Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu đê dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu đê dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển" nhằm để có thể ứng dụng được loại kết cấu đê bản nghiêng có vấu kết hợp khuyết lõm giảm sóng trên nền cọc cần tiến hành nghiên cứu tương tác giữa sóng và đê để từ đó làm rõ được các đặc trưng thủy động lực khi sóng tác động lên mái nghiêng của 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 hiệu quả giảm sóng của kết cấu đê dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ MINH ĐẠT NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU ĐÊ DẠNG BẢN NGHIÊNG TRÊN NỀN CỌC TRONG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN Ngành : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT Mã số : 9580206 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2023
Công trình được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Viết Thanh Người hướng dẫn khoa học 2: PGS. TS. Phùng Đăng Hiếu Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Giao thông vận tải vào ngày tháng năm 2023. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia; - Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải.
1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu phát triển các loại khác của kết cấu đê chắn sóng ngày càng được khuyến khích để tối ưu hóa việc sử dụng các vật liệu, cung cấp các giải pháp thân thiện với môi trường sinh thái để giải quyết cho các vấn đề về kỹ thuật bờ biển. Việc nghiên cứu lựa chọn các loại hình kết cấu công trình có độ bền cao, hiệu quả kinh tế trong khai thác là rất cần thiết. Đặc biệt đối với công trình bảo vệ bờ biển. Đê dạng bản nghiêng trên nền cọc có cấu tạo đơn giản, có ưu điểm là cho phép dòng chảy lưu thông tốt phía dưới dẫn đến ít làm cản trở trao đổi nước của môi trường, chi phí vật liệu giảm và thường khá hiệu quả khi được xây dựng cho các khu vực có nền đất yếu, công nghệ thi công không quá phức tạp. Loại hình kết cấu này là tiềm năng cho việc xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo ở nước ta. Đề tài hướng tới việc nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý bằng máng sóng về tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng. Đây là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học nhằm xác định các thông số của mặt cắt ngang đê bản nghiêng cũng như làm rõ các đặc trưng thủy động lực khi sóng tương tác với đê. Kết quả của nghiên cứu này là cơ sở tin cậy để có thể áp dụng kết cấu đê bản nghiêng trong xây dựng các công trình bảo vệ cảng và công trình bảo vệ bờ biển ở nước ta. 2 Mục đích nghiên cứu Để có thể ứng dụng được loại kết cấu đê bản nghiêng có vấu kết hợp khuyết lõm giảm sóng trên nền cọc cần tiến hành nghiên cứu tương tác giữa sóng và đê để từ đó làm rõ được các đặc trưng thủy động lực khi sóng tác động lên mái nghiêng của đê. Trên cơ sở nghiên cứu này, tiến hành đề xuất dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc trong xây dựng công trình bảo vệ và ổn định bờ biển, bể cảng. 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài tương tác giữa sóng và kết cấu đê chắn sóng dạng bản nghiêng trên nền cọc trong công trình bảo vệ bờ biển trong điều kiện của các chế độ sóng thí nghiệm được lựa chọn phù hợp với điều kiện nước ta. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng bằng mô hình vật lý máng sóng. Không nghiên cứu đến độ bền của kết cấu, ảnh hưởng của nền cọc đến bản nghiêng. 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài luận án hướng tới nghiên cứu giữa dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc được tạo bởi bản nghiêng có bố trí vấu kết hợp với khuyết lõm tiêu giảm sóng có ý nghĩa khoa học
2 quan trọng góp phần làm sáng tỏ hơn các đặc trưng về truyền sóng, phản xạ sóng, phân tán năng lượng sóng của đê bản nghiêng. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Luận án đã cải tiến dạng đê bản nghiêng trên nền cọc truyền thống bằng cách bố trí thêm vấu và khuyết lõm để tiêu tán năng lượng sóng. Đây là giải pháp kết cấu có mặt cắt ngang kinh tế, kết cấu công trình ít ảnh hưởng tới môi trường. 5 Điểm mới của Luận án - Đã khảo cứu ảnh hưởng của một số tham số đầu vào cơ bản như mực nước; mái dốc bản nghiêng; chu kỳ sóng và độ dốc sóng tới sự thay đổi của các đặc trưng trưng thủy động lực gồm truyền sóng, phản xạ sóng và tiêu tán năng lượng sóng khi sóng tương tác với kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc có vấu kết hợp khuyết lõm tiêu giảm sóng. Đã xây dựng được một số mối quan hệ giữa độ dốc sóng với sóng truyền, sóng phản xạ, và tiêu tán năng lượng sóng. - Đã đề xuất khả năng ứng dụng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc có vấu kết hợp khuyết lõm tiêu giảm sóng trong xây dựng công trình bảo vệ bờ biển nước ta. Đã đề xuất các đặc trưng kỹ thuật của kết cấu công trình bảo vệ bờ biển xã Cảnh Dương, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình. 6 Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án có bố cục 4 chương gồm: Chương 1 là tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới đê ngăn cát giảm sóng và đê dạng bản nghiêng trên nền cọc. Chương 2 luận án tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý thông qua các chỉ số tương tự mô hình, thảo luận các phương pháp đo đạc sóng phản xạ, phân tích cơ sở lựa chọn sóng thí nghiệm từ đó làm cơ sở xây dựng kịch bản nghiên cứu. Chương 3 luận án thảo luận chi tiết các đặc trưng về truyền sóng, phản xạ sóng, tiêu tán năng lượng sóng của đê bản nghiêng. Ngoài ra, luận án cũng đã thảo luận phân bố áp lực sóng trên bề mặt bản nghiêng và phân bố vận tốc cực đại do sóng gây ra ở khoảng hở giữa đê và đáy khi tương tác với đê. Chương 4 luận án đã ứng dụng kết quả nghiên cứu ở chương 3 để đề xuất 2 dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc dùng trong bảo vệ bờ biển. Đã thiết kế cho một công trình ổn định và bảo vệ bờ biển ở xã Cảnh Dương, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU KẾT CẤU VÀ MỐI TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG VỚI CÔNG TRÌNH ĐÊ CHẮN SÓNG 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về kết cấu đê chắn sóng Việc nghiên cứu cập nhật, ứng dụng các công nghệ mới trong công trình bảo vệ bờ biển vào điều kiện thực tế ở Việt Nam là một yêu cầu cấp bách và có ý nghĩa thực tiễn cao.
3 Giải pháp công trình ngăn cát, giảm sóng thường dùng trong công trình bảo vệ bờ biển bao gồm (Hình 1.1): Rừng cây ngập mặn; Nuôi bãi nhân tạo; Hệ thống mỏ hàn; Hệ thống tường giảm sóng gần bờ (ngầm hoặc ngập); Kết hợp nhiều giải pháp. Hình 1.1: Các loại dạng bố trí các tuyến đê ngăn cát giảm chắn sóng trong công trình bảo vệ bờ 1.1.1 Kết cấu công trình bảo vệ bờ biển Phân loại theo kết cấu công trình bảo vệ bờ biển có các loại dưới đây: a. a. Kết cấu dạng mái nghiêng b. b) Kết cấu dạng tường đứng c. c. Kết cấu đê chắn sóng dạng bán nguyệt d. Đê giảm sóng bằng tường cọc ly tâm e. Đê giảm sóng bằng cấu kiện Busadco f. Đê giảm sóng bằng cấu kiện rỗng chữ A và chóp cụt Các dạng kết cấu công trình bảo vệ bờ biển đã được xây dựng ở nước ta rất phong phú và có hiệu quả ban đầu khá khả quan nhưng hầu hết chưa trải qua các điều kiện thời tiết khắc nghiệt nên chưa thực sự đánh giá được hiệu quả lâu dài. Mặt khác với điều kiện nền địa chất yếu các giải pháp trọng lực đều xuất hiện lún không đều, nghiêng lệch làm cho kết cấu bị nứt vỡ dẫn tới khó chống chọi với môi trường biển. Qua đây cho thấy chưa có nghiên cứu nào về kết cấu đê chắn sóng dạng bản nghiêng trên nền cọc. Do kết cấu bản nghiên được đặt trên nền cọc nên phạm vi ứng dụng rộng rãi cho cả khu vực có địa chất đất yếu như các vùng ven biển nước ta. Đây hướng nghiên cứu của đề tài có tính thực tiễn rất cao. 1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến hướng nghiên cứu đề tài luận án 1.2.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới Luận án đã tổng kết 13 nghiên cứu trên thế giới về tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng kết quả tổng hợp như sau: (i) Phương pháp nghiên cứu: Các tác giả sử dụng 02 phương pháp nghiên cứu chính là phương pháp mô hình số và mô hình vật lý;
4 (ii) Điều kiện nghiên cứu - Các nghiên cứu khác chỉ mới được thưc hiện bởi các nghiên cứu đơn lẻ bằng những tổ hợp sóng thí nghiệm mà chưa có các nghiên cứu ứng dụng sóng thực tế, các nghiên cứu này chưa được ứng dụng vào thực tế để xây dựng công trình. Đây là một điều khá đáng tiếc bởi thực tế kết cấu đê bản nghiêng có nhiều ưu điểm như mặt cắt ngang kinh tế, thi công đơn giản, hiệu quả giảm sóng tốt. - Cấu tạo bản nghiêng: Các tác giả nghiên cứu trong điều kiện thí nghiệm với bản nghiêng có góc nghiêng từ 0-90 độ theo cả 2 phương thuận và ngược hướng sóng tới. Kết quả thí nghiệm của một số tác giả chỉ ra bản nghiêng có góc nghiêng từ 45-60 độ so với phương thẳng đứng có khả năng giảm sóng tốt nhất. - Hầu hết các nghiên cứu với bản nghiêng có bệ mặt phẳng, trơn. Chỉ có nghiên cứu của tác giả Shirlal (2013) nghiên cứu với bề mặt bản nghiêng có vấu tiêu giảm sóng bố trí song song và xen kẽ. (iii) Ứng dụng thực tế: Qua tổng quan các nghiên cứu trên thế giới cho thấy, kết cấu đê bản nghiêng (bản trơn-phẳng) đã được ứng dụng thực tế ở Nhật Bản như ở Kimisu, Chiba, và ở Fujimori, Vịnh Suruga, Nhật Bản. 1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu tương tác giữa sóng và công trình trong nước Ở nước ta, chưa có các nghiên cứu về đê bản nghiêng trên nền cọc. Luận án đã tổng quan các nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê chắn sóng ở nước ta bao gồm: a) Các nghiên cứu liên quan đến đê mái nghiêng Các nghiên cứu đối với đê mái nghiêng khối Rakuna IV ứng dụng cho đê chắn sóng Nghi Sơn đã được thực hiện bởi Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2014) [43], Lê Thị Hương Giang (2016) vàNguyễn Quang Lương (2020) [7]. b) Nhóm nghiên cứu sử dụng máng sóng số Theo hướng nghiên cứu bằng máng sóng số ở nước ta đã có các mô hình gồm mô hình xác định mức độ giảm sóng qua rừng ngập mặn của Nghĩa và cộng sự (2010) [1], mô hình 2D trên cơ sở VOF (thể tích chất lỏng) để mô phỏng sóng tràn qua kết cấu đê có độ xốp, kết quả mô phỏng được cho thấy phù hợp tốt với số liệu thí nghiệm của Hieu và cộng sự (2012) [44]. Hieu P.D., và cộng sự đã nghiên cứu tương tác giữa gió và sóng tại đê biển có mái dốc m=4 bằng sử dụng máng sóng số. Kết quả máng sóng số được so sánh với số liệu thí nghiệm trong trường hợp sóng tràn không có ảnh hưởng của gió [45]. Nguyễn Văn Lập (2019) đã ứng dụng mô hình máng sóng số và mô hình máng sóng vật lý nghiên cứu tương tác giữa sóng và kè biển nhằm xác định vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ [8]. c) Nhóm nghiên cứu đê bán nguyệt (đê trụ rỗng) và dạng 1/4 đường tròn
5 Với các dạng kết cấu mới này, các nghiên cứu điển hình về cấu cấu đê bán nguyệt trong công trình chỉnh trị cửa sông được Nguyễn Viết Thanh (2014) [2, 3, 9] và Nguyễn Viết Thanh và cộng sự năm 2017 [10, 11]. Đối với dạng kết cấu đê trụ rỗng có nghiên cứu về sóng tràn của Trần Văn Thái và Phan Đình Tuấn (2019) [12], Lê Thanh Chương và cộng sự [13] và Phan Đình Tuấn (2021) [14], các kết cấu này đã được ứng dụng ở Đồng bằng sông Cửu Long và Nha Trang. Tuy nhiên chưa trả qua thời tiết khắc nghiệt nên chưa có được đánh giá hiệu quả của các dạng kết cấu này. d) Nhóm nghiên cứu về đê ngầm Luận án tiến sĩ của Nguyễn Viết Tiến (2015) đã nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê ngầm bằng kết cấu đê mái [15]. e) Nghiên cứu về các kết cấu đê khác Nguyễn Văn Thìn (2014) [16] và Nguyễn Văn Dũng (2017) [17] tương ứng đã thí nghiệm mô hình vật lý trên máng sóng để nghiên cứu sóng tràn và áp lực sóng tác dụng lên kết cấu tường đỉnh của đê kè biển. Về nghiên cứu các giải pháp chỉnh trị cửa sông và ven biển, Trương Văn Bốn [18] và Nguyễn Thanh Hùng [19] đã nghiên cứu hiệu quả ngăn cát giảm sóng của giải pháp bảo vệ bờ biển và công trình chỉnh trị cửa Lở-Cửa Đại, Quảng Ngãi và cửa Nhật Lệ, Quảng Bình. Vũ Minh Tuấn và cộng sự (2022) đã nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê nổi dạng hình hộp và đê nổi dạng hình hộp kết hợp với đê bán nguyệt trên đỉnh hộp [20]. e. Nhận xét các kết quả nghiên cứu trong nước: - Các nghiên cứu ở nước ta chủ yếu tập trung vào tương tác giữa sóng và kết cấu đê-kè biển dạng mái nghiêng, trụ rỗng, khối rỗng chữ A, tường đứng dạng rỗng, 2 hàng cọc kết hợp lõi đá đổ,... - Chưa có nghiên cứu nào thực hiện theo hướng nghiên cứu của luận án. Do đó, hướng nghiên cứu tương tác giữa sóng và đê bản nghiêng trên nền cọc là một hướng khá mới mẻ sẽ làm rõ hơn các đặc trưng thủy động lực của kết cấu làm cơ sở cho việc ứng dụng loại kết cấu này trong thực tiễn ở nước ta . 1.3 Tổng quan các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê Các nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước cho thấy, để nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê chủ yếu sử dụng 2 phương pháp chủ đạo là phương pháp mô hình toán và mô hình vật lý. Mô hình toán được sử dụng nhiều trong nghiên cứu bài toán 1D, 2D còn mô hình vật lý được sử dụng nhiều trong bài toán 3D. Việc sử dụng mô hình toán hay vật lý còn phụ thuộc vào tầm quan trọng của công trình và giai đoạn nghiên cứu, phụ thuộc vào điều kinh tế và kỹ thuật. Mô hình vật lý lòng cứng dùng để cung cấp số liệu điều chỉnh cho mô hình toán về trường lưu tốc tương đối chính xác để tính toán các đặc trưng xói lở bồi tụ để trình những mô hình lòng động khó khăn và chi phí cao.
6 1.4 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết Luận án tập trung nghiên cứu các hướng dưới đây: - Nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực khi sóng tương tác với đê bản nghiêng trên nền cọc có vấu kết hợp khuyết lõm tiêu giảm sóng. - Giải pháp bảo vệ, ổn định bờ biển bằng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc. 1.5 Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực khi sóng tương tác với đê bản nghiêng trên nền cọc và đề xuất dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc trong xây dựng công trình ổn định và bảo vệ bờ biển và bể cảng. Các mục tiêu cụ thể: - Đánh giá được các đặc trưng cấu tạo của đê bản nghiêng trên nền cọc đã được nghiên cứu trong và ngoài nước. - Xây dựng mô hình, lựa chọn các thông số sóng thí nghiệm và đề xuất các kịch bản thí nghiệm. - Làm rõ hơn các đặc trưng thủy động lực khi sóng tương tác với mái nghiêng của đê. - Đề xuất các giải pháp có tính định hướng xây dựng công trình ổn định và bảo vệ bờ biển và bể cảng. 1.5.2 Nội dung nghiên cứu - Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới đê chắn sóng và đê chắn sóng dạng bản nghiêng trên nền cọc. - Cơ sở khoa học nghiên cứu cơ sở khoa học tương tác giữa sóng và đê bản nghiêng trên nền cọc bằng mô hình vật lý. - Xây dựng, hiệu chỉnh, kiểm định mô hình vật lý. - Nghiên cứu các đặc trưng về truyền sóng, phản xạ sóng, tiêu tán năng lượng sóng khi sóng tương tác với đê bản nghiêng - Đặc trưng phân bố vận tốc cực đại do sóng gây ra ở khoảng hở giữa đê và đáy khi tương tác với đê. - Đề xuất dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc dùng trong bảo vệ bể cảng, và công trình ổn định và bảo vệ bờ biển. 1.5.3 Dự kiến kết quả mang lại - Kết cấu đê bản nghiêng có vấu kết hợp với khuyết lõm tiêu giảm sóng là loại kết cấu có mặt cắt ngang đơn giản, tiết kiệm vật liệu, có thể ứng dụng trong mọi loại nền đất, thi công đóng cọc và các bản nghiêng lắp ghép có tiến độ nhanh. Với những ưu điểm nêu trên cần nghiên cứu để làm rõ cơ sở khoa học khi sóng tương tác với đê từ đó đề xuất loại kết cấu phù hợp với điều kiện ven biển nước ta.
7 - Kết quả nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích về một dạng kết cấu khá mới mẻ ở nước ta để các nhà nghiên cứu, các đơn vị tư vấn và các nhà quản lý có thêm phương án kết cấu để làm cơ sở so sánh với các phương án kết cấu truyền thống. 1.6 Phương pháp nghiên cứu Tuỳ theo từng nội dung của đề tài mà có thể sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp thu thập thông tin: Tổng hợp tài liệu, đánh giá tổng quan các nghiên cứu về tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng, kỹ thuật khai thác thông tin từ internet để cập nhật thông tin liên quan đến đề tài. - Phương pháp học tập, tổng kết kinh nghiệm và tiếp thu kết quả khoa học công nghệ tiên tiến từ các kết quả nghiên cứu trước đây có liên quan đến đề tài. - Trên cơ sở một số thiết kế mẫu về giải pháp kết cấu đê bản nghiêng, tiến hành nghiên cứu cải tiến để nâng cao khả năng giảm sóng của kết cấu, tiết kiệm nguyên vật liệu, bảo đảm khả năng làm việc ổn định dưới tác dụng của sóng thiết kế. Ứng dụng phương pháp mô hình vật lý máng sóng để thực hiện các nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc. 1.7 Kết luận chương 1 - Nghiên cứu cải tiến dạng kết cấu đê có độ bền cao, mang lại hiệu quả kinh tế lớn trong khai thác các công trình ven biển và bảo vệ bờ biển đang là đề tài thu hút nhiều nhà khoa học và thế giới. - Đối với các giải pháp kết cấu đê chắn và giảm sóng đã xây dựng ở nước ta đã có những hiệu quả nhất định, tuy nhiên do chưa được thử thách với các điều kiện thời thiết khắc nghiệt nên chưa có cơ sở đánh giá về tuổi thọ của các loại kết cấu này. Đối với khu vực đất yếu việc sử dụng kết cấu trọng lực sẽ gây ra độ lún lớn khó đảm bảo tính ổn định lâu dài của công trình. - Các nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê chủ yếu thực hiện theo 2 phương pháp chính là mô hình toán và mô hình vật lý. Mô hình toán dùng để cung cấp điều kiện biên cho mô hình vật lý để giảm bớt những thí nghiệm không cần thiết và như thế cũng đồng nghĩa với giảm bớt chi phí đầu tư. - Các nghiên cứu tương tác giữa sóng và đê bản nghiêng trên nền cọc cũng chủ yếu sử dụng mô hình vật lý, kết quả nghiên cứu đã mô tả các đặc trưng thủy động lực gồm hiện tượng truyền sóng, phản xạ sóng và phân tán năng lượng sóng. Một số ít nghiên cứu phân bố lưu tốc ở chân đê và hầu như chưa có các nghiêng cứu về phân bố áp lực sóng tác dụng lên đê bản nghiêng. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG VÀ ĐÊ BẢN NGHIÊNG TRÊN NỀN CỌC 2.1 Cơ sở nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng Để bảo đảm mô hình vật lý làm việc như nguyên hình ngoài thực tế, mô hình được chế tạo cần thỏa mãn các yêu cầu tương tự sẽ được thảo luận dưới đây.
8 2.1.1 Cơ sở về lý thuyết 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 các điều kiện tương tự, bao gồm: tương tự về hình học, tương tự về động học, tương tự về động lực học, tương tự về trạng thái dòng chảy, tương tự về chuyển động sóng, tương tự phản xạ sóng, tương tự sóng vỡ [21, 22, 47]. 2.2 Xây dựng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình vật lý 2.2.1 Lựa chọn tỷ lệ mô hình Trên cơ sở các thiết bị sẵn có ở nước ta, số liệu sóng thực tế ven biển nước ta và yêu cầu về tương tự, luận án lựa chọn mô hình vật lý chính thái với tỷ lệ 1:15. 2.2.2 Chế tạo mẫu đê bản nghiêng Vật liệu mẫu đê: sử dụng kính hữu cơ có độ nhám tương đương 0,0097÷0,012. Kích thước Đê bản nghiêng nguyên hình: 30m x 10m x 0,75m. Tỷ lệ: 1:15, mô hình đê bản nghiêng có kích thước là 2m x 0,67m x 0,05m (Hình 2.1 và 2.2). Mô hình bản nghiêng có bố trí các vấu hình chóp cụt có đáy dưới 5 x 5cm, đáy trên 3 x 3 cm, chiều cao 5,0 cm và các khuyết lõm có chiều dài 5,0cm, chiều rộng 3,0cm, độ sâu đáy bé 0,5 cm, độ sâu đáy lớn 1,0 cm. Hình 2.1: Chế tạo đê bản nghiêng Hình 2.2: Mặt cắt ngang đê bản nghiêng hoàn thiện 2.2.3 Thiết bị đo đạc và bố trí các vị trí đo đạc số liệu trên mô hình thí nghiệm 2.2.3.1 Máng sóng Các nghiên cứu được thực hiện trong máng sóng có chiều dài 37m, rộng 2m, sâu 1,5m ở Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. 2.2.3.2 Máy tạo sóng Máy tạo sóng có thể tạo ra sóng đều, sóng ngẫu nhiên theo một dạng phổ Jonwap, Jonwap Par, Moskowitz, Moskowitz Par và Sin ở độ sâu nước tối đa trước máy tạo sóng 1.4m. Chiều cao sóng lớn nhất có thể tạo trong máng là Hmax=0.4m và chu kỳ từ Tp = 0.5s ÷ 5.0s. 2.2.3.3 Đầu đo sóng: Đầu đo sóng loại 202 do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) sản xuất.
9 2.2.3.4 Bố trí mô hình thí nghiệm (i) Để đo đạc chiều cao sóng, bố trí 4 đầu đo như sau: Đầu đo G1 G2 G3 bố trí nằm phía trước đê và cách đê khoảng 0,6L đến 0,75L, sẽ dịch chuyển trong quá trình thí nghiệm sao cho tương ứng với các số liệu về chiều dài sóng và đánh giá khả năng phản xạ của sóng tới. G4 để sau đê đo chiều cao sóng sau đê khoảng 1,5m làm cơ sở đánh giá hiệu quả truyền sóng của đê. (ii) Để đo áp lực sóng bố trí 6 đầu đo áp sóng trên bề mặt của đê bản nghiêng tại các vị trí đã chỉ định, cách nhau khoảng 0,135m. (iii) Để đo vận tốc dòng chảy, sử dụng đầu đo DCS 3900 (Doppler Current sensor). Vị trí đặt đầu đo ở giữa khoảng hở giữa bản nghiêng và đáy. Trong quá trình thí nghiệm, đầu đo sẽ được dịch chuyển theo chiều thẳng đứng để đo được vận tốc dòng chảy lớn nhất. a. Sơ đồ bố trí tổng thể thí nghiệm b. Sơ đồ bố trí đầu đo áp lực sóng Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm và bố trí đầu đo sóng trong máng sóng 2.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình nghiên cứu Công tác hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được thực hiện để các thí nghiệm đạt đến độ chính xác về quá trình truyền sóng như ngoài nguyên hình theo hướng dẫn của Nhà sản xuất. 2.4 Xây dựng các kịch bản nghiên cứu Dựa trên phân tích ở trên, luận án tiến hành thực hiện tổng cộng có 45 kịch bản với các điều kiện đầu vào như sau: - Chiều cao sóng thí nghiệm gồm 4 cấp : 0,1; 0,12; 0,14 và 0,16 m; - Chu kỳ sóng sóng thí nghiệm gồm 4 cấp : 1,2; 1,4; 1,8 và 2,2 giây; - Mực nước thí nghiệm gồm 3 cấp: + Mực nước ngang đỉnh đê : MN1 = 0,67 m + Mực nước thấp hơn đỉnh đê 0,6Hs : MN2 = 0,59m + Mực nước thấp hơn đỉnh đê 0,78Hs : MN3 = 0,54m - Mái dốc của bản nghiêng gồm 3 dạng : m = 1; 1,33 và 1,5. Cơ sở lựa chọn điều kiện đầu vào: - Việc lựa chọn sóng phổ sóng thí nghiệm được lựa chọn trên cơ sở sóng gió mùa và điều kiện thí nghiệm của các tác giả trước đây.
10 - Mực nước thí nghiệm được lựa chọn với các trường hợp mực nước ngang đỉnh đê MN1, mực nước thấp hơn đỉnh đê một đoạn 0,6Hs (MN2) và mực nước thấp hơn đỉnh đê một đoạn 0,78Hs (MN3) ứng với không cho phép sóng tràn. - Mái dốc của bản nghiêng: Trên cơ sở nghiên cứu của các tác giả trước đây, lựa chọn các mái dốc 1:1, 1:1,33 và 1:1,5. - Khoảng hở bên dưới mặt bản: Do chiều dài bản không đổi, do vậy, Đối với từng trường hợp của mái dốc bản nghiêng (1:1, 1:1,33 và 1:1,5), khoảng hở bên dưới mặt bản có thay đổi. - Các điều kiện thí nghiệm không xét đến trong phạm vi luận án: Ảnh hưởng của nền cọc đến bản nghiêng; chiều dày của bản nghiêng; ảnh hưởng của dòng chảy, sóng chiều ngược lại lên đáy bản; Có thể thấy điều kiện thí nghiệm đã tổng quát hóa được các dải chiều cao sóng và chu kỳ sóng đặc trưng ven biển nước ta. Trong 45 thí nghiệm có 6 thí nghiệm xác định áp lực sóng tác dụng lên đê bản nghiêng và 9 thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của chu kỳ sóng tới các đặc trưng thủy động lực. 2.5 Phương pháp đo đạc và xử lý số liệu thí nghiệm 2.5.1 Phương pháp đo đạc sóng phản xạ Sử dụng phương pháp ba đầu đo sóng của Mansard và Funke (1980) 2.5.2 Phương pháp tính toán sóng phản xạ Hệ số phản xạ sóng Kr được xác định theo công thức: Kr = Hr/Hs (2-24) 2.5.3 Phương pháp tính toán hệ số tiêu tán năng lượng sóng Sự tiêu tán năng lượng sóng được tính toán theo Shih và cộng sự (2015) như sau: 𝐾 =1− 𝐾 − 𝐾 (2-25) Trong đó: - Kr là hệ số phản xạ sóng và Kt là hệ số truyền sóng. 2.5.4 Phương pháp phân tích số liệu sóng thu được Sử dụng công cụ phân tích sóng WS Wave Analysis Tools (WSWAT) trong MIKE 21 để tính toán hệ số phản xạ sóng. 2.6 Kết luận chương 2 Mô hình vật lý nghiên cứu tương tác giữa sóng và kết cấu đê bản nghiêng đã được xây dựng, hiệu chỉnh có thể các chỉ tiêu tương tự phù hợp để mô phỏng tốt sóng trong thực tế. Để nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực khi sóng tương tác với đê bản nghiêng trên nền cọc dựa vào các hệ số truyền sóng, phản xạ sóng và tiêu tán năng lượng sóng. Để xác định tốt sóng phản xạ, cần bố trí các đầu đo sóng theo phương pháp 3 đầu đo của Mansard và Funke (1980) .
11 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC KHI SÓNG TƯƠNG TÁC VỚI KẾT CẤU ĐÊ BẢN NGHIÊNG 3.1 Đặc trưng truyền sóng 3.1.1 Kết quả tính toán hệ số truyền sóng Kết quả thí nghiệm ứng với mái dốc m = 1 cho thấy giá trị hệ số truyền sóng Kt dao động từ 0,378 đến 0,661, các giá trị này cho thấy kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc có vấu kết hợp khuyết lõm tiêu sóng có khả năng giảm sóng truyền tốt hơn so với kết cấu đê bản nghiêng tương tự với góc nghiêng 60 độ theo phương thẳng đứng của Shirlal (2013) với Kt dao động từ 0,5 đến 0,73. Dưới đây sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình truyền sóng. 3.1.2 Ảnh hưởng của mực nước đến truyền sóng Quan hệ giữa hệ số truyền sóng Kt và chiều cao sóng Hs ứng với các mái dốc bản nghiêng khác nhau ứng với MN1, MN2 và MN3 tương ứng trên các Hình 3.1, 3.2 và 3.3. Hình 3.1: Quan hệ giữa hệ số Hình 3.2: Quan hệ giữa hệ số Hình 3.3: Quan hệ giữa hệ số truyền sóng Kt và chiều cao sóng truyền sóng Kt và chiều cao sóng truyền sóng Kt và chiều cao sóng Hs ứng với các mái dốc bản Hs ứng với các độ dốc khác nhau Hs ứng với các độ dốc khác nhau nghiêng khác nhau ứng với MN1 ứng với mực nước MN2 ứng với mực nước MN3 Kết quả cho thấy với mực nước thấp hơn đỉnh đê MN2 trường hợp m=1 và m=1,33 cho hiệu quả giảm sóng truyền tương đương nhau. Với m = 1,5 sóng truyền có xu thế cao hơn so với 2 trường hợp còn lại. 3.1.3 Ảnh hưởng của mái dốc bản nghiêng tới sóng truyền Ảnh hưởng của mái dốc bản nghiêng tới sóng truyền ứng với MN1, MN2 và MN3 tương ứng trên các Hình 3.4 – 3.5. Kết quả tóm tắt như sau: - Với mái dốc m=1: Trường hợp mực nước ngang đỉnh đê tăng tuyến tính. 02 trường hợp còn lại lúc đầu xuống sau đó tăng. - Với mái dốc m=1,33 trường hợp MN1 hiệu quả giảm sóng truyền là tốt nhất so với 2 trường hợp mái dốc còn lại. - Với mái dốc m=1,5 trường hợp MN1 cũng cho thấy hiệu quả giảm sóng truyền là tốt nhất so với 2 trường hợp mái dốc còn lại.
12 Hình 3.4: Quan hệ giữa chiều cao Hình 3.5: Quan hệ giữa Kt với Hình 3.6: Quan hệ giữa Kt với sóng và hệ số truyền sóng ứng các mực nước khác nhau khi độ các mực nước khác nhau khi độ với sự thay đổi mực nước dốc mái m=1.33 dốc mái m=1,5 3.1.4 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng Để nghiên cứu ảnh hưởng của chu kỳ sóng, tiến hành thực hiện 09 thí nghiệm với chiều cao sóng không đổi là Hs = 0,14m với 3 mực nước khác nhau và chu kỳ sóng dao động là 1,2; 1,4 và 2,2 giây. Hình 3.7 thể hiện mối quan hệ giữa chu kỳ sóng và hệ số truyền sóng 0,80 0,60 Kt 0,40 0,20 0 T=1,2 giây 1 T=1,4 giây 2 T=2,2 giây 3 4 Mái dốc bản nghiêng Hình 3.7: Tương quan giữa hệ số truyền sóng Kt và chu kỳ sóng 3.1.5 Ảnh hưởng của độ dốc sóng 3.1.5.1 Chỉ dẫn chung Tương quan giữa Kt và độ dốc sóng (H0/gT2) đối với đê bản nghiêng đã được Shih và cộng sự (2015) thiết lập bằng phương trình bậc 2. Acanal và cộng sự (2013) đã thiết lập quan hệ giữa Kt và độ dốc sóng (H/L) bằng phương trình bậc nhất. Trong nghiên cứu này, luận án cũng đã xây dựng mối quan hệ giữa hệ số truyền sóng và độ dốc sóng (H0/gT2) ứng với các mái dốc khác nhau thông qua các hàm hồi quy bậc 2 được xác định thông qua Công cụ Curver Fitting của Matlab. Các thông số đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy bao gồm tổng sai số bình phương SSE (Sum of Squares due to Error) và sai số trung bình quân phương RMSE (Root Mean Square Error). Ngoài ra, hệ số tương quan R2 cũng được xác định để làm cơ sở đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy. 3.1.5.2 Tương quan giữa độ dốc sóng và hệ số truyền sóng khi mái dốc m=1 Trên cơ sở số liệu thực đo, đã xây dựng hàm quan hệ giữa hệ số truyền sóng và độ dốc sóng Ho/gT2 theo hàm bậc 2 (Hình 3.10). Kết quả tính toán hồi quy Curve fitting của MatLab bằng thuật toán khoảng tin cậy đã đưa ra phương trình hồi quy như sau: 𝐾 = 0,003897 − 0,0772 + 0,91 (3-1) . × ×
13 Với các thông số đánh giá độ tin cậy gồm SSE = 0,0433, RMSE = 0,0627 và R 2 = 0,4307 như trên Hình 3.10 cho thấy phương trình (3-1) có độ tin cậy chấp nhận được. Hình 3.10: Tương quan giữa Kt và độ dốc sóng với mái dốc m=1 3.1.5.3 Tương quan giữa độ dốc sóng và hệ số truyền sóng khi mái dốc m=1,33 Kết quả tính toán hồi quy Curve fitting của MatLab bằng thuật toán khoảng tin cậy (Trust-region algorithm) và loại bỏ một số kết quả ngoại lai đã đưa ra dạng phương trình hồi quy như sau: 𝐾 = 0,03313 − 0,01648 + 0,5611 (3-2) . × × Với các thông số đánh giá độ tin cậy gồm SSE = 0,0148, RMSE = 0,0405 và R 2 = 0,4743 cho thấy phương trình (3-2) có độ tin cậy chấp nhận được. 3.1.5.4 Tương quan giữa độ dốc sóng và hệ số truyền sóng khi mái dốc m=1,5 Kết quả tính toán hồi quy và loại Curve fitting của MatLab bằng thuật toán khoảng tin cậy (Trust-region algorithm)bỏ một số kết quả ngoại lai đã đưa ra dạng phương trình hồi quy như sau: 𝐾 = 0,01609 . × − 0,08947 × + 0,6222 (3-3) Với các thông số đánh giá độ tin cậy gồm SSE 0,0477, RMSE = 0,063 và R2 = 0,7686 như trên Hình 3.12 cho thấy phương trình (3-3) có độ tin cậy tốt.
14 Hình 3.11: Tương quan giữa Kt và độ dốc sóng với mái dốc m=1,33 Hình 3.12: Tương quan giữa Kt và độ dốc sóng với mái dốc m=1,5 3.2 Đặc trưng phản xạ sóng 3.2.1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm Kết quả thí nghiệm đã được phân tích bằng công cụ WSWAT của phần mềm MIKE 21 cho các hệ số phản xạ sóng Kr ứng với các kịch bản thí nghiệm. Dưới đây phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng phản xạ sóng của đê bản nghiêng trên nền cọc. 3.2.2 Ảnh hưởng của mực nước đến phản xạ sóng 3.2.2.1 Ứng với mực nước ngang đỉnh đê MN1 Quan hệ giữa hệ số phản xạ sóng với chiều cao sóng được thể hiện trên hình 3.13 đến 3.15, kết quả thí nghiệm cho thấy: - Đối với các mực nước khác nhau, Mái dốc m=1 cho hiệu quả giảm sóng tốt nhất, mái dốc m=1.5 cho hiệu quả giảm sóng nhỏ nhất.
15 - Với cùng một mái dốc, khi thay đổi chiều cao sóng thì hệ số phản xạ sóng thay đổi không đáng kể. Điều này cho thấy các vấu và khuyết lõm đã làm cho sóng phản xạ tiêu hao năng lượng đáng kể khi sóng tương tác với đê bản nghiêng. Hình 3.13: Quan hệ giữa Kr và Hình 3.14: Quan hệ giữa Kr và Hình 3.15: Quan hệ giữa Kr và chiều cao sóng với các mái chiều cao sóng với các mái chiều cao sóng với các mái dốc bản khác nhau ứng với dốc bản khác nhau ứng với dốc bản khác nhau ứng với mực nước MN1 mực nước MN2 mực nước MN3 3.2.3 Ảnh hưởng của mái dốc bản nghiêng đến phản xạ sóng Ảnh hưởng của mái dốc bản nghiêng đến phản xạ sóng trên hình 3.16-3.18 cho thấy: - Với mái dốc m=1: Mực nước MN1 có hệ số phản xạ là bé nhất, Mực nước MN3 có hệ số phản xạ lớn nhất bởi khi đó sóng khi tác dụng lên đê thì một phần tràn qua đỉnh nên phản xạ bé hơn. - Với mái dốc m=1.33, MN1 ban đầu phản xạ có xu hướng tăng, sau đó lại giảm khi tăng chiều cao sóng, MN2 hệ số phản xạ tăng theo chiều cao sóng nhưng sau đó Kr lại giảm. MN3 hệ số phản xạ là bé nhất, sóng hầu hết phân tán trên bề mặt của đê nên phản xạ bé. - Với mái dốc m=1.5, MN1 có hệ số phản xạ giảm nhẹ khi tăng chiều cao sóng. Với mái dốc thoải, sóng đã vỡ trên mái nên hệ số phản xạ giảm. Hình 3.16: Quan hệ giữa Kr và Hình 3.17: Quan hệ giữa Kr và Hình 3.18: Quan hệ giữa Kr và chiều cao sóng ứng với các chiều cao sóng ứng với các chiều cao sóng ứng với các mực nước khác nhau khi mái mực nước khác nhau khi mái mực nước khác nhau khi mái dốc bản nghiêng m=1 dốc bản nghiêng m=1,33 dốc bản nghiêng m=1,5 ii. 3.2.4 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng đến phản xạ sóng Kết quả trên Hình 3.19 cho thấy hệ số phản xạ thay đổi rất đáng kể khi chu kỳ sóng 1,2 giây, khá ổn định với chu kỳ 1,4 giây và lại thay đổi khá lớn với chu kỳ 2,2 giây. Như vậy
16 cho thấy với sóng có chu kỳ trung bình thì hệ số phản xạ ít biến đổi hơn sóng có chu kỳ ngắn và chu kỳ dài. Hình 3.19: Quan hệ giữa Kr với chu kỳ sóng khi Hs = 0,14m 3.2.5 Ảnh hưởng của độ dốc sóng đến phản xạ sóng 3.2.5.1 Tương quan giữa độ dốc sóng và hệ số phản xạ sóng khi mái dốc m=1 Kết quả tính toán hồi quy Curve fitting của MatLab bằng thuật toán khoảng tin cậy (Trust- region algorithm) đã đưa ra dạng phương trình hồi quy: 𝐾 = 0,0023 − 0,0411 + 0,5013 (3-4) . × × Với các thông số đánh giá độ tin cậy gồm SSE = 0,0336, RMSE = 0,0529 và R2 = 0,304 như trên cho thấy phương trình (3-4) có độ tin cậy chấp nhận được. 3.2.5.2 Tương quan giữa độ dốc sóng và hệ số phản xạ sóng khi mái dốc m=1,33 Kết quả tính toán hồi quy dựa trên Curve fitting của MatLab bằng thuật toán khoảng tin cậy đã đưa ra dạng phương trình hồi quy như sau: 𝐾 = 0,0022 − 0,0376 + 0,6983 (3-5) . × × Với các thông số đánh giá độ tin cậy gồm SSE = 0,0161, RMSE = 0,0366 và R2 = 0,4959 cho thấy phương trình (3-5) có độ tin cậy chấp nhận được.
17 Hình 3.21: Tương quan giữa Kr và độ dốc sóng H/gT2 với mái dốc m=1 Hình 3.22: Tương quan giữa Kr và độ dốc sóng H/gT2 với mái dốc m=1,33 3.2.5.3 Tương quan giữa độ dốc sóng và hệ số phản xạ sóng khi mái dốc bản nghiêng m=1,5 Kết quả tính toán hồi quy Curve fitting của MatLab bằng thuật toán khoảng tin cậy (Trust- region algorithm) đã đưa ra dạng phương trình hồi quy: 𝐾 = 0,0027 + 0,0563 + 0,2092 (3-6) . × × Với các thông số đánh giá độ tin cậy gồm SSE = 0,019, RMSE = 0,0398 và R 2 = 0,4547 như trên 3 cho thấy phương trình (3-6) có độ tin cậy chấp nhận được. Kết quả của luận án cho thấy các phương trình hồi quy (3-4), (3-5) và (3-6) có độ tin cậy tốt hơn so với các nghiên cứu của của Shil và cộng sự [52]
18 Hình 3.23: Tương quan giữa Kr và độ dốc sóng H/gT2 với mái dốc m=1,5 3.3 Đặc trưng tiêu tán năng lượng sóng 3.3.1 Ảnh hưởng của mực nước đến tiêu tán năng lượng sóng Kết quả được thể hiện tại hình 3.24 đến 3.26 cho thấy 2 đặc điểm chính sau: - Với mực nước ngang đỉnh đê MN1, mái dốc m=1,0 có khả năng tiêu tán sóng tốt nhất. - Với mực nước thấp hơn đỉnh đê đỉnh đê MN2 và MN3, mái dốc m=1,5 có khả năng tiêu tán sóng tốt nhất. Hình 3.24: Quan hệ giữa KL Hình 3.25: Quan hệ giữa KL Hình 3.26: Quan hệ giữa KL và và Hs ứng với MN1 và Hs ứng với mực nước MN2 Hs ứng với MN3 3.3.2 Ảnh hưởng của mái dốc bản nghiêng đến tiêu tán năng lượng sóng Quan hệ giữa hệ số tiêu tán năng lượng sóng với chiều cao sóng ứng với mái dốc m=1, m=1,33 và m=1,5 được thể hiện trên hình 3.27 đến 3.29 cho kết quả tóm tắt như sau: - Với mái dốc bản nghiêng càng thoải, thì khả năng tiêu tán năng lượng sóng càng tốt. Điều này là hiển nhiên do mái thoải nên độ sâu tại chân đê giảm dễ phát sinh sóng vỡ và sóng leo trên mái nghiêng. - Với mực nước ngang đỉnh đê MN1, hệ số tiêu tán năng lượng sóng khá nhỏ và có xu thế tăng nhưng sau đó lại giảm. Điều này là có thể được giải thích do khi tăng chiều cao sóng