Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ, áp dụng cho kè đê biển cát hải, hải phòng

PHẠM VĂN LẬP NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG TẠI CHÂN KÈ NÔNG TRONG THIẾT KẾ CHÂN KÈ ĐÁ ĐỔ, ÁP DỤNG CHO ĐÊ BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM VĂN LẬP

NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG TẠI CHÂN KÈ NÔNG TRONG THIẾT KẾ CHÂN KÈ ĐÁ ĐỔ, ÁP DỤNG CHO ĐÊ

BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019

PHẠM VĂN LẬP

NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG TẠI CHÂN KÈ NÔNG TRONG THIẾT KẾ CHÂN KÈ ĐÁ ĐỔ, ÁP DỤNG CHO ĐÊ

BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 9580202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lê Xuân Roanh

2 GS TS Ngô Trí Viềng

HÀ NỘI, NĂM 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

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

Phạm Văn Lập

LỜI CẢM ƠN

Luận án ““Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè

đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng” được thực hiện từ 11/2014 và hoàn thành vào 11/2018

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Xuân Roanh GS.TS Ngô Trí Viềng đã dành nhiều công sức giúp đỡ và tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án

Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ của Trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là các thầy cô giáo trong Bộ môn Thủy công Khoa Công trình, bộ môn Kỹ thuật công trình biển thuộc khoa Kỹ thuật Biển, cán bộ thuộc phòng TNTL tổng hợp, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, các nhà khoa học từ các đơn vị trong và ngoài trường Đại học Thủy Lợi có nhiều đóng góp quý báu và đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu

và hoàn thành luận án

Tác giả cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án này

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ vi

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN vii

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 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

7 Cấu trúc của luận án 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ ĐÊ BIỂN ĐÁ ĐỔ 4

1.1 Kết cấu bảo vệ chân kè đê biển 4

1.1.1 Cấu tạo chung của đê biển 4

1.1.2 Khái quát lớp bảo vệ chân kè đê biển 5

1.1.3 Chân kè nông 7

1.2 Dòng chảy khu vực chân kè nông 7

1.2.1Hình thành dòng chảy khu vực gần chân kè 7

1.2.2 Dòng chảy tiếp cận vùng sóng vỗ 9

1.2.2.1 Chuyển động quỹ đạo của phần tử nước 9

1.2.2.2 Lý thuyết sóng tuyến tính 9

1.2.2.3 Lý thuyết sóng bậc cao 11

1.2.2.4 Lý thuyết dòng chảy sóng bậc 2 12

1.2.3.Dòng chảy do sóng tác động tới chân kè nông 13

1.3 Nghiên cứu ổn định của chân kè đá đổ 18

1.3.1 Nghiên cứu chân kè đá đổ trên thế giới 18

1.3.2 Nghiên cứu ổn định chân kè tại Việt Nam 23

1.3.2.1 Nghiên cứu thử nghiệm và lý thuyết 23

1.3.2.2 Nghiên cứu ứng dụng 24

1.3.3 Những tồn tại của nghiên cứu chân kè hiện nay 26

1.4 Định hướng vấn đề nghiên cứu của luận án 27

1.5 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH SỐ NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY TẠI CHÂN KÈ NÔNG 29

2.1 Đặt vấn đề 29

2.2 Hướng nghiên cứu dạng mô hình toán 30

2.2.1 Một số phần mềm thông dụng trong nghiên cứu sóng vùng ven bờ 30

2.2.2 Máng sóng số 30

2.2.2.1 Các phương trình cơ bản sử dụng trong lý thuyết máng sóng số 31

2.2.2.2 Cấu trúc của máng sóng số 34

2.3 Lựa chọn điều kiện biên cho chạy mô hình toán 35

2.3.1 Căn cứ thiết lập thông số tính toán 35

2.3.2 Hiệu chỉnh mô hình máng sóng số MSS-2D 35

2.3.3 Kiểm định mô hình trường hợp mái không có mố nhám 36

2.3.4 Kiểm định mô hình trường hợp mái có mố nhám 38

2.4 Nghiên cứu khả năng tiêu giảm năng lượng khi có mố nhám 40

2.5 Mối quan hệ giữa các tham số 43

2.6 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG Ở CHÂN KÈ NÔNG BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ 48

3.1 Đặt vấn đề 48

3.2 Hướng nghiên cứu bằng mô hình vật lý 48

3.2.1 Quá trình phát triển hướng nghiên cứu 48

3.2.2 Lý thuyết chuyển đổi thông số tương quan trong mô hình 49

3.2.2.1 Thứ nguyên 49

3.2.2.2 Tính tương tự trong nghiên cứu mô hình vật lý 50

3.2.3 Giới thiệu mô hình vật lý 51

3.3 Cơ sở lựa chọn biên thí nghiệm 54

3.3.1 Chọn biên thí nghiệm 54

3.3.2 Máng sóng thí nghiệm 55

3.4 Kịch bản thí nghiệm 57

3.5 Kết quả thí nghiệm máng sóng vật lý 59

3.6 Xây dựng công thức thực nghiệm 61

3.6.1 Cơ sở lập 61

3.6.2 Giải và tìm hàm phiếm phụ 62

3.6.3 Bài toán tổng quát 63

3.6.4 Tính toán vận tốc chân kè 63

3.7 Kết luận chương 3 65

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN SO SÁNH KHỐI LƯỢNG VIÊN ĐÁ BẢO VỆ CHÂN KÈ ÁP DỤNG CHO ĐÊ BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG 66

4.1 Giới thiệu chung về đê Cát Hải, Hải Phòng 66

4.1.1 Hiện trạng công trình trước khi sửa chữa 66

4.1.2 Thông tin chung phục vụ tính toán thiết kế 67

4.2 Hiện tượng hư hại mái kè do vật rắn chà xát 68

4.3 Thiết kế mố nhám chân kè 69

4.4 Đề xuất quy trình kiểm tra điều kiện ổn định viên đá tại chân kè 72

4.5 Tính toán lựa chọn cấu kiện bảo vệ 73

4.5.1 Nhận xét về các lần sửa chữa và nâng cấp gần đây tại tuyến đê nghiên cứu 73 4.5.2 Thiết kế chi tiết mố nhám cản đá và hình dáng cấu kiện tạo nên mố nhám 73

4.5.3 Kết quả quan trắc mố nhám thiết kế 78

4.6 So sánh tính toán khối lượng viên đá tại chân kè 78

4.7 Nhận xét chung về phương án đề xuất 79

4.8 Kết luận chương 4 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

1 Kết quả đạt được của luận án 81

2 Những đóng góp mới của luận án 82

3 Tồn tại và hướng phát triển 82

4 Kiến nghị 82

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu tạo mặt cắt ngang điển hình của đê biển 4

Hình 1.2: Cấu tạo một số chân kè đại diện trong kết cấu đê biển 6

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc máng sóng số [34] 34

Hình 2.2: Kiểm định mô hình-Vận tốc thực đo và vận tốc tính toán trường hợp không đặt mố nhô 38

Hình 2.3: Kiểm định mô hình-Vận tốc thực đo và vận tốc tính toán trường hợp có mố nhô 40

Hình 2.4: Tỷ lệ tiêu giảm vận tốc so sánh khi có và không có mố nhám 42

Hình 3.1: Bố trí đầu đo một thí nghiệm máng sóng [43],[44],[45] 52

Hình 3.2: Máng sóng tại phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp - Đại học Thủy lợi 53

Hình 3.3: Đo mực nước tĩnh trước khi thí nghiệm 53

Hình 3.4: Theo dõi số liệu hiện thị trên màn hình 54

Hình 3.5: Phòng điều khiển trung tâm của hệ thống máng 54

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 55

Hình 3.7: Đá xử dụng trong thí nghiệm rải tại chân kè, (a) sàng đá kích cỡ 2x4, (b) phun sơn đá 1x2 56

Hình 3.8: Cấu kiện sử dụng thí nghiệm 56

Hình 3.9: Lắp đặt cấu kiện thí nghiệm 58

Hình 3.10: Ghi chép kết quả kịch bản thí nghiệm tại Phòng TNTLTH – Đại học Thủy lợi 58

