Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, áp dụng cho các khu đô thị, du lịch vùng Duyên hải Bắc Bộ

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

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, áp dụng cho các khu đô thị, du lịch vùng Duyên hải Bắc Bộ" được thực hiện với mục đích đánh giá ảnh hưởng của tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng đến sóng tràn qua tường biển từ kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng. Đề xuất được 01 mặt cắt ngang tường biển phù hợp cho khu đô thị, khu du lịch ở vùng duyên hải Bắc Bộ và áp dụng cho khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng.

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 sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, áp dụng cho các khu đô thị, du lịch vùng Duyên hải Bắc Bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TĂNG XUÂN THỌ NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN MẶT CONG CÓ MŨI HẮT SÓNG, ÁP DỤNG CHO CÁC KHU ĐÔ THỊ, DU LỊCH VÙNG DUYÊN HẢI BẮC BỘ Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 958.02.03 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: 1. PGS. TS. TRẦN THANH TÙNG 2. GS. TS. PHẠM NGỌC QUÝ Phản biện 1: GS.TS. Thiều Quang Tuấn - Trường Đại học Thủy lợi. Phản biện 2: GS.TS. Vũ Minh Cát - Hội Thủy lợi Việt Nam. Phản biện 3: GS.TS. Trần Đình Hòa - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường Đại học Thuỷ Lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội; vào lúc 8 giờ 30’, ngày 09 tháng 12 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 Tường biển là một dạng công trình bảo vệ bờ biển được sử dụng phổ biến tại các khu đô thị, du lịch ven biển vùng duyên hải Bắc Bộ nước ta. Sóng tràn được xác định là nguyên nhân cơ bản gây ra hư hỏng trên nhiều tuyến tường biển. Có thể gia tăng cao trình đỉnh tường biển để giảm sóng tràn qua tường nhưng sẽ cản trở tầm nhìn ra phía biển, ảnh hưởng tới cảnh quan. Một giải pháp giảm sóng tràn nhưng không làm gia tăng cao trình đỉnh tường là xây dựng tường biển có mũi hắt sóng kết hợp với mặt cong để giảm lưu lượng sóng tràn. Nhưng biện pháp này sẽ gia tăng áp lực nước lên thân tường, gây nguy cơ mất ổn định do trượt ngang và xói bãi trước công trình. Để khắc phục nhược điểm này, một mặt cắt ngang tường biển hỗn hợp được nghiên cứu đề xuất với kết cấu bao gồm một khối tường biển bằng bê tông trọng lực đặt trên bệ mái nghiêng. Hiện nay chưa có nghiên cứu đầy đủ về tường biển dạng mặt cong có mũi hắt sóng, cũng như chưa có chỉ dẫn kỹ thuật đối với dạng công trình này. Do vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng đến sóng tràn qua đỉnh tường có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, là cơ sở để tính toán, thiết kế kết cấu tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng cho các khu đô thị, du lịch ở vùng duyên hải Bắc Bộ của nước ta. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá ảnh hưởng của tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng đến sóng tràn qua tường biển từ kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng. - Đề xuất được 01 mặt cắt ngang tường biển phù hợp cho khu đô thị, khu du lịch ở vùng duyên hải Bắc Bộ và áp dụng cho khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng, trong điều kiện sóng không vỡ. - Phạm vi nghiên cứu: bờ biển tại các khu đô thị, khu du lịch ven biển vùng duyên hải Bắc Bộ. 1
