bốc hơi mặt nước ............................................................ 80
4.1.2.5. Nắng ................................................................................ 81
4.1.2.6. Mây ................................................................................. 81
4.1.2.7. Gió .................................................................................. 81
4.1.2.8. Bão và áp thấp nhiệt đới ................................................. 82
4.1.3. Thủy văn .............................................................................. 82
4.1.4. Địa chất ............................................................................... 83
4.2. Giới thiệu vài nét về cầu qua sơng Hàn ..................................... 84
4.2.1. Phương án vị trí cầu và đường hai đầu cầu...................... 84
4.2.2. Qui mơ cơng trình ............................................................... 84
4.2.3. Độ dốc giới hạn và tĩnh không dưới cầu........................... 85
4.2.4. Phạm vi dự án ..................................................................... 85
4.2.5. Phương án kết cấu.............................................................. 85
4.2.5.1. Bố trí chung..................................................................... 85
4.2.5.2. Kết cấu ............................................................................ 85
4.2.5.3. Phương án kết cấu ........................................................... 86
4.3. Kết quả tính tốn xói trụ cầu tại cầu sơng hàn sử dụng phương
pháp xác định vận tốc dịng chảy trung bình ............................................ 88
4.3.1. Xác định đặc trưng mực nước, tốc độ dòng chảy, lưu lượng
ứng với tần suất p = 1%, 2%, và 5% .................................. 88
4.3.2. Tính xói chung và chiều cao nước dâng trước cầu ứng với
tần suất 2% ......................................................................... 89
4.3.2.1. Tính xói chung ................................................................ 89
4.3.2.2. Xác định chiều cao nước dâng trước cầu ....................... 90
4.3.3. Tính xói cục bộ (p = 2%) .................................................... 91


9

4.3.3.1. Xác định vận tốc sau khi xói chung ............................... 91
4.3.3.2. Các cơng thức tính tốn................................................. 92
4.3.3.3. Trụ số 5 .......................................................................... 93
4.3.3.4. Trụ số 6 .......................................................................... 93
4.3.3.5. Trụ số 7 .......................................................................... 94
4.4. Áp dụng mơ hình RMA2 để tính xói tại trụ cầu sơng Hàn...... 95
4.4.1. Sử dụng hình ảnh nền........................................................ 95
4.4.1.1. Mở file hình ảnh ............................................................. 95
4.4.1.2. Đăng ký hình ảnh ............................................................ .95
4.4.1.3. Làm rõ hình ảnh .............................................................. .96
4.4.2. Tạo đường biên đặc trưng .................................................. 96
4.4.3. Phân bố các đỉnh ................................................................. 96
4.4.4. Đăng ký các tham số của lưới ............................................. 97
4.4.5. Áp dụng điều kiện biên .......................................................
97
4.4.5.1. Đăng ký lưu lượng ở thượng lưu ................................... 98
4.4.5.2. Đăng ký cao độ mặt nước ở hạ lưu ................................ 98
4.4.6. Đăng ký vật liệu ................................................................... 99
4.4.7. Nội suy cao độ cho lưới .......................................................
100
4.4.8. Đánh số lại lưới ...................................................................
101
4.4.9. Chạy chương trình RMA2 ..................................................
101
4.4.9.1. Quản lý chương trình .....................................................
101


10
4.4.9.2. Kiểm tra chương trình ....................................................

