Nghiên cứu chương trình tính toán thủy lực đập khóa

ª ThS. Lê Tùng Anh ª KS. Phạm Duy Khánh ª ThS. Đoàn Phạm Tuyển Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người phản biện: TS. Trần Ngọc An TS. Nguyễn Hoàng

Tóm tắt: Sông phân nhánh là loại hình sông tồn tại khá phổ biến ở Việt Nam. Đặc điểm nổi bật nhất của sông phân nhánh là các nhánh không ổn định, gây trở ngại cho thoát lũ và giao thông thủy. Đập khóa là một dạng công trình có vai trò quan trọng trong chỉnh trị sông phân nhánh. Trong bài báo, các tác giả trình bày cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực đập khóa, từ đó xây dựng thuật toán và chương trình tính toán.

Từ khóa: Đập khóa, sông phân nhánh, chỉnh trị sông.

Abstract: The submembered river are type of river exits quite normally in Viet Nam, the most famous characters of submembered river are instability riverlets, what obstract for floodwater and inlet. Closure-dam is a type of works which plays an important role in submembered river training. In this paper, the authors present the theoretical basic of calculating the closure-dam hydraulic from which the algorithm and the computational program are constructed.

Keywords: Closure-dam, submembered river, river training.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, ở Việt Nam, các công trình đập khóa chưa phổ biến cũng như chưa có phần mềm chuyên dụng để tính toán thủy lực đập khóa. Tuy nhiên, trong tương lai gần, do ảnh hưởng của sự biến đổi khí hậu, trên các đoạn sông phân nhánh, lưu lượng có thể không đảm bảo chạy tàu được trên tất cả các nhánh, đặc biệt là vào mùa kiệt. Điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến ngành vận tải thủy nội địa và nền kinh tế quốc dân. Do vậy, trên các đoạn sông phân nhánh sẽ cần phải xây dựng các công trình chỉnh trị dạng đập khóa (Hình 1.1), kè điều chỉnh lưu lượng, kè hướng dòng hoặc kè đón dòng để tăng lưu lượng và mực nước bên nhánh chạy tàu.

Hình 1.1: Minh họa bố trí đập khóa

 

Mặt khác, trong tính toán thủy lực công trình nói chung và chỉnh trị sông nói riêng thường phải sử dụng các phương pháp đúng dần (phương pháp lặp) và phương pháp đồ thị với khối lượng tính toán lớn và phức tạp. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của tin học, các phần mềm lập trình, tính toán số như Matlab, Mathcad hoặc Maple sẽ cho phép chúng ta có thể giải quyết các bài toán thủy lực đó một cách thuận tiện và hiệu quả. Chính vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng thuật toán và chương trình tính toán thủy lực đập khóa là hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.

2. Trình tự tính toán thủy lực đập khóa

2.1. Lưu lượng tạo lòng kiệt và lưu lượng đảm bảo xói  

Các phương pháp tính toán lưu lượng tạo lòng kiệt Q_TLK và lưu lượng đảm bảo xói Q_CTTT được trình bày cụ thể trong tài liệu [3].

2.2. Lưu lượng qua các nhánh

Gọi lưu lượng nhánh chạy tàu là Q_CT, lưu lượng nhánh không chạy tàu là Q_KCT, có các quan hệ theo [3] như sau:

 (1)

(2)

 

Trong đó: F_CT, F_KCT - Hệ số mô-đun cản của từng đoạn (giới hạn bởi các mặt cắt) trên các nhánh.

Sau đó, so sánh nếu Q_CT < Q_CTTT thì phải xây dựng đập khóa để dồn nước từ nhánh không chạy tàu sang nhánh chạy tàu vì lưu lượng nhánh chạy tàu chưa đủ để xói luồng tàu.

2.3. Độ chênh mực nước thượng - hạ lưu đập khóa

Độ chênh mực nước thượng - hạ lưu đập khóa ∆Z_D được xác định ứng với lưu lượng trong sông chính là Q_TLK, lưu lượng bên nhánh chạy tàu là Q_CTTT, lưu lượng bên nhánh không chạy tàu là Q_KCTTT  = Q_TLK - Q_CTTT [3].

Tuy nhiên, do việc vẽ đồ thị xây dựng đường mặt nước theo phương pháp Pavlopski [2] hết sức phức tạp, khó chính xác vì phải thiết lập các tỷ lệ khác nhau cho các trục, các tác giả đề xuất phương pháp thay thế như sau:

* Nhánh chạy tàu:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Cao trình đỉnh đập khóa

Cao trình đỉnh đập khóa Z_D và lưu lượng tràn qua đập Q_D  phụ thuộc lẫn nhau nên sơ bộ phải có các thông số kết cấu đập (L_D, B_D, θ) [3].  Trong thực tế, đập khóa phổ biến là loại đập tràn đỉnh rộng và lưu lượng thấm nhỏ hơn nhiều so với lưu lượng tràn qua đập nên thường bỏ qua. Khi đó, lưu lượng tràn qua đập Q_D được tính theo một trong các công thức sau:

 

 

 

 

 

 

- Bước 5: Kiểm tra điều kiện hội tụ: |V*_0i - V_0i| ≤ ε. Nếu thỏa mãn chuyển tiếp sang bước 6, nếu không thỏa mãn thì lặp lại bước 2 với V_0i = V_0i­ + ∆V_0i.

- Bước 6: Xây dựng hàm quan hệ Z = f(Q), từ đó xác định được Z_D = f(Q_TLK – Q_CTTT).

2.5. Vận tốc lớn nhất tràn qua đập khóa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6. Độ dâng mực nước nhánh chạy tàu

Độ dâng mực nước bên nhánh chạy tàu ∆Z_CT được xác định ứng với lưu lượng trong sôngchính Q_TK có mực nước bằng mực nước thiết kế (MNTK) [3]. Vận dụng phương pháp thay thế đã trình bày ở mục 2.3, tính toán đường mặt nước bên nhánh chạy tàu tương ứng với lưu lượng Q_CTTK, sau đó so sánh với đường mặt nước trước khi có đập khóa sẽ xác định được độ tăng mực nước tại các mặt cắt khác nhau của nhánh chạy tàu.

3. Tính toán mô phỏng số

Dựa trên cơ sở lý thuyết đã trình bày và trình tự thực hiện từng bước trong các mục trên (đây chính là các chương trình con), các tác giả tiến hành xây dựng sơ đồ khối (Hình 3.1) và chương trình tính toán thủy lực đập khóa HYCLODAM [1] bằng phần mềm Mathcad [5].

- Số liệu đầu vào: Bình đồ địa hình; địa chất, thủy văn, vị trí và kích thước sơ bộ đập khóa.

- Kết quả đầu ra: Q_TLK, Q_CTTT, Q_CT, ∆Z_D, Z_D, V_Dmax, ∆Z_CTmax.

Hình 3.1: Sơ đồ khối tính toán

Để tính toán mô phỏng số, các tác giả lựa chọn đối tượng nghiên cứu là đoạn sông phân nhánh Nhật Tân, sông Hồng (Km52 - Km58), Hà Nội. Khu vực đoạn cạn Nhật Tân là đoạn sông huyết mạch, có vị trí đặc biệt quan trọng trên tuyến đường thủy nội địa, là điểm nối giữa các tuyến trung và thượng nguồn sông Hồng với mạng đường thủy nội địa quốc gia của đồng bằng Bắc bộ qua các hành lang đường thủy số 1 và số 3.

Trước đây, khu vực từ cầu Thăng Long đến cảng Hà Nội, nhất là khu vực từ Nhật Tân đến cầu Long Biên là một trong ba điểm khan cạn nhất trên tuyến đường thủy nội địa của đồng bằng Bắc bộ. Đặc biệt là vào thời điểm cuối quý IV và quý I hàng năm với trung bình khoảng 50 ngày khan cạn, trong đó có từ 10 đến 15 ngày tắc luồng, giao thông đường thủy bị đình trệ, không đáp ứng được yêu cầu vận tải hàng hóa của các phương tiện qua đây, ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình phát triển kinh tế, xã hội của đất nước. Ngày 30/5/2012, Ban Quản lý các dự án Đường thủy nội địa phía Bắc (Cục Đường thủy Nội địa Việt Nam) đã ký 03 hợp đồng thi công kè bảo vệ bờ, kè bảo vệ bãi và kè chia nước Nhật Tân (gói thầu CV-A1.5&6-NDTDP thuộc Dự án WB6). Hiện nay, các công trình trên đã hoàn thành và đưa vào khai thác sử dụng (Hình 3.2).

Dựa trên thực tế cấp thiết phải chỉnh trị đoạn sông phân nhánh Nhật Tân, các tác giả đề xuất phương án bố trí đập khóa giả định tại vị trí đầu nhánh (Hình 3.3). Các số liệu thủy văn, địa chất của khu vực thu thập từ [4] được thể hiện trong Hình 3.4, sau đó sử dụng chương trình tính toán đã lập để tính toán thủy lực cho công trình đập khóa trên.

Hình 3.2: Đoạn cạn Nhật Tân (Google Earth)

Hình 3.3: Bình đồ chi tiết đoạn cạn Nhật Tân

 

Hình 3.4: Các quan hệ H~Q, H~I, Q~p, cấp phối hạt

 

Kết quả tính toán thu được từ chương trình tính và so sánh với phương pháp truyền thống (sử dụng Excel và Autocad, trình bày chi tiết trong [1]) được thể hiện trong Bảng 3.1 dưới đây:

Bảng 3.1. Kết quả tính toán thủy lực đập khóa

Hình 3.4: Các quan hệ H~Q, H~I, Q~p, cấp phối hạt

Từ bảng kết quả trên, tiến hành kiểm tra sai số giữa các đại lượng cho thấy đều không vượt quá 5%. Như vậy, kết quả tính toán hoàn toàn phù hợp với cơ sở lý thuyết và chấp nhận được.

4. Kết luận

Bài báo trình bày kết quả của đề tài nghiên cứu xây dựng thuật toán và chương trình tính toán thủy lực đập khóa[1]. Ưu điểm nổi bật của đề tài là các tác giả đã cải tiến phương pháp Pavlopski, đưa về dạng các hàm toán học hết sức thuận lợi cho việc lập trình. Bên cạnh đó, các đồ thị và bảng tra phục vụ cho các bài toán đập khóa nói riêng và đập tràn nói chung cũng được số hóa, thay thế cho việc tra cứu thủ công tốn nhiều công sức và thời gian. Các kết quả tính toán thu được từ chương trình tính HYCLODAM phù hợp tốt với kết quả tính toán theo phương pháp truyền thống, điều đó khẳng định độ tin cậy của chương trình tính đã lập. Chương trình tính có thể sử dụng làm tài liệu để tính toán thiết kế hoặc tham khảo cho các kỹ sư, học viên, sinh viên chuyên ngành công trình thủy, thủy lợi. Kết quả của đề tài góp phần vào việc tự động hóa và nâng cao độ chính xác trong tính toán thủy lực công trình.

Tài liệu tham khảo

[1]. Phạm Duy Khánh (2015), Nghiên cứu công trình chỉnh trị sông phân lạch dạng đập khóa: Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán thủy lực, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

[2]. Nguyễn Tài, Lê Bá Sơn (2008), Thủy lực, tập 1 & 2, NXB. Xây dựng, Hà Nội.                                        

[3]. Đào Văn Tuấn (2002), Công trình đường thủy, NXB. Xây dựng, Hà Nội.

[4]. Cục Đường thủy Nội địa Việt Nam (2010), Số liệu khảo sát sông Hồng.

[5]. http://www.ptc.com/engineering - math - software/mathcad.