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 chất thời sự mà các kết quả
nghiên cứu đến nay vẫn chƣa hoàn thiện. Có rất nhiều nghiên cứu về xói cục
bộ trụ cầu trên thế giới và trong nƣớc đã đƣợc công bố; ở nƣớc ta có một số
nhà khoa học nhƣ 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
đƣợc các kỹ sƣ 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 đƣợc
xây dựng vào phƣơng 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.
148 trang |
Chia sẻ: tranhieu.10 | Lượt xem: 20510 | Lượt tải: 3
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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