Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng kết cấu đê chắn sóng dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng kết cấu đê chắn sóng dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển" được hoàn thành với mục tiêu nhằm đề xuất dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc trong xây dựng công trình bảo vệ và ổn định bờ biển, bể cảng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng kết cấu đê chắn sóng dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU ĐÊ DẠNG BẢN NGHIÊNG TRÊN NỀN CỌC TRONG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU ĐÊ DẠNG BẢN NGHIÊNG TRÊN NỀN CỌC TRONG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt Mã số: 9580206 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Người hướng dẫn khoa học: Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Viết Thanh Người hướng dẫn khoa học 2: PGS. TS. Phùng Đăng Hiếu Hà Nội – 2023
1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. TÁC GIẢ
2 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của quý thầy cô ở Trường Đại học Giao thông vận tải, tôi đã hoàn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật: “Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng kết cấu đê chắn sóng dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển”, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải, Phòng đào tạo Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Công trình giao thông Thành phố và Công trình thủy, các cán bộ và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, đến quý thầy hướng dẫn đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Xin cảm ơn quý thầy cô giáo, các nhà khoa học, các chuyên gia trong và ngoài trường và các bạn đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để tác giả hoàn thiện luận án. Cuối cùng tôi xin cám ơn gia đình đã luôn ở bên, động viên, khích lệ và ủng hộ trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập. Xin trân trọng cảm ơn! TÁC GIẢ
3 MỤC LỤC Lời cam đoan 1 Lời cảm ơn 2 Danh mục hình vẽ 7 Danh mục bảng biểu 12 Danh mục từ viết tăt 13 Danh mục ký hiệu 14 Mở đầu 1 1 Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1 2 Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2 3.1 Đối tượng nghiên cứu 2 3.2 Phạm vi nghiên cứu 2 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................... 2 4.1 Ý nghĩa khoa học 2 4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3 5 Bố cục của luận án ......................................................................................... 3 Chương 1. Tổng quan nghiên cứu về kết cấu và tương tác giữa sóng với công trình đê ngăn cát giảm sóng 4 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về các giải pháp bảo vệ bờ biển........................... 4 1.1.1 Giới thiệu chung 4 1.1.2 Kết cấu công trình bảo vệ bờ biển 5 1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến hướng nghiên cứu của luận án .... 11 1.2.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới 11 1.2.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu tương tác giữa sóng và công trình trong nước 19
