Sổ tay thủy văn cầu đường - Dự báo quá trình diễn biến lòng sông part 3 pps

1 - Đờng đáy đờng sông thực tế một đoạn sông;
2 - Đờng đáy sông trung bình từ nguồn đến cửa.
Hình 6-9: Mặt cắt dọc lòng sông
Địa hình và cấu tạo địa chất của đáy có thể đa đến những đột biến ra khỏi
đờng cong liên tục, tạo ra thác, ghềnh. Những công trình nhân tạo nh đập nớc,
công trình thủy cũng có thể gây ra những biến đổi lớn trên mặt cắt dọc sông.
Một mặt cắt dọc sông nào đó đợc hình thành trên cơ sở một mặt chuẩn
xâm thực. Mặt chuẩn xâm thực thờng đợc xác định bằng mực nớc trung bình ở
cửa sông, hoặc những chớng ngại tự nhiên trên sông. Mặt chuẩn xâm thực thay
đổi, thì mặt cắt dọc lòng sông này thay đổi. Mặt chuẩn xâm thực hạ thấp thì sẽ sản
sinh quá trình xói ngợc dòng. Ngợc lại, mặt chuẩn xâm thực nâng lên thì sẽ sản
sinh quá trình bồi lắng để tái tạo trạng thái cân bằng mới.
Hình vẽ một mặt cắt dọc thờng bao gồm đờng đáy sông, các đờng mặt
nớc đặc trng có thể có đờng bờ, hoặc đờng đỉnh đê, có vẽ hớng dòng chảy từ
trái sang phải.
Đ 6.3. Tính chất của diễn biến lòng sông
Diễn biến lòng sông vô cùng phức tạp, đa dạng, cần nghiên cứu từ nhiều
phơng hớng: thủy văn, thủy hình thái, thủy động lực học và trớc hết là cần xây
dựng một sơ đồ khoa học chi tiết cho các quá trình đó. Các nhà nghiên cứu khác
nhau, trong các thời kỳ khác nhau, đã có những nhận xét tổng quan về tính chất
của diễn biến lòng sông. Những nhận xét quan trọng có thể tập hợp thành 5 điểm
đợc trình bày dới đây.
6.3.1. Tác động giữa dòng nớc và lòng dẫn là tơng hỗ
Có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau:

Chuyển động của dòng nớc trong lòng sông luôn luôn quyết định trạng
thái của lòng sông đó: độ dốc trung bình đáy, kích thớc và hình dạng mặt cắt
ngang, đờng viền trên mặt bằng, độ nhám đáy và bờ. Mặt khác, lòng dẫn với địa
hình và độ nhám của nó do dòng chảy tạo ra lại không ngừng tác động trở lại làm
thay đổi kết cấu dòng chảy. Hai quá trình này diễn ra không ngừng để tạo ra một
Dòng nớc

Lòng dẫn

thế cân bằng động. Yếu tố tích cực trong khối mâu thuẫn thống nhất này là dòng
nớc.
6.3.2. Tính hạn chế của các tổ hợp yếu tố tự nhiên trong diễn biến lòng sông
Quá trình lâu dài của sự tác động tơng hỗ giữa môi trờng nớc chuyển
động và môi trờng rắn hạt rời đã tác động một cách có lựa chọn đến các trạng thái
chuyển động có thể xảy ra. Một số trong các thông số chuyển động, trong quá
trình phát triển lòng sông, bị làm yếu đi, trong khi đó một số thông số khác xác lập
đợc mối quan hệ nào đó. Kết quả là, trong thực tế chỉ tồn tại một số dạng lòng
sông nhất định.
Ví dụ: tất cả lòng sông thiên nhiên đều có chiều rộng lớn hơn nhiều so với
chiều sâu; tất cả cồn cát đáy trong sông đều có mặt đón nớc thoải, mặt khuất nớc
dốc; lu tốc dòng chảy trong sông đồng bằng chỉ hạn chế trong khoảng 0,5
1,5m/s v.v
6.3.3. Tính không liên tục trong diễn biến lòng sông
Chuyển động bùn cát tạo lòng đợc tiến hành chủ yếu bằng cách dịch
chuyển không liên tục của các khối bồi lắng: sóng cát, bãi bồi, ngỡng cạn, bãi
giữa, doi cát v.v
6.3.4. Sự biến hình lòng dẫn luôn luôn đi sau sự thay đổi của dòng nớc
Quá trình lòng sông diễn ra chậm chạp. Những biến đổi có thể nhận biết
của hình dạng lòng sông đợc diễn ra trong thời đoạn lớn hơn so với chiều dài của
pha dao động dòng chảy. Vì vậy trong lòng dẫn luôn luôn có những dấu vết của

