Thủy Lực Học: Một Lãnh Vực Của Ngành Kỹ Thuật Công Chánh
Ngành công chánh (civil engineering, public works) có nhiều lãnh
vực: đường xá & cầu cống (road & bridge), vận chuyển & lưu thông
(transpostation & traffic), cấu trúc (structure), thủy lực & thủy lợi
(hydrology & hydraulics), môi sinh & phế thải (environment &
waste), phi trường (airport), và hải cảng (marine port).
Thủy lực học chuyên về việc nghiên cứu các đặc tính của chất lỏng
>- mà nước là một yếu tố căn bản - và tác dụng của nước đối với các vật
chứa đựng nó.
Ai cũng biết nước cùng với đất và không khí là ba thành phần chính
cấu tạo nên quả địa cầu và sự sống. Nước có ba thể dạng khác nhau:
hơi, lỏng, đặc, mà thể lỏng là thể chính của nước trong môi trường nhiệt
độ bình thường. Trong thể lỏng, nước có tác dụng mạnh mẽ nhất đến
các vật chứa. Các vật chứa nước có thể do nhân tạo như ly, bình, ống,
vòi, cũng có thể do thiên tạo như ao, hồ, sông, biển.
Trong thiên nhiên, các "vật chứa nước" phần lớn được cấu tạo bởi
đất đai. Vì vậy, sự nghiên cứu về nước thường đặt trọng tâm vào dạng
thể lỏng của nước trong trạng thái di chuyển và tác dụng của nước đối
với đất đai. Khi đất chịu sự tác dụng của nước mà biến hình, phân hóa,
và tách rời vị trí nguyên thủy thì được gọi là "đất lở". Ðất lở thường là
một trạng thái ngoài ý muốn của con người. Càng văn minh kiến thức,
người ta càng tìm cách ngăn ngừa đất lở với những phương tiện cơ hữu
và những phương pháp khả thi. Ðể tìm ra và ứng dụng những phương
cách hữu hiệu ngăn ngừa đất lở phù hợp với tài nguyên và điều kiện của
một vùng nhiệt đới như Việt Nam, trước hết ta cần phân tích các
nguyên nhân tổng quát tạo nên nạn đất lở.
Nguyên Nhân Của Ðất Lở
Một cách tóm lược, đất lở thường do những nguyên nhân sau:
1. Mưa lụt tràn trên mặt đất.
Các vùng đất ít khi có lưu lượng nước chảy tràn qua thường bị xốp
bởi các bọc không khí do côn trùng sống trong lòng đất tạo nên. Vì thiếu
nước cây cỏ khó mọc, nhất là các loại cây có rễ chằng chịt bám sâu
trong lòng đất. Khi nước tràn qua, thấm vào lòng đất làm "bở" thớ đất
tạo nên tình trạng xoi mòn nhanh chóng hơn vùng đất luôn luôn có nước
chảy qua. Hiện tượng các dòng sông thay hình đổi dạng hay tạo nên
những nhánh sông phụ đồng thời làm biến mất các thửa ruộng trù phú
là những thí dụ điển hình của tác dụng mưa lụt tràn bờ.
2. Nước ngầm xoi mòn vùng đất mềm phía dưới mặt đất.
Sự xoi mòn đất mềm của nước ngầm là nguyên nhân tạo nên hiện
tượng đất chuồi (mud slide) lôi kéo nhiều ngôi nhà kiên cố từ trên đỉnh
đồi xuống vực thẳm. Nước ngầm trong lòng đất có áp lực rất cao vào
những ngày có mưa dầm không ngớt, các thớ đất lâm vào tình trạng úng
nước (saturated) nên rất mềm yếu và dễ bị nước ngầm cuốn đi.
3. Sự thay đổi của khí hậu từ đông lạnh sang ấm áp làm tan
các bọc nước đá trong lòng đất.
Khi khí hậu xuống thấp dưới không độ, các túi nước trong lòng đất
đông lại. Khi đông đặc, thể tích nước bành trướng, làm vỡ đặc tính keo
sơn của thớ đất. Khi thời tiết ấm áp, nước đá trong lòng đất tan thành
nước lỏng làm mềm các thớ đất. Ðã mất đặc tính keo sơn, đất dễ bị lở
ra và cuốn trôi theo dòng nước.
4. Sự đào xới cây cỏ trên bờ cao làm đất bị vỡ ra.
Khác với các nguyên nhân thiên nhiên nêu trên, sự đào xới gốc rễ
của cây cỏ cũng như sự khẩn hoang là do nhân tạo. Ðất bị đào xới không
những mất đặc tính keo sơn mà còn không được cây cỏ bảo vệ trước
tác dụng trực tiếp của mưa bão. Hiện tượng đất lở gây ra bởi nguyên
nhân đào xới lại có tác dụng dây chuyền kế tiếp: Vì không bị cây cỏ
cản trở, nước mưa trôi nhanh cuốn theo đất cát, tạo thành lưu lượng có
thủy lực lớn, làm lở đất hạ dòng, cho dù các vùng thấp ấy không hề bị
khẩn hoang.
Những Yếu Tố Vật Lý Căn Bản Về Thủy Lực
Vì khuôn khổ nhỏ hẹp của tập san Bách Hợp, bài nầy chỉ ghi lại một
số công thức căn bản về thủy tính và thủy lực, nhằm trình bày sức đối
kháng tương ứng của những phương tiện cản trở mãnh lực tàn phá của
nước. Ðối với những kỹ sư, chuyên gia trong ngành công chánh, những
công thức sau đây, với đơn vị đo lường English, đều khá quen thuộc:
1. Vũ lượng = Thủy lượng của nước mưa (Q)
Thủy lượng của nước mưa là lượng nước mưa rơi xuống một vùng
cùng có chung một nơi tụ hội thành dòng nước. Vì "nắng mưa là bệnh
của đất trời", vũ độ luôn luôn thay đổi từng ngày, từng mùa, từng năm,
từng nơi chốn, nên không thể có một phép tính chính xác và nhất định.
Vì thế thủy lượng được ước tính (estimate) bằng nhiều phương pháp và
phương trình. Phương pháp càng chi tiết và càng dựa trên thống kê của
vũ độ thì kết quả càng tương đối gần với sự thật, ít sự sai biệt. Công thức
đơn giản nhất và thông dụng nhất để tính thủy lượng tại điểm thấp nhất
của nước mưa trong một khoảnh đất tương đối hẹp cỡ vài mẫu (acres)
là:
Q = C I A
Q (Quantity) = Lưu lượng của nước, cubic feet per second
(1 feet~ 0.3048 m)
C (Coefficient) = Ðộ nhám của mặt đất (hoặc mặt đường). Mỗi loại
mặt đất (surface) có một trị số khác nhau; thí dụ trị số C của rừng rậm
là 0.15, của đồng cỏ là 0.35, của mặt đường là 0.9, v.v...
I (Intensity) = Vũ độ trung bình trong vùng, inch; (1 inch ~ 25 mm).
Vũ độ biến thiên theo một đường biểu diễn hyperbol, nghịch với thời
gian hội tụ (time of concentration) của nước mưa từ điểm cao xa nhất
trong vùng đến điểm thấp nhất.
A (Area) = Diện tích của toàn vùng, acres; (1 ac ~ 43560 square
feet ~ 4047 square meters ~ 0.4 mẫu tây)
Phương pháp trên hoàn toàn không đề cập đến sự thấm thấu của
nước mưa xuống lòng đất, làm giảm đi thủy lượng của nước mưa trên
mặt đất, cũng như đặc tính và độ dốc của mặt đất. Ngoài ra, trên thực
tế vũ độ "I" biến thiên tăng giảm tùy mùa mưa, nắng, khó có thể biểu
thị chung bằng một đường biểu diễn được, nên không thể được dùng
trong vấn đề ngăn ngừa lụt lội.
Tuy vậy, nhờ tính đơn giản cũng như sự chính xác tương đối của nó,
nên mặc dù không được đặt trên nền tảng của các đơn vị đo lường toán
học, công thức trên được mang danh hiệu là "phương pháp thuận lý"
(rational method) và thường được dùng để ước tính sơ khởi thủy lượng
của một vùng. Trong việc ước tính thủy lượng để tìm phương thức thích
hợp ngăn ngừa đất lở do tác dụng của thủy lực gây nên trong một vùng
không rộng lắm, công thức nầy khá thông dụng.
2. Lưu lượng của một dòng nước
Thủy lượng của nước mưa rơi xuống, tụ lại tạo thành dòng nước có
lưu lượng tương đương với thủy lượng. Lưu lượng (Q) của một dòng
nước bằng số nhân của diện tích cắt ngang (Cross sectional Area A)
và vận tốc (Velocity V) của dòng nước đó:
Q = A V
Q (Quantity) = Lưu lượng, cubic feet per second
A (Area) = Diện tích cắt ngang của dòng nước, square feet
V (Velocity) = Vận tốc của dòng nước, feet per second
3. Vận tốc của dòng nước (V)
Vận tốc của một dòng nước là lượng nước chảy tính trên đơn vị feet
mỗi giây, V được tính bằng phương trình sau:
V = (1.486 / n)R2/3 S1/2
R = Bán kính thủy lực (Hydraulic Radius), feet; R được tính bằng
tỷ số của diện tích dòng nước trên đường chu vi ướt của nó (wetted
perimeter), R = A/wp.
S (Slope) = Ðộ dốc của đường năng lực của nước (hydraulic energy
grade line); độ dốc nầy luôn luôn dốc (steep) hơn độ dốc của đáy dòng
nước, nhưng trong những bài tính đơn giản, thường được xem như tương
đương với đáy dòng.
n = Ðộ nhám (roughness) của vật chứa
4. Sức công phát (shear stress) của nước:
Sức công phá của nước được tính bằng phương trình sau:
t = y R S
t = Sức công phá, pound per square foot
y = Sức nặng đơn vị (unit weight) của nước, 62.4 pound (lbs) per
cubic foot; 1 lbs ~ 453 gram.
R = Bán kính thủy lực, feet
S = Ðộ dốc của đường năng lực của nước
5. Vận tốc của nước ngầm:
Tốc độ nước ngầm qua đất cát được tính bằng định luật của Darcy:
v = k dh/dl
v = Vận tốc nước ngầm thấm qua lớp đất cát, f/s
k = thẩm độ tức là hệ số của sự thấm thấu (coefficient of
permeability)
dh/dl = độ dốc của thủy lực, tức sự sai biệt chiều cao của mực nước
ngầm chia cho khoảng cách sai biệt.
Các công thức nêu trên là những công thức căn bản mà các chuyên
gia dùng để tính toán sức công phá của thủy lực trong lòng đất. Những
công thức nầy xuất hiện trên hầu hết các sách, tài liệu về thủy tính và
thủy lực, thường được trình bày dưới những dạng thức khác nhau. Ðể
tránh sự rườm rà, thiết tưởng vấn đề ghi chú xuất xứ sách vở vào cuối
bài viết không cần thiết.
Tóm lại, trên phương diện kỹ thuật, muốn hoạch định các phương
pháp ngăn ngừa đất lở một cách hữu hiệu, những chuyên gia thủy lợi
cần ước tính lưu lượng và vận tốc của dòng nước, để từ đó tính ra sức
chịu đựng (strength) mà các vật cản nước như đê, bờ, v.v... cần có, cũng
như quán tính (moment) của các vật liệu dùng cho việc ngăn ngừa đất
lở.
Ngành công chánh (civil engineering, public works) có nhiều lãnh
vực: đường xá & cầu cống (road & bridge), vận chuyển & lưu thông
(transpostation & traffic), cấu trúc (structure), thủy lực & thủy lợi
(hydrology & hydraulics), môi sinh & phế thải (environment &
waste), phi trường (airport), và hải cảng (marine port).
Thủy lực học chuyên về việc nghiên cứu các đặc tính của chất lỏng
>- mà nước là một yếu tố căn bản - và tác dụng của nước đối với các vật
chứa đựng nó.
Ai cũng biết nước cùng với đất và không khí là ba thành phần chính
cấu tạo nên quả địa cầu và sự sống. Nước có ba thể dạng khác nhau:
hơi, lỏng, đặc, mà thể lỏng là thể chính của nước trong môi trường nhiệt
độ bình thường. Trong thể lỏng, nước có tác dụng mạnh mẽ nhất đến
các vật chứa. Các vật chứa nước có thể do nhân tạo như ly, bình, ống,
vòi, cũng có thể do thiên tạo như ao, hồ, sông, biển.
Trong thiên nhiên, các "vật chứa nước" phần lớn được cấu tạo bởi
đất đai. Vì vậy, sự nghiên cứu về nước thường đặt trọng tâm vào dạng
thể lỏng của nước trong trạng thái di chuyển và tác dụng của nước đối
với đất đai. Khi đất chịu sự tác dụng của nước mà biến hình, phân hóa,
và tách rời vị trí nguyên thủy thì được gọi là "đất lở". Ðất lở thường là
một trạng thái ngoài ý muốn của con người. Càng văn minh kiến thức,
người ta càng tìm cách ngăn ngừa đất lở với những phương tiện cơ hữu
và những phương pháp khả thi. Ðể tìm ra và ứng dụng những phương
cách hữu hiệu ngăn ngừa đất lở phù hợp với tài nguyên và điều kiện của
một vùng nhiệt đới như Việt Nam, trước hết ta cần phân tích các
nguyên nhân tổng quát tạo nên nạn đất lở.
Nguyên Nhân Của Ðất Lở
Một cách tóm lược, đất lở thường do những nguyên nhân sau:
1. Mưa lụt tràn trên mặt đất.
Các vùng đất ít khi có lưu lượng nước chảy tràn qua thường bị xốp
bởi các bọc không khí do côn trùng sống trong lòng đất tạo nên. Vì thiếu
nước cây cỏ khó mọc, nhất là các loại cây có rễ chằng chịt bám sâu
trong lòng đất. Khi nước tràn qua, thấm vào lòng đất làm "bở" thớ đất
tạo nên tình trạng xoi mòn nhanh chóng hơn vùng đất luôn luôn có nước
chảy qua. Hiện tượng các dòng sông thay hình đổi dạng hay tạo nên
những nhánh sông phụ đồng thời làm biến mất các thửa ruộng trù phú
là những thí dụ điển hình của tác dụng mưa lụt tràn bờ.
2. Nước ngầm xoi mòn vùng đất mềm phía dưới mặt đất.
Sự xoi mòn đất mềm của nước ngầm là nguyên nhân tạo nên hiện
tượng đất chuồi (mud slide) lôi kéo nhiều ngôi nhà kiên cố từ trên đỉnh
đồi xuống vực thẳm. Nước ngầm trong lòng đất có áp lực rất cao vào
những ngày có mưa dầm không ngớt, các thớ đất lâm vào tình trạng úng
nước (saturated) nên rất mềm yếu và dễ bị nước ngầm cuốn đi.
3. Sự thay đổi của khí hậu từ đông lạnh sang ấm áp làm tan
các bọc nước đá trong lòng đất.
Khi khí hậu xuống thấp dưới không độ, các túi nước trong lòng đất
đông lại. Khi đông đặc, thể tích nước bành trướng, làm vỡ đặc tính keo
sơn của thớ đất. Khi thời tiết ấm áp, nước đá trong lòng đất tan thành
nước lỏng làm mềm các thớ đất. Ðã mất đặc tính keo sơn, đất dễ bị lở
ra và cuốn trôi theo dòng nước.
4. Sự đào xới cây cỏ trên bờ cao làm đất bị vỡ ra.
Khác với các nguyên nhân thiên nhiên nêu trên, sự đào xới gốc rễ
của cây cỏ cũng như sự khẩn hoang là do nhân tạo. Ðất bị đào xới không
những mất đặc tính keo sơn mà còn không được cây cỏ bảo vệ trước
tác dụng trực tiếp của mưa bão. Hiện tượng đất lở gây ra bởi nguyên
nhân đào xới lại có tác dụng dây chuyền kế tiếp: Vì không bị cây cỏ
cản trở, nước mưa trôi nhanh cuốn theo đất cát, tạo thành lưu lượng có
thủy lực lớn, làm lở đất hạ dòng, cho dù các vùng thấp ấy không hề bị
khẩn hoang.
Những Yếu Tố Vật Lý Căn Bản Về Thủy Lực
Vì khuôn khổ nhỏ hẹp của tập san Bách Hợp, bài nầy chỉ ghi lại một
số công thức căn bản về thủy tính và thủy lực, nhằm trình bày sức đối
kháng tương ứng của những phương tiện cản trở mãnh lực tàn phá của
nước. Ðối với những kỹ sư, chuyên gia trong ngành công chánh, những
công thức sau đây, với đơn vị đo lường English, đều khá quen thuộc:
1. Vũ lượng = Thủy lượng của nước mưa (Q)
Thủy lượng của nước mưa là lượng nước mưa rơi xuống một vùng
cùng có chung một nơi tụ hội thành dòng nước. Vì "nắng mưa là bệnh
của đất trời", vũ độ luôn luôn thay đổi từng ngày, từng mùa, từng năm,
từng nơi chốn, nên không thể có một phép tính chính xác và nhất định.
Vì thế thủy lượng được ước tính (estimate) bằng nhiều phương pháp và
phương trình. Phương pháp càng chi tiết và càng dựa trên thống kê của
vũ độ thì kết quả càng tương đối gần với sự thật, ít sự sai biệt. Công thức
đơn giản nhất và thông dụng nhất để tính thủy lượng tại điểm thấp nhất
của nước mưa trong một khoảnh đất tương đối hẹp cỡ vài mẫu (acres)
là:
Q = C I A
Q (Quantity) = Lưu lượng của nước, cubic feet per second
(1 feet~ 0.3048 m)
C (Coefficient) = Ðộ nhám của mặt đất (hoặc mặt đường). Mỗi loại
mặt đất (surface) có một trị số khác nhau; thí dụ trị số C của rừng rậm
là 0.15, của đồng cỏ là 0.35, của mặt đường là 0.9, v.v...
I (Intensity) = Vũ độ trung bình trong vùng, inch; (1 inch ~ 25 mm).
Vũ độ biến thiên theo một đường biểu diễn hyperbol, nghịch với thời
gian hội tụ (time of concentration) của nước mưa từ điểm cao xa nhất
trong vùng đến điểm thấp nhất.
A (Area) = Diện tích của toàn vùng, acres; (1 ac ~ 43560 square
feet ~ 4047 square meters ~ 0.4 mẫu tây)
Phương pháp trên hoàn toàn không đề cập đến sự thấm thấu của
nước mưa xuống lòng đất, làm giảm đi thủy lượng của nước mưa trên
mặt đất, cũng như đặc tính và độ dốc của mặt đất. Ngoài ra, trên thực
tế vũ độ "I" biến thiên tăng giảm tùy mùa mưa, nắng, khó có thể biểu
thị chung bằng một đường biểu diễn được, nên không thể được dùng
trong vấn đề ngăn ngừa lụt lội.
Tuy vậy, nhờ tính đơn giản cũng như sự chính xác tương đối của nó,
nên mặc dù không được đặt trên nền tảng của các đơn vị đo lường toán
học, công thức trên được mang danh hiệu là "phương pháp thuận lý"
(rational method) và thường được dùng để ước tính sơ khởi thủy lượng
của một vùng. Trong việc ước tính thủy lượng để tìm phương thức thích
hợp ngăn ngừa đất lở do tác dụng của thủy lực gây nên trong một vùng
không rộng lắm, công thức nầy khá thông dụng.
2. Lưu lượng của một dòng nước
Thủy lượng của nước mưa rơi xuống, tụ lại tạo thành dòng nước có
lưu lượng tương đương với thủy lượng. Lưu lượng (Q) của một dòng
nước bằng số nhân của diện tích cắt ngang (Cross sectional Area A)
và vận tốc (Velocity V) của dòng nước đó:
Q = A V
Q (Quantity) = Lưu lượng, cubic feet per second
A (Area) = Diện tích cắt ngang của dòng nước, square feet
V (Velocity) = Vận tốc của dòng nước, feet per second
3. Vận tốc của dòng nước (V)
Vận tốc của một dòng nước là lượng nước chảy tính trên đơn vị feet
mỗi giây, V được tính bằng phương trình sau:
V = (1.486 / n)R2/3 S1/2
R = Bán kính thủy lực (Hydraulic Radius), feet; R được tính bằng
tỷ số của diện tích dòng nước trên đường chu vi ướt của nó (wetted
perimeter), R = A/wp.
S (Slope) = Ðộ dốc của đường năng lực của nước (hydraulic energy
grade line); độ dốc nầy luôn luôn dốc (steep) hơn độ dốc của đáy dòng
nước, nhưng trong những bài tính đơn giản, thường được xem như tương
đương với đáy dòng.
n = Ðộ nhám (roughness) của vật chứa
4. Sức công phát (shear stress) của nước:
Sức công phá của nước được tính bằng phương trình sau:
t = y R S
t = Sức công phá, pound per square foot
y = Sức nặng đơn vị (unit weight) của nước, 62.4 pound (lbs) per
cubic foot; 1 lbs ~ 453 gram.
R = Bán kính thủy lực, feet
S = Ðộ dốc của đường năng lực của nước
5. Vận tốc của nước ngầm:
Tốc độ nước ngầm qua đất cát được tính bằng định luật của Darcy:
v = k dh/dl
v = Vận tốc nước ngầm thấm qua lớp đất cát, f/s
k = thẩm độ tức là hệ số của sự thấm thấu (coefficient of
permeability)
dh/dl = độ dốc của thủy lực, tức sự sai biệt chiều cao của mực nước
ngầm chia cho khoảng cách sai biệt.
Các công thức nêu trên là những công thức căn bản mà các chuyên
gia dùng để tính toán sức công phá của thủy lực trong lòng đất. Những
công thức nầy xuất hiện trên hầu hết các sách, tài liệu về thủy tính và
thủy lực, thường được trình bày dưới những dạng thức khác nhau. Ðể
tránh sự rườm rà, thiết tưởng vấn đề ghi chú xuất xứ sách vở vào cuối
bài viết không cần thiết.
Tóm lại, trên phương diện kỹ thuật, muốn hoạch định các phương
pháp ngăn ngừa đất lở một cách hữu hiệu, những chuyên gia thủy lợi
cần ước tính lưu lượng và vận tốc của dòng nước, để từ đó tính ra sức
chịu đựng (strength) mà các vật cản nước như đê, bờ, v.v... cần có, cũng
như quán tính (moment) của các vật liệu dùng cho việc ngăn ngừa đất
lở.
Last edited:
