Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán số GSTARS tính dòng chảy và chuyển tải bùn cát trong sông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------

TRẦN NGỌC CHÂU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
MÔ HÌNH TOÁN SỐ GSTARS
TÍNH DÒNG CHẢY VÀ
CHUYỂN TẢI BÙN CÁT TRONG SÔNG
CHUYÊN NGÀNH :

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2008


CÔ
NG TRÌNH ĐƯ Ơ Ï
C HOÀN THÀNH TẠ
I
TRƯ Ơ ØNG ĐẠ
I HỌ
C BÁCH KHOA
ĐẠ
I HỌ
C QUỐ
C GIA TP HỒCHÍMINH

Cán bộhư ớng dẫn khoa học:

PGS.TS. HUỲNH THANH SƠN

Cán bộchấm nhận xét 1:

PGS.TS. HOÀNG VĂN HUÂN

Cán bộchấm nhận xét 2:

PGS.TS. NGUYỄN THỐNG

Luận văn thạc sỹđư ợc bảo vệtại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ
BỘMÔ
N KỸTHUẬT TÀI NGUYÊ
N NƯ Ơ ÙC
KHOA KỸTHUẬT XÂ
Y DƯ Ï
NG
TRƯ Ơ ØNG ĐẠ
I HỌ
C BÁCH KHOA TP. HỒCHÍ MINH
Ngà
y 28 tháng 7 năm 2008


TRƯ Ơ ØNG ĐẠ

I HỌ
C BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP – TƯ ÏDO – HẠ
NH PHÚC
Tp. HCM, ngày ……… tháng ……… năm 2008

NHIỆM VỤLUẬN VĂ
N THẠ
C SĨ
Họtên học viên: TRẦN NGỌC CHÂU
Ngà
y sinh
: 15 – 08 – 1978
Chuyên ngà
nh : XÂ
Y DƯ Ï
NG CÔ
NG TRÌNH THỦY

Phái
: Nam.
Nơi sinh : Nha Trang.
MSHV : 02005483

I. TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ GSTARS
TÍNH DÒNG CHẢY VÀ CHUYỂN TẢI BÙN CÁT TRONG SÔNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ :
Nghiên cư ùu ư ùng dụng môhình toán sốGSTARS tính dò
ng chảy vàchuyển tải
bù
n cát trong sông.
Nội dung :
Chư ơng I
Chư ơng II
Chư ơng III
Chư ơng IV
Chư ơng V

: Tổng quan.
: Nghiên cư ùu phần lý thuyết của môhình.
: Kiểm nghiệm môhình.
: Ư Ùng dụng môhình và
o dư ïbáo bồi lắng hồchư ùa nư ớc A Lư ới.
: Kết luận vàkiến nghị.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

Tháng 01/2008

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

Tháng 07/2008

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS HUỲNH THANH SƠN
CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung vàđề cư ơng luận văn thạc só đãđư ợc Hội đồng chuyên ngà
nh thông
qua.
Ngà
y … … … tháng … … … năm 2008
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Sau hơn hai năm theo học chương trình thạc só hành trang kiến thức
tôi tăng lên nhiều cả bề rộng lẫn bề sâu, và giờ đây tôi đã hoàn thành luận
văn thạc só. Để có được thành quả như ngày hôm nay là nhờ sự tận tụy giảng
dạy, sự cống hiến to lớn vì sự nghiệp giáo dục của quý thầy, cô trong các Bộ
Môn thuộc Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Trường Đại Học Bách Khoa Thành
Phố Hồ Chí Minh.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TS. Huỳnh Thanh Sơn, người
đã hết lòng truyền đạt cho tôi những kinh nghịêm trong bước đầu nghiên
cứu khoa học và những kiến thức quý báu để hoàn thành đề tài nghiên cứu
này.
Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã góp ý
cho luận văn thạc só hoàn thiện hơn.

Tôi xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa học này.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn động viên và
khuyến khích tôi trên bước đường học vấn và sự nghiệp.
TP. Hồ Chí Minh ngày 30 tháng 6 năm 2008
Học viên: TRẦN NGỌC CHÂU


TÓM TẮT
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ GSTARS
TÍNH DÒNG CHẢY VÀ CHUYỂN TẢI BÙN CÁT TRONG SÔNG

Luận văn nà
y nghiên cư ùu vàáp dụng môhình toán sốcó sẵn GSTARS
(phiên bản 3.0) vềviệc tính toán dò
ng chảy, vận tải bù
n cát trong sông. Sau Khi
trình bà
y phần lý thuyết, môhình sẽđư ợc kiểm nghiệm bằng cách giải hai bà
i
toán đơn giản vàso sánh với hai kết quả thí nghiệm đãthư ïc hiện. Sau đó, áp
dụng môhình và
o việc tính toán dư ïbáo bồi lắng hồchư ùa nư ớc thủy điện A Lư ới,
tỉnh Thư ø
a Thiên Huếvàphân tích một sốkết quả thu đư ợc. Phần cuối nêu một
sốư u như ợc điểm của môhình.
Luận văn đư ợc chia thà
nh các chư ơng như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan vềbiến hình lò

ng dẫn trong sông. Trình bà
y
khái quát về sư ïhình thà
nh vàphát triển của môhình toán sốtrong việc giải
quyết các vấn đềvềbiến hình lò
ng dẫn vàvận tải bù
n cát trong sông. Giới thiệu
các môhình thí nghiệm, giải tích, môhình toán sốđãnghiên cư ùu, ư ùng dụng trong
nư ớc vàtrên thếgiới. Khả năng ư ùng dụng các môhình trong điều kiện nư ớc ta.
Chương 2: Nghiên cư ùu về lý thuyết của GSTARS, bao gồm môhình tính
toán dò
ng chảy, môhình vận tải bù
n cát rờ
i, môhình vận tải bù
n cát dính. Trong
đó, đặc biệt nhấn mạnh về việc tính toán bù
n cát bằng cách sư û dụng các ống
dò
ng. Bên cạnh đó, môhình cò
n cung cấp nhiều biểu thư ùc tính vận tải bù
n cát
của các tác giả khác nhau, giúp cho ngư ờ
i sư û dụng có sư ïlư ïa chọn tốt nhất trong
tính toán.


Chương 3: Kiểm nghiệm môhình bằng hai bà
i toán đơn giản đãcó kết quả
thí nghiệm.
Chương 4: Ứng dụng môhình trong việc tính toán dư ïbáo bồi lắng hồchư ùa

thủy điện A Lư ới trên sông A Sáp thuộc tỉnh Thư ø
a Thiên Huế.
Chương 5: Đánh giá ư u như ợc điểm của môhình, tư øđó rút ra kết luận và
kiến nghò.


ABSTRACT
STUDY AND APPLICATION OF THE GSTARS NUMERICAL
MODEL TO CALCULATE FLOWS AND SEDIMENT TRANSPORT
IN OPEN CHANNELS
This thesis studies and applies an existing numerical model named GSTARS
(version 3.0) to calculate flows and sediment transport in open channels. After
the presentation of the model theory, the model has been tested by comparing
the numerical and experimental results for two simple problems. Then the model
has been applied to calculate and predict the sediment deposition in the A Luoi
reservoir (Thua Thien- Hue province) with analysis on results obtained. The last
part of this thesis presents some remarques, strong points, weak points of the
model and the its applicability in reality.
This thesis includes five chapters:

Chapter 1: Introduction to the river channel morphology. General
presentation of research methods, in particular the development of numerical
models in solving problems about morphology and sediment transport in open
channels. Overview of some physical, analytical and numerical models of open
channel flows studied and applied in Viet Nam and over the world. The choice of
GSTARS model as the software tool utilised in this thesis.
Chapter 2: Study of the theory of GSTARS model, including hydraulic submodel and sediment transport sub-model. The most remarkable point of the first
sub-model is the stream tube notion in which the channel flow is hydraulically
divided into some stream tubes. In the second sub-model, various sediment

transport formulas proposed by many researchers are presented in order to give
the best choice in calculation.
Chapter 3: Model testing by comparing the numerical results obtained by
the model and the results of two simple expriments existing in the litterature.
Chapter 4: Application of the model to calculate and predict the sediment
deposition of A Luoi reservoir constructed on the A Sap river (Thua Thien-Hue
province). The study is realised for different scenarios of utilisation time in order
to predict the final sediment deposition comparing with the inlet position of the
water channel in the reservoir.
Chapter 5: Presentation of some remarques, strong points, weak points of
the model and the its applicability in reality.


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN
TÓM TẮT
ABSTRACT
MỤC LỤC
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
DANH SÁCH HÌNH VẼ
CÁC KÝ HIỆU ĐƯC ÁP DỤNG

Trang

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 1
1.2. Các phương pháp nghiên cứu bài toán dòng chảy, chuyển tải bùn
cát và biến hình lòng dẫn. ........................................................................ 3
1.2.1. Phư ơng pháp môhình vật lý...........................................................3

1.2.2. Phư ơng pháp đo đạc thư ïc tế...........................................................4
1.2.3. Phư ơng pháp môhình toán .............................................................5
1.2.3.1. Phư ơng pháp giải tích ..........................................................5
1.2.3.2. Phư ơng pháp toán số............................................................6
1.3. Mục tiêu của luận văn ............................................................................. 11
1.4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 11
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH
2.1. Mô hình tính dòng chảy........................................................................... 14
2.1.1. Phư ơng trình năng lư ợng...............................................................14
2.1.2. Phư ơng trình động lư ợng ..............................................................16
2.1.3. Môhình tiêu biểu .........................................................................20
2.1.4. Vịtrí của các mặt cắt ngang.........................................................21


2.1.5. Dò
ng chảy trong sông nhánh........................................................22
2.2. Mô hình vận tải bùn cát rời .................................................................... 23
2.2.1. Phư ơng trình cơ bản ......................................................................23
2.2.1.1. Cơ sở lý thuyết...................................................................23
2.2.1.2. Phư ơng trình liên tục ..........................................................23
2.2.2. Đư ờ
ng dò
ng vàống dò
ng .............................................................24
2.2.3. Các biểu thư ùc tính vận tải bù
n cát................................................28
2.2.3.1.

