Nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý về sóng tràn đê và cơ chế phá hoại đê do sóng tràn

T ổng quan về nghiên cứu xói mái cỏ Đê biển chịu sóng tràn với mái trong chống xói bằng cỏ đang được xem là một giải pháp khả thi chiếm nhiều ưu thế.. Trong khuôn khổ một số dự án nghiê

1

M ỤC LỤC

2

1 T ổng quan về nghiên cứu xói mái cỏ

Đê biển chịu sóng tràn với mái trong chống xói bằng cỏ đang được xem là một

giải pháp khả thi chiếm nhiều ưu thế Đánh giá sức chịu tải của mái cỏ dưới tác động xói của sóng tràn do vậy rất bức thiết trong công tác thiết kế và trong đánh giá mức độ

an toàn của đê biển

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng như hiện nay, sóng tràn đã

và đang trở thành một dạng tải trọng đặc biệt trong thiết kế đê biển Các giải pháp công trình cho đê chịu sóng tràn do đó đang giành được một mối quan tâm đặc biệt Trong khuôn khổ một số dự án nghiên cứu của Liên minh Châu Âu gần đây như COMCOAST và EUROGRASS, đê biển mái cỏ được đánh giá là một trong những

giải pháp có tính khả thi nhất cho đê chịu sóng tràn Các thí nghiệm hiện trường máy

xả sóng trên một số tuyến đê biển ở Hà Lan (xem Akkerman và cộng sự, 2007) đối với

một số dạng mái cỏ cho thấy mái cỏ nếu được trồng và chăm sóc tốt có thể đem lại sức

chống xói đáng ngạc nhiên (lưu lượng sóng tràn trung bình đơn vị q = 100 l/s/m với lưu tốc lớn nhất Vmax = 4 ~ 6 m/s trong vòng 6 giờ chưa thể gây hư hỏng đáng kể nào cho mái cỏ chất lượng trung bình không có lớp gia cường) Điều này trái ngược hẳn

với tiêu chuẩn sóng tràn hiện nay quy định lượng tràn cho phép đối với trong đê biển mái cỏ chỉ 0,1 ~ 1,0 l/s/m (xem CEM-2002) Kết quả này cho thấy hiểu biết của chúng

ta về sức chịu xói của cỏ còn quá hạn chế và cần nhiều nghiên cứu hơn nữa trong lĩnh

vực này Với lưu lượng tràn cho phép có thể lên tới hàng trăm l/s/m thì đê mái cỏ thực

sự là giải pháp kỹ thuật tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh ứng phó với nước biển dâng như hiện nay

Đê biển ở nước ta đa số có cao trình đỉnh thấp nhưng kết cấu mái trong chưa được gia cố đảm bảo do vậy sóng tràn là một trong những nguyên nhân chính gây hư hỏng đê biển trong bão Tuy nhiên, vai trò quan trọng của sóng tràn trong tính toán thiết kế vẫn chưa được thể hiện trong hướng dẫn thiết kế đê biển hiện hành Ở các nước tiên tiến đặc biệt là ở châu Âu và Mỹ thì cao trình đỉnh đê và kết cấu đỉnh và mái trong đê biển được thiết kế dựa trên mối liên hệ với lượng sóng tràn cho phép qua đê (xem EurOtop-2007, TAW-2002, CEM-2002)

3

Hình 1 Thí nghi ệm máy xả sóng (Akkerman và cộng sự, 2007)

Sử dụng thực vật như là một kỹ thuật sinh học để cải tạo đất, hạn chế xói mòn

và ổn định mái dốc đã được biết đến từ hàng trăm năm nay và đang trở nên ngày càng

phổ biến trong một vài thập kỷ gần đây Đó là vì người ta ngày càng hiểu biết hơn và

có nhiều thông tin hơn về các loài thực vật có thể sử dụng được trong thiết kế công trình, nhưng mặt khác còn do tính hiệu quả và thân thiện với môi trường mà cách tiếp

cận “mềm mại” này mang lại

Ổn định mái dốc bằng các giải pháp sử dụng thực vật cũng đã và đang được áp

dụng phổ biến ở Việt Nam Trong giảm nhẹ xói lở bờ sông, biện pháp kỹ thuật sinh

học phổ biến nhất có lẽ là trồng tre Để giảm nhẹ xói lở bờ biển, người ta trồng bần, đước, phi lao, dứa dại v.v

Tuy nhiên những biện pháp này còn có một số nhược điểm như:

• Tre mọc thành bụi, không tạo được hàng rào kín Nước lũ vẫn có thể len qua,

và tập trung ở khoảng trống giữa các bụi, vì thế sức phá hủy còn lớn hơn, gây xói lở nghiêm trọng hơn Tre có rễ chùm, nông, chỉ xuống tới độ sâu khoảng 1,0 - 1,5m, không cân bằng với phần thân ngọn cao, nặng Do vậy các bụi tre thường chỉ làm bờ sông nặng thêm chứ không góp phần ổn định bờ Với rễ chùm nông như vậy, nhiều trường hợp thấy bờ sông bị xói hàm ếch, tạo điều kiện để xảy ra trượt lở quy mô lớn hơn

• Đước, ở những nơi chúng mọc được, có thể tạo nên đới đệm giúp giảm bớt

4

năng lượng sóng và các dòng chảy ven biển, giảm nhẹ xói lở bờ biển rất tốt Tuy nhiên, đước lại khó mọc vì cây con hay bị chuột ăn mất ngọn và không tiếp tục lớn được nữa Thực tế này đã từng thấy ở ven biển Hà Tĩnh và một số nơi khác

• Phi lao từ lâu đã và đang được trồng trên hàng ngàn hecta cồn cát ven biển

Miền Trung Tương tự như vậy, dứa dại cũng được trồng dọc các bờ sông, suối cũng như ven các cồn cát Tuy nhiên chúng thường chỉ có tác dụng chắn gió, tức là hạn chế cát bay, chứ không tạo được hàng rào kín và bộ rễ cũng không ăn đủ sâu để giảm nhẹ cát chảy Ở một số nơi đã đắp đê cát dọc các dòng chảy, phía trên trồng phi lao, dứa

dại nhằm hạn chế cát chảy nhưng không thành công Các lưỡi cát vẫn tiếp tục xâm lấn đồng ruộng, nhất là về mùa mưa Ngoài ra, phi lao con khi mới trồng nếu gặp thời tiết quá lạnh (dưới 10oC) cũng có thể bị chết, trong khi dứa dại cũng có thể khô héo khi

thời tiết quá khô nóng v.v

Ở Việt Nam trong khuôn khổ dự án phối hợp nâng cao năng lực đào tạo ngành

Kỹ thuật Biển ở Trường Đại học Thủy Lợi, một máy xả sóng đã được Hà Lan thiết kế

và chế tạo tại Việt Nam Từ năm 2008 cho đến nay đã có 02 đợt thực nghiệm hiện trường máy xả sóng với các đê biển ở các tỉnh Hải Phòng (2008) và Nam Định (2010)

và tập trung ở một số dạng mặt cắt ngang đê biển điển hình

Ở các thí nghiệm đầu tiên ở Hải Phòng (Hình 2-10) chỉ mang tính chất vận hành thử hoạt động của máy xả sóng do vậy chưa có nhiều kết luận mang tính định tính từ đợt thử nghiệm này Sau này với cá đê biển ở Nam Định thì nghiên cứu tập trung nhiều hơn vào đê mái cỏ bản địa Các chỉ tiêu cơ lý của đất và cỏ kể cả đặc điểm thực vật của cỏ đã được thu thập tại nhiều vị trí trên mái đê phục vụ cho phân tích kết quả sau này