pha dao động dòng chảy trớc đó. Dấu vết của dòng chảy mùa cạn có thể bị xóa
trong mùa lũ tiếp đó, nhng những dấu vết của dòng chảy mùa lũ không thể xóa đi
trong mùa nớc cạn sau đó.
6.3.5. Tính tự điều chỉnh trong diễn biến lòng sông
Sau khi lòng dẫn biến đổi, xói hoặc bồi, điều kiện dòng chảy sẽ có những
thay đổi tơng ứng, làm cho sức tải cát của dòng chảy cũng thay đổi theo. Kết quả
bồi lắng sẽ làm cho mặt cắt lòng dẫn tại đoạn sông đó thu nhỏ, độ dốc tăng lên. Tại
đoạn sông phía trên do nớc dâng, diện tích mặt cắt tăng lên, độ dốc giảm nhỏ. Vì
vậy lợng bùn cát đến sẽ giảm, trong lúc sức tải cát tăng lên, lòng dẫn sẽ phát triển
theo xu thế giảm nhỏ, đi đến ngăn chặn bồi lắng tiếp tục. Kết quả bào xói sẽ làm
cho mặt cắt lòng dẫn tại đoạn sông nghiên cứu mở rộng, độ dốc giảm nhỏ. Tại
đoạn thợng lu do mực nớc hạ thấp, diện tích mặt cắt ớt giảm nhỏ, độ dốc tăng
lên, và vì vậy lợng bùn cát đến sẽ tăng lên trong lúc sức tải cát giảm xuống. Lòng
dẫn sẽ phát triển theo xu thế hạn chế, đi đến ngăn chặn không cho bào xói tiếp tục.
Nói tóm lại, những biến hình lòng dẫn do tải cát không cân bằng tạo ra sẽ phát
triển theo xu thế chấm dứt biến hình, hớng đến tình thế cân bằng tải cát.
12
q

x
s
+
s
q

dx
s
q
h
dz

o
dx
o

Hình 6-10: Sơ đồ để thành lập phơng trình
Đ 6.4. Phơng trình biến hình lòng sông
Những phơng trình về quy luật chuyển động của dòng nớc, rồi của chuyển
động bùn cát, lẽ ra đã có thể giải quyết những vấn đề của động lực dòng sông, nếu
lòng dẫn không thay đổi. Độ biến động của lòng dẫn buộc chúng ta phải đa vào
trong thành phần các phơng trình động lực học dòng sông một điều kiện biên đặc
biệt để xác lập quan hệ giữa sự biến đổi của lòng dẫn và chuyển động của bùn cát.
Điều kiện biên này đợc gọi là phơng trình biến hình lòng sông, nó thực chất là
một phơng trình liên tục của chuyển động bùn cát.
Lấy từ một đoạn sông, một lăng thể dòng chảy dài dx, rộng dy và độ sâu h = z'
- z
0
nh hình 6-10 thể hiện để khảo sát điều kiện cân bằng bùn cát.
6.4.1. Khảo sát trong hệ tọa độ vuông góc [3]
Ta xét trờng hợp chuyển động dòng chảy
ổn định, một chiều và biến đổi dần.
Trớc hết, giả thiết rằng chỉ có chuyển
động bùn cát theo phơng dọc, không có chuyển
động bùn cát theo phơng ngang. Lu lợng bùn
cát ở đây đợc hiểu rằng là lợng vận chuyển bùn
cát tổng cộng của bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng.
Lu lợng bùn cát đi qua mặt thợng lu
vào lăng thể q
s
dy, trong đó q
s

là lu lợng đơn vị
của bùn cát. Lu lợng bùn cát từ lăng thể đi qua
mặt hạ lu là
s
s
q
q dx dy
x






.
Trong quãng thời gian dt, hiệu số giữa thể
tích bùn cát vào và ra khỏi lăng thể là:
s s
s s
q q
q q dx dydt dxdydt
x x

Hiệu số này phải bằng sự biến đổi của thể tích bùn cát dới đáy của lăng thể
D
1
cộng với sự biến đổi của thể tích bùn cát ở trạng thái lơ lửng trong lăng thể D
2
.
0
1 0
z
D (1 )dz dxdy (1 ) dtdxdy
t



,
trong đó: là hệ số rỗng của bùn cát ở đáy.
2
(hs)
D dtdxdy
t



,
trong đó: S là hàm lợng bùn cát trung bình trên phơng thẳng đứng.
Vì vậy:
s 0
q z