101
4.4.9.3. Sử dụng mơ duyn GFGEN .............................................
102
4.4.9.4. Chạy chương trình RMA2.............................................
102
4.4.10. Kết quả tính tốn vận tốc và chiều cao mực nước tại khu
vực đặt trụ .........................................................................
......................................................................................102
4.4.10.1. Trường hợp trước khi bố trí trụ ...................................
102
4.4.10.2. Trường hợp sau khi đã bố trí trụ ..................................
105
4.4.11. Áp dụng vận tốc dịng chảy tính theo RMA2 để tính xói
tại trụ cầu sơng Hàn.......................................................................................
107
4.4.11.1. Xác định chiều cao nước dâng trước cầu .....................
107....................................................................................................
4.4.11.2. Xác định xói chung ......................................................
109
4.4.11.3. Xác định chiều sâu xói cục bộ tại các trụ cầu...............
111
4.4.11.4. Vẽ lại mặt cắt đáy sơng sau khi xói do xây dựng cầu . .
113....................................................................................................
4.4.12. Đánh giá kết quả ..............................................................
114


11
4.4.12.1. So sánh kết quả tính tốn của hai phương pháp ...................
114

4.4.12.2. Nhận xét và đánh giá ...................................................
116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................
118
Kết luận và kiến nghị .........................................................................
118
Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo..............................................
120
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................
121
PHỤ LỤC .......................................................................................................
123


12

MỤC LỤC BẢNG, BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Hệ số điều chỉnh phụ thuộc tần suất p .......................................... 24
Bảng 1.2. Hệ số a2 .......................................................................................... 29
Bảng 1.3. Hệ số  ........................................................................................... 39
Bảng 1.4. Bảng tổng hợp các cơng thức tính tốn ......................................... 42
Bảng 4.1. Bảng tốc độ gió .............................................................................. 81
Bảng 4.2. Bảng kết quả tính vận tốc , lưu lượng và cao độ mực nước .......... 88
Bảng 4.3. Bảng kết quả tính chiều sâu xói cục bộ theo phương pháp tính vận
tốc trung bình một chiều.................................................................................. 94
Bảng 4.4. Bảng đăng ký toạ độ thực tế .......................................................... 96
Bảng 4.5. Bảng vận tốc và cao độ mặt nước tính theo chương trình RMA2
trước khi bố trí trụ ..........................................................................................
103

Bảng 4.6. Bảng vận tốc và cao độ mặt nước tính theo chương trình RMA2 sau
khi bố trí trụ ....................................................................................................
105
Bảng 4.7. Bảng xác đinh chiều cao nước dâng trước cầu ..............................
107


13
Bảng 4.8. Bảng tính xói chung .......................................................................
109
Bảng 4.9. Bảng tính vận tốc dịng chảy đáy sơng ..........................................
111
Bảng 4.10. Bảng tính xói cục bộ ....................................................................
115
Bảng 4.11. Bảng so sánh chiều sâu xói cục bộ theo hai phương pháp ...........
114

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1. Sơ đồ chảy và xói, bồi tại trụ cầu ................................................... 33
Hình 1.2. Đồ thị xác định hệ số Kv và Kh ....................................................... 39
Hình 1.3. Biểu đồ tốc độ nước chảy tại thượng lưu trụ cầu ........................... 45
Hình 2.1. Trung bình hố các dao động rối..................................................... 49
Hình 3.1. Các dạng phần tử hai chiều ............................................................ 64
Hình 3.2. Rời rạc phần tử hữu hạn của miền khơng đều ................................ 68
Hình 3.3. Hàm nội suy tuyến tính cho phần tử tam giác có 3 điểm nút.......... 72
Hình 3.4. Phần tử tứ giác và hàm nội suy của nó ........................................... 73
Hình 4.1. Tồn cảnh lưu vực sơng Hàn .......................................................... 79

Hình 4.2. Tồn cảnh khu vực bố trí cầu sơng Hàn ......................................... 82


