Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:153

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu luận án là làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố thủy động lực học và hình học tới vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè đá đổ; Xác định công thức tính toán vận tốc dòng chảy lớn nhất tại chân kè, từ đó chọn ra giải pháp thiết kế kết cấu kiện bảo vệ chân kè đá đổ khi có và không có mố nhám.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM VĂN LẬP NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG TẠI CHÂN KÈ NÔNG TRONG THIẾT KẾ CHÂN KÈ ĐÁ ĐỔ, ÁP DỤNG CHO ĐÊ BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP&PTNN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM VĂN LẬP NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG TẠI CHÂN KÈ NÔNG TRONG THIẾT KẾ CHÂN KÈ ĐÁ ĐỔ, ÁP DỤNG CHO ĐÊ BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Lê Xuân Roanh 2. GS. TS. Ngô Trí Viềng HÀ NỘI, NĂM 2019
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 được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Phạm Văn Lập
LỜI CẢM ƠN Luận án ““Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng” được thực hiện từ 11/2014 và hoàn thành vào 11/2018. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Xuân Roanh GS.TS. Ngô Trí Viềng đã dành nhiều công sức giúp đỡ và tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ của Trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là các thầy cô giáo trong Bộ môn Thủy công Khoa Công trình, bộ môn Kỹ thuật công trình biển thuộc khoa Kỹ thuật Biển, cán bộ thuộc phòng TNTL tổng hợp, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, các nhà khoa học từ các đơn vị trong và ngoài trường Đại học Thủy Lợi có nhiều đóng góp quý báu và đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án này.
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... iii MỤC LỤC ............................................................................................................................. i DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................................v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ..................................................... vi CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN.................................................. vii MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.....................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..........................................................................................................2 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 ...........................................................................................2 7. Cấu trúc của luận án ..........................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ ĐÊ BIỂN ĐÁ ĐỔ ........................4 1.1 Kết cấu bảo vệ chân kè đê biển .............................................................................4 1.1.1 Cấu tạo chung của đê biển ...................................................................................4 1.1.2 Khái quát lớp bảo vệ chân kè đê biển ..................................................................5 1.1.3 Chân kè nông ........................................................................................................7 1.2 Dòng chảy khu vực chân kè nông .........................................................................7 1.2.1Hình thành dòng chảy khu vực gần chân kè ........................................................................................................................................7 1.2.2. Dòng chảy tiếp cận vùng sóng vỗ.......................................................................9 1.2.2.1 Chuyển động quỹ đạo của phần tử nước .........................................................9 1.2.2.2 Lý thuyết sóng tuyến tính ................................................................................9 1.2.2.3 Lý thuyết sóng bậc cao ..................................................................................11 1.2.2.4 Lý thuyết dòng chảy sóng bậc 2 ....................................................................12 1.2.3.Dòng chảy do sóng tác động tới chân kè nông ......................................................................................................................................13 1.3 Nghiên cứu ổn định của chân kè đá đổ ..............................................................18 1.3.1 Nghiên cứu chân kè đá đổ trên thế giới ............................................................18 i
