Tomtatlats(Tv) nghiên cứu Đặc Điểm thủy Động lực sóng trên thềm Đảo nổi phục vụ xây dựng công trình bảo vệ bờ Đảo

Do sự thay đổi địa hình đáy chuyển gấp từ vách dốc sang thềm phẳng, độ sâu nước chuyển từ sâu sang nông, sóng vỡ đột ngột dẫn tới mực nước trung bình dâng cao, các tương tác sóng phi tuy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học :

Phản biện 1: GS TS Vũ Minh Cát - Hội Thủy Lợi

Phản biện 2: PGS TS Phùng Đăng Hiếu – Bộ Tài Nguyên và Môi Trường Phản biện 3: PGS TS Lê Thị Hương Giang – Trường Đại học Hàng Hải

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Trường Đại học Thuỷ Lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội; vào lúc 8:30 ngày 01 tháng 11 năm

2024

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Các đảo nổi xa bờ tuy chiếm số lượng không lớn nhưng đóng vai trò quan trọng trong công tác bảo vệ an ninh, quốc phòng, khẳng định chủ quyền biển đảo của

Tổ quốc nên có tầm quan trọng đặc biệt Do sự thay đổi địa hình đáy chuyển gấp (từ vách dốc sang thềm phẳng), độ sâu nước chuyển từ sâu sang nông, sóng vỡ đột ngột dẫn tới mực nước trung bình dâng cao, các tương tác sóng phi tuyến trên thềm khiến phổ sóng biến đổi mạnh mẽ, sóng ngoại trọng lực được hình thành

do tương tác của những con sóng trong nhóm sóng vỡ, cộng hưởng sóng phi tuyến khiến cho sự dao động mực nước đường bờ được khuyếch đại

Trong thực tế xây dựng các công trình mở rộng trên thềm đảo nổi, mặc dù chưa xảy ra điều kiện cực hạn như tính toán thiết kế nhưng các kết cấu tường kè, thùng chìm bị vỡ hay các khối Tetrapod nặng 5T và 8T vẫn có thể bị dịch chuyển, va vào nhau và vỡ khi nằm ở vùng mép thềm [1] Vấn đề đặt ra là cần xác định chiều cao sóng thiết kế phù hợp với điều kiện thủy động lực sóng trên thềm đảo Cho tới nay các nghiên cứu vẫn chưa chỉ ra sự khác biệt của phân bố chiều cao sóng trong vùng nước nông độ sâu nước biến đổi đột ngột trên địa hình đáy rất dốc (độ dốc lớn hơn 1/20) so với những phân bố thống kê chiều cao sóng nước nông trên

bờ biển thoải (từ 1/250 tới 1/20)

Việc sử dụng mô hình vật lý nghiên cứu chế độ thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi nhằm xây dựng quy luật phân bố thống kê chiều cao sóng là rất có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu sẽ bổ sung cho những nghiên cứu khoa học về các quá trình thủy động lực sóng, là luận cứ cho việc lựa chọn các tham số thiết kế phục vụ thiết kế và xây dựng các công trình biển đảo

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Làm rõ đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi và các tham số chi phối chính tới phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo nổi

 Phát triển mô hình thực nghiệm về phân bố thống kê chiều cao sóng cho phép tính toán xác định tin cậy các đặc trưng sóng thiết kế phù hợp hơn với các tính chất thủy động lực sóng ở các vùng nước khác nhau trên thềm đảo nổi

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

 Đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi xa bờ; Quy luật phân bố thống

kê chiều cao sóng

 Nghiên cứu trong phạm vi các đảo nổi xa bờ dạng viền; thực hiện trong máng sóng; Nghiên cứu chưa xem xét tới ảnh hưởng của độ nhám đáy do sự có mặt của san hô lên phân bố thống kê chiều cao sóng

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kế thừa; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia; Phương pháp mô hình toán

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Kết quả nghiên cứu làm hiểu biết sâu sắc hơn về những quá trình biến đổi sóng trên thềm đảo nổi Kết quả đóng góp về mặt khoa học bài toán phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo trong điều kiện nước trên thềm rất nông và độ sâu nước biến đổi đột ngột từ sâu sang nông

