ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG HỒ CHỨA NƢỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SỸ

Đối với công trình cấp III trở xuống như công trình tràn hồ chứa nước Quang Hiển, khi thiết kế công trình chỉ áp dụng Quy chuẩn, Tiêu chuẩn, sổ tay tính toán hiện nay còn nhiều tồn tại v

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

HỒ CHỨA NƯỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN THẾ HÙNG

Đà Nẵng - Năm 2018

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

Trần Hữu Sáng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

TÓM TẮT LUẬN VĂN 5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU 11

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 11

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 11

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 12

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 13

6 CẤU TRÖC LUẬN VĂN 13

CHƯƠNG I 14

TỔNG QUAN VỀ DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ 14

1.1 CÔNG TRÌNH TRÀN TIÊU BIỂU 14

1.1.1 Tình hình xây dựng, công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới14 1.1.2 Tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện ở nước ta 16

1.1.3 Nhận xét về công trình tháo lũ ở nước ta 18

1.2 CÁC VẤN ĐỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÕNG CHẢY QUA CÁC TRÌNH THỦY LỢI 18

1.2.1 Khái niệm về mô hình toán của dòng chảy 18

1.2.2 Những vấn đề cần nghiên cứu dòng chảy trong máng ngang 21

KẾT LUẬN CHƯƠNG I 21

CHƯƠNG II 23

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ MÔ HÌNH

TELEMAC-3D 23

2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU MÔ PHỎNG MÔ HÌNH TOÁN 23

2.1.1 Mục đích mô phỏng bằng mô hình toán 23

2.1.2 Qui trình kiểm định mô hình và nội dung nghiên cứu 23

2.2TÀI LIỆU ĐƯỢC CUNG CẤP PHỤC VỤ MÔ HÌNH 25

2.2.1Giới thiệu chung 25

2.2.2 Tài liệu thủy văn 28

2.2.3 Tài liệu địa hình 30

2.3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THỦY LỰC TRÀN MÁNG BÊN 32

2.3 1Tính toán thủy lực cho ngưỡng tràn 32

2.3.2 Tính toán thủy lực máng ngang 32

2.3.2.1 Phương pháp đơn giản của Giáo sư E.A.Zamarin 33

2.3.2.2 Phương pháp dòng biến lượng 34

2.3.2.3 Các phương pháp khác 35

2.4 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHẦN MỀM TELEMAC 35

2.4.1 Thủy lực 1 chiều (1D): 37

2.4.2 Thủy lực 2 chiều (2D): 37

2.4.3 Thủy lực 3 chiều (3D): 37

2.4.4 Một số Modun khác của hệ thống TELEMAC: 37

2.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN MỀM TELEMAC-3D 39

KẾT LUẬN CHƯƠNG II 44

CHƯƠNG III 46

ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TELEMAC-3D MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA CÔNG TRÌNH TRÀN XẢ LŨ 46

3.1 CÁC BƯỚC XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THỦY LỰC TRÀN XẢ LŨ VÀ BỂ TIÊU NĂNG TRÊN TELEMAC-3D46 3.1.1 Xây dựng mô hình tràn ba chiều (3D) 46

3.1.2 Tạo tập tin đầu vào Telemac-3D 46

3.1.3 Kết quả tạo lưới 47

3.1.4 Các thông số hình học trong mô hình Telemac 49

3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG50 3.2.1 Khả năng xả lũ 50

3.2.2 Các thông số thủy lực của tràn qua mô phỏng mô hình 56

KẾT LUẬN CHƯƠNG III 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

1 KẾT LUẬN 65

2 KIẾN NGHỊ 66

3 NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI 67

TÓM TẮT LUẬN VĂN

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA MÁNG TRÀN NGANG HỒ CHỨA NƯỚC QUANG HIỂN, TỈNH BÌNH ĐỊNH

Học viên: Trần Hữu Sáng Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60.58.02.02 Khóa: 2016-2018 Trường Đại học Bách khoa –

ĐHĐN

Tóm tắt – Công trình tháo lũ nằm trong cụm đầu mối công trình thủy lợi, thủy

điện là một trong những công trình rất quan trọng Nên việc nghiên cứu thiết kế, xây dựng công trình hết sức là cẩn trọng Đối với công trình tràn có qui mô lớn (cấp II trở lên) việc thực hiện mô hình vật lý khá tốn kém về thời gian và kinh phí thực hiện; nhưng kết quả cũng chỉ là tương đối, cũng cần kiểm chứng công trình tương tự ngoài thực địa Đối với các công trình tháo lũ có qui nhỏ hơn (Không yêu cầu làm mô hình vật lí) thì việc tính toán thiết kế theo Qui chuẩn, Tiêu chuẩn, Sổ tay tính toán…hiện hành của Nhà Nước chưa phản ánh đúng các hiện tượng vật lý khi tràn làm việc Đặc biệt, dòng chảy trong đường tràn ngang là dòng chảy biến lượng theo 3 chiều, xoắn ốc khá phức tạp Ứng dụng mô hình toán 3 chiều bằng mô hình TELEMAC-3D cho dòng trong máng tràn ngang Hồ chứa nước Quang Hiển nói riêng, công trình vừa và nhỏ nói chung rất có ý nghĩa rất lớn trong công tác thiết kế Nhằm nâng cao độ tin cậy trong tính toán thiết kế và có thể chạy nhiều phương án khác nhau về hình dạng, kích thước, độ dốc của máng ngang để tìm ra phương án thiết kế phù hợp về mặt thủy lực,

an toàn và hiệu quả kinh tế

Từ khóa – Máng tràn ngang – Quang Hiển, mô phỏng máng ngang, dòng chảy

biến lương, mô hình TELEMAC-3D

APPLICATION OF OVERFLOW SIMULATION MODEL FOR

QUANG HIEN RESERVOIR IN BINH DINH PROVINCE

Abstract: In general, seepage in the earth dam is really complex, especially

the 3D seepage at the locations which are contacted to hillsides, spillways, culverts Seepage has intimately relation to the conditions of topology, geology and hydrology

