Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN α độ Góc dốc của mái đê phía biển αw độ Góc nghiên của tường đỉnh β độ Góc của mũi hắt sóng ξ - Chỉ số sóng vỡ Iribarren γβ - Hệ số chiết giảm sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lê Xuân Roanh

2 GS.TS Thiều Quang Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Dũng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 5

1.1 Tổng quan về đê bển có tường đỉnh 5

1.1.1 Đê có tường đỉnh ở Hà Tĩnh 6

1.1.2 Đê biển có tường đỉnh ở Thanh Hóa 7

1.1.3 Đê biển có tường đỉnh ở Nam Định 7

1.1.4 Đê biển có tường đỉnh ở Hải Phòng 8

1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 9

1.3 Ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê đến sóng tràn 12

1.3.1 Nghiên cứu của TAW (2002) 12

1.3.2 Nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2009, 2013) 14

1.3.3 Nghiên cứu của Nguyễn Văn Thìn (2014) 16

1.3.4 Nghiên cứu của Koen Van Doorslear và nnk (2015) 16

1.4 Áp lực sóng lên tường đỉnh trên đê 18

1.4.1 Nghiên cứu áp lực sóng lên tường đỉnh trên thế giới 18

1.4.2 Nghiên cứu áp lực sóng lên tường đỉnh ở Việt Nam 28

Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG SÓNG TRÀN TRUNG BÌNH QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH VỚI MŨI HẮT SÓNG BẰNG THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ 30

2.1 Cơ sở lý thuyết chung 30

2.1.1 Tương tự về hình học 30

2.1.2 Tương tự về động học 30

2.1.3 Tương tự về động lực học 31

2.2 Thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 31

2.2.1 Thiết bị thí nghiệm 31

2.2.2 Mô hình đê và các tham số thí nghiệm 31

2.2.3 Trình tự thí nghiệm 33

2.3 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 34

2.3.1 Kiểm định nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013) trong trường hợp tường đỉnh không có mũi hắt sóng 34

2.3.2 Ảnh hưởng của các tham số tường đỉnh khi có mũi hắt sóng đến sóng tràn qua đê biển 35

2.4 Xây dựng phương pháp tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh 41

2.4.1 Cơ sở lý thuyết về hệ số ảnh hưởng thành phần của mũi hắt 41

2.4.2 Mối quan hệ giữa các tham số cơ bản và a 41

2.4.3 Xây dựng công thức thực nghiệm 44

Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ÁP LỰC SÓNG LỚN NHẤT LÊN TƯỜNG ĐỈNH BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG 50

3.1 Giới thiệu về thiết bị đo áp lực sóng 50

3.1.1 Đầu đo áp lực 50

3.1.2 Máy đo áp lực (máy đa kênh) 51

3.2 Các kịch bản thí nghiệm và trình tự thí nghiệm 51

3.2.1 Các kịch bản thí nghiệm 51

3.2.2 Công tác chuẩn bị 52

3.2.3 Trình tự thí nghiệm 53

3.3 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 54

3.3.1 Kết quả thí nghiệm 54

3.3.2 Phân tích áp lực lớn nhất 57

3.4 Xây dựng phương pháp tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh 59

3.4.1 Áp lực sóng tại vị trí Y = 1 cm 59

3.4.2 Xây dựng biểu đồ đường bao phân bố áp lực sóng lớn nhất 71

3.4.3 Xây dựng biể đồ phân bố áp lực sóng thực tế lớn nhất 76

Kết luận chương 3 77

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THIẾT KẾ ĐÊ BIỂN BIỂN HẢI NINH – THANH HÓA 79

4.1 Chọn địa điểm áp dụng 79

4.1.1 Sơ lược về đê Hải Ninh 79

4.1.2 Hiện trạng đê biển Hải Ninh 81

4.2 Ứng dụng kết quả nghiên cứu thiết kế mặt cắt ngang đê biển Hải Ninh 83

4.2.1 Cấp công trình và tần suất thiết kế 83

4.2.2 Điều kiện biên thủy lực 83

4.2.3 Xác định cao trình đỉnh đê 84

4.2.4 Đánh giá hiệu quả của phương án thiết kế 86

4.3 Kiểm tra ổn định tường đỉnh theo kết quả nghiên cứu 87

4.3.1 So sánh kết quả xác định áp lực sóng 87

4.3.2 Kiểm tra ổn định tường đỉnh trên đê 88

Kết luận chương 4: .91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

I Kết quả đạt được của luận án 92

1 Nghiên cứu tổng quan .92

2 Nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình vật lý 92

3 Nghiên cứu ứng dụng vào công trình thực tế .92

II Những đóng góp mới của luận án 93

III Tồn tại và hướng phát triển .93

1 Những tồn tại 93

2 Hướng phát triển 93

IV Kiến nghị 94

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 101

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số dạng điển hình về kết cấu tường đỉnh đê biển 5

Hình 1.2 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh 6

Hình 1.3 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh 6

Hình 1.4 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa 7

Hình 1.5 Đê biển Giao Thủy, Nam Định 8

Hình 1.6 Đê biển Quất Lâm, Nam Định 8

Hình 1.7 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng 9

Hình 1.8 Đê biển Afsluitdijk Hà Lan 9

Hình 1.9 Sóng tràn gây vỡ đê biển Hậu lộc, Thanh Hóa (bão số 7/2005) 10

Hình 1.10 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh 13

Hình 1.11 Biểu đồ áp lực sóng Goda 19

Hình 1.12 Sơ đồ xác định áp lực sóng của Oumeraci, H (2001) 20

Hình 1.13 Hình minh họa áp lực sóng tác dụng lên tường 21

Hình 1.14 Sơ đồ áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh 22

Hình 1.15 Mặt cắt dọc của đê có tường đỉnh trong máng sóng 23

Hình 1.16 Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực 24

Hình 1.17 Áp lực sóng đo được của một đầu áp lực theo thời gian 24

Hình 1.18 Áp lực sóng của một chu kỳ sóng 25

Hình 1.19 Áp lực sóng phân bố theo chiều cao của tường 25

Hình 1.20 Đường hồi quy xác định áp lực sóng theo thời gian gia tăng áp lực 26

Hình 1.21 Mũi hắt sóng làm tăng áp lực so với khi không có mũi hắt sóng 27

Hình 1.22 Độ thị quan hệ giữa lực sóng theo Hmo và Rc 27

Hình 1.23 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t* 28

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 32

Hình 2.2 Sơ đồ và mô hình tườngđỉnh có mũi hắt sóng được nghiên cứu 33

Hình 2.3 Kiểm định ảnh hưởng của tường đỉnh đến sóng tràn qua đê theo Thiều Quang Tuấn (2013), tường không có mũi hắt sóng, sóng vỡ 34

