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 hc Thy li, email: binhdv@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
ng thn mt trong nhng thm ha
thn nhiên đáng s nhất con ngưi tng
phi gánh chu. Sóng thần đưc gây ra bi
trận động đt 9.0 độ Richter vào m 2011
đã ớp đi sinh mng của hàng trăm nghìn
ngưi cùng vi mt ng ln n ca
i sn của ni dân [Tanaka cộng sự,
2012]. Với cột ớc lớn, sóng thần khả
năng chảy tràn qua các đê biển được xây
dựng trước đó. Khi b chy tràn, phần đất
phía sau đê nguy b xói và điều đó
dẫn đến đê s nguy mt an toàn.
Trong quá kh chiu cao của đê biển phi
đưc chn sao cho mực nước không th tràn
qua đê đ đảm bo an toàn. Tuy nhiên, quan
đim thiết kế hiện nay đã s thay đổi. C
th đê phải cao hơn mực nước cao nht
theo tn sut thiết kế (cao trình bo v)
nhưng n thấp hơn mực nước do các con
sóng thn (hoặc nưc dâng do bão) ln gây ra
(cao trình gim nh thit hi) nhm gim 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 Bormann
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 t nghiệm tỷ lệ hình từ nhỏ
đến lớn.
R ràng rằng hố xói sau đê biển nới riêng
các công trình thủy lợi i chung phụ
thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó cột nước
tràn qua đê ý nghĩa quan trọng đến kích
thước của hố xói sau đê. Tuy nhiên chưa
nhà khoa học nào nghiên cứu ảnh hưởng của
cột nước tràn đến kích thước hố xói. 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 hình vật
lý. hình đê biển được thiết lập trong một
máng thí nghiệm có chiều dài 4m, chiều rộng
0.4m 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 chiều rộng, b, bằng
chiều rộng của đoạn kênh phía sau đê, B,
bằng 0.4m. Độ dốc mái đê hlưu 1.0:3.0
(0.333 rad).
Phía sau đê lớp đất đường kính trung
bình 4.47mm khối lượng rng 2,650
kg/m3 được đặt từ chân đê trở ra (hình 1). Để
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 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. 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 được
giữ nguyên từng mực nước h1 cho từng
trường hợp thí nghiệm.
Bằng cách thay đổi H h1 như đã đề cập
trên, tổng cộng 28 trường hợp t
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
chiều sâu) bằng thước đo sai số 0.1
mm. Trong hố xói, khoảng cách giữa 2 điểm
đo 0.05 m những vị trí khác 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 y chỉ tập trung
phân tích chiều sâu, SD, chiều dài hố xói,
SL, 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 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
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 V2 vận tốc cuối đỉnh đê
tại vị trí mặt cắt không bị xói ngay sau hố
xói; g gia tốc trọng trường; Q lưu lượng
chảy qua đê.
Tổng năng lượng E1 E2 của 28 trường
hợp thí nghiệm được tính toán dựa vào công
thức (1) và (2). Mối quan hệ giữa E1
SD và SL được thể hiện trong hình 2a 2b.
thể thấy rằng, kích thước hố xói tỷ lệ
thuận với năng lượng E1. nghĩa là, E1
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
2b, cả SD SL đều tăng cùng với việc
tăng tỷ lệ h1/H. nghĩa động năng
(thể hiện qua h1) 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 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, 0.86 h1/H = 1.25,
1.5, 1.75, và 2.0. Điều đó có nghĩa là SDSL
thay đổi rất nhiều khi giá trị của h1/H nhỏ.
Hiện tượng này 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 ngay phía sau hố xói.
Chính đụn cát này làm tăng lượng nước
đọng trong hố xói 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 đụn cát ứng với
h1/H = 0.3 cao hơn rất nhiều so với trường
hợp h1/H = 0.4 cho nên tiêu hao một
lượng lớn năng lượng dòng chảy (hình 2c).
Quan điểm mới trong thiết kế đê biển hiện
nay đê phải cao hơn cao trình bảo vệ và
nên thấp hơn cao trình giảm nhẹ để giảm chi
phí xây dựng. Nghĩa 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 i quá lớn
sau đê khi bị chảy tràn. vậy, giá trị
h1/H = 0.3 nên được coi như một giá trị
phân giới trong việc xác định chiều cao đê.
Cụ thể, cao trình bảo vệ giảm nhẹ thể
được tính toán xác định trước dựa vào chiều
liệt tài liệu trong qkhứ. Sau đó chiều cao
đê được chọn sao cho h1/H 0.3.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGH
Cột nước tràn ảnh hưởng trực tiếp đến
kích thước hố xói, cụ thể chúng t lệ thuận
với nhau. Cùng một cột nước tràn, chiều sâu và
chiều dài hố xói thay đổi rất nhiều khi cột nước
tràn nh thay đổi không đáng kkhi cột
nước tràn lớn. Với quan điểm mới trong thiết
kế đê biển, đê phải cao hơn cao trình bảo vệ đ
đảm bảo tính an toàn của đê, tuy nhiên n
thấp hơn cao trình giảm nhẹ để giảm chi phí
xây dựng. Quan trọng nhất chiều cao đê phải
được chọn hợp để giảm kích thước hố xói
khi bị nước chảy tràn. vậy, tác giả kiến nghị
sử dụng h1/H = 0.3 như một giá trị phân
giới trong việc chọn chiều cao đê.
Việt Nam, khả năng sóng thần xảy ra
hầu như không 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
không lớn (chỉ xảy ra vài lần trong năm
vào mùa mưa bão). Đa số các đê biển nước
ta hiện nay khả năng chống lại bão cấp 9,
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 phá hủy nhiều hệ thống đê biển ở Hải
Phòng, Thanh Hóa... (Trần Thanh Tùng
cộng sự). Vì vậy hệ thống các đê biển ở nước
ta cần phải được đánh giá lại cấp bão
chúng thể chống được và cấp bão tối đa
chúng thể chịu đựng được. Sau đó thể
dùng kết quả của nghiên cứu này để chọn cao
trình đê hợp 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 Norio Tanaka trợ giáo
Junji Yagisawa để tác giả 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., 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 Đỗ
Tất Túc. Nghiên cứu, đề xuất mặt cắt ngang
đê biển hợp lý phù hợp với điều kiện
từng vùng từ Quảng Ngãi đến Rịa -
Vũng Tàu, trang 25-31.