Docstoc

Bai bao HEC RAS

Document Sample
Bai bao HEC RAS Powered By Docstoc
					                BÁO CÁO KHOA HỌC TẠI HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ 18
                        TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI


        ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HEC-RAS TRONG TÍNH XÓI MỘT SỐ CẦU
                     TRÊN SÔNG HỒNG ĐOẠN HÀ NỘI
          Application of HEC-RAS software to predict scours at some bridges
                       crossing the Red river within Hanoi
                         NCS. ThS. Nguyễn Đăng Phóng
                         Bộ môn Thủy lực Thủy văn, khoa Công trình,
                         trường ĐH Giao thông Vận tải

        Tóm tắt: Bài báo trình bày việc ứng dụng phần mềm HEC-RAS, một phần mềm dùng để
thiết kế thủy lực các công trình, vào dự đoán xói chung và xói cục bộ ở một số cầu trên sông
Hồng trong phạm vi Hà Nội.
        Abstract: The article presents the application of HEC-RAS software, the software for
hydraulic design of construction Engineering in predicting constricted scour and local scour at
some bridges crossing the Red River within Hanoi

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
        Hiện nay, việc tính toán chế độ thủy lực sông ngòi nói chung và xói lở dưới cầu nói
riêng, là một phần quan trọng trong đồ án thiết kế cầu qua sông. Công việc tính toán này thường
được các đơn vị tính toán theo các phương pháp khác nhau, các chương trình tính khác nhau.
Một trong những chương trình tính hiện nay được nhiều đơn vị sử dụng là Mô hình phân tích
dòng sông do Trung tâm Công trình Thuỷ văn (River Analysis System - Hydrologic Engineering
Center – HEC-RAS) của Cục Kỹ thuật công trình Quân đội Mỹ thiết kế dùng để phân tích thuỷ
lực các công trình xây dựng có liên quan tới dòng chảy sông.
II. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH
        Mô hình HEC-RAS là hệ thống phần mềm tổng hợp, được thiết kế để sử dụng trong môi
trường nhiều chức năng có ảnh hưởng lẫn nhau. Các mô-đun trong Mô hình HEC-RAS đều được
xây dựng dựa trên những cơ sở lý thuyết có liên quan tới những khả năng tính toán khác nhau.
Nhưng trong tất cả các mô-đun đều có sử dụng chung hai phương trình cơ bản là phương trình
năng lượng và phương trình động lượng. Đối với công trình cầu vượt sông, để phục vụ dự báo
xói chung dưới cầu do cầu thu hẹp dòng chảy và xói cục bộ tại chân trụ và mố cầu, trong Mô
hình HEC-RAS còn sử dụng các phương trình bán thực nghiệm.
2.1. Phương trình thủy lực.
         Về lý thuyết, đường mặt nước trong Mô hình HEC-RAS được tính toán từ mặt cắt này
đến mặt cắt khác (hình 1) bằng việc giải Phương trình năng lượng (hay phương trình Becnuly):
                                              α 2V22                 α1V12
                                 Y2 + Z 2 +            = Y1 + Z1 +           + he           (1)
                                               2g                     2g



                                                  1
 trong đó:
      Y1, Y2: chiều sâu dòng chảy ở các mặt cắt;         Z1, Z2: cao độ lòng sông;
      V1, V2: tốc độ trung bình;                         α1, α 2: hệ số sửa chữa động năng;
      he: tổn thất năng lượng đơn vị giữa hai mặt cắt ;
         Phương trình năng lượng chỉ            2                                     1
áp dụng được trong các điều kiện
dòng chảy có sự biến đổi dần. Khi           α 2V22                    Đường năng
                                                                                           he
đường mặt nước có sự thay đổi đột            2g
                                                                        Mặt nước
                                                                                        α 1V11
ngột như ở nơi có nước nhảy, hay                                                         2g
dưới cầu và ở các khu nhập lưu (ngã           Y2

ba sông) thì phương trình năng lượng                                                    Y1
không thể áp dụng được. Lúc đó                                              §¸y
HEC-RAS sẽ sử dụng phương trình               Z2
biến thiên động lượng để tính toán.                                                     Z1
                                                                            Mặt chuẩn
Phương trình động lượng xuất phát
                                            Hình 1: Các yếu tố trong phương trình năng lượng
từ định luật 2 Niutơn theo phương
dòng chảy có dạng:
                     P2 - P1 + Wx - Ff = ∑ρ.Q.Vx                                               (2)
 trong đó:
        P1; P2: áp lực thuỷ tĩnh ở mặt cắt;             Wx: trọng lực của khối nước theo phương x;
        Ff: lực do ma sát trong giữa 2 mặt cắt;         Q: lưu lượng nước;
         ρ: trọng lượng riêng của nước;                Vx: lưu tốc mặt cắt ở biên.
 2.2. Các phương trình phân tích xói dưới cầu
         Phân tích xói dưới cầu trong Mô hình HEC-RAS về cơ bản được thực hiện theo các
 phương trình được giới thiệu trong Thông tư về Công trình Thủy lực (Hydraulic Engineering
 Circular No.18: HEC-18)
 2.2.1. Xói chung (xói thắt hẹp) dưới cầu.
         Xói chung trong chương trình được tính theo công thức của Laursen
 a) Xói nước đục (V>Vc):
                                     y2      Q        W
                                         = ( 2 ) 6/7 ( 1 ) k1                                  (3)
                                     y1      Q1       W2
                                   yx = y2 - y0                                                (4)
trong ®ã:
       yx: chiều sâu xói trung bình, m;
       y1, : chiều sâu trung bình ở lòng dẫn phía thượng lưu, m;
       y2: chiều sâu trung bình ở đoạn thu hẹp, m;
       y0: chiều sâu hiện tại ở đoạn thu hẹp trước khi xói, m;
       Q1: lưu lượng ở thượng lưu dòng chảy có tải bùn cát, m3/s;
       Q2: lưu lượng ở đoạn dòng chảy bị thu hẹp, m3/s;
       W1: chiều rộng đáy của dòng chảy đoạn thượng lưu, m;
       W2: chiều rộng đáy của dòng chảy ở đoạn bị thu hẹp đã trừ đi chiều rộng các trụ, m;



                                                  2
        k1: số mũ thay đổi từ 0,59 ÷ 0,69.
b) Xói nước trong:
                                                        3/7
                                         ⎛ 0,025Q 2 ⎞
                                   y 2 = ⎜ 2/3 2 2 ⎟
                                         ⎜ D L ⎟                                                       (5)
                                         ⎝ m        ⎠
        trong đó:
        Dm: đường kính của hạt bùn cát đáy nhỏ nhất trong bùn cát đáy không bị cuốn đi (Dm =
1,25D50) ở đoạn thu hẹp, m;
2.2.2. Xói cục bộ trụ cầu.
        Xói trụ cầu có thể được tính toán theo công thức của Richardson (1990) thuộc trường Đại
học Colorado, Hoa Kỳ:
                                                                                   0,35         0,43
                                             hxcb = 2,0K1 K 2 K 3 K 4 b 0, 65 h1          Fr1          (6)
trong đó:
        h1: chiều sâu dòng chảy trước trụ, m;
        Fr1: hệ số Froude trước trụ, Fr1 = V1 / (gy1)0,5;
        K1: hệ số điều chỉnh cho hình dạng đầu trụ.
        K2: hệ số điều chỉnh đối với góc nghiêng θ của dòng chảy.
        K3: hệ số điều chỉnh đối với tình trạng đáy sông.
        K4: hệ số điều chỉnh để giảm bớt chiều sâu hố xói cục bộ đối với trường hợp đáy sông có
bùn cát thô đường kính D50 ≥ 60 mm làm thô hoá đáy hố xói.
2.2.3. Xói cục bộ mố cầu.
        Xói cục bộ mố cầu trong mô hình được sử dụng phương trình HIRE:
                                            hx = 4h1(K1 / 0,55)Fr0,33K2                      (7)
        trong đó:
                hx: chiều sâu xói, m;
                hl: chiều sâu dòng chảy ở mố trên bãi sông hoặc trong lòng chủ, m;
                Fr: hệ số Froude được xác định qua tốc độ và chiều sâu sát thượng lưu mố;
                K1: hệ số xét đến hình dạng mố.
                K2: hệ số xét đến góc giữa phương nền đường đắp với phương dòng chảy.
2.3. Sử dụng Mô hình HEC-RAS trong phân tích thuỷ lực cầu vượt sông
        Để tiến hành phân tích xói cầu, trước người sử dụng phải xây dựng một mô hình thủy lực
của sông có cầu đang được phân tích. Mô hình này bao gồm một vài mặt cắt ngang: một mặt cắt
ở thượng lưu cầu mà tại đó dòng chảy chưa bị thay đổi do ảnh hưởng của cầu, hai mặt cắt ngay
trước và sau cầu (thường lấy ở chân mái ta luy mố cầu hay chân mái taluy đường dẫn vào cầu),
một mặt cắt ở hạ lưu cầu tại vị trí kết thúc đoạn dòng chảy mở rộng sau cầu. Mô hình cũng sẽ
bao gồm một số mặt cắt ngang của cầu để có thể đánh giá ảnh hưởng trong tương lai xa của cầu
trên mặt cắt dọc đường mặt nước thượng lưu.
        Nếu số liệu thực đo có đủ thì mô hình sẽ được kiểm tra để điền đầy đủ nhất trong phạm
vi có thể. Sau khi mô hình thủy lực đã được kiểm tra (nếu số liệu đo là đầy đủ), mô hình yêu cầu
nhập vào các biến thiết kế để phân tích xói. Nói chung, các biến thiết kế dùng trong phân tích
cầu thường đo 100 năm ( xác suất P=1%). Thêm vào đó các biến số yêu cầu trong 500 (xác suất
P=0.2%) cũng dùng để kiểm tra móng cầu dưới điều kiện lũ đặc biệt lớn (super-flood)


                                                    3
        Bước tiếp theo là mở tùy chọn phân phối dòng chảy (flow distribution) trong HEC-RAS.
Tùy chọn này cho phép thêm vào số liệu đầu ra để biểu diễn sự phân phối dòng chảy theo hệ số
phân khu của bên trái, bên phải bãi sông (overbank) cũng như lòng chủ (main channel). Tùy
chọn của số liệu đầu ra của phân phối dòng chảy bao gồm: lượng dòng chảy năm, diện tích dòng
chảy, chu vi ướt, lưu lượng, độ sâu thủy lực và lưu tốc trung bình. Mô hình cho phép điều chỉnh
số lượng các lớp trong mỗi phần dòng chảy (bờ sông bên trái, bờ sông bên phải, lòng chủ) có thể
lên tối đa là 45 lớp.
        Sau đó là điều chỉnh số liệu đầu ra của phân phối dòng chảy. Người sử dụng phải yêu cầu
số liệu đầu ra của phân phối dòng chảy đối với mặt cắt ngang bên trong cầu, mặt cắt ngang gần
thượng lưu cầu và các mặt cắt tương tự (mặt cắt ngang thượng lưu cầu tại nơi mà đối với khoảng
cách đó thì đường dòng chảy vẫn còn song song và dòng chảy chưa bắt đầu thu hẹp do khẩu độ
cầu). Bổ sung các chi tiết cần thiết của độ sâu và vận tốc tại nhiều vị trí khác nhau của mặt cắt
ngang.
      Bảng 1: Kết quả tính xói cầu Nhật Tân               Bảng 2: Kết quả tính xói cầu Thanh Trì
                                     Trị số                                         Trị số
      Thông số                                              Thông số      22200     19000    17900
                        M/c T/kế       M/c năm 1996
                                                                           m3/s      m3/s     m3/s
                     Gia số xói chung                                  Gia số xói chung

     - Bãi trái              0.22              0.21       - Bãi trái        0.65      0.61     0.6

     - Lòng sông             0.13               0.1       - Lòng sông       0.93      0.83     0.8

     - Bãi phải              0.18              0.19       - Bãi phải        0.61      0.59    0.57

                        Xói cục bộ                                       Xói cục bộ

    Trụ số 12                9.46              9.25       Trụ số 22         6.87      6.48    6.34

    Trụ số 13                  9.6             7.79       Trụ số 23         8.32      7.97    7.97

    Trụ số 14                  5.3             6.91       Trụ số 24         9.04       8.7     8.7

    Trụ số 15                9.79              6.28       Trụ số 25         9.23      8.89    8.89

    Trụ số 16                4.76              8.32       Trụ số 26         7.92      7.55    7.55

                  Chiều sâu sau xói cục bộ                        Chiều sâu sau xói cục bộ

    Trụ số 12                9.59              9.35       Trụ số 22           7.8      7.3    7.14

    Trụ số 13                9.73              7.89       Trụ số 23         9.25       8.8    8.65

    Trụ số 14                5.43              7.01       Trụ số 24         9.97      9.72    9.39

    Trụ số 15                9.92              6.38       Trụ số 25        10.15      9.72    9.58

    Trụ số 16                4.94              8.42       Trụ số 26         8.84      8.38    8.23

III.   ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TRONG TÍNH XÓI MỘT SỐ CẦU TRÊN SÔNG HỒNG
TRONG PHẠM VI HÀ NỘI.
       Trên cơ cở số liệu thiết kế kỹ thuật của các cầu Thanh Trì, Vĩnh Tuy và Nhật Tân, tiến
hành phân tích xói lở các cầu với các mặt cắt thiết kế và mặt cắt nhỏ nhất trong các năm, riêng
cầu Thanh Trì tính cho mặt cắt thiết kế với 3 trị số lưu lượng và được kết quả tính như bảng 1, 2
và 3.


                                                      4
IV. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN.
       Mô hình HEC-RAS có chức năng               Bảng 3: Kết quả tính xói cầu Vĩnh Tuy
tổng hợp từ phân tích thủy lực đoạn sông đến                                  Trị số
phân tích xói lở cầu, phân tích chất lượng          Thông số
                                                                 M/c thiết kế. M/c năm 2002
nước, phân tích bùn cát đáy sông mà Mô
hình này có thể được sử dụng để phân tích                        Gia số xói chung
thuỷ lực cho các giai đoạn thiết kế cầu vượt      - Bãi trái                  0              0
sông cũng như các tính toán thủy lực khác.        - Lòng sông              0.57           0.26
Những ưu điểm của Mô hình HEC-RAS là:             - Bãi phải               0.46           0.18
    - Có thể quan sát trực tiếp hình ảnh và                        Xói cục bộ
       bảng biểu trên màn hình để người sử Trụ số 18                       6.89            8.3
       dụng có thể nhận biết được những Trụ số 19                          6.89            8.3
       điểm không phù hợp mà có biện pháp Trụ số 20                        6.89            8.3
       sửa chữa mô hình cho hợp lý, phù Trụ số 21                          6.89            8.3
       hợp nhất với thực tế.                     Trụ số 22                 7.83           8.65
    - Các yếu tố thuỷ lực được xem xét đầy Trụ số 23                       6.37           6.62
       đủ, liên tục trên một đoạn sông đủ Trụ số 24                        6.89           6.49
       dài, không bị bó hẹp trong phạm vi                    Chiều sâu sau xói cục bộ
       một mặt cắt nên tránh được những Trụ số 18                          7.46           8.56
       ảnh hưởng cục bộ đối với đường mặt Trụ số 19                         8.4           8.91
       nước và đặc biệt đến kết quả phân Trụ số 20                         6.94           6.88
       tích xói dưới cầu.                        Trụ số 21                 7.47           6.75
    - Khả năng phân tích liên hoàn từ quá Trụ số 22                        7.14           6.33
       trình phân tích thuỷ lực đến xói dưới Trụ số 23                      7.1           6.25
       cầu tạo điều kiện rất thuận lợi cho Trụ số 24                       6.98           5.55
       người sử dụng.
    Bên cạnh những ưu điểm trên, mô hình còn có một số nhược điểm như:
    - Khi tính xói cục bộ trụ cầu, mô hình không tính được cho trụ có dạng phức tạp (trụ có từ
       3 sự thay đổi bề rộng trở lên, hay trụ cọc). Khi đó để tính được, người tính phải quy đổi
       về trụ có bề rộng tương đương.
    - Mố cầu bắt buộc phải có mái dốc nhất định, không thể sử dụng mố thẳng đứng.
       Tuy có một số nhược điểm trên, nhưng việc sử dụng Mô hình HEC-RAS có thể giúp
người sử dụng giả định nhiều phương án cầu vượt sông, phân tích và xác định được các yếu tố
thủy lực cơ bản như đường mặt nước trước và sau khi làm cầu, phân bố vận tốc dòng chảy, khả
năng xói lở dưới cầu... của từng phương án được nhanh chóng. Các kết quả đó giúp người tính
có thêm cơ sở để lựa chọn phương án tối ưu trước khi đi vào các vấn đề thiết kế chi tiết.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bộ Giao thông Vận tải “Sổ tay tính toán Thủy văn, Thủy lực Cầu đường” NXB Giao
thông Vận tải – 2006.
[2] Trần Đình Nghiên “Xói lở ở công trình Cầu” NXB Xây dựng – 2008.
[3] Hồ sơ thiết kế các cầu Nhật Tân, Vĩnh Tuy, Thanh Trì
[4] Mô hình HEC-RAS.


                                               5

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:111
posted:10/21/2011
language:Vietnamese
pages:5
nguyen cuong nguyen cuong huong dan kiem tien http://meocon-kiemtienonline.blogspot.com/
About