4 1.3 Tổng quan các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê ngăn cát giảm sóng .............................................................................................. 30 1.4 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết ................................................. 32 1.5 Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu ................................................. 32 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 32 1.5.2 Nội dung nghiên cứu 33 1.5.3 Dự kiến kết quả mang lại 33 1.6 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 34 1.7 Kết luận chương 1 ......................................................................................... 34 Chương 2. Cơ sở khoa học nghiên cứu tương tác giữa sóng và đê dạng bản nghiêng trên nền cọc 36 2.1 Cơ sở nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng ............... 36 2.1.1 Đặt vấn đề 36 2.1.2 Cơ sở về lý thuyết tương tự 36 2.2 Xây dựng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình vật lý ...................................... 39 2.2.1 Lựa chọn tỷ lệ mô hình 39 2.2.2 Chế tạo mẫu đê bản nghiêng 40 2.2.3 Thiết bị đo đạc và bố trí các vị trí đo đạc số liệu trên mô hình thí nghiệm 41 2.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình nghiên cứu .............................................. 46 2.3.1 Kiểm định độ chính xác của mẫu thí nghiệm 46 2.3.2 Kiểm định độ chính xác sóng trong máng sóng 46 2.3.3 Hiệu chỉnh và kiểm định đầu đo sóng 47 2.3.4 Hiệu chỉnh và kiểm định đầu đo áp lực 48 2.4 Xây dựng các kịch bản nghiên cứu ............................................................... 49 2.4.1 Thông số sóng thí nghiệm của các tác giả trước đây 49 2.4.2 Xây dựng các kịch bản nghiêng cứu 50
5 2.5 Phương pháp đo đạc và xử lý số liệu thí nghiệm .......................................... 53 2.5.1 Phương pháp đo đạc sóng phản xạ 53 2.5.2 Phương pháp tính toán sóng truyền 55 2.5.3 Phương pháp tính toán sóng phản xạ 55 2.5.4 Phương pháp tính toán hệ số tiêu tán năng lượng sóng 55 2.5.5 Phương pháp phân tích số liệu sóng thu được 55 2.6 Kết luận chương 2 ......................................................................................... 56 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC KHI SÓNG TƯƠNG TÁC VỚI KẾT CẤU ĐÊ BẢN NGHIÊNG 57 3.1 Đặc trưng truyền sóng ................................................................................... 57 3.1.1 Kết quả tính toán hệ số truyền sóng 57 3.1.2 Ảnh hưởng của mực nước đến truyền sóng 58 3.1.3 Ảnh hưởng của mái dốc bản nghiêng tới sóng truyền 60 3.1.4 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng 63 3.1.5 Ảnh hưởng của độ dốc sóng 64 3.2 Đặc trưng phản xạ sóng................................................................................. 69 3.2.1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm 69 3.2.2 Ảnh hưởng của mực nước đến phản xạ sóng 70 3.2.3 Ảnh hưởng của mái dốc bản nghiêng đến phản xạ sóng 73 3.2.4 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng đến phản xạ sóng 76 3.2.5 Ảnh hưởng của độ dốc sóng đến phản xạ sóng 77 3.3 Đặc trưng tiêu tán năng lượng sóng .............................................................. 81 3.3.1 Ảnh hưởng của mực nước đến tiêu tán năng lượng sóng 81 3.3.2 Ảnh hưởng của mái dốc bản nghiêng đến tiêu tán năng lượng sóng 84 3.3.3 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng đến tiêu tán năng lượng sóng 87 3.3.4 Ảnh hưởng của độ dốc sóng đến tiêu tán năng lượng sóng 88 3.4 Phân bố áp lực sóng trên bản nghiêng .......................................................... 90
