Mô phỏng tác động của dòng chảy qua Tuynel TN1 tới ổn định lòng dẫn và trụ cầu Ngàn Trươi trên đường Hồ Chí Minh bằng mô hình toán 3D

Dòng chảy sau tuynel tháo lũ có áp mang đặc tính của dòng tia với mức độ rối rất cao, việc mô phỏng hoặc tính toán năng lượng thừa sau cửa ra tuynel nhằm xác định mức độ tác đông tới lòng dẫn và các công trình ở hạ lưu là rất cần thiết.

Bài báo trình bày kết quả mô phỏng tác động của dòng chảy sau tuynel TN1 - dự án hồ chứa nước Ngàn Trươi, tỉnh Hà Tĩnh tới lòng dẫn và cầu Ngàn Trươi bằng mô hình toán 3D. Mô hình được kiểm định, hiệu chỉnh qua mô hình vật lý, xác định được phân bố vận tốc lớn nhất trên sông Ngàn Trươi là 2.5÷3.2m/s, qua đó kiến nghị giải pháp gia cố bảo vệ bờ và trụ cầu Ngàn Trươi bằng rọ đá.

1. MỞ ĐẦU

Tuynel TN1 là công trình lấy nước số 1 đặt tại vai trái của đập chính hồ chứa nước Ngàn Trươi tỉnh Hà Tĩnh. Cách hạ lưu tuynel khoảng 150m là cầu Ngàn Trươi trên đường Hồ Chí Minh và cách cầu Ngàn Trươi về hạ lưu khoảng 1km là đập Vũ Quang. Tuynel có dạng hình vòm đỉnh là nửa đường tròn, đường kính D=7m, làm nhiệm vụ dẫn dòng xả lũ thi công khoảng 560m3/s và dẫn dòng xả lũ sự cố với lưu lượng khoảng Q=420m3/s. Dòng chảy ở hạ lưu tuynel TN1 chảy thẳng ra sông Ngàn Trươi không có đoạn chuyển tiếp, hướng dòng chảy hợp với lòng dẫn tự nhiên một góc khoảng 1300. Với tính phức tạp về địa hình, địa chất lòng sông, các hiện tượng thủy lực bất lợi ở hạ lưu tuynel được các cấp quản lý, các chuyên gia rất quan tâm, nghiên cứu (0 ÷ 0).

Năm 2009, với nhiệm vụ dẫn dòng thi công, cửa ra tuynel không bố trí bể tiêu năng (đáy sân hạ lưu +0m), hạ lưu chưa xây dựng đập Vũ Quang, thí nghiệm trên mô hình vật lý cho thấy dòng chảy qua tuynel thúc thẳng sang phía bờ phải sông Ngàn Trươi, tạo dòng chảy xiên và sóng dềnh cao 2,5m ở bờ sông và dềnh cao 1,2m ở trụ cầu Ngàn Trươi, khu vực cầu dòng chảy còn xiết, vận tốc dòng chảy tới 7m/s. Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý đã xác định được giải pháp tiêu năng hợp lý cho tuynel là giải pháp bố trí mố và ngưỡng tiêu năng ở hạ lưu tuynel [1]. [2].

Năm 2011, tuynel TN1 bổ sung nhiệm vụ xả lũ sự cố, cửa ra tuynel bố trí van côn gồm 2 van có kích thước bxh=2,6x4,0m, hạ lưu tuynel được thiết kế bố trí công trình tiêu năng vĩnh cửu dạng bể tiêu năng đáy ở cao trình +0,00m. Qua thực tế dẫn dòng thi công những năm 2014, 2015, 2016 cho thấy tình hình thủy lực ở hạ lưu tuynel vẫn rất phức tạp, đã xuất hiện hiện tượng xói sâu, có nguy cơ gây sạt trượt mất ổn định khu vực bờ phải sông và vùng cầu Ngàn Trươi. Do đó việc nghiên cứu tác động của dòng chảy qua tuynel TN1 tới ổn định lòng dẫn và trụ cầu Ngàn Trươi khi tuynel xả lũ dẫn dòng với tần suất thiết kế, tần suất kiểm tra hoặc tổ hợp mực nước thượng hạ lưu bất lợi hoặc tuynel xả lũ khi tràn xảy ra sự cố là rất quan trọng.

Nghiên cứu ứng dụng công cụ mô hình toán 3 chiều (Flow 3D) để mô phỏng dòng chảy sau tuynel nhằm xem xét sự tác động tới lòng dẫn và cầu Ngàn Trươi. Đây là phần mềm được phát triển bởi công ty Flow Science, Inc, Mỹ, sử dụng kỹ thuật thể tích khối để giải hệ phương trình Navier-Stokes trong đó phương trình lưu lượng tiêu chuẩn được rời rạc hóa và giải quyết cho mỗi ô lưới tính toán [5]. Hiện nay, công cụ Flow 3D ngày càng được sử dụng nhiều trong mô phỏng thủy lực công trình như dòng chảy qua đập tràn, kết cấu tiêu năng, xói lở và bồi lắng, xói mố, trụ cầu,...với tính năng cung cấp một cách chi tiết về diễn tiến, phân bố dòng chảy với độ chính xác cao. Trong nghiên cứu, trên mô hình 3D mô phỏng 3 bài toán công trình:

-   Tuynel xả lũ dẫn dòng thi công, cửa ra tuynel chưa bố trí van côn, hạ lưu chưa bố trí bể tiêu năng, cao trình đáy kênh dẫn hạ lưu +10,0m; là mô hình kiểm nghiệm và hiệu chỉnh với mô hình vật lý thí nghiệm năm 2009.

-   Tuynel xả lũ dẫn dòng thi công, cửa ra tuynel chưa bố trí van côn, hạ lưu có bể tiêu năng, cao trình đáy bể +0m, cao trình đáy kênh dẫn hạ lưu +5,0m;

Tuynel xả lũ vận hành, cửa cửa ra tuynel bố trí van côn kích thước B´H=(2,6´4,0)m. 

2. MÔ HÌNH 3D VÀ  CÁC TRƯỜNG HỢP TÍNH TOÁN

2.1. Xây dựng và kiểm nghiệm mô hình

2.2. Các trường hợp tính toán

3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

4. KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].      Lê Văn Nghị, nnk (2009), Báo cáo kết quả thí nghiệm mô hình thuỷ lực  tuynel xả lũ thi công và cầu Ngàn Trươi, Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển.

[2].      Lê Văn Nghị, nnk (2012), Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chọn kết cấu tiêu năng hợp lý cho tuynel xả lũ thi công và cầu Ngàn Trươi, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi, số 12 (12/2012).

[3].      Phạm Văn Song và Vũ Hoàng Thái Dương (2012): “Sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý xác định hình thức và quy mô hợp lý cho giải pháp tiêu năng phòng xói hạ lưu cho công trình cống Thủ bộ”, Tạp chí khoa học thủy lợi và Môi trường, ISSN 1859-3941, Vol 37/6-2012.

[4].      Phạm Văn Song (2014), Nghiên cứu cải tiến mố tiêu năng sau cống vùng triều có khẩu diện lớn – áp dụng cho trường hợp cống Thủ Bộ, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi, số 23 (12/2014).

[5].      Hirt, C.W. and Nichols, B.D. (1981): “Volume of Fluid (VOF) Method for the  Dynamics of Free Boundaries”, Journal of Computational Physics 39, 201.