kết nối mô hình tính toán thuỷ lực một chiều với mô hình phát triển vết vỡ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHÉ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN c ơ HỌC
NGUYỄN CHÍNH KIÊN
KẾT NỔI
MỎ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY L ự c M ỘT CHIỂU
VỚI
MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN VẾT VỠ
LUẬN VĂN THẠC sĩ
HÀ N Ộ I- 2005
2
MUC LUC
« %
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
1
Mục lục
2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 4
Danh lĩiục
các bàng 5
Danh mục các hình vẽ, đổ thị
6
MỞ ĐẦU
8
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH PHÁT TRIEN v ế t v ỡ
1.1.
Tình hình nghiên cứu
11
1.1.1. Mục đích nghiên cứu mô hình phát triển vết vỡ

11
1.1.2. Hướng nghiên cứu
13
1.2.
Những khái niệm định nghĩa cơ bản 13
1.2.1. Các kiểu vỡ và dạng phát triển vết vỡ 14
1.2.2. Khái niệm bùn cát
18
1.2.3. Khái niệm chung về vận chuyên bùn cát
18
1.3.
Tổng quan các mô hình phát triển vết vỡ trên thế giới
23
1.1.3. Tinh hình nghiên cứu trên thế giới 12
1.1.4. Tinh hình nghiên cứu trong nước 13
Chương 2 Cơ SỚ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG THỨC c ơ BẢN
2.1. Công thức tính lưu lượng dòng cháy qua vết vỡ 35
2.1.1. Dạng vỡ tràn
35
2.1.2. Dạng vỡ dẫn
40
3
2.2. Công thức tính đơn vị lưu lượng vận chuyển bùn cát 42
2.3. Công thức tính các đại lượng hình học đặc trưng cho vết vỡ 44
2.3.1. Phương trình liên tục 44
2.3.2. Các đại lưựng hình học của mô hình 44
Chương 3 - XÂY DỤNG MÔ HÌNH TÍNH, KlỂM đ ịn h và s o sá n h
3.1. Mô hình tính 46
3.2.Khảo sát độ nhạy các tham số mỏ hình 50
3.3. Kiểm định mô hình 61

3.4. So sánh với các mô hình khác 69
3.4.1. Đặt vấn đề bài toán 69
3.4.2. Kết quá so sánh 72
Chương 4 - KẾT Nối VÓI MÔ HÌNH THỦY Lực MỘT CHIÊU
4.1. Giới thiệu chung về mô hình thúy lực 1 chiều 74
4.1. Kết nồi mô hình 1D và mô hình phát triển vết vỡ 78
4.3. Áp dụng tính cơn lũ năm 1996 tại vùng Thanh Hà-Hải Dương 80
4.4. Áp dụng tính cơn lũ năm 1971 trên toàn đổng bằng Bắc Bộ 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 90
PHỤ LỤ C 92
4
D A N H M Ụ C C Á C K Ý H I Ệ U , C H Ữ V l Ế T t ắ t
MPM : Meyer Peter and Miller
& : và
MH : mô hình
5
D A N H M Ụ C C Á C B Ả N G C Ó T R O N G L U Ậ N V Ă N
Chương 1
Bảng / ./. Bủng giá trị các tham sô trong công thức vận chuyển bủn cát
Rà tì il ì .2. Tổng kết một số mô hình trên thế giới hơn nửa thế kỷ qua
Chương 2
Bảng 2.1. Báng xác định các đại lượng hình học theo các dạng vết vỡ
Chương 3
Bảng 3.1. Kích thước hình học của đập Yahekou
Bảng 3.2. Thông sổ vật liệu đập Yahekou
Báng 3.3. Sô liệu thực đo thí nghiệm Yahekou
Chương 4
Bủmị 4.1. Sô liệu vê vỡ đê thực đo năm 1971 lại đồng bằng Bắc Bộ

6
D A N H M Ụ C C Á C H Ì N H C Ó T R O N G L U Ậ N V Ă N
Chương 1
Hình /./. Các kiểu vỡ chính
Hình 1.2. Biểu đó tỉ lệ phầm trăm các loại vỡ đập trên thế giới
Hình 1.3. Các clựng phát triển vết vỡ theo mặt cắt dọc đập
Hình 1.4. Các dạng pliát triển vết vỡ tlìeo mặt cất nẹang đập
Hình 1.5. Các dạng phát triển vết vỡ theo mặt cắt ngang đập dạng tam iỊÌác
Chương 2
Hình 2.1. Biểu đồ mặt cắt dọc của mô hình dòng chảy tràn qua vết vỡ
llìnli 2.2. Mô lììnli dòng chảy qua đê bao
Hình 2.3. Biểu đồ Govinda Rao và Muralidhar
Hình 2.4. Biểu đồ mặt cắt dọc của mô hình dồng chảy qua vết vỡ dẫn
Chương 3
Hình 3.1. Mặt cắt ngang đập với vết vỡ
Hình 3.2. Mặt cắt ngang đập veri các chuỗi dạng vết vỡ phát triển theo thời gian
Hình 3.3. Đồ thị chiều sán vết vỡ theo thời gian ứng với các liệ số độ dính vật
liệu klìác nhau
Hình 3.4. Đồ thị chiều rộng vết vỡ theo thời gian ứng với các hệ số độ dính vật
liệu khác nhau
7
Hình 3.5. Đồ thị lưu lượng qua vết vỡ theo thời gian ứng với các hệ số độ dínlì
vụt liệu khác nhau
Hình 3.6. Đồ thị chiểu sáu vết vỡ theo thời gian ứng với các đường kính triun’
bình liạt khác nhau
Hình 3.7. Đồ thị chiều rộng vết vỡ theo thời gian ứng với các đường kính trung
bìnli hạt khác nhau
Hình 3.8. Đồ thị lưu lượng chảy qua vết vỡ theo thời gian ứng với các đường
kính trung bình hạt khác nhau
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa đường kính hạt trung bình vật liệu dê và

thời gian vết vỡ đạt các giá trị cực đại hình học
Hình 3.10. Đồ thị chiều sâu vết vỡ theo thời gian ứng với các giá trị khôi lượng
riêng bùn cát khác nhau
Hình 3.J I . Đồ thị chiều rộng vết vỡ theo thời gian ứng với các giá trị khối lượng
riêng bùn cát khác nhau
Hình 3.12. Đồ thị lư u lư ợ n g qua vết vỡ theo thời gian ứrig với các giá trị khôi
lượng riêng vật liệu đê khác nhau
llìnli 3.13. Đổ thị biểu diễn quan hệ giữa giá trị khối lượng riêng vật liệu đê và
thời gian vết vỡ đạt các giá trị cực đại hình học
Hình 3.14. Đồ thị chiêu sâu vết vỡ theo thời giun ibĩg với các giá trị độ sâu vết vỡ
xuất phát ban đầu khác nhau
Hình 3.15. Đồ thị chiều rộng vết vỡ theo thời gian ứng với các giá trị độ sâu vết
vỡ xuất phát ban đầu khác nliau
Hình 3.16. Đồ thị lưu lượng qua vết vỡ theo thời gian ứng với các giá trị độ sâu
vết vỡ xuất phát ban đấu khác nhau
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ sâu vết vỡ ban đầu và thời gian
dể các vết vỡ đạt giá trị cực đại hình học
ỉlình 3.18. Cấu tạo đập Yahekou
¡lililí 3.19. Kết quà đo thí nghiệm Yahekou: quá trìnli phát triển vết vỡ
8
Hình 3.20. Biểu đồ lưu lượng dồng chảy qua vết vỡ thực đo và tính toán của thí
nghiệm Yehakou
Hình 3.21. Khu chậm lũ Vân Cốc
Hình 3.22. Biểu đồ so sánh cao trình đáy vết vỡ phát triển theo thời ạian của các
mỏ hình
Hình 3.23. Biêu đồ so sánh lưu lượng qua vết vỡ tlìeo thời gian của các mỏ hình
Chương 4
Hình 4.1. Bản đồ chia ô đồng bằng Bắc Bộ dựa trên DEM tỉ lệ 1:25000
Hìnli 4.2. Mô hình hóa hệ thấnẹ sông đồng bằng Bắc Bộ
Hình 4.3. Sơ đồ khối của chương trình kết nối

Hình 4.4. Bản đồ chia ỏ và vị trí vết vỡ vùng Thanh Hà
Hình 4.5. Đồ thị lưu lượng nước tràn qua vết vỡ theo thời gian
Hìnli 4.6. Dồ thị chiều cao đáy vết vỡ biến đổi theo thời gian
Hìnli 4.7. Mô phỏng ngập lụt năm 1996 tại Thanh Hà theo diễn tiến thời gian
lỉìnlì 4.8. Biểu đổ biểu diễn cao trình đáy vết vỡ ỉ xói mòn theo thời gian
Hình 4.9. Biêu đồ biểu diễn lưu ỉượniị qua vết vỡ sô I theo thời gian
Hình 4.10. Biểu đồ biểu diễn cao trình đáy vết vỡ 9 xói mòn theo thời gian
Hình 4.11. Biểu đồ biếu diễn lưu lượng qua vết vỡ 9 theo thời gian
Hình 4.12. Bán đồ tính toán diện tích ngập lụt dồng bằng Bắc Bộ năm 197!
9
M Ở Đ Ầ U
Đổng bằng Bắc Bộ chiếm vị trí quan trọng của nước ta, hàng năm luôn
phải chịu những cơn lũ gây tổn thất lớn về cả con ngưòi và vật chất. Do đó dẫn
đến một yéu cầu cấp bách là phải dự báo, đưa ra những biện pháp phòng hộ để
tránh tổn thất.
Từ năm 2000, nhóm đc tài công trình “Công nghệ mô phỏng số phục vụ
cho việc đề xuất, đánh giá và điều hành các phương án phòng chống lũ lụt trên
đồng bằng sông Hồng - Thái Bình” do GS. TSKH. Nguyễn Văn Điệp và
GS. TSKH Ngô Huy cẩn chỉ đạo đã xây dựng bộ chương trình tính toán thủy lực
một chiều mở rộng và đã được Hội đồng nghiệm thu cấp Nhà nước đánh giá xuất
sắc vào cuối nãm 2002 là một bước tiến trong lĩnh vực đề xuất các hiện pháp
công trinh và không công trình nhằm hạn chế những thiệt hại do lũ lụt gây ra.
Trong quá irình tính toán dự báo lũ trên hệ thống các sông đồng bằng Bắc Bộ, với
những cơn lũ lớn như cơn lũ năm 1996 và cơn lũ năm 1999, chương trình
TLVCỈỉ đã mô phỏng tốt quá trình diễn biến cơn lũ nhưng đối với cơn lũ tần suất
1/125 năm như cơn lũ năm 1971 có xảy ra hiện tượng vỡ đê tại nhiều nơi và
nhiều thời điểm khác nhau thi chương trình TLVCH chưa mô phỏng được quá
trình này. Vì vậy trong quá trình hoàn thiện chương trình, tác giả được
GS. TSKH. Nguyền Văn Điộp, TS. Hà Ngọc Hiến hướng dẫn nghiên cứu về vấn
đề phát triển vết vỡ để tính toán về hình dạng, kích thước vết vỡ, lưu lượng trao

đổi qua vết vỡ để từ đó có thể mô phỏng gẩn hơn nữa so với thực tế các trận lũ
có xáy ra hiện tượng vỡ đê.
Trên thế giới, các sự cố vỡ đập, vỡ đc cũng gây ra những tác hại vô cùng to
lớn như vỡ đập Malpasset của Pháp, hay vỡ đập Teton của Mỹ. Các nhà khoa học
10
trong 50 năm qua cũng đã bỏ nhiều công sức nghiên cứu về vấn dề này. Các hội
thảo, hội nghị, dự án quốc tế bàn về vấn đề vỡ đê, vỡ đập đã được tổ chức như hội
nghị ‘Internationa! Dam Breach Processes Workshop, 10-11 March 1998,
Stillwater, Oklahoma hay dự án CADAM (Concerted Action on Dam Break
Waves)
Luận văn bao gồm 4 chương chính, trong đó ở chương 1, tác giả trình bày
vổ mục đích, các hướng nghiên cứu của mô hình phát triển vết vỡ, đưa ra một số
các khái niệm cơ bản và giới thiệu tổng quan về quá trình nghiên cứu về việc phút
triển vct vỡ trên thế giới cũng như trong nước, dưa một số mô hình đã có trên thế
giới. Tiếp theo, trong chương 2, tác giả đưa ra các công thức C Ư bản, cơ s ớ lý
thuyết mà tác giả áp dụng để xây dựng mô hình tính cúa mình. Chương 3 là
chương giới thiệu mô hình tính toán đã xây dựng theo các công thức ớ chương 2
và một số bài toán phân tích kiểm chứng, so sánh mà tác giả đã thực hiện được.
Chương cuối cùng là chương 4 với nội dung: kết nối mô hình phát triển vết vỡ với
mô hình tính toán thủy lực một chiểu nhằm thử nghiệm mô phỏng lại cơn lũ có
xảy ra vỡ đê trong lịch sử ứ đồng bằng Bắc Bộ năm 1971 và 1996.
11
CHƯƠNG I
T Ổ N G Q U A N V Ề C Á C M Ô H Ì N H P H Á T T R I E N
V Ế T V Ỡ
1.1. Mục đích và hướng nghiên cứu
1.1.1 Mục đích nghiên cứu mô hình phát triển vết vỡ
Mục đích của việc nghiên cứu các mô hình phát triển vết vỡ nhằm đánh giá
tác động sự cố vỡ đập, từ đó dự báo được tình trạng ngập lụt có thể xẩy ra do vỡ
đập một phần hoặc toàn phần (hiểm hoạ). Các thông tin này được dùng để:

• Xây dựng kế hoạch cứu hộ khẩn cấp để hành động khi xẩy ra sự cố vỡ đập,
do vậy mục đích việc phân tích vỡ đập cần:
Đưa ra các bản đổ ngập lụt với các tỷ lệ đủ để xác định quy mô ngập lụt
quan hệ tới sự nguy hiểm cho con người, tài sản và công trình công
cộng.
12
Chí ra các công trình ( thí dụ như cầu v.v ) có thể bị phá huỷ.
Chỉ ra các vùng dòng chảy lớn (tiềm năng phá huỷ của dòng chảy).
Xác định thời gian bắt đầu đến của sóng vỡ đập và thời gian đến của
đính sóng.
Xác định các đặc trưng có thê ảnh hưởng tới quá trình sơ tán trong và
sau khi xẩy ra sự cố, kê cả ảnh hướng tới kết cấu hạ tầng và vấn để hồi
lắng và xói lở.
• Đánh giá các rủi ro nhằm ưu tiên các công việc vận hành, duy tu và sửa
chữa.
Đánh giá rủi ro có thể tiến hành theo các mức độ chi tiết khác nhau, tuy
nhiên cần thiết phải xác định tác động rủi ro có thể cho cả những kịch bản vỡ đập
một phần và hoàn toàn. Tác động của ngập lụt có thể bao gồm vùng tiềm năng
phá huỷ và thời gian, cũng như quy mô ngập lụt.
• Kiểm soát sự phát triển kinh tế - xã hội trong các vùng có khả năng ngập
lụt.
Đối với mục đích kiểm soát sự phát triển kinh tế - xã hội, mô phỏng tập
trung chủ yếu vào việc xác định vùng ngập lụt có thể gây ra bởi các kịch bản vỡ
đập khác nhau. Có thể xem xét tới các đặc trưng gây ra rủi ro cho con người.
• Xác định mức độ bảo hiểm cho các tài sản và tính mạng con người.
Mục đích của các công ty bảo hiểm là xác định tình trạng rủi ro của họ bằng
cách nhận biết cả về xác suất của vỡ đập, lẫn tác động tài chính của ngập lụt. Vì
vậy, việc mô phỏng và xây dựng bản đồ ngập lụt cần phải thực hiện đến độ chính
xác đủ để đánh giá tác động tới các tài sản công cộng và tính mạng con người.
Cần phải tiến hành việc đánh giá tiềm năng rủi ro.

<
13
Có nhiều trường hợp đê, đập bị vỡ do chú quan của con người (nổ mìn,
phá ) hoặc tác động bởi thiên nhiên (động đất, núi lửa ) và công việc nghiên
cứu tùy thuộc vào hoàn cảnh, mục đích và mối quan tâm của từng nhà khoa học.
Do đó việc nghiên cứu về sự cố đê đập là có giới hạn và để đi sâu hơn tìm hiếu
các quá trình vật lý cũng như định lượng các giá trị, nghiên cứu về đê đập được
chia thành các hướng sau :
• Mục tiêu trực tiếp:
- Xói mòn đập: Nghiên cứu về xói mòn các đập trên thế giới như vỡ tràn
hoặc vỡ dẫn.
- Tính bền vững của đê: Tính các giá trị tới hạn an toàn cho đê.
- Thiết kế đê: Tính các giá trị tới hạn khi xảy ra sự cố (ứng suất trượt tới
hạn, độ sâu mực nước, vận tốc, hay tuổi thọ công trình.)
• Mục tiêu liên quan:
- Mành vỡ: Nghiên cứu tính chất dòng chảy của hỗn hợp nước với bùn cát
khi mật độ c <0.1
- Vận chuyển bùn cát: Tính toán tổng lưu lượng vận chuyển bùn cát từ
riêng rẽ hai vận chuyến: vận chuyển lớp đáy và vận chuyến tầng lơ lửng.
- Cơ học đất đá: Tính toán các giá trị an toàn tới hạn cho toàn bộ hoặc đơn
le các sự cố cơ học.
- Dòng trên hạn: Nghiên cứu về dòng chảy trong vùng ánh hưởng của vỡ
đê đập.
1.1.2. Hướng nghiên cứu
1.2. Những khái niệm định nghĩa cơ bản
14
Người ta phân chia kiểu vỡ chính phụ thuộc vào nguyên nhân gây vỡ đập
đó là mực nước cao hơn đinh đập, tràn qua xói mòn dập hoặc thân đập có lỗ
thủng, nước tràn qua lỗ thủng xói mòn đập:
• Vỡ tràn (overtopping failure): Vết vỡ bắt đầu từ đỉnh của đê đập và xói

mòn dần xuống dưới đáy. Nguyên nhân xảy ra thường là do hồ chứa đầy
nước tràn qua đỉnh đập gây nên.
• Vữ dẫn (piping failure): Vết vỡ bắt đầu từ điểm nào đó trên thân đê đập
tạo nên một lỗ thủng. Dòng chảy qua lỗ thủng này gây nên xói mòn làm
cho ỉỗ thủng ngày càng to ra và đến một giá trị tới hạn thì phần vật liệu
phía trên của đê đập sẽ sụp xuống và vết vỡ có dạng như vỡ tràn.
ỉ ỉai kiểu vỡ được minh họa trong hình 1.1.
1.2.1. Các kiểu vỡ và dạng phát triển vết vở
v«v t ri* II
^ K Ê Ê Ê Ê Ê IB S ÎM W Ê Ê Ê Ê Ê M
}
- '
> 1
( l> )
D t l ü
(c)
Hình /./. Các kiểu vỡ chính
(a) mô tả vết vỡ ớ trạng thái bắt đầu phát triển, (b) mô tả vết vỡ dang phát
triển, (c) mô tả vết vỡ khi đã phát triển hoàn toàn.
Bcn cạnh đó còn một số nguyên nhân khác đã được Sametz (1981 ) [8,tr.3]
tổng kết theo tỉ lệ phần trăm nguyên nhân gây sự cố trone hình 1.2.
15
Nguyên nhân
khác
17%
43%
Hình 1.2. Biểu đồ tì lệ phầm trăm các loại vỡ đập trên thế g iới.
Để mô phỏng một quá trình trong tự nhiên, các nhà khoa học cũng phải
đưa ra các giả thiết nhất định cho các mô hình thuật toán cúa mình. Broich
ỊX.tr.l 1] giả thiết về các dạng phát triển của vết vỡ theo mặt cắt ngang như hình

1.3 theo 3 dạng: Xói mòn theo hướng song song với mặt đập (đáy của vết vỡ luôn
song song đỉnh đập trong suốt quá trình xói mòn), xói mòn có hướng xoay
quanh chân hạ du đập (đáy của vết vỡ nằm trên dường thẳng luôn đi qua chân hạ
du đập) và xói mòn theo hướng song song với mặt nghiêng hạ du đập, và dọc đập
như hình 1.4 theo 3 dạng chính: dạng hình chữ nhật, dạng hình thang, dạng hình
cung.
16
h V ết vỡ p hát triển xoay theo c hân hạ du đập
c Vết vỡ ph át triển song song với m ặt nghiêrxg h ạ du đập
Hình Ị .3. Các dạng phát triển vết vỡ theo mặt cắt dọc đập
17
a .
Đĩnh đập
/ h.
c o n s t
ÂA*
___
/
C h in đ ậ p .
Đ Ĩnli đâp
c.
Hình 1.4. Các dạng phát triển vết vỡ theo mặt cắt ngang đập
Ngoài ra, F Macchione và A Rino [17, tr.2] đưa ra dạng phát triển vết v ỡ
theo mặt cắt ngang của đập phát triển từ dạng dạng hình tam giác đến hết đáy thì
chuycn sang dạng hình thang như hình 1.5.
I ĐA! HOC QUỐC GIA HÀ NÔI
TRUNG TẨM THÔNG TIN THƯ VIÊN
1 v : L 0 / i £ 1
_____
Đ ỉn h đập

18
( b )
B
< 3»
Mực nước trước đập Đỉnh đập.
1.2.2. Khái niệm bùn cát
Các loại bùn cát đáy được phân loại trong [2, tr. 11-12] theo giá trị đường
kính cấp hạt của bùn cát gồm sét, bùn, cát, sỏi
• Đường kính hạt cát có thể được biểu thị bằng mm (1 0 3 m) hoặc bằng
micro mct (10 6 m).
19
Trong địa chất thường sử dụng thang độ ộ\ 0 = -lo g ,D h a y D = 2 ^
với D là đường kính cấp hạt đáy tính bằng mm.
Vì trên thực tế lớp đáy bao gồm nhiều loại hạt khác nhau do vậy cần
phân bô' cấp hạt. Phàn bố cấp hạt thường thường được biểu diễn bằng
đường cong tích lũy đưa ra số phần trăm khối lượng bùn cát nhỏ hơn D.
Bùn cát đáy thường được đặc trưng bới đường kính cấp hạt trung bình Dso
(là giá trị đường kính mà 50% của tổng số hạt cát đáy có đường kính nhỏ
hơn).
Độ đồng đcu của bùn cát được biểu thị qua độ phân tán hình học tiêu
chuẩn ơg •
Nếu — < 2 : Bùn cát đáy được coi là có độ đồng đều tốt.
Di6
Nếu — >16 : Bùn cát đáy được coi là có độ phân tán cao.
Di6
• Mạt độ và độ xốp: Mật dộ ướt của bùn cát p„ (thường lấy bằng 2650
kg/m3). Mật độ của hùn cát khô là trọng lượng bùn cát khô trên một đơn vị
thể tích:
Pdry =(1-Mps
Với Ả là tham số độ xốp phụ thuộc vào đường kính cấp hạt và độ

chọn lọc.
20
Quá trình phát triển vết vỡ là sự xói mòn các hạt hùn cát vật liệu tạo nên đê
đập. Sự xói mòn này tạo nên bởi các dòng chảy vận chuyển bùn cát, trong đó sự
vận chuyển bùn cát được chia thành các bước sau :
• Các hạt bùn cát được bốc lên khỏi đáy và đưa vào trạng thái lơ lửng.
• Các hạt đó chuyển động trong khối nước.
• Các hạt từ trạng thái lơ lửng bị lắng đọng lại xuống đáy.
Trong ha bước ncu trên thi bước thứ hai có vai trò quan trọng nhất.
Sự vận chuyển hùn cát bao gồm vận chuyến lớp đáy (bed load), sự vận
chuyển tầng lơ lửng (suspended load). Bên cạnh đó còn một dạng phụ nữa được
gọi là “wash load”.
Van Rijn (1983) [20, p.270-271J định nghĩa các dạng vận chuyển trên như
sau:
• V ận chuyển lơ lửng: Các hạt bùn cát chuyển động trong trạng thái lơ
lửng sau khi được bốc lên khỏi đáy do trao đổi rối. Đây là một phần
quan trọng của tổng lượng vận chuyển hùn cát. Nghĩa là tồn tại chuyển
động rối của các hạt hùn cát trong hỗn hợp chất lỏng theo những chu kỳ
thời gian lớn mà không phụ thuộc vào dòng chảy.
• Vận chuyển lớp đáy: Bùn cát luôn có mối liên hệ với lớp đáy, chúng
được vận chuyển bới sự cuộn tròn, trượt hoặc nhảy trên đáy nước dưới
tác dụng của lực kéo của nước lên đáy.
• “Wash load”: Đây là một phần của vận chuyển lơ lửng, tạo nên bởi
những hạt kích thước không nhìn thấy được của vật liệu lớp đáy. Nó
luôn có trong hỗn hợp chất lỏng - bùn cát và không thể bỏ qua trong sự
1.2.3. Khái niệm chung về vận chuyển bùn cát
21
vận chuyến của dòng chảy. Lun lượng của vận chuyển bồi lắng chỉ phụ
thuộc vào những giá trị tính chất của lưu vực mà không phụ thuộc vào
lưu lượng của dòng cháy.

Xct quá trình vận chuyển bùn cát theo thời gian có thể chia làm các giai
đoạn sau: Khi tốc độ của dòng chảy sát đáy tăng vượt qua giá trị tới hạn của
chuyến động bùn cát đáy sẽ làm cho các hạt hùn cát bắt đầu chuyển động kiêu
lăn và kiêu trượt. Nếu tốc độ tiếp tục tăng sẽ làm các hạt bùn cát chuyến sang chế
độ nháy. Khi tốc độ dòng chảy vượt qua tốc độ sa lắng của các hạt bùn cát đáy sẽ
xảy ra hiện tượng các hạt này tách khỏi đáy và chuyển động trong trạng thái lơ
lửng.
Nói chung, một phương trình vận chuyển bùn cát đặc trưng cho nhiều lớp
kích cỡ vật liệu có thể biểu diễn dưới dạng sau:
qsi = f(hs,V ,S ,B ,d,p ,ps,sf,d i,p j,T)
trong đó
qsl: Lưu lượng vận chuyển bùn cát của lớp thứ i
hs: Cao trình mực nước của dòng chảy.
V : Vận tốc trung bình của dòng chảy,
s : T hế năng độ nghiêng thân đập.
B : Chiều dầy của đê, đập.
d : Đường kính thủy lực.
p : Khối lượng riêng của nước.
ps: Khối lượng riêng của bùn cát.
22
p : Tỉ lệ của lớp kích cỡ thứ i trong lớp đáy.
T : Nhiệt độ của nước.
Khi đó công thức tổng lưu lượng vận chuycn hùn cát có dạng :
qs = Ẻ q sip,
i=l
sf : Hệ số hình học.
d : Đường kính hình học của lớp kích cỡ thứ i.
Báng 1.1. là báng giá trị của một vài tham số trong một số công thức của
một số nhà khoa học áp dụng dùng đem vị theo hệ Anh [20, p.280J.
Coutí tliứe

d
%
s V
D
s vv
1
-\ckers-W hile
0.04 -
NA
11* - : 7
0.07 - 0.01 -
0.00006 -
0 23 -
46 - 89
7.0
7 1 1 4
D.037 41)
1 imltind-l lanscn
NA 0
NA 0 65
0.19
.0055
NA 45 - *>3
0
6 „Ì4
1.33
U,0W
1 iUirscn
NA
0 08

NA
0 068
0.67
0.0000021
63 32 -
0 7 7 8
54
0.0018 36441
1 illllscil
NA
0011 -
NA
0 7 - -4 0.03
0 <10025
0 25
|f,. s.ỉ
2')
.v<>
0.025
(«<>
(14
\ . \
1 25
1 2
0.03
1' ỊliKi-l
0 5
NA
Mullor
•>9

4(1
4
ỉ>) 0.02
(»
1 olulclti
(1062
0 095 NA 0 7-78
11.07
1' 01 ti ¡(11 »2
63 -
4 1)
0 70
50 7 (K >
0.00! 1
.ì MU
‘Í3
1 olalcltỉ
0.062
0 45 NA
(1 7 - <1J
0.07
(>.( KKH -4
l!S s
■40 - ‘M
A 0
01)1
I I (K >
0.0 IV
Viiiiii
0 15 NA

NA
0 8-6.4
0.04 0.(KK'KH5
0.44 32 - ‘M
1 7
50 1)028 175<I
Yaniỉ
2.5 NA N A
14-51
0.08
1)0012
0 44
M - ‘M
7.0
(1.72
U.02M 175(1
Bà nạ / ./. Báng giá trị các tham số trong công thức vận chuyển bùn cút
Sau đây là một số công thức tính vận chuyển bùn cát cơ bán:
2 3
• Phương trình Duboys: Đây là phương trình vận chuyển bùn cát đầu tiên
được xây dựng bởi Duboys năm 1879. Công thức này giả thiết bùn cát
chuyến động trong một lớp mỏng dọc theo đáy kênh. Đế tính vận chuyển
bùn cát ỉớp đáy, ứng suất bị giới hạn bởi ứng suất trượt tới hạn.
Duboy ước lượng ứng suất trượt tới hạn: T. = 0.0125 + 0.019 D S(I
Lưu lượng bùn cát vận chuyển trên 1 đơn vị chiều rộng được tính
A AV . „ 0.173 ,
dựa trên ứng suất trượt và kích cỡ hạt: q = "~V4 X (x ~ T )•
Ư 5 0
• Phương trình Meyer — Peter and Muler: được phát triển vào năm 1948
dựa trên việc lấy kích thước vật liệu hùn cát trung bình D w . Chien

với: p w là mật độ nước (thường lấy bằng 1000 kg/m ' ) .
p là mật độ hùn cát (thường lấy bằng 2650 kg/m ' ).
• Phương trình H .A .Einstein and Brown: sử dụng ý tưởng các hạt chuyển
động urơng ứng với kích thước của chúng. Phương Irình dưới đây dựa
trên độ sâu lớp đáy bằng hai lần kích thước hạt:
(1956) [20, p.282-283] biến đổi và đưa ra dưới dạng sau:
8(i - T. )3/2 (phương trình dưới dạng thứ nguyên).
I 3 (— - l)gDso A (— -l) g D Ỉ0
lí Pw V Pw
2 36 V2 36 V2
24
Trong đó giá trị vận chuyển bùn cát qliv. là hàm của tham số Shield l
qs. = 2.1e'0?91A* khi t* < 0.18
qs* = 40 tỉ khi 0.18 < t» < 0.52
q s* = 151 Is khi t*> 0.5 2
/
với t. = 0.22(3 + 0.06 X 10 77p trong đó p =
1
Ps- l¥ IK
Pw
V : hệ số nhớt động học.
Ngoài ra còn có một số phương trình tính đơn vị vận chuyển bùn cát lớp đáy
khác như phương trình Yalin, Bagnold (1966) [20] được áp dụng và so sánh
trong các bộ chưưng trình lớn như HEC-RAS. Sau này các nhà khoa học còn
phát triển các phương trình tính lưu lượng vận chuycn bùn cát mớ rộng cho dòng
cháy vận chuyển tổng hợp (vận chuyển lớp đáy và vận chuyển lơ lửng) như
phương trình Ackers-White, Engclund-Hansen, Laursen, Toffaleti, Yang dược
trình bày chi tiết trong [20, p.280-285] và dược áp dụng tùy thuộc vào các lớp
kích llurớc hat khác nhau.
1.3. Tình hình nghiên cứu

Bài toán về mô hình phát triển vết vỡ đã được nghiên cứu theo nhiều
phương pháp khác nhau như phương pháp thực nghiệm, phương pháp phân tích,
phương pháp tham số, mô hình số. Mỗi phương pháp có một ưu, nhược điểm
riêng nhưng ngày nay với sự phát triển cùa máy tính thì các mô hình số dang
được các nhà khoa học áp đụng dê nghiên cứu. Việc lựa chọn mô hình số thích
25
hợp mô phỏng quá trình ngập lụt do vỡ đập, về cơ bản, là nhằm đạt được sự thoa
hiệp chấp nhận được giữa ycu cầu về độ chính xác mô phỏng và giá thành tính
toán (cả về phần mềm và thời gian tính). Hiện tại các nhà khoa học vẫn chủ yếu
xây dựng và phát trien mô hình 1 chiều và 2 chiều, còn hiện tại mổ hình 3 chiều
không phải là sự lựa chọn thực tế để mô phỏng bài toán vỡ đập. Điều này có thể
thay đổi trong tương lai với sự phát triển của khả năng tính toán, tuy nhicn hiện
nay mới chỉ có một số xem xét cơ sở lí thuyết của vấn đề này. Ngay cả việc lựa
chọn mô hình 1 chiều hay 2 chiều cũng còn tùy thuộc vào bản chất của dòng
chảy. Thí dụ, nếu dòng cháy chủ yếu là 1 chiều (như dọc theo thung lũng hẹp) thì
mô hình 1 chiều là thích hựp. Nếu vùng cần mô phỏng dòng chảy vỡ đập là thung
lũng mở rộng và vùng đồng hằng bàng phẳng thì mô hình 2 chiều sẽ thích hựp
hơn. Tuv nhiên, trong thực tế không hoàn toàn đơn giản như vậy. Có thế chia
dòng chảy làm 2 loại: loại chủ yếu là 1 chiều và loại chủ yếu là 2 chiều. Trong
nhiều trường hợp có thể dùng mô hình 1 chiều với điều kiện chú ý tới hiệu ứng 2
chiều cục bộ.
1.3.1. Tình hình nghicn cứu trên thè giới
Các nhà khoa học trên thế giới cũng đã tổ chức nhiều hội thảo, dự án quốc tế
lỏn về lĩnh vực này để trao đổi kinh nghiệm như CADAM, RESCDAM, dự án
NATO - Portugale, đã có nhiều chương trình 1 chiều và 2 chiều được xây dựng
như DAMBRK, FLDWAV, TELEMAC2D m à tác giả sẽ đề cập ở các phần
sau. Điển hình là các chương trình như Breach của Frcad tại National weather
service, National Oceanic & Atmospheric Adm inistration (NOAA),USA hay
chương trình của nhóm tác giả Erkki Loukola và Mikko Huokuna thuộc viện
nghiên cứu môi trường Phần Lan