Biểu thư ùc DuBoy (1879)....................................................30

2.2.3.2.

Biểu thư ùc Meyer – Peter vàMuller (1948).......................31

2.2.3.3.

Biểu thư ùc Laursen (1958) vàMadden (1993) ...................31

2.2.3.4.

Biểu thư ùc Toffaleti (1969) .................................................32

2.2.3.5.

Biểu thư ùc Engelund vàHansen (1972)..............................33

2.2.3.6.

Biểu thư ùc Ackers vàWhite (1973) và(1990)....................34

2.2.3.7.

Biểu thư ùc vận tải cát (1973) vàsỏi (1984) của Yang........35

2.2.3.8.

Biểu thư ùc vận tải cát (1979) vàsỏi (1984) của Yang........37

2.2.3.9.

Biểu thư ùc Parker (1990) ....................................................38

2.2.3.10. Biểu thư ùc Yang (1996) cho sông mang nhiều phùsa........38
2.2.3.11. Biểu thư ùc của đại học Tsinghua dù
ng cho hồchư ùa ...........39
2.2.3.12. Biểu thư ùc Ashida vàMichieu (1972).................................40
2.2.4. Sai phân hóa phư ơng trình cơ bản ................................................42
2.2.4.1.

Phư ơng pháp sai phân ........................................................42

2.2.4.2.

Sư ïổn định của lờ
i giải .......................................................44

2.2.4.3.

Khuyến cáo vềđiều kiện biên ..........................................44

2.3. Mô hình vận tải bùn cát cố kết .............................................................. 46
2.3.1. Sư ïbồi lắng....................................................................................46
2.3.2. Sư ïxói lở.......................................................................................50
2.3.3. Phư ơng trình chuyển tải bù
n cát không cân bằng ........................51


2.3.4. Độthôthủy lư ïc .............................................................................53
2.4. Mô hình biến đổi đáy và bờ .................................................................... 56
2.4.1. Đáy vàlớp phủ đáy ......................................................................56

2.4.1.1.

Phân loại đáy vàlớp phủ đáy ............................................56

2.4.1.2.

Nhận xét ............................................................................60

2.4.2. Sông có chiều rộng thay đổi.........................................................61
2.4.2.1.

Lý thuyết cơ bản ................................................................61

2.4.2.2.

Giải thuật tính toán ............................................................63

2.4.2.3.

Hiệu chỉnh độdốc ngang ...................................................64

2.5. Các yêu cầu về dữ liệu ............................................................................ 66
CHƯƠNG 3. KIỂM NGHIỆM MÔ HÌNH GSTARS3
3.1. Kiểm nghiệm 1: Trường hợp lòng dẫn bị xói lở ................................... 67
3.1.1. Môtả thí nghiệm ..........................................................................67
3.1.2. Thư ïc hiện thí nghiệm ...................................................................68
3.1.3. Lờ
i giải số.....................................................................................68
3.1.3.1. Dư õliệu địa hình...............................................................69
3.1.3.2. Dư õliệu dò

ng chảy ...........................................................69
3.1.3.3. Dư õliệu bù
n cát................................................................69
3.1.3.4. Dư õliệu khác ....................................................................69
3.1.4. Kết quả vànhận xét .....................................................................70
3.2. Kiểm nghiệm 2: Trường hợp lòng dẫn bị bồi lắng .............................. 73
3.2.1. Môtả thí nghiệm ..........................................................................73
3.2.2. Thư ïc hiện thí nghiệm ...................................................................74
3.2.3. Lờ
i giải số.....................................................................................74
3.2.4. Kết quả vànhận xét .....................................................................75


CHƯƠNG 4. ÁP DỤNG MÔ HÌNH VÀO DỰ BÁO BỒI LẮNG HỒ CHỨA
NƯỚC A LƯỚI
4.1. Mục tiêu tính toán và vùng nghiên cứu ................................................ 78
4.1.1. Mục tiêu tính toán ........................................................................78
4.1.2. Tổng quan vềvù
ng nghiên cư ùu ....................................................78
4.2. Tài liệu dùng cho tính toán ..................................................................... 84
4.2.1. Tà
i liệu địa hình ...........................................................................84
4.2.2. Tà
i liệu thủy văn vàbù
n cát ........................................................84
4.3. Mô hình hóa đoạn sông .......................................................................... 88
4.3.1. Sơ đồtính......................................................................................88
4.3.2. Sốliệu đầu và
o của môhình........................................................88
4.3.2.1. Sốliệu địa hình ...............................................................88

4.3.2.2. Sốliệu thủy văn ..............................................................88
4.3.2.3. Sốliệu bù
n cát ................................................................88
4.3.2.4. Bư ớc thờ
i gian tính toán ..................................................93
4.3.3. Điều kiện ban đầu vàđiều kiện biên ...........................................93
4.3.3.1. Điều kiện ban đầu ...........................................................93
4.3.3.2. Điều kiện biên ................................................................93
4.4. Kết quả tính toán ..................................................................................... 94
4.5. Nhận xét kết quả tính toán ................................................................... 111
4.6. So sánh sơ bộ kết quả với mô hình HEC-6 ......................................... 113
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận .................................................................................................. 116
5.1.1. Ư u điểm của môhình .................................................................116
5.1.2. Như ợc điểm của môhình ...........................................................118
5.2. Kiến nghị ................................................................................................. 119
TÀI LIỆU THAM KHAÛO


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.2.1: Giá trịA, C, m, n xác định theo
Ackers vàWhite (1973) và(1990) ......................35
Bảng 2.2.2: Giá trịcủa hệsố trong biểu thư ùc của đại học Tsinghua...............40
Bảng 3.1: So sánh kết quả tính toán vàthí nghiệm ............................................71
Bảng 3.2: So sánh kết quả tính toán vàthí nghiệm ............................................77
Bảng 4.4.1: Các thông sốchính của công trình ..................................................79
Bảng 4.2.1: Trắc dọc lò
ng chính hồchư ùa thủy điện A Lư ới...............................85
Bảng 4.2.2: Lư u lư ợng trung bình năm điển hình 1984 .......................................86

Bảng 4.2.3: Mư ïc nư ớc điều tiết bình quân tháng đập thuỷ điện A Lư ới .............87
Bảng 4.3.1: Quan hệQ-Qs tại mặt cắt thư ợng lư u - nhánh chính........................90
Bảng 4.3.2: Quan hệQ-Qs tại nhánh số1 ..........................................................90
Bảng 4.3.3: Quan hệQ-Qs tại nhánh số2 ...........................................................91
Bảng 4.3.4: Quan hệQ-Qs tại nhánh số3 ...........................................................91
Bảng 4.3.5: Quan hệQ-Qs tại nhánh số4 ...........................................................92
Bảng 4.4.1: Dư ïbáo quá trình bồi lắng sau như õng năm đầu vận hà
nh ................94
Bảng 4.4.2: Dư ïbáo quá trình bồi lắng sau 50 năm vận hà
nh .............................96
Bảng 4.4.3: Dư ïbáo quá trình bồi lắng sau 100 năm vận hà
nh ...........................98


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1.1: Biểu đồthểhiện lư u lư ợng làhằng sốtheo mỗi bư ớc thờ
i gian.......15
Hình 2.1.2: Rờ
i rạc hóa đoạn sông bằng các mặt cắt..........................................20
Hình 2.1.3: Rờ
i rạc hóa mặt cắt ngang bằng các điểm........................................21
Hình 2.1.4: Nút sông ............................................................................................22
Hình 2.2.1: Phân chia đoạn sông thà
nh các ống dò
ng. ........................................25
Hình 2.2.2: Định nghóa các đại lư ợng trên mặt cắt. .............................................43
Hình 2.3.1: Các quá trình vàtrạng thái bù
n sét trong sông. ................................47
Hình 2.3.2: Sư ïphụthuộc của độthôthủy lư ïc theo ảnh hư ởng của sư ïlên

bông vàchậm lắng đọng đối với bù
n cát lơ lư ûng nồng độcao.........49
Hình 2.3.3: Quan hệgiư õa cỡhạt vàđộthôthuỷ lư ïc............................................54
Hình 2.4.1: Sơ đồphân bốthà
nh phần điạtầng đáy............................................57
Hình 2.4.2: Sơ đồtính toán đáy theo Bennett vàNordin ....................................59
Hình 2.4.3: Sư ïphân chia các điểm trên mặt cắt ngang.......................................60
Hình 2.4.4: Sư ïthay đổi bờkênh bên ngoà
i các ống dò
ng...................................64
Hình 2.4.5: Sư ïthay đổi góc nghỉ .........................................................................65
Hình 3.1.1: Môhình thí ngiệm Newton (1951)....................................................67
Hình 3.1.2: So sánh giư õa kết quả thí nghiệm
vàtính toán xói đáy bằng Gstars3 ..................72
Hình 3.2.1: Sơ đồthí nghiệm của Soni (1981).....................................................73
Hình 3.2.2: So sánh giư õa kết quả thí nghiệm
vàtính toán bồi đáy bằng Gstar3....................76
Hình 4.1.1: Vịtrí địa lý thủy điện A Lư ới nhìn qua vệtinh.................................80
Hình 4.1.2: Vịtrí địa lý thủy điện A Lư ới trên bản đồViệt Nam .......................81


Hình 4.1.3: Sơ đồlư u vư ïc vàlư ới sông thủy điện A Lư ới ................................. 82
Hình 4.1.4: Sơ đồtính bồi lắng hồchư ùa nư ớc A Lư ới ....................................... 83
Hình 4.2: Quan hệlư u lư ợng – bù
n cát tại trạm KonTum................................. 84
Hình 4.3.1: Quan hệlư u lư ợng theo thờ
i gian tại tuyến đâäp ............................. 89
Hình 4.3.2: Quan hệmư ïc nư ớc theo thờ
i gian tại tuyến đâäp ............................. 89
Hình 4.4.1: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới sau 50 năm vận hà

