Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Mô Hình Toán Số 3D SSIIM Để Mô Phỏng Dòng Chảy Và Hố Xói Quanh Trụ Cầu

Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số 3D SSIIM trong mô phỏng dòng chảy và hố xói quanh trụ cầu, cung cấp giải pháp tối ưu cho thiết kế cầu.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Huỳnh Thanh Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số 3D SSIIM trong mô phỏng dòng chảy và hố xói quanh trụ cầu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Mục tiêu luận văn
• 1.4. Nội dung luận văn
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH 3D SSIIM VÀ GIẢI THUẬT
• 2.1. Lịch sử phát triển
• 2.2. Module tính toán dòng chảy
• 2.3. Tính toán chuyển tải bùn cát
• 2.4. Phương trình diễn biến đáy Exner
• 2.5. Phương pháp số trong mô hình
• 2.5.1. Tổng quan về các phương pháp số
• 2.5.2. Phương pháp giải hệ PT Navier-Stokes trong mô hình SSIIM
• 2.5.3. Phương pháp giải PT chuyển tải bùn cát trong mô hình SSIIM
• 3. CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH 3D SSIIM VỚI CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN
• 3.1. Bài toán dòng ổn định trong kênh phẳng
• 3.2. Bài toán xói quanh một trụ cầu hình tròn
• 3.2.1. Mô tả thí nghiệm - dữ liệu tính toán cho mô hình
• 3.2.2. Kết quả mô hình
• 3.2.3. Tính toán bằng công thức thực nghiệm
• 3.2.3.1. Kết quả tính toán bằng thực nghiệm
• 3.2.4. So sánh kết quả - Nhận xét
• 3.3. Mô phỏng tác động của dòng chảy vào hố xói khi có hai trụ cầu với khoảng cách khác nhau
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ HÌNH 3D SSIIM VÀO BÀI TOÁN THỰC TẾ
• 4.1. Giới thiệu khu vực nghiên cứu
• 4.1.1. Tổng quan về Sông Sài Gòn khu vực nghiên cứu
• 4.1.2. Công trình cầu Sài Gòn 2
• 4.2. Dữ liệu cần thiết cho tính toán đầu vào
• 4.2.1. Địa chất đáy sông
• 4.2.2. Thủy văn - Thủy lực
• 4.2.3. Thông số kỹ thuật sơ lược cầu Sài Gòn 2
• 4.2.4. Lưới tính toán
• 4.2.5. Điều kiện biên
• 4.3. Các trường hợp mô phỏng tính toán và kết quả
• 4.3.1. Các trường hợp mô phỏng
• 4.3.2. Tính toán chung tổng thể khu vực nghiên cứu
• 4.3.2.1. Mô phỏng dòng chảy và chuyển tải bùn cát cho đoạn sông trong trường hợp không có công trình cầu
• 4.3.2.2. Mô phỏng dòng chảy và chuyển tải bùn cát cho đoạn sông khi có công trình cầu
• 4.3.3. Tính toán mặt cắt chi tiết trụ cầu
• 4.4. Nhận xét và đánh giá kết quả
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục
• appendix.1. Phụ lục 1: Kết quả tính toán vận tốc trong kênh HCN
• appendix.2. Phụ lục 2: Trình tự nhập dữ liệu cho file Timei trong mô hình
• Danh sách Hình
• Danh sách Bảng

Tóm tắt

I. Giới thiệu và đặt vấn đề

Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số 3D SSIIM vào mô phỏng dòng chảy và hố xói quanh trụ cầu là một đề tài quan trọng trong lĩnh vực thủy lực công trình. Việt Nam, với mật độ sông ngòi cao, đang đối mặt với thách thức về xói mòn quanh các công trình cầu. Mô hình 3D SSIIM được phát triển bởi N. Olsen, là công cụ hiệu quả để mô phỏng dòng chảy và xói lở. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng mô hình này để tính toán dòng chảy và hố xói quanh trụ cầu Sài Gòn 2, so sánh kết quả với các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về mô hình toán số 3D đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới. Các nghiên cứu ngoài nước như của Ebrahim Jafari và Kouros Nekoufar đã sử dụng mô hình SSIIM để tính toán hố xói quanh trụ cầu. Trong nước, các nghiên cứu của Huỳnh Thanh Sơn và Lê Song Giang cũng đã áp dụng mô hình 3D để mô phỏng dòng chảy và biến hình lòng dẫn. Tuy nhiên, việc ứng dụng mô hình SSIIM vào bài toán thực tế tại Việt Nam vẫn còn hạn chế.

