Tài liệu Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Viết Thanh LỜI CẢM ƠN 2 Luận án Tiến sĩ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và PGS.TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trường, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Thủy lực-Thủy Văn, Hội đồng Tiến sỹ Nhà trường vì đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Đặng Hữu Chung-Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam vì những sự giúp đỡ quý báu về thuật toán mô phỏng, xây dựng các mô hình thí nghiệm vật lý cũng như sự giúp đỡ, hướng dẫn về mặt kỹ thuật. Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn UBND tỉnh Quảng Bình đã đưa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn Lãnh đạo Ban Quản lý Khu kinh tế Quảng Bình đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu. Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Nguyễn Viết Thanh MỤC LỤC 3 MỞ ĐẦU.................................................................................................................. xi 0.1. Lý do để chọn đề tài......................................................................................xi 0.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án.........................................xii 0.2.1. Ý nghĩa khoa học..................................................................................xii 0.2.2. Ý nghĩa thực tiễn..................................................................................xiv 0.2. Mục đích nghiên cứu...................................................................................xvi 0.3. Cấu trúc của luận án....................................................................................xvi CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ XÓI, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU..........................................................................................................1 1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu...................................1 1.1.1. Khái niệm, phân loại xói.........................................................................1 1.1.2. Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu......................................................2 1.1.2.1. Khái niệm xói cục bộ trụ cầu................................................................2 1.1.2.2. Cơ chế xói cục bộ trụ cầu.....................................................................3 1.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước.............5 1.2.1. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới.............................5 1.2.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước...............................5 1.3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu......................6 1.3.1. Phương pháp giải tích............................................................................6 1.3.2. Phương pháp mô hình vật lý...................................................................7 1.3.3. Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường..........................................14 1.3.4. Phương pháp mô phỏng số....................................................................16 1.3.4.1. Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trên thế giới.................................................................................................................. 16 1.3.4.2. Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trong nước................................................................................................................21 1.3.4.3. Một số phần mềm mô phỏng thủy động lực học thông dụng trên thế giới hiện nay...................................................................................................22 1.4. Đánh giá chung............................................................................................30 1.4.1. Những thành tựu đạt được.....................................................................30 1.4.1.1. Trên thế giới.......................................................................................30 1.4.1.2. Trong nước.........................................................................................31 4 1.4.2. Những vấn đề còn tồn