View Categories

1 Giới thiệu

Mục lục

Tài liệu tham khảo này nhằm mục đích trở thành một hướng dẫn toàn diện về việc sử dụng mô hình thủy lực hai chiều (2D) cho công trình cầu đường trong môi trường sông. Tài liệu nhấn mạnh các ứng dụng quan trọng đối với kỹ thuật hạ tầng giao thông mặt đất. Tài liệu này tập trung chủ yếu vào các phân tích thủy lực trên sông, có thể bao gồm cả việc sử dụng điều kiện biên thủy triều. Nội dung này không áp dụng cho mô hình thủy lực vùng ven biển. Để biết thêm thông tin liên quan đến mô hình ven biển, tham khảo tài liệu “A Primer on Modeling in the Coastal Environment” của Cục Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (FHWA 2017).

Việc áp dụng mô hình thủy lực 2D đang nhanh chóng trở thành phương pháp phân tích được ưu tiên trên nhiều lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm: nghiên cứu thủy lực giao thông vận tải, xói lở mố trụ cầu, thiết kế công trình kiểm soát lũ, khôi phục sông, đánh giá môi trường sống, lập bản đồ vùng ngập lụt và nhiều lĩnh vực khác. Sự giao thoa giữa sông và công trình giao thông đặt ra nhiều thách thức thiết kế, điều này ủng hộ việc sử dụng mô hình 2D. Mặc dù phương pháp mô hình hóa là điểm chung cho mọi loại nghiên cứu, một số mối quan tâm lại đặc thù cho các công trình hạ tầng giao thông, chẳng hạn như mô hình chính xác xói lở mố trụ cầu, vượt tràn đường, lấn chiếm dọc tuyến đường, và xác định các biến thủy lực để tính toán xói cầu. Mục đích của tài liệu này là hỗ trợ các kỹ sư thủy lực trở nên thành thạo trong việc áp dụng mô hình 2D cho các dự án công trình giao thông vận tải.

Trừ khi được chỉ rõ (theo ngữ cảnh hoặc trích dẫn điều luật hoặc quy định), các “yêu cầu” được đề cập trong tài liệu này là các nguyên tắc hoặc thông lệ tốt nhất cần thiết để đảm bảo tính tin cậy khoa học, độ chính xác của mô hình và độ trung thực của kết quả mô hình. Tài liệu này không tạo ra bất kỳ yêu cầu pháp lý mới nào.

1.1 Bối cảnh

Kể từ năm 2016, việc sử dụng mô hình 2D cho các dự án công trình giao thông đã gia tăng đáng kể khi mô hình 2D trở nên khả thi hơn đối với nhân viên của các cơ quan quản lý giao thông và các đơn vị tư vấn của họ. Sự gia tăng này có thể được giải thích bởi một số yếu tố, bao gồm:

  • Nâng cao sức mạnh tính toán của máy tính cá nhân, cho phép chạy các mô hình tính toán chuyên sâu.
  • Tăng đáng kể khả năng tiếp cận dữ liệu cao độ địa hình kỹ thuật số chất lượng cao, chẳng hạn như dữ liệu phát hiện và đo khoảng cách bằng tia laser (lidar), trong phạm vi công cộng.
  • Cải thiện tính ổn định số và mức độ dễ sử dụng của các chương trình mô hình 2D hiện đại.
  • Giới thiệu các công cụ phát triển mô hình tiết kiệm thời gian trong giao diện người dùng đồ họa.

Với sự khuyến khích và hỗ trợ từ FHWA, nhiều cơ quan giao thông và các đơn vị tư vấn của họ hiện đang áp dụng mô hình 2D cho ngày càng nhiều dự án. FHWA thúc đẩy việc sử dụng mô hình 2D thông qua nhiều tài liệu, bao gồm Hydraulic Engineering Circular (HEC) No. 18 “Evaluating Scour at Bridges, Fifth Edition” (FHWA 2012) và Hydraulic Design Series (HDS-7) “Hydraulic Design of Safe Bridges” (FHWA 2012b). Như đã nêu trong HDS-7, FHWA đặc biệt khuyến nghị sử dụng mô hình 2D thay vì mô hình 1D cho các kịch bản thiết kế liên quan đến điều kiện dòng chảy phức tạp. FHWA đã phát triển các khóa đào tạo thông qua National Highway Institute (NHI) dựa trên các tài liệu này, bao gồm khóa NHI #135046 “Stream Stability and Scour at Highway Bridges” và khóa #135090 “Hydraulic Design for Safe Bridges.”