1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là ứng dụng mô hình 3D SSIIM để mô phỏng dòng chảy quanh trụ cầu và xói mòn tại khu vực cầu Sài Gòn 2. Nội dung bao gồm: nghiên cứu cơ sở lý thuyết của mô hình, thử nghiệm mô hình với các bài toán cơ bản, thu thập và phân tích dữ liệu thực tế, và áp dụng mô hình vào bài toán thực tế.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Mô hình 3D SSIIM dựa trên hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình chuyển tải bùn cát. Mô hình này sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải các phương trình thủy lực. Nghiên cứu này kết hợp phương pháp mô hình toán số với việc thu thập và phân tích dữ liệu thực tế để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

2.1. Lịch sử phát triển của mô hình SSIIM

Mô hình SSIIM được phát triển từ những năm 1990, dựa trên phần mềm CFD SPIDER. Mô hình này được thiết kế để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong các hệ thống thủy lực phức tạp. Mô hình 3D SSIIM đã được cải tiến để giải quyết các bài toán thực tế như xói lở quanh trụ cầu.

2.2. Phương pháp toán số trong mô hình SSIIM

Mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình chuyển tải bùn cát. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy quanh trụ cầu và xói mòn trong các điều kiện thủy lực khác nhau.

III. Thử nghiệm và ứng dụng mô hình

Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm mô hình 3D SSIIM với các bài toán cơ bản như dòng chảy ổn định trong kênh phẳng và xói quanh trụ cầu. Kết quả thử nghiệm được so sánh với các kết quả thực nghiệm và lý thuyết để đánh giá độ chính xác của mô hình.

3.1. Thử nghiệm dòng chảy ổn định trong kênh phẳng

Mô hình được thử nghiệm với bài toán dòng chảy ổn định trong kênh phẳng. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả giải tích, cho thấy độ chính xác cao của mô hình 3D SSIIM trong việc mô phỏng dòng chảy.

3.2. Thử nghiệm xói quanh trụ cầu

Mô hình được áp dụng để mô phỏng xói mòn quanh trụ cầu hình tròn. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm và công thức thực nghiệm, cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình 3D SSIIM trong việc dự đoán hố xói quanh trụ cầu.

IV. Áp dụng mô hình vào bài toán thực tế

Nghiên cứu áp dụng mô hình 3D SSIIM vào bài toán thực tế tại cầu Sài Gòn 2. Mô hình được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và xói mòn quanh hai trụ cầu chính. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi đáy sông và độ sâu hố xói qua thời gian.

4.1. Thu thập và phân tích dữ liệu thực tế

Dữ liệu về địa hình, thủy văn và thủy lực của đoạn sông Sài Gòn được thu thập và phân tích. Các thông số kỹ thuật của cầu Sài Gòn 2 cũng được xem xét để làm đầu vào cho mô hình.

4.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Mô hình mô phỏng dòng chảy và xói mòn quanh trụ cầu trong thời gian một năm. Kết quả cho thấy sự thay đổi đáy sông và độ sâu hố xói lớn nhất qua các tháng. Kết quả mô phỏng được so sánh với các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết, cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình 3D SSIIM trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng công trình thủy và giao thông vượt sông, xói lở cục bộ xung quanh mố trụ cầu là một trong những nguyên nhân hàng đầu đe dọa trực tiếp đến sự an toàn và tuổi thọ công trình. Theo các thống kê ngành giao thông thủy, hơn 60% các sự cố sập đổ hoặc hư hỏng mố trụ cầu trên thế giới và tại Việt Nam xuất phát từ hiện tượng xói lở lòng dẫn chưa được dự báo chính xác. Khi xây dựng cầu vượt sông, sự hiện diện của các trụ cầu làm co hẹp mặt cắt ướt tự nhiên, khiến vận tốc dòng chảy cục bộ tăng từ 25% đến 40%, tạo ra các vùng xoáy cuộn mạnh mẽ bóc mòn lớp trầm tích đáy sông.

Nghiên cứu này tập trung ứng dụng mô hình toán số thủy động lực học ba chiều SSIIM (Sediment Simulation in Intakes with Multiblock option) do giáo sư Nils Reidar Boe Olsen phát triển để mô phỏng chi tiết trường dòng chảy ba chiều và diễn biến hố xói cục bộ xung quanh hệ thống mố trụ cầu. Đối tượng áp dụng thực tế là công trình cầu Sài Gòn 2 bắc qua sông Sài Gòn thuộc Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng quy trình mô phỏng số 3D tiệm cận thực tế, kiểm chứng tính chuẩn xác của mô hình thông qua bài toán giải tích và máng thí nghiệm thủy lực, từ đó đánh giá mức độ biến đổi lòng sông trong chu kỳ thủy văn 12 tháng liên tục. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ công tác thiết kế chiều sâu chôn móng mố trụ, giúp tối ưu hóa từ 15% đến 30% chi phí xây dựng và bảo vệ bờ kè cho các dự án cầu vượt sông trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thủy lực sông ngòi và động lực học dòng chảy rối ba chiều:

• Hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình Reynolds: Mô tả chuyển động của chất lưu không nén được trong không gian ba chiều. Dòng chảy rối được giải quyết thông qua việc tách vận tốc tức thời thành vận tốc trung bình và thành phần mạch động rối, kết hợp hệ phương trình ứng suất Reynolds.
• Mô hình rối hai phương trình k-epsilon: Đóng kín hệ phương trình động lượng bằng cách xác định hệ số nhớt rối thông qua động năng rối k và tốc độ tiêu tán năng lượng rối epsilon, sử dụng hằng số kinh nghiệm phổ biến có giá trị 0,09.
• Quy luật tường biên và ma sát đáy: Vận dụng quy luật thành nhám của Nikuradse và hằng số Von Karman bằng 0,4 để mô tả chính xác sự suy giảm vận tốc sát đáy sông và ảnh hưởng tương hỗ của nồng độ bùn cát lên phân bố lưu tốc.
• Lý thuyết vận chuyển bùn cát và diễn biến đáy: Vận dụng phương trình đối lưu - khuếch tán để mô phỏng bùn cát lơ lửng kết hợp công thức Van Rijn năm 1987 để xác định lưu lượng bùn cát đáy. Sự nâng hạ cao trình lòng dẫn được khống chế bởi phương trình bảo toàn khối lượng liên tục Exner.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình toán số làm công cụ chủ đạo, kết hợp phân tích đối chiếu với dữ liệu đo đạc thực nghiệm và lời giải giải tích:

• Phương pháp số: Mô hình 3D SSIIM giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng bằng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method). Trường áp suất và vận tốc được liên kết bằng thuật toán bán ẩn SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) do Patankar đề xuất, với hệ số nghỉ được hiệu chỉnh ở mức 0,2 nhằm triệt tiêu dao động và tăng tốc độ hội tụ. Quá trình vận chuyển bùn cát được rời rạc hóa bằng sơ đồ thượng lưu cấp một (FOU) và cấp hai (SOU) để hạn chế tối đa hiện tượng khuếch tán số.
• Nguồn dữ liệu và điều kiện biên: Dữ liệu địa hình lòng dẫn sông Sài Gòn được số hóa qua mô hình 2D BlueKenue trên đoạn sông dài hơn 1000 m. Chuỗi số liệu mực nước triều biên dưới và lưu lượng biên trên được trích xuất từ trạm thủy văn Thanh Đa với tần suất thiết kế 1%. Cỡ mẫu vật liệu đáy bao gồm các mẫu hạt bùn cát có đường kính trung vị d50 từ 1,5 mm đến 3,0 mm.
• Thiết lập lưới tính toán: Miền tính toán được chia lưới phi cấu trúc 3D với 201 mặt cắt dọc theo dòng chảy, 41 mặt cắt ngang và từ 4 đến 11 lớp theo phương đứng. Các ô lưới được làm mịn tối đa tại khu vực sát chân trụ cầu với bước thời gian tính toán là 5 giây, thực hiện tổng cộng 12.240 bước lặp mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận những phát hiện quan trọng thông qua ba chuỗi thử nghiệm từ cơ bản đến thực tế:

• Độ chính xác cao trong kênh phẳng hình chữ nhật: Khi chạy mô phỏng kênh phẳng chiều dài 1000 m, rộng 100 m, sâu 10 m với lưu lượng 800 mét khối trên giây, phân bố profile vận tốc dạng hàm logarithm của mô hình SSIIM hoàn toàn trùng khớp với lời giải giải tích lý thuyết. Mức sai số vận tốc lớn nhất giữa hai phương pháp chỉ đạt khoảng 4,5%, chứng minh độ tin cậy tuyệt đối của giải thuật số.
• Mô phỏng hố xói trụ đơn trong máng thí nghiệm: Thử nghiệm mô phỏng trụ tròn đường kính 20 mm với vật liệu cát d50 bằng 1,5 mm trong thời gian 17 giờ (tương đương 61.200 giây) cho thấy:
  • Ở cấp lưu lượng 0,41 lít trên giây (chiều sâu nước 18 mm), mô hình SSIIM dự báo chiều sâu hố xói đạt 30,24 mm, trong khi thí nghiệm máng thực tế ghi nhận 23,0 mm (sai số khoảng 31,5%) và công thức kinh nghiệm Richardson dự báo 35,1 mm.
  • Ở cấp lưu lượng 0,25 lít trên giây (chiều sâu nước 15 mm), mô hình SSIIM đạt chiều sâu hố xói 11,23 mm, bám rất sát kết quả thực nghiệm máng là 10,0 mm (sai số chỉ 12,3%), vượt trội hơn hẳn so với công thức Richardson dự báo lên tới 26,8 mm.
• Hiệu ứng tương tác giữa hai trụ cầu: Khi thay đổi cự ly giữa hai trụ từ 6 m, 16 m lên 36 m, vận tốc dòng chảy qua khe hẹp giữa hai trụ giảm từ 15% đến 22%, hố xói cục bộ giữa hai thân trụ giảm dần mức độ giao thoa và tách biệt hoàn toàn thành hai phễu xói độc lập khi khoảng cách đạt 36 m.
• Diễn biến đáy sông thực tế tại cầu Sài Gòn 2: Mô phỏng dòng chảy triều trong 12 tháng cho thấy khu vực hai trụ chính xuất hiện hố xói sâu cục bộ với cao độ đáy hạ thấp từ 2,5 m đến 4,8 m, trong khi vùng hạ lưu sau trụ hình thành các đụn cát bồi lắng cao từ 0,8 m đến 1,6 m.

Thảo luận kết quả

Cơ chế thủy lực hình thành hố xói được mô hình 3D SSIIM tái hiện rất rõ nét: khi dòng chảy tiếp cận trụ cầu, sự cản trở hình học tạo nên một gradient áp suất theo phương đứng, hướng dòng nước đi xuống đáy tạo thành hệ thống xoáy cuộn móng ngựa (horseshoe vortex) ở phía trước mũi trụ. Xoáy móng ngựa này hoạt động như một mũi khoan thủy lực liên tục bóc tách các hạt cát đáy. Đồng thời, ở phía sau đuôi trụ, hệ thống xoáy vệt (wake vortex) hút bùn cát lên tầng nước lơ lửng và đẩy về phía hạ lưu.

So với các công thức kinh nghiệm như Richardson hay Laursen vốn thường cho kết quả thiên về an toàn quá mức từ 25% đến 50%, mô hình 3D SSIIM cung cấp số liệu sát với thực tế hơn rất nhiều nhờ khả năng tính toán phi tuyến không gian ba chiều. Các sai số nhỏ trong mô hình máng thí nghiệm xuất phát từ giới hạn kích thước ô lưới vật lý (5 x 2 mm) khi mô hình hóa hạt cát siêu nhỏ. Kết quả nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ phân bố lưu tốc theo phương đứng, bản đồ trường vector vận tốc hai pha triều lên xuống và sơ đồ đường đồng mức biến dạng đáy sông theo thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả quản lý, thiết kế và an toàn vận hành cho các công trình cầu vượt sông lớn, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp trọng tâm:

• Thiết lập hệ thống quan trắc và cảnh báo xói lở tự động: Đơn vị quản lý khai thác hạ tầng giao thông đô thị cần triển khai lắp đặt hệ thống cảm biến đo sâu hồi âm tại chân các trụ chính cầu Sài Gòn 2, duy trì chế độ giám sát liên tục 24/7 nhằm kiểm soát độ sâu hố xói không vượt quá ngưỡng an toàn cho phép là 4,5 m, hoàn thiện lắp đặt trong thời gian 6 tháng.
• Gia cố bảo vệ lòng dẫn bằng thảm đá và rọ đá sinh thái: Ban quản lý dự án chỉ đạo thi công lớp thảm đá hộc kết hợp vải địa kỹ thuật xung quanh chân móng trụ cầu với bán kính bảo vệ tối thiểu bằng 2,5 lần bề rộng thân trụ. Giải pháp này giúp giảm thiểu từ 80% đến 90% nguy cơ hình thành phễu xói sâu trong mùa mưa lũ, hoàn thành trong vòng 12 tháng tới.
• Chuẩn hóa quy trình ứng dụng mô hình số 3D trong thiết kế cầu: Bộ Giao thông Vận tải và các cơ quan liên quan cần ban hành quy định bắt buộc áp dụng mô hình toán 3D như SSIIM trong công tác thẩm tra thủy lực cho các công trình cầu cấp I và cấp đặc biệt, mục tiêu giảm sai số dự báo kích thước móng cọc xuống dưới 10% trong lộ trình 2 năm.
• Định kỳ khảo sát quét địa hình đáy sông đa tia: Đơn vị quản lý đường thủy nội địa tổ chức quan trắc đo vẽ bình đồ đáy sông bằng máy đo sâu đa tia multibeam với tần suất 2 lần mỗi năm trên đoạn sông 1000 m quanh cầu để kịp thời phát hiện các diễn biến xói lở bất thường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế cầu đường và công trình thủy: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác để xác định cao độ đáy xói nguy hiểm nhất, giúp tối ưu hóa chiều dài cọc khoan nhồi và kích thước bệ móng, vừa đảm bảo khả năng chịu lực vừa tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí vật tư xây dựng.
• Cơ quan quản lý hạ tầng giao thông và đô thị: Giúp các đơn vị quản lý đường bộ và đường thủy nắm rõ quy luật diễn biến dòng chảy, bồi xói cục bộ dưới mố trụ để xây dựng kế hoạch duy tu, nạo vét và phân luồng tàu thuyền lưu thông an toàn tuyệt đối.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Là tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về việc ứng dụng phương pháp thể tích hữu hạn, thuật toán SIMPLE và mô hình rối k-epsilon trong giải quyết các bài toán thủy động lực học công trình ba chiều phức tạp.
• Các đơn vị tư vấn thẩm tra và đánh giá tác động môi trường: Hỗ trợ công cụ đánh giá tác động xói lở bờ sông và biến đổi chế độ thủy văn khi xây dựng các công trình nhân tạo quy mô lớn trên hệ thống sông ngòi tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình 3D SSIIM có ưu thế gì vượt trội so với các phần mềm mô phỏng 1D và 2D thông thường?
Mô hình SSIIM giải quyết trọn vẹn hệ phương trình Navier-Stokes 3 chiều và mô hình rối hai phương trình k-epsilon, cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy xoáy móng ngựa thẳng đứng quanh trụ. Các mô hình 1D hoặc 2D chỉ tính toán giá trị trung bình mặt cắt nên thường bỏ qua thành phần vận tốc đứng, dẫn đến sai số dự báo xói từ 30% đến 50%.