Hình 3.11: So sánh vận tốc dòng chảy lớn nhất của công thức tổng quát với kết quả thí nghiệm, công thức lý thuyết tuyến tính của Van Rijn và theo tiêu chuẩn TCVN 9901-2014 65

Hình 4.1: Mái kè hư hại toàn tuyến do đá hộc mài mòn 67

Hình 4.2: Một số hình ảnh sự mài mòn cấu kiện mái kè khi vật rắn chà xát 69

Hình 4.3: Viên đá qua khe hàng thứ nhất và bị giữ lại tại hàng thứ hai 71

Hình 4.4: Sơ họa bố trí mặt bằng và hình ảnh thí nghiệm mố nhám cản đá trên mái kè 71

Hình 4.5: Bố trí cấu kiện trên mái kè 72

Hình 4.6 : Mặt cắt đứng bố trí mố nhám cản đá 76

Hình 4.7: Bố trí mặt bằng mố nhám sửa chữa 76

Hình 4.8: Chi tiết cấu tạo cấu kiện chèn chân mố nhám ( h =50cm) 77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thống kê thông số thí nghiệm 30

Bảng 2.2: Các thông số sử dụng chạy máng sóng số MSS-2D 36

Bảng 2.3: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng 37

Bảng 2.4: Kết quả kiểm định vận tốc ngang lớn nhất (Umax) giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý 37

Bảng 2.5: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám 39

Bảng 2.6: Kết quả thí nghiệm cho 12 kịch bản mái kè đặt mố nhô 39

Bảng 2.7: Kết quả kiểm định vận tốc Umax giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý 40

Bảng 2.8: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám 41

Bảng 2.9: Vận tốc theo phương ngang U và phương đứng V của tính toán 41

Bảng 2.10: So sánh hai phương án khi có và không có mố nhám 42

Bảng 2.11: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 0,8m và T(s) = 5,06s 45

Bảng 2.12: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,0m và T(s) = 6,96s 46

Bảng 3.1: Ký hiệu và đơn vị của của thứ nguyên cơ bản [49] 50

Bảng 3.2: Kịch bản thí nghiệm 59

Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm đo vận tốc lớn nhất 60

Bảng 3.4: Kết quả đo đạc vận tốc lớn nhất tại chân kè, mái không có mố nhám 61

Bảng 4.1: Thông số tính toán biên thủy hải văn thiết kế 67

Bảng 4.2: Chiều cao sóng tại chân kè tại 10 mặt cắt đặc trưng 68

Bảng 4.3: Tính toán chiều dày lớp bảo vệ dạng cột 75

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

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

BT: Bê tông;

BTCT: Bê tông cốt thép;

CUR/CIRIA, Construction Industry Research and Information Association- Liên kết thông tin và nghiên cứu công nghệ xây dựng;

CWPRS: Phòng thí nghiêm thuỷ lợi, thuỷ điện trung ương của Ấn Độ;

ĐHBK TP.HCM: Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh;

ĐHHH: Đại học Hàng Hải;

ĐHTL: Đại học Thủy lợi;

ĐHXD: Đại học Xây dựng;

FVM (Finite Volume Method): “Phương pháp thể tích hữu hạn”;

Hướng S, N, E, W: Hướng Nam, Bắc, Đông, Tây;

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

VKHTLVN: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam;

VNIIG: Phòng thí nghiệm Thuỷ công của Liên Xô cũ;

WES:Trạm thí nghiệm đường thuỷ của binh đoàn công binh Mỹ

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu

αb, i % Độ dốc bãi

 - Chỉ số sóng vỡ Iribarren

g m2/s Gia tốc trọng trường

HS m Chiều cao sóng có nghĩa

d m Kích thước đặc trưng vật liệu

ds m Độ sâu nước tại chân công trình

D m Chiều dày lớp bảo vệ,

i - Độ dốc bãi trước đê

Lm m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ trung bình

L0 m Chiều dài sóng nước sâu

LP m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ đỉnh phổ

LS m Chiều dài sóng thiết kế

Ztr,tk m Mực nước triều thiết kế

Zđáy đh - Cao độ đáy địa hình

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

K() - Hệ số hiệu chỉnh đường kính

ym,e m Chiều sâu hố xói cân bằng

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

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

FD N Thành phần lực kéo hạt do dòng chảy tác động

FS N Thành phần lực cắt do ứng suất tiếp đáy

FL N Thành phần lực nâng do độ cong dòng chảy gây ra

FF N Thành phần lực ma sát giữa các hạt gìm giữ nó khi di chuyển,

ρw kg/m3 Khối lượng riêng của nước

ρđ kg/m3 Khối lượng riêng của đá

ρs kg/m3 Khối lượng riêng của vật liệu rắn

Umax m/s Vận tốc lớn nhất theo phương ngang

Vmax m/s Vận tốc lớn nhất theo phương đứng

UmaxTN m/s Vận tốc lớn nhất trong thí nghiệm

UmaxTT m/s Vận tốc lớn nhất trong tính toán

Ucr m/s Vận tốc dòng chảy trung bình phương nghiêng

dn50 m Đường kính hạt trung bình lọt sàng 50%

d50 m Đường kính hạt lọt sàng 50%

Pb - Hệ số phản ánh khả năng thấm/thoát nước của thân và nền kè

Sb - Tham số hư hỏng ban đầu

N - Số con sóng tới công trình trong một trận bão;

Ψ - Hệ số Shields giới hạn

Ψc - Hệ số Shields giới hạn khi tính vận tốc ngang

Ψcr - Hệ số dòng chảy rối Shields do Sleath đề xuất

λgc - Hệ số ma sát thủy lực tương ứng với kiểu mố nhám gia cường MNTK m Mực nước thiết kế

H0 m Chiều cao sóng nước sâu

Cd - Hệ số cản nhám khi lôi vật liệu

Cm - Hệ số gia tăng quán tính

CL - Hệ số nâng vật liệu

Cf - Hệ số cản nhám do Seath đề xuất

Ub m/s Vận tốc quỹ đạo cực đỉnh gần đáy

No % Hiệu suất tiêu giảm vận tốc

ɷo - Hệ số đặc trưng xác định con sóng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có đường bờ biển dài, trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa và thường xuyên chịu tác động của bão Số cơn bão xuất hiện trong năm từ 6 đến 10 cơn và đặc biệt trong những năm gần đây bão có thể xuất hiện vào thời gian sớm hoặc muộn với cấp gió khá lớn Thông thường bão hoạt động di chuyển dần từ Bắc xuống Nam theo thời gian Trong khi đó mùa mưa bão miền Bắc từ tháng 5 đến tháng 10, vào miền Trung thì chậm hơn bắt đầu vào tháng

7 và kéo xuống cuối năm Như vậy, hầu như trong năm suốt dải đất ven biển luôn chịu ảnh hưởng của bão hoặc áp thấp nhiệt đới Mặt khác hướng đi của bão thay đổi không theo quy luật Thực tế trong những năm qua các tuyến đê, kè biển sau mỗi trận bão, kết cấu của thân

đê kè và chân đê kè đều bị ảnh hưởng dẫn đến kinh phí tu bổ đê kè biển sau bão khá lớn Chân kè bảo vệ mái phía biển có các dạng chính như: Chân kè nổi, chân kè nông, chân kè sâu Nếu theo hình thức sử dụng vật liệu có thể kể ra như: chân kè bằng thảm đá, chân kè bằng ống buy bên trong chèn đá hộc, chân kè bằng cọc và bản bê tông cốt thép, chân kè bằng cừ bản thép hoặc bê tông…

Trong điều kiện kinh tế hiện nay nhiều đoạn đê đã sử dụng chân kè bằng ống buy vì những

