Tiêu chuẩn TCVN 12196:2018 Thí nghiệm mô hình vật lý sông công trình thủy lợi

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 12196:2018

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ SÔNG

Hydraulic structures - Physical model test of rivers

Lời nói đầu

TCVN 12196:2018 do Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam biên soạn, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ SÔNG

Hydraulic structures - Physical model test of rivers

1  Phạm vi áp dụng

1.1  Tiêu chuẩn này quy định nội dung về thiết kế, xây dựng và thí nghiệm mô hình sông để nghiên cứu chế độ thủy động lực, biến động lòng dẫn sông trong điều kiện tự nhiên hoặc ảnh hưởng của các công trình xây dựng (không bao gồm các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện).

1.2  Tiêu chuẩn này áp dụng cho mô hình sông không ảnh hưởng của thủy triều và chỉ thí nghiệm mô hình lòng động trường hợp dòng chảy mô hình với bùn cát đáy.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau đây rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả sửa đổi, bổ sung (nếu có):

TCVN 8214 : 2009 Thí nghiệm mô hình thủy lực công trình thủy lợi, thủy điện;

TCVN 8226 : 2009 Công trình thủy lợi - Các quy định chủ yếu về khảo sát mặt cắt và bình đồ địa hình các tỷ lệ từ 1/200 đến 1/5000;

TCVN 8419 : 2010 Công trình thủy lợi - Thiết kế công trình bảo vệ bờ sông để chống lũ.

3  Thuật ngữ và định nghĩa

Trong tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:

3.1

Mô hình (Model)

Một vật thể được thu nhỏ hoặc phóng to từ một vật thể khác (nguyên hình) dựa theo các tiêu chuẩn tương tự sao cho phản ánh được cơ chế vật lý trong hoạt động của vật thể gốc.

3.2

Nguyên hình (Prototype)

Hình thể nguyên gốc của vật được chọn để từ đó chế tạo ra mô hình. Nguyên hình trong thí nghiệm mô hình sông được hiểu là sông tự nhiên với mọi yếu tố của dòng chảy, lòng dẫn thực tế của nó.

3.3

Mô hình vật lý sông (River physical model)

Mô hình của đoạn sông, hệ thống sông được thu nhỏ từ đoạn sông, hệ thống sông thực tế (nguyên hình), trong đó mô phỏng hình dạng lòng sông, các quá trình thủy văn, thủy lực, bùn cát của dòng chảy và các công trình xây dựng trên sông theo các tiêu chuẩn tương tự. Thông thường người ta dùng thuật ngữ rút gọn là mô hình sông thay cho thuật ngữ mô hình vật lý sông.

3.4

Mô hình lòng cứng (Rigid-bed model)

Mô hình mà dòng chảy trong mô hình là dòng nước trong không mang bùn cát, lòng dẫn mô hình không biến đổi dưới tác động của dòng chảy. Mô hình lòng cứng còn gọi là mô hình dòng chảy.

3.6

Mô hình lòng động (Mobile-bed model)

Mô hình mà dòng chảy trong mô hình có mang bùn cát, lòng dẫn mô hình biến đổi dưới tác động của dòng chảy (lòng dẫn có thể xói, bồi, làm cho hình dạng lòng dẫn thay đổi). Mô hình lòng động còn được gọi là mô hình bùn cát hay mô hình mềm.

3.6  Mô hình chính thái (Undistorted model)

Mô hình có hằng số tỷ lệ mặt bằng và hằng số tỷ lệ chiều thẳng đứng bằng nhau. λ_l = λ_h

3.7

Mô hình biến thái (Distorted model)

Mô hình có hằng số tỷ lệ mặt bằng và hằng số tỷ lệ chiều thẳng đứng không bằng nhau. λ_l ≠ λ_h.

3.8

Độ biến thái của mô hình (Distortion of model)

Tỷ số giữa hằng số tỷ lệ mặt bằng và hằng số tỷ lệ chiều thẳng đứng, ký hiệu là r, r = λ_l / λ_h.

3.9

Suất tải cát đáy (Transport rate of sediment)

Lượng bùn cát đáy chuyển qua một đơn vị chiều rộng lòng sông trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu là g_s, đơn vị thường dùng là T/m.s, Kg/m.s.

3.10

Vận tốc khởi động của bùn cát (Critical velocity)

Vận tốc của dòng chảy tác động vào hạt cát làm cho nó bắt đầu chuyển động. Ký hiệu là U₀, đơn vị là m/s.

3.11

Biến hình lòng dẫn hay biến hình lòng sông (Deformation of river bed)

Những biến đổi về hình dạng, kích thước trên mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang của lòng dẫn dưới tác động của dòng chảy trong điều kiện tự nhiên hoặc khi có tác động của các yếu tố nhân tạo.