 Kết quả nghiên cứu áp dụng tính toán, xác định chiều cao sóng thiết kế phục

vụ thiết kế công trình bảo vệ bờ đảo; hoặc dùng cho việc tham khảo, đối chiếu với những tính toán chiều cao sóng thiết kế theo tiêu chuẩn hiện hành

6 Những đóng góp mới của luận án

 Làm rõ được các tính chất thủy động lực sóng đặc thù trên thềm đảo và các yếu tố chi phối chính tới phân bố thống kê chiều cao sóng cho hai vùng: vùng sóng vỡ và phía sau vùng sóng vỡ trên thềm đảo nổi

 Phát triển được mô hình kinh nghiệm phân bố thống kê chiều cao sóng Weibull phức hợp REEF-CWD2 cho hai vùng: sóng vỡ và phía sau vùng sóng

vỡ trên thềm đảo nổi (các công thức (3-1) (3-2)) Và các công thức thực nghiệm xác định các đặc trưng của mô hình phân bố (các công thức (3-10), (3-11), (3-13), (3-14) công thức xác định Hrms (3-15) Lưu đồ các bước xác lập phân bố thống kê chiều cao sóng REEF-CWD2 Hình 3-37

7 Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu giới thiệu Luận án, phần kết luận, kiến nghị, Luận án gồm 4 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi xa bờ Chương 2: Cơ sở khoa học và mô hình vật lý nghiên cứu đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi xa bờ

Chương 3: Phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo nổi xa bờ

REEF-CWD2

Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều cao sóng thiết kế phục

vụ thiết kế kiểm tra công trình bảo vệ bờ đảo nổi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ

1.1 Tổng quan về đảo nổi xa bờ

Đảo nổi dạng viền có các đặc điểm về địa hình, điều kiện sóng, mực nước khác biệt với bờ biển cát thoải Hình 1-3 Về điều kiện địa hình: Từ độ sâu -50m lên đến mặt nước, hệ số mái vách dốc từ 212 Phần thềm đảo độ rộng từ 50m tới 1000m độ rộng phổ biến từ 100-400m Cuối cùng là bờ đảo hệ số mái từ 312,

cá biệt có bờ độ dốc thẳng đứng, bờ đảo cao trên mực nước Về điều kiện sóng: Sóng nước ở các khu vực xung quanh đảo dao động từ Hs = 3.0m tới 12m chu kỳ thay đổi từ Tp = 7.4s tới 13.5s và khoảng giá trị độ dốc sóng bão thay đổi trong khoảng là S0p = 0.03 và 0.065 Với sóng gió mùa giá trị độ dốc sóng trung bình

là 0.022 Về điều kiện mực nước trên thềm: Độ sâu nước trên thềm dao động từ 0.3m tới 4.0m đã kể cả chiều cao nước dâng Do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu mực nước biển tại các vùng đảo xa bờ có thể tăng lên tới trên 1m theo kịch bản phát thải cao vào cuối năm 2100

Hình 1-3 Mặt cắt ngang đảo nổi dạng viền [13]

1.2 Tổng quan về quá trình truyền sóng trên thềm đảo nổi

Các đặc trưng sóng vỡ như loại sóng vỡ, chỉ số vỡ, và nước dâng do sóng chủ

yếu phụ thuộc vào độ ngập tương đối trên thềm mà không phụ thuộc vào hệ số

vỡ trên mái dốc như trên bờ biển độ dốc thoải  Ảnh hưởng của hệ số mái dốc vách dốc chủ yếu lên các đặc trưng vùng sóng vỡ mà không quan trọng với các vùng nước khác trên thềm (Tuấn và nnk 2019, Yao Yu (2013)

Sóng ngoại trong lực (IG), lan truyền, cộng hưởng và sóng leo: Năng lượng

sóng IG tăng dần khi lan truyền về phía bờ đảo và lớn nhất tại phía bờ đảo hoặc trong vụng phía sau thềm đảo Năng lượng sóng ngoại trọng lực có thể bị bẫy trên thềm do địa hình thềm đảo đặc biệt Khuyếch đại cộng hưởng sóng IG có thể xảy ra trên thềm khi độ dài sóng gấp 4 một số nguyên lần độ rộng của thềm

