Hướng dẫn tính toán thuỷ lực ngăn dòng công trình ở vùng triều

Xác định mực nước thiết kế khi ngăn dòng các công trình ở cửa sông, ven biển .... Xác định mực nước tại vị trí công trình ngăn dòng trong vịnh triều, sông triều.. TÍNH TOÁN THỦY LỰC NGĂN

CƠ QUAN CHủ TRì Đề TàI: TRƯờNG ĐạI HọC THủY LợI

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Hồ Sĩ Minh

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP CƠ SỞ 2009

HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THUỶ LỰC

NGĂN DÒNG CÔNG TRÌNH Ở VÙNG TRIỀU

PGS.TS Hồ Sĩ Minh

Người thực hiện:

HÀ NỘI, THÁNG 12 – 2009

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3

I CHỈ DẪN CHUNG 4

1.1 Đối tượng áp dụng 4

II XÁC ĐỊNH MỰC NƯỚC TẠI TUYẾN NGĂN DÒNG 5

2.1 Xác định mực nước thiết kế khi ngăn dòng các công trình ở cửa sông, ven biển 5

2.2 Xác định mực nước tại vị trí công trình ngăn dòng trong vịnh triều, sông triều 6 III TÍNH TOÁN THỦY LỰC NGĂN DÒNG CÔNG TRÌNH Ở VEN BIỂN, VỊNH TRIỀU 17

3.1 Tính toán lưu tốc bằng phương pháp tra biểu đồ 17

3.2 Tính toán lưu tốc bằng phương pháp giải tích 24

IV TÍNH TOÁN THỦY LỰC NGĂN DÒNG CÔNG TRÌNH TRÊN SÔNG TRIỀU 28

4.1 Khi dòng chảy sông không đáng kể trong mùa kiệt 28

4.2 Khi có lưu lượng dòng chảy sông đáng kể Q0 29

V TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC KHỐI VẬT LIỆU NGĂN DÒNG 32

5.1 Vật liệu ngăn dòng chịu tác dụng của dòng 32

5.2 Vật liệu ngăn dòng chịu tác dụng của cả dòng và sóng 33

VI TÍNH TOÁN KHỐI LƯỢNG ĐẤT CÁT TRÔI QUA CỬA NGĂN DÒNG 34

6.1 Lượng đất cát trôi trong trường hợp lấp đứng 34

6.2 Lượng đất cát trôi trong trường hợp lấp bằng 36

6.3 Xác định lượng cát trôi bằng phương pháp tra biểu đồ 38

6.4 Ước tính thời gian đắp đập 40

VII HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG BỘ PHẦN MỀM DUFLOW 42

7.1 Giới thiệu 42

7.2 Cơ sở vật lý và toán học 42

7.3 Cài đặt phần mềm 44

7.4 Sử dụng phần mềm 49

7.5 Ví dụ sử dụng phần mềm DUFLOW 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

1 Kêt luận: 70

2 Kiến nghị: 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC A: Bảng tính tốc độ truyền triều 72

PHỤ LỤC B: Bảng tính khối lượng đất cát trôi 77

PHỤ LỤC C: Tính toán thời gian ngăn dòng bằng cát 81

MỞ ĐẦU

Xây dựng các công trình ở cửa sông, ven biển, đoạn sông có thủy triều như: quai

đê lấn biển; đập, cống ngăn mặn giữ ngọt; cảng sông; kè chỉnh trị vùng cửa sông v.v…luôn luôn phải đối mặt với những khó khăn, phức tạp do thủy triều, sóng biển, nên không thể ứng dụng những phương pháp tính toán và công nghệ ngăn dòng như các công trình trong nội địa, hiện đang áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN 285-2002 và 14 TCN 57 – 88: “Thiết kế dẫn dòng trong xây dựng công trình thủy lợi” Hiện nay, khi ngăn dòng xây dựng các công trình nói trên chưa dựa vào một tiêu chuẩn nào để tính toán thủy lực, cũng như trong công nghệ xây dựng chưa thực hiện đúng trình tự, giải pháp kỹ thuật v.v mà chỉ nhờ vào kinh nghiệm truyền thống, cho nên trong quá trình chặn dòng phải làm đi làm lại nhiều lần, thậm chí bị thất bại