In present design calculation of earth dam, seepage calculation is normally used dimensional vertical model (2DV), which is solved according to finite element method (FEM) for computation of typical cross-sections of earth dam However, this model has not reflexed correctly the real seepage, especially in the high dam with the ratio between the dam length (L) and the dam height (H) from 1 to 5 The result of design calculation has ability of causing the incidents or increasing the budget In this paper, the authors studies 3D seepage of Atop Kon-Tum earth dam, in special topology and geology, to evaluate their impacts on the dam safety and economic effective Since then, proposals of the study are given in earth dam design

2-Key words- Lateral spillway, Quang Hien, simulation of lateral spillway,

changeable flow, TELEMAC-3D model

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

BNN&PTNN : Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn 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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

F : Diện tích lưu vực (Km2

) P% : Tần suất

t : Thời gian

Qp% : Lưu lượng tương ứng với từng tần suất

Vc : Thể tích chết

VMNDBT : Thể tích mực nước dâng bình thường

Znc : Lượng bốc hơi đo bằng mực nước

Wtb : Dung tích toàn bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1- 1:Một số công trình tiêu biểu ở Việt Nam 16

Bảng 2- 1: Nội dung nghiên cứu mô phỏng mô hình tràn 24

Bảng 2- 2:Bảng tần suất thiết kế của công trình 26

Bảng 2- 3: Các thông số kỹ thuật chính của công trình 26

Bảng 2- 4: Đặc trưng khu vực 28

Bảng 2- 5: Dòng chảy năm 28

Bảng 2- 6: Dòng chảy lũ thiết kế 29

Bảng 3- 1: Khả năng xả qua tràn phương án thiết kế 50

Bảng 3- 2: Khả năng xả qua tràn ứng lũ 2017 53

Bảng 3- 3: Khả năng xả qua tràn ứng với p = 1.0% 55

Bảng 3- 4: Khả năng xả qua tràn ứng với p = 0.2% 55

Bảng 3- 5: Kết quả khả năng xả lũ qua tràn theo 2 phương pháp tính 56

Bảng 3- 6: So sánh mực nước trong máng theo 2 phương pháp tính (Q 1% ) 59

Bảng 3- 7: So sánh mực nước trong máng theo 2 phương pháp tính (Q 0.2% ) 60 Bảng 3- 8: So sánh mực nước trong dốc 2 phương pháp tính Q 1.0% 60

Bảng 3- 9: So sánh mực nước trong dốc 2 phương pháp tính Q 0.2% 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 1: Đập Gran Coulee, Mỹ 14

Hình 1 2: Đập Tam Điệp, Trung Quốc 15

Hình 1 3: Đập Itaipu, biên giới Brazil và Paraguay 15

Hình 1 4: Đập Guri, Venezuela 15

Hình 1.5:Đập Tucurui, Brazil 16

Hình 1 6: Đập thủy điện Hòa Bình, Hòa Bình 17

Hình 1 7: Hồ Nước Trong, Quảng Ngãi 17

Hình 1.8:Đập Hồ chứa nước Định Bình 17

Hình 2 1: Vị trí công trình trên Google Earth Pro 25

Hình 2.2:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2009 29

Hình 2.3:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2016 30

Hình 2.4:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2016 30

Hình 2.5:Mặt bằng tràn xả lũ Hồ chứa nước Quang Hiển – Tỉnh Bình Định 31

Hình 2 6: Hình mặt cắt ngang ngưỡng tràn 32

Hình 2.7: Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret 35

Hình 2 8: Hệ thống phần mềm TELEMAC (www.opentelemac.org) 36

Hình 3.1: Hình 3D tràn Hồ chứa nước Quang Hiển – Bình Định 46

Hình 3.2: Mô tả một lưới ba chiều Telemac-3D 47

Hình 3.3: Tạo lưới cho phần ngưỡng và máng bên 48

Hình 3.4: Tạo lưới cho phần dốc nước 48

Hình 3.5: Số lượng nút và phần tử mô hình tính toán 50

Hình 3.6: Hình ảnh nước qua tràn ứng với mực nước hồ 60.77m 51

Hình 3.7: Mặt bằng tràn và vị trí cho kết quả mô hình 52

Hình 3.8: Đồ thị lưu lượng cửa vào tràn Q đo = 14.834 m3/s 52

Hình 3 9: Đồ thị lưu tốc cuối máng ứng với Q đo = 14.834 m3/s 53

Hình 3.10: Đồ thị lưu lượng đầu cửa tràn Q P=1.0% 54

Hình 3 11: Đồ thị lưu tốc cuối máng ứng với Q 1% = 190.00 m3/s 54

Hình 3.12: Đồ thị lưu lượng đầu cửa tràn Q P=0.2% 55

Hình 3.13: Hình mô tả vùng xoáy đầu máng 56

Hình 3.14: Vùng xoáy đầu máng không còn 57

Hình 3.15: Đồ thị lưu tốc đầu máng lớp 2 (Q P=1,0% ) 57

Hình 3.16: Hình dạng mực nước chảy qua nước và trong máng 58

Hình 3.17: Đồ thị mực nước ngang máng và dọc công trình (Q P=1.0% ) 58

Hình 3.18: Đồ thị mực nước ngang máng và dọc máng (Q P=0.2% ) 59 Hình 3.19: Đồ thị lưu tốc trước ngưỡng, ngang máng và dọc máng tràn Q P=0,2% 62 Hình 3.20: Đồ thị lưu tốc trước ngưỡng, ngang máng và dọc máng tràn Q P=1,0% 63

