Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu đề xuất giải pháp và đánh giá hiệu quả của đê giảm sóng kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông "Nghiên cứu đề xuất giải pháp và đánh giá hiệu quả của đê giảm sóng kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan nghiên cứu về đê giảm sóng kết cấu rỗng trong chức năng bảo vệ bờ biển; Nghiên cứu đề xuất giải pháp đê giảm sóng kết cấu rỗng dạng cọc ly tâm; Xây dựng công thức thực nghiệm tính toán hệ số truyền sóng của đê cọc ly tâm; Áp dụng mô hình số đánh giá hiệu quả giảm sóng của công trình đê cọc ly tâm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu đề xuất giải pháp và đánh giá hiệu quả của đê giảm sóng kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HẢI DƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ GIẢM SÓNG KẾT CẤU RỖNG BẢO VỆ BỜ BIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9580205 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2024
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HẢI DƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ GIẢM SÓNG KẾT CẤU RỖNG BẢO VỆ BỜ BIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9580205 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. PGS. TS. Vũ Văn Nghi 2. PGS. TS. Đinh Công Sản Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2024
iii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng em và được sự hướng dẫn của Giảng viên - PGS.TS. Vũ Văn Nghi và PGS.TS. Đinh Công Sản. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập qua quá trình khảo sát và nghiên cứu, thí nghiệm. Ngoài ra, trong luận án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận án của mình. TP. Hồ Chí Mính, ngày 11 tháng 11 năm 2024 Nghiên cứu sinh Nguyễn Hải Dương
iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu em đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ tận tình từ Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn: Quý Thầy, Cô Viện Đào tạo sau đại học, Viện Xây dựng Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường. Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam và Chủ nhiệm đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu đề xuất giải pháp công nghệ chống xói lở, bảo vệ bờ biển hợp lý cho vùng đồng bằng sông Cửu Long dựa trên mô hình vật lý” (TS. Nguyễn Nguyệt Minh) đã cho phép, tạo điều kiện thuận lợi để hỗ trợ em trong quá trình thí nghiệm trên mô hình vật lý tại Phòng thí nghiệm thủy động lực sông biển của Viện và cho phép sử dụng một số kết quả nghiên cứu liên quan. Em xin chân thành biết ơn đến tập thể người hướng dẫn: PGS.TS. Vũ Văn Nghi và PGS.TS. Đinh Công Sản đã tận tình hướng dẫn về phương pháp và nội dung nghiên cứu, giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ NCS trong quá trình làm luận án tiến sĩ. Do thời gian có hạn, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của Quý Thầy/ Cô, chuyên gia, bạn bè và đồng nghiệp để bản luận án được hoàn thiện hơn. Nghiên cứu sinh Nguyễn Hải Dương
v TÓM TẮT Luận án trình bày tổng quan các thành tựu nghiên cứu trong nước và quốc tế về các loại công trình đê giảm sóng cũng như các phương pháp nghiên cứu để đánh giá hiệu quả giảm sóng của các công trình này. Luận án đã phân tích, đánh giá các điều kiện tự nhiên, nguyên nhân gây xói lở và mục tiêu cần bảo vệ để đề xuất được giải pháp công trình đê giảm sóng phù hợp cho khu vực nghiên cứu. Đó là giải pháp đê giảm sóng bằng hai hàng cọc bê tông ly tâm đổ đá hộc vào giữa (đê cọc ly tâm). Để đánh giá mức độ phù hợp của đê cọc ly tâm tại khu vực nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý đồng thời áp dụng mô hình số với nhiều kịch bản khác nhau. Thí nghiệm trên mô hình vật lý được tiến hành trên máng sóng nhằm xác định kích thước mặt cắt ngang đê cọc ly tâm và kích thước đá hộc phù hợp với các yêu cầu giảm sóng khác nhau. Thí nghiệm được tiến hành với các kịch bản có công trình và không có công trình đê cọc ly tâm với nhiều điều kiện đầu vào khác nhau. Tất cả 234 kịch bản đã được thực hiện. Kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng rất rõ của bề rộng đê và kích thước đá đổ bên trong đến hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm. Qua phân tích kết quả thí nghiệm, luận án đề xuất đê có bề rộng đê B=270cm, chiều cao đê H=270cm và đường kính viên đá đổ trong đê từ 30cm÷50cm (độ rỗng đê khoảng 45%) phù hợp cho dạng đê cọc ly tâm ở cả Biển Đông và Biển Tây khu vực ĐBSCL. Kết quả thí nghiệm mô hình vật lý cũng được sử dụng để xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng Kt. Hệ số truyền sóng này được sử dụng để xác định sơ bộ hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm. Công thức thực nghiệm này có thể áp dụng trong thực tiễn cho đê giảm sóng cọc ly tâm trong phạm vi nghiên cứu và có thể áp dụng cho các vùng ven biển khác có điều kiện tự nhiên tương tự như ở vùng biển khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Ngoài ra, nghiên cứu sinh đã áp dụng mô hình số trị để đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm. Mô hình số này được phát triển dựa trên phương trình Boussinesq mở rộng cho sóng truyền trong hai lớp rỗng, lớp phía trên có thể hoàn toàn là nước hoặc lớp đá có độ rỗng khác độ rỗng của lớp phía dưới. Kết quả mô phỏng từ mô hình số được kiểm chứng với lời giải giải tích và số liệu thí nghiệm từ mô hình vật lý. Các kết quả mô phỏng số này cũng cho thấy hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm và có thể áp dụng mô hình số để đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm có điều kiện tương tự khu vực nghiên cứu. Từ khoá: Đê cọc ly tâm, hệ số truyền sóng, phương trình Boussinesq mở rộng, mô hình vật lý, Đồng bằng Sông Cửu Long.