4  Nội dung và các trường hợp thí nghiệm mô hình sông

4.1  Nội dung thí nghiệm mô hình sông

Nội dung thí nghiệm mô hình sông bao gồm:

- Xác định mực nước, lưu lượng, trường lưu tốc, lưu hướng của dòng chảy và các biến động của chúng.

- Xác định chiều sâu, phạm vi xói lở, bồi lắng, biến động lòng dẫn.

- Đánh giá hiệu quả của các giải pháp công trình, các tác động của công trình đến lòng sông và bãi sông;

- Xác định nguyên nhân gây hư hỏng của các công trình trên sông và giải pháp sửa chữa khắc phục;

- Thí nghiệm phục vụ lựa chọn, kiểm tra các thông số kỹ thuật, giải pháp thiết kế, bố trí không gian các công trình trên sông.

4.2  Các trường hợp thí nghiệm mô hình sông

- Nghiên cứu quy hoạch chỉnh trị sông.

- Nghiên cứu chế độ thủy động lực, diễn biến lòng dẫn sông hạ du do ảnh hưởng điều tiết của các hồ chứa thượng nguồn, công trình thủy điện.

- Các công trình xây dựng trên sông trong giai đoạn lập dự án đầu tư xây dựng nên áp dụng tiêu chuẩn này để thí nghiệm mô hình làm rõ cơ sở khoa học, xác định các thông số kỹ thuật tối ưu làm cơ sở cho thiết kế xây dựng gồm:

• Công trình chỉnh trị cấp III (hệ thống mỏ hàn bảo vệ bờ, công trình hướng dòng), cấp công trình thực hiện theo quy định trong TCVN 8419 : 2010;

• Công trình làm thay đổi cơ bản chế độ thủy lực dòng chảy sông như: công trình cắt dòng, công trình nhằm khôi phục hoặc lấp lạch phụ, đắp đập hạ lưu để dâng mực nước;

• Các công trình hạ tầng và dân dụng xây dựng trên sông làm ảnh hưởng lớn đến dòng chảy và thoát lũ.

5  Quy định chung

5.1  Ứng dụng của các loại mô hình sông

5.1.1  Mô hình lòng cứng được sử dụng trong trường hợp lòng dẫn không có biến hình lớn hoặc có biến hình nhưng sự biến hình đó không ảnh hưởng nhiều đến đối tượng nghiên cứu hoặc chỉ với mục đích nghiên cứu chế độ thủy lực của dòng chảy và biến động của chúng.

5.1.2  Khi lòng dẫn có biến hình tương đối lớn và sự vận động của dòng chảy mang bùn cát có ảnh hưởng tương đối lớn đến đối tượng nghiên cứu, thì phải sử dụng mô hình lòng động.

5.1.3  Mô hình chính thái là loại mô hình cơ bản thỏa mãn điều kiện tương tự về hình học nên được sử dụng trong nghiên cứu thủy lực công trình, nghiên cứu kết cấu dòng chảy, nghiên cứu xói cục bộ vùng công trình.

5.1.4  Do hạn chế của một số điều kiện, mô hình không thể đảm bảo điều kiện tương tự về hình học được thì phải sử dụng mô hình biến thái. Mô hình biến thái thích hợp khi mô hình hóa lòng sông có địa hình bằng phẳng, chiều rộng lòng sông lớn hơn chiều sâu rất nhiều. Mô hình sông thường là mô hình biến thái.

5.1.5  Mô hình lòng cứng hay mô hình lòng động đều có thể làm chính thái hoặc biến thái tùy thuộc vào mục đích, đối tượng nghiên cứu, phạm vi, kích thước đoạn sông nghiên cứu, điều kiện sân bãi, điều kiện trang thiết bị thí nghiệm và yêu cầu kỹ thuật mô hình.

5.2  Yêu cầu về tài liệu cơ bản

5.2.1  Tài liệu địa hình

- Tài liệu địa hình sử dụng để chế tạo, kiểm chứng mô hình sông gồm:

• Bản đồ địa hình tỷ lệ từ 1/1000 đến 1/10.000, tùy theo kích thước của đoạn sông nghiên cứu;

• Mặt cắt ngang lòng sông tỷ lệ từ 1/100 đến 1/1000;

• Tài liệu địa hình lòng dẫn của nguyên hình ở thời điểm đầu và thời điểm cuối của thời đoạn dùng để kiểm chứng diễn biến xói bồi.

GHI CHÚ:

1) Tỷ lệ bản đồ địa hình và mặt cắt ngang sông càng lớn thì việc mô phỏng mô hình sông càng chính xác.

2) Nếu thí nghiệm mô hình phục vụ thiết kế công trình thì tài liệu địa hình để chế tạo mô hình phải là tài liệu dùng để thiết kế công trình.

- Tài liệu địa hình bao gồm lòng sông và bãi sông giữa hai đê hoặc bờ cao (đối với đoạn sông không có đê), yêu cầu kỹ thuật của tài liệu địa hình tuân thủ theo quy định trong TCVN 8226 : 2009.

- Cần căn cứ vào tính chất của vấn đề nghiên cứu để quyết định chọn thời gian đo của tài liệu địa hình cho phù hợp. Thời gian đo đạc địa hình lòng sông và bãi sông cần gần nhau, thông thường trong cùng một năm thủy văn. Nếu phạm vi của đoạn sông nghiên cứu quá dài, thời gian đo địa hình cách nhau khá xa thì cần đảm bảo điều kiện thủy văn, lòng dẫn trong khoảng thời gian đó không có thay đổi lớn, đồng thời cần nói rõ và phân tích trong báo cáo thí nghiệm.

5.2.2  Tài liệu thủy văn, bùn cát

Cần thu thập đầy đủ các tài liệu quan trắc nhiều năm (bao gồm cả thời đoạn dùng để kiểm chứng mô hình lòng động) về mực nước, lưu lượng và dòng chảy bùn cát tại các trạm thủy văn cơ bản và các trạm đo chuyên dùng trong hoặc gần phạm vi nghiên cứu, bao gồm:

- Tài liệu mực nước: Tài liệu quan trắc mực nước đồng bộ tại tối thiểu 3 trạm mực nước trong hoặc gần đoạn sông nghiên cứu, tương ứng với các cấp lưu lượng (lũ, trung, kiệt) để xác định được mực nước ở cửa vào, cửa ra và đoạn giữa của đoạn sông nghiên cứu. Nếu là hệ thống sông thì cần phải có tài liệu mực nước của các sông nhánh hợp và phân lưu.

- Tài liệu lưu lượng: Tài liệu quan trắc lưu lượng (lũ, trung, kiệt) tại trạm đo lưu lượng trong hoặc gần đoạn sông nghiên cứu. Nếu là hệ thống sông thì cần phải có tài liệu đo lưu lượng đồng bộ của các sông nhánh hợp và phân lưu để xác định lưu lượng ở cửa vào, cửa ra của hệ thống sông nghiên cứu.

- Tài liệu bùn cát (phục vụ mô hình lòng động): Tài liệu quan trắc bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy ứng với các cấp lưu lượng (lũ, trung, kiệt) đồng bộ tại tối thiểu 2 trạm đo trong hoặc gần đoạn sông nghiên cứu (thường trùng với trạm đo lưu lượng) để xác định được bùn cát ở cửa vào và cửa ra của đoạn sông nghiên cứu. Nếu là hệ thống sông thì cần phải có tài liệu bùn cát của các sông nhánh hợp và phân lưu để xác định bùn cát ở cửa vào, cửa ra của hệ thống sông nghiên cứu.

- Tài liệu thủy văn khác: Tài liệu phân bố vận tốc trên thủy trực tại một số mặt cắt ngang điển hình, thành phần hạt và dung trọng của mẫu bùn cát lòng sông trong đoạn sông, hệ thống sông nghiên cứu.

- Trường hợp thiếu tài liệu thủy văn có thể bố trí đo đạc bổ sung tại một số tuyến đo tạm thời trong đoạn sông nghiên cứu hoặc sử dụng mô hình toán để tính toán, nội suy nhưng phải đánh giá được độ chính xác của phương pháp sử dụng và có thuyết minh nói rõ trong báo cáo thí nghiệm.

- Tài liệu thủy văn, bùn cát sử dụng để kiểm chứng mô hình, cần đo đạc đồng thời với tài liệu địa hình lòng sông, nếu thời gian đo đạc thủy văn và đo đạc địa hình cách xa nhau, thì phải nói rõ và phân tích trong báo cáo thí nghiệm.

5.2.3  Tài liệu địa chất

Cần thu thập tài liệu mặt cắt ngang địa chất bờ sông, lòng sông, phân tích các chỉ tiêu cơ lý của mẫu địa chất lòng sông, bờ sông trong phạm vi nghiên cứu để phục vụ tính toán mô phỏng lòng sông, bờ sông trong mô hình lòng động

5.2.4  Tài liệu bản vẽ thiết kế công trình trên sông

Cần thu thập đầy đủ các bản vẽ thiết kế các công trình trên sông như: kè, mỏ hàn, cầu giao thông, bến cảng trong phạm vi nghiên cứu; bản vẽ bố trí tổng thể công trình; bản vẽ thiết kế công trình.

5.2.5  Ảnh, băng ghi hình thực địa

Để đảm bảo việc chế tạo mô hình được chính xác, mô phỏng được đầy đủ địa hình, địa vật trên mô hình, cần ghi hình, chụp ảnh tình hình thực địa các khu vực có địa hình biến đổi đặc biệt, các khu vực dân cư đông đúc, các công trình xây dựng trên lòng sông, bãi sông dọc hai bên bờ sông.

5.3  Yêu cầu về sự tương tự của mô hình sông

5.3.1  Tỷ lệ và độ biến thái mô hình

Chọn độ biến thái mô hình (r) cần căn cứ vào mục đích của nghiên cứu thí nghiệm mô hình; điều kiện sân bãi thí nghiệm; điều kiện cấp nước thí nghiệm,.

- Giai đoạn lập dự án khả thi, thiết kế cơ sở và bản vẽ thi công công trình sông thường chọn độ biến thái mô hình r ≤ 5;

- Giai đoạn qui hoạch độ biến thái mô hình có thể chọn r ≤ 8;

- Nếu chỉ nghiên cứu mực nước và sự biến động lưu lượng dòng chảy thì độ biến thái mô hình có thể chọn r ≤ 10;

- Trường hợp thí nghiệm mô hình phục vụ thiết kế công trình:

• Nếu nghiên cứu mô hình tổng thể đoạn sông có công trình, yêu cầu tỷ lệ mặt bằng mô hình λ_l ≤ 1/500; độ biến thái r ≤ 5;

• Nếu nghiên cứu mô hình cục bộ khu vực công trình, yêu cầu tỷ lệ mặt bằng mô hình λ_l ≤ 1/250; độ biến thái r ≤ 2;

• Để nghiên cứu sự biến đổi cục bộ của kết cấu dòng chảy, nghiên cứu xói cục bộ sau công trình thì phải dùng mô hình chính thái.

5.3.2  Quy định về điều kiện tương tự mô hình sông

5.3.2.1  Mô hình lòng cứng

a) Mô hình chính thái

Các điều kiện tương tự mà mô hình lòng cứng chính thái phải tuân thủ bao gồm:

- Tương tự hình học: (1)

trong đó:

L_N là chiều dài nguyên hình;

L_M là chiều dài mô hình;

h_N là độ sâu nước nguyên hình;

h_M là độ sâu nước mô hình;

λ_l là hằng số tỷ lệ mặt bằng;

λ_h là hằng số tỷ lệ theo chiều đứng.

- Tương tự về tính liên tục của dòng chảy:

 (2)

hoặc:

 (3)

trong đó:

λ_l là hằng số tỷ lệ thời gian dòng chảy;

λ_u là hằng số tỷ lệ vận tốc;

λ_Q là hằng số tỷ lệ lưu lượng.

- Tương tự về tỷ số giữa lực quán tính và trọng lực (hay tương tự Froude)

 (4)

- Tương tự về tỷ số giữa lực quán tính và sức cản:

 (5)

Trong đó: λ_n là hằng số tỷ lệ hệ số nhám.

Ngoài ra, còn có 2 điều kiện cần đồng thời thỏa mãn là:

• Dòng chảy trong mô hình phải là dòng chảy rối:

Re_M > từ 1000 đến 2000

• Để chuyển động dòng chảy trong mô hình không chịu ảnh hưởng của sức căng bề mặt, yêu cầu độ sâu dòng chảy mô hình h_M > 1,5cm.

b) Mô hình biến thái

Các điều kiện tương tự mà mô hình lòng cứng biến thái phải tuân thủ bao gồm:

- Tương tự hình học: λ_l ≠ λ_h

λ_l = L_N / L_M; λ_h = h_N / h_M (6)

- Tương tự về tính liên tục của dòng chảy:

 (7)

hoặc: (8)

- Tương tự về tỷ số giữa lực quán tính và trọng lực (hay tương tự Froude):

 (9)

- Tương tự về tỷ số giữa lực quán tính và sức cản:

 ;  (10)

trong đó:

 là hằng số tỷ lệ hệ số nhám đáy sông.

 là hằng số tỷ lệ hệ số nhám bờ sông;

r là độ biến thái của mô hình.

Ngoài ra, cũng như mô hình chính thái còn đồng thời phải thỏa mãn 2 điều kiện sau:

- Điều kiện hạn chế dòng chảy rối: Re_M > 1000 ÷ 2000

- Điều kiện hạn chế sức căng bề mặt: h_M > 1,5 cm

(Mời xem tiếp trong file tải về)