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, nó ảnh hưởng rất lớn đến sự sống còn của con người, nó có những mặt tích cực và những mặt tiêu cực rất lớn, có khi là hiểm họa của nhân loại, nếu chúng ta không biết phát huy, hạn chế và bảo vệ nó Do đó, ngày nay nhiệm vụ chính của các nhà khoa học nghiên cứu về dòng chảy của nước là nghiên cứu tìm ra những lợi ích to lớn của nó và những mặt bất lợi để hạn chế phục vụ cho cuộc sống con người ngày càng an toàn hơn, thân thiện hơn Có nhiều giải pháp đem đến lợi ích cho con người, trong đó có giải pháp xây dựng công trình thủy như: công trình dâng nước phục vụ phát điện, tưới, tiêu, hạn chế ngập lụt ở hạ lưu, công trình bảo

vệ giảm nhẹ thiên tai do bão, lũ lụt gây ra

Công trình hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định được xây dựng và đưa vào

sử dụng từ năm 2006 Nhiệm vụ công trình là cấp nước tưới phục vụ sản xuất nông nghiệp và nước sạch cho vùng đồng bào miền cao của huyện Vân Canh Trong tổng thể cụm công trình đầu mối của hồ chứa, công trình tràn tháo lũ là một hạng mục quan trọng nhất và không thể thiếu được Do đặc thù của công trình tháo lũ là dòng chảy qua công trình thường là dòng chảy xiết, sinh ra các hiện tượng vật lý bất lợi cho công trình tràn nói chung Đặc thù công trình tràn hồ Quang Hiển là máng tràn ngang, dòng chảy sau ngưỡng là dòng biến lượng theo 3 hướng, xoắn ốc khá phức tạp trong máng ngang Đối với công trình cấp III trở xuống như công trình tràn hồ chứa nước Quang Hiển, khi thiết

kế công trình chỉ áp dụng Quy chuẩn, Tiêu chuẩn, sổ tay tính toán hiện nay còn nhiều tồn tại và hạn chế, chưa phản ánh dòng chảy thực của công trình máng tràn ngang

Do đó, đề tài luận văn được chọn: “Ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy qua máng tràn ngang Hồ chứa nước Quang Hiển, Tỉnh Bình Định” để nghiên cứu

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Ứng dụng mô hình TELEMAC-3D để mô phỏng dòng chảy qua công trình máng tràn ngang hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định, nhằm xác định:

+ Tính hợp lý của hình dạng, kích thước các bộ phận công trình tràn xả lũ; xem xét đánh giá các tồn tại, bất lợi về mặt thủy lực của việc bố trí các hạng mục công trình tràn xả lũ máng ngang;

+ So sánh kết quả tính toán trên mô hình toán với kết quả tính toán theo thiết kế

cổ điển, để từ đó đánh giá, nhận xét tính ưu việc giữa 2 phương pháp tính, giúp cho các

kỹ sư thiết kế có tầm nhìn tổng quát hơn, khoa học hơn

3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a Đối tượng nghiên cứu:

- Công trình tràn xả lũ hồ chứa nước Quang Hiển: xác định khả năng xả lũ của

tràn, đường mực nước sau ngưỡng tràn và bình đồ dòng chảy, chế độ thuỷ lực trong máng tràn ngang;

- Xác định các đặc trưng của dòng chảy: lưu tốc, áp suất, độ sâu của dòng chảy tại một số vị trí xung yếu trong máng ngang Xác định đường mực nước ngang và dọc trong máng ngang và độ dốc công trình nối tiếp ảnh hưởng đến chế độ thủy lực máng ngang…

- So sánh các đặc trưng của dòng chảy tính toán bằng mô hình Telemac-3D với phương pháp tính cổ điển để đề xuất giải pháp thiết kế công trình tràn hợp lý và hiệu quả

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 quan trắc, vận hành khai thác; nghiên cứu cơ sở lý thuyết các thông số thủy lực ở cửa vào, ngưỡng tràn, dòng chảy

trong máng, dốc nước, tiêu năng, kênh nối tiếp hạ lưu …và xem xét những tác động của dòng chảy biến lượng 3 chiều trong máng ngang, dòng chảy có lưu tốc cao khi tràn làm việc trên dốc nước

- Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu có liên quan

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình số và xây dựng phần mềm tính toán, so sánh với các phương pháp tính cổ điển hiện đang áp dụng

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Việc nghiên cứu dòng chảy qua máng tràn ngang bằng mô hình toán 3 chiều rất có

ý nghĩa đối công trình không yêu cầu làm mô hình thí nghiệm Thông qua việc chạy mô hình, ta có thể sơ bộ biết được các thông số thủy lực bất lợi khi tràn làm việc Từ đó xác định hình dạng, kích thước, kết cấu công trình cho phù hợp về mặt thủy lực và hiệu quả kinh tế Hơn thế nữa, mô hình có thể chạy nhiều phương án khác nhau khi thay đổi về độ dốc đáy máng, độ dốc công trình nối tiếp sau máng, hay các cấp lưu lượng khác nhau để tìm ra các yếu tố thủy lực bất lợi nhất, …nhằm tìm ra phương án tốt nhất để thiết kế xây dựng công trình có độ tin cậy cao hơn

6 CẤU TRÖC LUẬN VĂN

Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, gồm có 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về dòng chảy qua tràn xả lũ

Chương 2: Lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn bằng mô hình TELEMAC-3D Chương 3: Áp dụng mô hình toán TELEMAC-3D mô phỏng dòng chảy qua công trình tràn xả lũ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ

1.1 CÔNG TRÌNH TRÀN TIÊU BIỂU

1.1.1 Tình hình xây dựng, công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới

Công trình thủy lợi phục vụ cho sản xuất nông nghiệp có từ ngàn xưa, từ khi con người biết chống chọi với thiên nhiên hạn hán, lũ lụt .Để đảm bảo sự sinh tồn, con người đã vận động phát triển và tìm mọi cách khai thác, chế ngự thiên nhiên phục vụ lại con người