Trong khi chưa có tiêu chuẩn về ngăn dòng các công trình vùng triều, đề tài

nghiên cứu khoa học cấp Bộ:“Nghiên cứu tính toán thủy lực và công nghệ ngăn dòng

vấn đề trên Tuy nhiên, để giúp cho các kỹ sư tư vấn, nhà thầu thi công khi thiết kế và

tổ chức xây dựng loại công trình này cần phải được hướng dẫn tính toán thủy lực chi tiết cụ thể, có các các bảng biểu, đồ thị, biểu đồ tra cứu thông qua những ví dụ để có thể tham khảo áp dụng thực hành Để đạt được mục tiêu đó, Trường Đại học Thủy lợi

chủ trì đề tài NCKH cấp cơ sở:“viết hướng dẫn tính toán thủy lực ngăn dòng công

trình ở vùng triều„

Sản phẩm đề tài dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên, học viên cao học của trường Đại học Thủy lợi

5) Công trình nối liền đường bộ qua các cửa sông, tạo vịnh triều kín để tránh trú

bão cho tàu thuyền, tạo hồ nước mặn nuôi trồng thủy sản

6) Xây dựng nhà máy điện thủy triều

7) Hàn khẩu đoạn đê biển bị vỡ

1.2 Giải thích từ ngữ:

động lực thay đổi do ảnh hưởng của thủy triều

hoặc nhiều cửa, không có sự tham gia dòng chảy sông hoặc tham gia không đáng kể trong mùa kiệt

động triều Ngăn dòng gồm 2 giai đoạn: một là thu hẹp lòng dẫn cho đến khi chỉ còn

để lại một đoạn đã được tính toán dự kiến trước gọi là cửa hạp long và hai là chặn dòng ở cửa hap long Thuật ngữ này sử dụng đồng nhất với 14TCN57-88 khi ngăn dòng công trình ở sông triều

hoặc vịnh triều theo dự án Công tác ngăn dòng chỉ phụ thuộc mực nước triều và chuyển động triều qua cửa ngăn dòng

- Khép kín hay thu hẹp: Quá trình thu hẹp dòng chảy trong lòng dẫn, thu hẹp

phần biển, vịnh triều qua một cửa hoặc nhiều cửa; lòng dẫn của sông nằm trong vịnh

II XÁC ĐỊNH MỰC NƯỚC TẠI TUYẾN NGĂN DÒNG

từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam do

Trường Đại học Thủy lợi chủ trì (2009) để có thể áp dụng cho thiết kế và nghiên cứu mới Cụ thể như sau:

Mực nước thực đo là tổng hợp các yếu tố thiên văn và khí tượng có tính chất ngẫu nhiên như triều, nước dâng, các dao động cục bộ Khi đặt trạm quan trắc hải văn ngoài biển, ta đo được mực nước thực bao gồm tất cả các yếu tố cấu thành mực nước

và trên cơ sở xác định hàm phân bố đặc trưng của mực nước, ta xác định mực nước ứng với tần suất thiết kế

Trường hợp không có số liệu thực đốc thể xác định mực nước biển như sau: Mực nước thiết kế là tổng hợp triều thiên văn lớn nhất và các dao đông khí tượng nd

p tr

tb

tk Z Z A A

Z = +∆ + max + % (1) Trong đó:

tb

Z là mực nước biển trung bình, được xác định như sau: trên cơ sở tài liệu thực

đo tại trạm hải văn trong thời gian dài với độ cao giả định của trạm, ta xác định được giá trị mực nước trung bình (nếu liệt tại liệu này có trên 20 năm là tốt nhất) Xác định cao độ của mực nước trung bình này theo cao độ chuẩn quốc gia, ta có mực nước biển trung bình tại điểm đó

nd

p

A %là chiều cao nước dâng do bão ứng với tần suất p% Vì khi ngăn dòng các

biển theo biểu thức:

Z tk =Z tb + ∆Z +A trmax (2) Trong tính toán thực hành, đường tần suất mực nước tổng hợp được xây dựng cho mỗi 10 km dọc theo đường bờ biển trên cơ sở tài liệu đo đạc bão và tài liệu đo mực nước đồng thời trong các trận bão theo phương pháp MONTE-CARLO chuỗi tài liệu mực nước (bao gồm cả nước dâng trong mực nước thực đo tiến hành xây dựng đường tần suất mực nước) Khi thiết kế căn cứ vào tần suất lựa chọn, tra trên đường tần suất xác định được giá trị mực nước thiết kế

2.2 Xác định mực nước tại vị trí công trình ngăn dòng trong vịnh triều, sông triều

Các bước tính toán để xác định mực nước như sau:

2 2 2

A m

++

= (3)

2

11

0

2 2 2

c

A m

= (4)

h C

u g

Trong đó:

u – Lưu tốc dòng chảy bình quân mặt cắt (m/s)

C – Hệ số nhám Chezy (m1/2

/s)

n – Hệ số nhám Manning (m-1/3s)

c0 – Tốc độ truyền triều không kể sức cản lòng dẫn (m/s), c0 = gh

A – Diện tích mặt cắt ngang dòng sông (m2

)

2 2 2 2

2 2 0

/1

1

2/

11

2

ωω

ω

A m

gh A

m

c k

c

++

=+

+ Bán nhật triều ω =1,40×10−4rad / s

+ Nhật triều ω =7,26×10−5rad / s

- Hằng số sóng Sóng triều truyền vào sông khi không xét đến sức cản lòng dẫn

thì k được xác định như biểu thức (4)

- Tốc độ truyền sóng hay còn gọi là tốc độ pha, đối với sóng triều truyền vào sông được gọi là tốc độ truyền triều Khi có xét sức cản lòng dẫn c được xác định theo

- Lưu tốc dòng chảy trung bình: u = 0,5÷2,0 m/s

- Chu kỳ triều (s): T = 86400s (nhật triều),

T M2 = 44700s (bán nhật triều)

Hồ Sĩ Minh lập phụ lục A1 để tra cứu tốc độ truyền triều đối với nhật triều

và phụ lục A2 đối với bán nhật triều (hoặc sử dụng các biểu đồ từ hình 1 đến hình 6-

tập phụ lục).Các vùng có chế độ triều không đều cũng được xem gần đúng như trị số tính trong phụ lục A1 và A2

Ví dụ 1: Triều truyền vào một con sông rộng, biết:

- ω =7,26×10−5rad / s

- n = 0,025

- g = 9,81 m/s2;

Tính tốc độ truyền triều c

Giải: Tra phụ lục A1 ta có tốc độ truyền triều c là 4, 45 m/s

Ví dụ 3: Triều truyền vào một con sông rộng, biết:

Giải: Tra phụ lục A2 ta có tốc độ truyền triều là 4, 06 m/s

Theo tổng kết các đoạn sông có thủy triều ở Việt nam có độ sâu h =3÷15m, hệ

số nhám n = 0,025; lưu tốc dòng triều trung bình u = 0,5÷2,0 m/s

Hồ Sĩ Minh tìm chiết giảm biên độ mực nước theo * *

η) ) (6) Trong đó:

1 2 3 4 5 6 7

Qo

3 4

5 6

7

Bảng1 Giới hạn truyền triều trên các sông ở Việt Nam

Ví dụ 4: Một sông triều có chiều rộng trung bình B =200m; C2 = 3600 m/s2;

cửa sông); coi Q 0 = 0

Hãy tìm biên độ mực nước tại vị trí cách cửa biển x=l= 70km

Giải: Giả thiết xét tại thời điểm t=0 và đơn giản coi cos(ωt + kx) = 1 thì (6) biến thành:

1) Thay đổi biên độ mực nước

- Sơ đồ truyền triều khi có công trình chắn như hình 2

Hình 2: Sơ đồ vị trí công trình ngăn dòng trên sông

Nếu trên sông triều có công trình chắn thì xuất hiện sự dâng cao mực nước, cũng tức là tăng cao biên độ mực nước theo ( )

( )0ˆ

ˆη

η l

,

Trong đó:

η)(l)- Biên độ mực nước tại cửa vào (m);

η)(0)- Biên độ mực nước tại công trình chắn (m);

- Tỷ lệ biên độ tính theo Hồ Sĩ Minh:

( ) ( )

1 sinh

cos

1 0

ˆ

ˆ

2 0 0

=

c

c c

l c

l

l

ωω

l bc

l

)(sin

)0()

ˆη

η l

biến đổi trong khoảng

2

32

1

≤

≤

c l

ω

cần xét có sự tăng lên của mực nước.Giới hạn truyền triều trên các sông ở Việt Nam

như bảng 2 Kết quả tính tương đối khá phù hợp với những số liệu dẫn trong [1]

Bảng 2: Giới hạn cần xét sự dâng cao mực nước khi có công trình chắn trên các sông

Ví dụ 5: Một sông triều có chiều rộng trung bình B =200m; C2 = 3600 m/s2;

Hãy tìm: Mực nước tại tuyến công trình ngăn dòng,

Giải: Tại vị trí l= 70km cách cửa biển có công trình chắn thì biên độ mực nước

được tính toán theo các bước sau:

+ Từ bảng A1 tra được tốc độ truyền triều: c = 6, 02 m/s và tính

c0= gh= 9,81×10= 9, 9 m/s

+ Giới hạn đoạn sông cần xét có sự tăng lên của mực nước trong khoảng

2

32

Như vậy tại vị trí trên cần xét đến sự tăng cao của mực nước

+ Thay c, c 0, l vào công thức (8) ta có

)0(

)(

∧

η = 1,2: 0,81 =1,48 m, tăng hơn so với biên độ mực nước khi không có đập chắn là: 1,48m – 0,61 m (ví dụ 4)= 0,87m

Đặt: g

T

M S

l T

S 2π

2 = (13)

Trong đó: M là hệ số ma sát được tuyến tính hóa (s/m) là công gây ra do ma sát

trong một chu kỳ triều, nó được tính bằng đại lượng:

h C

u M

3

u u

π

2cosmax =

/s);

t - Thời gian tính toán (s)

A – Diện tích mặt cắt ướt (m2)

B – Chiều rộng mặt nước sông (m)

tìm được hệ số biến đổi mực nước trong bảng 3, hệ số biến đổi lưu tốc trong

Ví dụ 6: Một sông triều có chiều rộng trung bình B =200m; C2 = 3600 m/s2;

vị trí dự định xây dựng công trình).Tại l=70 km cách cửa biển xây dựng một đập

chắn; lưu lượng dòng chảy sông trong mùa kiệt nhỏ, coi Q 0 = 0

Hãy tìm: Biến đổi mực nước tại công trình chắn và lưu tốc ở cửa vào sông

Giải :

- Đơn giản hóa coi umax= u (ứng với t=0);

h C

u

g mac 2,54.10 1/

1060

1,185,081,985

,

2 2

S1 = 3,5

2MT =π

1020081,9

000.702

A g

l π

Sử dụng bảng3 tìm được hệ số biến đổi mực nước là:

rl x

l x

cosh)

0(

)(

=

=

−

=η

η)

1

≤

≤

c l

ω

Ứng với n=0,025; h=10m; T= 864400s, tra phụ lục A1 tìm được c= 6,02m/s

m l

m 70000 124.234411

B T

l x Au

l x

tanh

2

)(

) (

.2

A l x u

)(

201

2 , 1 000 70 200 86400

14 , 3 2 01 , 1

Ví dụ 7: Triều truyền trên một đoạn sông dài 20.000m, một đập sẽ được xây

dựng ở đoạn giữa, cách cửa biển 10.000m Hãy tìm sự thay đổi mực nước và lưu tốc ở

cửa sông khi có xây dựng công trình chắn trên đoạn sông nghiên cứu

Biết: A = 300 m2, B = 500 m, R = 0,9 m, C = 50 m1/2/s, T = 44.700 s Lưu

tốc lớn nhất ở đoạn giữa sông umax ( x =10.000 ) = 0,45m/s

Giải: (số liệu do L Voogt Rijkswaterstaat tính) [6]

B

A g

c = = 2,4 m/s,

R C

g x

g

T B

A g

)(

l x

η

η))

- Sử dụng bảng 4 có hệ số biến đổi lưu tốc: tanh 0,26

2

)(

) (

T

l x Au

l x

l x

η

η))

- Sử dụng bảng 4 có hệ số biến đổi lưu tốc: tanh 0,61

2

)(

) (

−

rl Bl

T

l x Au

l x

ηπ

) (

3

,

365

) (

20000 500

44700

28 , 6 26 , 0

2 26 , 0 )

max

l x

l x l

B T l

π

)

) )

)(

22,1/)(

3,365)(

u =− = η) =− = η) =−

lưu tốc tại vị trí cửa vào sông khi có đập chắn sẽ là:

) (

5

,

428

) (

10000 500

44700

28 , 6 61 , 0

2 61 , 0 )

max

l x

l x l

B T l

π

)

) )

)(

42,1/)(

5,428)(

000

s m L

B

400.86

14,32000.20200

= η)ωLưu lượng ở vị trí x = 10000 m (cuối vịnh) xác định theo :

10000

III TÍNH TOÁN THỦY LỰC NGĂN DÒNG CÔNG TRÌNH Ở VEN BIỂN, VỊNH TRIỀU

• Các công trình ngăn dòng ở ven biển thường là:

- Quai đê lấn biển để khai thác vùng đất mới phục vụ nông nghiệp, nuôi trồng hải sản, bảo vệ khu dân cư và phát triển du lịch

- Đập kết hợp với cống, âu thuyền để ngăn mặn, giữ ngọt, thoát lũ và giao thông thủy

• Các công trình ngăn dòng ở vịnh triều thường là:

- Công trình nối liền đường bộ qua các cửa sông; tạo vịnh triều kín để tránh trú bão tàu thuyền; tạo hồ nước mặn nuôi trồng thủy sản

- Hàn khẩu đoạn đê biển bị vỡ

Tính toán thủy lực ngăn dòng cho các công trình này dùng phương pháp tra biểu

đồ hoặc bằng phương pháp giải tích

Chiều dài vịnh triều L nhỏ hơn rất nhiều chiều dài bước sóng triềuλ, tức là:

Hình 3: Sơ đồ tính toán lưu tốc qua cửa ngăn dòng Trong đó:

h)

- Biên độ triều (m)

3.1 3 Biểu đồ lưu tốc thiết kế (HàLan) [7]

Y= 150

Y= 100

Y= 80 Y= 60 Y= 50

Y= 40 Y= 30 Y= 25 Y= 20 Y= 15

Y= 80

Y= 100Y= 150 Y= 200 Y= 300

Y= oo

Triều xuống

a = Độ cao từ đỉnh đập chặn dòng đến mực nước trung bình (m)

3.1 4 Cách sử dụng biểu đồ:

Biểu đồ có hai phần: phía trên dùng để tính lưu tốc qua cửa ngăn dòng khi triều lên; phía dưới dùng để tính lưu tốc qua cửa ngăn dòng khi triều xuống Các thông số trên biểu đồ được chỉ trên hình 3 Trong biểu đồ:

- Trục tung biểu diễn trị số

B T

T Y

S

k M

1 03 2

Trong đó:

b s - Chiều rộng cửa thu hẹp (m)

Khi áp dụng cho phương pháp lấp đứng thì coi a = h

Áp dụng biểu đồ lưu tốc thiết kế khi vịnh triều hoặc cửa sông thỏa mãn tỷ số

λ - Chiều dài bước sóng triều (m), λ=c T

c- Tốc độ truyền triều (m/s), sơ bộ có thể lấy bằng g h− Sát với thực tế hơn

tính c theo phụ lục A1, A2

T - Chu kỳ triều (s);

h - Độ sâu trung bình trong vịnh triều (m)

Các thông số trong biểu đồ với trường hợp lấp đứng và lấp bằng thể hiện trong

hình5

h- Biên độ chu kỳ triều thiết kế (m)

Khi đập nhô lên cao khỏi mực nước trung bình:

> 0 khi đỉnh đập cao hơn mực nước trung bình

- Đối với lấp đứng luôn luôn có ∧

20

4427332000 <<

=λ

600000

44700

44700.10

B T

T Y

s

k M

5 1

* Sử dụng biểu đồ lưu tốc thiết kế:

h

V

/45,037

3202000 <<

=λ

L Biểu đồ có giá trị áp dụng

5,150

600000

32400

4470010

^ 2

B T

T Y

s

k M

- Tính: 0,333

5 , 1

5 ,

=

∧

h a

h

V

Max Max

/1,275

,1

/ 5 , 2 06

, 2

Ví dụ 11: Vịnh triều có đặc trưng như sau:

* Kiểm tra điều kiện áp dụng biểu đồ:

λ =cT = g h− ⋅T = 9,81.5.44700=313000m

3130003000 <<

=λ

L

Biểu đồ có giá trị áp dụng

Tính:

7,28,15

138,1.60

350.3000.10

h b

B T

T Y

s M

h

V Max

/94,08,1.7,07

h h h

Ví dụ 12: Kết quả tính toán ngăn dòng xây dựng đập ngăn mặn Nghi Quang -

Nghệ An (1996) bằng phương pháp sử dụng biểu đồ:

- Diện tích mặt nước cửa sông lúc triều cao = 2.200.000 m2

- Diện tích mặt nước cửa sông lúc triều trung bình = 1.135.000 m2

^

η - Biên độ triều = 1,88 m

Giải: Sử dụng biểu đồ hình 4, giá trị lưu tốc trong quá trình thu hẹp được thể

hiện như bảng 5

Bảng 5: Kết quả tính lưu tốc trong các giai đoạn bằng cách tra biểu đồ

V i (m/s) Khi triều lên Khi triều xuống

3 2 Tính toán lưu tốc bằng phương pháp giải tích

A T

h F V

3

4π

= (15)

Trong đó:

V - Lưu tốc lớn nhất ở tâm mặt cắt dòng chảy (m/s);

T - Chu kỳ triều thiết kế (s);

F- Diện tích bề mặt vịnh triều ứng với mức nước triều cao (m2);

A - Diện tích mặt cắt ngang dòng sông (m2

)

(

2

2

1 1

i i

i i i

i

i

z h b m

M T

z h b m

h F T

A m

h F

M 2 . .

)π

tuyến tính (i = n): m = 0,8 khi chưa thu hẹp (i = 0), m = 0,4 tại cửa chặn dòng

h= h 0+h^, h 0 và h^ thể hiện như ở hình 7

Vì mực nước trong cửa chặn dòng bị giảm dần trong quá trình thu hẹp nên chiều sâu thay đổi là hi : h i = h - ∆z i−1 Để tính được ∆z i− 1, giả thiết khi chưa thu hẹp:

(i = 0)

Bảng 6: Các bước tổng quát tính toán theo phương pháp bước xấp xỉ

g

v z

2

2 0

2

2 1

2

2 2

∆z i được tính theo các bước đã nêu ở bảng 6

Tại cửa chặn dòng cũng có thể tính theo công thức kinh nghiệm Hồ Sĩ Minh [11]:

vmax =

AT

h F

∧

F – Diện tích mặt nước vịnh triều ở mực nước triều trung bình

A- Diện tích mặt cắt ướt ở cửa ngăn dòng, được xác định A= b cửa x h

Ví dụ 13: Một cửa ngăn dòng có các thông số như sau:

F - Diện tích mặt nước vịnh triều lúc triều trung bình = 1.135.000 m2

h)

- Biên độ triều = 1,88 m

b0 - Chiều rộng cửa khi chưa thu hẹp=275m

v0 - Lưu tốc thực đo khi chưa thu hep = 0,2 m/s

* Tính 155,1

86400

135000

188,114,32

=

T

F h M

)π

i

i

z h b m

=

o

2 0

0 = =

∆

g

v z

i = 1 b1=180; m1= 0,7 h1 = h -∆z0= 2,492 v1=0,49 0 , 012

2

2 1

1 = =

∆

g

v z

i = 2 b2= 100, m2=0,5 h2 = h -∆z1=2,48 v2 =1,25 0 , 08

2

2 2

∆

g

v z

i = 3 b 3=50, m3= 0,45 h3=h- ∆z2=2,42 v3=2,84 0 , 4

2

2 3

∆

g

v z

Tại cửa chặn dòng (b4) cũng có thể tính theo công thức(15):

vmax =

864005

,230

88,1135000

114,35 5

π

= 5,16m/s

IV TÍNH TOÁN THỦY LỰC NGĂN DÒNG CÔNG TRÌNH TRÊN SÔNG

)

(

2

1 1

i i

i i

x i

z h b m

M T

z h b m

e h F v

x

λ

π )2

=

Ví dụ 14: Xây dựng một đập ngăn trên sông triều cách cửa biển l= 20km, sông

rộng trung bình b=120m; độ sâu trung bình h=8m; hệ số nhám n= 0,025; lưu tốc dòng

chảy thực đo tại tuyến xây dựng khi chưa thu hẹp u= 0,9 m/s; chế độ nhật triều; biên

độ triều cửa biển h) =2m;

Tính toán:

- Tốc độ truyền triều: với n=0.025; h=8m; u= 0,9m/s; T= 86400s sử dụng phụ lục

A1 tìm được tốc độ truyền triều c =5,18 m/s

-Tính

m

A m c

m A

/110.18,3666,361118,5

10.4,410

.28,5/10.936,11118,

5

10.4,4

86400

14,32/10.4,411218,5

10.4,4/

112

5 4

9 7

4

2 2

4

4 2

2 2

+

=+

+

=+

+

⋅

=

ωλ

Trong đó:

h C

u g mA

2

=

11

h n

C= = 8 50

025,0

1 61

= m/s2

82500

9,081,

u g mA

86400

2 120 20000 14

, 3 2

e h F M

x

λ

π )

- Tính sự thay đổi độ chênh mực nước qua cửa ngăn dòng khi thay đổi cửa thu hẹp Trong ví dụ này chỉ tính thu hẹp qua 4 giai đoan: 120m, 100m, 80m, 60m, 30m

Hệ số lưu lượng tương ứng là 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 Cách tính bước lặp như bảng 8: Bảng 8:Kết quả tính lưu tốc qua cửa ngăn dòng

9 , 0 2

2 2

0 0

17 , 1 2

2 2

i = 2 80; 0,6 h2 = h -∆z1=8-0,07=7,93 v2 =1,72 2 9,81 0,15

72 , 1 2

2 2

i =3 60; 0,5 h3= h-∆z2=8- 0,15=7,85 v3 =2,78 2 9 , 81 0,39

78 , 2 2

2 2

i = 4 40; 0,4 h4 = h -∆z3=8 - 0,39=

88 , 4 2

2 2

4.2.1 Dòng chảy sông (Q 0 ) trội hơn dòng chảy triều ( Q∧1 ), Q 0 > Q∧1:

i

M A

Q

Q)

=λ

/s);

∧

1

Q - Biên độ lưu lượng triều (m3/s);

Ví dụ 15: Trên một sông triều có chiều rộng bình quân là 120m Độ sâu h= 8m

Lưu lượng dòng chảy sông, giả thiết không đổi Q 0= 350 m3/s; biên độ lưu lượng triều

Giải:

8 120

170 350

1 0

- Tính M =Q0(1+λ1)=350×(1+0,485)=350×1,485=519,7

- Tính lưu tốc qua cửa thu hẹp ứng với từng giai đoạn như bảng 9

Bảng 9:Tính lưu tốc qua cửa thu hẹp

2 2

i = 1 100;

0,7 h1 =h-∆z0=8-0,0018=7,998 v1=0,93 0 , 044

81 , 9 2

93 , 0 2

2 2

i = 2 80; 0,6 h2 = h -∆z1=8-0,044=7,956 v2 =1,36 2 9 , 81 0,094

36 , 1 2

2 2

i =3 60; 0,5 h3= h-∆z2=8- 0,094=7,906 v3 =2,19 2 9,81 0,245

19 , 2 2

2 2

i = 4 40; 0,4 h4 = h -∆z3=8- 0,245= 7,75 v4=4,19 2 9,81 0,89

19 , 4 2

2 2

4.2.2 Dòng chảy triều ( Q∧1 ) trội hơn dòng chảy sông (Q 0 ), Q∧1 > Q 0 :

i

M A

Q

Q

)

=λ

/s);

∧

1

Q - Biên độ lưu lượng triều (m3/s);

Ví dụ 16: Trên một sông triều có chiều rộng bình quân là 120m Độ sâu h= 8m

Lưu lượng dòng chảy sông, giả thiết không đổi Q 0= 170 m3/s; biên độ lưu lượng triều

∧

1

80; 60; 40m có hệ số lưu lượng tương ứng 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4

Giải:

8 120

170 650

0 1

- Tính M =Q)1(1+λ2)=650×(1+0,26)=819

- Lưu tốc qua cửa thu hẹp ứng với các giai đoạn như bảng 10

Bảng 10: Giá trị lưu tốc ứng với các giai đoạn

2 2

46 , 1 2

2 2

i = 2 80; 0,6 h2 = h -∆z1=8-0,108=7,892 v2 =2,19 2 9 , 81 0,244

19 , 2 2

2 2

i = 3 60; 0,5 h3= h-∆z2=8- 0,244=7,756 v3 =3,52 2 9,81 0,631

52 , 3 2

2 2

i = 4 40; 0,4 h4 = h -∆z3=8- 0,631= 7,37

4

94 , 6 2

2 2

V TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC KHỐI VẬT LIỆU NGĂN DÒNG

Sử dụng công thức Pilarczyk [13]:

5 2

6

ρ

ρ

ρ −

ρr - Khối lượng riêng của đá (kg/m3);

ρn - Khối lượng riêng của nước (kg/m3);

g - Gia tốc trọng trường (m/s2 );

D n- Đường kính vật liệu chặn dòng (m) có thể lấy như sau:

- đối với khối bê tông: D n =D là chiều dày một lớp khối bê tông (m)

- đối với đá hộc D n =D50 (m)

Ks- độ nhám vật liệu, có thể tính theo: ( 2 2 )0 5

sin/sin

Ví dụ 17: Lưu tốc tại cửa chặn dòng là 4,5m/s Độ sâu mực nước hạ lưu 8m

Tính đường kính vật liệu ngăn dòng bằng khối bê tông Biết góc nghiêng mái đập chặn dòng là 300, góc nội ma sát 450

Giải:

- Tính ∆=

n

n r

=

−

- Tính K s =(1−sin2α/sin2θ)0.5 =(1−sin230/sin245)0,5 =0,707

D

94,0)707,0881,9

5,4(

45,1

86,06

5 2

ghK

u h

Hồ Sĩ Minh (1997) [2] đề nghị sử dụng công thức sau đây:

D

3 max

25

,00131,0

D - s Đường kính vật liệu ngăn dòng (m);

vmax- Lưu tốc dòng lớn nhất qua cửa ngăn dòng (m/s);

H s- Chiều cao sóng tính toán tại vị trí cửa ngăn dòng (m)