6 3.4.1 Đặt vấn đề 90 3.4.2 Phân bố áp lực sóng trên đê bản nghiêng trên nền cọc 91 3.5 Phân bố vận tốc cực đại do sóng gây ra tại chân đê bản nghiêng ................. 94 3.5.1 Đặt vấn đề 94 3.5.2 Phân bố vận tốc lớn nhất do sóng gây ra ở khoảng hở giữa chân đê bản nghiêng và đáy 94 3.6 Kết luận chương 3 ......................................................................................... 95 Chương 4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu đề xuất giải pháp kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc trong xây dựng công trình bảo vệ bờ biển ở nước ta 97 4.1 Cơ sở lựa chọn giải pháp mặt cắt ngang đê bản nghiêng trong xây dựng công trình bảo vệ bờ biển ............................................................................................. 97 4.2 Đề xuất các dạng mặt cắt ngang đê bản nghiêng đối với công trình bảo vệ bờ biển ...................................................................................................................... 98 4.3 Thiết kế đê bản nghiêng trong xây dựng công trình bảo vệ bờ biển cảnh dương, quảng bình ......................................................................................................... 101 4.3.1 Giới thiệu chung về bờ biển Cảnh Dương 101 4.3.2 Điều kiện biên thiết kế 102 4.3.3 Xác định các thông số đặc trưng của kết cấu 111 4.4 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 116 Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo 117 1. Kết quả đạt được của luận án ........................................................................ 117 1.1. Nghiên cứu tổng quan 117 1.2. Nghiên cứu trên mô hình vật lý 117 1.3. Nghiên cứu ứng dụng vào công trình thực tế 117 2. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 118 3. Hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................................................... 118 Danh mục công trình đã công bố 119 Tài liệu tham khảo 120
7 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các loại dạng bố trí các tuyến đê ngăn cát giảm chắn sóng trong công trình bảo vệ bờ [1] 4 Hình 1.2: Cấu tạo đê mái nghiêng 5 Hình 1.3: Kết cấu đê ngăn cát giảm sóng dạng thùng chìm kích thước nhỏ 6 Hình 1.4: Kết cấu đê khối xếp 7 Hình 1.5: Mặt cắt ngang đê bán nguyệt có lỗ tiêu sóng 8 Hình 1.6: Đê giảm sóng tường cọc ly tâm 8 Hình 1.7: Đê giảm sóng bằng cấu kiện Busadco 9 Hình 1.8: Đê giảm sóng bằng cấu kiện Busaco 10 Hình 1.9: Mỏ hàn chữ T bằng cấu kiện chữ A và hình chóp 10 Hình 1.10: Sơ đồ thí nghiệm của Murakami et al., [13] 11 Hình 1.11: Sơ đồ thí nghiệm của Nallayarasu et al. (1994) 12 Hình 1.12: Đê PSR xây dựng ở Kimitsu, Chiba, Nhật bản 13 Hình 1.13: Sơ đồ kết cấu đê chắn sóng dạng phao nghiêng [16] 13 Hình 1.14: Đê bản nghiêng ở bờ biển Fujimori, Vịnh Suruga Bay, Nhật Bản 14 Hình 1.15: Sự truyền sóng và phản xạ sóng 14 Hình 1.16: Diễn biến đường bờ biển 14 Hình 1.17: Sơ đồ thí nghiệm của Rao và cộng sự [18] 15 Hình 1.18: Sơ đồ thí nghiệm và kết cấu bản nghiêng của Shirlal [19] 15 Hình 1.19: Sơ đồ thí nghiệm của Acanal và cộng sự 16 Hình 1.20: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ITP của Yagci et al., [21] 16 Hình 1.21: Sơ đồ nghiêng cứu 2 bản nghiêng đặt đối xứng [22] 17 Hình 1.22: Sơ đồ bố trí thí nghiệm của Yueh et al., (2016) 18 Hình 1.23: Sơ đồ thí nghiệm tương tác giữa sóng và đê mái nghiêng [25] 20
8 Hình 1.24: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu đánh giá ổn định và hiệu quả tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV [26] 20 Hình 1.25: Sơ đồ thí nghiệm tương tác giữa sóng và đê nghiêng Rakuna-IV [27] 21 Hình 1.26: Sơ đồ nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê có độ xốp 22 Hình 1.27: Sơ đồ máng sóng nghiên cứu tương tác giữa sóng và kè biển 23 Hình 1.28: Bố trí thí nghiệm nghiên cứu thực nghiệm tương tác giữa sóng và kết cấu đê bán nguyệt [39] 24 Hình 1.29: Sơ đồ bố trí thí nghiệm mặt cắt đê có cấu kiện tiêu sóng tại đỉnh 24 Hình 1.30: Sơ đồ nghiên cứu tương tác giữa sóng và các loại kết cấu đê [36] 25 Hình 