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận Tổng hợp, phân tích các kết quả nghiên cứu về sóng tràn và sóng tràn qua tường biển. Nghiên cứu về: hiện trạng tường biển vùng duyên hải Bắc Bộ; ảnh hưởng của tường biển mặt cong đối với sóng tràn qua tường biển, từ đó đề xuất mặt cắt ngang và tính toán cao trình đỉnh tường biển phù hợp với khu vực nghiên cứu. 4.2 Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu tổng quan; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; Phương pháp khảo sát, điều tra và đo đạc thực địa tại vùng nghiên cứu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Đến nay ở nước ta chưa có nhiều nghiên cứu về tương tác của sóng với tường biển dạng mặt cong, có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng đến khả năng chiết giảm sóng tràn qua tường biển. Do vậy, việc nghiên cứu có ý nghĩa về mặt khoa học trong việc bố trí, tính toán thiết kế tường biển. - Hiện nay chưa có các chỉ dẫn kỹ thuật phục vụ cho việc xây dựng tường biển mặt cong có mũi hắt sóng. Do vậy, việc nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc sử dụng các kết quả nghiên cứu trong luận án làm cơ sở để xây dựng các chỉ dẫn kỹ thuật, phục vụ tính toán, thiết kế tường biển. 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 nghiên cứu sóng tràn qua tường biển. Chương 2: Cơ sở khoa học và thiết kế thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua tường biển có mũi hắt sóng trên mô hình vật lý. Chương 3: Sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng. Chương 4: Đề xuất mặt cắt ngang tường biển phù hợp cho khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng. 2
7. Những đóng góp mới của luận án - Đã làm sáng tỏ được các tham số chi phối tới lưu lượng sóng tràn qua tường biển như hình dạng mặt tường và mũi hắt sóng, chiều cao tường tương đối, chiều cao lưu không tương đối và chu kỳ sóng. - Phát triển được công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm sóng tràn - công thức (3-10) tích hợp vào công thức sóng tràn qua tường biển của EurOtop-2018 để tính toán lưu lượng sóng tràn cho dạng tường biển mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng, áp dụng tính toán cao trình đỉnh cho tường biển mặt cong có mũi hắt sóng cho tường biển khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN 1.1 Tổng quan về sóng tràn 1.1.1. Khái niệm chung về sóng tràn và lưu lượng sóng tràn trung bình Sóng tràn là hiện tượng nước bị đẩy tràn qua đỉnh của đê/tường biển do động năng của sóng trong khi đỉnh công trình vẫn còn cao hơn mực nước biển. Lưu lượng sóng tràn trung bình là lượng sóng tràn được lấy trung bình trong một đơn vị thời gian và được đo bằng l/s/m hoặc m3/s/m. 1.1.2. Lưu lượng sóng tràn cho phép Lưu lượng sóng tràn cho phép là đại lượng được đưa ra dựa trên việc đánh giá các tác động của sóng tràn đến bản thân công trình và đối tượng được công trình bảo vệ. Đại lượng này phụ thuộc vào chất lượng kết cấu công trình đê/tường biển, mức độ cho phép ngập khu vực phía sau công trình. 1.1.3. Các tham số chi phối sóng tràn - Tham số hình học kết cấu công trình (kích thước hình học của công trình, chiều cao lưu không, độ dốc mái đê…), tham số sóng (chiều cao sóng ý nghĩa, đặc trưng phổ sóng, chiều dài sóng nước sâu, hệ số sóng vỡ Iribarren…). - Bãi trước công trình, cơ (thềm) phía biển. 3
1.2 Các nghiên cứu về sóng tràn qua tường biển trên thế giới và Việt Nam - Hướng nghiên cứu chính: Định lượng và đặc trưng dòng chảy do sóng tràn gây nên; xác định các tác động do sóng tràn gây nên hư hỏng công trình. - Các phương pháp trong nghiên cứu cơ bản (03 phương pháp): Thực nghiệm đo đạc hiện trường, mô hình vật lý, mô hình số trị. 1.2.1. Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển ở nước ngoài 1.2.1.1. Nghiên cứu thực nghiệm, đo đạc tại hiện trường Một số nghiên cứu điển hình như: Dự án OPTICREST của Ủy ban Châu Âu; Pullen và cộng sự (2008); M. Yamashiro và cộng sự (2013). 