1.3.2 Nghiên cứu ổn định chân kè tại Việt Nam ........................................................23 1.3.2.1 Nghiên cứu thử nghiệm và lý thuyết .............................................................23 1.3.2.2. Nghiên cứu ứng dụng ...................................................................................24 1.3.3 Những tồn tại của nghiên cứu chân kè hiện nay ..............................................26 1.4. Định hướng vấn đề nghiên cứu của luận án .........................................................27 1.5. Kết luận chương 1 ...................................................................................................28 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH SỐ NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY TẠI CHÂN KÈ NÔNG .....29 2.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................29 2.2 Hướng nghiên cứu dạng mô hình toán ...................................................................30 2.2.1 Một số phần mềm thông dụng trong nghiên cứu sóng vùng ven bờ ................30 2.2.2 Máng sóng số ......................................................................................................30 2.2.2.1 Các phương trình cơ bản sử dụng trong lý thuyết máng sóng số ..................31 2.2.2.2 Cấu trúc của máng sóng số ............................................................................34 2.3 Lựa chọn điều kiện biên cho chạy mô hình toán ...................................................35 2.3.1 Căn cứ thiết lập thông số tính toán ....................................................................35 2.3.2. Hiệu chỉnh mô hình máng sóng số MSS-2D ....................................................35 2.3.3 Kiểm định mô hình trường hợp mái không có mố nhám ................................36 2.3.4 Kiểm định mô hình trường hợp mái có mố nhám .............................................38 2.4 Nghiên cứu khả năng tiêu giảm năng lượng khi có mố nhám .............................40 2.5 Mối quan hệ giữa các tham số .................................................................................43 2.6 Kết luận chương 2 ....................................................................................................46 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG Ở CHÂN KÈ NÔNG BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ................................................................................................48 3.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................48 3.2 Hướng nghiên cứu bằng mô hình vật lý .................................................................48 3.2.1 Quá trình phát triển hướng nghiên cứu ............................................................48 3.2.2 Lý thuyết chuyển đổi thông số tương quan trong mô hình ..............................49 3.2.2.1 Thứ nguyên ....................................................................................................49 3.2.2.2 Tính tương tự trong nghiên cứu mô hình vật lý ............................................50 3.2.3 Giới thiệu mô hình vật lý ....................................................................................51 3.3 Cơ sở lựa chọn biên thí nghiệm ..............................................................................54 3.3.1 Chọn biên thí nghiệm .........................................................................................54 ii
3.3.2 Máng sóng thí nghiệm ........................................................................................55 3.4 Kịch bản thí nghiệm .................................................................................................57 3.5 Kết quả thí nghiệm máng sóng vật lý .....................................................................59 3.6 Xây dựng công thức thực nghiệm ...........................................................................61 3.6.1 Cơ sở lập ..............................................................................................................61 3.6.2 Giải và tìm hàm phiếm phụ ................................................................................62 3.6.3 Bài toán tổng quát...............................................................................................63 3.6.4 Tính toán vận tốc chân kè ..................................................................................63 3.7 Kết luận chương 3 ....................................................................................................65 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN SO SÁNH KHỐI LƯỢNG VIÊN ĐÁ BẢO VỆ CHÂN KÈ ÁP DỤNG CHO ĐÊ BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG ..............................................................66 4.1 Giới thiệu chung về đê Cát Hải, Hải Phòng ..........................................................66 4.1.1 Hiện trạng công trình trước khi sửa chữa ........................................................66 4.1.2 Thông tin chung phục vụ tính toán thiết kế ......................................................67 4.2 Hiện tượng hư hại mái kè do vật rắn chà xát ........................................................68 4.3 Thiết kế mố nhám chân kè ......................................................................................69 4.4 Đề xuất quy trình kiểm tra điều kiện ổn định viên đá tại chân kè ......................72 4.5 Tính toán lựa chọn cấu kiện bảo vệ ........................................................................73 4.5.1 Nhận xét về các lần sửa chữa và nâng cấp gần đây tại tuyến đê nghiên cứu .73 4.5.2 Thiết kế chi tiết mố nhám cản đá và hình dáng cấu kiện tạo nên mố nhám ...73 4.5.3 Kết quả quan trắc mố nhám thiết kế ..................................................................78 4.6 So sánh tính toán khối lượng viên đá tại chân kè .................................................78 4.7 Nhận xét chung về phương án đề xuất ..................................................................79 4.8 Kết luận chương 4 ....................................................................................................79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................81 1. Kết quả đạt được của luận án ......................................................................................81 2. Những đóng góp mới của luận án ................................................................................82 3. Tồn tại và hướng phát triển ..........................................................................................82 4. Kiến nghị ........................................................................................................................82 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................................................................83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................84 iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu tạo mặt cắt ngang điển hình của đê biển ........................................................4 Hình 1.2: Cấu tạo một số chân kè đại diện trong kết cấu đê biển .........................................6 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc máng sóng số [34] .......................................................................34 Hình 2.2: Kiểm định mô hình-Vận tốc thực đo và vận tốc tính toán trường hợp không đặt mố nhô .................................................................................................................................38 Hình 2.3: Kiểm định mô hình-Vận tốc thực đo và vận tốc tính toán trường hợp có mố nhô .............................................................................................................................................40 Hình 2.4: Tỷ lệ tiêu giảm vận tốc so sánh khi có và không có mố nhám............................42 Hình 3.1: Bố trí đầu đo một thí nghiệm máng sóng [43],[44],[45] .....................................52 Hình 3.2: Máng sóng tại phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp - Đại học Thủy lợi.............53 Hình 3.3: Đo mực nước tĩnh trước khi thí nghiệm ..............................................................53 Hình 3.4: Theo dõi số liệu hiện thị trên màn hình ...............................................................54 Hình 3.5: Phòng điều khiển trung tâm của hệ thống máng .................................................54 Hình 3.