14
Hình 4.3. Cầu sơng Hàn sau khi đã xây dựng xong........................................ 84
Hình 4.4. Sơ đồ bố trí trắc dọc và trắc ngang cầu .......................................... 87
Hình 4.5. Sơ đồ tính ....................................................................................... 89
Hình 4.6. Mặt cắt giả định dịng sơng sau khi xây dựng cầu ......................... 91
Hình 4.7. Sơ đồ tính trụ số 5 .......................................................................... 93
Hình 4.8. Sơ đồ tính trụ số 6 .......................................................................... 93
Hình 4.9. Sơ đồ tính trụ số 7 .......................................................................... 94
Hình 4.10. Bản đồ tính tốn ........................................................................... 95
Hình 4.11. Lưới phần tử hữu hạn ................................................................... 96
Hình 4.12. Đường đặc trưng và điều kiện biên .............................................. 97
Hình 4.13. Sơ đồ tính cao độ mặt nước .......................................................... 99
Hình 4.14. Chiều sâu xói chung tính theo RMA2 ..........................................
113
Hình 4.15. Chiều sâu xói cục bộ tính theo RMA2 .........................................
114
Hình 4.16.Chiều sâu xói tổng hợp tính theo phương pháp vận tốc trung bình
114

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Cơng trình vượt sơng được thiết kế thu hẹp một phần hay khơng thu
hẹp dịng chảy. Cầu xây dựng qua sơng tự nhiên thường có chiều dài nhỏ thua
chiều rộng ngập lũ tính tốn. Do dòng chảy bị thắt hẹp khi qua cầu nên vận
tốc dịng chảy tăng lên làm phát sinh xói lở đáy sơng và hai bờ, thắt hẹp càng
nhiều , xói lở phát sinh càng lớn. Xói lở đe dọa nghiêm trọng trụ cầu và gây
nguy hiểm cho cơng trình. Để hạn chế ảnh hưởng của xói lở đến cơng trình

15
cầu thì cần thiết phải đảm bảo xói lở dưới cầu ở phạm vi cho phép và móng,
mố trụ cần đặt dưới chiều sâu xói lở. Đồng thời cần có các biện pháp để hạn
chế và khắc phục các nguyên nhân gây xói. Chiều sâu đặt móng nhỏ nhất cho
phép của mố cầu, trụ cầu được xác định dựa trên cơ sở tính tốn xói lỡ xảy ra
khi thắt hẹp dịng chảy và hình thành lại dịng sơng. Sự thắt hẹp dòng chảy
khi lũ lụt do đường dẫn hai đầu cầu đắp cao làm tăng lưu tốc ở mặt cắt co hẹp
dưới cầu và hạ thấp cao độ lịng sơng dưới cầu. Sự thắt hẹp dòng chảy lũ đã
tạo ra khu vực ảnh hưởng tới khẩu độ thoát lũ dưới cầu và ở cả thượng, hạ lưu
cầu. Trong một vài trường hợp, sự hạ thấp đáy sông xảy ra dưới cả bãi sơng
dưới cầu. Biến dạng này của lịng sơng và bãi sơng dưới cầu thường được gọi
là xói.
Xói lở là một tiêu chuẩn rất quan trọng và cần thiết khi phân tích hệ
thống cơng trình vượt sơng. Thiết kế cơng trình vượt dịng là tạo ra sự cân
bằng có thể chấp nhận được giữa khẩu độ thốt lũ khơng gây ra nước dâng
đáng kể hay chịu tổn thất do xói lở với cao độ tuyến cầu đi đủ cao để đảm bảo
xe chạy với lưu lượng và tốc độ thiết kế. Trước đây, việc nghiên cứu các hiện
tượng xảy ra tại khu vực sông chịu ảnh hưởng của cầu như hiện tượng nước
dâng, sự phân bố lưu lượng, hiện tượng xói dưới trụ cầu. ... có tính chất riêng
lẻ từng hiện tượng và chưa có cơng trình nghiên cứu một cách tổng hợp mối
quan hệ giữa các hiện tượng với nhau. Trong những năm gần đây, các vấn đề
trên đã được nhiều nhà khoa học thủy văn, thủy lực cơng trình nghiên cứu
bằng mơ hình tốn như: O.V.Andreev, G.A. Fêđôtov, một số các nhà khoa
học khác như: L.G. Bêgam, V.S. Murônôv, V.S. Allunin,... nghiên cứu các
vấn đề này trong phịng thí nghiệm thủy lực. Từ năm 1972 - 1978, GS TSKH
Nguyễn Xuân Trục đã nghiên cứu vấn đề xói lỡ trụ cầu trên cơ sở tiến hành
hàng loạt những thí nghiệm thủy lực kết hợp với việc tính tốn một cách hệ

16
thống trên máy tính điện tử dựa trên các số liệu đo đạc ở các sông thiên nhiên
và tiến hành phân tích các cầu cũ hiện nay.
Các nghiên cứu chỉ ra có 3 loại xói lỡ có thể gây nguy hiểm cho các
cơng trình (trụ, mố cầu, nền đường, kè) gồm:
- Xói tự nhiên trong dịng chảy là xói xảy ra với sự thay đổi của dạng
đáy dòng chảy do tính chất tự nhiên của dịng sơng quyết định, khơng liên
quan đến việc có xây dựng cầu hay khơng.
- Xói chung, hay xói do thắt hẹp bởi khẩu độ thốt lũ nhỏ thua chiều
rộng ngập lũ tính tốn, là xói xảy ra dọc theo đường đáy của mặt cắt ngang
dưới cầu. Xói chung sinh ra do tốc độ dịng chảy dưới cầu tăng lên khi sông bị
thu hẹp. Tại khu vực này có sự phân phối lại lưu lượng nước, lưu lượng bùn
cát, phân phối lại tốc độ dòng chảy.
- Xói cục bộ là xói xảy ra tập trung tại chân mố, chân trụ cầu, xói lở tại
đầu đê điều tiết, đầu kè bảo vệ do tốc độ tăng cục bộ và do các dịng xốy tập
trung.
Chiều sâu xói tồn bộ đo tại các cơng trình của cầu là tổng hợp của 3
loại xói trên, loại thứ nhất thường phải dựa vào tài liệu quan trắc cao độ lịng
sơng trong nhiều năm để xác định, hai loại sau có thể dùng các công thức lý
luận hoặc thực nghiệm để dự đốn. Xói tự nhiên thì ảnh hưởng đến xói chung,
xói chung thì ảnh hưởng đến xói cục bộ.
Trong q trình xói, do mặt cắt lịng sơng tại cầu biến dạng không đều
nên lưu lượng nước phân bố lại một cách tương ứng theo bề rộng sơng. Sự
biến dạng (do xói hoặc bồi) không đều của mặt cắt dưới cầu phát sinh là do
nhiều nguyên nhân khác nhau: do cấu tạo địa chất khác nhau giữa các đường
thủy trực, chiều sâu nước chảy và độ nhám lịng sơng khơng đồng nhất trên
mặt cắt ngang sông. Lưu lượng ở các đường thủy trực trong nhiều trường hợp
thay đổi rất lớn theo thời gian nên cần phải được xét tới khi tính tốn. Lưu

