Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cả, với diện tích khoảng 27.200 km², là một trong những lưu vực sông lớn và quan trọng ở khu vực Bắc Trung Bộ Việt Nam, trong đó phần diện tích trên lãnh thổ Việt Nam chiếm khoảng 65,2%. Đoạn sông Lam chảy qua khu vực Bến Thủy, thành phố Vinh, Nghệ An, là vị trí chiến lược về giao thông và kinh tế, nơi đặt hai công trình cầu Bến Thủy 1 và Bến Thủy 2 trên quốc lộ 1A. Cầu Bến Thủy 1 được xây dựng từ năm 1986 và đưa vào sử dụng năm 1990, tuy nhiên sau hơn 20 năm đã xuất hiện tình trạng quá tải và xuống cấp, dẫn đến việc xây dựng cầu Bến Thủy 2 nhằm chia sẻ lưu lượng giao thông và nâng cao hiệu quả khai thác tuyến đường.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào hiện tượng xói mòn trụ mố cầu do dòng chảy lũ gây ra, ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và ổn định của công trình cầu. Mục tiêu cụ thể của luận văn là mô phỏng các đặc trưng thủy động lực của dòng chảy lũ khu vực cầu Bến Thủy 1 và 2, tính toán chiều sâu hố xói chung, xói cục bộ và xói tổng cộng tại các vị trí trụ mố cầu, đồng thời đánh giá sự thay đổi hình thái lòng sông do dòng chảy lũ gây ra. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong đoạn sông Lam từ thượng lưu cầu Bến Thủy 2 đến hạ lưu cầu Bến Thủy 1, với dữ liệu thu thập từ các trạm thủy văn và khảo sát thực địa.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo đảm an toàn công trình giao thông trọng điểm, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai tại khu vực Bắc Trung Bộ. Các chỉ số thủy văn như lưu lượng trung bình nhiều năm đạt 738 m³/s, mực nước lũ lớn nhất tại trạm Bến Thủy lên tới 5,77 m, cùng với đặc điểm địa hình phức tạp và ảnh hưởng của thủy triều, tạo nên thách thức lớn trong việc mô phỏng và đánh giá xói mòn trụ mố cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực hiện đại để mô phỏng dòng chảy và tính toán xói mòn trụ mố cầu. Hai mô hình thủy lực chính được sử dụng là MIKE 11 và MIKE 21 của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI). MIKE 11 là mô hình thủy lực một chiều, giải hệ phương trình Saint-Venant, dùng để mô phỏng dòng chảy trên hệ thống sông với các mặt cắt ngang chi tiết. MIKE 21 là mô hình thủy lực hai chiều, giải hệ phương trình sóng nước nông, cho phép mô phỏng phân bố vận tốc và mực nước theo không gian hai chiều, phù hợp với việc đánh giá xói cục bộ tại các trụ mố cầu.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Xói tự nhiên: quá trình xói và bồi tự nhiên của lòng sông không phụ thuộc vào công trình.
  • Xói chung: xói do dòng chảy bị thu hẹp bởi công trình cầu.
  • Xói cục bộ: xói tại chân mố và trụ cầu do cản trở dòng chảy, thường sâu và hẹp.
  • Xói tổng cộng: tổng hợp của xói tự nhiên, xói chung và xói cục bộ.

Bốn công thức bán kinh nghiệm được áp dụng để tính xói cục bộ gồm công thức của Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, M. Zuravlev, I. Laratslasev và Richardson (1990). Công thức tính xói chung dựa trên công thức của tác giả O. Ngoài ra, phương trình Exner được sử dụng để mô phỏng sự thay đổi hình thái lòng sông dựa trên vận chuyển bùn cát, với công thức vận chuyển bùn cát của Engelund và Hansen.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm số liệu khí tượng thủy văn, lưu lượng dòng chảy, mực nước, địa hình mặt cắt ngang sông, và khảo sát thực địa khu vực cầu Bến Thủy. Cỡ mẫu dữ liệu thủy văn được thu thập từ các trạm Yên Thượng, Sơn Diệm, Hòa Duyệt, Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thủy, với chuỗi số liệu lưu lượng và mực nước theo giờ và ngày trong nhiều năm.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Mô phỏng thủy lực một chiều bằng mô hình MIKE 11 với 78 mặt cắt dọc theo ba nhánh sông chính, bước thời gian 10 phút, khoảng cách mặt cắt không quá 10 km.
  • Mô phỏng thủy lực hai chiều bằng mô hình MIKE 21 với lưới tam giác chi tiết khu vực cầu Bến Thủy, hiệu chỉnh hệ số nhám Manning dựa trên kết quả so sánh với số liệu thực đo.
  • Tính toán xói mòn trụ mố cầu sử dụng bốn công thức bán kinh nghiệm, vận tốc dòng chảy lấy từ mô hình MIKE 21 phân bố theo mặt cắt.
  • Mô phỏng thay đổi hình thái lòng sông dựa trên module vận chuyển bùn cát của MIKE 21, sử dụng công thức Engelund và Hansen.
  • Đánh giá sai số mô hình bằng các chỉ tiêu RMSE, MAE, hệ số tương quan r, hệ số Nash-Sutcliffe (NSE) và chênh lệch mực nước lớn nhất.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ thu thập số liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh, mô phỏng đến phân tích kết quả và đề xuất giải pháp, tập trung vào các trận lũ lớn điển hình như trận lũ năm 1978 và trận lũ thiết kế với tần suất 1%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực:
    Mô hình MIKE 11 và MIKE 21 được hiệu chỉnh hệ số nhám Manning phù hợp với các trạm Nam Đàn, Chợ Tràng và Bến Thủy, đạt sai số RMSE dưới 0,15 m và hệ số tương quan r trên 0,9, cho thấy mô hình mô phỏng mực nước và lưu lượng dòng chảy chính xác.

  2. Mô phỏng dòng chảy lũ:
    Kết quả mô phỏng trận lũ năm 1978 và trận lũ thiết kế P=1% cho thấy vận tốc dòng chảy tại các vị trí trụ mố cầu Bến Thủy dao động từ 1,2 đến 3,5 m/s, với vận tốc lớn nhất tập trung tại các trụ T16 và T17 của cầu Bến Thủy 2, nơi hình thành hố xói sâu tới -20,61 m.

  3. Tính toán xói mòn trụ mố cầu:

    • Xói cục bộ tại trụ mố cầu Bến Thủy 1 và 2 có chiều sâu dao động từ 1,5 đến 3,8 m tùy theo công thức áp dụng, trong đó công thức của Trường Đại học Xây dựng Hà Nội và Richardson cho kết quả gần sát nhau nhất.
    • Xói tổng cộng (xói chung + xói cục bộ) tại các trụ mố cầu có thể lên tới 5,5 m, đặc biệt tại các trụ T16, T17 của cầu Bến Thủy 2 và trụ T6, T7 của cầu Bến Thủy 1.

  4. Thay đổi hình thái lòng sông:
    Mô phỏng sự thay đổi hình thái đáy lòng sông cho thấy sự tích lũy và xói mòn diễn ra rõ rệt trong khu vực giữa hai cầu, với tốc độ biến đổi đáy lên tới 0,3 m/năm tại các vị trí hố xói sâu, ảnh hưởng đến ổn định công trình cầu và khả năng thoát lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói mòn sâu tại các trụ mố cầu là do dòng chảy lũ lớn với vận tốc phân bố không đồng đều, tập trung tại các vị trí trụ cầu gây ra lực cắt mạnh làm xói mòn đáy sông. Kết quả mô phỏng vận tốc dòng chảy hai chiều từ MIKE 21 cho phép đánh giá chính xác hơn so với việc sử dụng vận tốc trung bình mặt cắt truyền thống, giúp cải thiện độ tin cậy của tính toán xói cục bộ.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng của dòng chảy lũ đến xói mòn trụ mố cầu, đồng thời khẳng định hiệu quả của việc kết hợp mô hình thủy lực hai chiều với các công thức bán kinh nghiệm trong tính toán xói mòn. Việc sử dụng nhiều công thức tính xói cục bộ giúp đánh giá khách quan và giảm thiểu sai số do đặc thù địa hình và vật liệu đáy sông.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố vận tốc dòng chảy, bảng so sánh chiều sâu xói cục bộ theo từng công thức, và bản đồ biến đổi hình thái đáy sông theo thời gian, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của dòng chảy lũ đến công trình cầu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và kiểm tra định kỳ các vị trí trụ mố cầu Bến Thủy, đặc biệt tại các trụ có hố xói sâu như T16, T17 (cầu Bến Thủy 2) và T6, T7 (cầu Bến Thủy 1), nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu xói mòn nguy hiểm. Thời gian thực hiện: hàng năm; Chủ thể: Ban quản lý cầu và cơ quan thủy lợi địa phương.

  2. Thiết kế và thi công các công trình bảo vệ bờ và mố cầu như kè chắn, đắp bãi bồi nhân tạo hoặc sử dụng vật liệu chống xói chuyên dụng tại các vị trí xói mòn nghiêm trọng. Mục tiêu giảm chiều sâu hố xói ít nhất 30% trong vòng 3 năm; Chủ thể: Sở Giao thông Vận tải phối hợp với các đơn vị thi công.

  3. Áp dụng mô hình thủy lực hai chiều trong quy hoạch và thiết kế cầu mới để dự báo chính xác ảnh hưởng dòng chảy và xói mòn, từ đó lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp, giảm thiểu rủi ro công trình. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án cầu mới; Chủ thể: Các viện nghiên cứu và đơn vị tư vấn thiết kế.

  4. Phát triển hệ thống cảnh báo lũ và xói mòn tự động dựa trên dữ liệu thủy văn và mô hình mô phỏng, giúp nâng cao khả năng ứng phó kịp thời với các trận lũ lớn. Thời gian triển khai: 2 năm; Chủ thể: Ban chỉ huy phòng chống thiên tai và các cơ quan quản lý tài nguyên nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý giao thông và công trình thủy lợi: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để quản lý, bảo trì và nâng cấp các công trình cầu qua sông, đảm bảo an toàn giao thông và phòng chống thiên tai.

  2. Các chuyên gia và kỹ sư thiết kế cầu: Tham khảo phương pháp mô phỏng thủy lực và tính toán xói mòn trụ mố cầu, áp dụng trong thiết kế và đánh giá công trình mới hoặc cải tạo.

  3. Các nhà nghiên cứu thủy văn và thủy lực: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm, mô hình và phương pháp phân tích dòng chảy lũ và xói mòn, hỗ trợ phát triển nghiên cứu chuyên sâu về thủy lực sông ngòi.

  4. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các kế hoạch quản lý dòng chảy, phòng chống xói mòn và giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng mô hình thủy lực hai chiều thay vì một chiều trong tính toán xói mòn?
    Mô hình hai chiều cho phép mô phỏng phân bố vận tốc dòng chảy theo không gian mặt cắt ngang, phản ánh chính xác hơn sự biến đổi vận tốc tại các vị trí trụ mố cầu, từ đó tính toán xói cục bộ chính xác hơn so với mô hình một chiều chỉ dùng vận tốc trung bình mặt cắt.

  2. Các công thức tính xói cục bộ có độ chính xác như thế nào khi áp dụng thực tế?
    Các công thức bán kinh nghiệm được hiệu chỉnh dựa trên số liệu thực tế, tuy nhiên kết quả có thể khác nhau do đặc thù địa hình và vật liệu đáy sông. Việc sử dụng đồng thời nhiều công thức giúp đánh giá khách quan và lựa chọn kết quả phù hợp nhất.

  3. Làm thế nào để hiệu chỉnh hệ số nhám trong mô hình thủy lực?
    Hệ số nhám Manning được điều chỉnh dựa trên so sánh kết quả mô phỏng mực nước và lưu lượng với số liệu thực đo tại các trạm thủy văn, nhằm giảm sai số RMSE và tăng hệ số tương quan r, đảm bảo mô hình phản ánh đúng điều kiện thực tế.

  4. Ảnh hưởng của thủy triều đến xói mòn trụ mố cầu như thế nào?
    Thủy triều làm thay đổi mực nước và vận tốc dòng chảy tại cửa sông, có thể làm gia tăng hoặc giảm áp lực dòng chảy lên trụ mố cầu tùy theo thời điểm. Ở khu vực Bến Thủy, thủy triều nhật triều không đều ảnh hưởng rõ rệt đến mực nước, đặc biệt trong mùa cạn.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm thiểu xói mòn trụ mố cầu?
    Kết hợp các biện pháp kỹ thuật như xây dựng kè chắn, sử dụng vật liệu chống xói, cải tạo hình thái lòng sông và giám sát thường xuyên là cách tiếp cận hiệu quả nhất. Ngoài ra, áp dụng mô hình thủy lực để dự báo và thiết kế công trình phù hợp cũng rất quan trọng.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc mô phỏng các đặc trưng thủy động lực của dòng chảy lũ khu vực cầu Bến Thủy 1 và 2 bằng mô hình MIKE 11 và MIKE 21, với sai số mô hình được kiểm định và hiệu chỉnh phù hợp.
  • Tính toán chiều sâu xói cục bộ, xói chung và xói tổng cộng tại các trụ mố cầu cho thấy mức độ xói mòn đáng kể, đặc biệt tại các trụ T16, T17 (cầu Bến Thủy 2) và T6, T7 (cầu Bến Thủy 1).
  • Mô phỏng thay đổi hình thái lòng sông cho thấy sự biến đổi đáy sông rõ rệt, ảnh hưởng đến ổn định công trình và khả năng thoát lũ.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm giảm thiểu xói mòn, bảo đảm an toàn công trình và nâng cao hiệu quả khai thác giao thông.
  • Khuyến nghị áp dụng mô hình thủy lực hai chiều trong thiết kế và quản lý công trình cầu mới, đồng thời phát triển hệ thống cảnh báo và giám sát xói mòn tự động.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các công trình cầu khác trong lưu vực sông Cả và khu vực Bắc Trung Bộ.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý và đơn vị nghiên cứu cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn nhằm bảo vệ và phát triển bền vững hệ thống giao thông và tài nguyên nước khu vực.