vi ABSTRACT The dissertation provides an overview of research achievements on wave-reducing structures and the methodologies used to evaluate their wave-reducing effectiveness. It analyzes natural conditions, causes of erosion, and protection goals to propose a suitable wave- reducing structure for the study area: a double row of reinforced concrete piles filled with rock (pile-rock breakwater). To assess the suitability of the pile-rock breakwater, physical experiments and numerical simulations with various scenarios were conducted. The physical experiments, carried out in a wave flume, aimed to determine the appropriate cross-sectional dimensions and rock diameters for different wave reduction requirements. Experiments included scenarios with and without the pile-rock breakwater under various input conditions, totaling 234 scenarios. Results indicated a significant impact of breakwater width and internal rock size on wave reduction effectiveness. The dissertation suggests an optimal breakwater design with a width of B=270cm, height H=270cm, and rock diameter ranging from 30cm to 50cm (approximately 45% porosity), suitable for both the East Sea and West Sea regions of the Mekong Delta. The experimental results were also used to develop an empirical formula for determining the wave transmission coefficient, Kt. This coefficient is used for preliminary assessment of the wave-reducing effectiveness of the pile-rock breakwater. The empirical formula can be applied in practice for wave-reducing breakwaters within the study area and other coastal regions with similar natural conditions to the Mekong Delta. Additionally, the researcher applied a numerical model to evaluate the wave-reducing effectiveness of pile-rock breakwaters. This model is based on extended Boussinesq equations for wave propagation through two porous layers, where the upper layer can be entirely water or rock with different porosity from the lower layer. Numerical model results were validated against analytical solutions and physical experimental data. These simulations also demonstrated the wave-reducing effectiveness of the pile-rock breakwater and showed the model’s applicability for evaluating the wave-reducing effectiveness of pile-rock breakwaters with similar conditions in the study area. Keyword: Pile-rock breakwaters, Wave transmission coefficient, extended Boussinesq equations, physical model, the Mekong Delta area.
vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. iii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ iv TÓM TẮT ............................................................................................................................... v ABSTRACT ........................................................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................................... x DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. xiv KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN ............................................................................... xv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... xvi MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1 1. Cơ sở khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...............................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................................2 3. Phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài ............................................................3 4. Cấu trúc của Luận án ............................................................................................................4 Chương 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ĐÊ GIẢM SÓNG KẾT CẤU RỖNG TRONG CHỨC NĂNG BẢO VỆ BỜ BIỂN ........................................................................ 5 1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................5 1.1.1. Cơ chế phá hoại bờ biển .......................................................................................... 5 1.1.2. Hiện trạng các công trình ĐGS kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển tại các nước trên thế giới và Việt Nam ................................................................................................................ 7 1.1.3. Phân loại công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng ..................................................... 8 1.1.4. Chức năng giảm sóng của công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng........................... 9 1.2. Tổng quan các dạng công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển trên thế giới và trong nước .......................................................................................................10 1.2.1. Tổng quan các dạng công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển trên thế giới ............................................................................................................................... 10 1.2.2. Tổng quan các dạng công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển trong nước ............................................................................................................................... 12 1.2.3. Tổng quan về nghiên cứu hệ số truyền sóng ......................................................... 16