(hs)
dxdydt (1 ) dxdydt dxdydt
x t t




.
Chia tất cả cho dxdydt, đa tất cả số hạng về bên trái ta có:


s 0
q z
(hs)
(1 ) 0
x t t





(6-1)
Phơng trình này biểu thị dới dạng vi phân quan hệ giữa biến hình đáy và
chuyển động bùn cát, chính là phơng trình tổng quát của biến hình lòng sông.
Trong điều kiện hàm lợng bùn cát lơ lửng nhỏ, hoặc không biến đổi theo thời
gian, có thể bỏ qua số hạng
(hs)
t

.
6.4.2. Khảo sát trong hệ tọa độ tự nhiên [3]
Khi tiến hành tính toán cho lòng sông thiên nhiên, tiện lợi nhất là sử dụng
hệ tọa độ tự nhiên l, b. Nếu mặt bằng dòng chảy là uốn khúc, lại cần xét đến sự
chuyển động phơng ngang của bùn cát. Trong trờng hợp không xét đến sự thay
đổi theo thời gian của bùn cát lơ lửng ta có:

sl sb 0
q q z
(1 ) 0
l b t



(6-2)
Trong đó q
sl
và q
sb
là thành phần theo phơng dọc và phơng ngang của lu
lợng bùn cát. Dấu cộng trớc đạo hàm
sb
dq
db
tơng ứng với sự di chuyển ngang
của bùn cát theo chiều dơng của trục b, dấu trừ tơng ứng với chiều âm trục b.
Tích phân phơng trình (6-2) theo b trong phạm vi giữa 2 đờng dòng của
mặt bằng dòng chảy b = b
i+1
- b

i
; và bỏ qua sự biến đổi của độ cao theo phơng
ngang của đáy, ta có:


sl 0
sb i 1 sb i
( Q ) z
q (b ) q (b ) (1 ) b 0
l t





(6-3)
trong đó:
Q
sl
: lu lợng bùn cát theo phơng dọc trong bó dòng;
q
sb
(b
i + 1
), q
sb
(b
i
): lu lợng đơn vị của bùn cát theo phơng ngang tại đờng
dòng i + l và đờng dòng i;

l: trục đối xứng theo bó dòng.
Xét rằng trị số q
sb
cũng không lớn và khó tính toán, trong thực tế, biến hình
trên mặt phẳng của lòng dẫn có thể sử dụng phơng trình biến hình ở dạng đơn
giản sau:

s 0
( Q ) z
(1 ) b 0
l t




(6-4)
Trong phơng trình này chỉ số 1 trong lu lợng bùn cát đợc lợc bỏ.
Để thu đợc phơng trình biến hình cho toàn dòng, cần tích phân phơng
trình (6-2) theo phơng ngang từ mép nớc bờ này sang mép nớc bờ kia. Bỏ qua
sự thay đổi cao trình đáy trên phơng ngang mặt cắt là không nên. Nhng điều đó
kéo theo sự cần thiết phải chú ý đến cả sự thay đổi chiều rộng mặt nớc theo thời
gian. Ký hiệu cận trên và dới của tích phân là b
1
(t) và b
2
(t) và cao trình đáy ở các
điểm mép nớc chính là bằng cao trình mặt nớc:
Z
0
(b

1
) = Z
0
(b
2
) = Z(t)
Kết quả tích phân theo b của đạo hàm
0
dz
dt
đợc biểu thị nh sau:
2 2
1 1
b (t) b
0
0 2 1 oa
b (t) b
z
B
z db Z (b b ) (BZ ) Z'
t t t t t






trong đó,
2
1

b
oa 0
b
1
Z z db
B


là cao trình trung bình đáy trên mặt cắt ngang.
Do hiệu Z' - Z
oa
là độ sâu trung bình dòng chảy h
a
nên có thể viết:

2
1
b (t)
0 oa
a
b (t)
z Z
B
B h
t t t

Với kết quả đó, ta có phơng trình biến hình cho toàn dòng với dạng sau:

s oa
a
Q Z
B
(1 ) B h 0
l t t








(6-5)
trong đó, Q
s
là lu lợng bùn cát cho toàn dòng.
Vì:
a oa
h (Z ' Z )
B
B B
t t t t t

trong đó, = Bh
a
là diện tích mặt cắt ớt, do đó (6-5) đợc viết thành:

s
Q
Z'
(1 ) B 0
l t t








(6-6)