Chương 1 : TONG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN DE Việt Nam là đất nước có mật độ sông ngòi khá cao. Với tốc độ phát triển kinh tế-xã hội ngày càng lớn, việc đầu tư phát triển cơ sở hạ tầng về giao thông ngày càng được chú trọng, đặc biệt các công trình cầu xây dựng qua sông. Các công trình này thường gây ra sự thu hẹp dòng chảy do sự hiện diện của các trụ cầu, làm chiều rộng dòng chảy trong sông giảm đi, dẫn đến vận tốc dòng chảy dưới cầu tăng lên. Khi vận tốc dòng chảy tăng lên có thể gây xói lở trên đáy sông, hai bên bờ và xung quanh các trụ cầu.
Dòng chảy càng bị thu hẹp, khả năng xói lở phát sinh càng lớn. Xói lở đe dọa nghiêm trọng trụ cầu, m6 cầu và gây mất an toàn, nguy hiểm cho công trình. Vì thế, xói lở xung quanh trụ cầu là một tiêu chuẩn quan trọng cần được tính toán kiểm tra khi thiết kế cầu vượt sông. Đây là dé tai được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ lâu.
Về mặt mô hình toán số, từ những phương trình đầu tiên của Navier-Stokes diễn tả dòng chảy tổng quát đến hệ phương trình Reynolds cho từng trường hợp chảy rối cùng với các phương trình mô tả chuyển tải bùn cát đáy, bùn cát lo lửng, biến hình đáy sông., các nhà khoa học ngày càng muốn định lượng hóa một cách chính xác hơn những vấn đề nêu trên. Bên cạnh những phương pháp nghiên cứu truyền thong như bang mô hình vật lý, bằng thực nghiệm, đo đạc thực (Ế. cùng với sự phát triển của nhanh chóng của công nghệ tin học, phương pháp mô hình toán số ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Nhiều mô hình toán số 1D, 2D và 3D đã được xây dựng, thử nghiệm và áp dụng để giải quyết các bài toán thực tế.
Có thể nêu ra một số mô hình toán số như MIKE 11(1997), MIKE 21 và MIKE 21C (2003) của viện Thủy lực Đan Mạch, HEC-RAS (1995), RMA2 (1997) của US Army Corps of Engineering, TELEMAC, SSIIM.M6i mô hình đều có những thế mạnh, phạm vi ứng dụng và điêu kiện sử dụng riêng, tạo nên sự phong phú đa dạng của mô trường mô hình toán sô, đáp ứng yêu câu của từng lĩnh vực nghiên cứu cụ thê trong thực tế.2 TINH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Nghiên cứu ngoài nước Các mô hình toán sô 1D, 2D và 3D đã được nghiên cứu và ứng dụng rât nhiều ở nước ngoai. Có thé kế đến như : - Bai bao “Estimating Scour Depth Around Bridge Piles Using Ssiim Software and comparing its Results with Physical Model results” Ebrahim Jafari, H. Hassunizadeh, Ehsan Zazedehdasht, Maryam Kiuan Islamic Azad University Shoushtar Campus (2011) - Australian Journal of Basic and Applied Sciences. Cac tác gia, su dung mô hình 3D SSHM dé tính toán chiều sâu của hồ xói quanh cầu, kết hợp với các mô hình vật lý để so sánh kết quả đạt được [2].
- Bai bao “Control and decrease the scouring of bridge pier by method of non- submerged plates using SSHM software” Kouros Nekoufar and Hafez Kouhpari (2013) — Research Journal of Fisheries and Hydrobiology. Tac gia sử dụng mô hình SSIIM để tinh toán sự tác động của các khối chan dòng lên dòng chảy, so sánh với kết quả thí nghiệm [3]. - Bai báo “Two dimensional depth-averaged model simulation of suspended sediment concentration distribution in a groyne field” J. Các tác giả đã sử dung các mô hình toán số trung bình theo chiều sâu như CCHE 2D, Delft-Rivers, MIKE 21C và TAB-AMR để mô phỏng thủy lực sông Kankakee.