tại......................................................................31 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án...............................................................32 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................33 1.7. Nội dung và phương pháp nghiên cứu..........................................................34 1.8. Kết luận chương I..........................................................................................34 CHƯƠNG II - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ PHỎNG SỐ VÀ CÁCH THIẾT LẬP MÔ HÌNH BÀI TOÁN TÍNH XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU...............................35 2.1. Cơ sở lý thuyết và thuật toán của mô phỏng số............................................35 2.1.1. Hệ phương trình toán học cơ bản..........................................................35 2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên...............................................37 2.2. Phương pháp giải số đối với FSUM.............................................................40 2.3. Hệ thống tổng quát các file số liệu của FSUM.............................................44 2.4. Xây dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu trong FSUM.................47 2.4.1. Các giả thiết..........................................................................................47 2.4.2. Các bước thiết lập mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu đối với FSUM.............................................................................................................47 2.5. Các hiệu chỉnh mô hình số bài toán mô phỏng xói cục bộ trụ cầu................48 2.5.1. Thiết lập độ nhám theo khu vực............................................................48 2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết...................................................................................48 2.5.1.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh...............................................................51 2.5.2. Hiệu chỉnh tốc độ chìm lắng phần tử hạt.................................................52 2.5.2.1. Cơ sở lý thuyết......................................................................................52 2.5.2.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh...............................................................53 2.5.3. Thiết lập mô đun mô tả trường dòng chảy, vận tốc trước và sau trụ cầu dọc theo chiều dòng chảy................................................................................54 2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết...................................................................................54 2.5.3.2. Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc....................54 2.6. Kết luận Chương II.......................................................................................57 CHƯƠNG III - THÍ NGHIỆM VỀ XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU................................58 3.1. Giới thiệu về các thí nghiệm.........................................................................58 3.1.1. Mục tiêu và nguyên tắc xây dựng mô hình thí nghiệm..........................58 5 3.1.2. Mô tả thí nghiệm...................................................................................59 3.2. Trình tự thí nghiệm.......................................................................................61 3.2.1. Công tác chuẩn bị..................................................................................61 3.2.2. Trình tự các thí nghiệm.........................................................................62 3.2.2.1. Thí nghiệm thứ nhất...........................................................................62 3.2.2.2. Thí nghiệm thứ hai.............................................................................63 3.2.2.3. Thí nghiệm thứ ba..............................................................................64 3.3. Các quá trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm...........................................65 3.3.1. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ nhất........................65 3.3.2. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ hai..........................68 3.3.3. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ ba...........................71 3.4. Đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm.........................................................75 3.5. Kết luận chương III......................................................................................77 CHƯƠNG IV - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...........................................79 4.1. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đơn..........................................................79 4.1.1. Thiết lập hình học.................................................................................79 4.1.2. Thiết lập lưới mô phỏng........................................................................80 4.1.3. Xây dựng các điều kiện biên.................................................................81 4.1.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm............................................................................................................82 4.1.4.1. Cơ chế dòng chảy, trường véc tơ vận tốc và xói xung quanh trụ........82 4.1.4.2. Quá trình hình thành và phát triển xói cục bộ theo thời gian.............84 4.2. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt dọc theo hướng dòng chảy..........86 4.2.1. Thiết lập hình học.................................................................................86 4.2.2. Thiết lập lưới mô phỏng........................................................................87 4.2.3. Thiết lập các điều kiện biên...................................................................88 4.2.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm............................................................................................................89 4.2.4.1. Trường dòng chảy xung quanh trụ cầu..............................................89 4.2.4.2. Trường dòng chảy trước và sau trụ cầu theo phương dọc..................90 4.2.4.3. Xói cục bộ xung quanh các trụ cầu....................................................92 6 4.3. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt vuông góc với hướng dòng chảy.94 4.3.1. Xây dựng mô hình hình học..................................................................94 4.3.2. Thiết lập hình học và lưới mô phỏng.....................................................95 4.3.3. Thiết lập các điều kiện biên...................................................................96 4.3.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm............................................................................................................96 4.3.4.1. Trường dòng chảy và vận tốc xung quanh các trụ cầu.......................96 4.3.4.2. Xói cục bộ xung quanh các trụ cầu....................................................97 4.4. Kết luận chương IV......................................................................................99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................100 I. KẾT LUẬN...................................................................................................100 1. Những đóng góp chung của luận án..........................................................100 2. Những đóng góp mới của luận án.............................................................103 3. Những tồn tại, hạn chế................................................................................103 II. KIẾN NGHỊ..................................................................................................104 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN....................................................................................................106 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................107 PHỤ LỤC............................................................................................................... 120 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 0.1: Thống kê số lượng cầu hỏng ở Mỹ do xói cục bộ từ năm 1985-1995 Bảng 2.1: Giá trị hệ số nhám nb 7 Bảng 2.2: Giá trị hệ số nhám n3 Bảng 2.3: Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm thành phần hạt Bảng 3.2: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ nhất Bảng 