TÓM TẮT LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU QUẢ TIÊU GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV CHO ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÁ ĐỔ MÁI NGHIÊNG

Hiện nay việc đánh giá các tính năng ổn định của RAKUNA IV trong các điều kiện thủy lực và kết cấu công trình khác nhau đang thu hút được nhiều mối quan tâm nghiên cứu ở một số quốc gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ HƯƠNG GIANG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU QUẢ TIÊU GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV CHO ĐÊ CHẮN

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Thiều Quang Tuấn

Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Hồ Sĩ Minh

Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện:

- Thư viện Quốc Gia

- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hầu hết các công trình đê chắn sóng và bảo vệ bờ ở Việt Nam hiện nay đều sử dụng các dạng khối phủ truyền thống có tính năng ổn định thấp như Tetrapod Trong bối cảnh hội nhập và chiến lược quốc gia về tăng trưởng kinh tế biển thì việc nghiên cứu áp dụng các dạng cấu kiện tiêu sóng mới, có tính năng ổn định tốt đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao và phù hợp với điều kiện ở nước ta là hết sức cần thiết Nằm trong xu thế phát triển chung của công tác nghiên cứu phòng chống thiên tai và bảo vệ bờ biển trên thế giới, khối phủ RAKUNA IV là dạng kết cấu mới của Nhật Bản được phát minh vào năm 2007 Hiện nay việc đánh giá các tính năng ổn định của RAKUNA IV trong các điều kiện thủy lực

và kết cấu công trình khác nhau đang thu hút được nhiều mối quan tâm nghiên cứu ở một số quốc gia như Nhật Bản, Việt Nam, Hàn Quốc Tuy vậy, hiện vẫn chưa có nghiên cứu nào về sự ổn định và tính năng tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV khi đê cho phép sóng tràn Xuất phát từ những lý do nêu trên

tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá ổn định và hiệu quả tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV cho đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng” hoàn toàn

mang tính thời sự và cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sự ổn định và hiệu quả tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA

IV cho đê đá đổ mái nghiêng trong điều kiện sóng tràn bằng mô hình vật lý Từ

đó đề xuất ứng dụng loại khối phủ này trong xây dựng đê chắn sóng mái nghiêng ở Việt Nam

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Khối phủ RAKUNA IV trên đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng khi có sóng tràn

Phạm vi nghiên cứu: Khối phủ RAKUNA IV 02 lớp ở mái phía biển của đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng khi có sóng tràn

4 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp sử dụng trong luận án: Phương pháp thống kê; Phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng; Phương pháp mô hình toán và phương pháp chuyên gia

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đánh giá được ảnh hưởng của sóng tràn đến sự gia tăng ổn định của khối phủ RAKUNA IV ở mái phía biển Kết hợp mô hình toán làm sáng tỏ bản chất vật

lý về tính năng chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được dùng để tham khảo trong tính toán thiết kế các công trình đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng sử dụng khối phủ RAKUNA và cho phép sóng tràn nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật

6 Những đóng góp mới của luận án

- Xây dựng được công thức thực nghiệm (Công thức 3.6) để tính toán mức độ gia tăng ổn định của khối phủ RAKUNA IV trên đê mái nghiêng khi có sóng tràn;

- Xác định được hiệu quả và đặc tính tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV thông qua hệ số chiết giảm γr (Công thức 3.8) và sự liên hệ của

nó với số Iribaren m1,0;

- Lý giải được bản chất vật lý của hiệu ứng "đệm nước" ảnh hưởng đến tính năng tiêu giảm sóng tràn của mái khối phủ

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về ổn định và hiệu quả giảm sóng tràn của

khối phủ;

Chương 2: Nghiên cứu trên mô hình vật lý về ổn định thủy lực của khối phủ

RAKUNA IV khi có sóng tràn;

RAKUNA IV;

Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu thiết kế lớp phủ đê chắn sóng cảng

Nghi Sơn - Thanh Hóa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển và phân loại khối phủ

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển khối phủ

Trước những năm 1950, khối phủ dùng cho đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng là các khối đá hộc hoặc khối bê tông hình hộp Sau năm 1950, một số trung tâm thí nghiệm thủy lực trên thế giới đã nghiên cứu và sáng chế ra những loại khối phủ mới có hệ số ổn định cao hơn nhằm giảm trọng lượng khối phủ và hạ giá thành xây dựng Khối phủ Tetrapod ra đời vào năm 1950 là sự khởi đầu cho các nghiên cứu phát triển các dạng cấu kiện tiêu sóng mới như: Tribar (1958), Stabit (1961), Tripod (1962), Akmon (1962), Dolosse (1963), Anifer Cube (1973), Accropode (1981, SOGREAH), Core-loc (1994), X-block (2003), RAKUNA IV (2007), Những khối phủ này có tính năng phù hợp với những điều kiện khác nhau, đáp ứng ngày càng tốt hơn những yêu cầu thực tế khó khăn và đa dạng của công tác xây dựng cảng nước sâu và công trình bảo vệ bờ biển

1.1.2 Phân loại khối phủ

Khối phủ dị hình có thể được phân loại theo hình dạng, cách xếp khối và số lớp

- Theo hình dạng gồm khối lớn, khối thanh mảnh và khối rỗng Đặc điểm ổn định thủy lực ở mỗi dạng đều có sự khác biệt: dạng khối lớn có mức độ ổn định trung bình và chủ yếu được đem lại do trọng lượng bản thân của khối, khối thanh mảnh có mức độ ổn định cao hơn do phát huy thêm lực liên kết cài nối giữa các khối, còn khối rỗng (xếp đều) thì ổn định chủ yếu nhờ vào ma sát tiếp xúc giữa chúng

- Theo cách xếp: khối phủ có thể được xếp rối hoặc xếp đều Xếp rối dùng cho các khối lớn để đảm bảo được độ rỗng giữa các lớp Xếp đều dùng cho các khối

có hình dạng đơn giản

- Theo số lớp: khối phủ có thể được xếp 01 lớp hoặc 02 lớp Van der Meer (1988) dựa trên các kết quả thí nghiệm mô hình tỉ lệ nhỏ đã so sánh đặc tính ổn định của khối phủ 01 lớp và 02 lớp Với khối phủ 01 lớp có tính ổn định ban đầu rất cao nhưng một khi đã xuất hiện hư hỏng thì hư hỏng lại phát triển rất nhanh theo kiểu lan truyền do không có tính tự hàn gắn (phá hoại giòn) Ngược lại, với khối phủ 02 lớp mặc dù ổn định ban đầu thấp nhưng khoảng cách từ lúc bắt đầu hư hỏng đến lúc hư hỏng là khá xa bởi có tính tự hàn gắn cao, do vậy có tính an toàn hơn

1.2 Ứng dụng khối phủ dị hình ở Việt Nam

Phần lớn các cảng nước sâu và cảng đảo nằm xa đất liền ở nước ta đều có

hệ thống đê chắn sóng bảo vệ bể cảng và chủ yếu sử dụng khối phủ truyền thống Tetrapod Loại khối phủ này có tính ổn định thấp nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi trong thiết kế và thi công các công trình đê chắn sóng bởi ưu điểm cơ bản là dễ chế tạo và không mất phí tác quyền (Hình 1.1 và Hình 1.2) Chỉ có một số ít công trình đã sử dụng cấu kiện Accropode đó là: Cảng Chân Mây, cảng Dung Quất, cảng Kê Gà (Hình 1.3)

1.3 Tổng quan nghiên cứu ổn định thủy lực của khối phủ

Iribarren (1938) đã đặt nền móng cho việc nghiên cứu ổn định thủy lực của khối phủ Sau đó, Hudson (1959) đưa ra công thức tính toán ổn định cho viên