viii 1.2.4. Tổng quan về các nghiên cứu dựa trên mô hình toán để mô phỏng đánh giá hiệu quả giảm sóng của ĐGS .................................................................................................. 25 Chương 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐÊ GIẢM SÓNG KẾT CẤU RỖNG DẠNG CỌC LY TÂM.......................................................................................................... 29 2.1. Điều Kiện Tự Nhiên ................................................................................................29 2.1.1. Vị trí địa lý ............................................................................................................ 29 2.1.2. Diễn biến đường bờ khu vực nghiên cứu .............................................................. 29 2.1.3. Đề xuất giải pháp đê cọc ly tâm ............................................................................ 33 2.2. Thí nghiệm MHVL và cơ sở khoa học đánh giá chức năng giảm sóng cho dạng đê cọc ly tâm ......................................................................................................................37 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu MHVL trong máng sóng phòng thí nghiệm ................ 37 2.2.2. Năng lực phòng thí nghiệm và thiết lập mô hình thí nghiệm ............................... 38 2.2.3. Thiết lập thí nghiệm trong máng sóng .................................................................. 41 2.3. Chương trình thí nghiệm trong máng sóng ..........................................................44 2.3.1. Điều kiện biên sóng............................................................................................... 44 2.3.2. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của chiều rộng đê đến hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm ......................................................................................................................... 45 2.3.3. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của độ rỗng đê đến hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm ............................................................................................................................... 52 Chương 3. XÂY DỰNG CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN HỆ SỐ TRUYỀN SÓNG CỦA ĐÊ CỌC LY TÂM ........................................................................ 59 3.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng ...............................59 3.1.1. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) ....................... 59 3.1.2. Ảnh hưởng của độ dốc sóng tới (S0) ...................................................................... 61 3.1.3. Ảnh hưởng của bề rộng tương đối ......................................................................... 64 3.2. Xây dựng công thức thực nghiệm tính toán xác định hệ số truyền sóng công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng dạng đê cọc ly tâm ...............................................................67 3.2.1. Xây dựng công thức hệ số truyền sóng Kt dạng tổng quát lần 1 .......................... 67
ix 3.2.2. Phân tích ảnh hưởng của yếu tố độ dốc sóng tới S0p trong công thức tính hệ số truyền sóng Kt lần 1 và xây dựng công thức hệ số truyền sóng Kt dạng tổng quát lần 2 .... ............................................................................................................................... 70 Chương 4. ÁP DỤNG MÔ HÌNH SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA CÔNG TRÌNH ĐÊ CỌC LY TÂM ..................................................................................... 75 4.1. Cơ sở lý thuyết .........................................................................................................75 4.2. Mô hình số ...............................................................................................................76 4.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn ............................................................................. 76 4.2.2. Rời rạc hóa mô hình toán ...................................................................................... 77 4.2.3. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu ..................................................................... 78 4.2.4. Phương pháp tạo sóng ........................................................................................... 79 4.2.5. Kiểm chứng mô hình số với lời giải giải tích ....................................................... 79 4.2.6. Ứng dụng mô hình số xác định ảnh hưởng của bề rộng đê đến hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm ............................................................................................................. 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................. 87 KẾT LUẬN .......................................................................................................................87 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................90 PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 96
x DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1. Xói lở bờ biển, rừng ngập mặn ở ĐBSCL do tác động của sóng biển.....................5 Hình 1-2. Các giải pháp giảm sóng, bảo vệ bờ biển trên thế giới và Việt Nam.......................6 Hình 1-3. Một số loại công trình ĐGS bảo vệ đê biển, bờ biển ở Việt Nam hiện nay ...........8 Hình 1-4. Quá trình tiêu hao năng lượng sóng qua ĐGS kết cấu rỗng ngầm .........................9 Hình 1-5. Mỏ hàn cọc gỗ cho sóng truyền qua ở Hà Lan ......................................................10 Hình 1-6. ĐGS dạng rời ở Presque Isle, Pennsylvania, Mỹ ...................................................11 Hình 1-7. Bãi biển nhỏ hẹp, bị chia cắt bởi các mỏ hàn ở phía trên được thay cho bãi biển dài, chiều rộng bãi ngang lớn phía dưới ........................................................................................11 Hình 1-8. ĐGS hàng rào tre chữ T ở phía Bắc Hòn Đá Bạc - Cà Mau ..................................12 Hình 1-9. Đê đá đổ tại Dung Quất, Quảng Ngãi ....................................................................13 Hình 1-10. ĐGS Geotube tại Bạc Liêu ...................................................................................14 Hình 1-11. ĐGS kết cấu rỗng dạng trụ rỗng ở Cà Mau .........................................................14 Hình 1-12. ĐGS kết cấu rỗng của Busadco được bố trí ở Biển Tây ......................................15 Hình 1-13. Một số cấu kiện ĐGS bị hư hại ở Rạch Gốc - Biển Đông do ảnh hưởng cơn bão số 3, đầu tháng 8 năm 2019.........................................................................................................15 Hình 1-14. Đê cọc ly tâm khu vực biển Tây, Cà Mau ...........................................................16 Hình 2-1. Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu ............................................................................29 Hình 2-2. Bản đồ xói lở bờ biển một số khu vực điển hình phía Biển Đông và Biển Tây giai đoạn 1990-2018 ......................................................................................................................30 Hình 2-3. Hệ thống các dạng bảo vệ bờ biển khu vực ĐBSCL hiện nay...............................31 Hình 2-4. Các dạng bảo vệ bờ biển trong hệ thống bảo vệ bờ biển khu vực ĐBSCL ...........32 Hình 2-5. Đê cọc ly tâm ở khu vực biển Tây Cà Mau ...........................................................36 Hình 2-6. Mô hình máng sóng của phòng thí nghiệm thủy động lực sông biển - Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam nhìn từ bên ngoài khi đang tạo sóng ......................................................39 Hình 2-7. Mái hấp thụ sóng ....................................................................................................39 Hình 2-8. Sơ đồ bố trí ĐGS và kim đo sóng trong máng sóng ..............................................41 Hình 2-9. Hình ảnh bố trí các kim đo sóng trong máng sóng ................................................42
xi Hình 2-10. Đá kích thước 4-7cm được dùng trong thí nghiệm ..............................................43 Hình 2-11. Đê cọc ly tâm trong thí nghiệm nhìn dọc theo máng sóng ..................................44 Hình 2-12. Kết cấu đê cọc ly tâm điển hình ...........................................................................44 Hình 2-13. Kịch bản chiều rộng đê trong thí nghiệm .............................................................45 Hình 2-14. Phổ sóng tại kim đo trước và sau khi sóng lan truyền qua mái chuyển tiếp ........47 Hình 2-15. Phổ sóng đo đạc tại hiện trường và phổ sóng đo trong máng sóng ....................47 Hình 2-16. Sơ đồ mặt cắt công trình được bố trí trong máng sóng ........................................48 Hình 2-17. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến hệ số truyền sóng Kt với các bề rộng đê thay đổi tại kim đo sóng WG6 (trường hợp đá hộc có D50 =4-7 cm, độ rỗng 0,45)...........................................................................................................................49 Hình 2-18. Ảnh hưởng của B/Hi đến hệ số truyền sóng Kt (trường hợp đá hộc có D50 =4-7 cm, độ rỗng 0,45)...........................................................................................................................50 Hình 2-19. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến hệ số sóng phản xạ trước đê (Kr) với các bề rộng đê tại kim đo sóng WG6 (trường hợp đá hộc có D50 =4- 7 cm, độ rỗng 0,45) .................................................................................................................50 Hình 2-20. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến năng lượng sóng bị tiêu tán Ed với các bề rộng đê thay đổi (trường hợp đá hộc có D50 =4-7 cm, độ rỗng 0,45) ........................................................................................................................................51 Hình 2-21. Đá dùng trong thí nghiệm ....................................................................................53 Hình 2-22. Đê cọc ly tâm trong thí nghiệm độ rỗng nhìn từ bên hông máng sóng ................54 Hình 2-23. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/H m0,i) đến hệ số truyền sóng Kt khi thay đổi độ rỗng đá (B=38cm) ............................................................................55 Hình 2-24. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/H m0,i) đến hệ số sóng phản xạ Kr khi thay đổi độ rỗng đá (B=38cm) .......................................................................56 Hình 2-25. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/H m0,i) đến Ed khi thay đổi độ rỗng đá (B=38cm) .......................................................................................................56 Hình 3-1. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0,i đến hệ số truyền sóng Kt ....................................................................................................................................60 Hình 3-2. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0,i đến hệ số sóng phản xạ Kr ..............................................................................................................................60
xii Hình 3-3. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0,i đến hệ số sóng tiêu tán Kd ......................................................................................................................................61 Hình 3-4. Tương quan giữa độ dốc sóng S0p với hệ số truyền sóng Kt ..................................61 Hình 3-5. Tương quan giữa độ dốc sóng S0p với hệ số sóng phản xạ Kr ...............................62 Hình 3-6. Tương quan giữa độ dốc sóng S0p với hệ số sóng tiêu tán Kd ................................62 Hình 3-7. Tương quan giữa độ dốc sóng S0m với hệ số truyền sóng Kt .................................63 Hình 3-8. Tương quan giữa độ dốc sóng S0m với hệ số sóng phản xạ Kr ...............................63 Hình 3-9. Tương quan giữa độ dốc sóng S0m với hệ số sóng tiêu tán Kd ...............................64 Hình 3-10. Ảnh hưởng của bề rộng tương đối B/D đến hệ số truyền sóng Kt .......................65 Hình 3-11. Ảnh hưởng của bề rộng tương đối B/D đến hệ số sóng phản xạ Kr.....................65 Hình 3-12. Ảnh hưởng của bề rộng tương đối B/D đến hệ số sóng tiêu tán Kd .....................66 Hình 3-13. Ảnh hưởng của bề rộng tương đối B/Hm0,i đến hệ số truyền sóng Kt ...................66 Hình 3-14. Ảnh hưởng của bề rộng tương đối B/Hm0,i đến hệ số sóng phản xạ Kr ................67 Hình 3-15. Ảnh hưởng của bề rộng tương đối B/Hm0,i đến hệ số sóng tiêu tán Kd ................67 Hình 3-16. Kết quả R2 từ phép phân tích hồi quy ..................................................................69 Hình 3-17. So sánh các công thức xác định hệ số truyền sóng của luận án ...........................70 Hình 3-18. Kết quả R2 từ phép phân tích hồi quy ..................................................................71 Hình 3-19. So sánh các công thức xác định hệ số truyền sóng Kt..........................................72 Hình 4-1. Sóng truyền trong hai môi trường thấm với độ rỗng khác nhau ............................80 Hình 4-2. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến hệ số truyền sóng Kt với đê có bề rộng B=24cm ........................................................................................82 Hình 4-3. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến hệ số truyền sóng Kt với đê có bề rộng B=38cm ........................................................................................82 Hình 4-4. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến hệ số truyền sóng Kt với đê có bề rộng B=52cm ........................................................................................82 Hình 4-5. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến hệ số sóng phản xạ Kr với đê có bề rộng B=24cm ...................................................................................83 Hình 4-6. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến hệ số sóng phản xạ Kr với đê có bề rộng B=38cm ...................................................................................84
xiii Hình 4-7. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) đến hệ số sóng phản xạ Kr với đê có bề rộng B=52cm ...................................................................................84 Hình 4-8. Tương quan chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) và hệ số tiêu tán sóng (Kd) với đê có bề rộng B = 24cm ...................................................................................85 Hình 4-9. Tương quan chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) và hệ số tiêu tán sóng (Kd) với đê có bề rộng B = 38cm ...................................................................................85 Hình 4-10. Tương quan chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0,i) và hệ số tiêu tán sóng (Kd) với đê có bề rộng B = 52cm ...................................................................................85
xiv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1. Bảng thống kê các dạng bảo vệ bờ biển khu vực ĐBSCL đến tháng 6/2019 ...... 32 Bảng 2-2. Bảng thống kê chỉ tiêu đánh giá và thang điểm đánh giá cho ĐGS kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển tại ĐBSCL ............................................................................................................ 34 Bảng 2-3. Đánh giá hiệu quả của các dạng ĐGS kết cấu rỗng bảo vệ bờ biển ĐBSCL theo phương pháp đa tiêu chí ......................................................................................................... 35 Bảng 2-4. Thông số tỷ lệ mô hình khu vực biển Đông .......................................................... 39 Bảng 2-5. Thông số tỷ lệ mô hình khu vực biển Tây ............................................................. 40 Bảng 2-6. Kết quả khối lượng thể tích xốp của vật liệu (px) .................................................. 43 Bảng 2-7. Kết quả biểu thị độ rỗng của các viên đá (  ) ....................................................... 43 Bảng 2-8. Bảng tổng hợp kích thước đê cọc ly tâm thực tế và mô hình thí nghiệm ..............45 Bảng 2-9. Tổng hợp các trường hợp thí nghiệm ....................................................................46 Bảng 2-10. Bảng tổng hợp thông số ĐGS thực tế và mô hình ...............................................52 Bảng 2-11: Kết quả khối lượng thể tích rỗng của vật liệu (px) ..............................................53 Bảng 2-12: Kết quả biểu thị độ rỗng của các viên đá (  ) .....................................................53 Bảng 2-13. Kịch bản và trường hợp thí nghiệm .....................................................................54 Bảng 4-1. Tổng hợp các trường hợp thí nghiệm mô hình số ................................................. 81 Bảng 4-3. Bảng tổng hợp RMSE đối với Kr ở 3 bề rộng tương ứng ..................................... 85 Bảng 4-4. Bảng tổng hợp RMSE đối với Kd ở 3 bề rộng tương ứng..................................... 86
xv KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Đơn STT Ký hiệu Diễn giải vị 01 Kt - Hệ số truyền sóng 02 Kr - Hệ số sóng phản xạ 03 Kd - Hệ số sóng tiêu tán 04 B m Bề rộng của đê cọc ly tâm Bề rộng mô hình vật lý của đê cọc ly tâm = 24cm, 05 B24 m nguyên hình = 1,7m Bề rộng mô hình vật lý của đê cọc ly tâm = 38cm, 06 B38 m nguyên hình = 2,7m Bề rộng mô hình vật lý của đê cọc ly tâm = 52cm, 07 B52 m nguyên hình = 3,7m WG1, WG2, WG3, 08 WG4, WG5, WG6, - Kim đo sóng số 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7 WG7 09 NL - Tỷ lệ mô hình đặc trưng cho tỷ lệ dài và tỷ lệ cao 10 Nt - Tỷ lệ mô hình đặc trưng cho tỷ lệ thời gian 11 Nv - Tỷ lệ mô hình đặc trưng cho tỷ lệ vận tốc 12 Nm - Tỷ lệ mô hình đặc trưng cho tỷ lệ khối lượng 13 Hs m Chiều cao sóng tới trước công trình 14 Rc m Chiều cao lưu không của cọc ly tâm 15 D m Độ sâu nước trước công trình 16  x% Độ rỗng 17 Hm0,i m Chiều cao sóng môment bậc 0 18 Tp s Chu kỳ đỉnh phổ 19 T1/3 s Chu kỳ sóng có nghĩa 20 Tm-0,2 s Chu kỳ trung bình phổ 21 Lm m Chiều dài sóng theo chu kỳ đặc trưng phổ (g.Tm-0,22 )2π 22 Lp m Chiều dài sóng theo chu kỳ đỉnh phổ (g.Tp2 )π Bề rộng tương đối của đê cọc ly tâm so với chiều cao 23 B/Hm0,i - sóng 24 B/D Bề rộng tương đối của đê cọc ly tâm so với độ sâu nước 25 Rc/Hm0,i - Chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Độ dốc sóng tới trước công trình tương ứng với chu kỳ 26 S0p - đỉnh phổ Tp, S0p = Hm0,i/Lp Độ dốc sóng tới trước công trình tương ứng với chu kỳ 27 S0m - trung bình phổ Tm-0,2, S0m = Hm0,i/Lm 28 ξop - Chỉ số sóng vỡ Iribarren trên đê mái nghiêng
xvi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 01 ĐBSCL Đồng bằng Sông Cửu Long 02 ĐGS Đê giảm sóng 03 BĐKH Biến đổi khí hậu 04 MHVL Mô hình vật lý 05 NCS Nghiên cứu sinh 06 Viện KHTLMN Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam 07 VNC Vùng nghiên cứu Nonlinear shallow water 08 NSE Phương trình phi tuyến nước nông equations Reynolds averaged Phương trình Navier–Stokes 09 RANS Navier–Stokes equations trung bình Smoothed Particle 10 SPH Mô hình toán SPH Hydrodynamics 11 KB Kịch bản
MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài Xói lở trên hệ thống sông, kênh rạch và vùng ven biển ở các vùng đồng bằng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã và đang diễn ra mạnh mẽ, gây nhiều thiệt hại về kinh tế và xã hội. Có nhiều yếu tố gây ra sạt lở, từ các yếu tố tự nhiên như lũ lụt, biến đổi dòng chảy, xói mòn tự nhiên đến các yếu tố con người như các hoạt động xây dựng, khai thác bùn cát quá mức, phá rừng và làm suy giảm thảm thực vật, rừng ngập mặn hay biến đổi khí hậu. Trên thế giới hiện tượng xói lở bờ biển và sụt lún là thách thức lớn đối với các đồng bằng, dưới tác động của các đập thượng nguồn, bùn cát bị giảm sau khi đắp đập, là 60%, 69%, 85%, 94% và 98% tương ứng đối với đồng bằng sông Danube, Mississippi, Rhône, Indus