FHWA cung cấp đào tạo về mô hình 2D thông qua khóa NHI #135095 “Two-Dimensional Modeling of Rivers at Highway Encroachments.” Việc phổ biến công nghệ và khả năng tiếp cận đào tạo là một nguyên nhân khác dẫn đến sự gia tăng mô hình 2D trong những năm gần đây. Năm 2017, FHWA đã bao gồm việc quảng bá, chuyển giao công nghệ và đào tạo về mô hình 2D trong sáng kiến Collaborative Hydraulics: Advancing to the Next Generation of Engineering (CHANGE), thuộc chương trình Every Day Counts (EDC: CHANGE). Thông qua chương trình này, FHWA tiếp tục nâng cao thực hành trong lĩnh vực thủy lực công trình giao thông để bao gồm mô hình 2D tại nhiều cơ quan giao thông của các bang. Các tài liệu thông tin, hỗ trợ kỹ thuật và nguồn lực đào tạo đang được phát triển và cung cấp cho các bang nhằm hỗ trợ họ phát triển năng lực mô hình 2D.

Tài liệu tham khảo này là nguồn tài liệu chính do sáng kiến EDC CHANGE biên soạn. Nó cung cấp cho các kỹ sư, nhà thiết kế và các chuyên gia khác tham gia vào việc thực hiện các dự án công trình giao thông những hiểu biết sâu rộng về khuôn khổ, yêu cầu dữ liệu, quy trình phát triển và sử dụng các mô hình 2D.

1.2 Lịch sử mô hình thủy lực trong công trình giao thông

Từ giữa những năm 1800, các kỹ sư thủy lực tại Hoa Kỳ đã tìm kiếm những phương pháp đáng tin cậy để xử lý sự tương tác giữa sông ngòi, vùng ngập lụt và các công trình giao thông (Hình 1.1). Những phương pháp ban đầu để xác định kích thước các công trình là dựa trên kinh nghiệm và hiệu suất lịch sử.

Tuy nhiên, khi đường sắt mở rộng về phía tây, không có dữ liệu lịch sử lũ lụt hoặc các công trình ở thượng lưu hay hạ lưu làm cơ sở để xác định kích thước cầu hoặc cống. Điều này đã dẫn đến việc phát triển các phương pháp lập bảng và thực nghiệm, liên kết kích thước thông thủy với các yếu tố liên quan đến đặc điểm lưu vực và đặc trưng của dòng chảy.

Năm 1911, Hiệp hội Kỹ thuật Đường sắt Hoa Kỳ và Hiệp hội Bảo trì Đường sắt (AREMA) đã công bố một báo cáo đưa ra các công thức tính diện tích mặt cắt thông thủy và lưu lượng thiết kế (AREMA 1911).

Hình 1.1. Dòng thời gian của phân tích thủy lực công trình giao thông tại Hoa Kỳ (chỉ hiển thị các mô hình có sẵn công khai).

Vào cùng khoảng thời gian đó ở Ireland, Robert Manning đã phát triển phương trình sau này được biết đến là Phương trình Manning (Manning 1891). Phương trình Manning, dựa trên một số công thức thủy lực thời bấy giờ, thiết lập mối quan hệ giữa vận tốc dòng chảy, kích thước và hình dạng kênh, độ dốc kênh và sức cản dòng chảy đối với điều kiện dòng đều và ổn định. Mặc dù là một cải tiến đối với phân tích thủy lực, phương trình Manning không xét đến backwater, các tác động dòng chảy không đều khác và các điều kiện dòng không ổn định.

Hơn nửa thế kỷ sau, Open-Channel Hydraulics (V.T. Chow 1959) đã giới thiệu phương pháp bước chuẩn (standard-step method), một kỹ thuật số để tính toán đường mặt nước trong kênh tự nhiên hoặc trong vùng ngập lũ (floodplain), dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng và bảo toàn năng lượng. Để xét đến điều kiện dòng chảy không đều, FHWA đã xuất bản HDS-1 Hydraulic Design of Bridge Waterways năm 1960 (cập nhật năm 1970 và 1978), trong đó đưa ra các phương trình và bảng tra (tức là các toán toán đồ) để ước lượng backwater gây ra bởi công trình giao thông vượt sông (highway crossing) dựa trên đặc điểm hình học cầu và góc dòng chảy cụ thể.

Dựa trên công trình của Chow, các kỹ sư đã phát triển phần mềm máy tính để tính toán đường mặt nước bằng phương pháp bước chuẩn. Vào cuối những năm 1960, Trung tâm Kỹ thuật Thủy lực (HEC) thuộc Quân đoàn Công binh Hoa Kỳ (USACE) đã phát hành chương trình “Backwater Any Cross Section” sau này được biết đến với tên “HEC-2 Water Surface Profiles” (USACE 1991). HEC-2 đã trở thành chương trình phổ biến nhất trong loạt phần mềm HEC của USACE. Chương trình này liên tục được phát triển và đến năm 1984 đã được đưa vào sử dụng trên máy tính cá nhân (PC).

HEC-2, một mô hình 1D, đánh dấu bước chuyển đổi trong phân tích thủy lực cầu ở Hoa Kỳ từ các phương trình toán học cơ bản sang các mô hình số. Trong bối cảnh này, 1D có nghĩa là sự biến đổi của các thành phần thủy lực như độ sâu dòng chảy và vận tốc chỉ được xét theo một hướng dọc dòng (thượng lưu hoặc hạ lưu) trong các phương trình chi phối. Mọi thành phần lực thủy lực không tác động theo hướng dọc dòng đều bị bỏ qua. Các mô hình số có nhiều dạng, bao gồm 1D, 2D và 3D, cung cấp nhiều mức độ xấp xỉ khác nhau của các nguyên lý thủy lực cơ bản (Hình 1.2). Các mô hình số đã trở thành phương pháp chính trong phân tích thủy lực cầu kể từ khi HEC-2 ra đời.

Hình 1.2. Ví dụ về hình học và kết quả của mô hình 1D, 2D và 3D.

FHWA, phối hợp với Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), cũng đã phát triển một chương trình máy tính để tính toán các đường mặt nước, nhưng đặc biệt nhấn mạnh vào đường thủy dưới cầu. Mô hình tính toán đường mặt nước USGS/FHWA này được biết đến với tên WSPRO (FHWA 1986). Cả mô hình 1D HEC-2 và WSPRO đều được phát triển để tính toán các đường mặt nước cho sông và vùng ngập lũ (floodplain), với các mặt cắt tự nhiên, sử dụng phương pháp bước chuẩn.

Năm 1995, USACE đã phát hành phiên bản đầu tiên của HEC’s River Analysis System (HEC-RAS). Chương trình này thay thế HEC-2 với các phép tính được cải thiện và, quan trọng hơn, có giao diện đồ họa để phát triển dữ liệu đầu vào và xem kết quả. HEC-RAS đã tích hợp các khía cạnh của phương pháp WSPRO như một tùy chọn mô hình Cầu cho người dùng. HEC-RAS nhanh chóng trở thành phương pháp mô hình 1D được lựa chọn trong các nghiên cứu kỹ thuật thủy lực trên khắp Hoa Kỳ, bao gồm cả các dự án công trình giao thông. Trong khoảng hai thập kỷ, khả năng của HEC-RAS bị giới hạn ở mô hình 1D. Phiên bản 5 phát hành năm 2016 đã bổ sung chức năng mô hình 2D, bên cạnh mô hình 2D khác của USACE là Adaptive Hydraulics Model System (ADH).

Cho đến những năm 1990, các mô hình 2D chỉ có thể chạy trên các máy tính lớn (mainframe) mạnh mẽ vì cường độ tính toán cao. Bộ vi xử lý cho PC trở nên đủ mạnh vào đầu những năm 1990 để cho phép sử dụng phổ biến mô hình 2D. Kể từ đó, số lượng dự án sử dụng mô hình 2D cho các ứng dụng công trình giao thông đã tăng đều. Nguyên nhân một phần là do những hạn chế và thiếu chính xác đã được công nhận từ lâu của mô hình 1D đối với các tình huống thủy lực phức tạp, chẳng hạn như thường gặp ở các đường thủy dưới Cầu. Hiện nay có nhiều chương trình máy tính có thể thực hiện mô hình 2D ngoài HEC-RAS Version 5 đã đề cập (xem Mục 2.4).

Các mô hình 2D phổ biến sớm ở Hoa Kỳ bao gồm RMA2 của USACE và FESWMS-2DH của USGS (Froehlich, 1989), là mô hình 2D đầu tiên được FHWA phê duyệt. Việc áp dụng nó cho các dự án công trình giao thông bắt đầu năm 1988. FHWA tài trợ và Đại học Kentucky đã thực hiện phát triển FESWMS-2DH như một chương trình mô hình hỗ trợ. Năm 2003, tên chương trình FESWMS-2DH được đổi thành Flow and Sediment Transport Model (FST2DH), và FHWA đã xuất bản Sổ tay Hướng dẫn Người dùng (FHWA 2003).

Năm 2012, FHWA đã xuất bản HDS-7. Tài liệu thuộc loạt thiết kế thủy lực này, mặc dù không có tính ràng buộc pháp lý, đã thiết lập một số thực hành tốt nhất trong mô hình thủy lực cho thiết kế Cầu. Trong khi HDS-7 xem xét và giải thích cả mô hình 1D và 2D, nó khuyến khích mạnh mẽ việc sử dụng mô hình 2D cho một số tình huống nhất định.

Năm 2013, FHWA bắt đầu sử dụng mô hình Sedimentation and River Hydraulics (SRH-2D), được phát triển và duy trì bởi Cục Khai hoang Hoa Kỳ (Reclamation), và khuyến nghị sử dụng nó cho các phân tích thủy lực công trình giao thông. SRH-2D đánh dấu sự chuyển đổi từ việc sử dụng FST2DH. SRH-2D tránh được các vấn đề về ổn định vốn phổ biến ở các mô hình 2D cũ như RMA2 và FST2DH. Phần mềm Surface Water Modeling System (SMS) đã bổ sung SRH-2D như một chương trình mô hình được hỗ trợ vào năm 2013. FHWA đã hợp tác với Reclamation để tích hợp một số tính năng mô hình cấu trúc thủy lực nâng cao vào SRH-2D và hỗ trợ phát triển giao diện người dùng đồ họa tùy chỉnh trong SMS.

1.3 Phạm vi của tài liệu

Với các công cụ phần mềm mạnh mẽ hiện có cho người làm mô hình, việc phát triển và chạy các mô hình 1D và 2D mà ít có kiến thức nền tảng về thủy lực sông và các ngành liên quan là điều khả thi, nhưng không được khuyến khích. Tuy nhiên, để đảm bảo các khía cạnh quan trọng của mô hình thủy lực không bị bỏ qua dẫn đến kết quả mô hình không chính xác, điều cần thiết là người thực hiện mô hình phải hiểu rõ về chủ đề cơ bản. Các mô hình 1D hữu ích đòi hỏi nền tảng thủy lực sâu hơn để phát triển và thực hiện đúng cách so với mô hình 2D, do cần đưa ra nhiều giả định hơn đáng kể (xem Mục 2.3). Một ưu điểm chính của mô hình 2D là giảm bớt sự bất định của mô hình vì mô hình 2D có thể tính toán nhiều thông số vốn được giả định khi sử dụng mô hình 1D. Việc tạo ra các mô hình 1D hữu ích cho các vị trí dự án có thủy lực phức tạp có thể rất khó, nếu không muốn nói là không thể, ngay cả với nền tảng và kinh nghiệm thủy lực đầy đủ.

Trong khi phát triển mô hình 2D yêu cầu ít giả định hơn mô hình 1D, thì vẫn quan trọng để có bộ kỹ năng như kiến thức nền và hiểu biết về dòng chảy kênh hở, thủy lực sông và vùng ngập lũ, đặc điểm của các công trình và bộ điều khiển thủy lực, cũng như sự thay đổi của sức cản dòng chảy trong kênh và vùng ngập lũ. Ngoài kiến thức nền tảng về kỹ thuật thủy lực nói chung, người làm mô hình cần được đào tạo, trang bị kiến thức và kỹ năng cụ thể cho việc sử dụng mô hình 2D, bao gồm đánh giá và sử dụng dữ liệu không gian địa lý.

Sự phát triển và phổ biến của các công cụ, dữ liệu và phần mềm cho mô hình 2D trong những năm gần đây thường vượt xa tài liệu hướng dẫn và đào tạo cần thiết để hỗ trợ các kỹ sư thủy lực áp dụng mô hình 2D vào các dự án. Tài liệu này giả định rằng người sử dụng đã có kiến thức nền về thủy lực cơ bản và dựa trên nền tảng đó để truyền đạt các kiến thức và kỹ năng cụ thể cần thiết cho mô hình 2D.

Mục tiêu của tài liệu này là cung cấp cho kỹ sư các công cụ và kiến thức để lập kế hoạch, phát triển và chạy mô hình 2D, cũng như kiểm tra và xử lý hậu kỳ kết quả nhằm hỗ trợ thiết kế dự án. Tài liệu này được thiết kế để hữu ích cho nhiều loại phần mềm mô hình 2D khác nhau. Trong phạm vi có thể, tài liệu tránh việc chỉ đề cập đến một sản phẩm phần mềm cụ thể nào đó. Tuy nhiên, Phụ lục A cung cấp hướng dẫn chi tiết về việc sử dụng SRH-2D trong SMS vì đây là mô hình nước mặt 2D hiện được FHWA khuyến nghị cho thiết kế thủy lực cầu và phân tích xói. Hiện tại, tài liệu này không cung cấp thông tin chi tiết về phần mềm 2D khác ngoài SRH-2D.

1.4 Tổ chức tài liệu

Cấu trúc của tài liệu này như sau:

Chương 2. Tổng quan về mô hình 2D
Chương này mô tả các giả định và lợi thế của mô hình 2D so với mô hình 1D, cũng như các hạn chế của cả hai loại mô hình 1D và 2D. Thông tin được cung cấp về phần mềm mô hình 2D hiện có và cách chọn phần mềm phù hợp cho một loại dự án hoặc tình huống cụ thể. Chương này cũng cung cấp thông tin về tương lai của mô hình 2D và động lực học chất lỏng tính toán ba chiều (3D).

Chương 3. Các nguyên lý cơ bản của mô hình 2D
Chương này giải thích các phương trình và nguyên tắc cơ sở, các giả định đơn giản hóa và các phương pháp giải số cho phạm vi các công cụ mô hình 2D hiện có. Chương này cũng giải thích các loại điều kiện biên do người dùng nhập và cách chúng ảnh hưởng đến mô hình thủy lực.

Chương 4. Dữ liệu và yêu cầu mô hình
Chương này mô tả dữ liệu cần được thu thập, xử lý và xây dựng để thực hiện một dự án mô hình 2D. Nội dung bao gồm thảo luận về các loại dữ liệu và phương pháp tìm kiếm, thu thập, đánh giá và sử dụng dữ liệu địa hình; thiết lập điều kiện biên và điều kiện ban đầu; xác định và gán giá trị độ nhám; và dữ liệu cần thiết cho các nghiên cứu vận chuyển bùn cát.