ưu điểm trong thi công và quản lý, duy tu Một số loại chân kè khác có áp dụng như tấm cừ thép (chân kè khu vực bờ biển Nha Trang), chân kè bằng trụ cột bê tông cốt thép có tấm bản

bê tông cốt thép (kè biển Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định) Chung quy các loại chân kè thuộc dạng chân kè nông, vật liệu bảo vệ chân kè là đá hộc

Trong tính toán kích thước viên đá theo TCVN 9901:2014 đã sử dụng công thức (1.37) do Izobat đề xuất, công thức này mới kể đến 3 yếu tố: chiều cao sóng, độ sâu nước và bước sóng, mặt khác sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính để tính toán Thực tế cho thấy: đá hộc rải trên nền giáp chân kè bị di chuyển, hoặc bị đẩy lên mái, hoặc di động dọc bờ, hoặc rời ra phía biển Nổi trội hiện nay là hiện tượng đá trượt lên mái, lúc lên, lúc xuống, ma sát giữa

đá và mái kè đã gây mài mòn và làm hư hại kết cấu bảo vệ mái

Vì những lý do nêu trên, ảnh hưởng của đá mài mòn kè là rất nguy hại đến an toàn của mái

kè, cần tìm ra được chính xác vận tốc tại chân kè để từ đó xác định khối lượng viên đá cho

phù hợp Đề tài “Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng” do vậy đã được đề xuất để

nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận án sẽ giải quyết hai mục tiêu cơ bản sau đây:

- Làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố thủy động lực học và hình học tới vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè đá đổ;

-Xác định công thức tính toán vận tốc dòng chảy lớn nhất tại chân kè, từ đó chọn ra giải pháp thiết kế kết cấu kiện bảo vệ chân kè đá đổ khi có và không có mố nhám

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: dòng chảy do sóng tại chân kè;

- Phạm vi nghiên cứu: chân kè đê biển Bắc Bộ Việt Nam

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về ổn định chân kè đê biển đá đổ;

- Mô hình số nghiên cứu dòng chảy tại chân kè nông;

- Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng ở chân kè nông bằng mô hình vật lý;

- Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán kiểm tra ổn định viên đá tại chân kè cho đê Cát Hải, Hải Phòng

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.1 Cách tiếp cận

Để giải quyết được mục tiêu của luận án, tác giả lựa chọn cách kế thừa vừa mang tính sáng tạo, 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 với máng sóng hiện đại, tỷ lệ

thu nhỏ mô hình phù hợp để mô phỏng sóng tiến đến chân kè và làm sáng tỏ chế độ dòng chảy với sự ảnh hưởng của yếu tố hình học tại vùng chân kè khi có và không có mố nhám

- Phương pháp mô hình số: ứng dụng mô hình MSS-2D để mô tả vec-tơ vận tốc dòng chảy

do sóng, phân tích ảnh hưởng của các tham số thủy lực và thông số công trình tới chế độ dòng chảy tại chân kè; hỗ trợ nội dung nghiên cứu mô hình vật lý

- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế mố

nhám cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học:

Thông qua kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra bức tranh tổng quát ảnh hưởng của yếu tố thủy động học và hình dạng kết cấu công trình đến vận tốc ngang lớn nhất tại chân kè (mà trước đây công thức sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế chưa đề cập tới) Luận án đã đề xuất công thức tính mới là một đóng góp mang tính khoa học

- Ý nghĩa thực tiễn:

Tìm ra được vận tốc lớn nhất tại chân kè do sóng mang tới, đề xuất công thức tính toán khối lượng cấu kiện bảo vệ chân kè là việc làm ý nghĩa, định hướng cho người thiết kế áp dụng

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 về ổn định chân kè đê biển đá đổ;

- Chương 2: Mô hình số nghiên cứu dòng chảy tại chân kè nông;

- Chương 3: Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng ở chân kè nông bằng mô hình vật lý;

- Chương 4: Tính toán so sánh khối lượng viên đá bảo vệ chân kè áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ ĐÊ BIỂN ĐÁ ĐỔ

1.1 Kết cấu bảo vệ chân kè đê biển

1.1.1 Cấu tạo chung của đê biển

Đê biển là loại công trình chống ngập do thuỷ triều và nước dâng đối với khu dân cư, khu kinh tế và vùng khai hoang lấn biển Kè biển là loại công trình gia cố bờ chống sự phá hoại trực tiếp của hai yếu tố chính là tác dụng của sóng gió và tác dụng của dòng ven bờ Ngoài

ra, với đê biển được bảo vệ bằng vật liệu chống chịu được tác động của sóng và dòng lên thân đê thì lớp bảo vệ này làm việc như một kết cấu kè Ven bờ biển dòng chảy có thể mang bùn cát bồi đắp cho bờ hay làm xói chân mái dốc dẫn đến làm sạt lở bờ Cấu tạo của đê biển thông thường có các bộ phận chính như sau[1],[2],[3],[4]:

 Thân đê;

 Chân đê;

 Lớp bảo vệ mái phía biển;

 Bộ phận đỉnh đê: mặt đê và có thể có tường đặt trên đỉnh đê;

 Bộ phận bảo vệ mái phía đồng;

 Rãnh tiêu nước sau đê

Hình 1.1: Cấu tạo mặt cắt ngang điển hình của đê biển Chân kè bảo vệ mái phía biển có các dạng chính như: chân kè nổi, chân kè nông, chân kè sâu, chân kè bằng thảm đá, chân kè bằng ống buy lồng đá trong ống buy và lăng trụ đá đỡ ngoài, chân kè bằng cọc và bản bê tông cốt thép, chân kè bằng cừ bản thép hoặc bê tông, chân kè là đá hộc thả rối có chiều dày và bề rộng tính toán, chân kè là rọ đá…

Trong điều kiện kinh tế hiện nay nhiều đoạn đê đã sử dụng chân kè bằng ống buy vì những

ưu điểm trong thi công và quản lý, duy tu Một số loại chân kè khác có thể áp dụng như tấm

cừ thép (chân kè khu vực bờ biển Nha Trang), chân kè bằng trụ cột bê tông cốt thép có tấm bản bê tông cốt thép (kè biển Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định)

Do tác động của sóng và quy luật vận chuyển bùn cát ven bờ nên có những đoạn kè thềm phía biển được bồi đắp thì chân kè khá ổn định Ngược lại, nơi bãi biển bị xói hoặc quy luật bồi xói trong năm theo mùa của gió đổi chiều thì chân kè có hiện tượng chuyển vị Như vậy, dưới tác động của sóng và dòng ven nên chân kè cấu tạo chìm hay nổi, vật liệu và dạng kiến trúc khác nhau, dưới nền địa chất khác nhau thì ổn định của chân kè sẽ hoàn toàn khác nhau Ngay trước chân kè thông thường người thiết kế phải làm thêm thảm bảo vệ phía biển, thường bằng đá hộc xếp khan hoặc rọ thép lõi nhồi đá hộc Bề rộng của thảm bảo vệ thường được tính toán dựa trên chiều cao của sóng và độ sâu nước thiết kế

Kích thước của viên đá được dựa trên cơ sở vận tốc dòng chảy lớn nhất xuất hiện Vận tốc cực đại của dòng chảy do sóng tạo ra ở chân đê được xác định theo vận tốc cực đại dòng chảy, chiều dài và chiều cao sóng thiết kế

Đến nay đã có một số đề tài nghiên cứu về xói chân kè, dạng ống buy bảo vệ chân kè và đã đưa vào tiêu chuẩn thiết kế đê biển Tuy nhiên, thực tế tại đê biển Cát Hải, Hải Phòng và đê

kè biển tại một địa phương đang có hiện tượng sau:

Đá trải thảm chân kè bị sóng đánh bật khỏi vị trí ban đầu Dưới tác động của sóng và dòng chảy trên mái kè, đá hộc được đưa lên, đưa xuống, chà xát và va đập vào kết cấu mái kè Theo thời gian, kết cấu bảo vệ mái kè bị bào mòn, thủng và bị phá hủy Các hàng tấm lát mái dưới chân bị phá hủy trước Sau đó, sóng tiếp tục tác động làm xói phần đất đắp thân