Tại sao có sự chênh lệch giữa mô hình số 3D và các công thức thực nghiệm của Richardson?
Công thức Richardson được thiết lập từ các chuỗi thực nghiệm máng trong điều kiện biên đồng nhất và thường có xu hướng cộng thêm hệ số an toàn lớn từ 20% đến 40%. Trong khi đó, SSIIM mô phỏng trực tiếp tương tác thủy lực và phương trình vận chuyển bùn cát Van Rijn theo thời gian thực 61.200 giây nên phản ánh sát thực tế hơn.

Kích thước ô lưới tính toán ảnh hưởng như thế nào đến độ hội tụ của mô hình SSIIM?
SSIIM vận hành ổn định nhất với các ô lưới có kích thước cạnh từ 10 mm trở lên. Khi chia lưới quá nhỏ sát chân trụ máng thí nghiệm (khoảng 5 x 2 mm) xấp xỉ đường kính hạt cát 1,5 mm, mô hình có thể phát sinh hiện tượng mất ổn định số, đòi hỏi kỹ sư phải giảm hệ số nghỉ xuống mức 0,2 để đảm bảo nghiệm hội tụ.

Khoảng cách giữa hai trụ cầu ảnh hưởng ra sao đến chiều sâu xói lở cục bộ?
Khi khoảng cách giữa 2 trụ hẹp ở mức 6 m, trường lưu tốc bị thắt hẹp làm vận tốc dòng chảy tăng cao, dẫn đến chiều sâu hố xói tăng thêm khoảng 18%. Khi khoảng cách được mở rộng lên 36 m, tương tác xoáy giữa hai trụ triệt tiêu hoàn toàn, hố xói quay về trạng thái trụ đơn độc lập.

Dữ liệu đầu vào bắt buộc để chạy mô hình xói trụ cầu thực tế gồm những gì?
Mô hình yêu cầu 4 nhóm dữ liệu chính: Bình đồ địa hình lòng sông dạng 3D, chuỗi số liệu thủy văn mực nước và lưu lượng theo chu kỳ triều, đường kính hạt bùn cát d50 từ 1,5 mm đến 3,0 mm và kích thước hình học chi tiết của hệ thống trụ cầu.

Kết luận

• Ứng dụng thành công mô hình toán số ba chiều SSIIM vào việc mô phỏng chi tiết trường vận tốc và diễn biến hố xói quanh trụ cầu Sài Gòn 2.
• Kiểm chứng thành công độ tin cậy của mô hình qua bài toán kênh phẳng với sai số lưu tốc dưới 4,5% và bài toán máng thí nghiệm trụ đơn.
• Làm rõ cấu trúc dòng chảy ba chiều phức tạp bao gồm hệ thống xoáy cuộn móng ngựa trước mũi trụ và hệ thống xoáy vệt gây bồi lắng sau đuôi trụ.
• Xác định quy luật tương tác thủy lực giữa 2 trụ cầu theo cự ly khoảng cách, khẳng định hiệu quả dự báo vượt trội so với các công thức kinh nghiệm truyền thống vốn đánh giá sai lệch từ 25% đến 40%.
• Đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ giúp kiểm soát xói lở, bảo vệ an toàn tuyệt đối cho kết cấu móng cầu.

Trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu và tư vấn thiết kế nên mở rộng ứng dụng mô hình SSIIM cho các hình thái mố trụ phức tạp và nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của sóng tàu thuyền. Hãy liên hệ với các chuyên gia công trình thủy để được tư vấn ứng dụng mô hình số tiên tiến vào tối ưu hóa thiết kế công trình ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.