Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm REEF BALLtm trên thềm đảo nổi xa bờ

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

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm REEF BALLtm trên thềm đảo nổi xa bờ" là làm rõ hơn bản chất của các tham số chi phối tới hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef Ball TM trên thềm đảo nổi; Xác định được phạm vi bố trí phù hợp cho kết cấu ngầm trên thềm đảo nổi; Xây dựng được công thức thực nghiệm để xác định hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef Ball TM trên thềm đảo nổi.

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 ngầm REEF BALLtm trên thềm đảo nổi xa bờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM THỊ THÚY NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 9580203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Hải Trung PGS.TS. Trần Thanh Tùng Phản biện 1: GS.TS. Thiều Quang Tuấn, Trường Đại học Thủy Lợi Phản biện 2: PGS.TS. Phùng Đăng Hiếu, Viện Nghiên cứu biển và hải đảo Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Kiên Quyết, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường Đại học Thuỷ Lợi, Hà Nội, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội; vào lúc giờ ngày tháng năm 2023 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 luận án Các đảo nổi xa bờ có địa hình rất khác biệt với vách dốc đứng thay đổi gấp từ nơi có độ sâu hàng trăm mét đến thềm nông một vài mét, tiếp nối đó là một thềm san hô phẳng với diện tích khá rộng kéo dài vào lõi đảo. Phần lõi đảo có diện tích rất nhỏ, lại luôn có nguy cơ bị bào mòn do phải chịu tác động rất khốc liệt của các hiện tượng xâm thực tự nhiên. Bên cạnh xói lở thì ở hầu hết các đảo nổi còn có sự xuất hiện của những doi cát khá lớn được bồi tụ trên thềm, những doi cát này luôn có một phần di chuyển xung quanh lõi đảo theo mùa sóng gió. Cùng với đó, các hoạt động của con người gây ô nhiễm môi trường dẫn tới sự phá hủy của các quần thể sinh vật trên vùng đảo ngập và mức độ tự phục hồi khá chậm. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn là phải có giải pháp đối với các vấn đề trên đảo nổi và giải pháp công trình được lựa chọn là kết cấu ngầm rỗng Reef Ball TM. Nghiên cứu sóng truyền qua công trình có kết cấu rỗng trên thềm đảo nổi với những đặc trưng thủy động lực sóng có tính đặc thù là một nội dung mang tính khoa học và thực tiễn, đây là một vấn đề nghiên cứu mới. Cùng với đó, kết cấu ngầm giảm sóng xa bờ sử dụng hệ thống các cấu kiện bê tông rỗng Reef BallTM được bố trí không gian trên thềm đảo để tạo độ rỗng chủ động cũng là một đề xuất mới cần được nghiên cứu, đánh giá. Với ý nghĩa đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi xa bờ”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Làm rõ hơn bản chất của các tham số chi phối tới hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi; - Xác định được phạm vi bố trí phù hợp cho kết cấu ngầm trên thềm đảo nổi; - Xây dựng được công thức thực nghiệm để xác định hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: sóng và quá trình truyền sóng, kết cấu đê ngầm rỗng dạng Reef BallTM trên thềm đảo nổi xa bờ - Phạm vi nghiên cứu: các đảo nổi xa bờ có thềm nước nông, trong điều kiện sóng gió mùa, kết cấu ngầm có độ rỗng lớn. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở các tài liệu thu thập được, tổng hợp, phân tích, kế thừa những tài liệu đã có, để chọn lọc ra những nội dung có liên quan đến vấn đề nghiên cứu, áp dụng các phương pháp có thể để tìm hiểu sâu hơn, giải thích rõ hơn và tính toán định lượng đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong Luận án: Phương pháp phân tích thống kê; Phương pháp thực nghiệm; Phương pháp chuyên gia. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Luận án có ý nghĩa khoa học trong nghiên cứu đánh giá định lượng hiện tượng lan truyền và suy giảm chiều cao sóng qua kết cấu ngầm có độ rỗng khối lớn trên thềm đảo nổi san hô xa bờ; Ứng dụng cho bài toán thực tế có thể cho phép dự tính hệ số truyền sóng và hiệu quả giảm sóng của công trình cũng như có thể áp dụng để tính toán các tham số thiết kế như bề rộng, độ ngập đỉnh; Làm cơ sở cho thiết kế, xây dựng các giải pháp công trình giảm sóng, gây bồi, tạo bãi và khôi phục lại hệ sinh thái trên các đảo nổi san hô xa bờ; Nâng cao độ tin cậy trong các nghiên cứu về biển đảo. 6. Cấu trúc luận án. Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1. Tổng quan về đảo nổi xa bờ, Reef BallTM và hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Chương 2. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của Reef BallTM trên thềm đảo nổi xa bờ 2
Chương 3. Hiệu quả giảm sóng của Reef BallTM trên thềm đảo nổi Chương 4. Nghiên cứu bố trí không gian kết cấu ngầm trên thềm đảo nổi xa bờ 7. Những đóng góp mới của luận án - Làm rõ hơn bản chất của các tham số chi phối tới hệ số truyền sóng qua kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi, đặc biệt là vai trò của độ rỗng khối của kết cấu ngầm. - Xây dựng được bộ công thức thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng Kt qua kết cấu ngầm Reef BallTM trên thềm đảo nổi. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẢO NỔI XA BỜ, KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM Đảo nổi xa bờ 1.1.1. Khái niệm đảo nổi xa bờ: Đối tượng nghiên cứu là đảo nổi xa bờ, về bản chất là rạn san hô xa bờ có một phần diện tích luôn nổi cao trên mặt nước kể cả khi thủy triều cao nhất. 1.1.2. Địa hình đặc trưng của các đảo nổi - Lõi đảo (reef core) có diện tích nhỏ, khoảng vài chục hecta trở xuống. - Thềm đảo (reef flat) rộng gấp nhiều lần so với lõi đảo, bề rộng thềm đảo trung bình từ 300-600m, trong đó có những đảo lên đến hàng kilomet. - Vách dốc đứng phần dưới sâu có độ dốc lớn (1/1 đến 1/2) nhưng khi lên gần mặt nước, độ dốc trong khoảng từ 1/5 đến 1/10 do sự phát triển mạnh của san hô. - Sườn ngầm: ở độ sâu trên 50m bề mặt sườn hầu như là đá san hô chết. - Biển sâu: đáy biển có độ sâu lớn gồm trầm tích là đá, bùn, vỏ trùng lỗ [4]. 1.1.3. Chế độ thủy hải văn - Độ sâu mực nước trên thềm đảo dao động trong khoảng một vài mét. - Sóng khí hậu có chiều cao dao động trong khoảng từ 2-3m; 3
- Chiều cao sóng cực trị nước sâu có thể lên tới trên 10m, nhưng khi truyền vào đảo, do giới hạn về độ sâu mực nước trên thềm mà chiều cao sóng nước nông thường không quá lớn. 1.2.4. Chế độ thủy động lực sóng trên các đảo nổi Sóng nước nông với hai đặc trưng thủy động lực chính: sự hình thành và phát triển của sóng ngoại trọng lực và hiện tượng sóng tràn gây nước dềnh [21]. Sự phân bố chiều cao sóng đối với khu vực nước nông đã được phát triển bằng các dạng phân bố khác nhau. Tuy nhiên, khi ứng dụng các mô hình phân bố chiều cao sóng hiện có cho các khu vực nước nông thì thường có sai số do các yếu tố chưa được xem xét thoả đáng như điều kiện địa hình đáy, hình dạng phổ sóng do chịu ảnh hưởng bởi độ nông của bờ biển [36]. Kết cấu ngầm Reef BallTM Reef BallTM (RB) là cấu kiện bê tông rỗng được thiết kế với mục đích ban đầu là tạo rạn nhân tạo, có cấu trúc và chức năng của rạn tự nhiên. Hiện nay RB được sử dụng phổ biến tại hơn 62 quốc gia với phạm vi tiếp cận toàn cầu [41]. Kết cấu ngầm (KCN) Reef BallTM là khái niệm để chỉ một hệ thống các khối Reef BallTM được bố trí trên không gian với mục đích giảm sóng, gây bồi và phục hồi sinh thái, có đỉnh luôn thấp hơn mực nước trung bình (Rc0). Các dự án Reef BallTM trước đây chủ yếu được thực hiện với mục đích khôi phục hệ sinh thái, được triển khai ở các khu vực có độ sâu mực nước lớn và điều kiện sóng nhỏ. Hiện nay rạn ngầm RB với chức năng như một đê ngầm giảm sóng, giúp ổn định đường bờ đã và đang được nghiên cứu áp dụng, khu vực áp dụng cũng đa dạng hơn, cho cả khu vực các đảo nổi xa bờ. Hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm là khái niệm dùng để chỉ mức độ suy giảm chiều cao sóng trước và sau khi đi qua kết cấu ngầm (Hình 1.13). Hiệu quả giảm sóng của KCN có thể được đánh giá thông qua chỉ tiêu: Kt = Hmo,i/Hmo,t 4
Hình 1.13 Sơ đồ tính hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Các nghiên cứu đã nhận dạng một cách khá đầy đủ các tham số ảnh hưởng cơ bản đến hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm như độ ngập tương đối (Rc/Hs), bề rộng tương đối (B/Hs< 8.0), chỉ số sóng vỡ Iribarren op. Công thức D’Angremond và nnk [62] với a = 0.64 cho đê thấm nước, a = 0.8 cho đê không thấm nước). 𝑅𝑐 −0.5 𝑜𝑝 𝐵 Kt = -0.4 𝐻𝑠 + 𝑎(1 − 𝑒 )( 𝐻𝑠)−0.31 (1-10) Trong công thức được xây dựng bởi Thiều Quang Tuấn và nnk (2022) [66], hệ số truyền sóng Kt qua kết cấu ngầm được cấu tạo từ các khối OCTTM, độ rỗng được xét đến một cách tường minh qua độ thấm của môi trường rỗng Pf: 𝑅𝑐 𝐵 −0.29 0.30 Kt = -0.29(min 0.75, 𝐻𝑠 ) + 0.64(𝑃 𝑓 . 𝑑 ) [1 − 𝑒𝑥𝑝 (− )] (1.15) √ 𝑆 𝑜𝑝 Kết luận chương 1 Chương 1 đã tổng quan được khá đầy đủ đặc điểm địa hình, chế độ thủy hải văn, ảnh hưởng tới sự truyền sóng trên thềm đảo và quá trình tương tác của sóng với kết cấu ngầm và chỉ ra sự khác biệt về địa hình, chế độ thủy hải văn trên các đảo nổi so với các điều kiện trên các bãi biển thông thường. Đã phân tích được các đặc điểm chế độ thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi từ các tài liệu đã nghiên cứu trước đó để thấy được sự khác biệt về đặc điểm lan truyền của sóng cũng như đặc tính của sóng trên thềm nước nông trên đảo. Chỉ ra sự khác biệt về điều kiện áp dụng kết cấu ngầm trên thềm các đảo nổi, theo đó KCN có chức năng giảm sóng, chống xói lở, giúp nuôi bãi nhưng phải có độ rỗng phù hợp để phục 5
vụ mục đích khôi phục hệ sinh thái trên các đảo nổi. Chương 1 cũng nhận định được đúng bản chất những yếu tố cơ bản chi phối hiệu quả giảm sóng của cấu ngầm dạng rỗng, đồng thời nghiên cứu tổng quan cũng phân tích được các công thức xác định hệ số truyền sóng qua kết cấu ngầm dạng rỗng. Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan có thể thấy nghiên cứu sóng truyền qua công trình có kết cấu rỗng RB trên thềm đảo nổi với những đặc trưng thủy động lực sóng có tính đặc thù là một vấn đề nghiên cứu mới, một nội dung mang tính khoa học và thực tiễn. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ Độ rỗng của kết cấu ngầm Reef BallTM Các khối bê tông rỗng, hay các cấu kiện bê tông rỗng đúc sẵn đã được thiết kế theo tiêu chuẩn với độ rỗng bề mặt nhất định, gọi là tỉ lệ rỗng bề mặt của khối. Khi các khối bê tông rỗng được bố trí theo không gian để tạo thành KCN theo các cách sắp xếp khác nhau sẽ có độ rỗng toàn công trình (hay độ rỗng khối) khác nhau (hình 2.2) Hình 2-2. Kết cấu ngầm RB với độ rỗng bề mặt và bố trí không gian KCN RB Trong bài toán lan truyền sóng qua kết cấu ngầm, rỗng, mỗi cách bố trí cấu kiện trong không gian khác nhau sẽ tạo ra các phương án độ rỗng khác nhau, theo đó mặc dù các tham số khác không đổi nhưng hiệu quả giảm sóng của KCN sẽ thay đổi. Bên cạnh đó, liên quan tới mục tiêu khôi phục hệ sinh thái khi bố trí không 6
gian kết cấu ngầm giảm sóng phải tạo ra khoảng trống hợp lý để vừa đạt được mục tiêu giảm sóng nhưng cũng phải đáp ứng được yêu cầu về độ rỗng của công trình. Đây chính là ý nghĩa cụ thể của tham số độ rỗng trong bài toán nghiên cứu. Quá trình truyền sóng qua kết cấu rỗng Tương tác giữa sóng và kết cấu ngầm rỗng Với kết cấu có độ rỗng khối lớn, phản xạ sóng nhỏ và hiệu suất tiêu tán năng lượng 𝐾 𝐷 qua kết cấu rỗng tương đối cao. Kết cấu có độ rỗng khối lớn hấp thụ năng lượng khi sóng truyền qua nhờ độ rỗng bên trong. Khi độ rỗng khối n giảm, mặc dù sự truyền sóng qua cấu trúc tương đối nhỏ, nhưng phản xạ sóng lại rất lớn do sự tương tác của sóng với kết cấu. Tổng hợp lại thì hiệu suất tiêu tán năng lượng của kết cấu ngầm lại giảm. Kết cấu có độ rỗng nhỏ ngăn chặn thay vì hấp thụ sóng và chỉ một phần năng lượng sóng bị tiêu tán qua kết cấu. Độ rỗng khối đóng vai trò là tham số điều chỉnh chuyển đổi cân bằng năng lượng sóng từ phần năng lượng phản xạ sang phần năng lượng tiêu tán bởi kết cấu rỗng [66]. Sự truyền sóng qua kết cấu rỗng Ảnh hưởng của độ rỗng đến sóng truyền qua kết cấu rỗng thực chất là ảnh hưởng của độ thấm của môi trường rỗng. Độ thấm của môi trường rỗng kí hiệu là P f, phụ thuộc vào sức cản dòng chảy bên trong kết cấu rỗng (sức cản Forchheimer), độ rỗng khối n và đường kính danh nghĩa của vật liệu sử dụng Dn50[66]. Độ thấm của môi trường rỗng Pf theo McDougal đặc trưng cho khả năng chất lỏng truyền qua kết cấu rỗng [76]. 𝐷 1.57 𝑛3 𝑃 𝑓 = 1.643x10−7 ( 10 ) 50 (1−𝑛)2 (2-5) Độ thấm Pf theo Thiều Quang Tuấn và nnk [66] đặc trưng cho sức cản khi chất (1−𝑛)2 lỏng truyền qua kết cấu rỗng: Pf = 𝑛3 (2-6) Trong nghiên cứu, Pf sẽ được xác định theo hai cách: (1−𝑛)2 Cách 1: 𝑃 𝑓,1 = (2-7) 𝑛3 7
(1−𝑛) Cách 2: 𝑃 𝑓,2 = (2-8) 𝑛3 Yếu tố độ thấm Pf của kết cấu được kết hợp với bề rộng mà sóng truyền qua thành một đại lượng vật lý miêu tả tính chất sức cản của kết cấu [66]. Thiết lập phương trình tổng quát về hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm rỗng Bằng phân tích thứ nguyên, hàm PI-Buckingham tổng quát có dạng sau: 𝐻 𝑚𝑜,𝑡 𝑅𝑐 𝐵 Kt = 𝐻 𝑚𝑜,𝑖 =f(𝐻 , 𝑃𝑓 𝐿 𝑚−1,0 , Som) (2-13) 𝑚𝑜,𝑖 𝐻 𝑚𝑜,𝑡 𝑅𝑐 𝐵 Kt = 𝐻 𝑚𝑜,𝑖 =f(𝐻 , 𝑃 𝑓 𝑑 , Som) (2-14) 𝑚𝑜,𝑖 Lựa chọn tỉ lệ mô hình vật lý Sử dụng các tiêu chuẩn tương tự hình học, tiêu chuẩn Froude và tiêu chuẩn Reynolds, căn cứ trên các điều kiện nguyên hình của đảo nổi và năng lực của Phòng thí nghiệm, tỉ lệ mô hình lựa chọn là 1/15. Bố trí Reef BallTM trong mô hình thí nghiệm Chế tạo cấu kiện Reef BallTM Căn cứ vào độ sâu mực nước trung bình trên thềm đảo nổi tại vị trí đặt công trình, dao động trong khoảng trên dưới 2m, tham khảo các khối RB tiêu chuẩn và tỉ lệ mô hình, cấu kiện RB trong mô hình được mô tả tại Hình 2.7. Hình 2.7 Kết cấu ngầm từ khối Reef Ball và các tham số của khối 8
Các phương án bố trí không gian khối RB Trong thí nghiệm đã sử dụng các phương án bố trí không gian khối RB khác nhau, theo đó độ rỗng khối của kết cấu ngầm cũng khác nhau: xếp thẳng hàng và xếp so le; xếp liền và xếp cách 2 và cách 4 (KCN được giữ bề rộng không đổi, cố định hàng đầu và hàng cuối, bên trong bỏ bớt cấu kiện tương ứng với 2 hàng, 4 hàng RB). Độ rỗng khối của các phương án bố trí RB. Độ rỗng khối của kết cấu ngầm được xác định là tỉ số giữa thể tích rỗng (Wr) và thể tích toàn bộ công trình (Wct) được xác định theo công thức: W 𝑟ỗ𝑛𝑔 W 𝑐𝑡 -Wđặ𝑐 𝑛= = (2-24) W 𝑐𝑡 W 𝑐𝑡 trong đó: Wrỗng là thể tích rỗng của công trình; Wđặc là thể tích đặc của công trình và Wct là thể tích của toàn bộ công trình. Độ rỗng khối trung bình tính toán với 03 trường hợp: xếp liền, xếp cách 2 và xếp cách 4 theo công thức lần lượt là n1=0.88; 0.910 và 0.94. Thiết lập thí nghiệm mô hình hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm Sơ đồ bố trí thí nghiệm Sơ đồ bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả giảm sóng của KCN như Hình 2.9. Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 9
Các yếu tố đo đạc, tính toán Các số liệu thu được dưới dạng các dao động mực nước, được xử lý phân tích để xác định Hmo, Tm-1,0 và hệ số phản xạ Kr cho các phương án thí nghiệm. Sử dụng hệ số truyền sóng Kt để đánh giá hiệu quả giảm sóng của KCN, Kt lớn thì kết cấu ngầm hoạt động hiệu quả và ngược lại. Kịch bản thí nghiệm 12 kịch bản khi chưa có công trình và 600 kịch bản khi đã bố trí công trình. Trình tự thí nghiệm Quá trình thí nghiệm diễn ra trong 08 tháng tại trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội. Kết luận chương 2 Chương 2 đã xem xét đánh giá các quá trình vật lý ảnh hưởng tới sự tiêu hao năng lượng sóng khi đi qua kết cấu ngầm, rỗng, chỉ ra nguyên nhân và cơ chế tiêu hao năng lượng sóng qua kết cấu ngầm cũng như sự khác biệt so với các kết cấu không thấm. Nghiên cứu đã chỉ ra ý nghĩa của tham số độ rỗng và cách thức tích hợp tham số độ rỗng khối trong bài toán truyền sóng qua kết cấu ngầm trên thềm đảo nổi. Theo đó ảnh hưởng của tham số độ rỗng đến lan truyền sóng thực chất là ảnh hưởng của độ thấm của môi trường rỗng. Độ thấm của môi trường rỗng phụ thuộc vào độ rỗng khối n, đường kính vật liệu và lực cản Forchheimer. Chính lực cản này sinh ra công và là nguyên nhân làm tiêu tán 1 phần năng lượng sóng và do đó chiều cao sóng sẽ giảm khi sóng truyền qua kết cấu rỗng. Độ thấm của kết cấu sẽ được kết hợp với bề rộng của kết cấu mà sóng truyền qua thành một đại lượng vật lý miêu tả tính chất sức cản của kết cấu ngầm. Phân tích thứ nguyên để thiết lập phương trình tổng quát về hiệu quả giảm sóng của kết cấu ngầm làm cơ sở và định hướng thiết kế thí nghiệm. Đồng thời, nghiên cứu cũng thiết kế chi tiết thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng để mô phỏng và đo đạc các số liệu phục vụ cho việc phân tích, đánh giá ở chương 3. 10
CHƯƠNG 3 HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ Đặc tính của sóng nước nông thềm đảo nổi Sự truyền sóng trên thềm đảo nổi Sóng nước sâu khi truyền đến đỉnh vách dốc đứng thì đa phần bị vỡ tại lân cận đỉnh vách dốc đứng, trong khoảng từ đỉnh vách dốc đến 0.2 bề rộng thềm, khu vực này chiều cao sóng giảm nhanh với tỉ lệ trung bình là 50%, lớn nhất lên đến 70%, khá phù hợp với các nghiên cứu trước [12]. Sóng nước nông được hình thành và truyền trên thềm đảo. Đến vị trí khoảng một nửa chiều dài thềm theo hướng truyền sóng (X/Bthềm0.5), sóng nước nông dần ổn định và tiếp tục truyền đến bờ lõi đảo. Khi đến khoảng cách X/Bthềm0.7, sóng có xu thế bị mất ổn định do ảnh hưởng của dòng phản xạ mạnh từ bờ. Phạm vi mà sóng nước nông trên thềm tương đối định nằm trong khoảng từ 0.5 đến 0.7 bề rộng thềm theo hướng truyền sóng (0.5Bthềm≤ X≤0.7Bthềm), hoặc từ 0.3Bthềm đến 0.5Bthềm tính từ bờ đảo. Đặc tính của sóng nước nông Đồ thị giữa chiều cao sóng Hmo và chu kỳ sóng Tm-1,0 được trình bày tại Hình 3.4. Hình 3.4 Đồ thị chiều cao Hmo và chu kỳ sóng Tm-1,0 phía trước KCN 11
- Chiều cao sóng nước nông: trong mô hình chiều cao sóng nước nông Hmo có giá trị trong khoảng từ 0.052cm đến 0.130cm, tương ứng với giá trị từ 0.80 đến 1.95m trong nguyên hình. Kết quả này phù hợp với giá trị chiều cao sóng tối đa ước định bằng công thức lý thuyết như đã nêu trong chương 2. - Chu kỳ sóng nước nông: sóng nước nông trên thềm bao gồm hai loại: sóng ngắn (SS waves, sóng có chu kỳ nhỏ hơn 20s) và ngoại trọng lực, IG (có chu kỳ Tm-1.0 từ 20-200s). Đặc tính xuất hiện sóng IG trên thềm đảo theo kết trước công trình phù hợp với nghiên cứu trước đó về chế độ thủy động lực sóng trên rạn ngầm có vách dốc đứng [21]. Tuy nhiên sóng ngắn chiếm đa số và sóng ngoại trọng lực IG ít xuất hiện. Sóng ngắn xuất hiện ở những kịch bản độ sâu mực nước lớn, sóng tới có chiều cao nhỏ và ngược lại, sóng dài phát triển ở những kịch bản mực nước thấp, chiều cao sóng tới lớn [85]. Chu kỳ sóng nước nông trên thềm đảo Tm-1,0 lớn hơn từ 1 đến 3 lần chu kỳ sóng nước sâu Tp. - Sự biến đổi phổ năng lượng sóng nước nông và nước sâu: phổ sóng nước sâu có đỉnh nhọn nhưng khi truyền vào vùng nước nông, sóng bị vỡ, phổ sóng bị biến hình do đó hình dạng phổ năng lượng sóng có xu thế duỗi phẳng, đỉnh phổ có xu thế dịch chuyển sang trái (dịch chuyển năng lượng tần số thấp, chu kỳ dài) và đỉnh phổ tần số thấp tăng nhanh về gần bờ. Hình 3.5 Hình 3.5 Phổ năng lượng sóng đo đạc ứng với kịch bản D66.5H10T170 - Sự biển đổi phổ năng lượng sóng nước nông trước và sau kết cấu ngầm 12
Dạng phổ sóng phía sau công trình tiếp tục duỗi phẳng hơn, tương tự như phổ sóng sau khi trải qua quá trình sóng vỡ nhiều lần, tần số sóng thấp hơn và chu kỳ dài hơn. Năng lượng của các con sóng ngắn phần lớn bị tiêu tán và chiều cao sóng khi truyền qua kết cấu ngầm tiếp tục giảm. Các tham số ảnh hưởng Bề rộng đỉnh kết cấu ngầm Tương quan giữa bề rộng tương đối và hệ số truyền sóng K t của KCN ứng với các giá trị độ ngập đỉnh kết cấu ngầm Rc như Hình 3.8. a. Tương quan Kt và B/Lm-1,0 b. Tương quan Kt và B/d Hình 3.8 Tương quan của bề rộng kết cấu ngầm và hệ số truyền sóng K t 13
Bề rộng tương đối của đỉnh kết cấu ngầm (B/d) là tham số ảnh hưởng lớn tới Kt, với xu thế nghịch biến và phi tuyến. Để kết cấu ngầm đặt trên thềm đảo có hiệu quả thì giá trị của bề rộng kết cấu ngầm nên nằm trong khoảng: 0.2Lm-1,0  B  0.7Lm-1,0 hoặc 3.0d  B  11.5d Độ ngập đỉnh kết cấu ngầm Tương quan giữa Kt và Rc/Hmo ứng với các bề rộng đỉnh B như Hình 3.10. Hình 3.10. Tương quan độ ngập tương đối và hệ số truyền sóng Kt Độ ngập tương đối là tham số ảnh hưởng lớn đến hệ số truyền sóng Kt với xu thế đồng biến và tuyến tính. Để kết cấu ngầm có hiệu quả tốt theo chức năng giảm sóng thì giá trị của độ ngập đỉnh kết cấu ngầm nên nằm trong khoảng: 0  Rc  0.8Hmo và Rc  0.7h (với h là chiều cao công trình) Độ dốc sóng Kết quả phân tích tương quan giữa Kt và độ dốc sóng Som ứng với bề rộng đại diện và độ ngập đỉnh kết cấu ngầm như Hình 3.11. Độ dốc sóng tượng trưng Som trong giới hạn nghiên cứu ở trong khoảng từ 0.001 đến 0.021, đây là tham số có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số truyền sóng Kt với xu thế phi tuyến và nghịch biến. Khi độ ngập nhỏ và bề rộng kết cấu lớn, ảnh hưởng của độ dốc sóng mạnh hơn khi độ ngập đỉnh lớn và bề rộng KCN nhỏ. 14
Hình 3.11 Tương quan độ dốc sóng tượng trưng Som và hệ số truyền sóng Kt Bề rộng KCN có xét tới độ thấm của môi trường rỗng Đồ thị tương quan giữa Kt và bề rộng đỉnh có tích hợp thêm độ thấm Pf ứng với các bề rộng và độ ngập đỉnh KCN điển hình được biểu thị trong Hình 3.12. 15
Hình 3.12 Ảnh hưởng của bề rộng khi không và có tích hợp độ thấm (Rc=0cm) Tích hợp độ thấm Pf với bề rộng tương đối của kết cấu ngầm cho thấy sự phù hợp với bản chất vật lý của hiện tượng truyền sóng qua kết cấu ngầm. Khi đã tích hợp với độ thấm theo cách 2 (Pf2) đường tương quan với xu thế tốt hơn khi tích hợp theo cách 1 (Pf1). Xây dựng công thức thực nghiệm Lựa chọn dạng công thức thực nghiệm Sử dụng dạng công thức thực nghiệm của d'Angremond và nnk (1996) [62] để phát triển các công thức trong trường hợp khi chưa tích hợp độ thấm. Trường hợp có tích hợp độ thấm Pf , trên cơ sở công thức vừa lựa chọn, độ thấm sẽ được tích hợp cùng với bề rộng tương đối của kết cấu ngầm theo hai cách P f1 và Pf2, từ đó xây dựng các công thức thực nghiệm. Công thức không tích hợp độ thấm Sử dụng kết quả của bộ số liệu đầy đủ gồm 200 kịch bản thí nghiệm xếp liền để xây dựng công thức, qua phân tích hồi quy như sau: 3.3.2.1 Xây dựng công thức thực nghiệm dạng 1 (Kt,1) 𝑅𝑐 𝐵 −11 Kt,1 = - 0.28 + 0.4 ( )−0.3 (1 − 𝑒𝑥𝑝 ( ) (3.7) 𝐻 𝑚𝑜 𝐿 𝑚−1,0 √𝑆𝑜𝑚 16
3.3.2.2 Xây dựng công thức thực nghiệm dạng 2 (Kt,2) 𝑅𝑐 𝐵 −0.20 Kt,2 = - 0.25 + 1.20 ( )−0.33 (1 − 𝑒𝑥𝑝 ( ) (3.8) 𝐻 𝑚𝑜 𝑑 √𝑆𝑜𝑚 3.3.2.3 So sánh mức độ tin cậy giữa hai công thức khi chưa tích hợp độ thấm Hai công thức (3-7) và (3-8) cho thấy mức độ tin cậy của hai công thức đều cao. Tuy nhiên, xét về mặt toán học, dạng công thức Kt,1 có hệ số b4 = -11, khi thay −0.20 vào giá trị của biểu thức (𝑒𝑥𝑝 ( ) luôn sấp xỉ bằng 0 và hàm số √ 𝑆𝑜𝑚 −0.20 (1 − 𝑒𝑥𝑝 ( 𝑆𝑜𝑚)khi đó có giá trị sấp xỉ bằng 1. Kết quả này chưa cho thấy vai √ trò của sóng. Công thức (3-8) được lựa chọn để tính Kt khi chưa tích hợp độ thấm. Công thức khi tích hợp độ thấm 3.3.3.1 Xây dựng công thức thực nghiệm dạng 3 (Kt,3) Sử dụng kết quả của bộ số liệu đầy đủ gồm 600 kịch bản để xây dựng công thức Công thức Kt,3 có dạng giống Kt,2 nhưng có bề rộng tương đối (B/d) được tích (1−𝑛)2 hợp thêm độ thấm Pf1 = . 𝑛3 𝑅𝑐 𝐵 −0.2 Kt,3 = - 0.28 𝐻 𝑚𝑜 + 0.44 (𝑃 𝑓,1 𝑑 )−0.14 (1 − 𝑒𝑥𝑝 ( ) (3.9) √ 𝑆𝑜𝑚 3.3.3.2 Xây dựng công thức thực nghiệm dạng 4 𝑅𝑐 𝐵 −0.2 Kt,4 = - 0.24 + 0.63 (𝑃 𝑓,2 )−0.26 (1 − 𝑒𝑥𝑝 ( ) (3.10) 𝐻 𝑚𝑜 d √ 𝑆𝑜𝑚 3.3.3.3 So sánh mức độ tin cậy giữa hai công thức khi tích hợp thêm độ thấm Công thức (3-10) có độ tin cậy cao hơn nên được lựa chọn áp dụng đối với trường hợp bố trí Rb trên không gian theo phương án bất kỳ để tạo độ rỗng chủ động. Ảnh hưởng của độ rỗng trong trường hợp này được xác định một cách tường (1−n) minh qua độ thấm của môi trường rỗng Pf theo công thức Pf2 = 3 . n Phạm vi ứng dụng của công thức - Bề rộng đỉnh công trình B/Lm-1,0 = (0.2 - 0.70); hoặc B/d = (3.0 - 11.5); - Độ ngập đỉnh tương đối Rc/Hmo = (0 - 0.8); Rc/h
- Hệ số truyền sóng Kt từ (0.86-0.36); Hiệu quả giảm sóng % từ (14 - 64)%. Hai công thức (3-8) và (3-10) đặc trưng cho sự truyền sóng qua kết cấu ngầm có cấu tạo từ các khối RB được đặt trên thềm đảo: - Khoảng giá trị hoạt động hiệu quả của bề rộng kết cấu ngầm lớn, tính chất này thể hiện nét đặc thù của đảo nổi là có độ sâu mực nước trên thềm không lớn, kết cấu ngầm muốn giảm sóng nên tăng bề rộng thay vì tăng chiều cao công trình. - Độ dốc sóng Som trên thềm tương đối nhỏ trong khoảng từ (0.001 - 0.022) do đặc tính của sóng nước nông trên thềm có chu kỳ dài, lớn hơn từ 1 đến 3 lần chu kỳ sóng nước sâu nên nên độ dốc sóng tương đối nhỏ. - Độ thấm của môi trường rỗng được xem xét một cách tường minh, phụ thuộc vào các phương án bố trí các khối RB trong không gian để đạt mục đích giảm sóng và khôi phục hệ sinh thái trên đảo. Kiểm định công thức Sử dụng bộ số liệu thí nghiệm tại bể sóng của Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học Sông biển, Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam trong khuôn khổ đề tài KHCN 9/15 “Nghiên cứu giải pháp tôn tạo và chống xói lở đảo nổi thuộc Quần đảo Trường Sa” 2015-2019. Kết quả sử dụng 24 kịch bản thí nghiệm để kiểm định công thức cho thấy: - Độ tin cậy của công thức với cả 24 kịch bản thí nghiệm là khá tốt - Khi giới hạn bề rộng tương đối đỉnh kết cấu ngầm theo điều kiện áp dụng công thức thì độ tin cậy của công thức cao hơn. - Khi giới hạn lại độ sâu mực nước hay độ ngập đỉnh KCN thì độ tin cậy của mô hình sẽ rất cao R2=0.92 và RMSE = 0.04. - Nghiên cứu chỉ xét cho trường hợp Rc 0, nhưng khi sử dụng công thức kiểm định cho các giá trị Rc>0 vẫn cho thấy sự khớp giữa số liệu thực đo và kết quả tính từ công thức hồi quy. Do đó, có triển vọng để mở rộng phạm vi áp dụng của công thức (3-8) và (3-10) cho trường hợp đê nhô một phần. 18