Kết quả tính toán thu được phù hợp với kết quả thực đo. - Báo cáo “2D Shallow-Water Model Using Unstructured Finite Methods” D. Mô hình toán giải hệ phương trình Saint-Venant theo phương pháp phan tử hữu hạn dựa trên một lưới phi cau trúc. Kết quả đạt được phù hợp với kết quả đo trong phòng thí nghiệm.
Bài nghiên cứu cũng đưa ra mô hình tách nước từ sông Hồng vào vùng trữ nhằm giảm thiểu anh hưởng lũ cho Hà Nội. - Bài báo “3D Numerical Simulation of Scouring Around Bridge Piers (Case Study : Bridge 524 crosses the Tanana River)” cua tac gia T. Cac tac giả đã sử dung mô hình 3D SSHM dé đánh giá tác động của dòng chảy va hỗ xói cục bộ quanh trụ cau [13]. - Luận án Tiến sĩ “3D numerical investigation on settling basin layout” Bishwo Vijaya Shrestha (2012) - Mprwegian University of Science and Technology [16].
- Luận án Tiến si “Three-dimensional numerical modeling of sediments in water reservoirs” Lisa Emilie Hoven (2010) , The Norwegian University of Science and Technology [15].2 Nghiên cứu trong nước Nhiều mô hình toán số được các nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng trong nước, như : - Bài báo “Mô hình 3D tính toán dòng chảy vùng cửa sông và ven biển” của tác giả Huynh Thanh Sơn (1997). Tac gia đã dùng phương pháp sai phan hữu hạn để giải mô hình 3 thứ nguyên về dòng chảy, đô mặn và nhiệt độ từ trong sông ra tới ngoài biển. Mô hình cung cấp được các thông tin chỉ tiết về cau trúc dòng chảy theo phương đứng so với mô hình 2 thứ nguyên tại vùng cửa sông và ven biển. Điểm đặc biệt của nghiên cứu nay là sự ghép nối giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy trong biển thông qua một hệ phương trình duy nhất với việc sử dụng phép biến đổi tọa độ sigma theo phương đứng.
Những thí nghiệm số ban đầu cho thấy mô hình có thể áp dụng vào thực tế. - Bài báo “Mô hình tính biến hình lòng dẫn 3D” của tác giả Lê Song Giang và Lê Mạnh Hùng (2007). Mô hình tính toán dòng chảy và vận tải bùn cát trong sông. Dòng chảy được tính bằng cách giải phương trình Reynolds với giả thiết thủy tinh.
Bun cát lơ lửng được mô phỏng bởi phương trình van tai, còn bun cat đáy được tính toán bằng các công thức thực nghiệm. Biến hình lòng dẫn được tính toán từ phương trình bảo toàn khối lượng tong. Tat cả phương trình đều được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn. Mô hình nghiên cứu này nghiên cứu được quá trình biến hình lòng dẫn trong sông và áp dụng tính toán biến hình sông Vàm Nao.
Điểm đặc biệt của mô hình là có thể đáp ứng được quá trình mô phỏng biến động lòng dẫn do thủy triều và lũ. Kết quả tính trường vận tốc và diễn biến đáy lòng sông có độ chính xác khá cao. - ĐỀ tài “Nghiên cứu sự xói lở cục bộ quanh trụ cầu” của Nguyễn Trường Huy (2010) [7]. Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số đặc trưng đến chiêu sâu hồ xói quanh trụ cầu, kết hợp với mô hình dòng chảy trung bình hai chiều ngang River2D (được thiết lập theo phương pháp phan tử hữu hạn dé tinh toán vận tốc dòng chảy 2 chiều ngang) để xác định trường vận tốc của dòng chảy quanh trụ cầu, từ đó có những phương án khắc phục và xử lý xói cho công trình thực tế là cầu Rông-thành phố Da Nẵng.