Kết quả thí nghiệm hiện trường ở Việt Nam cũng cho thấy một số điểm tương đồng so với ở Hà Lan đó là: sức chịu tải của mái cỏ tốt đến ngạc nhiên và vị trí xung yếu nhất vẫn thường là ở chân đê phía đồng nơi có sự chuyển tiếp địa hình từ mái dốc sang phương ngang Ở hình (2-11) cho thấy sự phát triển của một hố xói trên mái đê

cỏ Gà, khi trên đê có một điểm yếu tại chỗ có cây thực vật rễ lớn mọc qua Ở trong nhiều trường hợp mái đê cỏ Gà (được đánh giá là có chất lượng từ xấu đến vừa) đã có thể chịu được sóng với lưu lượng tràn trung bình lên đến 40 l/s/m

5

Hình 2: Thí nghiệm máy xả sóng cho đê Cửa sông Trà l ý - Thái Bình

Nghiên cứu một cách tổng thể cơ chế xói mái đê phía đồng do sóng tràn, từng bước tiếp cận với việc mô hình hoá sóng tràn qua đê, đặc biệt là đối với đê biển Nghiên cứu các giải pháp gia cố bảo vệ mái đê bằng thực vật trên thế giới và ở Việt Nam Kết quả tính toán góp phần định hướng cho người thiết kế trong việc lựa chọn

mô hình tính toán, phần mềm tính toán, quá trình tính toán và lựa chọn giải pháp gia

cố bảo vệ mái đê

2 M ục tiêu cụ thể

• Nghiên cứu khả năng chóng xói của mái đê ở phía đồng khi có sóng tràn qua

với trường hợp mái đê phía đồng được gia cố bằng trồng cỏ bình thường, và trường hợp trồng cỏ có gia cường Geocell, Geogrid

• Phát triển một mô hình số trị mô phỏng quá trình xói mái trong đê biển mái cỏ gây ra bởi sóng tràn

6

• Giúp NCS Nguyễn Văn Thìn có kết quả nghiên cứu thực tiễn để hoàn thiện luận

án tiến sĩ của mình với đề tài Nghiên cứu cơ chế phá hoại đê biển khi có bão và triều cường

Dựa trên các tài liệu khoa học sưu tầm được từ trong nước và quốc tế làm cơ sở cho việc phân tích hiện tượng xói lở ở mái đê phía đồng do sóng tràn cũng như khả năng ứng dụng gia cố bảo vệ mái đê bằng thực vật trên thế giới và ở Việt Nam Bên

cạnh đó, các tài liệu này còn giúp đề tài có các định hướng hợp lý cho quá trình nghiên

cứu

Sử dụng mô hình BREID (Breaching of inhomogeneousv seadike) là mô hình

thủy động lực học hình thái, mô phỏng diễn biến quá trình xói mái cỏ đê biển do sóng tràn gây ra trong bão Trong đó ở biên đầu vào là quá trình sóng theo thời gian, có thể

lấy từ tài liệu thực đo hoặc tạo ra bằng phương pháp số Chương trình gồm có hai module chính là mô hình hóa sóng tràn và mô hình hóa quá trình xói mái cỏ

Quá trình nghiên cứu của đề tài được kiểm chứng bằng việc tính toán phân tích

cơ chế xói mái đê phía đồng ở Giao Thuỷ - Nam Định

Trường đại học TU BRAUSHWEIG – CHLB ĐỨC

a) Đặt vấn đề

Các thí nghiệm xác định khả năng chịu xói của mái cỏ với các cấp lưu lượng khác nhau, trường hợp này được thí nghiệm trên máng tràn ở viện LWI (Leichtweiß-Institut für Wasserbau) Trường đại học TU Braunshweig – CHLB Đức Nghiên cứu này tập trung vào khả năng chịu xói của mái cỏ có gia cố và không có gia cố dưới tải

trọng sóng tràn

Hệ thống Geocell/Geogrid, được làm bằng nhựa tổng hợp, đã được ứng dụng

rộng rãi trongnhiều lĩnh vực, đặc biệt là chocông tác phòng chống xói mònvà ổn định

mái dốc Trong các ứng dụng ven biển, hệ thống này gần đây đã được coi như là một giải pháp hữu hiệu, thay thế thay thế một số giải pháp khác trong việc bảo vệ mái đê biển phía đồng dưới tải trọng sóng tràn Tuy nhiên hiện nay chưa có nghiên cứu nào rõ ràng về cơ chế phá hoại mái đê phía đồng được bảo vệ bằng hệ

thống Geocell/Geogrid dưới tải trọng sóng tràn Hơn nữa chưa có thí nghiệm cụ thể

7

nào cho mái đê biển phía đồng được gia cố bởi hệ thống này nên còn thiếu kinh nghiệm về cách sử dụng Geocell/Geogrid để gia cố mái bên trongcủa đê biển bị sóngtràn qua đỉnh, các công thức thực nghiệm và mô hình toán dự báo khả năng xói của mái đê được gia cố bởi thống này cũng chưa có

Trong khi đó, phương pháp bảo vệ mái đê bằng giải pháp trồng cỏ được thế giới xem là một giải pháp hữu hiệu là giải pháp xanh và bền vững có tính phù hợp cao

trong bối cảnh biến đổi khí hậu như hiện nay Mục tiêu của thí nghiệm này là (i) để

nghiên cứu các cơ chế phá hoại xảy ra của từng loại gia cố mái đê với một loại cỏ, (ii)

để định lượng được khả năng chống xói của các thảm cỏ và để xác định các thông số ảnh hưởng có liên quan nhất (hình dạng, độ cứng, quy cách gia cố, độ sâu, vv); (iii) để

đề xuất phương pháp để gia cố; (iv) cung cấp dữ liệu hợp lý cho việc xác định các mô hình s ố hiện có và mở rộng mô hình; (v) để so sánh hiệu suất của hệ thống Geocell và Geogrid; (vi) phát tri ển một công thức thực nghiệm cho những dự đoán về phá hoại

8

Hình 3: H ố xói xuất hiện ở chân mái cỏ sau 18 giờ thí nghiệm

Hình 4: S ự phát triển của độ sâu hố xói theo thời gian đối với mái cỏ không có gia cố

− Mái cỏ được gia cố bằng geogrid (6,5x6,5)cm

Trong sêri thí nghiệm này, thảm cỏ được gia cố bằng geogrid (6.5x6.5)cm

Có hai vị trí xuất hiện xuất hiện phá hoại mái cỏ GA1 và GA2 sau 30 con sóng,

sự mở rộng phạm vi hố xói theo thời gian ở vị trí GA1 và vị trí GA2 được mô tả trên (Hình 6)

35c50c

9

Hình 5: V ị trí xuất hiện xói trên thảm cỏ được gia cố bằng geogrid (6.5x6.5cm)

GA1

GA2

10

Hình 6: Hư hỏng tại vị trí (GA1) và (GA2) theo thời gian

Hình 7: Đường bao đáy hố xói tại vị trí GA1 và GA2

10cm

after 30 waves after 6h after 12h after 18h after 24h

10cm

after 30 waves after 6h

after 12h after 18h after 24h

11

− Thảm cỏ được gia cố bằng geogrid (3.9x3.9)cm

Trong sêri thí nghiệm này thảm mái cỏ được gia cố bằng hệ thống geogrid (3.9x3.9)cm Tại điểm GB xuất hiện phá hoại sau 30 con sóng Vị trí phá hoại được mở rộng dần, phạm vi mở rộng hố xói theo thời gian được phân tích ở (Hình 1-37)

Hình 8: V ị trí sẽ xuất hiện xói ở thảm cỏ được gia cố bởi hệ thống geogrid

( 3.9x3.9cm) đặt ở độ sâu dưới thảm cỏ 5cm

10cm

after 30 waves after 6h after 12h after 18h after 24h

GB

12

Hình 9: Hư hỏng tại vị trí GB theo thời gian

Hình 10: Đường bao đáy hố xói tại vị trí GB theo thời gian

− Thảm cỏ được gia cố bằng geocell

Thí nghiệm cuối cùng này được thí nghiệm với mái cỏ được gia cố bởi hệ

thống Geocell, hệ thống này được lắp đặt ở độ sâu 9cm kể từ mặt cỏ Điểm xuất

hiện phá hoại sau 30 con sóng là GC, hố xói tại GC được mở rộng theo thời gian và được mô phỏng trên Hình 1-41, đường bao đáy hố xói theo thời gian được mô phỏng ở (Hình 1-45)

Hình 11: Đường bao đáy hố xói tại vị trí GC theo thời gian

13

Depth (cm)

length (cm)

width (cm)

depth (cm)

length (cm)

width (cm)

depth (cm)

length (cm)

width (cm)

depth (cm)

length (cm)

width (cm)

depth (cm) After - 30

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0

Hình 12: So sánh ph ạm phi mở rộng hố xói theo thời gian (a) length~time; (b) width ~ time; (c) depth ~ time

16

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thí nghiệm tương tác của sóng lên đê biển trên mô hình vật lý, xác định cơ chế sạt lở bãi và đê biển có kết cấu phủ đề xuất là bêtông khối vuông, mái phía đồng gia cố bằng bê tông kết hợp trồng ô cỏ

Mô hình được chế tạo theo số liệu địa hình được thu thập từ thực tế Mặt cắt và

kết cấu đê, bãi: chiều cao đê, độ dốc mái đê, kết cấu lớp phủ được chế tạo theo mặt cắt

đê điển hình hiện nay ở Hải Hậu Nam Định Căn cứ vào khả năng đáp ứng của hệ

thống thí nghiệm và yêu cầu nghiên cứu, tỉ lệ mô hình được lựa chọn là 1/20

B ảng 2: Tham số bãi, đê biển

B ảng 3: Q tràn và vận tốc sóng tại mái đê

File name

Mực nước (m)

H s chân

đê MH/TT (m)

Q tràn (l/s/m)

V sóng (m/s)

a) Quá trình tính toán theo Chương trình BREID

− Tiến hành nghiên cứu quá trình xói mái hạ lưu với chương trình BREID,

với các giả thiết điều kiện biên đầu vào như sau:

+ Cao trình đỉnh đê là +4,29m

+ Hệ số mái phía biển m = 4, hệ số mái phái đồng m’ = 3.0

+ Đê không có cơ và tường đỉnh

+ Đặc điểm mái đê phía đông: Cấu tạo gồm các lớp như sau

+ Lớp cỏ được sử dụng ở đây là cỏ gà mọc tự nhiên, chiều sâu ảnh hưởng

của rễ là 30cm, mọc trên tầng đất sét

+ Lớp sét: lớp này dày 50cm

18

+ Lớp đất đắp lõi đê trong cùng

Hình 13: C ấu tạo hình học và lớp phủ mái đê

− Giả thiết với giá trị lưu lượng tràn đơn vị là 40 (l/s/m) Với mặt cắt hình học

và điều kiện biên thủy lực như trên, chạy mô hình cho module sóng tràn theo phương pháp ngược (thử dần) để xác định mức nước thiết kế Việc làm này nhằm mục đích tạo

ra được lưu lượng tràn theo thiết kế

19

Với trường hợp mái đê tiêu chuẩn, lớp cỏ và lớp đất sét phân bố đồng đều thì

thời gian sóng tràn qua đỉnh đê trong 3,5h, lưu lượng 40l/s/m sẽ làm cho mái đê bị xói

đi một lớp đất phía trên mặt khoảng 14cm

Cũng với các thông số sóng tràn như trên, với chất lượng cỏ loại tốt và tồn tại

một hư hỏng nhân tạo ban đầu với độ sâu 5cm, rộng 1m thì trong thời gian 4h, mái đê

bị xói 40cm, xói gần hết phần rễ cỏ nằm trong lớp đất sét, nếu tiếp tục cho sóng tràn qua trong trường hợp này thì đê biển rất dễ bị phá hủy nghiêm trọng do khả năng làm

việc của rễ cỏ đã đạt tới mức giới hạn và lớp lõi cát của đê đã gần lộ ra

Từ kết quả cho thấy xói diễn ra trên toàn bộ phần mái cỏ, kể từ đỉnh cho đến chân đê Tuy nhiên phần chân mái đê là có khả năng bị xói nhiều nhất Trong trường

hợp mái cỏ có vết hư hỏng nhân tạo sâu và với chất lượng cỏ trung bình thì chiều sâu xói tại vị trí hư hỏng ban đầu đó là khá lớn

Như vậy, có thể dễ dàng nhận thấy chất lượng cỏ có ảnh hưởng rất lớn sức bền

của mái đê Cỏ có chất lượng tốt và đồng đều thì sẽ chịu được xói rất tốt mà không làm ảnh hưởng đến các lớp đất bên trong lõi đê Ngược lại, cỏ không được chăm sóc tốt (chất lượng trung bình và không đồng đều) thì sức chống xói giảm đi rõ rệt

Chiều sâu xói lở đối với cỏ chất lượng tốt (loại 1):

Hình 14: Xói v ới mái tiêu chuẩn

20

Hình 15: Xói do mái c ỏ hư hỏng

Hình 16: Xói t ại vị trí lớp cỏ mỏng

về kinh tế lẫn kỹ thuật phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới đặc biệt là kinh

tế ở nước ta Ngoài ra đê biển mái cỏ là giải pháp xanh và bền vững có tính phù hợp cao rong bối cảnh biến đổi khí hậu như hiện nay

• Cần có những nghiên cứu tổng quan đánh giá lại tiềm năng của các loại cỏ bản địa lẫn ngoại lai trong việc áp dụng cho bảo vệ gia cường chống xói cho mái đê biển ở nước ta Để phát huy hiệu quả tốt, công tác nghiên cứu này cần có

sự tham gia tích cực của các nhà khoa học về nông nghiệp trồng trọt và thực vật học

22

• Ngoài các mái cỏ tự nhiên, các giải pháp gia cường mái cỏ bằng một số hệ thống kết cấu địa kỹ thuật bổ sung có thể được áp dụng nhằm tăng thêm khả năng chịu xói của mái cỏ cho một số trường hợp yêu cầu chịu xói cao hay mức

độ chịu sóng tràn lớn

• Việc ứng dụng các mô hình tính toán hiện đại bên cạnh các thí nghiệm hiện trường có thể trợ giúp trong phân tích, đánh giá cơ chế hư hỏng của mái cỏ đê biển, nâng cao chất lượng thiết kế

23

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

1 Thiều Quang Tuấn – Hocine oumeraci Mô hình số trị xói mái cỏ phía trong của đê biển

do sóng tràn Tuyển tập báo cáo khoa học Trường Đại học Thuỷ lợi tháng 11 năm 2009;

2 Báo cáo khoa hội thảo khoa học công nghệ lần thứ nhất, chương trình khoa học công nghệ bảo vệ môi trường và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên Nhóm tác giả Ngô Trí Viềng, Nguyễn Bá Quỳ, Nguyễn Văn Thìn;

3 Báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu đề tài xác định mặt cắt đê biển hợp lý từ Quảng Ninh đến Quảng Nam, PGS.TS Vũ Minh Cát và nhóm nghiên cứu;

4 Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài cấp nhà nước “ Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp khoa học công nghệ đảm bảo sự ổn định và độ bền của đê biển hiện có trong trường hợp sóng, triều cường tràn đê” Mã số KC08.15/06-10, GS.TS Ngô Trí Viềng và nhóm nghiên cứu;

5 Hội thảo thiết kế đê biển cho các tỉnh duyên hải Miền Trung;

6 Hướng dẫn thiết kế đê biển -14TCN 130- 2002;

7 Các tuyển tập báo cáo tại các Hội thảo xác định mặt cắt đê biển hợp lý từ Quảng Ngãi đến

Bà Rịa Vũng tàu, GS.TS.Phạm Ngọc Quý và nhóm nghiên cứu

8 Ahrens, J.P., Heimbaugh, M.S., Davidson, D.D., 1986 Irregular wave overtopping of

seawall/revetment configurations, Roughans Point, Massachusetts, USA, final report of experimental model investigation, Coastal Engineering Research Centre, Department of

the Army, Mississippi

9 Tuan, T.Q., Verhagen, H.J, Visser, P.J and Stive, M.J.F., 2006 Wave overwash at

low-crested beach barriers, Coastal Engineering Journal, World Scientific and JSCE, 48, 4, pp

371-393

10 CEM-US, 2002 Coastal Engineering Manual, U.S Army Corps of Engineers, Engineer Manual 1110-2-1100, Washington D.C., USA

BÁO CÁO T ỔNG KẾT

1 T ổng quan về nghiên cứu xói mái cỏ

Đê biển chịu sóng tràn với mái trong chống xói bằng cỏ đang được xem là một

giải pháp khả thi chiếm nhiều ưu thế Đánh giá sức chịu tải của mái cỏ dưới tác động xói của sóng tràn do vậy rất bức thiết trong công tác thiết kế và trong đánh giá mức độ

an toàn của đê biển

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng như hiện nay, sóng tràn đã

và đang trở thành một dạng tải trọng đặc biệt trong thiết kế đê biển Các giải pháp công trình cho đê chịu sóng tràn do đó đang giành được một mối quan tâm đặc biệt Trong khuôn khổ một số dự án nghiên cứu của Liên minh Châu Âu gần đây như COMCOAST và EUROGRASS, đê biển mái cỏ được đánh giá là một trong những

giải pháp có tính khả thi nhất cho đê chịu sóng tràn Các thí nghiệm hiện trường máy

xả sóng trên một số tuyến đê biển ở Hà Lan (xem Akkerman và cộng sự, 2007) đối với

một số dạng mái cỏ cho thấy mái cỏ nếu được trồng và chăm sóc tốt có thể đem lại sức

chống xói đáng ngạc nhiên (lưu lượng sóng tràn trung bình đơn vị q = 100 l/s/m với lưu tốc lớn nhất Vmax = 4 ~ 6 m/s trong vòng 6 giờ chưa thể gây hư hỏng đáng kể nào cho mái cỏ chất lượng trung bình không có lớp gia cường) Điều này trái ngược hẳn

với tiêu chuẩn sóng tràn hiện nay quy định lượng tràn cho phép đối với trong đê biển mái cỏ chỉ 0,1 ~ 1,0 l/s/m (xem CEM-2002) Kết quả này cho thấy hiểu biết của chúng

ta về sức chịu xói của cỏ còn quá hạn chế và cần nhiều nghiên cứu hơn nữa trong lĩnh

vực này Với lưu lượng tràn cho phép có thể lên tới hàng trăm l/s/m thì đê mái cỏ thực

sự là giải pháp kỹ thuật tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh ứng phó với nước biển dâng như hiện nay

Đê biển ở nước ta đa số có cao trình đỉnh thấp nhưng kết cấu mái trong chưa được gia cố đảm bảo do vậy sóng tràn là một trong những nguyên nhân chính gây hư hỏng đê biển trong bão Tuy nhiên, vai trò quan trọng của sóng tràn trong tính toán thiết kế vẫn chưa được thể hiện trong hướng dẫn thiết kế đê biển hiện hành Ở các nước tiên tiến đặc biệt là ở châu Âu và Mỹ thì cao trình đỉnh đê và kết cấu đỉnh và mái trong đê biển được thiết kế dựa trên mối liên hệ với lượng sóng tràn cho phép qua đê (xem EurOtop-2007, TAW-2002, CEM-2002)

Hình 1 Thí nghi ệm máy xả sóng (Akkerman và cộng sự, 2007)

Sử dụng thực vật như là một kỹ thuật sinh học để cải tạo đất, hạn chế xói mòn

và ổn định mái dốc đã được biết đến từ hàng trăm năm nay và đang trở nên ngày càng

phổ biến trong một vài thập kỷ gần đây Đó là vì người ta ngày càng hiểu biết hơn và

có nhiều thông tin hơn về các loài thực vật có thể sử dụng được trong thiết kế công trình, nhưng mặt khác còn do tính hiệu quả và thân thiện với môi trường mà cách tiếp

cận “mềm mại” này mang lại

Ổn định mái dốc bằng các giải pháp sử dụng thực vật cũng đã và đang được áp

dụng phổ biến ở Việt Nam Trong giảm nhẹ xói lở bờ sông, biện pháp kỹ thuật sinh

học phổ biến nhất có lẽ là trồng tre Để giảm nhẹ xói lở bờ biển, người ta trồng bần, đước, phi lao, dứa dại v.v

Tuy nhiên những biện pháp này còn có một số nhược điểm như:

• Tre mọc thành bụi, không tạo được hàng rào kín Nước lũ vẫn có thể len qua,

và tập trung ở khoảng trống giữa các bụi, vì thế sức phá hủy còn lớn hơn, gây xói lở nghiêm trọng hơn Tre có rễ chùm, nông, chỉ xuống tới độ sâu khoảng 1,0 - 1,5m, không cân bằng với phần thân ngọn cao, nặng Do vậy các bụi tre thường chỉ làm bờ sông nặng thêm chứ không góp phần ổn định bờ Với rễ chùm nông như vậy, nhiều trường hợp thấy bờ sông bị xói hàm ếch, tạo điều kiện để xảy ra trượt lở quy mô lớn hơn

• Đước, ở những nơi chúng mọc được, có thể tạo nên đới đệm giúp giảm bớt

năng lượng sóng và các dòng chảy ven biển, giảm nhẹ xói lở bờ biển rất tốt Tuy nhiên, đước lại khó mọc vì cây con hay bị chuột ăn mất ngọn và không tiếp tục lớn được nữa Thực tế này đã từng thấy ở ven biển Hà Tĩnh và một số nơi khác

• Phi lao từ lâu đã và đang được trồng trên hàng ngàn hecta cồn cát ven biển

Miền Trung Tương tự như vậy, dứa dại cũng được trồng dọc các bờ sông, suối cũng

như ven các cồn cát Tuy nhiên chúng thường chỉ có tác dụng chắn gió, tức là hạn chế cát bay, chứ không tạo được hàng rào kín và bộ rễ cũng không ăn đủ sâu để giảm nhẹ cát chảy Ở một số nơi đã đắp đê cát dọc các dòng chảy, phía trên trồng phi lao, dứa

dại nhằm hạn chế cát chảy nhưng không thành công Các lưỡi cát vẫn tiếp tục xâm lấn đồng ruộng, nhất là về mùa mưa Ngoài ra, phi lao con khi mới trồng nếu gặp thời tiết quá lạnh (dưới 10oC) cũng có thể bị chết, trong khi dứa dại cũng có thể khô héo khi

thời tiết quá khô nóng v.v

Ở Việt Nam trong khuôn khổ dự án phối hợp nâng cao năng lực đào tạo ngành

Kỹ thuật Biển ở Trường Đại học Thủy Lợi, một máy xả sóng đã được Hà Lan thiết kế

và chế tạo tại Việt Nam Từ năm 2008 cho đến nay đã có 02 đợt thực nghiệm hiện trường máy xả sóng với các đê biển ở các tỉnh Hải Phòng (2008) và Nam Định (2010)

và tập trung ở một số dạng mặt cắt ngang đê biển điển hình

Ở các thí nghiệm đầu tiên ở Hải Phòng chỉ mang tính chất vận hành thử hoạt động của máy xả sóng do vậy chưa có nhiều kết luận mang tính định tính từ đợt thử nghiệm này Sau này với các đê biển ở Nam Định thì nghiên cứu tập trung nhiều hơn vào đê mái cỏ bản địa Các chỉ tiêu cơ lý của đất và cỏ kể cả đặc điểm thực vật của cỏ

đã được thu thập tại nhiều vị trí trên mái đê phục vụ cho phân tích kết quả sau này Kết quả thí nghiệm hiện trường ở Việt Nam cũng cho thấy một số điểm tương đồng so với ở Hà Lan đó là: sức chịu tải của mái cỏ tốt đến ngạc nhiên và vị trí xung yếu nhất vẫn thường là ở chân đê phía đồng nơi có sự chuyển tiếp địa hình từ mái dốc sang phương ngang Ở trong nhiều trường hợp mái đê cỏ Gà (được đánh giá là có chất lượng từ xấu đến vừa) đã có thể chịu được sóng với lưu lượng tràn trung bình lên đến

40 l/s/m

Hình 2: Thí nghiệm máy xả sóng cho đê Cửa sông Trà l ý - Thái Bình

1 M ục tiêu tổng quát

Nghiên cứu một cách tổng thể cơ chế xói mái đê phía đồng do sóng tràn, từng bước tiếp cận với việc mô hình hoá sóng tràn qua đê, đặc biệt là đối với đê biển Nghiên cứu các giải pháp gia cố bảo vệ mái đê bằng thực vật trên thế giới và ở Việt Nam Kết quả tính toán góp phần định hướng cho người thiết kế trong việc lựa chọn

mô hình tính toán, phần mềm tính toán, quá trình tính toán và lựa chọn giải pháp gia

cố bảo vệ mái đê

2 M ục tiêu cụ thể

• Nghiên cứu khả năng chóng xói của mái đê ở phía đồng khi có sóng tràn qua

với trường hợp mái đê phía đồng được gia cố bằng trồng cỏ bình thường, và trường hợp trồng cỏ có gia cường Geocell, Geogrid

• Phát triển một mô hình số trị mô phỏng quá trình xói mái trong đê biển mái cỏ gây ra bởi sóng tràn

• Giúp NCS Nguyễn Văn Thìn có kết quả nghiên cứu thực tiễn để hoàn thiện luận

án tiến sĩ của mình với đề tài Nghiên cứu cơ chế phá hoại đê biển khi có bão và triều cường

1 Cơ sở lý thuyết

1.1 Ứng suất tiếp giới hạn chịu xói

Khả năng chịu xói của cỏ được đánh giá thông qua một vào tham số như lưu tốc

giới hạn, ứng suất tiếp đáy giới hạn chịu xói Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng

chịu xói đối với từng loại mái cỏ là không giống nhau mà nó liên hệ chặt chẽ với chất lượng của mái cỏ, điều này được thể hiện qua phần rễ cỏ và đặc trưng bởi tham số mật

độ diện tích rễ cỏ (RAR – Root Area Ration) Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng phần lá

cỏ không có tác dụng chống xói mà chỉ làm giảm lưu tốc của dòng chảy trên mái Mật

độ diện tích rễ cỏ RAR giảm đi rất nhanh theo chiều sâu theo quy luật hàm mũ, dẫn đến sức kháng cắt của đất giảm đi theo độ sâu cùng với quy luật Với cỏ mọc tự nhiên trên mái đê, độ sâu ảnh hưởng của rễ cỏ dừng lại ở khoảng 20cm, và tập chung lớn

nhất đến 60% là khu vực cách bề mặt từ 0–5 cm (theo Tuan và Oumeraci, 2009b) Như

vậy sức chị xói của mái cỏ là hàm của độ sâu Trên lớp tiếp xúc giữa dòng chảy trên

mặt và lớp cỏ xây ra ứng suất tiếp đáy Khi ứng suất tiếp đáy do dòng chảy gây ra vượt qua giá trị ứng suất tiếp giới hạn tại một vị trí nào đó của mái cỏ xuất hiện xói Quá trình xói xảy ra kéo theo phần rễ cỏ tại đó cũng bị đứt, và sau đó tải trọng sẽ phân bố

lại cho số rễ cỏ còn lại dẫn đến một số rễ cỏ khác cũng bị đứt… và cứ như thế cho đến khi tất cả các rễ cỏ đều bị đứt Các giá trị ứng suất tiếp đáy và ứng suất tiếp giới hạn được định nghĩa như sau:

2 max 2

1

r c

nằm sát dáy

Hình 3: Phân b ố lưu tốc dòng chảy sóng tràn trên mái đê

Khi nào τb, τcr thì xói mái xuất hiện Giá trị vượt quá này càng lớn thì tốc độ xói

diễn ra càng mạnh và quá trình sảy ra càng nhanh Tốc độ xói mái được thể hiện theo

biểu thức sau:

Trong đó E là tốc độ xói, k là chỉ số phụ thuộc vào từng loại đất và n là hệ số

1.2 Lưu tốc giới hạn chịu xói

Khả năng chịu xói của cỏ có thể được đánh giá thông qua một vài tham số như lưu tốc giới hạn hoặc ứng suất tiếp đáy giới hạn chịu xói Một số nghiên cứu tiêu biểu như: Hewlett và cộng sự (1987); Verheij và cộng sự (1995) (xem Hoffmans và cộng

sự, 2008), Hầu hết các nghiên cứu đều giả thiết một sức chịu xói không đổi cho mỗi

loại mái cỏ tương ứng với chất lượng của nó Nếu xét trên tính chất gia cố của rễ cỏ đối với đất thì điều này không hoàn toàn đúng Các nghiên cứu về đất gia cố với rễ

thực vật đã chỉ ra rằng sự gia tăng đáng kể sức kháng cắt của đất được đem lại bởi sự

hiện diện của phần rễ cỏ được đặc trưng bởi tham số mật độ diện tích rễ (Root Area Ratio - viết tắt là RAR) (Xin lưu ý rằng phần lá cỏ không đóng vai trò trong việc gia tăng khả năng chống xói của mái cỏ mà chỉ có tác dụng che chở, giảm lưu tốc dòng

chảy trong giai đoạn rất ngắn ban đầu mà thôi) Mật độ diện tích rễ RAR giảm rất nhanh theo độ sâu theo quy luật hàm mũ và (xem Hình 1 và tham khảo Tuan và Oumeraci, 2009b) vì vậy dẫn đến sức chịu cắt của đất gia cố cũng giảm rất nhanh theo

độ sâu với cùng một quy luật Với cỏ trên mái đê, tại độ sâu khoảng 20cm từ bề mặt

sức kháng cắt của đất chỉ còn lại phần từ bản thân cốt đất mà thôi Tính chất gia cường

của rễ cỏ tập trung lớn nhất ở lớp đất mỏng 0 - 5cm gần bề mặt nơi tập trung đến 60%

tổng lượng thân rễ Các thí nghiệm hiện trường (Akkerman và cộng sự, 2007) đã minh

chứng cho điều này khi mà mái cỏ chỉ có thể xói cho đến khi lớp đất cỏ mặt dày 5cm

bị đào bỏ

Hình 4: Thay đổi mật độ diện tích cỏ RAR theo độ sâu (Tuan và Oumeraci, 2009b)

Trong phần xói mái cỏ, lưu tốc giới hạn chịu xói của đất cỏ được miêu tả thông qua một công thức thực nghiệm của Mirtskhoulava được đơn giản hóa bởi Hoffmans

và Verheij (1997) cho đất dính và được cập nhật với lực dính gia cường của rễ cỏ (xem Van der Meer và cộng sự 2007):

Trong đó ugs,c là lưu tốc giới hạn chịu xói của đất cỏ, h là độ sâu dòng chảy, ρ

là khối lượng riêng của nước, ∆ = (ρs - ρ)/ρ là tỷ trọng của đất sét so với nước, ρs khối lượng riêng bão hòa của đất, (dα = 0.003 ~ 0.005)m là đường kính đặc trưng của hạt đất, (Cf = 0.035c) c là lực dính của đất, Cr là lực dính gia cường của rễ cỏ xác định theo PP Wu, µ là hệ số huy động sức chịu tải của rễ cỏ được tính toán dựa trên thuật toán đứt lan truyền Riproot của Pollen và Simon (2005), trong đó dạng phân bố đường kính và sức chịu kéo của rễ cỏ có ảnh hưởng chi phối

Tốc độ xói cỏ tại một điểm tính toán là hàm số của mức vượt trội ứng suất tiếp đáy như sau (xem đánh giá tổng quan ở Winterwerp và Van Kesteren, 2004):

gs s b gs c b gs c

gs c

M dz E

dt E

hệ số xói của đất gia cố với rễ cỏ (đơn vị kg/m2/s), zb cao trình đáy tại thời điểm tính toán, τb là ứng suất tiếp đáy tính toán tức thì được tính toán dựa trên lưu tốc ở lớp biên

rối của dòng chảy tràn tức thì, và τgs,c là ứng suất tiếp đáy giới hạn xói của đất cỏ

Hiện nay song song với việc nghiên cứu sóng tràn qua đê biển bằng mô hình vật

lý máng sóng thì nghiên cứu sóng tràn bằng mô hình toán (số trị) cũng đang nhận được

một sự quan tâm đáng kể trong các thập niên gần đây Dùng cho mục đích tính toán thiết kế đê biển như hiện nay thì lưu lượng tràn trung bình tính toán với các công thức kinh nghiệm (ví dụ xem EurOtop, 2007) cũng đã đủ đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên, bên

cạnh lưu lượng tràn trung bình thì tính chất thay đổi theo thời gian của sóng tràn cũng

rất quan trọng cho một số mục đích tính toán thiết kế khác ví như : tiêu thoát nước tràn, ổn định xói mái đê, hoặc vỡ đê, Hình 5 cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa lưu

lượng tràn trung bình và lưu lượng tràn tức thời Rõ ràng là trong những trường hợp như thế này thì mô hình số trị sóng tràn chiếm ưu thế vượt trội hơn các phương pháp công thức thực nghiệm

Hình 5: Quá trình lưu lượng tràn con sóng và lưu lượng tràn trung bình

(theo Schüttrumpf và Oumeraci, 2005)

Các mô hình toán sóng tràn hiện nay hầu hết đều dựa trên các hệ phương trình RANS (viết tắt của Reynolds-averaged Navier-Stokes) hoặc hệ phi tuyến nước nông

NLSW (viết tắt của Non-linear Shallow Water) Việc sử dụng một trong hai họ mô hình này phụ thuộc vào mục đích và tính chất của bài toán mà chúng ta cần xem xét

Các mô hình sóng tràn họ RANS dựa trên hệ phương trình rất phức tạp do vậy tiêu tốn nhiều tài nguyên tính toán (thông thường cần vài giờ chạy mô hình trên một máy tính cấu hình trung bình để mô phỏng vài giây dòng chảy ngoài thực tế) nhưng đổi lại trường dòng chảy sóng tràn được miêu tả một cách chi tiết và có thể ứng dụng cho cả các loại lòng dẫn có cấu hình phức tạp như có bậc, tường đứng, (xem Hình 6)

Tuy nhiên các mô hình RANS phù hợp cho các bài toán lòng dẫn cứng (đáy không

biến đổi) và quy mô thời gian xem xét chỉ là vài giờ đồng hồ

Hình 6: Mô phỏng bằng mô hình RANS trường dòng chảy sóng tràn qua tường đứng

New Orleans trong bão Katrina (Hong Xiao và nnk, 2008)

Như vậy xét cho bài toán sóng tràn qua đê gây xói mái trong thì việc ứng dụng

mô hình họ RANS còn chưa được khả thi trong điều kiện hạn chế về năng lực tính toán như hiện nay

Trái với các mô hình họ RANS thì các mô hình sóng tràn họ NLSW mang tính

khả thi cao hơn (cho phép mô phỏng nhanh) do chỉ miêu tả các tham số trung bình

(trung bình độ sâu) dòng chảy sóng tràn mà thôi Gần đây thì việc phát triển và ứng

dụng các mô hình họ NLSW cho mô phỏng sóng tràn qua đê đã trở nên khá phổ biến

và đã đạt được những thành tựu đáng khích lệ Các nghiên cứu của Hu và nnk (2000)

và Shiach và nnk (2004) cho thấy mô hình NLSW khi được xử lý phù hợp có thể tính toán tin cậy lượng sóng tràn qua đê ngay cả trong trường hợp địa hình đáy biến đổi

phức tạp và mái đê phía biển khá dốc

Với mục đích xây dựng mô hình mô phỏng xói mái cỏ phía đồng và vỡ đê biển

do sóng tràn, Tuấn và Oumeraci (2010) đã phát triển một mô hình sóng tràn thuộc họ NLSW nhưng có xét thêm ảnh hưởng của sóng vỡ đến mực nước trong vùng sóng đổ thông qua sự trao đổi năng lượng giữa động năng của cuộn sóng mặt và năng lượng sóng Như vậy ngoài hệ phương trình phi tuyến nước nông thì mô hình có tích hợp thêm hệ phương trình cân bằng năng lượng sóng trong vùng sóng đổ Mô hình được

giải bằng phương pháp phần tử khối với các xử lý điều kiện biên đặc biệt cho phép mô

tả dòng chảy sóng tràn qua địa hình lòng dẫn cũng như là điều kiện biên biến đổi phức

tạp Kết quả kiểm định mô hình với các tài liệu thí nghiệm mô hình tỷ lệ nhỏ và lớn cho thấy mô hình có thể dự báo tin cậy sóng tràn qua đê biển về cả lưu lượng trung bình lẫn các đặc trưng theo con sóng khác (số con sóng tràn, thời gian tràn, ) Hình 7

và Hình 8 minh họa một số so sánh giữa kết quả tính toán của mô hình và tài liệu đo đạc thực nghiệm

Hình 7: Kết quả so sánh lưu lượng tràn trung bình giữa mô hình và tài liệu thực

nghiệm (Tuan and Oumeraci, 2008)

Hình 8: Kết quả so sánh sóng tràn kết hợp với nước tràn qua đê giữa mô hình và tài

liệu thực nghiệm (Tuan and Oumeraci, 2008)

(a) độ sâu dòng chảy đỉnh đê (b) vận tốc dòng chảy đỉnh đê

(c) độ sâu dòng chảy trên mái đê

Văn Thìn tại Viện LWI – Trường đại học TU BRAUNSHWEIG – CHLB ĐỨC

Các thí nghiệm xác định khả năng chịu xói của mái cỏ với các cấp lưu lượng khác nhau, trường hợp này được thí nghiệm trên máng tràn ở viện LWI (Leichtweiß-Institut für Wasserbau) Trường đại học TU Braunshweig – CHLB Đức Nghiên cứu này tập trung vào khả năng chịu xói của mái cỏ có gia cố và không có gia cố dưới tải

trọng sóng tràn

Hệ thống Geocell/Geogrid, được làm bằng nhựa tổng hợp, đã được ứng dụng

rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là cho công tác phòng chống xói mòn và ổn định mái dốc Trong các ứng dụng ven biển, hệ thống này gần đây đã được coi như là

một giải pháp hữu hiệu, thay thế thay thế một số giải pháp khác trong việc bảo vệ mái

đê biển phía đồng dưới tải trọng sóng tràn Tuy nhiên hiện nay chưa có nghiên cứu nào

rõ ràng về cơ chế phá hoại mái đê phía đồng được bảo vệ bằng hệ thống Geocell/Geogrid dưới tải trọng sóng tràn Hơn nữa chưa có thí nghiệm cụ thể nào cho mái đê biển phía đồng được gia cố bởi hệ thống này nên còn thiếu kinh nghiệm về

cách sử dụng Geocell/Geogrid để gia cố mái bên trong của đê biển bị sóng tràn qua đỉnh, các công thức thực nghiệm và mô hình toán dự báo khả năng xói của mái đê được gia cố bởi thống này cũng chưa có

Trong khi đó, phương pháp bảo vệ mái đê bằng giải pháp trồng cỏ được thế giới xem là một giải pháp hữu hiệu là giải pháp xanh và bền vững có tính phù hợp cao

trong bối cảnh biến đổi khí hậu như hiện nay Mục tiêu của thí nghiệm này là (i) để

nghiên cứu các cơ chế phá hoại xảy ra của từng loại gia cố mái đê với một loại cỏ, (ii)

để định lượng được khả năng chống xói của các thảm cỏ và để xác định các thông số ảnh hưởng có liên quan nhất (hình dạng, độ cứng, quy cách gia cố, độ sâu, vv); (iii) để

đề xuất phương pháp để gia cố; (iv) cung cấp dữ liệu hợp lý cho việc xác định các mô hình s ố hiện có và mở rộng mô hình; (v) để so sánh hiệu suất của hệ thống Geocell và Geogrid; (vi) phát tri ển một công thức thực nghiệm cho những dự đoán về phá hoại

mái cỏ

Thảm cỏ đưa vào thí nghiệm được cắt theo từng tấm (100 x 200)cm từ một bờ

đê sông ở Hamburg – CHLB Đức, với chiều dày bình quân của thảm cỏ 20cm Hệ

thống Geocell/Geogrid được gia cố dưới bề mặt của mái cỏ

Hình 9: Các t ấm Geogrid (a) được đặt cách bề mặt 5cm; Các tấm Geocell (b) được

đặt cách bề mặt 9cm

Phân tích mật độ rễ cỏ (Root Area Ratio - viết tắt là RAR) được thực hiện trong phòng thí nghiệm, mẫu thảm cỏ được lấy có kích thước (10x10x16)cm Mẫu thì nghiệm được tiến hành cắt theo từng lớp Các rễ cỏ của mỗi lớp được sấy khô trong lò

và được cân với hệ thống cân điện tử với sai số 0.02g Kết quả được thể hiện trong (Bảng 1)

Sức kháng cắt do cỏ gây ra

(kg/cm2)

Mẫu đất sét

Mẫu cỏ được

cắt ở độ sâu 2cm

Mẫu cỏ được cắt ở

độ sâu 6cm

Tại mắt

cắt sâu 2cm

Tại mặt cắt sâu 6cm

B ảng 3: Các chỉ tiêu cơ lý của đất

0.04 0.05 0.06 0.07 0.1

0.2 0.3

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0.9

Silt or Clay Sand

Hình 11: Sơ đồ về mục tiêu tổng quát

Thí nghiệm với tổ hợp các thông số sóng, mực nước và đê biển có kết cấu phủ

là bêtông khối vuông, tại mái phía đồng gia cố theo phương án: Mái phía đồng được gia cố hoàn toàn bằng ô cỏ Xác định các yếu tố sóng, lực, vận tốc theo phương án

chọn

Mô hình được chế tạo theo số liệu địa hình được thu thập từ thực tế Mặt cắt và

kết cấu đê, bãi: chiều cao đê, độ dốc mái đê, kết cấu lớp phủ được chế tạo theo mặt cắt

đê điển hình hiện nay ở Hải Hậu Nam Định Căn cứ vào yêu cầu nghiên cứu, các số

liệu đo đạc khảo sát thực địa và khả năng đáp ứng của hệ thống thiết bị thí nghiệm, quá trình động lực do sóng tác động lên công trình được mô phỏng trên máng sóng

bằng mô hình chính thái, việc mô phỏng tương tự các thông số về đơn vị độ dài, thời gian, tần số, trọng lượng, diện tích, vv… được thiết lập theo tiêu chuẩn Froude theo tỉ

Input

Development

of empirical formula Experiment on tilted flume

Độ dốc mái đê Mbiển = 4

Chú thích: - NH: Nguyên hình

- MH: Mô hình

- MN: M ực nước

- ND: Độ cao nước dâng

3 Ứng dụng mô hình toán phân tích cơ chế xói mái đê phía đồng ở Giao

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phần mềm thương mại phổ biến phục vụ cho việc mô hình hoá sóng tràn và cơ chế xói mái cỏ Phần mềm BREID (Breaching of inhomogeneousv seadike) là một phần mềm như vậy Nó có thể mô hình thủy động lực

học hình thái, mô phỏng diễn biến quá trình xói mái cỏ đê biển do sóng tràn gây ra trong bão Trong đó ở biên đầu vào là quá trình sóng theo thời gian, có thể lấy từ tài

liệu thực đo hoặc tạo ra bằng phương pháp số Chương trình gồm có hai module chính

là mô hình hóa sóng tràn và mô hình hóa quá trình xói mái cỏ

• Mô hình hóa sóng tràn: Quá trình sóng tràn được mô phỏng dựa trên cơ

sở hệ phương trình vi tuyến nước nông và được giải theo phương pháp phân tử

khối (FVM) Module đã được kiểm kiệm với các series thí nghiệm mô hình

máng sóng tỷ lệ lớn và nhỏ với nhiều điều kiện biên thủy lực phức tạp, và cho

kết quả đáng tin cậy

• Mô hình xói mái cỏ: Quá trình sóng tràn qua đỉnh đê có tác động đến mái đê phía hạ lưu Hiện tượng xói mái sảy ra khi ứng suất tiếp đáy của dòng

chảy tràn trên mái vượt quá giá trị ứng suất giới hạn của mái đê

Hình 12: Giao di ện chính của chương trình BREID

Tiến hành nghiên cứu quá trình xói mái hạ lưu với chương trình BREID, với các giả thiết điều kiện biên đầu vào như sau:

Đặc điểm hình học mặt cắt ngang công trình:

Cao trình đỉnh đê là +4,29m

Hệ số mái phía biển m = 4, hệ số mái phái đồng m’ = 3.0

Đê không có cơ và tường đỉnh

Đặc điểm mái đê phía đông: Cấu tạo gồm các lớp như sau

Lớp cỏ được sử dụng ở đây là cỏ gà mọc tự nhiên, chiều sâu ảnh hưởng của rễ

là 30cm, mọc trên tầng đất sét

Lớp sét: lớp này dày 50cm