Đề tài Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu

i 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, chƣa đƣợc công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Viết Thanh ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ đƣợc thực hiện tại Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội dƣới sự hƣớng 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 hƣớng 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 tƣởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhƣng 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 đƣợc hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin đƣợc chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc, tác giả của các công trình nghiên cứu đã đƣợc nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tƣ 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 trƣờng, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Thủy lực-Thủy Văn, Hội đồng Tiến sỹ Nhà trƣờng vì đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chƣơng 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 nhƣ sự giúp đỡ, hƣớng dẫn về mặt kỹ thuật. Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn UBND tỉnh Quảng Bình đã đƣa 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 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................ii DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................vii DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................viii 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 CHƢƠNG 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 nƣớc ............. 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 nƣớc ............................... 5 1.3. Tổng quan về các phƣơng pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu ...................... 6 1.3.1. Phƣơng pháp giải tích ............................................................................. 6 1.3.2. Phƣơng pháp mô hình vật lý .................................................................... 7 1.3.3. Phƣơng pháp đo xói thực tế tại hiện trƣờng .......................................... 14 1.3.4. Phƣơng 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 iv 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 đƣợc ..................................................................... 30 1.4.1.1. Trên thế giới ........................................................................................ 30 1.4.1.2. Trong nước .......................................................................................... 31 1.4.2. Những vấn đề còn tồn tại ....................................................................... 31 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án ............................................................... 32 1.6. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 33 1.7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................... 34 1.8. Kết luận chƣơng I..........................................................................................34 CHƢƠNG 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 phƣơng trình toán học cơ bản ........................................................... 35 2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên ............................................... 37 2.2. Phƣơng 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 bƣớc 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 trƣờng dòng chảy, vận tốc trƣớc và sau trụ cầu dọc theo chiều dòng chảy ................................................................................. 54 2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................... 54 v 2.5.3.2. Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc .................... 54 2.6. Kết luận Chƣơng II........................................................................................ 57 CHƢƠNG 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 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 chƣơng III ....................................................................................... 77 CHƢƠNG 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 lƣới 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 hƣớng dòng chảy ......... 86 4.2.1. Thiết lập hình học .................................................................................. 86 4.2.2. Thiết lập lƣới mô phỏng......................................................................... 87 4.2.3. Thiết lập các điều kiện biên ................................................................... 88 vi 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 4.3. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt vuông góc với hƣớng dòng chảy 94 4.3.1. Xây dựng mô hình hình học .................................................................. 94 4.3.2. Thiết lập hình học và lƣới 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 chƣơng 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 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 0.1: Thống kê số lƣợng cầu hỏng ở Mỹ do xói cục bộ từ năm 1985-1995 Bảng 2.1: Giá trị hệ số nhám nb 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 viii 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 chƣơng trình con Mô-đun1 Hình 2.4: Miền hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt Hình 2.5: Giao diện tính toán của chƣơng trình con Mô-đun2 Hình 2.6: Giao diện tính toán của chƣơng 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) 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 hƣớng dòng chảy Hình 3.6: Bố trí trụ đôi đặt vuông góc với hƣớng 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: Đƣờng 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 ix Hình 3.11: Bố trí vị trí các điểm đo chiều sâu xói Hình 3.12: Biểu đồ vận tốc tức thời 3 phƣơng u (phƣơng x), v (phƣơng y) và w (phƣơng z) Hình 3.13: Hình ảnh đƣờng 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: Đƣờng 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: Lƣới mô phỏng tổng thể Hình 4.3: Trƣờng vận tốc dọc theo dòng chảy, trong hố xói và bao quanh trụ Hình 4.4: Mô phỏng đƣờng dòng trƣớc 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 lƣới 3D x Hình 4.9: Lƣới mô phỏng trên mặt phẳng x-y Hình 4.10: Đƣờng dòng khu vực trụ cầu Hình 4.11: Véc tơ vận tốc khu vực trụ cầu Hình 4.12: Đƣờng dòng khu vực trƣớc giữa và sau trụ cầu Hình 4.13: Véc tơ vận tốc khu vực giữa hai trụ Hình 4.14: Các đặc trƣng dòng chảy khu vực trƣớc 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 nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ hai Hình 4.18: Kết quả mô phỏng đƣờng 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 hƣớng dòng chảy Hình 4.20: Lƣới mô phỏng hình học 3D Hình 4.21: Lƣới mô phỏng hình học 2D Hình 4.22: Đƣờng dòng khu vực xung quanh các trụ Hình 4.23: Trƣờng véc tơ vận tốc xung quanh các trụ Hình 4.24: Đƣờng 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 xi MỞ ĐẦU 0.1. Lý do để chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lƣợng công trình hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình cầu đƣờng bộ đƣợc xây dựng ngày càng tăng nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của các nƣớc trên thế giới và của Việt Nam. Ở nƣớc 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 hƣớng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển đã chia cắt mạng lƣới đƣờng bộ Bắc Nam cũng nhƣ hệ thống mạng lƣới đƣờng bộ liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vƣợt sông suối ở nƣớc ta rất lớn, hàng năm có hàng chục cây cầu đƣợc xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ Việt Nam. Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng nhiều cây cầu mới đƣợc xây dựng thì càng xuất hiện vấn đề hƣ 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 nhƣ 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 ch