1.31: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê ngầm bằng kết cấu đê mái nghiêng [38] 26 Hình 1.32: Sơ đồ bố trí thí nghiệm mô hình vật lý trên máng sóng để nghiên cứu áp lực sóng tác dụng lên kết cấu tường đỉnh của đê kè biển [40] 27 Hình 1.33: Mô hình vật lý cửa Lở, Quảng Ngãi [41] 28 Hình 1.34: Sơ đồ bố trí không gian công trình bảo vệ bờ biển và chỉnh trị cửa Nhật Lê, Quảng Bình 28 Hình 1.35: Sơ đồ nghiên cứu tương tác giữa sóng và các loại kết cấu đê nổi 29 Hình 2.1: Chế tạo đê bản nghiêng 41 Hình 2.2: Mặt cắt ngang đê bản nghiêng hoàn thiện 41 Hình 2.3: Máng sóng của Phòng Thí nghiệm trọng điểm về động lực sông biển, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam 42 Hình 2.4: Phòng điều khiển và giao diện điều khiển 42 Hình 2.5: Đầu đo sóng 202 43 Hình 2.6: Bộ khuếch đại sóng 43 Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm và bố trí đầu đo sóng trong máng sóng 44 Hình 2.8: Bố trí các đầu đo sóng trong mô hình thí nghiệm máng sóng 44 Hình 2.9: Đầu đo áp lực và bộ thu tín hiệu 45
9 Hình 2.10: So sánh kết quả chiều cao sóng tạo bởi máy tạo sóng và sóng thí nghiệm 46 Hình 2.11: Biểu đồ kiểm định đầu đo sóng G1 (trái) và G2 (phải) 47 Hình 2.12: Biểu đồ kiểm định đầu đo G3 (trái) và G4 (phải) 47 Hình 2.13: Biểu đồ kiểm định đầu đo P1 (trái) và P2 (phải) 48 Hình 2.14: Biểu đồ kiểm định đầu đo sóng P4 48 Hình 3.1: Quan hệ giữa hệ số truyền sóng Kt và chiều cao sóng Hs ứng với các mái dốc bản nghiêng khác nhau ứng với MN1 58 Hình 3.2: Quan hệ giữa hệ số truyền sóng Kt và chiều cao sóng Hs ứng với các độ dốc khác nhau ứng với mực nước MN2 59 Hình 3.3: Quan hệ giữa hệ số truyền sóng Kt và chiều cao sóng Hs ứng với các độ dốc khác nhau ứng với mực nước MN3 60 Hình 3.4: Quan hệ giữa chiều cao sóng và hệ số truyền sóng ứng với sự thay đổi mực nước 61 Hình 3.5: Quan hệ giữa Kt với các mực nước khác nhau khi độ dốc mái m=1.33 62 Hình 3.6: Quan hệ giữa Kt với các mực nước khác nhau khi độ dốc mái m=1,563 Hình 3.7: Tương quan giữa hệ số truyền sóng Kt và chu kỳ sóng 64 Hình 3.8: Tương quan giữa hệ số truyền sóng Kt và độ dốc sóng H/gT2 của Shil và cộng sự [53] 65 Hình 3.9: Tương quan giữa hệ số truyền sóng Kt và độ dốc sóng H/L của Acanal và cộng sự [20] 65 Hình 3.10: Tương quan giữa Kt và độ dốc sóng với mái dốc m=1 66 Hình 3.11: Tương quan giữa Kt và độ dốc sóng với mái dốc m=1,33 68 Hình 3.12: Tương quan giữa Kt và độ dốc sóng với mái dốc m=1,5 69 Hình 3.13: Quan hệ giữa Kr và chiều cao sóng với các mái dốc bản khác nhau ứng với mực nước MN1 71 Hình 3.14: Quan hệ giữa Kr và chiều cao sóng với các mái dốc bản khác nhau ứng với mực nước MN2 72
10 Hình 3.15: Quan hệ giữa Kr và chiều cao sóng với các mái dốc bản khác nhau ứng với mực nứoc MN3 73 Hình 3.16: Quan hệ giữa Kr và chiều cao sóng ứng với các mực nước khác nhau khi mái dốc bản nghiêng m=1 74 Hình 3.17: Quan hệ giữa Kr và chiều cao sóng ứng với các mực nước khác nhau khi mái dốc bản nghiêng m=1,33 75 Hình 3.18: Quan hệ giữa Kr và chiều cao sóng ứng với các mực nước khác nhau khi mái dốc bản nghiêng m=1,5 75 Hình 3.19: Quan hệ giữa Kr với chu kỳ sóng khi Hs = 0,14m 76 Hình 3.20: Tương quan giữa hệ số truyền sóng Kr và độ dốc sóng H/gT2 của Shil và cộng sự [53] 77 Hình 3.21: Tương quan giữa Kr và độ dốc sóng H/gT2 với mái dốc m=1 78 Hình 3.22: Tương quan giữa Kr và độ dốc sóng H/gT2 với mái dốc m=1,33 79 Hình 3.23: Tương quan giữa Kr và độ dốc sóng H/gT2 với mái dốc m=1,5 81 Hình 3.24: Quan hệ giữa KL và Hs ứng với MN1 82 Hình 3.25: Quan hệ giữa KL và Hs ứng với mực nước MN2 83 Hình 3.26: Quan hệ giữa KL và Hs ứng với MN3 84 Hình 3.27: Quan hệ giữa KL và Hs ứng với m=1 85 Hình 3.28: Quan hệ giữa KL và Hs ứng với m=1,33 85 Hình 3.29: Quan hệ giữa KL và Hs ứng với m=1,5 86 Hình 3.30: Quan hệ giữa KL và độ dốc sóng với mái dốc m=1 88 Hình 3.31: Quan hệ giữa KL và độ dốc sóng với mái dốc m=1,33 89 Hình 3.32: Quan hệ giữa KL và độ dốc sóng với mái dốc m=1,5 90 Hình 3.33: Phân bố áp lực sóng lên đê bản nghiêng trên nền cọc với các mái dốc khác nhau 93 Hình 3.34: Phân bố vận tốc cực đại do sóng gây ra ở khoảng hở giữa đê bản nghiêng trên nền cọc và đáy 95 Hình 4.1: Phối cảnh và mặt cắt ngang đê bản nghiêng trên nền cọc có đáy kín 98
11 Hình 4.2: Phối cảnh và mặt cắt ngang đê bản nghiêng trên nền cọc có đáy hở 99 Hình 4.3: Vị trí địa lý xã Cảnh Dương 102 Hình 4.4: Một số hình ảnh về bờ biển Cảnh Dương 102 Hình 4.5: Tần suất tốc độ gió Trạm đo Cồn Cỏ (1976 – 2020) 103 Hình 4.6: Hoa gió trạm Cồn Cỏ (1976-1995) 104 Hình 4.7: Mặt bằng tổng thể bố trí các hạng mục công trình bảo vệ bờ biển 113 Hình 4.8: Mặt cắt ngang điển hình đê bản nghiêng bảo vệ bờ biển Cảnh Dương 114 Hình 4.9: Phối cảnh 3D điển hình đê bản nghiêng bảo vệ bờ biển Cảnh Dương 114 Hình 4.10: Phương án do Viện khoa học thuỷ lợi thiết kế 115
12 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các hằng số tỷ lệ tương tự cơ bản của mô hình 40 Bảng 2.2: Các thông số sóng và tỷ lệ nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê trên mô hình vật lý 49 Bảng 2.3: Các thông số đầu vào của các kịch bản nghiên cứu thí nghiệm 51 Bảng 3.1: Hệ số truyền sóng Kt của đê bản nghiêng với các mái dốc khác nhau 57 Bảng 3.2: Hệ số phản xạ sóng Kr của đê bản nghiêng với các mái dốc khác nhau 70 Bảng 3.3: Hệ số tiêu tán năng lượng sóng của đê bản nghiêng ứng với các kịch bản thí nghiệm 87 Bảng 4.1: Phân bố mực nước cực trị ven biển Cảnh Dương 105 Bảng 4.2: Các đặc trưng chế độ trường sóng ven bờ khu vực (độ sâu 30m) 105 Bảng 4.3: Các đặc trưng của trường sóng gió cực đại theo các hướng 106 Bảng 4.4: Các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 1 107 Bảng 4.5: Các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 2 108 Bảng 4.6: Các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 3a 109 Bảng 4.7: Các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp đất 3 110 Bảng 4.8: So sánh giải pháp đề xuất với đê mái nghiêng có khối phủ 115
13 DANH MỤC TỪ VIẾT TĂT Ký hiệu Giải thích ITP Bản nghiêng mỏng ĐMN Đê mái nghiêng MBEM Mô hình BEM đa miền LWS Màn chắn sóng MHVL Mô hình vật lý MN1 Mực nước ngang đỉnh đê, MN1 = 0,67 m MN2 Mực nước thấp hơn đỉnh đê 0,6Hs; MN2 = 0,59m MN3 Mực nước thấp hơn đỉnh đê 0,78Hs; MN2 = 0,54m MNTK Mực nước thiết kế CTĐĐ Cao trình đỉnh đê
14 DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ Ký hiệu Giải thích H, Hs Chiều cao sóng (m) H0 Chiều cao sóng nước sâu (m) Hi Chiều cao sóng sau đê (m) Hr Chiều cao sóng phản xạ trước đê (m) L Chiều dài sóng (m) T, Tp Chu kỳ sóng (s) d Độ sâu nước (m) h Chiều cao đê (m) Góc nghiêng của đê so với hướng sóng tới; β Góc pha giữa sóng tới và sóng phản xạ gf Hệ số chiết giảm sóng Kr Hệ số phản xạ sóng, Hr/Hs Kt Hệ số truyền sóng, Kt = Hi/Hs KL Hệ số tiêu tán sóng, 𝐾 = 1 − 𝐾 − 𝐾 𝜆l Hệ số tỷ lệ độ dài hay còn gọi là tỷ xích độ dài, tỷ xích hình học U Vận tốc (m/s) a Gia tốc; biên độ của sóng (m) ai Biên độ của sóng tới (m) ar Biên độ của sóng phản xạ (m) λa Hằng số tỷ lệ của vận tốc λb Hằng số tỷ lệ của gia tốc f Lực tác dụng λf Hằng số tương tự về lực tác dụng Re Hệ số Reynolds Trọng lượng của các mẫu của nguyên hình; P Giá trị áp lực sóng γ Khối lượng riêng của các mẫu của nguyên hình C Tốc độ truyền sóng λL Hằng số tỷ lệ về chiều dài sóng λh Hằng số tỷ lệ về kích thước thẳng đứng λc Hằng số tỷ lệ về tốc độ truyền sóng
