Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
348
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỘT NƯỚC TRÀN
ĐẾN HỐ XÓI SAU ĐÊ BIỂN DO SÓNG THẦN GÂY RA
Đoàn Văn Bình
Cơ sở 2 - Đại học Thủy lợi, email: binhdv@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Sóng thần là một trong những thảm họa
thiên nhiên đáng sợ nhất mà con người từng
phải gánh chịu. Sóng thần được gây ra bởi
trận động đất 9.0 độ Richter vào năm 2011
đã cướp đi sinh mạng của hàng trăm nghìn
người cùng với một lượng lớn nhà cửa và
tài sản của người dân [Tanaka và cộng sự,
2012]. Với cột nước lớn, sóng thần có khả
năng chảy tràn qua các đê biển được xây
dựng trước đó. Khi bị chảy tràn, phần đất
phía sau đê có nguy cơ bị xói và điều đó
dẫn đến đê sẽ có nguy cơ mất an toàn.
Trong quá khứ chiều cao của đê biển phải
được chọn sao cho mực nước không thể tràn
qua đê để đảm bảo an toàn. Tuy nhiên, quan
điểm thiết kế hiện nay đã có sự thay đổi. Cụ
thể là đê phải cao hơn mực nước cao nhất
theo tần suất thiết kế (cao trình bảo vệ)
nhưng nên thấp hơn mực nước do các con
sóng thần (hoặc nước dâng do bão) lớn gây ra
(cao trình giảm nhẹ thiệt hại) nhằm giảm chi
phí xây dựng đê.
Hố xói phía sau công trình thủy lợi (đập
tràn, đập dâng, cống...) đã được nhiều nhà
khoa học nghiên cứu. Điển hình là Bormann
và Julien (1991) dựa vào lý thuyết khuyết tán
và quỹ đạo của dòng tia và sự ổn định của vật
liệu làm đập để đưa ra một bộ công thức bán
kinh nghiệm để tính chiều sâu hố xói. Các
công thức này đã được kiểm nghiệm bằng
các thí nghiệm có tỷ lệ mô hình từ nhỏ
đến lớn.
Rỏ ràng rằng hố xói sau đê biển nới riêng
và các công trình thủy lợi nói chung phụ
thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó cột nước
tràn qua đê có ý nghĩa quan trọng đến kích
thước của hố xói sau đê. Tuy nhiên chưa có
nhà khoa học nào nghiên cứu ảnh hưởng của
cột nước tràn đến kích thước hố xói. Vì vậy
vấn đề đó sẽ được phân tích trong nghiên
cứu này.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của cột nước
tràn đến kích thước hố xói sau đê được phân
tích dựa trên kết quả thí nghiệm mô hình vật
lý. Mô hình đê biển được thiết lập trong một
máng thí nghiệm có chiều dài 4m, chiều rộng
0.4m và chiều cao 0.5m trong phòng thí
nghiệm thủy lực thuộc trường đại học
Saitama, Nhật Bản (hình 1). Bề mặt của đê
được làm bằng gỗ để tập trung vào nghiên
cứu xói sau đê. Đê có chiều rộng, b, bằng
chiều rộng của đoạn kênh phía sau đê, B,
bằng 0.4m. Độ dốc mái đê hạ lưu là 1.0:3.0
(0.333 rad).
Phía sau đê là lớp đất có đường kính trung
bình 4.47mm và khối lượng riêng là 2,650
kg/m3 được đặt từ chân đê trở ra (hình 1). Để
mô phỏng lớp đất giống như trong điều kiện
tự nhiên, phía cuối lớp đất được đặt một tấm
chắn để giữ đất không bị trượt do dòng thấm
gây ra (đường màu đen đậm trong hình 1).
Chiều cao đê, H, thay đổi từ 0.04 đến 0.12m.
Cuối phần mô hình thí nghiệm, nước chảy tự
do vào bể chứa nước.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
349
H
h1
Straightener
SL
SP
SD
zx
Flow
Solid body of the embankment
O
h2
Hình 1. Mô hình thí nghiệm
Cột nước tràn, h1, được điều chỉnh trong
phạm vi từ 0.01 m đến 0.08 m. Trước khi bắt
đầu thí nghiệm, lớp đất phía sau đê được san
phẳng đến chân đê. Sau đó nước được bơm
từ từ cho đến khi đạt được độ sâu h1 và được
giữ nguyên ở từng mực nước h1 cho từng
trường hợp thí nghiệm.
Bằng cách thay đổi H và h1 như đã đề cập
ở trên, tổng cộng có 28 trường hợp thí
nghiệm trong nghiên cứu này. Sau mỗi
trường hợp, bề mặt của lớp đất phía sau đê sẽ
được đo theo 2 chiều (chiều dòng chảy và
chiều sâu) bằng thước đo có sai số là 0.1
mm. Trong hố xói, khoảng cách giữa 2 điểm
đo là 0.05 m và những vị trí khác là 0.1 m.
Mực nước hạ lưu, h2, được đo tại vị trí lớp
đất không bị xói ngay phía sau hố xói. Hệ
quy chiếu 2 chiều (xOz) được thể hiện như
trên hình 1. Nghiên cứu này chỉ tập trung
phân tích chiều sâu, SD, và chiều dài hố xói,
SL, ở trạng thái cân bằng sau 30 phút thí
nghiệm (xem hình 1).
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nghiên cứu này phân tích sự ảnh hưởng
của tổng năng lượng tràn, E1, đến SD và SL.
Để giải thích hiện tượng, khái niệm tiêu năng
tương đối, (E1 - E2 )/E1 được sử dụng. Trong
đó E2 là tổng năng lượng tại mặt cắt không bị
xói ngay phía sau hố xói. Năng lượng E1 và
E2 được tính như sau:
23
11
1 1 1 1
2
1
3
2 2 2
V gh
E H h H h H h
g gh
(1)
22
2
2 2 2 2
2
22
VQ
E h h
gg Bh
(2)
Trong đó V1 và V2 là vận tốc ở cuối đỉnh đê
và tại vị trí mặt cắt không bị xói ngay sau hố
xói; g là gia tốc trọng trường; Q là lưu lượng
chảy qua đê.
Tổng năng lượng E1 và E2 của 28 trường
hợp thí nghiệm được tính toán dựa vào công
thức (1) và (2). Mối quan hệ giữa E1 và
SD và SL được thể hiện trong hình 2a và 2b.
Có thể thấy rằng, kích thước hố xói tỷ lệ
thuận với năng lượng E1. Có nghĩa là, E1 có
ảnh hưởng trực tiếp đến kích của hố xói.
0
5
10
15
10 12 14 16
E1 (cm)
h1/H=0.1
h1/H=0.2
h1/H=0.3
h1/H=0.4
h1/H=0.43
h1/H=0.57
h1/H=0.71
h1/H=0.86
h1/H=1.25
h1/H=1.5
h1/H=1.75
h1/H=2.0
0
20
40
60
80
100
120
10 12 14 16
E1 (cm)
SL (cm)
h1/H=0.1
h1/H=0.2
h1/H=0.3
h1/H=0.4
h1/H=0.43
h1/H=0.57
h1/H=0.71
h1/H=0.86
h1/H=1.25
h1/H=1.5
h1/H=1.75
h1/H=2.0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
10 12 14 16
E1 (cm)
(E1-E2)/E1
h1/H=0.1
h1/H=0.2
h1/H=0.3
h1/H=0.4
h1/H=0.43
h1/H=0.57
h1/H=0.71
h1/H=0.86
h1/H=1.25
h1/H=1.5
h1/H=1.75
h1/H=2.0
Hình 2 Quan hệ giữa E1 và (a) chiều sâu hố
xói, SD, (b) chiều dài hố xói, SL, (c) tiêu năng
tương đối, (E1- E2)/ E1 trong hố xói
Với cùng một năng lượng E1 trong hình 2a
và 2b, cả SD và SL đều tăng cùng với việc
tăng tỷ lệ h1/H. Nó có nghĩa là động năng
(thể hiện qua h1) có ảnh hưởng đến hố xói
lớn hơn thế năng (thể hiện qua H). Dựa vào
hình vẽ ta thấy, khoảng cách tương ứng của
SD và SL giữa các cặp giá trị h1/H = 0.1, 0.2,
0.3, và 0.4 và h1/H = 0.43, 0.57, 0.71, và 0.86
Thân đê
a
)
b
)
c)
Tấm chắn
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
350
thì lớn hơn SD và SL giữa các cặp giá trị h1/H
= 0.43, 0.57, 0.71, và 0.86 và h1/H = 1.25,
1.5, 1.75, và 2.0. Điều đó có nghĩa là SD và SL
thay đổi rất nhiều khi giá trị của h1/H nhỏ.
Hiện tượng này có thể được giải thích như
sau. Một mặt, năng lượng được tiêu hao một
phần do dòng chảy ma sát với với bề mặt của
mái đê hạ lưu. Mặt khác, các hạt bùn cát
được đẩy ra khỏi hố xói sẽ được tích tụ lại
thành một đụn cát ở ngay phía sau hố xói.
Chính đụn cát này làm tăng lượng nước ứ
đọng trong hố xói và nó giúp tiêu hao một
lượng rất lớn năng lượng dòng chảy.
Trong hình 2a, mặc dù h1/H = 0.3 và 0.4 là
không quá khác nhau nhưng chiều sâu hố xói
lại thay đổi rất nhiều. Bởi vì đụn cát ứng với
h1/H = 0.3 là cao hơn rất nhiều so với trường
hợp h1/H = 0.4 cho nên nó tiêu hao một
lượng lớn năng lượng dòng chảy (hình 2c).
Quan điểm mới trong thiết kế đê biển hiện
nay là đê phải cao hơn cao trình bảo vệ và
nên thấp hơn cao trình giảm nhẹ để giảm chi
phí xây dựng. Nghĩa là vẫn cho phép nước
tràn qua đê trong phạm vi cho phép (TCVN
9901:2013). Tuy nhiên chiều cao đê không
được quá thấp để tránh xảy ra hố xói quá lớn
sau đê khi bị chảy tràn. Vì vậy, giá trị
h1/H = 0.3 nên được coi như là một giá trị
phân giới trong việc xác định chiều cao đê.
Cụ thể, cao trình bảo vệ và giảm nhẹ có thể
được tính toán xác định trước dựa vào chiều
liệt tài liệu trong quá khứ. Sau đó chiều cao
đê được chọn sao cho h1/H 0.3.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Cột nước tràn có ảnh hưởng trực tiếp đến
kích thước hố xói, cụ thể là chúng tỷ lệ thuận
với nhau. Cùng một cột nước tràn, chiều sâu và
chiều dài hố xói thay đổi rất nhiều khi cột nước
tràn nhỏ và nó thay đổi không đáng kể khi cột
nước tràn lớn. Với quan điểm mới trong thiết
kế đê biển, đê phải cao hơn cao trình bảo vệ để
đảm bảo tính an toàn của đê, tuy nhiên nên
thấp hơn cao trình giảm nhẹ để giảm chi phí
xây dựng. Quan trọng nhất là chiều cao đê phải
được chọn hợp lý để giảm kích thước hố xói
khi bị nước chảy tràn. Vì vậy, tác giả kiến nghị
sử dụng h1/H = 0.3 như là một giá trị phân
giới trong việc chọn chiều cao đê.
Ở Việt Nam, khả năng sóng thần xảy ra là
hầu như không có theo nhận định của nhiều
nhà nghiên cứu. Tuy nhiên nước dâng do bão
lại xảy ra hàng năm mặc dù tần suất xuất hiện
là không lớn (chỉ xảy ra vài lần trong năm
vào mùa mưa bão). Đa số các đê biển ở nước
ta hiện nay có khả năng chống lại bão cấp 9,
và chúng sẽ trở nên nguy hiểm khi bão cấp
cao hơn xuất hiện. Chẳng hạn như cơn bão số
7 năm 2005 (bão Damrey) với cấp 12 đã chảy
tràn và phá hủy nhiều hệ thống đê biển ở Hải
Phòng, Thanh Hóa... (Trần Thanh Tùng và
cộng sự). Vì vậy hệ thống các đê biển ở nước
ta cần phải được đánh giá lại cấp bão mà
chúng có thể chống được và cấp bão tối đa
chúng có thể chịu đựng được. Sau đó có thể
dùng kết quả của nghiên cứu này để chọn cao
trình đê hợp lý nhất và đưa vào tiêu chuẩn
thiết kế đê biển.
5. LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn ngân hàng
ADB đã cấp học bổng và cảm ơn sự hướng
dẫn của giáo sư Norio Tanaka và trợ lý giáo
sư Junji Yagisawa để tác giả có thể hoàn
thành nghiên cứu này.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bormann, N. E., và Julien, P. Y. (1991). Scour
downstream of grade-control structures. J.
Hydraul. Eng., 10.1061/(ASCE)0733-
9429(1991)117:5(579).
[2] Tanaka, N., Yagisawa, J., và Yasuda, S.
(2012). Characteristics of damage due to
tsunami propagation in river channels and
overflow of their embankments in Great
East Earthquake. Intl. J. River Basin
Management, 10(3), 269-279.
[3] TCVN 9901:2013 (2013). Công trình thủy
lợi - Yêu cầu thiết kế đê biển. Hà Nội, trang
75-139.
[4] Trần Thanh Tùng, Phạm Ngọc Quý và Đỗ
Tất Túc. Nghiên cứu, đề xuất mặt cắt ngang
đê biển hợp lý và phù hợp với điều kiện
từng vùng từ Quảng Ngãi đến Bà Rịa -
Vũng Tàu, trang 25-31.