›

Luận án Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc Bộ

pdf 126 trang thiennha21 16/04/2022 4620
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc Bộ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_song_tran_qua_de_bien_co_tuong_dinh_o_bac.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc Bộ

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN THÌN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2014
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN THÌN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-40-01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ 2. GS.TS. Ngô Trí Viềng HÀ NỘI, NĂM 2014
  3. 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 (nếu có) được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Văn Thìn i
  4. LỜI CẢM ƠN Có được kết quả nghiên cứu như hôm nay ngoài sự cống gắng của bản thân, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ, GS.TS. Ngô Trí Viềng đã hướng dẫn tận tình. Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Trịnh Minh Thụ, PGS.TS. Nguyễn Trung Việt đã tận tình giúp đỡ mọi mặt trong quá trình tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo ĐH&SĐH, bộ môn Thủy công, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, phòng Khoa học công nghệ và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án. Tác giả xin được cảm ơn Vụ Giáo dục Đại học - Bộ Giáo dục & Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án. ii
  5. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ix MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 1 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 3 7. Những đóng góp mới của luận án 3 8. Cấu trúc của luận án 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 5 Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 5 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới 5 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam 6 Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu 8 Nguyên nhân hư hỏng đê biển 8 Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn 9 Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ 12 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc 12 Khái quát chung 12 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh 14 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa 16 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Nam Định 16 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hải Phòng 18 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp 18 Ở trên thế giới 18 Ở Việt Nam 20 iii
  6. Kết luận chương 1 26 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 28 Mục đích nghiên cứu 28 Cơ sở lý thuyết về tương tự 28 Tương tự về hình học 28 Tương tự về động học 29 Tương tự về động lực học. 29 Mô tả thí nghiệm sóng đều 29 Máng sóng 29 Mô hình đê và các tham số thí nghiệm 31 Chương trình thí nghiệm 32 Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc 34 Phân tích kết quả thí nghiệm 37 Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình 37 Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn 40 Kết luận chương 2 42 CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 43 Đặt vấn đề 43 Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010) 46 Hệ phương trình cơ bản 46 Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên 47 Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) 52 Giới thiệu máng sóng số 52 Hệ phương trình cơ bản 54 Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên 55 Sóng tràn đối với sóng đều 57 Kết luận chương 3 72 CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH 74 Giới thiệu công trình 74 iv
  7. Tính toán sóng tràn 75 Các công thức cơ bản 75 Thiết lập bảng tính toán sóng tràn 75 Xây dựng phần mềm tính toán sóng tràn 79 Kết quả tính toán sóng tràn và đề xuất mặt cắt ngang đê biển 81 Kết quả tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định 81 Đề xuất mặt cắt ngang đê biển 83 Phạm vi áp dụng 83 Kết luận chương 4 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 I. Kết quả đạt được của luận án 86 II. Những đóng góp mới của luận án 88 III. Tồn tại và hướng phát triển 89 IV. Kiến nghị 89 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 99 v
  8. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản 5 Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1] 7 Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1] 9 Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức 10 Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam 10 Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005 11 Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1] 11 Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014) 12 Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam 13 Hình 1.10 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh [3] 15 Hình 1.11 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh [3] 15 Hình 1.12 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa [7] 16 Hình 1.13 Đê biển Giao Thủy, Nam Định 17 Hình 1.14 Đê biển Quất Lâm, Nam Định 17 Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng 18 Hình 1.16 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh thấp [9] 19 Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56] 21 Hình 1.18 Thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trong nghiên cứu [56] 21 Hình 1.19 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng vỡ [56] 22 Hình 1.20 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng không vỡ [56] 22 Hình 1.21 Sơ đồ thí nghiệm sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp [58] 24 Hình 1.22 Các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn [58] 24 Hình 1.23 Hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường w [58] 25 Hình 1.24 Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng thềm trước tường s [58] 25 Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm 30 Hình 2.2 Máy tạo sóng 30 Hình 2.3 Máng sóng 31 Hình 2.4 Khu vực điều khiển máy tạo sóng 31 Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm sóng đều 32 Hình 2.6 Xử lý chống thấm qua đê trong thí nghiệm 33 Hình 2.7 Máy tính, thiết bị nhận và lưu trữ tín hiệu 34 Hình 2.8 Kiểm tra các đầu đo sóng tại chân đê 35 Hình 2.9 Mô hình xác định lưu lượng sóng tràn 36 Hình 2.10 Mô hình xác định chiều cao sóng bắn 36 Hình 2.11 Mô hình xác định chiều sâu dòng chảy tràn 36 Hình 2.12 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp v (đo đạc - tính toán) 38 2 Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (Hb/H) với (S.H/g.W.T ) 40 Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1 48 vi
  9. Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2 49 Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA1) 51 Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA2) 52 Hình 3.5 Sóng tràn qua đê trong (MH vật lý) 53 Hình 3.6 Sóng tràn qua đê (MH máng sóng số) 53 Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC) 57 Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC) 59 Hình 3.9 Sóng bắn khi sóng va vào tường (MH Vật lý) 61 Hình 3.10 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê (MH Vật lý) 61 Hình 3.11 Sóng chảy thành dòng (MH Vật lý) 62 Hình 3.12 Sóng rút (MH Vật lý) 62 Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý) 63 Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê t=27.3s ( MH vật lý) 63 Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng t = 27.5s ( MH vật lý) 64 Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý) 64 Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý) 65 Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường 67 Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều rộng thềm đến chiều cao sóng bắn 70 Hình 3.20 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t* 71 Hình 3.21 Lực sóng tác dụng lên tường 71 Hình 4.1 Đê biển Giao Thủy tỉnh Nam Định 74 Hình 4.2 Giao diện chính phầm mềm 79 Hình 4.3 Giao diện nhập các tham số thiết kế 80 Hình 4.4 Giao diện tính toán các tham số sóng thiết kế 80 Hình 4.5 Giao diện tính toán sóng tràn qua đê 81 Hình 4.6 Kết quả tính toán cho các kịch bản (W,S) khác nhau 83 Hình 4.7 Mặt cắt ngang đê biển theo dự thảo TCVN-2013 [4] 84 Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp và thềm trước 84 vii
  10. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3] 14 Bảng 1.2 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng ngẫu nhiên 23 Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều 33 Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường 39 Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm xác định chiều cao sóng bắn 41 Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán sóng tràn cho các trường hợp điển hình sóng ngẫu nhiên 56 Bảng 3.2 Kết quả đo đạc và tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình của sóng đều 58 Bảng 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán chiều cao sóng bắn lớn nhất 66 Bảng 3.4 Kết quả đo đạc và tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất 68 Bảng 4.1 Thiết lập các thông số đầu vào 75 Bảng 4.2 Tính toán các tham số sóng thiết kế 77 Bảng 4.3 Tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình 77 Bảng 4.4 Lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn cho đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định với các kịch bản (W,S) khác nhau 82 viii
  11. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ 1. Danh mục các từ viết tắt: 2DV-RANS Navier – Stockes 2 chiều – Phương trình 2 chiều ARC Active Reflection Compensation – Hấp thụ sóng phản xạ tự động BĐKH Biến đổi khí hậu. COBRAS Cornell Breaking Waves and Structures – Mô hình máng sóng số ENDEC Energy Decay – Suy giảm năng lượng sóng FVM Finite volume method – Phương pháp phần tử hữu hạn MH Mô hình. MNTK Mực nước thiết kế. NH Nguyên hình. NLSW Non-Linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông RANS Reynolds Averaged Navier Stokes – Mô hình toán họ RANS SPH Smoothed Particle Hydrodynamics – Mô hình thủy lực SPH SWASH Simulating WAve still Shore – Mô hình SWASH TAW Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes – Sổ tay kỹ thuật tính toán sóng tràn qua đê TH Trường hợp. VOF Volume Of Fluid – Mặt thoáng 2. Các thuật ngữ “Tường đỉnh thấp” là tường đỉnh trên đê có (W/Hs ≤ 0.5) “Thềm trước” là thềm phía trước tường đỉnh “Sóng bắn” là một phần sóng tràn nằm trong không khí không bám sát bề mặt đê ix
  12. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Dọc theo bờ biển là những trung tâm kinh tế, văn hóa quan trọng của cả nước. Để đảm bảo ổn định và phát triển bền vững của khu vực quan trọng này nhất thiết phải xây dựng hệ thống đê biển. Mặc dù đã được nhà nước đầu tư đáng kể qua nhiều chương trình, nhưng đê biển Bắc bộ vẫn có cao trình đỉnh tương đối thấp, bề rộng mặt đê nhỏ, mái đê phía biển, phía đồng dốc, hầu hết đê lại trực diện với biển. Đây là vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai (đặc biệt là bão, áp thấp nhiệt đới) là vùng biển có độ lớn thuỷ triều cao và nước dâng do bão lớn. Vì vậy hệ thống đê biển khu vực này luôn có nguy cơ sóng tràn qua đê làm vỡ đê gây ảnh hưởng nặng nề đến tính mạng và tài sản của nhân dân (điều này đã được chứng minh thực tế qua các cơn bão điển hình trong những năm gần đây). Theo kết quả thống kê từ các sự cố vỡ đê trong những năm qua thì sóng tràn gây hư hại mặt đê và mái phía đồng là phổ biến ở nước ta. Một trong những giải pháp hữu hiệu để giảm sóng tràn qua đê là xây tường đỉnh thấp đặt trên đỉnh đê, vì việc tôn cao mặt đê hay làm cơ ở phía thượng lưu là rất tốn kém và khó khả thi đặc biệt là những tuyến đê bảo vệ các thành phố, các khu du lịch. Đến nay, các nghiên cứu sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp đặc biệt là các nghiên cứu tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn chưa đầy đủ. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp và thềm trước tường đối với sóng tràn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện nay. Với ý nghĩa đó tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc bộ” làm đề tài nghiên cứu của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tính chất dòng chảy sóng tràn qua đê biển, từ đó góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán 1
  13. sóng tràn qua đê biển để bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện nay. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Phạm vi nghiên cứu là đê biển hiện có ở Bắc bộ - Việt Nam. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn qua đê biển; - Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1. Cách tiếp cận Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu có liên quan trong nước và trên thế giới về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp. Từ đó lựa chọn hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính sáng tạo và phù hợp với điều kiện Việt Nam. 5.2. Các phương pháp sử dụng trong luận án - 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 nghiên cứu thực nghiệm: thực hiện các thí nghiệm sóng tràn với các kịch bản khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tương tác sóng – tường; 2
  14. - Phương pháp kết hợp: kết hợp mô hình toán với mô hình vật lý để dự báo lưu lượng sóng tràn trung bình, làm sáng tỏ quá trình tương tác sóng - tường và tính chất dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1. Ý nghĩa khoa học Các nghiên cứu hiện tại về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp chưa thật đầy đủ đặc biệt là vấn đề tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn. Do đó, việc hiểu rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình cũng như tương tác giữa sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán sóng tràn qua đê biển, bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện nay. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Đê biển Bắc bộ thường có cao trình đỉnh khá thấp nên khi có bão, triều cường, kết hợp với nước biển dâng thì hầu hết các tuyến đê biển đều bị sóng tràn qua và có nguy cơ vỡ đê. 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 những 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 các thành phố, các khu du lịch là khó khả thi. Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp xây dựng tường đỉnh thấp trên đê nhằm nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là giải pháp được áp dụng phổ biến do tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện kinh tế hiện nay của nước ta hiện nay. 7. Những đóng góp mới của luận án - Làm sáng tỏ bản chất ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn và chứng minh được tính ưu việt của thềm trước thông qua việc đi sâu phân tích quá trình tương tác sóng – tường; 3
  15. - 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 (2-12); - Xây dựng được đường cong quan hệ tường minh giữa chiều cao sóng bắn với các tham số sóng và hình học tường (Hình 2.13); - Xây dựng được một mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh có thềm trước hợp lý, hiệu quả, phù hợp với thực tiễn đê biển Bắc bộ - Việt Nam (Hình 4.8). 8. 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 nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; Chương 2: Mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn qua đê biển; Chương 3: Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; Chương 4: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định. 4
  16. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới Nghiên cứu đê biển nói chung, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển nói riêng được nhiều quốc gia quan tâm 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 đê biển 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][6]. 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 1.1). Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản N hưng 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 và nước biển dâng làm cho nguy cơ tràn nước qua đê chưa được loại bỏ vẫn là mối hiểm họa. Vì vậy, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển là vấn đề trọng thị trên thế giới. Các nghiên cứu tiêu biểu về sóng tràn qua đê có thể kể đến: 5
  17. Saville (1955) là người đầu tiên đặt vấn đề nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí nghiệm sóng đơn [44]. Cho đến nay, đã có hàng vạn các thí nghiệm đang được tiến hành ở nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, chủ yếu là ở Châu Âu nghiên cứu thực nghiệm của sóng leo và sóng tràn qua các kết cấu công trình biển. Các thí nghiệm sau này được thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với các điều kiện tự nhiên hơn như: sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, kết cấu công trình đa dang [9]; Owen (1980) dựa trên số lượng hàng ngàn thí nghiệm mô hình sóng ngẫu nhiên, bước đầu đã xây dựng được công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình mái nhẵn. Các nghiên cứu sau đó của Owen cũng đã xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê [40]; De Waal and Van der Meer (1992) đã tiếp tục 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. Các kết quả nghiên cứu này vẫn 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%[17]; Van der Meer and Janssen (1995) đã cải tiến các công thức tính toán trước đó, sóng tràn tính toán trực tiếp thông qua độ lưu không tương đối Rc/Hs. Sóng tràn còn phụ thuộc vào tính chất tương tác sóng với công trình thể hiện qua các sóng vỡ và sóng không vỡ. Trong nghiên cứu này đã xây dựng được công thức tính toán sóng tràn có thể áp dụng cho đê có cơ ở phía biển và xem xét độ nhám của mái đê [59]; TAW (2002), EurOtop (2007) đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua đê 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 được sử dụng phổ biến [50][19]. Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam Nước ta có hơn 3260km bờ biển, 89 cửa sông và hơn 3000 hòn đảo, dọc theo bờ biển là 29 tỉnh và các thành phố, hải cảng, khu công nghiệp, dầu khí, khu đánh bắt và nuôi trồng thủy sản. Vì thế, nước ta có một tiềm năng to lớn trong phát triển kinh tế biển và vùng 6
  18. ven biển. Hệ thống đê biển, đê cửa sông được xây dựng và phát triển theo thời gian do nhiều thế hệ người Việt Nam xây đắp [1]. Đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh tương đối thấp, nên khi có bão, triều cường và nước biển dâng thì hệ thống đê biển quan trọng này luôn bị đe dọa tràn nước dẫn đến vỡ đê. Khi thiết kế dù đã tuân theo các quy phạm hiện hành, nhưng do những biến động lớn về môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu, tần suất và cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, đặc biệt là: bão, triều cường và nước biển dâng làm cho nguy cơ tràn nước qua đê gây ra những thảm họa lớn về người, tài sản và môi trường sinh thái ở các vùng ven biển. Do đó, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở Việt Nam vẫn là vấn đề thời sự. Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1] Để nâng cao trình độ về kỹ thuật, công nghệ thiết kế thi công đê biển dần tiếp cận với trình độ khu vực và thế giới. Trong những năm qua, nhà nước đã đầu tư khá mạnh cho việc nghiên cứu đê biển như: nghiên cứu xác định mặt cắt ngang hợp lý, nghiên cứu công nghệ vật liệu xây dựng đê biển Tuy nhiên, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển vẫn còn khá khiêm tốn và chưa thật đầy đủ. Trong phạm vi nghiên cứu này tác giả chỉ giới thiệu các nghiên cứu trong nước liên quan mật thiết đến mục tiêu của luận án: Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2006, 2009, 2010, 2013) đã tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý kết hợp với phân tích lý thuyết cho các kịch bản khác nhau, có điều kiện biên 7
  19. sát với thực tế của đê biển Việt Nam. Các nghiên cứu này đã đánh giá độ tin cậy của TAW (2002) và xây dựng được các cơ sở khoa học quan trọng cho việc tính toán sóng tràn qua đê biển ở Việt Nam [55][56][57][58]; Vũ Minh Cát và cộng sự (2008) Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam [1]; Ngô Trí Viềng và cộng sự (2010) Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất các 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 qua đê [10]; Phạm Ngọc Quý và cộng sự (2012) Nghiên cứu mặt cắt đê biển hợp lý từ Quảng Ngãi đến Bà Rịa Vũng tàu [6]. Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu Nguyên nhân hư hỏng đê biển Có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng đê biển như: do lũ sông, từ phía biển, từ thiết kế, từ thi công, từ quản lý Trong các nguyên nhân gây hư hỏng đê biển, nguyên nhân từ phía biển được xem là nguy hiểm nhất, bao gồm: bão, triều cường và nước biển dâng gây sóng tràn đê dẫn đến phá hoại đê [1][8]. Hệ thống đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh đê khá thấp, phổ biến từ 4.0m đến 5.5m, lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê khi có bão là tương đối lớn, tùy từng vùng lưu lượng sóng tràn trung bình có thể lên đến hàng trăm l/s/m. Sóng tràn gây xói mái trong dẫn đến vỡ đê là nguyên nhân phổ biến [9]. Theo thống kê, chiều cao sóng trong bão tại chân đê biển đạt khoảng 1.5m đến 1.8m. Nhưng nước dâng trong bão có thể lên tới 2.0m, làm độ sâu nước tại chân đê tăng lên đáng kể. Đây là nguyên nhân khuếch đại chiều cao sóng tràn, sóng leo lên mái công trình [1]. Tải trọng sóng tỉ lệ với chiều cao, hướng truyền sóng và xu thế tăng lên đáng kể sẽ là nguyên nhân gây phá hoại đê [1]. Khi sóng tràn qua mặt đê, nước sẽ chảy trên mái vào phía đồng với vận tốc khá lớn 3.0m/s đến 4.0m/s gây xói mặt đê, phá hỏng lớp bảo vệ mái và đẩy vật liệu thân đê xuống chân. Mặt khác, khi sóng tràn trên mái sẽ thấm vào thân gây quá trình bão hoà vật liệu trong thân đê. Quá trình thấm sẽ làm cho các vật liệu 8
  20. trong thân đê bị kéo theo các khe nứt, lỗ hổng ra ngoài gây lún đê và phá hỏng các kết cấu bảo vệ, dẫn tới phá hỏng toàn bộ mặt cắt đê. Hai yếu tố tác động trên được xảy ra đồng thời nên khi có sóng tràn qua đê thì tốc độ phá hoại đê diễn ra rất nhanh [9][1]. Tóm lại, nguyên nhân gây hư hỏng đê biển thì có nhiều, nhưng theo số liệu thống kê từ các sự cố vỡ đê thì sóng tràn gây phá hoại mặt đê, mái đê phía đồng là tác nhân chủ yếu, là mối hiểm họa mà các nhà thiết kế, thi công và quản lý đặc biệt quan tâm. Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn Khi sóng tràn qua đê làm mái trong bị xói. Quá trình xói này có thái phức tạp chịu chi phối của nhiều yếu tố từ thủy động lực học, hình thái sóng tràn đến các tính chất cơ lý của vật liệu gia cố mái đê. Khi đê biển có tường đỉnh thấp, sóng tràn đập vào mái đê do năng lượng sóng leo lớn nên khi lưỡi sóng va vào tường đỉnh sẽ tạo ra sóng bắn lên cao, kèm theo đó là gió bão từ ngoài biển thổi vào với vận tốc gió khá lớn, khối nước tạo ra từ sóng bắn sẽ dội trực tiếp vào mặt đê với một động năng lớn làm hỏng mặt đê và dẫn đến vỡ đê. Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1] Chưa dừng lại ở đó, khi sóng tràn đê, đê bị bão hòa do thẩm thấu của dòng chảy sóng tràn. Cơ chế này thường xảy ra với mái đê có độ dốc lớn (dốc hơn 1/2) hoặc khi đất đắp đê có cường độ yếu. Trong nhiều trường hợp, hư hỏng mái đê thường là hậu quả kết hợp 9
  21. của cả nhiều cơ chế và bắt đầu bằng quá trình xói mái đê, tức là khi mái đê bị xói đến mức độ nào đó thì sẽ gây ra mất ổn định đê. Cơ chế phá hoại đê do sóng tràn, dòng chảy tràn được tác giả tiếp tục thực hiện nghiên cứu thực nghiệm ở trường Đại học TU Braunshweig - CHLB Đức; tại phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia - Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam và các chương trình trao đổi nghiên cứu ở trường Đại học Kyushu - Nhật Bản, trường Đại học NTU Singapore và ở Trung Quốc. Một lần nữa khẳng định rằng: sóng tràn, dòng chảy tràn gây phá hoại đê vẫn là cơ chế nổi trội nhất và khi lưu lượng tràn càng lớn thì khả năng phá hoại càng cao. Mức độ phá hoại còn phụ thuộc vào kỹ thuật xây dựng thông qua hệ số đầm chặt, loại đất đá, độ ẩm ban đầu của đất lõi đê và chiều cao của đê. Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam 10
  22. Tóm lại, cơ chế phá hoại đê biển có nhiều, từ phá hoại cục bộ đến phá hoại tổng thể; các nguyên nhân, yếu tố tác động, hệ quả cũng rất đa dạng. Qua phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các báo cáo, các sự cố vỡ đê ở Bắc bộ và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả thấy rằng: cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn, dòng chảy tràn là cơ chế trội nhất. Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005 Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1] 11
  23. Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ Hiện nay, có khá nhiều giải pháp để giảm thiểu sóng tràn qua đê, các giải pháp công trình và phi công trình phổ biến như: làm đê ngầm phá sóng ở phía trước đê, dùng các cấu kiện khác nhau đặt trước đê để phá sóng, làm cơ đê phía biển một bậc hoặc nhiều bậc, trồng rừng ngập mặn phía trước đê, nâng cao cao trình đỉnh đê Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014) Tuy nhiên, đối với đê biển Bắc bộ hiện nay hầu hết là nâng cấp từ đê biển hiện có, đê trực diện với biển, hành lang hai bên đê hẹp khó còn quỹ đất để mở rộng, tôn cao (đặc biệt đê bảo vệ các thành phố, các khu du lịch ). Mặt khác do điều kiện kinh tế của Việt Nam chưa cho phép nâng cao mở rộng mặt đê. Vì vậy, làm tường đỉnh thấp trên đê để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là một trong những giải pháp khả thi về kinh tế và kỹ thuật được sử dụng phổ biến ở nước ta. Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc Khái quát chung Mặc dù tường đỉnh thấp có thể gây ra một số bất lợi như làm tăng sóng phản xạ, sóng bắn, áp lực sóng lớn gây mất ổn định kè hoặc hư hỏng do mất ổn định địa kỹ thuật nền đê Nhưng đê biển có tường đỉnh thấp (W/Hs ≤ 0.5) nằm sát mép ngoài mặt đê được sử dụng khá phổ biến cho hệ thống đê biển Việt Nam và được coi là giải pháp đơn giản, hiệu quả để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn trong điều kiện kinh tế hiện nay. Đê có tường đỉnh thấp được sử dụng ở những nơi mà không còn quỹ đất để tôn cao, 12
  24. hoặc điều kiện kinh tế không cho phép xây đê cao, như: đê bảo vệ các như khu đô thị, khu du lịch, các hình dạng tường đỉnh phổ biến là tường có mái nghiêng về phía đồng. Tường cong có mũi hắt sóng, tường thẳng đứng (Hình 1.9). a. Tường đỉnh nghiêng về phía trong b. Tường đỉnh có mũi hắt sóng c. Tường đỉnh thẳng đứng Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam Với phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả giới thiệu đê biển có tường đỉnh thấp của một số địa phương sau đây cũng không làm mất đi tính tổng quát của vấn đề của nghiên cứu. 13
  25. Đê biển có tường đỉnh thấp 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%); điển hình một số tuyến đê đã xây dựng tường đỉnh thấp trên đê để nâng cao cao trình, giảm sóng tràn qua đê (Bảng 1.1). Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3] Diện tích bảo vệ (ha) Cao Cao Chiều Dân số trình trình TT Tuyến đê Địa điểm dài bảo vệ đỉnh mặt (km) Đất NN (người) tường Tổng (ha) đê (ha) CS 1 Hội Thống K5-K12+250 4.0 4.5 1.1 Nghi Xuân 17.8 2850 1464 20251 K14+400- 4.5 5.0 1.2 K17+760 Đê kè Cẩm Cẩm Xuyên 2.2 234 33 8,149 5.0 5.5 2 Nhượng 3 Cẩm Lĩnh 3.1 K0 - K1+670 3.5 4.0 Cẩm Xuyên 3.1 831 474 3,520 K1+670 - 4.0 4.5 3.2 K3+118 4 Cẩm Trung Đoạn đê cửa Cẩm Xuyên 11.0 185 108 4935 3.5 4.0 4.1 sông Đoạn đê biển 4.0 4.5 4.2 Phúc - Long - Cẩm Xuyên 12.8 1955 1044 16546 3.5 4.0 5 Nhượng 6 Lộc Hà Cẩm Xuyên 8.50 1087 514 8,529 3.50 4.00 Tả Nghèn (cống Đò Điệm - Lộc Hà 26.90 3735 2229 40166 3.2 4.0 7 Thạch Kim) 8 Hữu Phủ K0-K10+00 TP Hà Tĩnh - 2.7 3.7 8.1 22.80 6276 3399 31003 Thạch Hà K10 -K15+00 3.5 4.2 8.2 K15+00- 4.0 4.7 8.3 K19+300 Nguồn: Chi cục Đê điều và phòng chồng lụt bão, Hà Tĩnh[3] 14
  26. Tường đỉnh thấp được sử dụng khá phổ biến cho hệ thống đê biển, đê cửa sông. Hà Tĩnh có 105.16km/211km (chiếm 50%) đê biển, đê cửa sông được xây dựng tường đỉnh thấp trên đê để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê, chiều cao tường đỉnh phổ biến từ (0.4m - 1.0m) và hầu hết không có thềm trước tường [3]. Điều này cũng được giải thích rằng: do điều kiện kinh tế cũng như giới hạn không gian xây dựng, nên việc tôn cao trình đỉnh đê bằng việc đắp đê là khó khả thi. Hình 1.10 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh [3] Hình 1.11 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh [3] 15
  27. Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa Thanh Hóa có khoảng 70.4km đê biển thuộc các huyện Hậu Lộc, Hoằng Hoá, Nga Sơn, Tĩnh Gia, điển hình đê biển có tường đỉnh thấp là đê biển huyện Hậu Lộc (đoạn đê biển I Vích dài 5.5km), cao trình đỉnh đê +4.5m; chiều rộng mặt đê B = 3.0m; mái phái biển m1 = 4.0; mái phái đồng m2 = 2.0; cao trình đỉnh tường +5.0m; chiều cao tường W = 0.5m. 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 2165 ha và dân số khoảng 60 ngàn người [7]. Hình 1.12 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa [7] Đê biển có tường đỉnh thấp ở Nam Định Nam Định có 91.0km đê biển đi thuộc 3 huyện (Hải Hậu 33km, Giao Thuỷ 32km, Nghĩa Hưng 26km) trong đó có 45km đê trực diện với biển (chiếm 49.5%). Tính đến hết tháng 7 năm 2013 trên toàn tuyến đê biển đã nâng cấp được gần 60.0km mặt đê bằng bê tông bao gồm: huyện Hải Hậu 27.12km, huyện Giao Thủy 21.98km, huyện Nghĩa Hưng 10.6km. Các đoạn đê làm kè lát mái phía biển được 48.1km bao gồm: huyện Hải Hậu 27.7km, huyện Giao Thủy 15.1km, huyện Nghĩa Hưng 5.3 km [2]. Hiện nay, do điều kiện kinh phí còn hạn chế, không gian mở rộng đê hẹp, vật liệu để đắp đê là hết sức khó khăn vì các khu đất đều đã được quy hoạch cho các mục tiêu phát triển kinh tế. Vì vậy, giải pháp xây tường đỉnh thấp trên đê để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê được tỉnh Nam Định hết sức quan tâm. 16
  28. Toàn tỉnh hiện có gần 50.0km/91.0km đê biển được xây dựng tường đỉnh thấp trên đê (chiếm 55%) [2]. Hầu hết tường đỉnh thấp trên đê là thẳng đứng, không có thềm trước tường, tường và 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 – 0.7m). Một số nơi có mặt đê tương đối rộng như đê biển thị trấn Quất Lâm, có thềm trước tường khoảng 0.5m. Hình 1.13 Đê biển Giao Thủy, Nam Định Hình 1.14 Đê biển Quất Lâm, Nam Định 17
  29. Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hải Phòng Hải Phòng có khoảng 46.9km đê biển, có chiều rộng mặt đê B = 5.0m cao trình mặt đê kể cả tường đỉnh (4.5m - 5.5m). 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 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 khoảng 0.5m [7]. Việc bố trí thềm trước tường đỉnh là quan điểm mới, tiến bộ trong thiết kế đê biển hiện nay. Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp Ở trên thế giới Trong những thập kỷ qua, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở trên thế giới đã có những bước tiến khá xa, cơ sử dữ liệu sóng tràn khá đầy đủ cho các dạng kết cấu hình học và điều kiện thủy lực khác nhau. Nghiên cứu điển điển hình và phổ biến nhất hiện nay về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp là TAW (2002) sau này đưa vào EurOtop (2007). Trong TAW (2002) có xét đến hệ số chiết giảm của tường đỉnh cho trường hợp kết cấu hình học của tường đỉnh thấp và đê thỏa mãn các điều kiện sau: độ dốc mái đê trong phạm vi phía dưới chân tường đỉnh thấp 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 18
  30. (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 1.16) [50][9]. Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình được phản ánh thông qua hệ số chiết giảm tường đỉnh v. Với tường đỉnh thấp thỏa mãn các điều kiện nêu trên thì có thể xác định v như sau: - Xác định hệ số mái dốc đê quy đổi trong trường hợp có tường đỉnh thấp, tường đỉnh thấp được thay thế bằng mái dốc có độ dốc 1:1.0; - 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 thấp gây ra v; o - Khi tường đỉnh thấp là tường thẳng đứng ( w = 90 ) thì v = 0.65, khi mặt tường phía o o biển nghiêng ( w = 45 -90 ) thì v = 1.35-0.0078. w, khi sóng không vỡ v = 1.0 (không có ảnh hưởng của tường). Hình 1.16 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh thấp [9] Ở TAW (2002) và sau này EurOtop (2007) khi có tường đỉnh thấp thì sự chiết giảm sóng tràn thể hiện qua hệ số chiết giảm v được xác định như sau [50][19]. Khi sóng vỡ (0m cr 2.0): 푞 0.067 푅 1 1 = .  . 휉0 . exp(−4.75. . . ) (1-1) 3 √푡 푛훼 0 휉0   훽푣 √ . 0 Khi sóng không vỡ (0m > cr 2.0): 푞 푅 1 1 = 0.20. exp(−2.6. . . ) (1-2) 3 0 휉0  훽 √ . 0 19
  31. Trong đó: q là lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê trong trường hợp có tường đỉnh thấp; Hm0 là chiều cao sóng tại chân đê, 0m là 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 quy đổi, v là hệ số chiết giảm sóng tràn. Như vậy, ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình theo phương pháp TAW (2002) là không rõ ràng thể hiện qua: ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình theo phương pháp của TAW (2002) là ẩn; 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 v; hệ số chiết giảm của tường đỉnh v mới chỉ xét đến ảnh hưởng của góc nghiêng mặt tường phía biển, chưa kể đến tính chất tương tác sóng – tường và dòng chảy sóng tràn cũng như kích thước hình học tường. Ở Việt Nam Khái quát chung Việt Nam có hệ thống đê biển kéo dài từ Bắc vào Nam, đây là công trình đặc biệt quan trọng của quốc gia nhằm bảo vệ tính mạng và tài sản của nhân dân dọc theo bờ biển. Vì vậy việc nâng cao năng lực, kỹ thuật, công nghệ thiết kế thi công đê biển nói chung và tính toán sóng tràn qua đê biển nói riêng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Lưu lượng sóng tràn trung bình cho phép qua đê là một yếu tố quyết định đến quy mô, kích thước cũng như giá thành và mức độ bảo đảm an toàn của công trình. Tuy nhiên, đến nay nghiên cứu sóng tràn qua đê biển trong nước hiện còn hạn chế, các nghiên cứu gần đây nhất cũng chưa đầy đủ về sóng tràn qua đê biển Việt Nam. Vì vậy, trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả chỉ đề cập đến hai công trình nghiên cứu tiêu biểu về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp ở Việt Nam của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009) và Thiều Quang Tuấn (2013) cũng không làm mất đi tính tổng quát của vấn đề nghiên cứu. Nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009)[56] Nhằm khắc phục phần nào các hạn chế trong TAW (2002) như đã nêu ở trên, Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009) đã tiến hành các thí nghiệm mô hình vật lý sóng tràn 20
  32. trong máng sóng Hà Lan tại trường Đại học Thủy lợi để kiểm nghiệm và bổ sung hoàn thiện tính toán sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp. Các thí nghiệm được tiến hành với các điều kiện biên thiết kế phổ biến nhất của nước ta về mặt thủy động lực (sóng và mực nước), hình học kết cấu (chiều cao đê, mái đê, tường đỉnh thấp trên đê) và bãi trước đê. Việc xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn qua đê chỉ giới hạn ở dạng tường đỉnh thấp có vách dốc đứng ở phía biển, tường nằm sát mép đỉnh đê phía biển, không có thềm trước (Hình 1.17). Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56] Trong đó: W chiều cao tường đỉnh, Rc độ lưu cao không, S bề rộng thềm trước tường đỉnh (trong nghiên cứu này S=0), tan độ dốc mái đê; Hm0, Tm-1,0 điều kiện sóng tại chân đê. Dựa vào kết quả thí nghiệm và phân tích số liệu khoa học, Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009) đã sơ bộ đề xuất một cách tiếp cận mới trong việc xem xét ảnh hưởng chiết giảm lưu lượng sóng tràn qua đê khi có sự hiện diện của tường đỉnh thấp trên đê. Hình 1.18 Thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trong nghiên cứu [56] 21
  33. Qua phân tích các số liệu thực nghiệm thấy rằng v giảm (khả năng chiết giảm sóng tràn tăng) khi tỷ số W/(W+Rc) tăng. Nhiều dạng phối hợp khác nhau giữa các tham số đã được thử nghiệm để tìm ra được một tương quan tốt nhất với v. Các liên hệ sau đã được tìm thấy, cho sự phù hợp tốt nhất giữa các số liệu thực nghiệm: W vm cc1 2 0 khi sóng vỡ 0m 2.0 (1-3) WR c W  v cc12 khi sóng không vỡ 0m > 2.0 (1-4) WR c Trong đó: các hệ số không thứ nguyên c1 và c2 được xác định thông qua các phân tích hồi quy tuyến tính từ các số liệu thực nghiệm cho từng trường hợp sóng vỡ và không vỡ (Hình 1.19, Hình 1.20) Hình 1.19 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng vỡ [56] Hình 1.20 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng không vỡ [56] 22
  34. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: phương pháp tính toán của TAW (2002) nhìn chung đánh giá thấp ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê đến sóng tràn (thông qua hệ số chiết giảm sóng tràn v do tường đỉnh). Độ dốc mái quy đổi khi có tường theo phương pháp này làm gia tăng đáng kể chỉ số Irribarren và như vậy tạo ra điều kiện sóng không vỡ giả trong tính toán sóng tràn. Ngoài ra, theo TAW (2002) tường đỉnh không có ảnh hưởng đến lưu lượng sóng tràn trong trường hợp sóng không vỡ, tuy nhiên các số liệu thực nghiệm của nghiên cứu hiện tại cho thấy điều ngược lại. Phương pháp mới kể đến ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê của nghiên cứu hiện tại đã đi sâu hơn về bản chất vật lý của tương tác giữa sóng và tường đỉnh thấp. Khả năng chiết giảm sóng tràn của tường đỉnh thấp đã được xét đến với ảnh hưởng không những từ các yếu tố sóng mà còn từ điều kiện hình học đê (chiều cao tường, độ lưu không). Phương pháp mới đã tỏ ra có độ tin cậy cao hơn, có thể dễ dàng kết hợp với phương pháp của TAW (2002) trong việc tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê có tường đỉnh thấp. Tóm lại, các nghiên cứu ban đầu của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009) đã đưa ra một cách tiếp cận mới trong việc xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê đến sóng tràn. Tuy nhiên trong nghiên cứu này chưa xem xét ảnh hưởng của thềm trước tường (S = 0). Nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013)[58]. Tiếp tục khắc phục phần nào các tồn tại nghiên cứu Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009), Thiều Quang Tuấn (2013) tiếp tục thực hiện các thí nghiệm sóng ngẫu nhiên với mục tiêu: đánh giá hệ số giá ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh v đối với lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển tường đỉnh thấp có thềm trước tường. Bảng 1.2 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng ngẫu nhiên Mái Số Các thông số sóng dốc đê lượng Độ cao lưu Chiều cao tường Chiều rộng phía thí H (m) T(s) không Rc (m) đỉnh W(cm) thềm S (cm) biển nghiệm 1/4 135 0.10 – 0.20 1.5 – 2.8 0.15 - 0.20 0; 4; 6 và 9 0; 5;10 1/3 90 0.10 – 0.20 1.5 – 2.8 0.15 - 0.20 0; 4; 6 và 9 0; 5;10;30 23
  35. Hình 1.21 Sơ đồ thí nghiệm sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp [58] Hình 1.22 Các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn [58] Tổng cộng có 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 một cách thuận lợi nhất. Bằng số liệu thí nghiệm khá phóng phú và phân tích một cách khoa học, nghiên cứu cho kết quả đáng tin cậy như: hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường v là tích của các hệ số ảnh hưởng thành phần do chiều cao tường w và hệ số ảnh hưởng do chiều rộng thềm trước tường s đem lại. 1 푊 1 = 1 + 1,6. . (1-5) 훾푤 푅 휉0 1 1 푆 1 = 1+. . . (1-6) 훾푠 8 0 휉0 1 1 1 푊 1 1 푆 1 = . = (1 + 1,6. . ) . (1 + . . ) (1-7) 훾푣 훾푤 훾푠 푅 휉0 8 0 휉0 24
  36. Hình 1.23 Hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường w [58] Hình 1.24 Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng thềm trước tường s [58] Tương tự như kết quả của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009), Thiều Quang Tuấn (2013) cho thấy TAW(2002) chưa mô tả xác đáng ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn qua đê biển. Tường đỉnh thấp không những ảnh hưởng sóng tràn trong trường hợp sóng vỡ mà ngay cả khi sóng không vỡ. Việc sử dụng độ dốc mái đê quy đổi có tường tỏ ra không phù hợp, tạo ra hiện tượng sóng vỡ giả, làm giảm độ tin cậy của TAW(2002). Các thí nghiệm về ảnh hưởng của tường đỉnh thấp cho thấy mức độ chi phối của tường là không giống nhau giữa sóng vỡ, sóng không vỡ và thay đổi một cách đáng kể cấu tạo hình học của đê và tường đỉnh thấp. Điều này đã gợi mở ra việc đề xuất một hệ số ảnh 25
  37. hưởng tổng hợp mới của tường, không phải là hằng số mà là một hàm phụ thuộc vào cấu tạo hình học của tường và tính chất sóng tràn. Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường là tích của các hệ số ảnh hưởng thành phần do chiều cao tường, bề rộng thềm trước tường đem lại và có thể sử dụng chung cho cả sóng vỡ lẫn 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 thấp đặc thù ở nước ta. Kết luận chương 1 Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển trên thế giới đã có từ lâu, các nghiên cứu này bước đầu đã đạt được thành công nhất định từ nghiên cứu cơ bản cho đến công nghệ xây dựng. Nhưng đây vẫn là đề tài hấp dẫn của các nhà khoa học đặc biệt trong trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng như hiện nay. Nghiên cứu tính toán tải trọng sóng tràn là một phần không thể tách rời trong công tác thiết kế đê biển, đặc biệt là trong điều kiện bão và triều cường ngày càng khốc liệt luôn đe dọa hệ thống đê biển ở Việt Nam. Chính vì lý do này, mà các nghiên cứu về sóng tràn qua đê bằng mô hình vật lý và mô hình toán tiếp tục nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trong nước và thế giới. Ở Việt Nam, do điều kiện kinh tế hạn hẹp nên đê biển thường có cao trình đỉnh thấp vì vậy sóng tràn qua đê khá lớn trong bão. Thực tế thiên tai bão lũ trong những năm vừa qua cho thấy sóng tràn gây xói mái trong, mặt đê là nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng và vỡ đê ở nước ta. Qua phân tích các số liệu về đê biển có tường đỉnh thấp ở Việt Nam tác giả thấy rằng: tường đỉnh thấp trên đê được sử dụng khá rộng rãi đặc biệt là ở những nơi không còn quỹ đất để tôn cao, mở rộng đê hoặc do điều kiện kinh tế không cho phép. Các nghiên cứu về sóng tràn qua loại đê này trong nước cũng như trên thế giới chưa thật đầy đủ. Trên thế giới, cơ sở dữ liệu dùng cho tính toán sóng tràn theo phương pháp trí tuệ nhân tạo cũng không tồn tại số liệu thí nghiệm cho đê biển có tường đỉnh thấp [60]. Hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ nghiên cứu sóng tràn qua đê biển không có tường đỉnh hoặc sóng tràn qua đê chắn sóng tường khối lớn. 26
  38. Hiện nay, một phương pháp tính toán khá phổ biến ở Việt Nam là TAW (2002) của Hà Lan và sau này đã đưa vào EurOtop (2007). Dựa trên một số ít các thí nghiệm, TAW (2002) chỉ xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn cho trường hợp sóng vỡ và được mô tả thông qua hệ số chiết giảm do tường kết hợp với biến đổi độ dốc mái đê với tường thành một hệ số mái tương đương [58]. Ở nghiên cứu ban đầu Thiều Quang Tuấn và các cộng sự (2009) đã chỉ ra rằng TAW (2002) không phản ánh đúng bản chất tương tác giữa sóng - tường và dẫn đến cho kết quả có độ tin cậy không cao. Tiếp theo, nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013) đã đánh giá được ảnh hưởng của tường đỉnh và thềm trước tường đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển. Tuy nhiên, Thiều Quang Tuấn (2013) chưa xem xét đến tính chất tương tác sóng – tường và sự thay đổi của dòng chảy sóng tràn qua đê khi có sự hiện diện của tường đỉnh. Ngoài ra, ảnh hưởng chiết giảm của tường đối với sóng đều cũng chưa được đề cập trong nghiên cứu. Tiếp tục phát triển nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013) luận án đã tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý nhằm xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh trong trường hợp sóng đều và đặc biệt là chi tiết về tương tác sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn qua đê khi có tường đỉnh thấp. Bên cạnh đó, luận án đã áp dụng mô hình toán từ mô hình đơn giản như mô hình phi tuyến nước nông (NLSW) đến mô hình phức tạp hơn như mô hình (RANS-VOF) để xem xét một cách chi tiết ảnh hưởng của tường dưới góc nhìn tương tác sóng - tường và chế độ dòng chảy sóng tràn qua tường. Những kết quả nghiên cứu luận án sẽ làm sáng tỏ tính chất sóng tràn qua đê khi có tường đỉnh thấp, góp phần nâng cao chất lượng thiết kế đê biển có tường đỉnh ở nước ta. 27
  39. CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN Mục đích nghiên cứu Như đã phân tích ở phần tổng quan, các nghiên cứu hiện tại về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp chưa thật đầy đủ. Nghiên cứu gần đây nhất của Thiều Quang Tuấn (2013) đã đánh giá được ảnh hưởng của tường đỉnh và thềm trước tường đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển. Tuy nhiên, Thiều Quang Tuấn (2013) chưa xem xét đến tính chất tương tác sóng – tường và sự thay đổi của dòng chảy sóng tràn qua đê khi có sự hiện diện của tường đỉnh. Ngoài ra, ảnh hưởng chiết giảm của tường đối với sóng đều cũng chưa được đề cập trong nghiên cứu. Trong nghiên cứu này tác giả đã tiến hành trên mô hình vật lý cho sóng đều với mục đích: xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tương tác giữa sóng – tường và dòng chảy sóng tràn. Cơ sở lý thuyết về tương tự Cơ sở lý thuyết mô hình được xác lập trên cơ sở lý thuyết tương tự, chỉ khi nào các điều kiện tương tự mà lý thuyết tương tự quy định thỏa mãn thì mô hình (M) và nguyên hình (N) tương tự mới có thể căn cứ vào kết quả từ mô hình mà suy đoán kết quả tương ứng ở nguyên hình. Để mô hình tương tự với nguyên hình một cách hoàn toàn thì cần phải đầy đủ 3 đặc trưng tương tự: hình học, động học và động lực học [5]. Tương tự về hình học Tương tự hình học giữa mô hình (M) và nguyên hình (N) là tương tự về hình dạng hình học, do đó bất kỳ độ dài tuyến tính tương ứng nào nguyên hình và mô hình phải có cùng một tỷ lệ. 푙 1 푙 2 푙 푛 = = ⋯ = 휆푙 (2-1) 푙 1 푙 2 푙 푛 Trong đó: - lN1, lN2 lNn là độ dài tuyến tính của nguyên hình; - lM1, lM2 lMn là độ dài tuyến tính tương ứng của mô hình; - 휆푙 là hộ số tỷ lệ độ dài hay còn gọi là tỷ xích độ dài, tỷ xích hình học. 28
  40. Tương tự về động học Tương tự động học là tương tự trạng thái chuyển động giữ mô hình và nguyên hình. Vận tốc, gia tốc tại điểm bất kỳ tương ứng nào giữa mô hình và nguyên hình bắt buộc phải song song với nhau và có cùng một hệ số tỷ lệ. 푈 1 푈 2 푈 푛 = = ⋯ = 휆 (2-2) 푈 1 푈 2 푈 푛 1 2 푛 = = ⋯ = 휆 (2-3) 1 2 푛 Trong đó: - U và a là vận tốc và gia tốc; - λu, λa là hằng số tỷ lệ của vận tốc và gia tốc. Tương tự về động lực học. Tương tự về động lực học là tương tự về lực tác dụng giữa mô hình và nguyên hình. Lực tác dụng tại điểm bất kỳ tương ứng nào giữa mô hình và nguyên hình bắt buộc phải song song với nhau và có cùng một hệ số tỷ lệ. 1 2 푛 = = ⋯ = 휆 (2-4) 1 2 푛 Trong đó: - f là lực tác dụng; - λf là hằng số tương tự về lực. Để có được tương tự cơ bản về các yếu tố sóng, mô hình cần làm chính thái, luật tỷ lệ mô hình cần tuân theo tiêu chuẩn Froude. Trong các thí thí nghiệm sóng ngắn với mô hình chính thái tiêu chuẩn Froude tự động được thỏa mãn. Mô tả thí nghiệm sóng đều Máng sóng Các thí nghiệm mô hình vật lý sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp được tác giả triển khai ở phòng thí nghiệm Thủy lực, Trường Đại học Thủy lợi. Máng sóng sử dụng cho thí nghiệm là máng sóng Hà Lan do Viện Thủy Lực DELFT, Hà Lan xây dựng và 29
  41. chuyển giao trong khuôn khổ dự án nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật Biển cho Trường Đại học Thủy lợi. Đây là một trong những máng sóng hiện đại bậc nhất ở Việt Nam và ở khu vực Đông Nam Á. Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm Máng sóng có tổng chiều dài 45m, chiều dài hiệu quả 42m, chiều cao 1.2m, chiều rộng 1.0m. Máy tạo sóng được trang bị hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động (ARC: Active Reflection Compensation). Hình 2.2 Máy tạo sóng Máy tạo sóng có thể tạo sóng đều, hoặc sóng ngẫu nhiên theo một số dạng phổ phổ biến (ví dụ như JONSWAP). Chiều cao sóng ngẫu nhiên tối đa có thể tạo ra trong máng là 0.3m và chu kỳ 3.0s. 30
  42. Hình 2.3 Máng sóng Hình 2.4 Khu vực điều khiển máy tạo sóng Mô hình đê và các tham số thí nghiệm Với phạm vi nghiên cứu của luận án là đê biển Bắc bộ, theo báo hiện trạng của đê biển Bắc bộ [1]. Tác giả thấy đặc điểm kết cấu và hình học phổ biến như: cao trình đỉnh đê (kể cả khi có tường đỉnh thấp) phổ biến từ 4.0m đến 5.5m, độ cao lưu không của đỉnh đê phía trên mực nước thiết kế (MNTK) tính đến cao trình đỉnh tường phổ biến nằm trong khoảng từ 1.5m đến 2.5m, tường đỉnh thấp trên đê có chiều cao phổ biến từ 0.4m đến 1.0m, độ dốc mái đê phía biển phổ biến trong khoảng 1/3 đến 1/4. Trên cơ sở đặc điểm hình học và kết cấu của đê biển Bắc bộ, tác giả đã chọn mô hình đê và các tham số thí nghiệm có tỷ lệ mô hình 1/10. Lưu lượng sóng tràn qua đê mái nhám thường bị đánh giá thấp trong mô hình tỷ lệ nhỏ do các ảnh hưởng của độ nhớt C không thỏa mãn tiêu chuẩn Reynolds. Do vậy, để hạn chế các ảnh hưởng khác có thể gây ra do mô hình tỷ lệ nhỏ, tác giả đã chọn thí nghiệm 31
  43. với đê mái nhẵn, không thấm nước. Điều này không làm ảnh hưởng đến các mục đích chính của nghiên cứu. Đê trong máng sóng có chiều cao 70cm, mái đê phía biển có độ dốc 1/3. Tường đỉnh thấp trên đê có các chiều cao lần lượt là 4cm, 6cm và 9cm được làm bởi các khối rời nhau sao cho khi kết hợp lại với nhau thì chiều cao tường đỉnh thấp (W) và chiều rộng thềm trước (S) được thỏa mãn theo yêu cầu của kịch bản thí nghiệm. Tường đỉnh thấp có thể dịch chuyển ra, vào để tạo ra bề rộng thềm trước trong thí nghiệm lần lượt là S = 0cm, 10cm và 20cm. Chiều dài bãi trước đê 24.5m và có độ dốc i =1/100 (Hình 2.5). Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm sóng đều Chương trình thí nghiệm Bốn đầu đo sóng được sử dụng để xác định chế độ sóng tại các vị trí chân đê và trước bãi. Tín hiệu từ các đầu đo sóng được truyền trực tiếp đến và lưu trữ trong máy tính chuyên dụng. Sóng tới tạo ra bởi máy tạo sóng dùng trong thí nghiệm có chiều cao (H) lần lượt là: 0.16m, 0.17m, và 0.24m. Chu kỳ đỉnh phổ (T) lần lượt là: 1.5s, 2.0s và 2.5s. Độ sâu nước máng d = 0.60m được chọn cho thí nghiệm. Các thí nghiệm sóng đều được thực hiện với trường hợp độ dốc bãi biển là 1/100 và độ dốc mái đê phía biển là 1/3. Để xác định sóng tới, một hệ thống 3 đầu đo sóng được đặt ở trước đê. Một đầu đo sóng khác được đặt tại vị trí cách chân đê 24.5m gần nhất với máy tạo sóng để đo sóng tại biên phía biển [62]. Trong thí nghiệm này, một camera có độ phân giải cao được đặt vuông góc với tường kính của máng sóng để thu các ảnh với tốc độ 50 ảnh/s để xem xét tương tác giữa sóng 32
  44. - tường và dòng chảy sóng tràn, sử dụng cho việc kiểm chứng với mô hình RANS. Thời gian thí nghiệm là 10 con sóng đối với sóng đều trước khi sóng đều bị ảnh hưởng bởi các sóng phản xạ. Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều Mái Số Các thông số sóng Độ cao lưu Chiều cao Chiều rộng dốc đê lượng không tường đỉnh thềm phía thí H (m) T(s) Rc (m) W(cm) biển nghiệm S (cm) 1/3 40 0.16 – 0.24 1.5 – 2.5 0.10 0; 4; 6 và 9 0; 10; 20 Tổng số 40 thí nghiệm cho 10 mô hình. Các mặt tiếp xúc giữa đê và máng sóng được xử lý bằng vật liệu chống thấm đảm bảo không cho nước thẩm thấu qua đê vào trong bể thu nước tràn (Hình 2.6). Hình 2.6 Xử lý chống thấm qua đê trong thí nghiệm 33
  45. Hình 2.7 Máy tính, thiết bị nhận và lưu trữ tín hiệu Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc Công tác chuẩn bị Công tác chuẩn bị là công việc đầu tiên cho quá trình thí nghiệm, việc chuẩn bị phải được tiến hành đầy đủ, đúng yêu cầu kỹ thuật như: thu dọn vệ sinh máng sóng, bảo dưỡng các máy móc cần thiết trong quá trình thí nghiệm (máy tạo sóng, đầu cảm biến đo tín hiệu sóng, máy thu tín hiệu sóng, máy tính điều khiển máy tạo sóng, .), chuẩn bị các thiết bị thu hình ảnh (camera, máy ảnh), chuẩn bị các nguyên vật liệu xây dựng mô hình vật lý đê (đê xây dựng bằng vật liệu gỗ). Trình tự thí nghiệm: Sau khi công tác chuẩn bị được hoàn tất, tác giả đi xây dựng trình tự thí nghiệm đảm bảo tính khoa học như: bơm nước và đo mực nước trong máng sóng, xác định vị trí và khoảng cách giữa các đầu đo sóng, chuẩn bị các thiết bị phụ trợ, hiệu chỉnh các đầu đo sóng, xác định hệ số chuyển đổi cho từng ngày đo (phụ thuộc vào tính chất của nước có thể thay đổi từng ngày theo nhiệt độ, thành phần tạp chất, ), khởi động máy tạo sóng theo chương trình điều khiển đã được lập trình trước, đo và lưu trữ tín hiệu từ các đầu đo sóng khi sóng trong máng đã đạt tới điều kiện ổn định (khoảng 5 phút sau khi máy 34
  46. tạo sóng hoạt động), theo dõi và bơm nước từ bể thu nước tràn ra các dụng cụ đo thể tích, dừng máy tạo sóng sau khi đã đạt thời gian thử nghiệm cần thiết, đo mực nước trong máng sóng sau thử nghiệm, xác định tổng lượng nước tràn qua đê và thời gian của thử nghiệm, kiểm tra sơ bộ tính hợp lý của các số liệu và lưu trữ số liệu, vào sổ nhật ký thí nghiệm. Hình 2.8 Kiểm tra các đầu đo sóng tại chân đê Thời gian thí nghiệm và các tham số đo đạc Thời gian chuẩn bị từ tháng 6 năm 2012 đến tháng 8 năm 2012, thời gian tiến hành thí nghiệm chính thức từ tháng 8 năm 2012 đến tháng 9 năm 2012. Các tham số đo đạc bao gồm: chiều cao sóng H, chu kỳ sóng T, lưu lượng sóng tràn trung bình q (Hình 2.9) , chiều cao sóng bắn Hb (Hình 2.10), chiều dày lớp nước trên đỉnh tường Ht (Hình 2.11), độ lưu không Rc; 35
  47. Hình 2.9 Mô hình xác định lưu lượng sóng tràn Hình 2.10 Mô hình xác định chiều cao sóng bắn Hình 2.11 Mô hình xác định chiều sâu dòng chảy tràn 36
  48. Phân tích kết quả thí nghiệm Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình Xác định hệ số v thực đo (cột 12, 13 -Bảng 2.2). Khi có tường đỉnh thấp thì sự chiết giảm sóng tràn thể hiện qua hệ số v được xác định như sau: Đối với sóng vỡ ( ξ ≤ ξcr ≈ 2.0) 푞 0,067 푅 1 1 = . 휉. exp(−4,75. . . ) (2-5) √ . √푡 푛훼 휉 푣 3 푅 1 √ . 0,067 훾푣 = 4,75. . /푙푛 [ . . 휉 ] (2-6) 휉 푞 √푡 푛훼 Đối với sóng không vỡ (ξ > ξcr ≈ 2,0) 푞 푅 1 3 = 0,20. exp(−2,6. . ) (2-7) √ . 푣 푅 √ . 3 훾 = 2,6. /푙푛 [0,20. ] (2-8) 푣 푞 Trong đó: H là chiều cao sóng đều (m); Rc là độ cao lưu không tính từ mực nước thí nghiệm đến đỉnh đê (Rc = 0.1m); g là gia tốc trọng trường; ξ là chỉ số Iribarren được tính toán từ chu kỳ đỉnh T. Từ kết quả thí nghiệm, tác giả xác định được lưu lượng sóng tràn trung bình (cột 8, Bảng 2.2), tính toán ξ, đối với sóng vỡ v thực đo tính theo (2-6), đối với sóng không vỡ v thực đo tính theo (2-8). Xác định v tính toán (cột 14, 15 -Bảng 2.2) . Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh là tích của các hệ số ảnh hưởng thành phần do chiều cao tường và chiều rộng thềm trước đem lại. Đối với sóng đều hệ số ảnh hưởng của tường được xác định như sau: 1 푊 1 = 1 + 1. . (2-9) 훾푤 푅 휉 1 푆 1 = 1 + 2. . (2-10) 훾푠 휉 37
  49. 1 1 1 푊 1 푆 1 = . = (1 + 1. . ) . (1 + 2. . ) (2-11) 훾푣 훾푤 훾푠 푅 휉 휉 Để xác định c1, c2 cho sóng đều, tác giả đi xác định giá trị v thực đo và v tính toán, sau đó xây dựng đường hồi quy của hai giá trị: v thực đo và v tính toán cho cả sóng vỡ và sóng không vỡ, thử dần các giá trị c1, c2 sao cho đường hồi quy phù hợp nhất với đường phân giác y = x. Bằng phương pháp thử dần (Bảng 2.2, Hình 2.12) tác giả đã xác định được c1 = 1.26 và c2 = 1.44 và công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho sóng đều là: 1 푊 1 푆 1 = (1 + 1,26. . ) . (1 + 1,44. . ) (2-12) 훾푣 푅 휉 휉 1.00 0.90 y = 1.0029x + 0.0006 R² = 0.603 0.80 0.70 thực thực đo v  0.60 Sóng vỡ 0.50 Sóng không vỡ 0.40 0.30 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 v tính toán Hình 2.12 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp v (đo đạc - tính toán) 38
  50. Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường γν γν γν γν (tđ) (tt) W S H T q tan (tđ) (tt) Thí nghiệm V(l) t (s) ξ Sóng Sóng sóng (cm) (cm) (m) (s) (l/s/m) αeq Sóng Sóng không không vỡ vỡ vỡ vỡ (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) REW4S0_1 4 0 0.2 2.0 500 55.5 9.01 0.36 2.17 Sóng không vỡ 0.97 0.79 REW4S0_2 4 0 0.2 1.5 130 57 2.28 0.36 1.68 Sóng vỡ 0.63 0.77 REW4S0_3 4 0 0.2 2.0 890 55.5 16.04 0.35 1.84 Sóng vỡ 0.75 0.78 REW4S0_4 4 0 0.2 2.5 1240 57 21.75 0.35 2.24 Sóng không vỡ 0.89 0.80 REW4S10_1 4 10 0.2 2.0 430 55.5 7.75 0.36 2.17 Sóng không vỡ 0.88 0.68 REW4S10_2 4 10 0.2 1.5 65 57 1.14 0.36 1.68 Sóng vỡ 0.51 0.50 REW4S10_3 4 10 0.2 2.0 83 55.5 1.50 0.35 1.80 Sóng vỡ 0.28 0.59 REW4S10_4 4 10 0.2 2.5 1130 57 19.82 0.35 2.24 Sóng không vỡ 0.83 0.72 REW4S20_1 4 20 0.2 2.0 340 55.5 6.13 0.36 2.17 Sóng không vỡ 0.78 0.60 REW4S20_2 4 20 0.2 1.5 40 57 0.70 0.36 1.68 Sóng vỡ 0.44 0.37 REW4S20_3 4 20 0.2 2.0 760 55.5 13.69 0.35 1.80 Sóng vỡ 0.65 0.47 REW4S20_4 4 20 0.2 2.5 1050 57 18.42 0.35 2.24 Sóng không vỡ 0.78 0.65 REW6S0_1 6 0 0.2 2.0 240 55.5 4.32 0.37 2.23 Sóng không vỡ 0.66 0.73 REW6S0_2 6 0 0.2 1.5 90 57 1.58 0.37 1.73 Sóng vỡ 0.54 0.70 REW6S0_3 6 0 0.2 2.0 680 55.5 12.25 0.36 1.84 Sóng vỡ 0.59 0.71 REW6S0_4 6 0 0.2 2.5 970 57 17.02 0.36 2.30 Sóng không vỡ 0.74 0.75 REW6S10_1 6 10 0.2 2.0 220 55.5 3.96 0.37 2.23 Sóng không vỡ 0.64 0.63 REW6S10_2 6 10 0.2 1.5 65 57 1.14 0.37 1.73 Sóng vỡ 0.49 0.46 REW6S10_3 6 10 0.2 2.0 620 55.5 11.17 0.36 1.84 Sóng vỡ 0.56 0.53 REW6S10_4 6 10 0.2 2.5 890 57 15.61 0.36 2.30 Sóng không vỡ 0.70 0.60 REW6S20_1 6 20 0.2 2.0 180 55.5 3.24 0.37 2.23 Sóng không vỡ 0.59 0.55 REW6S20_2 6 20 0.2 1.5 11 57 0.19 0.37 1.73 Sóng vỡ 0.32 0.34 REW6S20_3 6 20 0.2 2.0 530 55.5 9.55 0.36 1.84 Sóng vỡ 0.52 0.43 REW6S20_4 6 20 0.2 2.5 770 57 13.51 0.36 2.30 Sóng không vỡ 0.64 0.49 REW9S0_1 9 0 0.2 2.0 140 55.5 2.52 0.39 2.33 Sóng không vỡ 0.54 0.67 REW9S0_2 9 0 0.2 1.5 75 57 1.32 0.39 1.81 Sóng vỡ 0.48 0.62 REW9S0_3 9 0 0.2 2.0 570 55.5 10.27 0.37 1.91 Sóng vỡ 0.52 0.63 REW9S0_4 9 0 0.2 2.5 820 57 14.39 0.37 2.38 Sóng không vỡ 0.66 0.68 REW9S10_1 9 10 0.2 2.0 150 55.5 2.70 0.39 2.33 Sóng không vỡ 0.55 0.49 REW9S10_2 9 10 0.2 1.5 12 57 0.21 0.39 1.81 Sóng vỡ 0.31 0.41 REW9S10_3 9 10 0.2 2.0 430 55.5 7.75 0.37 1.91 Sóng vỡ 0.45 0.48 REW9S10_4 9 10 0.2 2.5 770 57 13.51 0.37 2.38 Sóng không vỡ 0.64 0.54 REW9S20_1 9 20 0.2 2.0 100 55.5 1.80 0.39 2.33 Sóng không vỡ 0.48 0.39 REW9S20_2 9 20 0.2 1.5 2 57 0.04 0.39 1.81 Sóng vỡ 0.23 0.31 REW9S20_3 9 20 0.2 2.0 350 55.5 6.31 0.37 1.91 Sóng vỡ 0.41 0.39 REW9S20_4 9 20 0.2 2.5 580 57 10.18 0.37 2.38 Sóng không vỡ 0.55 0.45 39
  51. Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy trong quá trình thí nghiệm được ghi lại bằng một camera có độ phân giải cao đặt vuông góc với máng sóng. Chiều cao sóng bắn được xác định qua phân tích ảnh bằng Matlab kết quả chiều cao sóng bắn (Bảng 2.3). Tiếp theo tác giả đã đi phân tích số liệu để tìm các quan hệ giữa chiều cao sóng bắn với các yếu tố hình học tường (W,S) và các yếu tố sóng. Bằng việc phân tích tường minh, khoa học các số liệu thí nghiệm, tác giả đã xây dựng được đường cong quan hệ giữa với 푆. -30.9x 2 , phương trình đường cong có dạng y = 1.544e với độ hồi quy R = 0.624 từ .푊. 2 biểu đồ này ta có thể sơ bộ xác định được chiều cao sóng bắn từ yếu tố sóng, tường. Một điều khá thú vị ở Hình 2.13 tác giả thấy rằng với cùng một điều kiện sóng và chiều cao tường, chiều cao sóng bắn sẽ giảm khi chiều rộng thềm trước tăng. Cũng tương tự với dạng hình học và các thông số sóng quan tâm ở đây, chiều cao tường lớn hơn sẽ cho kết quả chiều cao sóng bắn cao hơn. 2.50 2.00 -30.9x 1.50 y = 1.544e R² = 0.624 /H b H 1.00 0.50 0.00 0.00 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 2 S.H/g.W.T 2 Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (Hb/H) với (S.H/g.W.T ) 40
  52. Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm xác định chiều cao sóng bắn 2 Thí nghiệm W(m) S(m) H(m) T(s) Hb(m) Hb/H S.H/g.W.T (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) REW4S0_1 4 0 0,17 2,0 29,9 1,76 0,00 REW4S0_2 4 0 0,16 1,5 19,7 1,23 0,00 REW4S0_3 4 0 0,24 2,0 30 1,25 0,00 REW4S0_4 4 0 0,24 2,5 29,3 1,22 0,00 REW4S10_1 4 10 0,17 2,0 22,2 1,31 0,01 REW4S10_2 4 10 0,16 1,5 14,3 0,89 0,02 REW4S10_3 4 10 0,24 2,0 13,9 0,58 0,02 REW4S10_4 4 10 0,24 2,5 17,9 0,75 0,01 REW4S20_1 4 20 0,17 2,0 15,4 0,91 0,02 REW4S20_2 4 20 0,16 1,5 9,2 0,58 0,04 REW4S20_3 4 20 0,24 2,0 16,9 0,70 0,03 REW4S20_4 4 20 0,24 2,5 14,8 0,62 0,02 REW6S0_1 6 0 0,17 2,0 27 1,59 0,00 REW6S0_2 6 0 0,16 1,5 29,4 1,84 0,00 REW6S0_3 6 0 0,24 2,0 37,8 1,58 0,00 REW6S0_4 6 0 0,24 2,5 30,6 1,28 0,00 REW6S10_1 6 10 0,17 2,0 23,1 1,36 0,01 REW6S10_2 6 10 0,16 1,5 16,8 1,05 0,01 REW6S10_3 6 10 0,24 2,0 25,1 1,05 0,01 REW6S10_4 6 10 0,24 2,5 28 1,17 0,01 REW6S20_1 6 20 0,17 2,0 21,2 1,25 0,01 REW6S20_2 6 20 0,16 1,5 11,6 0,73 0,02 REW6S20_3 6 20 0,24 2,0 22,8 0,95 0,02 REW6S20_4 6 20 0,24 2,5 22,8 0,95 0,01 REW9S0_1 9 0 0,17 2,0 38 2,24 0,00 REW9S0_2 9 0 0,16 1,5 29,6 1,85 0,00 REW9S0_3 9 0 0,24 2,0 40,2 1,68 0,00 REW9S0_4 9 0 0,24 2,5 42,5 1,77 0,00 REW9S10_1 9 10 0,17 2,0 28,5 1,68 0,00 REW9S10_2 9 10 0,16 1,5 15 0,94 0,01 REW9S10_3 9 10 0,24 2,0 32 1,33 0,01 REW9S10_4 9 10 0,24 2,5 34 1,42 0,00 REW9S20_1 9 20 0,17 2,0 22,3 1,31 0,01 REW9S20_2 9 20 0,16 1,5 11 0,69 0,02 REW9S20_3 9 20 0,24 2,0 29,5 1,23 0,01 REW9S20_4 30 1,25 9 20 0,24 2,5 0,01 41
  53. Kết luận chương 2 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp cho sóng đều được xác định ở công thức (2-12) là tích của các hệ số ảnh hưởng thành phần do chiều cao tường và bề rộng thềm trước đem lại và có thể được sử dụng cho cả sóng vỡ lẫn sóng không vỡ. Công thức (2- 12) có thể tích hợp một cách tường minh vào các công thức tính toán lưu lượng trung bình sóng tràn 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 thấp đặc thù ở Bắc bộ. Qua các kết quả thí nghiệm và phân tích số liệu khoa học. Tác giả đã xây dựng được đường cong một cách rõ ràng giữa chiều cao sóng bắn với các yếu tố sóng, tường (Hình 2.13). Từ kết quả này, tác giả thấy rằng: cùng một điều kiện sóng và chiều cao tường thì chiều cao sóng bắn giảm đi đáng kể khi bề rộng thềm trước tăng; cùng điều kiện sóng và thềm trước thì chiều cao sóng bắn tăng khi chiều cao tường tăng. Đây là cơ sở khoa học quan trọng trong việc thiết kế đê biển có tường đỉnh thấp trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam. 42
  54. CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP Đặt vấn đề Các phương trình sóng tràn theo kinh nghiệm hiện có như: TAW(2002) và EurOtop(2007) vẫn chưa thể áp dụng một cách phù hợp cho loại đê có tường đỉnh thấp. Do đó, việc hiểu rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đối với sóng tràn là rất cần thiết trong công tác thiết kế đê biển. Ở các mức độ chi tiết khác nhau, luận án đã sử dụng từ mô hình đơn giản như mô hình toán dựa trên phương trình phi tuyến nước nông NLSW (Non-Linear Shallow Water) đến mô hình phức tạp như mô hình toán dựa trên phương trình RANS–VOF (Reynolds Averaged Navier Stokes – Volume Of Fluid) để mô phỏng dòng chảy sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp. Mô hình toán của sóng tràn qua các kết cấu công trình biển đã thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu và đã đạt được những bước tiến đáng kể trong vài thập kỷ qua. Các mô hình toán dựa trên phương trình RANS và phương trình phi tuyến nước nông được sử dụng phổ biến nhất trong việc tính toán sóng tràn qua đê biển. Việc lựa chọn một mô hình phù hợp giữa các mô hình trên để áp dụng trong nghiên cứu, thiết kế đê biển nên được dựa trên hiệu quả của mô hình đối tùy từng yêu cầu về mức độ chi tiết cần thiết cũng như tùy vào đối tượng tính toán. Các mô hình họ RANS có khả năng áp dụng mô phỏng vấn đề tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn với các dạng kết cấu phức tạp khác nhau như: tường thẳng đứng, tường rỗng, kết cấu thấm nước, không thấm nước Trong vài thập niên gần đây, các nỗ lực đáng kể đã được thực hiện để cải tiến khả năng tính toán của các mô hình RANS [33][32][42][61][37][30]. Khả năng mô phỏng của mô hình này đã đạt được những bước tiến rõ rệt như: có thể ứng dụng mô phỏng tương tác sóng với các dạng công trình có kết cấu hình học phức tạp khác nhau, có thể kể đến các điều kiện tính toán sát với thực tế, từ tương tác sóng với các kết cấu đơn giản không thấm nước đến các tương tác sóng, dòng chảy cho các kết cấu phức tạp khác như: rỗng, thẳng đứng [26][37], từ việc tạo biên sóng nguồn [34][31] đến tạo sóng tương tự như máng 43
  55. sóng vật lý [53][30]. Mô hình COBRAS-UC (máng sóng số) có lẽ là công phu và bao quát nhất trong việc mô phỏng tác giữa sóng với các dạng kết cấu phức tạp. Hạn chế chính của mô hình họ RANS là hiệu quả tính toán rất thấp, thường mất nhiều giờ trên máy tính thông thường để mô phỏng một số giây của dòng chảy trong thời gian thực. Việc phân tích thống kê của sóng tràn với sóng ngẫu nhiên thường yêu cầu mô phỏng số ít nhất 1000 con sóng (thời gian 1000.Tp, Tp là chu kỳ đỉnh phổ) thì thực sự là vấn đề nan giải khi sử dụng họ mô hình RANS. Khi đó các mô hình NLSW thể hiện ưu thế hơn so với các phương trình họ RANS trong việc dự báo lưu lượng sóng tràn trung bình. Các phương trình NLSW đạt được bởi việc tích hợp các phương trình Navier-Stokes đối với chiều sâu dòng chảy với các giả thuyết sau: phân bố vận tốc là đều theo phương thẳng đứng; áp lực dòng chảy là thủy tĩnh và đáy lòng dẫn có độ dốc thoải. Do đó, các mô hình NLSW ít phức tạp hơn và hiệu quả hơn rất nhiều trong tính toán. Tuy nhiên, mô hình NLSW chỉ cung cấp được tham số trung bình độ sâu dòng chảy. Phân bố áp lực thủy tĩnh và mô hình không tính được quá trình phân tán là các mặt hạn chế nội tại của phương trình NLSW trong một số ứng dụng tính toán kỹ thuật. Các nỗ lực đã được thực hiện để giải quyết phần nào các hạn chế mô hình này bằng việc thêm vào một số hạng áp lực phân tán trong phương trình mômen động lượng. Việc thêm vào số hạng này làm cho các mô hình NSLW trở lên ít hiệu quả hơn. SWASH (Simulating WAve still Shore) là một mô hình cụ thể của loại này [64][65]. Mô hình này đã được kiểm chứng bằng một số các dữ liệu từ thí nghiệm mô hình vật lý và có khả năng mô phỏng sự phân tán tần số trong khu vực nước tương đối nông. Nghiên cứu của Suzuki (2011) chỉ ra rằng mô hình này cũng có khả năng dự báo lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển không có tường đỉnh [49]. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, để giảm thiểu ảnh hưởng từ hạn chế của các phương trình NLSW và để tăng tính thực tế cho việc mô phỏng sóng tràn qua đê biển, biên sóng trong của mô hình NLSW nên được đặt ở vị trí trong vùng sóng vỗ và gần nhất với chân đê nếu có thể [41][27]. Nói chung, các mô hình NLSW có khả năng khá tốt trong việc tính toán lưu lượng sóng tràn qua trung bình đê có độ dốc nhỏ và không có tường đỉnh [27][28][18][24][25][48]. 44
  56. Đối với sóng tràn qua các kết cấu có hình dạng phức tạp như mái dốc phía biển rất dốc hoặc mái dốc được chia thành nhiều bậc khác nhau là những kết cấu mà việc áp dụng áp lực thủy tĩnh của dòng chảy trong NLSW bị hạn chế. Khi đó, việc biến đổi hình học tương đương hoặc cải tiến mô hình số là cần thiết để mô hình NLSW có thể áp dụng một cách tương đối hợp lý [24][63][47]. Một điều khá ngạc nhiên rằng, kết quả dự báo mô hình đối với lưu lượng sóng tràn trung bình trong các trường hợp trên vẫn khá tốt và chấp nhận được. Nhìn chung, khả năng dự báo của mô hình NLSW đối với lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê có tường đỉnh, hoặc đê có kết cấu phức tạp cho kết quả có độ tin cậy không cao [29][13]. Điều này có thể giải thích bởi thực tế rằng sự tương tác giữa sóng và kết cấu phức tạp không thể mô phỏng được một cách chính xác bởi các phương trình NLSW do các hạn chế nội tại trong phương trình NLSW như đã đề cập ở trên. Tuấn và Oumeriaci (2010) đã mở rộng các phương trình NLSW để hợp nhất hoàn toàn chiều cao nước dâng do sóng của mực nước trung bình trong vùng sóng vỗ. Mô hình đã được kiểm định dựa trên các số liệu thí nghiệm mô hình vật lý cho thấy mức độ tin cậy khá cao trong việc tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh thấp. Các hạn chế nội tại của mô hình NLSW có thể được giải quyết phần nào bởi mô hình dạng Boussinesq. Tuy nhiên, các vấn đề về tính toán đối với các dạng mô hình này khi sóng truyền trong vùng sóng vỗ, vị trí sóng vỡ, dạng không phân tán Do sóng vỡ không được mô tả một cách tự nhiên bởi phương trình Boussinesq và hệ số đạo hàm bậc cao trong phương trình này không phù hợp tại các vị trí gần với chân đê [13][14]. Phương trình Bousssinesq được cải tiến đáng kể như trong mô hình COULWAVE bởi Lynett và các cộng sự (2000;2002) được áp dụng khá tốt cho khu vực sóng đổ [38][39]. Tuy nhiên, khi đó các mô hình này trở nên rất phức tạp để có thể tính toán hiệu quả cho sóng tràn qua công trình nằm trong đới sóng đổ. Và như vậy, các mô hình NLSW vẫn tỏ ra lợi thế hơn các mô hình Boussinesq với cùng mức độ chính xác trong việc tính toán dự báo lưu lượng sóng tràn trung bình. Một mô hình khác sử dụng phương pháp SPH (Động lực học hạt trơn - Smoothed Particle Hydrodynamics) [21][45][46] cũng cần được lưu tâm. Các mô hình SPH dựa trên phương pháp lưới Lagragian có thể tính toán cho các biến dạng lớn của mặt thoáng 45
  57. với độ chính xác cao. Tuy nhiên, nhược điểm chính của các mô hình loại này là hiệu quả tính toán còn thấp tại thời điểm hiện nay. Vì vậy có thể thấy rằng, với mục đích xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có kết cấu đơn giản thì mô hình NLSW dường như là hấp dẫn nhất. Về chi tiết của sự tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy thì sử dụng mô hình RANS tỏ ra ưu việt hơn. Tóm lại, vì những lý do nêu trên mô hình NLSW của Tuấn và Oumeraci (2010) được sử dụng để kiểm chứng kết quả dự báo lưu lượng sóng tràn trung bình từ mô hình toán so sánh với các dữ liệu thu được từ thí nghiệm mô hình vật lý cho sóng ngẫu nhiên. Sự tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy, hay nói cách khác các đặc trưng của dòng chảy sóng tràn được xem xét một cách chi tiết cho trường hợp sóng đều bằng cả mô hình vật lý và mô hình toán. Mô hình toán được sử dụng ở đây là mô hình máng sóng số [37]. Sau đây, đối với mỗi một mô hình, các phương trình cơ bản sẽ được trình bày một cách ngắn gọn và theo sau là sự so sánh kết quả giữa mô hình toán và dữ liệu từ thí nghiệm mô hình vật lý tương ứng. Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010) Hệ phương trình cơ bản Mô hình dựa trên dạng bảo toàn của các phương trình NLSW được giải theo sơ đồ của Roe kết hợp với phương pháp xác định thông lượng bậc cao TVD (total variation diminishing) như sau [57]: U F(,) x U S(,) x U (3-1) tx Trong đó: các véc-tơ bảo toàn U , F(,) x U và các vec-tơ thành phần S(,) x U được xác định như sau: h Ux() (3-2) uh uh F(,) x U 22 (3-3) u h gh /2 46
  58. 0 S(,) x U (3-4) gh() Sbx S f S r Trong đó: g là gia tốc trọng trường, h là độ sâu dòng chảy, u là vận tốc dòng chảy theo phương ngang, Sbx là mái dốc đáy, Sf là ma sát đáy. Lưu ý Sr là độ dốc do tiêu năng cuộn sóng mặt được thêm vào để kể đến ảnh hưởng của sóng vỡ khi có sự hoạt động mạnh của cuộn bề mặt trong vùng sóng vỗ trên nền dòng chảy trung bình [57]. Mô hình mượn phương pháp giải Roe - dạng Riemann [51][52], kết hợp với phương pháp thể tích hữu hạn (FVM). Để giải số hạng cuộn sóng bề mặt Sr, mô hình được kết hợp với một mô hình suy giảm năng lượng sóng (ENDEC) [11][12]. Phương trình (3-1) - (3-4) được giải theo thời gian để mô tả điều kiện dòng chảy, do đó yêu cầu phải xác định điều kiện biên thủy lực tại cả hai phía của miền tính toán (phía biển và phía đồng của mặt cắt ngang đê). Ở đây, hai chuỗi mực nước theo thời gian, một tại dòng chảy vào khu vực tính toán và một tại dòng chảy ra khỏi khu vực tính toán là đủ. Điều kiện biên được xác định dựa trên phương pháp đặc trưng của Burguete và Garcia-Navarro (2001) [15]. Ngoài ra, để giữ cho dòng chảy tại biên vào không bị ảnh hưởng bởi sóng phản xạ, sự thay đổi bề mặt của bất cứ sóng phản xạ nào cũng cần được kể đến trong mực nước tổng tại biên vào [27][57]. Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên Theo định nghĩa của mô hình thì tường thẳng đứng không mô tả được trong mô hình NLSW do trường dòng chảy khi đó sẽ vi phạm các giới hạn nước nông, do vậy việc điều chỉnh, biến đổi hình học tương đương của tường là cần thiết. Hu và các cộng sự (2000) đã khảo sát dựa trên mô hình toán sóng tràn qua tường đỉnh thấp, thẳng đứng trong đó phần thẳng đứng của tường được điều chỉnh thành mái có độ dốc 1:20 tới 1:10 [24]. Sự điều chỉnh này khác xa so với giả thuyết của các phương trình NLSW. Kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình được dự báo từ mô hình này phù hợp với dữ liệu mô hình vật lý của Goda (1985) [20] và Herbert (1993)[22]. Tuy nhiên, do điều kiện thí nghiệm, các thí nghiệm này không được mô tả một cách chính 47
  59. xác, do đó khả năng của mô hình NLSW để tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê có tường đỉnh thấp cũng chưa được khẳng định [24]. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng bộ số liệu thí nghiệm trên mô hình vật lý sóng ngẫu nhiên của Thiều Quang Tuấn (2013) để kiểm chứng độ tin cậy của việc tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình bằng mô hình NLSW[58]. Như đã đề cập trước đó, do hạn chế của mô hình NLSW khi xem xét sóng tràn qua đê có tường đỉnh, vì vậy hai phương án quy đổi tương đương được thể hiện sau đây để áp dụng mô hình NLSW. Ở phương án thứ nhất (Hình 3.1), tường đỉnh thấp được thay thế bởi mái dốc 1:1, chân mái dốc bắt đầu từ chân tường và chiều cao mái dốc ngang với đỉnh tường, giá trị độ cao lưu không của đỉnh đê Rc được giữ nguyên là khoảng cách thẳng đứng từ mực nước tĩnh đến đỉnh tường. Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1 Điều này đã được đề xuất trong TAW (2002) cho việc xác định mái dốc tương đương khi tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình theo công thức kinh nghiệm. Sự vận dụng nguyên lý hình học này có thể đem lại sự phù hợp tương đối với các số liệu thí nghiệm sóng tràn và có thể áp dụng được trong tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình với kết quả đáng tin cậy [58]. Trong phương án thứ hai (Hình 3.2) đỉnh đê cùng với tường đỉnh thấp được thay thế bởi một cao trình đỉnh tương đương, trong đó có xét đến hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường [58]. 48
  60. Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2 Các công thức cơ bản được trình bày ngắn gọn như sau: Đối với sóng vỡ: (b0m cr 2.0): q 0.067 RWc 1 1 Q* .0m .exp 4.75. . . (3-5) 3 H  gHm0 tan m00 m v Đối với sóng không vỡ: (b0m > cr 2.0): q RW 1 Q* 0.20.exp 2.6 c (3-6) 3 H  gHm0 mv0 tan  (3-7) 0m 2 2 Hmm0 / ( gT 1,0 ) Trong đó: Q* là đại lượng không thứ nguyên của lưu lượng sóng tràn trung bình, q là lưu lượng sóng tràn trung bình, Hm0 là chiều cao sóng tại chân đê, 0m là 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 quy đổi, v là hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh. Lưu ý rằng: các hệ số ảnh hưởng khác như do cơ đê, do độ nhám của mái dốc và độ xiên góc của sóng tới không được quan tâm ở đây và được lấy bằng 1. 49
  61. Từ phương trình (3-5) và (3-6), giá trị độ cao lưu không tương đương Rc* khi tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình trong trường hợp có bố trí tường đỉnh thấp được xác định như sau: * RWc Rc (3-8)  v Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh cho cả sóng vỡ và sóng không vỡ được tính toán như sau [58]: 1 1 1 (3-9) v  w  s 11W 1 c1 (3-10) wRW c 0 m 11S 1 c2 (3-11) sH m00 m Trong đó w và s lần lượt là các hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường đỉnh và chiều rộng thềm trước; c1, c2 là các hệ số kinh nghiệm. Giá trị độ cao lưu không tương đương Rc* thay đổi xung quanh giá trị độ cao lưu không thực Rc. Tùy thuộc vào các đặc trưng của sóng, việc tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình đã được thực hiện bằng cách sử dụng mực nước trung bình kết hợp với chuỗi sóng theo thời gian đã được đo đạc từ các đầu đo sóng đặt gần với chân đê nhất (Biên sóng đầu vào càng gần càng đảm bảo độ chính xác cho mô hình NLSW [14][57]). Tại phía hạ lưu, giá trị mực nước không đổi thấp hơn hẳn đỉnh đê để tránh bất kỳ ảnh hưởng nào đến sóng tràn được sử dụng như biên đầu ra (ở đây chọn mực nước thấp hơn đỉnh đê 0.5m). Do việc sử dụng cùng một mô hình toán cũng như là cùng một loại vật liệu làm mái dốc đê (gỗ dán) trong mô hình vật lý, hệ số ma sát fc = 0.0035 (hoặc hệ số Chezy C = 75) đã được sử dụng trong tính toán, cho ra kết quả phù hợp nhất. Độ nhạy của hệ số này cũng như việc hiệu chỉnh đối với sóng tràn trong trường hợp mái dốc nhẵn, không thấm [57]. 50
  62. Thời gian mô phỏng giống như trong các thí nghiệm mô hình vật lý (1000.Tp) tương ứng với thời gian tính toán của máy tính là 10 phút cho một mô phỏng. Điều này thể hiện mô hình NLSW tính toán rất hiệu quả. Thực tế, chỉ 153 trong tổng số 225 thí nghiệm đã được lựa chọn để tính toán ở đây cũng không làm mất đi tính tổng quát của vấn đề. Các thí nghiệm này bao trùm toàn bộ các trường hợp về điều kiện thủy lực và dạng hình học của mái dốc [58]. Kết quả của mô hình theo hai phương án ở trên được so sánh với các số liệu thí nghiệm mô hình vật lý (Hình 3.3, Hình 3.4). Nhìn chung, các kết quả của cả hai phương án phù hợp khá tốt với các số liệu thí nghiệm mô hình với độ hồi quy R2 lần lượt là 0.88 và 0.87 cho phương án thứ nhất và phương án thứ hai. Sai số trung bình là 39.8% với độ lệch chuẩn là 56.2%. Thực tế cho thấy vẫn có độ sai khác khá lớn (300%) cho một số trường hợp cụ thể với lưu lượng sóng tràn trung bình rất thấp khi tường đỉnh cao (W=9cm, với các điểm hình tam giác) và khi tường không có phần thềm phía trước (W>0 & S = 0, với các điểm hình chữ nhật). Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA1) 51
  63. Có một điểm đáng chú ý là trong các trường hợp tường đỉnh tương đối cao (W/Hs > 0.5) và chiều rộng thềm trước bằng không (S =0) không có sự chuyển tiếp, thì mô hình NLSW cho kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình có độ tin cậy thấp. Điều này là do trong các trường hợp đó tác động của sóng lên tường đỉnh thấp có ảnh hưởng lớn đến lưu lượng sóng tràn trung bình. Tuy nhiên, ảnh hưởng quan trọng này lại là do sự tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy không được giải quyết một cách đầy đủ trong mô hình NLSW bằng việc biến đổi hình học tương đương. Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA2) Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) Giới thiệu máng sóng số Mô hình COBRAS-UC là máng sóng số họ RANS-VOF, đã có một bề dày lịch sử nhiều năm phát triển, khởi đầu là nhóm nghiên cứu của Giáo sư Phillips Liu ở Trường Đại học Cornell – Mỹ [36]. Trong những năm gần đây, mô hình này đã được Viện Thủy lực của Trường Đại học Cantabria - Tây Ban Nha tiếp tục phát triển, mở rộng tính năng và đã trở thành một máng sóng số được đánh giá là hiện đại bậc nhất thế giới hiện nay. Máng 52
  64. sóng số có khả năng mô phỏng tương tác sóng - công trình với các tính năng tương tự như máng sóng vật lý (Hình 3.5, Hình 3.6). Hình 3.5 Sóng tràn qua đê trong (MH vật lý) Hình 3.6 Sóng tràn qua đê (MH máng sóng số) Dạng công trình có thể mô phỏng trong mô hình có cấu tạo kết cấu hoàn toàn tương tự như trong thực tế: dạng không thấm (đặc) hoặc cho phép thấm qua (thấm) như lõi đê đá đổ, thân đê cát, và có thể mô phỏng tương tác sóng với các công trình có cấu tạo hình học là bất kỳ như: mái nghiêng, tường đứng hoặc hổn hợp. Các kết quả mô phỏng tương tác là trường dòng chảy, trường áp lực, trường rối, áp lực sóng lên kết cấu bê tông, sóng leo, sóng tràn qua công trình. 53
  65. Máng sóng số đã được kiểm định và hiệu chỉnh với nhiều số liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm tỷ lệ nhỏ và tỷ lệ lớn về khả năng mô phỏng tương tác sóng (sóng ngẫu nhiên hoặc sóng đều) với công trình đê biển bao gồm: đê biển có tường chắn sóng, đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng Các kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình, mô phỏng chiều cao sóng bắn, tính toán áp lực được so sánh, kiểm tra với kết quả thí nghiệm cho thấy độ tin cậy khá cao. Trường Đại học Thủy lợi đã chuyển giao sử dụng mô hình này trong khuôn khổ dự án của Hà Lan về hợp tác đào tạo sau đại học trong lĩnh vực quản lý tổng hợp tài nguyên nước và thích ứng với biến đổi khí hậu. Đây thực sự là một công cụ hữu ích cho đào tạo, nghiên cứu và tư vấn thiết kế các vấn đề động lực, tương tác giữa sóng, dòng chảy và công trình biển. Hệ phương trình cơ bản COBRAS-UC [37][54] được bắt nguồn từ mô hình COBRAS (Cornell Breaking Waves and Structures), mô hình RANS của Liu và các cộng sự (1999) [36]. Trong COBRAS- UC, dòng chảy rối trung bình dựa trên các hệ phương trình 2DV-RANS (Navier – Stockes 2 chiều):  u i 0 (3-12) xi u  u11  p  u i u i g  i u u (3-13) j i i j t  xj  x i  x j  x j Và được khép kín bởi hệ phương trình vận chuyển rối: k  k    k  u u t  u u i (3-14) tj  x  x   x i j  x j j k j j 2      t    ui  uj  C12 u i u j C (3-15) t  xj  x j    x j k  x j k Trong đó: ui là vận tốc trung bình theo phương i (i, j =1, 2 cho dòng chảy hai chiều), p là áp suất dòng chảy, khối lượng riêng của nước, gi là gia tốc trọng trường theo phương i, uuij là ứng suất Reynolds được mô phỏng theo độ nhớt xoáy phi tuyến 54
  66. [40][30], Các hệ số kinh nghiệm của mô hình rối k = 1.0,  =1.3, C1 = 1.44, C1 = 2 1.92[43];  = / vàt = Cdk / (Cd = 0.99) tương ứng là các hệ số nhớt động và nhớt xoáy. COBRAS-UC tính toán dòng chảy trên một lưới chữ nhật không đều, mặt thoáng bất kỳ của dòng chảy được tính toán theo phương pháp “thể tích chất lỏng” (VOF)[16]. Lưu ý rằng, COBRAS-UC cũng giải phương trình VARANS cho dòng chảy trong môi trường rỗng [23]. Do ở đây chỉ xem xét dạng công trình đê mái nhẵn, không thấm nước, nên phần này của mô hình sẽ không được đề cập chi tiết trong luận án. Mô hình COBRAS-UC được áp dụng để mô phỏng sóng tràn cho cả sóng ngẫu nhiên và sóng đều. Trong trường hợp sóng ngẫu nhiên, chỉ có lưu lượng sóng tràn trung bình được xem xét. Trong khi đó trường hợp sóng đều, thì ngoài lưu lượng sóng tràn trung bình còn xem xét thêm tương tác giữa sóng - tường và tính chất dòng chảy sóng tràn. Một thiết lập cho mô hình số được mô tả sau đây, áp dụng cho cả hai trường hợp sóng đều và sóng ngẫu nhiên. Để tăng hiệu quả của mô hình, máng sóng số không bao gồm phần của máng sóng vật lý từ bản tạo sóng tới đầu đo sóng đặt xa nhất về phía biển. Do đó miền tính toán sẽ là 32m dài và 1.4m cao với các ô lưới chia tương ứng là 1600x140 với bước lưới lớn nhất là 0.02m theo phương ngang và 0.01m theo phương đứng. Chuỗi thời gian được ghi lại từ đầu đo sóng tại biên cách chân đê 24.5m được sử dụng để tạo sóng tới tại biên theo phương pháp của Torres-Freyermuth và cộng sự (2010) [53]. Trong phương pháp này, mặt thoáng (VOF) và các thành phần vận tốc được mô tả tại mỗi bước thời gian tính toán. Thiết bị hấp thụ sóng được bố trí tại biên phía cửa vào để tránh ảnh hưởng của sóng phản xạ, công nghệ này tương tự như hệ thống bù sóng phản xạ trong mô hình vật lý [53]. Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên Mô hình được kiểm chứng bằng các thí nghiệm mô hình vật lý đối với các sóng ngẫu nhiên. Như đã trình bày trước đó, chuỗi sóng ngẫu nhiên của ít nhất 1000 con sóng cần được thực hiện trong mô hình vật lý để phục vụ cho việc phân tích thống kê sóng tràn. Thời gian tính toán xấp xỉ 75 giờ cho 2200 giây mô phỏng của máy tính có cấu hình 3.1GHz-4GB RAM. Do hạn chế về năng lực máy tính nên chỉ có 14 trường hợp thí 55
  67. nghiệm được quan tâm trong các thí nghiệm sóng ngẫu nhiên như đã nêu ở trên cho thấy những kết quả khác biệt lớn nhất từ mô hình NLSW được chỉ ra trong Hình 3.3 và Hình 3.4. Đây là sự kết hợp của một điều kiện sóng tại bản tạo sóng (Hm0 = 0.10m, Tp = 2.2s và chiều sâu mực nước trong máng sóng d = 0.55m) và với tất cả các dạng mái dốc đê với các tường đỉnh cao, các giá trị chiều cao tường W= 6cm và 9cm, có hoặc không có thềm trước. Chi tiết về các trường hợp thí nghiệm điển hình được trình bày trong Bảng 3.1 (Các thông số sóng được đo tại chân đê). Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán sóng tràn cho các trường hợp điển hình sóng ngẫu nhiên Mái Lưu lượng sóng tràn trung bình (l/s/m) W S Hm0 Tp dốc Mô hình COBRAS- NLSW- NLSW- (cm) (m) (m) (s) đê vật lý UC AP1 AP2 (-) 0.06 0 0.095 2.2 0.25 0.054 0.088 0.095 0.083 0.06 0.05 0.095 2.2 0.25 0.051 0.081 0.051 0.094 0.06 0.1 0.095 2.2 0.25 0.047 0.076 0.057 0.061 0.06 0 0.124 2.2 0.33 0.256 0.382 0.365 0.489 0.06 0.05 0.124 2.2 0.33 0.245 0.359 0.322 0.399 0.06 0.1 0.123 2.2 0.33 0.224 0.281 0.290 0.428 0.06 0.3 0.126 2.2 0.33 0.185 0.263 0.193 0.279 0.09 0 0.095 2.2 0.25 0.026 0.017 0.045 0.061 0.09 0.05 0.095 2.2 0.25 0.021 0.012 0.035 0.064 0.09 0.1 0.095 2.2 0.25 0.018 0.007 0.016 0.019 0.09 0 0.128 2.2 0.33 0.119 0.106 0.202 0.369 0.09 0.05 0.126 2.2 0.33 0.105 0.085 0.326 0.425 0.09 0.1 0.126 2.2 0.33 0.096 0.073 0.270 0.447 0.09 0.3 0.122 2.2 0.33 0.081 0.068 0.100 0.180 Lưu lượng sóng tràn trung bình từ thí nghiệm mô hình vật lý và kết quả được tính toán bởi mô hình COBRAS-UC được thể hiện trong Hình 3.7 và Bảng 3.1, lưu lượng sóng tràn trung bình tương ứng do mô hình NLSW với cả hai phương pháp biến đổi tường tương đương cũng được so sánh ở đây. Rõ ràng là, COBRAS-UC thể hiện ưu điểm hơn so với mô hình NLSW với sai số trung bình là 60.1%, độ lệch chuẩn 63.2% và sai số trung bình 129.4%, độ lệch chuẩn 100.6% lần lượt cho phương án 1 và phương án 2. Kết quả từ COBRAS-UC và dữ liệu từ thí nghiệm mô hình khá khớp với nhau với độ 56
  68. sai số trung bình chỉ là 39.7%, độ lệch chuẩn 24.5%. Tuy vậy, kết quả từ COBRAS- UC có thể sai số lên tới 63% cho các trường hợp lưu lượng tràn nhỏ. Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC) Sóng tràn đối với sóng đều Lưu lượng sóng tràn trung bình Sau đây, mô hình COBRAS-UC đã được kiểm định với các dữ liệu thí nghiệm mô hình vật lý thực hiện cho các sóng đều được mô tả chi tiết trong thí nghiệm ở chương 2. Lưu lượng sóng tràn trung bình được so sánh giữa mô hình COBRAS-UC và mô hình vật lý. Với 40 thí nghiệm cho 10 mô hình vật lý tương ứng, các chuỗi sóng đều được mô phỏng để đánh giá lưu lượng sóng tràn trung bình cho mỗi thí nghiệm. Thời gian tính toán cho mỗi thí nghiệm khoảng 6 giờ được thực hiện trên PC chuẩn (1giờ CPU/10 giây thời gian dòng chảy). Lưu lượng sóng tràn trung bình tính toán theo mô hình COBRAS-UC được so sánh với dữ liệu đo đạc từ thí nghiệm mô hình vật lý (Hình 3.8, Bảng 3.2). 57
  69. Bảng 3.2 Kết quả đo đạc và tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình của sóng đều Lưu lượng sóng tràn trung bình Các trường hợp thí W S H T (l/s/m) nghiệm (cm) (cm) (m) (s) Mô hình Mô hình vật lý COBRAS-UC REW0S0_1 0 0 0.17 2.0 10.45 10.53 REW0S0_2 0 0 0.16 1.5 5.26 5.08 REW0S0_3 0 0 0.24 2.0 17.39 17.13 REW0S0_4 0 0 0.24 2.5 21.05 21.23 REW4S0_1 4 0 0.17 2.0 9.01 9.55 REW4S0_2 4 0 0.16 1.5 2.28 2.54 REW4S0_3 4 0 0.24 2.0 16.04 16.23 REW4S0_4 4 0 0.24 2.5 21.75 20.91 REW4S10_1 4 10 0.17 2.0 7.75 7.96 REW4S10_2 4 10 0.16 1.5 1.14 2.08 REW4S10_3 4 10 0.24 2.0 14.95 13.71 REW4S10_4 4 10 0.24 2.5 19.82 18.12 REW4S20_1 4 20 0.17 2.0 6.13 6.17 REW4S20_2 4 20 0.16 1.5 0.70 0.98 REW4S20_3 4 20 0.24 2.0 13.69 13.17 REW4S20_4 4 20 0.24 2.5 18.42 18.33 REW6S0_1 6 0 0.17 2.0 4.32 6.07 REW6S0_2 6 0 0.16 1.5 1.58 1.65 REW6S0_3 6 0 0.24 2.0 12.25 12.05 REW6S0_4 6 0 0.24 2.5 17.02 16.10 REW6S10_1 6 10 0.17 2.0 3.96 6.85 REW6S10_2 6 10 0.16 1.5 1.14 1.01 REW6S10_3 6 10 0.24 2.0 11.17 12.14 REW6S10_4 6 10 0.24 2.5 15.61 16.60 REW6S20_1 6 20 0.17 2.0 3.24 4.37 REW6S20_2 6 20 0.16 1.5 0.19 0.34 REW6S20_3 6 20 0.24 2.0 9.55 9.74 REW6S20_4 6 20 0.24 2.5 13.51 17.12 REW9S0_1 9 0 0.17 2.0 2.52 4.16 REW9S0_2 9 0 0.16 1.5 1.32 0.51 REW9S0_3 9 0 0.24 2.0 10.27 12.13 REW9S0_4 9 0 0.24 2.5 14.39 13.29 REW9S10_1 9 10 0.17 2.0 2.70 3.63 REW9S10_2 9 10 0.16 1.5 0.21 0.21 REW9S10_3 9 10 0.24 2.0 7.75 7.48 REW9S10_4 9 10 0.24 2.5 13.51 8.94 REW9S20_1 9 20 0.17 2.0 1.80 4.27 REW9S20_2 9 20 0.16 1.5 0.04 0.05 REW9S20_3 9 20 0.24 2.0 6.31 8.79 REW9S20_4 9 20 0.24 2.5 10.18 14.22 58
  70. Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC) Nhận xét, mô hình COBRAS-UC thể hiện sự dự báo khá tin cậy về lưu lượng sóng tràn trung bình qua các dạng tường đỉnh thấp khác nhau với độ hồi quy R2 = 0.95, sai số trung bình chỉ là 23.4% với độ lệch chuẩn là 30.2 %. Sai số đáng kể được ghi nhận trong một số ít trường hợp khi chiều cao tường lớn (W=9cm, hình tam giác mở). So sánh với các trường hợp sóng ngẫu nhiên cho thấy sự phù hợp của kết quả tính toán đối với sóng đều là tương đối tốt. Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn Sóng tràn ở đây bao gồm hai thành phần: thành phần tràn chảy thành dòng (green overtoping) và thành phần sóng bắn (splash overtoping). Thành phần chảy tràn thành dòng được sử dụng để tính toán lượng nước tràn khi dạng hình học của đê thay đổi. Thành phần còn lại chỉ phần sóng bắn lên trong không khí. Đối với sóng đều thì ngoài vấn đề nghiên cứu lưu lượng sóng tràn trung bình ở trên thì vấn đề tương tác giữa sóng - tường và tính chất dòng chảy sóng tràn cũng được xem xét một cách chi tiết. Để hiểu 59
  71. về ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn, ảnh phân tách từ máy quay được xem xét và phân tích tỉ mỉ cùng với mô hình COBRAS-UC. Trước tiên, tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn hay nói cách khác là sóng tràn qua đê được đánh giá qua các ảnh thu được từ camera, quá trình tương tác sóng - tường (trường hợp REW6S20_4, Bảng 3.3). Trong đó, một quá trình tương tác sóng tràn có thể được phân tích qua 4 giai đoạn: sóng bắn khi sóng va vào tường (Hình 3.9), sóng đổ xuống mặt tường - mặt đê (Hình 3.10), sóng tràn chảy thành dòng (Hình 3.11) và sóng rút (Hình 3.12). Việc số hóa dòng chảy, sử dụng quá trình phân tích ảnh bằng Matlab có thể đưa ra thông tin định lượng về một số đặc trưng cơ bản của sóng tràn như: mặt cắt dòng chảy trung bình nhất thời (chỉ cho dòng chảy chính) và chiều cao sóng bắn lớn nhất. Các ảnh chụp dòng chảy được phân tích và kiểm định bằng mô hình toán. Tất cả các trường hợp tính toán cũng được xem xét kỹ lưỡng để xác định chiều cao sóng bắn lớn nhất bằng mô hình toán và so sánh với kết quả đạt được trong mô hình vật lý. Xét về mặt mô hình toán, mô hình COBRAS-UC có khả năng mô phỏng sóng bắn rời nhưng khi miêu tả các giọt nước riêng biệt hay các tia nhỏ như trong mô hình vật lý thì có độ tin cậy không cao. Phương pháp mô phỏng bề mặt thoáng (VOF) trong mô hình toán không kể đến sức căng bề mặt cũng như là việc chia lưới quá thô so với kích thước của từng hạt nước riêng rẽ có thể là những nguyên nhân dẫn tới sự khác biệt giữa kết quả mô hình toán với mô hình vật lý, các hạn chế này chưa thể được khắc phục trong công nghệ mô phỏng dòng chảy hiện nay. Quá trình 4 giai đoạn của sự tương tác giữa sóng - tường từ mô vật lý (Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11, Hình 3.12) cho trường hợp thí nghiệm REW6S20_4, được kiểm chứng một cách chi tiết bằng mô hình COBRAS-UC tương ứng (Hình 3.13, Hình 3.14, Hình 3.15, Hình 3.16). 60
  72. Trong giai đoạn thứ nhất: Quá trình sóng tràn bắt đầu bằng việc lưỡi sóng va với tường và kết quả là tạo ra sóng bắn trong không khí (Hình 3.9). Hình 3.9 Sóng bắn khi sóng va vào tường (MH Vật lý) Trong giai đoạn thứ hai: Sóng bắn bắt đầu biến mất khi sóng đạt tới một độ cao nhất định trên tường và đổ xuống đỉnh tường, mặt đê. Tại thời điểm cuối của giai đoạn này, một dòng chảy tràn được hình thành (Hình 3.10). Hình 3.10 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê (MH Vật lý) 61
  73. Trong giai đoạn thứ 3: Nếu sóng tiếp tục tràn mạnh trong giai đoạn thứ 3 này, dòng chảy tràn sẽ phát triển tới chiều sâu ngập lớn nhất bên trên đỉnh tường (Hình 3.11). Hình 3.11 Sóng chảy thành dòng (MH Vật lý) Trong giai đoạn thứ 4: Sóng chảy tràn theo dòng tiếp tục phát triển cho tới khi sóng rút về phía biển trong giai đoạn cuối cùng (Hình 3.12). Hình 3.12 Sóng rút (MH Vật lý) 62
  74. Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý) Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê t=27.3s ( MH vật lý) 63
  75. Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng t = 27.5s ( MH vật lý) Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý) 64
  76. Mô hình COBRAS-UC cho kết quả thấp hơn so với mô hình vật lý trong việc dự báo mặt thoáng dòng chảy sóng tràn trong hai giai đoạn đầu (Hình 3.13, Hình 3.14). Điều này có thể được giải thích bằng sự không phù hợp của phương pháp VOF với mô hình RANS trong việc miêu tả mặt thoáng dòng chảy sóng tràn trong điều kiện sóng bắn phức tạp [16][35]. Ngoài ra, các quá trình vật lý như: ảnh hưởng của không khí, sức căng mặt ngoài không được kể đến trong mô hình này. Điều này cũng giải thích tại sao đường mặt nước dòng chảy sóng tràn trong hai giai đoạn cuối là giai đoạn mà chỉ có dòng chảy tràn được dự báo rất tốt bởi mô hình COBRAS-UC (Hình 3.15, Hình 3.16). Ở mức độ ít chi tiết hơn Hình 3.17, thể hiện các kết quả dự báo bằng mô hình toán về chiều cao sóng bắn lớn nhất (xảy ra trong giai đoạn 1, Hình 3.13) được so sánh với các dữ liệu từ thí nghiệm mô hình vật lý (Bảng 3.3). Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý) 65
  77. Bảng 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán chiều cao sóng bắn lớn nhất Các trường hợp W S H T Chiều cao sóng bắn (cm) thí nghiệm (cm) (cm) (m) (s) Mô hình vật lý Mô hình toán REW0S0_1 0 0 0.17 2.0 - - REW0S0_2 0 0 0.16 1.5 - - REW0S0_3 0 0 0.24 2.0 - - REW0S0_4 0 0 0.24 2.5 - - REW4S0_1 4 0 0.17 2.0 29.9 15.2 REW4S0_2 4 0 0.16 1.5 19.7 12.0 REW4S0_3 4 0 0.24 2.0 30.0 13.1 REW4S0_4 4 0 0.24 2.5 29.3 15.7 REW4S10_1 4 10 0.17 2.0 22.2 9.0 REW4S10_2 4 10 0.16 1.5 14.3 8.0 REW4S10_3 4 10 0.24 2.0 13.9 10.8 REW4S10_4 4 10 0.24 2.5 17.9 10.8 REW4S20_1 4 20 0.17 2.0 15.4 13.0 REW4S20_2 4 20 0.16 1.5 9.2 8.7 REW4S20_3 4 20 0.24 2.0 16.9 12.6 REW4S20_4 4 20 0.24 2.5 14.8 10.9 REW6S0_1 6 0 0.17 2.0 27.0 16.4 REW6S0_2 6 0 0.16 1.5 29.4 16.6 REW6S0_3 6 0 0.24 2.0 37.8 21.1 REW6S0_4 6 0 0.24 2.5 30.6 14.2 REW6S10_1 6 10 0.17 2.0 23.1 13.6 REW6S10_2 6 10 0.16 1.5 16.8 11.9 REW6S10_3 6 10 0.24 2.0 25.1 12.8 REW6S10_4 6 10 0.24 2.5 28.0 13.1 REW6S20_1 6 20 0.17 2.0 21.2 11.9 REW6S20_2 6 20 0.16 1.5 11.6 10.8 REW6S20_3 6 20 0.24 2.0 22.8 13.6 REW6S20_4 6 20 0.24 2.5 22.8 11.9 REW9S0_1 9 0 0.17 2.0 38.0 22.9 REW9S0_2 9 0 0.16 1.5 29.6 18.9 REW9S0_3 9 0 0.24 2.0 40.2 31.4 REW9S0_4 9 0 0.24 2.5 42.5 35.0 REW9S10_1 9 10 0.17 2.0 28.5 18.5 REW9S10_2 9 10 0.16 1.5 15.0 14.8 REW9S10_3 9 10 0.24 2.0 32.0 17.0 REW9S10_4 9 10 0.24 2.5 34.0 25.1 REW9S20_1 9 20 0.17 2.0 22.3 14.0 REW9S20_2 9 20 0.16 1.5 11.0 10.9 REW9S20_3 9 20 0.24 2.0 29.5 20.9 REW9S20_4 9 20 0.24 2.5 30.0 16.1 66
  78. Khi xem xét kết quả từ mô hình vật lý và kết quả dự báo từ mô hình toán thể hiện trên Hình 3.17, với cùng một điều kiện sóng và chiều cao tường thì chiều cao sóng bắn lớn nhất giảm khi chiều rộng thềm trước tường tăng lên. Cũng tương tự, với cùng một điều kiện sóng và chiều rộng thềm thì khi chiều cao tường lớn hơn sẽ cho kết quả sóng bắn cao hơn. Chiều cao sóng bắn bằng mô hình toán lại dự báo thấp hơn so với kết quả đo đạc từ thí nghiệm mô hình vật lý (Hình 3.17). Hình 3.18 thể hiện chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường (xảy ra trong giai đoạn 3, Hình 3.15). Vì các lý do đã đề cập ở phần trên, kết quả tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường được so sánh với kết quả đo đạc từ thí nghiệm mô hình vật lý cho kết quả khá tốt (Hình 3.18, Bảng 3.4). Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường 67
  79. Bảng 3.4 Kết quả đo đạc và tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất Các trường hợp W S H T Chiều sâu chảy tràn (cm) thí nghiệm (cm) (cm) (m) (s) Mô hình vật lý Mô hình toán REW0S0_1 0 0 0.17 2.0 5.0 4.9 REW0S0_2 0 0 0.16 1.5 3.0 2.8 REW0S0_3 0 0 0.24 2.0 6.0 6.0 REW0S0_4 0 0 0.24 2.5 9.1 8.8 REW4S0_1 4 0 0.17 2.0 6.9 5.3 REW4S0_2 4 0 0.16 1.5 3.2 4.0 REW4S0_3 4 0 0.24 2.0 5.9 5.5 REW4S0_4 4 0 0.24 2.5 10.1 9.3 REW4S10_1 4 10 0.17 2.0 6.0 5.7 REW4S10_2 4 10 0.16 1.5 4.5 3.8 REW4S10_3 4 10 0.24 2.0 6.1 4.9 REW4S10_4 4 10 0.24 2.5 7.5 6.8 REW4S20_1 4 20 0.17 2.0 6.0 5.9 REW4S20_2 4 20 0.16 1.5 3.6 2.8 REW4S20_3 4 20 0.24 2.0 6.8 5.9 REW4S20_4 4 20 0.24 2.5 8.4 8.0 REW6S0_1 6 0 0.17 2.0 5.4 5.0 REW6S0_2 6 0 0.16 1.5 3.8 3.9 REW6S0_3 6 0 0.24 2.0 8.1 7.1 REW6S0_4 6 0 0.24 2.5 10.2 9.1 REW6S10_1 6 10 0.17 2.0 5.8 4.8 REW6S10_2 6 10 0.16 1.5 3.4 3.7 REW6S10_3 6 10 0.24 2.0 6.0 4.7 REW6S10_4 6 10 0.24 2.5 7.6 7.3 REW6S20_1 6 20 0.17 2.0 5.0 4.0 REW6S20_2 6 20 0.16 1.5 2.0 2.0 REW6S20_3 6 20 0.24 2.0 5.9 5.6 REW6S20_4 6 20 0.24 2.5 8.1 7.2 REW9S0_1 9 0 0.17 2.0 2.9 2.8 REW9S0_2 9 0 0.16 1.5 4.5 2.9 REW9S0_3 9 0 0.24 2.0 2.6 3.7 REW9S0_4 9 0 0.24 2.5 8.6 8.1 REW9S10_1 9 10 0.17 2.0 2.6 2.6 REW9S10_2 9 10 0.16 1.5 2.9 2.0 REW9S10_3 9 10 0.24 2.0 3.9 4.0 REW9S10_4 9 10 0.24 2.5 5.6 5.5 REW9S20_1 9 20 0.17 2.0 2.6 2.0 REW9S20_2 9 20 0.16 1.5 1.0 1.0 REW9S20_3 9 20 0.24 2.0 5.2 5.0 REW9S20_4 9 20 0.24 2.5 7.4 6.9 68
  80. Những biểu hiện của sự tương tác giữa sóng - tường đối với sóng tràn có thể được giải thích bằng việc quan sát chi tiết hơn nữa về trường dòng chảy quanh tường và áp lực của sóng lên tường được dự báo bằng mô hình trong suốt giai đoạn sóng tác dụng lên tường và giai đoạn sóng bắn. Hình 3.19 trình bày các hình ảnh mang tính chất so sánh về sự tương tác giữa sóng - tường trong các trường hợp khác nhau đã trình bày ở trên và tại trường hợp sóng bắn cao nhất dưới cùng một điều kiện sóng (Hs= 0.24m,Tp = 2.5 s), cho hai trường hợp thí nghiệm (REW9S0_4 và REW9S10_4) có cùng chiều cao tường là W =9cm: một trường hợp không có chiều rộng thềm trước (S= 0) và một trường hợp chiều rộng thềm trước (S=10cm). Lưu tốc dòng chảy lưỡi sóng bị làm chậm đi đáng kể từ xấp xỉ 2.0m/s tại thời điểm sóng tác động lên tường (t = t* 0.2s, Hình 3.19a) xuống còn 1.0m/s - 1.5m/s đối với trường hợp S = 0cm (Hình 3.19c, bên trái) và giảm xuống tới 0.5m/s - 1.0m/s cho trường hợp S = 10cm (Hình 3.19c, bên phải) tại thời điểm sóng bắn lớn nhất (t = t*). Ngoài ra, sự khác nhau về đặc trưng dòng chảy trong hai trường hợp tường có thềm trước và không có thềm trước là đáng kể. Trong trường hợp không có thềm trước (S =0), sóng leo dọc theo mái dốc đê được dễ dàng hướng lên tường và tạo ra sóng bắn cao trong không khí. Hiệu quả trong việc giảm động lượng dòng chảy hoặc giảm sóng tràn do đó không cao. Trong trường hợp có thềm trước (S>0), lưỡi sóng leo được định hướng dòng chảy dọc theo đỉnh đê (ít nhiều theo phương ngang) trước khi chạm tới tường. Trong trường hợp này, năng lượng sóng leo bị tiêu tán nhiều hơn khi sóng tác động với tường. Kết quả là chiều cao sóng bắn và lưu lượng sóng tràn trung bình nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp (S=0). Vấn đề động lực học sóng tràn trong trường hợp tường có chiều cao lớn và không có thềm trước nhìn chung là phức tạp hơn nhiều so với trường hợp tường thấp và có thềm trước. Những đặc điểm này không được kể đến trong mô hình NLSW bởi các phương pháp biến đổi tường tương đương. 69