Hình 2.4 Ảnh hưởng của mũi hắt của tường đỉnh đến sóng tràn qua đê biển 35

Hình 2.5 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến lưu lượng tràn khi tường đỉnh không có mũi hắt sóng 36

Hình 2.6 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến lưu lượng tràn khi tường đỉnh có mũi

hắt sóng (β = 450) 36

Hình 2.7 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến lưu lượng tràn khi tường đỉnh có mũi hắt sóng (β = 900) 37

Hình 2.8 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến sóng tràn qua đê có mũi hắt sóng 38

Hình 2.9 Ảnh hưởng của góc mũi hắt sóng đến lưu lượng sóng tràn qua đê 39

Hình 2.10: Ảnh hưởng của chiều cao mũi hắt tương đối hn/W đến lưu lượng sóng tràn 40

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của a với bề rộng thềm và góc mũi hắt sóng 45

Hình 2.12 Sự phụ thuộc của a với bề rộng thềm và chiều cao mũi tương đối 46

Hình 2.13 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng của thềm và mũi hắt a 47

Hình 2.14 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh có mũi hắt sóng v giữa thực đo và tính toán 48

Hình 2.15 Sóng tràn qua đê biển với hệ số ảnh hưởng tổng hợp mới cho tường đỉnh có mũi hắt sóng 48

Hình 3.1 Kết nối đầu đo PDB với máy đo áp lực và truyền dữ liệu vào máy tính 50

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo áp lực sóng 52

Hình 3.3 Kiểm tra đầu đo áp lực 53

Hình 3.4 Lắp đặt đầu đo áp lực PDB-200KPa lên tường đỉnh 53

Hình 3.5 Tín hiệu áp lực được ghi lại ở dạng hiệu điện thế (mV) 55

Hình 3.6 Áp lựcsóng theo các đợt sóng 55

Hình 3.7 Biểu đồ phân bố áp lực sóng tại một số thời điểm 56

Hình 3.8 Áp lực sóng tác dụng lên tường theo thời gian tại 3 vị trí đo 57

Hình 3.9 Xác định các đỉnh áp lực sóng tác dụng lên tường theo thời gian 58

Hình 3.10 Áp lực sóng lớn nhất kịch bản thí nghiệm Test_196 58

Hình 3.11 Ảnh hưởng của Hm0 đến áp lực sóng lên tường (Đường mầu đỏ - mũi tên thể hiện xu thế quan hệ) 59

Hình 3.12 Ảnh hưởng của Tp đến áp lực sóng lên tường 60

Hình 3.13 Ảnh hưởng của Rc đến áp lực sóng lên tường 60

Hình 3.14 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước tường (S) đến áp lực sóng 61

Hình 3.15 Ảnh hưởng của độ dốc mái đê phía biển đến áp lực sóng lên tường 61

Hình 3.16 Ảnh hưởng của W đến áp lực sóng lên tường 62

Hình 3.17 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với độ cao lưu không tương đối 65

Hình 3.18 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với bề rộng thềm tương đối 66

Hình 3.19 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với chỉ số Iribarren ξm 66

Hình 3.20 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với chiều cao tường tương đối 67

Hình 3.21Đường hồi quy của áp lực sóng tại Y = 1cm, tường không có mũi hắt sóng 68 Hình 3.22 Đường hồi quy của áp lực sóng khi có và không có mũi hắt sóng 68

Hình 3.23 Sự phụ thuộc áp lực sóng vào góc mũi hắt sóng 69

Hình 3.24 Sự phụ thuộc áp lực vào chiều cao mũi tương đối 70

Hình 3.25 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định áp lực sóng tại vị trí Y = 1cm khi xét đến cả mũi hắt sóng 71

Hình 3.26 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm áp lực sóng tại vị trí Y = 3cm 72

Hình 3.27 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm áp lực sóng tại vị trí Y = 4,5cm 72

Hình 3.28 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm lực sóng tại vị trí Y = 6cm 73

Hình 3.29 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm lực sóng tại vị trí Y = 6,5 cm 73

Hình 3.30 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm áp lực sóng tại vị trí Y = 8,5cm 74

Hình 3.31 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm lực sóng tại vị trí Y = 9,5cm 74

Hình 3.32 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm áp lực sóng tại vị trí Y = 11,5cm 75

Hình 3.33 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định hệ số Cp theo chiều cao tương đối của vị trí áp lực và chiều cao tường 76

Hình 3.34 Đường hồi Đường hồi quy xác định tương quan giữa lực lớn nhất (Fmax) và lực khi đồng thời xảy ra các áp lực p1/250 (F(p1/250)) 77

Hình 4.1 Vị trí tuyến đê Hải Ninh 78

Hình 4.2 Bản đồ vị trí đê được thiết kế 82

Hình 4.3 Tuyến đê biển Hải Ninh đã được xây dựng 82

Hình 4.4 Mặt cắt ngang thiết kế 83

Hình 4.5 Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm MC20 84

Hình 4.6 Mặt cắt ngang đê biển Hải Ninh (phương án đề xuất) 86

Hình 4.7 Chi tiết tường đỉnh trên đê 86

Hình 4.8 Biểu đồ áp lực sóng lên tường đỉnh trên đê Hải Ninh 88

Hình 4.9 Sơ đồ các lực tác dụng lên tường đỉnh 88

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980) 11

Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm 33

Bảng 3.1 Số liệu thí nghiệm kịch bản Test_196 54

Bảng 3.2 Giá trị hệ số Cp theo vị trí trên tường 75

Bảng 4.1 Kết quả tính cao trình đỉnh đê 85

Bảng 4.2 Kết quả so sánh cao trình đỉnh đê 87

Bảng 4.3 Áp lực sóng lên tường theo 2 phương páp 87

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

1 Danh mục các từ viết tắt

ARC (Active Reflection Compensation): Hấp thụ sóng phản xạ tự động

COBRAS (Cornell Breaking Waves and Structures): Mô hình máng sóng số

JONSWAP (Joint North Sea Wave Project): Dự án nghiên cứu sóng biển Bắc

MNTK: Mực nước thiết kế

MH: Mô hình

NH: Nguyên hình

RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes): Mô hình toán họ RANS

TAW (Technical Report Wave Run- up and Wave Overtopping at Dikes): Sổ tay kỹ

thuật tính toán sóng tràn qua đê

TEST_: Kịch bản thí nghiệm

2 giải thích các thuật ngữ

Thềm trước: Là một phần của mặt đê ở phía trước tường đỉnh

Mũi hắt sóng: Là bộ phận phía trên của tường đỉnh ở phía biển, có nhiệm vụ hạn chế

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

α độ Góc dốc của mái đê phía biển

αw độ Góc nghiên của tường đỉnh

β độ Góc của mũi hắt sóng

ξ - Chỉ số sóng vỡ Iribarren

γβ - Hệ số chiết giảm sóng tràn do sóng tới xiên góc

γb - Hệ số chiết giảm sóng tràn do cơ đê

γr - Hệ số chiết giảm sóng tràn do độ nhám

γs - Hệ số chiết giảm sóng tràn do bề rộng thềm trước

γv - Hệ số chiết giảm sóng tràn tổng hợp do tường đỉnh

γw - Hệ số chiết giảm sóng tràn do chiều cao tường

γs,β - Hệ số chiết giảm sóng tràn do thềm trước và mũi hắt sóng

γs,β=0 - Hệ số chiết giảm sóng tràn của thềm trước khi không có mũi

hắt sóng

aβ - Hệ số kể đến ảnh hưởng của mũi hắt sóng

bβ - Hệ số gia tăng áp lực khi có mũi hắt sóng

Hm0 m Chiều cao sóng mô men 0

hn/W - Chiều cao mũi hắt tương đối

p1/100 KPa Áp lực sóng lớn nhất trung bình của 100 đợt tương tác p1/250 KPa Áp lực sóng lớn nhất trung bình của 250 đợt tương tác p1/500 KPa Áp lực sóng lớn nhất trung bình của 500 đợt tương tác

q (l/m/s) Lưu lượng sóng tràn trung bình

Rc m Độ cao lưu không phía trên mực nước tính toán

S m Bề rộng thềm trước tường

Tm s Chu kỳ đỉnh phổ trung bình

tr s Thời gian gia tăng áp lực từ 0 đến giá trị lớn nhất

W m Chiều cao tường đỉnh trên đê

Y m Khoảng cách từ chân tường đỉnh đến vị trí đo áp lực

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam nằm trong khu vực ổ bão của khu vực tây bắc Thái bình Dương với tần suất bão đổ bộ cao, trung bình khoảng 6 cơn/năm Do vậy hệ thống đê kè biển ở nước ta được hình thành từ rất sớm và khá dài (trên 2000 km) với mục đích bảo vệ các khu vực dân

cư kinh tế phía sau đê khỏi các thiên tai từ phía biển như ngập lụt, xói lở, dưới sự tác động của các yếu tố thủy động lực học trong bão như sóng và nước dâng Tuy nhiên do hạn chế về điều kiện kinh tế, đê biển ở nước ta mặc dầu đã trải qua nhiều lần nâng cấp sửa chữa nhưng hiện nay cao trình đỉnh đê còn khá thấp (phổ biến từ 4.0 đến 5.5 m) [1]

do vậy sóng tràn qua đê trong bão khá lớn, tùy theo vị trí mà lưu lượng sóng tràn có thể lên tới hàng trăm lít trên giây trên một mét chiều dài đê Thực tế thiên tai bão lũ xảy ra trong những năm vừa qua cho thấy sóng tràn qua đê trong bão đã gây ra xói mái, mất ổn định mái trong phía đồng dẫn đến vỡ đê là cơ chế gây hư hỏng đê phổ biến nhất ở nước

ta, đặc biệt là ở khu vực bắc bộ và bắc trung bộ Vỡ đê biển đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng về người và cơ sở hạ tầng cho các khu vực dân cư và kinh tế ven biển Lượng sóng tràn cho phép qua đê có tính quyết định đến quy mô, giải pháp thiết kế và cũng như là quy hoạch bảo vệ của một hệ thống đê biển Việc nghiên cứu sóng tràn qua

đê biển có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công tác xây dựng đê biển nói riêng và phòng chống thiên tai biển ở Việt Nam nói chung, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng như hiện nay (theo khuyên cáo của Ngân hàng thế giới thì Việt Nam nằm trong danh sách 05 nước trên toàn thế giới chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của nước biển dâng) [2]

Nhằm giảm chi phí xây dựng nhưng vẫn hạn chế được sóng tràn, tường đỉnh chắn sóng nằm trên đỉnh đê được dùng khá nhiều ở Việt Nam Sự có mặt của tường trên đỉnh đê ngăn chặn một phần sóng tràn qua đê nhưng làm thay đổi cơ bản chế độ dòng chảy sóng tràn trên đê so với trường hợp không có tường Hiện nay, tường đỉnh được xây dựng trên đê với nhiều dạng kết cấu khác nhau Tuy nhiên, trên thế giới và Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu chủ yếu mới dừng lại ở nghiên cứu đê có tường đỉnh có mặt thẳng đứng phía biển Việc nghiên cứu đê có tường đỉnh có mũi hắt sóng trên thế giới còn hạn chế

Mặt khác, với hình thức đê biển kết hợp với tường đỉnh thì việc tính toán thiết kế tường đỉnh đảm bảo ổn định và độ bền là hết sức quan trọng Các cơ chế mất ổn định của tường đỉnh có thể do trượt, lật (hoặc nghiêng), nứt kết cấu hoặc trượt nền [3] Thực tế cho thấy, mất ổn định của tường đỉnh trên đê có nguyên nhân chủ yếu là do áp lực sóng gây ra Vì vậy việc nghiên cứu, xây dựng công thức xác định áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh trên đê là hết sức cần thiết, là cơ sở quan trọng để tính toán thiết kế đảm bảo ổn định và

độ bền cho tường đỉnh

Vì những lý do nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt đến sóng tràn và áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên tường là hết sức cấp thiết và mang ý nghĩa quan trọng trong công tác thiết kế xây dựng đê biển, giảm nhẹ thiên tai biển ở nước ta

Đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn trên

đê biển” do vậy đã được đề xuất để nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu cơ bản của nghiên cứu là xây dựng được cơ sở khoa học cho việc thiết kế tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển Hai mục tiêu cụ thể của luận án là:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt sóng đến sóng tràn, góp phần nâng cao mức độ tin cậy trong tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển;

- Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh là cơ

sở cho tính toán thiết kế kết cấu tường đỉnh trên đê;

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, mặt trước dốc đứng

- Phạm vi nghiên cứu là đê biển Bắc bộ và Bắc trung bộ - Việt Nam

4 Nội dung nghiên cứu

Để giải quyết được mục tiêu trên, nội dụng luận án gồm:

- Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh và áp lực sóng lớn nhất

lên tường đỉnh trên đê khi có sóng tràn qua;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt đến khả năng chiết giảm sóng tràn qua đê biển bằng mô hình vật lý máng sóng;

- Nghiên cứu áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh khi có sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng;

- Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán đề xuất dạng kết cấu đê biển có tường đỉnh hợp

lý cho đê biển huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.1 Cách tiếp cận

Để đạt được mục đích nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới, từ đó lựa chọn cách tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính hiện đại, phù hợp với điều kiện Việt Nam

5.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết với luận án, từ đó tìm ra những vấn đề khoa học mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ;

- Phương pháp thực nghiệm: nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng hiện đại với tỷ

lệ mô hình phù hợp để mô phỏng sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh (nghiên cứu lưu lượng sóng tràn và áp lực sóng lên tường đỉnh);

- Phương pháp chuyên gia: thông qua các hội thảo khoa học để lấy ý kiến đóng góp của các chuyên gia về cách tiếp cận, thiết kế nghiên cứu, các luận cứ khoa học và các giải pháp;

- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu cho đê biển Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học:

Các nghiên cứu hiện tại về tương tác của sóng với đê biển có tường đỉnh chưa thật đầy

đủ, đặc biệt là vấn đề ảnh hưởng của mũi hắt sóng ở tường đỉnh đến khả năng chiết giảm sóng tràn và phương pháp xác định áp lực lớn nhất lên tường Việc hiểu rõ ảnh hưởng của mũi hắt sóng ở tường đỉnh đến sóng tràn và xây dựng được phương pháp xác định

áp lực lớn nhất lên tường đỉnh sẽ góp phần nâng cao mức độ tin cậy trong tính toán thiết

kế đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng

- Ý nghĩa thực tiễn:

Để đảm bảo tính mạng và tài sản của các vùng ven biển trong điều kiện biến đổi khí hậu

và nước biển dâng như hiện nay, nhất thiết phải giảm thiểu sóng tràn qua đê, đặc biệt là các tuyến đê bảo vệ các khu dân cư, vùng kinh tế quan trọng Hiện nay, để nâng cao cao trình đê biển với đê hiện có, đặc biệt là các tuyến đê bảo vệ thành phố, các khu du lịch

là khó khả thi Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp xây dựng tường đỉnh trên đê nhằm nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là giải pháp được áp dụng phổ biến

do có tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện kinh tế hiện nay của nước ta Kết quả nghiên cứu cho phép xác định cao trình và bố trí hợp lý tường đỉnh trên đê để thỏa mãn điều kiện lưu lượng sóng tràn cho phép

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương bao gồm:

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển;

Chương 2: Xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng bằng thí nghiệm mô hình vật lý;

Chương 3: Nghiên cứu áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh bằng mô hình vật lý máng sóng;

Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế đê biển Hải Ninh – Thanh Hóa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN

1.1 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh

Tường chống tràn trên đỉnh đê (gọi tắt là tường đỉnh) có chức năng bảo vệ và ổn định đường bờ, bảo vệ toàn bộ phần đất phía sau trước tác động của sóng, nước dâng và các tác động bất lợi khác từ biển Xây dựng tường đỉnh trên đê được coi là giải pháp đơn giản, hiệu quả để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê và thường được sử dụng ở những nơi mà không còn quỹ đất để nâng cao đỉnh đê, hoặc điều kiện kinh tế không cho phép xây đê cao Tường đỉnh có mặt cắt ngang khá phong phú, có thể là tường đứng, tường nghiêng, tường cong và tường có mũi hắt sóng…Tương ứng với những dạng mặt cắt ngang khác nhau, tường đỉnh có thể được xây dựng bằng nhiều loại vật liệu, thông dụng nhất là bê tông cốt thép, bê tông, đá xây và gạch xây (Hình 1.1) [4]:

Hình 1.1 Một số dạng điển hình về kết cấu tường đỉnh đê biển

Hiện nay, đê biển có tường đỉnh đang là giải pháp được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả giới thiệu đê có tường đỉnh của một số địa phương sau đây cũng không làm mất tính tổng quát của vấn đề nghiên cứu

1.1.1 Đê có tường đỉnh ở Hà Tĩnh

Hà Tĩnh có khoảng 211.0km đê biển, đê cửa sông thuộc thành phố Hà Tĩnh và các huyện:

Kỳ Anh, Cẩm Xuyên, Nghi Xuân, Thạch Hà, Lộc Hà Trong đó có khoảng 95.4km đê trực tiếp biển (chiếm 46%) và 105.16km được xây dựng tường đỉnh trên đê (chiếm 50%)

để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê Chiều cao tường đỉnh phổ biến là (0.4m - 1.0m), tường đỉnh có mũi hắt sóng khoảng 47km (chiếm 44%) và hầu hết không

có thềm trước tường [5]

Hình 1.2 Đê biển Thiên Cầm, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh

Hình 1.3 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh

1.1.2 Đê biển có tường đỉnh ở Thanh Hóa

Thanh Hóa có khoảng 70.4km đê biển thuộc các huyện Nga Sơn, Hậu Lộc, Hoàng Hóa, Tĩnh Gia Hiện nay, hầu hết các tuyến đê biển ở Thanh Hóa đều đã được kiên cố hóa với tường đỉnh trên đê Trong đó, đê có mũi hắt sóng khoảng 32.3km (chiếm khoảng 46%) [6] Điển hình là tuyến đê biển Hậu Lộc (đoạn đê biển Y Vích dài 5.5km), cao trình đỉnh

đê +4.5m; chiều rộng mặt đê B = 3m; mái đê phía biển m1 = 4.0; mái đê phía đồng m2

= 2.0; cao trình đỉnh tường là +5.5m; chiều cao tường W = 1.0m Đây là tuyến đê bảo

vệ trực tiếp khu dân cư đông đúc cho 5 xã: Hải Lộc, Minh Lộc, Ngư Lộc, Đa Lộc, Hưng Lộc với diện tích 2165ha và dân số khoảng 60 ngàn người [6]

Hình 1.4 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa

1.1.3 Đê biển có tường đỉnh ở Nam Định

Nam Định có 91.0km đê biển thuộc 3 huyện (Hải Hậu 33km, Giao Thủy 32km, Nghĩa Hưng 26km), trong đó có 45km trực diện với biển (chiếm 49.5%) Toàn tỉnh hiện có gần 50km đê biển được xây dựng tường đỉnh trên đê (chiếm 55%) [7] Hầu hết tường đỉnh trên đê là thẳng đứng, không có thềm trước tường, tường được làm bằng bê tông cốt thép hoặc đá xây Cao trình đỉnh tường phổ biến (+5.2m đến +5.5m), chiều cao tường đỉnh phổ biến (0.4m đến 0.7m) Một số nơi có mặt đê tương đối rộng như đê biển thị

