NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG TRÌNH CẦU CANH VINH ĐẾN XÓI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU. LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp phân tích tài liệu: Thu thập số liệu thiết kế, hiện trạng công trình và xử lý các số liệu liên quan đến công trình trong quá trình khai thác; nghiê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu và kết quả tính toán đưa ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phạm Trung Hậu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VI DANH MỤC CÁC BẢNG VII DANH MỤC CÁC HÌNH VIII MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 2

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG I 4

1.1 Khái niệm, phân loại xói và cơ chế gây xói lở 4

1.1.1 Khái niệm, phân loại xói 4

1.1.2 Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu 5

1.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước 6

1.2.1 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới 6

1.2.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước 7

1.3 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ cầu 7

1.3.1 Phương pháp giải tích 7

1.3.2 Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường 8

KẾT LUẬN CHƯƠNG I 13

CHƯƠNG II 14

2.1 Tổng quan một số mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát phổ biến 14

2.1.1 Mô hình trong nước [12] 14

2.1.2 Mô hình ngoài nước [12] 15

2.2 Giới thiệu về hệ thống phần mềm Telemac 20

2.2 Ưu điểm và nhược điểm 23

2.2.1 Ưu điểm 23

2.2.2 Nhược điểm 24

2.3 Lựa chọn mô hình Telemac để giải quyết yêu cầu bài toán 24

2.4 Các mô đun thủy lực trong telemac 24

2.4.1 Thủy lực 1 chiều (1D): 24

2.4.2 Thủy lực 2 chiều (2D): 24

2.4.3 Thủy lực 3 chiều (3D): 25

2.4.4 Một số Modun khác của hệ thống TELEMAC: 25

2.5 Cơ sở lý thuyết phần mềm Telemac 26

2.5.1 Phương trình với giả thuyết áp lực thủy tĩnh 26

2.5.2 Phương trình Navier – Stoke với giả thuyết áp suất phi thủy tĩnh: 29

2.5.3 Mô hình k - ε 30

2.6 Các thông số chính trong mô hình telemac 31

KẾT LUẬN CHƯƠNG II 32

CHƯƠNG III 33

3.1 Khu vực nghiên cứu 33

3.1.1 Vị trí công trình 33

3.1.2 Đặc điểm tự nhiên 34

3.2 Các thông số chính của công trình cầu Canh Vinh 41

3.3 Các bước thiết lập mô hình Telemac 45

3.3.1 Chuẩn bị dữ liệu 45

3.3.2 Xử lý số liệu địa hình khu vực cầu Canh Vinh 45

3.3.3 Tạo tập tin đầu vào Telemac 45

3.3.4 Kết quả tạo lưới 46

3.3.4 Thiết lập điều kiện biên và các thông số bài toán 49

3.4 Kiểm định mô hình 51

3.4 Kết quả và thảo luận với phương án thiết kế 51

3.4.1 Nhận xét về khu vực xây dựng cầu 51

3.4.2 Thay đổi vận tốc dòng chảy 53

3.4.3 Thay đổi mực nước 57

3.4.4 Thay đổi đáy sôngxung quanh cầu 57

3.4.5 Tình trạng xói bồi khu vực hạ lưu cầu 65

3.5 Kết quả và thảo luận với phương án mở rộng cầu 66

3.5.1 Sự thay đổi vận tốc 67

3.5.2 Sự thay đổi địa hình đáy sông 69

KẾT LUẬN CHƯƠNG III 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG TRÌNH CẦU CANH VINH

ĐẾN XÓI LỞ KHU VỰC HẠ LƯU CẦU

Học viên: Phạm Trung Hậu Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 60.58.02.02 Khóa: K34 Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Các công trình xây dựng trên sông như cầu giao thông luôn có ảnh hưởng

đáng kể đến hình thái của sông Do đó, việc đánh giá khả năng ảnh hưởng của các loại hình công trình này nhằm đưa ra giải pháp giảm nhẹ các tác động đến lòng dẫn, bờ luôn được xem là một yêu cầu bắt buộc trong quá trình thiết kế, tính toán các công trình Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng mô hình TELEMAC kết hợp với moudel Sisyphe để đánh giá sự thay đổi dòng chảy, cũng như là diễn biến hình thái của sông … dưới tác động của công trình cầu Canh Vinh Kết quả nghiên cứu của đề tài hy vọng sẽ cung cấp những luận chứng cụ thể, giúp đưa ra những giải pháp để tối

ưu hóa thiết kế cầu trên quan điểm thủy lực, đề xuất những giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của công trình cầu Canh Vinh tới bờ và lòng dẫn sông Hà Thanh Đề tài cũng cho thấy tính ưu việt của TELEMAC trong việc mô phỏng và xác định sự thay đổi hình thái của sông do các yếu tố bên ngoài

Từ khóa – xói, Telemac, nước dềnh, vận tốc dòng chảy

STUDY ON THE IMPACT OF CANH VINH BRIDGE TO EROSION AT

DOWNSTREAM Abstract - Construction works like bridges may affect significantly the morphology of

a river Estimating the potential impact in order to propose the most appropriate mitigating solution is considered as a compulsory requirement in the design process towards river construction In this work, author has used the TELEMAC program assess the variation erosion process within the Ha Thanh river for the development of the new Canh Vinh bridge The paper provides an operational approach for both optimizing the Canh Vinh bridge on the hydraulic point The paper also demonstrates the TELEMAC coupling with Sisyphe ability in simulating and determining the river’s morphological variation due to external factors

Keywords - Erosion, Telemac, backwater curve, velocity

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

KTTV : Khí tượng thủy văn

MNDBT : Mực nước dâng bình thường MNLTK : Mực nước lũ thiết kế

MNC : Mực nước chết

MNLKT : Mực nước lũ kiểm tra

MNHL : Mực nước hạ lưu

VMNDBT : Thể tích mực nước dâng bình thường

X : Lượng mưa năm

Znc : Lượng bốc hơi đo bằng mực nước

Z : Mực nước

Wtb : Dung tích toàn bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Đặc trưng nhiệt độ không khí thời kỳ nhiều năm (0C) 35

Bảng 3.2: Lượng mưa trung bình tháng và năm (mm) 36

Bảng 3.3: Số ngày mưa trung bình tháng và năm (ngày) 36

Bảng 3.4: Lượng mưa ngày lớn nhất ứng với các tần suất (mm) 36

Bảng 3.5: Độ ẩm tương đối của không khí trung bình tháng và năm (%) 36

Bảng 3.6: Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm (giờ) 37

Bảng 3.7: Vận tốc gió trung bình tháng và năm (m/s) 37

Bảng 3.8: Tần suất tính toán 43

Bảng 3.9: Bảng tổng hợp số liệu (đơn vị tư vấn cung cấp) 44

Bảng 3.10: Dự báo chiều sâu hố xói tại các trụ có thể đạt tới các trị số như sau (đơn vị tư vấn thiết kế cung cấp): 44

Bảng 3.11: Thông số lưới tính 49

Bảng 3.12 Các thông số chính của mô hình 50

Bảng 3.13: So sánh vận tốc tại các điểm đặc biệt 55

Bảng 3.14: Giá trị vận tốc tại các điểm quan sát theo các phương án 68

Bảng 3.15: Giá trị bồi lắng lớn nhất tại 3 trụ theo 2 phương án 69

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Phân loại xói 4

Hình 1.2: Minh hoạ xói tại trụ và mố cầu 5

Hình 1.3: Minh hoạ cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu 6

Hình 2.1: Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret 21

Hình 2.2: Hệ thống phần mềm TELEMAC 22

Hình 3.1: Vị trí công trình trên Google Earth Pro 33

Hình 3.2: Hạ lưu cầu Canh Vinh 33

Hình 3.3 Mặt cắt ngang cầu 42

Hình 3.4: Mặt bằng và trắc dọc công trình cầu Canh Vinh– Bình Định 42

Hình 3.5 Hình dạng trụ cầu 43

Hình 3.6: Sử dụng Blue Knue để tạo lưới 46

Hình 3.7: Tạo lưới cho mô hình 47

Hình 3.8: Chi tiết lưới xung quanh trụ cầu 48

Hình 3.9 Thiết lập điều kiện biên cho mô hình 50

Hình 3.10 Sự phân bố lưu tốc dòng chảy khi chưa có công trình cầu 51

Hình 3.11: Địa hình lòng sông khi chưa xây dựng cầu 52

Hình 3.12: Địa hình lòng sông có công trình cầu 52

Hình 3.13 Sự phân bố lưu tốc dòng chảy khi có công trình cầu (a) thể hiện dạng véc tơ, (b) thể hiện dạng contour fill 53

Hình 3.14 Sự phân bố lưu tốc xung quanh các trụ 1 54

Hình 3.15 Sự phân bố lưu tốc xung quanh các trụ 2 54

Hình 3.16: Các vị trí quan sát so sánh vận tốc 56

Hình 3.17 Sự khác nhau của vận tốc tại một số điểm trước và sau khi xây dựng cầu Canh Vinh 56

Hình 3.18 Độ cao mực nước dọc theo sông sau khi xây dựng cầu 57

Hình 3.19: Sự thay đổi địa hình đáy sông khi có công trình cầu 58

Hình 3.20: Bản đồ đia hình ban đầu, thể hiện vị trí hố sâu bị lấp 59

Hình 3.21: Hiện tượng bồi lắng và xói lở xung quanh các trụ thứ 1, 2 59

Hình 3.22: Hiện tượng bồi lắng và xói lở xung quanh các trụ thứ 1, 2 (chi tiết) 60

