phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận 6 án đƣợc trình bày theo bốn chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về công trình mỏ hàn. Nội dung của chƣơng là tổng quan tình hình nghiên cứu công trình mỏ hàn trên thế giới và trong nƣớc, đánh giá đƣợc những thành tựu cũng nhƣ các tồn tại trong các nghiên cứu có liên quan đến bố trí không gian hệ thống mỏ hàn, từ đó định hƣớng các vấn đề nghiên cứu của luận án. Chƣơng 2: Cơ sở khoa học và phƣơng pháp nghiên cứu. Nội dung của chƣơng thể hiện gồm: (i) về cơ sở khoa học, đề cập chi tiết phƣơng trình truyền triều và các quá trình vật lý ảnh hƣởng đến hiệu quả chỉnh trị của công trình mỏ hàn; (ii) về phƣơng pháp MHT, luận án lựa chọn sử dụng máng dòng chảy số họ RANS bằng mô hình Flow-3D đƣợc hiệu chỉnh, kiểm định với các số liệu thí nghiệm MHVL của tác giả Karami, từ đó thiết lập máng dòng chảy số lòng cứng và máng dòng chảy số lòng động nhằm thực hiện các phân tích cấu trúc dòng chảy và chiều sâu xói lòng dẫn theo các giải pháp bố trí hệ thống mỏ hàn.
Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu về đặc tính thủy lực và hiệu quả của hệ thống mỏ hàn trong chỉnh trị đoạn sông vùng ảnh hƣởng triều. Nội dung chƣơng 3 thể hiện các kết quả nghiên cứu gồm: (i) kết quả nghiên cứu đặc tính thủy lực dòng chảy xung quanh khu vực mỏ hàn đơn; (ii) kết quả nghiên cứu tác động của hƣớng góc mỏ hàn đến khả năng xói sâu lòng dẫn; (ii) kết quả nghiên cứu giải pháp bố trí hệ thống mỏ hàn với chiều dài mỏ hàn không bằng nhau đến cấu trúc dòng chảy và chiều sâu xói lòng dẫn; (iii) kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng mức độ thu hẹp chiều rộng dòng chảy do bố trí mỏ hàn đến khả năng xói sâu lòng dẫn; (iv) kết quả nghiên cứu tính toán tác động của hệ thống mỏ hàn đến khả năng xói sâu lòng dẫn. Chƣơng 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào công trình thực tế. Nội dung chƣơng 4 thể hiện các kết quả nghiên cứu gồm: (i) áp dụng các giải pháp bố trí không gian hệ thống mỏ hàn của luận án đề xuất vào đoạn sông Cấm; (ii) Phân tích cấu trúc dòng chảy xung quanh các giải pháp bố trí hệ thống mỏ hàn; (iii) Đánh giá hiệu quả tƣơng đối giữa các giải pháp bố trí hệ thống mỏ hàn trên đoạn sông Cấm.
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BỐ TRÍ KHÔNG GIAN HỆ THỐNG MỎ HÀN – ĐỊNH HƢỚNG CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1. GIỚI THIỆU CHUNG Nghiên cứu chỉnh trị sông ở vùng sông ảnh hƣởng triều luôn đƣợc đông đảo các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Cho đến nay khu vực này còn nhiều vấn đề phức tạp chƣa đƣợc làm rõ, đặt biệt là cấu trúc dòng chảy thuận nghịch và vận chuyển bùn cát xung quanh công trình mỏ hàn [3, 17]. Chƣơng này trình bày tổng quan các nghiên cứu đã thực hiện về bố trí không gian hệ thống mỏ hàn, từ đó đƣa ra những vấn đề nghiên cứu tiếp của luận án.
Trƣớc khi trình bày tổng quan thì những khái niệm, cơ chế tƣơng tác dòng chảy và công trình mỏ hàn chỉnh trị cho đoạn sông ảnh hƣởng triều đƣợc đề cập trong các mục 1. Khái niệm vùng sông ảnh hƣởng triều Vùng sông ảnh hƣởng triều là đoạn sông có cửa thông ra biển chịu ảnh hƣởng mạnh của thủy triều, xuất hiện dòng chảy ra vào theo 2 hƣớng thuận nghịch một cách có chu kỳ: lúc triều dâng, dòng chảy đi ngƣợc về thƣợng lƣu sông; lúc triều hạ, dòng chảy từ sông đổ ra biển. Dòng chảy, diễn biến lòng sông vùng ảnh hƣởng triều Dòng chảy trong sông vùng ảnh hƣởng triều thuộc loại dòng chảy thuận nghịch, có tính chu kỳ [8]. Sau khi đi vào cửa sông, dòng triều chịu sự hạn chế của bờ sông, gặp phải sức cản của dòng chảy sông, biến thành dòng chảy thuận nghịch, vào đất liền, ra biển, mỗi ngày 2 lần hoặc 1 lần.
Loại dòng chảy này có mực nƣớc và lƣu tốc biến đổi theo thời gian, thuộc dòng chảy không ổn định, đƣờng cong quá trình mực nƣớc và lƣu tốc đƣợc thể hiện trên Hình 1.1: Đƣờng quá trình mực nƣớc – vận tốc dòng triều [8]. Dòng chảy trong sông vùng ảnh hƣởng triều chịu ảnh hƣởng của sóng triều biển nông, hàng ngày lên xuống một cách có chu kỳ: lúc triều dâng, dòng chảy đi ngƣợc về thƣợng lƣu sông: lúc triều hạ, dòng chảy từ sông đổ ra biển. Trong quá trình triều dâng, hạ, dòng chảy đổi hƣớng thuận nghịch, mực nƣớc và lƣu tốc đều biến đổi theo thời gian. a) Dòng chảy xuôi khi triều dâng b) Dòng nƣớc ngƣợc khi triều dâng c) Dòng nƣớc ngƣợc khi triều rút d) Dòng nƣớc xuôi khi triều rút Hình 1.2: Quá trình thay đổi mực nƣớc và lƣu tốc ở 4 giai đoạn dòng triều [8].
9 Trong tình hình chung, quá trình biến đổi của mực nƣớc và lƣu tốc trong một chu kỳ triều diễn ra nhƣ Hình 1.2 thể hiện: a) Dòng nước chảy xuôi lúc triều dâng: Triều bắt đầu dâng, mực nƣớc biển tăng lên làm cho mặt nƣớc cửa sông đang dốc ra biển sẽ thoải dần, thậm chí gần bằng không, nhƣng dòng nƣớc trong cửa sông vẫn tiếp tục chảy hƣớng ra biển theo tác dụng của lực quán tính. Tất nhiên, lƣu tốc còn lại đã rất nhỏ. Trạng thái này gọi là dòng nƣớc chảy xuôi lúc triều dâng. Trong trạng thái đó, trên trục đứng có thể xuất hiện dòng chảy phân lớp với 2 hƣớng ngƣợc nhau: Lớp trên, dòng chảy đi xuôi ra biển; lớp dƣới, dòng chảy đi ngƣợc vào sông (xem Hình 1.
Xét trên mặt cắt ngang, ở vùng sát bờ và đáy do lƣu tốc nhỏ, tác dụng của lực quán tính yếu hơn nên nƣớc dâng sớm hơn. Còn ở vùng chủ lƣu, vận tốc lớn, tác dụng của lực quán tính mạnh hơn nên nƣớc sẽ dâng muộn hơn. b) Dòng nước chảy ngược lúc triều dâng: Theo sự dâng lên không ngừng của thủy triều, độ dốc mặt nƣớc nghiêng dần vào sông. Đến lúc dòng chảy xuôi vƣợt qua điểm dừng, nƣớc trên toàn bộ mặt cắt sẽ chuyển động ngƣợc về thƣợng lƣu sông.
Trạng thái này gọi là dòng nƣớc ngƣợc lúc triều dâng (xem Hình 1. c) Dòng nước chảy ngược lúc triều rút: Sau khi dòng chảy ngƣợc tiến sâu vào cửa sông đƣợc một khoảng cách nhất định, mực nƣớc trong sông bị kéo xuống từ phía biển. Lúc này, độ dốc ngƣợc của mặt nƣớc sông thoải dần, lƣu tốc dòng chảy ngƣợc cũng giảm dần, nhƣng dƣới tác dụng của lực quán tính, dòng chảy ngƣợc vẫn tiếp tục đƣợc duy trì. Trạng thái này gọi là dòng nƣớc chảy ngƣợc lúc triệu rút (xem Hình 1.
Trong trạng thái này, trên mặt cắt ngang dòng chảy ở vùng gần bờ và đáy có lƣu tốc nhỏ, lực quán tính yếu, nên rút về xuôi trƣớc. Ở vùng chủ lƣu, lƣu tốc lớn, tác dụng của lực quán tính mạnh, nên nƣớc rút về xuôi chậm hơn. d) Dòng nước chảy xuôi lúc triều rút: Mực nƣớc triều tiếp tục hạ thấp, độ dốc mặt nƣớc nghiêng dần ra biển. Dòng 10 chảy ngƣợc sau khi vƣợt qua điểm dừng, nƣớc trên toàn bộ mặt cắt ngang đều chảy xuôi về biển.
