zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

» Môi trường

Thiết kế thí nghiệm mô hình vật lý nghiên cứu tương tác sóng với kết cấu đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa là giải pháp công trình bảo vệ bờ biển được đề xuất với mục tiêu giảm sóng từ xa. Bài viết trình bày phương pháp thiết kế thí nghiệm mô hình vật lý và xây dựng các kịch bản nghiên cứu nhằm đánh giá tương tác giữa sóng với kết cấu này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế thí nghiệm mô hình vật lý nghiên cứu tương tác sóng với kết cấu đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC SÓNG VỚI KẾT CẤU ĐÊ CỌC RỖNG MẶT CẮT HÌNH MÓNG NGỰA Phạm Đức Hưng, Trần Đình Hòa, Nguyễn Mạnh Linh Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Tóm tắt: Đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa là giải pháp công trình bảo vệ bờ biển được đề xuất với mục tiêu giảm sóng từ xa. Bài báo trình bày phương pháp thiết kế thí nghiệm mô hình vật lý và xây dựng các kịch bản nghiên cứu nhằm đánh giá tương tác giữa sóng với kết cấu này. Từ khóa: Đê cọc rỗng, hiệu quả giảm sóng, truyền sóng, phản xạ sóng Summary: The horseshoe-shaped hollow pile dyke is a type of breakwater used to reduce wave energy from a distance. This paper presents the method of experimental design of the physical model and the development of research scenarios to evaluate the wave interaction with this structure. Keywords: Hollow pile dyke, effect of wave reduction, wave transmission, wave reflection. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * dạng mặt cắt bán trụ tròn; mặt khuất sóng Đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa [1] là (phía bờ) có dạng mặt cắt hình hộp, cả 2 mặt giải pháp công trình xa bờ được đề xuất nhằm đều được đục lỗ rỗng để hấp thụ và tiêu hao mục đích tiêu giảm sóng, hạn chế sạt lở bờ năng lượng sóng. Phía trước và sau cấu kiện biển đồng thời tạo được bãi bồi phù sa phía được gia cố bằng lớp đá hộc để chống xói sau công trình để khôi phục rừng phòng hộ ven chân. Bên trong cấu kiện được thả lớp đá hộc biển (xem Hình 1). để tiêu tán năng lượng sóng và tăng cường ổn định tổng thể công trình. Mục tiêu chính của thí nghiệm mô hình vật lý là thiết lập được một bộ số liệu thí nghiệm làm cơ sở cho việc xây dựng các công thức kinh nghiệm hay bán kinh nghiệm cho phép đánh giá một cách tin cậy tương tác sóng với Đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa. Hay nói cách khác công thức xác định hệ số phản xạ (Kr), hệ số truyền sóng (Kt), áp lực sóng tác dụng lên cấu kiện… với sự ảnh hưởng của Hình 1: Đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa [1] các tham số phi thứ nguyên chi phối chính được xác định, phản ảnh đúng quá trình vật lý Cấu kiện đê cọc rỗng hình móng ngựa được tiêu hao năng lượng khi sóng truyền qua công tạo bởi 2 phần: mặt tiếp sóng (phía biển) có trình đê cọc rỗng. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH VẬT LÝ Ngày nhận bài: 13/2/2023 Cơ sở lý thuyết của mô hình vật lý được xác Ngày thông qua phản biện: 20/3/2023 lập trên cơ sở lý thuyết tương tự. Chỉ khi nào Ngày duyệt đăng: 21/4/2023 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 77 - 2023 1
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ các điều kiện tương tự mà lý thuyết tương tự f N1 f f  N 2  ... Nn   f (2.4) quy định thỏa mãn thì mới có thể căn cứ vào fM 1 fM 2 f Mm kết quả từ mô hình mà suy đoán kết quả tương Trong đó: f là lực tác dụng; f là hệ số tỷ lệ ứng ở nguyên hình. Để mô hình tương tự với về lực. nguyên hình một cách hoàn toàn thì cần phải đầy đủ 3 đặc trưng tương tự: hình học, động Để có được tương tự cơ bản về các yếu tố học và động lực học. sóng, mô hình cần làm chính thái, luật tỷ lệ mô hình cần tuân theo tiêu chuẩn Froude. 2.1. Tương tự về hình học F=V/(gL)0.5 (V là vận tốc sóng; L là chiều dài Tương tự hình học giữa mô hình và nguyên sóng). Việc lựa chọn NV = Nt = (NL)0.5 theo hình là tương tự về hình dạng hình học, do đó phép phân tích thứ nguyên và định luật Pi – bất kỳ độ dài tuyến tính tương ứng nào thì Buckingham giúp cho mô hình đảm bảo về chỉ nguyên hình và mô hình phải có cùng tỷ lệ: số tương tự Froude tức là Fm = Fn (m: mô lN 1 lN 2 l hình; n: nguyên hình).   ... Nn  l (2.1) lM 1 lM 2 lMm 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ XÂY DỰNG KỊCH BẢN THÍ NGHIỆM Trong đó: 3.1. Phân tích thứ nguyên xác định các - lN1, lN2, …, lNn là các độ dài tuyến tính của tham số chi phối nguyên hình; Sử dụng phương pháp PI-PUCKINGHAM [2] - lM1, lM2, …, lMn là các độ dài tuyến tính của để thiết lập các phương trình tổng quát thể mô hình; hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản - l là hệ số tỷ lệ độ dài. với các đặc trưng về phản xạ và truyền sóng 2.2. Tương tự về động học cũng như áp lực sóng tác động lên cấu kiện. Đây chính là cơ sở cho việc thiết kế các chuỗi Tương tự về động học là tương tự trạng thái thí nghiệm phục vụ cho phân tích kết quả, dẫn chuyển động giữa mô hình và nguyên hình. tới các công thức bán thực nghiệm. Các tham Vận tốc, gia tốc tại bất kỳ tương ứng nào giữa số cơ bản ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ và mô hình và nguyên hình bắt buộc phải song truyền sóng qua kết cấu Đê cọc rỗng mặt cắt song với nhau và có cùng một hệ số tỷ lệ: hình móng ngựa đó là: U N1 U N 2 U   ... Nn  U (2.2) a) Nhóm các tham số môi trường: UM1 UM 2 U Mm + Chiều cao sóng, Hm0 (sóng tới Hm0,i; sóng aN 1 aN 2 a phản xạ Hm0,r và sóng truyền Hm0,t)   ... Nn  a (2.3) aM 1 aM 2 aMm + Chu kì sóng, Tp (có thể là lựa chọn chu kỳ Trong đó: U và a là vận tốc và gia tốc; U, a đỉnh phổ Tp hoặc chu kỳ đặc trưng phổ Tm-1,0). là hệ số tỷ lệ của vận tốc và gia tốc. + Góc sóng tới công trình,  2.3. Tương tự về động lực học + Độ cao lưu không đỉnh đê, Rc Tương tự về động lực học là tương tự về lực b) Nhóm các tham số đặc trưng hình học tác dụng giữa mô hình và nguyên hình. Lực kết cấu công trình: tác dụng tại bất kỳ tương ứng nào giữa mô + Bề rộng cấu kiện, B hình và nguyên hình bắt buộc phải song song với nhau và có cùng một hệ số tỷ lệ: + Chiều cao lớp đá thả trong lòng, hd; 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 77 - 2023
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ + Tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt kết cấu,  ; H m0,t B 1  ; 2  ; + Độ dốc bãi biển, i% H m0,i Lp (3.3) 3.1.1. Thiết lập phương trình tổng quát về R h sóng truyền, sóng phản xạ qua kết cấu Đê cọc 3  C ;  4  d H m0,i H m0,i rỗng mặt cắt hình móng ngựa Qua xác định những tham số chi phối cơ bản Sử dụng các phép biến đổi tương đương trong đến sóng truyền và sóng phản xạ qua kết cấu phương pháp PI-BUCKINGHAM, công thức Đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa ở phần (3.2) được viết thành công thức (3.4) như sau: 3.1, chúng có thể viết dưới dạng quan hệ hàm H B R h  số như sau: f  m0,t , , C , d  H m0,i Lp H m0,i H m0,i 0  (3.4)   f  Hm0,i ,Hm0,t ,Tm1,0 ,B,R c ,ε,h d   0 (3.1) Như vậy hàm PI-BUCKINGHAM tổng quát Ở đây độ rỗng  bản thân là đại lượng không xác định hệ số truyền sóng qua kết cấu Đê cọc thứ nguyên, nên có thể loại ra khỏi phân tích. rỗng có dạng: Vì có hai thứ nguyên cơ bản là [L] và [T] (r = H m0,t  B R h  2) do vậy tổng số các đại lượng phi thứ nguyên Kt   f  , C , d , ε (3.5) H m0,i  Lp H m0,i H m0,i  sẽ bằng   n  r = 6 – 2 = 4. Nghĩa là biểu   thức có thể được viết dưới dạng: Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm phụ f  1 , 2 , 3 , 4   0 (3.2) thuộc vào: RC Chọn các thông số cơ bản là Hm0,i và Tm-1,0 với : Độ cao lưu không đỉnh đê tương đối; H m 0,i thứ nguyên cơ bản [L] và [T]. B 1  H x1 .Tmy1,0 .H mo ,t m0,i 1 : Bề rộng buồng tương đối; LP  2  H x 2 .Tmy21,0 .B.g z 2 m0,i hd : Chiều cao thả đá trong lòng tương đối; 3  H x 3 .Tmy1,0 .Rc m0,i 3 H m0,i  4  H x 4 .Tmy41,0 .hd m0,i Và ε : tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt cấu kiện Đê cọc rỗng; (a) Phiến hàm biểu thị các đại lượng xuất xứ Phân tích tương tự đối với hệ số phản xạ sóng, 1   L  .T  . L  ta có: x1 y1 H m0,r  B R h   2   L  .T  . L . L  2 .T  x2 y2 z 2 z2 Kr   f  , C , d , ε (3.6) H m0,i  Lp H m0,i H m0,i    3   L  .T  . L  x3 y3 3.1.2. Thiết lập phương trình tổng quát về lực  4   L  .T  . L  x3 y3 sóng tác dụng lên cấu kiện Đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa (b) Phiến hàm biểu thị dạng thứ nguyên Áp lực sóng tác dụng lên cấu kiện Đê cọc rỗng các đại lượng xuất xứ là thành phần quan trọng liên quan trực tiếp Tiến hành cân bằng thứ nguyên ta sẽ tìm được đến tính toán ổn định công trình. Các thành các đại lượng  i như sau: phần cơ bản chi phối đến áp lực sóng gồm các tham số độc lập sau: Hm0, Tp, d,   TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 77 - 2023 3
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Như vậy có thể viết dưới dạng quan hệ hàm số trong phương pháp PI-BUCKINGHAM, như sau: công thức (3.8) được viết thành công thức f  P,Hm0 ,TP ,B,d, ,ε,g,   0 (3.10) như sau: (3.7)  1  Trong đó: P là áp lực sóng, d là độ sâu nước, f  1 , 2 , ,  ,   0 (3.10)  3 .  4   trọng trường,  Thay các công thức tính  i ở (3.9) vào công cọc rỗng và  là góc sóng tới (là đại lượng phi thức (3.10) ta được công thức (3.11): thứ nguyên) nên không đưa vào phân tích. P  B d  Ở đây có ba thứ nguyên cơ bản là [L], [T] và  f , ,β, ε  (3.11) ρ.g.H m0  H m0 H m0  [M] (r = 3) và có 7 biến độc lập, do vậy tổng số các đại lượng phi thứ nguyên sẽ bằng 4 (n - 3.2. Thiết kế thí nghiệm r = 7 - 3). Biểu thức (3.1) có thể được viết 3.2.1. Lựa chọn điều kiện biên đầu vào dưới dạng sau: thí nghiệm f  1 , 2 , 3 , 4   0 (3.8) a) Khu vực nghiên cứu điển hình: bờ biển Tây Chọn các thông số cơ bản là Hm0, Tp và P với đồng bằng sông Cửu Long các thứ nguyên cơ bản là [L], [T] và [M] ta có: b) Xác định điều kiện sóng thí nghiệm (độ cao 1  H x1 .TPy1. P z1.B m0 và chu kì):  2  H x2 .TPy2 . P z2 .d m0 Theo kết quả nghiên cứu của đề tài ĐTĐL.CN- 3  H m0 .T . P .g x3 y3 P z3 09/17 và luận án TS Nguyễn Anh Tiến (2021),  4  H x4 .TPy4 . P z4 . m0 chế độ thủy-hải văn tại khu vực bờ biển Tây vùng Đồng bằng sông Cửu Long có các đặc (a) Phiến hàm các đại lượng xuất xứ trưng như sau: 1  [L]x1.[T]y1. [M]z1.[L]-z1.[T]-2z1.[L] Sóng xa bờ: Chiều cao sóng (Hs) phân bố theo  2  [L]x2 .[T]y2 . [M]z2 .[L]-z2 .[T]-2z2 .[L] các mức chính là: Hs ≤ 0,5m (~50%); 0,5m < 3  [L]x3 .[T]y3 . [M]z3 .[L]-z3 .[T]-2z3 .[L] .[T]2 Hs 2,0m (~0,5%). Chu  4  [L]x4 .[T]y4 . [M]z4 .[L]-z4 .[T]-2z4 .[M] .[L]3 kỳ Tp = 2 - 4s (~ 80%). (b) Phiến hàm dạng thứ nguyên các đại Sóng gần bờ: lượng xuất xứ Chiều cao sóng (Hs) phân bố theo các mức Tiến hành cân bằng thứ nguyên ta sẽ tìm được chính là: Hs ≤ 0,5m (~70%); 0,5m < Hs 2,0m (~0%). Chu kỳ Tp = 2 - 5s B d (~ 93%). 1  ; 2  ; H m0 H m0 Theo các nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (3.9) T 2 .g H 2 .ρ [4], Nguyễn Xuân Hùng [3] và phương pháp 3  P ;  4  m0 2 H m0 TP .P SPM (1984), quan hệ giữa chu kì và chiều cao Sử dụng các phép biến đổi tương tương sóng như sau: 4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 77 - 2023
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Xuân Hùng H= 3,64.10-4.T5,164 Áp dụng sóng nói chung cho khu vực (1999) Nam Bộ Tuấn & Linh (2015) Tp= 1,15+4,5.Hs0,34 Áp dụng cho sóng mùa gió Đông Bắc Tp= 1,5+4,5.Hs0,28 Áp dụng cho sóng mùa gió Tây Nam SPM (1984) Hs Áp dụng cho sóng bão Tp  12,1 g Dựa trên các yếu tố này, tính toán và lựa Với đặc trưng địa hình bãi khu vực biển Tây, chọn biên thí nghiệm: 0,5m
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ các đầu đo P5, P6, P7 dùng để phân tách sóng 3.2.4. Kịch bản thí nghiệm tới và sóng phản xạ trước công trình theo Các phương án thí nghiệm được thiết lập dựa phương pháp của Mansard và Funke (1980) trên mục tiêu nghiên cứu bao gồm: [5]. Đầu đo P8 được đặt ở phía sau của đê cọc - Khả năng tiêu giảm sóng qua kết cấu; rỗng với khoảng cách từ (0.5-1). Lp để đo sóng truyền phía sau công trình. - Phân bố áp lực sóng lên bề mặt cấu kiện đê cọc rỗng hình móng ngựa; Đầu đo áp lực sóng tác dụng lên mặt trước cấu kiện: Trên mặt đứng dọc theo trục cấu Trên cơ sở đó lựa chọn các thông số về mặt kết kiện, bố trí tối thiểu 3 vị trí đầu đo áp lực: Vị cấu và thông số sóng (xem Bảng 1) như sau: trí tại mực nước tĩnh, vị trí tại chân cấu kiện + Về mặt kết cấu hình học: 3 bề rộng kết và vị trí tại đỉnh cấu kiện. Trên mặt bằng, bố cấu đê cọc rỗng, 4 cặp tỷ lệ độ rỗng mặt trí tối thiểu 3 vị trí đầu đo áp lực: Vị trí vuông trước và sau. góc với hướng sóng tới (0 o), vị trí hợp với + Về mặt thủy động lực học: 4 độ sâu nước; 5 hướng sóng tới 30o và vị trí hợp với hướng chu kì sóng; 4 chiều cao sóng. sóng tới 60o. Bảng 1: Kịch bản thí nghiệm mô hình vật lý Hm0 (m) Tp (s) d (m) B (m)  0.07; 0.10; 0.13; 1.1; 1.3; 1.5; 0.18; 0.22; 0.24; 0.30; 0% -11.78%; 15%-11.78%; 0.16 1.7; 1.9 0.26; 0.30 0.36 20%-11.78%; 25%-11.78% Các phương án thí nghiệm được tiến hành bởi hình học và thủy động lực học ảnh hưởng đến sóng không đều khoảng (500-1000) con sóng, quá trình tương tác giữa sóng với kết cấu, lựa tần số lấy mẫu đối với các đầu đo chiều cao chọn phương pháp phân tích phi thứ nguyên sóng là 20Hz, đầu đo áp lực là 500Hz. Số liệu (định lý Pi) để xác định mối quan hệ giữa hệ sóng và áp lực được thu thập theo thời gian số phản xạ (Kr), hệ số truyền sóng (Kt), áp lực thực và lưu trong máy tính thành các chuỗi số sóng lên kết cấu với các đặc trưng thủy động liệu dao động theo thời gian của từng đầu đo. lực học của sóng. Với đặc trưng khu vực Dựa trên cở sở các file đó, phần mềm xử lý số nghiên cứu, lựa chọn các được điều kiện biên liệu sẽ tính toán các yếu tố cần thiết như thí nghiệm và tỷ lệ mô hình phù hợp, từ đó chiều cao sóng có nghĩa, chiều cao sóng trung thiết kế được sơ đồ bố trí thí nghiệm và xây bình, chiều cao sóng cực đại, tương ứng với dựng các kịch bản nghiên cứu. các chu kỳ. Bước tiếp theo sẽ tiến hành triển khai thí 4. KẾT LUẬN nghiệm và đo đạc thu thập số liệu, phân tích Bài báo đã trình bày phương pháp thiết kế thí kết quả và xây dựng mối quan hệ giữa các yếu nghiệm mô hình vật lý nhằm đánh giá tương tố hình học và thủy động lực học về các mặt tác sóng với kết cấu Đê cọc rỗng mặt cắt hình phản xạ, truyền sóng, tiêu hao năng lượng móng ngựa. Trên cơ sở đánh giá các tham số sóng, áp lực lên cấu kiện. 6 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 77 - 2023
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Đức Hưng, Trần Đình Hòa, Nguyễn Ngọc Nam, “Đê cọc rỗng mặt cắt hình móng ngựa – giải pháp công nghệ mới trong bảo vệ bờ biển” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy Lợi, số 69, pp. 2-7, 2021; [2] Lương Phương Hậu, Trần Đình Hợi (2003), Lý thuyết thí nghiệm mô hình công trình thủy, Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội; [3] Nguyễn Xuân Hùng (1999), Động lực học công trình biển, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội; [4] Thiều Quang Tuấn, Đặng Thị Linh (2017), “Quan hệ chu kỳ và chiều cao của sóng gió mùa vùng biển Bắc và Bắc Trung Bộ nước ta”. Tạp trí khoa học thủy lợi; [5] Mansard (1980), The measurement of incident and reflected spectra using a least square method, Proceedings of the 17th ICCE, ASCE 1, 154–172. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 77 - 2023 7

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.