Chương 5. Quy trình phát triển mô hình 2D
Chương này giải thích quy trình làm việc và lập kế hoạch cho mô hình 2D, xác định phạm vi miền mô hình, phát triển lưới hình học, bố trí các điều khiển thủy lực và công trình thủy lực, xác định điều kiện biên, nhập giá trị độ nhám và chạy mô hình.

Chương 6. Xem xét và hiệu chỉnh mô hình
Chương này đề cập đến các phương pháp đánh giá kết quả mô hình, cùng với yêu cầu dữ liệu và quy trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Chương này cũng cung cấp các mẹo để lập hồ sơ mô hình.

Chương 7. Trình bày kết quả mô hình
Các phần mềm mô hình 2D cung cấp nhiều cách hữu ích và trực quan để trình bày kết quả. Chương này đưa ra các mẹo để xem kết quả ở dạng bản đồ mặt bằng và trích xuất kết quả ở dạng mặt cắt dọc và mặt cắt ngang. Chương này cũng giải thích cách tự động hóa các phép tính bổ sung trong giao diện đồ họa để phục vụ phân tích không gian địa lý.

Chương 8. Ứng dụng mô hình
Chương này cung cấp các chiến lược mô hình 2D cho nhiều kịch bản liên quan đến kỹ thuật công trình giao thông. Các kịch bản được đề cập bao gồm: vượt sông bằng đường bộ, lập bản đồ và kiểm tra tuân thủ floodplain, phục hồi sông và phân tích môi trường sống thủy sinh, và vận chuyển bùn cát.

Chương 9. Tài liệu tham khảo
Chương này liệt kê các tài liệu tham khảo, tài liệu hình ảnh và liên kết được trích dẫn trong tài liệu.

Phụ lục

Các phụ lục của tài liệu này chứa thông tin về các chủ đề sau:

  • Phụ lục A: Sử dụng SRH-2D với giao diện đồ họa SMS.
  • Phụ lục B: Mẫu phiếu yêu cầu khảo sát.
  • Phụ lục C: Xem xét mô hình 2D.
  • Phụ lục D: Dàn ý báo cáo mô hình 2D.

1.5 Các ý chính cần nắm

Danh sách sau đây bao gồm những ý chính mà người mô hình cần hiểu và cân nhắc trước khi phát triển mô hình 2D. Các chương được tham chiếu sẽ thảo luận sâu hơn về từng điểm.

  • Mô hình 2D loại bỏ nhiều giả định mà mô hình 1D yêu cầu (Chương 2);
  • Thu thập dữ liệu địa hình chính xác và xây dựng lưới (mesh) thể hiện dữ liệu đó là một trong những bước quan trọng nhất để phát triển các mô hình 2D có thể sử dụng được (Chương 4 và 5);
  • Mô hình 2D không nhất thiết phải cần nhiều dữ liệu địa hình hơn mô hình 1D, tuy nhiên dữ liệu đầy đủ hơn sẽ tốt hơn, và có thể cho kết quả tốt hơn khi cả hai mô hình cùng sử dụng chung một bộ dữ liệu địa hình (Chương 4);
  • Người mô hình cần có khả năng xác định các yếu tố điều khiển thủy lực chính và thể hiện đầy đủ các yếu tố này trong lưới (Chương 4 và 5);
  • Trước khi bắt đầu một mô hình mới, người mô hình cần trả lời được câu hỏi “Mô hình này dùng để làm gì?”, câu hỏi này sẽ định hướng toàn bộ quy trình phát triển mô hình (Chương 5);
  • Các mặt của phần tử lưới cần phải trùng khớp với các yếu tố điều khiển thủy lực (Chương 5);
  • Người mô hình nên hướng tới việc phát triển một lưới/mô hình hiệu quả (Chương 5);
  • Việc hiệu chỉnh mô hình dựa trên dữ liệu đã biết, hoặc kiểm tra độ nhạy khi không có dữ liệu đã biết, là một bước quan trọng trong quá trình phát triển một mô hình thủy lực có thể sử dụng được (Chương 6).