nh .. 100
Hình 4.4.2: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới sau 100 năm vận hà
nh 101
Hình 4.4.3: Mặt bằng thểhiện
Phân bốbồi lắng hồchư ùa A Lư ới sau 100 năm vận hà
nh .............. 102
Hình 4.4.4: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới tại mặt cắt 7 ................ 103
Hình 4.4.5: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới tại mặt cắt 41 .............. 104
Hình 4.4.6: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới tại mặt cắt 42 .............. 105
Hình 4.4.7: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới tại mặt cắt 43 .............. 106
Hình 4.4.8: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới tại mặt cắt 44 .............. 107
Hình 4.4.9: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới tại mặt cắt 45 .............. 108
Hình 4.4.10: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới tại mặt cắt 46 ............ 109
Hình 4.4.11: Dư ïbáo quá trình bồi lắng hồchư ùa A Lư ới tại mặt cắt 47 ............ 110
Hình 4.5: Vịtrí kênh dẫn và
o cư ûa nhận nư ớc thủy điện A Lư ới ....................... 112
Hình 4.6.1: So sánh kết quả tính toán
giư õa GSTARS3 vàHEC-6 sau 50 năm ....................... 114
Hình 4.6.2: So sánh kết quả tính toán
giư õa GSTARS3 vàHEC-6 sau 100 năm ..................... 115


CÁC KÝ HIỆU ĐƯC ÁP DỤNG
Ký hiệu

Đơn vị

a

Ghi chú

Hệsố

amin

Giá trịnăng lư ợng nhỏ nhất

A

m2

Diện tích mặt cắt ngang

ARi

m2

Diện tích mặt cắt ngang thư ù i

Ar

Hệsốkinh nghiệm.

At

m2

Diện tích toà
n phần

Ad

m3

Khối lư ợng bù
n cát đáy trên một đơn vịchiều dà
i

As

m3

Khối lư ợng bù
n cát lơ lư ûng trên một đơn vịchiều dà
i

Ares

m2

Tổng diện tích bềmặt hồ

Ak

m2

Diện tích bềmặt hồchư ùa thểhiện tại mặt cắt thư ù k

b
B

Hệsố
m

c

Bềrộng kênh
Hệsố

CE

Hệsốmất mát năng lư ợng

C

Hệsốnhám theo Chezy

C

m

Chiều cao bù
n cát bồi lắng ư ùng với thờ
i điểm kết thúc

C0

m

Chiều cao bù
n cát bồi lắng ư ùng với thờ

i điểm bắt đầu

Cs

m/s

Tốc độtruyền sóng

Ci

m/s

Vận tốc cho mỗi loại thà
nh phần hạt

Ct

Khối lư ợng bù
n cát trên một đơn vịthểtích

CL

Hệsốtổn thất năng lư ợng.


Tổng lư ợng sỏi sạn tập trung tính theo một phần tỷ trọng

Ctg

lư ợng

CM

Hệsốkinh nghiệm trong công thư ùc Manning

d

mm

Đư ờ
ng kính hạt

di

mm

Đư ờ
ng kính hạt cở i

d50

mm

Đư ờ
ng kính trung bình của vật liệu

DRi

m

Độsâu dò
ng chảy tại mặt cắt ngang thư ù i

D90

Cở hạt màtrong đó chiếm 90% làhạt mịn.

E1

Tốc độxói lở hạt trên diện tích đơn vị

E2

Tốc độxói lở khối trên diện tích đơn vị

f

Hệsốnhám theo Darcy-Weisbach

F

SốFroude

Ff

Hệsốma sát bên trong dọc theo thà
nh kênh.

g

m/s2

Gia tốc trọng trư ờ
ng

G

Trọng lư ợng riêng hạt

Ggr

Hà
m sốchuyển tải bù
n cát không thư ù nguyên

ht

m

Tổn thất năng lư ợng giư õa hai mặt cắt 1 và2

h

m

Cột nư ớc áp lư ïc

hi

Độsâu thủy lư ïc của mặt cắt ngang thư ù i.

