Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng được cơ sở khoa học cho việc thiết kế tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển. Hai mục tiêu cụ thể của luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt sóng đến sóng tràn, góp phần nâng cao mức độ tin cậy trong tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển và nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh là cơ sở cho tính toán thiết kế kết cấu tường đỉnh trên đê.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA GIẢI PHÁP TƯỜNG ĐỈNH GIẢM SÓNG TRÀN TRÊN ĐÊ BIỂN Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số chuyên ngành: 62 58 40 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Lê Xuân Roanh Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Thiều Quang Tuấn Phản biện 1: TS. Trần Văn Sung Phản biện 2: PGS.TS. Lê Văn Nghị Phản biện 3: TS. Phạm Thanh Hải Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Room 5 – K.1 – Trường Đại học Thủy lợi, địa chỉ số 175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội – Việt Nam. Vào hồi 8h30 ngày 23 tháng 5 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Do hạn chế về điều kiện kinh tế, đê biển ở nước ta mặc dầu đã trải qua nhiều lần nâng cấp sửa chữa nhưng hiện nay cao trình đỉnh đê còn khá thấp (phổ biến từ 4.0 đến 5.5 m) do vậy sóng tràn qua đê trong bão khá lớn. Nhằm giảm chi phí xây dựng nhưng vẫn hạn chế được sóng tràn, tường đỉnh chắn sóng nằm trên đỉnh đê được dùng khá nhiều ở Việt Nam. Hiện nay, tường đỉnh được xây dựng trên đê với nhiều dạng kết cấu khác nhau. Tuy nhiên, trên thế giới và Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu chủ yếu mới dừng lại ở nghiên cứu đê có tường đỉnh có mặt thẳng đứng phía biển. Việc nghiên cứu đê có tường đỉnh có mũi hắt sóng trên thế giới còn hạn chế và ở Việt Nam vẫn chưa có một nghiên cứu nào. Mặt khác, với hình thức đê biển kết hợp với tường đỉnh thì việc tính toán thiết kế tường đỉnh đảm bảo ổn định và độ bền là hết sức quan trọng. Thực tế cho thấy, mất ổn định của tường đỉnh trên đê có nguyên nhân chủ yếu là do áp lực sóng gây ra. Vì vậy việc nghiên cứu, xây dựng công thức xác định áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh trên đê là hết sức cần thiết, là cơ sở quan trọng để tính toán thiết kế đảm bảo ổn định và độ bền cho tường đỉnh. Vì những lý do nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt đến sóng tràn và áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên tường là hết sức cấp thiết và mang ý nghĩa quan trọng trong công tác thiết kế xây dựng đê biển, giảm nhẹ thiên tai biển ở nước ta. Đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển” do vậy đã được đề xuất để nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng được cơ sở khoa học cho việc thiết kế tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển. Hai mục tiêu cụ thể của luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt sóng đến sóng tràn, góp phần nâng cao mức độ tin cậy trong tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển và nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh là cơ sở cho tính toán thiết kế kết cấu tường đỉnh trên đê. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, mặt trước dốc đứng. - Phạm vi nghiên cứu là đê biển Bắc bộ và Bắc trung bộ - Việt Nam. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh và áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh trên đê khi có sóng tràn qua; - Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt đến khả năng chiết giảm sóng tràn qua đê biển bằng mô hình vật lý máng sóng; - Nghiên cứu áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh khi có sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng; - Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán đề xuất dạng kết cấu đê biển có tường đỉnh hợp lý cho đê biển huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận Để đạt được mục đích nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới, từ đó lựa chọn cách tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính hiện đại, phù hợp với điều kiện Việt Nam. 5.2 Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng quan, phương pháp thực nghiệm, phương pháp chuyên gia và phương pháp nghiên cứu ứng dụng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Các nghiên cứu hiện tại về tương tác của sóng với đê biển có tường đỉnh chưa thật đầy đủ, đặc biệt là vấn đề ảnh hưởng của mũi hắt sóng ở tường đỉnh đến khả năng chiết giảm sóng tràn và phương pháp xác định áp lực lớn nhất lên tường. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của mũi hắt sóng ở tường đỉnh đến sóng tràn và xây dựng được phương pháp xác định áp lực lớn nhất lên tường đỉnh sẽ góp phần nâng cao mức độ tin cậy trong tính toán thiết kế đê 2
biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ cho phép xác định cao trình và bố trí hợp lý tường đỉnh trên đê biển thỏa mãn điệu kiện lưu lượng sóng tràn cho phép. 7. Những đóng góp mới của luận án - Đã chứng minh được khi tường đỉnh của đê biển có mũi hắt sóng thì hệ số chiết giảm sóng tràn tốt nhất là không có thềm (tường đỉnh tại sát mái thượng lưu đê - công thức 2.19); - Đã xây dựng được các công thức thực nghiệm (công thức 3.17 và 3.19) xác định tác dụng của áp lực sóng lên tường đỉnh. 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 tình hình nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển; Chương 2: Xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng bằng thí nghiệm mô hình vật lý; Chương 3: Nghiên cứu áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh bằng mô hình vật lý máng sóng; Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế đê biển Hải Ninh – Thanh Hóa. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 1.1 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh Hiện nay, đê biển có tường đỉnh đang là giải pháp được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam. Điển hình như Hà Tĩnh có khoảng 211.0km đê biển, trong đó có 105.16km được xây dựng tường đỉnh trên đê (chiếm 50%) và số lượng tường đỉnh có mũi hắt sóng khoảng 47km (chiếm 44%); Thanh Hóa có khoảng 70.4km đê biển. Trong đó, đê có tường đỉnh với mũi hắt sóng khoảng 32.3km (chiếm khoảng 46%); Nam Định có 91.0km đê biển, có gần 50km đê biển 3
được xây dựng tường đỉnh trên đê (chiếm 55%), hầu hết tường đỉnh trên đê là thẳng đứng, không có thềm trước tường; Hải phòng có khoảng 46.9km đê biển, đê có tường đỉnh với mũi hắt sóng chiếm khoảng 50%. 1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển Những nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển tiêu biểu trên thế giới có thể kể đến như Saville (1955), Owen (1980), De Waal and Van der Meer (1992,1993), TAW (2002), EurOtop (2007). Trong đó TAW (2002), EurOtop (2007) đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua đê biển 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 đang được sử dụng phổ biến. 1.3 Ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê Nghiên cứu điển hình và phổ biến nhất hiện nay về ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển là TAW (2002) sau này đưa vào EurOtop (2007), Koen Van Doorslear và nnk (2015), Thiều Quang Tuấn (2013) và Nguyễn Văn Thìn (2014). 1.3.1 Nghiên cứu của TAW (2002) Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình được phản ánh thông qua hệ số chiết giảm tường đỉnh v. Khi tường đỉnh là tường thẳng đứng (αw = 900) thì v = 0.65, khi mặt tường phía biển nghiêng (αw = 450÷ 900) thì v = 1.35-0.0078.αw, khi sóng không vỡ v = 1.0 (không có ảnh hưởng của tường). 1.3.2. Nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2009, 2013) Thiều Quang Tuấn (2009, 2013) và đã đề xuất 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 đem lại và có thể dùng chung cho cả sóng vỡ và sóng không vỡ. 1.3.3 Nghiên cứu của Nguyễn Văn Thìn (2014) Nguyễn Văn Thìn (2014) đã tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý máng sóng. Qua đó đã làm sáng tỏ bản chất ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn, chứng minh được tính ưu việt của thềm trước. 4
1.3.4 Nghiên cứu của Koen Van Doorslaer và nnk (2015) Koen Van Doorslaer và nnk (2015) đã chỉ ra hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường là tích của các hệ số ảnh hưởng do chiều cao tường, bề rộng thềm trước và mũi hắt sóng. Tuy nhiên, Koen Van Doorslear và nnk (2015) vẫn cho rằng ảnh hưởng của thềm trước và mũi hắt sóng là độc lập nhau, thềm trước tăng thì khả năng chiết giảm sóng tràn tăng lên và ngược lại. 1.4. Áp lực sóng lên tường đỉnh trên đê Nghiên cứu về áp lực sóng lên tường đỉnh trên đê, tiêu biểu có thể kể đến Goda (1985), Oumeraci, H.(2001), Phương pháp CEM -2006, Ramachandran và nnk (2012), Xuexue Chen và nnk (2014), Kortenhous và nnk (2004) và Koen Van Doorslaer và nnk (2015), Nguyễn Chiến và Hoàng Ngọc Tuấn (2011), Nguyễn Văn Thìn (2014). Nhìn chung các kết quả nghiên cứu trên vẫn chưa làm rõ được ảnh hưởng của chiều cao tường, thềm trước tường đặc biệt là khi tường có mũi hắt sóng đến áp lực sóng. Kết luận Chương 1 Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển và áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên tường đỉnh luôn nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới. Các nghiên cứu về sóng tràn qua tường đỉnh hoặc là chưa xét đến ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến sóng tràn hoặc có xét đến nhưng vẫn xem ảnh hưởng của chiều cao tường, thềm trước tường và mũi hắt sóng là độc lập. Các kết quả nghiên cứu chưa đánh giá được sự phụ thuộc lẫn nhau của ba yếu tố trên khi chúng đồng thời xuất hiện. Nghiên cứu áp lực sóng lên tường đỉnh đã thu được những kết quả nhất định. Tuy nhiên, kết quả của các nghiên cứu này vẫn chưa làm rõ được ảnh hưởng của chiều cao tường, thềm trước tường đặc biệt là khi tường có mũi hắt sóng đến áp lực sóng. Để làm sáng tỏ và đầy đủ về cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh trong việc giảm sóng tràn cũng như tính toán ổn định và độ bền tường đỉnh, góp phần nâng cao chất lượng thiết kế đê biển có tường đỉnh ở nước ta, luận án đã tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt sóng đến sóng tràn và nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên tường đỉnh. 5
CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG SÓNG TRÀN TRUNG BÌNH QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH VỚI MŨI HẮT SÓNG BẰNG THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ 2.1. Cơ sở lý thuyết chung Cơ sở lý thuyết mô hình được xác lập trên cơ sở lý thuyết tương tự. 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. 2.2. Thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 2.2.1. Thiết bị thí nghiệm Các thí nghiệm mô hình vật lý sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh được tác giả triển khai tại máng sóng ở Phòng thí nghiệm Thủy lực, Trường Đại học Thủy lợi. 2.2.2. Mô hình đê và các tham số thí nghiệm Mô hình đê và các tham số thí nghiệm có tỷ lệ mô hình vào khoảng (1/10 – 1/20) với các tham số cụ thể như sau: đê trong máng sóng có chiều cao 70cm, mái đê phía biển có độ dốc 1/3 và 1/4, chiều dài bãi trước đê là 24.5m và có độ dốc i = 1/100. Tường đỉnh trên đê có các chiều cao lần lượt là 6cm; 9cm và 12cm được làm bởi các khối rời nhau sao cho khi kết hợp lại với nhau thì chiều cao tường đỉnh (W) và chiều rộng thềm trước (S) sẽ thỏa mãn được yêu cầu của kịch bản thí nghiệm. Tường đỉnh có thể dịch chuyển ra, vào để tạo ra bề rộng thềm trước tường trong thí nghiệm lần lượt là S = 0cm, 10cm và 25cm. Tường đỉnh không có mũi hắt (β = 00) và có mũi hắt với góc hắt β lần lượt là 450, 900, chiều dày của mũi hắt được giới hạn trong nghiên cứu là hn = 2cm (chiều cao mũi hắt tương đối hn/W lần lượt được tạo ra là 1/3, 2/9 và 1/6). Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 6
Sóng tới tạo ra bởi máy tạo sóng dùng trong thí nghiệm có chiều cao Hm0 lần lượt là 0.124m, 0.148m và 0.178m. Chu kỳ sóng (Tp) lần lượt là 1.422s, 1.730s và 2.058s. Độ sâu nước trong máng (D) lần lượt là 0.55m và 0.60m. 2.3. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 2.3.1. Kiểm định nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013) trong trường hợp tường đỉnh không có mũi hắt sóng Để khẳng định việc kế thừa phương pháp đánh giá ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê của Thiều Quang Tuấn (2013) cho mục đích nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng mũi hắt sóng của tường đến sóng tràn qua đê biển là hợp lý, Luận án sử dụng bộ số liệu sóng tràn thí nghiệm được ứng với trường hợp không có mũi hắt ( = 0), tính toán các hệ số chiết giảm do chiều cao tường và bề rộng thềm trước theo Thiều Quang Tuấn (2013), tính toán lại số liệu sóng tràn và so sánh với TAW (2002), kết quả so sánh được thể hiện trên Hình 2.1. Hình 2.2 Kiểm định ảnh hưởng của tường đỉnh đến sóng tràn qua đê theo Thiều Quang Tuấn (2013), tường không có mũi hắt sóng, sóng vỡ Kết luận: kết quả thể hiện trên Hình 2.2 cho thấy ảnh hưởng của tường đỉnh trường hợp không có mũi hắt có thể được tính toán đủ tin cậy theo phương pháp của Thiều Quang Tuấn (2013). Do vậy có thể kế thừa phương pháp này làm nền tảng để mở rộng cho trường hợp tường có mũi hắt sóng. 7
2.3.2. Ảnh hưởng của các tham số tường có mũi hắt sóng đến sóng tràn Kết quả phân tích cho thấy khi tường đỉnh có mũi hắt sóng, lưu lượng sóng tràn qua đê biển giảm đáng kể (Hình 2.3), do vậy cần thiết phải kể đến ảnh hưởng của mũi hắt sóng trong hệ số ảnh hưởng tổng hợp v. Hình 2.3 Ảnh hưởng của mũi hắt của tường đỉnh đến sóng tràn qua đê biển 2.3.2.1. Xu thế ảnh hưởng của thềm trước khi có và không có mũi hắt sóng Để đánh giá thềm trước và mũi hắt sóng ảnh hưởng đến sóng tràn là độc lập hay phụ thuộc lẫn nhau khi cùng xuất hiện, tác giả tiến hành phân tích ảnh hưởng của thềm trước khi không có và có mũi hắt sóng. Trên cơ sở số liệu thực nghiệm, ảnh hưởng của thềm trước khi không có và không có mũi hắt sóng đến sóng tràn được thể hiện như Hình 2.4: Hình 2.4 Ảnh hưởng của thềm trước khi có và không có mũi hắt sóng 8
Kết quả Hình 2.4 cho thấy trường hợp tường có mũi hắt sóng, khi không có thềm (bề rộng thềm trước S = 0) khả năng chiết giảm sóng tràn tốt hơn so với trường hợp có thềm trước (bề rộng thềm trước S > 0). Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, khi tường có bề rộng thềm trước nằm trong khoảng 0 < S ≤ 0,1m thì lưu lượng tràn có xu hướng tăng lên nhanh, khả năng chiết giảm sóng tràn giảm nhanh. Khi bề rộng thềm trước S > 0,1m thì lưu lượng tràn tiếp tục có xu thế tăng nhưng khá chậm. Như vậy, Khi tường đỉnh có mũi hắt sóng, khi không có thềm trước thì khả năng chiết giảm sóng tràn lại là tốt nhất. Trên cơ sở phân tích hình ảnh thí nghiệm, kết quả hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích số liệu (Hình 2.5): a- Sóng tràn qua đê khi không có thềm trước S=0, Kịch bản Test_117 b- Sóng tràn qua đê khi bề rộng thềm trước S=10cm, Kịch bản Test_120 c- Sóng tràn qua đê khi bề rộng thềm trước S=25cm, Kịch bản Test_123 Hình 2.5 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến sóng tràn qua đê có mũi hắt sóng 9
2.3.2.2. Xu thế ảnh hưởng của góc mũi hắt sóng  Từ số liệu thí nghiệm, kết quả phân tích cho thấy trong cùng một điều kiện, lưu lượng sóng tràn qua đê có tường đỉnh với mũi hắt sóng (β > 0) nhỏ hơn nhiều so với trường hợp không có mũi hắt sóng (β = 0) và lưu lượng sóng tràn giảm nhanh khi góc mũi hắt tăng từ 00 đến 450 và sau đó lại tăng chậm khi góc mũi hắt tăng từ 450 đến 900. 2.3.2.3. Ảnh hưởng của chiều cao mũi hắt tương đối hn/W Kết quả phân tích cho thấy chiều cao tương đối của mũi hắt tỷ lệ nghịch với khả năng chiết giảm sóng tràn của tường đỉnh. 2.4. Xây dựng phương pháp tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh 2.4.1 Cơ sở lý thuyết về hệ số ảnh hưởng thành phần của mũi hắt Kết quả phân tích cho thấy có sự phụ thuộc lẫn nhau giữa mũi hắt sóng và bề rộng thềm trước đến khả năng chiết giảm sóng tràn. Nếu xem ảnh hưởng của chiều cao tường là độc lập thì ảnh hưởng của mũi hắt sóng a có thể được xác định như sau: 2.4.2. Mối quan hệ giữa các tham số cơ bản và a Luận án sử dụng phương pháp PI-BUCKINGHAM (phương pháp phân tích thứ nguyên) để thiết lập các phương trình tổng quát thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với hệ số ảnh hưởng của mũi hắt và thềm. Kết quả phân tích xây dựng được công thức (2.14): Ta thấy a là hàm số phức hợp phụ thuộc vào bề rộng tương đối S/Hm0, chỉ số sóng vỡ Iribarren 0m, góc mũi hắt  và chiều cao mũi hắt tương đối hn/W. Phương trình (2.14) được xác định dựa vào các số liệu thí nghiệm cùng với các điều kiện ràng buộc như sau: aβ = 0 khi β = 0; aβ = aβmax khi β > 0 và S = 0 2.4.3. Xây dựng công thức thực nghiệm Để xây dựng công thức thực nghiệm a, tiến hành phân tích sự phụ thuộc của a với chiều rộng thềm tương đối ứng với các góc hắt sóng  khác nhau và 10
chiều cao mũi tương đối. Kết quả phân tích sự phụ thuộc của a với chiều rộng thềm tương đối ứng với các góc hắt sóng  khác nhau được thể hiện trên Hình 2.6. Hình 2.6 Sự phụ thuộc của a với bề rộng thềm và góc mũi hắt sóng Có thể rút ra các kết luận sau từ quan hệ trên Hình 2.6: với cùng một góc hắt sóng , a giảm chậm theo quy luật phi tuyến với bề rộng thềm tương đối S/Hm0/0m. Giá trị a lớn nhất ứng với trường hợp không có thềm trước (S = 0); với cùng một bề rộng thềm tương đối, a có xu thế tăng nhanh theo  khi  tăng từ 0 đến 45o và sau đó giảm chậm khi  tăng từ 45o đến 90o. Sự thay đổi của a theo  với  > 45o là không nhiều, chứng tỏ a đạt giá trị cực đại tương ứng với góc hắt  > 45o. Sự tăng giảm này của a tương tự như quy luật hình sin. Giá trị góc  đem lại a,max sẽ được xác định dựa trên sự phù hợp nhất của hàm a với các số liệu thực nghiệm. Hình 2.7 Sự phụ thuộc của a với bề rộng thềm và chiều cao mũi tương đối 11
Tương tự như trên chúng ta cũng có thể thiết lập được quan hệ giữa hệ số a và chiều cao tương đối của mũi hắt hn/W như thể hiện trên Hình 2.7. Nhìn chung có thể thấy rằng ảnh hưởng của chiều cao tương đối của mũi hắt có ảnh hưởng yếu đến hệ số chiết giảm tổng hợp. Với cùng một bề rộng thềm tương đối thì a giảm chậm khi hn/W tăng. Quan hệ nghịch biến này có quy luật tương tự như dạng hàm mũ. Dựa vào những phân tích nêu trên chúng ta có thể đưa ra phương trình quan hệ giữa a với các tham số chi phối của nó theo phương trình (2.18) như sau: trong đó c là hệ số kinh nghiệm xác định theo phương pháp hồi quy với các số liệu thí nghiệm, n1 và n2 (n2 > 1 theo kết quả phân tích từ Hình 2.8) là các hằng số được xác định theo phương pháp thử dần theo quy luật ảnh hưởng sao cho đem lại sự phù hợp nhất của hàm. Kết quả phân tích hồi quy nhiều biến sử dụng matlab cho kết quả như hương trình (2.19): Với n2 = 1.5 có nghĩa là khi  = 900/1.5 = 60o thì ảnh hưởng của mũi hắt là lớn nhất (tức sin(1.5) = 1.0). Điều này cũng phù hợp với nghiên cứu của Doorslaer và De Rouck (2010). Hình 2.8 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng của thềm và mũi hắt a So sánh v giữa kết quả tính toán và thực đo được thể hiện ở trên Hình 2.9 với mức độ phù hợp khá tốt R2 = 59 %. 12
Hình 2.9 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh có mũi hắt sóng v giữa thực đo và tính toán Toàn bộ số liệu thí nghiệm sóng tràn sau khi đã kể đến hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh v xác định theo công thức (2.5) được thể hiện Hình 2.10. So sánh kết quả giữa Hình 2.10 và Hình 2.3 có thể thấy rằng việc kể đến ảnh hưởng của mũi hắt thông qua hệ số ảnh hưởng tổng hợp giữa mũi hắt và thềm trước đã cải thiện đáng kể mức độ tin cậy trong tính toán sóng tràn cho trường hợp tường đỉnh trên đê có mũi hắt sóng. Hình 2.10 Sóng tràn qua đê biển với hệ số ảnh hưởng tổng hợp mới cho tường đỉnh có mũi hắt sóng Kết luận Chương 2 Kết quả phân tích cho thấy, trong cùng một điều kiện thí nghiệm sóng tràn qua đê trường hợp tường không có mũi hắt sóng (β = 0) lớn hơn so với trường hợp tường có mũi hắt sóng (β > 0). Khả năng chiết giảm sóng tràn có xu thế tăng nhanh khi góc mũi hắt tăng từ 00 đến 450 và giảm chậm lại khi góc mũi hắt tăng từ 450 đến 900. Với đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, khả năng để 13
giảm sóng tràn tốt nhất là khi không có thềm trước (S = 0). Điều này hoàn toàn trái ngược với quan sát và kết quả của các nghiên cứu trước đây. Luận án đã xây dựng được công thức xác định hệ số ảnh hưởng của mũi hắt và thềm a (công thức 2.19). Từ đó có thể tích hợp vào công thức của Thiều Quang Tuấn (2013) cũng như là TAW (2002). CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ÁP LỰC SÓNG LỚN NHẤT LÊN TƯỜNG ĐỈNH BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG 3.1. Giới thiệu về thiết bị đo áp lực sóng 3.1.1. Đầu đo áp lực Để nghiên cứu áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh, Luận án đã sử dụng 3 đầu đo áp lực PDB-200KPa được gắn ở các vị trí khác nhau theo sơ đồ thí nghiệm. PDB-200KPa là đầu đo cảm biến chuyên dùng cho áp lực thủy động, được sản xuất và kiểm định bởi công ty Tokyo Sokki Kenkyujo Co.,Ltd Nhật Bản. 3.1.2. Máy đo áp lực (máy đa kênh) Máy đo áp lực được sử dụng là máy đa kênh SDA-830C. Đây là loại máy đo áp lực hiện đại, có thể tương thích với rất nhiều loại đầu đo như đầu đo lưu tốc, đầu đo áp suất, đầu đo áp lực và đầu đo biến dạng,… Máy SDA-380C có thể cho phép ghi một giá trị đo vào máy từ các đầu đo với chu kỳ là Tđo = 0.01s = 10ms (tần số đo là fđo = 100Hz hay 0.01s lấy 1 giá trị) hoặc Tđo nhỏ hơn. Trong thí nghiệm sử dụng chu kỳ đo của máy là T đo = 0.01s. Tín hiệu hiệu điện thế sẽ được quy đổi ra đơn vị KPa theo thông số kiểm định thiết bị đo của công ty Tokyo Sokki Kenkyujo Co.,Ltd. 3.2. Các kịch bản thí nghiệm và trình tự thí nghiệm 3.2.1. Các kịch bản thí nghiệm Quá trình đo áp lực sóng được tiến hành song song với quá trình đo sóng tràn. Trong các kịch bản đo áp lực, các đầu đo áp lực sẽ được gắn lên tường. Đối với trường hợp tường đỉnh không có mũi hắt sóng: tường đỉnh 6cm bố trí các đầu đo cách chân tường lần lượt là 1cm, 3cm và 4.5cm; tường đỉnh 9cm bố trí các đầu đo cách chân tường lần lượt là 1cm, 4.5cm và 8.5cm; tường đỉnh 12cm bố trí các đầu đo cách chân tường lần lượt là 1cm, 6cm và 11.5cm. Đối với trường hợp tường đỉnh có mũi hắt sóng: tường đỉnh 6cm bố trí các đầu đo 14
cách chân tường lần lượt là 1cm và 3cm; tường đỉnh 9cm bố trí các đầu đo cách chân tường lần lượt là 1cm, 4.5cm và 6.5cm; tường đỉnh 12cm bố trí các đầu đo cách chân tường lần lượt là 1cm, 6cm và 9.5cm. 3.2.2 Trình tự thí nghiệm Quá trình đo áp lực được tiến hành đồng thời với quá trình đo sóng tràn. Sau mỗi kịch bản thí nghiệm, dừng máy tạo sóng sau khi đã đạt thời gian thí nghiệm cần thiết, kiểm tra sơ bộ tính hợp lý của số liệu áp lực sóng, tiến hành lưu trữ dữ liệu áp lực sóng vào máy tính. 3.3. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 3.3.1 Kết quả thí nghiệm Khi mỗi kịch bản thí nghiệm được thực hiện xong, số liệu thí nghiệm sẽ được ghi lại ở dạng hiệu điện thế (mV). Kết quả phân tích số liệu cho thấy, ở đây áp lực sóng có dạng một đỉnh Wagner hoặc hai đỉnh (sóng vỡ thoát khí). Không tồn tại áp lực sóng xung kích dạng Bagnold. Chu kỳ dao động của các đỉnh áp lực vào khoảng 1/10 giây đến hàng giây. Điều này khẳng định việc sử dụng đầu đo PDB-200KPa với tần số đo 100Hz là đủ đáp ứng được yêu cầu của bài toán xác định áp lực lớn nhất. 3.3.2 Phân tích áp lực sóng lớn nhất Kết quả phân tích xác định được các giá trị áp lực sóng lớn nhất p 1/500 (giá trị áp lực sóng lớn nhất trong 500 đợt tương tác đo được), p1/250 (giá trị áp lực sóng lớn nhất trong 250 đợt tương tác đo được), p1/100 (giá trị áp lực sóng lớn nhất trong 100 đợt tương tác đo được),… tại các vị trí đo và hợp lực thực tế lớn nhất tác lên tường cho từng kịch bản thí nghiệm Fmax. Trong luận án, tác giả giới hạn chọn giá trị p1/250 để tiến hành phân tích, xây dựng phương pháp tính toán áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh. 3.4. Xây dựng phương pháp tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh Để xây dựng phương pháp tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh, đầu tiên luận án tiến hành xây dựng công thức thực nghiệm xác định áp lực sóng tại các vị trí đặt đầu đo Y = 1cm; 3cm; 4.5cm; 6cm; 6.5cm; 8.5cm; 9.5cm; 11.5cm, sau đó xây dựng công thức thực nghiệm chung để xác định áp lực sóng tại một vị trí bất kỳ trên tường đỉnh. Để xây dựng công thức thực nghiệm xác định áp lực 15
sóng tại các vị trí đặt đầu đo, luận án tiến hành xây dựng công thức cho vị trí Y = 1cm, sau đó mở rộng cho các vị trí khác. 3.4.1. Áp lực sóng tại vị trí Y = 1 cm Để xác định công thức xác định áp lực sóng tại vị trí Y = 1cm, luận án tiến hành xây dựng cho trường hợp tường không có mũi hắt sóng, sau đó sẽ mở rộng cho trường hợp tường có mũi hắt sóng. 3.4.1.1. Phân tích các tham số chi phối ảnh hưởng đến áp lực sóng tác động lên tường đỉnh tại vị trí Y = 1cm, trường hợp tường đỉnh không có mũi hắt sóng Kết quả cho thấy áp lực sóng tỷ lệ thuận với chiều cao sóng Hm0, chu kỳ sóng Tp và độ dốc mái đê phía biển (tan ). Mặt khác, áp lực sóng lại tỷ lệ nghịch với độ cao lưu không (Rc), bề rộng thềm trước tường (S) và chiều cao tường (W). 3.4.1.2. Thiết lập phương trình tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh Luận án đã sử dụng phương pháp PI-BUCKINGHAM để thiết lập các phương trình tổng quát thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh tại vị trí Y = 1cm (công thức 3.7). 3.4.1.3. Xây dựng công thức thực nghiệm tại vị trí Y = 1cm, tường không có mũi hắt sóng Từ số liệu thí nghiệm, tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các đại lượng phi thứ nguyên đến p/(gρHm0) tại vị trí Y = 1cm, trường hợp tường không có mũi hắt sóng. Kết quả phân tích cho thấy (Hình 3.1): p/(gρHm0) phụ thuộc vào độ cao lưu không tương đối Rc/Hm0. Khi Rc/Hm0 tăng thì p/(gρHm0) giảm dần theo quy luật hàm mũ; p/(gρHm0) phụ thuộc vào bề rộng thềm tương đối S/H m0. Khi S/Hm0 tăng lên thì p/(gρHm0) tuân theo quy luật giảm dần theo dạng hàm tang hyperbolic (viết tắt là tanh); p/(gρHm0) phụ thuộc nhiều vào chỉ số Iribarren ξm (chỉ số sóng vỡ). Khi ξm tăng lên thì p/(gρHm0) tăng nhanh theo quy luật hàm lũy thừa; p/(gρHm0) phụ thuộc vào chiều cao tường tương đối W/Hm0. Khi W/Hm0 tăng lên thì p/(gρHm0) giảm dần theo quy luật hàm mũ. 16
Hình 3.1 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với Rc/Hm0, W/Hm0, S/Hm0 và ξm Dựa vào những phân tích nêu trên, phương trình quan hệ giữa p/(gρH m0) với các tham số chi phối được đề xuất theo phương trình (3.8): Kết quả phân tích hồi quy nhiều biến sử dụng matlab (Hình 3.2) được phương trình (3.9): 17
30 20 R2 = 0.51 10 p/ ( .g.Hm0 ) 0 -10 p/(.g.Hm0) = 3.70.exp(-0.31.R c /Hm0).exp(-0.31.W/Hm0).tanh(Hm0/S). 1.82 m -20 -30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 exp(-0.31.Rc )/Hm0).exp(-0.31.W/Hm0).tanh(Hm0/S). 1.82 m Hình 3.2 Đường hồi quy của áp lực sóng tại Y = 1cm, tường không có mũi hắt sóng 3.4.1.4. Tại vị trí Y = 1cm, tường đỉnh có mũi hắt sóng (β > 00) Ảnh hưởng của mũi hắt đến áp lực sóng tác dụng lên tường gồm 2 thành phần là chiều cao mũi hắt tương đối hn/W và góc mũi hắt sóng β. Kết quả phân tích ảnh hưởng của β và hn/W đến bβ cho thấy khi góc mũi hắt sóng tăng (β từ 00 đến 900) thì hệ số gia tăng áp lực bβ tăng lên nhưng không nhiều, sự tăng này phù hợp với quy luật hàm sin. Chiều cao mũi hắt tương đối tăng lên thì hệ số gia tăng áp lực cũng tăng lên, sự tăng này có quy luật như dạng hàm mũ. Kết quả phân tích hồi quy nhiều biến sử dụng matlab (Hình 3.3) cho xác định được công thức áp lực sóng tại Y = 1cm trường hợp có mũi hắt sóng (công thức 3.15): 30 20 2 R = 0.50 10 p/ (  .g.Hm0 ) 0 -10 1.82 p/(.g.Hm0) = 3.70.exp(-0.31.Rc/Hm0).exp(-0.31.W/Hm0).tanh(Hm0/S). m .exp(0.12.hn/W) / cos(0.25) -20 -30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 1.82 exp(-0.31.Rc/Hm0).exp(-0.31.W/Hm0).tanh(Hm0/S). m .exp(0.12.hn/W)/cos(0.25) Hình 3.3 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định áp lực sóng tại vị trí Y = 1cm khi xét đến cả mũi hắt sóng 18