và Nile. Hội thảo về hệ sinh thái biển và các hành động của liên bang Hoa Kỳ đã chỉ ra rằng xói lở bờ biển nghiêm trọng, rộng lớn đã ảnh hưởng đến khoảng 90% bờ biển của thế giới và có khả năng ngày càng gia tăng do nước biển dâng cùng với hoạt động gia tăng của bão. Sự mất mát của các vùng đất có giá trị do bị ngập nước đang xảy ra trên toàn thế giới, đặc biệt là ở các vùng đồng bằng. Trong suốt 200 năm qua, hơn một nửa các vùng đất ngập nước ở Hoa Kỳ đã bị mất đi do sự kết hợp giữa các tác động của tự nhiên và con người. Tại Việt Nam, hiện tượng sạt lở bờ biển do tác động của biến đổi khí hậu, triều cường và thời tiết cực đoan như bão, lũ… và những tác động khai thác đồng bằng (cả thượng và hạ lưu) đã làm sạt lở nghiêm trọng vùng ven biển, chủ yếu ở Trung Bộ và Nam Bộ, ảnh hưởng đến phát triển kinh tế - xã hội vùng ven biển, đe dọa trực tiếp tính mạng và tài sản của hàng nghìn hộ dân. Chính vì thế, các nước trên thế giới trong đó có Việt Nam đã và đang có nhiều giải pháp bảo vệ bờ biển với hai nhóm giải pháp chính là: Nhóm giải pháp quản lý và nhóm giải pháp kỹ thuật. Nhóm giải pháp quản lý tìm kiếm các giải pháp quản lý sử dụng đất, giảm thiểu các thiệt hại về kinh tế xã hội cho các chủ thể sở hữu tài sản giáp biển, nơi xói lở bờ biển đang có nguy cơ xảy ra. Nhóm giải pháp kỹ thuật bảo vệ bờ biển có 03 loại: giải pháp mềm, giải pháp công trình, và giải pháp kết hợp. Các giải pháp bảo vệ bờ biển trên đều có những ưu và nhược điểm khác nhau, chúng đã và đang được nghiên cứu ứng dụng ở các vùng ven biển trên thế giới và cả Việt Nam. Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng cực Nam của Việt Nam, hiện tượng xói lở bờ biển do tác động của tự nhiên và con người cũng đang là một thách thức lớn đối với các địa phương ven biển tại đây. Trước những năm 2000, rừng ngập mặn bao phủ hầu hết các vùng ven biển của đồng bằng đặc biệt là khu vực từ Kiên Giang đến Bạc Liêu, nhưng hiện nay chúng đang dần biến mất nhanh chóng do sức ép từ hoạt động khai thác của con người và kể cả tác động gia tăng bất lợi của điều kiện tự nhiên (biến đổi khí hậu và nước biển dâng). Hệ quả là khả năng giảm sóng và giữ trầm tích của rừng ngập mặn bị giảm, từ đó làm cho
2 50% đường bờ biển của khu vực bị xói lở đe dọa trực tiếp đến an ninh lương thực và thương mại của cả ĐBSCL nói riêng và Việt Nam nói chung. Với mật độ dân số dày đặc và tầm quan trọng to lớn của ĐBSCL đối với an ninh lương thực, thương mại trong phạm vi quốc gia và thế giới thì việc đề xuất giải pháp nhằm giảm sóng, chống xói lở và bảo vệ bờ biển ĐBSCL là hết sức cần thiết trong giai đoạn hiện nay. Các giải pháp chống sạt lở bờ biển đã xây dựng ở ĐBSCL đa số là kè lát mái. Đây là giải pháp bị động, chưa đảm bảo tính ổn định lâu dài mà một trong những nguyên nhân chính là do bãi trước không được bảo vệ. Gần đây có hàng loạt các công trình bảo vệ bờ biển chủ động, đó là các dạng đê phá sóng, giảm sóng từ xa. Các giải pháp công trình này đã có thể gây bồi cho vùng bãi biển từ vị trí xây dựng công trình đến bờ, tạo điều kiện để khôi phục rừng ngập mặn, nhưng giá thành công trình còn khá cao và chưa có đánh giá giải pháp nào là phù hợp cho ĐBSCL. Ngoài ra, giải pháp giảm sóng gây bồi bằng hai hàng cọc tre và bó cành cây chèn ở giữa do Tổ chức hợp tác phát triển Đức (GIZ) đề xuất đã được áp dụng tại một số khu vực ven biển ĐBSCL. Đây là giải pháp thân thiện với môi trường, chi phí thấp và đã phát huy hiệu quả tốt ở một số khu vực như ở vùng biển ấp Vàm Rầy (xã Bình Sơn, huyện Hòn Đất, tỉnh Kiên Giang), ở Vĩnh Tân (thị xã Vĩnh Châu) tỉnh Sóc Trăng. Tuy nhiên tại những vùng biển có sóng lớn, dòng chảy mạnh và đang có diễn biến xói lở như ở Bạc Liêu, Hòn Đá Bạc (biển Tây- Cà Mau) thì dạng công trình này chỉ có tác dụng làm chậm lại quá trình xói lở trong khoảng 2÷3 năm, sau đó hàng rào bị hư hỏng, mất tác dụng [1]. Hầu hết các hệ thống công trình xây dựng đều trong tình trạng “khẩn cấp” và vì thế không có điều kiện để nghiên cứu đánh giá tác động, hiệu quả của công trình thông qua mô hình số hay MHVL. Trong số các loại kết cấu của công trình đê giảm sóng có khả năng phá sóng lớn thì ĐGS kết cấu rỗng dạng hai hàng cọc ly tâm kết hợp đá đổ bên trong (gọi là đê cọc ly tâm) do tỉnh Cà Mau thực hiện thử nghiệm ở vùng ven biển Cà Mau đã mang lại hiệu quả cao và đã được áp dụng ở cả bờ Đông và bờ Tây, tỉnh Cà Mau hiện nay. Mặc dù đã có một số nghiên cứu đánh giá hiệu quả của công trình này thông qua MHVL nhưng vẫn chưa có nghiên cứu đầy đủ về chức năng giảm sóng của công trình thông qua mô hình toán và MHVL. Do đó luận án này tập trung nghiên cứu những cơ sở khoa học dựa trên mô hình toán kết hợp với MHVL để đánh giá hiệu quả của công trình đê cọc ly tâm từ đó đề xuất giải pháp phù hợp cho công trình ĐGS này với kết cấu, kích thước phù hợp, kích thước đá hộc đổ bên trong và có lợi ích về mặt kinh tế, kỹ thuật hơn so với thực tế hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1. Mục tiêu chính Đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm tại khu vực ĐBSCL bằng thí nghiệm MHVL và mô hình số và đề xuất kích thước phù hợp.
3 2.2. Mục tiêu cụ thể 1) Tổng quan các dạng ĐGS kết cấu rỗng hiện nay trên thế giới và Việt Nam và hiệu quả giảm sóng của từng dạng công trình này. 2) Đánh giá hiện trạng của các loại ĐGS kết cấu rỗng ở khu vực ĐBSCL. 3) Đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm dựa trên các kết quả thí nghiệm từ MHVL. Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng Kt của đê cọc ly tâm từ thí nghiệm MHVL. 4) Kiểm định kết quả mô hình số từ số liệu trên MHVL, từ đó đề xuất khả năng áp dụng mô hình số phù hợp thay thế cho MHVL xác định sơ bộ hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm, áp dụng cho vùng biển trong phạm vi nghiên cứu và các vùng biển khác có điều kiện tự nhiên tương tự vùng nghiên cứu. 3. Phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài - Để đạt được mục tiêu thứ nhất thì phương pháp nghiên cứu thực hiện các nội dung sau: + Nghiên cứu tổng quan tài liệu: Tổng hợp, nghiên cứu và phân tích các công trình ĐGS trên thế giới và trong nước có liên quan đến đề tài luận án đang thực hiện. Qua đó đưa ra những vấn đề khoa học chưa được nghiên cứu hay nghiên cứu chưa toàn diện, đầy đủ khi áp dụng vào thực tiễn tại vùng biển ĐBSCL của Việt Nam. - Để đạt được mục tiêu thứ 2 thì phương pháp nghiên cứu thực hiện các nội dung sau: + Tổng quan tài liệu về ĐGS tại ĐBSCL. + Khảo sát đánh giá hiện trạng ĐGS khu vực ĐBSCL. + Khảo sát và đánh giá hiện trạng giảm sóng của Đê cọc ly tâm. - Để đạt được mục tiêu thứ 3 thì phương pháp nghiên cứu thực hiện các nội dung sau: + Nghiên cứu thực nghiệm dựa trên MHVL trong máng sóng (2D) trong Phòng Thí nghiệm thủy động lực sông biển tại Bình Dương của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam để đánh giá hiệu quả giảm sóng của Đê cọc ly tâm. + Xây dựng công thức thực nghiệm tổng quát tính toán xác định hệ số truyền sóng Kt của dạng công trình cọc ly tâm đá đổ áp dụng cho vùng biển trong phạm vi nghiên cứu nói riêng và các vùng khác có điều kiện tự nhiên tương tự ở ĐBSCL. - Để đạt được mục tiêu thứ 4 thì phương pháp nghiên cứu thực hiện là: + Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng sóng truyền qua đê 2 lớp rỗng dựa trên phương trình Boussinesq mở rộng có kiểm chứng kết quả bằng thí nghiệm MHVL. + Đánh giá khả năng sử dụng mô hình số về hiệu quả giảm sóng đối với đê cọc ly tâm với các loại kích thước, điều kiện khác nhau cho các khu vực thuộc ĐBSCL mà không cần phải thí nghiệm MHVL.
4 4. Cấu trúc của Luận án Luận án được chia làm 06 phần trong đó có 04 chương nội dung được bố cục từ Tổng quan nghiên cứu đến kết luận, kiến nghị, cụ thể: Mở đầu Chương 1. Tổng quan nghiên cứu về đê giảm sóng kết cấu rỗng trong chức năng bảo vệ bờ biển. Chương này tổng quan các nghiên cứu về các dạng ĐGS và hiện trạng của các dạng công trình này trên thế giới và Việt Nam. Chương 2: Nghiên cứu đề xuất giải pháp đê giảm sóng kết cấu rỗng dạng cọc ly tâm. Chương này đánh giá về các điều kiện tự nhiên, về các chế độ sóng, gió… đánh giá hệ thống bảo vệ bờ của khu vực đang nghiên cứu và đề xuất giải pháp công trình Đê cọc ly tâm. NCS tiến hành thí nghiệm MHVL trong máng sóng tại Phòng Thí nghiệm. Chương 3: Xây dựng công thức thực nghiệm tính toán hệ số truyền sóng của đê cọc ly tâm. Công thức thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng cho đê cọc ly tâm dựa trên các kết quả thí nghiệm MHVL. Công thức này có thể được sử dụng cho công tác thiết kế đê cọc ly tâm, đặc biệt là xác định khả năng giảm sóng của đê cọc ly tâm theo yêu cầu của từng địa phương, khu vực. Chương 4: Áp dụng mô hình số đánh giá hiệu quả giảm sóng của công trình đê cọc ly tâm. Kết luận và kiến nghị