H

m

Tổng cột nư ớc

H1

m

Tổng cột nư ớc ban đầu

H2

m

Tổng cột nư ớc tính toán

i

Chỉ sốmặt cắt ngang

K

Môdul lư u lư ợng

Ks

HệsốStrickler của độnhám ñaùy

Kr
L

Hệsốkểđến độnhám của hạt
m

Mi

Chiều dà
i đoạn sông tính toán
Hệsốkinh nghiệm

M1, M2

Hằng sốvật liệu

n

Hệsốnhám theo Manning

n

Hệsốmũ, phụthuộc và
o cở hạt

N

Sốcở hạt

N

Sốlư ợng điểm bên trong ống dò
ng

N

Sốtrạm đo dọc theo đoạn sông

P

kN/m2

P

Áp lư ïc
Thông sốbiểu diễn khả năng bồi lắng

pi

%

Phần trăm vật liệu kích thư ớc i trên đáy

Pi,k

%

Phần trăm của bù

n cát có kích thư ớc hạt k tại trạm thư ù i

pi*

%

Phần trăm vật liệu kích thư ớc i mang đến do dò
ng chảy

p0

Độrỗng hạt

Q

m3/s

Lư u lïng dò
ng chảy

Qs

m3/s

Lư u lư ợng bồi xói

qs

m2/s

Lư u lư ợng đơn vị

qlat

m2/s

Lư u lư ợng đơn vịbù
n cát chảy và
o

qbi

m2/s

Hà
m lư ợng bù
n cát đơn vịtrên lớp đáy

qsui

m2/s

Hà
m lư ợng bù
n cát đơn vịtrên lớp kềđáy

qsmi

m2/s

Hà
m lư ợng bù
n cát đơn vịtrên lớp giư õa

qsli

m2/s

Hà
m lư ợng bù
n cát đơn vịtrên lớp cuối cù
ng

qsi

m2/s

Lư u lư ợng đơn vịbù
n cát lơ lư õng

r

Hệsố


Rh

m

Bán kính thủy lư ïc

RC

m

Bán kính đoạn sông cong

S

Độdốc năng lư ợng

S0

Độdốc đáy

Sf

Độdốc ma sát

SRi

Độdốc ma sát

s
T

Tỉ trọng hạt so với nư ớc
m

TALi,k

Bềrộng đỉnh
Chiều dà
y của lớp hoạt động kích thư ớc hạt k tại trạm thư ù
i

TILi,k

Chiều dà
y lớp không hoạt động hạt k tại trạm thư ù i
Chiều dà
y của lớp hoạt động hạt k tư ơng ư ùng với điểm m

TALi,k,m

tại trạm thư ù i
Chiều dà
y của lớp không hoạt động hạt k tư ơng ư ùng với

TILi,k,m

điểm m tại trạm thư ù i

Te

Nhân tốthờ
i gian của quá trình xói lở

t

ngà
y

Bư ớc thờ
i gian tính toán

u*

m/s

Vận tốc ma sát hay vận tốc động lư ïc

U*

m/s

Vận tốc ma sát hay vận tốc động lư ïc

u cr* ,s

m/s

Vận tốc dò
ng chảy

V

m/s

Vận tốc dò

ng chảy
Sư ïthay đổi thểtích trong hồtrong bư ớc thờ
i gian t

V
V

m/s

Vận tốc trung bình trên toà
n mặt cắt

VRi

m/s

Vận tốc dò
ng chảy

Vcr

m/s

Lư u tốc giới hạn khi hạt bắt đầu khởi động


v

m/s

W
W

Vận tốc trung bình
Trọng lư ợng khối nư ớc

m

Bềrộng mặt thoáng
Hà
m chuyển tải bù
n cát đáy không thư ù nguyên

Wi *

xi

m

Khoảng cách giư õa mặt cắt i vàmặt cắt i + 1

Xi

m

Khoảng cách trung bình giư õa các điểm liền kề.

X

m

Tốc độvận tải bù
n cát biểu diễn bằng thông lư ợng dò
ng

Xi

m

Chu vi ư ớt của ống dò
ng tại trạm thư ù i

h

m

Chiều cao mư ïc nư ớc trong sông

Hres

m

Mư ïc nư ớc trong hồtại vịtrí đập

yd

m

Độsâu thủy lư ïc

z

m

Cao độmặt chuẩn

Z

m

Cột nư ớc vịtrí

Z

m

Cao độđáy
Hệsốhiệu chỉnh vận tốc



T/m3

Trọng lư ợng đơn vịcủa nư ớc

s

T/m3

Trọng lư ợng đơn vịcủa bù

n cát

m

T/m3

Trọng lư ợng riêng của nư ớc mang nhiều phùsa .

mi

T/m3

trọng lư ợng riêng khôcủa hạt kích thư ớc i








Hệsốhiệu chỉnh động lư ợng
T-s/m4

Khối lư ợng riêng của nư ớc



Góc nghiêng của lò
ng dẫn



Hằng sốvon Karman



Góc giư õa hư ớng bồi lắng vàhư ớng dò
ng chảy.

 0* , *

kN/m2

Ư Ùng suất ma sát phân giới vàư ùng suất đáy.




Ư Ùng suất tiếp

i

Thông sốư ùng suất đáy không thư ù nguyên



Tổng năng lư ợng tiêu hao

T

Tổng năng lư ợng dò
ng chảy

w

Năng lư ợng tiêu hao của dò
ng chảy do ma sát

s

Năng lư ợng tiêu hao do vận chuyển bù
n cát

c

Ư Ùng suất phân giới



Độdốc ngang của đáy.

s

m/s

Độthôthủy lư ïc

m

Độthôthủy lư ïc trong dò
ng chảy mang nhiều phùsa

i

Độthôthủy lư ïc của hạt có đư ờ
ng kính trung bình d



Hệsốma sát động học



Hệsốnhớt động học

m

Hệsốnhớt động học của dò
ng chảy mang phùsa



Hệsốphụthuộc và
o dạng bù
n cát



Khối lư ợng bồi xói trên một đơn vịthểtích đáy

1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hình thái học vù
ng ven sông làmột môn khoa học nghiên cư ùu nhằm môtả
hình dạng hay địa mạo vù
ng ven sông, môtả các hiện tư ợng trong quá trình diễn
biến bờsông, đáy sông. Phư ơng pháp nghiên cư ùu có thểxem làtónh, tư ùc làchỉ
bao gồm quan sát, môtả vàphân loại, không quan tâm đến các lư ïc tác dụng.
Động lư ïc học dò
ng chảy trong sông làmột môn khoa học nghiên cư ùu các
quá trình động lư ïc ảnh hư ởng đến địa mạo, trạng thái vù
ng ven sông. Nói cách
khác, đây làmôn khoa học nghiên cư ùu, đánh giá định lư ợng các hiện tư ợng là
m
thay đổi hình dạng vù
ng ven sông, giải thích các lư ïc tác động gây ra hiện tư ợng
đó. Động lư ïc học bao gồm các kiến thư ùc của ngà
nh hình thái học đồng thờ
i kết
hợp với các kiến thư ùc vềcơ học màchủ yếu làthủy động lư ïc học.
Dò
ng chảy trong sông màđặc biệt làsông chịu ảnh hư ởng của thủy triều có
diễn biến rất phư ùc tạp. Nó luôn dao động bởi nhiều tác nhân khác nhau, có thể

phân biệt trư ớc tiên làhiện tư ợng sóng, thủy triều vàdò
ng chảy trong sông. Về
mặt diễn biến, đểnghiên cư ùu ảnh hư ởng của các hiện tư ợng nà
y đến chuyển
động bù
n cát, ngư ờ
i ta chia dò
ng chảy trong sông thà
nh hai loại làdò
ng chảy rối
vàdò
ng chảy vò
ng. Trong đó dò
ng chảy vò
ng lànhân tốquan trọng trong việc
nghiên cư ùu biến hình lò
ng dẫn, bao gồm chuyển tải bù
n cát, xói bồi đáy sông và
sạt lở bờsông.
Biến hình lò
ng dẫn làvấn đềmuôn thû của sông ngò
i trên khắp thếgiới.
Đặc biệt, sạt lở bờsông gây ra như õng thiệt hại không như õng vềvật chất màcò
n
làcon ngư ờ
i trong các khu dân cư , thà
nh phốven sông. Do vậy, nghiên cư ùu dư ï


2

báo biến hình lò
ng dẫn sông ngò
i làmột vấn đề đư ợc nhiều nhàkhoa học,
chuyên gia vàcác kỹsư trên thếgiới quan tâm tư ølâu nhằm giảm thiểu các tác
hại do thiên nhiên gây ra vàdư ïbáo các nguy hiểm có thểxảy ra trong tư ơng lai.
Dò
ng chảy trong sông ban đầu chỉ chịu ảnh hư ởng bởi tư ïnhiên. Tư økhi con
ngư ờ
i bắt đầu sư û dụng nư ớc cho việc cung cấp nư ớc dù
ng, tư ới tiêu, ngăn mặn,
phát điện, giao thông thủy… , nhu cầu vận hà
nh vàphát triển nguồn nư ớc trở nên
cần thiết vàngà
y cà
ng mang tính bư ùc bách. Kết quả làhà
ng loạt các công trình
nhân tạo đư ợc xây dư ïng như hồ chư ùa, đập, kênh dẫn, đê… Với sư ïphát triển về
công nghiệp vàkinh tếhiện nay, ngà
y cà
ng nhiều hơn nư õa các công trình nhân
tạo đa chư ùc năng đư ợc xây dư ïng. Thiên nhiên vàcác công trình nhân tạo đồng
thờ
i tác động và
o hệ thống sông, phản ư ùng ngư ợc lại thư ờ
ng thấy nhất làlà
m
thay đổi khả năng chuyển tải bù
n cát. Điều nà
y lần lư ợt là

m cho cấu tạo vàhình
dạng ban đầu của sông bịthay đổi, đư a đến một sốvấn đềlớn cần giải quyết cho
ngà
nh xây dư ïng vàmôi trư ờ
ng.
Vấn đề chuyển tải bù
n cát trong sông nếu có sư ïquan tâm vàđịnh hư ớng
đúng đắn, hoà
n toà
n có thểdư ïbáo sư ïthay đổi theo thờ
i gian của chúng dư ới tác
động của tư ïnhiên vàcông trình nhân tạo, tư øđó đư a ra các biện pháp ngăn chặn
kịp thờ
i, là
m giảm bớt như õng tổn thất vàthiệt hại do chúng mang lại.
Với tính chất phư ùc tạp của hiện tư ợng bồi xói, ngoà
i các công thư ùc kinh
nghiệm, các nhàkhoa học tập trung và
o hai phư ơng pháp làmôhình vật lý và
môhình toán số. Môhình vật lý có khả năng môphỏng các hiện tư ợng phư ùc tạp.
Tuy nhiên, trong điều kiện sư û dụng đò
i hỏi phải có phò
ng thí nghiệm với các
thiết bị đo chính xác vàrất tốn kém. Do đó, phư ơng pháp nà
y chỉ có thểthư ïc
hiện ở các viện nghiên cư ùu vàtrư ờ
ng đại học lớn. Vì lẽđó màphư ơng pháp
nghiên cư ùu thiết lập vàáp dụng các môhình toán sốđư ợc sư û dụng rộng rãi hiện
nay.