1.2.1.2. Nghiên cứu trên mô hình vật lý về sóng tràn qua tường biển a) Sóng tràn qua đê biển mái nghiêng - Nghiên cứu của: Saville (1955); Owen (1980); De Waal và Van der Meer (1992). - TAW (2002), EurOtop (2007), EurOtop (2018) đã xây dựng các công thức tính toán sóng tràn qua đê biển. Trong đó EurOtop (2018) đã xây dựng các công thức tính toán sóng tràn qua đê biển cho các loại kết cấu hình học đê và có xét đến đến ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê trong trường hợp sóng không vỡ trên mái nghiêng (công thức (1 - 2)): q   Rc   c = a.exp  −  b.   (1-2) 3 gH m 0   H m 0 f    *       Trong đó: q là lưu lượng sóng tràn trung bình, Rc là chiều cao lưu không, g là gia tốc trọng trường, giá trị trung bình các hệ số a = 0, 09 , b = 1,5 , c = 1,3 ;  f ,   lần lượt là hệ số chiết giảm do độ nhám mái và do góc sóng tới xiên góc,  * là hệ số ảnh hưởng kết hợp xác định theo từng dạng kết cấu công trình khác nhau. - Nghiên cứu của Berkeley-Thorn và Roberts (1981) đã đề xuất một kết cấu tường mặt cong với mũi hắt sóng được đặt trên mái nghiêng. Nghiên cứu đã khẳng định hiệu quả giảm sóng tràn của tường mặt cong có mũi hắt sóng. Đây là cơ sở để nghiên cứu về tường mặt cong có mũi hắt sóng của luận án. 4
b) Sóng tràn qua tường đứng: Nghiên cứu của Franco và Franco (1999). c) Ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến sóng tràn qua tường biển: Các thí nghiệm mô hình vật lý đối với các mặt cắt tường biển khác nhau của Veale và cộng sự (2012), Talia Schoonees (2014) đều cho kết quả: tường có mũi hắt sóng có hiệu quả giảm sóng tràn tốt hơn so với tường không có mũi hắt sóng. • Nhận xét: Các công thức tính toán sóng tràn qua đê/tường biển hiện nay chủ yếu được áp dụng với đê biển mái nghiêng, đê mái nghiêng có tường đỉnh, tường biển mặt thẳng đứng. Mặc dù đã có trường hợp xét đến ảnh hưởng của mũi hắt sóng ở tường đỉnh/tường biển nhưng chưa có công thức nào xét đến ảnh hưởng của tường mặt cong đến lưu lượng sóng tràn qua đỉnh tường. 1.2.1.3. Nghiên cứu trên mô hình số trị về sóng tràn qua tường biển Các mô hình NLSW có khả năng tương đối tốt trong việc tính toán lưu lượng sóng tràn qua đê có độ dốc nhỏ và không có tường đỉnh. 1.2.2. Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển, tường biển ở Việt Nam - Các nghiên cứu về sóng tràn hiện nay chủ yếu tập trung vào đê biển, đê biển có tường đỉnh, như các nghiên cứu: Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2006, 2009, 2010, 2013); Nguyễn Văn Thìn & nnk (2013); Nguyễn Văn Dũng & nnk (2015). - Kết quả ghiên cứu sóng tràn qua tường biển bằng mô hình vật lý của Đề tài KHCN Bộ Xây Dựng: tường biển có mũi hắt sóng có hiệu quả giảm sóng tràn cao hơn tường biển không có mũi hắt sóng, tường biển mặt cong có mũi hắt sóng có hiệu quả giảm sóng tràn tốt hơn so với các dạng mặt tường khác. Đây là cơ sở để tác giả lựa chọn tường mặt cong, có mũi hắt sóng để nghiên cứu của luận án. 1.3 Hiện trạng tường biển và hư hỏng tường biển do sóng tràn ở vùng duyên hải Bắc Bộ Tường biển được sử dụng phổ biến làm công trình bảo vệ bờ tại các khu đô thị, du lịch, các bờ đảo tại Miền Bắc nước ta như: đảo Trần (tỉnh Quảng Ninh), huyện đảo Cát Hải và bán đảo Đồ Sơn (thành phố Hải Phòng). Phần lớn các công trình này đều chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về phòng chống thiên tai. 1.4 Kết luận chương 1 Tường biển là công trình bảo vệ bờ biển được sử dụng phổ biến trên thế giới do ưu điểm về giảm thiểu diện tích đất chiếm chỗ của công trình, hài hòa với cảnh 5
quan. Tường biển được sử dụng nhiều tại các khu đô thị, khu du lịch vùng duyên hải Bắc Bộ nước ta với hình thức và kết cấu tương đối đơn giản. Tường biển có chiều cao từ 1,5 ÷ 3,0 m, lớn hơn nhiều so với tường đỉnh trên đê mái nghiêng. Hiện nay một số tường biển đã được thiết kế có mũi hắt sóng hoặc kết hợp mặt cong nhưng chưa đảm bảo các điều kiện về chống sóng tràn, công trình dễ bị sóng tràn làm hư hỏng. Nguyên nhân cơ bản của các hư hỏng nêu trên: - Các công thức tính toán sóng tràn hiện nay chủ yếu được áp dụng cho đê biển mái nghiêng, đê mái nghiêng có tường đỉnh, tường biển mặt thẳng đứng. Đã có trường hợp xét đến ảnh hưởng của mũi hắt sóng ở tường đỉnh/tường biển nhưng chưa có công thức nào xét đến ảnh hưởng của các dạng mặt tường khác, đặc biệt là tường mặt cong đến lưu lượng sóng tràn qua đỉnh tường. - Đến nay chưa có nhiều nghiên cứu về sóng tràn qua tường biển ở Việt Nam, đặc biệt là nghiên cứu về tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng đặt trên mái nghiêng, chưa có chỉ dẫn kỹ thuật cụ thể đối với dạng công trình này. Trên cơ sở tài liệu thu thập, nghiên cứu sinh đã thống kê, đánh giá các tham số ảnh hưởng tới sóng tràn, tổng hợp các nhóm công thức tính sóng tràn qua tường biển hiện có trên thế giới. Từ đó sẽ thiết kế và thực hiện thí nghiệm mô hình vật lý để nghiên cứu ảnh hưởng của tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng đến lưu lượng sóng tràn qua đỉnh tường. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN CÓ MŨI HẮT SÓNG TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ 2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng 2.1.1. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng Có thể sử dụng các phương pháp để nghiên cứu sóng tràn qua tường biển: thực nghiệm tại hiện trường, mô hình toán, mô hình vật lý. Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng được lựa chọn để nghiên cứu trong đề tài. 2.1.2. Thiết kế nghiên cứu Thực hiện mô hình vật lý theo 2 giai đoạn để nghiên cứu sóng tràn qua tường biển 6
trong điều kiện địa hình và thủy động lực vùng duyên hải Bắc Bộ (Hình 2.1). - Giai đoạn 1 (nhóm TN 1): thí nghiệm để đánh giá hiệu quả giảm sóng tràn qua các dạng mặt cắt ngang tường biển khác nhau (có và không có mũi hắt sóng). Từ đó lựa chọn ra mặt cắt ngang tường biển có hiệu quả giảm sóng tràn tốt nhất. - Giai đoạn 2 (nhóm TN 2): thí nghiệm sóng tràn qua mặt cắt ngang tường biển đã được lựa chọn tại nhóm TN 1 với các kịch bản chi tiết để nghiên cứu ảnh hưởng của mặt cắt ngang tường đến lưu lượng sóng tràn qua tường. Hình 2.1 Sơ đồ các bước nghiên cứu sóng tràn trên mô hình vật lý máng sóng 2.2 Cơ sở lý thuyết chung về mô hình vật lý Các thông số thiết kế thí nghiệm được thiết lập theo tiêu chuẩn tương tự Froude. Từ đó tìm được 04 đại lượng phi thứ nguyên qua phép cân bằng thứ nguyên: q R h 1 = ,  2 = c ,  3 = w ,  4 = sm−1,0 (2-12) 3 gH m 0 H m0 H m0 Hàm số chung biểu thị sự ảnh hưởng của các tham số đến lưu lượng sóng tràn qua tường biển sẽ là:  q R h  F , c , w , sm −1,0 =0 (2-13)  gH 3 H m 0 Rc   m0  Trong đó: q / gH m 0 là lưu lượng tràn tương đối; Rc / H m 0 là chiều cao lưu 3 không tương đối, hw / Rc là chiều cao tường tương đối và sm −1,0 là độ dốc sóng xác định theo chu kỳ đặc trưng phổ sóng Tm −1,0 . Các tham số phi thứ nguyên này 7
là cơ sở để xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm sóng tràn do tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng. 2.3 Thiết kế nghiên cứu sóng tràn qua tường biển trên mô hình vật lý máng sóng - Lựa chọn tỉ lệ mô hình: Tỷ lệ 1/15. - Xây dựng mô hình tường biển và bố trí thí nghiệm: Độ dốc bãi trước 1/100; Độ dốc mái nghiêng m=2; Chiều cao mô hình tường biển 15 cm (Hình 2.3). Hình 2.3 Sơ đồ bố trí các hạng mục công trình và đầu đo sóng Hình 2.6 Kích thước tường biển mặt cong có mũi hắt sóng được thí nghiệm - Các kịch bản thí nghiệm: + Nhóm TN 1: 24 kịch bản thí nghiệm. + Nhóm TN 2: 55 kịch bản thí nghiệm sóng ngẫu nhiên và 7 kịch bản sóng đều. 2.4 Kết luận chương 2 Chương 2 đã phân tích ưu, nhược điểm của các phương pháp nghiên cứu sóng tràn qua tường biển. Mô hình vật lý máng sóng với tỉ lệ mô hình 1/15 đã được lựa chọn là phương pháp để nghiên cứu trong luận án. 8
Thực hiện 02 nhóm thí nghiệm với 86 kịch bản nhằm đánh giá hiệu quả giảm sóng tràn của các dạng mặt cắt ngang tường biển khác nhau, từ đó lựa chọn được dạng MCN tường biển có hiệu quả giảm sóng tràn tốt nhất. Phân tích thứ nguyên PI-Buckingham để xác định hàm số biểu thị ảnh hưởng của các tham số đến lưu lượng sóng tràn qua tường biển PT. (2-13) với tham số: lưu lượng tràn tương đối; chiều cao lưu không tương đối, chiều cao tường tương đối, độ dốc sóng. Đây là cơ sở để xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm sóng tràn tại Chương 3. CHƯƠNG 3 SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN MẶT CONG CÓ MŨI HẮT SÓNG ĐẶT TRÊN BỆ MÁI NGHIÊNG 3.1 Ảnh hưởng của mũi hắt sóng và hình dạng mặt tường đến lưu lượng sóng tràn Thí nghiệm mô hình vật lý để xác định dạng MCN tường cho hiệu quả giảm sóng tràn tốt nhất. Từ bộ số liệu Nhóm thí nghiệm 1 (24 kịch bản, 06 dạng MCN tường biển), tác giả so sánh lưu lượng tràn phi thứ nguyên qua từng loại MCN tường biển. Phân tích ảnh hưởng của hình dạng mặt tường và mũi hắt sóng đến sóng tràn qua tường, từ đó xác định được dạng MCN tường có hiệu quả giảm sóng tràn tốt nhất để thực hiện bước 2 của nghiên cứu. Dạng mặt đứng Dạng mặt nghiêng Dạng mặt cong Không có mũi hắt sóng Có mũi hắt sóng - Ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến lưu lượng tràn: Kết quả thì nghiệm cho thấy tường biển có mũi hắt sóng có hiệu quả giảm sóng tràn tốt hơn tường không có mũi hắt sóng tại tất cả các kịch bản. - Ảnh hưởng của hình dạng mặt tường đến lưu lượng tràn I (với trường hợp tường có mũi hắt sóng): so với tường biển mặt đứng và mặt nghiêng, tường biển mặt 9
cong có mũi hắt sóng (TM3) có hiệu quả giảm sóng tràn tốt nhất qTM 1  qTM 2  qTM 3 . 3.2 Phân tích tương tác sóng - tường biển biển mặt cong có mũi hắt sóng bằng hệ thống video - camera Xử lý các hình ảnh bằng hệ thống video-camera trong quá trình thí nghiệm với 7 kịch bản sóng đều để phân tích chi tiết tương tác giữa sóng và tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng. Chương trình phân tích ảnh được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để phân tích các tham số sóng tràn: lớp nước tràn trên đỉnh lớn nhất, chiều cao đỉnh lưỡi sóng lớn nhất, thời gian duy trì dòng chảy sóng tràn trên đỉnh tường được trích xuất từ ma trận hình ảnh. Chu trình tương tác sóng - tường trải qua 4 giai đoạn: (1) sóng leo lên mái nghiêng, (2) sóng va vào thân tường tạo sóng bắn, (3) sóng tràn qua đỉnh tường và (4) sóng rút. Trong đó, giai đoạn 3 là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình tương tác sóng - tường: mô tả quá trình sóng bắn đạt đến độ cao lớn nhất, tạo ra lượng nước tràn qua mặt trước, đổ xuống đỉnh của tường biển và hình thành dòng chảy tràn chảy qua đỉnh tường. Ảnh hưởng của chiều cao sóng, chu kỳ sóng tới chiều cao sóng đỉnh lưỡi sóng lớn nhất, bề dày dòng chảy sóng tràn và thời gian sóng tràn duy trì trên đỉnh tường ở giai đoạn 3 được phân tích như sau: - Khi chiều cao sóng tăng, chiều cao đỉnh lưỡi sóng cũng tăng theo Hình 3.27. Hình 3.27 Chiều cao đỉnh lưỡi sóng lớn nhất tổng hợp các kịch bản sóng đều - Chiều cao lưu không tương đối tỷ lệ nghịch với chiều cao đỉnh lưỡi sóng tương đối. Sự tương quan này cũng thể hiện sự biến đổi của độ dốc đỉnh lưỡi sóng tương đối dựa trên thay đổi của chiều cao sóng và chu kỳ sóng. 10
- Chiều cao lưu không tương đối tỷ lệ nghịch với độ dốc lớp nước tràn tương đối. Khi chu kỳ sóng ngắn hơn, chiều dày lớp tràn tương đối có xu thế nhỏ hơn. - Chiều cao đỉnh lưỡi sóng tương đối tỷ lệ thuận với thời gian duy trì dòng tràn đỉnh tường biển tương đối. - Khi chiều cao và chu kỳ sóng nhỏ, đỉnh sóng có độ dốc thoải và bề rộng lớn. Khi chiều cao sóng và chu kỳ sóng tăng, đỉnh sóng tạo ra góc dốc lớn, bề rộng của lưỡi sóng tăng và bụng sóng dần biến mất. Khi sóng với chiều cao và chu kỳ lớn tới và gặp tường biển có mũi hắt sóng, sóng có thể tràn qua mũi hắt và lấp đầy không gian phía dưới mũi hắt, các con sóng tới tiếp theo sẽ tương tác với tường biển như với tường đứng không còn có mũi hắt và bụng cong. - Lưu lượng tràn tương đối có mối quan hệ tỷ lệ thuận với thời gian duy trì dòng tràn đỉnh tường biển tương đối. Như vậy, các tham số sóng tràn tương đối có tương quan mật thiết nhưng phức tạp với nhau và với các điều kiện biên thủy động lực. Phân tích mối liên hệ này sẽ giúp hiểu rõ hơn về tương tác giữa sóng và tường biển và là cơ sở cho các nghiên cứu mô hình hóa sau này. 3.3 Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm sóng tràn do ảnh hưởng của tường mặt cong có mũi hắt sóng 3.3.1. Lựa chọn dạng công thức thực nghiệm Đến nay, công thức EurOtop (2018) - công thức (1-2) được coi là công thức tính toán sóng tràn hoàn chỉnh nhất cho đa dạng các loại kết cấu hình học đê mái nghiêng trong đó có xét đến ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê có mũi hắt sóng tới sóng tràn. EurOtop (2018) cung cấp hướng dẫn về tường đỉnh trên mái nghiêng hoặc trên thềm trước có hoặc không có mũi hắt và được chia thành 04 trường hợp: (1) Trường hợp 1: tường đỉnh có chiều cao tương đối lớn với chân tường bên dưới mực nước tính toán. (2) Trường hợp 2: tường chắn sóng ở cuối mái nghiêng có độ dốc thoải 1: 6 11
(3) Trường hợp 3: tường chắn sóng với chân tường ở trên mực nước tính toán, trên mái nghiêng hoặc thềm trước, sóng không vỡ trên mái nghiêng. (4) Trường hợp 4: trong khu vực lặng sóng như các vịnh… Hình 3.36 Sơ đồ tính sóng tràn qua tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng Mô hình tường biển mặt cong có mũi hắt sóng đã được thí nghiệm tại nhóm thí nghiệm thứ 2 của luận án có các đặc điểm: chiều cao tường nhỏ hơn so với chiều cao tổng thể của công trình ( hw / H t = 0,3 ); mực nước thấp hơn hặc bằng chân tường; hệ số mái nghiêng m = 2; sóng không vỡ trên mái nghiêng → Mô hình thí nghiệm thỏa mãn trường hợp (3) của công thức EurOtop-2018. Do đó, kết cấu “Tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng, sóng không vỡ trên mái nghiêng” được lựa chọn để áp dụng cho mô hình thí nghiệm của luận án. Sơ đồ tính toán như Hình 3.36. Theo EurOtop-2018, ảnh hưởng của tường mặt cong có mũi hắt sóng đến lưu lượng sóng tràn qua tường được biểu diễn thông qua hệ số chiết giảm sóng tràn do ảnh hưởng của tường  v * 3.3.2. Xây dựng công thức thực nghiệm So sánh kết quả lưu lượng sóng tràn thí nghiệm với kết quả lưu lượng tràn tính toán từ công thức EurOtop-2018, trường hợp sóng tràn qua đê có tường đỉnh, sóng không vỡ (PT. (1-2)) cho thấy khi có tường mặt cong có mũi hắt sóng trên đỉnh mái nghiêng, sóng tràn đã suy giảm đi đáng kể. 12
Hình 3.37 So sánh số liệu đo đạc sóng tràn với trường hợp đê có cùng cao trình và không có tường đỉnh (đê có hệ số mái trước m = 2) Như vậy, ảnh hưởng của tường mặt cong có mũi hắt sóng cần được xét cụ thể hơn để đảm bảo sự tin cậy khi tính toán lưu lượng sóng tràn qua tường biển. Qua các phân tích từ công thức EurOtop (2018), công thức tính hệ số chiết giảm sóng tràn do tường mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng có dạng: 1/ c  1   = 1+ A / A  * (3-6)    q r   qref  c  Rc  trong đó, Aq = ln   và Ar =  b  là các đại lượng đặc trưng cho lưu  qw   H m0  lượng sóng tràn và chiều cao lưu không phi thứ nguyên. Hình 3.38 Tương quan của hệ số  v* với chiều cao tường tương đối hw / Rc Từ Hình 3.38 cho thấy: quan hệ (  v * hw / Rc ) là nghịch biến → khi chiều cao tường tương đối tăng thì hệ số chiết giảm nhỏ đi. Hệ số  v* có xu thế nghịch biến với độ dốc sóng sm −1,0 (đồng biến với chu kỳ sóng Tm −1,0 ) 13
Để thuận tiện cho việc phân tích ảnh hưởng của tường mặt cong có mũi hắt sóng đến sóng tràn, khái niệm mới về chiều cao tường tương đối  được đưa vào. hw = sm−1,0 (3-8) Rc với sm −1,0 là độ dốc sóng biểu kiến xác định theo chu kỳ Tm −1,0 trước chân công trình. Hàm toán học miêu tả quan hệ  v*  được đề xuất:  v = 0,65.tanh ( c1. c * 2 ) (3-9) Trong đó: c1 , c2 là các hệ số được xác định dựa trên phân tích hồi quy phi tuyến với các số liệu thực nghiệm. Hình 3.41 trình bày kết quả phân tích hồi quy (PT.3-9) với các kết quả thực nghiệm. Hệ số hồi quy và sai số dự đoán được đánh giá là tương đối tốt: R 2 = 0,62 và RMSE = 0,069 . Hình 3.41 Quan hệ  v* với chiều cao tường tương đối  = hw / Rc sm −1,0 Công thức (3-9) được viết lại thành:  v = 0, 65. tanh ( 0,12. −1,28 ) * (3-10) Hình 3.43 là biểu đồ sóng tràn tính toán theo công thức EurOtop-2018 (PT.3-10) tương tự Hình 3.37 sau khi đã kể tới hệ số chiết giảm sóng tràn do ảnh hưởng của tường mặt cong có mũi hắt sóng  v* . HìnhHình 3.43 cho thấy, việc kể đến ảnh hưởng của tường mặt cong có mũi hắt sóng thông qua hệ số chiết giảm sóng tràn  v* đã cải thiện đáng kể mức độ tin cậy trong tính toán sóng tràn. Trên cơ sở các đặc trưng mô hình vật lý đã xây dựng, điều kiện áp dụng công thức (3-10) được kiến nghị như sau: chân tường luôn nằm cao hơn hoặc bằng mực nước tính toán; Hệ số mái nghiêng phía trước m = 2; sóng không vỡ trên 14
mái nghiêng; tỉ số hw / Rc = 0,5  1,0 ; bỏ qua độ nhám mái và hướng sóng tới. Hình 3.43 Số liệu sóng tràn so sánh với EurOtop-2018 sau khi đã xét tới hệ số chiết giảm sóng tràn do tường mặt cong có mũi hắt sóng  v* 3.4 Kết luận chương 3 Chương 3 đã tổng hợp và phân tích số liệu của các nhóm thí nghiệm đã được xây dựng và thực hiện trong Chương 2. Kết quả phân tích số liệu TN nhóm 1: Độ sâu nước trước công trình là tham số quan trọng ảnh hưởng tới lưu lượng sóng tràn. Tường biển có mũi hắt sóng có hiệu quả giảm sóng tràn tốt hơn so với tường biển không có mũi hắt sóng. Tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng có hiệu quả giảm sóng tràn tốt hơn so với tường biển có mũi hắt sóng dạng mặt nghiêng và mặt đứng. Đây là cơ sở để tác giả lựa chọn tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng để thực hiện nghiên cứu bước 2. Qua phân tích video thí nghiệm của 7 kịch bản sóng đều cho thấy, chu trình tương tác sóng - tường trải qua 4 giai đoạn: (1) sóng leo lên mái nghiêng, (2) sóng va vào thân tường tạo đỉnh sóng, (3) sóng tràn qua đỉnh tường và (4) sóng rút. Kết quả phâp tích số liệu TN nhóm 2: Ảnh hưởng của tường mặt cong, có mũi hắt sóng đến lưu lượng sóng sóng tràn được biểu diễn thông qua hệ số chiết giảm sóng tràn (  v* ). Quan hệ giữa  v* và hw / Rc (chiều cao tường tương đối) là nghịch biến. Hệ số  v* nghịch biến với độ dốc sóng (đồng biến với chu kỳ sóng). 15
Chương 3 đã xây dựng công thức (3-10) xác định hệ số chiết giảm sóng tràn do ảnh hưởng của tường mặt cong, có mũi hắt sóng (trường hợp chân tường không nằm dưới mực nước tính toán, sóng không vỡ trên mái nghiêng). Từ đó tích hợp vào công thức (1-2) của EurOtop (2018) để xác định lưu lượng sóng tràn qua tường. Đây là cơ sở áp dụng tính toán cao trình đỉnh tường biển trong Chương 4. CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG TƯỜNG BIỂN PHÙ HỢP CHO KHU DU LỊCH ĐỒ SƠN, THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG 4.1 Lựa chọn địa điểm ứng dụng kết quả nghiên cứu 4.1.1. Vị trí địa lý Nghiên cứu trong luận án đã lựa chọn bờ biển khu du lịch Đồ Sơn làm vị trí để áp dụng kết cấu tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng. 4.1.2. Điều kiện tự nhiên - Thủy triều: Chế độ nhật triều thuần nhất, mực nước từ 3 ÷ 4m. Mực nước biển trung bình nhiều năm 1,9 m. Mực nước triều lịch sử cao nhất 4,35m. - Chế độ gió: Tốc độ lớn nhất >20 m/s theo các hướng Nam, Tây Nam, Bắc, Tây Bắc và hướng Đông. Hướng gió thịnh hành nhất là hướng Đông. - Chế độ sóng: Mùa đông, hướng sóng thịnh hành là Đông, Đông Bắc, độ cao trung bình 0,5 ÷ 0,75 m, cực đại đạt 3,0 ÷ 4,0 m. Mùa hè, hướng sóng thịnh hành là Nam, Đông Nam, độ cao trung bình đạt 0,5 ÷ 0,75 m, cực đại đạt 3,0 ÷ 3,5 m. 4.2 Hiện trạng tường biển 4.2.1. Hiện trạng kết cấu tường biển tại khu du lịch Đồ Sơn Hệ thống tường biển bảo vệ cho khu du lịch Đồ Sơn được xây dựng, tu bổ, nâng cấp qua nhiều thời kỳ với tổng chiều dài 6.250 m. Hình thức kết cấu đa dạng (đá xây, gạch xây, bê tông), tường biển thường xuyên bị hư hỏng do sóng tràn. Tuyến tường biển Đồ Sơn được chia thành 10 đoạn như Hình 4.3. 16
Hình 4.3 Các đoạn tường biển và các mặt cắt ngang điển hình. Theo hình thức kết cấu, tường biển Đồ Sơn được chia thành 02 loại: - Tường biển chưa được nâng cấp: Gồm các đoạn số 1, số 2; các đoạn từ số 5 ÷ số 10. Tổng chiều dài 4.817 m. Cao trình đỉnh tường từ +3,6 ÷ +7,5 m. - Tường biển đã được nâng cấp, có mũi hắt sóng: Gồm các đoạn số 3 và số 4. Tổng chiều dài 1.431 m. Cao trình đỉnh tường từ +4,3 ÷ +5,0 m. 4.2.2. Hiện trạng sóng tràn qua một số đoạn tường biển tại Đồ Sơn NCS đã đo đạc 10 mặt cắt ngang địa hình tường biển tương ứng với 10 đoạn ở Hình 4.3 để tính toán lưu lượng sóng tràn tường biển điển hình hiện có tại Đồ Sơn. - Quy mô công trình: Công trình cấp IV; Tần suất thiết kế: PTK = 3,33% . Sóng tràn qua tường biển xảy ra ngay cả trong điều kiện không có gió bão nên ngoài việc tính toán lưu lượng tràn với tần suất thiết kế 3,33%, tác giả đã tính toán lưu lượng tràn qua tường biển ứng với các tần suất 2% và 5% để đánh giá. - Mực nước thiết kế được xác định theo Bảng 4.1. Bảng 4.1 Mực nước thiết kế và tham số sóng tại nước sâu ứng với các giá trị tần suất thiết kế STT Tần suất P (%) 2% 3.33% 5% 1 Mực nước thiết kế (m) 3,38 3,2 2,73 2 Chiều cao sóng nước sâu Hs (m) 7,73 7,36 7,02 3 Chu kỳ sóng đỉnh phổ tại nước sâu Tp (s) 10,17 10,02 9,88 17
- Lưu lượng sóng tràn qua các đoạn tường biển Đồ Sơn được tính toán theo công thức Franco và Franco (1999). Kết quả trình bày tại Bảng 4.3. Bảng 4.3 Lưu lượng tràn trung bình qua các đoạn tường biển tại Đồ Sơn STT Mặt cắt q2% (l/s/m) q3,33% (l/s/m) q5% (l/s/m) 1 D1 151,2 90,1 18,4 2 D2 19,8 8,7 0,4 3 D3 20,9 10,8 1,4 4 D4 101,0 63,2 16,2 5 D5 300,5 206,3 67,9 6 D6 54,1 34,6 9,2 7 D7 132,6 77,7 13,6 8 D8 290,5 206,3 77,6 9 D9 29,8 15,8 2,2 10 D10 27,3 16,1 3,5 Nhận xét: Các đoạn D1, D5 và D8 có lưu lượng tràn cao nhất. Kết quả tính toán phù hợp với thực tế, đây là những đoạn thường xuyên bị hư hỏng do sóng tràn. 4.2.3. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng tràn tới hư hỏng tường biển tại Đồ Sơn Đối chiếu mức độ ảnh hưởng của lưu lượng tràn qua tường biển đối với sự an toàn của công trình (theo TCVN 9901: 2014) với kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn qua công trình tại Bảng 4.3 cho thấy mức đảm bảo an toàn của tường biển Đồ Sơn là rất thấp. Do vậy, NCS đề xuất giải pháp thiết kế tường biển mặt cong có mũi hắt sóng nhằm giảm lưu lượng sóng tràn qua tường biển Đồ Sơn. 4.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu Đoạn tường D8 có lưu lượng sóng tràn lớn nhất được lựa chọn áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán. Đây là đoạn có nhiều công trình dân sinh, hạ tầng và sát với đường giao thông. Điều kiện biên thiết kế: Mực nước thiết kế Z MNTK = 3, 2 ( m ) ; Chiều cao sóng tại chân công trình: H s 0 = 2,625 ( m ) ; Chu kỳ sóng: Tp = 7,397 ( s ) . 18