15 Ký hiệu Giải thích λT Hằng số tỷ lệ về chu kỳ λu Hằng số tỷ lệ về lưu tốc η Độ cao chất điểm của bề mặt nước k Số sóng, k=2π/L σ Tần số sóng, σ = 2π/ T λη Hằng số tỷ lệ về độ cao chất điểm của bề mặt nước λHs Hằng số tỷ lệ về chiều cao sóng Hs/L Độ dốc sóng ηf Tỷ lệ tần số (Hz) ηs Tỷ lệ diện tích (m2) ηP Tỷ lệ trọng lượng (kg) 𝜂CK Độ nhám Vmax Vận tốc cực đại của dòng chảy do sóng tạo ra ở chân đê
1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Trên thế giới, đa số công trình bảo vệ cảng và bờ biển ứng dụng kết cấu đê mái nghiêng truyền thống hoặc kết cấu trọng lực tường đứng dạng thùng chìm hoặc khối xếp. Đê mái nghiêng được sử dụng phổ biến ở những vùng nước sâu, loại đê này có khối lượng lớn và không kinh tế. Ở những vùng nước sâu, chế độ sóng thường khắc nghiệt nên khi thi công bằng đá hộc dễ bị sóng đánh mạnh gây bất ổn định, chính vì vậy, dạng đê tường đứng hay được sử dụng hơn. Tuy nhiên, loại đê này khó khăn trong chế tạo, vận chuyển nổi, gây xói cục bộ và mất ổn định do sóng phản xạ mạnh từ mặt tường đứng. Hơn nữa, công nghệ xây dựng đê chắn sóng tường đứng là khá phức tạp. Đê hỗn hợp là giải pháp khá phù hợp, tuy nhiên chi phí vật liệu vẫn còn khá lớn đối với một nước có kinh tế chưa được phát triển như nước ta. Nghiên cứu phát triển các loại khác của kết cấu đê ngăn cát giảm sóng ngày càng được khuyến khích để tối ưu hóa việc sử dụng các vật liệu, cung cấp các giải pháp thân thiện với môi trường sinh thái để giải quyết cho các vấn đề về kỹ thuật bờ biển. Để đáp ứng mục tiêu phát triển hệ thống hạ tầng cảng biển và các công trình ven bờ theo một quy hoạch tổng thể và thống nhất trên quy mô cả nước nhằm đáp ứng yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước; tạo cơ sở vật chất kỹ thuật để nhanh chóng đưa nước ta hội nhập và đủ sức cạnh tranh trong hoạt động cảng biển với các nước trong khu vực và trên thế giới, khẳng định vị trí và ưu thế về kinh tế biển, đồng thời góp phần bảo đảm quốc phòng, an ninh, của đất nước. Việc nghiên cứu lựa chọn các loại hình kết cấu công trình hàng hải có độ bền cao, hiệu quả kinh tế trong khai thác là rất cần thiết. Đặc biệt đối với công trình bảo vệ bờ biển. Hiện nay, hầu hết kết cấu công trình đê bảo vệ bờ biển thường áp dụng hai chủng loại kết cấu truyền thống là kết cấu đê mái nghiêng và đê tường đứng. Gần đây, các phương pháp thiết kế và thi công kết cấu đê bán nguyệt đã được nghiên cứu [1-3]. Đây là một dạng kết cấu có khả năng giảm sóng tốt, độ ổn định cao, giảm vật liệu, kinh tế. Các nghiên cứu bước đầu đã đưa ra các phương pháp tính toán thiết kế và công nghệ thi công nhưng chưa đủ độ tin cậy để ứng dụng trong điều kiện nước ta. Kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc có cấu tạo đơn giản, có ưu điểm là cho phép dòng chảy lưu thông tốt phía dưới dẫn đến ít làm cản trở trao đổi nước của
2 môi trường, chi phí vật liệu giảm đi và thường khá hiệu quả khi được xây dựng cho các khu vực có nền đất yếu, công nghệ thi công không quá phức tạp. Loại hình kết cấu này là tiềm năng cho việc xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo ở nước ta. Do đó, đề tài hướng tới việc nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý bằng máng sóng về tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng. Đây là hướng nghiên cứu rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học nhằm xác định các thông số của mặt cắt ngang đê bản nghiêng cũng như làm rõ các đặc trưng thủy động lực khi sóng tương tác với đê. Kết quả của nghiên cứu này là cơ sở tin cậy để có thể áp dụng kết cấu đê bản nghiêng trong xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển ở nước ta. 2 Mục đích nghiên cứu Để có thể ứng dụng được loại kết cấu đê bản nghiêng có vấu kết hợp khuyết lõm giảm sóng trên nền cọc cần tiến hành nghiên cứu tương tác giữa sóng và đê để từ đó làm rõ được các đặc trưng thủy động lực khi sóng tác động lên mái nghiêng của đê. Trên cơ sở nghiên cứu này, tiến hành đề xuất dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc trong xây dựng công trình bảo vệ và ổn định bờ biển, bể cảng. 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu i. 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài tương tác giữa sóng và kết cấu đê dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển trong điều kiện của các chế độ sóng thí nghiệm được lựa chọn phù hợp với điều kiện nước ta. ii. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng bằng mô hình vật lý máng sóng. Không nghiên cứu đến độ bền của kết cấu, ảnh hưởng của nền cọc đến bản nghiêng. 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn i. 4.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu về tương tác của sóng với đê đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu khá nhiều. Tuy nhiên mỗi nghiên cứu chỉ mới thể hiện được đặc trưng thủy động lực cho loại kết cấu được lựa chọn và sóng khu vực
3 nghiên cứu. Do đó, khi sóng tương tác với một dạng kết cấu có sự cải tiến về hình dạng, độ rỗng, độ nhám sẽ cho các đặc trưng thủy động lực khác nhau. Đề tài luận án hướng tới nghiên cứu giữa dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc được tạo bởi bản nghiêng có bố trí vấu kết hợp với khuyết lõm tiêu giảm sóng có ý nghĩa khoa học quan trọng góp phần làm sáng tỏ hơn các đặc trưng về truyền sóng, phản xạ sóng, phân tán năng lượng sóng của đê bản nghiêng. ii. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Việc cải tiến các dạng kết cấu đê để đưa ra những loại kết cấu kinh tế về đầu tư xây dựng, công nghệ thi công đơn giản đang thu hút nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung đi sâu nghiên cứu. Đề tài luận án đã cải tiến dạng đê bản nghiêng trên nền cọc truyền thống bằng cách bố trí thêm vấu và khuyết lõm để tiêu tán năng lượng sóng. Đây là giải pháp kết cấu có mặt cắt ngang kinh tế, kết cấu công trình ít ảnh hưởng tới môi trường nơi xây dựng. 5 Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án có bố cục 4 chương như sau: Chương 1 là tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới đê ngăn cát giảm sóng và đê dạng bản nghiêng trên nền cọc. Chương 2 luận án tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý thông qua các chỉ số tương tự mô hình, thảo luận các phương pháp đo đạc sóng phản xạ, phân tích cơ sở lựa chọn sóng thí nghiệm từ đó làm cơ sở xây dựng kịch bản nghiên cứu tương tác giữa sóng và đê bản nghiêng trên nền cọc trên mô hình vật lý máng sóng. Chương 3 luận án thảo luận chi tiết các đặc trưng về truyền sóng, phản xạ sóng, tiêu tán năng lượng sóng của đê bản nghiêng. Ngoài ra, luận án cũng đã thảo luận phân bố áp lực sóng trên bề mặt bản nghiêng và phân bố vận tốc cực đại do sóng gây ra ở khoảng hở giữa đê và đáy khi tương tác với đê. Chương 4 luận án đã ứng dụng kết quả nghiên cứu ở chương 3 để đề xuất 2 dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc dùng trong bảo vệ bể cảng, và công trình ổn định và bảo vệ bờ biển. Đã thiết kế cho một công trình ổn định và bảo vệ bờ biển ở xã Cảnh Dương, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình.