Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (659.59 KB, 131 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----oOo-----
NGÔ HỒNG ĐỨC
MÔ HÌNH TOÁN SỐ
NGHIÊN CỨU SỰ SẠT LỞ BỜ SÔNG
CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ NGÀNH:
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY
60.58.40
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2004
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến só HUỲNH THANH SƠN
Cán bộ chấm nhận xét 1:…………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2:…………………………………………………………………………………
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày……… tháng ……… naêm 2004
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày ……… tháng ……… năm 2004
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
NGÔ HỒNG ĐỨC
Phái: nam.
Ngày, tháng, năm sinh:
20 – 08 – 1979
Nơi sinh: Quảng Ngãi.
Chuyên ngành: xây dựng công trình thủy
I.
MSHV: CTTH13.010
TÊN ĐỀ TÀI:
MÔ HÌNH TOÁN SỐ NGHIÊN CỨU SỰ SẠT LỞ BỜ SÔNG
II.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
•
Nhiệm vụ: dựa vào một số lý thuyết về dòng chảy, xói mòn bờ và đáy và sự
ổn định của bờ xây dựng thành một chương trình toán tính xói bờ, đáy cho
dòng không ổn định 1D.
•
Nội dung: viết chương trình tính cho bốn nội dung chính trên ngôn ngữ VB:
−
Dòng chảy không ổn định 1D.
−
Xét xói bờ và xói đáy.
−
Xét sự ổn định của bờ.
−
Kiểm nghiệm đối với một số đoạn sông thực tế
III.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV.
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31 –10 – 2004
V.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến só HUỲNH THANH SƠN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM NGÀNH
CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH
Ts. Huỳnh Thanh Sơn
Ts. Nguyễn Văn Đăng
Ts. Huỳnh Thanh Sơn
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông
qua.
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH
Ngày ……… tháng ……… năm 2004
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH
LỜI CẢM ƠN
Để có được thành quả như ngày hôm nay, để hoàn thành được luận văn
thạc só “Mô Hình Toán Số Nghiên Cứu Sự Sạt Lở Bờ Sông”, đã có sự giúp đỡ của
rất nhiều người, tổ chức xung quanh. Cho phép tôi được dành vài dòng để gởi tới
họ tấm lòng biết ơn chân thành nhất.
Xin được cảm ơn thầy Ts. Huỳnh Thanh Sơn, người đã dìu dắt tôi rất nhiều
trong việc hoàn thành đề tài nghiên cứu nói riêng, giúp tôi chập chững bước vào
con đường nghiên cứu nói chung. Thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình từng bước
một trong con đường nghiên cứu và cả trong cuộc sống với tấm lòng bao dung,
nhiệt tình của một người thầy, một người cha.
Xin được cảm ơn gia đình tôi, cơ quan của tôi (trường Đại học Dân lập Kỹ
nghệ Tp. Hồ Chí Minh) đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi về mặt vật chất và tinh thần
để tôi an tâm hoàn thành luận văn. Xin được cảm ơn q thầy cô trường Đại Học
Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt kiến thức, dạy dỗ tôi nên
người.
Cũng xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè người thân, những người đã giúp
tôi rất nhiều về thông tin, tài liệu liên quan đến vấn đề sạt lở bờ sông mà tôi đang
nghiên cứu.
Một lần nữa xin được gởi đến tất cả với một tấm lòng biết ơn chân thành
nhất, chúc mọi người dồi dào sức khoeû.
Trang 6
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn MÔ HÌNH TOÁN SỐ NGHIÊN CỨU SỰ SẠT LỞ BỜ SÔNG về
cơ bản gồm bốn phần chính:
•
Phần I: Tổng quan
Giới thiệu sơ lược về tình hình sạt lở bờ sông ở Miền Trung và Miền Nam
Việt Nam. Tình hình nghiên cứu về đề tài này của các học giả trong nước và trên
thế giới, đồng thời trình bày mục đích, đối tượng nghiên cứu của đề tài.
•
Phần II: Thiết lập mô hình toán số
Dựa vào một số lý thuyết nghiên cứu về dòng chảy, về xói bờ, xói đáy và
ổn định bờ phát triển chương trình tính dựa trên ngôn ngữ lập trình Visual Basic,
bao gồm ba module chính:
−
Tính dòng chảy không ổn định một chiều dựa trên hệ phương trình
Saint – Venant:
∂ω ∂Q
⎧
+
=0
⎪⎪
∂t
∂x
⎨
2
⎪ ∂Q + ∂ Q / ω + gω ∂z + gω
=0
⎪⎩ ∂t
∂x
∂x
K2
(
)
Chương trình tính cho một đoạn sông không phân nhánh, không có sự
bổ sung hay mất đi lưu lượng dọc sông, không xét đến đoạn sông cong.
•
−
Dựa vào lý thuyết xói bờ và đáy của Osman và Thorne (1988), phát
triển module thứ hai tính xói bờ và xói đáy và sự thay đổi của bờ cũng
như đáy nếu có xói xảy ra.
−
Module thứ ba dựa vào lý thuyết của Darby và Thorne (1996) và lý
thuyết của Terzaghi kiểm tra sự ổn định của bờ. Cập nhật lại toạ độ của
bờ nếu có trượt bờ xảy ra.
Phần III: Ứng dụng thực tế
ng dụng chạy cho hai đoạn sông cụ thể: một đoạn sông hạ lưu đập tràn và
một đoạn sông Lựu trong hệ thống sông Sài Gòn.
•
Phần IV: Kết luận và kiến nghị
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 7
MỤC LỤC
•
Tóm tắt luận văn ............................................................................................ 6
•
Mục lục...........................................................................................................7
•
Phần 1: Tổng Quan.......................................................................................10
− Chương I: Các hiện tượng và hậu quả ...............................................11
− Chương II: Các nguyên nhân chính...................................................15
− Chương III: Tình hình nghiên cứu chung ..........................................17
1.3.1 Trong nước ..........................................................................17
1.3.2 Ngoài nước ..........................................................................19
− Chương IV: Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .22
1.4.1 Mục đích ..............................................................................22
1.4.2 Đối tượng .............................................................................22
1.4.3 Phạm vi nghiên cứu .............................................................22
•
Phần 2: Thiết lập mô hình toán số................................................................23
− Chương I: Mô hình dòng chảy 1D .....................................................24
2.1.1 Lý thuyết .............................................................................24
2.1.2 Phương pháp toán số ...........................................................25
2.1.3 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ..................................26
2.1.4 Lập trình và một số vấn đề khi giải hệ phương trình Saint –
Venant.................................................................................26
2.1.4.1
Hàm tính diện tích.........................................26
2.1.4.2
Tính cao độ mặt nước....................................27
2.1.4.3
Tính dòng không ổn định 1D ........................28
− Chương II: Mô hình biến đổi lòng dẫn 1D ........................................31
2.2.1 Lý thuyết .............................................................................31
2.2.1.1
Mô hình xói bờ ..............................................31
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 8
2.2.1.2
Mô hình xói đáy ............................................33
2.2.2 Phương pháp toán số ...........................................................34
2.2.3 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ..................................34
2.2.4 Lập trình và một số vấn đề đặc biệt khi giải bài toán xói bờ
và xói đáy ............................................................................35
2.2.4.1
Hàm tính τc....................................................35
2.2.4.2
Mô hình tính xói bờ .......................................35
2.2.4.3
Hàm tính độ dốc năng lượng S......................35
2.2.4.4
Hàm tính lưu lượng bùn cát ...........................35
2.2.4.5
Mô hình tính xói đáy .....................................35
− Chương III: Mô hình phân tích sự ổn định của bờ .............................37
2.3.1 Lý thuyết .............................................................................37
2.3.1.1
Lực gây trượt .................................................38
2.3.1.2
Lực chống trượt .............................................39
2.3.2 Điều kiện ban đầu ...............................................................39
2.3.3 Lập trình và một số vấn đề đặc biệt khi giải bài toán ổn định39
− Chương IV: Cấu trúc của mô hình toán số ........................................42
2.4.1 Cấu trúc của chương trình tính sạt lở bờ sông .....................42
2.4.2 Dữ liệu đầu vào của chương trình .......................................44
2.4.3 Dữ liệu xuất ra của chương trình.........................................44
•
Phần 3: Các ứng dụng ..................................................................................45
− Chương I: Biến đổi lòng dẫn ở hạ lưu đập ........................................46
3.1.1 Dữ liệu đầu vào ...................................................................46
3.1.1.1
Dữ liệu về dòng chảy ....................................47
3.1.1.2
Thông số về bờ..............................................47
3.1.1.3
Dữ liệu về mặt cắt.........................................47
3.1.2 Kết quả tính toán .................................................................49
3.1.2.1
Mặt cắt theo thời gian ...................................50
3.1.2.2
Hình dạng mặt bằng bờ sông theo thời gian .55
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ soâng
Trang 9
3.1.2.3
Mực nước theo thời gian ...............................56
3.1.3 Nhận xét ..............................................................................58
3.1.3.1
So sánh với kết quả của tài liệu [10] ............61
3.1.3.2
So sánh kết quả tính xói đáy với lời giải giải
tích ................................................................61
− Chương II: Biến đổi lòng dẫn ở một đoạn sông chịu ảnh hưởng triều61
3.2.1 Giới thiệu .............................................................................61
