Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, áp dụng cho các khu đô thị, du lịch vùng Duyên hải Bắc Bộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:182

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, áp dụng cho các khu đô thị, du lịch vùng Duyên hải Bắc Bộ" được thực hiện với mục đích đánh giá ảnh hưởng của tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng đến sóng tràn qua tường biển từ kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng. Đề xuất được 01 mặt cắt ngang tường biển phù hợp cho khu đô thị, khu du lịch ở vùng duyên hải Bắc Bộ và áp dụng cho khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, áp dụng cho các khu đô thị, du lịch vùng Duyên hải Bắc Bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TĂNG XUÂN THỌ NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN MẶT CONG CÓ MŨI HẮT SÓNG, ÁP DỤNG CHO CÁC KHU ĐÔ THỊ, DU LỊCH VÙNG DUYÊN HẢI BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TĂNG XUÂN THỌ NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN MẶT CONG CÓ MŨI HẮT SÓNG, ÁP DỤNG CHO CÁC KHU ĐÔ THỊ, DU LỊCH VÙNG DUYÊN HẢI BẮC BỘ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 958.02.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. TRẦN THANH TÙNG 2. GS. TS. PHẠM NGỌC QUÝ HÀ NỘI, NĂM 2023
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 đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Tăng Xuân Thọ i
LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Ngọc Quý và PGS.TS Trần Thanh Tùng và đã tận tình hướng dẫn, định hướng cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho NCS trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, Phòng Đào tạo, Phòng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp trường Đại học Thủy lợi; các cơ quan, các nhà khoa học, các đồng nghiệp và xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban chủ nhiệm đề tài cấp Bộ Xây dựng “Nghiên cứu chế tạo cấu kiện tường biển có mũi hắt sóng phục vụ xây dựng công trình bảo vệ bờ đảo và bờ các khu đô thị, và khu du lịch ven biển”, Mã số TĐ145-17 đã cung cấp số liệu và giúp đỡ NCS để có thể hoàn thành nhiệm vụ này. Tác giả cũng xin được chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Công trình biển và đường thủy, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là GS.TS Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Lê Hải Trung, TS. Lê Tuấn Hải. Các thầy cô đã tạo điều kiện, giúp đỡ NCS về mặt chuyên môn cũng như đóng góp những ý kiến quý báu để để NCS thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Đặc biệt, NCS gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã hỗ trợ, động viên để tác giả duy trì nghị lực, sức khỏe, chia sẻ gánh vác công việc của gia đình, cơ quan trong suốt quá trình nghiên cứu để tác giả hoàn thành luận án. ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................... xii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 5 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 5 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .................................................... 6 4.1. Cách tiếp cận ..................................................................................................6 4.2. Phương pháp nghiên cứu................................................................................6 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................... 6 5.1. Ý nghĩa khoa học ...........................................................................................6 5.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................6 6. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 7 7. Cấu trúc của luận án ..................................................................................... 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN 8 1.1 Tổng quan về sóng tràn ................................................................................ 8 1.1.1 Khái niệm chung về sóng tràn và lưu lượng sóng tràn trung bình .................8 1.1.2 Lưu lượng sóng tràn cho phép .......................................................................8 1.1.3 Các tham số chi phối sóng tràn ......................................................................9 1.2 Các nghiên cứu về sóng tràn qua tường biển trên thế giới và Việt Nam ...... 10 1.2.1 Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển ở nước ngoài ....................................11 1.2.2 Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển, tường biển ở Việt Nam ........................23 1.3 Hiện trạng tường biển và hư hỏng tường biển ở vùng duyên hải Bắc Bộ .... 26 1.4 Kết luận chương 1 ...................................................................................... 31 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN CÓ MŨI HẮT SÓNG TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ 33 iii
2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng .................................................................................................................. 33 2.1.1 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng ..........................................................................................................33 2.1.2 Thiết kế nghiên cứu ......................................................................................34 2.2 Cơ sở lý thuyết chung về mô hình vật lý..................................................... 36 2.2.1 Tương tự về hình học ...................................................................................36 2.2.2 Tương tự về động học ..................................................................................36 2.2.3 Tương tự về động lực học ............................................................................36 2.2.4 Lý thuyết phi thứ nguyên .............................................................................37 2.3 Thiết kế thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua tường biển trên mô hình vật lý máng sóng......................................................................................................... 39 2.3.1 Điều kiện biên và địa hình bãi biển phục vụ thiết kế thí nghiệm ................39 2.3.2 Điều kiện về thiết bị thí nghiệm ...................................................................39 2.3.3 Lựa chọn tỉ lệ mô hình .................................................................................40 2.3.4 Phân tích phi thứ nguyên .............................................................................41 2.3.5 Xây dựng mô hình tường biển và bố trí thí nghiệm .....................................44 2.3.6 Các tham số đo đạc và tính toán ..................................................................48 2.3.7 Trình tự thí nghiệm ......................................................................................49 2.3.8 Các kịch bản thí nghiệm...............................................................................51 2.4 Phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình và điều kiện phòng thí nghiệm ........ 54 2.5 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 56 CHƯƠNG 3 SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN MẶT CONG CÓ MŨI HẮT SÓNG ĐẶT TRÊN BỆ MÁI NGHIÊNG .....................................................................57 3.1 Ảnh hưởng của mũi hắt sóng và hình dạng mặt tường đến lưu lượng sóng tràn 57 3.1.1 Ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến lưu lượng tràn ........................................57 3.1.2 Ảnh hưởng của hình dạng mặt tường đến lưu lượng tràn ............................61 3.2 Phân tích tương tác sóng - tường biển biển mặt cong có mũi hắt sóng bằng hệ thống video - camera......................................................................................... 62 3.2.1 Quá trình tương tác sóng - tường .................................................................63 3.2.2 Phân tích sóng tràn qua tường biển mặt cong bằng hệ thống video - camera 67 3.2.3 Kết quả phân tích tương tác sóng - tường biển ............................................71 iv
3.3 Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm sóng tràn do ảnh hưởng của tường mặt cong có mũi hắt sóng ...................................................... 80 3.3.1 Lựa chọn dạng công thức thực nghiệm ........................................................80 3.3.2 Xây dựng công thức thực nghiệm ................................................................81 3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................... 89 CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG TƯỜNG BIỂN PHÙ HỢP CHO KHU DU LỊCH ĐỒ SƠN, THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG .......................................................92 4.1 Lựa chọn địa điểm ứng dụng kết quả nghiên cứu ........................................ 92 4.1.1 Vị trí địa lý ...................................................................................................92 4.1.2 Điều kiện tự nhiên ........................................................................................93 4.2 Hiện trạng tường biển ................................................................................. 94 4.2.1 Hiện trạng kết cấu tường biển tại khu du lịch Đồ Sơn, Hải Phòng..............94 4.2.2 Hiện trạng sóng tràn qua một số đoạn tường biển tại Đồ Sơn .....................97 4.2.3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng tràn tới hư hỏng tường biển tại Đồ Sơn 101 4.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu ................................................................... 104 4.3.1 Xác định cao trình đỉnh tường ...................................................................105 4.3.2 Đề xuất bố trí mặt cắt ngang tường biển ....................................................108 4.3.3 Đề xuất quy trình nâng cấp, cải tạo tường biển .........................................110 4.4 Kết luận chương 4 .................................................................................... 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................113 I. Kết quả đạt được của luận án ....................................................................... 113 II. Những đóng góp mới của luận án ............................................................... 115 III. Tồn tại và hướng phát triển ....................................................................... 115 IV. Kiến nghị .................................................................................................. 116 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................118 PHỤ LỤC ....................................................................................................................123 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 0.1 Các dạng mặt cắt ngang tường biển .................................................................1 Hình 0.2 Sơ họa sóng tràn qua (a) tường biển thẳng đứng không mũi hắt sóng; (b) tường biển thẳng đứng có mũi hắt sóng; (c) tường biển mặt cong có mũi hắt sóng .................2 Hình 0.3 Hiện tượng xói chân tường biển do cộng hưởng sóng phản xạ ........................3 Hình 0.4 Một số công trình tường biển ở vùng duyên hải Bắc Bộ, Việt Nam ................3 Hình 0.5 Minh họa mặt cắt ngang tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng trên mái nghiêng .........................................................................................................................................4 Hình 1.1 Sóng tràn qua tường biển ..................................................................................8 Hình 1.2 Sơ đồ bố trí thùng đo sóng tràn trên đỉnh tường biển ở Samphire Hoe (Pullen và cộng sự 2008)............................................................................................................12 Hình 1.3 Hình dạng tường thẳng đứng trên mái nghiêng ..............................................16 Hình 1.4 Sơ đồ tường có mũi hắt trên mái nghiêng (trái) và định nghĩa các tham số của tường đỉnh (phải) theo EurOtop (2018) .........................................................................16 Hình 1.5 Kích thước tường mặt cong có mũi hắt sóng do Berkeley-Thorn và Roberts (1981) đề xuất ................................................................................................................18 Hình 1.6 Mô hình thí nghiệm đê phá sóng tường đứng mặt cắt hỗn hợp của Franco và nnk (1994)......................................................................................................................18 Hình 1.7 Định nghĩa các tham số tính toán sóng tràn cho tường đứng đơn giản có mũi hắt sóng (EurOtop – 2018) ............................................................................................19 Hình 1.8 Sóng tràn qua các dạng mặt cắt tường biển khác nhau - Veale và nnk (2012) .......................................................................................................................................20 Hình 1.9 Mặt cắt ngang tường biển được thí nghiệm trong nghiên cứu của Talia Schoonees (2014) ..........................................................................................................21 Hình 1.10 Tổng hợp các dạng mặt cắt ngang tường biển được thí nghiệm trong Đề tài KHCN Bộ Xây Dựng, 2019 - Mã số TĐ 145-17...........................................................26 Hình 1.11 Tường biển bảo vệ bờ tại đảo Trần, huyện Cô Tô, tỉnh Quảng Ninh ..........27 Hình 1.12 Công trình bảo vệ bờ biển trước chùa Cái Bầu, Quảng Ninh ......................27 Hình 1.13 Tường biển bảo vệ Nhà máy ô tô Vinfast trên đảo Cát Hải .........................28 Hình 1.14 Tường biển khu du lịch Đồ Sơn, Hải Phòng ................................................29 Hình 1.15 Sóng tràn, sóng bắn qua đỉnh tường biển diễn ra thường xuyên ở Đồ Sơn, Hải Phòng trong các đợt gió mùa Đông Bắc mạnh ..............................................................29 Hình 1.16 Các khối đá bị sóng đẩy lên mặt đường sau các đợt bão, gió mùa Đông Bắc mạnh tại Đồ Sơn, Hải Phòng .........................................................................................30 vi
Hình 2.1 Sơ đồ các bước nghiên cứu sóng tràn qua tường biển bằng mô hình vật lý của luận án............................................................................................................................35 Hình 2.2 Máng sóng Hà Lan được sử dụng để thực hiện thí nghiệm tường biển .........40 Hình 2.3 Sơ đồ bố trí các hạng mục công trình và đầu đo sóng ....................................45 Hình 2.4 Kích thước bệ mái nghiêng bằng gỗ (đơn vị: mm) ........................................45 Hình 2.5 Các MCN tường biển được thí nghiệm (trái), mô hình tường biển bằng nhựa mica (phải) .....................................................................................................................46 Hình 2.6 Kích thước tường biển mặt cong có mũi hắt sóng được thí nghiệm ..............46 Hình 2.7 Bố trí mô hình tường biển trong máng sóng ..................................................47 Hình 2.8 Hệ thống máy tính thu số liệu sóng và máy quay ghi lại tương tác sóng với công trình .......................................................................................................................50 Hình 2.9 Hiệu chỉnh đầu đo bằng phần mềm HR-DAQ ...............................................50 Hình 2.10 Sự biến thiên chiều cao sóng từ nước sâu vào nước nông của một kịch bản sóng đều .........................................................................................................................54 Hình 3.1 So sánh lưu lượng tràn qua tường biển mặt đứng có mũi hắt (TM1) và không có mũi hắt (TK1) ...........................................................................................................58 Hình 3.2 So sánh lưu lượng tràn qua tường biển mặt nghiêng có mũi hắt (TM2) và không có mũi hắt (TK2) ...........................................................................................................58 Hình 3.3 So sánh lưu lượng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt (TM3) và không có mũi hắt (TK3) ...........................................................................................................59 Hình 3.4 Hình ảnh thí nghiệm sóng tràn qua tường mặt đứng không có (trái) và có mũi hắt sóng (phải) ...............................................................................................................60 Hình 3.5 Hình ảnh thí nghiệm sóng tràn qua tường mặt nghiêng không có (trái) và có mũi hắt sóng (phải) ........................................................................................................60 Hình 3.6 Hình ảnh thí nghiệm sóng tràn qua tường mặt cong không có (trái) và có mũi hắt sóng (phải) ...............................................................................................................60 Hình 3.7 So sánh lưu lượng tràn của cả từng dạng mặt cắt ngang tường, trường hợp có mũi hắt ...........................................................................................................................62 Hình 3.8 Giai đoạn 1, lưỡi sóng tiếp xúc với mái nghiêng và bắt đầu leo trên mái nghiêng .......................................................................................................................................64 Hình 3.9 Giai đoạn 1, sóng không vỡ, lưỡi sóng tiếp tục di chuyển trên mái nghiêng .64 Hình 3.10 Giai đoạn 2, sóng va vào thân tường và đã xuất hiện sóng bắn ...................65 Hình 3.11 Giai đoạn 2, lưỡi sóng tiếp xúc với thân tường và uốn cong theo hình dạng của mặt cong ..................................................................................................................65 Hình 3.12 Giai đoạn 2, nước lấp đầy mặt cong dưới mũi hắt sóng ...............................65 vii
Hình 3.13 Giai đoạn 2, sóng tiếp xúc với thân tường và uốn cong theo hình dạng của mặt tường và mũi hắt sóng bắn ngược lại phía biển......................................................65 Hình 3.14 Giai đoạn 3, sóng bắn đạt chiều cao lớn nhất ...............................................66 Hình 3.15 Giai đoạn 3, dòng chảy sóng tràn qua đỉnh tường được hình thành .............66 Hình 3.16 Giai đoạn 4, sóng bắt đầu rút về phía biển ...................................................67 Hình 3.17 Giai đoạn 4, sóng rút hoàn toàn về phía biển ...............................................67 Hình 3.18 Giao diện Grabit trên Matlab ........................................................................69 Hình 3.19 Xử lý tăng chất lượng ảnh sóng tràn từ video camera..................................69 Hình 3.20 Gán điểm tham chiếu cho hình ảnh sóng tràn từ video camera ...................69 Hình 3.21 Trích xuất dữ liệu sóng bắn từ ảnh video camera ........................................70 Hình 3.22 Trích xuất đường mặt nước sóng tràn từ ảnh video camera .........................70 Hình 3.23 Thời điểm dòng tràn bắt đầu hình thành trên đỉnh tường biển .....................71 Hình 3.24 Thời điểm dòng tràn qua khỏi đỉnh tường biển ............................................71 Hình 3.25 Phạm vi lưỡi sóng hình thành khi sóng tương tác với tường, kịch bản Re_D70H13T18.............................................................................................................71 Hình 3.26 Chiều cao đỉnh lưỡi sóng lớn nhất kịch bản Re_D70H13T18 .....................71 Hình 3.27 Tổng hợp chiều cao đỉnh lưỡi sóng lớn nhất của các kịch bản sóng đều .....72 Hình 3.28 Đường mực nước sóng tràn kịch bản Re_D70H13T18 ...............................73 Hình 3.29 Chiều dày lớp nước tràn lớn nhất trong kịch bản Re_D70H13T18 .............73 Hình 3.30 Chiều dày lớp nước tràn lớn nhất trong nhóm các kịch bản sóng đều .........74 Hình 3.31 Tương quan giữa chiều cao đỉnh lưỡi sóng tương đối và chiều cao lưu không tương đối ........................................................................................................................77 Hình 3.32 Tương quan giữa chiều cao lưu không tương đối và độ đốc đỉnh sóng tương đối ..................................................................................................................................77 Hình 3.33 Tương quan giữa chiều cao lưu không tương đối và độ dốc lớp tràn tương đối .......................................................................................................................................78 Hình 3.34 Tương quan giữa chiều cao đỉnh lưỡi sóng tương và thời gian duy trì dòng tràn đỉnh tường biển tương đối ......................................................................................78 Hình 3.35 Tương quan giữa lưu lượng tràn tương đối và thời gian duy trì dòng tràn đỉnh tường biển tương đối .....................................................................................................79 Hình 3.36 Sơ đồ tính toán sóng tràn qua tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng .........81 Hình 3.37 So sánh số liệu đo đạc sóng tràn với trường hợp đê có cùng cao trình và không có tường đỉnh (đê có hệ số mái trước m = 2) ................................................................82 Hình 3.38 Sự biến đổi của hệ số chiết giảm  v* với chiều cao tường tương đối hw / Rc .......................................................................................................................................84 viii
Hình 3.39 Hệ số  v* tính từ thí nghiệm có xu thế nghịch biến với độ dốc sóng sm −1,0 ..84 Hình 3.40 Quan hệ  v* với chiều cao tường tương đối hw / Rc sm−1,0 ..........................85 Hình 3.41 Quan hệ  v* với chiều cao tường tương đối  = hw / Rc sm−1,0 ....................87 Hình 3.42 So sánh kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn phi thứ nguyên giữa đo đạc và tính toán .........................................................................................................................87 Hình 3.43 Số liệu sóng tràn so sánh với EurOtop-2018 sau khi đã xét tới hệ số chiết giảm sóng tràn do tường mặt cong có mũi hắt sóng  v* ................................................88 Hình 4.1 Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu áp dụng kết cấu tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng tại khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng ................................................92 Hình 4.2 Hoa gió tại trạm Hòn Dấu (2000 - 2021) .......................................................94 Hình 4.3 Các đoạn tường biển tại bán đảo Đồ Sơn và các mặt cắt ngang điển hình. ...95 Hình 4.4 Mặt cắt ngang đoạn tường biển số 5, khu du lịch Đồ Sơn, Hải Phòng ..........96 Hình 4.5 Kết cấu mũi hắt sóng đoạn tường biển số 3, khu du lịch Đồ Sơn, Hải Phòng .......................................................................................................................................97 Hình 4.6 Mặt cắt ngang đoạn tường biển số 3, khu du lịch Đồ Sơn, Hải Phòng ..........97 Hình 4.7 Vị trí các mặt cắt ngang được đo đạc dọc theo tuyến tường biển khu du lịch Đồ Sơn ...........................................................................................................................98 Hình 4.8 Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm MC10 [6] ................................99 Hình 4.9 Lưu lượng sóng tràn trung bình qua một số mặt cắt tường biển tại Đồ Sơn 102 Hình 4.10 Hiện trạng vị trí ứng dụng thiết kế kết quả nghiên cứu ..............................105 Hình 4.11 Mặt cắt ngang tường biển đề xuất áp dụng cho KDL Đồ Sơn ...................110 ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tham số chi phối đến sóng tràn qua đê/tường biển ...................................9 Bảng 1.2 Hệ số chiết giảm sóng tràn  s cho đê tường đứng (Franco và Franco (1999)) .......................................................................................................................................19 Bảng 2.1 Tỉ lệ của một số tham số cơ bản theo tiêu chuẩn Froude ...............................37 Bảng 2.2 Hiệu ứng tỉ lệ và các giới hạn quan trọng (EurOtop 2018)............................41 Bảng 2.3 Các tham số chi phối cơ bản trong thí nghiệm sóng tràn qua tường biển .....42 Bảng 2.4 Ma trận thứ nguyên cơ bản ............................................................................42 Bảng 2.5 Đặc điểm của các dạng mặt cắt ngang tường biển được thí nghiệm .............46 Bảng 2.6 Vị trí và mục đích của các đầu đo sóng .........................................................46 Bảng 2.7 Các tham số đo đạc và tính toán của thí nghiệm............................................48 Bảng 2.8 Các kịch bản thí nghiệm cho nhóm TN 1 – sóng tràn qua các dạng mặt cắt ngang tường biển khác nhau ..........................................................................................51 Bảng 2.9 Các kịch bản thí nghiệm cho nhóm TN 2 – sóng tràn qua tường mặt cong có mũi hắt sóng...................................................................................................................52 Bảng 3.1 Các kịch bản thí nghiệm sóng đều .................................................................68 Bảng 3.2 Chiều cao đỉnh lưỡi sóng lớn nhất ( S max ) của các kịch bản sóng đều ...........72 Bảng 3.3 Chiều dày lớn nước tràn lớn nhất ...................................................................74 Bảng 3.4 Thời gian duy trì dòng chảy tràn trên đỉnh tường biển ..................................75 Bảng 3.5 Tham số sóng tràn tương đối qua tường biển ................................................76 Bảng 4.1 MNTK và tham số sóng tại nước sâu ứng với các giá trị tần suất thiết kế ..100 Bảng 4.2 Kết quả tham số sóng trước chân công trình của các đoạn tường biển tương ứng với các tần suất khác nhau ....................................................................................100 Bảng 4.3 Lưu lượng tràn trung bình qua một số đoạn tường biển tại Đồ Sơn ............101 Bảng 4.4 Mức độ tác động của lưu lượng tràn qua tường biển [6] .............................101 Bảng 4.5 Mức độ ảnh hưởng của lưu lượng tràn sau khi tính toán .............................103 Bảng 4.6 Tính toán lựa chọn chiều cao tường biển .....................................................108 x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải thích 2D/3D 2-dimensional/3-dimensional BNN&PTNT Bộ nông nghiệp và Phát triển nông thôn HR-DAQ Data Acquisition and Analysis Software KDL Khu du lịch KHCN Khoa học công nghệ KTM Ký hiệu không thỏa mãn điều kiện MC Mặt cắt MCN Mặt cắt ngang MNTK Mực nước thiết kế NCS Nghiên cứu sinh nnk Những người khác NLSW Non-Linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông PL Phụ lục PT Phương trình QĐ Quyết định RANS Reynolds Averaged Navier Stokes – Mô hình toán họ RANS STT Số thứ tự TCTL Tiêu chuẩn thủy lợi TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TH Trường hợp TK (1, 2, 3) Ký hiệu tường không có mũi hắt TN Thí nghiệm TM Ký hiệu thỏa mãn điều kiện TM (1, 2, 3) Ký hiệu tường có mũi hắt TT Thông tư VOF Volume Of Fluid – Mặt thoáng WG Wave gauge xi
DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Giải thích Chiều cao an toàn dự phòng trong công thức tính cao trình a' m đỉnh đê/tường biển (đổi ký hiệu) - Hệ số trung bình trong công thức sóng tràn qua tường biển a mặt cong có mũi hắt sóng aM m - Gia tốc tại điểm bất kỳ tương ứng của mô hình an - n các đại lượng biến đổi độc lập aNm - Gia tốc tại điểm bất kỳ của nguyên hình A m2 Tham số diện tích Đại lượng đặc trưng cho chiều cao lưu không trong công Aq - thức tính lưu lượng sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng Đại lượng đặc trưng cho lưu lượng sóng tràn trong công Ar - thức tính lưu lượng sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng Độ dâng cao của mực nước biển do ảnh hưởng của biến đổi b ' m khí hậu toàn cầu trong công thức tính cao trình đỉnh đê/tường biển (đổi) Hệ số trung bình trong công thức sóng tràn qua tường biển b - mặt cong có mũi hắt sóng Bb m Bề rộng cơ đê Hệ số trung bình trong công thức sóng tràn qua tường biển c - mặt cong có mũi hắt sóng d m Độ sâu nước trước tường đứng phía trên thềm cơ D m Độ sâu nước thí nghiệm trong máng sóng fMn - Lực tác dụng tại điểm bất kỳ tương ứng của mô hình f Nn - Lực tác dụng tại điểm bất kỳ của nguyên hình Fr - Số Reynol g m/s2 Gia tốc trọng trường h m Độ sâu nước trước chân công trình htr m Chiều dày lớp nước tràn trung bình xii
Ký hiệu Đơn vị Giải thích hw m Chiều cao tường Hđ m Tổng chiều cao công trình H m0 m Chiều cao sóng mô men 0 tại chân công trình H m 0,0 m Chiều cao sóng mô men 0 ở nước sâu H rms m Chiều cao sóng quân phương Hs m Chiều cao sóng ý nghĩa tại chân công trình H s ,0 m Chiều cao sóng ý nghĩa ở nước sâu kbn - Hệ số chiết giảm do mũi hắt sóng Kr - Hệ số phản xạ lM n - Độ dài tuyến tính tương tứng của mô hình lNn - Độ dài tuyến tính của nguyên hình Chiều dài sóng ở nước sâu xác định theo chu kỳ đỉnh phổ L0 m sóng Chiều dài sóng xác định theo chu kỳ phổ sóng trung bình Lm m Tm Chiều dài sóng xác định theo chu kỳ đặc trưng phổ sóng Lm −1,0 m Tm −1,0 m - Hệ số mái đê n - Các đại lượng biến đổi độc lập được chọn ở phương trình PTK % Tần suất thiết kế m3/s/m hoặc q Lưu lượng sóng tràn trung bình đơn vị l/s/m m3/s/m hoặc Lưu lượng sóng tràn trong trường hợp đê không có tường qref l/s/m cong m3/s/m hoặc Lưu lượng sóng tràn trường hợp đê có tường cong có mũi qw l/s/m hắt sóng Q - Lưu lượng sóng tràn phi thứ nguyên r - Các đại lượng (số biến) cơ bản Chiều cao lưu không của đỉnh đê/tường so với mực nước Rc m tính toán Re - Lực ma sát xiii
Ký hiệu Đơn vị Giải thích Chiều cao sóng leo 2% (ứng với 2% con sóng vượt qua Ru 2% m mức này ở trên mái đê không tràn) Độ dốc sóng ở nước sâu xác định theo chu kỳ sóng đỉnh s0 - phổ Tp Độ dốc sóng biểu kiến xác định theo chu kỳ đặc trưng phổ sm −1,0 - sóng Tm −1,0 sm - Độ dốc sóng xác định theo chu kỳ phổ trung bình Tm S max m Chiều cao đỉnh lưỡi sóng lớn nhất t s Tham số thời gian hoặc thời gian thí nghiệm Tm s Chu kỳ đỉnh phổ trung bình Tm −1,0 s Chu kỳ đặc trưng phổ sóng ttr s Thời gian duy trì dòng chảy sóng tràn trên đỉnh Tp s Chu kỳ đỉnh phổ sóng U Mn - Vận tốc tại điểm bất kỳ tương ứng của mô hình U Nn - Vận tốc tại điểm bất kỳ của nguyên hình v m/s Tham số lưu tốc V l hoặc m 3 Tổng thể tích sóng tràn đo được We - Sức căng bề mặt Z MNTK m Cao trình mực nước thiết kế Zt m Cao trình đỉnh tường biển  (º) Độ dốc của mái đê phía biển w (º) Góc nghiêng của tường đỉnh trên đê  (º) Góc sóng tới b - Hệ số chiết giảm sóng tràn do cơ đê  bn - Hệ số chiết giảm sóng tràn do mũi hắt sóng ở tường đỉnh f - Hệ số chiết giảm sóng tràn do độ nhám mái s - Độ dài ngắn của đỉnh sóng Hệ số chiết giảm sóng tràn do độ dốc sóng và mũi hắt  s 0,bn - sóng ở tường đỉnh xiv
Ký hiệu Đơn vị Giải thích v - Hệ số chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh trên đê  v* - Hệ số chiết giảm sóng tràn do tường cong có mũi hắt sóng  - Hệ số chiết giảm sóng tràn do góc sóng tới xiên góc Hàm số của chiều cao tường và tính chất tương tác sóng  - với tường  (º) Góc ở mũi hắt sóng λ - Tỉ lệ mô hình a - Hệ số tương tự của gia tốc f - Hệ số tương tự về lực F r - Hệ số tương tự Froude Hệ số tỉ lệ độ dài hay còn gọi là tỉ xích độ dài, tỉ xích hình l - học u - Hệ số tương tự của vận tốc Пj - Các biến không thứ nguyên, j = 1 ÷ (n - r)  - Hệ số sóng vỡ Iribarren (chỉ số tương tự sóng vỡ) xv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam hiện có khoảng 405 đô thị trải dài trên hơn 3.200 km bờ biển và dự kiến đến năm 2025, sẽ có thêm khoảng 130 thành phố dự kiến sẽ được xây dựng [1]. Cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, việc xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển ở các thành phố, khu đô thị, khu du lịch ven biển là 1 xu thế tất yếu trong bối cảnh các tác động của biến đổi khí hậu và thiên tai ở vùng ven biển ngày càng trở nên rõ rệt. Do quỹ đất tại các khu đô thị, khu du lịch ven biển thường hạn hẹp, không phù hợp để xây dựng đê biển với mặt cắt ngang hình thang. Mặt khác, đê biển cũng không phù hợp với yêu cầu về thẩm mỹ tại những khu vực này. Thay vào đó, tường biển sẽ được lựa chọn làm công trình bảo vệ cho toàn bộ kết cấu hạ tầng và dân sinh kinh tế của khu vực. Hiện nay phần lớn các khu đô thị, du lịch ven biển ở vùng duyên hải Bắc Bộ nước ta đều đang được bảo vệ bằng tường biển do những ưu điểm về cảnh quan và mặt bằng so với đê biển truyền thống. Tường biển là một dạng công trình bảo vệ bờ biển với chức năng bảo vệ và ổn định đường bờ cũng như toàn bộ khu vực phía sau công trình trước tác động của sóng, nước dâng và các tác động bất lợi khác từ phía biển. Tường biển thường được thiết kế để tạo cảnh quan hài hòa giữa biển và đất liền, góp phần khai thác hiệu quả những giá trị của các khu đô thị, du lịch ven biển. Nhìn chung, tường biển có mặt cắt ngang khá phong phú nhưng có thể chia thành 03 dạng cơ bản bao gồm: dạng thẳng đứng (Hình 0.1a), dạng bậc thang (Hình 0.1b) và dạng mặt cong (Hình 0.1c) [2]. Hình 0.1 Các dạng mặt cắt ngang tường biển 1
Hầu hết tường biển tại các khu đô thị, khu du lịch ven biển ở vùng duyên hải Bắc Bộ đều được xây dựng, tu bổ qua nhiều thời kỳ khác nhau. Vì vậy, tường biển tại nhiều khu vực thường xuyên bị hư hỏng do một số hạn chế về kỹ thuật, gây ảnh hưởng đáng kể tới kết cấu hạ tầng và dân sinh kinh tế của các khu đô thị, du lịch ven biển. Mặt khác, hiện nay các công trình ven biển đang phải chịu ảnh hưởng trực tiếp của biến đổi khí hậu và nước biển dâng, dẫn đến nguy cơ sóng tràn qua công trình ngày càng lớn hơn. Về lý thuyết, có thể sử dụng biện pháp gia tăng cao trình đỉnh của công trình hiện có để giảm sóng tràn. Tuy nhiên, việc nâng cao trình đỉnh tường biển có thể gây cản trở tầm nhìn ra phía biển, ảnh hưởng tới cảnh quan chung của khu vực. Một trong những giải pháp giảm sóng tràn nhưng không làm gia tăng cao trình đỉnh tường được đề xuất là thiết kế tường biển có mũi hắt sóng (Hình 0.2b), đặc biệt có thể kết hợp với mặt cong để giảm lưu lượng sóng tràn (Hình 0.2c). Mặt cong ở thân tường và mũi hắt sóng có tác dụng hướng dòng chảy ra khỏi khu vực được bảo vệ. Khi sóng tới đập vào thân tường, mặt cong và mũi hắt sóng của tường sẽ hướng dòng nước ra phía biển. Hình 0.2 Sơ họa sóng tràn qua (a) tường biển thẳng đứng không mũi hắt sóng; (b) tường biển thẳng đứng có mũi hắt sóng; (c) tường biển mặt cong có mũi hắt sóng Tuy vậy, khi làm mũi hắt sóng thì áp lực nước lên thân tường và mũi hắt sóng sẽ lớn hơn so với trường hợp tường thẳng đứng [3] tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định trượt ngang và gia tăng hiện tượng xói bãi trước sát chân tường (Hình 0.3). 2
Hình 0.3 Hiện tượng xói chân tường biển do cộng hưởng sóng phản xạ Để khắc phục hiện tượng mất ổn định và xói chân tường nêu trên, hiện nay một số mặt cắt ngang tường biển hỗn hợp ở nước ta được nghiên cứu đề xuất với kết cấu bao gồm một khối tường biển bằng bê tông trọng lực đặt trên một bệ mái nghiêng. Tường biển đặt trên bệ mái nghiêng hoàn toàn khác với kết cấu tường đỉnh đặt trên đê biển. Các kết cấu tường đỉnh đặt trên đê biển thường có chiều cao giới hạn trong khoảng 0,8 ÷ 1,2 m. Trong khi đó, tường biển đặt trên bệ mái nghiêng có chiều cao trong khoảng từ 1,5 ÷ 3,0 m, lớn hơn nhiều so với tường đỉnh đặt trên đê biển (Hình 0.4). Mặt cắt ngang kết cấu tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng thường được áp dụng để bảo vệ các khu du lịch, đô thị ven biển ở nước ta được minh họa trong Hình 0.5. Hình 0.4 Một số công trình tường biển ở vùng duyên hải Bắc Bộ, Việt Nam 3