Trạng thái này gọi là dòng chảy xuôi lúc, triều hạ, (xem Hình 1. Trong bốn tình huống nói trên, do tác dụng tăng tốc và giảm tốc, phƣơng của dòng chảy có lúc không trùng với độ dốc mặt nƣớc. Nhƣ trong giai đoạn triều hạ, nƣớc chảy ngƣợc, độ dốc mặt nƣớc đã gần bằng 0 mà dòng chảy vẫn hƣớng ngƣợc về thƣợng lƣu, giai đoạn triều dâng, nƣớc chảy xuôi cũng có hiện tƣợng tƣơng tự. Nhƣng từ biên giới dòng triều trở lên, không tồn tại dòng chảy ngƣợc.
Vùng biển ngoài cửa sông, từ dòng chảy thuận nghịch chuyển sang dòng xoay chiều. Những vùng đó, không tồn tại 4 giai đoạn dòng chảy kể trên. Phân loại công trình mỏ hàn Công trình mỏ hàn có kết cấu đơn giản, gốc nối với bờ, mũi nhô ra trong dòng chảy, có tính năng thu hẹp lòng sông, điều chỉnh hƣớng dòng chảy có thể sử dụng với mục đích bảo vệ bờ, duy trì giao thông thủy hay tạo ra tuyến sông mới. Công trình mỏ hàn có thể phân loại nhƣ sau: (a) Theo tính thấm: có thể chia ra gồm mỏ hàn đặc và mỏ hàn cho nƣớc xuyên qua, nhƣ Hình 1.
(b) Theo mức độ ngập nƣớc: có mỏ hàn ngập và không ngập, Hình 1. (c) Theo góc lệch so với phƣơng dòng chảy: gồm có mỏ hàn hƣớng xuôi, mỏ hàn hƣớng ngƣợc và mỏ hàn hƣớng vuông góc, Hình 1. (d) Theo hình dạng công trình: có thể chia mỏ hàn ra các loại đƣờng thẳng, hình chữ L, hình chữ T và hình khúc côn cầu, Hình 1. Mực nƣớc Hình 1.3: Phân loại mỏ hàn (Zhang and Nakagawa [69]) 11 1.
Các tham số bố trí không gian hệ thống mỏ hàn Bố trí hệ thống mỏ hàn có liên quan đến các tham số bố trí chủ yếu nhƣ: hƣớng góc (góc xiên giữa mỏ hàn và phƣơng dòng chảy), chiều dài mỏ hàn, khoảng cách giữa các mỏ hàn và cao trình đỉnh mỏ hàn (Richardson và nnk [56]; Alvareg [78]; Przedwojski và nnk [54]; USACE [63]) thể hiện Hình 1.4: Sơ họa bố trí hệ thống mỏ hàn, USACE [63]. Tham số hướng góc mỏ hàn Hƣớng góc của mỏ hàn có tác động nhất định đến xói bồi lòng dẫn. Mỏ hàn có thể đƣợc đặt vuông góc, hoặc hƣớng ngƣợc hoặc hƣớng xuôi về thƣợng lƣu hay hạ lƣu. a – Hƣớng ngƣợc b - Vuông góc c – Hƣớng xuôi Hình 1.5: Mỏ hàn với các hƣớng góc khác nhau Các mỏ hàn hƣớng ngƣợc còn đƣợc gọi là mỏ hàn nắn dòng do tác dụng đẩy hƣớng dòng chảy ra xa khỏi công trình (Hình 1.
Ngƣợc lại, mỏ hàn hƣớng xuôi còn đƣợc gọi là mỏ hàn đón, thu hút dòng chảy tập trung về phía công trình (Hình 1. Để đạt đƣợc hiệu quả chỉnh trị cao thì cần phải bố trí một số mỏ hàn lập thành một hệ thống công trình chỉnh trị. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8419:2010 [24] công trình thủy lợi – thiết kế công trình bảo vệ bờ sông để chống lũ, hƣớng góc mỏ hàn trên sông có dòng chảy đơn hƣớng nên bố trí trong khoảng từ 65o đến 80o. Tham số chiều dài mỏ hàn Chiều dài mỏ hàn phụ thuộc vào vị trí bố trí công trình, mục đích xây dựng, khoảng cách mỏ hàn và chỉ tiêu hiệu quả kinh tế, độ rộng sông, điều kiện địa hình, địa chất lòng sông và đặc trƣng thủy văn.
