Nghiên cứu xác định sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lưu công trình cột nước thấp vùng triều đồng bằng sông cửu long
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.36 MB, 186 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM
--------------------
NGUYỄN THANH HẢI
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ KẾT CẤU HỢP LÝ
HẠ LƯU CÔNG TRÌNH CỘT NƯỚC THẤP VÙNG TRIỀU
ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM
--------------------
NGUYỄN THANH HẢI
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ KẾT CẤU HỢP LÝ
HẠ LƯU CÔNG TRÌNH CỘT NƯỚC THẤP VÙNG TRIỀU
ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
Chuyên ngành
: Xây dựng công trình thủy
Mã số
: 62 58 40 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
GV HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TĂNG ĐỨC THẮNG
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2012
-
-
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của Cơ sở đào tạo:
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, các
Cơ quan quản lý và Trung tâm Thủy công & Thủy lực đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tác giả thực hiện luận án.
Tác giả xin cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Ân Niên, GS.TS Phạm Ngọc
Quý về sự giúp đỡ và động viên của Thầy trong quá trình tác giả thực hiện
luận án.
Đặc biệt tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cố GS.TS Trần
Như Hối; PGS.TS Tăng Đức Thắng đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo
nhiều điều kiện để tác giả hoàn thành luận án này.
Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả đã nhận được sự động viên,
cổ vũ và giúp đỡ quý báu từ các nhà khoa học, các bạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả xin ghi nhớ tất cả những đóng góp to lớn đó.
Cuối cùng không thể thiếu được, tác giả xin cảm ơn người thân trong
gia đình bởi sự cổ vũ, động viên, khuyến khích đã tạo thêm nghị lực, quyết
tâm cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án, nhất là những lúc khó
khăn mà chỉ với ý chí đơn thuần thì khó có thể vượt qua.
Nghiên cứu xác định sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lưu công trình cột nước
thấp vùng ảnh hưởng thủy triều ĐBSCL là vấn đề rất phức tạp, nên luận án
không thể tránh khỏi những khiếm khuyết. Tác giả rất mong nhận được được
sự chỉ bảo, đóng góp chân tình của các Thầy, các nhà khoa học và bạn bè,
đồng nghiệp.
Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012
TÁC GIẢ
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án
Nguyễn Thanh Hải
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1
Trang
TỔNG QUAN, XÁC ĐỊNH TÍNH CẤP THIẾT VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu
1.1.1. Đặc điểm địa hình
1
-------------------------
2
1.1.2. Đặc điểm địa chất - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
3
1.1.3. Đặc điểm thủy triều - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
6
1.1.4. Đặc điểm thủy văn hệ thống - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
8
1.1.5. Nhận xét đánh giá phần đặc điểm tự nhiên - - - - - - - - - -
11
1.2. Tổng quan xây dựng và phát triển cống ở ĐBSCL
1.2.1. Quá trình phát triển công trình thủy lợi vùng ĐBSCL
12
12
1.2.1.1. Quá trình XD cống truyền thống cải tiến ở ĐBSCL
14
1.2.1.2. Quá trình xây dựng cống đập phân ranh mặn ngọt
15
1.2.2. Các hình thức cống hở vùng ĐBSCL - - - - - - - - - - - - -
16
1.2.2.1. Cống truyền thống cải tiến ở ĐBSCL - - - - - - - - -
16
1.2.2.2. Cống đập dàn cọc - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
17
1.2.2.3. Cống đập trụ đỡ
- ---------------------
17
1.2.2.4. Cống đập xa lan (dạng phao di động) - - - - - - - - -
18
1.2.2.5. Cống đập cừ dự ứng lực
-----------------
19
--------------------------
20
1.2.3. Nhận xét mục 1.2
1.3. Các Kết quả nghiên cứu liên quan đến luận án
20
1.3.1. Nghiên cứu về nối tiếp hạ lƣu công trình - - - - - - - - - - -
20
1.3.2. Nghiên cứu tiêu năng phòng xói hạ lƣu công trình - - - -
23
1.3.3. Một số nghiên cứu khác liên quan - - - - - - - - - - - - - - - -
27
1.3.4. Kết luận mục 1.3
--------------------------
29
1.4. Những vấn đề đặt ra - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
30
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu luận án- - - - - - - - - - - - - - - - -
33
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
35
1.7. Nội dung nghiên cứu
35
---------------------------
CHƢƠNG 2
Trang
CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC
TRONG THÍ NGHIỆM MHTL CỐNG VÙNG TRIỀU ĐBSCL
2.1. Mô hình thủy lực cống vùng triều ĐBSCL
36
2.1.1. Mục đích nghiên cứu thí nghiệm MHTL - - - - - - - - - - - -
36
2.1.2. Lý thuyết tƣơng tự đối với MHTL cống vùng triều - - - - -
36
2.1.3. Thiết kế mô hình thủy lực - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
40
2.1.3.1. Thiết kế mô hình - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
40
2.1.3.2. Kiểm tra kỹ thuật và điều kiện giới hạn - - - - - - - -
41
2.1.4. Nội dung thí nghiệm MHTL cống - - - - - - - - - - - - - - - -
42
2.1.5. Thiết bị thí nghiệm - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
44
2.1.6. Yếu tố đất nền - vận tốc cho phép xói
------------
46
2.1.7. Lựa chọn biên mực nƣớc trong mô hình - - - - - - - - - - -
47
2.2. Đánh giá ảnh hƣởng của yếu tố không ổn định đến khả năng
tháo nƣớc qua công trình trong thí nghiệm MHTL
49
2.2.1. Sơ đồ tác động của yếu tố không ổn định đến lƣu lƣợng
50
2.2.2. Đánh giá ảnh hƣởng của yếu tố không ổn định
53
2.2.3. Đánh giá định lƣợng ảnh hƣởng yếu tố không ổn định đến
54
khả năng tháo nƣớc qua công trình trong TN MHTL
2.2.4. Kết luận mục 2.2
55
2.3. Kết quả thí nghiệm MHTL cống vùng triều ĐBSCL
56
2.4. Phân tích đánh giá tính hợp lý của kết cấu hạ lƣu cống
56
2.4.1. Phân tích, đánh giá tồn tại bất lợi về thủy lực
57
2.4.1.1. Đánh giá thực tế một số cống bị xói lở bất lợi
57
2.4.1.2. Xác định tồn tại bất lợi của dòng chảy nối tiếp hạ lƣu
61
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
2.4.1.3. Nguyên nhân cơ bản dẫn đến xói lở hạ lƣu cống
2.4.2. Phân tích đánh giá tính hợp lý của hình thức kết cấu hạ
64
66
lƣu (kết cấu hạ lƣu) cống vùng triều ĐBSCL
2.4.2.1. Quan điểm về tính hợp lý của kết cấu hạ lƣu cống
66
2.4.2.2. Yêu cầu chung về chế độ thủy lực hạ lƣu cống
66
2.4.2.3. Tính hợp lý của kết cấu hạ lƣu cống
---------
67
a) Về hình thức kết cấu tăng độ mở cửa van - - - - - -
67
b) Về hình thức kết cấu bể tiêu năng - - - - - - - - - - -
70
c) Về hình thức kết cấu sân sau, hố phòng xói - - - - -
72
2.4.2.4. Kiểm định thực tế cống có ứng dụng kết quả TNTL
77
2.5. Kết luận chƣơng 2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
80
CHƢƠNG 3
Trang
XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ KẾT CẤU HỢP LÝ HẠ LƢU CÔNG TRÌNH
CỘT NƢỚC THẤP VÙNG TRIỀU ĐBSCL
3.1. Xác định nguyên lý cấu tạo cho chi tiết trong kết cấu hợp lý
82
hạ lƣu cống vùng triều ĐBSCL
3.1.1. Nguyên lý xác định cấu tạo ngƣỡng cống - - - - - - - - - -
83
3.1.2. Nguyên lý xác định cấu tạo bể tiêu năng
----------
84
3.1.3. Nguyên lý bố trí tƣờng trong kết cấu tiêu năng phòng xói
85
3.1.4. Cấu tạo chung của kết cấu phòng xói hạ lƣu - - - - - - - -
86
3.2. Phân loại sơ đồ kết cấu hạ lƣu công trình
88
3.2.1. Cơ sở phân loại - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
88
3.2.2. Phân loại sơ đồ kết cấu hạ lƣu công trình - - - - - - - - - - -
90
3.3. Xác định phƣơng trình tổng quát
90
3.4. Xác định mực nƣớc tính toán kết cấu hạ lƣu
94
3.4.1. So sánh giá trị vận tốc đáy tại mặt cắt hố phòng xói tƣơng
95
ứng với tổ hợp mực nƣớc khác nhau
3.4.2. So sánh hình thái nối tiếp hạ lƣu tƣơng ứng với tổ hợp
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
99
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
mực nƣớc khác nhau
3.5. Xác định mối quan hệ giữa hình thức kết cấu hợp lý hạ lƣu
101
với đặc trƣng thủy lực, đất nền
3.5.1. Phƣơng trình tổng quát rút gọn - - - - - - - - - - - - - - - - - -
101
3.5.2. Cơ sở dữ liệu và phƣơng pháp xác định PT thực nghiệm
102
3.5.3. Phƣơng trình thực nghiệm lựa chọn - - - - - - - - - - - - - -
104
3.6. Sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lƣu công trình cột nƣớc thấp vùng
104
triều ĐBSCL
3.7. Ứng dụng kết quả nghiên cứu, tính toán xác định kết cấu
107
hợp lý (KCHL) hạ lƣu cống ĐBSCL
3.7.1. Ứng dụng, tính toán KCHL hạ lƣu cống 286 (01 khoang
107
cửa) tỉnh Kiên Giang
3.7.2. Ứng dụng, tính toán KCHL hạ lƣu cống Vàm Tháp (02
109
khoang cửa) tỉnh Tiền Giang
3.7.3. Ứng dụng, tính toán KCHL hạ lƣu cho thiết kế sửa chữa
111
cống Bến Chùa (03 khoang cửa) tỉnh Trà Vinh
3.8. Ý nghĩa ứng dụng sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lƣu cho công trình
113
cột nƣớc thấp ĐBSCL
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
115
1.1. Những kết quả mới của luận án - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
115
1.2. Hƣớng nghiên cứu tiếp - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
115
2. Kiến nghị - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
116
CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
117
CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
118
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
CÁC PHỤ LỤC
CÁC PHỤ LỤC CHƢƠNG 2
- Một số hình ảnh nghiên cứu thí nghiệm MHTL, nghiên cứu thực
tế cống ở ĐBSCL
- Thông số tiêu năng các chi tiết của kết cấu TNPX hợp lý đƣợc
xác định từ thí nghiệm MHTL cống ở ĐBSCL
PHỤ LỤC CHƢƠNG 3
3.3. Xây dựng phƣơng trình tổng quát
3.5.2. Số liệu nhập, xác định các PT thực nghiệm (16 PT/sơ đồ)
3.5.3. Phân tích lựa chọn PT thực nghiệm cho từng sơ đồ
CÁC TÀI LIỆU BUỔI HỌP
ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CẤP VIỆN
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Xây dựng, phát triển các DA thuỷ lợi ven biển ĐBSCL ................ 13
Bảng 1.2: Quá trình xây dựng cống đập cừ bản dự ứng lực ........................... 16
Bảng 2.1: Thông số đặc trƣng kiểm tra TK MHTL cống .............................. 41
Bảng 2.2: Vận tốc cho phép xói đất nền ......................................................... 47
Bảng 2.3: Đánh giá tổng quan thực tế các cống nghiên cứu .......................... 77
Bảng 2.4: So sánh kết quả đo thực tế với số liệu thí nghệm .......................... 79
Bảng 3.1: So sánh vận tốc gần đáy MC hố xói cống 01 cửa .......................... 95
Bảng 3.2: So sánh vận tốc gần đáy cống 02 cửa ............................................. 96
Bảng 3.3: So sánh vận tốc gần đáy cống 03 cửa ........................................ 97
Bảng 3.4: So sánh kết quả tính với kết quả NC cống 01 cửa ....................... 109
Bảng 3.5: So sánh kết quả tính với kết quả NC cống 02 cửa ....................... 110
Bảng 3.6: So sánh kết quả tính với kết quả NC cống 03 cửa ....................... 113
CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bản đồ địa hình ĐBSCL .................................................................. 2
Hình 1.2: Bản đồ phân vùng đất yếu ở ĐBSCL................................................ 4
Hình 1.3: Biên độ mực nƣớc triều cƣờng ....................................................... 11
Hình 1.4: Cống Ba Lai tỉnh Bến Tre ............................................................... 17
Hình 1.5: Cống đập trụ đỡ .............................................................................. 18
Hình 1.6: Cống dạng phao di động (cống Phƣớc Long tỉnh Bạc Liêu) .......... 19
Hình 1.7: Cống cừ dự ứng lực (C. Ninh Quới tỉnh Bạc Liêu) ........................ 19
Hình 1.8: Nối tiếp chảy đáy sau bậc ............................................................... 21
Hình 1.9: Nối tiếp chảy mặt sau bậc ............................................................... 22
Hình 1.10: Sơ họa hƣớng nghiên cứu luận án................................................. 34
Hình 2.1: Mặt bằng bố trí thiết kế mô hình thủy lực cống ............................. 40
Hình 2.2: Ví dụ diễn biến mực nƣớc thƣợng hạ lƣu cống .............................. 47
Hình 2.3: Quan hệ Z V .................................................................................. 53
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
Hình 2.4: Sơ họa tổng quát kết cấu cống truyền thống ................................... 57
Hình 2.5: Xói lở cống Mồng Gà tỉnh Long An, năm 2003 ............................. 58
Hình 2.6: Xói lở cống Vàm Đồn tỉnh Bến Tre, năm 1998.............................. 58
Hình 2.7: Mặt bằng hiện trạng xói lở cống Vàm Đồn, năm 1989 ................... 59
Hình 2.8: Mặt bằng hiện trạng xói lở cống Vàm Đồn, năm 1992 ................... 60
Hình 2.9: Đặc trƣng nối tiếp hạ lƣu cống 01 khoang cửa (HT) ....................... 62
Hình 2.10: Đặc trƣng nối tiếp hạ lƣu cống 02 khoang cửa (HT).................. 62
Hình 2.11: Hiện trạng độ mở cửa cống Thanh Trị........................................... 63
Hình 2.12: Hiện trạng cấu tạo nối tiếp hạ lƣu cống 01 khoang cửa ................ 63
Hình 2.13: Kết cấu ngƣỡng cống chƣa hợp lý ................................................. 67
Hình 2.14: Sửa đổi kết cấu ngƣỡng cống hợp lý ............................................. 68
Hình 2.15: Ứng dụng kết quả NC tƣờng van + lƣỡi gà trong thực tế .............. 69
Hình 2.16: Cấu trúc chảy mặt sau bậc ............................................................. 71
Hình 2.17: Góc mở hình học từ bể ra HPX – PA. Bể + HPX.......................... 73
Hình 2.18: Góc mở hình học từ bể ra HPX – PA. Bể + sân sau + HPX.......... 74
Hình 2.19: Đặc trƣng nối tiếp hạ lƣu cống 01 khoang cửa (NC) ..................... 75
Hình 2.20: Đặc trƣng nối tiếp hạ lƣu cống 02 khoang cửa (NC) ................. 75
Hình 2.21: Cửa van mở 900 kiểm định thực tế kết quả nghiên cứu ................. 79
Hình 2.22: Thực tế hố phòng xói cống nghiên cứu ......................................... 80
Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát hình thức kết cấu hạ lƣu cống............................... 82
Hình 3.2: So sánh hình thái nối tiếp HL cống 01 cửa .................................... 100
Hình 3.3: So sánh hình thái nối tiếp HL cống 02 cửa................................. 100
Hình 3.4: Sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lƣu cống 01 cửa ..................................... 105
Hình 3.5: Sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lƣu cống 02 cửa ...................................... 106
Hình 3.6: Sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lƣu cống 03 cửa .................................. 106
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
VIẾT TẮT
VIẾT ĐẦY ĐỦ / Ý NGHĨA
TÊN TỔ CHỨC, ĐỊA DANH
BĐCM
Bán Đảo Cà Mau
ĐBSCL
Đồng Bằng Sông Cửu Long
ĐHTL
Đại học Thủy lợi
ĐTM
Đồng Tháp Mƣời
KHCN
Khoa Học và Công Nghệ
MN
Mực nƣớc
MHTL
Mô hình thủy lực
NMT
Nam Măng Thít
VKSQH
Viện Khảo Sát Quy Hoạch Thủy Lợi Nam Bộ
TLNB
QLPH
Quản Lộ - Phụng Hiệp
TNPX
Tiêu năng phòng xói
TGLX
Tứ Giác Long Xuyên
TGHT
Tứ Giác Hà Tiên
VKHTLVN
Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam
VKHTLMN Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam
KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ KHOA HỌC
L
Hằng số tƣơng tự về độ dài hay tỷ lệ hình học (MH chính thái)
Re
Số Râynôn
Hệ số tổn thất dọc đƣờng
Khối lƣợng riêng của nƣớc
g
Gia tốc trọng trƣờng
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
VIẾT TẮT
-
VIẾT ĐẦY ĐỦ / Ý NGHĨA
Hệ số sửa chữa động năng, hệ số monent
Diện tích mặt cắt ngang
Q
Lƣu lƣợng toàn dòng
q
Lƣu lƣợng đơn vị
V
Vận tốc trung bình thời gian tại điểm xét
u/v
Vận tốc thực tại điểm xét
t/T
Thời gian/thời đoạn
Z
Cao trình mực nƣớc
n
Hệ số nhám bề mặt lòng dẫn
Độ nhám tuyệt đối
R
Bán kính thủy lực
Chu vi mặt cắt ƣớt
Fr
Số Frút
j
Độ dốc thủy lực
ng
Cao trình ngƣỡng cống (m)
G
Chiều cao tƣờng van: đỉnh tƣờng - đáy bể (m)
LV
Khoảng cách từ tim trục van đến tƣờng van (m)
B = n*b
Chiều rộng kết cấu của cống, kể cả chiều dầy cửa van (m)
d
Chiều dày cánh cửa van (m)
H, hh
Chiều sâu cột nƣớc thƣợng hạ lƣu cống ứng với trƣờng hợp
lƣu lƣợng qua cống lớn nhất Qmax
Bc = n*bc
Chiều rộng tháo nƣớc qua cống (m)
Lsn
Chiều dài sân sau (m)
ds
Chênh cao giữa cao trình sân sau với cao trình ngƣỡng cống:
ds = đáy ngƣỡng cống - đáy sân sau (m)
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
VIẾT TẮT
-
VIẾT ĐẦY ĐỦ / Ý NGHĨA
dx
Chiều sâu của hố xói thiết kế dx =ngƣỡng cống - đáy hố xói (m)
Nbể
Chiều cao tƣờng cuối bể tiêu năng: đỉnh tƣờng - đáy bể (m)
Nsn
Chiều cao tƣờng cuối sân sau: đỉnh tƣờng - đáy sân (m)
[V]cpx
Vận tốc cho phép xói của đất nền lòng dẫn hạ lƣu (m/s)
Bxtb
Chiều rộng trung bình mặt cắt hố phòng xói (HPX) tính với
cao trình mặt nƣớc xét (m)
Vtbmc
Vận tốc đáy trung bình mặt cắt ƣớt HPX tƣơng ứng với tổ hợp
mực nƣớc xem xét (m/s)
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-
-
MỞ ĐẦU
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
- MĐ 1 -
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng có tiềm năng to lớn về
nông nghiệp, có vị trí trọng yếu đối với sự phát triển kinh tế xã hội của cả
nước. Diện tích tự nhiên gần 4 triệu ha trong đó có 2,7 triệu ha đất nông
nghiệp, lâm nghiệp và mặt nước nuôi trồng thủy sản, đóng góp hơn 50% sản
lượng lương thực, 65% sản lượng thủy sản và phần lớn lương thực xuất khẩu
của cả nước, góp phần quyết định thực hiện chiến lược an ninh lương thực
quốc gia. Tuy nhiên, hàng năm một vùng rộng lớn gần 2 triệu ha chiếm
khoảng 50% diện tích ở phía Bắc ĐBSCL bị ngập lụt do lũ sông Mê Công
tràn về; 1,4 1,6 triệu ha vùng ven biển bị xâm nhập mặn; 1,2 triệu ha đất
phèn ở vùng trũng; 2,1 triệu ha vùng sâu, vùng xa thiếu nước ngọt... Cơ sở hạ
tầng còn yếu kém.
Công tác thủy lợi vùng ĐBSCL phải nhằm sử dụng và khai thác triệt để
và hợp lý nhất nguồn nước sông Mê Công là tài nguyên thiên nhiên to lớn và
rất quý giá, đồng thời phải có biện pháp hạn chế tối đa tác hại do lũ lụt, hạn
hán, xâm nhập mặn gây ra. Trong những năm vừa qua đã từng bước hình
thành hệ thống thủy lợi hoàn chỉnh bao gồm các công trình tưới, tiêu, thau
chua, xổ phèn, ngăn mặn và kiểm soát lũ đồng bộ từ công trình đầu mối, kênh
trục các cấp đến hệ thống nội đồng. Một trong những công trình chính trong
hệ thống thủy lợi đồng bằng sông Cửu Long là cống nguồn điều tiết dòng
chảy có sự ảnh hưởng của thủy triều (cống truyền thống cải tiến).
Cống vùng triều ĐBSCL có đặc thù khác với cống vùng khác là (1) ảnh
hưởng thủy triều nên diễn biến chế độ thủy lực dòng chảy qua cống rất phức
tạp, (2) cống đặt trên nền đất yếu có tính chất cơ lý rất xấu, chủ yếu là đất sét
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
- MĐ 2 mềm yếu kém chặt (đôi khi có xen kẹp lăng trụ cát hạt mịn) nên khả năng
chống xói của đất với dòng chảy rất thấp; (3) đa số cống vùng triều có chiều
cao cột nước dòng chảy trên ngưỡng cống H (5 m 6 m) là thuộc vào loại
thấp – công trình cột nước thấp. Công tác nghiên cứu xác định kết cấu tiêu
năng hợp lý và ngày càng nâng cao dần tính bền vững chống xói lở của các
công trình này là cần thiết. Đáp ứng yêu cầu ấy, bên cạnh nghiên cứu lý
thuyết, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam (trong đó tác giả tham gia chính),
Viện khoa học thủy lợi, Trường đại học Thủy lợi và công ty Tư vấn thiết kế
xây dựng thủy lợi 2 (HEC 2)... đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm nhằm tìm
giải pháp kết cấu tiêu năng phòng xói phù hợp cho từng công trình.
Việc nghiên cứu tiêu năng phòng xói hạ lưu cống vùng ĐBSCL đòi hỏi
phải phân tích các kết quả khảo sát thực tế, các kết quả thí nghiệm mô hình
thủy lực các công trình để khái quát những đặc điểm, điều kiện ứng dụng và
xác định những qui luật chung... Trên cơ sở đó xác định sơ đồ kết cấu hợp lý
hạ lưu công trình. Liên quan đến vấn đề này, thời gian qua các nhà khoa học
đã đạt được một số kết quả cho khu vực ngưỡng cống + bể tiêu năng và khu
vực hố xói hạ lưu. Sân sau là đoạn gia cố nằm giữa bể tiêu năng với hố phòng
xói hạ lưu đã được đề cập trong một số kết quả đã có, nhưng mới ở mức khái
niệm và sơ bộ, nên rất cần phải tiếp tục nghiên cứu và xác định mối quan hệ
giữa yếu tố công trình (trong đó có sân sau), yếu tố dòng chảy và yếu tố đất
nền, từ đó sử dụng phương trình này để tính toán xác định các thông số cần
tìm liên quan đến kết cấu. Đồng thời kết quả nghiên cứu mang tính thống
nhất, gắn kết giữa kết quả nghiên cứu liên quan đã có với nhau và cùng với
kết quả đạt được của luận án, tạo nên sơ đồ kết cấu hợp lý công trình cột nước
thấp vùng triều ĐBSCL (Hình 1.10), kết quả đạt được cũng đã góp phần làm
phong phú tính đa dạng các loại hình cống, mang tính hiệu quả ngày càng
cao, bền vững và phù hợp hơn với yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
- MĐ 3 Qua những vấn đề trên, đối với cống truyền thống cải tiến (cống nguồn
ĐBSCL) cũng còn tồn tại một số vấn đề còn chưa được giải quyết:
- Chưa tổng quát hóa được sơ đồ kết cấu tiêu năng phòng xói hợp lý.
- Chưa có hướng dẫn tính thông số tiêu năng phòng xói.
Đề tài trong luận án này giải quyết một số điểm trong tồn tại nêu trên,
nhằm giúp cho công tác nghiên cứu cống trong thực tế được dễ dàng, thuận
lợi hơn.
2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
+ Mục đích của đề tài nghiên cứu:
Mục đích của đề tài nhằm giải quyết các vấn đề sau:
- Xác định được sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lưu cống vùng triều ĐBSCL.
- Góp phần nâng cao cơ sở khoa học, tính thực tiễn trong công tác nghiên
cứu và tư vấn thiết kế cống vùng triều ĐBSCL.
+ Đối tượng nghiên cứu:
Sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lưu công trình cột nước thấp vùng ảnh hưởng
thủy triều ĐBSCL.
+ Phạm vi nghiên cứu:
Công trình cột nước thấp vùng ảnh hưởng thủy triều ĐBSCL (cống vùng
triều ĐBSCL).
3. Ý NGHĨA KH VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
+ Ý nghĩa khoa học:
Tổng kết và phát triển các nghiên cứu về cấu trúc dòng chảy và biện
pháp ổn định phòng xói hạ lưu công trình cột nước thấp vùng triều ĐBSCL,
đưa ra các công thức thực nghiệm tính toán kết cấu tiêu năng phòng xói cho
các loại cống cột nước thấp (cống 01 khoang cửa, cống 02 khoang cửa và
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
- MĐ 4 cống 03 khoang cửa). Nội dung đề tài nghiên cứu của luận án là mới không
trùng lặp với các luận án cùng hướng đã bảo vệ và các công trình của các tác
giả khác đã đăng tải, số liệu thực nghiệm trung thực và có giá trị.
+ Ý nghĩa thực tiễn:
Luận án có ý nghĩa thực tiễn cho vùng ảnh hưởng triều nói chung và
ĐBSCL nói riêng đảm bảo cho công trình làm việc ổn định, tăng khả năng
chuyển nước, giảm thiểu kinh phí duy tu sửa chữa.
Có khả năng ứng dụng cho công tác tư vấn thiết kế và thí nghiệm mô
hình thủy lực (tính toán nhanh, độ tin cậy cao, giảm nhiều công sức và kinh
phí tính toán, thí nghiệm mô hình thủy lực).
4. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN
Luận án được trình bày trong 116 trang, bao gồm 38 hình vẽ, 12 bảng
biểu và các trang thuyết minh. Nội dung chính của luận án gồm có 3 chương
chính và phần kết luận. Chương 1: Tổng quan, xác định tính cấp thiết và nội
dung nghiên cứu của đề tài luận án (35 trang); Chương 2: Cơ sở khoa học và
phân tích đánh giá kết quả đạt được trong thí nghiệm MHTL cống vùng triều
ĐBSCL (46 trang); Chương 3: Xác định sơ đồ kết cấu hợp lý hạ lưu công
trình cột nước thấp vùng ĐBSCL (33 trang); Kết luận và kiến nghị (2 trang).
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-1-
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN, XÁC ĐỊNH TÍNH CẤP THIẾT VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.1.
ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN VÙNG NGHIÊN CỨU
Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có diện tích tự nhiên khoảng 3,94
triệu ha, dân số khoảng 10 triệu người, là phần cuối của đồng bằng sông Mê
Công tiếp giáp với biển Đông về phía Đông và tiếp giáp với biển Tây về phía
Tây Nam. Đất đai mầu mỡ và khá bằng phẳng, là vùng có nhiều tiềm năng
kinh tế, sinh thái đa dạng.
Hàng năm, từ tháng XI IV trên vùng ĐBSCL thịnh hành một mùa
khô nóng, độ ẩm không khí xuống thấp, nhiệt độ cao, nắng nhiều và nhiệt
lượng bức xạ dồi dào, lượng mưa trong mùa khô rất ít hoặc không mưa kéo
dài, đồng thời với sự cạn kiệt trên hệ thống sông kênh, gió mùa Đông-Bắc tỏ
ra chiếm ưu thế trên toàn lưu vực (mùa gió chướng), nên mặn xâm nhập sâu
trong nội địa. Mùa mưa lũ kéo dài từ tháng V XI, lượng mưa trung bình
năm tương đối lớn (khoảng 1400 2000mm) và lượng mưa trong mùa chiếm
trên 85% tổng lượng mưa năm, đây là thời kỳ khí hậu khá mát mẻ, nhiệt độ
giảm, ẩm độ cao, vào khoảng tháng VIII, X, lũ lên cao ở hạ lưu.