Hình 1.5 Đê biển Giao Thủy, Nam Định

Hình 1.6 Đê biển Quất Lâm, Nam Định

1.1.4 Đê biển có tường đỉnh ở Hải Phòng

Hải phòng có khoảng 46.9km đê biển, chiều rộng mặt đê B = 5.0m, cao trình đỉnh tường (4.5m – 5.5m), đê có tường đỉnh với mũi hắt sóng chiếm khoảng 50% [8] Tuyến đê Cát Hải là tuyến đê khép kín bảo vệ khu dân cư, sau sự cố vỡ đê do bão số 7 năm 2005, tuyến đê quan trọng này đã được đầu tư xây dựng khá kiên cố với cao trình mặt đê +5.0m; trên mặt đê có bố trí tường đỉnh cao 0.5m; bề rộng thềm trước tường 0.5m [8]

Hình 1.7 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng

1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển

Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển luôn nhận được quan tâm của nhiều quốc gia đặc biệt

là những quốc gia có biển Sự phát triển khoa học và kỹ thuật về đê biển ở các nước này gắn liền với lịch sử phát triển của đất nước Nghiên cứu về sóng tràn ở trên thế giới đã

có từ lâu, nhiều nước đã có những nghiên cứu khá toàn diện như: Mỹ, Hà Lan, CHLB Đức, Nhật Bản… Các thành tựu nghiên cứu về khoa học và công nghệ đê biển trên thế giới đã được tổng kết, đánh giá đưa vào sổ tay, quy trình, quy phạm [1], [9] Hiện nay,

hệ thống đê biển của các nước phát triển được xây dựng kiên cố, khá hiện đại, kết hợp với hệ thống đường cao tốc (Hình 1.8)

Hình1.8 Đê biển Afsluitdijk Hà Lan (nguồn Internet)

Nhưng do những biến động lớn về môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu toàn cầu, tần suất và cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, đặc biệt là bão, triều cường kết hợp với nước dâng làm cho nguy cơ sóng tràn qua đê chưa được loại bỏ vẫn là mối hiểm họa phổ biến (Hình 1.9)

Hình 1.9 Sóng tràn gây vỡ đê biển Hậu lộc, Thanh Hóa (bão số 7/2005) [1] Những nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển tiêu biểu trên thế giới có thể kể đến:

Saville (1955) là người đầu tiên đặt nền móng cho nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí nghiệm sóng đơn [10] Cho đến nay, đã có hàng vạn thí nghiệm đã và đang được tiến hành tại nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, chủ yếu là ở các nước châu Âu, trong

đó gần một nửa đã được thực hiện gần đây (năm 2000 – 2004) [11] Các thí nghiệm sau này được thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với điều kiện tự nhiên hơn như: sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, cấu tạo hình học và dạng kết cấu công trình đa dạng…[12];

Sau sự khởi xướng của Saville (1955), năm 1980 Owen dựa trên kết quả của 500 thí nghiệm mô hình với sóng ngẫu nhiên đã công bố công thức công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình mái nhẵn như sau [13]:

𝑞

𝑔𝐻𝑠𝑇𝑚 = 𝑎 exp (−𝑏.

𝑅𝑐

𝑇𝑚√𝑔𝐻𝑠) (1.1) trong đó Tm là chu kỳ sóng trung bình (s), Hs là chiều cao sóng ý nghĩa (m), Rc là độ cao lưu không của đỉnh đê (m) Owen (1980) chủ yếu đã sử dụng mô hình mái đê nhẵn dạng

đơn giản, chỉ một số ít thí nghiệm có cơ đê phía trước Các hệ số thực nghiệm a và b được Owen lập cho các độ dốc mái đê khác nhau như thống kê ở Bảng 1.1

Owen (1980) cũng đã xét đến ảnh hưởng giảm sóng tràn của độ nhám mái đê thông qua

Bảng 1.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980) [13]

Sau đó Owen (1980) đã dựa trên các thí nghiệm bổ sung để hiệu chỉnh lại các hệ số a và

b một lần nữa cho cả trường hợp sóng đến xiên góc [13]

De Waal and Van der Meer (1992) cũng có nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn không thấm tương tự như Owen (1980) Tuy nhiên lưu lượng sóng tràn trung bình được quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lưu không đỉnh đê (Ru2% - Rc)/Hs [14]:

𝑞

√𝑔𝐻𝑠3 = 8 10−5 𝑒𝑥𝑝 (3.1.𝑅𝑢2%− 𝑅𝑐

𝐻𝑠 ) (1.3) Trong đó Ru2% là chiều cao sóng leo 2% (ứng với 2% con sóng vượt qua mức này ở trên mái đê không tràn)

Có thể thấy rằng phạm vi ứng dụng của công thức (1.3) còn nhiều hạn chế như: không xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái đê, ảnh hưởng của cơ đê và nhất là tính sóng tràn thông qua sóng leo Ru2% [14] Vì vậy sau này Van deer Meer (1993) đã cải tiến công

thức trên bằng cách biểu diễn sóng tràn trực tiếp thông qua chiều cao lưu không tương đối của đỉnh đê Rc/Hs và sử dụng cả các kết quả nghiên cứu của Owen (1980) [15] Ngoài ra, Van deer Meer (1993) còn cho rằng sóng tràn còn phụ thuộc vào tính chất tương tác của sóng với công trình (tức là giữa sóng vỡ và sóng không vỡ) [15] Van deer Meer và Janssen (1995) đã đề xuất công thức tính toán sóng tràn có thể ứng dụng cho

cả trường hợp đê có cơ (phía biển) và mái đê có độ nhám [16]

TAW (2002), EurOtop (2007) đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua

đê biển khá hoàn chỉnh, với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho đa dạng các kết cấu hình học đê và có xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến sóng tràn qua đê Hiện nay kết quả nghiên cứu này đang được sử dụng phổ biến [17], [18]

1.3 Ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê

Trong những thập kỷ qua, nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển trên thế giới và Việt Nam đã có những bước tiến khá xa, cơ sở dữ liệu sóng tràn khá đầy đủ cho các dạng kết cấu hình học và điều kiện thủy lực khác nhau Nghiên cứu điển hình và phổ biến nhất hiện nay về ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển là TAW (2002) sau này đưa vào EurOtop (2007), Koen Van Doorslear và nnk (2015), Thiều Quang Tuấn (2013) và Nguyễn Văn Thìn (2014)

1.3.1 Nghiên cứu của TAW (2002)

Trong TAW (2002) có xét đến hệ số chiết giảm của tường đỉnh cho trường hợp kết cấu hình học của tường đỉnh và đê thỏa mãn các điều kiện sau: độ dốc mái đê trong phạm vi dưới chân tường đỉnh đến biên 1.5Hm0 phía dưới mực nước thiết kế nằm trong khoảng

từ 1/2.5 đến 1/3.5; tổng bề rộng cơ không quá 3Hm0, vị trí chân tường nằm trong khoảng

±1.2Hm0 so với mực nước thiết kế, chiều cao tường nhỏ nhất (khi chân tường nằm ở vị trí cao) là 0.5Hm0; và lớn nhất (khi chân tường nằm ở vị trí thấp) là 3Hm0 (Hình 1.9) [17] Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình được phản ánh thông qua

hệ số chiết giảm tường đỉnh γv Với tường đỉnh thỏa mãn các điều kiện nêu trên thì có thể xác định γv như sau:

- Xác định hệ số mái dốc quy đổi trong trường hợp có tường đỉnh và tường đỉnh được thay thế bằng mái dốc có độ dốc 1:1.0 (Hình 1.10):

Khi đó độ dốc quy đổi được tính theo công thức (1.4):

𝑡𝑎𝑛𝛼 = 𝑅𝑢2%+ 1.5𝐻𝑚0

𝐿′𝑠− 𝐵𝑏 (1.4) Với Ls là chiều dài mái tính góc quy đổi, L′s là chiều dài mái trong tính toán độ dốc mái

đê quy đổi khi có tường và Bb là bề rộng cơ đê;

- Dùng độ dốc mái đê quy đổi này để tính lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê, xác định hệ số chiết giảm lưu lượng sóng tràn trung bình do tường đỉnh gây ra γv;

- Khi tường đỉnh là tường thẳng đứng (αw = 900) thì γv = 0.65, khi mặt tường phía biển nghiêng (αw = 450÷ 900) thì γv = 1.35-0.0078.αw, khi sóng không vỡ γv = 1.0 (không có ảnh hưởng của tường)

Hình1.10 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh [17]

Trong TAW (2002) và sau này là EurOtop (2007) khi có tường đỉnh thì sự chiết giảm sóng tràn thể hiện qua hệ số chiết giảm γv được xác định như sau [17], [18]:

Khi sóng vỡ (

b0m

trong đó: q là lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê trong trường hợp có tường đỉnh; Hm0 là chiều cao sóng tại chân đê; ξom là chỉ số Iribarren được tính toán từ chu kỳ phổ đặc trưng Tm-1,0; Rc’ là độ cao lưu không thực đỉnh đê; tanα là độ dốc mái đê qui đổi; γb,

γr, γβ và γv là các hệ số chiết giảm sóng tràn do cơ, độ nhám, sóng tới xiên góc và tường đỉnh

Như vậy, ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình theo phương pháp TAW (2002) là chưa được tường minh Tường đỉnh làm tăng độ dốc mái

đê quy đổi có thể là nguyên nhân làm tăng lưu lượng sóng tràn trung bình, tuy nhiên sau

đó lại được chiết giảm bởi hệ số γv

Nhìn chung, phương pháp xác định ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê đến lượng sóng tràn của TAW (2002) là khá đơn giản, tuy nhiên mới chỉ xét đến ảnh hưởng của góc nghiêng mặt tường Trong thực tiễn, tường đỉnh trên đê có thể có cấu tạo hình học phức tạp, điển hình như chiều cao tường có thể khác nhau với cùng chiều cao lưu không Rc (chiều cao lưu không tính đến đỉnh tường), tường có thềm trước và tường có mũi hắt sóng,… đều có ảnh hưởng đáng kể đến sóng tràn nhưng chưa được xét đến một cách thỏa đáng ở TAW (2002)

1.3.2 Nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2009, 2013)

Nhằm khắc phục phần nào hạn chế trong TAW (2002) như đã nêu trên, Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009) [19] đã tiến hành các thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng Hà Lan tại trường Đại học Thủy Lợi để kiểm nghiệm và bổ sung tính toán sóng tràn qua tường đỉnh

Các thí nghiệm được tiến hành với các điều kiện biên thiết kế phổ biến nhất ở nước ta

về mặt thủy động lực (sóng và mực nước), hình học kết cấu (chiều cao đê, mái đê, tường đỉnh trên đê) và bãi trước đê Việc xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh chỉ mới giới hạn

ở dạng tường đỉnh có vách dốc đứng phía biển, tường nằm sát mép đỉnh đê phía biển, không có thềm trước

Qua phân tích các số liệu thực nghiệm thấy rằng γv giảm (khả năng chiết giảm sóng tràn tăng) khi tỷ số W/(W+Rc) tăng Với W là chiều cao tường, Rc là độ cao lưu không từ mực nước thiết kế tính đến đỉnh của tường Nhiều dạng phối hợp khác nhau giữa các

tham số đã được thử nghiệm để tìm ra được một tương quan tốt nhất với γv Các liên hệ sau đã được tìm thấy, cho sự phù hợp tốt nhất giữa các số liệu thực nghiệm:

đê (chiều cao tường, độ lưu không) Phương pháp mới đã tỏ ra có độ tin cậy cao hơn, có thể dễ dàng tích hợp với phương pháp của TAW (2002) trong việc tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê có tường đỉnh

Tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn và nnk (2009), Thiều Quang Tuấn (2013) [20] tiếp tục thực hiện các thí nghiệm bổ sung với mục tiêu: đánh giá hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh γv đối với lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê có chiều cao tường thay đổi và có thềm trước tường

Với 225 thí nghiệm sóng ngẫu nhiên đã được thực hiện với các kịch bản khác nhau nhằm tạo điều kiện đánh giá ảnh hưởng của tường đỉnh (W) và thềm trước (S) một cách thuận lợi nhất Bằng số liệu thực nghiệm khá phong phú và phân tích một cách khoa học, kết

quả nghiên cứu đã đưa ra được công thức xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường (công thức 1.9, 1.10, 1.11):

và có thể dùng chung cho cả sóng vỡ và sóng không vỡ Phương pháp mới có thể tích hợp một cách tường minh vào các công thức tính toán sẵn có của TAW (2002) góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh đặc thù ở nước ta

1.3.3 Nghiên cứu của Nguyễn Văn Thìn (2014)

Để làm rõ hơn bản chất ảnh hưởng của chiều cao tường và bề rộng thềm trước tường đến sóng tràn qua đê biển, Nguyễn Văn Thìn (2014) [21] đã tiến hành thí nghiệm trên

mô hình vật lý máng sóng Qua đó đã làm sáng tỏ bản chất ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn, chứng minh được tính ưu việt của thềm trước thông qua việc đi sâu phân tích quá trình tương tác sóng - tường và xây dựng được công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho trường hợp sóng đều (công thức 1.12):

có mũi hắt sóng đến sóng tràn qua đê

1.3.4 Nghiên cứu của Koen Van Doorslaer và nnk (2015)

Gần đây nhất là nghiên cứu của Koen Van Doorslaer và nnk (2015) đã tiến hành trên

1000 thí nghiệm với các yếu tố sóng và mặt cắt đê theo điều kiện bờ biển của nước Bỉ

Qua đó tìm hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường, thềm trước tường và mũi hắt sóng đến sóng tràn đối với trường hợp tường mặt trước dốc đứng Kết quả nghiên cứu đã đề xuất được công thức xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường như công thức (1.13) [22]:

𝛾𝑣 = 1.03 𝛾𝑤 𝛾𝑠 𝛾𝑝 (1.13) trong đó γw, γs lần lượt là các hệ số chiết giảm sóng tràn do chiều cao tường, thềm trước tường và mũi hắt sóng, được xác định theo công thức (1.14 và 1.15):

trong đó: β là góc của mũi hắt sóng; hn là chiều dày mũi hắt sóng; γβ, γn lần lượt là hệ

số chiết giảm sóng tràn do góc mũi hắt sóng và chiều dày mũi hắt sóng tương đối (hn/W) Theo kết quả nghiên cứu của Koen Van Doorslaer và nnk (2015), ngoài ảnh hưởng của chiều cao tường, thềm trước tường đến sóng tràn thì mũi hắt sóng cũng có ảnh hưởng đến sóng tràn thông qua hệ số chiết giảm γp Mũi hắt sóng ảnh hưởng đến sóng tràn thông qua góc β và chiều dày mũi hắt sóng tương đối (hn/W) Tuy nhiên, Koen Van

Doorslear và nnk (2015) vẫn cho rằng ảnh hưởng của thềm trước và mũi hắt sóng là độc lập nhau, thềm trước tăng thì khả năng chiết giảm sóng tràn tăng lên và ngược lại Tóm lại, tới nay trên thế giới và ở Việt Nam đã có một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển Các nghiên cứu này chủ yếu

đề cập mối quan hệ giữa chiều cao tường (W), độ cao lưu không tính đến mặt đê (hoặc

độ cao lưu không tính đến đỉnh tường Rc) và thềm trước tường (S) tới các hệ số chiết giảm γw, γs, γv Mặt khác, các nghiên cứu cũng chưa phân tích ảnh hưởng đồng thời giữa các yếu tố như thềm trước tường và mũi hắt sóng Điều này gợi ý cho luận án sẽ nghiên cứu khả năng chiết giảm sóng tràn của mũi hắt sóng ở tường đỉnh khi có sự thay đổi đồng thời của chiều cao tường và thềm trước tường

1.4 Áp lực sóng lên tường đỉnh trên đê

Trong thiết kế đê biển có tường đỉnh, bên cạnh sóng tràn qua đê biển thì áp lực sóng lên tường đỉnh cũng là vấn đề rất quan trọng Bởi vì, áp lực sóng là nguyên nhân chủ yếu gây mất ổn định hoặc độ bền tường đỉnh trên đê Sau đây, tác giả giới thiệu một số nghiên cứu tiêu biểu về nội dung này

1.4.1 Nghiên cứu về áp lực sóng lên tường đỉnh trên thế giới

Goda (1985) [23] căn cứ vào một số lượng lớn kết quả thí nghiệm mô hình và kiểm

nghiệm trên các đê chắn sóng thực tế, đã đề xuất 1 phương pháp tính toán áp lực sóng cho trường hợp đê chắn sóng có tường đứng Công thức này đã được đưa vào quy phạm

kỹ thuật công trình cảng của Nhật Bản Đối với mặt cắt đê có thùng chìm với mặt đón sóng thẳng đứng như Hình 1.11, tác giả giả thiết rằng áp lực sóng lên mặt tường phân

bố theo đường thẳng, ở vị trí trên mực nước tĩnh một khoảng 𝜂 áp lực sóng bằng 0; tại mực nước tĩnh áp lực sóng ps lớn nhất; áp lực sóng đáy nước pd Trị số 𝜂, ps và pd được tính toán theo sơ đồ như Hình 1.11 [23]:

h – độ sâu nước trước thùng chìm;

d1 – độ sâu nước phía trên bệ đá của thùng chìm;

d – độ sâu nước trên lớp phủ bệ đá, nếu không có lớp phủ thì d1 = d2;

d3 – độ sâu nước trước tường ở vị trí cách tường một đoạn bằng 5 lần chiều cao sóng có ý nghĩa;

Áp lực sóng tại đáy tường:

Công thức của Goda được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản và trên thế giới Tuy vậy công thức trên chỉ thuận lợi khi tính toán áp lực cho dạng đê chắn sóng thùng chìm có thành đứng, khi áp dụng cho đê biển có tường đỉnh thì không phù hợp

Oumeraci, H.(2001) [24] đã tiến hành nghiên cứu, thành lập công thức xác định áp lực

sóng tác dụng lên tường theo tiêu chuẩn sóng leo với điều kiện mặt tường phía biển thẳng đứng, không có thềm và không có mũi hắt sóng Biểu đồ áp lực sóng được xây dựng có dạng hình thang (Hình 1.12)

Hình 1.12 Sơ đồ xác định áp lực sóng của Oumeraci, H (2001) [24]

trong đó:

- Hs: Chiều cao sóng tại vị trí sóng đổ lần cuối (m);

- ZA: Chiều cao sóng leo (m);

- Fstau: Áp lực thủy tĩnh (KN/m);

- Fwo: Áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh (KN/m);

- HSWL: Chiều cao sóng dâng từ mép nước đến đỉnh sóng (m);

- tanα: Độ dốc mái đê

Phương pháp CEM -2006 [25] đã chỉ ra áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh trên đê

có thể xảy ra một trong ba dạng như Hình 1.13:

Hình 1.13 Hình minh họa áp lực sóng tác dụng lên tường [26]

- Trường hợp sóng không vỡ: sóng sẽ leo lên tường và đẩy hoàn toàn không khí lên trên, lực sóng tác dụng lên tường có dạng Wagner một đỉnh áp lực [26] (Hình 1.13a)

- Trường hợp sóng vỡ, thoát khí, lưỡi sóng khi chạm vào tường sẽ đi lên gần như thẳng đứng, lực sóng tác dụng lên tường có dạng Wagner hai đỉnh áp lực [26] (Hình 1.13b)