3.2.2 Dữ liệu đầu vào ...................................................................66
3.2.2.1
Dữ liệu về mặt cắt.........................................66
3.2.2.2
Dữ liệu về dòng chảy ....................................69
3.2.2.3
Thông số về bờ..............................................69
3.2.3 Kết quả tính toán .................................................................71
3.2.3.1
Sự thay đổi cao độ đáy .................................71
3.2.3.2
Đường mặt nước ............................................72
3.2.3.3
Lưu lượng ......................................................73
3.2.3.4
Bề rộng bờ sông ............................................74
3.2.4 Nhận xét .............................................................................76
•
•
Phần 4: Kết luận và kiến nghị......................................................................77
4.1
Kết luận ...............................................................................77
4.2
Kiến nghị.............................................................................78
Phụ lục..........................................................................................................79
− Phụ lục I: Module khai báo ...............................................................80
− Phụ lục II: Form giao diện chính.......................................................83
− Phụ lục III: Module hàm .................................................................103
•
Tài liệu tham khảo .....................................................................................137
•
Lý lịch trích ngang .....................................................................................138
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 10
PHẦN 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG I:
CÁC HIỆN TƯNG VÀ HẬU QUẢ
CHƯƠNG II:
CÁC NGUYÊN NHÂN CHÍNH
CHƯƠNG III:
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHUNG
CHƯƠNG IV:
MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
CỦA ĐỀ TÀI
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ soâng
Trang 11
Chương I:
CÁC HIỆN TƯNG VÀ HẬU QUẢ
Hệ thống sông ngòi là sản vật của tự nhiên, là tiền đề của sự sống của
muôn loài trên trái đất trong đó có con người. Đã từ hàng triệu năm, sự vận động
không ngừng của nước trên bề mặt trái đất đã kiến tạo và tái tạo nên địa hình
mặt đất và sự sống trên đó. Và cũng đã từ lâu rồi con người đã biết sử dụng dòng
sông, biết chinh phục các con sông, bắt chúng phục vụ mình, tạo ra sự phồn vinh
và các nền văn minh nổi tiếng gắn liền với các lưu vực như nền văn minh sông
Nil, nền văn minh Tigre, nền văn minh sông Hoàng Hà, nền văn minh sông
Hồng,…Tuy vậy không phải sông ngòi là món quà biếu không, chỉ mang lại lợi
ích cho con người mà nó còn mang lại những tai họa khủng khiếp như các trận
hồng thuỷ đã từng nhấn chìm nền văn minh của nhân loại, nhiều công trình nhà
cửa ruộng vườn, các công trình kiến trúc vó đại mà con người đã dày công xây
dựng, quan trọng hơn là nó đã cướp đi nhiều sinh mạng của con người.
Trong số các thuỷ tai, không thể không kể đến tai hoạ do sạt lở bờ sông
gây ra. Hệ thống sông ngòi ở Việt Nam nói chung và các tỉnh phía Nam nói riêng
cũng không thoát khỏi điều đó. Đã có nhiều hội nghị khoa học bàn về hiện trạng,
nguyên nhân và biện pháp phòng chống vấn đề sạt lở bờ sông. Theo thống kê
chưa đầy đủ tại hội thảo khoa học “Phòng chống sạt lở bờ sông phía Nam” [6] thì
thiệt hại trong mấy thập niên qua là:
Hơn 30 người bị thiệt mạng.
Năm dãy phố bị cuốn trôi.
Sáu làng bị xoá sổ, trên 3000 ngôi nhà bị sụp đổ xuống sông.
Nhiều công trình giao thông, trụ sở cơ quan, bệnh viện trường học, cơ sở kinh
tế, công trình kiến trúc, công trình văn hoá, … bị dòng nước cuốn đi.
Một thị xã tỉnh lỵ bị sạt lở nghiêm trọng nên buộc phải di dời qua nơi khác.
Trong đó khu vực Nam trung bộ: sông Thu Bồn tỉnh Quảng Nam, với phạm
vi sạt lở kéo dài trên 500m sâu vào bờ hơn 50m phía trên cầu đường quốc lộ 1 đã
uy hiếp cuộc sống của không ít người dân trong khu vực; sông Trà Khúc đoạn
sông phía hạ du thị xã Quảng Ngãi đã xảy ra hiện tượng sạt lở bờ sông trong
nhiều năm với tốc độ lấn sâu vào bờ khoảng 10m mỗi năm đang tiềm ẩn những
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 12
nguy cơ rất lớn; sông Lại Giang sạt lở diễn ra mạnh ở đoạn chảy qua xã Hoài Mỹ,
xã Hoài Xuân và thị trấn Bồng Sơn đã làm sụp đổ nhiều nhà cửa xuống sông, hơn
100 ngôi nhà khác buộc phải di dời; sông Ba tỉnh Phú Yên, đoạn gần cầu Tuy An
ngày 23/12/1999 sạt lở bờ sông cuốn trôi 123 ngôi nhà,…
Còn ở khu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai, thường xuyên xảy ra những đợt
sạt lở lớn mà đa phần đều xảy ra trên đoạn sông chảy qua địa phận TP. Hồ Chí
Minh, nơi tập trung đông dân cư, nhiều nhà cửa, nhiều công trình kiến trúc hiện
đại, vì thế thiệt hại do sạt lở bờ nơi đây đều rất nghiêm trọng, kể cả về vật chất
và sinh mạng con người . ví dụ như: đợt lở bờ sông khu vực họ Đạo Mai Thôn tại
bán đảo Thanh Đa vào năm 1992, đã làm chết 2 người cùng với ngôi nhà hai tầng
lầu bị đổ xuống sông, ngày 6/7/2001 sạt lở mái bờ sông dẫn đến sự sụp đổ hoàn
toàn quán Hoàng Ty I, làm thiệt mạng 2 người, 3 người khác bị thương, ngày
31/5/2002 sạt lở bờ sông dài 100m sâu vào bờ 15m kéo theo kho chứa của lò vôi
Tân Phát, ngày 29/6/2002 đoạn bờ sông khu vực kho tang vật của công an quận
Bình Thạnh bị sạt lở làm tường rào cao 2m, dài trên 40m bị đổ xuống sông, ngày
14/7/2002 đoạn bờ sông khu vực quán cháo vịt Bích Liên số 1002 đường Xô Viết
Nghệ Tónh, phường 27, quận Bình Thạnh bị sạt lở kéo theo một dãy nhà và làm
mố cầu Thanh Đa bị hư hỏng nặng, rất may là không bị thiệt hại về nhân mạng.
Vùng ĐBSCL nơi tập trung của 37 con sông có tổng chiều dài 1706 km,
trong mấy năm gần đây tình trạng sạt lở mái bờ sông đã trở nên hiện tượng rất
phổ biến. Theo [6] có tới trên 130 điểm sạt lở bờ, trong đó các tỉnh bị thiệt hại
nhiều do sạt lở bờ sông gây ra là tỉnh An Giang, tỉnh Đồng Tháp, tỉnh Vónh Long,
tỉnh Cần Thơ và tỉnh Cà Mau.
Trong số 37 con sông vùng đồng bằng sông Cửu Long, sông Tiền và sông
Hậu là hai sông có quy mô, tốc độ sạt lở bờ lớn nhất. Theo [6] một số điểm sạt lở
được thống kê dưới đây:
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 13
Bảng 1.1: Một số vị trí sạt lở lớn trên sông Tiền và sông Hậu trong giai
đoạn 1966 – 2002.
Tên sông
Khu vực sạt lở
Thường Phước - Thường Thới Tiền
Hồng Ngự
An Phong
Bờ trái sông Tiền Tân Thạnh
Mỹ Xuông
Châu Thành - Sa Đéc - Mỹ Thuận
Chợ Lách - Bến Tre
Bờ phải sông
Mỹ Luông - Long Điền
Tiền
Sa Đéc
Sông Vàm Nao Mỹ Hội Đông
Bờ trái sông Hậu Nhơn Hoà - An Châu
Khánh An - Khánh Bình
Bờ phải sông
An Châu - Long Xuyên
Hậu
Bình Thuỷ - Cần Thơ
Chiều rộng
sạt lở sâu
Chiều dài vào bờ lớn
sạt lở, km nhất, m
6.0
1250
8.0
110
4.0
120
4.0
130
9.0
250
6.0
350
4.5
400
4.0
120
10.0
1200
6.5
350
4.5
800
3.0
300
2.6
100
2.8
300
Và trong số các điểm sạt lở bờ sông các tỉnh phía Nam có 9 khu vực sạt lở
nguy hiểm, cần tập trung nghiên cứu và đầu tư kinh phí xây dựng công trình
chỉnh trị, bởi vì sau mỗi đợt sạt lở ở những khu vực này gây nên tổn thất rất lớn.
Các khu vực đó được xếp thứ tự nghiêm trọng giảm dần dưới đây:
Khu vực sạt lở bờ sông Tiền đoạn chảy qua thị trấn Tân Châu – Hồng Ngự.
Khu vực sạt lở trên sông Vàm Nao.
Khu vực sạt lở bờ sông Tiền đoạn từ Sa Đéc, Mỹ Thuận tới Vónh Long.
Khu vực sạt lở bờ sông Sài Gòn – Đồng Nai đoạn bán đảo Bình Qùi – Thanh
Đa.
Khu vực sạt lở bờ sông Hậu và rạch Bình Chi đoạn biên giới Việt Nam –
Campuchia.
Khu vực sạt lở bờ sông Hậu đoạn chảy qua thành phố Long Xuyên, tỉnh An
Giang.
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ soâng
Trang 14
Khu vực sạt lở cửa sông Gành Hào, tỉnh Bạc Liêu.
Khu vực sạt lở bờ sông Cái Nai, đoạn chảy qua thị trấn Năm Căn.
Đoạn từ Giao Thuỷ đến Cầu Lâu thuộc sông Thu Bồn – Đà Nẵng.
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 15
Chương II:
CÁC NGUYÊN NHÂN CHÍNH
Theo [6] các hiện tượng trên có một số nguyên nhân chính sau:
Tác nhân đầu tiên phải kể đến là yếu tố xung kích của dòng nước do mưa và
dòng chảy phía thượng lưu đưa xuống. nh hưởng này rất không đều vào mùa
mưa và vào những trận lũ lớn lượng nước lớn va mạnh đã gây xói lở chỗ này
di chuyển bồi đắp sang chỗ khác. Tốc độ dòng chảy có chỗ vượt 3m/s thậm
chí ngay tại sông đồng bằng như ở Tân Châu.