17
lượng dòng chảy, mặt cắt dòng chảy thay đổi dẫn đến vận tốc dòng chảy thay
đổi theo. Tuy nhiên do tính chất phức tạp của địa chất, địa hình, hình dạng
dịng sơng, hình dạng bờ, hình dáng và cấu tạo cơng trình việc tính tốn vận
tốc dịng chảy một cách chính xác khơng thể thực hiện bằng các phương pháp
tính thơng thường.
Những hiện tượng có tính chất qui luật xảy ra tại khu vực chịu ảnh
hưởng của cầu chính là cơ sở để xây dựng các ngun lý tính tốn của các
phương pháp tính xói hiện đại. Tuy nhiên những hiện tượng này vẫn chưa
được phản ảnh một cách đầy đủ trong nhiều phương pháp tính xói hiện nay.
Trong một thời gian dài, việc tính xói được nghiên cứu theo các giả thiết có
tính thực nghiệm, thiếu những căn cứ vững chắc. Cụ thể là trong các phương
pháp tính xói , xói được xác định với giả thiết lưu lượng cực đại tại đỉnh lũ
không thay đổi trong một thời gian dài, qui luật phân bố lưu lượng của dòng
chủ và phần bãi dưới cầu không thay đổi, các công thức tính xói chỉ cho giá
trị trung bình của chiều sâu nước chảy tại dịng chủ sau khi xói và đặc biệt
vận tốc dịng chảy đưa vào cơng thức tính xói là vận tốc trung bình theo
một chiều. Trong khi chúng ta đều biết dịng sơng thiên nhiên có tính chất của
dịng chảy khơng ổn định, lưu lượng nước chảy luôn thay đổi theo thời gian
và không gian. Bản thân mặt cắt ngang dịng sơng tại vị trí xây dựng cầu cũng
thay đổi, đặc biệt là hình dạng đáy sơng làm cho vận tốc dịng chảy trên sơng
và chiều cao nước dâng trước cầu cũng thay đổi theo. Bên cạnh đó do có
những khó khăn trong tính tốn, các cơng thức tính xói được xây dựng trong
các điều kiện thí nghiệm hạn chế về điều kiện thuỷ lực, địa chất, kích thước
hình dạng của máng thí nghiệm mơ phỏng. Việc loại bỏ nhiều yếu tố quan
trọng tác động lên dòng chảy trong q trình mơ hình hố bài tốn dịng chảy
thực tế để tiến hành thí nghiệm dự đốn các giá trị thực nghiệm và việc tiến
hành các thí nghiệm trên các máng thuỷ lực tại phịng thí nghiệm đã làm cho

18
kết quả tính tốn theo lý thuyết sai khác nhiều so với thực tế. Kết quả là trị số
xói tính ra thường lớn hơn nhiều so với trị số xói đo được trong thực tế ở các
cầu cũ. Cơng trình thiết kế thường có hệ số an tồn q mức cần thiết và do
đó gây lãng phí khơng ít.
Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn vấn đề "Nghiên cứu áp dụng chương
trình RMA2 để xác định vận tốc dịng chảy hai chiều theo phương ngang
làm cơ sở tính xói tại cơng trình cầu vượt sơng Hàn"làm đề tài nghiên cứu
của luận văn. Từ đó kiến nghị phương pháp xác định vận tốc mới nhằm đảm
bảo thoả mãn sự ổn định của cơng trình đồng thời giảm được chi phí xây
dựng đến mức thấp nhất.
2. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Những nhược điểm nói trên có thể khắc phục được một phần lớn nếu
có mơ hình lý thuyết được xây dựng dựa trên những phương trình cơ bản của
cơ học chất lỏng và động lực học dịng sơng. Phần lớn các phương trình cơ
học chất lỏng đều là các phương trình vi phân dạng khơng tường minh nên
khơng thể giải bằng các phương pháp tốn học thông thường. Hiện nay với sự
phát triển mạnh mẽ của phương pháp số, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu
hạn và nhờ sự ứng dụng rộng rãi của máy tính điện tử, nên chúng ta có được
cơng cụ hỗ trợ đắc lực cho việc giải quyết các bài tốn như trên một cách
nhanh chóng với độ chính xác cao nhưng khơng cần phải giản hóa nhiều chi
tiết bài tốn, khơng phải bỏ qua nhiều hiện tượng cơ bản có ảnh hưởng lớn
đến độ chính xác của kết quả tính tốn cuối cùng.
Từ thực tế như vậy, luận văn tập trung nghiên cứu, phân tích các
phương pháp tính tốn trị số xói tại trụ cầu. Sử dụng các phương trình cơ bản
của lý thuyết cơ học chất lỏng và động lực học sơng ngịi để mơ phỏng dịng
chảy qua cầu , ứng dụng phần mềm SMS 8.0 (Hệ thống phần mềm mơ hình
dịng chảy mặt) xây dựng dựa trên phương pháp PTHH, để nâng cao độ chính

