Nghiên cứu chế độ thuỷ lực và biến hình lòng dẫn khe trí khi xả lũ thiết kế

Như vậy việc nghiên cứu về chế độ thuỷ lực là nghiên cứu sự thay đổi giá trị các đại lượng về mực nước, vận tốc, lưu lướng dòng chảy theo thời gian và không gian nhằm đánh giá quy luật,

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các thông tin, tài liệu, bảng biểu, hình vẽ lấy từ nguồn khác đều được trích dẫn đầy đủ theo quy định

Tác giả luận văn

Lê Văn Thìn

LỜI CẢM ƠN

Luận văn “Nghiên cứu chế độ thuỷ lực và biến hình lòng dẫn Khe Trí khi xả lũ thiết kế” được hoàn thành với sự giúp đỡ, động viên về mọi mặt của tập thể Trung tâm Nghiên cứu Phòng tránh và Giảm nhẹ thiên tai – Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển – Viện Khoa học Thuỷ lợi, Trường Đại học Thuỷ lợi Học viên bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Đăng Giáp, PGS.TS Nguyễn Quang Hùng đã hướng dẫn tận tình, chu đáo, đồng thời cung cấp các tài liệu cần thiết

để học viên hoàn thành bản luận văn

Học viên chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Ngọc Quý và các thầy cô bộ môn Thuỷ Công – Trường Đại học Thuỷ lợi đã chia sẻ, chỉ bảo, tạo điều kiện định hướng giúp đỡ học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Học viên chân thành cảm ơn các cán bộ thuộc Trung tâm nghiên cứu Phòng tránh và Giảm nhẹ thiên tai đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ học viên về mặt kỹ thuật, chuyên môn, các đồng nghiệp và gia đình luôn cổ vũ, động viên trong suốt quá trình thực hiện Trong quá trình thực hiện, kiến thức của học viên còn hạn chế nên không thể tránh khỏi các sai sót Học viên rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô giáo, bạn

bè, đồng nghiệp và những người quan tâm khác

Tác giả luận văn

Lê Văn Thìn

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Mục đích của đề tài 2

III Phương pháp nghiên cứu 2

IV Dự kiến kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1, TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC VÀ GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH LÒNG DẪN KHI XẢ LŨ 3

1.1,Tổng quan chung về chế độ thuỷ lực, biến hình lòng dẫn, chỉnh trị sông 3

1.1.1, Về chế độ thuỷ lực 3

1.1.2, Về biến hình lòng dẫn 4

1.1.3, Về thoát lũ 4

1.1.4, Về chỉnh trị lòng dẫn 6

1.2,Tổng quan về các nghiên cứu 14

1.2.1, Các nghiên cứu về chuyển nước giữa các lưu vực 14

1.2.2, Các nghiên cứu về lòng dẫn và chỉnh trị sông [1] 15

1.2.3, Các nghiên cứu về lòng dẫn Khe Trí đã có 16

1.3,Vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu 17

1.3.1, Vấn đề đặt ra 17

1.3.2, Giải quyết vấn đề 17

1.3.3, Hướng nghiên cứu 18

1.4,Phạm vi nghiên cứu 19

1.5,Các thông số cơ bản của lưu vực và công trình trong tính toán [4] 19

1.6,Kết luận 21

CHƯƠNG 2, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC 23

2.1,Cơ sở lý thuyết nghiên cứu chế độ thuỷ lực và biến hình lòng dẫn, tính toán ổn

định

23 2.1.1, Mô hình thuỷ lực Mike11 HD [5] 23

2.1.2, Mô hình tính thủy lực Mike 21FM HD và Mike Flood [5] 27

2.1.3, Mô hình tính vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST [5] 29

2.1.4, Mô hình tính toán ổn định [6] 34

2.2,Sơ đồ nghiên cứu 36

2.3,Mô hình nghiên cứu cho lòng dẫn Khe Trí 37

2.3.1, Thiết lập mô hình MIKE 21FM cho miền mô phỏng 37

2.3.2, Hiệu chỉnh mô hình 42

2.3.3, Kiểm định mô hình 45

2.4,Kết luận 47

CHƯƠNG 3, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH LÒNG DẪN VÀ ĐẢM BẢO KHẢ NĂNG THOÁT LŨ LÒNG DẪN KHE VANG – KHE TRÍ 48

3.1,Kết quả tính toán thuỷ lực và biến hình lòng dẫn với lòng dẫn hiện trạng 48

3.1.1, Kết quả tính toán thuỷ lực 48

3.1.2, Kết quả tính toán biến hình lòng dẫn 50

3.2,Đánh giá kết quả tính toán hiện trạng và yêu cầu giải pháp ổn định lòng dẫn 51

3.2.1, Đánh giá kết quả tính toán hiện trạng 51

3.2.2, Yêu cầu đối với lòng dẫn Khe Trí khi công trình đi vào vận hành 52

3.3,Các giải pháp đảm bảo ổn định lòng dẫn 52

3.3.1, Đề xuất giải pháp và kết quả tính toán 53

3.4,Chi tiết giải pháp thiết kế và cơ sở xác định 54

3.4.1, Bề rộng thoát lũ 54

3.4.2, Chi tiết các giải pháp 55

3.5,Kết quả tính toán 60

3.5.1, Phương án XC-05 60

3.5.2, Phương án XC-03 63

3.5.3, Phương án XC-02 66

3.5.4, Phương án XC-All 69

3.5.5, Phân tích khả năng xói lở lòng dẫn và giải pháp phòng chống 72

3.6,Phân tích, lựa chọn phương án đảm bảo ổn định lòng dẫn Khe Trí và đánh giá ổn định 77

3.6.1, Phân tích, lựa chọn phương án 77

3.6.2, Tính toán ổn định 78

3.7,Kết luận 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

Kết luận 86

Tồn tại 87

Kiến nghị 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 89

Kết quả tính toán thuỷ lực phương án hiện trạng: 89

Kết quả tính toán thuỷ lực phương án XC-05: 96

Kết quả tính toán thuỷ lực phương án XC-03: 103

Kết quả tính toán thuỷ lực phương án XC-02: 110

Kết quả tính toán thuỷ lực phương án XC-All: 117

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số dạng kết cấu gia cố bờ (Nguồn – Internet) 10

Hình 1.2 Một số hình thức kè mái chống sạt lở bờ sông (Nguồn – Internet) 10

Hình 1.3 Cấu tạo kè mỏ hàn cơ bản (Nguồn – Internet) 11

Hình 1.4 Kè mỏ hàn chống xói lở bờ sông (Nguồn – Internet) 11

Hình 1.5 Kè hoàn lưu và tác dụng phòng chống sạt lở, gây bồi (Nguồn – Internet) 12 Hình 1.6 Chỉnh trị luồng lạch cửa sông (Nguồn – Internet) 12

Hình 1.7 Khơi thông luồng lạch, đảm bảo thoát lũ trong mùa mưa (Nguồn – Internet) 13

Hình 1.8 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 19

Hình 2.1 Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott 24

Hình 2.2 Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t 24

Hình 2.3 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ 24

Hình 2.4 Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu 25

Hình 2.5 Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng 25

Hình 2.6 Mô phỏng dòng chảy qua công trình dạng tràn 26

Hình 2.7 Mô phỏng dòng chảy qua công trình dạng cống 26

Hình 2.8 Mô phỏng cách tính dòng chảy do mưa sinh ra trên 1 ô ruộng 27

Hình 2.9 Các mô hình dòng chảy tràn họ MIKE 31

Hình 2.10 Kết nối hai bên mô hình Flood cho lưu vực sông 32

Hình 2.11 Kết nối trong MIKE 11 và MIKE 21 33

Hình 2.12 Kết nối giữa mô hình 1D và 2D 33

Hình 2.13 Sơ đồ tính toán ổn định mái dốc 34

Hình 2.14 Sơ đồ mạng sông trong mô phỏng mô hình toán một chiều 37

Hình 2.15 Sơ đồ nghiên cứu trong luận văn 37

Hình 2.16 Mô hình mô phỏng thuỷ lực trên MIKE11 40

Hình 2.17 Mô phỏng 2 chiều mạng thuỷ lực Khe Trí 40

Hình 2.18 Sơ đồ lưới tính cho mô hình MIKE FLOOD 41

Hình 2.19 Địa hình lưới tính cho mô hình MIKE FLOOD 42

Hình 2.20 Quá trình lưu lượng của biên Ngàn Trươi trận lũ năm 2007 43

Hình 2.21 Quá trình lưu lượng của biên Khe Trí và các nhập lưu Khe Trí 1, Khe Trí 2, Khe Trí 3 trận lũ năm 2007 44

Hình 2.22 Quá trình mực nước tại biên dưới trận lũ năm 2007 trích từ MIKE 11 44

Hình 2.23 Quá trình mực nước tính toán tại vị trí thượng lưu cầu Khe Trí 44

Hình 2.24 Quá trình lưu lượng nhánh sông Ngàn Trươi 45

Hình 2.25 Quá trình lưu lượng của biên Khe Trí và các nhập lưu Khe Trí 1, 2, 3 trận lũ năm 2010 46

Hình 2.26 Quá trình mực nước tại biên dưới của nhánh sông Ngàn Trươi trận lũ 2010 46

Hình 3.1 Vị trí các điểm trích kết quả trên mô hình 48

Hình 3.2 Kết quả biến hình lòng dẫn phương án hiện trạng 50

Hình 3.3 Địa hình hiện trạng khu vực co hẹp số 05 55

Hình 3.4 Địa hình sau khi mở rộng 55

Hình 3.5 Mặt cắt điển hình khi mở rộng đoạn 05 55

Hình 3.6 Địa hình hiện trạng khu vực xói lở 03 56

Hình 3.7 Địa hình sau khi mở rộng 56

Hình 3.8 Mặt cắt điển hình mở rộng đoạn 03 57

Hình 3.9 Địa hình hiện trạng khu vực xói lở thứ 2 57

Hình 3.10 Địa hình sau khi mở rộng 58

Hình 3.11 Mặt cắt điển hình mở rộng đoạn 02 58

Hình 3.12 Địa hình chưa xoay trụ và mở rộng cầu (hiện trạng trong nghiên cứu của TS Nguyễn Đăng Giáp) 59

Hình 3.13 Địa hình sau khi xoay trụ và mở rộng cầu (hiện trạng trong nghiên cứu này) 59

Hình 3.14 Kết quả biến hình lòng dẫn phương án XC-05 62

Hình 3.15 Kết quả biến hình lòng dẫn phương án XC-03 65

Hình 3.16 Kết quả biến hình lòng dẫn phương án XC-02 68

Hình 3.17 Kết quả biến hình lòng dẫn phương án XC-All 71

Hình 3.18 Sơ đồ phân bố lưu tốc trên mặt bằng 73

Hình 3.19 Phân bố vận tốc trên lòng dẫn theo loại hình gia cố 76

Hình 3.20 Mặt cắt địa chất theo khảo sát tại vị trí co hẹp số 05 81 Hình 3.21 Mặt cắt địa chất mô phỏng ổn định theo phương án thiết kế mở rộng vị trí

co hẹp 05 81 Hình 3.22 Kết quả tính toán sạt trượt tại vị trí co hẹp số 5 (bờ trái) 83 Hình 3.23 Kết quả tính toán sạt trượt tại vị trí co hẹp số 5 (bờ phải) 83 Hình 3.24 Kết quả tính toán sạt trượt tại vị trí co hẹp số 5 (bờ phải) khi mực nước đạt cao trình +15.4m 84 Hình 3.25 Kết quả tính toán sạt trượt tại vị trí co hẹp số 5 (bờ Trái) khi mực nước đạt cao trình +15.4m 84

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số sử dụng trong tính toán : 21

Bảng 2.1 Bảng các thông số mô hình 46

Bảng 3.1 Bảng đánh giá các vị trí xói trên lòng dẫn Khe Trí: 49

Bảng 3.2 Bảng đánh giá vận tốc cực đại tại các vị trí xói trên lòng dẫn Khe Trí: 49

Bảng 3.3 Vận tốc trung bình cho phép đối với lớp áo, mặt gia cố nhân tạo 74

Bảng 3.4 Các hình thức gia cố và quy mô tương ứng 75

Bảng 3.5 Toạ độ các vị trí giải pháp mở rộng lòng dẫn 77

Bảng 3.6 Các trường hợp tính toán 78

Bảng 3.7 Bảng chỉ tiêu cơ lý mô phỏng trong mô hình Geo-Slope 82

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình khai thác và lợi dụng tổng hợp nguồn nước, một số công trình được xây dựng trên các dòng sông Sau khi xây dựng công trình, các điều kiện thuỷ văn- thuỷ lực- bùn cát sẽ thay đổi so với dòng chảy tự nhiên, gây nên sự biến hình lòng sông hạ lưu công trình Quá trình nghiên cứu các quy luật vận động và phát triển của dòng sông dưới tác dụng tương hỗ giữa dòng nước và lòng sông thông qua yếu tố bùn cát trong tự nhiên hay tác động của công trình và hoạt động của con người là chủ đề luôn được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

Hai yếu tố thuỷ lực và bùn cát làm lòng dẫn thay đổi kích thước, hình dạng và vị trí Lòng dẫn mới được hình thành lại làm thay đổi hình thái và kết cấu của dòng nước, như vậy, sự tác động qua lại này diễn ra liên tiếp và không ngừng thay đổi, tạo nên sự vận động của dòng sông

Trải qua nhiều năm, hình thái các dòng sông đi dần vào thế “ổn định”, diễn biến có quy luật và từ đó làm tiền đề cho sự phát triển kinh tế, xã hội hai bên bờ sông

Hồ Ngàn Trươi với dung tích 775,70 triệu m³, diện tích lưu vực 408km², được xây dựng tại sông Ngàn Trươi thuộc huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh Là công trình đầu mối cấp 2 do Ban quản lý đầu tư và xây dựng Thuỷ lợi 4 là chủ đầu tư

Vấn đề tháo lũ ở công trình: chuyển sang nhánh sông Khe Vang-Khe Trí với diện tích lưu vực khoảng 40km² Nhánh sông này có đặc điểm là bề rộng bé (từ 30 ÷ 70m) và uốn khúc liên tục

Tràn xả lũ Khe Trí có lưu lượng thiết kế lên đến 2.464,00m³/s với tần suất thiết kế là P=0,5%, độ dốc lòng dẫn tự nhiên khoảng 4‰, khi tháo lũ qua nhánh Khe Vang – Khe Trí sẽ không đảm bảo khả năng thoát lũ tại nhiều vị trí co hẹp gây ra xói lở cục bộ

và tạo nên sự biến đổi đột ngột về chế độ thuỷ lực tại các vị trí co hẹp

Đề tài “Nghiên cứu chế độ thuỷ lực và biến hình lòng dẫn Khe Trí khi xả lũ thiết kế” nhằm nghiên cứu, đánh giá chế độ thuỷ lực, biến hình lòng dẫn hiện trạng khi xả

lũ thiết kế và đề xuất pháp hạn chế sự biến đổi đột ngột của chế độ thuỷ lực, biến hình lòng dẫn, đồng thời đảm bảo khả năng thoát lũ khi công trình xả lũ đi vào vận hành

II Mục đích của đề tài

- Tính toán chế độ thuỷ lực, biến hình lòng dẫn khe Trí trong bài toán hiện trạng

