Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ

Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG

KHU VỰC BẮC BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG

i

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 (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Phương Thảo

ii

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin trân trọng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Thiều Quang Tuấn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên trong suốt thời gian thực hiện Luận án Tác giả xin được trân trọng cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp, Phòng Đào tạo, Khoa, Bộ môn về những hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt nhất cho tác giả trong quá trình nghiên cứu

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình về sự giúp đỡ quý giá và luôn đồng hành cùng tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành Luận án của mình

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Nội dung nghiên cứu 4

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6

7 Cấu trúc luận án 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN 8

1.1 Giới thiệu chung 8

1.1.1 Dòng phản hồi và các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ 8

1.1.2 Xói chân đê biển 11

1.2 Tổng quan nghiên cứu về dòng phản hồi 12

1.3 Tổng quan mô hình vận chuyển bùn cát và xói lở ngang bờ 17

1.3.1 Tổng quan mô hình sóng 18

1.3.2 Mô hình vận chuyển bùn cát và hình thái 21

1.4 Tổng quan nghiên cứu về sóng phản xạ 25

1.5 Tổng quan các nghiên cứu về dòng phản hồi và xói chân đê biển trong bão ở Việt Nam 28

1.6 Kết luận chương 1 30

1.6.1 Những vấn đề còn tồn tại 30

1.6.2 Định hướng nghiên cứu của luận án 31

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ HÌNH HOÁ DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN 33

2.1 Giới thiệu chung 33

2.2 Ảnh hưởng của phản xạ sóng do công trình đến dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát 33

iv

2.2.1 Cơ sở xác định hệ số phản xạ và biến đổi chiều cao sóng trước chân công trình 34

2.2.2 Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi 37

2.2.3 Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến nồng độ bùn cát 40

2.3 Xây dựng mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu dòng phản hồi và xói chân đê biển 42 2.3.1 Mục tiêu và điều kiện thực hiện thí nghiệm 42

2.3.2 Lựa chọn tiêu chuẩn tương tự và tỉ lệ mô hình 43

2.3.3 Thiết kế thí nghiệm và bố trí thiết bị đo đạc 46

2.3.4 Kịch bản thí nghiệm 49

2.3.5 Thực hiện mô hình 51

2.4 Phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng dòng phản hồi và xói bồi chân đê biển 56 2.4.1 Giới thiệu chung 56

2.4.2 Những vấn đề cập nhật trong mô hình Wadibe-TC 56

2.5 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG 58

3.1 Giới thiệu chung 58

3.2 Phân tích các kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý 58

3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc dòng phản hồi 58

3.2.2 Phân tích đánh giá ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi 63

3.2.3 Phân tích kết quả quan trắc xói chân đê trên mô hình lòng động 66

3.2.4 Nhận xét kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng 72

3.3 Kết quả phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng cấu trúc dòng phản hồi và xói bồi chân đê biển 74

3.3.1 Phát triển cập nhật mô hình toán Wadibe-TC 74

3.3.2 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định module sóng 74

3.3.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định module dòng chảy 78

3.3.4 Kết quả kiểm định module vận chuyển bùn cát và xói chân đê biển 91

3.4 Kết luận chương 3 98

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH 100

v

4.1 Giới thiệu chung 100

4.2 Tổng quan khu vực ven biển Nam Định 100

4.2.1 Điều kiện biên tự nhiên khu vực Nam Định 100

4.2.2 Đặc điểm hệ thống đê biển Nam Định 101

4.3 Kiểm định mô hình toán cho vùng ven biển Nam Định 104

4.4 Mô phỏng một số kịch bản xói chân đê biển Nam Định 105

4.4.1 Xây dựng kịch bản 106

4.4.2 Kết quả mô phỏng xói chân đê 107

4.5 Một số đề xuất giảm xói chân đê trong bão 112

4.6 Kết luận chương 4 113

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114

1 Những kết quả đạt được 114

2 Những đóng góp mới của luận án 115

3 Tồn tại và hướng phát triển 116

4 Kiến nghị 116

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

PHỤ LỤC 1

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH

Hình 1 Sự cố của đoạn đê Nam Định và Đồ Sơn do bão Doksuri 9.2017 (nguồn: tác giả,

NamDinh TV) 2

Hình 2 Xói lở trước chân đê và sạt lở mái đê, mái và chân gốc kè mỏ hàn sau trận bão Damrey 7/2005 tại Nam Định [3] [4] 3

Hình 3 Cấu trúc của Luận án 7

Hình 1-1 Ảnh hưởng của đê tường đứng đến bãi [5] 8

Hình 1-2 Sơ họa phân bố dòng chảy và nồng độ bùn cát vùng sóng vỡ [18] 11

Hình 1-3 Phân bố hệ số xáo trộn bùn cát [1] 23

Hình 1-4 Bảo toàn thể tích bùn cát [77] 24

Hình 1-5 Nội dung nghiên cứu luận án 32

Hình 2-1Mật độ phương sai của sóng, dòng chảy và hiệp phương sai của sóng và dòng chảy 36

Hình 2-2 Phân bố ứng suất tiếp theo độ sâu [108] 38

Hình 2-3 Phân bố ứng suất trung bình và vận tốc [108] 38

Hình 2-4 Các thành phần trong cấu trúc dòng chảy [19] 39

Hình 2-5 Nguyên lý tính toán vận chuyển bùn cát lơ lửng [1] 40

Hình 2-6 Hệ số xáo trộn [19] 41

Hình 2-7 Mô hình thí nghiệm lòng cứng 47

Hình 2-8 Mô hình lòng động với mái đê m=4 và độ dốc bãi 1/100 49

Hình 2-9 Thực hiện thí nghiệm mô hình kết cấu đê cao không tràn 52

Hình 2-10 Thực hiện mô hình kết cấu đê thấp không thường đỉnh 52

Hình 2-11 Thực hiện thí nghiệm mô hình kết cấu đê thấp có tường đỉnh 52

Hình 2-12 Hiển thị kết quả đo sóng và vận tốc dòng chảy tại một điểm 53

Hình 2-13 Mô hình thực hiện trong máng sóng với các kịch bản kết cấu đê, độ đôc bãi 1/100 54

Hình 2-14 Mô hình thực hiện trong máng sóng với các kịch bản kết cấu đê, độ dốc bãi 1/40 55

Hình 2-15 Địa hình trước và sau khi chạy sóng – độ dốc bãi 1/100 55

Hình 2-16 Địa hình trước và sau khi chạy sóng – độ dốc bãi 1/40 55 Hình 3-1 Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D65H15T19 59 Hình 3-2 Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D65H17T16 59 Hình 3-3 Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D70H15T19 59

vii

Hình 3-4 Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D70H19T165

60

Hình 3-5 Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D65H15T19 61

Hình 3-6 Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D65H17T16 62

Hình 3-7 Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D70H15T19 62

Hình 3-8 Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D70H19T165 62

Hình 3-9 Phân bố hệ số phản xạ Kr theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình 63

Hình 3-10 Tỷ số giữa chiều cao sóng tổng và chiều cao sóng tới Hm0,x/Hm0i,x thay đổi theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình 63

Hình 3-11 Phân bố hệ số phản xạ Kr cục bộ theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình 64

Hình 3-12 Kết quả phân tích hồi quy hàm phân bố Fx (x/L) 65

Hình 3-13 So sánh giữa kết quả tính toán và đo đạc hệ số phản xạ sóng Kr,x 66

Hình 3-14 So sánh độ sâu lớn nhất tương đối giữa đê thấp có và không có tường đỉnh 69

Hình 3-15 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ đến độ sâu hố xói lớn nhất tương đối 70

Hình 3-16 Ảnh hưởng của lưu lượng sóng tràn đến độ sâu hố xói 70

Hình 3-17 Ảnh hưởng của độ sâu nước tương đối đến độ sâu hố xói 71

Hình 3-18 Tương quan chỉ số sóng vỡ với độ sâu hố xói lớn nhất 72

Hình 3-19 Dữ liệu đầu vào module thuỷ lực của mô hình Wadibe-TC 74

Hình 3-20 Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê cao không tràn 76

Hình 3-21 Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê thấp không tường đỉnh 76

Hình 3-22 Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê thấp có tường đỉnh 77

Hình 3-23 Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê cao không tràn 80

Hình 3-24 Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê thấp không tường đỉnh 81

Hình 3-25 Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê thấp có tường đỉnh 81

Hình 3-26 Kết quả mô phỏng kịch bản 1- D65H15T19_CW0 83

Hình 3-27 Kết quả mô phỏng kịch bản 2 - D65H17T16_CW0 84

viii

Hình 3-28 Kết quả mô phỏng kịch bản 3- D70H15T19_CW0 84

Hình 3-29 Kết quả mô phỏng kịch bản 4 – D70H19T165_CW0 85

Hình 3-30 Kết quả mô phỏng kịch bản 5- D65H15T19_TW0 86

Hình 3-31 Kết quả mô phỏng kịch bản 6- D65H17T16_TW0 86

Hình 3-32 Kết quả mô phỏng kịch bản 7- D70H15T19_TW0 87

Hình 3-33 Kết quả mô phỏng kịch bản 8- D70H19T165_TW0 87

Hình 3-34 Kết quả mô phỏng kịch bản 9- D65H15T19_TW10 88

Hình 3-35 Kết quả mô phỏng kịch bản 10 - D65H17T16_TW10 89

Hình 3-36 Kết quả mô phỏng kịch bản 11- D70H15T19_TW10 89

Hình 3-37 Kết quả mô phỏng kịch bản 12 – D70H19T165_TW10 90

Hình 3-38 Mô hình hóa các kịch bản 92

Hình 3-39 Kết quả mô phỏng xói chân đê cao không tràn 93

Hình 3-40 Kết quả mô phỏng xói chân đê thấp không tường đỉnh 94

Hình 3-41 Kết quả mô phỏng xói chân đê thấp có tường đỉnh 95

Hình 3-42 Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ - Đê cao 96

Hình 3-43 Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ-Đê thấp không tường đỉnh 97

