Sổ tay thủy văn cầu đường - Dự báo quá trình diễn biến lòng sông part 6 pot

Trong giai đoạn quy hoạch, sử dụng mô hình toán không những có thể giải đáp các vấn đề nêu trên, mà còn chỉ trong một thời gian ngắn nghiên cứu rất nhiều phương án, tìm ra phương án tối

tư, có thể chỉ sử dụng mô hình toán Trong giai đoạn quy hoạch, sử dụng mô hình toán không những có thể giải đáp các vấn đề nêu trên, mà còn chỉ trong một thời gian ngắn nghiên cứu rất nhiều phương án, tìm ra phương án tối ưu Trong giai

đoạn thiết kế, để đi sâu nghiên cứu một số vấn đề nào đó, đặc biệt là những vấn đề

có tính 3D nổi bật, có thể sử dụng mô hình vật lý

Còn đối với việc quan trắc hiện trường đối với đoạn sông nghiên cứu thì bất

kỳ mô hình nào cũng là cần thiết Mặc dầu số liệu thực đo chỉ có thể cung cấp những nhận thức định tính, nhưng vì đối tượng nghiên cứu là nguyên hình, không tồn tại vấn đề tham số tính toán trong mô hình toán có được lựa chọn thỏa đáng hay không, cũng không tổn tại vấn đề ảnh hưởng của thu nhỏ kích thước trong mô hình vật lý, nên những nhận thức đó là vô cùng quan trọng Ngoài ra, việc quan trắc hiện trường ở đoạn sông nghiên cứu có thể cung cấp cho mô hình toán và mô hình vật lý các thanh số tính toán và thiết kế, các loại số liệu cần thiết để kiểm định mô hình, là điều không thể thiếu

Như trên đã nói, hiện nay mô hình toán đang trong quá trình phát triển

Điểm mấu chốt của các nghiên cứu chủ yếu đề cập đến 2 khía cạnh: một là công thức tải cát và công thức sức cản của các hệ phương trình cơ bản, chúng khác với các phương trình khác, không phải là các công thức lý thuyết chặt chẽ, mà mang nhiều tính chất kinh nghiệm Đặc biệt là các công thức kinh nghiệm đó thường chỉ thích dụng cho các trường hợp đơn giản (1D, dòng chảy ổn định, bùn cát đồng đều

và tải cát cân bằng) Đối với các vấn đề 2D, 3D, trường hợp dòng chảy không đều

và không ổn định, bùn cát không đồng đều và tải cát không cân bằng những công thức đó biến đổi ra sao, mặc dầu đã có những nghiên cứu, nhưng vẫn chưa thật sự sáng tỏ, vì vậy khó làm cho mô hình phù hợp với thực tế Khía cạnh thứ 2 là, để mở rộng phạm vi sử dụng của mô hình, nâng cao độ chính xác tính toán, bảo đảm tính

ổn định và hội tụ của các nghiệm, cũng để giảm thiểu dung lượng bộ nhớ và tăng tốc độ tính toán, về phương pháp tính còn tồn tại nhiều cách lựa chọn, trong việc vận dụng kỹ thuật tính toán còn có nhiều điều phải làm Những năm gần đây, mô hình toán phát triển thần tốc, chủ yếu thể hiện trong việc đổi mới và cải tiến phương pháp tính toán Hiển nhiên, để cho mô hình toán về diễn biến lòng sông ngày càng hoàn thiện, 2 điểm mấu chốt nói trên còn cần phải tốn nhiều công sức nghiên cứu

Khác với mô hình toán, mô hình vật lý tương đối thành thục hơn Lý thuyết tương tự làm cơ sở cho mô hình vật lý đã gần như định hình Thí nghiệm mô hình sông lòng cứng đã sớm đạt đến giai đoạn hoàn thiện, độ tin cậy của các kết quả thí nghiệm là không còn phải nghi ngờ nữa Gần 30 năm lại đây, việc thiết kế và vận hành các mô hình lòng động cũng đã tích lũy được những kinh nghiệm phong phú, kết quả thí nghiệm cũng dần dần có độ tin cậy cao Công tác nghiên cứu chủ yếu hiện nay là tiếp tục hoàn thiện phương pháp thí nghiệm mô hình lòng động Vấn đề nghiên cứu trọng điểm là ảnh hưởng của các loại biến thái như biến thái hình học, biến thái độ dốc, biến thái thời gian đối với các kết quả thí nghiệm; lựa chọn và chế tạo các loại cát mô hình nhẹ có tính năng tốt cùng tính chất cơ học của nó

Cần phải chỉ rõ rằng, trong lĩnh vực diễn biến lòng sông hiện vẫn còn tồn tại một số vấn đề mà cả mô hình toán và mô hình vật lý đều chưa giải quyết được Ví như nghiên cứu biến hình trên mặt bằng lòng sông, tức là vấn đề dự báo sạt lở bờ sông, cả hai loại mô hình đều chưa có kết quả nào đáng kể

Mô hình toán và mô hình vật lý, với những điều đã nói trên, như là hai phương pháp độc lập nhau Thực ra, hai phương pháp có thể kết hợp với nhau để bổ trợ cho nhau Ví dụ, mô hình toán có thể cung cấp điều kiện biên để mô hình vật lý chỉ phải tiến hành trong một đoạn ngắn, giảm bớt đầu tư Mô hình vật lý lòng cứng

có biên phức tạp có thể cung cấp số liệu về trường lưu tốc tương đối chính xác cho mô hình toán tiến hành tính toán bồi xói, mà tránh phải làm mô hình lòng động tốn kém và khó khăn Tóm lại, với ý nghĩa là phương pháp nghiên cứu hai loại mô hình toán và mô hình vật lý có thể thẩm thấu vào nhau để cùng giải quyết những vấn đề thực tế

a Phương pháp mô hình vật lý

Mô hình vật lý thường dùng trong nghiên cứu diễn biến lòng sông là mô hình thủy lực lòng động hoặc lòng cứng và mô hình mà dòng chảy là dòng khí có

áp, gọi tắt là mô hình khí

Mô hình thủy lực lòng cứng chỉ sử dụng trong trường hợp lòng sông không

có biến hình lớn, hoặc có biến hình nhưng không ảnh hưởng lớn đến vấn đề nghiên cứu chủ yếu: ví dụ, trường hợp chỉ quan tâm đến sự thay đổi trường động lực do tác dụng của công trình trên sông và diễn biến lòng sông được tính toán thông qua sự biến đổi của các yếu tố thủy lực đó Sau đó, mô hình có thể được đắp lại theo kết quả tính toán lý thuyết để tiếp tục nghiên cứu trường động lực trong điều kiện địa hình lý thuyết đó Mô hình khí thường chỉ hạn chế sử dụng trong các bước quy hoạch, chọn phương án bố trí công trình, chỉ quan tâm đến các kết quả định tính chưa yêu cầu cao về kết quả định lượng

Cơ sở của phương pháp mô hình vật lý là lý thuyết tương tự

Nguyên lý cơ bản của lý thuyết tương tự đối với các vấn đề cơ học là: các

hệ thống vật chất chuyển động cơ học trong tự nhiên được gọi là tương tự khi ngoại hình của chúng có tương tự về hình học; thuộc tính của các quá trình vận động sản sinh trong các hệ thống đó phải giống nhau; Những định lượng cùng tính chất đặc trưng cho hiện tượng vận động có cùng một tỷ số

Xuất phát từ nguyên lý trên, đối với mô hình thủy lực lòng sông tự nhiên, về nguyên tắc, giữa mô hình và nguyên hình cần phải đạt được tương tự đối với 3 mặt sau:

 Tương tự hình học:

Dạng hình học của mô hình và nguyên hình phải tương tự nhau: bất kỳ các

độ dài tuyến tính nào của mô hình và nguyên hình đều có cùng một tỷ lệ, tức là:

N1 N2 Nn

1

(6-9) trong đó:

lN1, lN2 lNn: biểu thị các độ dài tuyến tính của nguyên hình;

lM1, lM2, lMn: bác độ dài tuyến tính của mô hình, (chữ N biểu thị nguyên hình, chữ M biểu thị mô hình, các con số 1, 2 , n, biểu thị các vị trí khác nhau);

1: hằng số tỷ lệ độ dài, hay hằng số tương tự độ dài

 Tương tự về động học:

Trạng thái chuyển động của mô hình và nguyên hình phải tương tự nhau: tốc độ, gia tốc của bất kỳ các điểm tương ứng trên mô hình và nguyên hình phải song song với nhau và có cùng một tỷ lệ, tức là:

v

(6-10)

a

(6-11) trong đó:

v: lưu tốc;

a: gia tốc;

v : hằng số tương tự lưu tốc;

a: hằng số tương tự gia tốc

 Tương tự động lực học:

Tình trạng tác dụng của các lực trong mô hình và nguyên hình phải tương tự nhau: lực tác dụng lên các điểm tương ứng trên mô hình và nguyên hình phải song song với nhau và có cùng một tỷ số, tức là:

f

f  f   f  

(6-12) trong đó:

f: biểu thị lực tác dụng;

f: hằng số tương tự học

Từ các mặt tương tự trên, ta thấy rằng:

- Các yếu tố của mô hình có thể tìm được bằng cách lấy các yếu tố tương ứng của nguyên hình chia cho hằng số tương tự Ngược lại, các yếu tố của nguyên hình cũng tìm được bằng cách lấy các yếu tố tương ứng của mô hình nhân với hằng

số tương tự

- Hằng số tương tự của cùng một đại lượng ở các điểm khác nhau trong hệ thống đều có cùng một trị số Hằng số tương tự của các đại lượng khác nhau thì không nhất thiết bằng nhau

- Hằng số tương tự là tỷ số giữa 2 đại lượng cùng loại, cho nên không có thứ nguyên

- Gọi x là một đại lượng nào đó, x là hằng số tương tự của đại lượng đó thì sự chuyển hóa của lượng x có thể ứng dụng cho cả lượng vi phân dx, vì lượng vi phân tuy rất nhỏ song vẫn là hữu hạn: dx = xII - xI, trong đó II và I là 2 điểm gần nhau trong hệ thống

Cho nên:

x





(6-13) Tương tự hình học, tương tự động học và tương tự động lực học giữa mô hình và nguyên hình là các điều kiện cụ thể để bảo đảm cho tương tự về quy luật vận động của hệ thống Các điều kiện tương tự trên không phải hoàn toàn độc lập

với nhau để có thể tự do lựa chọn Sự tương tự của quy luật chuyển động yêu cầu cùng một hiện tượng vật lý của mô hình và nguyên hình phải được mô tả bằng một phương trình vật lý như nhau Chính vì vậy, giữa tương tự hình học, tương tự động

học và tương tự động lực học tồn tại một quan hệ ràng buộc với nhau, các hằng số tương tự bị phương trình vật lý khống chế, không thể tự ý lựa chọn

Ví dụ: Nghiên cứu dòng chảy ổn định không đều trong sông thiên nhiên, dòng chảy trong mô hình cũng phải thỏa mãn phương trình chuyển động sau:

4 / 3

 

 

(6-14) ứng dụng phương trình trên cho nguyên hình và mô hình ta có:

4 / 3

   

(6-15)

2 2 2

4 / 3

   

(6-16) Khi mô hình và nguyên hình tương tự nhau, ta có:

ZN = hZM, xN = 1xM, vN = vvM,

nN = nZM, RN = RRM, gN = gvM, Thay các biểu thức trên vào (6-15), ta được:

4 / 3 4 / 3

(6-17) hoặc:

4 / 3

4 / 3 h

R 1



(6-18)

So sánh (6-16) và (6-18), ta thấy điều kiện để hai phương trình này thống nhất là:

2 v

g h

1





 

(6-19)

và

2 2

v n

4 / 3 h R 1

1

 









(6-20) Như vậy, (6-19) và (6-20) là những điều kiện tương tự

Chú ý rằng, khi mô hình đảm bảo tương tự hình học thì h = 1 lúc đó mô

hình được gọi là mô hình chính thái Trong trường hợp để bảo đảm tương tự cho

các điều kiện khác, phải dùng h  1, thì mô hình được gọi là mô hình biến thái và

tỷ số 1

h





 được gọi là hệ số biến thái

- Điều kiện tương tự (6-19) thường gọi là tương tự Froude, viết tắt Fr = idem