- Bài báo “Nghiên cứu khả năng xói lở cục bộ tai công trình cầu Trần Thị Lý khi xây dựng mới” của tác giả Lương Nguyễn Hoàng Phương và Nguyễn Thế Hùng (2011) [18]. Trong bài biết nay, các tác giả tính toán xói tại công trình cầu Trần Thị Ly với sử dụng trường vận tốc nhận được ở chương trình tính RIVER 2D, xây dựng từ mô hình tính toán dòng chảy hai chiều ngang và giải theo phương pháp phan tử hữu hạn. - Bài báo “Áp dụng chương trình RMA2 để tính xói tại cầu sông Hàn” của tác giả Đặng Việt Dũng và Nguyễn Thế Hùng (2010) [19]. Trong bài báo này, các tác giả tính toán xói cục bộ tại cầu sông Hàn nhờ sử dụng trường vận tốc nhận được từ chương trình tính RMA2, xây dung từ mô hình tính toán dòng chảy hai chiều ngang và giải theo phương pháp phần thử hữu hạn.
- Báo cáo luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D vào tính toán dòng chảy và chuyển tải bùn cát sông” của Trần Hiếu Thuận (2011), Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chi Minh [9]. - Bao cáo luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D SSIIM vào tính toán dòng chảy trong sông và hỗ chứa” của Doan Hùng Hưng (2010), Dai học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh [8].3 MỤC TIỂU CUA LUẬN VĂN Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số 3D SSIIM vào mô phỏng dòng chảy và hồ xói xung quanh trụ câu Sai Gòn 2 (mới), đôi chiều so sánh ket quả tìm được với các kết quả tính toán xói theo lý thuyết.4 NỘI DỤNG CUA LUẬN VĂN - Nghiên cứu co sở lý thuyết mô hình SSIIM (hệ phương trình tính toán dòng chảy và chuyến tải bùn cát, phương pháp toán sô). - Thu nghiệm mô hình SSHM với một vai bài toán co ban và so sánh với kết quả thực nghiệm. - Thu thập va phân tích số liệu đoạn sông Sài Gòn (địa hình, thủy van, dòng chảy) và công trình cầu của khu vực cần nghiên cứu.
- Ứng dụng mô hình SSIIM dé tính toán, mô phỏng dòng chảy xung quanh trụ cầu Sài Gòn. - Nhận xét, đánh giá ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng của mô hình và kiến nghị.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp chính dùng trong luận văn là phương pháp mô hình toán số, kết hợp với việc thu thập, phân tích di liệu và tính toán theo lý thuyết dé so sánh đối chiêu kêt quả. CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LY THUYET MO HINH 3D SSIIM VÀ GIẢI THUẬT 2.1 Lịch sử phát triển Mô hình toán số SSIIM (Sediment Simulation In Intakes with Multiblock option) được phát triển vào những năm 90 của thé kỷ trước, tiền thân là phần mềm SSII (Sediment Simulate IN Intakes) được xây dựng dựa trên phần mềm tính thủy động lực học (CFD) SPIDER viết bởi giáo sư M. Sau nhiều năm nghiên cứu cải tiến, giáo sư Nils Reidar Boe Olsen đã nâng cấp SSII lên thành hai phiên bản SSIIM 1 và SSIIM 2 dé tang khả năng tính toán dòng chảy tại những địa hình phức tap: - SSIIM 1: Tính toán mô phỏng dòng chảy với dạng ô lưới định sẵn.
- SSIIM 2: Tính toán mô phỏng dòng chảy với khả năng hiệu chỉnh được ô lưới tính toán. Mô hình SSIIM gồm 5 module: - Module tính toán dòng chảy - Module tính toán chuyền tải bùn cát - Module tính toán chất lượng nước - Module tính toán nhiệt độ - Module tính toán sự phát triển của tao (algae) Trong luận van này, chỉ hai module tính toán dòng chảy và chuyền tai bùn cát được tìm hiéu chỉ tiết và ứng dụng vào thực tế.2 Module tính toán dòng chảy a.