Hình 3-44 Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ-Đê thấp có tường đỉnh 98

Hình 4-1 Thống kê bão đến khu vực nghiên cứu [118] 100

Hình 4-2 Thống kê chiều cao sóng Wavewatch III 101

Hình 4-3 Kết cấu đê biển điển hình ở khu vực Nam Định [89] 103

Hình 4-4 Thiết lập mô hình xói chân đê Thịnh Long 105

Hình 4-5 Kết quả kiểm định xói chân đê biển Thịnh Long – bão Damrey 9/2005 105

Hình 4-6 Ảnh hưởng của chiều cao sóng đến kích thước hố xói chân đê 108

Hình 4-7 Ảnh hưởng của độ sâu nước đến kích thước hố xói chân đê 108

Hình 4-8 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng đến kích thước hố xói chân đê 108

Hình 4-9 So sánh chiều sâu hố xói lớn nhất ứng với sự thay đổi của Kr0 109

Hình 4-10 Kết quả mô phỏng hố xói chân đê với giải pháp thảm đá rộng 3-6m 111

Hình 4-11 Kết quả mô phỏng hố xói chân đê với giải pháp kè mỏ hàn dài 35-70m 112

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Tỉ lệ của một số đại lượng vật lý cơ bản theo tiêu chuẩn Froude [102] 44

Bảng 2-2 Các kịch bản của mô hình lòng cứng 50

Bảng 2-3 Kịch bản thí nghiệm với mô hình lòng động 50

Bảng 3-1 Số liệu biên sóng và mực nước 75

Bảng 3-2 Các tham số được hiệu chỉnh 75

Bảng 3-3 Các kịch bản mô phỏng 92

Bảng 4-1 Thống kê hiện trạng đê biển Nam Định [119] 102

Bảng 4-2 Thống kê chiều cao sóng theo chu kỳ sóng từ số liệu Wavewatch III 106

Bảng 4-3 Điều kiện thuỷ lực ảnh hưởng chiều sâu hố xói lớn nhất 108

Bảng 4-4 Ảnh hưởng của kết cấu đê biển đến chiều sâu hố xói lớn nhất 110

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

1 Danh mục các từ viết tắt

N L tỉ lệ dài

SWL Still water level – mực nước tĩnh

CG Current gauge – Vị trí đo dòng chảy

WG Wave gauge – Vị trí đo sóng

DxHyTz tên kịch bản ứng với độ sâu nước D là x (cm), chiều cao sóng H là y(cm)và

chu kỳ đỉnh phổ T là z(10-1s)

CW0 - Đê cao, chiều cao tường đỉnh =0cm

TW0 - Đê thấp, chiều cao tường đỉnh = 0

TW10 - Đê thấp, chiều cao tường đỉnh =10cm

Wadibe -TC (Wave, dike and beach – Time dependent Cross-shore) – Mô hình sóng,

đê và bãi – ngang bờ theo thời gian

2 Giải thích các thuật ngữ

Dòng phản hồi (undertow) là dòng chảy vuông góc với bờ hướng ra phía biển ở dưới

chân sóng

Độ sâu nước tương đối là tỷ số giữa độ sâu nước cục bộ với chiều dài sóng (d/L)

Mô hình lòng cứng – fixed bed model là mô hình vật lý thực hiện mô phỏng chuyển

động của chất lỏng mà không làm thay đổi địa hình lòng dẫn, thường dùng để nghiên cứu sóng, dòng chảy

Mô hình lòng động – mobile bed model là mô hình vật lý thường dùng để nghiên cứu

vận chuyển bùn cát và sự thay đổi địa hình lòng dẫn

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Vùng ven biển Việt Nam thường xuyên chịu tác động của thiên tai như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, triều cường, nước biển dâng… đặc biệt trong những năm gần đây xu hướng các hiện tượng cực đoan này xảy ra ngày càng gia tăng cả về tần suất và cường

độ làm ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế, xã hội, cuộc sống của những người dân ven biển Do đó hệ thống đê biển luôn được chú trọng xây dựng, duy tu, kiên cố và nâng cấp hàng năm nhằm bảo vệ vùng đất sau đê khỏi bị ngập lụt dưới tác động từ phía biển Đây

là giải pháp công trình biển khá phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đã và đang thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu để hệ thống đê kè biển làm việc ổn định lâu dài, hiệu quả, nhất là trong điều kiện cực trị nhằm hạn chế những tác động bất lợi dẫn đến các cơ chế hư hỏng đê Một trong các cơ chế hư hỏng đó là xói lở bãi trước và xói chân

đê cần được đặc biệt nghiên cứu của khoa học biển hiện nay

Khi bão lớn đổ bộ vào vùng ven bờ, do gió mạnh và chênh lệch áp suất trong bão làm mực nước dâng cao, sóng lớn tiến vào gần đê hơn, đào bới bùn cát và đồng thời tạo ra trường dòng chảy có tốc độ lớn vận chuyển bùn cát đi, gây xói lở bờ biển Trường dòng chảy ven bờ và các quá trình năng lượng trong đới sóng vỡ có ảnh hưởng quyết định đến các hiện tượng như suy giảm chiều cao sóng, vận chuyển bùn cát và khuếch tán các vật chất xảy ra do sóng vỡ Khi sóng vỡ, chuyển động sóng biến thành chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau Dưới ảnh hưởng của chuyển động rối do sóng vỡ tạo nên, chuyển động của chất lỏng trong vùng sóng vỡ vô cùng phức tạp, biến đổi mạnh theo cả không gian và thời gian Trong đó, có sự xuất hiện của dòng chảy vuông góc với bờ hướng ra phía biển ở dưới chân sóng, được gọi là dòng phản hồi Dựa trên những nghiên cứu định lượng về trường dòng chảy ngang bờ có thể giải thích định lượng được hướng vận chuyển bùn cát, nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các cồn ngầm ở bãi trước và xói chân công trình đê biển

Theo các tài liệu nghiên cứu, điều tra khảo sát thực địa cho thấy hầu hết các trường hợp

sự cố ven bờ biển như: xói chân đê, sạt lở, hỏng mái, vỡ đê kè biển thường xảy ra trong thời kỳ bão hoạt động Xói lở xảy ra do ảnh hưởng của bão được xem là xói ngắn hạn

2

và là nhiễu động tạm thời trong quá trình biến đổi mặt cắt ngang bờ dài hạn, bởi điều kiện thuỷ động lực trung bình có xu thế phân bố lại dạng mặt cắt sau bão [1] Tuy nhiên khối lượng xói lở ngắn hạn trong bão có thể dẫn đến vấn đề trầm trọng đặc biệt là xói chân đê gây hư hỏng, mất an toàn của công trình đê biển như vỡ đê và có thể gây rủi ro ngập lụt [2] Hình 1 và Hình 2 là ví dụ điển hình về hư hỏng mái đê và xói chân đê biển

ở Nam Định, Hải Phòng do ảnh hưởng của sóng lớn trong bão Doksuri 9-2017 và bão Damrey 7-2005 Từ Hình 1a,b có thể thấy ngoài sóng tràn gây xói lở mái trong của đê còn thấy rõ được sự tương tác giữa sóng và tường đỉnh tạo ra sóng bắn lên cao Dưới tác dụng của gió bão làm cho sóng bắn hướng về phía mái trong đê tạo ra lượng gia tăng của sóng tràn qua đê Ảnh hưởng của sóng bão làm mất ổn định tường đỉnh và bị vỡ như Hình 1c

3

Ngoài những con sóng lớn tràn qua đê còn có những con sóng bị vỡ, trút năng lượng sóng ngay sát chân đê hay trên mái ngoài công trình đê, kè gây mất ổn định cấu kiện bảo vệ mái ngoài (Hình 1d,e, Hình 2b,c), sự hình thành dòng chảy mạnh do sóng có thể mang những vật liệu trên mái kè đi nơi khác làm hư hỏng sạt lở mái kè như Hình 1b, có rất nhiều cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ mái đê bị sóng vận chuyển lên mặt đê Hoạt động của sóng bão lớn tạo ra sóng vỡ ở bãi trước và ngay sát chân đê, kè gây ra các chuyển động rối làm khuấy động bùn cát lơ lửng, thậm chí các vật liệu chèn bảo vệ ống buy ở chân kè biển cũng bị trôi đi như Hình 1d,e,f Trên Hình 2a là kết quả đo đạc thực

tế mặt cắt ngang trước và sau bão Damrey 2005 tại Nam Định của Viện cơ học và hình ảnh bãi trước chân đê bị hạ thấp, độ sâu xói chân đê sau cơn bão lên tới 1m, gây nên mất