- Đề xuất giải pháp hạn chế sự biến đổi đột ngột chế độ thuỷ lực, ổn định lòng dẫn và đảm bảo khả năng thoát lũ lòng dẫn khe Trí

III Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp Tổng hợp và phân tích tài liệu: Dựa trên nguồn dữ liệu của các dự án khác nhau, tiến hành tổng hợp, đánh giá những vấn đề còn tồn tại, cần giải quyết của bài toán nghiên cứu, từ đó đưa ra hướng giải quyết

- Phương pháp Mô hình toán: Mô phỏng, tính toán thuỷ lực và biến hình lòng dẫn trong phạm vi nghiên cứu

IV Dự kiến kết quả đạt được

- Đánh giá được hiện trạng chế độ thuỷ lực, diễn biến lòng dẫn Khe Trí khi xả lũ thiết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC VÀ GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH LÒNG DẪN KHI XẢ LŨ

1.1 Tổng quan chung về chế độ thuỷ lực, biến hình lòng dẫn, chỉnh trị sông

1.1.1 Về chế độ thuỷ lực

Một dòng sông có hai yếu tố cấu thành cơ bản: dòng nước chuyển động có mặt thoáng

tự do và lòng dẫn cho chính nó tạo ra trên bề mặt lục địa Hai yếu tố tạo thành dòng sông này bằng các tác động của dòng chảy làm thay đổi kích thước, hình dạng, vị trí Nhưng sự thay đổi đó của lòng dẫn lại làm tác động làm thay đổi trạng thái và kết cấu dòng nước Tác động qua lại giữa dòng nước và lòng dẫn cứ thế tiếp diễn không ngừng, hình thành vòng đời của một con sông còn gọi là quá trình lòng sông Ta thấy rằng, hai yếu tố này mâu thuẫn nhau, khống chế lẫn nhau, nhưng đồng thời cũng phụ thuộc nhau và tạo ra một sản phẩm thống nhất: dòng sông [1]

Trong hai yếu tố, dòng nước có tính năng động hơn và thường chiếm vị trí chủ đạo Khi nghiên cứu các vấn đề về diễn biến lòng sông, trước hết cần làm sáng tỏ các điều kiện và tính chất của dòng nước như: trị số và phân bố theo thời gian và không gian của các đại lượng mực nước, lưu tốc, lưu lượng; kết cấu nội bộ và thành phần hoá học của nó Trong chỉnh trị sông, đại đa số trường hợp đều dựa vào các biện pháp điều chỉnh dòng nước để đạt mục tiêu điều chỉnh lòng sông Tuy vậy không thể nói rằng lòng dẫn không có tác động gì và luôn ở thế bị động Có nhiều trường hợp, yếu tố lòng dẫn có tác dụng chi phối, khống chế dòng chảy và giữ vị trí chủ đạo trong quá trình vận động và phát triển của dòng sông Trong những trường hợp đó, chỉ điều chỉnh dòng nước thì không thể đạt tới hiệu quả điều chỉnh lòng sông mà các công trình phải tác động trực tiếp vào lòng dẫn như thanh thải chướng ngại vật, nạo vét, khơi kênh, gia

cố bờ, đáy… [1]

Như vậy việc nghiên cứu về chế độ thuỷ lực là nghiên cứu sự thay đổi giá trị các đại lượng về mực nước, vận tốc, lưu lướng dòng chảy theo thời gian và không gian nhằm đánh giá quy luật, dự báo xu hướng vận động của dòng chảy từ đó có các phương án chỉnh trị hợp lý nhằm đảm bảo an toàn cho 2 bên bờ

Các giá trị về mực nước phản ánh khả năng thoát lũ của lòng dẫn, khi mực nước trên dòng chảy vượt quá giới hạn cho phép, khả năng thoát lũ của lòng dẫn sẽ không còn đảm bảo Lúc này cần có các giải pháp giúp tăng cường khả năng thoát lũ cho lòng dẫn

Các giá trị về vận tốc phản ánh nguy cơ xói lở lòng dẫn và khả năng vận chuyển bùn cát Khi giá trị vận tốc lớn hơn vận tốc không xói cho phép của vật liệu, lòng dẫn sẽ xuất hiện xói lở, gây ra tính mất ổn định

Lòng dẫn Khe Trí có hình dáng uốn khúc liên tục, bề rộng lòng dẫn bé và phải tải một lưu lượng xả lũ lớn nên chế độ dòng chảy trên lòng dẫn phức tạp, vận tốc dòng chảy trên lòng dẫn lớn nên có nguy cơ xói lở, từ đó làm ảnh hưởng đến khả năng thoát lũ của lòng sông, gây mất ổn định

1.1.2 Về biến hình lòng dẫn

Tác động tương hỗ giữa dòng nước và lòng dẫn sở dĩ có thể nhận biết được là do quan sát chuyển dộng của bùn cát Nói một cách khác, tác động tương hỗ giữa dòng nước và lòng dẫn được thực hiện qua chuyển động của bùn cát Thực chất, bùn chát khi thì là một bộ phần cấu thành lòng dẫn, khi lại là một bộ phận của dòng chảy, tức là bùn cát

đã từ phía này của khối mâu thuẫn chuyển sang phía kia (phía đối lập) của khối mâu thuẫn Do đó, nếu nói tác động tương hỗ giữa dòng nước và lòng dẫn là vấn đề trung tâm thì chuyển động bùn cát chính là hạt nhân của trung tâm đó [1]

Việc chuyển động bùn cát gây ra sự thay đổi về hình thái sông, các vấn đề xói, bồi trên lòng dẫn làm ảnh hưởng đến các yếu tố thuỷ lực, từ đó sinh ra quá trình vận động của dòng chảy Vấn đề này liên quan trực tiếp đến nguy cơ sạt lở, bồi lấp Khi vận tốc dòng chảy đạt quá vận tốc khởi động của thành phần hạt trong lòng dẫn sẽ gây ra sự chuyển động của các hạt cát

1.1.3 Về thoát lũ

Khả năng thoát lũ của một đoạn sông được đánh giá bằng trị số lưu lượng thoát qua đoạn sông ứng với mức nước xác định Phân tích biến động khả năng thoát lũ theo thời gian nhằm đánh giá xem đoạn sông có thoát được lượng lũ theo nhu cầu và mục đích

sử dụng từ đó có phương hướng để tăng khả năng thoát lũ [2]

Nguyên nhân ảnh hưởng đến khả năng thoát lũ bao gồm:

- Lòng sông hơi cong trở thành cong gấp, lòng sông một nhánh trở thành nhiều nhánh, làm thay đổi sức cản thuỷ lực trên cả đoạn sông…

- Sự thay đổi diện tích mặt cắt ướt (diện tích thoát nước) và sự thay đổi sức cản thuỷ lực của lòng con tại mặt cắt đang xét

- Xuất hiện các vật cản trên lòng dẫn thoát lũ

Khả năng thoát lũ của lòng dẫn được tính toán trong điều kiện mực nước hạ lưu đạt giới hạn và đưa ra giá trị lưu lượng ứng với mực nước hạ lưu đó Lòng dẫn sẽ có khả năng thoát lưu lượng lũ ứng với giá trị mực nước hạ lưu lớn nhất cho phép

Vì vậy, có thể tăng khả năng thoát lũ bằng các phương pháp sau: giảm nhám ở lòng và bãi sông, mở rộng diện tích mặt cắt thoát nước của lòng dẫn, cắt cong rút ngắn chiều dài lòng sông, tăng tốc độ đáy sông Cả ba phương pháp đều có thể hạ thấp mực nước

lũ ở đoạn sông chịu tác động của biện pháp công trình Tuy nhiên sự hạ thấp mực nước cục bộ trên một đoạn sông có thể dẫn đến giảm khả năng trữ và chậm lũ của bãi, do đó

có thể làm mực nước lũ hạ du đoạn sông có tác động công trình bị nâng cao ít nhiều [2]

Giảm nhám lòng dẫn:

Nhám của lòng con phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng và vật liệu hình thành đáy sông, khó có thể cải tạo được Chỉ có thể giảm nhám trên bãi sông bằng cách di dời các vật cản trên bãi như nhà cửa, cây cối và các vật liệu thải, chướng ngại vật…

Mở rộng mặt cắt thoát nước:

Có thể mở rộng mặt cắt thoát nước bằng nạo vét đào sau và mở rộng lòng dẫn bằng cách hạ thấp mặt bãi và mở rộng vùng thoát nước của bãi Nạo vét lòng dẫn chỉ có hiệu quả trong một thời gian nhất định, lòng dẫn nhanh chóng bị bồi lấp và diện tích mặt cắt nhanh chóng trở lại như cũ, vì vậy mở rộng mặt cắt bằng phương pháp này chỉ nên thực hiện trên những sông mang ít bùn cát [2]

Cũng có thể mở rộng diện tích thoát nước của bãi bằng cách nắn lại tuyến đê, mở rộng lòng dẫn theo phương ngang Tuy nhiên biện pháp này chỉ nên được sử dụng khi chi phí không quá lớn và không gây ra mâu thuẫn lợi ích trong việc sử dụng bãi sông

Cắt cong, nắn thẳng lòng sông:

Có thể tăng khả năng thoát lũ bằng cắt cong, nắn thẳng lòng sông Tuy nhiên biện pháp này gây ra sự gia tăng vận tốc dòng chảy, làm tăng sức tải cát của dòng nước, dẫn đến xói thương lưu và bồi hạ lưu vùng cắt cong Phải sau một thời gian dài lòng sông mới đạt trạng thái ổn định mới [2]

1.1.4 Về chỉnh trị lòng dẫn

Chỉnh trị lòng dẫn (hay chỉnh trị sông) là một môn khoa học nghiên cứu các biện pháp công trình để điều chỉnh dòng chảy và lòng dẫn nhằm mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác các nguồn lợi của sông hoặc để hạn chế, đi đến loại trừ các tác hại

do sông gây ra đối với các ngành kinh tế và đời sống con người [1]

Trên thực tế, chỉnh trị lòng dẫn dựa vào mục đích sử dụng của lòng dẫn cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, như ở trên sông Hồng, ngoài vấn đề ổn định lòng dẫn còn cần nghiên cứu về luồng lạch, giao thông thuỷ, hay như lòng dẫn Khe Trí, vấn đề thoát lũ lại được ưu tiên lên đầu để phục vụ nhu cầu xả lũ của hồ chứa Dựa vào mục đích sử dụng mà các nhà nghiên cứu sẽ đánh giá hiện trạng, đồng thời đề xuất giải pháp chỉnh trị phù hợp nhằm giảm chi phí và tăng lợi ích cho cộng đồng

1.1.4.1 Các ngu yên tắc chung về chỉnh trị sông

Chỉnh trị sông theo nghĩa rộng đòi hỏi thực hiện hàng loạt những công trình trong lưu vực và trong lòng sông Những công trình trong lưu vực đa phần là để chống xói mòn

và sạt lở sườn dốc, những công trình chặn lũ kết hợp phát điện, nuôi trồng thuỷ sản, dẫn nước… Các công trình lòng sông được thực hiện để điều chỉnh lòng sông trong trạng thái tự nhiên hoặc để kênh hoá [1]

Các công trình điều chỉnh lòng sông trong trạng thái tự nhiên có thể được thực hiện với mức độ nhẹ để không thay đổi lớn thế sông hiện có, hoặc với mức độ cải tạo triệt

để, thay đổi cơ bản thế ống hiện có Chúng ta thiên về biện pháp công trình ở mức độ

nhẹ, nhằm cải tạo tình hình một cách cục bộ trên đoạn sông đanh hoặc sẽ không đáp ứng được nhu cầu khai thác

Chỉnh trị sông cần tận dụng tối đa năng lượng chính của dòng chảy để đạt mục đích tạo bồi, gây xói, tránh những công trình làm thay đổi quá lớn chế độ dòng chảy và hình thái ổn định của lòng sông hiện có Từ nguyên tắc này ta thấy răng, bố trí công trình chỉnh trị sông phải dựa trên cơ sở phân tích đầy đủ, dự báo chính xác các quy luật diễn biến của đoạn sông

Trong quá trình chỉnh trị, cần xử lý các đoạn trọng điểm rồi từ đó phát triển thành tuyến chỉnh trị cho toàn bộ con sông, ngoài ra cần phải xác định đúng đối tượng chỉnh trị và lựa chọn chính xác các đối tượng tác động, từ đó đưa ra các giải pháp kết hợp để đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất

Nội dung quy hoạch chỉnh trị sông là sự quy hoạch theo mục đích của công tác chỉnh trị phục vụ nhu cầu thực tế của sự phát triển xã hội Cần phân tích rõ các yếu tố thuỷ lực và quy luật diễn biến dòng sông, đặc tính chuyển động của bùn cát và vạch ra được tuyến chỉnh trị hợp lý, khả thi [1]

1.1.4.2 T ính toán thiết kế trong chỉnh trị sông

- Đầu và cuối tuyến chỉnh trị phải đạt tới đoạn sông có tính chất khống chế ổn định Nếu không, dòng nước có thể không đi vào tuyến chỉnh trị, mà phá bờ đi theo hướng khác

- Trừ những đoạn cắt cong, tuyến chỉnh trị nên bám sát, không nên lệch quá xa trục động lực hiện có và nằm trong phạm vi lòng dẫn cơ sở tự nhiên

- Góc tạo thành giữa các trục động lực của lòng sông nước trung và lòng sông mùa lũ

ở những điểm giao nhau càng nhỏ càng tốt

2 Xác định bề rộng tuyến chỉnh trị mùa nước trung [1]

Phương pháp xác định bề rộng tuyến chỉnh trị đối với vùng đồng bằng được sử dụng lưu lượng tạo lòng và có đặc trưng tuân thủ theo quy luật hình thái, trong đó quan hệ giữa chiều rộng B và độ sâu trung bình h được thể hiện qua biểu thức của Gluskôp:

𝐵𝑚

ℎ =ξTheo tài liệu của các sông vùng Trung Á (Liên Xô cũ) Altunin đề nghị số mũ m = 0,5

và hằng số ξ được xác định theo đoạn sông mẫu của từng trường hợp cụ thể

Altunin đã đưa ra công thức tính kích thước tuyến chỉnh trị như sau:

𝐵 = 𝐴𝑄𝐽0.20.5 và ℎ = 1ξ𝐵0.5

Trong đó A được gọi là hệ số ổn định ngang, được xác định như sau:

A = 0,90 Đối với sông miền núi;

A = 1,10 Đối với sông trung du;

A = 1,30 ÷ 1,70 Đối với sông đồng bằng

B là chiều rộng tuyến chỉnh trị (m);

Q là lưu lượng tạo lòng (m³/s);

J là độ dốc dọc đường mực nước tương ứng với lưu lượng tạo lòng

Như vậy, ứng với mỗi Q tạo lòng, ta xác định được chiều rộng B chỉnh trị và độ sâu mực nước tương ứng, từ đó làm cơ sở thiết kế tuyến chỉnh trị phù hợp với đoạn sông nghiên cứu

Quan hệ giữa độ sâu bình quân H và độ sâu lớn nhất Hmax có thể tính bằng công thức sau: 𝐻𝑚𝑎𝑥 = 𝜑 ℎ

Trong đó ϕ là hệ số dựa vào tài liệu thực đo ở các đoạn sông ổn định

3 Xác định bề rộng tuyến chỉnh trị mùa nước lũ

- Giữ nguyên bề rộng sông, thiết kế cao trình đỉnh đê

Dựa vào lưu lượng lũ thiết kế cho đoạn sông, sử dụng các công thức tính toán và mô phỏng thuỷ lực nhằm xác định cao trình đê Đây sẽ là cơ sở thiết kế cao trình đỉnh đê,

bề rộng lòng, hiểu chỉnh an toàn cho các công trình chỉnh trị

- Giữ nguyên cao trình đê, thay đổi mặt cắt lòng dẫn

Từ lưu lượng thiết kế, tính toán mô phỏng thuỷ lực cho các bề rộng lòng dẫn khác nhau, từ đó xác định được bề rộng (mặt cắt) tối ưu, đảm bảo thoát lũ và an toàn cho công trình chống lũ

1.1.4.3 Các biện pháp chỉnh trị được áp dụng đối với từng mục đích sử dụng

1 Về chỉnh trị chống sạt lở bờ sông

Có rất nhiều phương án chỉnh trị trong sạt lở bờ sông, trong đó các biện pháp kè mái,

kè mỏ hàn được sử dụng rất phổ biến, đây là các công trình gia cố bờ nhằm giữ ổn định cho bờ sông, bờ kênh hoặc các mái công trình khỏi tác động xâm thực của dòng chảy, của sóng, của nước ngầm và những tác nhân phá hoại khác, đảm bảo an toàn cho mục tiêu bảo vệ

Biện pháp kè mái tác động trực tiếp lên lòng dẫn, tăng khả năng chóng đỡ của lòng dẫn mà không phá hoại kết cấu dòng chảy (giảm tốc độ, thay đổi phương hướng) cho nên đây là loại công trình phòng ngự, mang tính chất bị động

Hình 1.1 Một số dạng kết cấu gia cố bờ (Nguồn – Internet)

Hình 1.2 Một số hình thức kè mái chống sạt lở bờ sông (Nguồn – Internet) Các công trình mỏ hàn và kè hoàn lưu được sử dụng nhằm điều chỉnh hướng dòng chảy, tạo bồi phía sau công trình nhằm tránh các tác động trực tiếp của dòng chảy lên

bờ sông Lưu tốc dòng chảy sau các công trình giảm làm giảm khả năng xói lở của dòng chảy

Hình 1.3 Cấu tạo kè mỏ hàn cơ bản (Nguồn – Internet)

Hình 1.4 Kè mỏ hàn chống xói lở bờ sông (Nguồn – Internet)

Hình 1.5 Kè hoàn lưu và tác dụng phòng chống sạt lở, gây bồi (Nguồn – Internet)

2 Về chỉnh trị luồng lạch

Trong chỉnh trị luồng lạch, vấn đề ưu tiên để nghiên cứu là lưu hướng dòng chảy và đường lạch sâu, chỉnh trị luồng lạch phục vụ chủ yếu về giao thông thuỷ nên cần đảm bảo về chiều sâu mực nước ở mùa kiệt, tuyến của đường lạch sâu vào mùa kiệt và mùa

3 Chỉnh trị thoát lũ

Vào thời kỳ mưa lũ, dòng chảy mạnh sẽ có thể gây sạt lở bờ và gây ra ngập lụt, vì vậy cần phải tiến hành chỉnh trị lòng dẫn nhằm tăng khả năng thoát lũ của dòng sông chứ không phải là biến pháp để khống chế lượng lũ

Thoát lũ là lợi dụng triệt để năng lực tháo thoát của bản thân lòng dẫn để đưa sóng lũ truyền về hạ du một cách an toàn Để phục vụ mục tiêu thoát lũ, có 2 loại công trình phổ biến là đê điều và chỉnh trị sông

Chỉnh trị thoát lũ bao gồm các biện pháp mở rộng và đào sâu lòng dẫn, nắn tuyến, thanh thải các chướng ngại, vật cản, eo thắt…để lòng dẫn thông qua được lưu lượng cần thiết Đây cũng chính là khuynh hướng chỉnh trị mà tác giả muốn đề cập đến trong nghiên cứu này

Hình 1.7 Khơi thông luồng lạch, đảm bảo thoát lũ trong mùa mưa (Nguồn – Internet)

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu

1.2.1 Các nghiên cứu về chuyển nước giữa các lưu vực

Vấn đề chuyển nước giữa các lưu vực là vấn đề phổ biến trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Tuy nhiên theo sự tìm hiểu của học viên, vấn đề chuyển nước đề cập đến ở đây là sự chia sẻ lợi ích nguồn nước giữa các lưu vực

Ở Việt Nam có một số dự án nổi tiếng về vấn đề chuyển nước như:

- Công trình thủy điện Đăk Mi 4: nằm trên hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn, do

Tổng công ty đầu tư phát triển đô thị và khu công nghiệp Việt Nam (IDICO) làm chủ

đầu tư Trong quá trình thi công, TP Đà Nẵng phát hiện thủy điện Đăk Mi 4 chuyển

nước từ sông Vu Gia đổ về sông Thu Bồn gây nên tình trạng thiếu nước nghiêm trọng cho TP, nên đã có văn bản kiến nghị lên Chính phủ Sau nhiều lần kiến nghị liên tục, tháng 4-2010 Phó thủ tướng Hoàng Trung Hải có văn bản yêu cầu IDICO phải thiết kế cống điều tiết tại đập để xả 25m3 nước/giây trở lại sông Vu Gia nhằm giải quyết nguy

cơ thiếu nước trầm trọng ở vùng hạ lưu Tuy nhiên theo UBND TP Đà Nẵng

- Thuỷ điện An Khê – Kanak: Được xây dựng trên sông Ba, sau khi xây dựng xong,

thuỷ điện này đã chuyển phần lớn lượng nước của sông Ba về sông Côn (tỉnh Bình Định) làm thay đổi dòng chảy vốn theo quy luật từ nhiều năm nay Mỗi năm, hơn 300

tỷ m³ nước sông Ba đã bị chuyển về sông Côn khiến hàng trăm triệu hộ dân sống ở lưu vực sông Ba thiếu nước sinh hoạt và sản xuất

và nhiều dự án khác

Ở trên thế giới, cụm từ “interbasin transfer” đã được thiết lập thể hiện mô tả các chương trình/dự án chuyển nước từ một lưu vực sông này đến lưu vực sông khác Mục đích của các kế hoạch/dự án này là giảm bớt sự thiếu hụt nước ở lưu vực tiếp nhận Như vậy, vấn đề chuyển nước giữa các lưu vực không còn xa lạ đối với ngành tài nguyên nước nói chung, tuy nhiên vấn đề ở dự án Ngàn Trươi lại là một bài toán hoàn toàn khác

Thứ nhất: lưu vực Khe Trí và hồ Ngàn Trươi là 2 lưu vực nằm cạnh nhau, sau khi xây

dựng hồ chứa nước Ngàn Trươi, hồ chứa này trở thành một hồ chứa tổng của 2 lưu vực

Thứ hai: Theo thiết kế ban đầu, tràn xả lũ sẽ nằm trên dòng chính (sông Ngàn Trươi),

tuy nhiên do một số vấn đề khách quan đã có sự thay đổi sang nhánh sông Khe Trí Ban đầu, lưu vực Ngàn Trươi có diện tích 408km² đổ vào nhánh sông Ngàn Trươi và lưu vực Khe Trí có diện tích 40km² đổ vào nhánh sông Khe Trí

Hiện nay, dòng chảy qua nhà máy thuỷ điện được đổ vào nhánh sông Ngàn Trươi và tràn xả lũ tần suất 0,5% đổ vào nhánh Khe Trí Như vậy, lưu vực Khe Trí phải tiếp nhận một lưu lượng xả lũ là 2.464,00m³/s khi xả lũ thiết kế, điều này gây ra sự quá tải

về dòng chảy trên lòng dẫn Khe trí và phát sinh nhiều vấn đề thuỷ lực có liên quan

1.2.2 Các nghiên cứu về lòng dẫn và chỉnh trị sông [1]

Ở Việt Nam, nghiên cứu về lòng dẫn được bắt đầu với các công trình phục vụ phòng chống lũ lụt, giao thông thuỷ và chống bồi lắng cửa lấy nước tưới ruộng trên các sông miền Bắc Các nghiên cứu ban đầu thường được tiến hành trong các phòng thí nghiệm của các Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, Viện Thiết kế Giao thông Vận tải, Trường Đại học Thuỷ lợi, Đại học Xây dựng… Cách đây vài chục năm, các nghiên cứu trên

mô hình toán mới được phát triển dần với sự tham gia của các nhà khoa học thuộc Viện Cơ học Việt Nam, Viện Khí tượng Thuỷ văn…

Những nghiên cứu về dòng chảy sông ngòi nổi bật có các công trình về chuyển động không ổn định của Nguyễn Văn Cung, Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Như Khuê, Nguyễn Ân Niên, Lương Phương Hậu và sau này là cả Nguyễn Văn Điệp, Trình Quang Hoà… Những nghiên cứu về chuyển động bùn cát có các công trình của Lưu Công Đào, Vi Văn Vị, Hoàn Hữu Văn, Võ Phán…

Trong giai đoạn 1970÷2000 xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về diễn biến lòng sông và chỉnh trị sông Các vấn đề của các sông vùng đồng bằng Bắc bộ xuất hiện nhiều trong các nghiên cứu của Vũ Tất Uyên, Lương Phương Hậu, Nguyễn Văn Toán, Trần Xuân Thái, Trịnh Việt An, Trần Đình Hợi, Tôn Thất Vĩnh, Nguyễn Văn Phúc; Các vấn đề của các sông vùng đồng bằng sông Cửu Long được Lê Ngọc Bích, Lương

Phương Hậu, Trần Minh Quang, Lê Mạnh Hùng… nghiên cứu nhiều trong khoảng thời gian gần đây; Các vấn đề của sông ngòi miền Trung có các nghiên cứu của Ngô Đình Tuấn, Đỗ Tất Túc, Nguyễn Bá Quỳ, Lương Phương Hậu, Trịnh Việt An, Nguyễn Văn Tuần…

Hiện nay, nhà nước đang đầu tư các cơ sở nghiên cứu thí nghiệm chuyên sâu như Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển, Phòng thí nghiệm phòng chống thiên tai Hoà Lạc, Phòng thí nghiệm động lực và chỉnh trị sông của Viện Khoa học Thuỷ lợi miền Nam… giúp các nghiên cứu được xây dựng trực quan dưới

mô hình vật lý đã và đang đóng góp tích cực cho sự phát triển ngành khoa học nghiên cứu về quy luật dòng chảy ở nước ta

1.2.3 Các nghiên cứu về lòng dẫn Khe Trí đã có

- Dự báo khả năng phạm vi xói lở, bồi lấp bước đầu theo các kịch bản bất lợi có khả năng xảy ra trong quá trình thi công và vận hành hồ Ngàn Trươi và các ảnh hưởng đến

hạ du công trình – Vũ Phương Minh – Tổng công ty tư vấn xây dựng thuỷ lợi Việt Nam - CTCP

- Kết quả thí nghiệm mô hình thuỷ lực cầu khe trí và ngã ba Ngàn Trươi – Khe Trí – PGS.TS Lê Văn Nghị - Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển

- Nghiên cứu, tính toán và đề xuất giải pháp đảm bảo thoát lũ lòng dẫn Khe Trí – PGS.TS Lê Văn Nghị - Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển

- Đánh giá tác động khi xả lũ hồ Ngàn Trươi đến lòng dẫn Khe Trí và một số cảnh báo đến hạ du – TS Nguyễn Đăng Giáp – Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển

- Nghiên cứu, tính toán và đề xuất giải pháp thoát lũ lòng dẫn Khe Trí giai đoạn 2 –

TS Nguyễn Đăng Giáp – Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển

- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp công trình nhằm tăng khả năng thoát lũ và ổn định lòng dẫn của cầu Khe trí khi xả lũ từ hồ Ngàn Trươi – Văn Thị Kim Chung – Luận văn thạc sỹ

1.3 Vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu

Hồ Ngàn Trươi với dung tích 775,70 triệu m³, diện tích lưu vực 408km², được xây dựng tại sông Ngàn Trươi thuộc huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh Là công trình đầu mối cấp 2 do Ban quản lý đầu tư và xây dựng Thuỷ lợi 4 là chủ đầu tư [3]

Vấn đề tháo lũ ở công trình: chuyển sang nhánh sông Khe Vang-Khe Trí với diện tích lưu vực khoảng 40km² Nhánh sông này có đặc điểm là bề rộng bé (từ 30 ÷ 70m) và uốn khúc liên tục

Tràn xả lũ Khe Trí có lưu lượng thiết kế lên đến 2.464,00m³/s với tần suất thiết kế là P=0,5%, độ dốc lòng dẫn tự nhiên khoảng 4‰, khi tháo lũ qua nhánh Khe Vang – Khe Trí sẽ không đảm bảo khả năng thoát lũ tại nhiều vị trí co hẹp gây ra xói lở cục bộ và tạo nên sự biến đổi đột ngột về chế độ thuỷ lực tại các vị trí co hẹp

1.3.1 Vấn đề đặt ra

- Nguy cơ sạt lở lòng dẫn Khe Trí khi xả lũ hồ Ngàn Trươi;

- Xuất hiện nhiều vị trí có độ dốc thuỷ lực cục bộ tạo thành thác nước;

- Khả năng gây xói lở lòng dẫn Khe Trí khi công trình đi vào vận hành

1.3.2 Giải quyết vấn đề

Về vấn đề sạt lở lòng dẫn Khe Trí khi xả lũ hồ Ngàn Trươi đã được trình bày trong

“tính toán ổn định sạt trượt bằng mô hình GeoSLOPE” ở công trình “Nghiên cứu tính toán và đề xuất giải pháp thoát lũ lòng dẫn Khe Trí giai đoạn 2” Kết quả nghiên cứu

đã chỉ ra: Lòng dẫn Khe Trí không bị sạt, trượt tại 05 vị trí co hẹp khi công trình đi vào vận hành ở địa hình hiện trạng

Vấn đề xuất hiện nhiều vị trí có độ dốc thuỷ lực cục bộ tạo thành thác nước: Trong Nghiên cứu Đánh giá tác động khi xả lũ hồ Ngàn Trươi đến lòng dẫn Khe Trí và một

số cảnh báo đến hạ du – TS Nguyễn Đăng Giáp đã chỉ ra 05 vị trí co hẹp cục bộ gây nên bất lợi về thuỷ lực lòng dẫn Trong nghiên cứu tiếp theo của TS Nguyễn Đăng Giáp đã đưa ra các phương án mở rộng vị trí co hẹp lòng dẫn và mô phỏng trên mô hình toán Kết quả của nghiên cứu chỉ ra việc mở rộng lòng dẫn có tác động rất lớn về chế độ thuỷ lực của kênh dẫn

Vấn đề tại cầu Khe Trí đã được PGS.TS Lê Văn Nghị thực hiện nghiên cứu bằng mô hình thuỷ lực, từ đó đưa ra sự hiệu chỉnh về hướng trụ cầu và mở rộng, hướng kênh dẫn trước cầu để giúp dòng chảy vào được trơn thuận, phương án này cũng đã được phê duyệt và đang trong quá trình triển khai ngoài thực tế

Vấn đề gây xói lở lòng dẫn Khe Trí khi đi vào vận hành đã được TS Nguyễn Đăng Giáp thực hiện nghiên cứu và đưa ra một số trường hợp cụ thể về biến hình lòng dẫn qua mô hình MIKE 21 Kết quả nghiên cứu cho thấy khi đi vào vận hành, lòng dẫn Khe Trí có khả năng gây xói lở lên đến hơn 3m

1.3.3 Hướng nghiên cứu

Trong quá trình tìm hiểu tài liệu ở các nghiên cứu đã có, học viên nhận thấy hiện trạng công trình đã thay đổi và các phương án tính toán từ nghiên cứu trước đây không còn phù hợp Hiện tại có 05 vị trí co hẹp trên lòng dẫn Khe Trí, 05 vị trí này gây ra các vị trí cục bộ về mực nước Sự chênh lệch mực nước làm gia tăng nguy cơ xói lở cho lòng dẫn

Trong nghiên cứu của TS Nguyễn Đăng Giáp, phương án mở rộng mặt cắt tại các vị trí co hẹp đã được tính toán trước và lựa chọn một trong các phương án này là cơ sở để tính cho phương án xoay trụ cầu theo kết quả thí nghiệm mô hình vật lý do PGS.TS

Lê Văn Nghị thực hiện cũng đã được thể hiện

Các phương án tính toán mở rộng lòng dẫn trong nghiên cứu trên được tính toán với lòng dẫn hiện trạng, khi đó phương án xoay trụ cầu chưa được tiến hành, đồng thời các

vị trí co hẹp theo tính toán sạt trượt bằng mô hình Geo-slop kết luận không gây sạt trượt, tuy nhiên vận tốc tại các vị trí co hẹp này đang rất lớn, vì vậy cần có biện pháp làm giảm lưu tốc để đảm bảo an toàn cho lòng dẫn khi xả lũ đi vào vận hành

Ngoài ra, các phương án tính toán đối với lòng dẫn Khe Trí được tính chủ yếu với tần suất 2% Tần suất thiết kế của tràn xả lũ Khe Trí là 0,5%

Hiện nay, cầu Khe Trí đã thi công xây dựng từ phương án lòng dẫn số 1 (phương án xoay trụ cầu theo nghiên cứu của PGS.TS Lê Văn Nghị) Cầu Khe Trí bắc qua đường

Hồ Chí Minh và theo quy định của ngành giao thông, tính toán an toàn cho cầu được

tính với tần suất 2% Học viên sẽ sử dụng phương án này làm phương án hiện trạng và tính toán các yếu tố thuỷ lực, biến hình lòng dẫn với lũ thiết kế của tràn xả lũ (P=0,5%), đồng thời đề xuất giải pháp để lòng dẫn đảm bảo an toàn thoát lũ khi công trình đi vào vận hành

Mô hình được sử dụng trong nghiên cứu này là mô hình MIKE 21 kết hợp với MIKE

11 (MIKE FLOOD) với sự mô phỏng thuỷ lực thông thường và mô phỏng thuỷ lực có vận chuyển bùn cát đáy

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Hình 1.8 Phạm vi nghiên cứu của đề tài Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn từ hạ lưu tràn xả lũ Khe Trí, suối Khe Trí, đoạn nhập lưu với sông Ngàn Trươi (mô hình 2 chiều)

1.5 Các thông số cơ bản của lưu vực và công trình trong tính toán [4]

Hồ chứa Ngàn Trươi xây dựng trên sông Ngàn Trươi, huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh

- Công trình đầu mối Ngàn Trươi xây dựng thuộc địa phận xã Hương Đại, huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh

- Vùng lòng hồ thuộc địa phận các xã Hương Đại, Hương Điền và Hương Quang huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh

Bảng 1.1 Thông số sử dụng trong tính toán :

Dự án Ngàn Trươi – Cẩm Trang là dự án đầu tiên chuyển đổi lưu lượng xả lũ từ một lưu vực lớn (có diện tích 408km²) sang một lưu vực nhỏ hơn (có diện tích 40km²) ở Việt Nam Điều này gây ra nhiều vấn đề phát sinh trong quá trình thực hiện dự án, đặc biệt là các vấn đề về thuỷ lực

Các nghiên cứu về chỉnh trị sông đã được nhiều nhà khoa học nổi tiếng nghiên cứu tại Việt Nam nghiên cứu trên nhiều lưu vực, chủ yếu nhất là trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình Trên lòng dẫn Khe Trí có các nghiên cứu trong thời gian gần đây đều xuất phát từ dự án Ngàn Trươi – Cẩm Trang Các nghiên cứu về thuỷ lực và biến hình lòng

dẫn được thực hiện bởi HEC và Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển

Từ việc phân tích các vấn đề tồn tại, học viên đã đưa ra hướng nghiên cứu tập trung vào việc thoát lũ và ổn định lòng dẫn, đây là một trong những vấn đề quan trọng khi nghiên cứu khả năng thoát lũ của lòng dẫn khi công trình đi vào vận hành

Với mục tiêu chính là thoát lũ, vấn đề nghiên cứu của luận văn sẽ đi sâu vào đánh giá các yếu tố thuỷ lực, bùn cát và đề ra giải pháp đảm bảo khả năng thoát lũ cho lòng dẫn Khe Trí Một số nghiên cứu trước đây đã có tuy nhiên hiện trạng các công trình đã được triển khai và thay đổi Vì vậy, học viên sẽ sử dụng địa hình hiện trạng để tính toán, đánh giá lại từ đó so sánh với kết quả nghiên cứu đã có trước đây và đề xuất giải pháp

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC

2.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu chế độ thuỷ lực và biến hình lòng dẫn, tính toán

ổn định

2.1.1 Mô hình thuỷ lực Mike11 HD [5]

Mô hình MIKE 11 với những mô đun riêng biệt trong đó có mô đun dự báo với chức năng hiệu chỉnh số liệu dự báo, cập nhật sai số Mô hình MIKE cũng có các ứng dụng vận hành hồ chứa, điều khiển công trình, kiểm soát lũ và mô hình thuỷ văn (NAM)

Mô đun thủy động lực học (HD) là mô đun trung tâm của bộ mô hình Mike 11 Mô đun này được dùng kết họp với các mô đun khác như FF (Flood Forecasting), AD (Advection-Dispersion), WQ (Water Quality) và ST (Sediment Transport) để phục vụ cho bài toán dự báo lũ và vận hành hồ chứa, mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát

Hệ phương trình diễn toán cho thủy lực: MIKE 11 HD áp dụng các mô tả động lực đầy

đủ giải các phương trình bảo toàn động năng và thể tích được tích phân theo phương thẳng đứng (hệ phương trình Saint Venant)

A x

∂

∂ +

∂

∂

0 R A 2 C

Q gQ x

h gA A

2 Q x t

Q

= +

∂

∂ + α

∂

∂ +

g là gia tốc trọng trường

Sơ đồ giải: Sơ đồ giải hệ phương trình Saint – Venant dựa trên sơ đồ sai phân ẩn được phát triển bởi Abbott và Ionescu (1967) như hình dưới đây

Hình 2.1 Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott

Hình 2.2 Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t

Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong hệ thống các điểm lưới xen kẽ như :

Hình 2.3 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ

Có thể giải được nhiều nhánh và các điểm tại các phân lưu/nhập lưu Cấu trúc của các điểm lưới ở nhập lưu, tại đó ba nhánh gặp nhau và cấu trúc của các điểm lưới trong mạng vòng được thể hiện như trong các hình dưới đây:

Hình 2.4 Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu

Hình 2.5 Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng Tại một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj(cả mực nước hjvà lưu lượng Qj) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng phương trình tuyến tính sau:

j n j j n j j n j

j Z β Z γ Z δ

+ +

+

1 1

- Diễn toán cho công trình

Các dạng công trình được mô phỏng trong tính toán với MIKE11 bao gồm: đập tràn đỉnh rộng, cống (chữ nhật, tròn, ), trạm bơm, hồ chứa, công trình điều tiết, cầu,

Mô phỏng các công trình đều có điều kiện chung: Lưu lượng Q là hàm của mực nước thượng lưu và hạ ̣ lưu của công trình

Sử dụng phương trình cân bằng năng lượng cục bộ: HU/S – HD/S = Htổn thất

Trong đó: HU/S: Mực nước thượng lưu công trình

HD/S: Mực nước hạ lưu công trình

Htổn thất: Mực nước tổn thất do sự thu hẹp hay mở rộng dòng chảy

Hình 2.6 Mô phỏng dòng chảy qua công trình dạng tràn Hình 2.7 Mô phỏng dòng chảy qua công trình dạng cống Lưu ý: Tất cả các công trình được mô phỏng đều nằm ở điểm Q

Các mặt cắt thượng lưu và hạ lưu công trình phải có trong cơ sở dữ liệu với khoảng cách đến công trình nhỏ hơn dx-max cho phép

- Diễn toán cho các ô ruộng:

MIKE11 mô phỏng sự trao đổi nước của sông, kênh với các khu ngập trên các vùng đất thấp ven sông theo yêu cầu thực tiễn khai thác tài nguyên nước Ô ruộng là một

đơn vị cơ bản của mô hình, nó được mô tả đúng đặc tính địa hình dưới dạng diện tích theo từng cấp cao độ và gán vào sông tại một mặt cắt nhất định, chia làm hai loại:

* Tính dòng chảy do mưa sinh ra trên một ô ruộng

Gọi mực nước ngập trong ruộng là Zr

Ứng với mực nước Zr có một diện tích ngập Fn và một diện tích ruộng không ngập Fkn

Hình 2.8 Mô phỏng cách tính dòng chảy do mưa sinh ra trên 1 ô ruộng

2.1.2 Mô hình tính th ủy lực Mike 21FM HD và Mike Flood [5]

Mô đun dòng chảy được giải bằng phương pháp lưới phần tử hữu hạn Mô đun này dựa trên nghiệm số của hệ các phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds cho

chất lỏng không nén được 2 hoặc 3 chiều kết hợp với giả thiết Boussinesq và giả thiết

áp suất thuỷ tĩnh Do đó, mô đun bao gồm các phương trình: phương trình liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ muối và mật độ và chúng được khép kín bởi sơ đồ khép kín

rối Với trường hợp ba chiều thì sử dụng xấp xỉ chuyển đổi hệ tọa độ sigma Việc rời

rạc hoá không gian của các phương trình cơ bản được thực hiện bằng việc sử dụng

phương pháp thể tích hữu hạn trung tâm Miền không gian được rời rạc hoá bằng việc chia nhỏ miền liên tục thành các ô lưới/phần tử không trùng nhau Theo phương ngang thì lưới phi cấu trúc được sử dụng còn theo phương thẳng đứng trong trường hợp 3 chiều thì sử dụng lưới có cấu trúc Trong trường hợp hai chiều các phần tử có thể là phần tử tam giác hoặc tứ giác Trong trường hợp ba chiều các phần tử có thể là hình lăng trụ tam giác hoặc lăng trụ tứ giác với các phần tử trên mặt có dạng tam giác hoặc

tứ giác

đó; CS là nồng độ của đại lượng vô hướng tại điểm nguồn; Dv là hệ số khuếch tán thẳng đứng; và FC là số hạng khuếch tán ngang

Điều kiện biên

Biên đóng: Dọc theo biên đóng thông lượng được gán bằng không đối với tất cả các giá trị Với phương trình động lượng điều này gây ra sự trượt toàn phần dọc theo biên đóng

Biên mở: Điều kiện biên mở có thể được xác định dưới cả dạng lưu lượng hoặc mực

nước cho các phương trình thuỷ động lực Với phương trình tải thì giá trị xác định hoặc chênh lệch xác định có thể được đưa vào

Phương pháp giải

MIKE 21 áp dụng sơ đồ sai phân hữu hạn và phương pháp giải hiệu quả là kỹ thuật ADI (Alternating Direction Implicit) để giải các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong miền không gian và thời gian Các ma trận phương trình kết quả đối với mỗi hướng và mỗi đường lưới tính toán được giải bằng thuật giải quét đúp (Double Sweep) Các phương trình trên được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn theo sơ

đồ QUICKEST do Lars Ekebjerg và Peter Justesen đề xướng 1997 Để giải hệ phương trình trên, người ta đã sử dụng phương pháp ADI (Alternating Direction Implicit) để sai phân hoá theo lưới không gian - thời gian Hệ phương trình theo từng phương và

tại mỗi điểm trong lưới được giải theo phương pháp Double Sweep (DS) Biểu diễn các thành phần theo các phương được thể hiện trên hình dưới

Hình 33 Các thành ph ần theo phương x và y

2.1.3 Mô hình tính vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST [5]

MIKE 21 ST là mô đun tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích (cát) không kết dính

dưới tác động của cả sóng và dòng chảy Các thành phần vận chuyển trầm tích có thể gây ra biến đổi đáy Việc tính toán được thực hiện dưới điều kiện thuỷ động lực cơ

bản tương ứng với độ sâu đã cho Không có sự tương tác trở lại của thay đổi độ sâu đến sóng và dòng chảy Do đó, kết quả cung cấp bởi MIKE 21 ST có thể được sử dụng

để xác định khu vực có khả năng xói hoặc bồi và để chỉ ra tốc độ biến đổi đáy nhưng

không xác định được việc cập nhật độ sâu ở cuối mỗi chu kỳ tính toán Đặc trưng chính của mô đun vận chuyển trầm tích không kết dính MIKE 21ST được mô tả như sau:

- Các đặc trưng của vật chất đáy có thể không đổi hoặc biến đổi theo không gian (ví dụ

tỉ lệ và cỡ hạt trung bình)

- Năm lý thuyết vận chuyển trầm tích khác nhau đều có giá trị cho việc tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích trong điều kiện chỉ có dòng chảy:

+ Lý thuyết vận chuyển tổng tải Engelund và Hansen

+ Lý thuyết vận chuyển tổng tải (được xác định như tải đáy + tải lơ lửng) Engelund và Fredsoe

+ Công thức vận chuyển tổng tải (tải đáy + tải lơ lửng) Zyserman và Fredsoe

+ Lý thuyết vận chuyển tải đáy Meyer-Peter

+ Công thức vận chuyển tổng tải Ackers và White

- Hai p hương pháp có giá trị để tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích kết hợp giữa sóng và dòng ch ảy

+ Áp dụng mô đun vận chuyển trầm tích STP của DHI

+ Phương pháp vận chuyển tổng tải của Bijker

- Phương pháp vận chuyển cát do người sử dụng xác định (2 chiều hoặc tựa 3 chiều) trong tính toán kết hợp sóng và dòng chảy khi mô đun STP được sử dụng Tính toán tốc độ vân chuyển được đẩy mạnh thông qua việc sử dụng bảng vận chuyển trầm tích được tạo ra trước đó

- Sử dụng STP cho phép tính toán ảnh hưởng của hiện tượng sau đến tốc độ vận chuyển trầm tích:

+ Hướng truyền sóng bất kỳ tác động đến dòng chảy

+ Sóng vỡ hoặc sóng không vỡ