19
xác trong kết quả tính chiều sâu hố xói. Vấn đề được giải quyết sẽ đem lại
phương pháp tính hợp lý cho cơng tác thiết kế các cơng trình cầu vượt sông
hiện nay.
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Kế thừa các nghiên cứu trước đây về việc lựa chọn phương pháp tính
xói và kết quả tính xói đã được sử dụng trong thực tế thi cơng cơng trình cầu
vượt sơng, luận văn tập trung vào những nội dung chủ yếu là:
1. Đánh giá chung về các vấn đề còn tồn tại trong các phương pháp,
cơng thức tính xói đang được áp dụng hiện nay. Xác định chiều sâu xói theo
phương pháp tính vận tốc trung bình một chiều tại cầu sơng Hàn.
2. Áp dụng phần mềm SMS 8.0 được thiết lập theo phương pháp phần
tử hữu hạn để tính tốn vận tốc dòng chảy 2 chiều ngang (theo phương x và
phương y) cho dịng chảy trước và sau khi xây dựng cơng trình tại cầu sơng
Hàn. Dựa vào vận tốc đã tìm được để xác định chiều sâu xói theo cơng thức
đã lựa chọn.
3. So sánh kết quả tính tốn của hai phương pháp.
4. Kết luận và đề xuất.
4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của luận văn được cụ thể vào việc tính tốn
chiều sâu hố xói cục bộ của trụ cầu Sông Hàn là chiếc cầu vừa mới xây dựng
và đưa vào sử dụng trên địa bàn thành phố Đà Nẵng. Sử dụng các tài liệu địa
hình, địa chất, thủy văn thu thập được tại lưu vực của cầu Sông Hàn, luận văn
đi sâu vào bài tốn tính tốn chiều sâu xói chung , chiều sâu hố xói cục bộ của
các trụ cầu theo cơng thức tính đã được lựa chọn,... sau đó có so sánh với kết
quả tính tốn đã được sử dụng trước đây. Trên cơ sở kết quả đạt được, kiến


20

nghị phương pháp tính tốn chiều sâu hố xói tổng hợp cho kết quả tính tốn
hợp lý và tin cậy hơn áp dụng cho các bài toán thiết kế cầu hiện nay.
Trong điều kiện tài liệu nghiên cứu còn hạn chế và thời gian nghiên cứu
hạn hẹp luận văn chỉ tập trung giải quyết một trong các tham số quan trọng
trong cơng thức tính tốn trụ cầu, là xác định vận tốc phân bố qua trụ cầu với
giả thiết là dòng chảy hai chiều ngang. Nhưng do trên thực tế dịng chảy trên
sơng tại trụ là dịng phức tạp 3 chiều, bởi vậy cơng thức tính tốn vẫn cịn
thiếu sự chính xác cần thiết. Mặt khác do chưa có điều kiện kiểm chứng trên
thực tế nên việc khẳng định sự đúng đắn hoàn toàn của phương pháp cần phải
được tiếp tục nghiên cứu.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dùng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, kết hợp nghiên cứu
các qui luật vật lý, tài liệu địa hình, thuỷ văn, dịng chảy lũ v.v.. tại khu vực
cầu sơng Hàn. Áp dụng có phân tích phần mềm tính tốn để xác định tham số
vận tốc dịng chảy . Từ đó tính tốn kết quả và so sánh đánh giá để có các
kiến nghị phù hợp về việc tính xói cho các cơng trình vượt sơng.

6. CHỌN TÊN ĐỀ TÀI
Từ các phân tích đã nêu trên chúng tơi lựa chọn tên của đề tài là "
Nghiên cứu áp dụng chương trình RMA2 để tính xói tại cơng trình cầu
vượt sơng Hàn"
.
7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn được chia thành các phần và chương như sau:
- Phần mở đầu.
- Chương 1 : Tổng quan về các phương pháp tính xói trụ cầu.