Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN THÌN

NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN THÌN

NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-40-01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ

2. GS.TS. Ngô Trí Viềng

HÀ NỘI, NĂM 2014

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 (nếu có)

được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Thìn

LỜI CẢM ƠN

Có được kết quả nghiên cứu như hôm nay ngoài sự cống gắng của bản thân, tác giả xin

trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ, GS.TS. Ngô Trí Viềng

đã hướng dẫn tận tình.

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Trịnh Minh Thụ,

PGS.TS. Nguyễn Trung Việt đã tận tình giúp đỡ mọi mặt trong quá trình tác giả thực

hiện luận án.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo ĐH&SĐH,

bộ môn Thủy công, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, phòng Khoa học công nghệ

và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án.

Tác giả xin được cảm ơn Vụ Giáo dục Đại học - Bộ Giáo dục & Đào tạo, Bộ Nông

nghiệp và PTNT đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua

mọi khó khăn khi thực hiện luận án.

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .....................................................................................vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................ viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ................................................ix

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 1

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 ................................................................................. 3

7. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................... 3

8. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 4

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ

Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ............................................... 5

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới ............................................ 5

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam ............................................. 6

Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu ........................ 8

Nguyên nhân hư hỏng đê biển .................................................................... 8

Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn ......................................................... 9

Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ.................................. 12

Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc .................................... 12

Khái quát chung ........................................................................................ 12

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh ...................................................... 14

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa ................................................. 16

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Nam Định .................................................. 16

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hải Phòng .................................................. 18

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp ................... 18

Ở trên thế giới ........................................................................................... 18

Ở Việt Nam ............................................................................................... 20

CHƯƠNG 1 TƯỜNG ĐỈNH THẤP .................................................................................................... 5

iii

Kết luận chương 1 ............................................................................................ 26

Mục đích nghiên cứu........................................................................................ 28

Cơ sở lý thuyết về tương tự.............................................................................. 28

Tương tự về hình học ................................................................................ 28

Tương tự về động học ............................................................................... 29

Tương tự về động lực học. ........................................................................ 29

Mô tả thí nghiệm sóng đều ............................................................................... 29

Máng sóng ................................................................................................. 29

Mô hình đê và các tham số thí nghiệm ..................................................... 31

Chương trình thí nghiệm ........................................................................... 32

Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc ............................................... 34

Phân tích kết quả thí nghiệm ............................................................................ 37

Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình ............... 37

Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn ......................................... 40

Kết luận chương 2 ............................................................................................ 42

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN ............................. 28

TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY SÓNG TRÀN

Đặt vấn đề ........................................................................................................ 43

Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010) .................................................... 46

Hệ phương trình cơ bản ............................................................................. 46

Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên ............................................................ 47

Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) .................................... 52

Giới thiệu máng sóng số ............................................................................ 52

Hệ phương trình cơ bản ............................................................................. 54

Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên ............................................................ 55

Sóng tràn đối với sóng đều ........................................................................ 57

Kết luận chương 3 ............................................................................................ 72

CHƯƠNG 3 QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP ................................................................. 43

ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG TRÀN

Giới thiệu công trình ........................................................................................ 74

CHƯƠNG 4 QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH ...................................................... 74

Tính toán sóng tràn .......................................................................................... 75

Các công thức cơ bản ................................................................................ 75

Thiết lập bảng tính toán sóng tràn ............................................................. 75

Xây dựng phần mềm tính toán sóng tràn .................................................. 79

Kết quả tính toán sóng tràn và đề xuất mặt cắt ngang đê biển ........................ 81

Kết quả tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định ............... 81

Đề xuất mặt cắt ngang đê biển .................................................................. 83

Phạm vi áp dụng ........................................................................................ 83

Kết luận chương 4 ............................................................................................ 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 86

I. Kết quả đạt được của luận án ................................................................................ 86

II. Những đóng góp mới của luận án ......................................................................... 88

III. Tồn tại và hướng phát triển ................................................................................. 89

IV. Kiến nghị ............................................................................................................. 89

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .............................................................. 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 91

PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 99

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản .................................................... 5 Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1] ................................................. 7 Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1] ................................ 9 Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức ............................................................................... 10 Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam ............................................................. 10 Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005 .................................... 11 Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1] ........................................................................ 11 Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014) ................... 12 Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam .............................................. 13 Hình 1.10 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh [3] .............................................. 15 Hình 1.11 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh [3] ............................... 15 Hình 1.12 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa [7] ................................................................. 16 Hình 1.13 Đê biển Giao Thủy, Nam Định..................................................................... 17 Hình 1.14 Đê biển Quất Lâm, Nam Định ...................................................................... 17 Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng ......................................................................... 18 Hình 1.16 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh thấp [9] ........................ 19 Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56] ........ 21 Hình 1.18 Thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trong nghiên cứu [56] ............................ 21 Hình 1.19 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng vỡ [56] ............................... 22 Hình 1.20 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng không vỡ [56] .................... 22 Hình 1.21 Sơ đồ thí nghiệm sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp [58] ................ 24 Hình 1.22 Các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn [58] .............................. 24 Hình 1.23 Hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường w [58] ............................................. 25 Hình 1.24 Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng thềm trước tường s [58] .......................... 25 Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm ..................................................... 30 Hình 2.2 Máy tạo sóng .................................................................................................. 30 Hình 2.3 Máng sóng ...................................................................................................... 31 Hình 2.4 Khu vực điều khiển máy tạo sóng .................................................................. 31 Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm sóng đều ......................................................................... 32 Hình 2.6 Xử lý chống thấm qua đê trong thí nghiệm .................................................... 33 Hình 2.7 Máy tính, thiết bị nhận và lưu trữ tín hiệu ...................................................... 34 Hình 2.8 Kiểm tra các đầu đo sóng tại chân đê ............................................................. 35 Hình 2.9 Mô hình xác định lưu lượng sóng tràn ........................................................... 36 Hình 2.10 Mô hình xác định chiều cao sóng bắn .......................................................... 36 Hình 2.11 Mô hình xác định chiều sâu dòng chảy tràn ................................................. 36 Hình 2.12 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp v (đo đạc - tính toán) ....... 38 Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (Hb/H) với (S.H/g.W.T2) ........................................... 40 Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1 .................... 48

Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2 ......................... 49 Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA1) .............................. 51 Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA2) .............................. 52 Hình 3.5 Sóng tràn qua đê trong (MH vật lý) ............................................................... 53 Hình 3.6 Sóng tràn qua đê (MH máng sóng số) ............................................................ 53 Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC) .............. 57 Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC) .......................... 59 Hình 3.9 Sóng bắn khi sóng va vào tường (MH Vật lý) ............................................... 61 Hình 3.10 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê (MH Vật lý) ........................................... 61 Hình 3.11 Sóng chảy thành dòng (MH Vật lý) ............................................................. 62 Hình 3.12 Sóng rút (MH Vật lý) ................................................................................... 62 Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý) .............................. 63 Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê t=27.3s ( MH vật lý) ............................ 63 Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng t = 27.5s ( MH vật lý) ............................................. 64 Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý) ..................................................................... 64 Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý) ..................... 65 Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường .............................................. 67 Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều rộng thềm đến chiều cao sóng bắn ............................ 70 Hình 3.20 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t* ............................. 71 Hình 3.21 Lực sóng tác dụng lên tường ........................................................................ 71 Hình 4.1 Đê biển Giao Thủy tỉnh Nam Định ................................................................ 74 Hình 4.2 Giao diện chính phầm mềm ............................................................................ 79 Hình 4.3 Giao diện nhập các tham số thiết kế ............................................................... 80 Hình 4.4 Giao diện tính toán các tham số sóng thiết kế ................................................ 80 Hình 4.5 Giao diện tính toán sóng tràn qua đê .............................................................. 81 Hình 4.6 Kết quả tính toán cho các kịch bản (W,S) khác nhau..................................... 83 Hình 4.7 Mặt cắt ngang đê biển theo dự thảo TCVN-2013 [4] ..................................... 84 Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp và thềm trước .............................. 84

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3] ............................................. 14 Bảng 1.2 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng ngẫu nhiên ..................................... 23 Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều ................................................. 33 Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường .............. 39 Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm xác định chiều cao sóng bắn........................................... 41 Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán sóng tràn cho các trường hợp điển hình sóng ngẫu nhiên ...................................................................................................................... 56 Bảng 3.2 Kết quả đo đạc và tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình của sóng đều.... 58 Bảng 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán chiều cao sóng bắn lớn nhất .............................. 66 Bảng 3.4 Kết quả đo đạc và tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất ..................... 68 Bảng 4.1 Thiết lập các thông số đầu vào ....................................................................... 75 Bảng 4.2 Tính toán các tham số sóng thiết kế ............................................................... 77 Bảng 4.3 Tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình ...................................................... 77 Bảng 4.4 Lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn cho đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định với các kịch bản (W,S) khác nhau ............................................. 82

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

1. Danh mục các từ viết tắt:

2DV-RANS Navier – Stockes 2 chiều – Phương trình 2 chiều

ARC Active Reflection Compensation – Hấp thụ sóng phản xạ tự động

BĐKH Biến đổi khí hậu.

COBRAS Cornell Breaking Waves and Structures – Mô hình máng sóng số

ENDEC Energy Decay – Suy giảm năng lượng sóng

FVM Finite volume method – Phương pháp phần tử hữu hạn

MH Mô hình.

MNTK Mực nước thiết kế.

NH Nguyên hình.

NLSW Non-Linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông

RANS Reynolds Averaged Navier Stokes – Mô hình toán họ RANS

SPH Smoothed Particle Hydrodynamics – Mô hình thủy lực SPH

SWASH Simulating WAve still Shore – Mô hình SWASH

TAW Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes – Sổ tay kỹ thuật

tính toán sóng tràn qua đê

TH Trường hợp.

VOF Volume Of Fluid – Mặt thoáng

2. Các thuật ngữ

“Tường đỉnh thấp” là tường đỉnh trên đê có (W/Hs ≤ 0.5)

“Thềm trước” là thềm phía trước tường đỉnh

“Sóng bắn” là một phần sóng tràn nằm trong không khí không bám sát bề mặt đê

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu và

nước biển dâng. Dọc theo bờ biển là những trung tâm kinh tế, văn hóa quan trọng của

cả nước. Để đảm bảo ổn định và phát triển bền vững của khu vực quan trọng này nhất

thiết phải xây dựng hệ thống đê biển. Mặc dù đã được nhà nước đầu tư đáng kể qua

nhiều chương trình, nhưng đê biển Bắc bộ vẫn có cao trình đỉnh tương đối thấp, bề rộng

mặt đê nhỏ, mái đê phía biển, phía đồng dốc, hầu hết đê lại trực diện với biển. Đây là

vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai (đặc biệt là bão, áp thấp nhiệt đới) là

vùng biển có độ lớn thuỷ triều cao và nước dâng do bão lớn. Vì vậy hệ thống đê biển

khu vực này luôn có nguy cơ sóng tràn qua đê làm vỡ đê gây ảnh hưởng nặng nề đến

tính mạng và tài sản của nhân dân (điều này đã được chứng minh thực tế qua các cơn

bão điển hình trong những năm gần đây).

Theo kết quả thống kê từ các sự cố vỡ đê trong những năm qua thì sóng tràn gây hư hại

mặt đê và mái phía đồng là phổ biến ở nước ta. Một trong những giải pháp hữu hiệu để

giảm sóng tràn qua đê là xây tường đỉnh thấp đặt trên đỉnh đê, vì việc tôn cao mặt đê

hay làm cơ ở phía thượng lưu là rất tốn kém và khó khả thi đặc biệt là những tuyến đê

bảo vệ các thành phố, các khu du lịch. Đến nay, các nghiên cứu sóng tràn qua đê có

tường đỉnh thấp đặc biệt là các nghiên cứu tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy

sóng tràn chưa đầy đủ.

Việc hiểu rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp và thềm trước tường đối với sóng tràn có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển

hiện nay. Với ý nghĩa đó tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường

đỉnh ở Bắc bộ” làm đề tài nghiên cứu của mình.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tính

chất dòng chảy sóng tràn qua đê biển, từ đó góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán

sóng tràn qua đê biển để bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện

nay.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;

- Phạm vi nghiên cứu là đê biển hiện có ở Bắc bộ - Việt Nam.

4. Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;

- Mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn

qua đê biển;

- Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;

- Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam

Định.

5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.1. Cách tiếp cận

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên

cứu có liên quan trong nước và trên thế giới về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp.

Từ đó lựa chọn hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính sáng tạo và phù

hợp với điều kiện Việt Nam.

5.2. Các phương pháp sử dụng trong luận án

- 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 nghiên cứu thực nghiệm: thực hiện các thí nghiệm sóng tràn với các

kịch bản khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng

tràn trung bình và tương tác sóng – tường;

- Phương pháp kết hợp: kết hợp mô hình toán với mô hình vật lý để dự báo lưu lượng

sóng tràn trung bình, làm sáng tỏ quá trình tương tác sóng - tường và tính chất dòng

chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;

- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán sóng tràn

qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6.1. Ý nghĩa khoa học

Các nghiên cứu hiện tại về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp chưa thật đầy đủ

đặc biệt là vấn đề tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn. Do đó, việc hiểu

rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình cũng như tương

tác giữa sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy

trong tính toán sóng tràn qua đê biển, bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật

đê biển hiện nay.

6.2. Ý nghĩa thực tiễn

Đê biển Bắc bộ thường có cao trình đỉnh khá thấp nên khi có bão, triều cường, kết hợp

với nước biển dâng thì hầu hết các tuyến đê biển đều bị sóng tràn qua và có nguy cơ vỡ

đê. Để đảm bảo tính mạng và tài sản của các vùng ven biển trong điều kiện biến đổi khí

hậu và nước biển dâng như hiện nay, nhất thiết phải giảm thiểu sóng tràn qua đê, đặc

biệt là những tuyến đê bảo vệ các khu dân cư, vùng kinh tế quan trọng. Hiện nay, để

nâng cao cao trình đê biển với đê hiện có, đặc biệt là các tuyến đê bảo vệ các thành phố,

các khu du lịch là khó khả thi. Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp xây dựng tường đỉnh thấp

trên đê nhằm nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là giải pháp được

áp dụng phổ biến do tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện kinh tế hiện nay của nước

ta hiện nay.

7. Những đóng góp mới của luận án

- Làm sáng tỏ bản chất ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn và chứng

minh được tính ưu việt của thềm trước thông qua việc đi sâu phân tích quá trình tương

tác sóng – tường;

- Xây dựng được công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường

đỉnh thấp trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho trường hợp sóng đều (2-12);

- Xây dựng được đường cong quan hệ tường minh giữa chiều cao sóng bắn với các

tham số sóng và hình học tường (Hình 2.13);

- Xây dựng được một mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh có thềm trước hợp lý, hiệu quả,

phù hợp với thực tiễn đê biển Bắc bộ - Việt Nam (Hình 4.8).

8. 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 nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;

Chương 2: Mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến

sóng tràn qua đê biển;

Chương 3: Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường

đỉnh thấp;

Chương 4: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy,

tỉnh Nam Định.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ

CHƯƠNG 1 BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP

Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới

Nghiên cứu đê biển nói chung, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển nói riêng được nhiều

quốc gia quan tâm đặc biệt là những quốc gia có biển. Sự phát triển khoa học và kỹ thuật

về đê biển ở các nước này gắn liền với lịch sử phát triển của đất nước. Nghiên cứu về

đê biển ở trên thế giới đã có từ lâu, nhiều nước đã có những nghiên cứu khá toàn diện

như: Mỹ, Hà Lan, CHLB Đức, Nhật Bản... Các thành tựu nghiên cứu về khoa học và

công nghệ đê biển trên thế giới đã được tổng kết, đánh giá đưa vào sổ tay, quy trình, quy

phạm [1][6]. Hiện nay, hệ thống đê biển của các nước phát triển được xây dựng kiên cố,

khá hiện đại, kết hợp với hệ thống đường cao tốc (Hình 1.1).

Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản

Nhưng do những biến động lớn về môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu toàn cầu, tần suất và cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, đặc biệt là: bão, triều cường và

nước biển dâng làm cho nguy cơ tràn nước qua đê chưa được loại bỏ vẫn là mối hiểm

họa. Vì vậy, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển là vấn đề trọng thị trên thế giới. Các

nghiên cứu tiêu biểu về sóng tràn qua đê có thể kể đến:

Saville (1955) là người đầu tiên đặt vấn đề nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí

nghiệm sóng đơn [44]. Cho đến nay, đã có hàng vạn các thí nghiệm đang được tiến hành

ở nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, chủ yếu là ở Châu Âu nghiên cứu thực nghiệm

của sóng leo và sóng tràn qua các kết cấu công trình biển. Các thí nghiệm sau này được

thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với các điều kiện tự nhiên hơn như:

sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, kết cấu công trình đa dang.. [9];

Owen (1980) dựa trên số lượng hàng ngàn thí nghiệm mô hình sóng ngẫu nhiên, bước

đầu đã xây dựng được công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình

mái nhẵn. Các nghiên cứu sau đó của Owen cũng đã xét đến ảnh hưởng của độ nhám

mái đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê [40];

De Waal and Van der Meer (1992) đã tiếp tục nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn

không thấm tương tự như Owen (1980). Tuy nhiên lưu lượng sóng tràn trung bình được

quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lưu không đỉnh đê (Ru2% - Rc)/Hs. Các kết quả

nghiên cứu này vẫn còn nhiều hạn chế như: không xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái

đê, ảnh hưởng của cơ đê và nhất là tính sóng tràn thông qua sóng leo Ru2%[17];

Van der Meer and Janssen (1995) đã cải tiến các công thức tính toán trước đó, sóng

tràn tính toán trực tiếp thông qua độ lưu không tương đối Rc/Hs. Sóng tràn còn phụ thuộc

vào tính chất tương tác sóng với công trình thể hiện qua các sóng vỡ và sóng không vỡ.

Trong nghiên cứu này đã xây dựng được công thức tính toán sóng tràn có thể áp dụng

cho đê có cơ ở phía biển và xem xét độ nhám của mái đê [59];

TAW (2002), EurOtop (2007) đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua

đê khá hoàn chỉnh, với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho đa dạng các kết cấu hình học đê

và có xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến sóng tràn qua đê. Hiện nay kết quả

nghiên cứu này được sử dụng phổ biến [50][19].

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam

Nước ta có hơn 3260km bờ biển, 89 cửa sông và hơn 3000 hòn đảo, dọc theo bờ biển là

29 tỉnh và các thành phố, hải cảng, khu công nghiệp, dầu khí, khu đánh bắt và nuôi trồng

thủy sản. Vì thế, nước ta có một tiềm năng to lớn trong phát triển kinh tế biển và vùng

ven biển. Hệ thống đê biển, đê cửa sông được xây dựng và phát triển theo thời gian do

nhiều thế hệ người Việt Nam xây đắp [1].

Đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh tương đối thấp, nên khi có bão, triều cường và nước

biển dâng thì hệ thống đê biển quan trọng này luôn bị đe dọa tràn nước dẫn đến vỡ đê.

Khi thiết kế dù đã tuân theo các quy phạm hiện hành, nhưng do những biến động lớn về

môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu, tần suất và cường độ thiên tai ngày

càng gia tăng, đặc biệt là: bão, triều cường và nước biển dâng làm cho nguy cơ tràn nước

qua đê gây ra những thảm họa lớn về người, tài sản và môi trường sinh thái ở các vùng

ven biển. Do đó, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở Việt Nam vẫn là vấn đề thời sự.

Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1]

Để nâng cao trình độ về kỹ thuật, công nghệ thiết kế thi công đê biển dần tiếp cận với

trình độ khu vực và thế giới. Trong những năm qua, nhà nước đã đầu tư khá mạnh cho

việc nghiên cứu đê biển như: nghiên cứu xác định mặt cắt ngang hợp lý, nghiên cứu

công nghệ vật liệu xây dựng đê biển... Tuy nhiên, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển vẫn

còn khá khiêm tốn và chưa thật đầy đủ. Trong phạm vi nghiên cứu này tác giả chỉ giới

thiệu các nghiên cứu trong nước liên quan mật thiết đến mục tiêu của luận án:

Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2006, 2009, 2010, 2013) đã tiến hành thí nghiệm mô

hình vật lý kết hợp với phân tích lý thuyết cho các kịch bản khác nhau, có điều kiện biên

sát với thực tế của đê biển Việt Nam. Các nghiên cứu này đã đánh giá độ tin cậy của

TAW (2002) và xây dựng được các cơ sở khoa học quan trọng cho việc tính toán sóng

tràn qua đê biển ở Việt Nam [55][56][57][58];

Vũ Minh Cát và cộng sự (2008) Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với

từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam [1];

Ngô Trí Viềng và cộng sự (2010) Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp

khoa học công nghệ đảm bảo sự ổn định và độ bền của đê biển hiện có trong trường hợp

sóng, triều cường tràn qua đê [10];

Phạm Ngọc Quý và cộng sự (2012) Nghiên cứu mặt cắt đê biển hợp lý từ Quảng Ngãi

đến Bà Rịa Vũng tàu [6].

Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu

Nguyên nhân hư hỏng đê biển

Có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng đê biển như: do lũ sông, từ phía biển, từ thiết kế, từ

thi công, từ quản lý... Trong các nguyên nhân gây hư hỏng đê biển, nguyên nhân từ phía

biển được xem là nguy hiểm nhất, bao gồm: bão, triều cường và nước biển dâng gây

sóng tràn đê dẫn đến phá hoại đê [1][8].

Hệ thống đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh đê khá thấp, phổ biến từ 4.0m đến 5.5m, lưu

lượng sóng tràn trung bình qua đê khi có bão là tương đối lớn, tùy từng vùng lưu lượng

sóng tràn trung bình có thể lên đến hàng trăm l/s/m. Sóng tràn gây xói mái trong dẫn

đến vỡ đê là nguyên nhân phổ biến [9]. Theo thống kê, chiều cao sóng trong bão tại chân

đê biển đạt khoảng 1.5m đến 1.8m. Nhưng nước dâng trong bão có thể lên tới 2.0m, làm

độ sâu nước tại chân đê tăng lên đáng kể. Đây là nguyên nhân khuếch đại chiều cao sóng

tràn, sóng leo lên mái công trình [1].

Tải trọng sóng tỉ lệ với chiều cao, hướng truyền sóng và xu thế tăng lên đáng kể sẽ là

nguyên nhân gây phá hoại đê [1]. Khi sóng tràn qua mặt đê, nước sẽ chảy trên mái vào

phía đồng với vận tốc khá lớn 3.0m/s đến 4.0m/s gây xói mặt đê, phá hỏng lớp bảo vệ

mái và đẩy vật liệu thân đê xuống chân. Mặt khác, khi sóng tràn trên mái sẽ thấm vào

thân gây quá trình bão hoà vật liệu trong thân đê. Quá trình thấm sẽ làm cho các vật liệu

trong thân đê bị kéo theo các khe nứt, lỗ hổng ra ngoài gây lún đê và phá hỏng các kết

cấu bảo vệ, dẫn tới phá hỏng toàn bộ mặt cắt đê. Hai yếu tố tác động trên được xảy ra

đồng thời nên khi có sóng tràn qua đê thì tốc độ phá hoại đê diễn ra rất nhanh [9][1].

Tóm lại, nguyên nhân gây hư hỏng đê biển thì có nhiều, nhưng theo số liệu thống kê từ

các sự cố vỡ đê thì sóng tràn gây phá hoại mặt đê, mái đê phía đồng là tác nhân chủ yếu,

là mối hiểm họa mà các nhà thiết kế, thi công và quản lý đặc biệt quan tâm.

Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn

Khi sóng tràn qua đê làm mái trong bị xói. Quá trình xói này có thái phức tạp chịu chi

phối của nhiều yếu tố từ thủy động lực học, hình thái sóng tràn đến các tính chất cơ lý

của vật liệu gia cố mái đê. Khi đê biển có tường đỉnh thấp, sóng tràn đập vào mái đê do

năng lượng sóng leo lớn nên khi lưỡi sóng va vào tường đỉnh sẽ tạo ra sóng bắn lên cao,

kèm theo đó là gió bão từ ngoài biển thổi vào với vận tốc gió khá lớn, khối nước tạo ra

từ sóng bắn sẽ dội trực tiếp vào mặt đê với một động năng lớn làm hỏng mặt đê và dẫn

đến vỡ đê.

Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1]

Chưa dừng lại ở đó, khi sóng tràn đê, đê bị bão hòa do thẩm thấu của dòng chảy sóng

tràn. Cơ chế này thường xảy ra với mái đê có độ dốc lớn (dốc hơn 1/2) hoặc khi đất đắp

đê có cường độ yếu. Trong nhiều trường hợp, hư hỏng mái đê thường là hậu quả kết hợp

của cả nhiều cơ chế và bắt đầu bằng quá trình xói mái đê, tức là khi mái đê bị xói đến

mức độ nào đó thì sẽ gây ra mất ổn định đê.

Cơ chế phá hoại đê do sóng tràn, dòng chảy tràn được tác giả tiếp tục thực hiện nghiên

cứu thực nghiệm ở trường Đại học TU Braunshweig - CHLB Đức; tại phòng Thí nghiệm

trọng điểm quốc gia - Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam và các chương trình trao đổi

nghiên cứu ở trường Đại học Kyushu - Nhật Bản, trường Đại học NTU Singapore và ở

Trung Quốc. Một lần nữa khẳng định rằng: sóng tràn, dòng chảy tràn gây phá hoại đê

vẫn là cơ chế nổi trội nhất và khi lưu lượng tràn càng lớn thì khả năng phá hoại càng

cao. Mức độ phá hoại còn phụ thuộc vào kỹ thuật xây dựng thông qua hệ số đầm chặt,

loại đất đá, độ ẩm ban đầu của đất lõi đê và chiều cao của đê.

Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức

Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam

Tóm lại, cơ chế phá hoại đê biển có nhiều, từ phá hoại cục bộ đến phá hoại tổng thể; các

nguyên nhân, yếu tố tác động, hệ quả.. cũng rất đa dạng. Qua phân tích, thống kê, kế

thừa có chọn lọc các báo cáo, các sự cố vỡ đê ở Bắc bộ và các kết quả nghiên cứu trong

và ngoài nước, tác giả thấy rằng: cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn, dòng chảy tràn

là cơ chế trội nhất.

Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005

Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1]

Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ

Hiện nay, có khá nhiều giải pháp để giảm thiểu sóng tràn qua đê, các giải pháp công

trình và phi công trình phổ biến như: làm đê ngầm phá sóng ở phía trước đê, dùng các

cấu kiện khác nhau đặt trước đê để phá sóng, làm cơ đê phía biển một bậc hoặc nhiều

bậc, trồng rừng ngập mặn phía trước đê, nâng cao cao trình đỉnh đê…

Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014)

Tuy nhiên, đối với đê biển Bắc bộ hiện nay hầu hết là nâng cấp từ đê biển hiện có, đê

trực diện với biển, hành lang hai bên đê hẹp khó còn quỹ đất để mở rộng, tôn cao (đặc

biệt đê bảo vệ các thành phố, các khu du lịch..). Mặt khác do điều kiện kinh tế của Việt

Nam chưa cho phép nâng cao mở rộng mặt đê. Vì vậy, làm tường đỉnh thấp trên đê để

nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là một trong những giải pháp

khả thi về kinh tế và kỹ thuật được sử dụng phổ biến ở nước ta.

Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc

Khái quát chung

Mặc dù tường đỉnh thấp có thể gây ra một số bất lợi như làm tăng sóng phản xạ, sóng

bắn, áp lực sóng lớn gây mất ổn định kè hoặc hư hỏng do mất ổn định địa kỹ thuật nền

đê... Nhưng đê biển có tường đỉnh thấp (W/Hs ≤ 0.5) nằm sát mép ngoài mặt đê được

sử dụng khá phổ biến cho hệ thống đê biển Việt Nam và được coi là giải pháp đơn giản,

hiệu quả để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn trong điều kiện kinh tế hiện nay.

Đê có tường đỉnh thấp được sử dụng ở những nơi mà không còn quỹ đất để tôn cao,

hoặc điều kiện kinh tế không cho phép xây đê cao, như: đê bảo vệ các như khu đô thị,

khu du lịch, các hình dạng tường đỉnh phổ biến là tường có mái nghiêng về phía đồng.

Tường cong có mũi hắt sóng, tường thẳng đứng (Hình 1.9).

a. Tường đỉnh nghiêng về phía trong

b. Tường đỉnh có mũi hắt sóng

c. Tường đỉnh thẳng đứng

Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam

Với phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả giới thiệu đê biển có tường đỉnh thấp của

một số địa phương sau đây cũng không làm mất đi tính tổng quát của vấn đề của nghiên

cứu.

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh

Hà Tĩnh có khoảng 211.0km đê biển, đê cửa sông thuộc thành phố Hà Tĩnh và các huyện:

Kỳ Anh, Cẩm Xuyên, Nghi Xuân, Thạch Hà, Lộc Hà. Trong đó có khoảng 95.4km đê

trực tiếp biển (chiếm 46%); điển hình một số tuyến đê đã xây dựng tường đỉnh thấp trên

đê để nâng cao cao trình, giảm sóng tràn qua đê (Bảng 1.1).

Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3]

Diện tích bảo vệ (ha)

TT

Tuyến đê

Địa điểm

Chiều dài (km)

Dân số bảo vệ (người)

Cao trình mặt đê

Tổng (ha)

Cao trình đỉnh tường CS

Đất NN (ha)

Hội Thống

1

K5-K12+250

4.0

4.5

1.1

Nghi Xuân

17.8

2850

1464

20251

K14+400-

4.5

5.0

1.2

K17+760

Đê kè Cẩm

Cẩm Xuyên

2.2

234

8,149

5.0

5.5

Nhượng

2 Cẩm Lĩnh

3

K0 - K1+670

3.5

4.0

3.1

Cẩm Xuyên

3.1

831

474

3,520

K1+670 -

4.0

4.5

K3+118

3.2

Cẩm Trung

4

Đoạn đê cửa

3.5

4.0

Cẩm Xuyên

11.0

185

108

4935

4.1

sông

Đoạn đê biển

4.0

4.5

4.2

Phúc - Long -

Cẩm Xuyên

12.8

1955

1044

16546

3.5

4.0

Nhượng

5

Cẩm Xuyên

8.50

1087

514

8,529

3.50

4.00

Lộc Hà

6

Lộc Hà

26.90

3735

2229

40166

3.2

4.0

7 Tả Nghèn (cống Đò Điệm - Thạch Kim) Hữu Phủ

8

K0-K10+00

2.7

3.7

8.1

22.80

6276

3399

31003

K10 -K15+00

3.5

4.2

8.2

4.0

4.7

TP Hà Tĩnh - Thạch Hà

8.3

K15+00- K19+300

Nguồn: Chi cục Đê điều và phòng chồng lụt bão, Hà Tĩnh[3]

Tường đỉnh thấp được sử dụng khá phổ biến cho hệ thống đê biển, đê cửa sông. Hà Tĩnh

có 105.16km/211km (chiếm 50%) đê biển, đê cửa sông được xây dựng tường đỉnh thấp

trên đê để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê, chiều cao tường đỉnh phổ

biến từ (0.4m - 1.0m) và hầu hết không có thềm trước tường [3]. Điều này cũng được

giải thích rằng: do điều kiện kinh tế cũng như giới hạn không gian xây dựng, nên việc

tôn cao trình đỉnh đê bằng việc đắp đê là khó khả thi.

Hình 1.10 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh [3]

Hình 1.11 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh [3]

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa

Thanh Hóa có khoảng 70.4km đê biển thuộc các huyện Hậu Lộc, Hoằng Hoá, Nga Sơn,

Tĩnh Gia, điển hình đê biển có tường đỉnh thấp là đê biển huyện Hậu Lộc (đoạn đê biển

I Vích dài 5.5km), cao trình đỉnh đê +4.5m; chiều rộng mặt đê B = 3.0m; mái phái biển

m1 = 4.0; mái phái đồng m2 = 2.0; cao trình đỉnh tường +5.0m; chiều cao tường W =

0.5m. Đây là tuyến đê bảo vệ trực tiếp khu dân cư đông đúc cho 5 xã: Hải Lộc, Minh

Lộc, Ngư Lộc, Đa Lộc, Hưng Lộc với diện tích 2165 ha và dân số khoảng 60 ngàn người

[7].

Hình 1.12 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa [7]

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Nam Định

Nam Định có 91.0km đê biển đi thuộc 3 huyện (Hải Hậu 33km, Giao Thuỷ 32km, Nghĩa

Hưng 26km) trong đó có 45km đê trực diện với biển (chiếm 49.5%). Tính đến hết tháng 7

năm 2013 trên toàn tuyến đê biển đã nâng cấp được gần 60.0km mặt đê bằng bê tông bao

gồm: huyện Hải Hậu 27.12km, huyện Giao Thủy 21.98km, huyện Nghĩa Hưng 10.6km. Các

đoạn đê làm kè lát mái phía biển được 48.1km bao gồm: huyện Hải Hậu 27.7km, huyện

Giao Thủy 15.1km, huyện Nghĩa Hưng 5.3 km [2]. Hiện nay, do điều kiện kinh phí còn hạn

chế, không gian mở rộng đê hẹp, vật liệu để đắp đê là hết sức khó khăn vì các khu đất đều

đã được quy hoạch cho các mục tiêu phát triển kinh tế. Vì vậy, giải pháp xây tường đỉnh

thấp trên đê để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê được tỉnh Nam Định hết

sức quan tâm.

Toàn tỉnh hiện có gần 50.0km/91.0km đê biển được xây dựng tường đỉnh thấp trên đê (chiếm

55%) [2]. Hầu hết tường đỉnh thấp trên đê là thẳng đứng, không có thềm trước tường, tường

và được làm bằng bê tông cốt thép hoặc đá xây, cao trình đỉnh tường phổ biến (+5.2m đến

+5.5m) chiều cao tường đỉnh phổ biến (0.4m – 0.7m). Một số nơi có mặt đê tương đối rộng

như đê biển thị trấn Quất Lâm, có thềm trước tường khoảng 0.5m.

Hình 1.13 Đê biển Giao Thủy, Nam Định

Hình 1.14 Đê biển Quất Lâm, Nam Định

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hải Phòng

Hải Phòng có khoảng 46.9km đê biển, có chiều rộng mặt đê B = 5.0m cao trình mặt đê

kể cả tường đỉnh (4.5m - 5.5m). Tuyến đê Cát Hải là tuyến đê khép kín bảo vệ khu dân

cư, sau sự cố vỡ đê do bão số 7 năm 2005, tuyến đê quan trọng này được đầu tư xây

dựng khá kiên cố với cao trình mặt đê +5.0m; trên mặt đê có bố trí tường đỉnh cao 0.5m;

bề rộng thềm trước tường khoảng 0.5m [7]. Việc bố trí thềm trước tường đỉnh là quan

điểm mới, tiến bộ trong thiết kế đê biển hiện nay.

Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp

Ở trên thế giới

Trong những thập kỷ qua, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở trên thế giới đã có những

bước tiến khá xa, cơ sử dữ liệu sóng tràn khá đầy đủ cho các dạng kết cấu hình học và

điều kiện thủy lực khác nhau. Nghiên cứu điển điển hình và phổ biến nhất hiện nay về

sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp là TAW (2002) sau này đưa vào EurOtop

(2007). Trong TAW (2002) có xét đến hệ số chiết giảm của tường đỉnh cho trường hợp

kết cấu hình học của tường đỉnh thấp và đê thỏa mãn các điều kiện sau: độ dốc mái đê

trong phạm vi phía dưới chân tường đỉnh thấp đến biên 1.5Hm0 phía dưới mực nước thiết

kế nằm trong khoảng từ 1/2.5 đến 1/3.5; tổng bề rộng cơ không quá 3Hm0, vị trí chân

tường nằm trong khoảng 1.2Hm0 so với mực nước thiết kế, chiều cao tường nhỏ nhất

(khi chân tường nằm ở vị trí cao) là 0.5Hm0; và lớn nhất (khi chân tường nằm ở vị trí

thấp) là 3Hm0 (Hình 1.16) [50][9].

Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình được phản ánh thông

qua hệ số chiết giảm tường đỉnh v. Với tường đỉnh thấp thỏa mãn các điều kiện nêu trên

thì có thể xác định v như sau:

- Xác định hệ số mái dốc đê quy đổi trong trường hợp có tường đỉnh thấp, tường đỉnh

thấp được thay thế bằng mái dốc có độ dốc 1:1.0;

- Dùng độ dốc mái đê quy đổi này để tính lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê, xác

định hệ số chiết giảm lưu lượng sóng tràn trung bình do tường đỉnh thấp gây ra v;

- Khi tường đỉnh thấp là tường thẳng đứng (w = 90o) thì v = 0.65, khi mặt tường phía

biển nghiêng (w = 45o-90o) thì v = 1.35-0.0078.w, khi sóng không vỡ v = 1.0

(không có ảnh hưởng của tường).

Hình 1.16 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh thấp [9]

Ở TAW (2002) và sau này EurOtop (2007) khi có tường đỉnh thấp thì sự chiết giảm sóng tràn thể hiện qua hệ số chiết giảm v được xác định như sau [50][19].

𝑞

0.067

Khi sóng vỡ (0m  cr  2.0):

√𝑡𝑎𝑛𝛼

𝑅𝑐 𝐻𝑚0

𝜉0𝑚

1 𝑏𝑓𝛽𝑣

√𝑔.𝐻𝑚0

= . . ) (1-1) .𝑏. 𝜉0𝑚. exp(−4.75.

𝑞

Khi sóng không vỡ (0m > cr  2.0):

𝑅𝑐 𝐻𝑚0

𝜉0𝑚

1 𝑓𝛽

√𝑔.𝐻𝑚0

= 0.20. exp(−2.6. ) (1-2) . .

Trong đó: q là lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê trong trường hợp có tường đỉnh

thấp; Hm0 là chiều cao sóng tại chân đê, 0m là số Iribarren được tính toán từ chu kỳ phổ

đặc trưng Tm-1,0, Rc là độ cao lưu không thực đỉnh đê, tanα là độ dốc mái đê quy đổi, v

là hệ số chiết giảm sóng tràn.

Như vậy, ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình

theo phương pháp TAW (2002) là không rõ ràng thể hiện qua: ảnh hưởng của tường

đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình theo phương pháp của TAW (2002) là ẩn; tường

đỉnh làm tăng độ dốc mái đê quy đổi có thể là nguyên nhân làm tăng lưu lượng sóng

tràn trung bình, tuy nhiên sau đó lại được chiết giảm bởi hệ số v; hệ số chiết giảm của

tường đỉnh v mới chỉ xét đến ảnh hưởng của góc nghiêng mặt tường phía biển, chưa kể

đến tính chất tương tác sóng – tường và dòng chảy sóng tràn cũng như kích thước hình

học tường.

Ở Việt Nam

Khái quát chung

Việt Nam có hệ thống đê biển kéo dài từ Bắc vào Nam, đây là công trình đặc biệt quan

trọng của quốc gia nhằm bảo vệ tính mạng và tài sản của nhân dân dọc theo bờ biển. Vì

vậy việc nâng cao năng lực, kỹ thuật, công nghệ thiết kế thi công đê biển nói chung và

tính toán sóng tràn qua đê biển nói riêng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Lưu lượng sóng

tràn trung bình cho phép qua đê là một yếu tố quyết định đến quy mô, kích thước cũng

như giá thành và mức độ bảo đảm an toàn của công trình. Tuy nhiên, đến nay nghiên

cứu sóng tràn qua đê biển trong nước hiện còn hạn chế, các nghiên cứu gần đây nhất

cũng chưa đầy đủ về sóng tràn qua đê biển Việt Nam. Vì vậy, trong phạm vi nghiên cứu

của luận án, tác giả chỉ đề cập đến hai công trình nghiên cứu tiêu biểu về sóng tràn qua

đê biển có tường đỉnh thấp ở Việt Nam của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009) và

Thiều Quang Tuấn (2013) cũng không làm mất đi tính tổng quát của vấn đề nghiên cứu.

Nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009)[56]

Nhằm khắc phục phần nào các hạn chế trong TAW (2002) như đã nêu ở trên, Thiều

Quang Tuấn và cộng sự (2009) đã tiến hành các thí nghiệm mô hình vật lý sóng tràn

trong máng sóng Hà Lan tại trường Đại học Thủy lợi để kiểm nghiệm và bổ sung hoàn

thiện tính toán sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp.

Các thí nghiệm được tiến hành với các điều kiện biên thiết kế phổ biến nhất của nước ta

về mặt thủy động lực (sóng và mực nước), hình học kết cấu (chiều cao đê, mái đê, tường

đỉnh thấp trên đê) và bãi trước đê. Việc xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến

sóng tràn qua đê chỉ giới hạn ở dạng tường đỉnh thấp có vách dốc đứng ở phía biển,

tường nằm sát mép đỉnh đê phía biển, không có thềm trước (Hình 1.17).

Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56]

Trong đó: W chiều cao tường đỉnh, Rc độ lưu cao không, S bề rộng thềm trước tường

đỉnh (trong nghiên cứu này S=0), tan độ dốc mái đê; Hm0, Tm-1,0 điều kiện sóng tại chân

đê.

Dựa vào kết quả thí nghiệm và phân tích số liệu khoa học, Thiều Quang Tuấn và cộng

sự (2009) đã sơ bộ đề xuất một cách tiếp cận mới trong việc xem xét ảnh hưởng chiết

giảm lưu lượng sóng tràn qua đê khi có sự hiện diện của tường đỉnh thấp trên đê.

Hình 1.18 Thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trong nghiên cứu [56]

Qua phân tích các số liệu thực nghiệm thấy rằng v giảm (khả năng chiết giảm sóng tràn

tăng) khi tỷ số W/(W+Rc) tăng. Nhiều dạng phối hợp khác nhau giữa các tham số đã

được thử nghiệm để tìm ra được một tương quan tốt nhất với v. Các liên hệ sau đã được

(1-3)

khi sóng vỡ 0m  2.0

(1-4)

khi sóng không vỡ 0m > 2.0

tìm thấy, cho sự phù hợp tốt nhất giữa các số liệu thực nghiệm:

Trong đó: các hệ số không thứ nguyên c1 và c2 được xác định thông qua các phân tích

hồi quy tuyến tính từ các số liệu thực nghiệm cho từng trường hợp sóng vỡ và không vỡ

(Hình 1.19, Hình 1.20)

Hình 1.19 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng vỡ [56]

Hình 1.20 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng không vỡ [56]

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: phương pháp tính toán của TAW (2002) nhìn chung đánh

giá thấp ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê đến sóng tràn (thông qua hệ số chiết giảm

sóng tràn v do tường đỉnh). Độ dốc mái quy đổi khi có tường theo phương pháp này

làm gia tăng đáng kể chỉ số Irribarren và như vậy tạo ra điều kiện sóng không vỡ giả

trong tính toán sóng tràn. Ngoài ra, theo TAW (2002) tường đỉnh không có ảnh hưởng

đến lưu lượng sóng tràn trong trường hợp sóng không vỡ, tuy nhiên các số liệu thực

nghiệm của nghiên cứu hiện tại cho thấy điều ngược lại. Phương pháp mới kể đến ảnh

hưởng của tường đỉnh thấp trên đê của nghiên cứu hiện tại đã đi sâu hơn về bản chất vật

lý của tương tác giữa sóng và tường đỉnh thấp. Khả năng chiết giảm sóng tràn của tường

đỉnh thấp đã được xét đến với ảnh hưởng không những từ các yếu tố sóng mà còn từ

điều kiện hình học đê (chiều cao tường, độ lưu không). Phương pháp mới đã tỏ ra có độ

tin cậy cao hơn, có thể dễ dàng kết hợp với phương pháp của TAW (2002) trong việc

tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê có tường đỉnh thấp.

Tóm lại, các nghiên cứu ban đầu của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009) đã đưa ra

một cách tiếp cận mới trong việc xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê đến

sóng tràn. Tuy nhiên trong nghiên cứu này chưa xem xét ảnh hưởng của thềm trước

tường (S = 0).

Nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013)[58].

Tiếp tục khắc phục phần nào các tồn tại nghiên cứu Thiều Quang Tuấn và cộng sự

(2009), Thiều Quang Tuấn (2013) tiếp tục thực hiện các thí nghiệm sóng ngẫu nhiên với

mục tiêu: đánh giá hệ số giá ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh v đối với lưu lượng

sóng tràn trung bình qua đê biển tường đỉnh thấp có thềm trước tường.

Các thông số sóng

Chiều cao tường đỉnh W(cm)

Chiều rộng thềm S (cm)

Độ cao lưu không Rc (m)

H (m)

T(s)

Mái dốc đê phía biển

Số lượng thí nghiệm

1/4

135

0.10 – 0.20

1.5 – 2.8

0.15 - 0.20

0; 4; 6 và 9

0; 5;10

1/3

0.10 – 0.20

1.5 – 2.8

0.15 - 0.20

0; 4; 6 và 9

0; 5;10;30

Bảng 1.2 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng ngẫu nhiên

Hình 1.21 Sơ đồ thí nghiệm sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp [58]

Hình 1.22 Các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn [58]

Tổng cộng có 225 thí nghiệm sóng ngẫu nhiên đã được thực hiện với các kịch bản khác nhau nhằm tạo điều kiện đánh giá ảnh hưởng của tường một cách thuận lợi nhất. Bằng

số liệu thí nghiệm khá phóng phú và phân tích một cách khoa học, nghiên cứu cho kết

quả đáng tin cậy như: hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường v là tích của các hệ số ảnh

hưởng thành phần do chiều cao tường w và hệ số ảnh hưởng do chiều rộng thềm trước

𝑊

(1-5)

tường s đem lại.

𝜉0𝑚

𝛾𝑤

𝑅𝑐

𝑆

(1-6)

= 1 + 1,6. .

𝐻𝑚0

𝜉0𝑚

𝛾𝑠

𝑊

𝑆

. = 1+. .

𝜉0𝑚

𝐻𝑚0

𝜉0𝑚

𝛾𝑣

𝛾𝑤

𝛾𝑠

𝑅𝑐

= . = (1 + 1,6. . ) . (1 + . . ) (1-7)

Hình 1.23 Hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường w [58]

Hình 1.24 Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng thềm trước tường s [58]

Tương tự như kết quả của Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2009), Thiều Quang Tuấn (2013) cho thấy TAW(2002) chưa mô tả xác đáng ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến

sóng tràn qua đê biển. Tường đỉnh thấp không những ảnh hưởng sóng tràn trong trường

hợp sóng vỡ mà ngay cả khi sóng không vỡ. Việc sử dụng độ dốc mái đê quy đổi có

tường tỏ ra không phù hợp, tạo ra hiện tượng sóng vỡ giả, làm giảm độ tin cậy của

TAW(2002).

Các thí nghiệm về ảnh hưởng của tường đỉnh thấp cho thấy mức độ chi phối của tường

là không giống nhau giữa sóng vỡ, sóng không vỡ và thay đổi một cách đáng kể cấu tạo

hình học của đê và tường đỉnh thấp. Điều này đã gợi mở ra việc đề xuất một hệ số ảnh

hưởng tổng hợp mới của tường, không phải là hằng số mà là một hàm phụ thuộc vào

cấu tạo hình học của tường và tính chất sóng tràn.

Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường là tích của các hệ số ảnh hưởng thành phần do

chiều cao tường, bề rộng thềm trước tường đem lại và có thể sử dụng chung cho cả sóng

vỡ lẫn không vỡ. Phương pháp mới có thể tích hợp một cách tường minh vào các công

thức tính toán sẵn có của TAW(2002) góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán lưu

lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh thấp đặc thù ở nước ta.

Kết luận chương 1

Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển trên thế giới đã có từ lâu, các nghiên cứu này bước

đầu đã đạt được thành công nhất định từ nghiên cứu cơ bản cho đến công nghệ xây dựng.

Nhưng đây vẫn là đề tài hấp dẫn của các nhà khoa học đặc biệt trong trong bối cảnh biến

đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng như hiện nay.

Nghiên cứu tính toán tải trọng sóng tràn là một phần không thể tách rời trong công tác

thiết kế đê biển, đặc biệt là trong điều kiện bão và triều cường ngày càng khốc liệt luôn

đe dọa hệ thống đê biển ở Việt Nam. Chính vì lý do này, mà các nghiên cứu về sóng

tràn qua đê bằng mô hình vật lý và mô hình toán tiếp tục nhận được sự quan tâm đặc

biệt của các nhà khoa học trong nước và thế giới.

Ở Việt Nam, do điều kiện kinh tế hạn hẹp nên đê biển thường có cao trình đỉnh thấp vì

vậy sóng tràn qua đê khá lớn trong bão. Thực tế thiên tai bão lũ trong những năm vừa

qua cho thấy sóng tràn gây xói mái trong, mặt đê là nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng

và vỡ đê ở nước ta. Qua phân tích các số liệu về đê biển có tường đỉnh thấp ở Việt Nam

tác giả thấy rằng: tường đỉnh thấp trên đê được sử dụng khá rộng rãi đặc biệt là ở những

nơi không còn quỹ đất để tôn cao, mở rộng đê hoặc do điều kiện kinh tế không cho phép.

Các nghiên cứu về sóng tràn qua loại đê này trong nước cũng như trên thế giới chưa thật

đầy đủ.

Trên thế giới, cơ sở dữ liệu dùng cho tính toán sóng tràn theo phương pháp trí tuệ nhân

tạo cũng không tồn tại số liệu thí nghiệm cho đê biển có tường đỉnh thấp [60]. Hầu hết

các nghiên cứu trước đây chỉ nghiên cứu sóng tràn qua đê biển không có tường đỉnh

hoặc sóng tràn qua đê chắn sóng tường khối lớn.

Hiện nay, một phương pháp tính toán khá phổ biến ở Việt Nam là TAW (2002) của Hà

Lan và sau này đã đưa vào EurOtop (2007). Dựa trên một số ít các thí nghiệm, TAW

(2002) chỉ xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn cho trường hợp sóng

vỡ và được mô tả thông qua hệ số chiết giảm do tường kết hợp với biến đổi độ dốc mái

đê với tường thành một hệ số mái tương đương [58].

Ở nghiên cứu ban đầu Thiều Quang Tuấn và các cộng sự (2009) đã chỉ ra rằng TAW

(2002) không phản ánh đúng bản chất tương tác giữa sóng - tường và dẫn đến cho kết

quả có độ tin cậy không cao. Tiếp theo, nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013) đã

đánh giá được ảnh hưởng của tường đỉnh và thềm trước tường đến lưu lượng sóng tràn

qua đê biển. Tuy nhiên, Thiều Quang Tuấn (2013) chưa xem xét đến tính chất tương tác

sóng – tường và sự thay đổi của dòng chảy sóng tràn qua đê khi có sự hiện diện của

tường đỉnh. Ngoài ra, ảnh hưởng chiết giảm của tường đối với sóng đều cũng chưa được

đề cập trong nghiên cứu.

Tiếp tục phát triển nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013) luận án đã tiến hành thí

nghiệm mô hình vật lý nhằm xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh trong trường hợp sóng

đều và đặc biệt là chi tiết về tương tác sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn

qua đê khi có tường đỉnh thấp. Bên cạnh đó, luận án đã áp dụng mô hình toán từ mô

hình đơn giản như mô hình phi tuyến nước nông (NLSW) đến mô hình phức tạp hơn

như mô hình (RANS-VOF) để xem xét một cách chi tiết ảnh hưởng của tường dưới góc

nhìn tương tác sóng - tường và chế độ dòng chảy sóng tràn qua tường. Những kết quả

nghiên cứu luận án sẽ làm sáng tỏ tính chất sóng tràn qua đê khi có tường đỉnh thấp, góp

phần nâng cao chất lượng thiết kế đê biển có tường đỉnh ở nước ta.

MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH

CHƯƠNG 2 HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN

Mục đích nghiên cứu

Như đã phân tích ở phần tổng quan, các nghiên cứu hiện tại về sóng tràn qua đê biển có

tường đỉnh thấp chưa thật đầy đủ. Nghiên cứu gần đây nhất của Thiều Quang Tuấn

(2013) đã đánh giá được ảnh hưởng của tường đỉnh và thềm trước tường đến lưu lượng

sóng tràn qua đê biển. Tuy nhiên, Thiều Quang Tuấn (2013) chưa xem xét đến tính chất

tương tác sóng – tường và sự thay đổi của dòng chảy sóng tràn qua đê khi có sự hiện

diện của tường đỉnh. Ngoài ra, ảnh hưởng chiết giảm của tường đối với sóng đều cũng

chưa được đề cập trong nghiên cứu. Trong nghiên cứu này tác giả đã tiến hành trên mô

hình vật lý cho sóng đều với mục đích: xem xét ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu

lượng sóng tràn trung bình và tương tác giữa sóng – tường và dòng chảy sóng tràn.

Cơ sở lý thuyết về tương tự

Cơ sở lý thuyết mô hình được xác lập trên cơ sở lý thuyết tương tự, chỉ khi nào các điều

kiện tương tự mà lý thuyết tương tự quy định thỏa mãn thì mô hình (M) và nguyên hình

(N) tương tự mới có thể căn cứ vào kết quả từ mô hình mà suy đoán kết quả tương ứng

ở nguyên hình. Để mô hình tương tự với nguyên hình một cách hoàn toàn thì cần phải

đầy đủ 3 đặc trưng tương tự: hình học, động học và động lực học [5].

Tương tự về hình học

Tương tự hình học giữa mô hình (M) và nguyên hình (N) là tương tự về hình dạng hình

học, do đó bất kỳ độ dài tuyến tính tương ứng nào nguyên hình và mô hình phải có cùng

một tỷ lệ.

𝑙𝑁1 𝑙𝑀1

𝑙𝑁2 𝑙𝑀2

𝑙𝑁𝑛 𝑙𝑀𝑛

= = ⋯ = 𝜆𝑙 (2-1)

Trong đó:

- lN1, lN2 ...lNn là độ dài tuyến tính của nguyên hình;

- lM1, lM2 ...lMn là độ dài tuyến tính tương ứng của mô hình;

- 𝜆𝑙 là hộ số tỷ lệ độ dài hay còn gọi là tỷ xích độ dài, tỷ xích hình học.

Tương tự về động học

Tương tự động học là tương tự trạng thái chuyển động giữ mô hình và nguyên hình. Vận

tốc, gia tốc tại điểm bất kỳ tương ứng nào giữa mô hình và nguyên hình bắt buộc phải

song song với nhau và có cùng một hệ số tỷ lệ.

𝑈𝑁1 𝑈𝑀1

𝑈𝑁2 𝑈𝑀2

𝑈𝑁𝑛 𝑈𝑀𝑛

= = ⋯ = 𝜆𝑢 (2-2)

𝑎𝑁1 𝑎𝑀1

𝑎𝑁2 𝑎𝑀2

𝑎𝑁𝑛 𝑎𝑀𝑛

= = ⋯ = 𝜆𝑎 (2-3)

Trong đó:

- U và a là vận tốc và gia tốc;

- λu, λa là hằng số tỷ lệ của vận tốc và gia tốc.

Tương tự về động lực học.

Tương tự về động lực học là tương tự về lực tác dụng giữa mô hình và nguyên hình. Lực

tác dụng tại điểm bất kỳ tương ứng nào giữa mô hình và nguyên hình bắt buộc phải song

song với nhau và có cùng một hệ số tỷ lệ.

𝑓𝑁1 𝑓𝑀1

𝑓𝑁2 𝑓𝑀2

𝑓𝑁𝑛 𝑓𝑀𝑛

= = ⋯ = 𝜆𝑓 (2-4)

Trong đó:

- f là lực tác dụng;

- λf là hằng số tương tự về lực.

Để có được tương tự cơ bản về các yếu tố sóng, mô hình cần làm chính thái, luật tỷ lệ

mô hình cần tuân theo tiêu chuẩn Froude. Trong các thí thí nghiệm sóng ngắn với mô

hình chính thái tiêu chuẩn Froude tự động được thỏa mãn.

Mô tả thí nghiệm sóng đều

Máng sóng

Các thí nghiệm mô hình vật lý sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp được tác giả

triển khai ở phòng thí nghiệm Thủy lực, Trường Đại học Thủy lợi. Máng sóng sử dụng

cho thí nghiệm là máng sóng Hà Lan do Viện Thủy Lực DELFT, Hà Lan xây dựng và

chuyển giao trong khuôn khổ dự án nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật Biển cho

Trường Đại học Thủy lợi. Đây là một trong những máng sóng hiện đại bậc nhất ở Việt

Nam và ở khu vực Đông Nam Á.

Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm

Máng sóng có tổng chiều dài 45m, chiều dài hiệu quả 42m, chiều cao 1.2m, chiều rộng

1.0m. Máy tạo sóng được trang bị hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động (ARC: Active

Reflection Compensation).

Hình 2.2 Máy tạo sóng

Máy tạo sóng có thể tạo sóng đều, hoặc sóng ngẫu nhiên theo một số dạng phổ phổ biến

(ví dụ như JONSWAP). Chiều cao sóng ngẫu nhiên tối đa có thể tạo ra trong máng là

0.3m và chu kỳ 3.0s.

Hình 2.3 Máng sóng

Hình 2.4 Khu vực điều khiển máy tạo sóng

Mô hình đê và các tham số thí nghiệm

Với phạm vi nghiên cứu của luận án là đê biển Bắc bộ, theo báo hiện trạng của đê biển

Bắc bộ [1]. Tác giả thấy đặc điểm kết cấu và hình học phổ biến như: cao trình đỉnh đê

(kể cả khi có tường đỉnh thấp) phổ biến từ 4.0m đến 5.5m, độ cao lưu không của đỉnh

đê phía trên mực nước thiết kế (MNTK) tính đến cao trình đỉnh tường phổ biến nằm

trong khoảng từ 1.5m đến 2.5m, tường đỉnh thấp trên đê có chiều cao phổ biến từ 0.4m

đến 1.0m, độ dốc mái đê phía biển phổ biến trong khoảng 1/3 đến 1/4. Trên cơ sở đặc

điểm hình học và kết cấu của đê biển Bắc bộ, tác giả đã chọn mô hình đê và các tham

số thí nghiệm có tỷ lệ mô hình 1/10.

Lưu lượng sóng tràn qua đê mái nhám thường bị đánh giá thấp trong mô hình tỷ lệ nhỏ

do các ảnh hưởng của độ nhớt C không thỏa mãn tiêu chuẩn Reynolds. Do vậy, để hạn

chế các ảnh hưởng khác có thể gây ra do mô hình tỷ lệ nhỏ, tác giả đã chọn thí nghiệm

với đê mái nhẵn, không thấm nước. Điều này không làm ảnh hưởng đến các mục đích

chính của nghiên cứu.

Đê trong máng sóng có chiều cao 70cm, mái đê phía biển có độ dốc 1/3. Tường đỉnh

thấp trên đê có các chiều cao lần lượt là 4cm, 6cm và 9cm được làm bởi các khối rời

nhau sao cho khi kết hợp lại với nhau thì chiều cao tường đỉnh thấp (W) và chiều rộng

thềm trước (S) được thỏa mãn theo yêu cầu của kịch bản thí nghiệm. Tường đỉnh thấp

có thể dịch chuyển ra, vào để tạo ra bề rộng thềm trước trong thí nghiệm lần lượt là S =

0cm, 10cm và 20cm. Chiều dài bãi trước đê 24.5m và có độ dốc i =1/100 (Hình 2.5).

Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm sóng đều

Chương trình thí nghiệm

Bốn đầu đo sóng được sử dụng để xác định chế độ sóng tại các vị trí chân đê và trước

bãi. Tín hiệu từ các đầu đo sóng được truyền trực tiếp đến và lưu trữ trong máy tính

chuyên dụng.

Sóng tới tạo ra bởi máy tạo sóng dùng trong thí nghiệm có chiều cao (H) lần lượt là:

0.16m, 0.17m, và 0.24m. Chu kỳ đỉnh phổ (T) lần lượt là: 1.5s, 2.0s và 2.5s. Độ sâu

nước máng d = 0.60m được chọn cho thí nghiệm.

Các thí nghiệm sóng đều được thực hiện với trường hợp độ dốc bãi biển là 1/100 và độ

dốc mái đê phía biển là 1/3. Để xác định sóng tới, một hệ thống 3 đầu đo sóng được đặt

ở trước đê. Một đầu đo sóng khác được đặt tại vị trí cách chân đê 24.5m gần nhất với

máy tạo sóng để đo sóng tại biên phía biển [62].

Trong thí nghiệm này, một camera có độ phân giải cao được đặt vuông góc với tường

kính của máng sóng để thu các ảnh với tốc độ 50 ảnh/s để xem xét tương tác giữa sóng

- tường và dòng chảy sóng tràn, sử dụng cho việc kiểm chứng với mô hình RANS. Thời

gian thí nghiệm là 10 con sóng đối với sóng đều trước khi sóng đều bị ảnh hưởng bởi

các sóng phản xạ.

Các thông số sóng

Chiều rộng thềm

H (m)

T(s)

Chiều cao tường đỉnh W(cm)

Độ cao lưu không Rc (m)

S (cm)

Mái dốc đê phía biển

Số lượng thí nghiệm

1/3

0.16 – 0.24

1.5 – 2.5

0.10

0; 4; 6 và 9

0; 10; 20

Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều

Tổng số 40 thí nghiệm cho 10 mô hình.

Các mặt tiếp xúc giữa đê và máng sóng được xử lý bằng vật liệu chống thấm đảm bảo

không cho nước thẩm thấu qua đê vào trong bể thu nước tràn (Hình 2.6).

Hình 2.6 Xử lý chống thấm qua đê trong thí nghiệm

Hình 2.7 Máy tính, thiết bị nhận và lưu trữ tín hiệu

Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc

Công tác chuẩn bị

Công tác chuẩn bị là công việc đầu tiên cho quá trình thí nghiệm, việc chuẩn bị phải

được tiến hành đầy đủ, đúng yêu cầu kỹ thuật như: thu dọn vệ sinh máng sóng, bảo

dưỡng các máy móc cần thiết trong quá trình thí nghiệm (máy tạo sóng, đầu cảm biến

đo tín hiệu sóng, máy thu tín hiệu sóng, máy tính điều khiển máy tạo sóng, ….), chuẩn

bị các thiết bị thu hình ảnh (camera, máy ảnh), chuẩn bị các nguyên vật liệu xây dựng

mô hình vật lý đê (đê xây dựng bằng vật liệu gỗ).

Trình tự thí nghiệm:

Sau khi công tác chuẩn bị được hoàn tất, tác giả đi xây dựng trình tự thí nghiệm đảm

bảo tính khoa học như: bơm nước và đo mực nước trong máng sóng, xác định vị trí và

khoảng cách giữa các đầu đo sóng, chuẩn bị các thiết bị phụ trợ, hiệu chỉnh các đầu đo

sóng, xác định hệ số chuyển đổi cho từng ngày đo (phụ thuộc vào tính chất của nước có

thể thay đổi từng ngày theo nhiệt độ, thành phần tạp chất,...), khởi động máy tạo sóng

theo chương trình điều khiển đã được lập trình trước, đo và lưu trữ tín hiệu từ các đầu

đo sóng khi sóng trong máng đã đạt tới điều kiện ổn định (khoảng 5 phút sau khi máy

tạo sóng hoạt động), theo dõi và bơm nước từ bể thu nước tràn ra các dụng cụ đo thể

tích, dừng máy tạo sóng sau khi đã đạt thời gian thử nghiệm cần thiết, đo mực nước

trong máng sóng sau thử nghiệm, xác định tổng lượng nước tràn qua đê và thời gian của

thử nghiệm, kiểm tra sơ bộ tính hợp lý của các số liệu và lưu trữ số liệu, vào sổ nhật ký

thí nghiệm.

Hình 2.8 Kiểm tra các đầu đo sóng tại chân đê

Thời gian thí nghiệm và các tham số đo đạc

Thời gian chuẩn bị từ tháng 6 năm 2012 đến tháng 8 năm 2012, thời gian tiến hành thí

nghiệm chính thức từ tháng 8 năm 2012 đến tháng 9 năm 2012.

Các tham số đo đạc bao gồm: chiều cao sóng H, chu kỳ sóng T, lưu lượng sóng tràn

trung bình q (Hình 2.9) , chiều cao sóng bắn Hb (Hình 2.10), chiều dày lớp nước trên

đỉnh tường Ht (Hình 2.11), độ lưu không Rc;

Hình 2.9 Mô hình xác định lưu lượng sóng tràn

Hình 2.10 Mô hình xác định chiều cao sóng bắn

Hình 2.11 Mô hình xác định chiều sâu dòng chảy tràn

Phân tích kết quả thí nghiệm

Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình

Xác định hệ số v thực đo (cột 12, 13 -Bảng 2.2).

Khi có tường đỉnh thấp thì sự chiết giảm sóng tràn thể hiện qua hệ số v được xác định

như sau:

𝑞

0,067

Đối với sóng vỡ ( ξ ≤ ξcr ≈ 2.0)

𝑅𝑐 𝐻

𝜉

√𝑔.𝐻

√𝑡𝑎𝑛𝛼

1 𝑣

0,067

= . 𝜉. exp(−4,75. ) (2-5) . .

𝑅𝑐 𝐻

𝜉

√𝑔.𝐻3 𝑞

√𝑡𝑎𝑛𝛼

. /𝑙𝑛 [ . . 𝜉 ] (2-6) 𝛾𝑣 = 4,75.

𝑞

Đối với sóng không vỡ (ξ > ξcr ≈ 2,0)

𝑅𝑐 𝐻

√𝑔.𝐻3 = 0,20. exp(−2,6.

1 𝑣

. ) (2-7)

𝑅𝑐 𝐻

√𝑔.𝐻3 𝑞

/𝑙𝑛 [0,20. ] (2-8) 𝛾𝑣 = 2,6.

Trong đó: H là chiều cao sóng đều (m); Rc là độ cao lưu không tính từ mực nước thí

nghiệm đến đỉnh đê (Rc = 0.1m); g là gia tốc trọng trường; ξ là chỉ số Iribarren được tính

toán từ chu kỳ đỉnh T.

Từ kết quả thí nghiệm, tác giả xác định được lưu lượng sóng tràn trung bình (cột 8, Bảng

2.2), tính toán ξ, đối với sóng vỡ v thực đo tính theo (2-6), đối với sóng không vỡ v

thực đo tính theo (2-8).

Xác định v tính toán (cột 14, 15 -Bảng 2.2) .

Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh là tích của các hệ số ảnh hưởng thành phần

do chiều cao tường và chiều rộng thềm trước đem lại. Đối với sóng đều hệ số ảnh hưởng

𝑊

(2-9)

của tường được xác định như sau:

𝜉

𝑅𝑐

𝛾𝑤

𝑆

(2-10)

= 1 + 𝑐1. .

𝐻

𝜉

𝛾𝑠

= 1 + 𝑐2. .

𝑊

𝑆

𝜉

𝐻

𝜉

𝛾𝑣

𝛾𝑤

𝛾𝑠

𝑅𝑐

= . = (1 + 𝑐1. ) . (1 + 𝑐2. ) (2-11) . .

Để xác định c1, c2 cho sóng đều, tác giả đi xác định giá trị v thực đo và v tính toán, sau

đó xây dựng đường hồi quy của hai giá trị: v thực đo và v tính toán cho cả sóng vỡ và

sóng không vỡ, thử dần các giá trị c1, c2 sao cho đường hồi quy phù hợp nhất với đường

phân giác y = x. Bằng phương pháp thử dần (Bảng 2.2, Hình 2.12) tác giả đã xác định

được c1 = 1.26 và c2 = 1.44 và công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng

𝑊

𝑆

hợp của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho sóng đều là:

𝜉

𝐻

𝜉

𝛾𝑣

𝑅𝑐

1.00

0.90

y = 1.0029x + 0.0006 R² = 0.603

0.80

0.70

o đ

c ự h t



0.60

Sóng vỡ

0.50

Sóng không vỡ

0.40

0.30

0.40

0.50

0.80

0.90

1.00

0.60 0.70 v tính toán

= (1 + 1,26. ) . (1 + 1,44. ) (2-12) . .

Hình 2.12 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp v (đo đạc - tính toán)

γν (tđ)

γν (tt)

γν (tđ)

γν (tt)

Sóng

sóng

Thí nghiệm

V(l)

t (s)

Sóng

W (cm)

S (cm)

H (m)

T (s)

q (l/s/m)

tan αeq

Sóng vỡ

không vỡ

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

0.2

2.0

500

55.5

9.01

0.36

2.17

Sóng không vỡ

0.97

0.79

REW4S0_1

0.63

0.77

0.2

1.5

130

2.28

0.36

1.68

Sóng vỡ

REW4S0_2

0.75

0.78

0.2

2.0

890

55.5

16.04

0.35

1.84

Sóng vỡ

REW4S0_3

0.89

0.80

0.2

2.5

1240

21.75

0.35

2.24

Sóng không vỡ

REW4S0_4

0.88

0.68

0.2

2.0

430

55.5

7.75

0.36

2.17

Sóng không vỡ

REW4S10_1

0.51

0.50

0.2

1.5

1.14

0.36

1.68

Sóng vỡ

REW4S10_2

0.28

0.59

0.2

2.0

55.5

1.50

0.35

1.80

Sóng vỡ

REW4S10_3

0.83

0.72

0.2

2.5

1130

19.82

0.35

2.24

Sóng không vỡ

REW4S10_4

0.78

0.60

0.2

2.0

340

55.5

6.13

0.36

2.17

Sóng không vỡ

REW4S20_1

0.44

0.37

0.2

1.5

0.70

0.36

1.68

Sóng vỡ

REW4S20_2

0.65

0.47

0.2

2.0

760

55.5

13.69

0.35

1.80

Sóng vỡ

REW4S20_3

0.78

0.65

0.2

2.5

1050

18.42

0.35

2.24

Sóng không vỡ

REW4S20_4

0.66

0.73

0.2

2.0

240

55.5

4.32

0.37

2.23

Sóng không vỡ

REW6S0_1

0.54

0.70

0.2

1.5

1.58

0.37

1.73

Sóng vỡ

REW6S0_2

0.59

0.71

0.2

2.0

680

55.5

12.25

0.36

1.84

Sóng vỡ

REW6S0_3

0.74

0.75

0.2

2.5

970

17.02

0.36

2.30

Sóng không vỡ

REW6S0_4

0.64

0.63

0.2

2.0

220

55.5

3.96

0.37

2.23

Sóng không vỡ

REW6S10_1

0.49

0.46

0.2

1.5

1.14

0.37

1.73

Sóng vỡ

REW6S10_2

0.56

0.53

0.2

2.0

620

55.5

11.17

0.36

1.84

Sóng vỡ

REW6S10_3

0.70

0.60

0.2

2.5

890

15.61

0.36

2.30

Sóng không vỡ

REW6S10_4

0.59

0.55

0.2

2.0

180

55.5

3.24

0.37

2.23

Sóng không vỡ

REW6S20_1

0.32

0.34

0.2

1.5

0.19

0.37

1.73

Sóng vỡ

REW6S20_2

0.52

0.43

0.2

2.0

530

55.5

9.55

0.36

1.84

Sóng vỡ

REW6S20_3

0.64

0.49

0.2

2.5

770

13.51

0.36

2.30

Sóng không vỡ

REW6S20_4

0.54

0.67

0.2

2.0

140

55.5

2.52

0.39

2.33

Sóng không vỡ

REW9S0_1

0.48

0.62

0.2

1.5

1.32

0.39

1.81

Sóng vỡ

REW9S0_2

0.52

0.63

0.2

2.0

570

55.5

10.27

0.37

1.91

Sóng vỡ

REW9S0_3

0.66

0.68

0.2

2.5

820

14.39

0.37

2.38

Sóng không vỡ

REW9S0_4

0.55

0.49

0.2

2.0

150

55.5

2.70

0.39

2.33

Sóng không vỡ

REW9S10_1

0.31

0.41

0.2

1.5

0.21

0.39

1.81

Sóng vỡ

REW9S10_2

0.45

0.48

0.2

2.0

430

55.5

7.75

0.37

1.91

Sóng vỡ

REW9S10_3

0.64

0.54

0.2

2.5

770

13.51

0.37

2.38

Sóng không vỡ

REW9S10_4

0.48

0.39

0.2

2.0

100

55.5

1.80

0.39

2.33

Sóng không vỡ

REW9S20_1

0.23

0.31

0.2

1.5

0.04

0.39

1.81

Sóng vỡ

REW9S20_2

0.41

0.39

0.2

2.0

350

55.5

6.31

0.37

1.91

Sóng vỡ

REW9S20_3

0.2

2.5

580

10.18

0.37

2.38

Sóng không vỡ

0.55

0.45

REW9S20_4

Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường

Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn

Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy trong quá trình thí nghiệm được ghi lại bằng

một camera có độ phân giải cao đặt vuông góc với máng sóng. Chiều cao sóng bắn được

xác định qua phân tích ảnh bằng Matlab kết quả chiều cao sóng bắn (Bảng 2.3). Tiếp

theo tác giả đã đi phân tích số liệu để tìm các quan hệ giữa chiều cao sóng bắn với các

yếu tố hình học tường (W,S) và các yếu tố sóng. Bằng việc phân tích tường minh, khoa

𝐻𝑏 𝐻

𝑆.𝐻

= 0.624 từ

𝑔.𝑊.𝑇2 , phương trình đường cong có dạng y = 1.544e-30.9x với độ hồi quy R2 biểu đồ này ta có thể sơ bộ xác định được chiều cao sóng bắn từ yếu tố sóng, tường.

học các số liệu thí nghiệm, tác giả đã xây dựng được đường cong quan hệ giữa với

Một điều khá thú vị ở Hình 2.13 tác giả thấy rằng với cùng một điều kiện sóng và chiều

cao tường, chiều cao sóng bắn sẽ giảm khi chiều rộng thềm trước tăng. Cũng tương tự

với dạng hình học và các thông số sóng quan tâm ở đây, chiều cao tường lớn hơn sẽ cho

2.50

2.00

1.50

kết quả chiều cao sóng bắn cao hơn.

y = 1.544e-30.9x R² = 0.624

1.00

0.50

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.02 S.H/g.W.T2

Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (Hb/H) với (S.H/g.W.T2)

S.H/g.W.T2

Hb(m)

Hb/H

Thí nghiệm W(m)

S(m)

H(m)

T(s)

(1)

(6)

(7)

(8)

(2)

(3)

(4)

(5)

REW4S0_1

29,9

1,76

0,17

2,0

0,00

REW4S0_2

19,7

1,23

0,16

1,5

0,00

REW4S0_3

1,25

0,24

2,0

0,00

REW4S0_4

29,3

1,22

0,24

2,5

0,00

REW4S10_1

22,2

1,31

0,17

2,0

0,01

REW4S10_2

14,3

0,89

0,16

1,5

0,02

REW4S10_3

13,9

0,58

0,24

2,0

0,02

REW4S10_4

17,9

0,75

0,24

2,5

0,01

REW4S20_1

15,4

0,91

0,17

2,0

0,02

REW4S20_2

9,2

0,58

0,16

1,5

0,04

REW4S20_3

16,9

0,70

0,24

2,0

0,03

REW4S20_4

14,8

0,62

0,24

2,5

0,02

REW6S0_1

1,59

0,17

2,0

0,00

REW6S0_2

29,4

1,84

0,16

1,5

0,00

REW6S0_3

37,8

1,58

0,24

2,0

0,00

REW6S0_4

30,6

1,28

0,24

2,5

0,00

REW6S10_1

23,1

1,36

0,17

2,0

0,01

REW6S10_2

16,8

1,05

0,16

1,5

0,01

REW6S10_3

25,1

1,05

0,24

2,0

0,01

REW6S10_4

1,17

0,24

2,5

0,01

REW6S20_1

21,2

1,25

0,17

2,0

0,01

REW6S20_2

11,6

0,73

0,16

1,5

0,02

REW6S20_3

22,8

0,95

0,24

2,0

0,02

REW6S20_4

22,8

0,95

0,24

2,5

0,01

REW9S0_1

2,24

0,17

2,0

0,00

REW9S0_2

29,6

1,85

0,16

1,5

0,00

REW9S0_3

40,2

1,68

0,24

2,0

0,00

REW9S0_4

42,5

1,77

0,24

2,5

0,00

REW9S10_1

28,5

1,68

0,17

2,0

0,00

REW9S10_2

0,94

0,16

1,5

0,01

REW9S10_3

1,33

0,24

2,0

0,01

REW9S10_4

1,42

0,24

2,5

0,00

REW9S20_1

22,3

1,31

0,17

2,0

0,01

REW9S20_2

0,69

0,16

1,5

0,02

REW9S20_3

29,5

1,23

0,24

2,0

0,01

REW9S20_4

1,25

0,24

2,5

0,01

Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm xác định chiều cao sóng bắn

Kết luận chương 2

Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp cho sóng đều được xác định ở công thức

(2-12) là tích của các hệ số ảnh hưởng thành phần do chiều cao tường và bề rộng thềm

trước đem lại và có thể được sử dụng cho cả sóng vỡ lẫn sóng không vỡ. Công thức (2-

12) có thể tích hợp một cách tường minh vào các công thức tính toán lưu lượng trung

bình sóng tràn sẵn có của TAW (2002) góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán lưu

lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh thấp đặc thù ở Bắc bộ.

Qua các kết quả thí nghiệm và phân tích số liệu khoa học. Tác giả đã xây dựng được

đường cong một cách rõ ràng giữa chiều cao sóng bắn với các yếu tố sóng, tường (Hình

2.13). Từ kết quả này, tác giả thấy rằng: cùng một điều kiện sóng và chiều cao tường thì

chiều cao sóng bắn giảm đi đáng kể khi bề rộng thềm trước tăng; cùng điều kiện sóng

và thềm trước thì chiều cao sóng bắn tăng khi chiều cao tường tăng. Đây là cơ sở khoa

học quan trọng trong việc thiết kế đê biển có tường đỉnh thấp trong điều kiện hiện nay

ở Việt Nam.

TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY

CHƯƠNG 3 SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP

Đặt vấn đề

Các phương trình sóng tràn theo kinh nghiệm hiện có như: TAW(2002) và

EurOtop(2007) vẫn chưa thể áp dụng một cách phù hợp cho loại đê có tường đỉnh thấp.

Do đó, việc hiểu rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đối với sóng tràn là rất cần thiết

trong công tác thiết kế đê biển. Ở các mức độ chi tiết khác nhau, luận án đã sử dụng từ

mô hình đơn giản như mô hình toán dựa trên phương trình phi tuyến nước nông NLSW

(Non-Linear Shallow Water) đến mô hình phức tạp như mô hình toán dựa trên phương

trình RANS–VOF (Reynolds Averaged Navier Stokes – Volume Of Fluid) để mô phỏng

dòng chảy sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp.

Mô hình toán của sóng tràn qua các kết cấu công trình biển đã thu hút nhiều nhà khoa

học quan tâm, nghiên cứu và đã đạt được những bước tiến đáng kể trong vài thập kỷ

qua. Các mô hình toán dựa trên phương trình RANS và phương trình phi tuyến nước

nông được sử dụng phổ biến nhất trong việc tính toán sóng tràn qua đê biển. Việc lựa

chọn một mô hình phù hợp giữa các mô hình trên để áp dụng trong nghiên cứu, thiết kế

đê biển nên được dựa trên hiệu quả của mô hình đối tùy từng yêu cầu về mức độ chi tiết

cần thiết cũng như tùy vào đối tượng tính toán.

Các mô hình họ RANS có khả năng áp dụng mô phỏng vấn đề tương tác giữa sóng -

tường và dòng chảy sóng tràn với các dạng kết cấu phức tạp khác nhau như: tường thẳng

đứng, tường rỗng, kết cấu thấm nước, không thấm nước... Trong vài thập niên gần đây,

các nỗ lực đáng kể đã được thực hiện để cải tiến khả năng tính toán của các mô hình

RANS [33][32][42][61][37][30]. Khả năng mô phỏng của mô hình này đã đạt được

những bước tiến rõ rệt như: có thể ứng dụng mô phỏng tương tác sóng với các dạng

công trình có kết cấu hình học phức tạp khác nhau, có thể kể đến các điều kiện tính toán

sát với thực tế, từ tương tác sóng với các kết cấu đơn giản không thấm nước đến các

tương tác sóng, dòng chảy cho các kết cấu phức tạp khác như: rỗng, thẳng

đứng..[26][37], từ việc tạo biên sóng nguồn [34][31] đến tạo sóng tương tự như máng

sóng vật lý [53][30]. Mô hình COBRAS-UC (máng sóng số) có lẽ là công phu và bao

quát nhất trong việc mô phỏng tác giữa sóng với các dạng kết cấu phức tạp.

Hạn chế chính của mô hình họ RANS là hiệu quả tính toán rất thấp, thường mất nhiều

giờ trên máy tính thông thường để mô phỏng một số giây của dòng chảy trong thời gian

thực. Việc phân tích thống kê của sóng tràn với sóng ngẫu nhiên thường yêu cầu mô

phỏng số ít nhất 1000 con sóng (thời gian 1000.Tp, Tp là chu kỳ đỉnh phổ) thì thực sự là

vấn đề nan giải khi sử dụng họ mô hình RANS. Khi đó các mô hình NLSW thể hiện ưu

thế hơn so với các phương trình họ RANS trong việc dự báo lưu lượng sóng tràn trung

bình.

Các phương trình NLSW đạt được bởi việc tích hợp các phương trình Navier-Stokes đối

với chiều sâu dòng chảy với các giả thuyết sau: phân bố vận tốc là đều theo phương

thẳng đứng; áp lực dòng chảy là thủy tĩnh và đáy lòng dẫn có độ dốc thoải. Do đó, các

mô hình NLSW ít phức tạp hơn và hiệu quả hơn rất nhiều trong tính toán. Tuy nhiên,

mô hình NLSW chỉ cung cấp được tham số trung bình độ sâu dòng chảy. Phân bố áp lực

thủy tĩnh và mô hình không tính được quá trình phân tán là các mặt hạn chế nội tại của

phương trình NLSW trong một số ứng dụng tính toán kỹ thuật.

Các nỗ lực đã được thực hiện để giải quyết phần nào các hạn chế mô hình này bằng việc

thêm vào một số hạng áp lực phân tán trong phương trình mômen động lượng. Việc

thêm vào số hạng này làm cho các mô hình NSLW trở lên ít hiệu quả hơn. SWASH

(Simulating WAve still Shore) là một mô hình cụ thể của loại này [64][65]. Mô hình

này đã được kiểm chứng bằng một số các dữ liệu từ thí nghiệm mô hình vật lý và có khả

năng mô phỏng sự phân tán tần số trong khu vực nước tương đối nông. Nghiên cứu của

Suzuki (2011) chỉ ra rằng mô hình này cũng có khả năng dự báo lưu lượng sóng tràn

trung bình qua đê biển không có tường đỉnh [49]. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường

hợp, để giảm thiểu ảnh hưởng từ hạn chế của các phương trình NLSW và để tăng tính

thực tế cho việc mô phỏng sóng tràn qua đê biển, biên sóng trong của mô hình NLSW

nên được đặt ở vị trí trong vùng sóng vỗ và gần nhất với chân đê nếu có thể [41][27].

Nói chung, các mô hình NLSW có khả năng khá tốt trong việc tính toán lưu lượng sóng

tràn qua trung bình đê có độ dốc nhỏ và không có tường đỉnh [27][28][18][24][25][48].

Đối với sóng tràn qua các kết cấu có hình dạng phức tạp như mái dốc phía biển rất dốc

hoặc mái dốc được chia thành nhiều bậc khác nhau là những kết cấu mà việc áp dụng

áp lực thủy tĩnh của dòng chảy trong NLSW bị hạn chế. Khi đó, việc biến đổi hình học

tương đương hoặc cải tiến mô hình số là cần thiết để mô hình NLSW có thể áp dụng

một cách tương đối hợp lý [24][63][47]. Một điều khá ngạc nhiên rằng, kết quả dự báo

mô hình đối với lưu lượng sóng tràn trung bình trong các trường hợp trên vẫn khá tốt và

chấp nhận được.

Nhìn chung, khả năng dự báo của mô hình NLSW đối với lưu lượng sóng tràn trung

bình qua đê có tường đỉnh, hoặc đê có kết cấu phức tạp cho kết quả có độ tin cậy không

cao [29][13]. Điều này có thể giải thích bởi thực tế rằng sự tương tác giữa sóng và kết

cấu phức tạp không thể mô phỏng được một cách chính xác bởi các phương trình NLSW

do các hạn chế nội tại trong phương trình NLSW như đã đề cập ở trên. Tuấn và

Oumeriaci (2010) đã mở rộng các phương trình NLSW để hợp nhất hoàn toàn chiều cao

nước dâng do sóng của mực nước trung bình trong vùng sóng vỗ. Mô hình đã được kiểm

định dựa trên các số liệu thí nghiệm mô hình vật lý cho thấy mức độ tin cậy khá cao

trong việc tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh thấp.

Các hạn chế nội tại của mô hình NLSW có thể được giải quyết phần nào bởi mô hình

dạng Boussinesq. Tuy nhiên, các vấn đề về tính toán đối với các dạng mô hình này khi

sóng truyền trong vùng sóng vỗ, vị trí sóng vỡ, dạng không phân tán...Do sóng vỡ không

được mô tả một cách tự nhiên bởi phương trình Boussinesq và hệ số đạo hàm bậc cao

trong phương trình này không phù hợp tại các vị trí gần với chân đê [13][14]. Phương

trình Bousssinesq được cải tiến đáng kể như trong mô hình COULWAVE bởi Lynett và

các cộng sự (2000;2002) được áp dụng khá tốt cho khu vực sóng đổ [38][39]. Tuy nhiên,

khi đó các mô hình này trở nên rất phức tạp để có thể tính toán hiệu quả cho sóng tràn

qua công trình nằm trong đới sóng đổ. Và như vậy, các mô hình NLSW vẫn tỏ ra lợi thế

hơn các mô hình Boussinesq với cùng mức độ chính xác trong việc tính toán dự báo lưu

lượng sóng tràn trung bình.

Một mô hình khác sử dụng phương pháp SPH (Động lực học hạt trơn - Smoothed

Particle Hydrodynamics) [21][45][46] cũng cần được lưu tâm. Các mô hình SPH dựa

trên phương pháp lưới Lagragian có thể tính toán cho các biến dạng lớn của mặt thoáng

với độ chính xác cao. Tuy nhiên, nhược điểm chính của các mô hình loại này là hiệu quả

tính toán còn thấp tại thời điểm hiện nay.

Vì vậy có thể thấy rằng, với mục đích xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê

biển có kết cấu đơn giản thì mô hình NLSW dường như là hấp dẫn nhất. Về chi tiết của

sự tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy thì sử dụng mô hình RANS tỏ ra ưu việt

hơn.

Tóm lại, vì những lý do nêu trên mô hình NLSW của Tuấn và Oumeraci (2010) được sử

dụng để kiểm chứng kết quả dự báo lưu lượng sóng tràn trung bình từ mô hình toán so

sánh với các dữ liệu thu được từ thí nghiệm mô hình vật lý cho sóng ngẫu nhiên. Sự

tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy, hay nói cách khác các đặc trưng của dòng

chảy sóng tràn được xem xét một cách chi tiết cho trường hợp sóng đều bằng cả mô hình

vật lý và mô hình toán. Mô hình toán được sử dụng ở đây là mô hình máng sóng số [37].

Sau đây, đối với mỗi một mô hình, các phương trình cơ bản sẽ được trình bày một cách

ngắn gọn và theo sau là sự so sánh kết quả giữa mô hình toán và dữ liệu từ thí nghiệm

mô hình vật lý tương ứng.

Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010)

Hệ phương trình cơ bản

Mô hình dựa trên dạng bảo toàn của các phương trình NLSW được giải theo sơ đồ của

Roe kết hợp với phương pháp xác định thông lượng bậc cao TVD (total variation

diminishing) như sau [57]:

(3-1)

Trong đó: các véc-tơ bảo toàn , và các vec-tơ thành phần được xác

định như sau:

(3-2)

(3-3)

(3-4)

Trong đó: g là gia tốc trọng trường, h là độ sâu dòng chảy, u là vận tốc dòng chảy theo

phương ngang, Sbx là mái dốc đáy, Sf là ma sát đáy.

Lưu ý Sr là độ dốc do tiêu năng cuộn sóng mặt được thêm vào để kể đến ảnh hưởng của

sóng vỡ khi có sự hoạt động mạnh của cuộn bề mặt trong vùng sóng vỗ trên nền dòng

chảy trung bình [57].

Mô hình mượn phương pháp giải Roe - dạng Riemann [51][52], kết hợp với phương

pháp thể tích hữu hạn (FVM). Để giải số hạng cuộn sóng bề mặt Sr, mô hình được kết

hợp với một mô hình suy giảm năng lượng sóng (ENDEC) [11][12].

Phương trình (3-1) - (3-4) được giải theo thời gian để mô tả điều kiện dòng chảy, do đó

yêu cầu phải xác định điều kiện biên thủy lực tại cả hai phía của miền tính toán (phía

biển và phía đồng của mặt cắt ngang đê). Ở đây, hai chuỗi mực nước theo thời gian, một

tại dòng chảy vào khu vực tính toán và một tại dòng chảy ra khỏi khu vực tính toán là

đủ. Điều kiện biên được xác định dựa trên phương pháp đặc trưng của Burguete và

Garcia-Navarro (2001) [15]. Ngoài ra, để giữ cho dòng chảy tại biên vào không bị ảnh

hưởng bởi sóng phản xạ, sự thay đổi bề mặt của bất cứ sóng phản xạ nào cũng cần được

kể đến trong mực nước tổng tại biên vào [27][57].

Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên

Theo định nghĩa của mô hình thì tường thẳng đứng không mô tả được trong mô hình

NLSW do trường dòng chảy khi đó sẽ vi phạm các giới hạn nước nông, do vậy việc điều

chỉnh, biến đổi hình học tương đương của tường là cần thiết.

Hu và các cộng sự (2000) đã khảo sát dựa trên mô hình toán sóng tràn qua tường đỉnh

thấp, thẳng đứng trong đó phần thẳng đứng của tường được điều chỉnh thành mái có độ

dốc 1:20 tới 1:10 [24]. Sự điều chỉnh này khác xa so với giả thuyết của các phương trình

NLSW. Kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình được dự báo từ mô hình này

phù hợp với dữ liệu mô hình vật lý của Goda (1985) [20] và Herbert (1993)[22]. Tuy

nhiên, do điều kiện thí nghiệm, các thí nghiệm này không được mô tả một cách chính

xác, do đó khả năng của mô hình NLSW để tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua

đê có tường đỉnh thấp cũng chưa được khẳng định [24].

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng bộ số liệu thí nghiệm trên mô hình vật lý sóng

ngẫu nhiên của Thiều Quang Tuấn (2013) để kiểm chứng độ tin cậy của việc tính toán

lưu lượng sóng tràn trung bình bằng mô hình NLSW[58]. Như đã đề cập trước đó, do

hạn chế của mô hình NLSW khi xem xét sóng tràn qua đê có tường đỉnh, vì vậy hai

phương án quy đổi tương đương được thể hiện sau đây để áp dụng mô hình NLSW.

Ở phương án thứ nhất (Hình 3.1), tường đỉnh thấp được thay thế bởi mái dốc 1:1, chân

mái dốc bắt đầu từ chân tường và chiều cao mái dốc ngang với đỉnh tường, giá trị độ

cao lưu không của đỉnh đê Rc được giữ nguyên là khoảng cách thẳng đứng từ mực nước

tĩnh đến đỉnh tường.

Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1

Điều này đã được đề xuất trong TAW (2002) cho việc xác định mái dốc tương đương

khi tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình theo công thức kinh nghiệm. Sự vận dụng

nguyên lý hình học này có thể đem lại sự phù hợp tương đối với các số liệu thí nghiệm

sóng tràn và có thể áp dụng được trong tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình với kết

quả đáng tin cậy [58].

Trong phương án thứ hai (Hình 3.2) đỉnh đê cùng với tường đỉnh thấp được thay thế bởi

một cao trình đỉnh tương đương, trong đó có xét đến hệ số ảnh hưởng tổng hợp của

tường [58].

Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2

Các công thức cơ bản được trình bày ngắn gọn như sau:

Đối với sóng vỡ: (b0mcr 2.0):

(3-5)

Đối với sóng không vỡ: (b0m > cr  2.0):

(3-6)

(3-7)

Trong đó: Q* là đại lượng không thứ nguyên của lưu lượng sóng tràn trung bình, q là

lưu lượng sóng tràn trung bình, Hm0 là chiều cao sóng tại chân đê, 0m là số Iribarren

được tính toán từ chu kỳ phổ đặc trưng Tm-1,0, Rc là độ cao lưu không thực đỉnh đê, tanα

là độ dốc mái đê quy đổi, v là hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh.

Lưu ý rằng: các hệ số ảnh hưởng khác như do cơ đê, do độ nhám của mái dốc và độ xiên

góc của sóng tới không được quan tâm ở đây và được lấy bằng 1.

Từ phương trình (3-5) và (3-6), giá trị độ cao lưu không tương đương Rc* khi tính toán

lưu lượng sóng tràn trung bình trong trường hợp có bố trí tường đỉnh thấp được xác định

như sau:

(3-8)

Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh cho cả sóng vỡ và sóng không vỡ được tính

toán như sau [58]:

(3-9)

(3-10)

(3-11)

Trong đó w và s lần lượt là các hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường đỉnh và chiều

rộng thềm trước; c1, c2 là các hệ số kinh nghiệm.

Giá trị độ cao lưu không tương đương Rc* thay đổi xung quanh giá trị độ cao lưu không

thực Rc. Tùy thuộc vào các đặc trưng của sóng, việc tính toán lưu lượng sóng tràn trung

bình đã được thực hiện bằng cách sử dụng mực nước trung bình kết hợp với chuỗi sóng

theo thời gian đã được đo đạc từ các đầu đo sóng đặt gần với chân đê nhất (Biên sóng

đầu vào càng gần càng đảm bảo độ chính xác cho mô hình NLSW [14][57]). Tại phía

hạ lưu, giá trị mực nước không đổi thấp hơn hẳn đỉnh đê để tránh bất kỳ ảnh hưởng nào

đến sóng tràn được sử dụng như biên đầu ra (ở đây chọn mực nước thấp hơn đỉnh đê

0.5m).

Do việc sử dụng cùng một mô hình toán cũng như là cùng một loại vật liệu làm mái dốc

đê (gỗ dán) trong mô hình vật lý, hệ số ma sát fc = 0.0035 (hoặc hệ số Chezy C = 75) đã

được sử dụng trong tính toán, cho ra kết quả phù hợp nhất. Độ nhạy của hệ số này cũng

như việc hiệu chỉnh đối với sóng tràn trong trường hợp mái dốc nhẵn, không thấm [57].

Thời gian mô phỏng giống như trong các thí nghiệm mô hình vật lý (1000.Tp) tương

ứng với thời gian tính toán của máy tính là 10 phút cho một mô phỏng. Điều này thể

hiện mô hình NLSW tính toán rất hiệu quả. Thực tế, chỉ 153 trong tổng số 225 thí nghiệm

đã được lựa chọn để tính toán ở đây cũng không làm mất đi tính tổng quát của vấn đề.

Các thí nghiệm này bao trùm toàn bộ các trường hợp về điều kiện thủy lực và dạng hình

học của mái dốc [58].

Kết quả của mô hình theo hai phương án ở trên được so sánh với các số liệu thí nghiệm

mô hình vật lý (Hình 3.3, Hình 3.4). Nhìn chung, các kết quả của cả hai phương án phù

hợp khá tốt với các số liệu thí nghiệm mô hình với độ hồi quy R2 lần lượt là 0.88 và 0.87

cho phương án thứ nhất và phương án thứ hai. Sai số trung bình là 39.8% với độ lệch

chuẩn là  56.2%. Thực tế cho thấy vẫn có độ sai khác khá lớn (300%) cho một số

trường hợp cụ thể với lưu lượng sóng tràn trung bình rất thấp khi tường đỉnh cao

(W=9cm, với các điểm hình tam giác) và khi tường không có phần thềm phía trước

(W>0 & S = 0, với các điểm hình chữ nhật).

Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA1)

Có một điểm đáng chú ý là trong các trường hợp tường đỉnh tương đối cao (W/Hs > 0.5)

và chiều rộng thềm trước bằng không (S =0) không có sự chuyển tiếp, thì mô hình

NLSW cho kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình có độ tin cậy thấp. Điều này

là do trong các trường hợp đó tác động của sóng lên tường đỉnh thấp có ảnh hưởng lớn

đến lưu lượng sóng tràn trung bình. Tuy nhiên, ảnh hưởng quan trọng này lại là do sự

tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy không được giải quyết một cách đầy đủ trong

mô hình NLSW bằng việc biến đổi hình học tương đương.

Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA2)

Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số)

Giới thiệu máng sóng số

Mô hình COBRAS-UC là máng sóng số họ RANS-VOF, đã có một bề dày lịch sử nhiều

năm phát triển, khởi đầu là nhóm nghiên cứu của Giáo sư Phillips Liu ở Trường Đại học

Cornell – Mỹ [36]. Trong những năm gần đây, mô hình này đã được Viện Thủy lực của

Trường Đại học Cantabria - Tây Ban Nha tiếp tục phát triển, mở rộng tính năng và đã

trở thành một máng sóng số được đánh giá là hiện đại bậc nhất thế giới hiện nay. Máng

sóng số có khả năng mô phỏng tương tác sóng - công trình với các tính năng tương tự

như máng sóng vật lý (Hình 3.5, Hình 3.6).

Hình 3.5 Sóng tràn qua đê trong (MH vật lý)

Hình 3.6 Sóng tràn qua đê (MH máng sóng số)

Dạng công trình có thể mô phỏng trong mô hình có cấu tạo kết cấu hoàn toàn tương tự

như trong thực tế: dạng không thấm (đặc) hoặc cho phép thấm qua (thấm) như lõi đê đá

đổ, thân đê cát,…và có thể mô phỏng tương tác sóng với các công trình có cấu tạo hình

học là bất kỳ như: mái nghiêng, tường đứng hoặc hổn hợp. Các kết quả mô phỏng tương

tác là trường dòng chảy, trường áp lực, trường rối, áp lực sóng lên kết cấu bê tông, sóng

leo, sóng tràn qua công trình.

Máng sóng số đã được kiểm định và hiệu chỉnh với nhiều số liệu đo đạc trong phòng thí

nghiệm tỷ lệ nhỏ và tỷ lệ lớn về khả năng mô phỏng tương tác sóng (sóng ngẫu nhiên

hoặc sóng đều) với công trình đê biển bao gồm: đê biển có tường chắn sóng, đê chắn

sóng đá đổ mái nghiêng…Các kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình, mô

phỏng chiều cao sóng bắn, tính toán áp lực…được so sánh, kiểm tra với kết quả thí

nghiệm cho thấy độ tin cậy khá cao.

Trường Đại học Thủy lợi đã chuyển giao sử dụng mô hình này trong khuôn khổ dự án

của Hà Lan về hợp tác đào tạo sau đại học trong lĩnh vực quản lý tổng hợp tài nguyên

nước và thích ứng với biến đổi khí hậu. Đây thực sự là một công cụ hữu ích cho đào tạo,

nghiên cứu và tư vấn thiết kế các vấn đề động lực, tương tác giữa sóng, dòng chảy và

công trình biển.

Hệ phương trình cơ bản

COBRAS-UC [37][54] được bắt nguồn từ mô hình COBRAS (Cornell Breaking Waves

and Structures), mô hình RANS của Liu và các cộng sự (1999) [36]. Trong COBRAS-

UC, dòng chảy rối trung bình dựa trên các hệ phương trình 2DV-RANS (Navier –

Stockes 2 chiều):

(3-12)

(3-13)

Và được khép kín bởi hệ phương trình vận chuyển rối:

(3-14)

(3-15)

Trong đó: là vận tốc trung bình theo phương i (i, j =1, 2 cho dòng chảy hai chiều),

là áp suất dòng chảy,  khối lượng riêng của nước, gi là gia tốc trọng trường theo

phương i, là ứng suất Reynolds được mô phỏng theo độ nhớt xoáy phi tuyến

[40][30], Các hệ số kinh nghiệm của mô hình rối k = 1.0,  =1.3, C1 = 1.44, C1 =

1.92[43];  = / vàt = Cdk2/ (Cd = 0.99) tương ứng là các hệ số nhớt động và nhớt

xoáy.

COBRAS-UC tính toán dòng chảy trên một lưới chữ nhật không đều, mặt thoáng bất kỳ

của dòng chảy được tính toán theo phương pháp “thể tích chất lỏng” (VOF)[16]. Lưu ý

rằng, COBRAS-UC cũng giải phương trình VARANS cho dòng chảy trong môi trường

rỗng [23]. Do ở đây chỉ xem xét dạng công trình đê mái nhẵn, không thấm nước, nên

phần này của mô hình sẽ không được đề cập chi tiết trong luận án.

Mô hình COBRAS-UC được áp dụng để mô phỏng sóng tràn cho cả sóng ngẫu nhiên

và sóng đều. Trong trường hợp sóng ngẫu nhiên, chỉ có lưu lượng sóng tràn trung bình

được xem xét. Trong khi đó trường hợp sóng đều, thì ngoài lưu lượng sóng tràn trung

bình còn xem xét thêm tương tác giữa sóng - tường và tính chất dòng chảy sóng tràn.

Một thiết lập cho mô hình số được mô tả sau đây, áp dụng cho cả hai trường hợp sóng

đều và sóng ngẫu nhiên. Để tăng hiệu quả của mô hình, máng sóng số không bao gồm

phần của máng sóng vật lý từ bản tạo sóng tới đầu đo sóng đặt xa nhất về phía biển. Do

đó miền tính toán sẽ là 32m dài và 1.4m cao với các ô lưới chia tương ứng là 1600x140

với bước lưới lớn nhất là 0.02m theo phương ngang và 0.01m theo phương đứng.

Chuỗi thời gian được ghi lại từ đầu đo sóng tại biên cách chân đê 24.5m được sử dụng

để tạo sóng tới tại biên theo phương pháp của Torres-Freyermuth và cộng sự (2010)

[53]. Trong phương pháp này, mặt thoáng (VOF) và các thành phần vận tốc được mô tả

tại mỗi bước thời gian tính toán. Thiết bị hấp thụ sóng được bố trí tại biên phía cửa vào

để tránh ảnh hưởng của sóng phản xạ, công nghệ này tương tự như hệ thống bù sóng

phản xạ trong mô hình vật lý [53].

Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên

Mô hình được kiểm chứng bằng các thí nghiệm mô hình vật lý đối với các sóng ngẫu

nhiên. Như đã trình bày trước đó, chuỗi sóng ngẫu nhiên của ít nhất 1000 con sóng cần

được thực hiện trong mô hình vật lý để phục vụ cho việc phân tích thống kê sóng tràn.

Thời gian tính toán xấp xỉ 75 giờ cho 2200 giây mô phỏng của máy tính có cấu hình

3.1GHz-4GB RAM. Do hạn chế về năng lực máy tính nên chỉ có 14 trường hợp thí

nghiệm được quan tâm trong các thí nghiệm sóng ngẫu nhiên như đã nêu ở trên cho thấy

những kết quả khác biệt lớn nhất từ mô hình NLSW được chỉ ra trong Hình 3.3 và Hình

3.4. Đây là sự kết hợp của một điều kiện sóng tại bản tạo sóng (Hm0 = 0.10m, Tp = 2.2s

và chiều sâu mực nước trong máng sóng d = 0.55m) và với tất cả các dạng mái dốc đê

với các tường đỉnh cao, các giá trị chiều cao tường W= 6cm và 9cm, có hoặc không có

thềm trước. Chi tiết về các trường hợp thí nghiệm điển hình được trình bày trong Bảng

3.1 (Các thông số sóng được đo tại chân đê).

Lưu lượng sóng tràn trung bình (l/s/m)

W (cm)

S (m)

Hm0 (m)

Tp (s)

Mô hình vật lý

COBRAS- UC

NLSW- AP1

NLSW- AP2

Mái dốc đê (-)

0.06

0.095

2.2

0.25

0.054

0.088

0.095

0.083

0.06

0.05

0.095

2.2

0.25

0.051

0.081

0.051

0.094

0.06

0.095

0.1

2.2

0.25

0.047

0.076

0.057

0.061

0.06

0.124

2.2

0.33

0.256

0.382

0.365

0.489

0.06

0.05

0.124

2.2

0.33

0.245

0.359

0.322

0.399

0.06

0.123

0.1

2.2

0.33

0.224

0.281

0.290

0.428

0.06

0.126

0.3

2.2

0.33

0.185

0.263

0.193

0.279

0.09

0.095

2.2

0.25

0.026

0.017

0.045

0.061

0.09

0.05

0.095

2.2

0.25

0.021

0.012

0.035

0.064

0.09

0.095

0.1

2.2

0.25

0.018

0.007

0.016

0.019

0.09

0.128

2.2

0.33

0.119

0.106

0.202

0.369

0.09

0.05

0.126

2.2

0.33

0.105

0.085

0.326

0.425

0.09

0.126

0.1

2.2

0.33

0.096

0.073

0.270

0.447

0.09

0.122

0.3

2.2

0.33

0.081

0.068

0.100

0.180

Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán sóng tràn cho các trường hợp điển hình sóng ngẫu nhiên

Lưu lượng sóng tràn trung bình từ thí nghiệm mô hình vật lý và kết quả được tính toán

bởi mô hình COBRAS-UC được thể hiện trong Hình 3.7 và Bảng 3.1, lưu lượng sóng

tràn trung bình tương ứng do mô hình NLSW với cả hai phương pháp biến đổi tường

tương đương cũng được so sánh ở đây. Rõ ràng là, COBRAS-UC thể hiện ưu điểm hơn

so với mô hình NLSW với sai số trung bình là 60.1%, độ lệch chuẩn  63.2% và sai số

trung bình 129.4%, độ lệch chuẩn  100.6% lần lượt cho phương án 1 và phương án 2.

Kết quả từ COBRAS-UC và dữ liệu từ thí nghiệm mô hình khá khớp với nhau với độ

sai số trung bình chỉ là 39.7%, độ lệch chuẩn  24.5%. Tuy vậy, kết quả từ COBRAS-

UC có thể sai số lên tới 63% cho các trường hợp lưu lượng tràn nhỏ.

Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC)

Sóng tràn đối với sóng đều

Lưu lượng sóng tràn trung bình

Sau đây, mô hình COBRAS-UC đã được kiểm định với các dữ liệu thí nghiệm mô hình

vật lý thực hiện cho các sóng đều được mô tả chi tiết trong thí nghiệm ở chương 2. Lưu

lượng sóng tràn trung bình được so sánh giữa mô hình COBRAS-UC và mô hình vật lý.

Với 40 thí nghiệm cho 10 mô hình vật lý tương ứng, các chuỗi sóng đều được mô phỏng

để đánh giá lưu lượng sóng tràn trung bình cho mỗi thí nghiệm. Thời gian tính toán cho

mỗi thí nghiệm khoảng 6 giờ được thực hiện trên PC chuẩn (1giờ CPU/10 giây thời gian

dòng chảy). Lưu lượng sóng tràn trung bình tính toán theo mô hình COBRAS-UC được

so sánh với dữ liệu đo đạc từ thí nghiệm mô hình vật lý (Hình 3.8, Bảng 3.2).

Lưu lượng sóng tràn trung bình (l/s/m)

Các trường hợp thí nghiệm

W (cm)

S (cm)

H (m)

T (s)

Mô hình vật lý

Mô hình COBRAS-UC 10.53

0.17

2.0

REW0S0_1

10.45

0.16

1.5

REW0S0_2

5.26

5.08

0.24

2.0

REW0S0_3

17.39

17.13

0.24

2.5

REW0S0_4

21.05

21.23

0.17

2.0

REW4S0_1

9.01

9.55

0.16

1.5

REW4S0_2

2.28

2.54

0.24

2.0

REW4S0_3

16.04

16.23

0.24

2.5

REW4S0_4

21.75

20.91

0.17

2.0

REW4S10_1

7.75

7.96

0.16

1.5

REW4S10_2

1.14

2.08

0.24

2.0

REW4S10_3

14.95

13.71

0.24

2.5

REW4S10_4

19.82

18.12

0.17

2.0

REW4S20_1

6.13

6.17

0.16

1.5

REW4S20_2

0.70

0.98

0.24

2.0

REW4S20_3

13.69

13.17

0.24

2.5

REW4S20_4

18.42

18.33

0.17

2.0

REW6S0_1

4.32

6.07

0.16

1.5

REW6S0_2

1.58

1.65

0.24

2.0

REW6S0_3

12.25

12.05

0.24

2.5

REW6S0_4

17.02

16.10

0.17

2.0

REW6S10_1

3.96

6.85

0.16

1.5

REW6S10_2

1.14

1.01

0.24

2.0

REW6S10_3

11.17

12.14

0.24

2.5

REW6S10_4

15.61

16.60

0.17

2.0

REW6S20_1

3.24

4.37

0.16

1.5

REW6S20_2

0.19

0.34

0.24

2.0

REW6S20_3

9.55

9.74

0.24

2.5

REW6S20_4

13.51

17.12

0.17

2.0

REW9S0_1

2.52

4.16

0.16

1.5

REW9S0_2

1.32

0.51

0.24

2.0

REW9S0_3

10.27

12.13

0.24

2.5

REW9S0_4

14.39

13.29

0.17

2.0

REW9S10_1

2.70

3.63

0.16

1.5

REW9S10_2

0.21

0.24

2.0

REW9S10_3

7.75

7.48

0.24

2.5

REW9S10_4

13.51

8.94

0.17

2.0

REW9S20_1

1.80

4.27

0.16

1.5

REW9S20_2

0.04

0.05

0.24

2.0

REW9S20_3

6.31

8.79

0.24

2.5

REW9S20_4

10.18

14.22

Bảng 3.2 Kết quả đo đạc và tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình của sóng đều

Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC)

Nhận xét, mô hình COBRAS-UC thể hiện sự dự báo khá tin cậy về lưu lượng sóng tràn

trung bình qua các dạng tường đỉnh thấp khác nhau với độ hồi quy R2 = 0.95, sai số

trung bình chỉ là 23.4% với độ lệch chuẩn là  30.2 %. Sai số đáng kể được ghi nhận

trong một số ít trường hợp khi chiều cao tường lớn (W=9cm, hình tam giác mở). So sánh

với các trường hợp sóng ngẫu nhiên cho thấy sự phù hợp của kết quả tính toán đối với

sóng đều là tương đối tốt.

Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn

Sóng tràn ở đây bao gồm hai thành phần: thành phần tràn chảy thành dòng (green

overtoping) và thành phần sóng bắn (splash overtoping). Thành phần chảy tràn thành

dòng được sử dụng để tính toán lượng nước tràn khi dạng hình học của đê thay đổi.

Thành phần còn lại chỉ phần sóng bắn lên trong không khí. Đối với sóng đều thì ngoài

vấn đề nghiên cứu lưu lượng sóng tràn trung bình ở trên thì vấn đề tương tác giữa sóng

- tường và tính chất dòng chảy sóng tràn cũng được xem xét một cách chi tiết. Để hiểu

về ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn, ảnh phân tách từ máy quay được xem

xét và phân tích tỉ mỉ cùng với mô hình COBRAS-UC.

Trước tiên, tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn hay nói cách khác là

sóng tràn qua đê được đánh giá qua các ảnh thu được từ camera, quá trình tương tác

sóng - tường (trường hợp REW6S20_4, Bảng 3.3). Trong đó, một quá trình tương tác

sóng tràn có thể được phân tích qua 4 giai đoạn: sóng bắn khi sóng va vào tường (Hình

3.9), sóng đổ xuống mặt tường - mặt đê (Hình 3.10), sóng tràn chảy thành dòng (Hình

3.11) và sóng rút (Hình 3.12).

Việc số hóa dòng chảy, sử dụng quá trình phân tích ảnh bằng Matlab có thể đưa ra thông

tin định lượng về một số đặc trưng cơ bản của sóng tràn như: mặt cắt dòng chảy trung

bình nhất thời (chỉ cho dòng chảy chính) và chiều cao sóng bắn lớn nhất.

Các ảnh chụp dòng chảy được phân tích và kiểm định bằng mô hình toán. Tất cả các

trường hợp tính toán cũng được xem xét kỹ lưỡng để xác định chiều cao sóng bắn lớn

nhất bằng mô hình toán và so sánh với kết quả đạt được trong mô hình vật lý. Xét về

mặt mô hình toán, mô hình COBRAS-UC có khả năng mô phỏng sóng bắn rời nhưng

khi miêu tả các giọt nước riêng biệt hay các tia nhỏ như trong mô hình vật lý thì có độ

tin cậy không cao.

Phương pháp mô phỏng bề mặt thoáng (VOF) trong mô hình toán không kể đến sức

căng bề mặt cũng như là việc chia lưới quá thô so với kích thước của từng hạt nước riêng

rẽ có thể là những nguyên nhân dẫn tới sự khác biệt giữa kết quả mô hình toán với mô

hình vật lý, các hạn chế này chưa thể được khắc phục trong công nghệ mô phỏng dòng

chảy hiện nay.

Quá trình 4 giai đoạn của sự tương tác giữa sóng - tường từ mô vật lý (Hình 3.9, Hình

3.10, Hình 3.11, Hình 3.12) cho trường hợp thí nghiệm REW6S20_4, được kiểm chứng

một cách chi tiết bằng mô hình COBRAS-UC tương ứng (Hình 3.13, Hình 3.14, Hình

3.15, Hình 3.16).

Trong giai đoạn thứ nhất: Quá trình sóng tràn bắt đầu bằng việc lưỡi sóng va với tường

và kết quả là tạo ra sóng bắn trong không khí (Hình 3.9).

Hình 3.9 Sóng bắn khi sóng va vào tường (MH Vật lý)

Trong giai đoạn thứ hai: Sóng bắn bắt đầu biến mất khi sóng đạt tới một độ cao nhất

định trên tường và đổ xuống đỉnh tường, mặt đê. Tại thời điểm cuối của giai đoạn này,

một dòng chảy tràn được hình thành (Hình 3.10).

Hình 3.10 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê (MH Vật lý)

Trong giai đoạn thứ 3: Nếu sóng tiếp tục tràn mạnh trong giai đoạn thứ 3 này, dòng chảy

tràn sẽ phát triển tới chiều sâu ngập lớn nhất bên trên đỉnh tường (Hình 3.11).

Hình 3.11 Sóng chảy thành dòng (MH Vật lý)

Trong giai đoạn thứ 4: Sóng chảy tràn theo dòng tiếp tục phát triển cho tới khi sóng rút

về phía biển trong giai đoạn cuối cùng (Hình 3.12).

Hình 3.12 Sóng rút (MH Vật lý)

Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý)

Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê t=27.3s ( MH vật lý)

Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng t = 27.5s ( MH vật lý)

Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý)

Mô hình COBRAS-UC cho kết quả thấp hơn so với mô hình vật lý trong việc dự báo

mặt thoáng dòng chảy sóng tràn trong hai giai đoạn đầu (Hình 3.13, Hình 3.14). Điều

này có thể được giải thích bằng sự không phù hợp của phương pháp VOF với mô hình

RANS trong việc miêu tả mặt thoáng dòng chảy sóng tràn trong điều kiện sóng bắn phức

tạp [16][35]. Ngoài ra, các quá trình vật lý như: ảnh hưởng của không khí, sức căng mặt

ngoài...không được kể đến trong mô hình này. Điều này cũng giải thích tại sao đường

mặt nước dòng chảy sóng tràn trong hai giai đoạn cuối là giai đoạn mà chỉ có dòng chảy

tràn được dự báo rất tốt bởi mô hình COBRAS-UC (Hình 3.15, Hình 3.16).

Ở mức độ ít chi tiết hơn Hình 3.17, thể hiện các kết quả dự báo bằng mô hình toán về

chiều cao sóng bắn lớn nhất (xảy ra trong giai đoạn 1, Hình 3.13) được so sánh với các

dữ liệu từ thí nghiệm mô hình vật lý (Bảng 3.3).

Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý)

Chiều cao sóng bắn (cm)

Các trường hợp thí nghiệm

W (cm)

S (cm)

H (m)

Mô hình vật lý

Mô hình toán

(s)

REW0S0_1

0.17

2.0

REW0S0_2

0.16

1.5

REW0S0_3

0.24

2.0

REW0S0_4

0.24

2.5

REW4S0_1

0.17

2.0

29.9

15.2

REW4S0_2

0.16

1.5

19.7

12.0

REW4S0_3

0.24

2.0

30.0

13.1

REW4S0_4

0.24

2.5

29.3

15.7

REW4S10_1

0.17

2.0

22.2

9.0

REW4S10_2

0.16

1.5

14.3

8.0

REW4S10_3

0.24

2.0

13.9

10.8

REW4S10_4

0.24

2.5

17.9

10.8

REW4S20_1

0.17

2.0

15.4

13.0

REW4S20_2

0.16

1.5

9.2

8.7

REW4S20_3

0.24

2.0

16.9

12.6

REW4S20_4

0.24

2.5

14.8

10.9

REW6S0_1

0.17

2.0

27.0

16.4

REW6S0_2

0.16

1.5

29.4

16.6

REW6S0_3

0.24

2.0

37.8

21.1

REW6S0_4

0.24

2.5

30.6

14.2

REW6S10_1

0.17

2.0

23.1

13.6

REW6S10_2

0.16

1.5

16.8

11.9

REW6S10_3

0.24

2.0

25.1

12.8

REW6S10_4

0.24

2.5

28.0

13.1

REW6S20_1

0.17

2.0

21.2

11.9

REW6S20_2

0.16

1.5

11.6

10.8

REW6S20_3

0.24

2.0

22.8

13.6

REW6S20_4

0.24

2.5

22.8

11.9

REW9S0_1

0.17

2.0

38.0

22.9

REW9S0_2

0.16

1.5

29.6

18.9

REW9S0_3

0.24

2.0

40.2

31.4

REW9S0_4

0.24

2.5

42.5

35.0

REW9S10_1

0.17

2.0

28.5

18.5

REW9S10_2

0.16

1.5

15.0

14.8

REW9S10_3

0.24

2.0

32.0

17.0

REW9S10_4

0.24

2.5

34.0

25.1

REW9S20_1

0.17

2.0

22.3

14.0

REW9S20_2

0.16

1.5

11.0

10.9

REW9S20_3

0.24

2.0

29.5

20.9

REW9S20_4

0.24

30.0

16.1

2.5

Bảng 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán chiều cao sóng bắn lớn nhất

Khi xem xét kết quả từ mô hình vật lý và kết quả dự báo từ mô hình toán thể hiện trên

Hình 3.17, với cùng một điều kiện sóng và chiều cao tường thì chiều cao sóng bắn lớn

nhất giảm khi chiều rộng thềm trước tường tăng lên. Cũng tương tự, với cùng một điều

kiện sóng và chiều rộng thềm thì khi chiều cao tường lớn hơn sẽ cho kết quả sóng bắn

cao hơn. Chiều cao sóng bắn bằng mô hình toán lại dự báo thấp hơn so với kết quả đo

đạc từ thí nghiệm mô hình vật lý (Hình 3.17).

Hình 3.18 thể hiện chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường (xảy ra trong giai

đoạn 3, Hình 3.15). Vì các lý do đã đề cập ở phần trên, kết quả tính toán chiều sâu dòng

chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường được so sánh với kết quả đo đạc từ thí nghiệm mô

hình vật lý cho kết quả khá tốt (Hình 3.18, Bảng 3.4).

Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường

Chiều sâu chảy tràn (cm)

Các trường hợp thí nghiệm

W (cm)

S (cm)

H (m)

(s)

Mô hình vật lý

Mô hình toán

0.17

2.0

REW0S0_1

5.0

4.9

0.16

1.5

REW0S0_2

3.0

2.8

0.24

2.0

REW0S0_3

6.0

0.24

2.5

REW0S0_4

9.1

8.8

0.17

2.0

REW4S0_1

6.9

5.3

0.16

1.5

REW4S0_2

3.2

4.0

0.24

2.0

REW4S0_3

5.9

5.5

0.24

2.5

REW4S0_4

10.1

9.3

0.17

2.0

REW4S10_1

6.0

5.7

0.16

1.5

REW4S10_2

4.5

3.8

0.24

2.0

REW4S10_3

6.1

4.9

0.24

2.5

REW4S10_4

7.5

6.8

0.17

2.0

REW4S20_1

6.0

5.9

0.16

1.5

REW4S20_2

3.6

2.8

0.24

2.0

REW4S20_3

6.8

5.9

0.24

2.5

REW4S20_4

8.4

8.0

0.17

2.0

REW6S0_1

5.4

5.0

0.16

1.5

REW6S0_2

3.8

3.9

0.24

2.0

REW6S0_3

8.1

7.1

0.24

2.5

REW6S0_4

10.2

9.1

0.17

2.0

REW6S10_1

5.8

4.8

0.16

1.5

REW6S10_2

3.4

3.7

0.24

2.0

REW6S10_3

6.0

4.7

0.24

2.5

REW6S10_4

7.6

7.3

0.17

2.0

REW6S20_1

5.0

4.0

0.16

1.5

REW6S20_2

2.0

0.24

2.0

REW6S20_3

5.9

5.6

0.24

2.5

REW6S20_4

8.1

7.2

0.17

2.0

REW9S0_1

2.9

2.8

0.16

1.5

REW9S0_2

4.5

2.9

0.24

2.0

REW9S0_3

2.6

3.7

0.24

2.5

REW9S0_4

8.6

8.1

0.17

2.0

REW9S10_1

2.6

0.16

1.5

REW9S10_2

2.9

2.0

0.24

2.0

REW9S10_3

3.9

4.0

0.24

2.5

REW9S10_4

5.6

5.5

0.17

2.0

REW9S20_1

2.6

2.0

0.16

1.5

REW9S20_2

1.0

0.24

2.0

REW9S20_3

5.2

5.0

0.24

REW9S20_4

7.4

6.9

2.5

Bảng 3.4 Kết quả đo đạc và tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất

Những biểu hiện của sự tương tác giữa sóng - tường đối với sóng tràn có thể được giải

thích bằng việc quan sát chi tiết hơn nữa về trường dòng chảy quanh tường và áp lực

của sóng lên tường được dự báo bằng mô hình trong suốt giai đoạn sóng tác dụng lên

tường và giai đoạn sóng bắn. Hình 3.19 trình bày các hình ảnh mang tính chất so sánh

về sự tương tác giữa sóng - tường trong các trường hợp khác nhau đã trình bày ở trên và

tại trường hợp sóng bắn cao nhất dưới cùng một điều kiện sóng (Hs= 0.24m,Tp = 2.5 s),

cho hai trường hợp thí nghiệm (REW9S0_4 và REW9S10_4) có cùng chiều cao tường

là W =9cm: một trường hợp không có chiều rộng thềm trước (S= 0) và một trường hợp

chiều rộng thềm trước (S=10cm).

Lưu tốc dòng chảy lưỡi sóng bị làm chậm đi đáng kể từ xấp xỉ 2.0m/s tại thời điểm sóng

tác động lên tường (t = t*  0.2s, Hình 3.19a) xuống còn 1.0m/s - 1.5m/s đối với trường

hợp S = 0cm (Hình 3.19c, bên trái) và giảm xuống tới 0.5m/s - 1.0m/s cho trường hợp

S = 10cm (Hình 3.19c, bên phải) tại thời điểm sóng bắn lớn nhất (t = t*). Ngoài ra, sự

khác nhau về đặc trưng dòng chảy trong hai trường hợp tường có thềm trước và không

có thềm trước là đáng kể.

Trong trường hợp không có thềm trước (S =0), sóng leo dọc theo mái dốc đê được dễ

dàng hướng lên tường và tạo ra sóng bắn cao trong không khí. Hiệu quả trong việc giảm

động lượng dòng chảy hoặc giảm sóng tràn do đó không cao.

Trong trường hợp có thềm trước (S>0), lưỡi sóng leo được định hướng dòng chảy dọc

theo đỉnh đê (ít nhiều theo phương ngang) trước khi chạm tới tường. Trong trường hợp

này, năng lượng sóng leo bị tiêu tán nhiều hơn khi sóng tác động với tường. Kết quả là

chiều cao sóng bắn và lưu lượng sóng tràn trung bình nhỏ hơn đáng kể so với trường

hợp (S=0).

Vấn đề động lực học sóng tràn trong trường hợp tường có chiều cao lớn và không có

thềm trước nhìn chung là phức tạp hơn nhiều so với trường hợp tường thấp và có thềm

trước. Những đặc điểm này không được kể đến trong mô hình NLSW bởi các phương

pháp biến đổi tường tương đương.

a) Sóng bắn t = t*- 0.2

b) Sóng bắn t = t*- 0.1

c) Sóng bắn t = t*

Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều rộng thềm đến chiều cao sóng bắn

Ngoài ra, đặc trưng của sóng bắn và dòng chảy sóng tràn có thể được nhận biết từ sự

thay đổi của áp lực sóng trong quá trình sóng bắn. Trong trường hợp không có thềm

trước (S = 0), áp lực sóng lên tường tương đối nhỏ tại thời điểm sóng tiếp xúc với tường

và đạt tới cực đại tại thời điểm sóng bắn lớn nhất. Áp lực sóng tương ứng và lực sóng

tác dụng lên tường được sơ bộ phân tích (Hình 3.20, Hình 3.21). Một điều thấy rõ là, do

tường là vật cản nên mô men động lượng, năng lượng của sóng leo bị tiêu hao đáng kể

trong quá trình sóng tác dụng lên tường, và kết quả là tạo ra lực tác dụng lớn lên tường.

Ngoài ra còn có sự khác biệt rõ rệt về đặc trưng dòng chảy giữa hai trường hợp có và

không có thềm trước.

Hình 3.20 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t*

Hình 3.21 Lực sóng tác dụng lên tường

Tổng động lượng sóng truyền tới tường trong quá trình sóng bắn (Hình 3.20, Hình 3.21),

phần diện tích cong từ thời điểm sóng tác động lên tường t = t*- 0.2s tới thời điểm sóng

bắn lớn nhất t = t*, khi không có thềm trước lớn hơn đáng kể so với trường hợp tường

có thềm trước.

Trong cùng một điều kiện sóng, khi không có thềm trước thì động lượng sóng truyền tới

tường ít hơn và năng lượng sóng leo được chuyển thành động năng theo phương thẳng

đứng nhiều hơn, kết quả là tạo ra sóng bắn cao hơn và sóng tràn nhiều hơn. Từ những

đặc trưng này, sự tương tác giữa sóng và tường trong hai giai đoạn đầu (Hình 3.9, Hình

3.10) chỉ ra rằng ảnh hưởng của tường đối với sóng tràn không đơn giản là sự tăng thêm

chiều cao lưu không mà quan trọng hơn là về hiệu quả trong việc tiêu tán động lượng

của sóng leo.

Tóm lại, tường đỉnh thấp có thềm trước (S > 0) rõ ràng là có nhiều ưu điểm hơn so với

tường đỉnh thấp không có thềm trước (S = 0) khi đề cập đến vấn đề giảm thiểu sóng tràn

và chiều cao sóng bắn. Sóng bắn cao rõ ràng là điều kiện bất lợi và nên được giảm thiểu

trong quá trình thiết kế đê biển do lưu lượng sóng tràn cho phép có thể bị vượt trội một

cách đáng kể khi sóng tràn bao gồm cả lượng sóng bắn qua đê trong gió bão. Chưa dừng

lại ở đó, khi sóng bắn lên cao kèm theo gió bão từ phía biển thổi vào khối nước do sóng

bắn sẽ dội xuống phá hoại mặt đê và dẫn đến vỡ đê.

Kết luận chương 3

Trong luận án, tác giả đã sử dụng cả mô hình NLSW và mô hình máng sóng số (RANS-

VOF, COBRAS-UC) để mô phỏng sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp. Mô hình máng

sóng số đã được kiểm định bởi các dữ liệu thí nghiệm sóng tràn với các tỷ lệ lớn, nhỏ

khác nhau cho cả sóng đều và sóng ngẫu nhiên và cho kết quả tin cậy. Để phù hợp với

các giả thuyết của phương trình NLSW hai phương pháp biến đổi tường tương đương

đã được sử dụng. Nhờ vào đó mà mô hình NLSW có thể dự báo tin cậy lưu lượng sóng

tràn trung bình. Tuy nhiên, vẫn còn sai số khá lớn giữa mô hình toán với các dữ liệu thí

nghiệm đối với các trường hợp tường cao (W/Hs > 0.5) và tường không có thềm trước

do sự tương tác phức tạp giữa sóng - tường và dòng chảy dòng chảy tràn trong các trường

hợp này.

Sự kiểm chứng mô hình toán với các dữ liệu thí nghiệm mô hình vật lý đã chỉ ra rằng:

mô hình COBRAS-UC có khả năng tốt trong việc dự báo lưu lượng sóng tràn trung bình

cũng như là dự báo cấu trúc bề mặt của dòng chảy sóng tràn. Tuy nhiên, do sự hạn chế

quan trắc bề mặt thoáng của phương pháp VOF và do các quá trình vật lý liên quan như:

sự ảnh hưởng của không khí, sức căng mặt ngoài… Mô hình này dự báo thấp hơn so với

kết quả thí nghiệm (đặc biệt là chiều cao sóng bắn). Việc xem xét mô hình toán và mô

hình vật lý về sự tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn đã chỉ ra rằng trong

quá trình sóng tác động lên tường, động lượng của sóng leo giảm đi đáng kể, phụ thuộc

chủ yếu vào dạng hình học của tường. Tường có thềm trước thể hiện hiệu quả hơn trong

việc làm giảm năng lượng sóng tràn và kiểm soát tốt hơn sóng bắn so với trường hợp

tường không có thềm trước. Điều này chỉ ra rằng việc tăng thêm chiều cao của tường

trong các công thức tính toán kinh nghiệm về sóng tràn có lẽ là quan niệm quá đơn giản,

và chưa đầy đủ để thể hiện bản chất của sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp.

Hiện tại, việc sử dụng mô hình NLSW nhìn chung là hiệu quả và đủ độ tin cậy để ước

lượng một cách nhanh chóng lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê có tường đỉnh thấp.

Đối với các trường hợp tường đỉnh cao (W/Hs > 0.5), sử dụng mô hình sóng tràn phức

tạp như RANS-VOF là một lựa chọn. Tuy nhiên, chấp nhận hiệu quả tính toán không

cao. Ngoài ra, điều quan trọng là thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về sự điều chỉnh cấu

tạo hình học của tường đỉnh để tạo ra sự tương tác tốt hơn giữa sóng và tường. Do đó có

thể tối ưu hóa công tác thiết kế tường đỉnh thấp trên đê. Về bản chất, các ảnh hưởng bất

lợi như: lưu lượng sóng tràn trung bình, chiều cao sóng bắn và áp lực sóng quá lớn lên

tường nên được đặc biệt quan tâm khi thiết kế đê biển. Điều này có thể thực hiện một

cách hiệu quả bằng việc sử dụng thí nghiệm mô hình vật lý kết hợp với việc sử dụng mô

hình toán phù hợp RANS-VOF.

ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN

CHƯƠNG 4 SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH

Giới thiệu công trình

Đê biển Giao Thuỷ tỉnh Nam Định dài 32km, với nhiệm vụ bảo vệ dân sinh, kinh tế,

môi trường cho 205.799 người, thuộc 22 đơn vị hành chính cấp xã và thị trấn Huyện

Giao Thuỷ với tổng diện tích 23.207ha diện tích đất tự nhiên, trong đó 11.245ha đất

nông nghiệp. Trong những năm gần đây, tuyến đê biển quan trọng này được đầu tư xây

dựng có thể chống được bão cấp 10 với tần suất mực nước triều 5%. Một mặt do điều

kiện kinh tế chưa cho phép tôn cao mở rộng hoàn toàn mặt đê, mặt khác một số tuyến

đê có không gian hẹp, quỹ đất không cho phép nên giải pháp xây tường đỉnh thấp để

nâng cao cao trình đỉnh, giảm thiểu sóng tràn qua đê được lựa chọn.

Hình 4.1 Đê biển Giao Thủy tỉnh Nam Định

Mái đê phía biển: Hệ số mái m = 4, bọc đất thịt dày 50cm đầm nện bảo đảm yêu cầu,

bảo vệ phía ngoài bằng lát cấu kiện bê tông âm dương mác 250 trong khung BTCT mác

250, dưới cấu kiện là lớp dăm lót và lớp vải lọc địa kỹ thuật, cao trình chân kè phía biển

(0.0m), cao trình mặt đê (+5.0), tường đỉnh thấp có chiều cao 0.5m được đặt sát mép

ngoài mặt đê, mặt đê rộng 5.0m bằng bê tông mác 250 dày 20cm, phía dưới lót vữa xi

măng đá dăm mác 50 dày 5cm, bố trí gờ chắn bánh xe phía đồng.

Cấp công trình cấp III, tần suất mực nước biển thiết kế P =5%. Mực nước thiết kế:

(+2,29)

Tính toán sóng tràn

Các công thức cơ bản

𝑞

0,067

Đối với sóng vỡ ( ξ ≤ ξcr ≈ 2.0)

𝑅𝑐 𝐻

𝜉

√𝑔.𝐻

√𝑡𝑎𝑛𝛼

1 𝑣

= . 𝜉. exp(−4,75. ) (4-1) . .

𝑞

Đối với sóng không vỡ (ξ > ξcr ≈ 2,0)

𝑅𝑐 𝐻

√𝑔.𝐻3 = 0,20. exp(−2,6.

1 𝑣

. ) (4-2)

𝑡𝑎𝑛𝛼 √2.𝐻/(𝑔.𝑇2)

(4-3) 𝜉 =

Trong đó: H là chiều cao sóng đều (m); Rc độ cao lưu không tính từ mực nước thí nghiệm

đến đỉnh đê; g gia tốc trọng trường; ξ chỉ số Iribarren được tính toán từ chu kỳ đỉnh T;

v là hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường.

Thiết lập bảng tính toán sóng tràn

Thiết lập các thông số đầu vào

Bảng 4.1 Thiết lập các thông số đầu vào

TT Tham số Ký hiệu Đơn vị

1 Mực nước thiết kế MNTK m

2 Chiều cao sóng nước sâu m H0

3 Chiều cao sóng tại chân đê m H

4 Cao độ đáy trước chân đê m Zđáy

T/m3 5 Dung trọng nước biển ρw

6 Dung trọng bê tông T/m3 ρbt

𝜌𝑏𝑡−𝜌𝑤 𝜌𝑤

7 Δ (-) Tỷ trọng tương đối Δ =

8 Chiều cao tường đỉnh thấp (≤ 1,0m) W m

9 Chiều rộng thềm trước tường S m

10 Góc nghiêng trước trường đỉnh αw

(αw = 900) nếu tường đỉnh thấp có dạng

thẳng đứng

11 Cao trình mặt đê m Zmặt đê

12 Cao trình đỉnh tường m Zđỉnh tường

( Zđỉnh tường = Zmặt đê + W)

13 Góc sóng tới tại chân đê β

(Giả thiết trường hợp nguy hiểm nhất là

khi hướng sóng tiến tới chân đê vuông góc

(-)

với trục đê biển)

(-)

14 Hệ số mái phía biển dưới cơ m1

15 Hệ số mái phía biển trên cơ m2

16 Bề rộng cơ m Bb

17 Độ ngập sâu cơ đê m db

db < 0 cơ nằm trên MNTK

db = 0 cơ nằm ngang MNTK

db > 0 cơ nằm dưới MNTK (cơ ngập nước)

(-)

18 Trị số gia tăng độ cao an toàn a m

19 Hệ số chiết giảm do độ nhám mái đê f

Tính toán các tham số sóng thiết kế

Bảng 4.2 Tính toán các tham số sóng thiết kế

Tham số Ký hiệu Đơn vị TT

1 s Chu kỳ đỉnh phổ Tp = 1.2Tm Tp

2 Chiều dài sóng tai biên nước sâu m L0

2 𝑔 ∗ 𝑇𝑝 2 ∗ 

𝐿0 =

3 Độ sâu nước trước chân đê m ds

4 Chiều dài sóng trước chân đê m Ls

5 Độ dốc của sóng tại biên nước sâu m S0

(S0 = H0/L0)

Chu kỳ đỉnh 6 s Tp

7 Chiều dài sóng ứng với chu kỳ phổ L m

𝐿 = 𝑔 ∗ 𝑇 2 ∗ 

8 Độ dốc của sóng ứng với chu kỳ đỉnh S (-)

Tính toán lưu lượng sóng tràn qua đê biển:

Bảng 4.3 Tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình

TT Tham số Ký hiệu Đơn vị

1 Chiều cao lưu không của đỉnh đê m Rc

(Rc = Zđỉnh tường – MNTK)

2 Hệ số chiết giảm do góc sóng tới (-) β

(β = 1 – 0.003*β )

3 Hệ số chiết giảm do cơ đê (-) b

b = 1- (Bb/Lb) khi db = 0

[0.5 + 0.5 cos (𝜋 )] 𝛾𝑏 = 1 − 𝑑𝑏 𝑥 𝐵𝑏 𝐿𝑏

4 Thông số xác định hệ số chiết giảm do cơ x m

đê

x = Ru2% khi cơ nằm trên MNTK

x = 2.Hm0 khi cơ nằm dưới MNTK

5 Chiều dài tính toán cơ đê m Lb

Lb = m1.Hs + Bb + m2. Hs

6 Hệ số thực nghiệm c1 (-)

7 Hệ số thực nghiệm c2 (-)

8 Hệ số ảnh hưởng tường do chiều cao (-) 1/w

tường w

9 Hệ số ảnh hưởng của tường do bề rộng (-) 1/s

thềm trước s

(-) 10 Hệ số chiết giảm tổng hợp v 1/v

11 Chiều dài tính toán của mái đê quy đổi m Lm

Lm = 1.5*Hs+(Ru2% + db – Hs)*m1 + Bb +

(1.5* Hs – db)m2

12 Hệ số mái quy đổi (-) tanαqđ

𝑡𝑎𝑛𝛼𝑞đ = 𝑅𝑢2% + 1.5 ∗ 𝐻𝑠 𝐿𝑚 − 𝐵𝑏

13 Chỉ số tương tự sóng vỡ (-) ξ

(-) 14 Kiểm tra tích số b* ξ b* ξ

q (m3/s/m) Lưu lượng tràn trung bình đơn vị

15 q (l/s/m)

16 Chiều cao sóng bắn m Hb

Xây dựng phần mềm tính toán sóng tràn

Với các bảng tính được thiết lập khá tường minh ở trên, tác giả tiếp tục xây dựng phần

mềm tính toán sóng tràn (lưu lượng sóng tràn trung bình, chiều cao sóng bắn) cho đê

biển Giao thủy, tỉnh Nam Định.

Phần mềm này được thiết lập tường minh, đơn giản dễ sử dụng trong học tập, nghiên

cứu cũng như trong tính toán thiết kế đê biển. Đây là phần mềm mã nguồn mở có thể

nâng cấp mở rộng tính năng một cách rất dễ dàng. Code của phần mềm được tác giả ghi

ở phần phụ lục của luận án.

Hình 4.2 Giao diện chính phầm mềm

Hình 4.3 Giao diện nhập các tham số thiết kế

Hình 4.4 Giao diện tính toán các tham số sóng thiết kế

Hình 4.5 Giao diện tính toán sóng tràn qua đê

Kết quả tính toán sóng tràn và đề xuất mặt cắt ngang đê biển

Kết quả tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định

Với thông số tính toán của đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định (W = 0.5m, S=0) tác giả

tính toán được lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê là 12.7l/s/m. Tuy nhiên nếu lùi

tường đỉnh thấp về phía đồng 0.5m (S =0.5m) thì lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê

còn lại 0.1l/s/m (coi như không tràn nước). Từ kết quả tính toán này, một lần nữa tính

ưu việt của thềm trước tiếp tục được chứng minh qua công trình thực tế. Tuy nhiên kết

quả này được đánh giá là thiên lớn so với thực tế vì hiện nay trước đê biển Giao Thủy

đã được đầu tư xây dựng hệ thống công trình giảm sóng khá bài bản.

Nhằm tiếp tục khẳng định tính ưu việt của thềm tác giả tiếp tục dùng phần mềm tính

toán lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh

Nam Định với các kịch bản chiều cao tường và bề rộng thềm trước khác nhau (Bảng

4.4) và sau đó sơ bộ thiết lập quan hệ (W,S) với lưu lượng trung bình và chiều cao sóng

bắn. Đây là cơ sở quan trọng cho việc xây dựng các đồ thị, bảng tra để tối ưu hóa thiết

kế đê biển có tường đỉnh thấp, hợp lý, hiệu quả và phù với điều kiện thực tiễn ở Việt

Nam.

Bảng 4.4 Lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn cho đê biển Giao

Thủy, tỉnh Nam Định với các kịch bản (W,S) khác nhau

W,S (m)

Hb (m)

q(l/s/m)

W,S (m)

Hb (m)

q(l/s/m)

NaN

(0/0)

20.2

(0.6/0.8)

1.73

0.00

1.88

(0.2/0)

16.5

(0.6/1)

1.69

0.00

1.76

(0.2/0.2)

2.7

(0.6/1.2)

1.66

0.00

1.66

(0.2/0.4)

0.4

(0.6/1.4)

1.62

0.00

1.55

(0.2/0.6)

0.1

(0.6/1.6)

1.59

0.00

1.46

(0.2/0.8)

0.0

(0.6/1.8)

1.55

0.00

1.37

(0.2/1)

0.0

(0.6/2)

1.52

0.00

1.29

(0.2/1.2)

0.0

(0.8/0)

1.88

10.38

1.21

(0.2/1.4)

0.0

(0.8/0.2)

1.85

1.25

1.14

(0.2/1.6)

0.0

(0.8/0.4)

1.82

0.15

1.07

(0.2/1.8)

0.0

(0.8/0.6)

1.79

0.02

1.00

(0.2/2)

0.0

(0.8/0.8)

1.76

0.00

1.88

(0.4/0)

13.8

(0.8/1)

1.73

0.00

1.82

(0.4/0.2)

2.0

(0.8/1.2)

1.71

0.00

1.76

(0.4/0.4)

0.3

(0.8/1.4)

1.68

0.00

1.71

(0.4/0.6)

0.0

(0.8/1.6)

1.66

0.00

1.66

(0.4/0.8)

0.0

(0.8/1.8)

1.63

0.00

1.60

(0.4/1)

0.0

(0.8/2)

1.60

0.00

1.55

(0.4/1.2)

0.0

(1/0)

1.88

9.26

1.51

(0.4/1.4)

0.0

(1/0.2)

1.85

1.02

1.46

(0.4/1.6)

0.0

(1/0.4)

1.83

0.11

1.41

(0.4/1.8)

0.0

(1/0.6)

1.81

0.01

1.37

(0.4/2)

0.0

(1/0.8)

1.78

0.00

(1/1)

1.76

0.00

1.88 (0.5/0)

12.7

(1/1.2)

1.74

0.00

1.76 (0.5/0.5)

0.1

1.88

(0.6/0)

11.8

(1/1.4)

1.72

0.00

1.84

(0.6/0.2)

1.6

(1/1.6)

1.70

0.00

1.80

(0.6/0.4)

0.2

(1/1.8)

1.68

0.00

1.76

(0.6/0.6)

0.0

(1/2)

1.66

0.00

Hình 4.6 Kết quả tính toán cho các kịch bản (W,S) khác nhau

Đề xuất mặt cắt ngang đê biển

Qua kết quả nghiên cứu ở trên ta thấy hiệu quả của thềm trước tường rất rõ rệt, có ý

nghĩa lớn trong việc giảm thiểu sóng tràn qua đê. Hiện nay, trong dự thảo chuẩn TCVN

(2013) - Công trình trình thủy lợi (yêu cầu kỹ thuật về thiết kế đê biển) đã đề xuất được

8 dạng mặt cắt ngang đê biển (Hình 4.7)[4]. Tác giả thấy rằng chưa mặt cắt nào đề cập

đến tường đỉnh thấp có thềm trước. Vì vậy từ kết quả luận án tác giả đề xuất bổ sung

thêm một mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh thấp thấp, có thềm trước (Hình 4.8) vào dự

thảo tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển TCVN-2013.

Phạm vi áp dụng

Tính ưu việt của tường đỉnh có thềm trước đã được luận án chứng minh từ thí nghiệm,

mô hình toán đến áp dụng cho công trình thực tế. Vì vậy, việc đề xuất bổ sung thêm một

mặt cắt ngang đê biển (Hình 4.8) bổ sung cho dự thảo Tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển 2013.

Tuy nhiên khi áp dụng mặt cắt này phải phân tích hài hòa các yếu tố sóng tràn, yêu cầu

giao thông, cứu hộ, cứu nạn vv.. cho từng vùng từng loại đê cụ thể.

Đối với đê nâng cấp từ đê hiện có, bề rộng mặt đê thường hẹp (3.0m - 4.0m) như vậy

hai xe ôtô không thể đồng thời lưu thông trên mặt đê mà phải bố trí các điểm tránh ở

trên đỉnh đê, trong khi đó nếu xây tường đỉnh lùi vào (0.3m - 0.5m) thì vẫn đảm bảo cho

xe ôtô chạy một chiều mà lại nâng cao được hiệu quả giảm sóng tràn qua đê.

Đối với đê xây mới, khi tuyến đê đi qua thành phố, các khu du lịch việc tôn cao mở

rộng đê khó khả thi. Do vậy, việc xây dựng tường đỉnh thấp trên đê có thềm trước tường

nên được xem xét áp dụng. Nếu điều kiện kinh tế cho phép đường cao tốc hai làn chạy

trên mặt đê thì giải pháp xem tường đỉnh thấp trên đê đồng thời giải phân cách giữa hai

làn xe cũng nên được xem xét khi thiết kế đê. Khi đó giao thông trong mùa mưa bão thì

chỉ đi làn phía trong, làn phía ngoài đóng vai trò là thềm giảm sóng trước trường.

Hình 4.7 Mặt cắt ngang đê biển theo dự thảo TCVN-2013 [4]

Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp và thềm trước

Kết luận chương 4

Luận án đã lựa chọn được công trình nghiên cứu (đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định )

là tuyến đê mang tính đại diện cho hệ thống đê biển Bắc bộ - Việt Nam;

Luận án đã áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình,

chiều cao sóng bắn cho đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định với các kịch bản (W,S) khác

nhau, việc bố trí lùi tường đỉnh thấp 0.5m vào phía đồng (S = 0.5m), tác giả thấy lưu

lượng sóng tràn trung bình giảm từ 12.7l/s/m xuống còn 0.1l/s/m. Điều này một lần nữa

khẳng định thêm tính ưu việt của thềm trước tường đỉnh qua công trình thực tế, từ đó bổ

sung thêm một mặt cắt ngang (Hình 4.8) cho dự thảo Tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển TCVN

-2013.

Luận án đã xây dựng được phần mềm tính toán sóng tràn đơn giản, dễ sử dụng trong

đào tạo, trong thiết kế, phần mềm có mã nguồn mở có thể nâng cấp tính năng một cách

dễ dàng.

Bước đầu luận án đã xây dựng được các quan hệ lưu lượng sóng tràn trung bình, chiều

cao sóng bắn với các yếu tố sóng và hình học của tường (Hình 4.6) cho đê biển Giao

Thủy, tỉnh Nam Định. Đây là cơ sở ban đầu để xây dựng các biểu đồ, các bảng tra khi

tính toán sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp ở Việt Nam sau này.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Kết quả đạt được của luận án

1. Nghiên cứu tổng quan

Luận án đã nêu được tổng quan tình hình nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở trên thế

giới, ở Việt Nam và thấy rằng nghiên cứu sóng tràn là vấn đề thời sự đặc biệt trong bối

cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng. Luận án đã phân tích các nguyên

nhân, cơ chế phá hoại đê biển và đã làm nổi bật được nguyên nhân và cơ chế phá hoại

đê biển nổi trội nhất là do sóng tràn qua đê. Luận án đã khái quát đê biển có tường đỉnh

thấp của một số địa phương đại diện cho Miền Bắc và thấy rằng giải pháp hữu hiệu và

khá phổ biến hiện nay để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là xây

dựng tường đỉnh thấp trên đê.

Luận án đã thống kê, phân tích có chọn lọc các công trình nghiên cứu về sóng tràn qua

đê biển có tường đỉnh thấp và tìm ra những vấn đề mà các nghiên cứu trước đây chưa

đề cập hoặc đề cập nhưng chưa đầy đủ. Qua các công trình nghiên cứu điển hình về sóng

tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp từ TAW(2002) đến Thiều Quang Tuấn (2013). Tác

giả thấy rằng: các nghiên cứu trên vẫn chưa thật đầy đủ đặc biệt là vấn đề tương tác giữa

sóng - tường và dòng chảy sóng tràn hầu như chưa có một báo cáo nào. Vì vậy, mục tiêu

được đặt ra cho luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng

sóng tràn trung bình, tương tác sóng – tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển. Từ đó

góp phần nâng cao độ tin cậy tính toán sóng tràn qua đê biển để bổ sung luận cứ khoa

học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện nay.

2. Nghiên cứu thực nghiệm

Các nghiên cứu thực nghiệm và các chương trình trao đổi chuyên môn có liên quan đến

luận án được tác giả được thực hiện nghiên cứu tại trường Đại học TU Braunshweig,

CHLB Đức, tại phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia, Viện KHTL Việt Nam và các

chương trình trao đổi nghiên cứu tai trường Đại học Kyushu Nhật Bản, trường Đại học

NTU Singapore và tại Trung Quốc. Một lần nữa khẳng định sóng tràn, dòng chảy tràn

gây phá hoại đê vẫn là cơ chế nổi trội nhất và khi lưu lượng tràn càng lớn thì khả năng

phá hoại càng cao.

Đặc biệt, được sự tài trợ của Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED)

với đề tài: Sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh trong bão ở Việt Nam [QĐ.105.09-

2010.10], các thí nghiệm tỉ lệ nhỏ của sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp được thực

hiện tại phòng thí nghiệm Thủy lực – Trường Đại học Thủy lợi (tháng 6-9/2012). Với

40 thí nghiệm sóng đều trên 10 mô hình vật lý đã được tác giả thực hiện để đánh giá ảnh

hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê, xem xét tương

tác sóng - tường và tính chất dòng chảy sóng tràn. Từ kết quả thí nghiệm tin cậy, kèm

theo phân tích xử lý số liệu khoa học, tác giả đã xây dựng được công thức thực nghiệm

xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp cho sóng đều (công thức 2-12)

và đã thiết lập đường cong quan hệ giữa chiều cao sóng bắn với các yếu tố sóng, chiều

cao tường và chiều rộng thềm trước (Hình 2.13).

3. Nghiên cứu kết hợp mô hình toán và mô hình vật lý

Luận án đã áp dụng mô hình NLSW để tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình và mô

hình máng sóng số để mô tả tương tác giữa sóng - tường và tính chất dòng chảy sóng

tràn. Cả hai mô hình này đều đã được kiểm định với các thí nghiệm sóng tràn và cho kết

quả đáng tin cậy.

Luận án đã tính toán được lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê có tường đỉnh thấp cho

cả sóng đều và sóng ngẫu nhiên với các kịch bản tường đỉnh thấp khác nhau, đã tiến

hành so sánh kết quả thực đo với kết quả tính toán cho thấy độ tin cậy cao. Tuy nhiên

vẫn còn sai số khá lớn giữa mô hình toán và thí nghiệm khi tường đỉnh cao (W/Hs >

0.5) và tường không có thềm trước (S=0).

Luận án đã sử dụng cả mô hình toán và mô hình vật lý để mô phỏng, đánh giá chi tiết

tương tác sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn qua các giai đoạn khác nhau.

Luận án đã xem xét ảnh hưởng của chiều cao tường và chiều rộng thềm một cách thấu

đáo. Luận án đã chứng minh được tính ưu việt của thềm trước tường trong việc giảm

thiểu sóng tràn qua đê biển (Hình 3.13 đến Hình 3.19).

Luận án bước đầu gợi mở cho việc tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh thấp xung quanh

thời điểm sóng bắn lớn nhất (Hình 3.20, Hình 3.21). Tuy nhiên để hoàn chỉnh các nghiên

cứu tiếp theo cần phải thí nghiệm đo đạc và kiểm chứng thêm.

4. Nghiên cứu ứng dụng vào công trình thực tế

Luận án đã chọn được công trình nghiên cứu mang tính đại diện cho đê biển Bắc bộ và

đã đánh giá được hiệu quả của thềm trước trong việc giảm lưu lượng sóng tràn trung

bình, chiều cao sóng bắn cho công trình cụ thể. Điều này một lần nữa khẳng định tính

ưu việt của thềm trước (S>0).

Luận án đã xây dựng được phần mềm tính toán sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp

(hiệu quả, dễ sử dụng, mở rộng, chuyển giao….). Luận án đã đề xuất được mặt cắt ngang

đê biển tường đỉnh thấp có thềm trước hợp lý, hiệu quả, phù hợp với thực tiễn đê biển

Bắc bộ (Hình 4.8).

Luận án đã thiết lập được quan hệ lưu lượng sóng tràn trung bình, chiều cao sóng bắn

với các kịch bản (W&S) khác nhau cho đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định (Hình 4.6)

đây là cơ sở ban đầu quan trọng để xây dựng các biểu đồ, các bảng tra khi tính toán sóng

tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp, hướng tới việc tối ưu hóa thiết kế mặt cắt đê biển.

Luận án đã làm nổi bật được phạm vi áp dụng kết quả nghiên cứu cho đê biển hiện có

và đê biển xây mới trong tương lai.

II. Những đóng góp mới của luận án

1. Làm sáng tỏ bản chất ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn và chứng

minh được tính ưu việt của thềm trước thông qua việc đi sâu phân tích quá trình tương

tác sóng – tường;

2. Xây dựng được công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường

đỉnh thấp trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho trường hợp sóng đều (2-12);

3. Xây dựng được đường cong quan hệ tường minh giữa chiều cao sóng bắn với các

tham số sóng và hình học tường (Hình 2.13);

4. Xây dựng được một mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh có thềm trước hợp lý, hiệu quả,

phù hợp với thực tiễn đê biển Bắc bộ - Việt Nam (Hình 4.8).

III. Tồn tại và hướng phát triển

1. Những tồn tại:

- Các nghiên cứu hiện tại chỉ dừng lại ở đê mái nhẵn không thấm nước, tường thẳng

đứng, chưa xem các hình dạng tường khác như: tường cong, tường có mũi hắt sóng,

độ nghiêng của mặt tường…;

- Do điều kiện xây dựng mô hình còn hạn chế, các thí nghiệm chưa nhiều, chưa phủ

kín được các trường hợp làm việc thực tế của đê biển Bắc bộ - Việt Nam;

- Trong các thí nghiệm chỉ mới xem xét lưu lượng sóng tràn trung bình, chiều cao sóng

bắn, chiều sâu mực nước trên đê, chưa nghiên cứu về tính chất phân bố áp lực sóng

lên tường;

- Trong nghiên cứu tương tác sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn chưa đề

cập đến ảnh hưởng của gió bão nên kết quả tính toán trong nghiên cứu sẽ thấp hơn so

với thực tế.

2. Hướng phát triển

- Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các hình dạng tường đỉnh thấp khác nhau như:

tường cong, tường có mũi hắt sóng, độ nghiêng của mặt tường…;

- Tiếp tục nghiên cứu tính chất và phân bố áp lực sóng lên tường cho dạng tường khác

nhau;

- Tiếp tục xem xét đầy đủ quá trình vật lý liên quan như ảnh hưởng của gió bão để kết

quả sát hơn so với thực tế.

IV. Kiến nghị

- Tiếp tục đầu tư nghiên cứu hoàn thiện các đóng góp mới của luận án để sớm được áp

dụng vào trong đào tạo, nghiên cứu và thiết kế đê biển hiện nay;

- Tiếp tục đầu tư cho nghiên cứu bổ sung thêm các thí nghiệm cho các dạng tường đỉnh

thấp khác như tường cong, tường có mũ hắt sóng, tường nghiêng…

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1. Thieu Quang Tuan and Nguyen Van Thin (2014). Numerical study of wave

overtopping on sea-dikes with crown-walls. Journal of Hydro-environment

Research, pp.1-16 (10.1016/j.jher.2014.01.003 - ELSEVIER);

2. Nguyễn Văn Thìn, Thiều Quang Tuấn và Nguyễn Văn Ngọc (2013). Nghiên

cứu mô hình số sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp. Tạp chí khoa học kỹ

thuật Thủy lợi & Môi trường, số 11-2013, Trang 89-96;

3. Ngô Trí Viềng, Trịnh Minh Thụ, Hoàng Việt Hùng, Vũ Quốc Vương, Nguyễn

Văn Thìn và Nguyễn Thị Thu Hương (2013). Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ

mới trong gia cố đê biển bằng neo đất, sử dụng công nghệ phụ gia consolid và

chống xói bảo vệ mái. Tuyển tập Hội nghị khoa học thường niên năm 2013,

trường Đại học Thủy lợi, Trang 23-24 (bản tóm tắt);

4. Nguyễn Văn Thìn và Nguyễn Bá Quỳ (2009). Ứng dụng phân tích rủi ro vào

việc lựa chọn tiêu chuẩn an toàn cho đê biển Việt Nam. Tạp chí khoa học kỹ

thuật Thủy lợi & Môi trường, số 11-2009, Trang 3-9;

5. Ngô Trí Viềng, Nguyễn Bá Quỳ và Nguyễn Văn Thìn (2008). Cơ chế phá hoại

đê biển do sóng trong trường hợp có bão lớn. Tuyển tập Báo cáo hội thảo khoa

học lần thứ nhất chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp nhà nước

KC08/06-10;

6. Nguyễn Văn Thìn (2007). Ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc. Tạp chí

khoa học kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, số 3-2007, Trang 95-99.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I Tiếng Việt

[1] Vũ Minh Cát và cộng sự (2008), “Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang đê biển

hợp lý với từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ quảng Ninh đến

Quảng Nam”, Báo cáo tổng hợp đề tài NCKH cấp Bộ, Hà Nội.

[2] Chi cục đê điều và chống lụt bão tỉnh Nam Định 2013, “Báo cáo kết quả thực hiện

và kế hoạch thực hiện chương trình củng cố, nâng cấp đê biển năm 2014"

[3] Chi cục đê điều và phòng chống lụt bão tỉnh Hà Tĩnh (2012), “ Báo cáo hiện trạng

đê điều Hà Tĩnh"

[4] Dự thảo TCVN (2013), Công trình trình thủy lợi - yêu cầu kỹ thuật về thiết kế

đê biển, Hà Nội.

[5] Lương Phương Hậu, Trần Đình Hợi (2003), Lý thuyết thí nghiệm công trình

thủy, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội.

[6] Phạm Ngọc Quý và cộng sự (2012), "Nghiên cứu mặt cắt đê biển hợp lý từ

Quảng Ngãi đến Bà Rịa Vũng tàu", Báo cáo tổng hợp đề tài NCKH cấp bộ, Hà

Nội.

[7] Nguyễn Bá Quỳ và cộng sự (2007), “Nghiên cứu xây dựng yêu cầu xác định

tuyến đê biển mới ở vùng chưa có đê và điều chỉnh cục bộ tuyến đê hiện có từ

Quảng Ninh đến Quảng Nam”, Báo cáo chuyên đề đề tài cấp bộ, Hà Nội

[8] Nguyễn Văn Thìn và cộng sự (2010), "Nghiên cứu cơ chế phá hoại đê biển

trong bão và triều cường", Báo cáo tổng đề tài nhánh thuộc đề tài cấp nhà nước

KC08-15/06-10, Hà Nội.

[9] Thiều Quang Tuấn (2012), Giáo trình công trình bảo vệ bờ biển, (chờ xuất bản).

[10] Ngô Trí Viềng và cộng sự (2010), "Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất các

giải pháp khoa học công nghệ đảm bảo sự ổn định và độ bền của đê biển hiện

có trong trường hợp sóng, triều cường tràn qua đê", Báo cáo tổng hợp đề tài

NCKH cấp nhà nước KC08-15/06-10, Hà Nội.

II Tiếng Anh

[11] Battjes, J.A. and Janssen, J.P.F.M., (1978)., "Energy loss and set-up due to

breaking of random waves.," Proc. 14th Int. Conf. Coastal Engineering, ASCE,

pp. 466-480.

[12] Battjes, J.A. and Janssen, T.T., (2008)., "Random wave breaking models:

history and discussion.," Proc. 31th Int. Conf. Coastal Engineering, Hamburg,

Germany.

[13] Bellotti, G. and Brocchini, M., (2002)., "On using Boussinesq-type equations

near the shoreline:," A note of caution. Ocean Engineering, 29”, pp. 1569–

1575.

[14] Brocchini M. and Nicholas Dodd, (2008)., "Nonlinear shallow water equation

modelling for coastal engineering.," Journal of Waterway, Port, Coastal, and

Ocean Engineering”, 134(2), pp. 104-120.

[15] Burguete, J., Garcia-Navarro, P., (2001)., "Efficient construction of high-

resolution TVD conservative schemes for equations with source terms:

application to shallow water flows.,"International Journal for Numerical

Methods in Fluids”, 37, 209–248.

[16] C. N. B. (Hirt, "Volume of fluid (VOF) method for dynamics of free

boundaries.,"Journal of Computational Physics”, 39, pp. 201-225.

[17] De Waal, J. P., Van der Meer, J. W.,(1992), "Wave Run-Up and Overtopping

on Coastal Structures, in "Proceedings of the 23rd International Conference

on Coastal Engineering”, Venice, Italy, ASCE, pp. 1758-1771.

[18] Dodd, N., (1998)., "A numerical model of wave run-up, overtopping and

regeneration.,"Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering”,

124(2), pp. 73-81.

[19] EurOtop (2007), Wave Overtopping of Sea Defences and Related Structures,

Assessment Manual, Environment Agency UK/Expertise Netwerk Waterkeren

NL/Kuratorium fur Forschung im Kusteningenieurswesen DE

[20] Goda, Y., (1985), Random Seas and Maritime Structures. University of Tokyo

Press.

[21] Gotoh, H., Ikari, H., Memita, T. and Sakai, T., (2005)., "Lagrangian particle

method for simulation of wave overtopping on a vertical seawall.,"Coastal

Engineering Journal” 47(2-3), pp. 157-181.

[22] Herbert, D.M., (1993)., "Wave Overtopping of Vertical Walls.,"HR

Wallingford, Report SR 316..

[23] Hsu, T.-J., Sakakiyama, T. and Liu, P.L.-F., (2002)., "A numerical model for

wave motions and turbulence flows in front of a composite breakwater.,"

Coastal Engineering”, 46, pp. 25–50..

[24] Hu, K., Mingham and C.G., Causon, D.M.(2000), "Numerical simulation of

wave overtoppingof coastal structures using the nonlinear shallow water

equations," Coastal Engineering”, no. 41, pp. 433-465.

[25] Hubbard, M. E. and Dodd, N. (2002)., "A 2-D numerical model of wave run-

up and overtopping.," Coastal Engineering”, 47, pp. 1-26.

[26] J. L. I. a. G. R. Lara, "Wave interaction with low-mound breakwaters using a

RANS model.," Ocean Engineering”, 35 (2008), pp. 1388–1400..(25)

[27] Kobayashi, N. and Wurjanto, A., (1989)., "Wave overtopping on coastal

structures.,"Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering”,

115(2), pp. 235-251.

[28] Kobayashi, N. and Wurjanto, A., (1992), "Irregular wave setup and runup on

beaches.,"Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering”,

118(4), pp. 368-386.

[29] Kobayashi, N. and Raichle, A.W., (1994)., "Irregular wave overtopping of

revetments in surf zones.,"Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean

Engineering”, 120, 1, pp. 56-73.

[30] Lara, J.L, Ruju, A., Losada, I.J. , (2011)., "RANS modelling of long waves

induced by a transient wave group on a beach.,"Proc. of the Royal Society A-

Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 467 (2129)”, pp. 1215-

1242.

[31] Lara, J.L., Garcia, N., Losada, I.J., (2006)., "RANS modelling applied to

random wave interaction with submerged permeable structures.,"Coastal

Engineering”, 53, pp. 395–417.

[32] Li, T., Troch, P. and De Rouck, J., (2004)., "Wave overtopping over a sea

dike.,"Journal of Computational Physics”, 198, pp. 686-726.

[33] Lin, P., Liu, P.L., (1998), "A numerical study of breaking waves in the surf

zone.,"Journal of Fluid Mechanics”, 359, pp. 239-264.

[34] Lin, P., Liu, P.L., (1999), "Internal wave-maker for Navier–Stokes equations

models.,"Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering”,

125(4), pp. 207–217.

[35] Lin, P., (1998), Numerical modelling of breaking waves, Doctoral dissertation,

Cornell University, USA.

[36] Liu, P.L.F., Lin, P.Z., Chang, K.A. and Sakakiyama, T., (1999)., "Numerical

modelling of wave interaction with porous structures.,"Journal of Waterway,

Port, Coastal, and Ocean Engineering”, 125(6), pp. 322-330.

[37] Losada, I.J., Lara, J.L., Guanche, R., Gonzalez-Ondina, J. M., (2008).,

"Numerical analysis of wave overtopping of rubble mound breakwaters.,"

Coastal Engineering”, 55, pp. 47-62.

[38] Lynett, P. J., Wu, T. and Liu, P. L., (2002)., "Modelling wave run-up with

depth-integrated equations.,"Coastal Engineering”, 46, pp. 89-107

[39] Lynett, P., Liu, P.L., Losada, I.J. and Vidal, C., (2000)., "Solitary wave

interaction with porous breakwaters.," Journal of Waterway, Port, Coastal, and

Ocean Engineering”, 126(6), pp. 314-322.

[40] Owen, M.W. (1980), "Design of seawalls allowing for wave overtopping,"

Report No. EX 924, HR Wallingford, United Kingdom.

[41] Pullen, T. and Allsop, W., (2003)., "Use of numerical models of wave

overtopping," in summary of current understanding., R&D Interim Guidance

Note FD2410/GN1, Defra/Environment Agency, 7 pp.

[42] Reeve, D.E., Soliman, A., and Lin, P.Z., (2008)., "A numerical study of

combined overflow and wave overtopping over a smooth impermeable

seawall.," Coastal Engineering”, 55, pp. 155-166.

[43] Rodi, W., (1980)., "Turbulence models and their application in hydraulics - a

state-of-the-art review.," IAHR Publication.

[44] Saville, T.(1955), Laboratory data on wave run-up and overtopping on shore

structures, TM-64, Beach Erosion Board, US Army Corps of Engineers, USA.

[45] Shao, S. D., (2006)., "Incompressible SPH simulation of wave breaking and

overtopping with turbulence modeling.,"International Journal for Numerical

Methods in Fluids”, 50(5), pp. 597-621.

[46] Shao, S. D., Ji, C. M., Graham, D. I., Reeve, D. E., James, P. W. and Chadwick,

A. J., (2006)., "Simulation of wave overtopping by an incompressible SPH

model,," Coastal Engineering”, 53(9), pp. 723-735.

[47] Shiach, J. B., Mingham, C. G., Ingram, D. M., and Bruce, T. (2004)., "The

applicability of the shallow water equations for modelling violent wave

overtopping.," Coastal Engineering”, 51, pp. 1-15.

[48] Stansby, P.K. and Feng, T., (2004)., "Surf zone wave overtopping a trapezoidal

structure: 1-D modelling and PIV comparison.," Coastal Engineering”, 51, pp.

483-500.

[49] Suzuki, T., Verwaest, T., Hassan, W., Veale, W., Reyns, J., Trouw, K., Troch,

P. and Zijlema, M., (2011)., "The applicability of SWASH model for wave

transformation and wave overtopping,"A case study for the Flemish coast.

Proc. 5th Int. Conf. Advanced Compu”.

[50] TAW, (2002), Technical report wave run-up and wave overtopping at dikes,

Technical Advisory Committee on Flood Defence, The Netherlands.

[51] Toro, E.F., (1997)., "Riemann solvers and numerical methods for fluid

dynamics:,"a practical introduction. Springer-Verlag”, Berlin, 624 pp.

[52] Toro, E.F., (2001)., "Shock-capturing methods for free-surface shallow flows.,

in Wiley, New York, 309 pp.

[53] Torres-Freyermuth, A., Lara, J.L., Losada, I.J., (2010)., "Numerical modelling

of short-and long-wave transformation on a barred beach.,"Coastal

Engineering”, 57, pp. 317-330.

[54] Torres-Freyermuth, A., Losada, I.J., Lara, J.L., (2007)., "Modelling of surf

zone processes on a natural beach using Reynolds-Averaged Navier–Stokes

equations.,"Journal of Geophysical Research”, 112, C09014.

[55] Tuan, T.Q., Verhagen, H.J, Visser, P.J. and Stive, M.J.F.(2006), "Wave

overwash at low-crested beach barriers,"Coastal Engineering Journal, World

Scientific and JSCE”, 48(4), pp. 371-393.

[56] Tuan, T.Q, Cat, V.M and Trung, L.H., (2009), "Experiment study on wave

overtopping at sea-dikes with vertical crown-walls,"Proc. 5th Int. Conf. Asian

Pacific Coasts (APAC 2009), Singapore”, 4, pp. 79-85.

[57] Tuan, T.Q. and Oumeraci, H.,(2010)., "A numerical model of wave

overtopping on sea-dikes.," Coastal Engineering”, 57( 8), pp. 757-772.

[58] Tuan, T.Q.,(2013), "Influence of low sea-dike crown-walls on wave

overtopping discharge.," Coastal Engineering Journal”, 55(4) world seientific.

[59] Van der Meer, J. W., Janssen, W.(1995), "Wave Run-Up and Wave

Overtopping at Dikes," Wave Forces on Inclined and Vertical Wall Structures,

ed. Kobayashi N. & Demirbilek Z., ASCE, New York, USA, ISBN 0-7844-

0080-6.

[60] Verhaeghe, H., van der Meer, J.W., Steendam, G-J., Besley, P., Franco, L. &.

van Gent, M. R. A.(2003), "Wave overtopping database as the starting point

for a neural network prediction method.,"ASCE, Proc. Coastal Structures

2003, Portland,Oregon”, pp. 418 – 430.

[61] Xiao H., Huang, W. and Tao, J., (2008)., "Numerical modelling of wave

overtopping a levee during Hurricane Katrina,"Computational Fluid”, 38(5),

pp. 991-996.

[62] Zelt, J.A. and Skjelbreia, J.E., (1992)., "Estimating incident and reflected wave

fields using an arbitrary number of wave gauges.,"Proc. 23rd Int. Conf. Coastal

Eng., ASCE”, pp. 777-789 .

[63] Zhou, J.G., Causon, D.M., Mingham C.G., and Ingram, D.M., (2001)., "The

Surface Gradient Method for the Treatment of Source Terms in the Shallow

Water Equations,"Journal of Computational Physics”, 168, pp. 1-25.

[64] Zijlema, M. and Stelling, G., (2008)., "Efficient computation of surf zone

waves using the nonlinear shallow water equations with non-hydrostatic

pressure.," Coastal Engineering”, 55, pp. 780-790.

[65] Zijlema, M., Stelling, G.S. and Smit P., (2011)., "SWASH: An operational

public domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in

coastal waters.,"Coastal Engineering”, 58, pp. 992-1012.

PHỤ LỤC

CODE PHẦN MỀM TÍNH TOÁN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP

: Nguyen Van Thin : 25/05/2014 : Tính toán sóng tràn - Luận án tiến sĩ Nguyễn Văn

Developer Reviewed

Description

#region Copyright // ====================================================================================== ======================================================= // Copyright (c) 2014 Nguyen Van Thin // Tính toán sóng tràn - Luận án tiến sĩ Nguyễn Văn Thìn 2014 // ALL RIGHTS RESERVED. // Trường Đại Học Thủy Lợi Hà Nội // 175 Tây Sơn, Trung Liệt, Đống Đa, Hà Nội // // Unauthorized distribution, adaptation or use may be subject to civil and criminal penalties. // ====================================================================================== ======================================================= #endregion #region Header // Author // Created date // Description Thìn 2014 // History // ====================================================================================== =================================== BugID // Date By // ====================================================================================== =================================== // 25/05/2014 -- Build Nguyen Van Thin Nguyen Van Thin // ====================================================================================== =================================== #endregion using System; using System.Collections.Generic; using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Linq; using System.Text; using System.Windows.Forms; using System.IO; namespace ImageGPS { public partial class frmDr : Form { public frmDr()

{ InitializeComponent(); } private double tmpValue; #region UpdateTextBox private void Update_E11() { try { tmpValue = double.Parse(E10.Text) / double.Parse(E9.Text) - 1; tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); E11.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { E11.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_E16() { try { tmpValue = 5 + double.Parse(E13.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); E16.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { E16.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_E17() { try { E17.Text = string.Format("{0}", double.Parse(E16.Text) - double.Parse(E13.Text)); } catch { E17.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_E31() { try { tmpValue = 9.81 * double.Parse(E30.Text) * double.Parse(E30.Text) / (2 * 3.14); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); E31.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { E31.Text = string.Format("{0}", 0); }

100

} private void Update_E34() { try { tmpValue = double.Parse(E5.Text) / double.Parse(E31.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); E34.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { E34.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_E37() { try { //=$E$6/E36 tmpValue = double.Parse(E6.Text) / double.Parse(E36.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); E37.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { E37.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_E35() { try { //=E30/1.1 tmpValue = double.Parse(E30.Text) / 1.1; tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); E35.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { E35.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_E36() { try { //=(9.81*E35*E35)/(2*3.14) tmpValue = (9.81 * double.Parse(E35.Text) * double.Parse(E35.Text)) / (2 * 3.14); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); E36.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { E36.Text = string.Format("{0}", 0); } }

101

private void Update_J4() { try { J4.Text = string.Format("{0}", double.Parse(E16.Text) - double.Parse(E4.Text)); } catch { J4.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J6() { try { if (E18.Text == "-999") return; tmpValue = 1 - 0.0033 * double.Parse(E18.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J6.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J6.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J7() { //IF($E$23=0,1-$E$22/J13,1-($E$22*(0.5+0.5*COS(3.14*$E$23/J18))/J13)) try { if (double.Parse(E23.Text) == 0) { tmpValue = 1 - double.Parse(E22.Text) / double.Parse(J13.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J7.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } else { tmpValue = 1 - (double.Parse(E22.Text) * (0.5 + 0.5 * Math.Cos(3.14 * double.Parse(E23.Text) / double.Parse(J18.Text))) / double.Parse(J13.Text)); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J7.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } } catch { J7.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J9() { //=1+J8*E13/((J4-E13)*J16) try {

102

tmpValue = 1 + double.Parse(J8.Text) * double.Parse(E13.Text) / ((double.Parse(J4.Text) - double.Parse(E13.Text)) * double.Parse(J16.Text)); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J9.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J9.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J11() { //=1+J10*E14/(E6*J16) try { if (J10.Text == "-999" || E14.Text == "-999" || E6.Text == "-999" || J16.Text == "-999") return; tmpValue = 1 + double.Parse(J10.Text) * double.Parse(E14.Text) / (double.Parse(E6.Text)) * double.Parse(J16.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J11.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J11.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J12() { //=1/(J9*J11) try { if (J9.Text == "-999" || J11.Text == "-999" ) return; tmpValue = 1 / (double.Parse(J9.Text) * double.Parse(J11.Text)); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J12.Text = string.Format("{0}",tmpValue); } catch { J12.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J13() { //=$E$6*$E$20+$E$22+$E$6*$E$21 try { if (E6.Text == "-999" || E20.Text == "-999" || E22.Text == "-999" || E21.Text == "-999") return; tmpValue =double.Parse(E6.Text) * double.Parse(E20.Text) + double.Parse(E22.Text) + double.Parse(E6.Text) * double.Parse(E21.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J13.Text = string.Format("{0}", tmpValue);

103

} catch { J13.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J14() { //=(1.5*$E$6-$E$23)*$E$20+$E$22+(J4-$E$13+$E$23)*$E$21+$E$13+E14 try { if (E6.Text == "-999" || E20.Text == "-999" || E21.Text == "-999" || E22.Text == "-999" || E23.Text == "-999" || J4.Text == "-999" || E13.Text == "-999" || E14.Text == "-999") return; tmpValue = (1.5 * double.Parse(E6.Text) - double.Parse(E23.Text)) * double.Parse(E20.Text) + double.Parse(E22.Text) + (double.Parse(J4.Text) - double.Parse(E13.Text) + double.Parse(E23.Text)) * double.Parse(E21.Text) + double.Parse(E13.Text) + double.Parse(E14.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J14.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J14.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J15() { //=(J4+1.5*$E$6)/(J14-$E$22) try { if (J4.Text == "-999" || E6.Text == "-999" || J14.Text == "-999" || E22.Text == "-999") return; tmpValue = (double.Parse(J4.Text) + 1.5 * double.Parse(E6.Text)) / (double.Parse(J14.Text) - double.Parse(E22.Text)); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J15.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J15.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J16() { //=J15/SQRT($E$37) try { //Sai khac cua 2 functions Sqrt???? //C# Math.Sqrt(double.Parse(E37.Text)) 0.18439088914585774 double //Excel =SQRT($E$37) 0.183616279 if (J15.Text == "-999" || E37.Text == "-999") return; tmpValue = double.Parse(J15.Text) / Math.Sqrt(double.Parse(E37.Text));

104

tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J16.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J16.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J17() { //=J16*J7 try { tmpValue = double.Parse(J16.Text) * double.Parse(J7.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J17.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J17.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J18() { //=IF($E$23>0,2*$E$6,J4) try { if (E6.Text == "-999" || J4.Text == "-999") return; if (double.Parse(E23.Text) > 0) { J18.Text = string.Format("{0}", 2 * double.Parse(E6.Text)); } else { J18.Text = string.Format("{0}", double.Parse(J4.Text)); } } catch { J18.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J20() { //=IF(J17>2,100*SQRT(9.81*E6^3)*0.2*EXP(-2.6*(J4- E13)/(E6*J16*J12)),(10*SQRT(9.81*E6^3)*0.067*J16*EXP(-4.75*(J4- E13)/(E6*J16*J12)))/SQRT(J15)) try { if (E6.Text == "-999" || E13.Text == "-999") return; if (double.Parse(J17.Text) > 2) { tmpValue = 100 * Math.Sqrt(9.81 * Math.Pow(double.Parse(E6.Text), 3)) * 0.2 * Math.Exp(-2.6 * (double.Parse(J4.Text) - double.Parse(E13.Text)) / (double.Parse(E6.Text) * double.Parse(J16.Text) * double.Parse(J12.Text))); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J20.Text = string.Format("{0}", tmpValue);

105

} else { tmpValue = (10 * Math.Sqrt(9.81 * Math.Pow(double.Parse(E6.Text), 3)) * 0.067 * double.Parse(J16.Text) * Math.Exp(-4.75 * (double.Parse(J4.Text) - double.Parse(E13.Text)) / (double.Parse(E6.Text) * double.Parse(J16.Text) * double.Parse(J12.Text)))) / Math.Sqrt(double.Parse(J15.Text)); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J20.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } } catch { J20.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J21() { //==J20*1000 try { J21.Text = string.Format("{0}", double.Parse(J20.Text) * 1000); } catch { J21.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J24() { //=(E14*E6/(9.81*E13*E35^2)) try { if (E6.Text == "-999" || E13.Text == "-999" || E14.Text == "-999" || E35.Text == "-999") return; tmpValue = (double.Parse(E14.Text) * double.Parse(E6.Text) / (9.81 * double.Parse(E13.Text) * Math.Pow(double.Parse(E35.Text), 2))); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J24.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J24.Text = string.Format("{0}", 0); } } private void Update_J25() { //=SQRT(1.544*EXP(-23.36*J24)) try { tmpValue = Math.Sqrt(1.544 * Math.Exp(-23.36 * double.Parse(J24.Text))); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J25.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J25.Text = string.Format("{0}", 0);

106

J21

J26

} } private void Update_J26() { // =J25*E6 try { if (E6.Text == "-999" ) return; tmpValue =double.Parse(J25.Text) * double.Parse(E6.Text); tmpValue = Math.Round(tmpValue, 6); J26.Text = string.Format("{0}", tmpValue); } catch { J26.Text = string.Format("{0}", 0); } } #endregion private void cmdAdd_Click(object sender, EventArgs e) { AddPoints(); } private void AddPoints() { //(E13/E14) //String.Format("{0}\t{1}", FirstName,Count) if (txtResult.Text == "") { txtResult.Text = String.Format("{0}\t\t", "(W,S)") + String.Format("{0}\t\t", "Hb") + String.Format("{0}\t\t", "q(l/s/m)"); } txtResult.Text = txtResult.Text + System.Environment.NewLine + String.Format("{0}\t\t", "(" + E13.Text + "/" + E14.Text + ")") + String.Format("{0}\t\t", J26.Text) + String.Format("{0}\t\t", J21.Text); } private void btnReset_Click(object sender, EventArgs e) { txtResult.Text = ""; } private void frmDr_Load(object sender, EventArgs e) { LoadToolTip(); InitValue(); InitValue(true); } private void InitValue(bool bDefault=false) { if (bDefault) { E4.Text = "2.29"; E6.Text = "1.51"; E7.Text = "0.3"; E9.Text = "1.03"; E10.Text = "2.3";

107

E13.Text = "0.9"; E14.Text = "1"; E15.Text = "90"; E18.Text = "0"; E20.Text = "4"; E21.Text = "4"; E22.Text = "0"; E23.Text = "0"; E24.Text = "0.3"; E25.Text = "0.85"; E30.Text = "5.89"; E32.Text = "3.56"; E33.Text = "37.76"; J8.Text = "0.99"; J10.Text = "0.72"; } else { E4.Text = "-999"; E6.Text = "-999"; E7.Text = "-999"; E9.Text = "-999"; E10.Text = "-999"; E13.Text = "-999"; E14.Text = "-999"; E15.Text = "-999"; E18.Text = "-999"; E20.Text = "-999"; E21.Text = "-999"; E22.Text = "-999"; E23.Text = "-999"; E24.Text = "-999"; E25.Text = "-999"; E30.Text = "-999"; E32.Text = "-999"; E33.Text = "-999"; J8.Text = "-999"; J10.Text = "-999"; } } private void LoadToolTip() { string tmp; System.Windows.Forms.ToolTip ToolTip1 = new System.Windows.Forms.ToolTip(); ToolTip1.ShowAlways = true; tmp = @"Cao độ đáy biển tại vị trí tính sóng thiết kế (thường là tại chân công trình)"; ToolTip1.SetToolTip(E7, tmp); tmp = @"at = 900 nếu bề mặt tường phía biển có dạng thẳng đứng"; ToolTip1.SetToolTip(E15, tmp); tmp = @"Giả thiết trường hợp nguy hiểm nhất là khi sóng tiến tới chân công trình theo phương vuông góc với trục đê, khi đó: b = 00"; ToolTip1.SetToolTip(E18, tmp);

108

tmp = @"dh < 0 nếu cơ nằm trên MNTK dh = 0 nếu cơ nằm ngang MNTK dh > 0 nếu cơ nằm dưới MNTK (cơ ngập nước)"; ToolTip1.SetToolTip(E23, tmp); tmp = @"Thông số xác định hệ số chiết giảm do cơ đê (x): * x = Rslp khi dh < 0 * x = 2.Hs khi dh > 0"; ToolTip1.SetToolTip(J18, tmp); } private void btnReport_Click(object sender, EventArgs e) { frmPlot frm = new frmPlot(); frm.PlotData(txtResult.Text, true); frm.ShowDialog(); } private void E9_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E11(); } private void E10_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E11(); } private void E13_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E16(); Update_J9(); Update_J14(); Update_J20(); Update_J24(); } private void E16_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E17(); Update_J4(); Update_J6(); } private void E30_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E31(); Update_E35(); } private void E31_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E34(); } private void E5_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E34(); } private void E4_TextChanged(object sender, EventArgs e)

109

{ Update_J4(); } private void E23_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J7(); Update_J14(); Update_J18(); } private void E22_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J7(); Update_J13(); Update_J14(); Update_J15(); } private void J13_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J7(); } private void J18_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J7(); } private void J8_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J9(); } private void J4_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J9(); Update_J14(); Update_J15(); Update_J18(); Update_J20(); } private void J16_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J9(); Update_J11(); Update_J17(); Update_J20(); } private void J10_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J11(); } private void E14_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J11(); Update_J14(); Update_J24();

110

} private void E6_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E37(); Update_J11(); Update_J13(); Update_J14(); Update_J15(); Update_J18(); Update_J20(); Update_J24(); Update_J26(); } private void J9_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J12(); } private void J11_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J12(); } private void E20_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J13(); Update_J14(); } private void E21_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J13(); Update_J14(); } private void J14_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J15(); } private void J15_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J16(); Update_J20(); } private void E37_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J16(); } private void J7_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J17(); } private void J17_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J20();

111

} private void J12_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J20(); } private void J20_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J21(); } private void E35_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J24(); Update_E36(); } private void J24_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J25(); } private void J25_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_J26(); } private void btnDefaultValue_Click(object sender, EventArgs e) { InitValue(true); } private void E36_TextChanged(object sender, EventArgs e) { Update_E37(); } private void btnAboutUs_Click(object sender, EventArgs e) { frmAbout frm = new frmAbout(); frm.ShowDialog(); } private void btnSave_Click(object sender, EventArgs e) { try { if (txtResult.Text.Trim() == "") { MessageBox.Show("Chưa có dữ liệu","Thông báo"); return; } SaveFileDialog saveFileDialog1 = new SaveFileDialog(); saveFileDialog1.InitialDirectory = @"C:\"; saveFileDialog1.Title = "Save text Files"; //saveFileDialog1.CheckFileExists = true; saveFileDialog1.CheckPathExists = true; saveFileDialog1.DefaultExt = "txt"; saveFileDialog1.Filter = "Text files (*.txt)|*.txt|All files (*.*)|*.*";

112

saveFileDialog1.FilterIndex = 2; saveFileDialog1.RestoreDirectory = true; if (saveFileDialog1.ShowDialog() == DialogResult.OK) { File.WriteAllText(saveFileDialog1.FileName, txtResult.Text); } } catch (Exception ex) { MessageBox.Show(ex.Message); } } private void btnLoad_Click(object sender, EventArgs e) { string fileName = ""; bool bHeader = true; OpenFileDialog theDialog = new OpenFileDialog(); theDialog.Title = "Load file tổ hợp"; theDialog.Filter = "TXT files|*.txt"; theDialog.InitialDirectory = @"C:\"; if (theDialog.ShowDialog() == DialogResult.OK) { fileName= theDialog.FileName.ToString(); System.Collections.Generic.IEnumerable lines = File.ReadLines(fileName); // Read in lines from file. foreach (string line in File.ReadLines(fileName)) { try { // skip header file if (bHeader) { bHeader = false; } else { string[] cols = line.Split('\t'); E13.Text = cols[1].Trim(); //W E14.Text = cols[0].Trim(); //S AddPoints(); } } catch { } } } } } } using System; using System.Collections.Generic;

113

using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Linq; using System.Text; using System.Windows.Forms; using ZedGraph; namespace ImageGPS { public partial class frmPlot : Form { public List mySeries= new List(); public List myLines = new List(); public frmPlot() { InitializeComponent(); } public void PlotData(string strContent, bool skipHeader) { try { this.Cursor = Cursors.WaitCursor; this.Text = "Báo cáo thống kê"; ImportData(strContent, skipHeader); CreateGraph(ZedGraphControl1); this.Cursor = Cursors.Default; } catch (Exception ex) { MessageBox.Show(ex.Message); } } private void ImportData(string strContent, bool skipHeader) { int rowIndex=0; double tmpValue=0; string strData; string strTag; DataSeries seriHb = new DataSeries(); DataSeries seriQ = new DataSeries(); if (strContent.Trim() =="") { return; } try { string[] lines = strContent.Split(new string[] { "\r\n", "\n" }, StringSplitOptions.None); seriHb.Name = "Hb"; seriHb.LineColor = Color.Blue; seriHb.Symbol.Type = SymbolType.Circle; seriQ.Name = "Q"; seriHb.LineColor = Color.Red;

114

seriHb.Symbol.Type = SymbolType.Circle; for (int i = 0; i < lines.Length; i++) { if (!(skipHeader && i == 0)) { strData = lines[i]; string[] cols = strData.Split(new string[] { "\t\t", "\t\t" }, StringSplitOptions.None); rowIndex++; tmpValue = Double.Parse(cols[1]); strTag = cols[0].Trim() + "\t" + tmpValue.ToString(); seriHb.Data.Add(rowIndex, tmpValue,strTag); tmpValue = Double.Parse(cols[2]); seriQ.Data.Add(rowIndex, tmpValue, strTag); } } mySeries.Add(seriHb); mySeries.Add(seriQ); } catch (Exception ex) { MessageBox.Show(ex.Message); } } private void CreateGraph(ZedGraph.ZedGraphControl zgc) { GraphPane grf = zgc.GraphPane; grf.Title.Text = "Kết quả mô hình"; grf.YAxis.Title.Text = "Giá trị"; grf.XAxis.Title.Text = "Lần thử"; grf.XAxis.Type = AxisType.Ordinal; //grf.XAxis.Scale.MajorUnit = DateUnit.Month; //grf.XAxis.Scale.MinorUnit = DateUnit.Day; grf.Legend.Position = LegendPos.InsideTopRight; grf.Legend.Gap = 20; grf.Legend.IsHStack = false; grf.XAxis.MajorGrid.IsVisible = true; grf.XAxis.MajorGrid.DashOff = 0; grf.XAxis.MajorGrid.Color = Color.Gray; grf.YAxis.MajorGrid.IsVisible = true; grf.YAxis.MajorGrid.DashOff = 0; grf.YAxis.MajorGrid.Color = Color.Gray; grf.CurveList.Clear(); for (int i = 0; i <= mySeries.Count - 1; i++) { DataSeries sr = mySeries[i]; LineItem line = grf.AddCurve(sr.Name, sr.Data, sr.LineColor, sr.Symbol.Type); } zgc.IsShowPointValues = true; zgc.AxisChange(); } } }

115