Hình 3.23: Sự phát triển của hố xói bên phải và bên trái trụ 1a 60

Hình 3.24: Sự phát triển của khu vực bồi trước trụ 1a 61

Hình 3.25: Địa hình xung quanh các trụ gần mố trái (trụ 1, 2) trước khi xói t=0 61

Hình 3.26: Địa hình xung quanh các trụ gần mố trái (trụ 1, 2) sau khi xói t=9h 62

Hình 3.27: Địa hình xung quanh các trụ gần mố trái (trụ 1, 2) theo thời gian 62

Hình 3.27: Địa hình xung quanh các trụ gần mố trái (trụ 1, 2) theo thời gian (tiếp) 63

Hình 3.28: Vi trí quan sát địa hình đáy giữa 2 hàng trụ cầu theo mặt cắt A_B 64

Hình 3.29: Cao độ đáy sông theo mặt cắt A_B 64

Hình 3.30 Xói bồi khu vực hạ lưu cầu 65

Hình 3.31 Vị trí mặt cắt nghiên cứu cách cầu 45m 65

Hình 3.32 Sự phát triển của bồi lắng tại điểm cách bờ trái cầu 120m trên mặt cắt nghiên cứu 66

Hình 3.33: Phương án thiết kế và phương án mở rộng cầu 67

Hình 3.34: Vị trí các trụ trên phương án mở rộng cầu 67

Hình 3.35: Trường vận tốc đối với phương án mở rộng cầu 68

Hình 3.36: Bồi lắng sau khi xây dựng cầu theo phương án mở rộng 69

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lượng công trình

hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình cầu đường bộ được xây dựng ngày càng tăng nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của các nước trên thế giới và của Việt Nam Ở nước ta với hơn 3000km bờ biển cùng hệ thống sông ngòi chằng chịt tại đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long cùng với đa số các sông suối ở Miền Trung đều chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển đã chia cắt mạng lưới đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng lưới đường bộ liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước

ta rất lớn, hàng năm có hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ Việt Nam Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng nhiều cây cầu mới được xây dựng thì càng xuất hiện vấn đề hư hỏng cầu, thậm chí là sập cầu mỗi khi bão lũ xảy ra mà theo kết quả điều tra nguyên nhân là do xói cục bộ tại trụ cầu; mố cầu và xói chung hai bên

hạ lưu cầu

Các công trình cầu xây dựng trên sông thường gây ra sự thu hẹp dòng chảy do trụ cầu chiếm một diện tích đáng kể của lòng sông dẫn đến vận tốc dòng chảy dưới cầu tăng lên Dòng chảy khi qua các mố, trụ cầu có thể bị đổi hướng, hình thành các khu xoáy và làm thay đổi cấu trúc dòng chảy Tất cả các tác động trên sẽ ảnh hưởng hình thái lòng sông khu vực có xây cầu Vận tốc dòng chảy tăng lên gây phát sinh xói lở đáy sông, hai bờ và các hố xói lớn tại trụ cầu Xói lở sẽ đe dọa nghiêm trọng trụ cầu,

mố cầu và gây nguy hiểm cho công trình Ngoài ra sự thay đổi của hướng dòng chảy cũng có thể tác động đến hình thái lòng sông khu vực xung quanh

Đánh giá ảnh hưởng của công trình cầu đến tình hình xói lở khu vực xây dựng cầu để đưa ra giải pháp giảm nhẹ các tác động đến lòng dẫn, bờ và để bảo vệ an toàn của cầu được xem là một yêu cầu bắt buộc trong quá trình thiết kế, tính toán các công

trình cầu Xuất phát từ lý do trên tác giả đã đề xuất đề tài luận văn là: “Nghiên cứu

ảnh hưởng của công trình cầu Canh Vinh đến xói lở khu vực hạ lưu cầu”

Đề tài sẽ tạo cơ sở khoa học trong việc dự báo xu thế phát triển quá trình xói lở

- bồi lấp lòng sông tại khu vực hạ lưu cầu Canh Vinh, là nguồn tư liệu hữu ích phục vụ công tác phòng chống, giảm nhẹ tác hại do hoạt động xói lở - bồi lấp góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho tỉnh Bình Định

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu, phân vùng xói lở - bồi lấp, xác định nguyên nhân, dự báo xu thế xói

lở - bồi lấp khu vực xung quanh cầu Canh Vinh

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: chế độ thuỷ lực của dòng chảy xung quanh cầu, hiện tượng xói lở quanh trụ cầu, mố cầu và bờ sông

- Phạm vi nghiên cứu: Khu vực cầu và hạ lưu cầu Canh Vinh

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a Cách tiếp cận:

- Dựa vào các tài liệu lý thuyết và số liệu địa hình, địa chất khí tượng thủy văn

khu vực nghiên cứu của của hồ sơ thiết kế về tính toán xói lở áp dụng cho đề tài;

- Tìm hiểu, sử dụng phần mềm Telemac, hiện trạng của công trình cầu Canh

Vinh; hay từ những đề tài đã được nghiên cứu trước đây có liên quan

b Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp phân tích tài liệu: Thu thập số liệu thiết kế, hiện trạng công trình

và xử lý các số liệu liên quan đến công trình trong quá trình khai thác; nghiên cứu cơ

sở lý thuyết các thông số thủy lực …và xem xét những tác động của dòng chảy khi xuất hiện công trình cầu Canh Vinh

- Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu có liên quan đến xói lở mố trụ cầu, hạ lưu cầu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình số để mô phỏng dòng chảy và hiện tượng xói lở quanh khu vực cầu

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Kết quả nghiên cứu của đề tài hy vọng sẽ cung cấp những luận chứng cụ thể, giúp đưa ra những giải pháp để tối ưu hoá thiết kế cầu trên quan điểm thuỷ lực, đề xuất những giải pháp khắc phục những điểm yếu trong thiết kế cũng như giảm thiểu tác động của công trình cầu Canh Vinh tới bờ và lòng dẫn sông, nhằm tìm ra phương án tốt nhất để thiết kế xây dựng công trình đảm bảo theo yêu cầu phát triển kinh tế của địa phương

a) Cầu Dịch Nghi sập hoàn toàn b) Trụ giữa cầu Trắng bị sụt lún

Hình 1: Một số hình ảnh về xói mố trụ cầu (Theo báo Bình Định ngày 14/10/2017.)

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn gồm có các phần sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về xói

Chương 2: Cở sở lý thuyết tính toán mô hình TELEMAC

Chương 3: Áp dụng mô hình toán TELEMAC

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ XÓI

1.1 Khái niệm, phân loại xói và cơ chế gây xói lở

1.1.1 Khái niệm, phân loại xói

Xói là sự di chuyển bùn cát và hạ thấp cao độ đáy sông xung quanh vị trí công trình được đặt trong dòng chảy Xói là một hiện tượng tự nhiên do dòng chảy trong các sông, suối gây ra, là kết quả của tác động của dòng chảy làm cuốn trôi bùn cát đáy sông, ven bờ sông và xung quanh móng mố, trụ cầu Xói có khả năng gây nguy hiểm cho công trình cầu và các công trình thuỷ lực, cụ thể là phá hoại móng công trình đặt trong dòng chảy; xói được phân loại như sau:

Hình 1.1: Phân loại xói Tóm lại, xói lở là một hiện tượng tự nhiên của dòng chảy khi tốc độ của dòng chảy hay ứng suất tiếp do dòng chảy tạo ra vượt quá khả năng chịu lực của hạt bùn cát ở đáy dòng chảy biểu thị qua tốc độ tới hạn hay ứng suất tiếp tới hạn, lúc này các hạt bắt đầu chuyển động hình thành lưu lượng bùn cát và tạo nên các hình dạng khác nhau Tại chân trụ cầu đặt trong dòng chảy sẽ xuất hiện quá trình xói, quá trình này thường được chia thành 3 loại: Xói tự nhiên, xói thu hẹp (xói chung) và xói cục bộ

Xói tự nhiên là sự hạ thấp cao độ đáy sông do khả năng tải cát vượt quá khả năng cung cấp bùn cát của lòng sông, làm thay đổi độ dốc đáy và hình dạng dòng chảy trong thời gian dài có khi tới 100 hay 500 năm

Xói chung hay xói thu hẹp tại vị trí cầu là do mố trụ cầu hay đường dẫn đầu cầu không ngập làm thu hẹp dòng chảy tự nhiên tương ứng với lũ thiết kế tại vị trí cầu bắc qua sông Xói thu hẹp xảy ra do mặt cắt dòng chảy dưới cầu bị co hẹp, làm tăng tốc độ dòng chảy hay ứng suất tiếp trong vùng dòng chảy bị thu hẹp dưới cầu, làm tăng khả năng tải bùn cát hạ thấp cao độ đáy sông và là cơ sở ban đầu xác định chiều sâu để tính cục bộ xói trụ cầu

Hình 1.2: Minh hoạ xói tại trụ và mố cầu

1.1.2 Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu

Xói cục bộ trụ cầu là sự hạ thấp cao độ đáy sông sâu và hẹp ngay tại chân trụ do

dòng chảy tác dụng vào trụ, làm thay đổi cấu trúc bình thường của dòng chảy, làm tăng cục bộ ứng suất tiếp và tốc độ dòng chảy, vượt qua sức cản của hạt đất bao quanh chân

trụ, xói đất lên và đẩy chúng khỏi chân trụ tạo thành hố xói cục bộ ở trụ Xói tại chân

trụ sẽ nguy hiểm nhất khi cả 3 loại xói trên đồng thời xảy ra khi lũ thiết kế thông qua dưới cầu

Xói cục bộ tại chân trụ cầu có thể được chia thành xói nước trong và xói nước đục (Hình 1.1) Xói nước trong xảy ra khi dòng chảy ở thượng lưu hố xói không mang bùn cát lấp vào hố xói, trong khi xói nước đục xảy ra khi dòng chảy thượng lưu mang bùn cát lấp vào hố xói đồng thời bùn cát trong khu vực hố xói cũng bị cuốn trôi về phía

hạ lưu

Cơ chế xói cục bộ trụ cầu: Trụ cầu đặt trong sông là một vật cản làm hình thành dòng chảy bao quanh trụ, tạo ra gradien áp suất ngược ở dòng chảy đến trụ ngay trước chân trụ Khi áp suất này đủ lớn sẽ hình thành sự tách dòng chảy ba chiều ở trước chân trụ Trên mặt thoáng phía trước trụ hình thành các xoáy mặt ngược chiều dòng chảy Trong lớp biên bao trụ của dòng chảy không đều đến trụ, sát mặt trước trụ hình thành

gradien áp suất dừng hướng xuống tạo ra dòng thứ cấp dọc thân trụ ở trước và hai bên trụ Sự tương tác giữa dòng thứ cấp hướng xuống với tách lớp biên 3 chiều ở khu vực gần đáy làm hình thành hệ thống xoáy trục ngang trước chân trụ với hai tay xoáy bao chân trụ có dạng hình móng ngựa trên mặt bằng được gọi là “xoáy hình móng ngựa” Nguyên lý cơ bản của cơ chế xói cục bộ tại trụ cầu chính là sự hình thành xoáy hình móng ngựa tại đáy trụ cầu Dòng thứ cấp cùng với hệ thống xoáy này tách lớp đất dễ xói ở chân trụ, tạo ra quá trình xói và hình thành vùng xói nhỏ, sâu ở chân trụ được gọi

là hố xói cục bộ tại chân trụ, có chiều sâu lớn nhất là chiều sâu xói cục bộ trụ cầu Quá trình xói mang các hạt bùn cát từ phía trước trụ về phía hạ lưu Do sự tăng tốc dòng chảy, các hạt bùn cát cứ tiếp tục bị cuốn đi tạo thành hố xói gia tăng về chiều rộng và chiều sâu Dòng chảy phía sau trụ bị chia rẽ tạo thành các xoáy đứng sau trụ và biến mất khi di chuyển về phía hạ lưu, trục của xoáy đứng có khuynh hướng tác động như một chân không hút bùn cát cuốn theo dòng chảy, bùn cát lơ lửng sau đó bồi lắng khi các xoáy đứng biến mất

Hình 1.3: Minh hoạ cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu

1.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới

Việc nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ

XX, trải qua hơn 110 năm phát triển, đã có hàng trăm công trình nghiên cứu của các nhà khoa học tại Liên Xô, Mỹ, Trung Quốc và một số nước khác Điển hình có nghiên cứu của Laursen và cộng sự [1]; Yaroslavtsev và cộng sự (1953) [2]; Zhuravlev và cộng sự (1978) [3]; Melville và cộng sự (2002) [4], XinBao Yu (2009) [5] Trong những năm gần đây, các nước trên thế giới đều yêu cầu tất cả các cầu phải được tính xói trước khi thiết kế thi công điều này làm cho việc nghiên cứu về xói cầu có đã có những bước phát triển quan trọng Hàng loạt các nghiên cứu về xói đã được công bố

bao gồm: Lander cộng sự (1996) [6]; Sturm và cộng sự (2001)[7]; theo thống kê đã có hơn 100 nghiên cứu về lĩnh vực này của các nhà khoa học của các nước trên thế giới

1.2.2 Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước

Ở trong nước, người đặt nền móng đầu tiên về nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu là GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục – Trường Đại học Xây dựng, năm 1982 ông cùng KS Nguyễn Hữu Khải xây dựng công thức xác định chiều sâu xói cục bộ lớn nhất tại trụ cầu bằng phương pháp nửa lý thuyết nửa thực nghiệm căn cứ kết quả đo xói thực tế ở một số công trình cầu đang khai thác Các công thức tính xói này hiện đang được sử dụng rộng rãi khi tính toán thiết kế cầu vượt sông Năm 2000, PGS.TS Trần Đình Nghiên – Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà nội đã xây dựng công thức bán thực nghiệm để tính chiều sâu xói cục bộ lớn nhất cho trụ cầu cả trong các trường hợp xói nước trong và xói nước đục Các công thức tính xói cục bộ nói trên đã được giới thiệu

trong cuốn "Sổ tay tính toán thủy văn, thủy lực cầu đường" do Bộ GTVT xuất bản năm

2006 Ngoài ra có một số công thức tính xói cục bộ trụ cầu đã đuợc đề xuất trong các luận án thạc sĩ, tiến sĩ của một số tác giả khác (Đặng Việt Dũng 2011 [8]; Võ Văn Dương et al 2010 [9])

1.3 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ cầu

Hiện nay có các phương pháp phổ biến để nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu, sơ lược các phương pháp như sau:

1.3.1 Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích được sử dụng để dự tính sự phát triển của xói dựa vào nghiên cứu sự tương quan giữa hệ thống xoáy xung quanh trụ cầu và chiều sâu xói trụ cầu Các nghiên cứu đều dựa trên kết quả phân tích, đánh giá sử dụng các giả thiết khoa học lý thuyết, các nguyên lý, định luật bảo toàn năng lượng, động lượng… để xây dựng mối quan hệ giữa xói cục bộ và các tham số chính ảnh hưởng đến quá trình xói Do đó, có thể gọi là phương pháp bán kinh nghiệm Cartens (1966) [10] giả thiết

hố xói có hình dạng hình chóp ngược với đường kính đáy bằng đường kính trụ Sử dụng phương trình chuyển động bùn cát đề xuất một phương trình dự đoán sự phát triển chiều sâu xói khi biết vận tốc dòng chảy đến trụ, kích thước hạt, gia tốc trọng trường, góc nghỉ của hạt và đường kính trụ Muzzammil và Gangadhariah (2004) [11] nhận thấy chiều sâu xói cân bằng có liên quan đến kích thước các cuộn xoáy hình móng ngựa, vận tốc tiếp tuyến và cường độ xoáy trong hố xói Các tác giả đã đề xuất một phương trình dự đoán chiều sâu xói lớn nhất Hiện nay, đã có một số phương trình

dự đoán xói cục bộ được các nhà khoa học đề xuất Các phương trình giải tích này thường sử dụng các giả thiết về hình dạng xói, vận tốc tới hạn và các phương trình liên tục (phương trình chuyển động bùn cát)

1.3.2 Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường

Kết quả đo xói cầu ở hiện truờng rất ý nghĩa, cho phép kiểm chứng các phương trình dự đoán xói và các kết quả mô phỏng số từ đó hiểu sâu hơn quá trình xói Những kết quả đo này được phân tích để phân biệt ba loại xói đó là xói trụ cầu, xói mố cầu, xói do sự co hẹp Các số liệu đo xói cục bộ trụ cầu được sử dụng để đánh giá các phương trình dự đoán xói cục bộ trụ cầu

1.3.2.1 Phương pháp tính toán xói tại cầu Canh Vinh

a Phương pháp tính

Để tính xói chung lòng sông dưới cầu Canh Vinh, báo cáo thủy văn sẽ áp dụng phương pháp đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là tính xói chung theo phương pháp của HEC No.18

Để xác định xem dòng chảy từ thượng lưu về cầu có mang vật liệu đáy hay không, phải tính toán tốc độ tới hạn Vc để làm hạt có đường kính D50 khởi động và so sánh nó với tốc độ trung bình V của dòng chảy trong lòng chính hoặc khu vực dòng chảy trên bãi ở mặt cắt thượng lưu cầu Nếu Vc > V sẽ có xói nước trong; nếu Vc < V

sẽ có xói nước đục Công thức xác định tốc độ tới hạn Vc có dạng sau:

Vc = 6,19 Y11/6 D501/3

Trong đó : Vc – Tốc độ tới hạn mà ở đó vật liệu có đường kính D50 và nhỏ hơn bắt đầu chuyển động, (m/s)

Y1 – Chiều sâu trung bình ở lòng dẫn phía thượng lưu, m;

D50 – Kích thước của hạt vật liệu đáy 50% (m)

- Xói chung ở dòng nước đục : Xói chung ở dòng nước đục dưới cầu được xác

định theo phương trình đã được cải biến từ phương trình nguyên dạng của Laursen Phương trình tính xói chung ở dòng nước đục có dạng:

) W

W ( ) Q

Q (

yx = y2 - y0

Trong đó:

yx: chiều sâu xói trung bình, m;

y1: chiều sâu trung bình ở lòng dẫn phía thượng lưu, m;

y2: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp sau khi xói, m;

y0: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp trước khi xói, m;

Q1: lưu lượng ở thượng lưu lòng dẫn có vận chuyển bùn cát, m3/s;

Q2: lưu lượng ở đoạn lòng dẫn bị thu hẹp, m3/s;

W1: bề rộng đáy của lòng dẫn đoạn thượng lưu, m;

W2: bề rộng đáy của lòng dẫn ở đoạn bị thu hẹp có trừ đi bề rộng các trụ, m;

k1: số mũ được xác định theo bảng sau

Bảng xác định số mũ k1 qua phương thức vận chuyển bùn cát

V*/w k1 Phương thức vận chuyển bùn cát đáy

< 0.50 0.59 Phần lớn lưu lượng bùn cát là bùn cát đáy 0.50 đến 2.00 0.64 Một phần lưu lượng bùn cát ở dạng lơ lửng

> 2.00 0.69 Phần lớn lưu lượng bùn cát ở dạng lơ lửng

V* = (gy1S1)0.5 là tốc độ khởi động ở đoạn thượng lưu, m/s;

W: Độ thô thủy lực (tốc độ rơi của hạt vật liệu ở trạng thái tĩnh) của hạt có đường kính D50, m/s;

g: gia tốc rơi tự do, g = 9.81 m/s2;

S1: độ dốc đường năng lượng ở mặt cắt thượng lưu, m/m

- Xói chung ở dòng nước trong: Với xói chung ở dòng nước trong, tiết diện của

mặt cắt thu hẹp được tăng cho đến khi đạt tới giới hạn, mà ở đó tốc độ của dòng chảy hoặc ứng suất cắt đáy là tương đương với tốc độ tới hạn hoặc ứng suất cắt đáy tới hạn

của kích thước hạt nào đó của bùn cát đáy Vì bề rộng của đoạn thu hẹp bị khống chế nên chiều sâu cần phải tăng lên cho đến khi đạt được các điều kiện giới hạn

Theo nguyên lý trên, sau khi cải biến phương trình nguyên dạng của Laursen đã thu được phương trình sau để xác định xói nước trong ở đoạn sông bị thu hẹp:

y2 = ( 3/7

2 2/3 m

2

) W D 0.025Q

yx = y2 - yo Trong đó:

yx: chiều sâu xói trung bình, m;

y2: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp sau xói chung, m;

yo: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp trước xói, m

Q : lưu lượng dòng chảy qua đoạn thu hẹp, m3/s;

Dm: đường kính của hạt vật liệu đáy nhỏ nhất trong bùn cát đáy không bị cuốn đi (Dm = 1.25 D50) ở đoạn thu hẹp, m;

W: bề rộng đáy ở đoạn thu hẹp đã trừ đi chiều rộng trụ, m;

b Kết quả xói chung:

Thay các thông số vật liệu đáy và thông số thủy văn tại lòng chủ vào công thức xác định được giá trị xói chung dưới cầu Canh Vinh, kết quả chiều sâu trung bình lớp xói chung: 0,21m

sau và có thể tính được theo biểu thức:

K2 = (cos + (L/a) sin)0.65

Trong đó : L là chiều dài trụ (m) và a là bề rộng trụ (m)

Góc  (độ) L/a = 4 L/a = 8 L/a = 12

K3: hệ số hiệu chỉnh đối với tình trạng đáy sông, lấy theo bảng sau:

Tình trạng đáy sông Chiều cao đụn cát (m) K 3

Đáy sông bằng phẳng hoặc có

Đáy sông có các đụn cát nhỏ 0.6 H < 3 1.1

Đáy sông có các đụn cát vừa 3 H < 9 1.2 đến 1.1

K4: hệ số hiệu chỉnh để giảm bớt chiều sâu hố xói cục bộ đối với trường hợp đáy sông

có vật liệu thô đường kính D50 60 mm có khả năng lát đáy hố xói, được tính như sau :

K4 = [1 – 0.89 (1 - VR)2 ]0,5Trong đó, tỷ số tốc độ VR được xác định qua biểu thức:

] V V

V V [ V

i c90

i 1 R

Trong đó Sp là đặc trưng phân bố dòng chảy và Z là độ sâu trước trụ sau xói chung

Vi: tốc độ dòng chảy tiến vào khu vực cầu khi các hạt ở trụ bắt đầu chuyển

động, m/s; Vi được tính qua công thức:

c50 0,053 50

a

D0,645[

Vc90: tốc độ tới hạn đối với hạt vật liệu đáy D90, m/s;

Vc50: tốc độ tới hạn đối với hạt vật liệu đáy D50, m/s;

a: bề rộng trụ, m;

Vc = 6,19 y1/6 Dc1/3

Dc: kích thước hạt tới hạn đối với tốc độ tới hạn Vc, m

Giới hạn các giá trị của K4 và kích thước vật liệu đáy được cho trong bảng sau

Kích thước vật liệu đáy nhỏ

nhất (m) Hệ số Trị số K4 nhỏ nhất VR > 1,0

Fr1: hệ số Froude ngay trước trụ, Fr1 = V1 / (gy1)0,5

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Với những nội dung nghiên cứu ở trong Chương I, chúng ta thấy được rằng, vấn

đề xác định các thông số thủy lực, tính toán xói của dòng chảy là một vấn đề rất quan trọng trong các công trình xây dựng cầu giao thông đường bộ Nó ảnh hưởng rất lớn đến kinh phí thực hiện, quá trình làm việc cũng như tuổi thọ của các công trình Công trình xây dựng cầu giao thông đóng một vai trò rất quan trọng

Do vai trò quan trọng của công trình cầu giao thông, nên các nhà Khoa học trên thế giới đã chú trọng phát triển các mô hình tính toán để phục vụ cho công tác thiết kế công trình

Trong chương sau luận văn nghiên cứu các lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn cầu giao thông và ứng dụng hệ thống mô hình toán Telemac để tính toán dòng chảy qua cầu và so sánh với phương pháp tính cổ điển hiện nay đang áp dụng

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÔ HÌNH TELEMAC

2.1 Tổng quan một số mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát phổ biến

2.1.1 Mô hình trong nước [12]

Mô hình VRSAP: đây là mô hình thủy lực được xem là khởi đầu cho quá trình

áp dụng mô hình toán để giải quyết các bài toán thủy lực kênh hở ở Việt Nam trên các mạng máy lớn (main frame) trước kia Mô hình xuất phát chỉ có phần dòng chảy và được cố Pgs Nguyễn Như Khuê du nhập từ Hà Lan vào năm 1978 qua quá trình học tập và công tác Trong quá trình áp dụng, VRSAP được cải tiến, phát triển liên tục và được thêm phần tính mặn vào năm 1988 dựa trên thuật toán sai phân trung tâm tương

tự thuật toán của MEKSAL VRSAP được nhóm mô hình của VQHTLMN liên tục phát triển và bổ xung các tiện ích và chuyển sang Visual Basic để tận dụng bộ nhớ mở rộng của máy tính cũng như sự phát triển của công nghệ thông tin Mô hình VRSAP cho đến bây giờ vẫn được đánh giá là mô hình mô phỏng khá tốt chế độ thủy lực cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long

Mô hình SAL và VRSAP-SAL: Do GS.TSKH Nguyễn Tất Đắc phát triển từ

năm 1980 và sau đó được nâng cấp và kết hợp với mô hình VRSAP để tạo thành mô hình mang tên VRSAP-SAL hoàn thiện hơn về thuật toán và chương trình SAL là một

mô hình được xây dựng chặt chẽ về mặt toán học, dựa trên sơ đồ sai phân ẩn 4 điểm của Preissman, nhưng lấy trọng số bằng 2/3 để giảm thiểu sai số trong phép sai phân Lan truyền chất trong SAL dựa trên thuật toán phân rã, giải phương trình tải thuần túy dùng phương pháp đường đặc trưng ẩn với cách nội suy spline bậc 3 Mô hình đã được ứng dụng rộng rãi cho hệ thống sông Đồng Nai và Đồng bằng sông Cửu Long [2]

Mô hình KOD1: Do GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển Đây là mô hình

giải phương trình Saint – Venant bằng phương pháp sai phân hiện phục vụ cho việc tính toán dự báo lũ Nhược điểm chính của mô hình là hạn chế bước thời gian, nhưng

do không phải khử đuổi, tính lặp nên khối lượng tính toán nhỏ Mặt khác sơ đồ hiện chỉ bảo đảm tính bảo oàn cục bộ địa phương và đôi khi gặp khó khăn trong bảo toàn toàn cục

Mô hình HydroGIS: Do TS Nguyễn Hữu Nhân phát triển có sử dụng bộ công

cụ GIS để kết nối dữ liệu và trình bày kết quả HydroGIS cũng giải hệ phương trình Saint-Venant 1D bằng sơ đồ sai phân Preissmann, tuy nhiên khả năng tính toán chậm

và chưa được áp dụng nhiều Gần đây, mô hình được bổ xung thêm tính toán đối với trường hợp dòng chảy xiết bằng phương pháp sóng động học

Mô hình MK4 phần mềm mang tính học thuật và dùng nhiều cho mục đích

giảng dạy và nghiên cứu, chưa thấy áp dụng phổ biến trong thực tế và các dự án Phần mềm cũng đang trong giai đoạn hoàn thiện và phát triển

2.1.2 Mô hình ngoài nước [12]

Hiện nay, trên thế giới đang có rất nhiều mô hình toán ứng dụng cho việc dự báo thủy động lực và vận chuyển bùn cát gồm cả mô hình một chiều (1D), mô hình hai chiều (2D), mô hình ba chiều (3D) Một số các mô hình 1D, 2D, 3D có thể nói đến sau:

Nhóm mô hình 1D

Sớm xuất hiện từ những năm 1980, và đã thành công trong nhiều ứng dụng thực tế và nghiên cứu Hầu hết các mô hình 1D được xây dựng trong hệ tọa độ thẳng, giải phương trình Saint – Venant cho dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát sử dụng phương trình của Exner bằng sơ đồ sai phân hữu hạn Một số mô hình 1D có thể

kể đến như: Mô hình MOBED được phát triển bởi Krishnappan (1981) giải phương trình Saint – Venant viết dưới dạng bảo toàn cho dòng không ổn định và phương trình liên tục bùn cát MOBED có thể dự báo được đặc tính bùn cát của đáy sông như là một hàm số của thời gian và khoảng cách đối với dòng chảy đơn vị khác nhau

IALLUVIAL được phát triển bởi Karim and Kennedy (1982), mô hình này chỉ ứng dụng trong trường hợp đối với dòng chảy ổn định

SEDICOUP được phát triển bởi Holly và Rahuel (1990), đây là mô hình mô phỏng biến đổi đáy dựa vào phương trình Saint – Venant tính cho bùn cát hỗn hợp, thành phần bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy được xử lý riêng biệt Mô hình 3ST1D được phát triển bởi Papanicolaou et al (2004); nó có khả năng tính được nước nhảy thủy lực và mô phỏng được dòng chảy tới hạn; vì thế nó có khả năng ứng dụng trong điều kiện dòng không ổn định, biến đổi nhanh như dòng chảy trong các sông miền núi Tuy nhiên, mô hình 3ST1D chỉ tính cho vận chuyển bùn cát tổng mà không tách biệt được giữa bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng

HEC-6 do Thomas và Prashum (1977) phát triển, sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ thẳng, giải phương trình vi phân ở dạng bảo toàn năng lượng thay cho phương trình động lượng HEC-6 không áp dụng được đối với dòng chảy không

ổn định

FLUVIAL 11 được phát triển bởi Chang (1984), sử dụng hệ tọa độ cong để giải phương trình Saint – Venant 1D đối với dòng chảy FLUVIAL 11 có tính đến dòng chảy thứ cấp trong sông cong bằng cách biến đổi độ lớn của vận tốc theo chiều dòng chảy

GSTARS được phát triển bởi Molinas và Yang (1986), mô hình được phát triển trong hệ tọa độ cong Molinas và Yang đã bổ xung lý thuyết dòng năng lượng nhỏ nhất để xác định chiều rộng và hình dạng tối ưu để ổn định điều kiện thủy lực và bùn cát

OTIS được phát triển bởi Runkel và Broshears (1991), sử dụng hệ tọa độ cong Runkel và Broshears đã biến đổi phương trình tải và khuếch tán với số hạn thêm vào gồm dòng chảy nhập bên, số hạng phân rã bậc 1, sự thấm hút của các chất hòa tan không kết dính và sự tích trữ trong thời gian ngắn của các chất hòa tan

Phần lớn các mô hình 1D đại diện ở trên đều có thể dự báo các thông số đơn giản trong sông như: vận tốc, mực nước, biến đổi đáy sông và vận chuyển bùn cát Chúng có thể dự báo được tổng lượng vận chuyển bùn cát và phân phối kích thước hạt không đồng nhất Mô hình 1D yêu cầu về dữ liệu đầu vào và khả năng xử lý của máy tính ít hơn nhiều so với mô hình 2D hay 3D nên nó tỏ ra hiệu quả cho việc dự báo nhanh mà không cần độ chính xác cao

Nhóm mô hình 2D

Mô hình 2D có xu hướng phát triển bắt đầu từ những năm 1990 Phần lớn các

mô hình 2D hiện nay được xây dựng hướng đến việc xây dựng giao diện một cách trực quan và dễ dàng sử dụng Điều đó làm cho nó trở nên thân thiện với người sử dụng và phổ biến rộng rãi Mô hình 2D (trung bình theo chiều sâu) có thể cung cấp các thông tin biến đổi theo không gian về chiều sâu nước, các thành phần vận tốc trung bình theo hướng dòng chảy và hướng ngang, cao trình đáy sông, hồ và cửa sông Hầu hết các

mô hình 2D đều giải phương trình liên tục và phương trình Navier-Stokes trung bình theo phương đứng cùng với phương trình cân bằng khối lượng bùn cát bằng phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn, hoặc thể tích hữu hạn

SERATRA: là mô hình vận chuyển bùn cát và chất ô nhiễm được phát triển bởi Onishi và Wise (1982), giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho dòng chảy không

ổn định Mô hình có khả năng dự báo được sự di chuyển của thuốc trừ sâu trên mặt đất

và trong sông và có thể đánh giá được khả năng tác động đến quần thể ngập nước trong thời gian ngắn hoặc dài [11]

SUTRENCH-2D: Mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát do van Rijn và Tan phát triển (1985) [12], mô phỏng vận chuyển bùn cát và sự biến đổi đáy trong điều kiện kết hợp của dòng chảy xem như ổn định với sóng trên bùn cát đáy Mô hình giả thuyết vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát cục bộ là hằng số theo phương Y, vận chuyển bùn cát lơ lửng trong dòng chảy phân tán và hội tụ bên bằng cách đưa vào thông số chiều rộng (b) của dòng chảy Mô hình giải phương trình tải và khuếch tán kết hợp với hệ số trễ đối với bùn cát lắng đọng

MOBED2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát được Spasojevic và Holly phát triển (1990), giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn Mô hình có khả năng tính toán dòng chảy, vận chuyển bùn cát, biến đổi đáy trong hồ chứa, cửa sông và khu vực ven biển

ADCIRC-2D: được phát triển bởi Luettich et al (1992) Đây là mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong hệ tọa độ thẳng, có khả năng ứng dụng cho miền tính lớn bằng cách giải phương trình nước nông 2D đối với phương thức bên ngoài "external mode" nhưng sử dụng phương thức bên trong "internal mode" để thu được vận tốc chi tiết và ứng suất tại những khu vực được xác định Phương thức bên trong nhận được bằng cách xác định sự phân tán động lượng và ứng suất đáy trong các số hạng vận tốc theo phương thẳng đứng

Mike 21: do DHI (Danish Hydraulic Institute) (1993) phát triển ứng dụng cho việc mô phỏng dòng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước và hệ sinh thái trong sông, hồ, cửa sông, vịnh, các khu vực ven biển và đại dương Mike 21 giải hệ phương trình nước nông bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn, sử dụng lưới tam giác hoặc lưới chữ nhật, cũng có thể kết hợp cả lưới chữ nhật (mô tả cho sông) và lưới tam giác (mô tả cho khu vực ngoài biển) Mike21 có 4 module chính: thủy động lực, sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước và sinh thái học Module thủy động lực và sóng tính có khả năng cung cấp các thông tin về các yếu tố thủy lực dòng chảy (mực nước, vận tốc trung bình theo hai phương) và sóng (chiều cao sóng, chu kỳ, hướng sóng, ứng suất sóng…) Module vận chuyển bùn cát có khả năng mô phỏng diễn biến đường bờ và vận chuyển cát Module chất lượng nước dùng để mô phỏng quá trình lan truyền của các chất ô nhiễm trong sông Đây là sản phẩm thương mại được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu tại Việt Nam Tuy nhiên, chúng có giá thành khá đắt và thường chỉ dùng cho các tổ chức có đủ khả năng về tài chính

UNIBEST-TC2: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát được phát triển bởi Bosboom et al (1997), giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ thẳng Nó có khả năng mô phỏng quá trình thủy động lực của sóng và dòng có hướng ngang bờ bằng cách giả thuyết có sự xuất hiện của dòng chảy dọc bờ trung bình Quá trình bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng được mô hình hóa bằng cách giả thuyết các điều kiện cân bằng cục bộ (bỏ qua độ trể giữa dòng chảy và bùn cát)

FAST2D: là một mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phươngpháp thể tích hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong với lưới bám khớp với biên Module vận chuyên bùn cát sử dụng các mô hình bán kinh nghiệm đối với bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy Mô hình có xét một cách gián tiếp đến ảnh hưởng của dòng chảy thứ cấp trong sông cong

FLUVIAL 12: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong do Chang phát triển (1998) Nó xét đến các ảnh hưởng của chế độ thủy lực, vận chuyển bùn cát, và sự thay đổi của lòng sông đối với từng thời đoạn của dòng chảy Đây là mô hình đáy biến đổi nhanh có khả năng mô phỏng sự biến đổi đáy sông, độ rộng, thành phần bùn cát đáy bao gồm cả trong sông cong

DELFT-2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn có khả năng mô phỏng sóng và dòng chảy Mô hình có thể mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng bằng cách sử dụng phương pháp cả trạng thái cân bằng hoặc không cân bằng cục bộ Mô hình cũng có thể cho thấy ảnh hưởng của chuyển động sóng lên độ lớn và hướng vận chuyển bùn cát

CCHE2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn do Jia và Wang phát triển (1999) Các nút khô và ướt trên biên đã được xử lý một cách tự động trong trong trường hợp mô phỏng đối với dòng chảy không ổn định với sự thay đổi của mực nước Mô hình mô phỏng quá trình bùn cát lơ lửng bằng cách giải phương trình tải và khếch tán, quá trình bùn cát đáy sử dụng các công thức kinh nghiệm Mô hình có xét đến dòng chảy thứ cấp trong sông cong Tất các mô hình nói trên đều ứng dụng cho dòng chảy không ổn định trừ mô hình SUTRENCH-2D và UNIBEST-TC2 Các mô hình đều dự báo được bùn cát tổng, chỉ

có MOBED2, USTARS, FLUVIAL 12, và CCHE2D có thể tính toán cho nhiều cấp hạt và có thể tách biệt bùn cát tổng ra hai thành phần bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng

DELFT-2D và FAST2D có thể tách ra hai thành phần bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng, nhưng chúng chỉ ứng dụng được cho các hạt có kích thước đồng nhất

Nhóm mô hình 3D

Trong nhiều nghiên cứu về thủy động lực học, mô hình 3D được lựa chọn trong trường hợp cần mô tả chi tiết hơn các quá trình vật lý tại những nơi có điều kiện thủy động lực phức tạp mà mô hình 2D không phù hợp Ví dụ như mô phỏng dòng chảy qua trụ cầu hoặc tại nơi gần các công trình Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin như: kỹ thuật máy tính, tốc độ máy tính, khả năng tính toán song song, khả năng lưu trữ dữ liệu… làm cho khả năng ứng dụng mô hình 3D phổ biến hơn Phần lớn các mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát ở dạng ba chiều đều giải phương trình liên tục và Navier – Stokes kết hợp với phương trình cân bằng khối lượng bùn cát bằng phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn Phương trình Navier – Stokes được giải bằng phương pháp trung bình hóa của Reynolds Phương trình Reynolds có thể chia thành hai dạng: dạng thủy tĩnh và phi thủy tĩnh Mô hình dạng thủy tĩnh có độ chính xác không cao khi tính toán dòng chảy ở những nơi có

sự thay đổi ứng suất lớn Ngược lại, mô hình dạng phi thủy tĩnh có độ chính xác cao

hơn và có khả năng mô tả những đặc tính phức tạp của dòng chảy thứ cấp trong một miền tính phức tạp Một số các mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát chính được sử dụng trên thế giới có thể kể đến như

ECOMSED: mô hình thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong trực giao, được phát triển bởi Blumberg và Mellor (1987) Mô hình giả thuyết ứng suất tuân theo quy luật thủy tĩnh, có khả năng dự báo các yếu tố thủy lực dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong một khối nước lớn như hồ và đại dương

RMA-10: mô hình thủy động lực sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, có thể tính toán mực nước và các thành phần vận tốc theo phương nằm ngang đối với dòng chảy tầng Nó được xây dựng với giả thuyết gia tốc dòng chảy theo phương thẳng đứng rất nhỏ và có thể bỏ qua (áp suất theo quy luật thủy tĩnh) Mô hình giải phương trình chuyển tải đối với độ mặt, nhiệt độ và bùn cát lơ lửng và kết hợp với ảnh hưởng của khối lượng lên khối lượng riêng của chất lỏng Mô hình thích hợp cho việc tính toán chế độ thủy động lực cho vùng ngập triều và vùng đầm lầy Mô hình chỉ có thể ứng dụng đối với bùn cát đồng nhất

GBTOXe: là một mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát, giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường thẳng Thành phần thủy động lực của mô hình (GBHYDRO) giả thuyết dòng chảy theo quy luật thủy tĩnh và có tính đến quá tình xáo trộn và lưu thông của cột nước; thành phần vận chuyển bùn cát (GBSED) chỉ tính đối với bùn cát kết dính

EFDC3D: là mô hình thủy động lực và chất lượng nước, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong trong hệ tọa độ lưới đường cong trực giao hoặc lưới đường thẳng với phép xấp xỉ sigma trên phương đứng Mô hình giải phương trình 3D, dòng chảy theo quy luật thủy tĩnh, có xét đến sự thay đổi khối lượng riêng của chất lỏng

Mô hình có thể ứng dụng trong các khu vực cửa sông, hồ và ven biển Nó có thể mô phỏng được chất ô nhiễm và chất lượng nước

ROMS: Đây là mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ lưới cong trực giao với phép xấp xỉ sigma theo phương đứng Mô hình có thể mô phỏng dòng chảy mặt thủy tĩnh tuần hoàn trên đại dương và các thông số ảnh hưởng của sóng mặt lên ứng suất và độ nhám ở đáy

CH3D-SED: mô hình sai phân hữu hạn trên hệ tọa độ không trực giao với đường cong khớp với biên, sử dụng phép biến đổi xấp xỉ sigma theo phương thẳng đứng Vận chuyển bùn cát sẽ được tính toán dựa trên phương trình cân bằng khối lượng bùn cát đối với bùn cát đáy và kết hợp với phương trình tải – khuếch tán đối với bùn cát lơ lửng

SSIIM: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn giải phương trình Navier – Stokes và mô hình rối k – ε trên lưới phi cấu trúc Mô hình có khả năng mô phỏng vận chuyển bùn cát trên đáy sông biến đổi với dạng địa hình phức tạp Nó có thể ứng dụng cho các dạng đáy trong sông, vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng của các hạt không đồng dạng Mô hình cũng có thể ứng dụng trong mô phỏng chất lượng nước trong sông

MIKE3: là mô hình thủy động lực sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn được phát triển bởi Danish Hydraulic Institute (1993) Nó bao gồm các thành phần tải – khuếch tán, chất lượng nước, trao đổi nhiệt độ với áp suất không khí, xử lý ngập và khô trong khu vực ảnh hưởng triều và quá trình vận chuyển bùn cát Mike3 được ứng dụng trong việc mô phỏng dòng chảy tại cửa sông, vịnh và khu vực bờ biển cũng như đại dương

FAST3D: là mô hình thủy động lực, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn với giả thuyết phi thủy tĩnh Mô hình có thể ứng dụng cho các miền tính phức tạp do bổ xung thêm thuật toán có khả năng tính toán song song Thành phần bùn cát của mô hình DELFT3D: Mô hình Delft3D được phát triển bởi Delft Hydraulics (www.wldelft.nl), nó có khả năng mô phỏng quá trình thủy động lực trong sông và vùng ven biển, quá trình vận chuyển bùn cát, sóng, chất lượng nước, biến đổi hình thái lòng dẫn, dòng chảy biển Module Delft3D-Flow là hạt nhân của hệ thống mô hình Delft3D tính toán dòng chảy dựa trên phương trình nước nông đối với dòng không ổn định Nhiều báo cáo, nghiên cứu khoa học về hình thái cửa sông, ven biển đã ứng dụng

mô hình Delft3D

TELEMAC-3D: Đây là một trong những mô hình thủy động lực hình thái sông hàng đầu trên thế giới có thể đáp ứng cho việc dự báo quá trình biến đổi hình thái cho vùng cửa sông, ven biển TELEMAC-3D sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn, giải phương trình Navier – Stokes dạng phi thủy tĩnh hoặc thủy tĩnh với lưới phi cấu trúc, đặc biệt rất mạnh với khả năng tính toán song song Module SISYPHE dùng để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát, module TOMAWAC tính toán sóng và module TELEMAC-3D/2D là hạt nhân của mô hình có khả năng kết nối với các module khác

2.2 Giới thiệu về hệ thống phần mềm Telemac

Hệ thống mô hình TELEMAC là một công cụ tổng hợp, mạnh dùng để mô phỏng dòng chảy có mặt thoáng Ở Châu Âu, hệ thống TELEMAC trở thành công cụ hữu hiệu trong lĩnh vực tính toán dòng chảy hở trong sông và biển Telemac bao gồm nhiều modules được xây dựng dựa trên các thuật toán mạnh khi dùng phương pháp phần tử hữu hạn Miền tính toán được rời rạc hóa bằng lưới các phần tử tam giác phi

cấu trúc Nhờ vậy, phần mềm này có thể chi tiết hóa miền tính toán, đặc biệt tại vị trí

có địa hình hay địa mạo phức tạp

Hình 2.1: Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret

TELEMAC có các công cụ chuẩn bị và xử lý số liệu trước, sau khi tính toán đặc biệt hiệu quả, tạo giao diện thuận tiện và dễ dàng cho người dùng Hầu hết các chương trình xử lý số liệu đều được xây dựng nên từ các thư viện ilog/Views vì thế có thể cung cấp cho người sử dụng một số lượng rất lớn các thông tin cần thiết Lưới tính toán có thể đễ dàng được tạo nên khi dùng một bộ chương trình tạo lưới được gắn sẵn trong hệ thống TELEMAC Ưu điểm vượt trội là tất cả các mô hình thành phần đều được song hành hóa việc tính toán Khi chạy TELEMAC trên các hệ thống máy có nhiều vi xử lý và cho thời gian tính nhanh

Hệ thống TELEMAC được phát triển bởi LNHE (Trung tâm quốc gia nghiên cứu Thủy lực của Điện Lực Pháp) Hệ thống này đến nay đã miễn phí và tất cả các mô-đun mô phỏng được viết bằng Fortran 90, không sử dụng các phần mở rộng ngôn ngữ cụ thể trong một máy tính nhất định Chúng có thể chạy trên tất cả các hệ thống sau: Windows (NT, XP, Vista); Linux (Debian); UNIX; Siêu máy tính (Cray, Fujitsu, IBM, )

Hệ thống TELEMAC bao gồm các modun khác nhau (xem hình )

Hình 2.2: Hệ thống phần mềm TELEMAC Theo tác giả Phan Văn Thái Nguyên (2013) [13], trên thế giới, hiện bộ phần mềm đang được nghiên cứu tại Điện lực Pháp EDF, SHOM, CETMEF, IMFT và Sogreah ở Pháp; HR Wallingford, Đại học Bangor, Đại học Bristol và Đại học Manchester ở Vương quốc Anh; BAW và Đại học Hanover ở Đức; DELTARES ở Hà Lan; Trung tâm thủy lực Canada NRC ở Canada Với các công trình nghiên cứu và ứng dụng cụ thể Ở Việt Nam, mô hình TELEMAC-2D đã được cài đặt tại Viện Cơ học Hà Nội, Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh và Khoa Xây dựng-Thuỷ lợi-Thuỷ điện thuộc Trường Đại học Kỹ thuật Đà nẵng và đã được áp dụng thử nghiệm để tính toán dòng chảy tràn vùng Vân Cốc-Đập Đáy, lưu vực sông Hồng đoạn trước Hà Nội, và tính toán ngập lụt khu vực thành phố Đà Nẵng Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong các công trình nghiên cứu:

- Nguyễn Tiến Cường, Nguyễn Thành Đôn với bài toán “Bước đầu thử nghiệm

mô hình kết nối MARINE và TELEMAC-2D để mô phỏng lũ quét" [14]; PGS.TS Nguyễn Thống, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã dùng TELEMAC-2D đã ứng dụng để tính dự án đê biển Vũng Tàu-Gò Công và hệ thống các sông Sài Gòn-Đồng Nai

- Áp dụng mô hình toán nối kết tính toán lũ vùng hạ du sông Hàn Tác giả hoặc Nhóm tác giả: GS.TS Nguyễn Thế Hùng, ThS Lê Văn Hợi (Đại học Đà Nẵng),

TS Nguyễn Minh Sơn (Viện Cơ học) [15]

2.2 Ưu điểm và nhược điểm

2.2.1 Ưu điểm

* Những điểm mạnh:

Nhiều module mô phỏng khác nhau của hệ thống TELEMAC-MASCARET sử dụng các thuật toán mạnh mẽ dựa vào các phương pháp phần tử hữu hạn và thể tích hữu hạn Không gian được rời rạc hóa thành lưới phần tử tam giác phi cấu trúc 2D, do

đó lưới tính toán có thể được làm mịn trong những khu vực mà ta quan tâm Tất cả các thuật toán này được chứa trong một thư viện chung duy nhất cho tất cả các code tính toán, vì thế sẽ giúp ta dễ dàng sử dụng nhiều module mô phỏng khác nhau (dễ dàng chuyển đổi từ module này sang module khác), và đặc biệt, cho phép các module khác nhau được kết nối nội bộ hoặc với bên ngoài Các công cụ xử lý số liệu trước và sau khi tính toán thì giống hệt nhau cho từng code tính toán

* Môi trường mạnh mẽ và không giới hạn:

TELEMAC-MASCARET cung cấp cho người dùng một tập các chương trình con (sub-routines) cụ thể cho từng code tính toán Tất cả chúng được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN-90 và có thể dễ dàng được sửa đổi để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của người dùng: mô tả các điều kiện đầu hoặc các điều kiện biên phức tạp, giới thiệu các hàm mới, liên kết với các hệ thống mô hình hóa khác Hệ thống này đang thay đổi một cách liên tục bằng chứng là sự ra đời của các phiên bản mới vào các khoảng thời gian nhất định Nó có thể chạy trên máy tính các nhân, để bàn cũng như trên các máy tính lớn, trên nền các hệ điều hành Windows (NT, XP, Vista, Win7), Linux (Ubuntu, Fedora, Redhat, OpenSUSE, Debian) hoặc Unix Một phiên bản song song thì cũng sẵn sang cho sử dụng trên các máy tính đa xử lí hoặc cụm máy trạm cho các module nhất định Điều này giúp TELEMAC-MASCARET cho thời gian tính toán nhanh hơn

* Mã nguồn mở:

Như chúng ta được biết, kể từ tháng 7 năm 2010, hệ thống MASCARET được công nhận là mã nguồn mở Từ đây, một diễn đàn dành cho các tổ chức, nhà nghiên cứu, cũng như những ai quan tâm đến lĩnh vực thủy văn, thủy lực, đặc biệt là những sinh viên-những nhân tố bước đầu tham gia quá trình nghiên cứu và cũng là đối tượng chưa thực sự được đầu tư kinh phí, có cơ hội trao đổi, học tập và cùng nhau phát triển cộng đồng TELEMAC-MASCARET mà không phải tốn bất kì chi phí nào

TELEMAC-Theo thống kê trên diễn đàn của TELEMAC-MAS- CARET, tính đến 19/03/2013, có hơn 3500 người dùng, và ắt hẳn con số này sẽ tiếp tục tăng lên Nhờ là

mã nguồn mở, nên nó đã tiếp cận hầu hết các quốc gia trên thế giới và cũng được ứng dụng ở hầu khắp các công trình Là mã nguồn mở nên nó cũng được nhiều người biết

đến, do đó, việc đóng góp ý kiến về nhiều khía cạnh của hệ thống sẽ giúp cho hệ thống ngày càng hoàn thiện

2.3 Lựa chọn mô hình Telemac để giải quyết yêu cầu bài toán

Hiện nay, có rất nhiều mô hình thủy động lực có khả năng tính toán mô phỏng vận chuyển bùn cát và dự báo sự thay đổi hình thái sông như đã đề cập ở phần 2.1 Tuy nhiên từ phân tích ưu và nhược điểm trên đây của mô hình Telemac cho thấy rằng việc lựa chọn mô hình Telemac để giải quyết bài toán xói lở lòng dẫn ở trên là hoàn toàn phù hợp yêu cầu giải quyết bài toán Đây là mô hình mã nguồn mở nên giúp học viên nghiên cứu và hiểu biết nhiều hơn về lý thuyết mô hình số Một điểm quan trọng nữa là mô hình này hoàn toàn miễn phí

Trong nước, một số công trình nghiên cứu liên quan đến lòng dẫn cũng được áp dụng thành công với mô hình telemac ví dụ như là: Tính xói cục bộ tại trụ cầu dựa vào

mô phỏng số dòng chảy ba chiều (Nguyễn Quang Bình, Nguyễn Thế Hùng [16]); Đánh giá ảnh hưởng của công trình xây dựng đến hình thái sông bằng TELEMAC-3D (nguyễn Quang Bình Võ Ngọc Dương [17]) Và gần đây Dự án “Nghiên cứu về quá trình xói lở bờ biển Hội An và đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ biển một cách bền vững” do Cơ quan phát triển Pháp (AFD) và UBND tỉnh Quảng Nam tài trợ, được triển khai từ tháng 7/2016 Một trong những mô hình được khuyến nghị sử dụng đó chính là Telemac;

2.4 Các mô đun thủy lực trong telemac

2.4.1 Thủy lực 1 chiều (1D):

TELEMAC MASCARET mô phỏng dòng chảy một chiều Dựa trên hệ phương trình Saint-Venant, các mô đun khác nhau có thể mô phỏng các hiện tượng khác nhau trong khu vực rộng lớn và cho hình dạng phức tạp, dòng chảy ở trạng thái phân giới dưới hoặc phân giới trên, dòng chảy ổn định hay không ổn định

- Phần tử hữu hạn: Hệ phương trình Saint-Venant viết dưới dạng không bảo

toàn sẽ được giải bằng phương pháp chiếu sử dụng sơ đồ ẩn Phương pháp này có tính

ổn định cao với tốc độ tính nhanh

- Thể tích hữu hạn: Hệ phương trình Saint-Venant viết dưới dạng bảo toàn sẽ

được giải bằng phương pháp Godunov (xấp xỉ bất biến Riemann) và sử dụng sơ đồ hiện Phương pháp này cho phép tính toán sóng gián đoạn ngay cả khi địa hình phức tạp, với tốc độ tính nhanh

2.4.3 Thủy lực 3 chiều (3D):

TELEMAC 3D là mô mô hình tính dòng chảy 3 chiều, giải hệ phương trình Navier-Stokes, bao gồm mô phỏng hiện tượng truyền chất hòa tan có hoặc không tham gia phản ứng hóa học (TELEMAC 3D Software, March 2013)

TELEMAC 3D giải phương trình Navier-Stokes 3D qua một bước thuật toán phân đoạn, sử dụng xấp xỉ Boussinesq (J M Hervouet, 2007) Một trong những ưu điểm chính của thuật toán bước phân đoạn, đó là người sử dụng có thể lựa chọn lời giải số phù hợp nhất với các số hạng khác nhau của các phương trình Navier-Stokes

2.4.4 Một số Modun khác của hệ thống TELEMAC:

+ ARTEMIS: tính sóng biển có xét đến các hiện tượng vật lý như phản xạ, nhiễu xạ, khuyếch tán của sóng biển khi truyền vào vùng nước nông trước và trong cảng biển

+ TOMAWAC: Tính truyền sóng trong vùng ven bờ

+ SISYPHE: giải bài toán tải bùn cát và biến hình lòng dẫn 2 chiều

TELEMAC-3D là mô hình tính dòng chảy 3 chiều thủy động lực học có mặt thoáng tự do, giải hệ phương trình Navier-Stokes bao gồm mô phỏng hiện tượng truyền các chất hòa tan có hoặc không tham gia phản ứng hóa học, vận chuyển, khuếch tán của các biến nội tại (nhiệt độ, độ mặn, nồng độ) Kết quả chính là trong tất cả các điểm của độ phân giải ba chiều lưới, tốc độ trong ba hướng và nồng độ khối lượng vận chuyển Trên lưới hai chiều ngang, kết quả chính là độ sâu của nước TELEMAC-3D tìm thấy các ứng dụng chính của nó trong thủy lực bề mặt tự do, biển hoặc sông và có thể xem xét các hiện tượng sau đây:

- Ảnh hưởng của nhiệt độ và/hoặc độ mặn;

- Ma sát đáy;

- Ảnh hưởng của lực Coriolis;

- Ảnh hưởng của thời tiết: áp suất khí quyển, gió và mưa hoặc bốc hơi;

- Xem xét việc trao đổi nhiệt với không khí;

- Các mô hình hỗn tạp đơn giản hoặc phức tạp (k-ε) tính đến lực đẩy Archimedean;

- Các vùng khô hạn trong lĩnh vực tính toán: các bãi triều;

- Sự trôi dạt và sự khuếch tán của một vật thể;

- Mô hình hóa tràn dầu;

Phần mềm được áp dụng cho nhiều lĩnh vực Những yếu tố chính liên quan đến môi trường biển thông qua các nghiên cứu dòng chảy được gây ra bởi thủy triều hoặc gradient mật độ, có hoặc không có ảnh hưởng của lực bên ngoài như gió hoặc áp suất khí quyển Nó có thể được áp dụng ở các khu vực rộng lớn (trên quy mô biển) hoặc đến các lĩnh vực nhỏ hơn (bờ biển và cửa sông) đối với ảnh hưởng của nước thải, nghiên cứu cát nhiệt hoặc thậm chí vận chuyển trầm tích Liên quan đến vùng nước lục địa, người ta cũng có thể đề cập đến việc nghiên cứu các luồng nhiệt đới ở các sông, trạng thái thủy động lực học của các hồ tự nhiên hoặc nhân tạo

TELEMAC-3D là một phần của hệ thống mô hình TELEMAC được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia về Thủy văn và Môi trường (LNHE) của Phòng Nghiên cứu và Phát triển của EDF (EDF-R & D) TELEMAC là một bộ công cụ xây dựng mô hình để giải quyết tất cả các khía cạnh của bề mặt thoáng thủy lực trong một môi trường tự nhiên: dòng chảy, sóng, vận chuyển chất phóng xạ và trầm tích

Các công cụ xử lý trước và sau các mô phỏng của TELEMAC như sau:

+ Phần mềm BLUE KENUE được phát triển bởi Trung tâm Thủy lợi Canada trong đó cung cấp một công cụ mạnh mẽ để tạo lưới và một công cụ xử lý sau hiệu quả cho người sử dụng

+ Phần mềm FUDAA-PREPRO được phát triển từ nền tảng FUDAA bởi các nghiên cứu, thông tin và mô hình hóa CEREMA bao gồm tất cả các công việc tiền xử

lý liên quan đến việc thực hiện một nghiên cứu thủy lực kỹ thuật số và một công cụ điều hành đồ họa

+ Phần mềm JANET được phát triển bởi Smile Consulting GmbH cung cấp một

số công cụ tạo lưới

+ Phần mềm PARAVIEW được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Kitware cho phép hình dung các kết quả 3D, dữ liệu lớn và đặc biệt là mã nguồn mở

+ Phần mềm QGIS là một hệ thống mã nguồn mở thông tin địa lý

2.5 Cơ sở lý thuyết phần mềm Telemac

2.5.1 Phương trình với giả thuyết áp lực thủy tĩnh

Trong phiên bản cơ bản của nó, phần mềm giải quyết các phương trình thủy động lực học ba chiều với các giả định sau:

- Phương trình Navier-Stokes ba chiều với bề mặt tự do thay đổi trong thời gian

- Sự dao động không đáng kể mật độ trong phương trình bảo toàn khối lượng (chất lỏng không nén)

- Giả thiết áp suất thủy tĩnh (giả thuyết đó dẫn đến áp lực ở một chiều sâu nhất định là tổng của áp suất không khí tại bề mặt chất lỏng cộng với trọng lượng của phần nước trên nó)

- Boussinesq xấp xỉ (các biến mật độ được đưa vào tính toán chỉ được coi là lực nổi)

Với những giả định, các phương trình được giải quyết ba chiều:

+ Phương trình liên tục:



+



+





z

W y

V x

Z g z

U W y

U V x

U U t



 +



 +

Z g z

V W y

V V x

V U t



 +



 +



Với áp suất thủy tĩnh, truyền chất, hòa tan:

g p

T W y

T V x

T U t



+



+



+

+ Δρ (X): Biến thiên mật độ;

+ t (s) : Thời gian;

+ x,y (m) : Các thành phần không gian theo chiều ngang;

+ z (m) : Thành phần không gian theo chiều đứng;

+ Fx, Fy (m/s2): Số hạng nguồn;

+ Q (Đơn vị chất đánh dấu): Nguồn chất đánh dấu thêm vào hoặc mất đi;

+ H, U, V, W và T là những đại lượng chưa biết

Fx và Fy là các thuật ngữ mã nguồn biểu thị gió, lực Coriolis và ma sát đáy (hoặc bất kỳ quá trình nào khác được mô phỏng theo các công thức tương tự) Một số chất đánh dấu có thể được giải quyết cùng một lúc Chúng có thể có hai loại khác nhau, hoặc hoạt động, tức là ảnh hưởng đến dòng chảy bằng cách thay đổi mật độ hoặc thêm vào mà không ảnh hưởng đến mật độ và sau đó là dòng chảy

Thuật toán cơ bản TELEMAC-3D có thể được chia thành ba bước tính toán (ba bước phân đoạn) Bước đầu tiên là tìm ra các thành phần vận tốc qui ước bởi độ phân giải của các điều khoản đối lưu phương trình động lượng Bước thứ hai tính toán, từ vận tốc qui ước các thành phần mới của vận tốc có tính đến các điều khoản của sự khuếch tán và nguồn về phương trình động lượng Cả hai giải pháp được sử dụng để

có được một môi trường vận tốc trung bình Bước thứ ba được sử dụng để tính toán độ sâu của nước từ sự liên kết theo chiều dọc của phương trình liên tục và phương trình động lượng chỉ bao gồm các thuật ngữ liên tục áp suất (tất cả các thuật ngữ khác đã được tính đến trong hai bước trước đó) Các kết quả phương trình thời gian tương tự như phương trình Saint-Venant mà không có sự khuếch tán, đối lưu được viết:

0)()



+



+





y

vh x

uh t

h

x

Z g t

Mực nước sẽ tính toán lại kích thước của các điểm khác nhau của lưới và sau đó các bề mặt thoáng Cuối cùng, tính toán vận tốc U và V chỉ đơn giản là sự kết hợp của các phương trình liên quan đến vận tốc Cuối cùng, vận tốc dọc W được tính từ phương trình liên tục

2.5.2 Phương trình Navier – Stoke với giả thuyết áp suất phi thủy tĩnh:

Đơn giản hóa vận tốc theo phương đứng W, bỏ qua sự khuếch tán, đối lưu và các số hạng khác Áp lực tại một điểm chỉ liên quan đến trọng lượng của cột nước nằm phía trên và áp lực khí quyển tại bề mặt Giải phương trình vận tốc theo phương đứng

W tương tự như các phương trình U và V Áp suất xem phân bố thủy tĩnh, được bổ sung thêm số hạng trọng lực



+





z

W y

V x

U

+ Phương trình động lượng:

x s

F U x

Z g z

U W y

U V x

U U t



+



+





)(



y s

F V y

Z g z

V W y

V V x

V U t

U

+

+



+



+





)(



(2-19)

z s

F W z

Z g z

W W y

W V x

W U t

U

+

+



+



+





)(



+ Phương trình áp suất phi thủy tĩnh:

Để sử dụng càng nhiều càng tốt một cốt lõi chung của các phương trình NavierStokes với giả thuyết áp lực thủy tĩnh, áp lực được chia thành áp lực thủy tĩnh

và một thuật ngữ áp lực "động năng"

d Z

z s

p p

s

+

+

−+

0 0

áp suất động thay đổi trường vận tốc để cung cấp sự phân cực không cần thiết vận tốc)

và tính toán bề mặt tự do