›

Tóm tắt luận án Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc Bộ

pdf 27 trang thiennha21 16/04/2022 2970
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt 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:

  • pdftom_tat_luan_an_nghien_cuu_song_tran_qua_de_bien_co_tuong_di.pdf

Nội dung text: Tóm tắt 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 Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số chuyên ngành: 62-58-40-01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2014
  2. Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Ngô Trí Viềng Phản biện 1: GS.TS. Đinh Văn Ưu, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: GS.TS.Trần Đình Hợi, Viện Nước, Môi trường và Biến đổi khí hậu Phản biện 3: GS.TS. Trần Đình Hòa, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại vào lúc giờ . ngày tháng năm . Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
  3. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là 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. Đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh tương đối thấp, bề rộng mặt đê nhỏ, mái đê phía biển, phía đồng dốc và hầu hết đê lại trực diện với biển. 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. Một 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 có hành lang hẹp. Đến nay, các nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp, đặc biệt là 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 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 Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp cho đê biển hiện có ở Bắc bộ - Việt Nam. 1
  4. 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; phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; phương pháp kết hợp mô hình toán và mô hình vật lý; phương pháp nghiên cứu ứng dụng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 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 và phù hợp với điều kiện kinh tế hiện nay của nước ta. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp chưa đầy đủ, đặc biệt là vấn đề tương tác giữa sóng và tường. 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 công tác thiết kế đê biển có tường đỉnh ở nước ta. 2
  5. 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; - 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. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 1.1 Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển Hiện nay, 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 3
  6. bão và nước biển dâng làm gia tăng nguy cơ ngập lụt do vỡ đê, trong đó sóng tràn là một trong những tác nhân cơ bản. Vì vậy, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển vẫn là vấn đề thời sự trên Thế giới và ở Việt Nam 1.2 Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu 1.2.1 Nguyên nhân hư hỏng đê biển Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố hư hỏng đê biển trong đó sóng tràn gây phá hoại đỉnh và mái đê phía trong là nguyên nhân cơ bản dẫn đến vỡ đê. 1.2.2 Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn 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, thấy rằng: cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn, dòng chảy tràn là cơ chế nổi trội nhất. 1.2.3 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 giảm sóng, làm cơ đê phía biển một bậc hoặc nhiều bậc, trồng rừng ngập mặn phía trước đê, nâng cao cao trình đỉnh đê Tuy nhiên, do hạn chế về không gian xây dựng và điều kiện kinh tế còn khó khăn nên việc xây 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 hiện nay ở nước ta. 1.3 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc 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 ở Miền Bắc và được sử dụng ở những nơi mà không còn quỹ đất để tôn cao, hoặc điều kiện kinh tế không cho phép xây đê cao, như: đê bảo vệ các khu đô thị, khu du lịch. 4
  7. 1.4 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp 1.4.1 Ở trên thế giới (TAW 2002) Ở trên thế giới nghiên cứu phổ biến nhất về sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp là TAW (2002) sau này là EurOtop (2007). 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, tuy nhiên sau đó lại được chiết giảm bởi hệ số v. Hệ số ảnh chiết giảm của tường đỉnh v chỉ dựa trên một số ít số liệu thí nghiệm và mới chỉ xét đến ảnh hưởng góc nghiêng của 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. 1.4.2 Ở Việt Nam Tường đỉnh thấp là dạng công trình đặc thù ở nước ta. Do vậy, có rất ít công trình nghiên cứu về sóng tràn qua dạng công trình này. Nghiên cứu ban đầu của 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 (S = 0). Tiếp theo là nghiên cứu của 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, nghiên cứu của 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. 1.5 Kết luận chương 1 Sóng tràn là một dạng tải trọng cơ bản nhất đối với đê biển, là tác nhân dẫn đến hơ hỏng và sự cố vỡ đê. Tường đỉnh được xem là giải pháp hiệu quả nâng cao cao trình đỉnh, giảm sóng tràn qua đê. Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh từ TAW(2002) đến Tuấn (2013) vẫn chưa thật đầy đủ. 5
  8. Tiếp tục phát triển nghiên cứu của Tuấn (2013) luận án đã tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng với sóng đều nhằm xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn và đặc biệt là chi tiết về tương tác sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn khi có tường. Sử dụng mô hình toán từ đơn giản như mô hình phi tuyến nước nông (NLSW) đến 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 của 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 thấp ở nước ta. CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 2.1 Mục đích nghiên cứu Xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tương tác giữa sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn khi có tường. 2.2 Cơ sở lý thuyết về tương tự 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. Để có được tương tự cơ bản về các yếu tố sóng, mô hình cần làm chính thái, tỷ lệ mô hình cần tuân theo tiêu chuẩn Froude. Trong các thí nghiệm sóng ngắn với mô hình chính thái tiêu chuẩn Froude tự động được thỏa mãn. 2.3 Mô tả thí nghiệm sóng đều 2.3.1 Máng sóng Máng sóng Hà Lan 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. 6
  9. Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm Máy tạo sóng có thể tạo sóng đều, hoặc 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 (Hình 2.1) 2.3.2 Mô hình đê và các tham số thí nghiệm Mô hình đê và các tham số thí nghiệm có tỷ lệ mô hình 1/10, mái đê nhẵn không thấm nước. 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 W = 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. 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 2.3.3 Chương trình thí nghiệm Độ sâu nước máng d = 0.60m được chọn cho thí nghiệm. Một hệ thống 3 đầu đo sóng được đặt ở trước chân đê và một đầu đo được đặt cách chân đê 24.5m. 7
  10. Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều Số thí Các thông số sóng Rc (m) W (cm) S (cm) nghiệm H (m) T (s) 40 0.16- 0.24 1.5 – 2.5 0.10 0; 4; 6; 9 0; 10; 20 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 - tường và dòng chảy sóng tràn. 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). 2.3.4 Trình tự 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, chiều cao sóng bắn Hb, chiều dày lớp nước trên đỉnh tường Ht, độ cao lưu không Rc. 2.4 Phân tích kết quả thí nghiệm 2.4.1 Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình 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. 1 1 1 푊 1 푆 1 = . = (1 + 1. . ) . (1 + 2. . ) (2-11) 훾푣 훾푤 훾푠 푅 휉 휉 Xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp 훾v (thực đo) và 훾v (tính toán), lập đường hồi quy giữa 훾v (thực đo) và 훾v (tính toán), thử dần các giá trị c1, c2 sao cho đường hồi quy phù hợp nhất với đường phân giác y = x, từ đó tác giả xác định được hệ số c1 =1.26, c2 = 1.44 (Hình 2.12) 1 푊 1 푆 1 = (1 + 1,26. . ) . (1 + 1,44. . ) (2-12) 훾푣 푅 휉 휉 2.4.2 Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn Chiều cao sóng bắn được xác định qua phân tích ảnh bằng Matlab. Tác giả đi xây 푆. dựng tương quan giữa giữa với , phương trình đường cong có dạng y = .푊. 2 -30.9x 2 1.544e với độ hồi quy R = 0.624 từ biểu đồ này ta có thể sơ bộ xác định được chiều cao sóng bắn từ yếu tố sóng, tường (Hình 2.13). 8
  11. 1.00 R² = 0.603 0.90 0.80 0.70 thực đo đo thực v 0.60  0.50 Sóng vỡ 0.40 Sóng không vỡ 0.30 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 v tính toán Hình 2.10 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh (đo đạc - tính toán) 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 푆. Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ với .푊. 2 9
  12. 2.5 Kết luận chương 2 Luận án đã xây dựng được công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình trong trường hợp sóng đều (2-12) và đường cong quan hệ một cách rõ ràng giữa chiều cao sóng bắn với các yếu sóng, tường (Hình 2-13). CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 3.1 Đặt vấn đề 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). Mô hình NLSW nhìn chung là hiệu quả tính toán cao (ví dụ mô phỏng 1000 con sóng chỉ 5-10 phút). Dùng mô hình này cho kết quả tính toán khá tin cậy lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê mái thoải và không có tường đỉnh. Đối với sóng tràn qua các kết cấu có hình dạng phức tạp (ví dụ đê có tường đỉnh thì còn nhiều hạn chế). Luận án đã áp dụng mô hình NLSW của Tuấn và Oumeraci (2010) để mô phỏng, tính toán sóng tràn với sóng ngẫu nhiên. Kết quả tính toán được kiểm chứng với kết quả thí nghiệm từ mô hình vật lý. Mô hình RANS–VOF (máng sóng số) có khả năng áp dụng mô phỏng tương tác sóng - tường và dòng chảy với các dạng kết cấu bất kỳ (tường thẳng đứng, tường rỗng ), từ việc tạo biên sóng nguồn, đến tạo sóng tương tự như máng sóng vật lý. Tuy nhiên, 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, khó khăn khi áp dụng với sóng ngẫu nhiên do thời đoạn tính toán dài. 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. Kết quả tính toán mô hình toán so sánh với các dữ liệu thu được từ thí nghiệm mô hình vật lý 10
  13. 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 máng sóng số. 3.2 Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010) 3.2.1 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: 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: h Ux() (3-2) uh uh F(,) x U 22 (3-3) u h gh /2 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, Sr là độ dốc do tiêu năng cuộn sóng mặt. 3.2.2 Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên Tường thẳng đứng không mô tả được trong mô hình NLSW vì trường dòng chảy khi đó sẽ vi phạm các giới hạn nước nông. Do vậy việc điều chỉnh, biến đổi hình học tương đương là cần thiết. Ở đây tác giả sử dụng hai phương án biến đổi đó 11
  14. là: phương án tường tương tương đương (Hình 3.1) và phương án chiều cao lưu không tương đương (Hình 3.2). 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). Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002)-PA1 Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2 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 biên đầu ra. Thời gian mô phỏng giống như thí nghiệm mô hình vật lý (1000.Tp ~ 10 phút PC). 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%. Tuy nhiên, vẫn tồn tại sai khác khá lớn cho một số trường hợp cụ thể với lưu lượng sóng tràn trung bình nhỏ khi tường đỉnh cao và khi tường không có thềm trước. Điều này 12
  15. là do sự tương tác phức tạp giữa sóng và tường không thể được giải quyết một cách đầy đủ trong mô hình NLSW thông qua phương pháp biến đổi tương đương. Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (TAW 2002)-PA1 Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (Rc*)-PA2 13
  16. 3.3 Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) 3.3.1 Giới thiệu máng sóng số Máng sóng số có khả năng mô phỏng tương tác sóng - công trình với các tính năng tương tự như máng sóng vật lý. Dạng công trình có thể mô phỏng là bất kỳ với kết quả mô phỏng các đặc trưng dòng chảy khá chi tiết và đầy đủ. Máng sóng số đã được kiểm nghiệm với nhiều số liệu thí nghiệm mô hình vật lý tỷ lệ lớn, nhỏ và cho kết quả tin cậy. 3.3.2 Hệ phương trình cơ bản Mô hình dựa trên hệ phương trình trung bình Reynolds 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         u  2 t i (3-15) uj  C12 u i u j C 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, Các hệ số kinh nghiệm của mô hình rối k = 1.0,  =1.3, C1 = 2 1.44, C1 = 1.92;  = / 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). 14
  17. 3.3.3 Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên Chuỗi sóng ít nhất 1000 con sóng (1000.Tp = 2200s) cần 75h để mô phỏng với máy tính có cấu hình 3.1GHz-4GB RAM. Do hạn chế về năng lực máy tính nên chỉ có 14 trường hợp thí nghiệm tiêu biểu được xem xét. Đây là sự kết hợp của một điều kiện sóng (Hm0 = 0.10m, Tp = 2.2s) và chiều sâu mực nước d = 0.55m với tất cả các dạng đê với có tường đỉnh cao (W= 6cm và 9cm, có hoặc không có thềm trước). Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC) Lưu lượng sóng tràn trung bình từ thí nghiệm mô hình vật lý được so sánh với kết quả tính toán bởi mô hình COBRAS-UC và mô hình NLSW với cả hai phương án biến đổi tường tương đương. Kết quả từ mô hình NLSW và dữ liệu thí nghiệm có sai số trung bình cho phương án 1 là 60.1%, độ lệch chuẩn 63.2% và phương án 2 là 129.4%, độ lệch chuẩn 100.6%. Kết quả từ mô hình COBRAS-UC và dữ liệu từ thí nghiệm khá khớp với nhau với độ sai số trung bình chỉ là 39.7%, độ lệch chuẩn 24.5%. Rõ ràng, mô hình COBRAS-UC thể hiện ưu điểm hơn so với mô hình NLSW. Tuy vậy, kết quả từ mô hình COBRAS- 15
  18. UC vẫn có thể cho sai số lên tới 63% cho các trường hợp lưu lượng sóng tràn nhỏ (Hình 3.7). 3.3.4 Sóng tràn đối với sóng đều 3.3.4.1 Lưu lượng sóng tràn trung bình 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. Mô hình COBRAS-UC dự báo khá tin cậy về lưu lượng sóng tràn trung bình qua các dạng tường đỉnh thấp khác nhau (R2 = 0.95). Sai số trung bình chỉ là 23.4% với độ lệch chuẩn là 30.2 %. Sai số đáng kể nhất xảy ra trong một số ít trường hợp khi chiều cao tường lớn (W=9cm, hình tam giác). So sánh với các trường hợp sóng ngẫu nhiên cho thấy sự phù hợp của kết quả tính toán cho sóng đều là tốt hơn (Hình 3.8). Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC) 16
  19. 3.3.4.2 Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy Sóng tràn bao gồm hai thành phần: thành phần tràn chảy thành dòng (green overtoping) và thành phần sóng bắn (splash overtoping). Để hiểu về ảnh hưởng của tường đỉnh đến sóng tràn, ảnh phân tách từ máy quay được xem xét và phân tích tỉ mỉ cùng với kết quả đạt được từ mô hình toán. Quá trình tương tác sóng – tường được mô tả trong 4 giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: 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 3.13); Giai đoạn 2: Sóng bắn bắt đầu biến mất khi 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 3.14); Giai đoạn 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 3.15); Giai đoạn 4: Sóng chảy tràn theo dòng tiếp tục phát triển cho tới khi sóng rút về phía biển trong giai đoạn cuối cùng (Hình 3.16). Tất cả các thời đoạn 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 việc chia lưới quá thô so với kích thước của từng hạt nước riêng rẽ là các 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 cho trường hợp thí nghiệm REW6S20_4, được kiểm chứng một cách chi tiết bằng mô hình COBRAS-UC tương ứng. Hai giai đoạn đầu (Hình 3.13, Hình 3.14) kết quả không chính xác bằng hai giai đoạn sau (Hình 3.15, Hình 3.16). 17
  20. Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường tường t= 27.1s ( MH vật lý) t=27.3s ( MH vật lý) Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s t = 27.5s ( MH vật lý) ( MH vật lý) Ở mức độ ít chi tiết hơn, Hình 3.17, Hình 3.18 lần lượt 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) và chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường (xảy ra trong giai đoạn 3, Hình 3.15) được so sánh với các dữ liệu từ thí nghiệm mô hình vật lý. Khi xem xét kết quả từ mô hình vật lý và kết quả dự báo từ mô hình toán (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. 18
  21. Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý) Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường Hình 3.18 thể hiện khả năng mô phỏng chiều sâu dòng chảy tràn trong máng sóng số là khá tốt. 19
  22. a) Sóng bắn t = t*- 0.2 b) Sóng bắn t = t*- 0.1 c) Sóng bắn t = t*- 0.1 Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều rộng thềm đến chiều cao 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 = 2.5s), cho hai trường hợp thí nghiệm (REW9S0_4 và REW9S10_4). Lưu tốc dòng chảy lưỡi sóng bị làm chậm đi đáng kể từ xấp xỉ 2.0m/s tại thời điểm sóng tác động 20
  23. 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 hơp 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 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). Tường đỉnh có thềm trước (S > 0) ưu việt hơn tường đỉnh không có thềm trước (S =0) khi đề cập đến vấn đề giảm sóng tràn và chiều cao sóng bắn. Khi sóng bắn cao và kèm theo gió bão từ phía biển thì khó kiểm soát lưu lượng sóng tràn tăng thêm cũng như khả năng phá hoại đê khi sóng bắn đập xuống mặt đê. 3.4 Kết luận chương 3 Luận án đã sử dụng cả mô hình NLSW và mô hình COBRAS-UC để tính toán sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp. Kết quả tính toán cho cả sóng ngẫu nhiên, sóng đều và được kiểm định với các kết quả thí nghiệm. Mô hình NLWS dùng để tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình cho kết quả đáng tin cậy. Tuy nhiên vẫn còn sai số lớn khi tường đỉnh cao (W/Hs > 0.5) không có thềm trước (S=0). Mô hình COBRAS-UC có khả năng tốt trong việc dự báo lưu lượng sóng tràn cũng như là dự báo cấu trúc bề mặt của dòng chảy tràn. Tuy nhiên vẫn còn sai số đáng kể trong việc mô tả chiều cao sóng bắn. Tường có thềm trước thể hiện hiệu quả hơn trong việc làm giảm năng lưu lượng sóng tràn và kiểm soát tốt hơn sóng bắn so với trường hợp tường không có thềm trước. 21
  24. CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH 4.1 Giới thiệu công trình Đê biển Giao Thủy dài 32km có nhiệm vụ bảo vệ 205.799 người và 23.207ha đất canh tác. Cao trình đỉnh đê +5.0m, chiều cao tường đỉnh trên đê W= 0.5m, bề rộng thềm trước tường S = 0; mái đê phía biển m = 4, bề rộng mặt đê B = 5m, mực nước thiết kế 2.29m. 4.2 Tính toán sóng tràn Ứng dụng các kết quả có được ở chương 2 và chương 3. Tác giả đi thiết lập bảng tính mô tả chi tiết các bước tính toán sóng tràn bao gồm: lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn. Tác giả đã đi xây dựng phần mềm tính toán sóng tràn. Phần mềm này được thiết lập tường minh, đơn giản dễ sử dụng trong học tập, nghiên cứu cũng như trong tính toán thiết kế đê biển. Phần mềm mã nguồn mở có thể nâng cấp mở rộng tính năng một cách rất dễ dàng. 4.3 Kết quả tính toán sóng tràn và đề xuất mặt cắt ngang đê biển 4.3.1 Kết quả tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định Với thông số tính toán của đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định (W = 0.5m, S=0) tác giả tính toán được lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê là 12.7(l/s/m). Tuy nhiên nếu lùi tường đỉnh thấp về phía đồng 0.5m (S =0.5m) thì lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê còn lại 0.1(l/s/m). Từ kết quả tính toán này, một lần nữa tính ưu việt của thềm trước tiếp tục được chứng minh qua công trình thực tế. 4.3.2 Đề xuất hình dạng mặt cắt ngang đê biển Trong dự thảo tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển TCVN-2013 có 8 mặt cắt ngang đê biển. Tác giả thấy rằng chưa mặt cắt nào đề cập đến tường đỉnh thấp có thềm trước. Vì vậy, từ kết quả luận án tác giả đề xuất bổ sung thêm một mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh thấp thấp có thềm trước (Hình 4.8). Tuy nhiên khi áp dụng mặt cắt này phải phân tích hài hòa các yếu tố sóng tràn, yêu cầu giao thông, cứu hộ, cứu nạn vv cho từng vùng từng loại đê cụ thể. 22
  25. Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp và thềm trước tường 4.4 Kết luận chương 4 Luận án đã lựa chọn được công trình nghiên cứu mang tính đại diện cho hệ thống đê biển Bắc bộ - Việt Nam, đã áp dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán sóng tràn cho đê biển Giao Thủy và tiếp tục chứng minh được tính ưu việt của thềm trước tường. Từ việc hiệu quả thềm trước tường mang lại tác giả đã xây dựng mặt cắt ngang đê biển (Hình 4.8), hợp lý hiệu quả, phù hợp với đê biển Bắc bộ - Việt Nam. Chương trình tính toán sóng tràn đơn giản, dễ sử dụng trong đào tạo, thiết kế, phần mềm mở. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết quả đạt được của luận án Luận án đã nêu được tổng quan tình hình nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở trên thế giới, ở Việt Nam và thấy rằng: nghiên cứu sóng tràn là vấn đề thời sự, cơ chế phá hoại đê biển nổi trội nhất là do sóng tràn qua đê. Một giải pháp hữu hiệu và khá phổ biến hiện nay để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là xây dựng tường đỉnh thấp trên đê. Các nghiên cứu đi trước về vấn đề này là chưa đầy đủ. Từ các kết quả thí nghiệm và cách phân tích số liệu tường minh, khoa học. Luận án đã xây dựng được công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp cho sóng đều (2-12) và đã thiết lập được mối quan hệ giữa chiều cao sóng bắn và các yếu tố sóng, chiều cao tường, chiều rộng thềm (Hình 2.13). Luận án đã kết hợp thí nghiệm mô hình vật lý và mô hình 23
  26. toán 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. Luận án đã làm nổi bật được tính ưu việt của thềm trước tường và từ đó đề xuất bổ sung được một mặt cắt ngang đê biển. Kết quả nghiên cứu của luận án được chuyển tải qua một phần mềm tính toán sóng tràn đơn giản dễ sử dụng. Những kết quả nghiên cứu luận án đã 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 thấp ở nước ta. 2. Tồn tại và kiến nghị 2.1. Tồn tại Các nghiên cứu hiện tại chỉ dừng lại: đê mái nhẵn không thấm nước, tường thẳng đứng, chưa xem các hình dạng tường khác (tường nghiêng, tường cong, tường có mũi hắt sóng ); số thí nghiệm chưa nhiều, chưa phủ kín được các trường hợp làm việc thực tế của đê biển Bắc bộ - Việt Nam; chưa nghiên cứu thấu đáo phân bố áp lực sóng lên tường; chưa đề cập đến ảnh hưởng của gió bão nên kết quả tính toán trong nghiên cứu sẽ thấp hơn so với thực tế. 2.2. Kiến nghị Tiếp tục đầu tư nghiên cứu hoàn thiện các đóng góp mới của luận án để sớm được áp dụng vào trong đào tạo, nghiên cứu và thiết kế đê biển hiện nay. Nghiên cứu bổ sung thêm các thí nghiệm cho các dạng tường đỉnh thấp khác như tường cong, tường có mũ hắt sóng, tường nghiêng 24
  27. DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Thieu Quang Tuan and Nguyen Van Thin (2014). Numerical study of wave overtopping on sea-dikes with crown-walls. Journal of Hydro-environment Research. ELSEVIER, pp.1-16 (10.1016/j.jher.2014.01.003). 2. Nguyễn Văn Thìn, Thiều Quang Tuấn và Nguyễn Văn Ngọc (2013). Nghiên cứu mô hình số sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp. Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, số 11-2013, Trang 89-96; 3. Ngô Trí Viềng, Trịnh Minh Thụ, Hoàng Việt Hùng, Vũ Quốc Vương, Nguyễn Văn Thìn và Nguyễn Thị Thu Hương (2013). Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ mới trong gia cố đê biển bằng neo đất, sử dụng công nghệ phụ gia consolid và chống xói bảo vệ mái. Tuyển tập Hội nghị khoa học thường niên năm 2013, trường Đại học Thủy lợi, Trang 23-24 (bản tóm tắt); 4. Nguyễn Văn Thìn và Nguyễn Bá Quỳ (2009). Ứng dụng phân tích rủi ro vào việc lựa chọn tiêu chuẩn an toàn cho đê biển Việt Nam. Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, số 11-2009, Trang 3-9; 5. Ngô Trí Viềng, Nguyễn Bá Quỳ và Nguyễn Văn Thìn (2008). Cơ chế phá hoại đê biển do sóng trong trường hợp có bão lớn. Tuyển tập Báo cáo hội thảo khoa học lần thứ nhất chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp nhà nước KC08/06-10; 6. Nguyễn Văn Thìn (2007). Ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc. Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, số 3-2007, Trang 95-99.