ổn định cho toàn bộ công trình

Hình 2 Xói lở trước chân đê và sạt lở mái đê, mái và chân gốc kè mỏ hàn sau trận bão

Damrey 7/2005 tại Nam Định [3] [4]

Từ những phân tích trên cho thấy ảnh hưởng của sóng bão đến sự an toàn của đê biển là rất nghiêm trọng bởi trong bão, mực nước dâng cao, sóng tới lớn, vận chuyển bùn cát nhiều và đặc biệt xảy ra vào thời kỳ triều cường là các yếu tố động lực quan trọng gây

uy hiếp sự an toàn của đê biển đặc biệt là vấn đề xói chân đê biển Tùy thuộc vào sự

4

tương tác giữa tải trọng của các yếu tố thủy động lực học với địa hình và kết cấu công trình đê biển mà năng lượng sóng bão và dòng chảy tác động gây ra mức độ xói bãi trước và chân đê cũng như mức độ hư hỏng của đê khác nhau Rất nhiều nghiên cứu và thực tế đã chỉ ra rằng mỗi loại kết cấu công trình có ảnh hưởng nhất định đến kích thước

hố xói chẳng hạn như tường đứng cho độ sâu hố xói lớn hơn so với kè mái nghiêng mà một trong những nguyên nhân gây ra sự khác nhau của kích thước hố xói đó là bởi phản

xạ sóng từ các dạng kết cấu mái khác nhau Kết cấu đê biển mái nghiêng điển hình ở vùng ven biển Bắc Bộ ảnh hưởng như thế nào đến xói chân đê biển thông qua sóng phản

xạ cho đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ và đây là vấn đề nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn giúp cho các nhà thiết kế, quản lý có thể tính toán dự báo được các tác động và đưa ra những giải pháp hỗ trợ phù hợp cho sự an toàn của đê biển Do đó, đề

tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ” được lựa chọn để nghiên cứu trong Luận án này

2 Mục tiêu nghiên cứu

+ Đánh giá được ảnh hưởng của sóng phản xạ từ mái đê biển đến dòng phản hồi và xói chân đê biển;

+ Mô phỏng xói chân đê biển do dòng phản hồi với ảnh hưởng của sóng phản xạ từ mái

đê và ứng dụng tính xói chân đê biển tại Nam Định

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Dòng phản hồi và xói chân công trình đê biển mái nghiêng dưới tác động của sự tương tác giữa sóng bão với mái đê thông qua sóng phản xạ

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Xói chân đê do cơ chế dòng phản hồi cho hệ thống đê biển mái nghiêng vùng ven biển Bắc Bộ

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung chính của Luận án bao gồm các phần như sau:

5

 Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu mái công trình đê biển đến phân bố sóng phản xạ

và đặc trưng cấu trúc của dòng phản hồi theo mặt cắt ngang trong bão bằng việc thiết lập mô hình vật lý lòng cứng trong máng sóng;

 Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu mái công trình đê biển đến xói chân đê biển bằng

mô hình vật lý lòng động;

 Phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng dòng phản hồi và xói chân đê có xét đến ảnh hưởng của kết cấu mái công trình đê biển và kiểm định bằng số liệu thí nghiệm ứng với các điều kiện nghiên cứu trong máng sóng và ứng dụng nghiên cứu đối với vùng biển Nam Định

Với nội dung nghiên cứu trên, Luận án trả lời 4 câu hỏi:

1) Hệ số phản xạ sóng thay đổi như thế nào trên mặt cắt ngang bãi ứng với các cấu trúc

đê biển mái nghiêng?

2) Sóng phản xạ ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc của dòng phản hồi và vận tốc dòng chảy trung bình?

3) Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến vận chuyển bùn cát và xói lở chân đê diễn ra như thế nào?

4) Ứng dụng các nội dung nghiên cứu cho khu vực cụ thể ở Nam Định cho kết quả như thế nào?

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.1 Cách tiếp cận

Cách tiếp cận được áp dụng trong Luận án: Quan sát hiện trạng thực tế vấn đề xói chân

đê dọc ven biển Bắc Bộ, tiến hành tổng hợp, phân tích và kế thừa những công trình nghiên cứu đã thực hiện trên thế giới và trong nước Từ đó đưa ra những khía cạnh khoa học chưa được nghiên cứu kỹ và ứng dụng nghiên cứu trong điều kiện thực tế của Việt Nam Sau đó áp dụng các phương pháp có thể để tìm hiểu sâu hơn, giải thích rõ hơn và tính toán mô phỏng định lượng đối tượng nghiên cứu

5.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng ứng với các điều kiện khác nhau để mô phỏng cấu trúc dòng phản hồi và quá trình vận chuyển bùn cát khu vực chân kè biển ứng với các kịch bản khác nhau

- Phương pháp mô hình toán: Phát triển có kế thừa mô hình toán học Wadibe-TC mô phỏng dòng phản hồi và diễn biến xói chân kè trong bão trong điều kiện nghiên cứu, kết hợp với kết quả mô hình vật lý để kiểm nghiệm

- Phương pháp chuyên gia: Thực hiện công tác xin ý kiến đóng góp của các chuyên gia trong lĩnh vực biển về hướng nghiên cứu, phương pháp thực hiện và kết quả nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Mặc dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề dòng chảy và xói lở ngang bờ, nhưng diễn biến cơ chế của hiện tượng này rất phức tạp và rất khó để dự tính, dự báo chính xác được với những điều kiện biên luôn biến động và hiếm số liệu đo đạc thực tế Chính vì vậy đây là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng dụng vào thực tế cao

6.1 Ý nghĩa khoa học

- Đóng góp về mặt khoa học đối với các nghiên cứu ảnh hưởng của công trình đê biển mái nghiêng đến phân bố sóng phản xạ và dòng phản hồi trên mặt cắt ngang trong điều kiện bão;

- Đóng góp về mặt khoa học đối với nghiên cứu diễn biến xói lở chân kè dưới ảnh hưởng của kết cấu công trình đê biển mái nghiên điển hình ở Việt Nam thông qua việc tính toán ảnh hưởng của sóng phản xạ;

- Đóng góp về mặt khoa học đối với công cụ mô hình toán nhằm dự tính, phân tích thủy động lực học và xói chân đê, kè biển do sóng bão tốt hơn

Ngoài phần mở đầu giới thiệu tổng quát về Luận án và phần kết luận, kiến nghị, Luận

án được trình bày trong 4 chương Chương 1 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu

về dòng phản hồi và xói chân đê biển từ đó đề xuất ra hướng nghiên cứu cho Luận án

Cơ sở khoa học và thiết lập mô hình vật lý cũng như mô hình toán nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát, biến đổi địa hình ngang bờ được thể hiện trong chương 2 Những kết quả nghiên cứu của Luận án về sóng phản xạ, dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng được nêu trong chương 3 Chương 4 là phần ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán mô phỏng cho trường hợp cụ thể xói chân đê biển Nam Định

Hình 3 Cấu trúc của Luận án

Phần mở đầu

C1 Tổng quan nghiên cứu dòng phản

hồi do sóng và xói chân đê biển

C2 Cơ sở khoa học mô hình hoá dòng

phản hồi do sóng và xói chân kè

C3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của

sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói

chân đê biển mái nghiêng

C4 Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính

toán xói chân đê biển Nam Định

Mô hình

Đê biển mái

nghiêng

Điều kiện sóng bão

8

SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN

1.1 Giới thiệu chung

Chuyển động của các phần tử nước trong sóng làm khuấy động bùn cát, dịch chuyển theo dòng chảy và lượng vận chuyển bùn cát tăng lên do sự có mặt của sóng Chương này trình bày tổng quan các nghiên cứu đã thực hiện về sóng, dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát, xói bồi trước chân đê biển Từ đó đưa ra những vấn đề nghiên cứu tiếp theo trong Luận án

1.1.1 Dòng phản hồi và các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ

Có rất nhiều yếu tố chi phối sự hình thành dòng chảy ven bờ nói chung và dòng phản hồi nói riêng cũng như vận chuyển bùn cát gồm thủy triều, sóng, gió, đặc điểm thủy vực, đặc điểm của bão, đặc điểm bùn cát… Trong phần này giới thiệu tổng quát về cơ chế vật lý hình thành dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát ngang bờ dẫn đến xói chân đê biển do sóng

1.1.1.1 Dòng phản hồi

Dòng phản hồi là dòng chảy trung bình hướng ra biển, ở phía dưới mực nước chân sóng trong vùng sóng vỡ [7] Dòng phản hồi được xem như là một trong những lực chính chi phối vận chuyển bùn cát ra xa bờ, hình thành các cồn cát, xói lở bãi biển và xói lở đê kè biển khi có bão Để giải thích cơ chế hình thành dòng này cần xuất phát từ các lực làm dịch chuyển các phần tử nước trong chuyển động sóng như dưới đây

Theo Stive and Wind (1996) và Svendsen (1984), dòng phản hồi được hình thành do sự mất cân bằng theo phương thẳng đứng giữa thông lượng động lượng biến đổi theo độ sâu và gradient áp suất đồng nhất theo độ sâu do sự dâng nước bởi sóng Hay nói cách khác thì dòng phản hồi là dòng chảy hướng ra biển ở phần dưới cột nước khi đền bù cho thông lượng khối lượng hướng vào bờ ở phía trên mực nước chân sóng [8] [9] [10] Trước khi vào vùng sóng vỡ, các phần tử nước chuyển động tiến và lui theo chuyển động quỹ đạo sóng, năng lượng sóng bị tiêu tán ít, nhưng đến độ sâu nước bằng nhỏ hơn hoặc bằng khoảng 1,25 lần chiều cao sóng thì quá trình sóng vỡ diễn ra làm tiêu hao

9

năng lượng sóng rất nhiều, thông lượng năng lượng sóng chuyển thành năng lượng rối

và nhiệt [11] Các loại sóng vỡ gồm vỡ cuộn (spilling), vỡ đổ (plunging) và vỡ dâng (surging) xuất hiện và dịch chuyển tùy thuộc vào đặc trưng quan trọng nhất đó là độ dốc của sóng tới và của bãi biển [12] [13] Một phần năng lượng sóng vỡ sẽ chuyển hóa thành động lượng gia tăng gọi là ứng suất bức xạ của sóng và tạo thành sóng cuộn (sóng cồn) nhiễu loạn có mặt sóng gần như dốc đứng vận chuyển nước vào bờ [14] Lượng nước do sóng cuộn mang vào khu vực ven bờ sẽ làm cho mực nước trung bình ven bờ dâng cao và sinh ra dòng chảy ngang bờ do sự cân bằng về khối lượng

Cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu được phát triển nhằm tính toán định lượng dòng phản hồi do sóng bằng mô hình mô phỏng Tất cả các nghiên cứu đều cho rằng dòng phản hồi được tạo ra do sự chênh lệch cục bộ giữa ứng suất bức xạ biến đổi theo độ sâu gây ra bởi sóng và gradient áp suất đồng nhất theo độ sâu do độ dốc bề mặt nước (Hình 1-1 (A) ) hoặc do sự mất cân bằng lực giữa thông lượng động lượng sóng và nước dềnh

do sóng [15]… Chính sự mất cân bằng lực này đã cung cấp lực tạo ra hoàn lưu theo phương thẳng đứng

Hình 1-1 (A) Sơ họa về phân bố gradient ứng suất bức xạ (Sxx/x) và áp lực (/x), (B) kết

quả phân bố theo phương đứng của dòng chảy ngang bờ [16]

Khi dòng phản hồi ổn định được thiết lập chính là sự cân bằng của ba lực quan trọng gồm ứng suất bức xạ, gradient áp lực do nước dềnh và ứng suất rối được tạo ra bởi sự biến đổi theo phương thẳng đứng của vận tốc dòng phản hồi kết hợp với chuyển động

10

rối xuất hiện do sóng vỡ Các yếu tố chi phối cân bằng động lượng gồm: a) bảo toàn khối lượng cục bộ theo phương thẳng đứng, b) ứng suất tiếp tại vị trí chân sóng, c) ứng suất tiếp tại đáy, d) biến đổi của hệ số nhớt rối (turbulence) theo phương thẳng đứng Trong số những yếu tố này thì bảo toàn khối lượng cục bộ xác định đến độ lớn của dòng phản hồi trong sóng vỡ Thông lượng khối lượng hướng về phía bờ do sóng trong vùng

từ đỉnh sóng đến chân sóng, bao gồm cả sự đóng góp của sóng vỡ cuộn (breaking wave rollers), được bù bởi dòng phản hồi tổng cộng hướng ra xa bờ Ba nhân tố còn lại quyết định đến cấu trúc của dòng phản hồi theo phương thẳng đứng trên mặt cắt

Thông lượng khối lượng tịnh của dòng hướng bờ thường cân bằng với dòng phản hồi hướng ra biển, tuy nhiên trong trường hợp sóng tràn trong bão, cân bằng khối lượng này

bị thay đổi do lượng nước tràn mất trong đất liền Ảnh hưởng này thường được tính gộp với sóng phản xạ trong quá trình tính toán bằng các mô hình

1.1.1.2 Các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ

Vận chuyển bùn cát phụ thuộc rất nhiều yếu tố gồm chuyển động của các phần tử nước dao động dưới điều kiện sóng, lực tạo dòng chảy, đặc điểm thủy vực và bùn cát [1] Quá trình dịch chuyển của các phần tử bùn cát bao gồm 3 giai đoạn: (1) Các hạt bùn cát đáy

bị khuấy động và mang lên khỏi đáy ở trạng thái lơ lửng; (2) Những thành phần hạt này

bị dịch chuyển theo phương ngang theo dòng nước; (3) Các hạt bùn cát bị lắng đọng

xuống Theo Dean (1973), nếu vận tốc lắng chìm cao, hạt sẽ chìm xuống trước khi chân

sóng xuất hiện và sẽ dịch chuyển hướng vào bờ, trong khi nếu vận tốc lắng chìm thấp,

nó vẫn sẽ lơ lửng và bị dịch chuyển ra xa bờ Điều này dẫn đến kết quả là các hạt thô hơn bị lọc về phía bờ Diễn biến của mỗi giai đoạn tùy thuộc vào sự dịch chuyển của nước/ dòng chảy và đặc điểm của hạt cát

Vận chuyển bùn cát được xác định là lượng bùn cát (S) bị dịch chuyển đi theo dòng chảy trên đơn vị diện tích trong đơn vị thời gian, nghĩa là giả định rằng vận tốc chuyển động của hạt bùn cát tương ứng với vận tốc của hạt chất lỏng và công thức tổng quát để tính vận chuyển bùn cát ngang bờ bằng tích của nồng độ bùn cát (c) với vận tốc (u) [17] Như vậy để tính toán vận chuyển bùn cát ngang bờ trong bão cần phải xác định được

phân bố theo phương thẳng đứng của cả nồng độ bùn cát và dòng chảy Hình 1-2 trình

bày sơ họa mô phỏng phân bố vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát trong sóng vỡ Có

11

thể thấy rằng dòng vận chuyển bùn cát đi vào bờ ít hơn dòng vận chuyển bùn cát ra xa

bờ bởi rõ ràng rằng nồng độ bùn cát phân bố theo độ sâu chịu ảnh hưởng của hiện tượng rối loạn và nhiễu động ở mức độ mạnh do hiện tượng sóng vỡ, kích thước hạt cát, tốc

độ lắng chìm Do tác động của yếu tố trọng lực mà nồng độ bùn cát ở phía dưới sẽ cao hơn phía trên mặt nước, dẫn tới vận chuyển bùn cát tịnh sẽ có hướng ra phía ngoài khơi với sự có mặt của dòng phản hồi

Hình 1-2 Sơ họa phân bố dòng chảy và nồng độ bùn cát vùng sóng vỡ [18]

Khi tính toán các quá trình vận chuyển ngang bờ thường được chia thành các lớp khác nhau: trên mặt nước là dòng trôi do sóng tiến vào bờ (surface drift), tiếp xuống dưới đó

là dòng phản hồi và phía đáy là dòng biên sát đáy (streamming) Vận chuyển bùn cát cũng được chia thành vận chuyển bùn cát lơ lửng (suspended load) và vận chuyển bùn cát đáy (bed load) Trong điều kiện bão, ở vùng sóng vỡ gần bờ, vận chuyển bùn cát lơ lửng chiếm ưu thế [19] [1] [20]

1.1.2 Xói chân đê biển

Xói chân đê biển là các hiện tượng chỉ sự hạ thấp cao độ đáy khu vực chân đê dưới tác dụng của các yếu tố thuỷ lực biển Sự thay đổi mặt cắt ngang, các hố xói hay các cồn cát ngầm dọc bờ biển có thể được hình thành và các cồn cát ngầm có thể bị di chuyển

vị trí hoặc bị phá hủy tùy thuộc vào gradient vận chuyển bùn cát ven bờ

Hình dạng mặt cắt ngang trước chân đê biển có thể biến đổi trong một trận bão, một mùa hay một năm và nhiều năm Các yếu tố ảnh hưởng đến hố xói chân đê gồm hiện tượng dâng lên của mực nước biển trong thời kì bão, tác động của sóng lớn trong bão, dòng chảy ven bờ, tác động thường xuyên của thủy triều, đặc biệt triều cường, địa hình

12

phía trước chân đê thoải hay dốc, ngoài ra cần kể đến sự gia tăng xói lở do các sóng phản xạ từ kết cấu công trình đê, sự gia tăng năng lượng sóng do thềm bãi bị hạ thấp, do ảnh hưởng của quá trình vận chuyển bùn cát dọc bờ, do sự gia tăng bão biển (khi liên tiếp xảy ra bão trong thời gian ngắn thì tình hình xói lở trở nên nghiêm trọng, do cơn bão thứ hai và cơn bão kế tiếp xảy ra trên bãi biển chưa kịp phục hồi do xói lở sau trận bão đầu tiên Ví dụ trên mặt cắt (Hình 2) ở bãi biển Nam Định năm 2005 là một ví dụ điển hình, sau ba trận bão liên tiếp, chiều sâu hố xói tại chân đê lên đến khoảng 1m) Dưới tác dụng của các yếu tố trên, bùn cát trước chân đê biển bị tác động làm lỏng ra và dịch chuyển đi theo dòng chảy Kết quả mặt cắt thay đổi như thế nào ở các vị trí khác nhau trên mặt cắt là xói hay bồi tùy theo chênh lệch giữa lượng bùn cát được vận chuyển

đi và đến vị trí đó Trong điều kiện bão, mực nước biển dâng cao, sóng lớn tạo ra nước dềnh do sóng cao, gió mạnh, sóng vỡ gần chân đê hơn dẫn đến dòng phản hồi ra biển lớn hơn làm cho lượng vận chuyển bùn cát ra khỏi chân lớn hơn bùn cát đến (do phía trên mái đê được kiên cố hóa, lượng vận chuyển bùn cát không có trong khi suất chuyển cát lớn, nó sẽ đào bới lấy bùn cát đáy đem đi ra xa bờ) gây xói chân đê Như vậy hố xói hình thành do sự mất cân bằng bùn cát cục bộ tại vị trí chân đê biển khi mái kè ngăn giữ không cho vật liệu thân đê bị sóng/dòng chảy mang đi Khi đến ngoài vùng sóng vỡ, dòng phản hồi nhỏ hơn, bùn cát lắng chìm xuống và tạo ra các cồn cát ngầm Đối với các trận bão lớn, hình dạng mặt cắt thay đổi nhiều hơn, các bãi cát ngầm vùng sóng vỡ

có thể được hình thành cao hơn

1.2 Tổng quan nghiên cứu về dòng phản hồi

Theo nghiên cứu của Svendsen (1984), dòng phản hồi do sóng được phát hiện và mô tả chi tiết từ cách đây hàng trăm năm bởi Johnson (1919) [21] Khi nghiên cứu sự hình thành bãi do sóng trong mô hình thí nghiệm máng sóng Bagnold (1940) đã thực hiện các thí nghiệm quan trắc dòng ngang bờ và xác định dòng phản hồi [22] Nielsen và Sorensen (1970) đưa ra giải thích một cách định tính dựa trên phân tích lý thuyết về hiện tượng dòng phản hồi [23] Đánh giá định lượng về ý tưởng của Nielsen và Sorensen (1970) dẫn đến các mô hình mô phỏng dòng phản hồi dựa trên phân bố theo phương thẳng đứng của ứng suất bức xạ được thực hiện bởi Svendsen (1984) [8] [24]

13

Trong điều kiện cực trị, để có được bộ số liệu đo đạc hiện trường chi tiết đồng thời với phân bố dòng chảy trên mặt cắt ngang bờ và sóng để nghiên cứu dòng phản hồi là điều rất khó khăn trên toàn thế giới do hạn chế về thiết bị và điều kiện đo đạc Các đo đạc dòng chảy, sóng tương ứng với sự biến đổi địa hình trên mặt cắt ngang trong bão thu thập được trên các bài báo, báo cáo đã xuất bản chỉ có từ một số dự án nghiên cứu lớn của các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Úc, Canada, Nhật… [25] [16] [26] [27] [28] [29] [30] [31] Chính vì vậy khi nghiên cứu dòng phản hồi theo các khía cạnh khác nhau nhằm dự tính cấu trúc của dòng phản hồi theo mô hình toán, các chuyên gia thường sử dụng số liệu trong phòng thí nghiệm để phân tích tìm ra quy luật, đồng thời sử dụng số liệu đo đạc trong mô hình vật lý đó để kiểm định mô hình [32] [33] [15] [35] [37] [38] [39] [40] [10] [41] [43]… Các thí nghiệm mô hình vật lý trong các nghiên cứu đã thực hiện chỉ giới hạn trong một số kịch bản nhất định về biên địa hình và biên thủy lực

Mô hình hóa được nghiên cứu phát triển, hoàn thiện trong nhiều năm và đã được ứng dụng rộng rãi [15] [44] [45] [46] [39]… Cách tiếp cận chung của mô hình được bắt nguồn từ các phương trình cơ bản mô phỏng dòng nước trong vùng sóng vỡ bao gồm phương trình cân bằng khối lượng (hay phương trình liên tục) và phương trình cân bằng động lượng Sự khác biệt giữa các mô hình hóa dòng phản hồi này là kỹ thuật mô hình hóa để tính toán các khía cạnh của quá trình vật lý khi giải các phương trình như các giả thiết, lựa chọn điều kiện biên, đặc trưng độ nhớt, xử lý lớp biên dưới đáy, loại lý thuyết sóng [10] [47]

Trong phương trình chuyển động cơ bản, thành phần lực chủ đạo ở vùng sóng vỡ là thông lượng động lượng sóng vỡ (ứng suất bức xạ), chính là thành phần sinh ra dòng phản hồi Ma sát đáy là thành phần lực cản dòng chảy Phân bố ngang bờ của dòng phản hồi trở lại biển ở dưới mực nước chân sóng u(z) được xác định dựa trên phân bố của ứng suất tiếp rối theo phương thẳng đứng z theo công thức:

τ(z) = ρt(z)du

Trong đó  là khối lượng riêng của nước; t(z) là hệ số nhớt rối hay hệ số xáo trộn của chất lỏng

14

Giả thiết cơ bản đối với phương trình này là chỉ tính đến độ lệch của phân bố áp lực thủy tĩnh do sóng gây ra Để giải u(z) thì phân bố độ nhớt theo phương thẳng đứng t(z) được giả định và tích phân phương trình trên hai lần theo phương thẳng đứng cùng với các điều kiện biên phù hợp để xác định các hàm tích phân [48] [19]

Svendsen (1984) đã tính toán ứng suất tiếp trong trường hợp t = const (đồng nhất theo

độ sâu) và t biến đổi theo hàm mũ, trong khi Steetzel (1993) và Okayasu (1989) lại áp dụng quan hệ tuyến tính [19] [15], còn De Vriend (1987) chọn giả sử t có dạng phân

bố parabol [51] [52] Theo Steetzel (1993), sau khi tích phân theo phương thẳng đứng,

phương trình tính toán phân bố của dòng phản hồi u(z) trên mặt cắt ngang được viết như

Nam (2013) khi nghiên cứu tính ảnh hưởng của độ lệch sóng đến dòng phản hồi đã sử dụng công thức phân bố dòng chảy theo phương thẳng đứng của Rattanapitikon và Shibayama (2000) cũng có dạng tương tự [39]:

u(z) = u0+ α1(Dtotal

ρ )

1/3[α2(z

dt −

1

2) + α3(ln z

Trong đó 𝛼1, 𝛼2 , 𝛼3 là các hệ số, Dtotal là tổng năng lượng tiêu tán do sóng vỡ và ma sát,

dt là độ sâu dưới nước chân sóng

Svendsen (1984) đã tập trung vào nghiên cứu vai trò của chuyển động rối trong động lực dòng phản hồi và tham số hóa yếu tố này trong hình thành của cuộn sóng (wave roller) Vì cuộn sóng trong sóng vỡ được chuyển từ mặt sóng tới (wave front) nên nó ảnh hưởng tới sự dịch chuyển khối lượng Hơn nữa ứng suất bức xạ giữa cuộn sóng và mặt sóng (wave surface) tác động lên phân bố dòng phản hồi theo phương thẳng đứng [8]

15

Trong phương trình liên tục, dòng phản hồi trung bình độ sâu nước được bù đắp bởi thông lượng thể tích hướng vào bờ do sóng và cuộn sóng hoặc các sóng chưa vỡ Bằng cách bỏ qua các thông lượng do dòng chảy sát đáy (streaming), thông lượng khối lượng tổng cộng (mt) do sóng vỡ bao gồm thông lượng khối lượng do chuyển động sóng (mw) và thông lượng khối lượng do cuộn sóng trên mặt nước (mr) Các đại lượng này được xác định bằng nhiều công thức khác nhau dựa trên giả thiết về phân bố vận tốc dựa trên mô hình của Fredsoe & Deigaard (1992) [44] [45] [19] [15]

Theo Yoshiaki và Toshiyuki (2000), có hai phương pháp để tính toán diện tích cuộn sóng trên mặt nước [45] Một phương pháp giả thiết rằng diện tích cuộn sóng tỉ lệ với bình phương chiều cao sóng: Ar1= aH 2 trong đó Svendsen (1984b) đưa ra a = 0,9; Battjes (1985) [48] Buhr Hansen (1984) đề xuất a = 0,2 ÷ 0,4; Mặt khác Okayasu (1989) [15] cho thấy Ar có thể được tính bằng 0,06HL Phương pháp thứ hai giả thiết rằng năng

lượng của chuyển động sóng được chuyển thành năng lượng của cuộn sóng mặt ở trong sóng vỡ mà không bị tổn thất và sau đó năng lượng cuộn sóng mặt bị tiêu tán Có một điểm chung trong toàn bộ các nghiên cứu đó trong việc sử dụng định luật bảo toàn khối lượng cục bộ theo phương thẳng đứng như một điều kiện biên [31] Trong kĩ thuật này, thông lượng khối lượng mt (kg/m/s) ở lớp trên mặt được cân bằng với tổng lượng dòng phản hồi mà được tích phân từ đáy đến mực nước chân sóng:

∫ 𝑢(𝑧)𝑑𝑧 = ∫ 𝑢(𝑧)𝑑𝑧 = −𝑚𝑡

𝜌𝑑+𝜂

16

Mô hình tính toán dòng phản hồi được áp dụng theo các bước sau: Từ số liệu đầu vào gồm chiều cao sóng (H0), chu kỳ sóng (T), điều kiện địa hình (zb) và mực nước, tiến hành tính toán phân bố năng lượng sóng trên mặt cắt ngang, thông lượng khối lượng, ứng suất tại chân sóng và đáy, từ đó xác định được trắc diện dòng phản hồi Trong quá trình tính toán có thể lựa chọn các công thức phù hợp với đặc điểm của khu vực nghiên cứu, bởi sử dụng các công thức khác nhau sẽ cho các kết quả khác nhau như trong trường hợp nghiên cứu của Hedegaard (1992) và Salmon (2016) Hầu hết các kết quả của mô hình được hiệu chỉnh và kiệm định phù hợp với số liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm như các nghiên cứu của Svendsen (1984), Stive & Wind (1986), Cox & Kobayashi (1996), Steetzel (1993), Hedegaard (1992), Svendsen & Hansen (1988), Okayasu (1989) v.v Một số mô hình được thực hiện với cả số liệu hiện trường và số liệu trong phòng thí nghiệm như nghiên cứu của các tác giả Yoshiaki & Toshiyuki (2000), Brian (1998), Grasmeijer & Ruessink (2003) Các mô hình tính dòng phản hồi hiện tại cho kết quả khá tốt với những số liệu đo đạc được đó Nhưng các số liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm phục vụ tính toán dòng phản hồi đó được thực hiện trong một máng sóng kín nghĩa là khối lượng nước được bảo toàn mà chưa tính đến quá trình tổn thất do sóng tràn đi và các kịch bản nếu có công trình thì thường là công trình tường đứng

Những nghiên cứu gần đây cho thấy nỗ lực cải thiện mô hình số về dòng phản hồi để có kết quả sát với thực tế hơn, nhưng các quá trình thủy động lực học vùng sóng vỡ rất phức tạp, đặc biệt là trong điều kiện bão, mực nước dâng cao, sóng lớn hơn vỡ sát bờ, sóng tràn xảy ra khá phổ biến đối với đê đỉnh thấp như ở Việt Nam thì cũng cần thiết phải nghiên cứu xem xét tính toán đến hiện tượng sóng tràn và sóng phản xạ ảnh hưởng đến dòng phản hồi như thế nào

Sự thay đổi phân bố cấu trúc dòng phản hồi do sóng phản xạ của bãi biển được Neshaei (2009) mô phỏng dựa trên mô hình cho sóng đều của Okayasu (1989), Neshaei (2009) Thông lượng khối lượng tổng cộng của sóng vỡ và sóng phản xạ tính theo công thức mt

= (mw+mr)i – (mw)r với chiều cao sóng phản xạ bằng hệ số phản xạ nhân với chiều cao sóng Tương tự như vậy thì ứng suất bức xạ Sxx do sóng cũng được tính bằng cách cộng thêm ứng suất do sóng phản xạ: Sxx = (Sxx)i + (Sxx)r

17

Từ những vấn đề nêu trên có thể thấy sự cân bằng của thông lượng khối lượng do sóng gây ra là nguyên tắc để xác định trắc diện dòng phản hồi trung bình, đại lượng có ý nghĩa quan trọng nhất của bất kỳ mô hình quá trình tính toán xói lở do bão gây ra và hình thành các cồn cát ngầm ở phía trước đê biển Sự xuất hiện sóng tràn có xu hướng làm giảm dòng phản hồi và do đó làm giảm xói trước chân đê Tuy nhiên, quan sát trên thực địa với một số loại cấu trúc mái dốc đê biển ở Việt Nam cho thấy sóng tràn có thể gây ra nhiều rối hơn ở chân phía biển của đê mái nghiêng, làm tăng cường độ dòng chảy và gây xói lở nhiều hơn Lập luận này nên được làm sáng tỏ bởi vì nhiều nghiên cứu về hiện tượng tràn sóng đã được phát triển, nhưng tác động của sóng tràn đến dòng phản hồi vẫn chưa được làm sáng tỏ

Nghiên cứu của Neshaei (2009) và Goda & Suzuki (1976) đã chỉ ra rằng khi hệ số phản

xạ của bãi tăng thì độ lớn của dòng phản hồi giảm mà hệ số phản xạ giảm dần từ mép nước ra ngoài khơi và mô hình Neshaei và cộng sự (2009) cũng chỉ mới kiểm định với

ba kịch bản sóng đều trong máng nhỏ, chưa tính đến sự tương tác của sóng với công trình đê và đặc biệt đê biển có tường đỉnh, đồng thời sự suy giảm của hệ số phản xạ theo quan hệ nào thì nghiên cứu cũng chưa có đề cập tới

1.3 Tổng quan mô hình vận chuyển bùn cát và xói lở ngang bờ

Trong những thập kỷ gần đây đã có rất nhiều nghiên cứu thuỷ lực, vận chuyển bùn cát

và xói lở ngang bờ từ đó phát triển mô hình toán mô phỏng từ đơn giản đến phức tạp Các mô hình đơn giản như mô hình kinh nghiệm mặt cắt xói sau bão như nghiên cứu Bruun (1954) với mặt cắt cân bằng dạng hàm mũ, Dean (1987, 1991) mô tả hệ số hình dạng mặt cắt liên hệ với mức độ tiêu hao năng lượng sóng trong vùng sóng đổ và tính chất hạt bùn cát Đơn giản hơn là công thức tính chiều sâu hố xói tại vị trí chân công trình là hàm của đặc trưng sóng, độ sâu nước và độ dốc như nghiên cứu của Xie (1981), Hughes và Fowler (1992), Mc Dougal (1996) Các mô hình phổ biến được áp dụng hiện nay là các mô hình mô phỏng quá trình dựa trên các quá trình vật lý như sóng bất đối xứng, cân bằng thông lượng khối lượng, dòng phản hồi, dòng biên sát đáy… Hầu hết các mô hình này đều phân chia hai kiểu vận chuyển bùn cát đó là vận chuyển bùn cát lơ lửng và vận chuyển bùn cát đáy Trong điều kiện sóng bão, sự khuấy động bùn cát diễn ra mạnh mẽ nên vận chuyển bùn cát lơ lửng do dòng phản hồi chiếm ưu thế và

và (4) module hình thái: mô phỏng diễn biến mặt cắt ngang Mục 1.2 đã trình bày tổng quan về dòng chảy, phần dưới đây sẽ trình bày tổng quan về các module còn lại

1.3.1 Tổng quan mô hình sóng

Hiện nay có nhiều mô hình sóng đã được xây dựng để mô phỏng quá trình truyền sóng

từ vùng nước sâu đến vùng nước nông bằng cách sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính hay phi tuyến ứng với việc mô phỏng những con sóng đều và mô phỏng những con sóng ngẫu nhiên đối với địa hình bãi biển bất kì hay thoải [54] Mỗi mô hình có giới hạn mô phỏng các quá trình vật lý của sóng gió trong vùng ven bờ bao gồm các quá trình hiệu ứng nước nông, khúc xạ, nhiễu xạ, sóng vỡ, sóng vỡ bạc đầu (white capping), tương tác sóng (triad and quadruplet), suy giảm năng lượng sóng do rừng ngập mặn và ma sát đáy, công trình… mỗi mô hình có ưu, nhược điểm và sự phù hợp riêng, khi lựa chọn ứng dụng mô hình cần phải phân tích dựa trên bài toán cụ thể của vùng nghiên cứu [54] [55]

Mô hình cân bằng năng lượng sóng được phát triển sớm nhất và cập nhật các quá trình vật lý sóng qua các thế hệ khác nhau Dano Roelvink (2012) cho rằng thế hệ đầu tiên xem xét sự biến đổi của phổ tần với số liệu đầu vào là gió và hiện tượng sóng bạc đầu (while capping), thế hệ thứ hai có tính đến ảnh hưởng của sự tương tác giữa sóng phi tuyến, đồng thời thêm các quá trình như lan truyền theo hướng sóng, khúc xạ, hiệu ứng nước nông, ma sát đáy, tương tác sóng-dòng chảy, sóng vỡ do độ sâu nước hạn chế với địa hình bất kỳ Thế hệ thứ ba đã giải đầy đủ sự biến đổi của mật độ năng lượng sóng theo tần số và hướng sóng (chẳng hạn như mô hình WAM, WAVEWATCH, SWAN)…Nghiên cứu của Janssen (2006) được xem là thế hệ thứ tư, trong đó có bao gồm phương trình biến đổi góc pha [20] Mô hình sóng theo cách tiếp cận này phù hợp

để tính toán với các miền lớn bước tính rộng Cách tiếp cận khác là giải trực tiếp phương trình sóng phi tuyến ở vùng nước nông và vùng chuyển tiếp đó như các mô hình Boussinesq [40] [39], đây là mô hình liên tục pha theo thời gian nên cho kết quả tính

19

sóng khá tốt ở ven bờ Tuy nhiên mô hình không tính đến sự hình thành và phát triển sóng từ năng lượng gió, mô hình này cần độ phân giải cao nên phù hợp cho vùng nhỏ, thời gian mô phỏng ngắn

Mô hình cân bằng năng lượng sóng được sử dụng khá phổ biến trong các mô hình tính vận chuyển bùn cát và xói bồi ven biển bởi mô hình có tính hiệu năng cao và độ tin cậy phù hợp Các phương trình cơ bản tổng quát mô tả sự suy giảm chiều cao sóng có tính đến mực nước ngang bờ do sóng  (trung bình trong thời gian) gồm phương trình phương trình cân bằng năng lượng và động lượng ngang bờ như sau [1]:

H rms: Chiều cao sóng quân phương; Dw: Tiêu tán năng lượng do sóng vỡ;

Df: Tiêu tán năng lượng do ma sát đáy; d:Độ sâu nước trung bình cục bộ Young (1999) cho rằng trong số các quá trình vật lý được mô hình mô phỏng truyền sóng vào bờ biển thì hiệu ứng nước nông và sóng vỡ do độ sâu nước hạn chế là quá trình chủ đạo; ma sát đáy, khúc xạ và tương tác sóng là các quá trình quan trọng; những quá trình khác là những quá trình ít quan trọng hơn [56] Jinhai (2008) cũng cho rằng ở vùng nước nông, các quá trình sóng vỡ là quá trình giảm năng lượng chính so với tất cả các quá trình khác, chi phối sự biến đổi theo không gian của chiều cao sóng [54]

Những tài liệu thu thập được cho thấy yếu tố khó khăn nhất trong việc mô hình hóa quá trình truyền sóng ven bờ là việc mô phỏng quá trình tiêu tán năng lượng sóng do hiện tượng sóng vỡ Điều này là do sự phức tạp của hiện tượng và hiếm có lời giải giải tích cho các trường sóng thực tế cũng như chưa hiểu biết rõ về hiện tượng này Kế đến là sự tương tác của sóng với công trình cũng ảnh hưởng đáng kể đến chiều cao sóng tới, đặc biệt là sóng phản xạ Bất kể công trình ven biển nào cũng tạo ra sóng phản xạ, chính sóng phản xạ này sẽ làm ảnh hưởng đến sóng tới sóng leo và quá trình sóng vỡ [58] Các mục dưới đây sẽ trình bày chi tiết hơn về các nghiên cứu tính toán sóng vỡ và sóng phản

xạ

Các nghiên cứu của Hedegaard (1992), Battjes và Jansen (1985, 2008), Salmon (2016) cũng đã tiến hành đánh giá các công thức sóng vỡ khác nhau trong các mô hình sóng [61] [48] [62] Kết quả cho thấy các công thức ứng với các tham số sóng vỡ khác nhau

có thể tạo ra sự khác biệt lớn về kết quả tính chiều cao sóng trong vùng sóng vỡ Từ sự khác nhau đó có thể thấy việc lựa chọn công thức tính sóng vỡ phụ thuộc rất nhiều vào

số liệu quan trắc để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho khu vực nghiên cứu

Trong vùng nước nông, chiều cao sóng tối đa của mỗi con sóng (Hmax) trong vùng sóng

vỡ thường được biểu thị bằng một phần của độ sâu cục bộ: Hmax = γd, trong đó γ được gọi là hệ số sóng vỡ, d là độ sâu nước, độ lớn thực tế của nó thể thay đổi theo độ dốc bãi biển và độ dốc của sóng tới Battjes (1974) cho rằng các giá trị của γ thường nằm trong khoảng từ 0,7 đến 1,2 và chỉ số Iribarren  có thể được sử dụng để chỉ ra các dạng sóng vỡ: sóng vỡ cuộn, vỡ đổ, sóng vỡ tràn, sóng vỡ dâng [64] Các dạng sóng vỡ này có thể ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển bùn cát Andersen (2011) đưa ra giới hạn của γs là

từ 0,6 đến 0,8 đối với sóng tuyến tính và 0,5 đối với sóng phi tuyến (chiều cao sóng có

ý nghĩa lớn nhất Hs) [13] Kris (2014) chỉ ra rằng hệ số này dao động từ 0,3 - 0,6 và tăng theo độ dốc của bãi biển [65] Asbury (1985) cho thấy tỷ lệ giữa chiều cao sóng quân phương với độ sâu nước địa phương (γrms) dao động trong khoảng 0,29 đến 0,55 [66]

Hệ số sóng vỡ  là thông số quan trọng nhất trong các mô hình sóng bởi nó kiểm soát khả năng sóng vỡ và mức năng lượng vùng nước nông nên cần thiết phải nghiên cứu hiệu chỉnh, kiểm định và lựa chọn thông số này Battjes (1985) dựa trên các số liệu thí nghiệm và đo đạc hiện trường để kiểm định công thức Battjes và Jansen (1978) đã chỉ

ra rằng quá trình sóng vỡ ở vùng nước nông bị ảnh hưởng bởi độ dốc sóng ở vùng nước

21

sâu Sau đó, công thức Battjes &Janssen (2008) được sử dụng chuỗi số liệu khác cho lại cho hệ số trong công thức [62] Ruessink (2003) tính toán với số liệu thực đo ở bãi biển Duck, Bắc Carolina được hệ số sóng vỡ trên mặt cắt ngang phụ thuộc và độ sâu nước cục bộ [67] Nelson (1987) đưa ra công thức tính hệ số sóng vỡ là một hàm của độ dốc đáy cục bộ Alex Apotsos (2008) đánh giá các mô hình trước đó và đưa ra công thức tính  phụ thuộc vào chiều cao sóng nước sâu [68]và các hệ số được hiệu chỉnh theo một

bộ số liệu Salmon (2016) đã đề xuất một tỉ lệ kết hợp phụ thuộc vào cả độ dốc đáy cục

bộ và số sóng đặc trưng chuẩn hóa cục bộ (𝑘𝑑) – với k là số sóng và d là độ sâu nước

Từ các nghiên cứu trên đây có thể thấy: quá trình sóng vỡ và tiêu tán năng lượng do sóng vỡ là quan trọng trong việc truyền động lượng từ sóng tới dòng chảy và là vấn đề phức tạp và vẫn cần phải tiếp tục nghiên cứu [62] Hầu hết các công thức tính toán đều được kiểm định bởi các số liệu có được từ số liệu đo đạc sóng trong phòng thí nghiệm (máng kín) Trên thực tế, khi áp dụng mô hình tính toán, việc kiểm định sự biến đổi của chiều cao sóng hay phân bố của năng lượng trên mặt cắt ngang bờ trong vùng sóng vỡ

là cần thiết để đánh giá mô hình cũng như dự tính tin cậy dòng chảy trở lại bờ biển phía dưới chân sóng

1.3.2 Mô hình vận chuyển bùn cát và hình thái

Với giả thiết rằng vận tốc chuyển động của hạt bùn cát tương ứng với vận tốc của hạt chất lỏng, phương trình cơ bản tính toán tốc độ vận chuyển bùn cát ngang bờ trên mặt thẳng đứng trên một đơn vị bề rộng được tính theo công thức [1]:

dt dz t z x C t z x u nT

S

nT

t

t x

0

) , , ( ) , , (

(1-7)

Tính toán vận chuyển bùn cát theo phương trình này thường có những khó khăn lớn khi định lượng hàm nồng độ bùn cát C(z,t) và vận tốc dòng chảy u(z,t) Những hiểu biết về phản ứng của C(z,t) dưới tác động của sóng đều rất hạn chế và gần như không có gì biết được đối với sóng phi tuyến dọc theo đường bờ biển Hơn nữa trong thời kì bão ở vùng sóng vỡ, do dòng chảy đối ngược với dòng phản hồi, ảnh hưởng của sóng bất đối xứng đối với nồng độ bùn cát sát đáy lại càng khó hiểu biết một cách rõ ràng Do đó cần phải

b

z z

dz z C z u

C : nồng độ bùn cát trung bình theo thời gian

u(x, z ,t): vận tốc ngang bờ theo phương x [m/s]

)

(z

u : vận tốc trung bình theo thời gian tại một điểm [m/s]

z: vị trí trên phương ngang z=zb tại đáy [m]

t: thời gian [s]

Graaff (2009) và Nam (2017) đã chỉ ra một số cách tiếp cận để tính toán lượng vận chuyển bùn cát (S) như: Tính vận tốc (u) và nồng độ bùn cát (C) để tính S = u.C, đây là cách tiếp cận được cho là tốt nhất hiện nay và là cơ sở trong các mô hình phổ biến như LITPROF, UNIBEST-TC, DUROSTA, Xbeach … ; Các cách tiếp cận đơn giản hơn gồm ước tính (u) và giả thiết (C) có liên quan đến (u) như Bailard and Inman (1981) Bailard (1982); Giả sử S có liên quan đến sự tiêu tán năng lượng do sóng như Kriebel and Dean (1985); Giả sử S có liên quan đến ứng suất đáy như nghiên cứu của Madsen and Grant (1976), Shibayama and Horikawa (1980) and Watanabe (1982); Ước tính S bằng công thức kinh nghiệm như của Larson and Kraus (1989a) được sử dụng trong mô hình SBEACH [1] [69]

Việc tính toán vận chuyển bùn cát theo cách tiếp cận đầu tiên ở trên thường có những khó khăn lớn khi định lượng hàm u và C Những hiểu biết về phản ứng của C dưới tác động của sóng đều rất hạn chế và gần như không có gì biết được đối với sóng phi tuyến

ở khu vực ven biển Hơn nữa trong thời kì bão ở vùng sóng vỡ, do dòng chảy đối ngược với dòng phản hồi, ảnh hưởng của sóng bất đối xứng đối với nồng độ bùn cát sát đáy lại

23

càng khó hiểu biết một cách rõ ràng Do đó vẫn cần phải đơn giản hóa nồng độ bùn cát

và vận tốc của chất lỏng, dẫn đến rất nhiều nghiên cứu với nhiều công thức tính khác nhau Mục 1.3 đã trình bày về u, phần dưới đây trình bày các nghiên cứu tính toán nồng

Trong đó 𝜔𝑠 là vận tốc lắng chìm của hạt cát và 𝜗𝑠là hệ số khuếch tán

Trắc diện theo phương thẳng đứng của nồng độ bùn cát lơ lửng trên nền cát có thể được

mô tả bằng công thức: C(z) = C0fc(z), với C0 nồng độ bùn cát tham chiếu tại đáy; fc(z)

là hàm phân bố bùn cát không thứ nguyên và phụ thuộc vào phân bố của hệ số xáo trộn bùn cát 𝜀𝑠 Cũng giống như phân bố hệ

số nhớt rối, hệ số xáo trộn bùn cát 𝜀𝑠

được giả thiết với nhiều dạng phân bố

khác nhau như [1] đã trích dẫn tổng quan

nghiên cứu của Sistermans (2002) trình

bày trên Hình 1-3 Một số công thức tính

toán phân bố hệ số xáo trộn và hàm phân

độ nhớt, nhiệt độ, v.v Có hơn 15 công thức khác nhau để tính vận tốc lắng chìm bùn cát

đã được các tác giả đánh giá như Van Rijn (1993), Amiri (2009) [76] Trong số đó, công

Hình 1-3 Phân bố hệ số xáo trộn bùn cát [1]

ra mực tham chiếu (δ) tại chiều cao độ nhám tương đương hay một nửa chiều cao hình dạng đáy và nồng độ tham chiếu phụ thuộc vào đường kính hạt trung bình, thông số kích

thước hạt phi thứ nguyên và thông số ứng suất tiếp đáy không thứ nguyên Zyserman và

Fredsøe (1994) đề nghị tại mực tham chiếu tại z = 2d50, (d50 là đường kính hạt trung bình) và công thức tính nồng độ bùn cát tham

chiếu phụ thuộc tham số Shields và vận tốc

ma sát đáy Steetzel (1993) đưa ra công thức

tính nồng độ 𝐶0 phụ thuộc vào ứng suất tiếp

tới hạn, sự tiêu tán động năng, hàm không thứ

nguyên liên quan đến đường kính hạt và đặc

biệt là sự có mặt của hàm mô tả ảnh hưởng

d

z z

dz z C z u dz z C z u

Để mô hình hóa sự thay đổi địa hình đáy ven bờ, Van Rjin (1993) và Nielsen (2015) đã đưa ra mối quan hệ giữa suất vận chuyển bùn cát và sự thay đổi cao độ đáy biển bằng quan hệ bảo toàn thể tích bùn cát đối với thể tích xem xét (Hình 1-4), với n là độ rỗng của lớp đáy xốp [77]:

25

Từ các công thức trên cho thấy có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát

và tiến thoái của mặt cắt địa hình Nhóm các yếu tố quan trọng đầu tiên liên quan đến đặc điểm thủy động lực học gồm chiều cao, chu kì sóng, dòng chảy (dòng phản hồi), độ sâu nước, độ nhớt, độ nhám đáy Nhóm yếu tố thứ hai đó là đặc trưng về bùn cát như đường kính, hình dạng, kích thước hạt, mật độ hạt Nhóm cuối cùng là đặc điểm hình học của cao độ đáy như độ dốc đáy Việc áp dụng các công thức khác nhau trong các

mô hình biến đổi mặt cắt ngang sẽ cho các kết quả khác nhau khá lớn Ví dụ điển hình đối với sự khác nhau này đã được nghiên cứu bởi Hedegaard (1992) [61], sự so sánh kết quả của 6 mô hình được phát triển bởi các cơ quan khác nhau (1)Danish Hydraulic Institute, (2)Delft Hydraulics, (3) HR Wallingford Ltd, (4)Laboratoire National d'Hydraulique, (5) University of Liverpool và (6) Sogreah

Như vậy việc mô hình hóa tất cả các quá trình liên quan đến sự biến đổi hình thái mặt cắt ngang nên dựa trên sự sẵn có của số liệu tại vùng quan tâm để lựa chọn các phân bố nhớt rồi và hệ số xáo trộn theo phương thẳng đứng đối với dòng chảy và nồng độ bùn cát trong mô hình để có kết quả hợp lý Các số liệu đo đạc vận chuyển bùn cát và xói lở ngang bờ ở ngoài thực tế là rất khó khăn trong điều kiện bão, chính vì thế đa phần số liệu của các nghiên cứu dựa trên các thí nghiệm mô hình vật lý để đánh giá và hiệu chỉnh, kiểm định mô hình toán Các số liệu nhất định từ các mô hình vật lý chủ yếu thí nghiệm với công trình tường đứng ứng với số kịch bản hạn chế nhất định [70] [71] [72] [73]… Mặt khác các mô hình mô phỏng đều coi các biên công trình đê biển như là biên cứng chưa xem xét đến ảnh hưởng của kết cấu mái đê có tường đỉnh đến dòng chảy và diễn biến chiều sâu hố xói như thế nào

1.4 Tổng quan nghiên cứu về sóng phản xạ

Hiện tượng phản xạ sóng được xem là có ảnh hưởng đến đặc trưng thủy động lực học

do sóng đến và các hoàn lưu ven bờ, làm gia tăng xói lở chân công trình Để đặc trưng cho hiện tượng này, các nhà khoa học sử dụng hệ số phản xạ Kr, được xác định là tỉ lệ giữa chiều cao sóng phản xạ và chiều cao sóng đến hoặc tỉ lệ giữa năng lượng/thông lượng sóng phản xạ và năng lượng/thông lượng sóng tới [12] [79] [80] Hệ số sóng phản

xạ phụ thuộc vào đặc điểm bãi dốc và hình dạng kết cấu công trình trên đó, đối với bãi

Hệ số phản xạ do sự có mặt các công trình ven bờ được rất nhiều các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cho nhiều trường hợp khác nhau trong phòng thí nghiệm dẫn đến các công thức đưa ra cũng khác nhau Seelig (1981) dựa trên công thức trong luận án tiến sĩ của Battjes (1974) đã đưa ra công thức tính toán hệ số phản xạ Kr cho công trình kè [86] [64]:

số trường hợp nghiên cứu với các giá trị của hệ số a, b khác nhau [12]

Hệ số phản xạ xác định theo phương pháp tỉ số thông lượng năng lượng sóng vào ra của Sheremet (2002):

27

Trong đó, F+ and F lần lượt là thông lượng năng lượng sóng vào và ra, S and S uu lần

lượt là mật độ phương sai của sóng và của dòng chảy, Su là mật độ hiệp phương sai của

sóng và dòng, d là độ sâu nước, f là tần số

Khi nghiên cứu sự phản xạ và truyền qua của các công trình đỉnh thấp, Van de Meer (2005) dựa trên công thức của Postma (1989) trong Sổ tay về đá (Rock manual) và số liệu của hơn 150 kịch bản thí nghiệm từ bốn dự án về đê chắn sóng đá đổ cho thấy hệ

số phản xạ đối với công trình đỉnh thấp nhỏ hơn so với công trình không tràn do năng lượng vượt qua công trình và độ cao lưu không tương đối cũng ảnh hưởng đến hệ số

phản xạ sóng [87] Do đó hệ số phản xạ của công trình đỉnh thấp bằng hệ số suy giảm f r

nhân với hệ số Kr trong công thức của Sổ tay về đá:

1.5 Tổng quan các nghiên cứu về dòng phản hồi và xói chân đê biển trong bão ở Việt Nam

Hệ thống đê biển Việt Nam có chiều dài khoảng 2600 km, trong đó đê biển khu vực Bắc

Bộ chiếm tới trên 65% [3] [89] [90] Phần lớn mặt cắt ngang đê có dạng đê mái nghiêng

có bề rộng đỉnh đê từ 3 ÷ 6 m, cao trình đỉnh đê phổ biến ở mức 5 đến 5,5m Mái ngoài

đê có độ dốc m = 3 ÷ 4, được gia cố bảo vệ bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn hoặc đá lát khan, mái phía đồng dốc hơn m = 2 ÷ 3, được bảo vệ bằng cỏ trồng trong khung bê tông Chân đê kè biển được bảo vệ bằng ống buy (đường kính 1m), cọc cừ hoặc dầm bê tông cốt thép Tùy từng đoạn mà đê biển có cơ hay không có cơ đê, có tường đỉnh hay không

có tường đỉnh Bề rộng cơ đê khoảng 3 - 5m và chiều cao tường đỉnh từ 0,5 đến 1m và thường không có thềm trước tường Mặc dù đã được đầu tư nâng cấp nhiều lần, nhưng hiện tại đê biển nước ta được đánh giá là đê tương đối thấp, bởi trong điều kiện bão hoạt động, mực nước dâng cao tạo điều kiện cho sóng lớn tiến sát vào chân công trình làm xuất hiện sóng tràn qua đê, chưa có số liệu đo đạc thực tế, nhưng có thể ước tính lưu lượng tràn lên tới hàng trăm lít trên giây trên một mét chiều dài đê [2], gây xói lở mái

đê, mất ổn định mái trong và ngập lụt phía trong đồng Trung bình hàng năm có từ 4 ÷

6 cơn bão đổ bộ vào bờ biển Việt Nam, mang theo rất nhiều rủi ro cho vùng ven biển