3

Theo bản chất của bù
n cát, các nghiên cư ùu đư ợc tách ra là
m hai nhóm ư ùng
với bù
n cát rờ
i vàbù
n cát dính. Đối với bù
n cát rờ
i, quan trắc thư ïc nghiệm và
thư ïc tếđều cho thấy có hiện tư ợng hình thà
nh các gợn sóng cát trên mặt đáy.
Môtả dò
ng chảy vàchuyển động bù
n cát ở vù
ng lân cận các sóng cát đáy nà
y
có như õng điểm đặc thùriêng, dẫn đến như õng khái niệm mới so với trư ờ
ng hợp
đáy phẳng thông thư ờ
ng. Bà
i toán tư ơng tác giư õa lư u chất, bù
n cát vàđáy vì thế
trở nên rất phư ùc tạp.

1.2.

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN DÒNG CHẢY,

CHUYỂN TẢI BÙN CÁT VÀ BIẾN HÌNH LÒNG DẪN
Cũng như nhiều ngà
nh khoa học khác, bà
i toán dò
ng chảy, chuyển tải bù
n
cát vàbiến hình lò
ng dẫn sông ngò
i có thểđư ợc nghiên cư ùu theo ba phư ơng
pháp chính làphư ơng pháp môhình vật lý, phư ơng pháp đo đạc thư ïc tếvà
phư ơng pháp môhình toán.

1.2.1. Phương pháp mô hình vật lý
Nhiều thí nghiệm vật lý đãđư ợc thư ïc hiện trong phò
ng thí nghiệm bằng
các máng dẫn nư ớc. Các thí nghiệm nà
y không thểhiện tốt đư ợc hình ảnh của
hệ thống sông, bởi vì việc thểhiện hình dạng thật của hệ thống sông bằng các
máng dẫn quả thật không phải dễ dà
ng. Tuy nhiên, các thí nghiệm vật lý đóng
vai tròquan trọng trong việc kiểm chư ùng lờ
i giải giải tích hay toán số. Nhiều nhà
nghiên cư ùu đãphát triển phư ơng pháp thư ïc nghiệm trong việc thểhiện các hiện
tư ợng chuyển tải bù
n cát bằng cách sư û dụng các sốliệu thư ïc nghiệm.
Một trong như õng thí nghiệm lâu đờ
i nhất vàvẫn cò
n đư ợc nghiên cư ùu cho
đến ngà

y nay làthí nghiệm của Newton (1951). Mục tiêu chính làtìm ra lờ
i giải


4

quá trình xói đáy trong kênh hở khi có công trình kiểm soát dò
ng chảy tại thư ợng
lư u là
m thay đổi các điều kiện vềbù
n cát trong sông.
Bhamidipaty (1971) đãthư ïc hiện thí nghiệm với ba cỡhạt khác nhau cho
mỗi lần thư û nghiệm. Mục tiêu chính lànghiên cư ùu sư ïbồi lắng trong sông phía
sau đập đồng thờ
i nghiên cư ùu quá trình bồi lắng trong kênh đểtìm ra sư ïkhác
nhau cơ bản của khả năng chuyển tải bù
n cát trong sông vàtrong kênh.
Soni (1981) đãphát triển định luật tư ơng tư ïtheo phư ơng pháp phân tích
thư ù nguyên vàthư ïc hiện thí nghiệm trong phò
ng bằng máng dẫn. Mục tiêu thí
nghiệm làdư ïbáo quá trình bồi lắng trong kênh đối với bù
n cát do dò
ng chảy
mang đến, sau đó xét đến khả năng chuyển tải bù
n cát cân bằng. Dư õliệu cần
thiết cho phư ơng pháp trên làđiều kiện dò
ng chảy cân bằng vàdò
ng bù
n cát
cung cấp và

o môhình đểđánh giá sư ïbồi lắng.
Yen (1992) cũng đãthư ïc hiện thí nghiệm bằng máng dẫn với thà
nh phần
hạt có đư ờ
ng kính bằng nhau như ng thay đổi độlệch hình học tiêu chuẩn. Do đó,
ảnh hư ởng của sư ïkhông đồng đều đáy sông đư ợc quan tâm nghiên cư ùu.
Seal (1997) đãthư ïc hiện thí nghiệm bằng máng dẫn với hổn hợp bù
n cát
có đư ờ
ng kính hạt không đều nhau có kích thư ớc tư ø0.1mm đến 65mm. Mục tiêu
thí nghiệm làthểhiện tốt hơn quá trình chuyển tải thật của bù
n cát trong sông.
Ô
ng đãthư ïc hiện ba thí nghiệm môtả quá trình bồi lắng trong sông.

1.2.2. Phương pháp đo đạc thực tế
Phư ơng pháp nà
y đò
i hỏi các thiết bịquan trắc, đo đạc tại chỗtrong như õng
thờ
i đoạn ngắn hay dà
i tù
y theo yêu cầu nghiên cư ùu. Với sư ïphát triển khoa họccông nghệ hiện nay, ngà
y cà
ng có nhiều thiết bị đo đạc với độ chính xác cao
đư ợc chếtạo vàsư û dụng, như ng kè
m theo đó làgiá thà
nh thiết bị vàchi phí đo
đạc cũng tăng lên. Như õng kết quả đo đạc sẽđư ợc xư û lý, phân tích đểtư øđó có