Dòng chảy trên nền đất yếu là những vùng phù sa bồi đắp đã làm cho tác
động của dòng chảy dễ gây xói lở. Có vùng như ở Đồng bằng sông Cửu Long
lớp đất mặt có tính cơ lý tốt hơn các lớp đất dưới (cát chảy, bùn, sét bụi…) làm
cho dòng nước bào mòn dạng hàm ếch tới lúc khối trên trở nên không cân
bằng và sạt cả mảng lớn. Cát sỏi cửa sông miền Nam trung bộ là mặt đệm dễ
cho dòng chảy tác động gây đổi dòng nhất.
Tình trạng nước ngầm với đường bão hoà cao làm nhão khối đất nền cũng làm
cho sức kháng cắt của đất bờ giảm đi. Điều này lý giải cho các sự cố hay xảy
ra khi lũ rút đi và ở cửa sông ảnh hưởng triều là khi triều rút đi.
Chuyển động tân kiến tạo cũng làm cho xu thế xói lở, bồi lắng thể hiện rõ
trong một khoảng thời gian dài. Ví dụ: các sông Tiền, sông Hậu và cửa sông
Cửu Long đều nằm trùng hoặc gần với các đứt gãy của tân kiến tạo.
Tác động của con người đang là một yếu tố ngày càng có vai trò nổi rõ như:
o
Xây dựng các công trình có tải trọng lớn ven sông thậm chí với tải trọng
động là cho khối đất ven bờ càng kém ổn định.
o
Hoạt động san lấp, chiếm dụng bờ sông, đào lấy cát làm thay đổi tiết
diện của sông thay đổi luôn tốc độ xói của sông.
o
Phá rừng đầu nguồn làm dòng chảy lũ cao hơn, lượng phù sa lơn hơn và
xảy ra biến dòng ác liệt hơn. Rõ nhất là các sông Nam trung bộ.
o
Giao thông thuỷ với mật độ lớn, bằng phương tiện cơ giới có công suất
ngày càng lớn tạo ra sóng và sóng gió góp phần thường xuyên gặm dần
đường bờ … để chuẩn bị cho các đợt sạt lở lớn. Bờ cát dày đặc trên sông
cũng làm tốc độ đáy tăng lớn.
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 16
o
Các công trình bến cảng trên sông, các đập ngang sông (Miền trung),
các cầu và mố cầu làm cho bức tranh phân bố dòng chảy thay đổi và gây
hậu quả với lòng dẫn như hạ lưu đập Lại Giang, đập Thạch Nham
(Quảng Ngãi)…
o
Các kênh tưới đi cặp sát bờ sông như ở sông Trà Bồng ( do công trình
Thạch Nham) làm mực nước ngầm dâng cao và làm yếu sức kháng cắt
của đất với tác dụng của dòng chảy.
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 17
Chương III:
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHUNG
1.3.1
Trong nước:
Trước vấn đề này, trong nước đã có nhiều hội nghị, trong đó nhiều nguyên
nhân và giải pháp phòng chống sạt lở bờ sông đã được trình bày. Sơ bộ thu thập
được một số bài nghiên cứu của các học giả trong nước.
•
GS TSKH Nguyễn n Niên, Viện Khoa Học Thuỷ Lợi Miền Nam. “ Tình
hình sạt lở biến đổi bờ sông các tỉnh phía Nam và ĐBSCL và một số biện
pháp phòng chống”: báo cáo này điểm qua tình hình sạt lở bờ sông và cửa
sông bồi lắng lòng dẫn các tỉnh phía Nam trong vài thập niên gần đây với
mục tiêu tìm một giải pháp tổng hợp cho vấn đề này. Từ đó đưa ra một số
nguyên nhân gây sạt lở và bồi lắng như: yếu tố xung kích của dòng nước do
mưa và dòng chảy phía thượng lưu đưa xuống, dòng chảy phát triển trên
nền đất yếu, tình trạng nước ngầm dâng cao … từ đó đưa ra hai nhóm biện
pháp phòng chống là phi công trình (khôi phục rừng đầu nguồn, quy hoạch
khu dân cư…) và biện pháp công trình (làm bờ kè, trồng cây chắn sóng…)
•
TSKH. Phan Văn Hoặc, Trung tâm KTTV phía Nam. TS. Nguyễn Kỳ
Phùng, Đại học Khoa học Tự nhiên. “Đánh giá nguyên nhân và đề xuất
một số giải pháp phòng chống sạt lở bờ sông ĐBSCL”: sơ lược quá trình
hình thành và phát triển của ĐBSCL, xác định các nguyên nhân chính và đề
xuất các biện pháp phòng chống sạt lở bờ sông. Trong đó một số nguyên
nhân chính là do tác động của dòng chảy sông và thuỷ triều, do tác động
của mưa thượng nguồn và tại chỗ, … Và đề xuất một số giải pháp phòng
chống như thành lập ban chỉ đạo chung về phát triển kinh tế – xã hội ở
ĐBSCL, chọn một số mô hình tính toán thích hợp với sạt lở bờ sông ở
ĐBSCL…
•
TS. Nguyễn Bá Hoằng, Liên đoàn ĐCTV – ĐCCT miền Nam. “Đánh giá
sơ bộ tình hình xói lở bờ sông Sài Gòn – Đồng Nai, dự báo và kiến nghị một
số giải pháp phòng chống xói lở bờ sông theo quan điểm địa chất công
trình”: đánh giá địa chất của lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai, thống kê
hiện trạng xói lở. Dựa trên sự vận động của môi trường địa chất, dự báo
xói lở bờ sông Sài Gòn – Đ ồng Nai theo quan điểm địa chất công trình. Từ
đó kiến nghị các biện pháp phòng chống.
