Xác định chiều cao sóng trong tính toán thiết kế đê biển từ quảng ninh đến quảng nam

Danh mục chi tiết các chuyên đề khoa học Chuyên đề 3 Lựa chọn các phương pháp, nội dung nâng cấp hoàn thiện hướng dẫn tính toán sóng thiết kế phù hợp Hoàn thành theo đề cương đề cươn

Trang 1

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

“XÁC ĐỊNH CHIỀU CAO SÓNG TRONG TÍNH TOÁN

THIẾT KẾ ĐÊ BIỂN TỪ QUẢNG NINH

Trang 2

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

“XÁC ĐỊNH CHIỀU CAO SÓNG TRONG TÍNH TOÁN

THIẾT KẾ ĐÊ BIỂN TỪ QUẢNG NINH

ĐẾN QUẢNG NAM”

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS NGUYỄN KHẮC NGHĨA

Những người tham gia thực hiện:

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

PHẦN A: THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

III Nội dung thực hiện đề tài 2

VI Kinh phí và tiến độ thực hiện đề tài 3 VII Thống kê danh mục sản phẩm của đề tài (tính đến tháng 6/2009) 4

PHẦN B: BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Chương I

TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG VEN BỜ ĐÃ CÓ

TRƯỚC ĐÂY TRONG DẢI VEN BIỂN NGHIÊN CỨU

I.1 Tổng quan các qui phạm, hướng dẫn tính sóng thiết kế 10

I.1.1 Tổng quan các phương pháp tính sóng gió trên biển 10 I.1.2 Đặc điểm và điều kiện ứng dụng của một số chương trình

tính toán tiêu biểu:

11

I.1.3 Các phương pháp tính sóng trong quy phạm (sổ tay) các nước

tiên tiến trên thế giới

I.2 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu về giảm sóng do rừng ngập

mặn và công trình phá sóng gây bồi bãi biển

Trang 4

Chương II

KẾT QUẢ ĐO ĐẠC ĐỊA HÌNH, THỦY HẢI VĂN BÃI BIỂN CÓ RỪNG

NGẬP MẶN TẠI TIỀN HẢI - THÁI BÌNH PHỤC VỤ KIỂM ĐỊNH MÔ

HÌNH TÍNH TOÁN SỰ GIẢM SÓNG QUA RỪNG NGẬP MẶN

II.1 Nội dung đo đạc khảo sát 39 II.1.1 Đo lần 1 (thời kỳ gió mùa Đông Bắc, tháng 11-12/2007) bao gồm các hạng mục sau

39

II.1.2 Đo lần 2 (thời kỳ cuối gió mùa Đông Bắc, tháng 3-4/2008) bao gồm các hạng mục sau:

40

II.2 Thiết bị , kỹ thuật đo đạc 42

II.3 Biện pháp kỹ thuật thực hiện đo đạc 42

II.4 kết quả đo đạc khảo sát địa hình, thủy hải văn khu vực nghiên cứu của đề tài

XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ THỐNG KÊ SÓNG CHO CÁC VÙNG

ĐẶC TRƯNG TRONG DẢI VEN BIỂN NGHIÊN CỨU

III.1 Tổng quan chung phân bố thống kê sóng ven bờ và ảnh hưởng của

chúng đến ổn định của bãi biển

47

III.2 Xác định các tham số sóng thống kê theo số liệu quan trắc đã có 51 III.2.1 Phương pháp phân tích, xây dựng cơ sở dữ liệu 51 III.2.2 Kết quả phân tích thống kê theo phương pháp sóng đơn 52

III.3 Quan hệ giữa ảnh hưởng của các đặc trưng thống kê sóng ven bờ đến ổn định của bãi biển

54

Trang 5

III.4 Xác định các phân vùng đặc trưng cho dải bờ biển khu vực nghiên

cứu

57

III.4.2 Đặc điểm địa hình địa mạo khu vực Quảng Ninh - Quảng

Nam:

58

III.4.3 Phân vùng dải bờ biển của khu vực nghiên cứu chi tiết cho

khu vực Quảng Ninh - Quảng Nam:

62

Chương IV

XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ SÓNG TRONG ĐIỀU KIỆN GIÓ MẠNH

TRONG GIÓ MÙA, BÃO TẠI VÙNG NƯỚC SÂU VÀ VEN BỜ VÀ BỔ

SUNG HOÀN THIỆN HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN SÓNG THIẾT KẾ

IV.1 Quy trình xác định các tham số sóng phục vụ thiết kế công

trình biển

63

IV.1.1 Luận cứ khoa học, qui trình xác định các tham số sóng

phục vụ thiết kế công trình ven biển

63

IV.1.2 Quy trình xác định các tham số sóng phục vụ thiết kế công

trình biển

66

IV.2 Xác định các tham số sóng vùng nước sâu 69

IV.2.1 Thống kê bão, xây dựng phương pháp tính gió vùng tâm bão

theo các tham số bão, xây dựng phương pháp tính gió nền cho toàn vùng

biển Đông

69

IV.2.2 Xây dựng lưới tính cho toàn vùng biển Đông, thiết lập các tham

số vật lý của mô hình SWAN, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

74

IV.3 Xác định các tham số sóng vùng nước sâu với các chu kỳ lặp khác

nhau

84

IV.3.1 Tính sóng cực đại trong các cơn bão thống kê cho các vùng tính

sóng chi tiết ven bờ:

84

IV.3.2 Tính sóng cực đại cho các vùng tính sóng chi tiết ven bờ sử dụng

các cơn bão mô phỏng theo phương pháp Monte Carlo:

89

IV.3.3 Tính sóng cực đại với các chu kỳ lặp khác nhau cho các vùng

tính sóng chi tiết ven bờ sử dụng các cơn bão thống kê và mô phỏng

theo phương pháp Monte Carlo:

97

IV.4 Xác định các tham số sóng vùng ven bờ 98

IV.4.1 Thiết lập lưới tính sóng chi tiết cho các vùng ven bờ 98 IV.4.2 Tính toán trường sóng ven bờ theo phương pháp tính lan truyền

sóng từ vùng nước sâu vào với các chu kỳ lặp khác nhau sử dụng mô

hình STWAVE

100

IV.4.3 Tính toán trường sóng ven bờ theo phương pháp tính lan truyền 105

Trang 6

sóng từ vùng nước sâu vào với các chu kỳ lặp khác nhau sử dụng mô

hình SWAN-1D

IV.4.4 Tính toán trường sóng ven bờ theo phương pháp tính trực tiếp từ

các yếu tố tạo sóng đối với các vùng biển được che chắn

117

IV.5 Một số kết luận về nội dung: Xác định các tham số sóng trong điều

kiện gió mạnh phục vụ thiết kế đê biển

119

Chương V

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ GIẢM SÓNG VÀ CÁC

CHỈ TIÊU THIẾT KẾ RNM VÀ CÔNG TRÌNH GIẢM PHÁ SÓNG BẰNG

PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC GIỮA CHÚNG

VÀ SÓNG TRÊN MÔ HÌNH SỐ

V.1 Xác định mức độ giảm sóng và các chỉ tiêu thiết kế RNM bằng

phương pháp mô phỏng quá trình tương tác giữa chúng và sóng trên mô

hình số

121

V.1.1 Cơ sở khoa học của phương pháp mô phỏng 121

V.1.2 Đặc điểm khu vực nghiên cứu và các số liệu đầu vào 123

V.1.3 Các kết quả tính toán sóng trên bãi có rừng ngập mặn 124

V.2 Xác định mức độ giảm sóng và các chỉ tiêu thiết kế của công trình

phá sóng bằng phương pháp mô phỏng quá trình tương tác giữa chúng

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ GIẢM SÓNG VÀ CÁC

CHỈ TIÊU THIẾT KẾ RỪNG NGẬP MẶN VÀ CÔNG TRÌNH GIẢM PHÁ

SÓNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC

GIỮA CHÚNG VÀ SÓNG TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ

VI.1 Sơ lược lý thuyết mô hình sóng 154

VI.1.2 Phương trình hằng số tương tự 155

VI.2 Giới thiệu về các mô hình công trình 159

VI.2.1 Các loại công trình bờ biển 159 VI.2.2 Mục đích và yêu cầu của các mô hình công trình 160

Trang 7

VI.3.2 Nội dung thí nghiệm 162

VI.4 Mô phỏng tương tự các giá trị trên mô hình, chọn tỉ lệ mô hình 163

VI.4.2 Các điều kiện biên về số liệu địa hình, thủy hải văn 163

VI.5 Hệ thống thiết bị thí nghiệm và kiểm định mô hình 166

VI.5.1 Chuẩn bị thiết bị đo đạc 166

VI.6 Phân tích kết quả thí nghiệm trêm mô hình sóng 170

VI.6.1 Xác định hệ số và các tham số quan hệ giảm sóng khi bãi có

KIẾN NGHỊ BỔ SUNG HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

ĐÊ BIỂN, CÁC GIẢI PHÁP KHCN LÀM GIẢM SÓNG

NHẰM BẢO VỆ, ỔN ĐỊNH BÃI VÀ ĐÊ BIỂN

VII.1 Kết quả tính toán xác định các tham số sóng ven bờ, bổ sung

hướng dẫn tính toán thiết kế đê biển

187

VII.1.1 Giới thiêu chung kết quả tính toán xác định các tham số sóng

ven bờ và bổ sung hướng dẫn tính toán sóng trong Hướng dẫn thiết kế

đê biển

187

VII.2 Kiến nghị chiều rộng tối thiểu và các kích thước thiết kế rừng cây

chắn sóng trên bãi trước đê biển, bổ xung hướng dẫn tính toán thiết kế

công trình đê biển

191

VII.2.1 Cơ sở khoa học (sinh học, động lực học) thiết kế rừng ngập mặn

chống sóng trong khu vực bãi triều trước đê

191

VII.2.2 Kiến nghị các kích thước thiết kế rừng cây chắn sóng trên bãi

trước đê biển, bổ sung hướng dẫn tính toán thiết kế công trình đê biển

193

VII.3 đề xuất giải pháp khcn làm giảm và chống được phá hoại của sóng

lớn bằng rnm và các biện pháp công trình giảm, phá sóng trên bãi trước

đê biển

194

VII.3.1 Các giải pháp thiết kế, nuôi trồng bảo vệ RNM giảm sóng 194

VII.3.2 Các giải pháp KHCN làm giảm phá sóng bằng công trình trên

bãi trước đê biển

199

KẾT LUẬN 206 TÀI LIỆU THAM KHẢO 208

PHỤ LỤC A, B, C

Trang 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng A.2 Danh mục chi tiết các chuyên đề khoa học 4

Bảng 3.1: Bảng thống kê phân tích phổ cho khu vực ven biển Hải Hậu -

55

Bảng 3.2: Bảng thống kê phân tích phổ cho khu vực ven bờ Cảnh Dương

55

a) Bãi biển Hải Hậu - Nam Định

b) Bãi biển Cảnh Dương - Quảng Bình

56

Bảng 4.2a Số liệu sóng sử dụng trong hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình

sóng trong bão

75

Bảng 4.2b Số liệu sóng sử dụng trong kiểm chứng mô hình sóng trong gió

mùa và trong các điều kiện thời tiết khác

75

Bảng 4.4 Kết quả so sánh độ cao sóng tính toán và thực đo tại khu vực ven

bờ biển Hải Hậu, Nam Định [11]

82

Bảng 4.5 Kết quả tính sóng cực đại trong các cơn bão đổ bộ vào vùng ven

bờ Quảng Ninh thống kê 1945 - 2007

85

bờ Hải Phòng – Ninh Bình thời gian thống kê 1945 - 2007

86

bờ Thanh Hóa – Hà Tĩnh thời gian thống kê 1945 - 2007

87

bờ Quảng Bình – Thừa Thiên Huế thời gian thống kê 1945 - 2007

88

bờ Quảng Nam - Đà Nẵng thời gian thống kê 1945 - 2007

88

bờ Quảng Ninh – theo số liệu bão mô phỏng với thời gian 300 năm

89

Trang 9

bờ Thanh Hóa – Hà Tĩnh theo số liệu bão mô phỏng với thời gian 300 năm

bờ Quảng Bình – Thừa Thiên Huế theo số liệu bão mô phỏng với thời gian

300 năm

95

bờ Quảng Nam - Đà Nẵng theo số liệu bão mô phỏng với thời gian 300 năm

96

Bảng 4.15 Kết quả tính các tham số sóng vùng nước sâu cho các vùng tính

sóng chi tiết ven bờ từ Quảng Ninh đến Quảng Nam

98

Bảng 4.16 Các tham số của lưới tính sóng chi tiết vùng ven bờ từ Quảng

Bảng 5.1 Các đặc điểm của cây ngập mặn được đưa vào tính toán 124

Bảng 5.2: Các thông số sóng và mực nước được đưa vào tính toán

(các thông số này được tính theo kịch bản khi có bão cấp 9 và12)

124

Bảng 5.3 Đặc điểm rừng cây ngập mặn khu vực đo đạc, khảo sát 125

Bảng 5.5 Hệ số suy giảm sóng do rừng ngập mặn lớn nhất theo độ

cao cây và điều kiện biên sóng, mực nước

128

Bảng 5.8: Các thông số sóng và mực nước được đưa vào tính toán 137

Bảng 6.1 Các giá trị tỷ lệ mô hình – nguyên hình 163

Bảng 6.4 Các tham số cây RNM đưa vào thí nghiệm 166

Bảng 6.5 Chiều cao tường ngầm phá sóng và các mực nước thí

nghiệm

166

Bảng 6.6: Kết quả thí nghiệm truyền sóng trường hợp bãi không có 172

Trang 10

RNM

Bảng 6.7: Kết quả thí nghiệm hệ số giảm sóng trường hợp bãi có

RNM rộng 80m, cây cao 2m, mật độ 0.5 cây/m2

172

RNM rộng 80m, cây cao 2m, mật độ 1 cây/m2

173

RNM rộng 80m, cây cao 4m, mật độ 0.5 cây/m2

173

RNM rộng 80m, cây cao 4 m, mật độ 1 cây/m2

173

Bảng 6.11: Kết quả thí nghiệm hệ số giảm sóng với RNM có bề rộng

B = 80m và tổ hợp mực nước - chiều cao sóng khác nhau

Hệ số giảm sóng K t = h st / h si

178

Bảng 6.11: Kết quả thí nghiệm hệ số giảm sóng với RNM có bề rộng

B = 120m và tổ hợp mực nước - chiều cao sóng khác nhau

178

Bảng 6.12: Kết quả thí nghiệm hệ số giảm sóng với RNM có bề rộng B

= 180m và tổ hợp mực nước - chiều cao sóng khác nhau

178

Bảng 6.14 Trường hợp thí nghiệm với đê ngầm làm bằng bản gỗ có B

min với các độ cao tường ngầm khác nhau

180

Bảng 6.15 Số liệu mực nước và chiều cao tường ngầm qua các thí

nghiệm

182

Bảng 6.16 Kết quả thí nghiệm hệ số giảm sóng khi bãi có tường ngầm

phá sóng với các cao trình khác nhau

Bảng 6.19 Hệ số giảm sóng trước và sau khi có mỏ hàn chữ T 185

Bảng 6.20 Hệ số giảm sóng trước và sau khi có mỏ hàn chữ T 186

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.2 Cấu trúc thẳng đứng của bần chua (Sonneratia caseolaris):

(a) Mặt cắt ngang của cây và rễ hô hấp của bần;

(b) Mặt cắt ngang phóng đại của rễ hô hấp

31

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí đo đạc khảo sát địa hình, Thủy văn khu vực ven

biển Tiền Hải - Thái bình

41

Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lý, phân tích giản đồ đo sóng 52

Hình 4.9 Lưới tính sóng vùng nước sâu cho toàn khu vực biển Đông

(Các điểm dọc bờ biển là các điểm triết xuất kết quả tính sóng)

74

Hình 4.11 Độ cao sóng (a) và chu kỳ sóng (b) tại giàn khoan MSP1 tính

theo các tham số vật lý khác nhau: Janssen1: CDS1=4.5 ; Delta=0.5 ;

Friction Jonswap 0.038 QUADRUPL AGROW 0.0015 - Janssen2:

CDS1=4.5 ; Delta=0.5 ; Friction Jonswap 0.067 QUADRUPL AGROW

0.0015 - Komen1: CDS2=0.000236 ; stpm=0.00302 ; Friction Jonswap

0.038 QUADRUPL AGROW 0.0015 - Komen2: CDS2=0.000236 ;

stpm=0.00302 ; Friction Jonswap 0.067 QUADRUPL AGROW 0.0015

77

Hình 4.12 Biến trình độ cao sóng tính toán theo thời gian với các hệ số tiêu

tán năng lượng Komen khác nhau và độ cao sóng thực đo tại giàn khoan

MSP1 từ 0h ngày 18/11 đến 0h ngày 25/11: Komen 1a: CDS2=0.000236 ;

stpm=0.00302 ; QUADRUPL AGROW 0.15 ; Friction Jonswap 0.038 -

Komen1-1.0: CDS2=0.0001 ; stpm=0.00302 ;QUADRUPL AGROW

0.0015 ; Friction Jonswap 0.038 - Komen1: CDS2=0.000236 ;

stpm=0.00302 ; QUADRUPL AGROW 0.0015 ; Friction Jonswap 0.038 -

Komen2: CDS2=0.000236 ; stpm=0.00302 ; QUADRUPL AGROW 0.0015

; Friction Jonswap 0.067

77

Hình 4.13 Đường đi của bão Frankie và vị trí trạm phao VN01A, so sánh

độ cao sóng tính toán và thực đo trong bão Frankie

78

Trang 12

Hình 4.14 Đường đi bão Linda và vị trí trạm phao Hua-Hin, so sánh độ cao

sóng tính toán và đo đạc trong bão Linda

78

Hình 4.15 Đường đi của bão Wukong và vị trí của trạm phao 4001, so sánh

độ cao sóng tính toán và đo đạc trong bão Wukong

79

Hình 4.17 Quỹ đạo vệ tinh, so sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc trong

bão Ling Ling tại 18giờ 08/11/2001

80

Hình 4.19 Quỹ đạo vệ tinh, so sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc

trong bão Imbudo tại 12 giờ 23/07/2003

Hình 4.27 Phân bố độ cao sóng hữu hiệu với chu kỳ lặp 100 năm một lần

cho vùng ven bờ Quảng Ninh

101

dọc theo mặt cắt từ bờ ra khơi (xem hình 4) cho vùng ven bờ Quảng Ninh

101

cho vùng ven bờ Hải Phòng – Ninh Bình

102

dọc theo mặt cắt từ bờ ra khơi (xem hình 4.29) cho vùng ven bờ Hải Phòng

– Ninh Bình

102

cho vùng ven bờ Thanh Hóa – Hà Tĩnh

103

dọc theo mặt cắt từ bờ ra khơi (xem hình 31) cho vùng ven bờ Hải Phòng –

Ninh Bình

103

Trang 13

dọc theo mặt cắt từ bờ ra khơi (xem hình 33 ) cho vùng ven bờ Quảng Bình

– Thừa Thiên Huế

104

cho vùng ven bờ Quảng Nam - Đà Nẵng

105

dọc theo mặt cắt từ bờ ra khơi (xem hình 4.35) cho vùng ven bờ Quảng Nam

Hình 5.3 Sơ đồ bố trí các trạm khảo sát hải văn tại Tiền Hải - Thái

Bình

124

Hình 5.4 Giá trị độ lệch BIAS của độ cao sóng tính toán và thực đo

với các giá trị khác nhau của hệ số kéo Cd

125

Hình 5.5 Kết quả tính trường hợp mực nước 3,5m; độ cao sóng

2,01m; chu kỳ 6,7s, đường kính thân cây 5cm; mật độ tương đương

11cành/m 2 ; cây cao 2,5m

126

Hình 5.6 Biểu đồ theo mặt cắt hệ số suy giảm sóng theo khoảng cách

x 10m từ mép rừng theo chiều sóng lan truyền với mực nước tổng cộng

3,5m và các độ cao của cây khác nhau

127

Hình 5.7 Kết quả tính trường hợp mực nước 4,0m; độ cao sóng 2,7m;

chu kỳ 10s, đường kính thân cây 5cm; mật độ tương đương 11cành/m 2 ;

cây cao 3,0m

127

Hình 5.8 Biểu đồ theo mặt cắt hệ số suy giảm sóng theo khoảng cách

x 10m theo chiều sóng lan truyền với mực nước tổng cộng 4m và các

độ cao của cây

128

Hình 5.9 Biểu đồ đánh giá mức độ biến động của hệ số suy giảm sóng

khi mật độ tương đương của rừng ngập mặn biến đổi từ 2 cành/m2 đến

25cành/m 2

129

Hình 5.10 Biểu đồ đánh giá mức độ biến động của hệ số suy giảm

sóng theo khoảng cách từ mép rừng theo phương truyền sóng

Trang 14

Nam Định với phương án công trình bảo vệ bờ I gồm 08 kè chữ T và

03 đê ngầm

Hình 5.15 : Trường độ sâu trên lưới tính 5mx5m khu vực Hải Hậu

Nam Định với phương án công trình bảo vệ bờ II gồm 07 kè chữ T và

02 đê ngầm

140

Hình 5.16a: Trường sóng tính tóan bão cấp 9 với độ cao sóng 2.01m,

chu kỳ 6.7s lan truyền trên nền mực nước tổng hợp 2.7m vào khu vực

Hải Hậu với phương án công trình I

142

Hình 5.16b: Trường sóng tính tóan bão cấp 9 với độ cao sóng 2.01m,

Hải Hậu với phương án công trình I (Khu vực trích xuất số liệu kè D4,

đê ngầm N1, đê ngầm N2, kè D5)

143

144

Hải Hậu PA I (Khu vực trích xuất số liệu kè D4, đê ngầm N1, đê ngầm

N2, kè D5)

145

chu kỳ 10s lan truyền trên nền mực nước tổng hợp 3.2m vào khu vực

146

Hải Hậu với phương án công trình I (Khu vực trích xuất số liệu kè D4,

đê ngầm N1, đê ngầm N2, kè D5)

147

Hải Hậu với PAI

148

Hải Hậu với PAI (Khu vực trích xuất số liệu kè D4, đê ngầm N1, đê

ngầm N2, kè D5)

149

Hình 5.20: Trường sóng tính tóan các cấp bão 9 với độ cao sóng

2.01m, chu kỳ 6.7s lan truyền trên nền mực nước tổng hợp 2.7m,

3.5m, 3.2m và 4.0m vào khu vực Hải Hậu địa hình đáy tự nhiên không

có công trình

150

Hình 5.21: Trường sóng tính tóan cấp 12 với độ cao sóng 2.7m, chu kỳ 151

Trang 15

Hình 6.1 Khúc xạ sóng 158

Hình 6.2 Hiện tượng nhiễu xạ sóng tại đê nhô đơn 158

Hình 6.3 Mặt cắt bãi biển khu vực Hải Hậu - Nam Định 164

Hình 6.5 Thiết lập mô hình thí nghiệm cho trường hợp bề dày rừng:

4m (Mô hình_MH) tương đương 80m (Nguyên hình_NH)

167

Hình 6.7 Phổ sóng tự nhiên tại Hải Hậu - Nam Định 169

Hình 6.8 So sánh phổ sóng kiểm định và phổ sóng thực đo tại Hải

Hậu

170

Hình 6.9 Phân bố trường vận tốc sóng truyền theo phương ngang qua

rừng cây: a) vùng nước nông, b) vùng nước sâu chuyển tiếp

171

Hình 6.10 Cơ chế tiêu tán năng lượng sóng qua rừng ngập mặn 171

Hình 6.11 Đường quan hệ giữa hệ số giảm sóng Kt và mật độ, chiều

cao cây tại các cấp mực nước khác nhau, trường hợp chiều cao sóng

cấp 9 ( hs = 2m)

174

cao cây tại các mực nước khác nhau, trường hợp chiều cao sóng cấp

12 ( hs = 2.7m)

174

Hình 6.13 Biến động chiều cao sóng qua bãi khi có và không có RNM

Trường hợp chiều cao sóng MH - hs=0.135m (NH - hs =2.7m - Bão

cấp 12)

175

cao cây tại các cấp mực nước khác nhau, trường hợp B = 120m, hs =

2.0m

176

2.7m

176

2.0m

177

2.7m

177

Hình 6.19 Quan hệ giữa K t và d/H t tại các mực nước thí nghiệm 181

Hình 6.20 Quan hệ giữa K t và tỷ số R c /H si 184

Trang 16

Hình 6.21 Quan hệ giữa K t và biểu thức bề rộng tường B/L 184

Hình 6.22 Sự truyền sóng qua đầu kè ngang chữ T 185

Hình 7.1 Kết quả tra bảng theo phụ lục B tại các mặt cắt 9 - Cát Hải;

10 - Đồ Sơn và 12 - Thái Bình

189

Hình 7.3 Hệ thống rễ trên mặt đất của một số loài CNM có tác dụng cản

sóng và giữ đất bồi (¶nh: Phan Nguyªn Hång)

192

Trang 17

PHẦN A: THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

I Lời nói đầu

Nước ta có bờ biển dài hơn 3000km với chế độ thủy văn, động lực, địa chất, địa mạo rất phức tạp cùng với hoạt động thường xuyên của bão, lũ luôn đe dọa, nên việc xây dựng, củng cố, nâng cấp hệ thống đê biển bảo vệ an toàn cho các vùng ven biển là nhiệm vụ vô cùng cấp bách Để xây dựng được hệ thống đê biển kiên cố, an toàn và tối

ưu về mặt kinh tế đòi hỏi phải có những nghiên cứu chuẩn xác về điều kiện tự nhiên cho từng khu vực, trong đó đặc biệt quan trọng là những tham số sóng ven bờ liên quan đến việc thiết kế và đảm bảo sự bền vững của hệ thống đê biển Từ những nhu cầu thực tế bức xúc trên, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã xây dựng Chương trình Khoa học công nghệ nhằm xây dựng, củng cố và nâng cấp đê biển cho

vùng ven bờ nước ta trong giai đoạn đến 2010 Đề tài “Xác định chiều cao sóng trong

tính toán thiết kế đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam” do Viện Khoa học Thủy lợi

Việt Nam thực hiện là một trong những đề tài thuộc Chương trình Khoa học và Công nghệ nói trên

Xuất phát từ nhiệm vụ trước mắt của việc xây dựng, bảo vệ đê biển và phát triển kinh tế biển có thể thấy nhu cầu nghiên cứu tính toán sóng thiết kế có độ chuẩn xác và tin cậy cao và tác dụng của rừng cây chắn sóng và các công trình phá, giảm sóng trên bãi biển trước đê là một vấn đề rất bức xúc, có ý nghĩa to lớn về kinh tế Các kết quả đạt được của việc thực hiện đề tài sẽ kịp thời phục vụ kế hoạch, lựa chọn các giải pháp

kỹ thuật bảo vệ đê kè biển góp phần phát huy hiệu quả đầu tư sắp tới của Chương trình nâng cấp đê biển

Trung tâm nghiên cứu Động lực Cửa sông Ven biển & Hải đảo thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam là đơn vị đã có nhiều năm nghiên cứu về động lực cửa sông ven biển và công trình bảo vệ bờ biển, đã tích lũy khá nhiều kinh nghiệm nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này Trong quá trình thực hiện, đề tài cũng đã cũng tham khảo nhiều tài liệu quốc tế mới về các vấn đề liên quan và cũng nhận được sự tư vấn khoa học, giúp đỡ trong việc triển khai nhiều hạng mục phức tạp của Đề tài từ các chuyên gia Hà Lan, Nhật Bản thông qua Dự án hỗ trợ kỹ thuật của trường TUDELF (Hà Lan): Gerrit J Schiereck, TS Foekje Buijs, TS Sasia van Vuren, Bob Maaskant và Tomohiro Suzuki trong phần nghiên cứu tính toán sóng trong bão và đặc biệt về nghiên cứu tính toán truyền sóng qua rừng ngập mặn, xác định chiều cao sóng phục vụ tính toán thiết kế đê biển Nhân đây, chúng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn về sự hợp tác hữu nghị này

II Mục tiêu của đề tài

- Đưa ra được phương pháp xác định chiều cao sóng đảm bảo tính chính xác, đơn giản, phù hợp với điều kiện tự nhiên của từng phần bờ biển trong dải bờ biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam

Trang 18

- Nâng cấp, hoàn thiện tiêu chuẩn tính toán sóng phục vụ công tác thiết kế bảo vệ

và nâng cấp đê biển Xây dựng được Hướng dẫn áp dụng

- Đề xuất được các tiêu chuẩn xác định kích thước, mật độ tối ưu của các loại rừng cây chắn sóng khác nhau và tiêu chuẩn lựa chọn loại hình công trình giảm sóng trước đê

III Nội dung thực hiện đề tài

Chương I: Tổng quan các kết quả nghiên cứu về sóng ven bờ đã có trước đây

trong dải ven biển nghiên cứu

Chương II: Kết quả đo đạc địa hình, thủy hải văn bãi biển có rừng ngập mặn

Tiền Hải - Thái Bình phục vụ kiểm định mô hình tính toán sự giảm sóng qua rừng

ngập mặn

Chương III: Xác định các tham số thống kê sóng cho các vùng đặc trưng trong

dải ven biển nghiên cứu

Chương IV: Xác định các tham số sóng trong điều kiện gió mạnh trong gió mùa,

bão tại vùng nước sâu và ven bờ và bổ sung hoàn thiện hướng dẫn tính toán sóng thiết

kế

Chương V: Kết quả nghiên cứu xác định mức độ giảm sóng và các chỉ tiêu thiết

kế RNM và công trình giảm phá sóng bằng phương pháp mô phỏng quá trình tương tác giữa chúng và sóng trên mô hình số

Chương VI: Kết quả nghiên cứu xác định mức độ giảm sóng và các chỉ tiêu thiết

kế RNM và công trình giảm phá sóng bằng phương pháp mô phỏng quá trình tương

tác giữa chúng và sóng trên mô hình thí nghiệm vật lý

Chương VII: Kiến nghị bổ sung hướng dẫn tính toán thiết kế đê biển, các giải

pháp KHCN nhằm bảo vệ, ổn định bãi và đê biển

IV Cách tiếp cận

- Dựa vào đặc điểm điều kiện tự nhiên của phân vùng dải ven biển, chế độ sóng ven bờ theo mùa và cực trị trong gió mùa, bão và nhu cầu hoàn chỉnh hướng dẫn tính toán sóng phục vụ công tác thiết kế đê, kè biển và các công trình khai thác vùng cửa sông, ven biển

- Tiếp cận kế thừa các kinh nghiệm, các tài liệu và kết quả nghiên cứu về sóng ven bờ đã có trước đây trong khu vực bờ biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam bao gồm: bộ số liệu quan trắc sóng ven bờ, biến động địa hình bãi, các kết quả nghiên cứu

đã được ứng dụng để xây dựng đê, kè biển trong nước và thành tựu KHCN hiện đại trên thế giới

- Tiếp cận hệ thống và tổng hợp phân tích đánh giá hạn chế của các qui phạm tính sóng hiện hành và điều kiện khó khăn về số liệu cơ bản ở nước ta đi đến phương pháp thực hiện của các tác giả đề tài sẽ theo hướng xây dựng hệ thống thông tin dữ

Trang 19

dùng để phục vụ các công trình biển vùng ven bờ và sát bờ trong đó có xây dựng đê

biển.Đánh giá hiệu quả, xây dựng chỉ tiêu thiết kế của RNM và các loại hình công

trình chủ động phá, giảm sóng trên bãi trước đê biển dưới tác động của hệ thống tổng

hợp nhiều yếu tố liên quan ràng buộc như: địa hình, thổ nhưỡng, chế độ thủy thạch

động lực ven bờ khu vực và hoạt động của cộng đồng cư dân ven biển

V Phương pháp nghiên cứu:

- Tổng hợp, kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực sóng ven

bờ Dùng phương pháp thống kê, phân tích số liệu thực đo trên cơ sở khai thác tối đa

các nguồn số liệu thực đo sóng ven bờ của các cơ quan nghiên cứu trong nước và

nguồn số liệu sóng ngoài khơi của một số tổ chức khí tượng quốc tế

- Sử dụng phương pháp khảo sát bằng hệ thống máy đo sóng, địa hình thế hệ

mới hiện đại nhằm đo đạc các tham số đặc trưng năng lượng sóng ứng với các kiểu

rừng ngập mặn với các điều kiện gió khác nhau tại địa điểm lựa chọn tại Tiền Hải-

Thái Bình trên phục vụ xây dựng điều kiện biên và kiểm chứng các bài toán mô phỏng

bằng mô hình toán và vật lý

- Nhiều kỹ thuật hiện đại đã được sử dụng trong khuôn khổ đề tài: Sử dụng

phương pháp mô phỏng trên mô hình vật lý, các mô hình tính sóng họ MIKE để mô

phỏng tuơng tác giữa RNM, công trình và sóng Mô tả được hiện tượng tiêu tán năng

lượng sóng sử dụng tham số ma sát đáy và công thức của Dalrymple (1984) là phương pháp

xấp xỉ quá trình tiêu tán năng lượng sóng do thực vật thích hợp nhất để tích hợp vào mô hình

truyền qua rừng ngập mặn.Mô hình SWAN cung được sử dụng để tính toán sóng lập bảng

sóng và công trình

- Sử dụng tài liệu phân tích viễn thám & GIS phân tích diễn biến quá trình biến

động của RNM và bờ biển

VI Kinh phí và tiến độ thực hiện đề tài

- Kinh phí thực hiện đề tài: 2.550 triệu đồng

Trong đó: - Từ nguồn vốn SNKH: 1.200 triệu đồng;

- Từ nguồn vốn XDCB: 1.350 triệu đồng

- Thời gian thực hiện: từ 5/2007 đến 1/2009 (gia hạn đến 6/2009)

VII Thống kê danh mục sản phẩm của đề tài (tính đến tháng 6/2009):

Bảng A.1 Danh mục tài liệu

Trang 20

Bảng A.2 Danh mục chi tiết các chuyên đề khoa học

Chuyên đề 3 Lựa chọn các phương pháp, nội dung nâng cấp hoàn thiện

hướng dẫn tính toán sóng thiết kế phù hợp

Hoàn thành theo

đề cương

đề cương Chuyên đề 5 Tổng quan thực trạng các công trình giảm sóng gây bồi Hoàn thành theo

đề cương

PHẦN VỐN XDCB: THỰC HIỆN NĂM 2008-2009

Chuyên đề 6 Tổng quan các kết quả nghiên cứu về giảm sóng do rừng

ngập mặn và công trình giảm sóng gây bồi bảo vệ đê kè biển đã có trước đây trong dải ven biển nghiên cứu

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 7 Lựa chọn các phương pháp nghiên cứu xác định mức độ

giảm, phá sóng của công trình trong các điều kiện sóng gió khác nhau

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 8 Xây dựng lưới tính lan truyền sóng vào vùng ven bờ cho

vùng Thanh Nghệ Tĩnh

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 11 Xây dựng lưới tính lan truyền sóng vào vùng ven bờ cho

Chuyên đề 13 Thiết lập các tham số vật lý của mô hình tính toán trường

sóng, tính tóan hiệu chỉnh trường sóng cho các trường hợp

đã lựa chọn

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 14 Kiểm chứng kết quả tính lan truyền sóng vào vùng ven bờ

cho vùng Quảng Ninh - Hải Phòng

Hoàn thành theo

Chuyên đề 16 Kiểm chứng kết quả tính lan truyền sóng vào vùng ven bờ

Chuyên đề 17 Kiểm chứng kết quả tính lan truyền sóng vào vùng ven bờ

cho vùng Bình Trị Thiên

Hoàn thành theo

Chuyên đề 19 Xác định các tham số sóng vùng nước sâu khu vực Quảng

Ninh - Hải Phòng với các chu kỳ lặp khác nhau bằng phương pháp thống kê cực trị

Hoàn thành theo

đề cương

Trang 21

Thứ tự Tên tài liệu Ghi chú

Hóa - Hà Tĩnh với các chu kỳ lặp khác nhau bằng phương pháp thống kê cực trị

đề cương

Bình - Thừa Thiên Huế với các chu kỳ lặp khác nhau bằng phương pháp thống kê cực trị

Hoàn thành theo

đề cương

Nam - Đà Nẵng với các chu kỳ lặp khác nhau bằng phương pháp thống kê cực trị

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 24 Thiết lập bảng kết quả tính sóng theo tốc độ gió, đà sóng,

thời gian gió thổi đối với các vùng biển được che chắn có

đà sóng hạn chế

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 25 Thiết lập lưới tính sóng truyền từ vùng nước sâu vào bờ

cho mô hình tính toán lan truyền sóng đối với phân vùng Quảng Ninh - Hải Phòng

Hoàn thành theo

cho mô hình tính toán lan truyền sóng đối với phân vùng Hải Phòng - Ninh Bình

Hoàn thành theo

cho mô hình tính toán lan truyền sóng đối với phân vùng Thanh Nghệ Tĩnh

Hoàn thành theo

cho mô hình tính toán lan truyền sóng đối với phân vùng Bình Trị Thiên

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 29 Thiết lập lưới tính sóng truyền từ vùng nước sâu vào bờ

cho mô hình tính toán lan truyền sóng đối với phân vùng Quảng Nam Đà Nẵng

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 30 Thiết lập các đặc điểm vật lý của mô hình tính tóan lan

Chuyên đề 31 Tính toán hiệu chỉnh và kiểm định trường sóng lan truyền

cho vùng bờ bị che chắn Quảng Ninh - Hải Phòng

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 32 Tính toán hiệu chỉnh và kiểm định trường sóng lan truyền

cho vùng bờ Hải Phòng - Ninh Bình

Hoàn thành theo

Chuyên đề 34 Tính toán hiệu chỉnh và kiểm định trường sóng lan truyền

cho vùng bờ Bình Trị Thiên

Hoàn thành theo

cho vùng bờ Quảng Nam - Đà Nẵng Hoàn thành theo đề cương Chuyên đề 36 Đề xuất giải pháp, các chỉ tiêu thiết kế rừng ngập mặn

chống sóng bảo vệ đê biển phù hợp với điều kiện tự nhiên chung và đặc thù của các phân vùng nghiên cứu

Hoàn thành theo

đề cương

PHẦN VỐN SNKH: THỰC HIỆN NĂM 2008-2009

Chuyên đề 37 Thống kê, phân tích các đặc trưng năng lượng sóng ven bờ

theo phương pháp sóng đơn cho vùng Bắc Bộ Hoàn thành theo đề cương Chuyên đề 38 Thống kê, phân tích các đặc trưng năng lượng sóng ven bờ

theo phương pháp sóng đơn cho vùng Bắc Trung Bộ Hoàn thành theo đề cương Chuyên đề 39 Thống kê, phân tích các đặc trưng năng lượng sóng ven bờ

theo phương pháp sóng đơn cho vùng TrungTrung Bộ

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 40 Phân tích các đặc trưng năng lượng sóng ven bờ theo

phương pháp phổ cho khu vực Bắc Bộ Hoàn thành theo đề cương

Trang 22

Chuyên đề 41 Phân tích các đặc trưng năng lượng sóng ven bờ theo

phương pháp phổ cho khu vực Bắc Trung Bộ

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 42 Quy luật diễn biến bãi khu vực nghiên cứu bằng phương

pháp phân tích thống kê theo mùa, năm và các hình thái thời tiết đặc biệt

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 43 Quan hệ giữa ảnh hưởng của các đặc trưng thống kê sóng

Chuyên đề 44 Lựa chọn các phương pháp tính toán lan truyền sóng từ

vùng nước sâu vào khu vực công trình đê biển Hoàn thành theo đề cương Chuyên đề 45 Đà gió cho vùng nước hẹp bị che chắn: chi tiết hóa tính

tóan đà tương đương

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 46 Điều chỉnh giá trị đà gió cực đại theo vận tốc gió Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 47 Hướng dẫn phương pháp tính toán sóng nước sâu theo biểu

đồ

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 48 Tính tóan bổ sung, thành lập các bảng tính sẵn từ B-7-1

đến B-7-12 các mức tốc độ gió 30, 40, 50 m/s cho các vùng biển đưược che chắn có đà sóng hạn chế (khu vực các vùng ven bờ Quảng Ninh, các cửa sông bị che khuất đối với trường sóng vùng khơi)

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 49 Thiết lập bảng tra tính sẵn các tham số sóng nước sâu theo

tọa độ địa lý và các tham số sóng nước nông theo các phân vùng phân vùng 2: Bắc Bộ

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 50 Thiết lập bảng tra tính sẵn các tham số sóng nước sâu theo

tọa độ địa lý và các tham số sóng nước nông theo các phân vùng phân vùng 3: Thanh Nghệ Tĩnh

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 51 Thiết lập bảng tra tính sẵn các tham số sóng nước sâu theo

tọa độ địa lý và các tham số sóng nước nông theo các phân vùng phân vùng 4: Bình Trị Thiên

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 52 Thiết lập bảng tra tính sẵn các tham số sóng nước sâu theo

tọa độ địa lý và các tham số sóng nước nông theo các phân vùng phân vùng 5: Quảng Nam - Đà Nẵng

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 53 Xây dựng chỉ dẫn sử dụng phương pháp tính tóan các yếu

tố sóng nước sâu, lan truyền sóng vào vùng nước nông và sóng trong bão bằng các mô hình số trị cho một số vùng đê trọng yếu và có địa hình đáy biển ven bờ phức tạp, một số vùng cửa sông: Đối với vùng đê trọng yếu và có địa hình đáy biển ven bờ phức tạp

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 54 Xây dựng chỉ dẫn sử dụng phương pháp tính tóan các yếu

tố sóng nước sâu, lan truyền sóng vào vùng nước nông và sóng trong bão bằng các mô hình số trị cho một số vùng đê trọng yếu và có địa hình đáy biển ven bờ phức tạp, một số vùng cửa sông: Đối với một số vùng cửa sông

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 55 Tính tóan sóng trong khu vực bị che chắn: Chiều cao sóng

nhiễu xạ, hệ số nhiễu xạ, chiều cao sóng nhiễu xạ có tính đến phản xạ sóng từ công trình

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 56 Hướng dẫn quy trình tính sóng trong bão chung Hoàn thành theo

Trang 23

Chuyên đề 58 Xây dựng quy trình xác định các tham số sóng phục vụ

thiết kế đê, kè biển và các công trình khai thác vùng cửa

sông ven biển: các yêu cầu về số liệu

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 59 Xác định độ cao sóng nước sâu tương ứng (H’o) Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 60 Xác định độ cao sóng có ý nghĩa tại công trình (H1/3) Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 61 Xác định độ cao sóng cực trị tại chân công trình theo phân

Chuyên đề 62 Xác định giá trị độ cao sóng thiết kế tổng hợp không tính

đến tác động của dòng chảy

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 63 Sơ bộ đánh giá, phân loại Rừng ngập mặn và công trình

giảm sóng gây bồi bảo vệ đê kè biển hiện có thuộc dải ven

bờ biển nghiên cứu

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 64 Nghiên cứu xác định mức độ giảm sóng và các chỉ tiêu

thiết kế RNM và công trình giảm phá sóng bằng phương pháp mô phỏng quá trình tương tác giữa chúng và sóng trên mô hình số: Bãi có công trình phá sóng kết hợp với kè ngang

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 65 Tính toán tác dụng giảm sóng theo phương án: Bãi có rừng

Chuyên đề 66 Tính toán bố trí hợp lý rừng ngập mặn và các công trình

giảm sóng trên bãi trước đê theo 3 PA bố trí Hoàn thành theo đề cương Chuyên đề 67 Tổng quan nghiên cứu xác định hệ số và các tham số quan

hệ giảm sóng khi bãi có rừng ngập mặn với chủng loại kích thước khác nhau

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 68 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số và các tham số quan hệ

giảm sóng khi bãi có rừng ngập mặn

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 69 Kết quả kiểm định và thí nghiệm nghiệm chứng mô hình

bố trí qui hoạch rừng ngập mặn

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 70 Thí nghiệm xác định các tham số quan hệ giảm sóng, bề

rộng tối thiểu của rừng ngập mặn với 03 Phương án qui hoạch mặt bằng

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 71 Kết quả kiểm định và nghiệm chứng mô hình thí nghiệm

xác định hệ số giảm sóng khi bãi có công trình giảm, phá sóng

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 72 Xác định hệ số và các tham số quan hệ giảm sóng khi bãi

có công trình giảm, phá sóng với độ cao khác nhau Hoàn thành theo đề cương Chuyên đề 73 Kết quả kiểm định và nghiệm chứng mô hình thí nghiệm

xác định hệ số giảm sóng khi bãi có công trình các dạng công trình gây bồi giảm sóng

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 74 Xác định hệ số và các tham số quan hệ giảm sóng khi bãi

có công trìnhnh các dạng kè ngang gây bồi phá sóng với kích thước khác nhau

Hoàn thành theo

đề cương

Chuyên đề 75 Kiểm định và thí nghiệm nghiệm chứng mô hình thí

nghiệm xác định mức độ giảm sóng khi bãi có tổ hợp bố trí công trình phá sóng phối hợp

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 76 Xác định mức độ giảm sóng khi bãi có tổ hợp bố trí công

trình phá sóng phối hợp

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 77 Xác lập luận cứ khoa học, xây dựng quy trình xác định các Hoàn thành theo

Trang 24

Chuyên đề 78 Kiến nghị chiều rộng tối thiểu và các kích thước thiết kế

rừng cây chắn sóng trên bãi trước đê biển, bổ sung hướng dẫn tính toán thiết kế đê biển

Hoàn thành theo

đề cương Chuyên đề 79 Đề xuất giải pháp KHCN làm giảm sóng ổn định và chống

được phá hoại của sóng lớn, bằng biện pháp nuôi trồng bảo

vệ rừng ngập mặn và các biện pháp công trình giảm, phá sóng trên bãi trước đê biển

Ghi chú

I Kết quả dạng II, III: Tiêu chuẩn, quy

trình, phương pháp, sơ đồ, số liệu, báo

cáo

1.1 - Phương pháp phân tích lựa chọn phân

vùng đặc trưng để áp dụng tính toán

sóng thiết kế

- Phương pháp tính toán sóng nước sâu

và lan truyền sóng trong điều kiện gió

dung theo đề cương

1.2 - Bổ sung tiêu chuẩn tính sóng thiết kế:

Các bảng tra tham số sóng đưa vào

Hướng dẫn tính toán thiết kế đê biển

- Bổ sung tiêu chuẩn thiết kế (kích

thước, bề rộng tối thiểu của RNM, )

1 1 Hoàn chỉnh các nội

1.3 - Quy trình xác định các tham số sóng

phục vụ thiết kế đê biển và các công

trình khai thác vùng cửa sông ven biển

1.4 - Bảng số liệu kết quả tính toán các tham

số sóng

- Bảng số liệu về kết quả phân tích và

tính toán trên mô hình số và thí nghiệm

vật lý về sóng

1.5 Các báo cáo phân tích

1 Báo cáo tổng quan các kết quả nghiên

cứu về sóng ven bờ đã có trước đây

trong dải ven biển từ Quảng Ninh đến

Quảng Nam

2 Báo cáo kết quả đo đạc năng lượng sóng

và các đặc trưng sóng ứng với các kiểu

Trang 25

TT Tên sản phẩm đăng ký Đăng

ký

Thực hiện

Ghi chú

các tham số thống kê sóng cho một số

vùng bờ biển đậc trưng trong dải ven

biển nghiên cứu

4 Báo cáo xác định các tham số sóng trong

điều kiện gió mạnh trong gió mùa, bão

tại vùng nước sâu và ven bờ (Thực hiện

các quy trình tính sóng vùng nước sâu

theo các mô hình tính sóng hiện đại

thuộc thế hệ III)

5 Báo cáo kết quả nghiên cứu xác định

mức độ giảm sóng và các chỉ tiêu thiết

kế RNM và công trình phá sóng bằng

phương pháp mô phỏng quá trình tương

tác giữa chúng và sóng trên mô hình số

6 Báo cáo kết quả nghiên cứu xác định

mức độ giảm sóng và các chỉ tiêu thiết

kế RNM và công trình giảm phá sóng

bằng phương pháp mô phỏng quá trình

tương tác giữa chúng và sóng trên mô

hình thí nghiệm vật lý

7 Báo cáo nghiên cứu cơ sở khoa học về

2.1 Đăng 02 bài báo trên các tạp chí:

1.Calculation of the wave parameters for

sea dyke design and upgrading (Tạp chí

2.2 Tham gia hội nghị (có 02 Báo cáo khoa

học)

hội nghị, hội thảo có liên quan đến chương trình đê biển

Trang 26

PHẦN B: BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Chương I TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG VEN BỜ ĐÃ CÓ

TRƯỚC ĐÂY TRONG DẢI VEN BIỂN NGHIÊN CỨU

Để tính các yếu tố sóng do gió trên biển phục vụ thiết kế các công trình biển hiện

có rất nhiều phương pháp Tuỳ theo yêu cầu và tính chất của nội dung thiết kế mà những người làm công tác tư vấn có thể sử dụng các phương pháp khác nhau

Trong thiết kế các công trình biển, có nước định ra các qui trình, qui phạm, tiêu chuẩn ngành, có nước chỉ xuât bản sổ tay tra cứu, có nước không đề ra qui định gì, tuỳ các nhà tư vấn lựa chọn Ở Việt Nam, việc thiết kế các công trình nhất nhất phải tuân theo các qui phạm Nhưng các qui phạm hoặc qui trình, tiêu chuẩn ngành của Việt Nam thường được biên soạn theo một qui trình, qui phạm của nước ngoài, nên khi sử dụng thường gặp khó khăn.Trên cơ sở tổng quan các phương pháp tính sóng, phân tích

và đề xuất định hướng cho việc biên soạn qui phạm tính sóng cho công trình đê biển của Việt Nam

I.1 TỔNG QUAN CÁC QUI PHẠM, HƯỚNG DẪN TÍNH SÓNG THIẾT KẾ I.1.1 Tổng quan các phương pháp tính sóng gió trên biển

I.1.1.1 Về phương pháp luận

Tính toán các yếu tố sóng hiện nay có thể qui về ba loại cơ bản: Phương pháp kinh nghiệm, phương pháp năng lượng và phương pháp phổ

a Phương pháp kinh nghiệm: Dựa vào tài liệu quan trắc sóng và gió, dùng

phương pháp thống kê toán lý, xác lập quan hệ giữa các yếu tố sóng và gió Sử dụng các quan hệ này, chỉ cần biết yếu tố gió sẽ dự báo được các yếu tố sóng tương ứng

b Phương pháp năng lượng: Cho rằng sóng nhận được năng lượng từ gió, đồng

thời lại tiêu hao năng lượng vì sức cản ma sát Có thể xây dựng phương trình cân bằng năng lượng, thông qua phương pháp toán học, xác lập biểu đồ quan hệ giữa sóng và gió, sau đó sử dụng những biểu đồ đó để dự báo

c Phương pháp phổ: Năng lượng này phân bố theo tần suất của các sóng thành

phần Nếu tìm ra được qui luật phân bố năng lượng này thì có thể căn cứ vào quan hệ giữa phổ và các yếu tố sóng để dự báo các yếu tố sóng

I.1.1.2 Về phương pháp tính toán

Tuy có rất nhiều phương pháp tính toán yếu tố sóng, nhưng trong quá trình suy diễn và sử dụng đều phải xử lý có tính chất kinh nghiệm, vì vậy phần lớn đều thuộc loại kinh nghiệm, bán lý thuyết

Trang 27

Các công thức kinh nghiệm tính toán các yếu tố sóng có rất nhiều như L.P Titôp, của SMB (Sverdrup - Mank - Bretschneider), của Suleikin, của Pierson - Rayman - James, của Krưlov,

2) Tính toán theo các biểu đồ bảng biểu lập sẵn

BIểu đồ Hindcast được sử dụng nhiều nhất và được giới thiệu chi tiết trong sổ tay

kỹ thuật bảo vệ bờ của Mỹ (SPM, tập 1) Tổ chức khí tượng thế giới WMO cũng đưa

ra các đồ thị, bảng biểu trong “cẩm nang phân tích và dự báo sóng N0-702” (Xuất bản

1990, tái bản năm 1998, Genever) Ngoài ra, các qui trình qui phạm của Liên Xô cũ, của Trung Quốc (Qui phạm kỹ thuật công trình cảng - 1987) đều công bố và khuyến cáo các biểu đồ, bảng biểu để tính toán các yếu tố sóng

3) Tính toán theo phần mềm máy tính: dựa trên cơ sở các phương trình giải các

hệ phương trình lý thuyết về sóng

Hiện nay trên thế giới đã công bố và đưa ra thị trường rất nhiều sản phẩm phần mềm để tính sóng như:

- Của Mỹ: ACES, RCPWAVE, STWAVE, REFDIF, SMB

- Của Anh: OUTRAY,

- Của Đan Mạch: MIKE-21-NSW

- Của Hà Lan: DELFT-3D, CRESS.8.04

4) Nghiên cứu trên mô hình vật lý (bể sóng và máng sóng) phát triển mạnh ở các

nước Anh (Walingford), Hà Lan (Delft), Pháp (SORGREAH),

I.1.2 Đặc điểm và điều kiện ứng dụng của một số chương trình tính toán tiêu biểu:

I.1.2.1 Tính toán sóng biển sâu:

a) Phương pháp tính toán sóng biển sâu dựa vào cẩm nang phân tích và dự báo

tái bản năm 1998, Genever) Điều thuận lợi nhất là không cần phải kiểm định độ tin cậy của các phương pháp tính sóng biển sâu theo trường gió khi sử dụng phương pháp đóng gói trong cẩm nang này

b) Phương pháp SMB

Với các vùng biển kín hoặc nửa kín, tương đối bị hạn chế về đà gió, ở đây tồn tại dạng sóng gió là chính, sử dụng phương pháp SMB để tính sóng ngoài khơi Phương pháp SMB đã được xây dựng trên cơ sở các công thức tính độ cao sóng hữu hiệu và chu kỳ trung bình của sóng phụ thuộc vào tốc độ kéo của gió trên mặt nước, đà sóng

và độ sâu điểm tính ở nước ta, phương pháp này đã được sử dụng cho các vùng ven

bờ Vịnh Bắc Bộ và Vịnh Thái Lan

c) Phương pháp phổ năng lượng sóng trong bão

Tại các vùng biển rộng với đà gió lớn và luôn tồn tại sóng lừng kết hợp với sóng gió, có thể sử dụng phương pháp phổ tham số để tính sóng ngoài khơi Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở giải phương trình cân bằng năng lượng các thành phần

Trang 28

phổ viết dưới dạng tham số, được giải riêng cho trường hợp sóng gió và sóng lừng sau

đó tổng hợp lại Kết quả nhận được là độ cao sóng lớn, chu kỳ và hướng sóng trung bình của sóng tổng cộng tại từng điểm tính phụ thuộc vào tốc độ gió và các tham số tính toán khác (độ sâu, bước thời gian, hướng sóng, khoảng tần số tính sóng lừng, )

d) Chế độ sóng vùng biển sâu còn có thể nhận được theo cách thu thập từ các số liệu viễn thám hay từ các số liệu tính toán bằng các mô hình tính toán sóng/gió cỡ

toàn cầu của các trung tâm tính toán và dự báo thời tiết trên biển và cũng có thể có được bằng các phương pháp tính toán sóng dựa trên số liệu gió tại các trạm khí tượng hải văn trên cao Ví dụ, tại khu vực Biển Đông, có thể lấy được các số liệu của Cơ quan khí tượng Anh (BMO); Có thể lấy các số liệu của chương trình Nghiên cứu Khí tượng Hải Dương, vùng Đông Nam Á - SEAMOS hoặc các số liệu của các Trung tâm

dự báo thời tiết khu vực như Nhật (JMA), Hồng Kông, Mỹ, ; Các số liệu bão có thể thu thập từ bản đồ đường đi của bão của Cơ quan Quốc gia về Đại Dương và khí quyển Mỹ, NOAA CD-ROM hoặc từ số liệu của các trung tâm dự báo khí tượng của các nước trong khu vực, trong đó có Trung tâm Khí tượng thuỷ văn Quốc gia nước ta Các số liệu viễn thám về trường sóng hoặc các số liệu trường sóng tính toán và phân tích thường là các số liệu chỉ mới có trong những năm gần đây (cỡ khoảng 5 năm) Ngoài ra các số liệu này có rất nhiều hạn chế, như loại số liệu có độ chính xác khá tốt về độ cao (satellite altimeter record) đo được ở dạng các chuỗi độ cao sóng theo các thời gian nhưng lại không có các thông tin về chu kỳ và hướng sóng Số liệu trường sóng vùng nước sâu có độ tin cậy nhất có thể là các số liệu nhận được từ các

mô hình tính sóng hoặc các trường sóng phân tích của các trung tâm nghiên cứu, dự báo biển như BMO, SEAMOS, JMA Tuy nhiên, như đã nêu trên, các số liệu này thường chỉ có trong khoảng 5 năm (gần đây trên địa chỉ của SEAMOS có thông báo là

đã có các chuỗi số liệu sóng cho nhiều điểm trên Biển Đông với thời gian tính toán là

20 năm www.oceanweather.com)

I.1.2.2 Các mô hình tính sóng ven bờ

a) Mô hình tính sóng ven bờ biển và cửa sông CRESS.8.4 Delft, Hà Lan (1999)

được dùng để tính sóng do gió tại chuỗi sinh ra Đây cũng là một phần mềm thông dụng thường được dùng khi điều kiện địa hình đáy và bờ biển tương đối đơn giản và cho kết quả tính toán ổn định và tin cậy

b) Phương pháp tính sóng ven bờ khác là mô hình số trị RCPWAVE nổi tiếng,

thông dụng, do Trung tâm nghiên cứu công trình biển ven bờ, thuộc Quân đội Hoa Kỳ (CERC, US Army, 1986), phát triển vào mô hình sóng elliptic Mild-Slope Wave Model (Berkhoff, 1972) Nó đã được tiếp tục cải tiến và đóng gói dưới dạng một phần mềm tin học khá hoàn chỉnh

c) Mô hình STWAVE

Trang 29

triển STWAVE là mô hình sai phân hữu hạn phổ ổn định để tính sóng trong vùng ven

bờ

STWAVE mô phỏng quá trình khúc xạ, hiệu ứng biển nông, tương tác với dòng chảy, sóng đổ, nhiễu xạ, sự phát triển sóng gió, tương tác giữa sóng và sóng, mô hình cho trường biến đổi độ cao sóng gần công trình Phổ sóng là đại diện thống kê của trường sóng, nó mô tả phân bố năng lượng như là hàm số của tần số (phổ một chiều) hoặc của tần số và góc (phổ 2 chiều)

Những điều kiện của mô hình là:

- Địa hình đáy có độ dốc vừa và bỏ qua sóng phản xạ, ma sát đáy

- Các điều kiện sóng nước sâu của không gian mô phỏng không đáng kể và với khoảng 10km được coi là nhỏ Như vậy, các phổ đầu vào trong STWAVE là không đổi dọc theo biên nước sâu.Trong mô hình STWAVE, tính toán khúc xạ và biến dạng trường sóng khi truyền vào vùng bờ dựa trên cơ sở áp dụng luật bảo toàn năng lượng dọc theo tia sóng

d) Mô hình MIKE-21-NSW của DHI (Đan Mạch)

Trong bộ MIKE của Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI), nhiều mô hình tính toán sự lan truyền sóng vào vùng cửa sông, ven bờ đã được áp dụng: Mô hình tia sóng, mô hình elliptic (MIKE-21-NSW), mô hình Parabolic (MIKE-21-PMS) Mỗi mô hình đều

có những ưu nhược điểm của nó Phương pháp elliiptic có tính toán đến hiện tượng nhiễu xạ nhưng không thích hợp cho bài toán có miền tính lớn Mô hình Parabolic có thể tính toán cho sự lan truyền sóng trong miền lớn với địa hình phức tạp nhưng yêu cầu phải có một trục toạ độ phải song song với hướng sóng chính nên không thích hợp cho miền tính có địa hình phức tạp và hướng sóng chính chưa được xác định cụ thể

Mô hình MIKE-21-NSW là mô hình có thể loại trừ những nhược điểm trên

MIKE-21-NSW là mô hình số trị phổ sóng gió ven bờ Mô hình này có khả năng

mô phỏng sự lan truyền, sự phát triển và sự suy giảm của sóng khi truyền vào ven bờ

I.1.3 Các phương pháp tính sóng trong quy phạm (sổ tay) các nước tiên tiến trên thế giới

Trong phần phụ lục đã giới thiệu 5 quy phạm tính sóng của Nhật Bản, Trung Quốc, Liên Xô cũ, Anh và Mỹ Quy phạm Nhật Bản đã được Hội Cảng - Đường thuỷ Việt Nam dịch ra tiếng Việt Quy phạm Liên Xô cũ CH.2.0604-82* đã được dịch ra tiếng Việt và Bộ GTVT đã lấy nguyên văn làm tiêu chuẩn ngành 22TCN-222-95 sử dụng cho đến nay Quy phạm của Anh BS6349 cũng đã được dịch ra tiếng Việt và được nhiều cơ quan tư vấn của Bộ GTVT sử dụng trong một số dự án

Trong 14 TCN-130-2002 hướng dẫn thiết kế đê biển, phần tính sóng đã giới thiệu

3 phương pháp:

- Phương pháp Bretshneider kèm theo các bảng tra do Pilarczyk lập

- Phương pháp sử dụng phần mềm ACES, RCPWAVE và OUTRAY

- Phương pháp biểu đồ Hindcar của Mỹ

Trang 30

Do không quy định rõ bắt buộc tính theo phương pháp nào nên các kỹ sư tư vấn rất khó sử dụng

Từ các quy phạm của 5 nước kể trên ta có thể thấy, mặc dù ở các nước đó có những phần mềm mạnh, nhưng khi thiết kế công trình họ đều quy định sử dụng các đồ thị có sẵn

I.1.3.1 Qui phạm tính sóng của Nhật Bản (Technical standards and commentaries

for port and harbours facilities in Japan, 1988)

* Phương pháp xác định các điều kiện của sóng dùng trong thiết kế:

Các nguyên tắc để xác định các sóng nước sâu dùng trong thiết kế:

1) Đối với các dữ liệu đo đạc thực tế, nên có thời gian đo đạc tương đối dài (10 năm hoặc hơn) tuy nhiên, khi thiếu các số liệu đo đạc thực tế như vậy, phải sử dụng các giá trị đã dự báo có được bằng cách sử dụng các dữ liệu củat khí tượng của ít nhất khoảng 30 năm các giá trị này được niệu chỉnh bằng các dữ liệu đo đạc sóng thực tế có thể có được

2) Khi các giá trị dự báo có được từ các dữ liệu khí tượng được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng các dữ liệu đo đạc thực tế cần thiết là các dữ liệu đo đạc phải có được trong một thời kỳ ít nhất 3 năm và có được một số lượng đáng kể các trường hợp bão lớn Tuy nhiên, nếu các con sóng được ghi lại trong một thời tiết khác thường chỉ xảy

ra một lần trong một số ít đợt 10 năm và giá trị của các sóng đó vượt quá tất cả các giá trị đã dự báo, các giá trị quan sát được có thể được dùng làm sóng nước sâu tính toán 3) Nếu tuyệt đối không có các dữ liệu đo đạc thực tế tại địa điểm cần nghiên cứu, hoặc nếu các số liệu đo đạc có được chỉ là trong các điều kiện cực kỳ hạn chế, có thể

sử dụng các số liệu đo đạc cho một địa điểm lân cận có các điều kiện tự nhiên tương

tự Trường hợp này, có thể sử dụng các số liệu NOWPHAS (Nationwide ocean wave information network for ports and harbors)

4) Nếu được biết một cơn bão khác thường xuất hiện trong khu vực trước thời kỳ

mà việc dự báo sóng có sử dụng các số liệu khí tượng được thực hiện (ví dụ trong một thập niên trước đó), các số liệu ghi chép của sự kiện đó phải được xét đến

5) Khi sử dụng các giá trị dự báo cho một cơn bão giả thuyết, nên nghiên cứu đầy

đủ độ lớn của các cơn bão trước đây và các hành trình chúng đã đi, bao gồm cả một nghiên cứu về xác suất xuất hiện của một cơn bão như thế

6) Khi ước tính nước sâu có sử dụng các số liệu đo đạc thực tế, cần xét đến vấn

đề là chiều cao sóng đo được đã bị ảnh hưởng bởi khúc xạ và cạn Khi đó chiều cao sóng của sóng nước sâu phải hiệu chỉnh bằng cách chia chiều cao đo được cho hệ số cạn, trong trường hợp đó, cũng cần xem xét đến các sự thay đổi trong hướng sóng 7) Nếu chiều cao sóng có ý nghĩa có được từ các số liệu đo đạc thực tế lớn hơn một nửa chiều sâu nước tại địa điểm đo đạc, có thể cho rằng việc đo sóng này đã bị

Trang 31

8) Nên xác định sóng nước sâu sẽ được sử dụng trong thiết kế có xét đến xác suất gặp ngẫu nhiên dựa trên chu kỳ trở lại và tuổi thọ của kết cấu đang xét Tuy nhiên, cách lý giải xác suất gặp ngẫu nhiên sẽ tuỳ thuộc vào các chức năng, tầm quan trọng

và thời hạn thu hồi vốn của kết cấu và các yếu tố khác, và do đó không thể xác định nó cho trường hợp chung Vì vậy nó phải được xác định riêng cho mỗi trường hợp riêng

rẽ bằng sự xét đoán của kỹ sư chịu trách nhiệm

9) Khi xác định sóng nước sâu sẽ sử dụng trong thiết kế, cần xem xét các ngoại lực và các hư hỏng đã qua của các kết cấu hiện có lân cận với kết cấu đang thiết kế 10) Phải xác định thông số sóng nước sâu riêng biệt cho mỗi hướng của các phương vị mười sáu điểm, tuy nhiên các hướng có chiều cao sóng nhỏ và ảnh hưởng của chúng lên kết cấu đã được xét đoán là không đáng kể thì có thể loại bỏ

* Phương thức xác định các thông số của sóng tính toán

Đầu tiên, sóng nước sâu phải xác định theo phần đầu của chỉ dẫn: Nguyên tắc để xác định sóng nước sâu dùng trong thiết kế Sau đó, phải đánh giá theo biến dạng do

khúc xạ, nhiễu xạ, cạn và vỡ Cuối cùng các sóng có ảnh hưởng bất lợi nhất đến kết cấu đang nghiên cứu hoặc các công trình trong hậu phương phải được dùng làm sóng tính toán

Các thông số của sóng tính toán được xác định theo phương thức sau:

1) Các ảnh hưởng của sự biến dạng của sóng như khúc xạ, nhiễu xạ, cạn và vỡ áp

dụng cho sóng nước sâu xác định theo Nguyên tắc để xác định sóng nước sâu dùng

trong thiết kế để xác định các thông số của sóng tính toán tại vị trí thiết kế

2) Nếu vị trí đang xét phải chịu các điều kiện đặc biệt (ví dụ các sự nhiễu loạn do các sóng phản xạ từ ngoài hoặc một sự tăng chiều cao sóng do các góc lõm), cũng phải xét đến các điều kiện này

3) Lực sóng và các tác động khác của sóng lên kết cấu đang xét như việc sóng tràn bờ được xác định đối với các sóng có được trên đây

4) Tuỳ theo các điều kiện khác nhau liên quan đến các hoạt động của sóng, có thể

có trường hợp lực sóng trở thành lớn nhất khi mực nước thấp, và do đó phải tiến hành ngiên cứu cho tất cả các mực nước có thể nhận thức được

5) Việc tính toán trên được thực hiện cho mỗi hướng có thể có theo đó sóng nước sâu có thể tiến vào Sóng nước sâu có tác động lớn nhất hoặc có các ảnh hưởng lên kết cấu đang nghiên cứu hoặc các công trình ở hậu phương bất lợi nhất được chọn làm sóng tính toán

1) Các phương pháp phổ

Các phương pháp phổ có thể phân loại thành phương pháp thành phần phổ đã được phát triển bằng cách giả định rằng các thành phần của phổ cho mỗi tần số và hướng phát triển độc lập cho tới khi đạt được trạng thái cân bằng nào đó, và phương pháp thông số dựa trên ý đồ rằng sự phát triển và suy giảm của một phổ sóng có thể được mô tả bằng một số nhỏ nào đó các thông số

Phương pháp phổ có các lợi ích sau đây so với phưong pháp sóng có ý nghĩa:

Trang 32

(1) Các ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ gió và hướng gió đến sự phát triển của sóng được mô tả cụ thể

(2) Các kết quả ước tính gần đúng về chiều cao sóng và chu kỳ sóng có được ngay cả khi trường gió chuyển động cùng với việc truyền sóng

(3) Sóng do gió và nước dâng cùng với các điều kiện của biển có thể được tái hiện trong một tính toán

Nếu các kết quả dự báo sử dụng một phương pháp sóng có ý nghĩa xem ra không đáng tin, nên dự báo lần nữa bằng phương pháp phổ

Các phương pháp dự báo sóng bằng phương pháp phổ đã được phát triển nhiều nhà nghiên cứu từ các năm 1960 Các phương pháp do các nhà nghiên cứu Nhật Bản gồm có mô hình Inoue, mô hình Isozaki và Uji’s MRI, và mô hình Yamaguchi và Tsuchiya Cơ sở của các mô hình này là phương trình cân bằng năng lượng

2) Các phương pháp sóng có ý nghĩa

Trong chỉ dẫn cũng giới thiệu các sóng có ý nghĩa gồm:

- Phương pháp S-M-B: được dùng khi trường gió tĩnh Chiều cao và chu kỳ của sóng nước sâu có ý nghĩa được ước tính từ vận tốc gió và thời gian gió thổi trong trường gió và chiều dài hướng gió

3) Xử lý thống kê các dữ liệu quan trắc và sóng đã dự báo

(1) Các đặc trưng của sóng được biểu thị như sự phân bố chung của chiều dài sóng và chu kỳ sóng theo hướng sóng bằng việc sử dụng các dữ liệu sóng hàng tháng, mùa và hàng năm

(2) Các dữ liệu sóng bão phải được phân loại bằng phương pháp tính, ngưỡng để

có được bộ dữ liệu các chiều cao sóng cực hạn dùng cho việc phân tích thống kê cực hạn, và chiều cao sóng cực hạn phải biểu thị bằng chu kỳ phản hồi

(3) Ước tính chiều cao sóng theo chu kỳ lặp

Trong khi xử lý thống kê, các chiều cao sóng được xếp lại theo thứ tự thấp dần,

và tính xác suất của mỗi giá trị chiều cao sóng không vượt qua Nếu có N dữ liệu và chiều cao sóng lớn nhất thứ m được biểu thị bằng x , xác suất P để chiều cao sóng

Trang 33

[ ]

β

α+

H

P m,N 1 (1.1)

Các giá trị dùng cho phân bố Gumbel được xác định bởi Gringorten sao cho các ảnh hưởng của mức dộ phân tán thống kê trong các dữ liệu được giảm đến tối thiểu Các giá trị dùng cho phân bố Weibull được xác định bởi Petruaskas và Aagaard cũng cùng nguyên tắc đó

I.1.3.2 Qui phạm tính sóng của Liên Xô cũ

A Một số qui định chung

1 Khi xác định các thông số của sóng ở phía vùng nước không được che chắn và trong các khu nước được che chắn phải xét đến các yếu tố hình thành sóng: tốc độ gió, hướng gió, thời gian tác động liên tục của gió trên mặt nước, kích thước và hình dạng của vùng nước chịu gió, địa hình đáy biển và độ sâu vùng nước có xét đến các dao động mực nước

2 Mực nước tính toán và các đặc trưng của gió phải xác định theo kết quả xử lý thống kê các chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm (≥25năm) Khi xác định mực nước tính toán phải xét các chuỗi dao động do thuỷ triều, nước dâng và nước rút do gió bão, các dao động theo mùa và theo năm

3 Khi tính toán các thông số sóng phải chia biển thành các vùng sau đây:

• Vùng nước sâu - với độ sâu d > 0 , 5λd; ở vùng này đáy biển không ảnh hưởng

gí đến các đặc trưng của sóng;

• Vùng nước nông - với độ sâu d nằm trong phạm vi 0 , 5λd ≥ d > d cr; ở vùng này

sự lan truyền của sóng và các đặc trưng của sóng chịu ảnh hưởng của đáy biển;

• Vùng sóng đổ - từ độ sâu dcr đến độ sâu dcr.u , là hai độ sâu bắt đầu và kết thúc của sóng đổ;

• Vùng mép nước - nơi có độ sâu ≤dcr.u, ở đó dòng sóng vỡ tràn lên bờ theo chu

kỳ

4 Khi xác định độ ổn định và độ bền của công trình thuỷ và các cấu kiện, suất

bảo đảm tính toán của chiều cao sóng trong hệ sóng phải lấy theo loại công trình thuỷ

và suất bảo đảm tính toán tương ứng

5 Qui định về mực nước tính toán

Mực nước tính toán cao nhất phải lấy theo qui định của các tiêu chuẩn thiết kế công trình thuỷ Khi xác định tải trọng và tác động trên công trình thuỷ thì suất bảo đảm tính toán của mực nước phải lấy không lớn hơn

1% (1 lần trong 100 năm) - đối với công trình cấp I;

5% (1 lần trong 20 năm) - đối với công trình cấp II, III;

10% (1 lần trong 10 năm) - đối với công trình cấp IV;

Theo mực nước cao nhất hàng năm

6 Các đặc trưng tính toán của gió

Khi xác định các phần tử của sóng gió và nước dâng do gió phải lấy suất bảo đảm của cơn bão tính toán là:

Trang 34

2% (1 lần trong 50 năm) - đối với công trình cấp I và II;

4% (1 lần trong 25 năm) - đối với công trình cấp III và IV

Khi có luận cứ có thể lấy suất bảo đảm của cơn bão tính toán bằng 1% đối với các công trình cấp I và II

Giá trị đà gió lớn nhất Lu (m) cho phép lấy theo Bảng 1.1 đối với tốc độ gió tính toán VW (m/sec) cho trước

Bảng 1.1 Đà gió ứng với tốc độ gió cho trước

Giá trị đà gió lớn nhất, Lu.10-3, m 1600 1200 600 200 100

B Các thông số của sóng ở vùng nước sâu

Chiều cao trung bình h d (m) và chu kỳ trung bình của sóng T (sec) ở vùng nước

sâu phải xác định theo đường cong bao trên cùng Căn cứ vào các giá trị của các đại

lượng không thứ nguyên gt/VW và gL/VW2 và đường cong bao trên cùng để xác định các trị số g h d /V W2 và g / T V W và lấy các giá trị bé nhất tìm được để tính ra chiều cao trung bình và chu kỳ trung bình của sóng

Chiều dài trung bình λd (m) của sóng với giá trị T đã biết phải xác định theo công thức:

Chiều cao sóng có suất bảo đảm i% trong hệ sóng h d i (m) phải xác định bằng

cách nhân chiều cao trung bình của sóng với hệ số k i ứng với đại lượng không thứ

nguyên gL/V w 2 Khi đường bờ có hình dạng phức tạp thì trị số gL/V w 2 phải xác định theo đại lượng g h d /V W2 và đường cong bao trên cùng của biểu đồ

Các thông số của sóng với suất bảo đảm 1%; 2%; 4% phải lấy theo các hàm phân

bố được xác định theo các số liệu hiện trường; còn nếu không có hoặc không đủ các số liệu đó thì lấy theo kết quả xử lý các bản đồ khí tượng

C Các thông số của sóng ở vùng nước nông

Chiều cao sóng có suất bảo đảm i% ở vùng nước nông với độ dốc đáy ≥0,002 phải xác định theo công thức:

d l r t

Trang 35

Chiều dài sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông phải xác định theo hình 4 ứng với các giá trị đã biết của các đại lượng không thứ nguyên d/λd và

Chiều dài sóng ở vùng sóng đổ λsur (m) phải xác định theo đường cong bao trên cùng ở cùng đồ thị

I.1.3.3 Qui phạm tính sóng của Anh (BS6349 Part7.1991 - Maritine structures Guide

to the design and Construction of breakwater)

Khi thiết kế một công trình biển cần phải có các dự tính về trạng thái biển cực hạn có thể xảy ra tại vị trí được xây dựng Một phương pháp để thu thập được những

dự tính như vậy là sử dụng các quan sát, tính toán tốc độ gió cao và áp dụng chúng vào

kỹ thuật dự báo sóng Sau đó thực hiện phép ngoại suy dự báo chiều cao sóng để có được các dự tính các điều kiện sóng cực trị Khi có thể, nên luôn kiểm tra các dự báo này bằng những nguồn số liệu hiện có, như các quan sát sóng thực hiện trên tàu Dự báo sóng sẽ cho dự đoán về đặc trưng sóng ngoài khơi, cần để thực hiện những nghiên cứu tiếp theo, khi kết hợp chặt chẽ khúc xạ, sự suy giảm sóng do các điều kiện địa hình đáy biển ven bờ, đủ để xác định các đặc trưng sóng ven bờ

Cũng có thể thu được dự tính các điều kiện sóng cực trị bằng cách ngoại suy một loạt những phép đo sóng tại hiện trường Nói chung, điều này đòi hỏi các số liệu sóng nhiều nhất 1 năm Khi có thể, các dự tính dựa trên dự báo về sóng do gió phối hợp với các tính toán khúc xạ và tắt sóng cần được bổ sung bằng nhiều quan sát hiện trường Nếu cần dự báo chính xác trong điều kiện địa hình đáy biển phức tạp thì các quan sát hiện trường ven bờ là rất quan trọng Ví dụ như, với các dải ngầm, doi cát ngoài khơi thì ứng xử của sóng chắc chắn sẽ không tuyến tính do các ảnh hưởng như sóng

vỡ, làm cho những dự báo về nghiên cứu khúc xạ và tắt sóng không chính xác Nếu không có số liệu sóng ven bờ cho các vị trí đó, có thể sử dụng mô hình vật lý của khu vực kết hợp với máy tạo sóng ngẫu nhiên để dự tính chế độ sóng ven bờ Hướng dẫn này cho chỉ dẫn về khảo sát, dự báo và ngoại suy cho những chế độ sóng ven bờ và ngoài khơi Tiếp theo, chỉ dẫn về ảnh hưởng đối với trạng thái biển của các công trình như tường biển, đê chắn sóng và bể cảng cùng với các phương pháp xác định những điều kiện biển cho phép đối với các tàu đang neo Phần đầu hướng dẫn cho thông tin chung về các đặc trưng sóng, các định nghĩa, nguồn gốc của các thuật ngữ thường

dùng để mô tả tính chất của sóng, các đặc trưng của sóng gồm: Các dạng sóng, chiều

cao sóng, chu kỳ sóng, tần số sóng, chiều dài sóng Ngoài ra, chỉ dẫn này cũng đã cho

định nghĩa khá rõ về các tham số biểu đạt được các trạng thái biển như: chiều cao

Trang 36

Phần mới và rất quan trọng mà chỉ dẫn đã đề cập là: Chu kỳ lặp và điều kiện sóng

thiết kế

Tần số tái diễn của một hiện tượng khí tượng thường được xác định bởi chu kỳ trở lại của nó, TR, được định nghĩa là chu kỳ, lấy trung bình phân cách hai hiện tượng Cần chú ý rằng điều đó không có nghĩa là chính xác TR năm sẽ phân cách hai hiện tượng đó Trong thực tế, nếu các sự kiện theo thống kê có thể coi là độc lập thì xác suất p, mà một điều kiện với chu kỳ trở lại TR năm sẽ diễn ra trong khoảng n năm được

đã cho Nói chung, chu kỳ lặp của điều kiện thiết kế sẽ vượt quá chu kỳ đã cho mà theo đó các chi phí đã được tối ưu hoá

Loại tối ưu hoá chi phí này chỉ có thể sử dụng khi tin tưởng rằng đã biết trước mức độ hư hại xảy ra trong các điều kiện thiết kế bị vượt quá Do đó, nó được áp dụng tốt nhất cho những công trình đê chắn sóng đá đổ, trong đó sự phá hoại có thể dự kiến xảy ra từ từ và trong các thí nghiệm mô hình góp phần thiết lập mức độ hư hại Trái lại, một số công trình như tường chắn sóng thẳng đứng có thể phải chịu sự hư hại gần như hoàn toàn khi điều kiện thiết kế bị vượt quá

1 Dự báo bằng các biểu đồ sóng có ý nghĩa:

Phương pháp dự báo sóng tin cậy hơn sử dụng lý thuyết thuỷ động cơ sở và số liệu thực nghiệm để dự báo các trị số sóng trung bình theo dạng tốc độ gió, chiều dài

đà gió và thời lượng gió

2 Dự báo bằng phổ sóng:

Đặc biệt trong cẩm nang đã đưa ra các kết quả nghiên cứu gần đây tại ngoài khơi

ở Biển Bắc, đã cho phép thực hiện những ước tính hợp lý bằng phổ sóng một chiều điển hình trong điều kiện đà gió bị giới hạn với thông tin bổ sung thu được tại Bắc Đại Tây Dương trước đây cho phổ phát triển hoàn toàn

Các ví dụ về hai dạng phổ sóng một chiều được thể hiện trên biểu đồ, trong đó mật độ phổ S(f) được vẽ biểu đồ theo tần số sóng f Các biểu đồ cho thấy về đại thể sự phân bố của năng lượng sóng trên các chu kỳ sóng khác nhau trên biển và khu vực bên dưới đường cong, có kích thước m2, có thể sử dụng để thu được những ước tính về thông số chiều cao sóng Việc phân tích số liệu thực nghiệm cho thấy chiều cao sóng

có ý nghĩa HS được xác định bằng quan hệ sau:

HS = 4 x (diện tích dưới phổ)1/2

Trang 37

3 Ngoại suy số liệu sóng:

Có thể ngoại suy chu kỳ sóng kèm theo bằng cách xem xét độ dốc sóng

* Ngoại suy các điều kiện sóng cực trị:

1) Độ tin cậy của phép ngoại suy:

Có thể tính toán các điều kiện sóng cực trị bằng cách ngoại suy dựa trên những quan sát điển hình trong một hoặc nhiều năm Nếu bão đặc biệt quá mạnh hay quá yếu trong thời gian quan sát thì phép ngoại suy sẽ cho ước tính quá cao hay quá nhỏ các giá trị cực hạn Tuy nhiên, ngoại suy trở nên tin cậy hơn, nếu các số liệu gốc bắt nguồn

Đối với tập hợp nX giá trị của các chiều cao đại diện H được lập bảng theo độ lớn tăng dần thì xác suất H nhỏ hơn một giá trị riêng lẻ Hn (khi n≤nX ), có thể biểu thị bằng n/(nX + 1); do đó xác suất pn đển Hn bằng hoặc vượt quá được cho bởi:

pn = 1 – [(n/(nX + 1)] (1.5)

Các giá trị pn có thể tính toán trực tiếp bằng công thức trên cho mỗi chiều cao riêng trong một tập hợp số liệu hạn chế, nhưng với tập hợp số liệu lớn, thì nên chia nhỏ tập hợp độ cao đã sắp xếp thành những khoảng chiều cao bằng nhau Đối với mỗi chiều cao, một số đếm được ghi cho khoảng thích hợp và một số được ghi cho mỗi khoảng thấp hơn Tổng số các số đếm trong một khoảng chia cho tổng số các quan sát

Trang 38

cho xác suất pn của chiều cao Hn bằng hoặc lớn hơn, trong đó Hn là chiều cao xác định giới hạn thấp hơn của khoảng đang được xem xét

Trong các điều kiện khác nhau, đã tìm thấy một số phân bố xác suất thích hợp Đôi khi thấy một phân bố rất phù hợp với các chiều cao sóng thấp hơn, trong khi một phân bố khác phù hợp với các sóng cao hơn, có thể chỉ ra hai tập hợp sóng khác nhau Trong các trường hợp đó phân bố phù hợp nhất với các sóng lớn hơn càn được sử dụng

để ngoại suy Các phân bố sau có thể thích hợp:

(a) Phân bố Weibull: vẽ loge loge(1/pn) đối với loge(Hn – HL)

(b) Phân bố Fisher – Tipper: vẽ loge loge[1/(1-pn)], đối với loge(HL-Hn)

(c) Phân bố Frêcht: vẽ loge loge[1/(1-pn)], đối với loge(Hn-HL)

(d) Phân bố Gumbel: vẽ loge loge[1/(1-pn)], đối với Hn

(e) Phân bố Gompertz: vẽ loge loge(1/pn), đối với Hn

(f) Phân bố logarit tự nhiên: vẽ Hn đối với pn trên giấy đồ thị xác suất xuất thích hợp Nói cách khác vẽ đồ thị y đối với log Hn, trong đó y xác định có dùng bảng, bằng công thức:

/ 1

2 / exp 2

do chế độ sóng có thể bị giới hạn bởi các tiêu chuẩn sóng vỡ, nên phân bố Fisher – Tipper, trong đó các chiều cao sóng được hạn chế bởi một cận trên, có thể sẽ cho đường thẳng phù hợp nhất trên biểu đồ xác suất

I.1.3.4 Qui phạm tính sóng của Mỹ

(Shore protection manual - Sổ tay bảo vệ bờ của Hải quân Mỹ - CERC)

Trong qui phạm tính sóng của hải quân Mỹ đã xây dựng các biểu đồ tính sẵn sóng cho trường hợp nước sâu và nước nông theo biểu đồ Hindcast (sẽ được trình bày chi tiết hơn ở chuyên đề qui phạm tính sóng trong nước) sau:

a) Trường hợp sóng nước sâu: (D > L 0 /2):

Trong đó: D - Độ sâu nước; L0 - Chiều dài sóng ở vùng nước sâu

Ở đây sử dụng phương pháp đơn giản để tính các tham số sóng theo biểu đồ Phương pháp này dùng cho các trường hợp đà gió vừa và gió giả thiết đều, ổn định trên khắp đà gió

Ghi chú: Khi tra bảng cần tính đại lượng ứng suất gió UA từ vận tốc gió:

U A = 0,71 U 1,23

U : Vận tốc gió (m/s)

Trang 39

Chiều sâu nước ảnh hưởng đến quá trình sinh và phát triển của sóng trên lưu vực Đối với các điều kiện nhất định về điều kiện của vận tốc gió và đà gió chiều cao sóng

sẽ nhỏ hơn và chu kỳ sóng sẽ ngắn hơn nếu sóng sinh và phát triển tại vùng quá độ hoặc nông Bretchneider đã cải tiến một số kết quả của các tác giả trước đó (Ijima và Tang) và đưa ra phương pháp tính này Sóng được xác định theo các biểu đồ tính sẵn, các biểu đồ này được xây dựng dựa trên các phương trình

- Đối với đáy không đồng nhất phải dùng ảnh hàng không và thí nghiệm mô hình vật lý để tìm thông tinh chính xác về khúc xạ

- Nếu độ sâu không trùng với các biểu đồ, thì nội suy theo các biểu đồ lân cận

c) Tính sóng leo và tràn cho công trình

Trong hướng dẫn tính toán này (CERC) cũng đã xây dựng công thức và biểu đồ tính toán các yếu tố sóng leo, sóng tràn chothiết kế công trình biển Về sóng tràn đỉnh

được chia cho 2 trường hợp: sóng đều và sóng không đều

I.1.4 Các qui phạm, hướng dẫn tính toán sóng thiết kế trong nước

Hiện nay, trong công tác thiết kế các công trình biển và cửa sông ở nước ta chủ yếu vẫn là áp dụng một phần hoặc theo một qui phạm nào đó của nước ngoài mà nguồn chủ yếu là từ: các quy phạm tính sóng của Liên Xô cũ, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Anh và một phần gần đây từ các tài liệu của Hà Lan Từ các quy phạm của các nước kể trên ta có thể thấy, mặc dù ở các nước đó có những phần mềm mạnh, nhưng khi thiết kế công trình họ đều quy định sử dụng các đồ thị có sẵn

Trước đây, ở bộ Thủy lợi cũ qui phạm SNIP-75 của Liên xô cũ đã được dịch ra tiếng Việt làm tiêu chuẩn nghành Thủy lợi trong Quy phạm TLC-1-78: Tải trọng và lực tác dụng lên công trình thuỷ lợi (do sóng và tàu) của ngành thuỷ lợi Thực chất các quy phạm này thừa kế những nội dung trong SNIP (Tiêu chuẩn dùng trong xây dựng của Liên Xô cũ) Tuy các tiêu chuẩn này được thành lập đã lâu, nhưng do tính khoa học chặt chẽ của SNIP cũng như sự phù hợp của chúng với điều kiện Việt Nam, các quy phạm dựa theo SNIP này vẫn được ứng dụng rộng rãi cho đến những năm 1990.Tiếp theo, đến năm 2002 Bộ NN và PTNT đã ra được tiêu chuẩn ngành: 14 TCN-130-2002 hướng dẫn thiết kế đê biển Trong đó, phần tính sóng đã giới thiệu 3 phương pháp:

- Phương pháp biểu đồ Hindcast của Mỹ với các chiều cao sóng tìm được trực tiếp là chiều cao sóng có ý nghĩa

Quy phạm Nhật Bản đã được Hội Cảng - Đường thuỷ Việt Nam dịch ra tiếng Việt Quy phạm Liên Xô cũ CH.2.0604-82* đã được dịch ra tiếng Việt và Bộ GTVT

đã lấy nguyên văn làm tiêu chuẩn ngành 22TCN-222-95 sử dụng cho đến nay Quy phạm của Anh BS6349 cũng đã được dịch ra tiếng Việt và được nhiều cơ quan tư vấn của Bộ GTVT sử dụng trong một số dự án

Trang 40

Do không quy định rõ bắt buộc tính theo phương pháp nào nên các kỹ sư tư vấn rất khó sử dụng

Từ các quy phạm của 5 nước kể trên ta có thể thấy, mặc dù ở các nước đó có những phần mềm mạnh, nhưng khi thiết kế công trình họ đều quy định sử dụng các đồ thị có sẵn

Hiện nay ở nước ta cũng có những ý kiến nên thống nhất quy định sử dụng các

đồ thị có sẵn để tính toán sóng và hoặc dựa hẳn vào 1 quy phạm của một nước nhất định Tuy nhiên, tại một số nước người ta cũng không qui định phải sử dụng chung một qui phạm tính sóng thiết kế cho tất cả các vùng (như Trung Quốc, Đan Mạch, ) Với tính chất tương đồng của điều kiện tự nhiên, chúng ta có thể nghiên cứu lựa chọn

sử dụng quy định tính toán chung và có thể nghiên cứu để điều chỉnh một số hệ số kinh nghiệm

* Tóm tắt một số qui phạm, hướng dẫn tính toán sóng thiết kế trong nước:

1 Qui phạm, hướng dẫn tính toán sóng thiết kế theo hệ thống Liên Xô cũ:

Theo hướng này qui phạm SNIP-75 của Liên xô cũ đã được dịch ra tiếng Việt làm tiêu chuẩn nghành Thủy lợi cho đến những năm 1990 và Quy phạm CH.2.0604-82* đã được dịch ra tiếng Việt và Bộ GTVT đã lấy nguyên văn làm tiêu chuẩn ngành 22TCN-222-95 sử dụng cho đến nay ở 02 phiên bản trên, nội dung về cơ bản không

có những khác biệt lớn, do vậy có thể dẫn tiêu chuẩn ngành 22TCN-222-95 làm đại diện để xem xét.Nội dung chính của tiêu chuẩn ngành 22TCN-222-95 tương tự như đã được giới thiệu qui phạm của Liên Xô cũ ở phần trên

2 Tiêu chuẩn ngành: 14 TCN-130-2002 hướng dẫn thiết kế đê biển của Bộ Nông nghiệp và PTNT

Sau nhiều năm chuẩn bị, soạn thảo đến năm 2002 Bộ NN và PTNT đã ra được tiêu chuẩn ngành: 14 TCN-130-2002 hướng dẫn thiết kế đê biển Trong đó, phần tính sóng đã giới thiệu 3 phương pháp:

- Phương pháp biểu đồ Hindcast của Mỹ với các chiều cao sóng tìm được trực tiếp là chiều cao sóng có ý nghĩa

Một số nội dung chính tiêu chuẩn ngành: 14 TCN-130-2002 bao gồm:

A Các số liệu về gió dùng để tính sóng

a) Tốc độ gió: Tốc độ gió tính toán là tốc độ gió lấy trung bình trong 10 phút tự

ghi của máy đo gió ở độ cao 10m trên mặt nước

b) Đà gió: Xác định theo thực tế ở địa điểm dự báo:

- Nếu là vùng nước hẹp, đà gió D xác định theo phương pháp đồ giải “đà gió tương đương” De

Tiêu đề	Xác Định Chiều Cao Sóng Trong Tính Toán Thiết Kế Đê Biển Từ Quảng Ninh Đến Quảng Nam
Tác giả	Nguyễn Khắc Nghĩa
Trường học	Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam
Chuyên ngành	Kỹ thuật Xây dựng Đê biển
Thể loại	Báo cáo tổng kết
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	224
Dung lượng	10,71 MB