Bên cạnh những thuận lợi vốn có về các điều kiện tự nhiên như các yếu
tố khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, độ chiếu sáng,...) tương đối ôn hòa. Trong mùa
mưa nguồn nước sông Mê Công phong phú với chất lượng tốt, cung cấp phù
sa, vệ sinh đồng ruộng và nguồn thủy sản tự nhiên rất lớn, ... nhưng cũng tồn
tại những khó khăn là ảnh hưởng của lũ lụt với độ ngập sâu và thời gian ngập
kéo dài. Mùa khô, nguồn nước sông Mê Công giảm thấp, mặn xâm nhập sâu
trong nội địa, ... nên một số vùng thiếu nguồn nước ngọt, đặc biệt vùng ven
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-2-
biển. Yếu tố bất lợi trên đã hạn chế rất nhiều đến phát triển dân sinh kinh tế.
Các dự án phát triển thủy lợi đang được Nhà nước, các địa phương quan tâm
đầu tư để hạn chế tác động xấu của thiên nhiên, tạo điều kiện thuận lợi phát
triển kinh tế xã hội vùng ĐBSCL ngày càng cao, bền vững.
1.1.1. Đặc điểm địa hình
Do sự không đồng nhất trong bồi tụ phù sa và tác động của thuỷ triều
mà xen giữa các vùng bằng phẳng là các giồng đất cao trong vùng ngập lũ hay
các giồng cát hình vòng cung trong vùng ngập triều.
(Nguồn: Phân Viện KSQHTL Nam bộ, 2002), [33]
Hình 1.1: Bản đồ địa hình ĐBSCL
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-3-
Địa hình vùng nghiên cứu (Hình 1.1) được chia làm ba xu thế chính: xu
thế thấp dần từ thượng lưu xuống hạ lưu; xu thế thấp dần từ bờ sông vào vùng
trũng nội đồng; và xu thế thấp dần từ bờ biển vào các vùng trũng thấp ven
biển. ĐBSCL là vùng bồi tích bằng phẳng và hơi thấp, trừ một số vùng núi
An Giang và Kiên Giang có độ cao trên 100 m, phần còn lại dưới 5m được
phân ra như sau:
- Địa hình cao trên 2,5m chiếm diện tích rất hẹp ở ven biên giới Việt
Nam - Cam Pu Chia.
- Địa hình có cao độ từ 1,0 1,5 m thuộc vùng ven sông Tiền, sông
Hậu.
- Địa hình có cao độ từ 0,5 1,0m chiếm diện tích rộng lớn ở ĐBSCL,
chủ yếu nằm phía Đông Bắc vùng Đồng Tháp Mười, phía Bắc bán đảo
Cà Mau, Vùng Tứ Giác Long Xuyên, vùng kẹp giữa sông Tiền và sông
Hậu.
- Địa hình có cao độ dưới 0,5m tập trung chiếm diện tích khá lớn vùng
Tây Nam đồng bằng, đặc biệt là vùng trung tâm bán đảo Cà Mau.
Nhìn chung xu thế địa hình ở ĐBSCL thấp dần theo 2 hướng:
o Hướng dốc từ biên giới Việt Nam - Cam Pu Chia ra biển.
o Hướng dốc về phía Tây Nam Đồng bằng.
1.1.2. Đặc điểm địa chất
ĐBSCL là khu vực địa chất trẻ. Trầm tích đệ tứ ĐBSCL được chia
thành hai kỷ Pleistocene và Holocene. Trầm tích Holocene ở ĐBSCL chia
thành 3 tầng chủ yếu:
+ Bậc Holocene dưới và giữa QIV 1- 2: Gồm cát mầu vàng, xám tro, chứa sỏi
nhỏ cùng kết von sắt, phủ trên tầng sét loang lổ Pleistocene hoặc các đá gốc
khác, chiều dày có thể đạt tới 12 m.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-4-
+ Bậc Holocene giữa QIV 2: Gồm bùn sét màu xám, sét màu xanh và xám
vàng, chiều dày tầng này khoảng 10 50m.
(Nguồn: Viện KHTL Miền Nam, 2002), [16]
Hình 1.2: Bản đồ phân vùng đất yếu ở ĐBSCL
+ Bậc Holocene trên QIV 3: Gồm 4 tầng trầm tích khác nhau về diện phân
bố, điều kiện kiến tạo, tuổi và thành phần vật chất:
- Tầng trầm tích biển, sông biển hỗn hợp và sinh vật (mQIV 3): Gồm cát
hạt mịn, bùn sét hữu cơ.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-5-
- Tầng trầm tích sinh vật và đáy đầm lầy ven biển (bmQIV 3): Gồm bùn
sét hữu cơ và than bùn.