đê (thông qua các vị trí tấm lát bảo vệ mái kè bị phá vỡ) Tại những vị trí thân đê bị xói mòn đất, kết cấu mái kè (bên trên) mặc dù chưa bị bào mòn đáng kể nhưng do bị hẫng bên dưới nên dễ dàng bị sập khi bị sóng và ngoại lực khác tác động

Tác nhân chính của quá trình phá hủy trên, theo chúng tôi, chính là các viên đá hộc làm thảm chân kè không đảm bảo ổn định, bị sóng dịch chuyển

Từ thực tế trên, việc nghiên cứu kết cấu chân kè thích ứng với tương tác của yếu tố thủy hải văn trong điều kiện địa chất nền và địa hình bãi khác nhau, nhằm đảm bảo ổn định kết cấu

đê kè biển là việc làm cần thiết hiện nay

Để hiểu cặn kẽ về cấu trúc đê biển, trong đó tập trung về nghiên cứu ổn định chân kè, luận

án xin đi từ tổng quan đến chi tiết

1.1.2 Khái quát lớp bảo vệ chân kè đê biển

Kè biển là kết cấu bảo vệ thân đê trước tác động của sóng, vật liệu làm nên kết cấu này có thể là đá, khối bê tông, tấm bê tông hoặc bê tông nhựa đường… Có ba bộ phận cơ bản của thân kè, đó là: chân kè, mái kè và đỉnh kè[1],[2], [3],[4]

a) Chân kè cắm sâu vào nền dạng đơn,

nền

c) Chân kè đá đổ lăng trụ, mái cắm sâu

(e) Chân kè khối trụ, lăng trụ (f) Chân kè sâu, cọc kết hợp bản bê tông

g) Chân kè dạng ông buy xếp lệch (h) Chân kè ống buy kết hợp thảm đá, rọ

đá Hình 1.2: Cấu tạo một số chân kè đại diện trong kết cấu đê biển

rộng đỉnh, bề rộng đáy lăng thể

Chân kè là một bộ phận của kết cấu cấu thành đê biển, tuỳ theo đặc điểm về địa hình, chiều sâu nước, chiều cao sóng tại chân công trình, vận tốc dòng chảy tại chân kè, vật liệu có khả năng cung cấp mà chân kè có hình thức cấu tạo và dạng vật liệu khác nhau

Chân kè có nhiệm vụ để giữ cho mái kè và các kết cấu phía trên không bị di chuyển trượt xuống do tác động của ngoại lực như sóng, dòng chảy, vật trôi nổi và những tác động khác gây mất ổn định Chân kè còn có nhiệm vụ tạo thành kết cấu tổng hợp để bảo vệ thân đê khi

hố xói xuất hiện dưới chân mái kè

Vật liệu làm chân kè có thể là đá hộc, ống buy, bản cừ, cọc bê tông hoặc vật liệu khác để bảo vệ mái kè

Theo đặc trưng hình học chân kè có thể phân thành 2 loại: chân kè nông và chân kè sâu Một số dạng chân kè phổ biến được minh họa trong hình 1.2[4]

1.1.3 Chân kè nông

Chân kè nông theo hướng dẫn tại TCVN 9901:2014 và TCVN 11736:2017 [1],[2],[4] là dạng chân kè áp dụng cho bờ biển ít biến động Vật liệu bảo vệ vùng chân kè thông thường

là đá hộc có khối lượng từ vài chục kg đến dưới 100kg vì lý do thi công Tuy nhiên nếu thiết

kế theo nguyên tắc thả rối, đá cấp phối thì kích thước hạt lớn nhất có thể vượt giới hạn này

do phương tiện và điều kiện thi công, thiết kế cho phép

Tiêu chuẩn phân loại chân kè theo biên thủy lực như sau:

(

1,0 ≤ 𝑑𝑠

𝐻 𝑚0,0 < 4,0 − chân kè nông0,3 < 𝑑𝑠

𝐻𝑚0,0 < 1,0 − chân kè rất nông

)

Trong đó: ds là độ sâu nước tại điểm chân kè (m), Hm0,0 chiều cao sóng vùng nước sâu (m)

Độ sâu chôn kè thông thường trong khoảng chiều sâu từ Hs đến 1,5Hs, hoặc bằng 2 lần chiều dày của lớp vật liệu bảo vệ mái kè

Đối với khu vực chân kè nông, do ảnh hưởng của địa hình đáy, độ nhám lớn, độ sâu nước thấp nên các lý thuyết về sóng tuyến tính không còn phù hợp Các yếu tố thủy động lực học diễn ra trong vùng sóng vỡ và sóng leo chịu chi phối của độ nhám

Phần sau đây sẽ tổng kết các nghiên cứu lý thuyết sóng vùng chân kè và vận tốc tính toán

để xác định kích thước vật liệu bảo vệ vùng chân kè Luận án sẽ giới hạn nghiên cứu cho loại chân kè nông

1.2 Dòng chảy khu vực chân kè nông

1.2.1 Hình thành dòng chảy khu vực gần chân kè

Thông thường, khu vực ven bờ thường được chia thành 4 vùng dựa trên quá trình biến đổi của sóng từ nước sâu vào vùng nước nông đó là: vùng nước nông (shoaling zone), vùng sóng vỡ (breaker zone), vùng sóng xô bờ (surf zone) và vùng sóng vỗ (swash zone) Khi sóng tiếp cận với dải bờ hình thành nên các dòng như trong hình dưới đây:

Hình 1.3: Sơ đồ dòng mặt của dòng ngoài bờ và hệ thống dòng ven bờ[5]

Khi sóng vào gần sát biên của đường bờ nó bị thay đổi hướng, dòng chảy vùng sát chân kè hoặc bãi dốc khối nước xoáy hoặc uốn lượn khi bị địa hình tác động, trong kết quả nghiên cứu luận án tiến sỹ tại trường tổng hợp Griffth- Australia, Thomas Piter Muray[6] đã mô phỏng các dòng tia của các con sóng khu sát đường bờ như hình dưới đây

(a) khi dòng đối xứng,

(b) dòng không đối xứng

(c) dòng chảy dọc bờ

Hình 1.4: Mô phỏng hình chiếu bằng hạt nước của dòng chảy gần khu đường bờ

Vùng sóng vỡ được xem là vùng quan trọng nhất để phân tích khả năng hình thành dòng ngang bờ Có một số khía cạnh trong vùng này cần phải xem xét bao gồm: điều kiện địa hình, sóng đa phổ, chiều cao sóng và độ dốc của bãi [5],[7],[8],[9],[10],[11]

1.2.2 Dòng chảy tiếp cận vùng sóng vỗ

1.2.2.1 Chuyển động quỹ đạo của phần tử nước

Con sóng thật khi nhìn vận chuyển theo hướng sóng với vận tốc sóng Co Tuy nhiên trong khối nước của con sóng và phần dưới bụng sóng thì không phải chúng di động theo một hướng mà theo quỹ đạo riêng

Hình dưới đây mô tả quỹ đạo di động hạt nước trong con sóng Theo lý thuyết tuyến tính, quỹ đạo hạt nước là đối xứng cả phương đứng và phương ngang Trong lý thuyết phi tuyến, không thể bỏ qua sự bất đối xứng của vận tốc hạt nước, khi này quỹ đạo không còn là đối xứng Sau một chu kỳ hạt nước tiến lên phía trước một bước và thể hiện qua hình dưới đây:

Hình 1.5: Quỹ đạo hạt nước xấp xỉ bằng sóng phi tuyến[12]

Xét theo trục đứng, hạt nước trong khối di chuyển chung có dạng như hình sau:

Ghi chú hình bên:

H- chiều cao sóng;

rz- bán kính trục đứng;

rx- bán kính trục lớn phương ngang;

S- đường đi của quỹ đạo;

K – số sóng;

ds- độ sâu nước

Hình 1.6: Sơ đồ thể hiện các đường quỹ đạo chuyển động trong một sóng lan truyền [12]

1.2.2.2 Lý thuyết sóng tuyến tính

Một số lý thuyết sóng đã được phát triển để miêu tả động học hạt nước kết hợp với sóng biển thay đổi theo mức độ phức tạp của bài toán và mức độ chấp nhận được trong cộng đồng kỹ sư công trình Biển Trong số đó có lý thuyết sóng tuyến tính Airy, sóng Stokes bậc hai và cao hơn, lý thuyết sóng Cnoidal

Trạng thái biển thực kết hợp với điều kiện bão trong môi trường biển thường được mô tả như là một tập hợp sóng Airy có biên độ, bước sóng thay đổi Do đó việc nghiên cứu lý thuyết sóng Airy không chỉ là một lý thuyết sóng đơn giản nhất mà còn có vai trò trong mô phỏng các đặc trưng của trạng thái biển thực

Sóng Airy là sóng tuyến tính, cao độ bề mặt của sóng có biên độ tại thời điểm bất kỳ tại vị trí nằm ngang theo phương X theo phương di chuyển của sóng, được ký hiệu là η(x,t)

trong đó:

k = 2π/L: là số sóng; L: Chiều dài sóng; ω=2π/T: tần số góc; T: Chu kỳ sóng Vận tốc sóng theo phương dọc và phương ngang tại vị trí bất kỳ so với mặt nước lặng được xác định bởi công thức sau:

Gia tốc sóng theo phương ngang được xác định bằng cách đạo hàm theo thời gian của hàm vận tốc sóng

Sóng tồn tại trong vùng nước sâu, do gió gây ra có dạng hình sin Sóng Stokes hay còn gọi

là sóng Sinusoidal (sóng hình Sin), các thông số sóng được diễn tả bằng các hàm lượng giác thông thường và các hàm hyperbol dưới dạng chuỗi với số mũ từ 1÷n, trong đó n là số nguyên Lý thuyết này được gọi là sóng bậc cao, do Stokes sáng lập và ông chỉ xây dựng lý thuyết này tối đa bậc n =5 [12]

Dựa vào chỉ số gốc Ursell: UR người ta phân chia ranh giới ba lý thuyết sóng: Sinusoidal (Stokes), Cnoidal và Solitary:

+ Snusoidal khi: UR = HL2ds-3<22√6 Π2= 48,35; (1.9)

Trong các công thức trên:

𝜋𝐻

𝐿 𝑛 …= Kn.𝐻

2= (x1 B1,1 + x3 B3,3+ x5 (B3,5 +B5,5) + x7 (B3,7+B5,7 + B7,7) + … (1.12) 4𝜋 2

𝑇 2 = (xo C1,1 + x2 C3,3+ x4 C5,5 + ….) gKnthKnds (1.13)

Trong công thức trên các hằng số xác định như sau:

Kn – số sóng Stockes bậc n;

Cik- hăng số phụ thuộc vào độ sâu d (m);

Xin- hằng số đặc trưng cho bậc n của sóng Stockes;

C3,3= (8𝐶

4 − 8𝐶2+9) 8𝑆 4 ; Với sóng hàm bậc 4:

z – tọa độ thẳng đứng cho hai hệ cố định và di động;

𝑥̅- tọa độ nằm ngang của hệ di chuyển;

d- độ sâu nước;

dt- chiều sâu dưới bụng sóng;

H – chiều cao sóng;

L- chiều dài bước sóng;

𝐾∗- tích phân Elliptic đầy đủ loại 1;

A1, A2, A3, A4 là các thông số xác định theo một hàm số của H,K*,d ,z, dt

1.2.3 Dòng chảy do sóng tác động tới chân kè nông

Khi sóng mang tới và tan ra trên mái nghiêng, bị ảnh hưởng địa hình và hướng gió, khi này xuất hiện 3 dạng dòng chính: dòng ngang bờ, dòng dọc bờ và dòng Rip (dòng chảy tập trung hướng ra biển) Vùng chân kè chịu ảnh hưởng của 2 dòng ngang và dọc bờ, dòng Rip ít bị ảnh hưởng Để không bị phân tán, luận án tập trung nghiên cứu dòng dọc bờ và ngang bờ Dòng chảy vùng ven bờ là sự tổ hợp của nhiều yếu tố mà hình thành Dòng này có hướng phụ thuộc vào hướng gió, phụ thuộc vào dòng ven do nguồn từ sông đổ ra hoặc do dòng phía ngoài tác động Khi sóng tới chân công trình, nó gặp biên là vật cản, sóng bị vỡ hoặc suy giảm độ cao, khối nước tan ra và tạo dòng Do ảnh hưởng của hướng gió và địa hình đường bờ nên khối nước này di chuyển, chảy xuôi theo hướng thế năng tiêu giảm

a) Dòng ngang bờ

Khi khối nước do sóng mang tới gần sát bờ nó tan ra và lượng nước này sẽ phải quay trở lại phía biển – đó chính là dòng chảy ngược hướng hoặc dòng chảy đáy (undertow) Dòng chảy đáy có thể tương đối mạnh, thường là 8-10% của √𝑔𝑑 tại điểm đo gần đáy Nghiên cứu về dòng chảy đáy đã được Longuet-Higgins (1953), Dyhr-Nielsen và Sorensen (1970), Dally

và Dean (1984), Hansen và Svendsen (1984), Stive and Wind (1986), và Svendsen, Schäffer, Hansen (1987)[6],[7]

Hình 1.8: Biểu đồ hướng vận tốc dòng chảy theo Longuet-Higgins (1953)

(b) Dòng phản hồi undertow tồn tại trên bãi biển

Khi sóng tiến vào gần bờ, gặp cản đáy khi này xuất hiện 3 dạng dòng chảy trên mặt cắt đứng Khi sóng truyền từ phía biển vào bờ, vận tốc dòng chia ra làm 3 phần: Vận tốc bề mặt (đầu sóng), vận tốc khối nước dưới bụng sóng và vận tốc dòng phản hồi sát đáy (undertow) Dạng của khối dòng được minh họa qua hình 1.9 dưới đây:

Hình 1.9: Dòng phản hồi sát đáy (undertow) Vận tốc dòng ngang bờ trung bình tổng quát:

𝜔𝑜)Khi này vận tốc dòng tại đáy được xác định như sau:

𝑈̅.𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑡𝑜𝑤 = − 𝛾𝐿𝑛

𝑠𝑖𝑛𝛼[1−(4𝜛𝑜 ) 0.5 𝑒 −0.5 𝑘𝑡 cos(𝜛𝑜−𝐵)]/2𝜛𝑜 (1.20) trong đó:

α- độ dốc đáy;

Ln- thay đổi mực nước;

ϓ- Tiêu chuẩn sóng vỡ;

k – hệ số cản đáy;

ϖo – hệ số đặc trưng xác định như sau: ϖo = √(𝑔 sin𝛾ℎ2𝛼

𝑜 −𝑘42) t- thời gian tính toán khi sóng lan truyền

Theo Longuet Higgín (1975)[14]

giá trị xấp xỉ = 𝑔

8𝑐ℎH2 trong đó:

tan 𝛽∗

𝐶𝑓 𝞬b √𝑔𝑑𝑠 sin 𝛼 cos 𝛼 (1.21) trong đó:

+ Theo nghiên cứu của L.C Van Rijn[15],[16]

Van Rijn đã nghiên cứu vận tốc dòng theo hướng đi của con sóng và kết luận: Vận tốc dòng ven bờ biển tăng mạnh về phía đất liền gianh giới của đường cong sâu 10 m, nơi sóng vỡ trở nên quan trọng (lớn hơn 5% sóng vỡ) Vận tốc kéo dài có giá trị cực đại khoảng 1,6 m/s đối với Hs = 6 m và 1,7 m/s đối với Hs = 3 m (khi góc sóng tới là 30o) Kết quả hình dưới đây mô tả vận tốc dọc bờ tại gần chân kè

Hình 1.10: Kết quả nghiên cứu vận tốc dòng dọc bờ[16]

+ Công thức do Komar và Inman đề xuất năm 1970, ông cho rằng vận tốc khu giữa của vùng sóng vỡ như sau:

trong đó:

Hrmsb - là chiều cao sóng quân phương tại vùng tính toán (m);

g- gia tốc trọng trường (m/s2);

αb - góc tương đối giữa đỉnh sóng và đường đồng mức đáy (độ)

Dòng dọc bờ chảy với lưu tốc trung bình vào khoảng 0,3m/s nhưng cũng có lúc đạt trên 1,0m/s Lưu tốc dòng dọc bờ, bất kể trên mặt cắt đới sóng vỡ hoặc trên phương dọc bờ đều

có sự biến đổi rõ rệt

(d) Dòng chảy vùng sóng vỗ (swash zone)

Vùng sóng vỗ (swash zone) là vùng sóng tác động lên vùng bờ dưới dạng dao động mực nước nằm giữa vùng sóng leo và sóng rút Vùng sóng tràn là nơi tiếp giáp trực tiếp giữa đất liền và biển

Sự hình thành của vùng swash có liên quan mạnh mẽ đến dòng dâng lên mái và khi sóng đổ xuôi mái dốc Các dòng tiến lên mái thông thường mạnh hơn nhiều so với dòng rút (chảy

xuống) Theo Ruessink và Van Rijn [16], vận tốc khi sóng trườn lên có thể gần đúng: ub

=√𝑔𝑑𝑠 với ds trong khoảng 0,1m đến 0,2 m, nó tăng tốc có thể đạt ub trong khoảng từ 1m/s đến 3 m/s

Hình 1.11: Kết quả đo đạc dòng dọc bờ tại một bãi biển tại Mỹ (California -Thornton and Guza 1986)

Vận tốc dòng chảy lớn nhất sát đáy của quỹ đạo theo nghiên cứu của Van Rijn và cộng sự

2018 (lý thuyết sóng tuyến tính) biểu diễn như sau[17],[18]:

Umax= Hs(Tp)-1sinh-1 (2ds/Ls) (1.23) trong đó:

ds: là độ sâu nước (m); Hs là chiều cao sóng, Tp là chu kỳ sóng, Ls là chiều dài bước sóng Công thức này sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính để xây dựng Thực tế vùng này chế động dòng chảy phức tạp, sóng tuyến tính áp dụng cho trường hợp này cũng còn có những hạn chế nhất định Tuy nhiên dạng hàm này cũng cần được xem xét ứng dụng để xây dựng công thức tính toán vận tốc dòng chảy thông qua kết quả thí nghiệm mô hình vật lý và chạy mô hình toán mà tác giả sẽ thực hiện trong nội dung nghiên cứu

Cơ chế sóng tràn bị chi phối bởi các đặc điểm của khu vực nghiên cứu (độ dốc bãi biển, phân bố kích thước hạt, chế độ sóng, Masselink, 2006) Bởi vì vùng sóng tràn không ổn định, năng lượng rối lớn, thủy triều chi phối, dòng chảy hẹp, rất khó khăn để có được các

dữ liệu chính xác trong vùng sóng tràn Các nghiên cứu trước đã tiến hành bằng cách sử dụng thiết bị đo dòng chảy tần số cao (ADV) và cảm biến quang tán xạ ngược (Hughes,

1997, 1999) Gần đây, các kỹ thuật mới (ADV, Video) đã được thử nghiệm thành công (Vousdoukas, 2014) hầu hết các nghiên cứu đều thực hiện trong phòng thí nghiệm có yêu cầu rất cao về các thiết bị ADV và cảm biến

Tác giả luận án đã tiến hành thí nghiệm bằng mô hình vật lý trên máng sóng tại Phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp, đại học Thủy Lợi Điểm đo vận tốc gần sát đáy và chiều cao sóng

đã thực hiện ngay tại khu vực chân kè Bố trí và số lượng đầu đo được thể hiện trong chương

3 luận án

Song song với việc thực hiện thí nghiệm bằng mô hình vật lý tỷ lệ 1:10, tác giả sử dụng phần mềm máng sóng số MSS-2D để chạy các kịch bản tổng hợp, sau đó mô hình vật lý sẽ giải quyết một số kịch bản có tính then chốt để đưa ra công thức xác định vận tốc ngang lớn nhất tại chân kè

1.3 Nghiên cứu ổn định của chân kè đá đổ

1.3.1 Nghiên cứu chân kè đá đổ trên thế giới

Khu vực chân kè luôn bị tác động của dòng chảy do sóng và triều mang tới, vận tốc dòng, phương và chiều luôn thay đổi Mặt khác vật liệu bảo vệ thường là đá thả rối, thảm đá, cục

bê tông thường có độ nhám khá lớn

Vì thế khi nghiên cứu ổn định viên đá chân kè các tác giả nghiên cứu đã giới hạn điều kiện biên và tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý để đưa ra công thức bán thực nghiệm

Người đi tiên phong theo hướng này là Izbash (1930)[19] đã đưa ra công thức tính ổn định của viên đá khi bị tác động của dòng chảy

Sau đó được nhiều nhà nghiên cứu thực nghiệm có thể kể tên như Shields (1936), Van Rijn (1984), Paintal (1971), De Beor và Boutovsky (1998) đã bổ sung và hoàn thiện công thức tính ổn định viên đá với các điều kiện biên phức tạp hơn so với Izbash đề xuất[19]

Để hiểu rõ bản chất vấn đề luận án xin tóm tắt các nghiên cứu cơ sở về ổn định của viên đá dưới đây

a) Nghiên cứu dòng chảy đều, phương nằm ngang và ổn định vật rắn

Hình 1.12: Lực tác động của dòng chảy lên vật thể hạt rời, phương ngang

Khi xét hạt vật liệu trong môi trường có vận tốc dòng, nó chịu tác động của 5 thành phần lực như biểu diễn qua hình 1.12[19] Trong đó FD là thành phần kéo hạt do dòng chảy tác động, FS là lực cắt do ứng suất tiếp đáy, FL là lực nâng do độ cong dòng chảy gây ra, FF là lực ma sát giữa các hạt gìm giữ nó khi di chuyển, W là trọng lượng bản thân hạt

Các lực khác nhau của dòng chảy tác dụng lên hạt được xác định như sau[19]:

𝜌 𝑤 = Tỷ trọng tương đối của vật liệu, 𝜌𝑤, 𝜌đ lần lượt là khối lượng tự nhiên của nước và của đá

Khi xét điều kiện cân bằng: phương đứng, phương ngang và lấy phương trình mô men tại điểm A khi xem xét viên đá lăn, xét trạng thái giới hạn vận tốc giới hạn uc Điều này dẫn tới mối quan hệ không thứ nguyên giữa tải trọng và cường độ[19],[20]:

d g K

= u d

g

= d g -

w

w s 2

Trong công thức này vận tốc ngang không có sự ảnh hưởng của mực nước Thực ra Izbash

đã không xác định vị trí của vận tốc và cũng không nói rõ xác định đường kính hạt bằng cách nào[19] Công thức này chủ yếu dùng để ước tính trong trường hợp đã biết vận tốc sát đáy nhưng tương quan độ sâu dòng chảy chưa xác định, giống như dòng tia chảy vào trong một khối nước

Tiến bộ hơn, Shields đã đưa ra mối quan hệ giữa ứng suất tiếp không thứ nguyên và số thực nghiệm Reynolds:

(1.28)

Shields đã chọn ứng suất tiếp như lực chủ động, c thường được gọi là hệ số Shields và là

hệ số ổn định khi thay vận tốc tiếp xúc bằng giá trị giới hạn Khi ở mẫu số tính với đường kính hạt và với vận tốc thực thay cho vận tốc giới hạn,  chính là hệ số lưu biến[19] Theo nghiên cứu Shields (Viện thủy lực Delft, 1969) cho ra quan điểm phân loại tính chuyển động của vật rắn trong môi trường dòng chảy thành 7 trạng thái chuyển động[19],[20]

(1) Không có chuyển động nào

(2) Rất ít chuyển động

(3) Một số chuyển động tại một vài nơi

(4) Chuyển động tại một số vị trí

(5) Chuyển động tại nhiều nơi

(6) Chuyển động ở mọi nơi

(7) Chuyển động liên tục ở khắp nơi

qs* = 6,56.1018.Ψ16 (khi Ψ < 0,05)

qs* = 13Ψ2,5 (khi Ψ > 0,05) (1.29) với : qs* = 𝑞𝑠

√∆𝑔𝑑 3 Chú ý rằng  lúc này được sử dụng như hệ số lưu biến trong công thức tính vận chuyển và

nó phù hợp cho loại hạt mịn- bùn cát đáy Tương quan này cho ta sự vận chuyển đối với mọi ứng suất tiếp không bằng 0 Nhưng nó sẽ giảm với lũy thừa 16 của ứng suất tiếp, nghĩa

là với lũy thừa 13 của vận tốc Hầu hết các công thức tính vận chuyển bùn cát đều có vận tốc với lũy thừa 3 tới lũy thừa 5, đó là trên đường thẳng tương ứng của Paintal với > 0,05 (b) Nghiên cứu ổn định vật rắn trong trường hợp dòng chảy trên đáy dốc

Hình 1.14 cho ta giá trị góc nghỉ () ứng với các loại vật liệu khác nhau

u

g d

C g C

+ Dòng chảy phương tiến lên mái kè

Dưới tác động của dòng chảy với vận tốc U, khi lực xô của dòng chảy thắng được trở lực

ma sát giữa viên đá và mái tiếp xúc thì nó bắt đầu di chuyển Ổn định của vật rắn trước dòng tác động hướng lên mái kè được thể hiện qua công thức sau (Pilarczyk – 1990) [20], [21],[22]

D = Chiều dày lớp bảo vệ (m),

Các hệ số trên tham khảo lấy theo tài liệu [21] để xác định

Thay các đại lượng vào công thức (1.31) ta sẽ có:

Với điều kiện đá hộc nằm trên bãi độ dốc i =1%; khi này lựa chọn theo [4],[24]

Φ= 1.0, Ψ=0,035, KT= 2,0; Kh = 1,0; Ks = cosαb, αb là góc dốc của bãi, i = 1%, cosαb = 1

Công thức (1.34) viết cho khối đổ cấp phối có chiều dày D, bắt đầu dịch chuyển lên theo mái nghiêng với vận tốc Ucr

+ Trường hợp dòng chảy rút (hướng xuống), độ dốc mái nhỏ hơn 1:10, quan hệ lưu lượng

và vật liệu có quan hệ sau [7]:

(1.35) hoặc

1.3.2 Nghiên cứu ổn định chân kè tại Việt Nam

1.3.2.1 Nghiên cứu thử nghiệm và lý thuyết

Nghiên cứu xói chân kè biển cũng được nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm Công trình nghiên cứu đầu tiên do cán bộ trường đại học Thủy lợi thực hiện đề tài cấp Bộ từ cuối thế

kỷ XX và đầu thế kỷ XXI Theo các tác giả Nguyên Văn Mạo (1999)[24], Nguyễn Hoàng

Hà & nnk (2003)[25], Vũ Minh Cát & nnk(2008, 2013), Lê Hải Trung & nnk(2008), Thiều Quang Tuấn & nnk (2008)[26],[27],[28],[29] đã tiến hành nghiên cứu mô hình vật lý thực hiện tại Phòng thí nghiệm thuỷ lực tổng hợp- Đại học Thủy lợi và mô hình toán thực hiện tại đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm 2007 của khoa Kỹ thuật biển[4]

Để làm rõ về đặc điểm xói chân kè trong điều kiện địa chất, mặt cắt ngang, mực nước và biên sóng môi trường bờ biển Việt Nam, nhóm tác giả đã nghiên cứu xói chân kè với các kịch bản khác nhau, nghiên cứu trường hợp không có chân kè và thảm chống xói Kết quả hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu trước đây của các tác giả nước ngoài đã công bố Đối với chân kè là ống buy hoặc bản cừ, phía trước có thảm đá chống xói, kết quả cho nhận xét sau[4]:

Nói chung chiều sâu hố xói gần tương đương nhau trong các trường hợp chân đê không có

và có kết cấu bảo vệ như ống buy hay thảm đá Chiều sâu hố xói lớn nhất trước chân đê sau

4 giờ chịu tác dụng của sóng (thời gian mô phỏng một cơn bão) đạt giá trị khoảng 1/3, (0,35HmO ) chiều cao sóng trước hố xói[27],[31]

- Khi chân đê và bãi không có kết cấu bảo vệ, hố xói chỉ phát triển ngay sát chân đê Khi chân đê được gia cố bằng ống buy, hố xói phát triển ngay ở chân ống buy, chiều sâu hố xói lớn hơn khi không có ống buy Hố xói có độ dốc lớn và xuất hiện một vùng xói khác ở xa chân đê gây hạ thấp cao độ bãi trong phạm vi rộng

- Hệ số mái đê có ảnh hưởng rõ rệt tới hệ số phản xạ trước đê, khi mái dốc hơn hệ số phản xạ tăng lên

- Hệ số phản xạ có quan hệ tỷ lệ thuận với diện tích và chiều dài hố xói

Ngoài nghiên cứu trên mô hình vật lý, nhóm các tác giả còn nghiên cứu trên mô hình toán,

sử dụng chương trình Wadibe-CT[26],[27]

Mô hình số trị Wadibe-CT được phát triển bởi Khoa Kỹ thuật Biển, trường đại học Thủy lợi Mô hình mô phỏng sự phát triển theo thời gian hố xói trước chân công trình dựa trên sự

mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ

Các quy luật vật lý chi phối quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ của mô hình được xây dựng dựa trên cơ sở mô hình Unibest-TC (DELFT, Hà Lan[28],[29]) với phần nghiên cứu

mở rộng về các ảnh hưởng của công trình Mô hình gồm các modul sau[3],[26]:

- Mô đun sóng;

- Mô đun mặt cắt phân bố lưu tốc dòng phản hồi;

- Mô đun vận tốc phân tử sóng;

- Mô đun vận chuyển bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy;

- Mô đun biến đổi đáy

Nhóm tác giả đã chạy lại các trường hợp đã thí nghiệm bằng mô hình vật lý, kết quả cho khá tương đồng Đặc biệt mô hình toán đã đề cập đến trường hợp mái nghiêng của đê Kết quả cho thấy: mô hình toán có xem xét ảnh hưởng của độ dốc bãi đến sự phát triển của hố xói Bãi có độ dốc lớn hơn thì sẽ bị xói nhiều hơn Điều này đã không được đề cập trong công thức tính vận tốc xói tại chân kè như trích dẫn trong tiêu chuẩn thiết kế Đây sẽ làm cơ

sở để tác giả luận án xây dựng các kịch bản khi chạy bằng mô hình toán máng sóng số 2D thể hiện trong chương 2

MSS-1.3.2.2 Nghiên cứu ứng dụng

Để biên soạn 14TCN130-2002 thì cần sự giúp đỡ của các nhà khoa học, đây là tiêu chuẩn ngành đầu tiên về hướng dẫn thiết kế đê biển Tiêu chuẩn này đã đề cập tới việc lựa chọn kích thước hố xói và đường kính vật liệu bảo vệ chân kè Chân kè biển thông thường làm bằng ống buy, trong thả đá hộc, đỉnh ống buy được nắp bằng tấm bê tông Ngoài ra có sử dụng dạng chân kè thả rối, rọ đá với vùng chân kè luôn luôn ngập nước Ở khu vực cửa sông đồng bằng sông Cửu Long người ta đã sử dụng thảm bê tông để bảo vệ cả mái kè và chân

kè

Trong thiết kế sửa chữa và nâng cấp đê biển Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định năm 2006,

tư vấn thiết kế đã đưa ra kết cấu chân kè bằng tấm bản bê tông, nó được tựa vào thành cọc

bê tông cốt thép Phía sau tấm bản là thảm đá chống xói nền Dạng kết cấu này sau đó được

áp dụng tại một số kè biển khu vực Nam Trung Bộ

Việc sử dụng ống buy đã lộ ra một số nhược điểm, ống buy bị đẩy trồi, nghiêng, sứt mẻ do

đá va đập khi sóng tác động Tác giả Nguyễn Văn Mạo (1999) đã cải tiến ống buy dạng tròn thành dạng lục lăng với lý do[24]: do cạnh lục lăng là cạnh thẳng nên diện tiếp xúc giữa hai ống buy nhiều hơn so với dạng đường tròn Đây là nghiên cứu ứng dụng đầu tiên về chân

kè

Sau cơn bão lịch sử số 5 -2005 (tên quốc tế là Damry) đã làm hư hại nhiều tuyến đê từ Quảng Ninh đến Hà Tĩnh Các tuyến đê được cứng hóa và nâng cấp mái bảo vệ phía biển

đã sử dụng nhiều cấu kiện TC178 để thiết kế, chân kè sử dụng ống buy

Để hạn chế cát/ đất chui qua khe giữa hai ống buy, tư vấn thiết kế đã bổ sung thanh chèn dạng tam giác chèn giữa phần tiếp xúc hai ống buy và đặt phía chân mái kè, kết cấu này đã ngăn cản đường đi của cát, ngoài ra tư vấn thiết kế còn đặt thêm vải địa kỹ thuật tại vùng tiếp giáp để gia tăng khả năng giữ cát

Nghiên cứu theo hướng thực nghiệm có thể kể đến công trình nghiên cứu của Nguyễn Hoàng

Hà (2003)[25], tác giả đã công bố kết quả nghiên cứu mô hình hố xói sau chân kè qua thí nghiệm trong máng sóng tại Trường đại học Delft- Hà Lan và cùng công bố trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ năm 2003 do Nguyễn Văn Mạo làm chủ nhiệm[24]

Tiếp theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Mạo, khoa kỹ thuật biển đã thực hiện nhiệm vụ đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ “Nghiên cứu xây dựng mặt cắt ngang đê biển hợp lý từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam” do tập thể cán bộ khoa thực hiện[4],[27],[31] Đề tài

đã thực hiện nghiên cứu mô hình vật lý về xói chân kè trong bão, sử dụng máng sóng Hà Lan tại phòng thí nhiệm thủy lực tổng hợp tại Đại học Thủy lợi, cho kết quả khá tương đồng với các nghiên cứu trước đây được các chuyên gia Hà Lan công bố [28],[29]

Lê Hải Trung cùng một số tác giả cũng đã nghiên cứu xói chân kè, bãi trước chân kè trên máng sóng vật lý[3],[27] Kết quả cho thấy độ sâu và vùng rộng của bề mặt xói phụ thuộc vào đường kính hạt cát, chu kỳ, chiều cao sóng và độ sâu ngập trước chân kè

Tác giả đã nghiên cứu trong trường hợp: ngoài ống buy không có thảm chống xói, khi này bãi không có kết cấu bảo vệ ở trên, ở đây ngoài hố xói phát triển ngay sát chân đê (chân ống buy), còn xuất hiện một khu vực xói phía ngoài, nhưng với mức độ nhỏ hơn

Chiều sâu hố xói ở khu vực này bằng khoảng một nửa chiều sâu hố xói sát chân đê Hiện tượng này nếu tiếp tục phát triển có thể gây hạ thấp cao trình bãi trên phạm vi rộng

Lê Xuân Roanh và các cộng sự có báo cáo tổng kết về nguyên nhân xói lở và hư hại chân

kè trong báo cáo chuyên đề[3], nằm trong nội dung đề tài cấp Bộ thuộc chương trình đê biển, và dự án hỗ trợ kỹ thuật “Nâng cao năng lực đào tạo khoa kỹ thuật bờ biển tại Đại học Thủy lợi – năm 2009”[3]

Thiều Quang Tuấn [27],[28],[31],[32] và cộng sự cùng một số nghiên cứu khác đã tiến hành nghiên cứu xói chân kè thông qua mô hình toán Wadibe-CT

Các tác giả nghiên cứu với điều kiện sóng trong bão Kết cấu mái kè nối tiếp sau chân kè là: dạng ống buy truyền thống không bảo vệ nền, dạng chân kè sâu (chôn ngầm) và dạng hỗn hợp có thảm đá bảo vệ

Tóm lại: nghiên cứu xói chân kè được thực hiện nhiều ở Hà Lan, cộng hòa Liên Bang Đức[29],[30], song ở Việt Nam số công trình khoa học công bố còn rất khiêm tốn Các dạng chân kè chủ yếu dùng ống buy (dạng tròn và dạng cạnh đa giác đều), ngoài ra các nhà tư vấn thiết kế có bổ sung thêm dầm khóa chân kè, rọ đá, thảm phủ bảo vệ nền, tùy thuộc vào điều kiện địa chất nền và biên thủy hải văn thiết kế

1.3.3 Những tồn tại của nghiên cứu chân kè hiện nay

Việc áp dụng các dạng chân kè thông dụng đã đem lại sự tiện lợi trong thi công và quản lý Tuy nhiên, nó còn gây nên những bất cập nhất định về sự ổn định của kết cấu và khó khăn trong duy tu bảo dưỡng Ngoài yếu tố chủ quan như thiết kế cường độ bê tông còn thấp, chất lượng thi công hạn chế thì vấn đề thiết kế, vấn đề ứng dụng phù hợp của dạng chân kè cũng cần được làm rõ

Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, có thể tóm tắt những điểm hạn chế của chân kè hiện nay đang áp dụng ở Việt Nam là:

- Tại nhiều công trình, các kết cấu chân kè, đặc biệt là các vật liệu thảm chân kè, được tính toán thiết kế và thi công theo các công thức tính toán trong quy phạm nhưng vẫn bị mất ổn định, dẫn đến hư hỏng của các cấu kiện khác của kè và đê biển

- Trong các tính toán theo quy phạm, chưa đề cập đến các giải pháp hạn chế sự phá hoại của các vật liệu rắn do sóng đẩy lên mái kè và chà xát phá hoại mái kè (đặc biệt là các mố nhám giảm sóng) Mặt khác khi áp dụng công thức của Izobat lại bị hạn chế là áp dụng sóng tuyến tính để tính toán và chưa chỉ rõ điều kiện áp dụng cụ thể

- Việc tiêu tán năng lượng sóng trên mái kè hiện nay đang được các nhà thiết kế tạo mố nhám, độ cao mố nhám khoảng vài cm, diện tích mố nhám trên diện tích mặt bằng khoảng (20÷ 40)%

Với kích thước hình học trên đã giảm được một phần năng lượng sóng, song nếu có vật rắn chà xát trên bề mặt thì các mố nhám này bị mài mòn (do cơ học hoặc do độ kháng bền của vật liệu)

Vì thế cần nghiên cứu hình dạng và kích thước mố nhám để nhằm mục đích vừa giảm năng lượng sóng vừa cản vật rắn do sóng vần lên mái, hạn chế hư hại của mái kè Với các mố nhám giảm sóng (thường bị tác động nhiều nhất và bị phá hoại trước) chưa được xem xét thay thế để đảm bảo kinh tế, kỹ thuật và thực tế

1.4 Định hướng vấn đề nghiên cứu của luận án

Từ những phân tích trên, sự hư hại chân kè do sự thay đổi của mặt bãi và trọng lượng viên

đá bảo vệ chân kè cần được xem xét tổng thể Trong công thức tính toán vận tốc lớn nhất tại chân kè theo TCVN 9901:2014[1] là:

Umax =

sp

s sp

sp

L

d g

L

H

4 sinh

Umax là vận tốc lớn nhất của dòng chảy ở chân kè(đê), m/s;

L sp là chiều dài sóng thiết kế, m;

- Làm sáng tỏ chế độ dòng chảy và ảnh hưởng tới ổn định của chân kè nông đá đổ;