đá dưới tác động của sóng đều, trong đó ổn định của viên đá được miêu tả thông qua hệ số ổn định Kd SPM (1977) và SPM (1984) đã mở rộng công thức Hudson thành dạng tổng quát áp dụng cho khối phủ nói chung với sóng ngẫu nhiên Ưu điểm của công thức Hudson là đơn giản, dễ sử dụng nhưng chưa đề cập đến độ thấm của lõi đê, chu kì sóng, thời gian bão Để khắc phục nhược điểm của Hudson, Van der Meer (1988) đã tiến hành thí nghiệm với sóng ngẫu nhiên và đề xuất công thức thực nghiệm tính ổn định cho đá và một số loại khối phủ dị hình khác Ngoài ra còn có một số học giả khác cũng nghiên cứu ổn định của khối phủ dị hình trong điều kiện áp dụng nhất định như Burcharth (1992), Hanzawa (1996), Với khối phủ RAKUNA thì Mase và nnk (2011)

đã nghiên cứu tính năng ổn định của khối này cho đê chắn sóng hỗn hợp ngang Tuấn và nnk (2012) lại nghiên cứu đánh giá ổn định của khối cho đê

đá đổ mái nghiêng Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này đều đề cập đến

ổn định của khối phủ trong trường hợp không có sóng tràn Khi đê có sóng tràn thì một phần năng lượng sóng sẽ chuyển qua đỉnh đê và mái phía sau làm cho mái phía trước ổn định hơn Mức độ gia tăng này đã được De jong (1996) nghiên cứu với khối phủ Tetrapod 02 lớp trên đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng

1.4 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng và hiệu quả giảm sóng tràn của khối phủ

1.4.1 Sóng tràn qua đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng

Tính toán sóng tràn là một bước quan trọng trong thiết kế hình học mặt cắt ngang đê chắn sóng Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình cho đê chắn sóng đã được đưa vào các tiêu chuẩn như TAW-

2002 hay EurotOp-2007 Trong đó, có hai phương pháp được sử dụng khá phổ biến cho đê đá đổ mái nghiêng đó là TAW-2002 (Van der Meer, 1999) và Owen (1980, 1982) Ở đây xin trích dẫn công thức TAW-2002:

0 0

10,20exp 2,6 c

m r m

R q

đã được đưa vào TAW (2002) và EurOtop (2007) Nhằm đánh giá chính xác hơn về ảnh hưởng của độ nhám khối phủ tới sóng tràn, Bruce và nnk (2009) đã tiến hành các thí nghiệm tỉ lệ nhỏ cho 13 loại khối khác nhau Kết quả cho thấy

hệ số chiết giảm sóng tràn γr không phải là một hằng số mà tăng tuyến tính theo số Iribarren m1,0

1.5 Kết luận Chương I

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng như hiện nay thì việc nghiên cứu ứng dụng loại khối phủ mới có độ ổn đinh thủy lực cao trong điều kiện có sóng tràn là vô cùng cấp thiết Mặc dù mới được phát minh nhưng khối phủ RAKUNA IV đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tính năng ổn định trong các điều kiện thủy lực và dạng kết cấu công trình khác nhau Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ổn định trong điều kiện đê không cho phép tràn Để tiếp tục phát hiện thêm tính năng ổn định của loại khối phủ này, tác giả tiến hành nghiên cứu sự ổn định và tính năng chiết giảm sóng tràn của nó cho đê mái nghiêng khi có sóng tràn bằng thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng Thông qua sự tương tác sóng - công trình, luận án sẽ đi sâu và giải thích bản chất vật lý của hiện tượng "đệm nước", yếu

tố chi phối đến đặc tính chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VỀ ỔN ĐỊNH THỦY LỰC CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV KHI CÓ SÓNG TRÀN 2.1 Giới thiệu khối phủ RAKUNA IV