Ví dụ 18: Lưu tốc tại cửa chặn dòng là 4,5m/s Ngăn dòng công trình ở vùng có

độ cao sóng là 0,5m Tính đường kính vật liệu ngăn dòng

D

3 max

25

,00131,0

,0

2

5,081,95,45,00131,0

×

VI TÍNH TOÁN KHỐI LƯỢNG ĐẤT CÁT TRÔI QUA CỬA NGĂN DÒNG

• Lượng cát trôi do dòng chính được xác định theo công thức:

u g

n

D c

)1(

06.01

.06.0

2 50 3

5 5

, 2

3 50 2

−

∆

=Ψ

D c

c

u

)1(

34,0

25 , 1 25 , 0 50 5 , 1

5 , 3

−

∆

= (24) Trong đó:

E t- Lượng cát trôi trên một đơn vị chiều rộng do dòng rối (m3/s.m);

Các ký hiệu trong công thức (24) được giải thích như trong công thức (23)

• Tổng lượng cát trôi trong giai đoạn dòng chảy bị thu hẹp ít

Tổng lượng cát trôi do dòng chính và dòng rối trong trường hợp lấp đứng từ hai phía trong một chu kỳ triều là:

m h

=

0 0

3.03

.0

D I- Khoảng cách trục cửa chặn dòng tới chân kè phía I (m), xem hình 9;

D II- Khoảng cách trục cửa chặn dòng tới chân kè phía II (m), xem hình 9;

E tI- Lượng cát trôi đơn vị tính theo công thức (24) (m3/s.m) với H =H I;

E tII- Lượng cát trôi đơn vị tính theo công thức (24) (m3/s.m) với H =H II;

E m- Lượng cát trôi đơn vị do dòng chính tính theo công thức (23);

l bo- Khoảng cách giữa hai chân đập trên tuyến trục đập (m)

• Tổng lượng cát trôi tại cửa chặn dòng

Khi hai đầu đập tiến lại chạm nhau hoặc gối lên nhau thì chiều sâu H trên

phần gối được xác định như mặt cắt A-A trong hình 10

tII tI

L h- Khối lượng cát trôi tại cửa chặn dòng (m3)

Khi độ sâu nước dưới 1m, hoặc diện tích dòng chảy còn dưới 150m2

thì lượng cát trôi không đáng kể với điều kiện năng lực máy ủi thỏa mãn

Tương tự biểu diễn như trường hợp lấp đứng, hình 11 mô tả trường hợp lấp

bằng Ta có:

g n D

c

u

E v

)1(

05,050 3

E v- Lượng cát trôi trên một đơn vị trong trường hợp lấp bằng (m3/s.m);

L v- Khối lượng cát trôi tại cửa chặn dòng theo phương pháp lấp bằng (m3

)

Hình 11: Thi công lấp bằng

Phương pháp tính toán trong 6.1.và 6.2 được trung tâm nghiên cứu kỹ thuật dân dụng Hà Lan biên soạn thành tiêu chuẩn [12], sử dụng bằng các bảng biểu tính sẵn (Phụ lục B)

c

u

)1(

.05,0

2 50 3

c

u

E m

) 1 (

06 , 0

2 50 3

c

u

E t

)1(5

,1

.34,0

25 , 1 25 , 0 50

5 , 3

−

∆

=Trong đó :

E - Tổn thất cát trên đơn vị chiều rộng (m3/ms);

u - Lưu tốc dòng theo độ sâu (m/s);

/mh) do dòng chính trong quá trình ngăn dòng bằng phương pháp lấp bằng

Ví dụ 20: Biết u= 1,0m/s; độ sâu cửa ngăn dòng 12m; loại cát sử dụng có đường

kính hạt D50 = 0,0002 m (200µm) ; độ rỗng n = 0,4; độ nhám ks = 0,1 m Tìm lượng cát trôi đơn vị (m3/mh) do dòng chính trong quá trình ngăn dòng bằng phương pháp lấp đứng

/mh

Ví dụ 21: Biết u= 0,8m/s; độ sâu cửa ngăn dòng 10m; loại cát sử dụng có đường

kính hạt D50 = 0,0002 m (200µm) ; độ rỗng n = 0,4; độ nhám đáy ks = 0,1 m Tìm lượng cát trôi đơn vị (m3

/mh) do dòng xoáy trong quá trình ngăn dòng bằng phương pháp lấp đứng

Ngoài cách tính khối lượng cát trôi theo các công thức đã giới thiệu ở trên, còn

có thể sử dụng biểu đồ lập sẵn của Delft Hydraulic Laboratory (phụ lục C) Để sử

dung được biểu đồ, mặt cắt ngang lòng sông phải được sơ đồ hóa bằng cách chia ra nhiều đoạn có chiều rộng aivà độ sâu hi, hình 12