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 18
•
PGS. TS. Hoàng Văn Huân, Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam. “Thực
trạng sạt lở bờ khu vực cửa sông, ven biển Nam bộ và giải pháp phòng
tránh”: đưa ra nhận xét về tình hình sạt lở bờ khu vực cửa sông, ven biển
Nam bộ. Từ đó đưa ra những nguyên nhân, cơ chế hiện tượng sạt lở bờ và
các biện pháp bảo vệ bờ hữu hiệu với những ứng dụng công nghệ mới, vật
liệu mới, kết hợp với các biện pháp dân gian.
•
PGS. TS. Lê Mạnh Hùng, Viện Khoa Học Thuỷ Lợi Miền Nam. “Hiện
tượng sạt lở bờ sông các tỉnh miền Nam thực trạng, nguyên nhân và giải
pháp giảm nhẹ thiệt hại”.
•
KS. Phan Phùng Sanh, Hội KHKT Xây Dựng Tp. Hồ Chí Minh. “Chống sạt
lở hai bờ sông Tiền, sông Hậu trở thành nhiệm vụ trọng tâm và cấp bách”:
đưa ra một trong những nguyên nhân sạt lở: đê bao tự phát và tràn lan. Từ
đó đề ra biện pháp qui hoạch đê bao, sống chung với lũ và bảo vệ bờ chống
sạt lở như trồng cỏ Vetiver, hạn chế khai thác cát quá mức…
•
PGS. Lê Ngọc Bích, Viện Khoa Học Thuỷ Lợi Miền Nam. “Quy luật hình
thái sông cong vùng triều ở Nam Bộ”: qua kết quả nghiên cứu các đoạn
sông cong trên sông Sài Gòn, sông Cửu Long, sông Vàm Cỏ và các sông
thuỷ triều ở khu vực bán đảo Cà Mau…bước đầu tác giả đi đến kết luận: quy
luật hình thái của sông chịu ảnh hưởng thủy triều khác với quy luật hình
thái của các sông không chịu ảnh hưởng thuỷ triều và quy luật hình thái của
L. Fargue.
•
Sở KHCN&MT Vónh Long. “Tình hình sạt lở bờ sông Tiền, sông Hậu tỉnh
Vónh Long”: đưa ra tình hình và dự báo sạt lở đến năm 2020 các đoạn sông
thuộc tỉnh Vónh Long. Đưa ra các biện pháp phòng chống như: di dời nhà
dân, tổ chức khai thác cát hợp lý, nạo vét, chỉnh dòng, làm kè…
•
Ngô Chí Hưng, Sở KHCNMT tỉnh Cà Mau. “Hiện trạng xói lở ven sông tỉnh
Cà Mau”: thống kê hiện trạng xói lở ven sông tỉnh Cà Mau, nguyên nhân.
Đưa những kinh nghiệm dân gian về dự báo xói bờ và những kiến nghị
phòng chống.
•
Ths. Phan Văn Tuyến, Liên đoàn ĐCTV-ĐCCT miền Nam. “Các yếu tố
liên quan đến hoạt động xói lở và sụp đổ bờ sông, hướng nghiên cứu và
biện pháp khắc phục”: bài báo nêu lên một số các yếu tố quyết định hoạt
động xói lở của sông và hướng nghiên cứu khắc phục.
•
Ts. Tô Văn Nhụ. Ts. Đậu Văn Ngọ. Ts. Nguyễn Hồng Bỉnh. “p dụng
tường bê tông cốt thép chống sạt lở bờ sông”: đưa ra một số biện pháp gia
cố bờ.
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 19
•
Ks. Trần Minh Lâm, Chi cục Quản lý nước và PCLB TPHCM. “Hành lang
bảo vệ bờ sông, một giải pháp chống sạt lở hiệu quả”: đưa ra một giải pháp
về chống sạt lở bờ sông.
………………………………
Nói chung, các bài báo, nghiên cứu trong nước đều đề cập đến nhiều
nguyên nhân gây ra xói lở bờ sông trong đó một số nguyên nhân chính đã được
trích dẫn ở chương II phần I. Từ đó đề ra giải pháp phòng chống bằng các biện
pháp phi công trình và công trình…
1.3.2
Ngoài nước:
Theo tài liệu sơ bộ có được trên thế giới đã có rất nhiều học giả nghiên
cứu về vấn đề này (Xem báo cáo cuả y ban chuyên về cơ học bờ sông (bao gồm
vấn đề mô hình hoá sự thay đổi bờ sông) của Hiệp hội Kỹ sư Công Chánh Mỹ
[11]). đây chỉ đề cập đến một số lý thuyết được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới:
•
Lý thuyết của Lohnes và Handy năm 1968: Góc bờ sông nguyên thổ bị
trượt.[9]
•
Lý thuyết của Huang năm 1983: Phân tích sự ổn định của mái dốc.[7]
•
Lý thuyết của Osman và Thorne năm 1988: Phân tích sự ổn định bờ
sông.[10]
•
Lý thuyết của Darby và Thorne năm 1996: Phát triển và kiểm nghiệm
phương pháp phân tích sự ổn định bờ sông.[5]
Theo [5] thì [9], [7], [10] còn mắc phải một số sai sót:
•
Đầu tiên, dạng hình học được sử dụng là dạng hình bờ bắt đầu trượt ( hình
1.3.1) không tương xứng với các bờ bị xói trong tự nhiên. Hình dạng bờ xói
tự nhiên được quyết định bởi sự kết hợp giữa nâng hay hạ đáy ( điều này
ảnh hưởng đến chiều cao tổng thể của bờ) cũng như sự xói bờ (điều này ảnh
hưởng đến độ dốc bờ). Những điều này làm cho bờ có khuynh hướng có
dạng như hình 1.3.2
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 20
A
B
FD
Wt
FR
i
H
β
C
Hình 1.3.1
K
Wt
Kn
FD
FR
H’
i
β
Bề mặt đáy
lúc đầu
∆Z: Xói đáy
∆W: Xói bờ
Hình 1.3.2
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ soâng
H
Trang 21
•
Sự hạn chế thứ hai đó là bờ bị trượt bị cho là đi qua chân bờ sông. Điều này
là không đúng, bởi vì theo quan sát trong thực tế thì bờ trượt có thể đi qua
một vài điểm khác ( Simon et al. 1991).
•
Giới hạn thứ ba là sự ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và áp lực nước tự
do tại mặt phân cách bị bỏ qua hoặc đề cập quá sơ sài ( Simon et al. 1991).
•
Cuối cùng, góc trượt phẳng không thường được tính toán bằng phương pháp
khoa học chặt chẽ mà thay vào đó thừa nhận nó là một hàm của góc bờ và
góc ma sát của đất.
Những giới hạn này hoặc riêng lẻ hoặc kết hợp được thể hiện trong những
phân tích tiến bộ hơn. Đặc biệt, [10] phân tích sự ổn định bờ sông dựa trên dạng
hình học thực tế như ở hình 1.3.2. Nó cũng tính đến góc trượt dựa vào các công
thức khoa học tự nhiên. Nhưng, áp lực nước lổ rỗng và áp lực nước tự do tại mặt
phân cách được kể đến quá sơ sài và mặt trượt bị cho là đi qua chân bờ sông.
Simon et al. 1991 phát triển mô hình ổn định có kể đến áp lực nước tại mặt phân
cách cũng như áp lực nước lổ rỗng và mặt trượt không bị cưỡng chế phải đi qua
chân đập. Tuy nhiên, hình dạng trượt và góc trượt tính toán quá đơn giản. Phương
pháp của [5] tuy đã giải quyết được những vấn đề trên, nhưng vẫn mắc phải
nhược điểm đó là chưa kể đến được sự ảnh hưởng của cây cỏ ven bờ.
Gần đây, Viện Thuỷ Lợi Đan Mạch có đưa ra chương trình “MIKE 21C”,
chương trình tính dòng chảy 2DH, có kể dòng chảy phụ là dòng xoáy vòng tại
khúc sông cong và tính được sự trượt bờ cho đoạn sông. Đây là chương trình có uy
tín tại Việt Nam và nhiều nước trên thế giới về nghiên cứu xói lở và biến đổi lòng
dẫn. Chương trình này tính được sự sạt lở cho một đoạn sông cong hoặc một
mạng lưới sông có kể đến sự vận chuyển của bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng. Tuy
nhiên, nó lại phụ thuộc vào một số hệ số kinh nghiệm như: α (để tính cho đoạn
sông cong) và hệ số tỉ lệ bùn cát đáy trên bùn cát lơ lửng. Các hệ số này chỉ cần
một thay đổi nhỏ sẽ dẫn đến sự thay đổi lớn của kết quả tính toán. Do vậy, muốn
áp dụng cho một đoạn sông hay một mạng lưới sông nào đó, cần theo dõi, thu
thập số liệu sạt lở trong một thời gian dài để hiệu chỉnh các hệ số của chương
trình. Hay nói cách khác, để chương trình này áp dụng được cho một mạng lưới
sông nào đó, cần phải tốn nhiều tiền và thời gian để thu thập số liệu cho mạng
sông đó. Và khi áp dụng cho một mạng sông khác thì kết quả này không còn
đáng tin cậy nữa.
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 22
Chương IV:
MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN
CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.4.1
Mục đích:
Dựa trên những thực trạng về sạt lở bờ sông, những nghiên cứu của các học
giả trong và ngoài nước, để góp thêm một phương pháp dự báo sạt lở bờ sông (tốc
độ sạt lở, bề rộng sạt lở và thời điểm sat lở), “Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt
lở bờ sông” được hình thành.
1.4.2
Đối tượng:
Khi xói bờ xảy ra sẽ làm tăng độ dốc bờ sông dẫn đến ổn định bờ giảm đi.
Còn khi xói đáy thì tăng chiều cao tổng thể của bờ cũng làm tăng nguy cơ trượt
bờ. Do vậy đối tượng của chương trình tính là tính sự xói bờ, xói đáy và sự ổn
định bờ sông.
1.4.3
Phạm vi nghiên cứu:
Chương trình chỉ áp dụng tính toán dòng chảy 1D của một đoạn sông thẳng
không phân nhánh, không có sự bổ sung hay mất đi lưu lượng dọc đường.
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 23
PHẦN 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN
SỐ
CHƯƠNG I:
MÔ HÌNH DÒNG CHẢY 1D
CHƯƠNG II:
MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI LÒNG DẪN 1D
CHƯƠNG III:
MÔ HÌNH PHÂN TÍCH SỰ ỔN ĐỊNH CỦA BỜ
CHƯƠNG IV:
CẤU TRÚC CỦA MÔ HÌNH TOÁN SỐ
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
Trang 24
Chương I:
MÔ HÌNH DÒNG CHẢY 1D
2.1.1
Lý thuyết:
Thiết lập mô hình dòng chảy không ổn định 1D dựa trên hệ phương trình Saint –
Venant [8]:
⎧ ∂ω ∂Q
⎪⎪ ∂t + ∂x = 0
⎨
2
⎪ ∂Q + ∂ (Q / ω ) + gω ∂z + gω
=0
⎪⎩ ∂t
K2
∂x
∂x
Trong đó:
(2.1.1)
(2. 1. 2 )
ω: diện tích ướt của mặt cắt sông (m2).
Q: lưu lượng tại mặt cắt trên (m3/s).
z: cao trình mặt nước tại mặt cắt (cao trình so với một mặt
chuẩn nào đó, ở đây mặt chuẩn được chọn là mực nước
biển).
K: module dòng chảy (m3/s).
Triển khai, hệ phương trình Saint – Venant trở thaønh:
⎧ ∂ω ∂Q
⎪⎪ ∂t + ∂x = 0
⇔⎨
⎛ ∂Q ∂ (Q 2 / ω ) ⎞
∂z
⎪ ⎜⎜
⎟⎟ + gω + gω 2 = 0
+
⎪⎩ ⎝ ∂t
∂x ⎠
∂x
K
⎧ ∂ω ∂Q
⎪ ∂t + ∂x = 0
⎪
⇔ ⎨⎛ ∂Q ∂ (Q 2 / ω ) ⎞
∂z
⎟⎟ + gω + gn 2
+
=0
⎪⎜⎜
4
∂
∂
t
x
x
∂
⎝
⎠
⎪⎩
ωR 3
2.1.2
Phương pháp toán số:
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ sông
(2.1.1)
(2.1.3)
(2.1.1)
(2.1.4)
Trang 25
Để giải hệ phương trình Saint-Venant, dùng phương pháp sai phân ẩn theo sơ đồ
Preissmann.
t
n+1
1−φ
φ
∆t
n
φ 1−φ
n-1
∆x
j-1
j
j+1
x
Hình 2.1.1
Chọn φ = 0.5 : sơ đồ trung tâm ẩn 4 điểm, sơ đồ Preissmann trở thành:
⎧ ∂f ( f jn++11 + f jn +1 ) − ( f jn+1 + f jn )
⎪⎪ =
∂t
2∆t
⎨
n +1
n +1
⎪ ∂f = f j +1 − f j
⎪⎩ ∂x
∆x
(2.1.5)
(2.1.6)
p dụng triển khai vào hệ phương trình (2.1.1)&(2.1.4) trở thành:
⎧
⎪ n+1
n +1
n
n
n +1
n +1
⎪ (ω j +1 + ω j ) − (ω j +1 + ω j ) Q j +1 − Q j
+
=0
(2.1.7)
⎪
∆x
2∆t
⎪
⎧⎪⎡ (Q n +1 + Q n +1 ) − (Q n + Q n ) (Q 2 / ω )n +1 − (Q 2 / ω )n +1 ⎤
⎪
2
j +1
j
j +1
j
j +1
j
⇔⎨
+
⎢
⎥+
n +1
n +1 ⎨
∆x
2∆t
⎥⎦
⎪ g(ω j +1 + ω j ) ⎪⎩⎢⎣
⎪
n +1
n +1
⎛ Q Q ⎞ ⎤ ⎫ z n+1 − z n +1
⎪ n 2 ⎡⎢⎛⎜ Q Q ⎞⎟
j
⎟ ⎥ ⎪ + j +1
+⎜
=0
(2.1.8)
⎪+ g ⎢⎜
⎬
4 ⎟
4 ⎟
⎜
⎥
∆
x
2
⎪
⎢⎣⎝ ωR 3 ⎠ j +1 ⎝ ωR 3 ⎠ j ⎥⎦ ⎪⎭
⎩
2.1.3
•
Điều kiện ban đầu và điều kiện biên:
Điều kiện ban đầu:
Mô hình toán số nghiên cứu sự sạt lở bờ soâng