- Tầng trầm tích hỗn hợp và sinh vật (albQIV 3): Gồm bùn sét hữu cơ.
- Tầng trầm tích (aQIV 3 - 3): Gồm sét, cát pha sét chảy hoặc bùn sét.
Chiều dày của thành phần trầm tích Holocene – trên thay đổi từ 9
20m, trung bình khoảng 15m.
Đại bộ phận các lớp đất cấu tạo mặt cắt trầm tích Holocene thuộc loại
đất yếu. Trong khoảng 20m kể từ mặt đất hầu như chỉ gặp đất sét hữu cơ, đôi
khi có bùn sét pha cát hoặc cát hạt mịn. Hầu hết các lớp đất có độ ẩm tự nhiên
vượt quá giới hạn chảy; hệ số rỗng, độ bão hòa, độ sệt ... đều khá cao, trong
khi dung trọng khô, sức kháng cắt, kháng xuyên đều thấp. Địa chất vùng
ĐBSCL có thể chia thành 3 khu vực (Hình 1.2):
(1) Khu vực có lớp đất yếu dày từ 1 10m: Bao gồm các vùng ven Tp.
Hồ Chí Minh, thượng nguồn Vàm Cỏ Tây, Vàm Cỏ Đông, rìa phía
Tây Đồng Tháp Mười, ven biển Hà Tiên - Rạch Giá.
(2) Khu vực có lớp đất yếu dày từ 5 30m: Bao gồm khu kế cận các khu
vực (1), nằm chủ yếu trung tâm đồng bằng và Đồng Tháp Mười.
(3) Khu vực có lớp đất yếu dày từ 15 30 m: bao gồm các tỉnh Vĩnh
Long, các tỉnh ven biển từ Tiền Giang đến Sóc Trăng và Cà Mau.
Tầng đất mà đáy công trình đặt lên có cao độ -15 m trở lên, hầu như
thuộc loại đất sét hữu cơ rất nềm yếu, một số ít công trình ven biển có gặp đất
pha cát hạt mịn. Đất hữu cơ thường gặp có dung trọng khô thấp, cường độ
kháng cắt C = 0,05 – 0,12 kg/cm2 ; góc ma sát trong chỉ khoảng 30 -100nên
khả năng kháng xói của đất đáy lòng dẫn tương đối thấp:
+ Khu Vực (1) khả năng kháng xói của đất khoảng 0,8 1,1 m/s.
+ Khu Vực (2) khả năng kháng xói của đất khoảng 0,6 0,8 m/s.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
-6-
+ Khu Vực (3) khả năng kháng xói của đất < 0,6 m/s.
1.1.3. Đặc điểm thủy triều
a)
Thủy triều Biển Đông
Thủy triều biển Đông có biên độ dao động từ 3,0 4,0 m, trong năm
thủy triều hình thành một thời kỳ nước cao (đỉnh và mực nước trung bình cao)
vào khoảng từ tháng XII đến tháng II năm sau, thời kỳ nước thấp (chân và
mực nước trung bình thấp) vào khoảng từ tháng VI VIII.
Thuỷ triều biển Đông dạng bán nhật triều không đều, mỗi ngày có 2 đỉnh
và 2 chân, với 2 đỉnh xấp xỉ nhau, còn 2 chân lệch nhau khá lớn. Thời gian
giữa hai chân và hai đỉnh khoảng 12,0 12,5 giờ, bởi vậy chu kỳ triều ngày là
24,83 giờ. Độ cao của mỗi đỉnh và chân biến đổi từ ngày này sang ngày khác
trong một chu kỳ triều (15 ngày). Đường bao hai đỉnh có sự dao động tuần
hoàn, biên độ dao động khoảng 0,50m, lên cao sau ngày sóc vọng (trăng tròn
và không trăng), xuống thấp sau các ngày trăng thượng huyền và hạ huyền.
Trong mỗi chu kỳ triều nửa tháng biên độ hai chân triều có thể lên đến 2,0 m.
Đường bao hai chân lệch pha nhau một nửa chu kỳ, khi chân này xuống thấp
dần thì chân kia lên cao hơn và ngược lại làm cho dạng triều trong mỗi tháng
có 2 lần biến đổi từ dạng chữ W sang dạng M, trong khi mực nước trung bình
ngày lại thay đổi ít hơn.
b)
Thủy triều biển Tây
Thủy triều biển Tây có dạng nhật triều không đều, hàng ngày có một
đỉnh cao và nhọn, phần chân triều thì bị kéo dài và đẩy lên bởi một đỉnh thấp
thứ hai, dạng chũ “h”, với biên độ dao động khoảng 0,8 1,0m. Sự dao động
có chu kỳ nửa tháng và cả năm của triều biển Tây cũng yếu hơn triều biển
Đông.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành công trình thủy