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ........................................................................................55 Hình 3.7: Đá xử dụng trong thí nghiệm rải tại chân kè, (a) sàng đá kích cỡ 2x4, (b) phun sơn đá 1x2 ............................................................................................................................56 Hình 3.8: Cấu kiện sử dụng thí nghiệm ...............................................................................56 Hình 3.9: Lắp đặt cấu kiện thí nghiệm ................................................................................58 Hình 3.10: Ghi chép kết quả kịch bản thí nghiệm tại Phòng TNTLTH – Đại học Thủy lợi .............................................................................................................................................58 Hình 3.11: So sánh vận tốc dòng chảy lớn nhất của công thức tổng quát với kết quả thí nghiệm, công thức lý thuyết tuyến tính của Van Rijn và theo tiêu chuẩn TCVN 9901-2014. .............................................................................................................................................65 Hình 4.1: Mái kè hư hại toàn tuyến do đá hộc mài mòn .....................................................67 Hình 4.2: Một số hình ảnh sự mài mòn cấu kiện mái kè khi vật rắn chà xát ......................69 Hình 4.3: Viên đá qua khe hàng thứ nhất và bị giữ lại tại hàng thứ hai ..............................71 Hình 4.4: Sơ họa bố trí mặt bằng và hình ảnh thí nghiệm mố nhám cản đá trên mái kè ....71 Hình 4.5: Bố trí cấu kiện trên mái kè ..................................................................................72 Hình 4.6 : Mặt cắt đứng bố trí mố nhám cản đá ..................................................................76 Hình 4.7: Bố trí mặt bằng mố nhám sửa chữa .....................................................................76 Hình 4.8: Chi tiết cấu tạo cấu kiện chèn chân mố nhám ( h =50cm) ..................................77 iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thống kê thông số thí nghiệm ............................................................................30 Bảng 2.2: Các thông số sử dụng chạy máng sóng số MSS-2D ...........................................36 Bảng 2.3: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng ...............................................37 Bảng 2.4: Kết quả kiểm định vận tốc ngang lớn nhất (U max) giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý ......................................................................................................................37 Bảng 2.5: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám ..........................39 Bảng 2.6: Kết quả thí nghiệm cho 12 kịch bản mái kè đặt mố nhô ....................................39 Bảng 2.7: Kết quả kiểm định vận tốc Umax giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý .............................................................................................................................................40 Bảng 2.8: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám ..........................41 Bảng 2.9: Vận tốc theo phương ngang U và phương đứng V của tính toán .......................41 Bảng 2.10: So sánh hai phương án khi có và không có mố nhám ......................................42 Bảng 2.11: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 0,8m và T(s) = 5,06s ................45 Bảng 2.12: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,0m và T(s) = 6,96s ................46 Bảng 3.1: Ký hiệu và đơn vị của của thứ nguyên cơ bản [49] ............................................50 Bảng 3.2: Kịch bản thí nghiệm ............................................................................................59 Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm đo vận tốc lớn nhất ..............................................................60 Bảng 3.4: Kết quả đo đạc vận tốc lớn nhất tại chân kè, mái không có mố nhám ...............61 Bảng 4.1: Thông số tính toán biên thủy hải văn thiết kế .....................................................67 Bảng 4.2: Chiều cao sóng tại chân kè tại 10 mặt cắt đặc trưng ...........................................68 Bảng 4.3: Tính toán chiều dày lớp bảo vệ dạng cột ............................................................75 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ARC (Active Reflection Compensation): Hấp thụ sóng phản xạ chủ động; BT: Bê tông; BTCT: Bê tông cốt thép; CUR/CIRIA, Construction Industry Research and Information Association- Liên kết thông tin và nghiên cứu công nghệ xây dựng; CWPRS: Phòng thí nghiêm thuỷ lợi, thuỷ điện trung ương của Ấn Độ; ĐHBK TP.HCM: Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh; ĐHHH: Đại học Hàng Hải; ĐHTL: Đại học Thủy lợi; ĐHXD: Đại học Xây dựng; FVM (Finite Volume Method): “Phương pháp thể tích hữu hạn”; Hướng S, N, E, W: Hướng Nam, Bắc, Đông, Tây; JONSWAP (Joint North Sea Wave Project): Dự án nghiên cứu sóng biển Bắc; MSS-2D/ MSS-CT: Máng sóng số 2 chiều; NLSW: Non-linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông; PM (Peirsion-Moskowitz); Phòng TNTLTH: Phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp: RANS - VOF: Reynolds Averaged Navier Stokes - Volume of fluid : Mô hình toán họ RANS – VOF; TAW (Technical Report Wave Run- up and Wave Overtopping at Dikes): Sổ tay kỹ thuật tính toán sóng tràn qua đê; TEST: Kịch bản thí nghiệm; TNTL: Thí nghiệm thủy lực; VKHTLVN: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; VNIIG: Phòng thí nghiệm Thuỷ công của Liên Xô cũ; WES:Trạm thí nghiệm đường thuỷ của binh đoàn công binh Mỹ. vi
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu αb, i % Độ dốc bãi  - Chỉ số sóng vỡ Iribarren E J Năng lượng sóng g m2/s Gia tốc trọng trường HS m Chiều cao sóng có nghĩa d m Kích thước đặc trưng vật liệu ds m Độ sâu nước tại chân công trình D m Chiều dày lớp bảo vệ, i - Độ dốc bãi trước đê k 1/m số sóng Kr - Hệ số phản xạ Lm m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ trung bình L0 m Chiều dài sóng nước sâu LP m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ đỉnh phổ LS m Chiều dài sóng thiết kế m - Hệ số mái dốc P % Tần suất s0p - Độ dốc sóng Tp s Chu kì đỉnh phổ T s Thời gian chu kỳ sóng Tm s Chu kỳ phổ trung bình Tm-1,0 s Chu kỳ phổ đặc trưng Zd m Cao trình đỉnh đê Ztr m Mực nước triều Ztr,tk m Mực nước triều thiết kế Zđáy đh - Cao độ đáy địa hình i - Tỷ lệ mô hình λ m Chiều dài sóng γβ - Hệ số chiết giảm sóng tràn do sóng tới xiên góc vii
γb - Hệ số chiết giảm sóng tràn do cơ đê γr - Hệ số chiết giảm sóng tràn do độ nhám K() - Hệ số hiệu chỉnh đường kính ym,e m Chiều sâu hố xói cân bằng q (l/m/s) Lưu lượng sóng tràn trung bình Rc m Độ cao lưu không phía trên mực nước tính toán FD N Thành phần lực kéo hạt do dòng chảy tác động FS N Thành phần lực cắt do ứng suất tiếp đáy FL N Thành phần lực nâng do độ cong dòng chảy gây ra FF N Thành phần lực ma sát giữa các hạt gìm giữ nó khi di chuyển, W kg Trọng lượng bản thân hạt uc m/s Vận tốc ngang dòng chảy/ vận tốc giới hạn Δ - s - w Tỷ trọng tương đối của vật liệu (  = ) w ρw kg/m3 Khối lượng riêng của nước ρđ kg/m3 Khối lượng riêng của đá ρs kg/m3 Khối lượng riêng của vật liệu rắn Umax m/s Vận tốc lớn nhất theo phương ngang Vmax m/s Vận tốc lớn nhất theo phương đứng UmaxTN m/s Vận tốc lớn nhất trong thí nghiệm UmaxTT m/s Vận tốc lớn nhất trong tính toán Ucr m/s Vận tốc dòng chảy trung bình phương nghiêng dn50 m Đường kính hạt trung bình lọt sàng 50% d50 m Đường kính hạt lọt sàng 50% Pb - Hệ số phản ánh khả năng thấm/thoát nước của thân và nền kè Sb - Tham số hư hỏng ban đầu N - Số con sóng tới công trình trong một trận bão; Φ - Hệ số ổn định Ψ - Hệ số Shields giới hạn Ψc - Hệ số Shields giới hạn khi tính vận tốc ngang Ψcr - Hệ số dòng chảy rối Shields do Sleath đề xuất viii
λgc - Hệ số ma sát thủy lực tương ứng với kiểu mố nhám gia cường. MNTK m Mực nước thiết kế H0 m Chiều cao sóng nước sâu H m Chiều cao sóng Hrms m Chiều cao sóng quân phương s0 - Ðộ dốc sóng nước sâu α, β0 Độ Góc sóng tới n - Độ xốp C m/s Vận tốc pha (sóng) Cd - Hệ số cản nhám khi lôi vật liệu Cm - Hệ số gia tăng quán tính CL - Hệ số nâng vật liệu Cf - Hệ số cản nhám do Seath đề xuất Ub m/s Vận tốc quỹ đạo cực đỉnh gần đáy No % Hiệu suất tiêu giảm vận tốc ɷ - Tần số ɷo - Hệ số đặc trưng xác định con sóng ix
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam có đường bờ biển dài, trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa và thường xuyên chịu tác động của bão. Số cơn bão xuất hiện trong năm từ 6 đến 10 cơn và đặc biệt trong những năm gần đây bão có thể xuất hiện vào thời gian sớm hoặc muộn với cấp gió khá lớn. Thông thường bão hoạt động di chuyển dần từ Bắc xuống Nam theo thời gian. Trong khi đó mùa mưa bão miền Bắc từ tháng 5 đến tháng 10, vào miền Trung thì chậm hơn bắt đầu vào tháng 7 và kéo xuống cuối năm. Như vậy, hầu như trong năm suốt dải đất ven biển luôn chịu ảnh hưởng của bão hoặc áp thấp nhiệt đới. Mặt khác hướng đi của bão thay đổi không theo quy luật. Thực tế trong những năm qua các tuyến đê, kè biển sau mỗi trận bão, kết cấu của thân đê kè và chân đê kè đều bị ảnh hưởng dẫn đến kinh phí tu bổ đê kè biển sau bão khá lớn. Chân kè bảo vệ mái phía biển có các dạng chính như: Chân kè nổi, chân kè nông, chân kè sâu. Nếu theo hình thức sử dụng vật liệu có thể kể ra như: chân kè bằng thảm đá, chân kè bằng ống buy bên trong chèn đá hộc, chân kè bằng cọc và bản bê tông cốt thép, chân kè bằng cừ bản thép hoặc bê tông… Trong điều kiện kinh tế hiện nay nhiều đoạn đê đã sử dụng chân kè bằng ống buy vì những ưu điểm trong thi công và quản lý, duy tu. Một số loại chân kè khác có áp dụng như tấm cừ thép (chân kè khu vực bờ biển Nha Trang), chân kè bằng trụ cột bê tông cốt thép có tấm bản bê tông cốt thép (kè biển Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định). Chung quy các loại chân kè thuộc dạng chân kè nông, vật liệu bảo vệ chân kè là đá hộc. Trong tính toán kích thước viên đá theo TCVN 9901:2014 đã sử dụng công thức (1.37) do Izobat đề xuất, công thức này mới kể đến 3 yếu tố: chiều cao sóng, độ sâu nước và bước sóng, mặt khác sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính để tính toán. Thực tế cho thấy: đá hộc rải trên nền giáp chân kè bị di chuyển, hoặc bị đẩy lên mái, hoặc di động dọc bờ, hoặc rời ra phía biển. Nổi trội hiện nay là hiện tượng đá trượt lên mái, lúc lên, lúc xuống, ma sát giữa đá và mái kè đã gây mài mòn và làm hư hại kết cấu bảo vệ mái. Vì những lý do nêu trên, ảnh hưởng của đá mài mòn kè là rất nguy hại đến an toàn của mái kè, cần tìm ra được chính xác vận tốc tại chân kè để từ đó xác định khối lượng viên đá cho phù hợp. Đề tài “Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng” do vậy đã được đề xuất để nghiên cứu. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu Luận án sẽ giải quyết hai mục tiêu cơ bản sau đây: - Làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố thủy động lực học và hình học tới vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè đá đổ; -Xác định công thức tính toán vận tốc dòng chảy lớn nhất tại chân kè, từ đó chọn ra giải pháp thiết kế kết cấu kiện bảo vệ chân kè đá đổ khi có và không có mố nhám. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: dòng chảy do sóng tại chân kè; - Phạm vi nghiên cứu: chân kè đê biển Bắc Bộ Việt Nam. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về ổn định chân kè đê biển đá đổ; - Mô hình số nghiên cứu dòng chảy tại chân kè nông; - Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng ở chân kè nông bằng mô hình vật lý; - Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán kiểm tra ổn định viên đá tại chân kè cho đê Cát Hải, Hải Phòng. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận Để giải quyết được mục tiêu của luận án, tác giả lựa chọn cách kế thừa vừa mang tính sáng tạo, phù hợp với điều kiện Việt Nam. 5.2 Phương pháp nghiên cứu - 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 thực nghiệm: nghiên cứu trên mô hình vật lý với máng sóng hiện đại, tỷ lệ thu nhỏ mô hình phù hợp để mô phỏng sóng tiến đến chân kè và làm sáng tỏ chế độ dòng chảy với sự ảnh hưởng của yếu tố hình học tại vùng chân kè khi có và không có mố nhám. - Phương pháp mô hình số: ứng dụng mô hình MSS-2D để mô tả vec-tơ vận tốc dòng chảy do sóng, phân tích ảnh hưởng của các tham số thủy lực và thông số công trình tới chế độ dòng chảy tại chân kè; hỗ trợ nội dung nghiên cứu mô hình vật lý. - Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế mố nhám cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2
- Ý nghĩa khoa học: Thông qua kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra bức tranh tổng quát ảnh hưởng của yếu tố thủy động học và hình dạng kết cấu công trình đến vận tốc ngang lớn nhất tại chân kè (mà trước đây công thức sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế chưa đề cập tới). Luận án đã đề xuất công thức tính mới là một đóng góp mang tính khoa học. - Ý nghĩa thực tiễn: Tìm ra được vận tốc lớn nhất tại chân kè do sóng mang tới, đề xuất công thức tính toán khối lượng cấu kiện bảo vệ chân kè là việc làm ý nghĩa, định hướng cho người thiết kế áp dụng. 7. 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 về ổn định chân kè đê biển đá đổ; - Chương 2: Mô hình số nghiên cứu dòng chảy tại chân kè nông; - Chương 3: Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng ở chân kè nông bằng mô hình vật lý; - Chương 4: Tính toán so sánh khối lượng viên đá bảo vệ chân kè áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng. 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ ĐÊ BIỂN ĐÁ ĐỔ 1.1 Kết cấu bảo vệ chân kè đê biển 1.1.1 Cấu tạo chung của đê biển Đê biển là loại công trình chống ngập do thuỷ triều và nước dâng đối với khu dân cư, khu kinh tế và vùng khai hoang lấn biển. Kè biển là loại công trình gia cố bờ chống sự phá hoại trực tiếp của hai yếu tố chính là tác dụng của sóng gió và tác dụng của dòng ven bờ. Ngoài ra, với đê biển được bảo vệ bằng vật liệu chống chịu được tác động của sóng và dòng lên thân đê thì lớp bảo vệ này làm việc như một kết cấu kè. Ven bờ biển dòng chảy có thể mang bùn cát bồi đắp cho bờ hay làm xói chân mái dốc dẫn đến làm sạt lở bờ. Cấu tạo của đê biển thông thường có các bộ phận chính như sau[1],[2],[3],[4]:  Thân đê;  Chân đê;  Lớp bảo vệ mái phía biển;  Bộ phận đỉnh đê: mặt đê và có thể có tường đặt trên đỉnh đê;  Bộ phận bảo vệ mái phía đồng;  Rãnh tiêu nước sau đê. Hình 1.1: Cấu tạo mặt cắt ngang điển hình của đê biển Chân kè bảo vệ mái phía biển có các dạng chính như: chân kè nổi, chân kè nông, chân kè sâu, chân kè bằng thảm đá, chân kè bằng ống buy lồng đá trong ống buy và lăng trụ đá đỡ ngoài, chân kè bằng cọc và bản bê tông cốt thép, chân kè bằng cừ bản thép hoặc bê tông, chân kè là đá hộc thả rối có chiều dày và bề rộng tính toán, chân kè là rọ đá… Trong điều kiện kinh tế hiện nay nhiều đoạn đê đã sử dụng chân kè bằng ống buy vì những ưu điểm trong thi công và quản lý, duy tu. Một số loại chân kè khác có thể áp dụng như tấm cừ thép (chân kè khu vực bờ biển Nha Trang), chân kè bằng trụ cột bê tông cốt thép có tấm bản bê tông cốt thép (kè biển Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định). 4
Do tác động của sóng và quy luật vận chuyển bùn cát ven bờ nên có những đoạn kè thềm phía biển được bồi đắp thì chân kè khá ổn định. Ngược lại, nơi bãi biển bị xói hoặc quy luật bồi xói trong năm theo mùa của gió đổi chiều thì chân kè có hiện tượng chuyển vị. Như vậy, dưới tác động của sóng và dòng ven nên chân kè cấu tạo chìm hay nổi, vật liệu và dạng kiến trúc khác nhau, dưới nền địa chất khác nhau thì ổn định của chân kè sẽ hoàn toàn khác nhau. Ngay trước chân kè thông thường người thiết kế phải làm thêm thảm bảo vệ phía biển, thường bằng đá hộc xếp khan hoặc rọ thép lõi nhồi đá hộc. Bề rộng của thảm bảo vệ thường được tính toán dựa trên chiều cao của sóng và độ sâu nước thiết kế. Kích thước của viên đá được dựa trên cơ sở vận tốc dòng chảy lớn nhất xuất hiện. Vận tốc cực đại của dòng chảy do sóng tạo ra ở chân đê được xác định theo vận tốc cực đại dòng chảy, chiều dài và chiều cao sóng thiết kế. Đến nay đã có một số đề tài nghiên cứu về xói chân kè, dạng ống buy bảo vệ chân kè và đã đưa vào tiêu chuẩn thiết kế đê biển. Tuy nhiên, thực tế tại đê biển Cát Hải, Hải Phòng và đê kè biển tại một địa phương đang có hiện tượng sau: Đá trải thảm chân kè bị sóng đánh bật khỏi vị trí ban đầu. Dưới tác động của sóng và dòng chảy trên mái kè, đá hộc được đưa lên, đưa xuống, chà xát và va đập vào kết cấu mái kè. Theo thời gian, kết cấu bảo vệ mái kè bị bào mòn, thủng và bị phá hủy. Các hàng tấm lát mái dưới chân bị phá hủy trước. Sau đó, sóng tiếp tục tác động làm xói phần đất đắp thân đê (thông qua các vị trí tấm lát bảo vệ mái kè bị phá vỡ). Tại những vị trí thân đê bị xói mòn đất, kết cấu mái kè (bên trên) mặc dù chưa bị bào mòn đáng kể nhưng do bị hẫng bên dưới nên dễ dàng bị sập khi bị sóng và ngoại lực khác tác động. Tác nhân chính của quá trình phá hủy trên, theo chúng tôi, chính là các viên đá hộc làm thảm chân kè không đảm bảo ổn định, bị sóng dịch chuyển. Từ thực tế trên, việc nghiên cứu kết cấu chân kè thích ứng với tương tác của yếu tố thủy hải văn trong điều kiện địa chất nền và địa hình bãi khác nhau, nhằm đảm bảo ổn định kết cấu đê kè biển là việc làm cần thiết hiện nay. Để hiểu cặn kẽ về cấu trúc đê biển, trong đó tập trung về nghiên cứu ổn định chân kè, luận án xin đi từ tổng quan đến chi tiết. 1.1.2 Khái quát lớp bảo vệ chân kè đê biển Kè biển là kết cấu bảo vệ thân đê trước tác động của sóng, vật liệu làm nên kết cấu này có thể là đá, khối bê tông, tấm bê tông hoặc bê tông nhựa đường… Có ba bộ phận cơ bản của thân kè, đó là: chân kè, mái kè và đỉnh kè[1],[2], [3],[4]. 5
a) Chân kè cắm sâu vào nền dạng đơn, phủ cát b) Chân kè đá đổ khối lăng trụ, đặt sâu vào nền c) Chân kè đá đổ lăng trụ, mái cắm sâu d)Chân kè nổi vào nền TÊm BTCT M200# (1) Rä ®¸ KT(2,0x1,0x1,0)m CÊu kiÖn lo¹i 2 m (-0.50)-(0.00) 50 b1 (1) b1 m =2 50 65 =1 §¸ héc th¶ rèi m -2.00 TÊm BTCT M200# 65 Giíi h¹n tr¶i v¶i läc (2) Cäc BTCT M300#, KT(0,35x0,35) m, m1 L = 9 m, ®ãng 1 m/cäc (2) C¾t A - A b2 35 b2 (b) A A (a) 35 BTCT M300# (e) Chân kè khối trụ, lăng trụ (f) Chân kè sâu, cọc kết hợp bản bê tông èng lôc l¨ng BT 200# L = 2m; d = 0.1m Rä ®¸ thÐp m¹ kÏm CÊu kiÖn lo¹i 2 KT(2,0x1,0x1,0)m §¸ héc th¶ rèi §¸ lãt(1x2)dµy15cm (-0.50) - (0.00) 50 50 100 # m # =2 -2.00 Giíi h¹n tr¶i v¶i läc g) Chân kè dạng ông buy xếp lệch (h) Chân kè ống buy kết hợp thảm đá, rọ đá Hình 1.2: Cấu tạo một số chân kè đại diện trong kết cấu đê biển Ghi chú: H là chiều cao sóng thiết kế (m), Ym,e là độ sâu chôn kè(m);b1, b2 lần lượt là bề rộng đỉnh, bề rộng đáy lăng thể. Chân kè là một bộ phận của kết cấu cấu thành đê biển, tuỳ theo đặc điểm về địa hình, chiều sâu nước, chiều cao sóng tại chân công trình, vận tốc dòng chảy tại chân kè, vật liệu có khả năng cung cấp mà chân kè có hình thức cấu tạo và dạng vật liệu khác nhau. 6
Chân kè có nhiệm vụ để giữ cho mái kè và các kết cấu phía trên không bị di chuyển trượt xuống do tác động của ngoại lực như sóng, dòng chảy, vật trôi nổi và những tác động khác gây mất ổn định. Chân kè còn có nhiệm vụ tạo thành kết cấu tổng hợp để bảo vệ thân đê khi hố xói xuất hiện dưới chân mái kè. Vật liệu làm chân kè có thể là đá hộc, ống buy, bản cừ, cọc bê tông hoặc vật liệu khác để bảo vệ mái kè. Theo đặc trưng hình học chân kè có thể phân thành 2 loại: chân kè nông và chân kè sâu. Một số dạng chân kè phổ biến được minh họa trong hình 1.2[4]. 1.1.3 Chân kè nông Chân kè nông theo hướng dẫn tại TCVN 9901:2014 và TCVN 11736:2017 [1],[2],[4] là dạng chân kè áp dụng cho bờ biển ít biến động. Vật liệu bảo vệ vùng chân kè thông thường là đá hộc có khối lượng từ vài chục kg đến dưới 100kg vì lý do thi công. Tuy nhiên nếu thiết kế theo nguyên tắc thả rối, đá cấp phối thì kích thước hạt lớn nhất có thể vượt giới hạn này do phương tiện và điều kiện thi công, thiết kế cho phép. Tiêu chuẩn phân loại chân kè theo biên thủy lực như sau: 𝑑𝑠 1,0 ≤ 𝐻𝑚0,0 < 4,0 − chân kè nông (1.1) 𝑑𝑠 0,3 < 𝐻𝑚0,0 < 1,0 − chân kè rất nông ( ) Trong đó: ds là độ sâu nước tại điểm chân kè (m), Hm0,0 chiều cao sóng vùng nước sâu (m). Độ sâu chôn kè thông thường trong khoảng chiều sâu từ Hs đến 1,5Hs, hoặc bằng 2 lần chiều dày của lớp vật liệu bảo vệ mái kè. Đối với khu vực chân kè nông, do ảnh hưởng của địa hình đáy, độ nhám lớn, độ sâu nước thấp nên các lý thuyết về sóng tuyến tính không còn phù hợp. Các yếu tố thủy động lực học diễn ra trong vùng sóng vỡ và sóng leo chịu chi phối của độ nhám. Phần sau đây sẽ tổng kết các nghiên cứu lý thuyết sóng vùng chân kè và vận tốc tính toán để xác định kích thước vật liệu bảo vệ vùng chân kè. Luận án sẽ giới hạn nghiên cứu cho loại chân kè nông. 1.2 Dòng chảy khu vực chân kè nông 1.2.1 Hình thành dòng chảy khu vực gần chân kè 7