1.3 Tổng quan về các mô hình phân bố chiều cao sóng

Phân bố sóng Rayleigh áp dụng cho sóng nước sâu nên chiều cao sóng thiết kế

thiên lớn khi áp dụng thiết kế công trình vùng nước nông Theo hướng thí

nghiệm, các mô hình phân bố của Glukhoveskiy, Klopman (KL96) và Battjes

& Groennedijk (BG2000) trong vùng nước nông có kể tới ảnh hưởng của sóng

vỡ thông qua các tham số độ ngập tương đối trên thềm Hm/d (Glukhovskiy, Klopman) hay cường độ sóng tương đối √𝑚0/𝑑 Tuy nhiên mô hình cho kết quả tương đối tốt với sóng trung bình nhưng sai khác với những con sóng lớn Mô hình của 3WD của Tuấn và nnk (2019) áp dụng cho đảo ngầm với độ sâu nước trên thềm lớn, phía sau thềm sóng truyền tiếp vào đại dương, chứ chưa xét tới những địa hình như đảo nổi viền bờ với giới hạn là mái dốc bờ đảo ở cuối thềm Phương pháp của Battjes và Groenendijk (2000) vẫn được xem là phù hợp nhất cho bài toán phân bố sóng nước nông và đã được kiểm định qua các bộ số liệu hiện trường và thí nghiệm mô hình Để đảm bảo tính tổng thể luận án sẽ phân tích phân bố sóng trên thềm đảo theo cách tiếp cận này

1.4 Kết luận chương 1

Những mô hình phân bố chiều cao sóng của Klopman, BG2000 áp dụng cho vùng nước nông, độ dốc đáy thoải từ 1/250 tới 1/20 Vì vậy, rất cần phát triển một mô hình thực nghiệm về phân bố chiều cao sóng cho địa hình đảo vách dốc nước sâu, chuyển đột ngột lên thềm phẳng nước nông

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC SÓNG VÀ PHÂN BỐ THỐNG KÊ CHIỀU CAO SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI

2.1 Cơ sở lý thuyết về quá trình truyền sóng trên thềm đảo nổi

Đối với sóng ngẫu nhiên thì các đặc trưng vùng sóng vỡ thể hiện qua các giá trị đặc trưng phổ như Hm0,b và Tm-10 Theo Thiều Quang Tuấn (2019) thì các giá trị đặc trưng vùng sóng vỡ đối với đảo ngầm mái trước đảo dốc và có sự chuyển địa hình gấp, được xác định theo công thức thực nghiệm sau:

Theo Longuet và Stewart (1964) phương trình vật lí nước dâng do sóng được biểu thị như sau:

𝑗=1

(2-39)

Trong đó, M là tổng số con sóng thí nghiệm (M=1000 con sóng); N là số lần đo sóng trong 1 chu kì sóng (với tần số lấy mẫu là 50Hz); 𝑖𝑗(𝑡) là cao độ mực nước

đo đạc; (0) là cao độ mực nươc tĩnh, được xác định trước khi đánh sóng

công hưởng sóng trên thềm

Do địa hình chuyển gấp từ vách dốc lên thềm phẳng nên sóng ngoại trọng lực (IG) sau khi sinh ra từ nhóm sóng vỡ có thể bị phản xạ tại bờ đảo, năng lượng

Hình 2-1 Sơ đồ hình thành và năng lượng sóng IG bị bẫy trên thềm [38]

Hình 2-1 cho thấy quá trình tương tác sóng-sóng ngoại trọng lực trên thềm do các con sóng hướng bờ và hướng biển tạo ra [75] [38] [76] [40] [3]

Theo Nwogu (2010) và Pomeroy (2012), thềm đảo nổi được xem như một bể cảng bán khép kín và cộng hưởng sóng dài trên thềm đảo xảy ra khi tần số thấp của sóng trùng với tần số dao động tự nhiên của mặt nước [3] [40] Ta có thể xác

định tần số dao động f n qua chu kì dao động tự nhiên T n như sau:

𝑇𝑛= 1 𝑓 ⁄𝑛= 4𝐵

(2𝑛 + 1)√𝑔 𝑑 +  ̅

n=0,1,2,3…; n là các chế độ cộng hưởng; B là chiều dài thềm san hô

(2-2)

chiều cao sóng phù hợp với địa hình đảo nổi

Phân bố chiều cao sóng Rayleigh có độ dốc đường cong lớn, phù hợp với sóng vùng nước sâu Phân bố chiều cao sóng Klopman là dạng phân bố Weibull, phù hợp sóng vùng nước nông, nhưng vẫn chưa kể tới ảnh hưởng của sóng vỡ Phân

bố BG2000 gồm hai nhánh: Nhánh dưới là phân bố Rayleigh cho sóng nhỏ (chưa

vỡ hoặc đã vỡ) và nhánh trên là phân bố Weibull cho sóng lớn (sóng vỡ) Hình

2-6 Với địa hình đảo nổi chuyển tiếp gấp từ sâu sang nông thì sóng vỡ sẽ rất đột ngột, mức độ sóng vỡ nhiều hơn so với bờ biển thoải, có sự hình thành sóng dài

biên độ nhỏ, giao thoa và cộng hưởng Vì vậy, tác giả chọn mô hình BG2000 làm

hướng tiếp cận nghiên cứu cho mô hình phân bố chiều cao sóng trên thềm đảo nổi với cách xây dựng là tạo hai đoạn phân bố kết nối tại chiều cao sóng chuyển tiếp H tr

Hình 2-6 Mô hình phân bố thống kê chiều cao sóng Rayleigh, KL96 và BG2000

2.2 Mô hình vật lí nghiên cứu đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi

Mô hình chính thái được xây dựng trong máng sóng Hà Lan Trường đại học Thủy lợi dựa trên mặt cắt ngang đảo Trường Sa Lớn làm nguyên mẫu tuân thủ theo tiêu chuẩn Froude Tỉ lệ dài được chọn NL=25 và tỉ lệ thời gian NT=5

a Độ rộng thềm B=8m

b Độ rộng thềm B=10m

c Độ rộng thềm B=13.5m

Hình 2-15 Sơ đồ bố trí các đầu đo thí nghiệm với 03 mái dốc bờ đảo cotanβ = 5; 3; 0

Mô hình đảo trong máng kính gồm 3 bộ phận là bệ tạo thềm, vách dốc và bờ đảo Thềm đảo nổi trong máng sóng có chiều cao 0,5m, vách dốc có hệ số mái cotanα=5 đảm bảo tạo sóng nước sâu trước thềm và sự biến đổi đột ngột của độ sâu nước từ sâu sang nông Mái dốc bờ đảo có ba độ dốc thay đổi từ cotanβ = 0, 3

và 5, còn thềm đảo bằng phẳng, không có độ dốc Các đầu đo từ WG1 tới WG9 được

bố trí trong vùng nước sâu (WG1), trong vùng sóng vỡ (WG2-WG4), vùng giữa thềm và tại chân bờ đảo (WG5-WG9) Hình 2-15

Chương trình thí nghiệm gồm 540 kịch bản sóng ngẫu nhiên gồm 12 sóng x 5 mực nước x 3 độ rộng thềm x 3 độ dốc bờ đảo Các kịch bản được xây dựng dựa trên phân tích các tham số chi phối đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm là B/Hm0,0 bề rộng thềm tương đối, độ sâu nước trên thềm tương đối d/Hm0,0, 𝑠0𝑚−𝑥

độ dốc sóng biểu kiến, √𝑚0/𝑑 độ bão hòa sóng tương đối

2.3 Kết luận chương 2

Xác định các đặc trưng vùng sóng vỡ như chiều cao, chu kì sóng vỡ, phạm vi vùng sóng vỡ theo (2-1), (2-3), (2-9) là căn cứ để bố trí các đầu đo sóng trên

thềm Ảnh hưởng chiều cao nước dâng theo (2-39) và cộng hưởng sóng tần số thấp theo (2-2) sẽ được xem xét lên phân bố thống kê sóng Những đại lượng phi thứ nguyênB/Hm0,0, d/Hm0,0, S 0m-x √𝑚0/d là những tham số chi phối đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm

CHƯƠNG 3 PHÂN BỐ THỐNG KÊ CHIỀU CAO SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỒI 3.1 Phân tích tham số chi phối lên đặc tính đường phân bố REEF-CWD2

d=0.05m

d=0.075m

d=0.15m

d=0.2m

Hình 3-5 Đường quan hệ xác suất vượt Pr(H≤H) và chiều cao sóng H m0,0 =0.12m T p =1.6s

Khi độ sâu nước trên thềm giảm đi (từ d=0.2m xuống d=0.05m) với cùng một điều kiện sóng tới thì sự phân tán của số liệu thí nghiệm so với hại phân bố của Klopman và BG2000 càng tăng lên, đặc biệt ở đuôi của số liệu chứng mình sự khác biệt ứng với chiều cao sóng lớn Hình 3-5

Hình 3-17 Phân bố sóng theo thí nghiệm từ WG1 tới WG7, H m0,0 = 0.12m T p = 1.6s d = 0.1m

Năng lượng sóng thể hiện qua đại lượng mật độ năng lượng tương đối √𝑚0/𝑑) giảm từ vùng sóng vỡ về phía bờ đảo Độ cong của đường phân bố sẽ gấp tại đoạn đầu tương ứng sóng nhỏ và thoải hơn đối với sóng lớn Các vùng từ giữa thềm tới chân bờ đảo, đường phân bố phát triển khá sát nhau Hình 3-17

3.1.3 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc bờ đảo

Hình 3-20 Ảnh hưởng hệ số mái bờ đảo cotanβ = 5, 3, 0 lên đường phân bố sóng

H m0,0 = 0.09m T p = 1.4s d = 0.1m tại WG7

Với cùng một điều kiện sóng và mực nước, khi hệ số mái bờ đảo cotanβ giảm đi,

từ cotanβ =5 (màu đỏ) giảm xuống 3 (màu hồng) và giảm xuống 0 (màu đen) chỉ những phân bố chiều cao sóng sau vùng sóng vỡ, đặc biệt tại chân bờ đảo mới chịu ảnh hưởng của hệ số mái dốc bờ đảo Hình 3-20 phân bố sóng ứng với cotanβ=0 cho giá trị tăng cao nhất; hai phân bố còn lại không có sự khác biệt

3.2 Đề xuất phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo nổi

Hình 3-21 Đề xuất về đường phân bố Weibull phức hợp trên thềm đảo nổi

Trên cơ sở những phân tích ở trên về đặc điểm đường cong phân bố chiều cao sóng khi so sánh với các số liệu thực nghiệm và với một số phân bố tiêu biểu chúng ta có thể đề xuất phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo nổi bao gồm hai phân đoạn như sau và được đặt tên là đường REEF-CWD2 Hình 3-21 (1) Phân đoạn 1: phân bố Weibull 1

Đoạn này có đặc điểm độ dốc lớn và cong mạnh tại đầu đoạn phân bố (sóng rất nhỏ) Sóng nằm trong giới hạn này bao gồm sóng chịu sự biến hình nước nông

nhưng không vỡ và sóng đã vỡ nên bị suy giảm chiều cao Phân đoạn 1 tương ứng hàm F1(H)

(2) Phân đoạn 2: phân bố Weibull 2

Là phân đoạn trên, cũng với dạng phân bố Weibull tổng quát, nằm ở phía trên chiều cao sóng chuyển tiếp Htr với các chiều cao sóng lớn là các sóng vỡ hoặc gần vỡ Độ dốc của đường cong này nhìn chung là nhỏ hơn so với ở phân đoạn

1 Phân đoạn 2 tương ứng F2(H)

3.3 Xác định các tham số của đường cong REEF-CWD2

H tr được định nghĩa là giới hạn mà sóng chịu sự biến hình nước nông nhưng

không vỡ và sóng đã vỡ nên bị suy giảm chiều cao H tr được xây dựng quan hệ

với độ nông χ bao gồm độ dốc biểu kiển s 0m-x: