Xem mẫu
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (Hb/H) với (S.H/g.W.T2) ...........................................40
Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1 ....................48
vi
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- - 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
- - 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
- 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
Nhưng do những biến động lớn về môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu toàn
cầu, tần suất và cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, đặc biệt là: bão, triều cường 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
- 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
- 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
- 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
- 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
nguon tai.lieu . vn