Từ đó đến nay, ngành công trình thủy đã và đang phát triển rất mạnh Cụ thể các nước tiên tiến trên thế giới ở Châu Mỹ, Châu Âu phát triển rất mạnh vào đầu những năm thế kỹ XX Ở Châu Á phát triển giai đoạn cuối thế kỹ XX như Trung Quốc là một điển hình Còn ở Việt Nam khi giành lại độc lập dân tộc năm 1945 mới bắt đầu hình thành ngành thủy lợi – Thủy điện Sau đây là một số hình ảnh về công trình tràn tiêu biểu của

thế giới đã xây dựng (Trích từ internet: 10 Đập nước lớn nhất thế giới – Phần 1)

Đập Grand Coulee, Mỹ

+ Trên sông Columbia + Cung cấp 6.809 MW điện và cấp nước 671 mẫu Anh

Hình 1 1: Đập Gran Coulee, Mỹ

Đập Tam Điệp, Trung Quốc

+ Trên sông Trường Giang + Năm tích nước 2003 + Tổng công suất điện: 22.500 MW + Chiều dài đập: 2.355m

+ Chiều cao đập: 181m

Hình 1 2: Đập Tam Điệp, Trung Quốc

Đập Itaipu, biên giới Brazil và Paraguay

+ Trên sông Parana biên giới giữa Brazin và Paraguay

+ Tổng công suất điện: 14.000 MW + Chiều dài đập: 7.235m

Hình 1 3: Đập Itaipu, biên giới Brazil và Paraguay

Đập Guri, Venezuela

+ Trên sông Caronni + Tổng công suất điện: 10.235 MW + Chiều dài đập: 7.235m

+ Chiều đập: 162m

Hình 1 4: Đập Guri, Venezuela

Đập Tucurui, Brazil

+ Trên sông Tocantins + Chiều dài đập: 6.900m + Chiều đập: 78m

+ Cung cấp điện 13 triệu người và 60% lượng điện phục vụ công ngành công nghiệp

Hình 1.5:Đập Tucurui, Brazil

1.1.2 Tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện ở nước ta

Do đất nước ta ra đời sau, đồng thời bị chiến tranh nên ngành thủy lợi chưa phát triển so với các nước khác Những năm cuối thế kỹ XX và đầu thế kỷ XXI mới xây dựng đáng kể, để phát triển kinh tế xã hội

Năm 2015 theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Việt Nam có 6.648 hồ chứa nước lớn nhỏ các loại, với tổng dung tích các hồ đạt đến 35,34 tỷ m3

; trong đó có 26 hồ thuỷ điện với 27,12 tỷ m3 và còn lại là các hồ thủy lợi

Bảng 1- 1:Một số công trình tiêu biểu ở Việt Nam

TT Tên công

trình Địa điểm Hình thức tiêu năng

H tràn (m)

B tràn (m)

Q xả max (m 3 /s)

2 Cửa Đạt Thanh Hóa Dốc nước, mũi phun 17 75 11600

3 Nước Trong Quảng Ngãi Đập trà – Bể Tiêu Năng 14 62.5 6728

4 Sê San 3 Kon Tum Đập tràn, mũi phun 16,3 90 17536

6 Bình Điền T Thiên Huế Đập tràn, mũi phun 12,96 50 4519

7 SRêPok 3 Đak Nông Đập tràn, mũi phun 15,5 75 12320

8 NậmChiến Sơn La Đập tràn, mũi phun 5,63 80 2387

9 Đại Ninh Bình Thuận Dốc nước, mũi phun 18,6 52 5676

Đập thủy điện Hòa Bình, Hòa Bình

Trên sông: Đà Năm hoàn thành: 1988 Hình thức tiêu năng: Mũi phun xoắn Tràn xả lũ gồm: 6 cửa van (Trong đó 12 cửa xả đáy)

Lưu lượng xả lũ: 35.400m 3 /s Công suất phát điện: 19.200MW

Hình 1 6: Đập thủy điện Hòa Bình, Hòa Bình

Hồ Nước Trong, Quảng Ngãi

Trên sông: Nước Trong Năm hoàn thành: 2010 Hình thức tiêu năng: Bể tiêu năng Tràn xả lũ gồm: 5 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 6.728m 3

/s Công suất phát điện: 16MW

Hình 1 7: Hồ Nước Trong, Quảng Ngãi

Đập Định Bình, Bình Định

Trên sông: Kone – Bình Định Dung tích hữu ích: 170 x 10 6 m 3 Chiều dài đập: 380m (571m) Chiều cao đập: 54,5m

Diện tích tưới: 7.800 ha

Hình 1.8:Đập Hồ chứa nước Định Bình

1.1.3 Nhận xét về công trình tháo lũ ở nước ta

Các công trình tháo lũ có quy mô vừa và lớn ở nước ta phần lớn là loại đập tràn, đường tràn dọc, có kích thước lớn, kiểu dáng đa dạng và có lưu lượng tháo lũ rất lớn Còn dạng đường tràn ngang ít thấy áp dụng cho các công trình lớn

1.2 CÁC VẤN ĐỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÕNG CHẢY QUA CÁC TRÌNH THỦY LỢI

1.2.1 Khái niệm về mô hình toán của dòng chảy

Theo quy chuẩn 04-05:2012 các công trình Thuỷ lợi -Thuỷ điện từ cấp II trở lên để phục vụ cho công tác thiết kế cần phải có kết quả nghiên cứu thí nghiệm mô hình thuỷ lực (Mô hình vật lý), kết hợp với chạy mô hình toán để đưa ra các thông số thiết kế hợp

lý Việc tính toán lý thuyết bằng mô hình toán và mô hình vật lý cũng chưa phản ánh đúng thực tế khi tràn làm việc, cũng cần kiểm chứng thực tế một số công trình tương tự,

để đưa ra kết quả thiết kế tốt nhất Đối với các công trình này rất mất nhiều thời gian và kinh phí thực hiện trong quá trình xây dựng mô hình vật lý

Đối với các công trình thủy lợi, thủy điện có quy mô cấp III trở xuống vừa và nhỏ không có yêu cầu về mô hình thí nghiệm thì việc tính toán gần đúng theo Quy chuẩn, Tiêu chuẩn, Sổ tay tính toán cũng chưa mô tả hết các hiện tượng vật lý khi tràn làm việc,

và nhất là công trình tràn có máng ngang rất phức tạp Để giải quyết vấn đề này, tác giả muốn xem xét kết quả tính bằng mô hình toán so sánh với kết quả tính toán bằng công thức cổ điển hiện nay đang áp dụng hoặc có thể mở rộng kết hợp với số liệu thực đo ngoài thực địa khi tràn làm việc trong mùa lũ, để đưa ra phương án thiết kế tốt nhất Trước hết ta nói về mô hình toán là gì?

Trong nhiều lĩnh vực thực tế hàng ngày của chúng ta hiện nay đều phải thực hiện các phép tính toán từ đơn giản đến phức tạp Từ cộng trừ nhân chia đến các phép tính đạo hàm, vi phân, tích phân; rồi đến cao hơn dùng phương pháp số như sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn gọi chung là công cụ toán học và sử dụng chúng để giải quyết các bài toán thực tế hàng ngày từ đơn giản đến phức tạp Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, kĩ thuật máy tính và các công cụ toán học hiện đại, mô hình toán học đã được phát triển nhanh và trở thành công cụ nhanh mạnh, không thể thiếu đối với người làm công tác khoa học kỹ thuật nói chung, nói riêng cho ngành nghiên cứu về dòng chảy

có mặt thoáng rất thiết thực trong cuộc sống của chúng ta ngày nay

Các bước cơ bản để xây dựng một mô hình toán (Theo bài viết của TS Tô Văn

Trường – Về các mô hình toán của dòng chảy):

+ Lựa chọn phương trình hay hệ phương trình toán học mô tả các qúa trình vật lý hoặc bài toán mà ta phải giải quyết Trong thực tế các bài toán kĩ thuật thì các phương trình, hệ phương trình cơ bản đều là các phương trình vi phân, tích phân, đạo hàm riêng không thể giải quyết chúng bằng tay được mà nhờ vào phương pháp số và máy tính Thông thường để có được các phương trình cơ bản mô tả quá trình vật lý nào đó ta thường áp dụng các định luật bảo toàn cho các quá trình vật lý đó như bảo toàn khối lượng, bảo toàn momen động lượng hay bảo toàn năng lượng Tùy theo yêu cầu của bài toán có thể mô hình bảo toàn hoặc không bảo toàn

+ Đối với bài toán kĩ thuật phức tạp mô tả bởi các phương trình đạo hàm riêng thì cần phải có điều kiện biên, điều kiện ban đầu, các tham số và hệ số trong phương trình + Các phương trình mô tả nêu trên thường không có nghiệm giải tích hay nghiệm chính xác, vì thế phải dùng phương pháp số để tìm kết quả gần đúng Có nhiều phương pháp số để giải quyết nó phụ thuộc vào trình độ và kiến thức của người lập mô hình + Với sự phát triển rất nhanh của kỹ thuật máy tính, hầu hết các phương pháp số đều có thể chạy trên máy tính với thuật toán số tương ứng đã lập trình và chạy được thông qua máy tính Đây là bước không thể thiếu khi xây dựng mô hình toán

+ Chạy một số bài toán mẫu để đảm bảo rằng kết quả tính toán phản ánh tương đối chính xác các qui luật vật lý của quá trình mô phỏng Chẳng hạn kết quả tính được bảo toản khối lượng, như cân bằng nước, độ mặn không được số âm Nếu thấy kết quả sai cần xem xét lại từ bước đầu tiên

Với 5 bước chính nêu trên ta có một mô hình toán học Độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào mô hình và số liệu đầu vào Vì vậy, khi sử dụng bất kỳ một mô hình nào cũng cần phải thực hiện bước sau:

+ Hiệu chỉnh mô hình: Khi giải quyết bất kì một bài toán kỹ thuật nào kết quả của

mô hình đều phụ thuộc vào số liệu đầu vào và các tham số mô hình Dựa vào một số số liệu đầu vào đã được đo đạt chính xác và chạy mô hình với từng tập số liệu đã thay đổi; khi chạy với tập tham số mô hình nào mà kết quả tính toán gần nhất với kết quả thực đo, thì tập tham số này được chọn làm tham số cho mô hình Công việc này gọi là hiệu chỉnh

mô hình

+ Kiểm định mô hình: Một mô hình đã hiệu chỉnh tốt cần phải chạy với một tập số

liệu khác để kiểm tra xem các tham số mô hình đã được xác định có đúng với trường hợp khác không; nếu kết quả tính không sai nhiều so với kết quả thực đo thì mô hình đó

có thể gọi mô hình kiểm định và được dùng để tính toán cho các kịch bản khác nhau Theo thống kê thì tất cả các công trình tràn xả lũ đã xây dựng đều có mặt cắt dạng Ô-fi-xê-rôp Đây là loại dạng mặt cắt không có hệ số lưu lượng lớn Dòng chảy trong dốc nước có thể ở trạng thái chảy êm hay chảy xiết Trên các đường tràn, dốc nước ở các công trình thủy lợi đầu mối thường là dòng chảy xiết Các dạng công trình này thường có đoạn thu hẹp nhằm chuyển tiếp dòng chảy sau đập tràn đỉnh rộng hoặc mặt cắt thực dụng với đoạn dốc không thu hẹp ở phía sau Không như dòng chảy êm biến đổi dần, trong dòng chảy xiết có thể xuất hiện các hiện tượng như: sóng lăn, trộn khí, hay khí thực Thêm vào đó nếu số Froude của dòng chảy lớn, sự xuất hiện của sóng đứng hay sự dao động của mặt nước trên dốc là vấn đề cần lưu ý khi tính toán thủy lực hay thiết kế đường tràn

Đối với công trình tháo nước nói chung cũng như đối với đập tràn cao nói riêng thì dòng chảy qua đập có lưu lượng và lưu tốc thường là rất lớn, nó tác động đến quá trình làm việc của công trình tháo nước Các dòng chảy lưu tốc cao có những nét đặc thù là:

- Có mức độ xáo trộn mãnh liệt, mạch động áp lực, lưu tốc… có trị số lớn, ảnh hưởng trực tiếp tới ổn định và độ bền của công trình

- Quán tính của một đơn vị thể tích nước rất lớn, trong khi trở lực của độ nhớt không thể hiện rõ ràng

- Dòng chảy rất nhạy bén với đường biên: các nhiễu động phát sinh tại một điểm bất kỳ trong dòng chảy có thể được truyền đi và gây ảnh hưởng trong một phạm vi rất rộng xuôi theo chiều dòng chảy

Khi xem xét xử lý các hiện tượng thủy lực đặc biệt trên các bộ phận của công trình

xả nước có cột nước cao, hay dòng chảy biến lượng 3 chiều trong máng ngang cần phải xem xét tới tác động của dòng xoáy lên các bộ phận công trình:

- Đặc trưng mạch động của tải trọng thủy động gây nên ứng suất mỏi trong các kết cấu; khí thực và xâm thực khí thực

- Hàm khí và thoát khí làm thay đổi chiều sâu dòng chảy gây chấn động hoặc nước

va trong đường xả kín

- Sự hình thành và truyền sóng nhiễu trong lòng dẫn không áp, khả năng mài mòn thành lòng dẫn khi dòng chảy mang theo nhiều bùn cát thô

1.2.2 Những vấn đề cần nghiên cứu dòng chảy trong máng ngang

Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều công trình khoa học nghiên cứu về dòng chảy sau đập tràn Những thành quả của các nhà khoa học đã đóng góp không nhỏ cho sự phát triển kinh tế đất nước trong năm gần đây cuối thế kỉ XX và đầu thế kỉ XXI Cụ thể các

công trình tiêu biểu được thống kê ở mục 1.1.2 Những thành tựu đạt được ở trên, phần

lớn nghiên cứu về dòng chảy có lưu tốc cao, có hàm khí thực, dòng chảy trong bể tiêu năng, dòng chảy hạ lưu công trình đều nhằm mục đích tìm ra các yếu tố thủy lực bất lợi nhất, đề xuất giải pháp công trình hợp lý, công trình ổn định lâu dài

Về dòng chảy biến lượng sau ngưỡng tràn của đường tràn ngang có rất ít nghiên cứu về nó Đây cũng là vấn đề rất khó khăn cho các kỹ sư thiết kế công trình khi phải gặp loại công trình này, Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9147:2012 - Công trình thủy lợi – Qui trình tính toán thủy lực đập tràn cũng không đề cập đến vấn đề này Hiện nay, lý thuyết, tài liệu nghiên cứu về dòng chảy trong máng tràn ngang không nhiều Trong giáo

trình Thủy công tập 2 hay Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi chỉ

trình bày các phương pháp tính gần đúng để xác định đường mực nước trong máng, từ đó xác định sơ bộ kích thước và độ dốc đáy công trình Do điều kiện ban đầu của các phương pháp này là dòng chảy trong máng là dòng đều, ổn định, nên kết quả cũng chỉ mang tính gần đúng Thực tế dòng chảy trong máng sau ngưỡng tràn là dòng chảy biến lượng 3 chiều, xoắn ốc, khá phức tạp Luận văn chọn đề tài này để nghiên cứu

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 của dòng chảy trong máng tràn ngang là một vấn đề rất quan trọng trong các công trình tháo nước qua đập tràn Nó ảnh hưởng rất lớn đến kinh phí thực hiện, quá trình làm việc cũng như tuổi thọ của các công trình tháo nước Công trình tràn trong đầu mối thủy lợi đóng một vai trò rất quan trọng Các công trình nêu trên phần lớn là kiểu tràn dọc Tràn ngang có điều kiện xây dựng rất đặc biệt, một khi không tìm được vị trí xây dựng được đường tràn dọc thì buộc phải xây dựng dựng tràn ngang, công trình tràn thường nằm ở vị trí vách núi đá có độ dốc cao, ảnh hưởng rất lớn đến

kinh phí xây dựng công trình, nếu như tính toán thiết kế chưa phù hợp với chế độ làm việc của tràn

Do vai trò quan trọng của công trình tháo lũ, 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

xả lũ và ứng dụng hệ thống mô hình toán Telemac – Mascaret để tính toán dòng chảy qua tràn và so sánh với phương pháp tính cổ điển hiện nay đang áp dụng

CHƯƠNG II

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ

MÔ HÌNH TELEMAC-3D

2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU MÔ PHỎNG MÔ HÌNH TOÁN

2.1.1 Mục đích mô phỏng bằng mô hình toán

Dòng chảy sau đập tràn thường là dòng chảy có các dạng như sau: dòng chảy xiết

có lẫn khí thực trên ngưỡng tràn, dốc nước, dòng chảy biến lượng, xoắn ốc trong máng ngang, dòng chảy bị thu hẹp dần hay phóng xa Do đó cần phải nghiên cứu kỹ các yếu

tố thủy lực bất lợi do nó gây ra, để có biện pháp xử lý, phù hợp Các phương pháp cổ điển tính toán hiện nay là dòng chảy ổn định, một chiều không thể mô tả đúng hiện tượng vật lí mà tràn làm việc, nên rất cần thiết dùng mô hình toán để mô phỏng Luận văn ứng dụng mô hình toán TELEMAC-3D để mô phỏng dòng chảy qua công trình xả lũ máng tràn ngang của hồ chứa nước Quang Hiển, nhằm xác định:

- Tính hợp lý của hình dạng, kích thước máng tràn ngang, xem xét đánh giá các tồn tại, bất lợi về mặt thủy lực của công trình

- So sánh kết quả tính toán giữa mô hình và phương pháp tính toán cổ điển, giữa kết quả mô hình và số liệu thực đo thực tế khi tràn làm việc

- Thông qua mô hình đánh giá, tồn tại, từ đó đề xuất kiến nghị, sửa đổi lựa chọn phương án tối ưu đảm bảo công trình xả lũ vận hành an toàn và hiệu quả

2.1.2 Qui trình kiểm định mô hình và nội dung nghiên cứu

a Qui trình kiểm định mô hình:

- Trước hết xây dựng mô hình dựa theo TCVN 8214-2009 – Thí nghiệm mô hình thủy lực công trình thủy lợi, thủy điện;

- Tiến hành chia lưới và xây dựng bản đồ DEM tính toán cho công trình Đảm bảo thể hiện đúng hình dạng công trình tính toán, đặc biệt tại các vị trí thay đổi lớn về hình dạng;

- Khai báo đúng hệ số nhám tại các vị trí và thành bên công trình;

- Lắp đặt các thiết bị quan trắc tại các vị trí dòng chảy thay đổi lớn;

- Gán điều kiện biên, điều kiện ban đầu;

- Tiến hành mô phỏng và kiểm tra trực quan kết quả trên mặt bằng Hiệu chỉnh sơ

bộ hệ số nhám tại các vị trí;

- Trích xuất vận tốc tại các vị trí có dữ liệu đo đạc Sau đó tiến hành hiệu chỉnh các thông số để kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả quan trắc Các thông số hiệu chỉnh chính: Mô hình rối, sơ đồ đối lưu, sơ đồ khếch tán;

- Bộ thông số mô hình kiểm định của Tràn Nặm Cắt:

+ Hệ số nhám Manning (n): Đáy: n = 0.028, thành bên: n = 0.025

+ Sơ đồ số: Sơ đồ đối lưu (Sơ đồ ẩn MURD PSI (Positive Streamwise Invariant),

mô hình rối k-

b Nội dụng nghiên cứu:

Công trình tràn xả lũ hồ chứa nước Quang Hiển: xác định khả năng xả lũ của tràn,

đường mực nước dọc và ngang tuyến máng ngang và bình đồ lưu tốc dòng chảy, chế độ thuỷ lực trong máng ngang và dốc nước Xác định lưu tốc, áp suất của dòng chảy tại một

số vị trí xung yếu gây bất lợi cho công trình

Luận văn ứng dụng mô hình Telemac-3D để tính toán các thông số thủy lực Do công trình hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh bình Định không có tài liệu thí nghiệm trên

mô hình vật lý, nên tác giả mượn bộ thông số mô hình đã được nghiên cứu cho công

trình Tràn xả lũ hồ chứa nước Nặm Cắt, tỉnh Bắc Kạn để nghiên cứu, so sánh với kết quả

tính toán giải tích một chiều Mục đích giúp kỹ sư thiết kế có cái nhìn tổng quát hơn, khoa học hơn và phần nào nâng cao độ tin cậy khi thiết kế công trình hay giúp cho các nhà nghiên cứu tìm ra qui luật một yếu tố nào đó mà thí nghiệm không làm được

Nội dung nghiên cứu được thể hiện theo bảng dưới đây:

Bảng 2- 1: Nội dung nghiên cứu mô phỏng mô hình tràn

2.2TÀI LIỆU ĐƢỢC CUNG CẤP PHỤC VỤ MÔ HÌNH

2.2.1Giới thiệu chung

2.2.1.1.Giới thiệu dự án

Tên dự án: Hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định

Địa điểm xây dựng: Cụm công trình đầu mối được xây dựng trên địa bàn xã Canh Hiển, huyện Vân Canh, tỉnh Bình Định

Chủ đầu tư: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

2.2.1.3.Tóm tắt quy mô dự án

- Cấp công trình: Theo TCXDVN 285: 2002 (Hiện nay Tiêu chuẩn này đã được thay thế bằng QCVN 04-05:2012/BNNPTNT): Công trình đầu mối: Cấp III, hệ thống cấp nước: Cấp IV

- Tần suất thiết kế:

Bảng 2- 2:Bảng tần suất thiết kế của công trình

5 Tần suất đảm bảo cấp nước sinh hoạt và công nghiệp % 90

-Các thông số chính của dự án

Bảng 2- 3: Các thông số kỹ thuật chính của công trình

I Các thông số thủy văn

4 Lưu lượng lũ:

Lưu lượng lũ thiết kế P = 1,0% m3

7 Cao trình đống đá tiêu nước hạ lưu m + 43.00

IV Tràn xả lũ

4 Lưu lượng xả lũ kiểm tra P = 0,2%

5 Ứng với tần suất thiết kế P=1,0%

2.2.2 Tài liệu thủy văn

Hồ chứa nước Quang Hiển được tạo bởi một đập trên trên suối Hòn Khô, là một chi lưu hữu ngạn sông Hà Thanh.Thuộc xã Canh Hiển, huyện Vân Canh, tỉnh Bình Định Căn cứ vào tài liệu thiết kế công trình và số liệu quan trắc các năm gần đây của Công ty TNHH Khai Thác Công Trình Thủy Lợi Bình Định, như sau:

2.2.2.1 Tài liệu thủy văn thiết kế công trình:

2.2.2.2 Tài liệu quan trắc:

Từ khi công trình đưa vào khai thác đến nay, Công ty TNHH Khai thác Công trình Thủy lợi đã đầu tư hệ thống quan trắc đo mưa, mực nước hồ và tính toán tổng lưu lượng qua công trình Hiện nay, Công ty chưa tiến hành đo đạt lưu lượng, lưu tốc, mực nước sau tràn, nên có phần hạn chế về số liệu tính toán phục vụ cho luận văn Sau đây là biểu đồ quan hệ lưu lượng tràn và mực nước trong hồ các năm lớn gần đây:

Hình 2.2:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2009

57.50 58.00 58.50 59.00 59.50 60.00 60.50 61.00 61.50 62.00 62.50

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

Hình 2.3:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2016

Hình 2.4:Quan hệ Q=f(Zhồ) năm 2016

2.2.3 Tài liệu địa hình

Bình đồ tỷ lệ 1 500 công trình đầu mối

Bình đồ tỷ lệ 1 1000 đo vẽ tổng mặt bằng công trường

Bình đồ tỷ lệ 1 2.000 đo vẽ lòng hồ

55.00 56.00 57.00 58.00 59.00 60.00 61.00 62.00

0.00 5.00 10.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

60.40 60.50 60.60 60.70 60.80 60.90 61.00 61.10

Hình 2.5:Mặt bằng tràn xả lũ Hồ chứa nước Quang Hiển – Tỉnh Bình Định

2.3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THỦY LỰC TRÀN MÁNG BÊN

2.3 1Tính toán thủy lực cho ngƣỡng tràn

Ngưỡng tràn của đường tràn ngang thường dung hình thức tràn đỉnh rộng và thực dụng Ở đây, ngưỡng tràn hồ chứa nước Quang Hiển có mặt cắt thực dụng Để tránh chảy ngập và làm giảm khả năng tháo nước của tràn, mực nước trong máng không vượt quá 0.4H

so với ngưỡng tràn (H: chiều cao cột nước trên ngưỡng tràn)

- Hình dạng mặt cắt ngang ngưỡng tràn thực dụng hồ Quang Hiển:

+ Q (m3 s): Lưu lượng tháo qua tràn

+ n: Hệ số ngập

+ : Hệ số co hẹp ngang

+ m: Hệ số lưu lương

+ H(m): Chiều cao cột nước trên ngưỡng tràn

2.3.2 Tính toán thủy lực máng ngang

Theo giáo trình Thủy công Tập 2, các phương pháp tính toán thủy lực máng tràn ngang

2.3.2.1 Phương pháp đơn giản của Giáo sư E.A.Zamarin

Xem dòng chảy trong máng bên là dòng đều, lưu tốc trong máng bên, nếu tiếp nối sau máng là đường dẫn kín thì xem lưu tốc cuối máng bằng lưu tốc cho phép của vật liệu làm máng (v ≈ vcp), nếu là đường dẫn hở thì v ≤ vk, trong đó vk là lưu tốc phân giới ở mặt cắt cuối máng Trình tự tính toán như sau:

- Chia máng bên ra thành từng đoạn, với khoảng cách của các mặt cắt kể từ đầu máng bên là x1, x2, x3, xn;

- Lưu lượng qua các mặt cắt x được xác định:

√ (2 – 3) Trong đó:

+ x(m): Khoảng cách từ mặt cắt tính toán đến mặt cắt đầu máng

+ m: Hệ số modun lưu lượng

+ H(m): Chiều cao cột nước tràn

hw = L.itb (L: khoảng cách giữa 2 mặt cắt) (2-6) Trình tự các bước trên có thể lập thành bảng tính và dễ dàng xác định độ sâu mặt nước trong máng và vẽ được đường mực nước trong máng Từ đó xác định được cao độ đáy máng

Kết quả tính toán theo phương pháp này chỉ là gần đúng để sơ bộ xác định kích thước

bể máng bên Đối với công trình quan trọng cần tính toán kiểm tra theo phương pháp khác

2.3.2.2 Phương pháp dòng biến lượng

Giả thuyết dòng chảy trong máng là ổn định Công thức vẽ đường mực nước trong máng:

–

(2-7) Trong đó:

+ v(m/s): Lưu tốc dòng chảy tại mặt cắt tính toán

+ Q(m3/s): Lưu lượng tại mặt cắt

+ z(m) và p: Tọa độ và áp lực thủy động tại một điểm của mặt cắt

+ if: Độ dốc ma sát

+ θ: Hình chiếu của lưu tốc dòng nhập vào lên phương của dòng cơ bản trong máng bên

+ α0: Hệ số sửa chữa lưu tốc

Công thức (2-7) có thể viết lại dưới dạng:

–

(2-8) -Gọi y là tọa độ của mặt nước tại mặt cắt x tính toán so với mặt chuẩn nằm ngang:

y = z + p γ (2-9) -Xét 2 mặt cắt tương đối gần nhau và cách nhau một đoạn x, công thức (2-8) viết lại dưới dạng sai phân ta có:

y1 – y2 = h + i0.x (2-11) Trong đó:

+ h: Độ chênh mực nước giữa 2 mặt cắt

Phương pháp này cho kết quả tính toán tương đối chính xác Nhưng thực tế lại mỗi mặt cắt trong máng mực nước không nằm ngang, thường mực nước tại thành đối diện với ngương tràn cao hơn so với các điểm khác cùng mặt cắt

Vì dòng chảy trong máng bên là dòng biến lượng ba chiều, rất phức tạp Do đó, đề tài của luận văn là mô phỏng dòng chảy tràn theo mô hình toán Telemac-3D để xem xét, so sánh và nhận xét kết quả để phục vụ cho thiết kế công trình vừa và nhỏ

2.3.2.3 Các phương pháp khác

a Phương pháp T.R.Camp và W.E.Howloml:

Xuất phát từ nguyên lý động lượng, và cho b không thay đổi, công thức tính như sau:

2.4 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHẦN MỀM TELEMAC

Hình 2.7: Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret

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 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, )

Ưu điểm vượt trội cả hệ thống TELEMAC là tất cả các mô hình thành phần đều được song hành hóa việc tính toán (parallelisation) Khi chạy TELEMAC trên các hệ thống máy

có nhiều processors, TELEMAC cho thời gian tính nhanh hơn

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

Hình 2 8: Hệ thống phần mềm TELEMAC (www.opentelemac.org)

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

2.4.2 Thủy lực 2 chiều (2D):

TELEMAC-2D là mô hình tính dòng chảy 2 chiều ngang, giải hệ phương trình Venant, bao gồm mô phỏng hiện tượng truyền các chất hòa tan TELEMAC-2D có hai phiên bản, hai phương pháp tính khác biệt nhau:

Saint Phần tử hữu hạn: Hệ phương trình SaintSaint 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 hình tính dòng chảy 3 chiều, giải hệ phương trình 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)

Navier-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

+ SEDI-3D: Giải bài toán tải bùn cát 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