BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG VÀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 202[.]
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG VÀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2022
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Trang 3i
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định
Tác giả luận án
Chữ ký
Trang 4Tác giả xin được cảm ơn Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc Gia về Động lực học sông biển, Viện Thủy công, Trung tâm công trình đồng bằng ven Biển và Đê điều và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án
Trang 5iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết của đề tài 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 3
4 Nội dung nghiên cứu 3
5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4
7 Cấu trúc của luận án 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN VÀ CÁC KẾT CẤU RỖNG TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN 5
1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 5
1.1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới 5
1.1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam 13
1.2 Tổng quan kết cấu rỗng trong công trình biển 17
1.2.1 Tổng quan các công trình sử dụng kết cấu rỗng 17
1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu kết cấu rỗng 21
1.3 Hiện trạng và tồn tại đê biển khu vực đồng bằng sông Cửu Long 29
1.4 Kết luận chương 1 31
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU 33
2.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu sóng tràn 33
2.1.1 Các loại tràn 33
2.1.2 Các tham số chi phối sóng tràn 34
2.1.3 Các tham số sóng 35
2.2 Phương pháp tính sóng tràn qua các mặt cắt đặc trưng 36
2.2.1 Phương pháp tính sóng tràn mái nghiêng và mái nghiêng có tường đỉnh 37 2.2.2 Phương pháp tính sóng tràn qua mặt cắt tường biển 37
2.3 Cơ sở lý thuyết về thí nghiệm mô hình vật lý 37
2.3.1 Lý thuyết tương tự và tỷ lệ mô hình 38
2.3.2 Cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích thứ nguyên 40
2.3.3 Phân tích thứ nguyên xác định các tham số chi phối để xây dựng phương trình tổng quát xác định lưu lượng tràn 41
Trang 6iv
2.3.4 Thiết lập phương trình tổng quát về sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết
cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) 43
2.4 Cơ sở lựa chọn các tham số và kịch bản thí nghiệm 46
2.4.1 Lựa chọn loại mặt cắt nghiên cứu 46
2.4.2 Lựa chọn độ sâu nước và độ dốc bãi thí nghiệm 47
2.4.3 Lựa chọn thông số sóng thí nghiệm 49
2.5 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm 50
2.5.1 Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc 50
2.5.2 Bố trí thí nghiệm 55
2.6 Các phương án thí nghiệm 59
2.7 Kết luận chương 2 62
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU ĐẾN SÓNG TRÀN BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG 64
3.1 Cơ sở đề xuất mặt cắt đê biển có kết cấu rỗng trên đỉnh 64
3.1.1 Đánh giá sóng tràn qua các mặt cắt thí nghiệm 64
3.1.2 Đánh giá sóng phản xạ qua các mặt cắt thí nghiệm 69
3.2 Đánh giá xu thế sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) so với phương pháp tính toán sóng tràn qua mặt cắt tường biển hỗn hợp 70
3.3 Đánh giá ảnh hưởng của các tham số chi phối 72
3.3.1 Tương quan độ cao lưu không và lưu lượng tràn 75
3.3.2 Tương quan độ sâu nước, độ dốc sóng và lưu lượng tràn 76
3.3.3 Tương quan hệ số rỗng bề mặt và lưu lượng tràn 77
3.4 Xây dựng công thức thực nghiệm 78
3.5 So sánh kết quả tính với số liệu đo đạc 80
3.6 Phạm vi ứng dụng công thức thực nghiệm của luận án 82
3.7 Kết luận chương 3 82
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO ĐÊ BIỂN NHÀ MÁT TỈNH BẠC LIÊU 84
4.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 84
4.1.1 Vị trí địa lý và điều kiện địa hình 84
4.1.2 Điều kiện địa chất 84
4.1.3 Điều kiện khí tượng 85
Trang 7v
4.1.4 Điều kiện thủy hải văn 86
4.2 Các điều kiện biên thiết kế 90
4.2.1 Cấp công trình và tần suất thiết kế 90
4.2.2 Điều kiện biên 91
4.3 Thông số kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh tính toán 94
4.4 Tính toán cao trình đỉnh mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) 95 4.4.1 Công thức tính toán sóng tràn qua mặt cắt đê có TSD 95
4.4.2 Kiểm tra tính phù hợp công thức so với điều kiện biên 96
4.4.3 Thiết lập bảng tính toán sóng tràn 96
4.4.4 Phương pháp tính 98
4.5 Tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt hiện trạng 99
4.5.1 Thông số mặt cắt, điều kiện biên tính toán 99
4.5.2 Công thức xác định 100
4.6 Phân tích, đánh giá hiệu quả mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) so với mặt cắt đê biển hiện trạng 102
4.7 Kết luận chương 4 103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104
I Kết luận 104
II Tồn tại và hướng phát triển 105
III Kiến nghị 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO 109
Trang 8vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1 : Phối cảnh không gian đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh 2
Hình 1.1: Dữ liệu sóng tràn ảnh hưởng các tham số mặt cắt 9
Hình 1.2: So sánh công thức tính cho vùng nước sâu của Franco và cộng sự (1994) [12] với Allsop (1995) [13] 10
Hình 1.3: So sánh công thức tính cho vùng nước nông của Franco và cộng sự (1994) với Allsop et al (1995) 10
Hình 1.4: Tổng quan về các chế độ sóng tràn qua công trình tường đứng 12
Hình 1.5: Sơ đồ tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt tường biển 13
Hình 1.6: Công trình đê chắn sóng tại cảng Miyazaki 17
Hình 1.7: Đê tiêu sóng dạng bán nguyệt tại Thiên Tân Trung Quốc [22] 18
Hình 1.8: Đê tiêu sóng dạng bán nguyệt tại Dương Tử Trung Quốc 19
Hình 1.9: Đê trụ rỗng giảm sóng xa bờ bảo về đê biển Nhà Mát 19
Hình 1.10: ĐGS dạng trụ rỗng bảo vệ bờ biển xã Khánh Bình Tây huyện Trần Văn Thời sau khi được tu bổ, chỉnh sửa 20
Hình 1.11: Cấu kiện rỗng bê tông cốt phi kim đúc sẵn hình thang cân 20
Hình 1.12: Cấu kiện rỗng bê tông cốt phi kim đúc sẵn hình hộp chữ nhật 20
Hình 1.13: Kết cấu lỗ rỗng trong các nghiên cứu của Dhinakaran, 2011 21
Hình 1.14: Hiệu quả giảm sóng phản xạ các kiểu lỗ rỗng, Nguyễn Trung Anh [23] 22
Hình 1.15: Cấu kiện có bố trí lỗ tiêu sóng hình lăng thể tam giác và tứ giác bằng bê tông cốt thép đúc sẵn của Viện KHTL miền Nam 23
Hình 1.16: Biểu đồ năng lượng sóng qua kết cấu, Lê Thanh Chương [24] 23
Hình 1.17: Kết cấu hình thang không có cọc (trái), có cọc (phải) [26] 24
Hình 1.18: Sơ đồ lực Yuan Dekui và Tao Jianhua và mặt cắt đặc trưng tính toán [31]25 Hình 1.19: Tường biển mặt lỗ Caen, Pháp 26
Hình 1.20: Tường biển dạng rãnh Cardiff Barrage, Anh 26
Hình 1.21: Sơ đồ thí nghiệm kết cấu rỗng ¼ đường tròn [36] 27
Hình 1.22: Quan hệ độ cao lưu không tương đối và hệ số chiết giảm sóng tràn [36] 28
Hình 1.23: Đê mái nghiêng Phú Tân – Cà Mau 29
Hình 1.24: Mặt cắt đê biển mái nghiêng kết hợp tường đỉnh có mũi hắt ở ĐBSCL 30
Hình 1.25: Triều cường kết hợp với sóng to, gió lớn làm nước biển tràn qua đê biển Tây tỉnh Cà Mau vào ngày 03/8/2019 30
Hình 1.26: Đê biển hư hại, mất ổn định do nền yếu ở ĐBSCL 31
Hình 1.27: Sóng tương tác tường đỉnh tạo sóng đứng tại Gành Hào, Bạc Liêu 31
Hình 2.1: Chảy tràn qua tường biển ở Howth, UK 33
Hình 2.2: Sóng bắn qua tương chắn sóng ở Margate, UK 34
Hình 2.3: Các dạng sóng vỡ: nhảy vỡ và dâng vỡ 36
Hình 2.4: Các tham số chi phối và thông số cơ bản trong đánh giá sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh 42
Trang 9vii
Hình 2.5: Máy tạo sóng 51
Hình 2.6: Máng thí nghiệm 51
Hình 2.7: Phòng điều khiển 51
Hình 2.8: Giao diện điều kiện đầu vào cho máy tạo sóng 51
Hình 2.9: Phần mềm thu thập và phân tích số liệu 52
Hình 2.10: Giao diện phân tích số liệu sóng 52
Hình 2.11: Kết quả đo đạc số liệu chiều cao sóng qua ba lần tạo sóng ngẫu nhiên 52
Hình 2.12: Phổ sóng qua 3 lần kiềm tra 53
Hình 2.13: Giá trị Hs với thời gian tạo sóng khác nhau 53
Hình 2.14: Thiết bị thu số liệu PicoLog 1000 Series 55
Hình 2.15: Bố trí đầu đo và hệ thống thu dữ liệu 56
Hình 2.16: Kiểm tra cao độ cốt nền, bãi bằng máy toàn đạc 57
Hình 2.17: Tạo nền công trình 58
Hình 2.18: Lắp đặt cấu kiện TSD 58
Hình 2.19: Kiểm tra thang đo mực nước 58
Hình 2.20: Kiểm tra kết quả đo và phân tích sóng trên máy tính 58
Hình 2.21: Lắp đặt kiểm tra thiết bị đo lưu lượng tràn 58
Hình 2.22: NCS trao đổi với thầy hướng dẫn và thầy ngành công trình biển 59
Hình 2.23: Sơ họa 3 mặt cắt thí nghiệm 61
Hình 2.24: Cắt ngang và chính diện mặt tiếp sóng có lỗ rỗng kết cấu ¼ trụ rỗng (TSD) 61
Hình 3.1: Sóng tràn qua mặt cắt mái nghiêng 64
Hình 3.2: Sóng tràn qua mặt cắt mái nghiêng có tường đỉnh 65
Hình 3.3: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng = 10% 65
Hình 3.4: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng = 15% 65
Hình 3.5: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng = 20% 66
Hình 3.6: Lưu lượng tràn qua mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng với đê mái nghiêng 67
Hình 3.7: Lưu lượng tràn qua mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng với đê mái nghiêng có tường đỉnh 67
Hình 3.8: Sóng tràn qua các mặt cắt với cùng điều kiện biên thí nghiệm (Hm0,Tp, Rc) 68 Hình 3.9: Tương quan giữa hệ số phản xạ kr và độ cao lưu không tương đối Rc/Hm0 70
Hình 3.10: Sơ đồ mặt cắt tường biển hỗn hợp 71
Hình 3.11: Sóng tràn qua mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng theo tường biển hỗn hợp 72
Hình 3.12: Tương quan độ cao lưu không tương đối Rc/Hmo đến lưu lượng tràn 75
Hình 3.13: Tương quan độ sâu nước tương đối d/h đến lưu lượng tràn 76
Hình 3.14: Tương quan độ dốc sóng Hm0/h đến lưu lượng tràn 77
Hình 3.15: Kết quả hồi quy trong matlab 79
Hình 3.16: Biểu đồ số dư đường hồi quy trong matlab 79
Hình 3.17: Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định lưu lượng tràn trung bình qua mặt cắt để biển có kết cấu ¼ trụ rỗng 80
Trang 10viii
Hình 3.18: So sánh kết quả tính toán và số liệu đo đạc thí nghiệm 82
Hình 4.1: Minh họa chế độ triều khu vực dự án 86
Hình 4.2: Hoa gió theo các hướng tại trạm Gành Hào 89
Hình 4.3: Tác động của sóng đến các vùng biển ĐBSCL – Nguồn Viện KHTLMN 90
Hình 4.4: Đường tần suất mực nước theo phụ lục B - TCVN 9901 – 2014 91
Hình 4.5: Khu vực tính tham số sóng ngoài khơi, phụ lục B – TCKT 2012 92
Hình 4.6 Vị trí 12 điểm thuộc khu vực Nhà Mát [37] 93
Hình 4.7: Cắt ngang kết cấu ¼ trụ rỗng 94
Hình 4.8: Mặt trước (trái), mặt sau (phải) kết cấu ¼ trụ rỗng 94
Hình 4.9: Mặt bằng kết cấu ¼ trụ rỗng 95
Hình 4.10: Mặt đáy kết cấu ¼ trụ rỗng 95
Hình 4.11: Mặt cắt đê biển hiện trạng tại Nhà Mát, tỉnh Bạc Liêu 100
Hình 4.12: Khai báo thông số đầu vào tính toán 101
Hình 4.13: Kết quả tính toán 102
Hình 4.14: Mặt cắt ngang đê có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh thử nghiệm 103
Hình 4.15: Mặt bằng đê có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh thử nghiệm 103
Trang 11ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980) 6
Bảng 1.2: Bảng tổng hợp kết quả nghiên cứu theo sổ tay kỹ thuật bờ biển CEM 1110-2-1100 (phần VI) [11] 8
Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật đê chắn sóng bán nguyệt ở Trung Quốc và Nhật Bản [22] 18
Bảng 2.1: Các tham số chi phối sóng tràn 34
Bảng 2.2: Thống kê công trình đê mái nghiêng hỗn hợp ở ĐBSCL [38] 46
Bảng 2.3: Tổng hợp độ sâu nước nghiên cứu 48
Bảng 2.4: Bảng xác định chu kỳ Tp 50
Bảng 2.5: Số liệu kiểm định đầu đo sóng 1 53
Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật PicoLog 1000 Series 54
Bảng 2.7: Tổ hợp các phương án thí nghiệm 60
Bảng 2.8: Tổng hợp thông số kết cấu ¼ trụ rỗng và mặt cắt trong mô hình thí nghiệm 61
Bảng 3.1: Kết quả lưu lượng tràn qua các mặt cắt đê biển với cùng tham số sóng 68
Bảng 3.2: Kết quả phân tích phản xạ qua các mặt cắt đê biển với cùng tham số sóng 69 Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm tham số sóng và lưu lượng tràn 72
Bảng 3.4: Kết quả so sánh lưu lượng tràn tính toán và đo đạc 81
Bảng 4.1 Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của các lớp đất [37] 85
Bảng 4.2 Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm (Trạm Bạc Liêu) [37] 86
Bảng 4.3 Mực nước lớn nhất, nhỏ nhất của năm [37] 87
Bảng 4.4 Bảng sóng nước sâu theo vùng, phụ lục B – TCKT 2012 92
Bảng 4.5 Giá trị chiều cao sóng ứng với các mức tần suất tại Nhà Mát [37] 93
Bảng 4.6: Thông số kết cấu ¼ trụ rỗng thiết kế 95
Bảng 4.7 : Kết quả đánh giá tính phù hợp khi áp dụng công thức 96
Bảng 4.8: Kết quả tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt với các cao trình đỉnh khác nhau 99
Bảng 4.9: Tổng hợp thông số mặt cắt hiện trạng 100
Bảng 4.10: Kết quả tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt hiện trạng 102
Trang 12TAW Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes – Sổ tay kỹ thuật
tính toán sóng tràn qua đê
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TSD Kết cấu rỗng hình dạng ¼ đường tròn, mặt trước có đục lỗ bề mặt theo tỷ lệ
2 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
Công trình giảm sóng: Công trình xây dựng ở vùng ngập nước của bãi biển và cách xa
bờ biển khoảng cách thích hợp nhằm giảm chiều cao sóng, giảm tác động của sóng vào
bờ biển, đê biển
Đê biển: Công trình ngăn biển, được phân loại, phân cấp theo quy định của cơ quan có
thẩm quyền
Hệ số rỗng (tỷ lệ lỗ rỗng, lỗ rỗng): Tỷ số giữa tổng diện tích lỗ rỗng và tổng diện tích
bề mặt cong của cấu kiện rỗng tại đỉnh
Kết cấu rỗng: Kết cấu dạng khối có các hình dánh khác nhau và có khoảng rỗng bên
trong
Lưu lượng sóng tràn trung bình: Lượng sóng tràn lấy trung bình trong một đơn vị
Trang 13xi
thời gian, trên một mét chiều dài, có đơn vị m3/s/m hoặc l/s/m
Sóng tràn: Nước bị đẩy tràn qua đỉnh đê do động năng của sóng khi mà đỉnh đê vẫn
còn cao hơn mực nước biển
Tường đỉnh: Kết cấu nằm ở đỉnh của đê mái nghiêng
Tường biển: Công trình đặc biệt của đê biển với cấu trúc dạng đứng, phía trước có gia
cố đá đổ
Trang 14xii
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu
HS m Chiều cao sóng ý nghĩa
Hm0 m Chiều cao sóng mô men 0
Tp s Chu kỳ đỉnh (phổ) sóng
L m Chiều dài sóng chân công trình
L0 m Chiều dài sóng nước sâu
d m Độ ngập nước trong buồng kết cấu trụ rỗng
h m Độ sâu nước tại chân công trình
q l/s.m Lưu lượng tràn đơn vị
[q] l/s.m Lưu lượng tràn đơn vị cho phép
Zd m Cao trình đỉnh tường/ đê biển
Ztk m Cao trình mực nước thiết kế
Zđck m Cao trình đặt cấu kiện
Trang 151
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có hệ thống đê biển rất lớn, trải dài từ Bắc xuống Nam, góp phần quan trọng trong việc bảo vệ tính mạng, tài sản cho người dân, và phục vụ sản xuất, phát triển đất nước Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu ngày càng diễn biến phức tạp, khó lường, đã tác động rất lớn đến đời sống và sản xuất Vấn đề sạt lở bờ biển đã và đang diễn ra rất phức tạp, có xu thế gia tăng, đặc biệt là vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Đã có nhiều đề tài nghiên cứu đề xuất nhiều giải pháp, công nghệ nhằm tăng cường ổn định cho đê biển Trong đó, giải pháp công trình giảm sóng tác động vào đê
và giảm sóng tràn qua đê được nghiên cứu, ứng dụng khá nhiều
Hệ thống công trình đê, tường biển được xây dựng nhằm bảo vệ vùng đất phía sau khỏi ngập lụt, biển lấn, … dưới sự tác động của các yếu tố thủy động lực học như sóng, nước dâng, dòng chảy Để đảm bảo được các chức năng theo yêu cầu thì độ cao của đỉnh công trình phía trên mực nước biển tính toán (còn gọi là độ lưu không) phải đảm bảm theo tiêu chuẩn sóng tràn Lượng sóng tràn cho phép qua đê có tính quyết định đến quy mô, giải pháp thiết kế và cũng như là quy hoạch bảo vệ của một hệ thống đê biển Lượng sóng tràn cho phép được quy định khác nhau đối với từng nhiệm vụ công trình và kết cấu mặt cắt Nghiên cứu sóng tràn do vậy có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thiết
kế các chi tiết cấu tạo hình học và kết cấu của đê, tường biển
Đối với khu vực đồng bằng sông Cửu Long khu vực bị tác động biến đổi khí hậu nước biển dâng nghiêm trọng Các đê biển hiện trạng được thiết kế với tần suất trước kia và điều kiện biên chưa xét tới nước biển dâng, biên đổi khí hậu, đến nay đã bộc lộ nhiều mặt hạn chế Với tiêu chuẩn thiết kế đê biển hiện nay, đê cấp III, IV (cấp đê phổ biến ĐBSCL) với tần suất thiết kế lần lượt là 2% và 3,33% đã được nâng cao so với quy định trước kia trong 14 TCN 130-2002, tần suất thiết kế là 5% cho cấp đê III và IV Cùng với đó, tham số mực nước và sóng thiết kế tính toán đều cao hơn do tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng Vì vậy, vấn đề đặt ra trong quản lý và thiết kế mới hoặc sửa chữa đê biển nhằm đảm bảo điều kiện làm việc là nâng cao trình đỉnh
Trang 162
Trong điều kiện địa chất nền mềm yếu ở ĐBSCL, để nâng cao trình đỉnh cần có mặt cắt nhỏ gọn, tải trọng bản thân thấp, hạn chế sụt lún nền Giải pháp phổ biến hiện nay đang xây dựng tường đỉnh trên đê và bước đầu cho hiệu quả về khả năng giảm sóng tràn, do nâng được chiều cao đỉnh và giảm được chiều cao đắp đê so với nâng cao toàn bộ mặt cắt đê Tuy nhiên, với kết cấu tường đỉnh thường hạn chế bởi chiều cao tường thấp dẫn tới mặt cắt vẫn còn lớn và hiện tượng sụt lún vẫn xảy ra Bên cạnh đó tường đỉnh tạo sóng phản xạ cao và gia tăng khi tường được nâng lên (kr = 0.7 ÷ 1) [1], do đó áp lực trực tiếp lên công trình lớn, đồng thời gây xói chân, mất ổn định chân tường
Để đáp ứng được yêu cầu về cao trình đỉnh an toàn khi sóng tràn và giảm tải trọng mặt cắt, trên cơ sở phân tích, đánh giá các giải pháp đã có, tác giả đã đề xuất mặt cắt đê biển
có kết cấu rỗng (Hình 1), nhằm cải thiện các hạn chế về tải trọng mặt cắt, sóng phản xạ Trong những năm gần đây, kết cấu rỗng đã được ứng dụng nhiều trong công trình biển đặc biệt là đê giảm sóng xa bờ Kết cấu rỗng có nhiều hình dạng khác nhau nhưng đều có điểm chung là mặt tiếp sóng đục lỗ có tỷ lệ và buồng rỗng ở giữa Các kết quả
đã nghiên cứu chỉ ra ưu điểm nổi bật như: kết cấu bê tông đúc sẵn thuận lợi trong thi công; đạt hiệu quả giảm sóng truyền, sóng phản xạ Đây là một giải pháp có hình thức
bố trí kết cấu mới, phù hợp cho việc bảo vệ bờ biển vùng đồng bằng sông Cửu Long
Hình 1 : Phối cảnh không gian đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh
Khi áp dụng kết cấu rỗng trên đỉnh vào mặt cắt đê biển gặp khó khăn trong nguyên lý giảm sóng Đồng thời công thức xác định cao trình đỉnh đê theo độ cao lưu không để
đảm bảo sóng tràn là chưa được hoàn thiện Vì vậy, luận án đặt vấn đề "Nghiên cứu đề
xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh" có nhiều
ý nghĩa khoa học, thực tiễn và cần thiết để giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu nước biển dâng, địa chất mềm yếu, lún sụt đê đang tác động tới đồng bằng sông Cửu Long
Trang 173
2 Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu đề xuất được một dạng mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh
- Xây dựng được công thức tính toán lưu lượng tràn trung bình qua mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
Mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh
- Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh với điều kiện tự nhiên vùng đồng bằng sông Cửu Long
4 Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển và các kết cấu rỗng trong công trình biển
- Cơ sở lý thuyết và dữ liệu nghiên cứu về sóng tràn qua mặt cắt nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở đề xuất mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh và ảnh hưởng của kết cấu đến sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng
- Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho đê biển Nhà Mát tỉnh Bạc Liêu
5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Thu thập các dữ liệu thủy hải văn khu vực nghiên cứu, lý thuyết về sóng tràn qua đê, các kết quả nghiên cứu về kết cấu rỗng tiêu sóng
- Phân tích, đánh giá các loại đê biển hiện có, qua đó đề xuất mặt cắt ngang đê biển kết
có cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh phù hợp với vùng ĐBSCL Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm mô hình vật lý để thiết lập công thức tính toán sóng
Trang 184
tràn qua mặt cắt ngang đê biển vừa được đề xuất Từ các kết quả đã đạt được, luận án tiến hành tính toán thí điểm cho một công trình ngoài thực tế
Để giải quyết được mục tiêu và nội dung nghiên cứu đặt ra, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau: phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc; phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đề xuất được một dạng mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh và công thức để xác định sóng tràn qua mặt cắt ngang có kết cấu đề xuất Các kết quả của luận án đã góp phần bổ sung, làm phong phú thêm các kết quả nghiên cứu về đê biển nói chung và sóng tràn qua đê biển nói riêng Đồng thời là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu các vấn đề khác chưa được giải quyết đối với đê biển
- Ý nghĩa thực tiễn: Mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh và công thức thực nghiệm tính toán sóng tràn sẽ góp phần quan trọng trong việc phân tích, lựa chọn
và tính toán áp dụng cho đê biển cho khu vực ĐBSCL được phong phú, đa dạng và hiệu quả hơn
7 Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án dược trình bày trong 4 chương bao gồm:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển và kết cáu rỗng trong công
trình biển
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và dữ liệu nghiên cứu
Chương 3: Nghiên cứu cơ sở đề xuất mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên
đỉnh và ảnh hưởng của kết cấu đến sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng
Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho đê biển Nhà Mát tỉnh Bạc Liêu
Trang 195
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN VÀ CÁC KẾT CẤU RỖNG TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN
1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển
1.1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới
Đê biển bị hư hỏng, mất ổn định do rất nhiều nguyên nhân và yếu tố tác động Có thể
do địa chất, nền móng, kết cấu không đảm bảo yêu cầu hoặc do tác động của sóng lên
đê quá mức tính toán, v.v… Trong đó, yếu tố sóng tràn qua đê biển là một trong những tác nhân quan trọng khi tính toán thiết kế đê biển Vấn đề này đã được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu
Lưu lượng tràn qua đê, tường biển là tiêu chí tính toán cao trình đỉnh công trình Đồng thời cũng là cơ sở để xác định yêu cầu về kết cấu bảo vệ mái đê, công trình thu nước và các hạng mục khác… Nghiên cứu sóng tràn do vậy có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế các chi tiết cấu tạo hình học và kết cấu của đê, tường biển
Khi nghiên cứu về đê biển có mặt cắt mái nghiêng, Saville (1955) là người đầu tiên đặt nền móng cho nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí nghiệm sóng đơn [2] Cho đến nay, đã có hàng vạn thí nghiệm đã và đang được tiến hành tại nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, các thí nghiệm sau này được thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn
và gần với thực tế hơn như: sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, cấu tạo hình học
và dạng kết cấu công trình đa dạng… [3]
Sau sự khởi xướng của Saville (1955), năm 1980 Owen dựa trên kết quả của 500 thí nghiệm mô hình với sóng ngẫu nhiên đã công bố công thức công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình mái nhẵn như sau [4]
R q
Trang 206
như thống kê ở Bảng 1.1 Owen (1980) cũng đã xét đến ảnh hưởng giảm sóng tràn của
độ nhám mái đê thông qua hệ số chiết giảm γr:
1
R q
Trong đó: γr là hệ số chiết giảm sóng tràn
Bảng 1.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980)
Sau đó Owen (1980) đã dựa trên các thí nghiệm bổ sung để hiệu chỉnh lại các hệ số a và
b một lần nữa cho cả trường hợp sóng đến xiên góc
De Waal and Van der Meer (1992) [5] cũng có nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn không thấm tương tự như Owen (1980) Tuy nhiên lưu lượng sóng tràn trung bình được quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lưu không đỉnh đê (Ru2% - Rc)/Hs:
3 8.10 exp 3.1 u c
s s
q
H gH
Trang 217
nhất là tính sóng tràn thông qua sóng leo Ru2% Vì vậy sau này Van deer Meer (1993) [6] đã cải tiến công thức trên bằng cách biểu diễn sóng tràn trực tiếp thông qua chiều cao lưu không tương đối của đỉnh đê Rc/Hs và sử dụng cả các kết quả nghiên cứu của Owen (1980) Ngoài ra, Van deer Meer (1993) [6] còn cho rằng sóng tràn còn phụ thuộc vào tính chất tương tác của sóng với công trình (tức là giữa sóng vỡ và sóng không vỡ) Van deer Meer và Janssen (1995) [7] đã đề xuất công thức tính toán sóng tràn có thể ứng dụng cho cả trường hợp đê có cơ (phía biển) và mái đê có độ nhám
TAW (2002) [8], EurOtop (2007) [9] đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua đê biển khá hoàn chỉnh, với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho đa dạng các kết cấu hình học đê và có xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến sóng tràn qua đê Hiện nay kết quả nghiên cứu này đang được sử dụng phổ biến, Doorslaer và cộng sự (2015) [10]đã tiến hành trên 1000 thí nghiệm với các yếu tố sóng và mặt cắt đê theo điều kiện bờ biển của nước Bỉ
Qua đó tìm hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường, thềm trước tường và mũi hắt sóng đến sóng tràn đối với trường hợp tường mặt trước dốc đứng Kết quả nghiên cứu đã đề xuất được công thức xác định hệ số ảnh hưởng γv tổng hợp của tường như công thức:
c
Khi
R thì p =1.80 . n (1.7)
W0.25
c Khi
R thì p =1.80 . n−0.53 (1.8)
Trang 22Trong đó: β là góc của mũi hắt sóng; hn là chiều dày mũi hắt sóng; γβ, γn lần lượt là hệ
số chiết giảm sóng tràn do góc mũi hắt sóng và chiều dày mũi hắt sóng tương đối (hn/W) Bảng 1.2: Bảng tổng hợp kết quả nghiên cứu theo sổ tay kỹ thuật bờ biển CEM 1110-
2-1100 (phần VI) [11]
Tác giả Kết cấu
Công thức tổng quát lưu lượng tràn
Lưu lượng tràn không thứ nguyên Q
c om s
2
om om
qT L
s c
H R
Vander Meer
and Janssen
(1995)
Đê không thấm có cơ
S q
Cho op 2
1 tan
op c s
S R
Cho op 21
c s
R
H Cho op 2
Trang 239
Tác giả Kết cấu
Công thức tổng quát lưu lượng tràn
Lưu lượng tràn không thứ nguyên Q
1
c s
2
om om
qT L
5 5 3
tan3.2.10
β và chiều dày mũi hắt sóng tương đối (hn/W) Tuy nhiên, Doorslear và cộng sự (2015) vẫn cho rằng ảnh hưởng của thềm trước và mũi hắt sóng là độc lập nhau, thềm trước tăng thì khả năng chiết giảm sóng tràn tăng lên và ngược lại
Hình 1.1: Dữ liệu sóng tràn ảnh hưởng các tham số mặt cắt Tới nay trên thế giới đã có một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển Các nghiên cứu này chủ yếu đề cập mối quan hệ giữa
Trang 2410
chiều cao tường (W), độ cao lưu không tính đến mặt đê (hoặc độ cao lưu không tính đến đỉnh tường Rc) và thềm trước tường (S) tới các hệ số chiết giảm γw, γs, γv Mặt khác, các nghiên cứu cũng chưa phân tích ảnh hưởng đồng thời giữa các yếu tố như thềm trước tường và mũi hắt sóng
Độ cao lưu không tương đối R C /H m0
Hình 1.2: So sánh công thức tính cho vùng nước sâu của Franco và cộng sự (1994)
Độ cao lưu không tương đối R C /H m0
Hình 1.3: So sánh công thức tính cho vùng nước nông của Franco và cộng sự (1994)
với Allsop et al (1995)
Trang 2511
Đối với đê chắn sóng hoặc tường chắn sóng thẳng đứng, trong trường hợp không có sóng vỡ, Owen (1980) đã thí nghiệm và xác định các giá trị a và b trong công thức với (1.1) để trở thành một công thức thiết kế đáng tin cậy Kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra ảnh hưởng của chu kỳ sóng dường như rất nhỏ hoặc không tồn tại
Cùng hướng phát triển hoàn thiện từ công thức tổng quát (1.1) Franco và các cộng
sự (1994) nghiên cứu đối với vùng nước sâu đưa ra tham số a = 0.2 và b = 4.3, trong khi Allsop và các cộng sự (1995) đưa ra kết quả a = 0.05 và b = 2.78 trong điều kiện nước nông Cả hai công thức đã được tính toán và so sánh với cùng một bộ dữ liệu từ dự án CLASS, kết quả đường lý luận đều phù hợp với công thức trong phạm vi nghiên cứu, Franco và các cộng sự (1994) thu được kết quả hội tụ trong vùng nước sâu (Hình 1.2), khi tính vùng nước nông kết quả đúng cho phương pháp Allsop và các cộng sự (1995) (Hình 1.3) Đối với cả ba phương pháp trên khi xây dựng chưa xét tới ảnh hưởng khối gia cố phía trước tới sóng tràn qua công trình đứng, đây là mặt hạn chế của phương pháp, cũng là tiền đề các nghiên cứu sau này thực hiện hoàn thiện phương pháp tính sóng tràn qua công trình đứng phía trước có khối giá cố
Nhằm khác phục các hạn chế từ các nghiên cứu trước khi các phương pháp chỉ xét trong các điều kiện làm việc riêng lẻ, như chỉ xét tới tương tác sóng với công trình (vỡ/ không vở) của Owen (1980), hay điều kiện làm việc của vùng nước (nước nông/nước sâu)
…Vandermer và Bruce (2014) [14] đã đánh giá tổng hợp các yếu tố tác động tường biển hỗn hợp, xây dựng phương pháp và công thức xác định như sau:
(i) Trường hợp tường đứng không chịu ảnh hưởng của bãi trước, ví dụ như khi độ sâu nước tương đối lớn Với một độ cao lưu không tương đối cho trước, điều kiện này sẽ có lượng sóng tràn thấp nhất Dạng hàm số của sóng tràn được mô tả tương tự như công trình mái nghiêng, sử dụng đường cong Weibull
(ii) Trường hợp có ảnh hưởng của bãi trước, nhưng sóng không vỡ tại mặt tường (chỉ có sóng tràn dạng “phi xung kích”) So sánh các điều kiện này với điều kiện ở trên, rõ ràng
là khi đó sóng tràn sẽ lớn hơn Với độ cao lưu không nhỏ hơn, gần như không có sự khác biệt xảy ra, nhưng khi độ cao lưu không tăng thì sự khác biệt sẽ lớn hơn Sóng tràn trong
Trang 26Hình 1.4: Tổng quan về các chế độ sóng tràn qua công trình tường đứng
Để xác định được phương trình dự đoán thích hợp nhất, các câu hỏi sau đây cần phải được giải đáp:
• Có ảnh hưởng của bãi trước hay không?
• Công trình có dạng tường đứng đơn giản hay tường dốc, hoặc có kết cấu đá đổ đáng
kể cần phải xem xét không?
• Công trình có thể chịu sóng tràn dạng xung kích (nước rối, sóng vỡ)?
Trang 2713
Hình 1.5: Sơ đồ tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt tường biển
1.1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam
Hiện nay, trình độ nghiên cứu chuyên sâu và các công nghệ thiết kế thi công đê biển ở Việt Nam đã dần tiếp cận với trình độ khu vực và thế giới Đặc biệt, trong những năm vừa qua, nhà nước đã đầu tư mạnh mẽ cho việc nghiên cứu đê biển như: nghiên cứu xác định mặt cắt ngang đê biển hợp lý, nghiên cứu công nghệ vật liệu xây dựng đê biển Tuy nhiên vẫn còn thiếu nhiều lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu về các tham số ảnh hưởng đến quy mô, ổn định của đê biển Vì thế nghiên cứu tham số sóng tràn qua đê biển cần được tiếp tục mở rộng với các mặt cắt, hình dạng kết cấu khác nhau để làm phong phú
và hiệu quả hơn trong công trình đê biển Trong phạm vi của nghiên cứu này tác giả chỉ giới thiệu các nghiên cứu trong nước có liên quan đến mục tiêu của luận án;
Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2006 [15], 2009 [16], 2010 [17], 2013 [18]) đã tiến
hành thí nghiệm mô hình vật lý kết hợp với phân tích lý thuyết cho các kịch bản khác nhau, có điều kiện biên sát với thực tế của đê biển Việt Nam Các nghiên cứu này đã
Trang 2814
đánh giá độ tin cậy của TAW (2002) và xây dựng được các cơ sở khoa học quan trọng cho việc tính toán sóng tràn qua đê biển ở Việt Nam
Các thí nghiệm được tiến hành với các điều kiện biên thiết kế phổ biến nhất ở nước ta
về mặt thủy động lực (sóng và mực nước), hình học kết cấu (chiều cao đê, mái đê, tường đỉnh trên đê) và bãi trước đê Việc xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh chỉ mới giới hạn
ở dạng tường đỉnh có vách dốc đứng phía biển, tường nằm sát mép đỉnh đê phía biển, không có thềm trước Qua phân tích các số liệu thực nghiệm thấy rằng γv giảm (khả năng chiết giảm sóng tràn tăng) khi tỷ số W/(W+ Rc) tăng Với W là chiều cao tường, Rc là
độ cao lưu không từ mực nước thiết kế tính đến đỉnh của tường Nhiều dạng phối hợp khác nhau giữa các tham số đã được thử nghiệm để tìm ra được một tương quan tốt nhất với γv Các liên hệ sau đã được tìm thấy cho sự phù hợp tốt nhất giữa các số liệu thực nghiệm:
1 2
WW
vỡ
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: phương pháp tính toán của TAW (2002) nhìn chung đánh giá thấp ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê đến sóng tràn (thông qua hệ số chiết giảm sóng tràn γv do tường đỉnh) Độ dốc mái quy đổi khi có tường theo phương pháp này làm gia tăng đáng kể chỉ số Iribarren và như vậy tạo ra điều kiện sóng vỡ giả trong tính toán sóng tràn Ngoài ra, theo TAW (2002) tường đỉnh không có ảnh hưởng đến lưu lượng sóng tràn trong trường hợp sóng không vỡ, tuy nhiên các số liệu thực nghiệm của nghiên cứu hiện tại cho thấy điều ngược lại Phương pháp mới kể đến ảnh hưởng tường đỉnh thấp trên đê của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009) đã đi sâu hơn về bản chất vật lý của tương tác sóng và tường đỉnh Khả năng chiết giảm sóng tràn của tường đỉnh
đã được xét đến với ảnh hưởng không chỉ từ các yếu tố sóng mà còn từ điều kiện hình học đê (chiều cao tường, độ lưu không) Phương pháp mới đã tỏ ra có độ tin cậy cao
Trang 29số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh γvđối với lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê
có chiều cao tường thay đổi và có thềm trước tường Với 225 thí nghiệm sóng ngẫu nhiên đã được thực hiện với các kịch bản khác nhau nhằm tạo điều kiện đánh giá ảnh hưởng của tường đỉnh (W) và thềm trước (S) một cách thuận lợi nhất Bằng số liệu thực nghiệm khá phong phú và phân tích một cách khoa học, kết quả nghiên cứu đã đưa ra được công thức xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường:
w
1 1.6
c om R
Nguyễn Văn Thìn (2014) [19] đã tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý máng sóng
Qua đó đã làm sáng tỏ bản chất ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn, chứng minh được tính ưu việt của thềm trước thông qua việc đi sâu phân tích quá trình tương tác sóng - tường và xây dựng được công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho trường hợp sóng đều (công thức (1.15)):
Trang 30có mũi hắt sóng đến sóng tràn qua đê
Nguyễn Văn Dũng (2017) [20] Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt đến
khả năng chiết giảm sóng tràn qua đê biển bằng mô hình vật lý máng sóng Đối tượng nghiên cứu là sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, mặt trước dốc đứng Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được công thức thực nghiệm xác định lực tác động lên tường đỉnh và một công thức tính toán chiết giảm tường đỉnh tới sóng tràn
Phùng Đăng Hiếu, Phan Ngọc Vinh (2012) [21] Nghiên cứu ảnh hưởng của thềm cơ
và lớp bảo vệ mái dạng xốp tới sóng tràn qua công trình tường chắn sóng bằng mô hình
số VOF Kết quả nghiên cứu khẳng định giá trị độ xốp tối ưu giảm lưu lượng tràn của kết cấu mái nghiêng là (25 ÷ 70) %, đối với thềm cơ là (40 ÷ 65) % Đồng thời, nghiên cứu cũng đưa ra quan điểm lưu lượng tràn liên quan chặt chẽ đến sự tiêu tán năng lượng của kết cấu xốp của mái nghiêng và thềm cơ trước tường
Qua tổng quan các nghiên cứu tràn trên thế giới và Việt Nam đã đưa ra được một bức tranh chung về quá trình nghiên cứu và kết quả đạt được về giải pháp đê biển hiện nay Nhìn chung, về hình dạng mặt cắt xu hướng làm các tường đỉnh trên đê mái nghiêng vì giải pháp này giảm chiều cao đắp mà vẫn đảm bảo điều kiện giảm sóng tràn Về kết cấu đang hướng tới các kết cấu bảo vệ mái, có độ nhám, xốp, thềm rộng để giảm sóng tràn Đồng thời đi cùng phát triển về giải pháp là mặt lý luận, phương pháp tính, các nghiên cứu xây dựng công thức dự tính sóng tràn qua mặt cắt đê biển với các hình dạng và kết cấu khác nhau Qua các phương pháp, công thức tính có thể nhận thấy các tham số đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu sóng tràn qua đê biển là Rc/Hs (gọi lại độ cao lưu không phi thứ nguyên), 3
s
q gH lưu lượng tràn phi thứ nguyên, hệ số chiết giảm sóng tràn của kết cấu mái, kết cấu tường, thềm cơ đê… (được xác định từ ảnh hưởng tham số hình học kết cấu tới lưu lượng tràn thông qua thí nghiệm mô hình vật lý)
Trang 3117
Kế thừa các nghiên cứu trước, tác giả định hình hướng nghiên cứu phân tích về sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh thông qua thí nghiệm mô hình vật lý, đánh giá ảnh hưởng kết cấu ¼ trụ rỗng (lỗ rỗng bề mặt…) tới sóng tràn Cùng với đó là xác định tham số cơ bản khi xây dựng công thức thực nghiệm xác định lưu lượng sóng tràn qua mặt cắt nghiên cứu
1.2 Tổng quan kết cấu rỗng trong công trình biển
1.2.1 Tổng quan các công trình sử dụng kết cấu rỗng
Ý tưởng về kết cấu rỗng được Jarlan [22] đề xuất vào năm 1961 Từ năm 1969 ở Nhật Bản đã xây dựng một số công trình với kết cấu này (Hình 1.6) Kết cấu rỗng với không gian rỗng hay còn gọi là buồng tiêu sóng (BTS), ngoài việc tiêu năng lượng sóng, BTS trước thùng chìm còn kết hợp nuôi cá và làm nhà máy phát điện để lợi dụng năng lượng sóng cho hiệu quả tốt
Những năm gần đây, các kết cấu lỗ rỗng bề mặt và có buồng tiêu sóng ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong công trình giảm sóng xa bờ ở Đồng bằng sông Cửu Long Năm 2017, Viện Thủy Công thuộc Viện KHTL Việt Nam đã ứng dụng cấu kiện trụ rỗng, với mặt cắt ngang là nửa hình tròn, 5 hàng lỗ, mỗi hàng 4 lỗ phía tiếp xúc với sóng biển, 2 hàng lỗ, mỗi hàng 4 lỗ, phía mặt trụ rỗng hướng vào phía trong bờ Đường kính mỗi lỗ 30 cm, có khả năng giảm sóng, trao đổi môi trường, gây bồi tốt (Hình 1.9
và Hình 1.10) Cùng với đó là cấu kiện rỗng bê tông cốt phi kim đúc sẵn của Công ty Busadco được ứng dụng ở biển Tây tỉnh Cà Mau (Hình 1.11và Hình 1.12)
Hình 1.6: Công trình đê chắn sóng tại cảng Miyazaki
Trang 3218
Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật đê chắn sóng bán nguyệt ở Trung Quốc và Nhật Bản [23]
Địa điểm xây dựng và
Quốc Gia
Cảng Miyazaki, Nhật Bản
(Hình 1.6)
Cảng Thiên Tân, Trung Quốc (Hình 1.7)
Cửa sông Dương
Tử, Trung Quốc (Hình 1.8)
Thời gian xây dựng 1992-1993 1995-1997 1998-2000
Loại đê chắn sóng Đê nổi Đê nổi Đê nổi/Đê ngầm
2.5m 4.5m 0.55m
4.5m 4.0m 0.75m
Độ rỗng mặt tiếp sóng
Đường kính lỗ
Tỷ lệ rỗng
0.5m 1%
NA
NA
NA
NA Đáy kết cấu
Đường kính lỗ
Tỷ lệ rỗng
Độ dày đáy
0.7m 10%
0.7m
NA
NA 0.8m
0.5m
11%
1.25m Lớp nền đá đổ
Chiều cao kết cấu
Chiều cao đê
2.5m 10.5m 13m
1m 6m 7m
3m 7m 10m
Độ sâu nước thiết kế
Độ sâu tối thiểu
Độ sâu tối đa
7.5m 9.5m
2.3m 6.1m
8.2m 16.3m
Hình 1.7: Đê tiêu sóng dạng bán nguyệt tại Thiên Tân Trung Quốc [23]
Trang 3319 Hình 1.8: Đê tiêu sóng dạng bán nguyệt tại Dương Tử Trung Quốc
Hình 1.9: Đê trụ rỗng giảm sóng xa bờ bảo về đê biển Nhà Mát
Trang 3420
Hình 1.10: ĐGS dạng trụ rỗng bảo vệ bờ biển xã Khánh Bình Tây huyện Trần Văn
Thời sau khi được tu bổ, chỉnh sửa
Hình 1.11: Cấu kiện rỗng bê tông cốt phi kim đúc sẵn hình thang cân
Hình 1.12: Cấu kiện rỗng bê tông cốt phi kim đúc sẵn hình hộp chữ nhật
Trang 3521
1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu kết cấu rỗng
1.2.2.1 Nghiên cứu về kết cấu rỗng trong công trình giảm sóng xa bờ
Dhinakaran và các cộng sự đã nghiên cứu kết cấu rỗng giảm sóng xa bờ (Hình 1.13) từ năm 2009 đến năm 2012 [24] [25] [26] [27], bằng phương pháp thí nghiệm trong máng sóng Kết quả phân tích chỉ ra chiều cao sóng leo tương đối (Ru/Hi) và hệ số phản xạ (Kr) giảm khi tăng hệ số lỗ rỗng bề mặt từ 7% đến 17% Trái ngược lại, đối với hệ số truyền sóng (Kt) sẽ tăng theo sự gia tăng lỗ rỗng bề mặt Kết quả nghiên cứu Dhinakaran
và các cộng sự khẳng định giá trị tối ưu về tỉ lệ lỗ rỗng xét trên quan điểm sóng phản xạ
và sóng truyền là 11% Với tỷ lệ 17% sóng truyền lớn và không khuyến khích
Hình 1.13: Kết cấu lỗ rỗng trong các nghiên cứu của Dhinakaran, 2011 [26] Xét về ảnh hưởng của độ sâu nước trước công trình, Dhinakaran và các cộng sự khuyến cáo đối với mô hình thực tế nên chọn chiều cao mô hình bằng 1.25 lần chiều sâu nước, chiều cao lớp đá đổ nên bằng 0.29 lần chiều cao mô hình
Hiện nay, với kết cấu dạng thùng chìm ngày càng được sử dụng nhiều ở trên cả thế giới
và Việt Nam, đã có gần chục công trình được xây dựng bằng thùng chìm bê tông cốt thép thông thường, như: tôn tạo đảo Đá Tây thuộc quần đảo Trường Sa, đê chắn sóng cảng trên đảo Bạch Long Vĩ (Hải Phòng), cảng Cái Lân (Quảng Ninh), đê chắn sóng cảng Tiên sa (Đà Nẵng), nhưng chưa có công trình nào sử dụng thùng chìm có có buông tiêu sóng (BTS) Với kinh nghiệm và thiết bị sẵn có của các đơn vị, việc thi công với loại kết cấu này ở nước ta là hoàn toàn khả thi Tuy nhiên, để có thể sử dụng thùng chìm
có BTS trong xây đựng công trình biển, cần có những nghiên cứu cụ thể về bố trí, kết cấu BTS phục vụ cho công tác thiết kế
Trang 3622
Hình 1.14: Hiệu quả giảm sóng phản xạ các kiểu lỗ rỗng, Nguyễn Trung Anh [28]
Nguyễn Trung Anh (2007) [28] đã tiến hành thí nghiệm và nghiên cứu kết cấu thùng
chìm có buồng tiêu sóng và lỗ rỗng bề mặt Đánh giá khả năng giảm sóng phản xạ với
3 kiểu lỗ (khe ngang, khe dọc, lỗ tròn) và 3 tỷ lệ rỗng 15%, 20%, 30% Kết cấu có buồng tiêu sóng (BTS) hiệu quả tiêu sóng tốt nhất nếu B/L được xác định trong khoảng 0.1÷0.27 thích hợp cho cả 3 kiểu lỗ Trị số B/L=0,1 là trị số khuyến cáo khi thiết kế bề rộng BTS Tỷ lệ mở lỗ 20% và 30% tốt hơn 15%, nhưng để lựa chọn tỷ lệ nào thiết kế thì chưa có khuyến cáo Về hình thức kiểu lỗ thì lỗ tròn tốt hơn khe ngang và khe dọc
Lê Thanh Chương và các cộng sự (2017-2020) [29] [30] [31] [32] nghiên cứu trong
máng sóng thí nghiệm mô hình vật lý Dựa vào các phân tích về sự thay đổi các hệ số giảm sóng, hệ số phản xạ và hệ số tiêu tán năng lượng sóng thì biểu đồ biến đổi năng lượng sóng khi tương tác với kết cấu giảm sóng được xây dựng Với kết cấu giảm gọn
tứ giác khi sóng tới tương tác với công trình thì phần trăm năng lượng sóng truyền qua
từ 24.5÷53.6%, phần trăm năng lượng sóng phản xạ khoảng 4.5÷5.8%, phần trăm năng
Trang 3723
lượng sóng bị tiêu tán khoảng 41.9÷70.5% Với kết cấu giảm sóng bán nguyệt khi sóng tới tương tác với công trình thì phần trăm năng lượng sóng truyền qua từ 0÷16.2%, phần trăm năng lượng sóng phản xạ khoảng 10.7÷14.3%, phần trăm năng lượng sóng bị tiêu tán khoảng 70.9÷89.3%
Hình 1.15: Cấu kiện có bố trí lỗ tiêu sóng hình lăng thể tứ giác (TG1) và bán nguyệt
(BN2) bằng bê tông cốt thép đúc sẵn của Viện KHTL miền Nam
Hình 1.16: Biểu đồ năng lượng sóng qua kết cấu, Lê Thanh Chương [30]
Thiều Quang Tuấn và cộng sự [33] [34] đã kế thừa và tiến hành thí nghiệm với kết cấu
lăng thể tam giác (Hình 1.15) Kết quả thí nghiệm và phân tích xây dựng công thức thực nghiệm xác định sóng truyền qua kết cấu với độ tin cậy 85% Quá trình truyền sóng qua
đê giảm sóng kết cấu rỗng bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố quan trọng là chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0 và chỉ số sóng vỡ trên mái công trình Iribarren ξ0 Kết quả của quá trình phân tích cho thấy chu kỳ phổ Tm-1,0 nên được sử dụng để thay thế cho chu kỳ đỉnh Tp nhằm thể hiện rõ tầm ảnh hưởng của sóng dài trong khu vực nước nông Công thức thực nghiệm áp dụng cho đê giảm sóng kết cấu rỗng trên bãi nông của rừng ngập
Trang 3824
mặn đã được xây dựng với độ tin cậy cao dựa trên các so sánh với các công thức hiện
có được đưa ra để tăng độ tin cậy cho kết quả thực nghiệm như d’Angremond etal (1996) [35], Van der Meer and Daemen (1994) [36], Van der Meer và nnk (2005) [37] kết quả của nghiên cứu này khá phù hợp với các kết quả ngiên cứu trước đây
Nhóm tác giả đưa ra khuyến cáo tham số trong quá trình thiết kế, nghiên cứu kết cấu rỗng cần lưu ý:
- Tham số độ cao lưu không tương đối Rc/Hm0
- Cần có giải pháp bảo vệ chân
Hình 1.17: Kết cấu hình thang không có cọc (trái), có cọc (phải) [34]
Thiều Quang Tuấn và các cộng sự với các kết quả nghiên cứu từ năm 2018 đến 2019 [38] [39] cho cấu kiện dạng phức hợp (Hình 1.17) trong máng sóng, với điều kiện thủy hải văn khu vực đồng bằng sông Cửu Long, nhóm tác giả đã xây dựng được phương pháp và công thức bán thực nghiệm xác định sóng truyền qua kết cấu hình thang rỗng không có cọc và có cọc ở trên
Theo số liệu đo đạc thực nghiệm đã thực hiện những đánh giá và phân tích độc lập về mức độ ảnh hưởng của các tham số chi phối đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng làm suy giảm chiều cao sóng để từ đó xây dựng phương pháp tính toán truyền sóng qua đê trong trường hợp tổng quát
Truyền sóng qua thân đê rỗng không cọc chịu sự chi phối chủ yếu của ba tham số chính
đó là: ảnh hưởng của độ sâu ngập nước tương đối của đỉnh đê Rc/Hm0, ảnh hưởng của bề rộng tương đối của đỉnh đê B/Hm0 và ảnh hưởng của tương tác sóng với mái đê thông qua giá trị độ dốc sóng tại vị trí công trình sm
Trang 39Nguyễn Viết Thanh (2014) [40], giới thiệu chi tiết ba phương pháp tính toán áp lực
sóng tác dụng lên kết cấu rỗng dạng nửa hình tròn, tác giả gọi là “đê bán nguyệt” Trên
cơ sở tính toán, phân tích đã khuyến nghị sử dụng phương pháp của Yuan Dekui và Tao Jianhua [41] để tính toán áp lực sóng lên đê bán nguyệt có đặc trưng Hình 1.18 Phương pháp Tanimoto và Takahashi [42] và phương pháp của Xie Shileng [43] được tác giả khuyến cáo áp dụng đê bán nguyệt Hình 1.18 Mặt khác, tác giả khuyến cáo để áp dụng thiết kế cần có thí nghiệm mô hình vật lý để có cơ sở tin cậy
Hình 1.18: Sơ đồ lực Yuan Dekui và Tao Jianhua và mặt cắt đặc trưng tính toán [41]
Trần Văn Thái và cộng sự (2018) [44], đã xây dựng phương pháp tính ổn định kết cấu
rỗng dạng nửa đường tròn với tên gọi của nhóm tác giả “Đê trụ rỗng” trên nền đất yếu Phương pháp được đề xuất là xác định lực sóng theo phương pháp Tanimoto và Takahashi [42] Sử dụng nguyên lý ổn định nền móng trên nền đất sét mềm Kết quả, để tính toán ổn định đê trụ rỗng theo lý thuyết trên cần thử dần chiều cao đá đổ trong lòng
đê để tăng tải trọng bản thân kết cấu Kết quả nghiên cứu này đã được nhóm nghiên cứu đưa vào tiêu chuẩn cơ sở “Công trình thủy lợi – Đê trụ rỗng – Yêu cầu thiết kế, thi công
và nghiệm thu” của Viện Thủy công năm 2018
1.2.2.2 Nghiên cứu về kết cấu rỗng trong công trình đê, tường biển
Sóng tràn qua kết cấu công trình biển dạng tường đứng hoặc thùng chìm có mặt tiếp sóng đục lỗ phụ thuộc vào nhiều tham số công trình bao gồm: độ rỗng của tường, bề rộng và chiều cao của buồng hấp thụ, và việc bố trí các lỗ thoát khí Các ảnh hưởng khác
Trang 4026
sẽ phát sinh do các điều kiện khác như ma sát, rối, cộng hưởng và điều kiện sóng tới, đặc biệt là chiều dài sóng cục bộ và góc sóng tới Có thể tiến hành các thí nghiệm đặc trưng khác nhau trên mô hình vật lý cho mỗi trường hợp như trên
Một số nhận định về quy mô của các ảnh hưởng có thể thu được từ một trong số ít các nghiên cứu (xem Franco và Franco, 1999 [45]) cho đê chắn sóng dạng thùng chìm trong điều kiện sóng phi xung kích Các nghiên cứu đã được tiến hành đối với các dạng kết cấu mặt lỗ hình tròn hoặc hình chữ nhật với độ rỗng 20% Ảnh hưởng của việc thoát khí cũng đã được nghiên cứu
Hình 1.19: Tường biển mặt lỗ Caen,
đã đưa ra một số hướng dẫn cho ảnh hưởng của các kết cấu mặt lỗ đến sóng tràn
Năm 2016, nghiên cứu sinh và nhóm nghiên cứu [46] đã đề xuất mặt cắt cắt đê biển có kết cấu KCR dạng ¼ đường tròn Kết quả thí nghiệm 7 phương án trong máng sóng với điều kiện tại Đình Vũ – Hải Phòng (Hình 1.21) Với kết quả thí nghiệm trong máng sóng
sử dụng phương pháp tính lực lên mặt cong của Tanimoto và Takahashi [42] so sánh đối chứng, kết quả phương pháp tính tương đồng với thực đo và áp lực lên mặt cong được giảm hơn so với tường đứng trong các trường hợp sóng vỡ lên tới 45% Tuy nhiên,