RAKUNA IV là loại khối phủ mới của Nhật Bản được phát minh vào năm

2007 RAKUNA IV cũng có cấu tạo bốn chân như Tetrapod nhưng góc cạnh hơn và đặc biệt là có thêm 04 hốc lõm ở các chân nên chúng đem lại một số lợi ích: Hiệu quả tiêu sóng tăng; Gia tăng liên kết giữa các khối phủ do chân cấu kiện được cài vào các hốc lõm; Độ rỗng lớn (56,5%) làm giảm chi phí; Các hốc lõm cung cấp thêm không gian sống đa dạng cho nhiều loại sinh vật biển

Hình 2.1 Cấu kiện RAKUNA IV, Nhật Bản

2.2 Cơ sở khoa học về ổn định thủy lực của khối phủ trên mái nghiêng

Sau nghiên cứu của Iribarren (1938), một số tác giả khác đã nghiên cứu đề xuất công thức tính ổn định khối phủ cho đê mái nghiêng mà điển hình là công thức Hudson (1958, 1959) và Van der Meer (1988) Với khối phủ RAKUNA IV, đã có một số công trình nghiên cứu về ổn định và điển hình là nghiên cứu của Tuấn (2012) về ổn định của khối phủ này khi đê không có sóng tràn Ở luận án này, tác giả kế thừa công thức của Tuấn (2012) để tiếp tục nghiên cứu ổn định của khối phủ RAKUNA IV khi đê có sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng

Cơ sở khoa học quan trọng khi nghiên cứu các vấn đề bằng mô hình vật lý đó

là phép phân tích thứ nguyên theo định luật PI - BUCKINGHAM Từ đó thiết lập hàm số chung biểu thị mối liên hệ giữa các tham số cơ bản ảnh hưởng đến

ổn định khối phủ khi có sóng tràn:

H N

2.3 Cơ sở khoa học xác định tính năng chiết giảm sóng tràn

Hiện nay tồn tại nhiều phương pháp tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình cho đê chắn sóng mái nghiêng và vẫn đảm bảo tính tổng quát, luận án chọn phương pháp TAW-2002 (Công thức 1.6)

2.4 Mô hình vật lý nghiên cứu ổn định và tính năng chiết giảm sóng tràn của khối phủ

2.4.1 Lý thuyết tương tự và tỉ lệ mô hình

- Điều kiện tương tự

Để có được tương tự về động học và động lực học cũng như về yếu tố sóng, mô hình cần làm chính thái Hằng số tỉ lệ chiều dài sóng và chiều cao sóng giống nhau đảm bảo tuân thủ định luật tương tự Froude

- Tỉ lệ mô hình

Dựa vào kích thước khối phủ sử dụng trên thực tế, số liệu về sóng ở vùng biển Việt Nam và khả năng đáp ứng của hệ thống thiết bị phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp, Trường Đại học Thủy lợi, tác giả lựa chọn tỉ lệ mô hình là 1/50 Tuy nhiên, lớp lõi cần lấy theo một tỉ lệ riêng theo Burcharth và nnk (1999) nhằm đảm bảo tính tương tự của dòng chảy thấm trong lõi đê, tránh hiện tượng nước dâng bên trong lõi đê làm ảnh hưởng đến ổn định của khối phủ chính Tỷ lệ mô hình và kích cỡ vật liệu làm mô hình được tóm tắt ở Bảng 2.1

Bảng 2.3 Kích thước của khối phủ ngoài, lớp giữa và lớp lõi

2.4.2 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm

2.4.2.1 Máng sóng

Máng sóng Hà Lan có chiều dài hiệu quả 42m, cao 1,2m và rộng 1,0m Máy tạo sóng được trang bị hệ thống hấp thụ sóng phản xạ chủ động và có thể tạo sóng ngẫu nhiên theo một số dạng phổ sóng thông dụng như JONSWAP và TMA với chiều cao tối đa là 0,3m và chu kỳ 3,0s

2.4.2.2 Thiết kế mô hình

Mặt cắt ngang đê mô hình được thể hiện trên Hình 2.10 Độ sâu nước được lấy

ít nhất bằng 2,5Hm0 nhằm đảm bảo không xảy ra sóng vỡ trước công trình Đỉnh

đê mô hình ở cao trình +0,75m so với đáy máng (xem như đáy máng ở +0,0m) Chiều cao lưu không (Rc) dao động từ 0,6Hm0 đến 1,5Hm0, tương ứng với điều kiện sóng tràn từ ít đến nhiều

Hình 2.10 Mặt cắt ngang đê mô hình trong máng sóng

nhằm xác định được các tham số sóng thiết kế tại vị trí đê

Để phục vụ cho việc phân tích và đánh giá độ ổn định của khối phủ, hai máy quay có độ phân giải cao được đặt tại hai vị trí cố định ở bên trên phía trước đê

và vuông góc với tường kính của máng sóng để ghi lại toàn bộ quá trình chuyển động của khối phủ trong suốt quá trình thí nghiệm Để phân tích về sóng tràn, lượng nước tràn qua đỉnh đê được thu vào thùng chứa phía sau đê bằng máng thu nước kích thước 0,1m hoặc 0,2 m

2.4.3 Chương trình thí nghiệm

Trong nghiên cứu này tác giả thực hiện thí nghiệm với 9 độ dốc sóng khác nhau Mỗi độ dốc sóng được thực hiện với 4 mực nước khác nhau trong máng sóng đó là 52.5, 55.0, 57.5 và 60cm Nhằm đánh giá khả năng chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV so với khối phủ khác, tác giả lựa chọn thực hiện 8 thí nghiệm sóng tràn với khối phủ Tetrapod Tổng hợp lại có 58 thí nghiệm (kể cả thí nghiệm nhắc lại) thể hiện trong Bảng 2.4

2,93- 0,211

0,136- 1,45

0,63-Sóng tràn,

ổn định TETRAPOD 08 0,145-

0,180 1,5-2,5

3,0 - 5,14

0,210

0,137- 1,45 Sóng tràn

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU SỰ ỔN ĐỊNH VÀ TÍNH NĂNG GIẢM

SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV 3.1 Nội dung nghiên cứu

Từ bộ số liệu thực nghiệm, tác giả phân tích đánh giá ổn định của khối phủ RAKUNA IV dưới sự ảnh hưởng của sóng tràn và tính năng chiết giảm sóng tràn của khối phủ thay đổi theo tính chất tương tác của sóng trên mái đê Bên cạnh đó, luận án đi sâu vào giải thích bản chất vật lý của hiệu ứng "đệm nước" bằng sự kết hợp giữa máng sóng vật lý và máng sóng số

3.2 Nghiên cứu sự ổn định của khối phủ RAKUNA IV khi có sóng tràn

3.2.1 Phân tích kết quả thí nghiệm

Từ số liệu thí nghiệm, tác giả tính toán được sự biến đổi của chỉ số ổn định (Ns)

và mức độ hư hỏng (Nod) theo số con sóng Kết quả tính toán này được thể hiện trên Hình 3.1 ứng với hai khoảng giá trị độ dốc sóng som> 0,035 (điểm màu xanh) và som ≤ 0,035 (điểm màu đỏ)

Hình 3.1 Quan hệ giữa chỉ số ổn định Ns với mức độ hư hỏng theo số con sóng

và độ dốc sóng (khi có sóng tràn) Kết quả cho thấy hư hỏng của lớp phủ phát triển theo số con sóng, hay nói cách khác là đặc tính ổn định của khối phủ RAKUNA IV trong trường hợp này cũng phụ thuộc vào thời gian bão tác động và chu kỳ sóng tương tự như các hệ khối phủ 02 lớp khác trong trường hợp sóng không tràn

Cũng với kết quả tính toán trên, mối quan hệ giữa chi số ổn định Ns và mức độ

hư hỏng Nod tại thời điểm Nz = 3000 con sóng ứng với hai khoảng chiều cao lưu