1. Một số phương pháp tính toán thủy lực chặn dòng khi xây dựng công trình ở
vùng triều và quai đê lấn biển.
PGS.TS. Hồ Sĩ Minh
Bộ môn thi công,Trường đại học Thủy lợi
Lời giới thiệu: Nội dung bài báo dưới đây là kết quả một phần nghiên cứu thuộc đề tai cấp Bộ:
“Nghiên cứu tính toán thủy lực và công nghệ chặn dòng các công trình ở vùng triều “do Trường Đại
học Thủy lợi chủ trì, PGS.TS.Hồ Sĩ Minh chủ nhiệm đề tài.
1. Đặt vấn đề [1] Rất khó để chỉ ra một cách chính xác
Tính toán thuỷ lực chặn dòng các công biên giới của đoạn dòng chảy thu hẹp.
trình xây dựng trên sông triều và quai đê Phạm vi lớn, bé của vùng này phụ thuộc
lấn biển phụ thuộc rất nhiều yếu tố ảnh vào kích thước cửa chặn dòng, phương
hưởng, đó là: dòng chảy sông, dòng triều, pháp chặn dòng, thông thường được lấy
sóng; tác dụng tương hỗ giữa dòng nước và 150m ở mỗi phía thượng, hạ lưu tuyến
vật liệu chặn dòng như: đất, cát, đá, khối bê thu hẹp.Đoạn dòng chảy thu hẹp chia
tông, thùng chìm v.v... thành vùng tăng tốc và vùng giảm tốc, có
Quá trình mặt cắt sông bị thu hẹp dần và sự phân bố lưu tốc theo các phương phụ
cuối cùng bị chặn lại thì chuyển động chất thuộc hình dáng kè chặn dòng. Thông
lỏng có sự thay đổi mạnh theo phương dòng thường mặt cắt ngang của kè chặn dòng
chảy, theo phương ngang và theo phương lúc đầu là đỉnh nhọn, theo thời gian
đứng, hơn nữa lại xẩy ra hai chiều thuận chuyển dần đỉnh rộng . Phương pháp
nghịch. Sự thay đổi áp lực nước gây ra sự khép dần có thể chia thành 3 kiểu thu
chuyển dịch vật liệu chặn dòng, ngược lại hẹp:Thu hẹp đứng (hình1): Vật liệu có
sự chuyển động vật liệu chặn dòng với thể đổ xuống lấp dần từ bên này sang
phương pháp chặn khác nhau làm thay đổi hoặc ngược lai, cũng có thể lấp từ 2
hướng dòng chảy, có dòng xoáy và rối phía.Thu hẹp bằng (hình2): Vật liệu đổ
mạnh; cho nên về mặt lý luận không chỉ xuống đồng đều cho đến khi bị kín hoàn
dừng lại ở nghiên cứu chất lỏng đơn thuần. toàn dòng chảy.Thu hẹp hỗn hợp
Chuyển động hỗn hợp của nước và vật liệu (hình3): Lấp bằng đến một cao độ nào
hạt thô là phức tạp, khó trình bày bằng lý đó rồi tiến hành lấp đứng.
thuyết , kể cả chính xác bằng thực nghiệm.
1

2. Hinh 1: Lấp đứng
Hình 2: Lấp bằng Hình 3: Lấp hỗn hợp
Khi lấp đứng với độ sâu không lớn : Ở đây:
Q - Lưu lượng
v = m. 2 g .∆Z = m. 2 g .(H − h ) (1) S- Diện tích vịnh triều
^
Trong đó: m: hệ số lưu lượng h- Mực nước trong vịnh triều có biên độ h ,
H: Mực nước thượng lưu (m) ^ ^ 1 ⎡ ∂h ⎤
h = h .Sinωt , h =
h: Mực nước hạ lưu (m) ω ⎢ ∂t ⎥ max
⎣ ⎦
v : lưu tốc trung bình mặt cắt (m/s) t - thời gian
Khi lấp đứng có lạch sâu và lòng sông rộng, A- Diện tích mặt cắt ngang vịnh.
theo [1]: Nếu vùng cửa chặn dòng là sâu thì ảnh
2 gU U
v=m gH (2) hưởng của ma sát bỏ qua ≈0
3 C 2d
m, H được giải thích như trong (1)
u = 2 g∆ h
2. Phương pháp tính toán Q = mA 2 g (h1 − h2 ) (5)
2.1. Sử dụng biểu đồ lưu tốc thiết kế [2]
Hệ phương trình áp dụng: Sử dụng phương pháp số để lập quan hệ
∂Q ∂h lưu tốc, độ cao kè, biên độ triều và
= −b (3)
∂S ∂t chu kỳ triều được thể hiện như hinh 4
∂h 1 ∂Q QQ AWs
=− − 2 2 + (4)
∂S gA ∂t C A R gAR
2