- Trường hợp sóng vỡ, có hình thành một túi khí lớn Áp lực sóng khi đó có dạng Bagnold với áp lực xung kích [27] (Hình 1.13c)

Kết quả nghiên cứu của CEM-2006 cũng đã được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia của Việt Nam TCVN 9901:2014 Theo đó sơ đồ tải trọng do sóng vỡ tác động lên tường cản sóng thành đứng có dạng hình thang (khi không có đất lấp ở phía bờ) được xác định như Hình

Hình 1.14 Sơ đồ áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh [25]

- Công trình nằm ở độ sâu mà tại đó sóng bị đổ lần cuối cùng (Hình 1.14a):

a

𝜇𝑜 = − 𝑝𝑖

𝜉0 𝜌 𝑔 (1.29)

- Công trình nằm trên bờ, cao hơn mép nước nhưng còn trong phạm vi sóng leo (Hình 1.14c):

p = p l = 0,7(1 -

r

l a

a

𝜇𝑜 = − 𝑝𝑙

𝜉0 𝜌 𝑔 (1.31) trong đó:

p là hợp lực của tải trọng sóng vỡ tác động lên tường giảm sóng (Kpa);

o là độ cao lưng sóng so với mặt nước tính toán tại vị trí tường chắn sóng (m);

Hb là chiều cao sóng tại vị trí sóng đổ lần cuối (m);

ai là khoảng cách từ vị trí sóng đổ lần cuối đến công trình (m);

al là khoảng cách từ mép nước đến công trình (m);

ar là khoảng cách từ mép nước đến ranh giới leo bờ của sóng vỡ (m)

Ramachandran và nnk (2012) [28] đã tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý máng

sóng ở Hannover, với chiều dài máng 300m, chiều rộng 5m và chiều sâu là 7m Mô hình được nghiên cứu là một phương án mặt cắt đê với tỷ lệ 1:1, cao trình đỉnh đê là 6.5m,

đê có mái phía biển m = 3, độ dốc bãi trước i = 1:20, chiều cao tường đỉnh là 1.7m, thềm trước tường là S = 10m (Hình 1.15)

Hình 1.15 Mặt cắt dọc của đê có tường đỉnh trong máng sóng [28]

Trong thí nghiệm, các sensor cảm biến đo áp lực được bố trí như Hình 1.14

Hình 1.16 Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực [28]

Áp lực sóng được đo tại một vị trí theo thời gian được thể hiện như Hình 1.17:

Hình 1.17 Áp lực sóng đo được của một đầu áp lực theo thời gian

Nhóm nghiên cứu của Karunya Ramachandran nhận thấy trong một đợt tương tác, áp lực sóng tác dụng lên tường gồm có 2 đỉnh (Hình1.18) Đỉnh thứ nhất thường lớn hơn đỉnh thứ hai rất nhiều

Hình1.18 Áp lực sóng của một chu kỳ sóng

Do chỉ nghiên cứu 1 phương án mặt cắt đê nên Karunya Ramachandran và nnk (2012) mới đưa ra dạng áp lực sóng tác dụng lên tường (Hình 1.19), chưa đề xuất được công thức thực nghiệm để xác định áp lực sóng Mặt khác, trong thí nghiệm của Karunya Ramachandran và nnk (2012) vẫn chưa nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều cao tường

và mũi hắt sóng ở tường đỉnh đến áp lực sóng Chiều rộng thềm trước mới nghiên cứu

có một trường hợp (S = 10m) nên chưa thể so sánh hay đánh giá ảnh hưởng

Hình1.19 Áp lực sóng phân bố theo chiều cao của tường

Xuexue Chen và nnk (2014) [29] không trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố

sóng và yếu tố hình học của mặt cắt đê đến áp lực sóng mà tiến hành nghiên cứu quan

hệ giữa áp lực sóng (p) và thời gian gia tăng áp lực tr (là thời gian để áp lực sóng tăng

từ 0 đến giá trị cực đại trong khoảng thời gian của một chu kỳ sóng) (Hình 1.20) Kết quả phân tích đã chỉ ra rằng áp lực sóng tỷ lệ nghịch với thời gian gia tăng áp lực (công thức 1.32):

Hình 1.20 Đường hồi quy xác định áp lực theo thời gian gia tăng áp lực

Kortenhous và nnk (2004) [30] đã tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý máng sóng

nhằm đánh giá ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh thông qua hệ số kF (kF là tỷ số giữa áp lực khi có và không có mũi hắt sóng)

Hình 1.21 Mũi hắt sóng làm tăng áp lực so với khi không có mũi hắt sóng

Kết quả nghiên cứu của Kortenhous và nnk (2004) cho thấy khi tường có mũi hắt sóng,

áp lực sóng tác dụng lên tường sẽ lớn hơn so với trường hợp không có mũi hắt sóng và phụ thuộc vào chiều cao lưu không tương đối (Rc/Hs) Khi có mũi hắt sóng thì với Rc/Hs

< 1.5 thì áp lực sóng lên tường sẽ tăng lên từ 1.1 đến 1.8 lần; còn khi Rc/Hs > 1.5 thì sự gia tăng áp lực sóng này là không đáng kể (Hình 1.21) Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy áp lực sóng có tính bất định khá lớn do có sự liên hệ với đặc tính ngẫu nhiên của sóng và sự hỗn loạn của tương tác tác sóng – tường

Koen Van Doorslaer và nnk (2015) [31] đã tiến hành nghiên cứu 32 thí nghiệm với 01

phương án mặt cắt đê trên mô hình vật lý máng sóng tỷ lệ lớn nhằm nghiên cứu mối quan hệ giữa chiều cao sóng Hm0 và độ cao lưu không Rc đến lực tác dụng lên tường đỉnh trên đê Thông qua kết quả đo của 03 đầu đo lực, nhóm nghiên cứu đã đề xuất được công thức thực nghiệm xác định lực tác dụng lên tường đỉnh là hàm của độ cao lưu không Rc và Hm0 (công thức 1.33) :

F = a.ρ.g.Rc exp(-b.Rc/Hm0) (1.33) các hệ số a, b được xác định theo số liệu thực nghiệm

Hình 1.22 Đồ thị quan hệ giữa lực sóng theo Hm0 và Rc

Với số liệu thí nghiệm hạn chế và kịch bản ít, công thức (1.34) được xây dựng trên cơ

sở dự đoán đường quan hệ giữa lực sóng tác dụng lên tường theo Hm0 và Rc (Hình 1.22) Công thức chưa xét đến các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến lực (áp lực) sóng như: hệ

số mái đê phía biển, chiều cao tường, thềm trước tường và trường hợp tường có mũi hắt sóng