3.3: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ hai Bảng 3.4: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ ba Bảng 3.5: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ nhất Bảng 3.6: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ hai Bảng 3.7: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ ba DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 0.1: Một số hình ảnh về hậu quả do xói cục bộ trụ cầu gây ra Hình 1.1: Phân loại xói Hình 1.2: Minh họa xói tại trụ và mố cầu Hình 1.3: Minh họa cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát quá trình tính toán của FSUM Hình 2.2: Thiết lập khu vực nhám cục bộ xung quanh trụ Hình 2.3: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun1 Hình 2.4: Miền hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt Hình 2.5: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun2 Hình 2.6: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun3 Hình 2.7: Sơ đồ khối bài toán mô phỏng tính xói cục bộ trụ cầu Hình 3.1a: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (1) Hình 3.1b: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (2) 8 Hình 3.1c: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (3) Hình 3.2: Tóm tắt sơ đồ thí nghiệm Hình 3.3: Phân phối thành phần hạt Hình 3.4: Bố trí trụ đơn đặt giữa tâm máng Hình 3.5: Bố trí trụ đôi đặt dọc theo hướng dòng chảy Hình 3.6: Bố trí trụ đôi đặt vuông góc với hướng dòng chảy Hình 3.7: Bố trí vị trí các điểm đo chiều sâu xói Hình 3.8: Hình ảnh hố xói xung quanh trụ sau khi kết thúc thí nghiệm Hình 3.9: Đường đồng mức chiều sâu xói xung quanh trụ sau thời gian thí nghiệm T=3 giờ Hình 3.10: Sự phát triển của chiều sâu xói cục bộ lớn nhất theo thời gian Hình 3.11: Bố trí vị trí các điểm đo chiều sâu xói Hình 3.12: Biểu đồ vận tốc tức thời 3 phương u (phương x), v (phương y) và w (phương z) Hình 3.13: Hình ảnh đường dòng xung quanh trụ Hình 3.14: Hình ảnh hố xói sau thời gian thí nghiêm T=5 giờ Hình 3.15: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian Hình 3.16: Sơ đồ vị trí các điểm đo chiều sâu xói Hình 3.17: Hình ảnh thí nghiệm thứ ba Hình 3.18: Hình dạng hố xói sau khi kết thúc thí nghiệm Hình 3.19: Đường đồng mức mặt đáy xung quanh trụ cầu sau 4.5 giờ thí nghiệm Hình 3.20: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian (thí nghiệm 3) Hình 3.21: Mặt thoáng khu vực xung quanh trụ Hình 4.1: Thiết lập hình học mô phỏng Hình 4.2: Lưới mô phỏng tổng thể Hình 4.3: Trường vận tốc dọc theo dòng chảy, trong hố xói và bao quanh trụ Hình 4.4: Mô phỏng đường dòng trước và sau trụ Hình 4.5: Xói cục bộ xung quanh trụ cầu Hình 4.6: So ánh chiều sâu lớn nhất xói cục bộ giữa thí nghiệm và mô phỏng số theo thời gian Hình 4.7: Thiết lập hình học mô phỏng Hình 4.8: Mô phỏng mô hình lưới 3D Hình 4.9: Lưới mô phỏng trên mặt phẳng x-y Hình 4.10: Đường dòng khu vực trụ cầu Hình 4.11: Véc tơ vận tốc khu vực trụ cầu Hình 4.12: Đường dòng khu vực trước giữa và sau trụ cầu Hình 4.13: Véc tơ vận tốc khu vực giữa hai trụ Hình 4.14: Các đặc trưng dòng chảy khu vực trước và giữa hai trụ Hình 4.15: Kết quả mô phỏng xói xung quanh các trụ sau T=5 giờ tính toán Hình 4.16: So sánh chiều sâu xói lớn nhất tính toán và chiều sâu xói lớn nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ nhất Hình 4.17: So sánh chiều sâu xói lớn nhất tính toán và chiều sâu xói lớn 9 nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ hai Hình 4.18: Kết quả mô phỏng đường mặt đáy kênh xung quanh trụ theo thời gian phát triển xói sau 10 phút và 300 phút Hình 4.19: Mô hình hình học cho bài toán trụ đôi đặt vuông góc với hướng dòng chảy Hình 4.20: Lưới mô phỏng hình học 3D Hình 4.21: Lưới mô phỏng hình học 2D Hình 4.22: Đường dòng khu vực xung quanh các trụ Hình 4.23: Trường véc tơ vận tốc xung quanh các trụ Hình 4.24: Đường đồng mức đáy xung quanh các trụ sau 4.5 giờ mô phỏng Hình 4.25: Mô tả xói cục bộ xung quanh các trụ sau 4.5 giờ tính toán Hình 4.26: So sánh chiều sâu xói lớn nhất theo thời gian giữa mô phỏng và đo thí nghiệm MỞ ĐẦU 0.1. Lý do để chọn 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 xãy ra mà theo kết quả điều tra nguyên nhân chính là do xói cục bộ tại chân trụ cầu và mố cầu. Do vậy, nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu là một lĩnh vực gần như là kinh điển của khoa học động lực học dòng sông ở cả trên thế giới và tại Việt Nam, đây là một vấn đề mang tính chất thời sự mà các kết quả nghiên cứu đến nay vẫn chưa hoàn thiện. Có rất nhiều nghiên cứu về xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước đã được công bố; ở nước ta có một số 10 nhà khoa học như GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục, PGS.TS. Trần Đình Nghiên đã và đang quan tâm nghiên cứu về xói cục bộ trụ cầu, mố cầu, cơ chế xói cục bộ,..đã đề xuất các công thức tính chiều sâu xói cục bộ trụ cầu lớn nhất và đã được các kỹ sư thiết kế cầu áp dụng để tính cao trình đặt đáy móng mố, trụ cầu; tuy nhiên, phần lớn các công thức tính xói cục bộ trụ cầu hiện nay được xây dựng vào phương pháp nghiên cứu nửa lý thuyết nửa thực nghiệm sử dụng các mô hình xói trong điều kiện thí nghiệm ở trong phòng trên các máng thủy lực có hiệu chỉnh tham số tính toán theo các tài liệu đo xói trụ cầu hiện đang sử dụng khai thác ngoài thực tế. Có thể nói hiện nay chưa có phương pháp tính xói cục bộ trụ cầu theo các phương trình lý thuyết được các Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường và các nhà khoa học cầu đường chấp nhận. Tiếp cận hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số để dự đoán xói cục bộ trụ cầu, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài "Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu". 0.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án 0.2.1. Ý nghĩa khoa học Như chúng ta đã biết, nguyên nhân gây hư hỏng công trình cầu phổ biến nhất là do tác động của dòng chảy lũ, mà trực tiếp là do xói cục bộ đáy sông xung quanh móng mố, trụ cầu. Đánh giá xói lở tại chân trụ, mố cầu tương ứng với lưu lượng và mực nước lũ thiết kế trong lớp đất đáy sông dễ xảy ra xói rất cần thiết đối với hệ thống công trình cầu bởi vì vị trí cầu cố định, dòng chảy luôn di động gây xói sâu và mở rộng lòng vào bãi sông trong vùng dòng chảy bị ảnh hưởng của cầu, đe dọa đến an toàn công trình cầu. Trước những năm 60 của thế kỷ trước, việc đánh giá xói và tác động của xói đến công trình còn rất hạn chế. Sau những năm 60 đã có một số đáng kể các phương trình dự đoán xói và mô hình vận chuyển bùn cát, song chưa hiểu đầy đủ về cơ chế gây xói cũng như chưa có khả năng đưa ra mô hình đánh giá chính xác sự thay đổi hình thái đoạn sông ở vùng cầu trong thời gian lũ không 11 dài. Các phương trình dự đoán xói hầu hết dựa vào mô hình vật lý rút ra từ phòng thí nghiệm, còn bị hạn chế về các yếu tố thủy lực, địa chất, kích thước trụ,..chưa phản ánh đúng tính chất phức tạp của dòng chảy và bùn cát tương tác với trụ cầu, do vậy nhiều công trình cầu bị hư hỏng do lũ. Về mặt khoa học, các đặc trưng thủy động lực học tại đáy móng trụ cầu vô cùng phức tạp, nhất là cơ chế dòng chảy xung quanh trụ, xác định chiều sâu lớn nhất có thể đạt được trong hố xói cục bộ còn nhiều điểm hấp dẫn các nhà khoa học trong và ngoài nước, ở hiện tại và tương lai. Ngày nay, cùng với sự phát triển của phần mềm máy tính và hiệu quả kinh tế mà nó mang lại, các nhà nghiên cứu đã tiếp cận hướng nghiên cứu về động lực học chất lỏng tính toán (CFD). Phương pháp mô hình mô phỏng số đã đem lại những hiểu biết nhiều hơn về các đặc trưng thủy động lực học của dòng chảy một cách toàn diện và chi tiết trong lĩnh vực thủy lực sông biển và các công trình thủy lợi. Tuy nhiên, trong thủy lực công trình cầu đường thì hướng nghiên cứu này còn ít được quan tâm. Hiện nay, trên thế giới đã xuất hiện một số phần mềm thương mại mô phỏng 3 chiều (3D) được dùng trong động lực học chất lỏng tính toán, mô phỏng dòng chảy trong sông, suối, đường ống dẫn dầu, dòng trong píttông,..như FLUENT-3D, FLOW-3D, Flo-3D, SSIIM-3D,..một số ít phần mềm đã được áp dụng để mô phỏng dòng chảy bao quanh trụ cầu, mô phỏng trường vận tốc và hố xói xung quanh trụ cầu. Mặc dù đã đạt được một số kết quả đáng khích lệ, tuy nhiên vẫn đang dừng lại ở bước thử nghiệm, chưa có một công bố chính thức nào về khả năng áp dụng các phần mềm thương mại này vào lĩnh vực nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu. Mặt khác, một rào cản lớn của việc áp dụng các phần mềm thương mại này trên thế giới và tại Việt Nam đó là đa số các phần mềm này đòi hỏi phải được chạy trên những máy tính có cấu hình mạnh, thời gian tính toán rất lâu có khi phải mất hàng tuần, hàng tháng; các phần mềm này thường có mã nguồn đóng, khó tiếp cận và sử dụng; 12 đặc biệt là giá thành các phần mềm thương mại đó rất cao lên đến hàng chục nghìn, hàng trăm nghìn đô la Mỹ. Như vậy, việc ứng dụng và phát triển một mô hình số trị mã nguồn mở để mô phỏng 3 chiều để phân tích các đặc trưng thủy động lực học tại vị trí đáy móng công trình thủy lực nói chung và tại chân trụ cầu nói riêng cả về không gian và thời gian là một vấn đề có ý nghĩa khoa học cao. Mô phỏng số giúp có thêm công cụ để phân tích thủy động lực học dòng chảy. "Với sự linh hoạt của mô hình số trị, sẽ có điều kiện nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực học một cách hoàn chỉnh hơn theo các phương diện về miền tính toán và các trường hợp tính toán. Nó sẽ mang lại những nhìn nhận một cách tổng thể hơn và chi tiết hơn so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống'' (Lê Văn Nghị, 2005, Viện KHTL Việt Nam) [6]. 0.2.2. Ý nghĩa thực tiễn Ở nước ngoài, theo các tài liệu nghiên cứu trong 30 năm trở lại đây tại Mỹ trong khoảng 6000 cầu được theo dõi, trong đó có hơn 1000 cầu bị phá hỏng, nguyên nhân do xói chiếm đến 60%, Cục đường bộ Liên bang Mỹ (FHWA) cho biết trận lũ năm 1973 đã làm sập 338 cầu, trong đó khoảng 25% là do xói cục bộ trụ, 75% là do xói mố [80],[95]. Hoffmans và Verheiij (1997) [57] tổng kết rằng xói cục bộ xảy ra xung quanh móng mố, trụ cầu do dòng chảy lũ là nguyên nhân chính gây ra sự phá hoại cầu; số liệu thống kê tại Mỹ năm 1995 về số lượng cầu bị phá hỏng do xói cục bộ tại bảng 0.1: Bảng 0.1: Thống kê số lượng cầu hỏng ở Mỹ do xói cục bộ từ năm 1985-1995 Địa điểm và thời gian Số lượng cầu bị phá hỏng Pennsylvania, West Virginia, 73 Virginia, 1985 New York and New England, 17 1987 Midwestern United States, 1993 >2500 Georgia, 1994 >1000 13 Virginia, 1995 74 California, 1995 45 Năm 2003, 51 cầu bắc qua sông Hatchie tại Tennessee (Mỹ) bị phá hỏng làm 8 người chết [63],[80],[95]. Tại New Zealand, theo nghiên cứu của Melville và cộng sự năm 2002 ít nhất có 1 cây cầu bị phá hủy mỗi năm do xói [63]. Ở Việt Nam, theo tài liệu thống kê “ Phòng chống bão lũ cho công trình giao thông, Hà Nội 4/1992 “ cho thấy với trên 9930 cây cầu đang khai thác thì có tới 448 cầu bị phá hỏng do bão lũ. Điều này cho thấy rõ tác hại nghiêm trọng của bão lũ và xói đến sự ổn định của các công trình giao thông đặc biệt là công trình cầu. Vì vậy xói lở là một tiêu chuẩn rất quan trọng và cần thiết khi phân tích hệ thống cầu vượt sông. Theo Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương. “Báo cáo tổng hợp thiệt hại do lũ lụt tại miền Trung gây ra tháng 12/1999”, chỉ tính riêng trận lũ tháng 12/1999 đối với các tỉnh Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa đã có số công trình như cầu cống sập trôi 43 cái, cầu cống hư hỏng 1060 cái. Thiên tai gây ra trong năm 2000 ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long rất nghiêm trọng, gần 5.000 cầu, cống các loại bị ngập, hư hỏng nặng, có một số bị sập. Ngày 5/11/2007, trụ cầu số 8 của cầu Bung (phía xã Chư Đrăng, huyện Chư Prông, tỉnh Gia Lai) bị đổ xuống sông, làm rơi 4 dầm cầu của nhịp 8 và nhịp 9. Ngay sau khi bị đổ, trụ số 8 đã bị nước lũ cuốn trôi. Gần đây, tại huyện Bảo Yên, tỉnh Lào Cai mưa lớn kèm theo gió lốc vào rạng sáng ngày 11/5/2013 làm 3 cầu bị sập. Số liệu thống kê nêu trên cho thấy xói cục bộ trụ cầu thực sự là nguyên nhân chính gây sự cố hư hỏng cầu, là mối hiểm họa cho ngành giao thông, đòi hỏi có thêm nhiều nghiên cứu sâu ở nhiều góc độ khác nhau sao cho dự đoán ngày càng tiếp cận gần hơn đến độ chính xác của việc xác định chiều sâu xói cục bộ trụ cầu trong đất dễ bị xói. 14 a) Cầu Đen bắc qua sông nối quốc lộ 1A với 3 xã Gò Nổi, huyện Điện Bàn bị lũ làm sập cầu vào mùa mưa năm 2010 b) Xói trụ cầu Long Biên (Hà Nội, 2008) c) Hố xói trụ cầu Schoharie Creek (Mỹ, 2001) d) Hố xói trụ cầu Burke&Wills (Úc, 2010) Hình 0-1: Một số hình ảnh về xói cục bộ trụ cầu Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để dự đoán xói cục bộ trụ cầu sẽ mang lại lợi ích to lớn đảm bảo an toàn các cầu khi thiết kế xây dựng và trong quá trình khai thác. 0.2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm mô phỏng số dòng chảy 3 chiều để mô tả các đặc trưng dòng chảy khu vực xung quanh trụ cầu, bằng kết quả mô phỏng chỉ rõ nguyên nhân gây xói trụ cầu, quá trình phát triển chiều sâu xói theo thời gian, và chiều sâu xói lớn nhất tại trụ cầu, kiểm chứng kết quả mô phỏng số bằng kết quả thí nghiệm vật lý trong phòng và của các công thức bán thực nghiệm, từ đó đề ra khả năng ứng dụng mô phỏng số để dự đoán xói cục bộ trụ cầu ở Việt Nam trong tương lai. 15 0.3. Cấu trúc của luận án Luận án gồm các phần sau: Mở đầu Chương I: Tổng quan về xói, tình hình nghiên cứu xói cục bộ tại trụ cầu Chương II: Cơ sở lý thuyết của FSUM và các thiết lập mô hình bài toán xói cục bộ trụ cầu Chương III: Thí nghiệm về xói cục bộ trụ cầu Chương IV: Phân tích, đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng số với kết quả nghiên cứu thực nghiệm Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ XÓI, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU 1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu 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 [8],[9],[10], [11], [18],[23],[45],[65],[66],[67],[80],[83]. Xói được phân loại như sau [10],[11],[37],[65],[66]: Xãi Xãi tù nhiªn Xãi trong thêi gian Xãi trong dµi thêi gian ng¾n Xãi t¹i vÞ trÝ c«ng tr×nh Xãi chung Xói nước đục Xãi côc bé Xói nước trong 2 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 đất 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 ba loại: xói tự nhiên, xói thu hẹp (xói chung) và xói cục bộ (Hình 1.1, 1.2) [10],[11],[67], [80]. 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 đoạn sông, làm thay đổi độ dốc đáy và hình dạng đáy dòng chảy trong thời gian dài có khi tới 100 hay 500 năm [10], [11],[80]. Xói chung hay xói thu hẹp tại vị trí cầu là do mố, trụ cầu và đường dẫn 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 xói cục bộ trụ cầu [10],[11],[80]. Hình 1.2: Minh họa xói tại trụ và mố cầu 3 1.1.2. Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu 1.1.2.1. Khái niệm 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 [8],[9],[10],[11], [18], [23],[45],[65],[67],[80],[83]. 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. Breusers và cộng sự (1977) phân biệt xói nước trong và xói nước đục phụ thuộc vào tỷ số (v/v c); không có xói (v/vc<0.5), xói nước trong (0.5≤v/vc<1), xói nước đục (v/vc1), trong đó v là vận tốc dòng chảy đến trụ, vc là vận tốc tới hạn xói theo tiêu chuẩn Shields [23]. 1.1.2.2. Cơ chế xói cục bộ trụ cầu Theo các nhà nghiên cứu Heidarpour và cộng sự (2003) [58], Muzzammil và cộng sự (2004) [72], Melville và cộng sự (1977) [66], Lauchlan và cộng sự (2001) [65], Breusers và cộng sự (1977) [23], Breusers và cộng sự (1991) [24], Lagasse và cộng sự (2001) [59], Nguyễn Xuân Trục (1982) [3], Trần Đình Nghiên (1999) [8],..thì khi thiết kế công trình cầu vượt sông tương ứng với lũ thiết kế, sự có mặt của mố, trụ cầu đặt trong dòng chảy đã làm thay đổi cấu trúc của dòng chảy so với cấu trúc của dòng chảy thông 4 thường khi không có trụ. Chính trụ là vật cản dòng chảy, tự tạo ra một vùng có áp suất thay đổi quanh trụ khác với dòng chảy bình thường khi không có trụ và làm tăng tốc độ dòng chảy ở sát đáy, kết quả là cuốn trôi bùn cát tạo thành hố xói. Cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu có thể mô tả như sau [35],[39], [58], [72], [66],[65],[23],[24],[59],[8]: Hình 1.3: Minh họa cơ chế dòng chảy xung quanh 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 5 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). Thuần túy về lý thuyết đây là vấn đề không đơn giản bởi vì sự phức tạp của dòng chảy ba chiều tại chân trụ tương tác với vận tải bùn cát và sự thay đổi của lớp biên là đáy di động [10],[11]. 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 (1956) [63]; Yaroslavtsev và cộng sự (1953) [100]; Latyshenkov và cộng sự (1960) [62]; Zhuravlev và cộng sự (1978) [103]; Melville và cộng sự (1975,1977,2001,2002) [61,65,66,67], XinBao Yu (2009) [98],. Trong những năm gần đây, gần như 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) [60]; Sturm và cộng sự (2001) [88]; Ủy ban an toàn giao thông quốc gia Mỹ (1989,1990); Cục đường bộ liên bang Mỹ (FHWA) (2003); Bộ giao thông bang Florida (Mỹ) (2005),.. theo thống kê đã có hơn 100 nghiên cứu về lĩnh vực này của các nhà khoa học của các nước trên thế giới.