3. Vmax
h
Y= oo
TriÒu lªn Y= 300
4 Y= 200
Y= 15
0
Y=
100
Y=
80
3 Y=
Y= 60
Y= 50
40
Y
=
Y 30
2 =
25
Y=
20
Y=
15
Y=
Y=
10
(a)
Y= 1
1
Y=
3
2
1 a
0
0 -1 -2 -3 -4 -5 h
Y= 1
1 Y= 2
5
Y=
10
Y=
Y= 15
2
Y=
Y= 20
Y= 25
30
40
Y=
50
=
3 Y = 60
Y 80
Y= 0
10
Y=
TriÒu xuèng 150
4 Y=
Y=
200
(b)
00
-3 T M2 BK Y= 3
Y = 10 = Y= oo
T b h
Hình 5: Diễn biến kè chặn dòng (a) và đặc
5
Ghi chó 2
BK = ChiÒu réng khu triÒu (m )
trưng vịnh triều (b)
h = Biªn ®é triÒu (m) a = §é cao kÌ so víi mùc n−íc trung b×nh (m)
T = Chu kú triÒu (s) b = ChiÒu réng cöa chÆn dßng (m)
TM2 = Chu kú b¸n nhËt triÒu = 44700 (s) Vmax = L−u tèc lín nhÊt mÆt c¾t cöa chÆn dßng (m/s)
Hình 4: Biểu đồ lưu tốc thiết kế v max
Trục tung biểu diễn trị số ∧
và trục hoành
Biểu đồ có 2 phần:
h
- Phần trên tra thông số triều lên. a
biểu diễn trị số ∧ . Các đường cong trong biểu
-Phần dưới tra thông số triều xuống h
Trong hình 5 : TM 2 Bk
đồ với hệ số γ = 10 .
−3
. (6)
T ∧
a - độ cao từ đỉnh kè đến mực nước trung bS . h
bình (m)
Điều kiện áp dụng:
∧
h - biên độ triều của chu kỳ triều thiết kế (m). L
Nếu << 20 biểu đồ có giá trị áp dụng
Bk - diện tích vịnh triều xem là hằng số (m2) λ
bs - chiều rộng cửa thu hẹp (m) .Trong đó: λ = c.T là chiều dai sóng triều
(m), L là chiều dài vịnh triều (m)
TM2 - chu kỳ bán nhật triều (s)
3

4. T - chu kỳ triều thiết kế (s)
2.2.1.2 Theo phương pháp của PGS.TS
• Các bước tinh toán:
Hồ sĩ Minh [4], [5]
a
Tính γ theo (6), có , tìm đường cong ∧
∧
2.π .F . h
h i
vmax = (8)
mi .bi (d − ∆z i −1 ).T
vmax
γ tương ứng ta có ∧ từ đó tìm được
Trong đó:
h
i
Vmax khi triều lên và khi triều xuống. v max - là lưu tốc lớn nhất mặt cắt thứ i
2.2. Phương pháp giải tích trong chu kỳ triều (m/s);
2.2.1 Vịnh triều hoặc cửa sông rộng F = B.L(m2) là diện tích kho triều ở mực
2.2.1.1.Theo công thức S.J.F (Sverdrup- nước trung bình;
Jonhnson –Fleiming) -1942 [3] B - chiều rộng vịnh triều (m);
4.π .F .h L - chiều dài vịnh triều (m)
v= (7)
3.T . A ∧
h - biên độ triều (m);
Trong đó:
mi - hệ số lưu lượng xác định ứng với
v - lưu tốc ở tâm mặt cắt sông (m/s);
chiều rộng cửa thu hẹp bi, m = 0.8 khi
T - chu kỳ triều thiết kế (s); chưa thu hẹp hoặc thu hẹp ít (i = 0); m =
F - diện tích bề mặt vịnh triều ứng với 0,4 m tại cửa chặn dòng (i = m),mi xác
mức nước triều cao (m2); định phụ thuộc mức thu hẹp, có thể nội
suy tuyến tính
A - diện tích mặt cắt ngang sông (m2); ∧ ∧
d = d0+ h , d0 và h được thể hiện như
h - là độ lớn của triều (m).
Công thức (7) chỉ tính sơ bộ lưu tốc ở tâm ở hình (6)
dòng chảy của mặt cắt . Từ đó có thể biết
η
được lưu tốc gần giáp bờ ( υ b), thông
thường nếu sử dụng vật liệu bảo vệ bờ
υ
sông thì: υ b = có thể dùng để tính cho
2
ổn định vật liệu bảo vệ. Hình 6: Biểu diễn các thông số vịnh triều
4

5. Vì mực nước trong cửa chặn dòng bị giảm Theo [4] tại cửa chặn dòng có thể tính
dần trong quá trình thu hẹp nên chiều sâu theo công thức:
thay đổi di = d - ∆zi −1
∧
5.π .F . h
Để tính được ∆zi −1 , giả thiết khi chưa thu Vmax = (9)
A.T
2
v0
hẹp : ∆z 0 = , với v0 là lưu tốc dòng Trong đó : A thay đổi, được tính theo Ai
2g
chảy khi chưa thu hẹp được xác định bằng Ai = bi.(d - ∆z i −1 )
thực đo.
∆z i −1 được tính theo các bước ở bảng 1.
Quá trình tính toán được lập theo bảng 1
Theo [5], tính toán công thức (9) và tra
Bảng 1. Các bước tính lưu tốc
i
Bước tính toán bi di vmax ∆z i
2
v0
i=0 b0 d vo ∆z0 =
2g
v12
i=1 b1 d1 = d - ∆ z 0 v1 ∆ z1 =
2g
2
v2
i=2 b2 d2 = d - ∆ z 1 v2 ∆z 2 =
2g
…… …… ……… …….
………….
2
vn
i=n bn dn = d - ∆ z n −1 vn ∆z n =
2g
biểu đồ là phù hợp .
Trong đó:
b0 - chiều rộng sông (m).
2.2.2 Trường hợp sông triều có dòng
chảy sông không đáng kể c.v.n 2
λ= 7 (1/m)
2.h 3
2.π .b0 .e.λ .l
i
vmax = (10)
mi .bi .(d − ∆z i −1 ).c(λ2 + k 2 ).T
5

6. c - tốc độ truyền triều có xét sức cản lòng
1 2
Q0 (1 + + )
dẫn;(m/s) ∧
2.λ 2 λ2
2
Q0 > Q1 : Vmax = (11)
mi .bi .(d − ∆zi−1 )
v- lưu tốc dòng chảy sông tại tuyến xây
dựng khi chưa thu hẹp (m/s); ∧
2.2.3.2 Dòng chảy triều Q1 trội hơn dòng
n - hệ số nhám của sông; chảy sông Q0
h - độ sâu lòng sông (m);
1 2
l - khoảng cách từ tuyến đập tới cửa biển Q1 (1 + + )
∧
2.λ 2 λ2
2
Q1 > Q0 : Vmax = (12)
(m) mi .bi .(d − ∆z i −1 )
ω 2π
k= với ω =
c T Trong công thức (11) và (12) :
T - chu kỳ triều thiết kế(s) Q0 - lưu lượng dòng chảy sông, được xem
mi - hệ số lưu lượng, mi biến thiên từ 0,8 là không đổi;
÷ 0,4, tại cửa chặn dòng chọn m = 0,4; ∧
Q1 - biên độ lưu lượng triều (m3/s)
bi - chiều rộng cửa thu hẹp ở giai đoạn
∧
thứ i (m); Q0
λ1 Q
= 1, λ2 = ^
d - chiều sâu dòng chảy tính từ mực nước Q0 Q1
trung bình
2
mi, bi, d, ∆z i , được giải thích như trên
v
∆Z I −1 = i −1
2.3. Sử dụng phần mềm DUFLOW
2 g , ở giai đoạn khi chưa thu
DUFLOW là bộ phần mềm dùng để mô
hình hoá 1 chiều dòng chảy và chất lượng
v2 nước. Với mô đun thuỷ động lực học có
hẹp ta có: ∆z = thể tính toán lưu tốc qua cửa chặn dòng.
2g Kêt quả tính toán cho dự án quai đê lấn
biển Ngự hàm 4, Nga sơn , Thanh hóa là
2.2.3 .Trường hợp sông triều có dòng một ví dụ. Tuy nhiên sư dụng DUFLOW để
chảy sông đáng kể tính toán cho vịnh triều ngắn và vịnh triều
dài sẽ cho kêt quả phù hợp hơn. Đồng thời
2.2.3.1. Dòng chảy sông Q0 trội hơn dòng nó cho biết thêm diễn biền mực nước
∧
trong chu kỳ triều. Hình 7 là kết quả các
chảy triều Q1 quan hệ lưu tốc, mực nước và thời gian.
Hình 8 là quan hệ lưu tốc và tỷ lệ % diện
tích thu hẹp.
6

7. QUAN HỆ VẬN TỐC DÒNG CHẢY LỚN NHẤT VÀ ĐỘ MỞ
Triều xuống Triều lên
2
1.2 1
1.8
1 0.8 1.6
0.8 0.6 1.4
Vân tốc (m/s)
0.6
0.4
1.2
1
(m )
0.4
V /s
Z )
(m
0.2
0.2 0.8
0 0.6
0
-0.2 0.4
-0.2
0.2
-0.4 -0.4
0
-0.6 -0.6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0:00 12:00 0:00 12:00 0:00
Độ mở (m)
Zbãi(m) Z(m) Zbiển(m) V(m/s)
Hình 7 :Quan hệ lưu tốc, mực nứơc và thời gian Hình 8: Quan hệ lưu tốc và tỷ lệ % diện tích thu hẹp
3. Kết luận
Những phương pháp tính toán thủy lực nêu trên được áp dụng cho các trường hợp cụ thể
khi tính lưu tốc trong giai đoạn đắp đập lấn dần và giai đoạn chặn dòng, giúp cho đơn vị thi
công chuẩn bị vật liệu và phương pháp thi công phù hợp. Lưu tốc qua cửa thu hẹp hoặc qua
cửa chặn dòng thay đổi theo thời gian trong chu kì triều, nó còn phụ thuộc vào cách thả vật
liệu xuống dòng chảy. Ứng dụng phương pháp tính lưu tốc nào như đã giới thiệu ở trên cần
xét cụ thể công trình được xây dựng trong hình thái của vùng triều đó như thế nào. Do hiện
tượng thủy lực phức tạp như đã nêu trong mục 1. cho nên bất cứ một phương pháp tính
toán nào cũng chỉ cho giá trị gần đúng.
.
Tài liệu tham khảo
[1] Dr.J.J.Dronkers- Experimental research ICD-10-64, 1967.Closure of Estuarine chanels
in tidal regions. Considerations on fluid motion in and around closure gaps. p.p. 1-7
[2] J.C. Huis in’t Veld - Closing of Tidal Basins , Lecture notes–IHE, 1980
[3] US Army, CERC- Shore Protection Manual, 1975. p.p 7-203
[4] Hồ Sĩ Minh - Closure of the Tidal channels and Estuaries in VietNam. Proceedings of the
COPEDEC V, South Africa, p.p 1782 – 1788. 1999
[5] Hồ Sĩ Minh - Công nghệ khép kín và chặn dòng các công trình vùng triều và ven biển -
Luận án Tiến sĩ kỹ thuật năm 1997.
[6] Hồ Sĩ Minh - Design of encloure dam with a discharge sluice and a shipping lock in the
bay of Asan in Korea. Design report at IHE, the Netherlands, 1981
Some of the methods for determination the velocity through constrict gap in cases of
closing of in tidal regions and land out off the sea.
7

8. Abstract: The closure of the final gaps is one of the most difficult parts for the
construction of the dams in tidal regions. The changes of velocities in the closure gap during
the closure period can be computed. An attempt is made to introduce some formulae or the
methods in which we can determinate the velocity of flow in the closure gap in order to apply
in the construction of hydraulic works. These are also the results of a research part are done
by working group of the Water Resources University.
8