Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM VĂN LẬP

NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG TẠI CHÂN KÈ

NÔNG TRONG THIẾT KẾ CHÂN KÈ ĐÁ ĐỔ, ÁP DỤNG CHO ĐÊ

BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP&PTNN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM VĂN LẬP

NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG TẠI CHÂN KÈ

NÔNG TRONG THIẾT KẾ CHÂN KÈ ĐÁ ĐỔ, ÁP DỤNG CHO ĐÊ

BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số:

9580202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. Lê Xuân Roanh

2. GS. TS. Ngô Trí Viềng

HÀ NỘI, NĂM 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và

dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu được thực hiện trích dẫn và

ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.

Tác giả luận án

Phạm Văn Lập

LỜI CẢM ƠN

Luận án ““Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng” được thực hiện từ 11/2014 và hoàn thành

vào 11/2018.

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Xuân Roanh GS.TS. Ngô Trí Viềng đã

dành nhiều công sức giúp đỡ và tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án.

Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ của Trường Đại học Thủy Lợi,

đặc biệt là các thầy cô giáo trong Bộ môn Thủy công Khoa Công trình, bộ môn Kỹ thuật

công trình biển thuộc khoa Kỹ thuật Biển, cán bộ thuộc phòng TNTL tổng hợp, Phòng Đào

tạo đại học và sau đại học, các nhà khoa học từ các đơn vị trong và ngoài trường Đại học Thủy Lợi có nhiều đóng góp quý báu và đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu

và hoàn thành luận án.

Tác giả cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện để

tác giả hoàn thành luận án này.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... iii

MỤC LỤC ............................................................................................................................. i

DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................... iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................... v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ..................................................... vi

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN .................................................. vii

MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................................... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................................... 2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 2

4. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................................... 2

5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 2

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................... 2

7. Cấu trúc của luận án .......................................................................................................... 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ ĐÊ BIỂN ĐÁ ĐỔ ........................ 4

1.1 Kết cấu bảo vệ chân kè đê biển ............................................................................. 4

1.1.1 Cấu tạo chung của đê biển ................................................................................... 4

1.1.2 Khái quát lớp bảo vệ chân kè đê biển .................................................................. 5

1.1.3 Chân kè nông ........................................................................................................ 7

1.2 Dòng chảy khu vực chân kè nông ......................................................................... 7

1.2.1Hình thành dòng chảy khu vực gần chân kè

........................................................................................................................................ 7

1.2.2. Dòng chảy tiếp cận vùng sóng vỗ ....................................................................... 9

1.2.2.1 Chuyển động quỹ đạo của phần tử nước ......................................................... 9

1.2.2.2 Lý thuyết sóng tuyến tính ................................................................................ 9

1.2.2.3 Lý thuyết sóng bậc cao .................................................................................. 11

1.2.2.4 Lý thuyết dòng chảy sóng bậc 2 .................................................................... 12

1.2.3.Dòng chảy do sóng tác động tới chân kè nông

...................................................................................................................................... 13

1.3 Nghiên cứu ổn định của chân kè đá đổ .............................................................. 18

1.3.1 Nghiên cứu chân kè đá đổ trên thế giới ............................................................ 18

i

1.3.2 Nghiên cứu ổn định chân kè tại Việt Nam ........................................................ 23

1.3.2.1 Nghiên cứu thử nghiệm và lý thuyết ............................................................. 23

1.3.2.2. Nghiên cứu ứng dụng ................................................................................... 24

1.3.3 Những tồn tại của nghiên cứu chân kè hiện nay .............................................. 26

1.4. Định hướng vấn đề nghiên cứu của luận án ......................................................... 27

1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................................... 28

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH SỐ NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY TẠI CHÂN KÈ NÔNG ..... 29

2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................. 29

2.2 Hướng nghiên cứu dạng mô hình toán ................................................................... 30

2.2.1 Một số phần mềm thông dụng trong nghiên cứu sóng vùng ven bờ ................ 30

2.2.2 Máng sóng số ...................................................................................................... 30

2.2.2.1 Các phương trình cơ bản sử dụng trong lý thuyết máng sóng số .................. 31

2.2.2.2 Cấu trúc của máng sóng số ............................................................................ 34

2.3 Lựa chọn điều kiện biên cho chạy mô hình toán ................................................... 35

2.3.1 Căn cứ thiết lập thông số tính toán .................................................................... 35

2.3.2. Hiệu chỉnh mô hình máng sóng số MSS-2D .................................................... 35

2.3.3 Kiểm định mô hình trường hợp mái không có mố nhám ................................ 36

2.3.4 Kiểm định mô hình trường hợp mái có mố nhám ............................................. 38

2.4 Nghiên cứu khả năng tiêu giảm năng lượng khi có mố nhám ............................. 40

2.5 Mối quan hệ giữa các tham số ................................................................................. 43

2.6 Kết luận chương 2 .................................................................................................... 46

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG Ở CHÂN KÈ NÔNG

BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ................................................................................................ 48

3.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................. 48

3.2 Hướng nghiên cứu bằng mô hình vật lý ................................................................. 48

3.2.1 Quá trình phát triển hướng nghiên cứu ............................................................ 48

3.2.2 Lý thuyết chuyển đổi thông số tương quan trong mô hình .............................. 49

3.2.2.1 Thứ nguyên .................................................................................................... 49

3.2.2.2 Tính tương tự trong nghiên cứu mô hình vật lý ............................................ 50

3.2.3 Giới thiệu mô hình vật lý .................................................................................... 51

3.3 Cơ sở lựa chọn biên thí nghiệm .............................................................................. 54

3.3.1 Chọn biên thí nghiệm ......................................................................................... 54

ii

3.3.2 Máng sóng thí nghiệm ........................................................................................ 55

3.4 Kịch bản thí nghiệm ................................................................................................. 57

3.5 Kết quả thí nghiệm máng sóng vật lý ..................................................................... 59

3.6 Xây dựng công thức thực nghiệm ........................................................................... 61

3.6.1 Cơ sở lập .............................................................................................................. 61

3.6.2 Giải và tìm hàm phiếm phụ ................................................................................ 62

3.6.3 Bài toán tổng quát ............................................................................................... 63

3.6.4 Tính toán vận tốc chân kè .................................................................................. 63

3.7 Kết luận chương 3 .................................................................................................... 65

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN SO SÁNH KHỐI LƯỢNG VIÊN ĐÁ BẢO VỆ CHÂN KÈ ÁP

DỤNG CHO ĐÊ BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG .............................................................. 66

4.1 Giới thiệu chung về đê Cát Hải, Hải Phòng .......................................................... 66

4.1.1 Hiện trạng công trình trước khi sửa chữa ........................................................ 66

4.1.2 Thông tin chung phục vụ tính toán thiết kế ...................................................... 67

4.2 Hiện tượng hư hại mái kè do vật rắn chà xát ........................................................ 68

4.3 Thiết kế mố nhám chân kè ...................................................................................... 69

4.4 Đề xuất quy trình kiểm tra điều kiện ổn định viên đá tại chân kè ...................... 72

4.5 Tính toán lựa chọn cấu kiện bảo vệ ........................................................................ 73

4.5.1 Nhận xét về các lần sửa chữa và nâng cấp gần đây tại tuyến đê nghiên cứu . 73

4.5.2 Thiết kế chi tiết mố nhám cản đá và hình dáng cấu kiện tạo nên mố nhám ... 73

4.5.3 Kết quả quan trắc mố nhám thiết kế .................................................................. 78

4.6 So sánh tính toán khối lượng viên đá tại chân kè ................................................. 78

4.7 Nhận xét chung về phương án đề xuất .................................................................. 79

4.8 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 81

1. Kết quả đạt được của luận án ...................................................................................... 81

2. Những đóng góp mới của luận án ................................................................................ 82

3. Tồn tại và hướng phát triển .......................................................................................... 82

4. Kiến nghị ........................................................................................................................ 82

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................................................... 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 84

iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu tạo mặt cắt ngang điển hình của đê biển ........................................................ 4

Hình 1.2: Cấu tạo một số chân kè đại diện trong kết cấu đê biển ......................................... 6

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc máng sóng số [34] ....................................................................... 34

Hình 2.2: Kiểm định mô hình-Vận tốc thực đo và vận tốc tính toán trường hợp không đặt

mố nhô ................................................................................................................................. 38

Hình 2.3: Kiểm định mô hình-Vận tốc thực đo và vận tốc tính toán trường hợp có mố nhô ............................................................................................................................................. 40

Hình 2.4: Tỷ lệ tiêu giảm vận tốc so sánh khi có và không có mố nhám............................ 42

Hình 3.1: Bố trí đầu đo một thí nghiệm máng sóng [43],[44],[45] ..................................... 52

Hình 3.2: Máng sóng tại phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp - Đại học Thủy lợi. ............ 53

Hình 3.3: Đo mực nước tĩnh trước khi thí nghiệm .............................................................. 53

Hình 3.4: Theo dõi số liệu hiện thị trên màn hình ............................................................... 54

Hình 3.5: Phòng điều khiển trung tâm của hệ thống máng ................................................. 54

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ........................................................................................ 55

Hình 3.7: Đá xử dụng trong thí nghiệm rải tại chân kè, (a) sàng đá kích cỡ 2x4, (b) phun

sơn đá 1x2 ............................................................................................................................ 56

Hình 3.8: Cấu kiện sử dụng thí nghiệm ............................................................................... 56

Hình 3.9: Lắp đặt cấu kiện thí nghiệm ................................................................................ 58

Hình 3.10: Ghi chép kết quả kịch bản thí nghiệm tại Phòng TNTLTH – Đại học Thủy lợi

............................................................................................................................................. 58

Hình 3.11: So sánh vận tốc dòng chảy lớn nhất của công thức tổng quát với kết quả thí

nghiệm, công thức lý thuyết tuyến tính của Van Rijn và theo tiêu chuẩn TCVN 9901-2014.

............................................................................................................................................. 65

Hình 4.1: Mái kè hư hại toàn tuyến do đá hộc mài mòn ..................................................... 67

Hình 4.2: Một số hình ảnh sự mài mòn cấu kiện mái kè khi vật rắn chà xát ...................... 69

Hình 4.3: Viên đá qua khe hàng thứ nhất và bị giữ lại tại hàng thứ hai .............................. 71

Hình 4.4: Sơ họa bố trí mặt bằng và hình ảnh thí nghiệm mố nhám cản đá trên mái kè .... 71

Hình 4.5: Bố trí cấu kiện trên mái kè .................................................................................. 72

Hình 4.6 : Mặt cắt đứng bố trí mố nhám cản đá .................................................................. 76

Hình 4.7: Bố trí mặt bằng mố nhám sửa chữa ..................................................................... 76

Hình 4.8: Chi tiết cấu tạo cấu kiện chèn chân mố nhám ( h =50cm) .................................. 77

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thống kê thông số thí nghiệm ............................................................................ 30

Bảng 2.2: Các thông số sử dụng chạy máng sóng số MSS-2D ........................................... 36

Bảng 2.3: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng ............................................... 37

Bảng 2.4: Kết quả kiểm định vận tốc ngang lớn nhất (Umax) giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý ...................................................................................................................... 37

Bảng 2.5: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám .......................... 39

Bảng 2.6: Kết quả thí nghiệm cho 12 kịch bản mái kè đặt mố nhô .................................... 39

Bảng 2.7: Kết quả kiểm định vận tốc Umax giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý ............................................................................................................................................. 40

Bảng 2.8: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám .......................... 41

Bảng 2.9: Vận tốc theo phương ngang U và phương đứng V của tính toán ....................... 41

Bảng 2.10: So sánh hai phương án khi có và không có mố nhám ...................................... 42

Bảng 2.11: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 0,8m và T(s) = 5,06s ................ 45

Bảng 2.12: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,0m và T(s) = 6,96s ................ 46

Bảng 3.1: Ký hiệu và đơn vị của của thứ nguyên cơ bản [49] ............................................ 50

Bảng 3.2: Kịch bản thí nghiệm ............................................................................................ 59

Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm đo vận tốc lớn nhất .............................................................. 60

Bảng 3.4: Kết quả đo đạc vận tốc lớn nhất tại chân kè, mái không có mố nhám ............... 61

Bảng 4.1: Thông số tính toán biên thủy hải văn thiết kế ..................................................... 67

Bảng 4.2: Chiều cao sóng tại chân kè tại 10 mặt cắt đặc trưng ........................................... 68

Bảng 4.3: Tính toán chiều dày lớp bảo vệ dạng cột ............................................................ 75

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

ARC (Active Reflection Compensation): Hấp thụ sóng phản xạ chủ động;

BT: Bê tông;

BTCT: Bê tông cốt thép;

CUR/CIRIA, Construction Industry Research and Information Association- Liên kết thông

tin và nghiên cứu công nghệ xây dựng;

CWPRS: Phòng thí nghiêm thuỷ lợi, thuỷ điện trung ương của Ấn Độ;

ĐHBK TP.HCM: Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh;

ĐHHH: Đại học Hàng Hải;

ĐHTL: Đại học Thủy lợi;

ĐHXD: Đại học Xây dựng;

FVM (Finite Volume Method): “Phương pháp thể tích hữu hạn”;

Hướng S, N, E, W: Hướng Nam, Bắc, Đông, Tây;

JONSWAP (Joint North Sea Wave Project): Dự án nghiên cứu sóng biển Bắc;

MSS-2D/ MSS-CT: Máng sóng số 2 chiều;

NLSW: Non-linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông;

PM (Peirsion-Moskowitz);

Phòng TNTLTH: Phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp:

RANS - VOF: Reynolds Averaged Navier Stokes - Volume of fluid : Mô hình toán họ

RANS – VOF;

TAW (Technical Report Wave Run- up and Wave Overtopping at Dikes): Sổ tay kỹ thuật

tính toán sóng tràn qua đê;

TEST: Kịch bản thí nghiệm;

TNTL: Thí nghiệm thủy lực;

VKHTLVN: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam;

VNIIG: Phòng thí nghiệm Thuỷ công của Liên Xô cũ;

WES:Trạm thí nghiệm đường thuỷ của binh đoàn công binh Mỹ.

vi

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu

% Độ dốc bãi αb, i

- Chỉ số sóng vỡ Iribarren 

E J Năng lượng sóng

g m2/s Gia tốc trọng trường

m Chiều cao sóng có nghĩa HS

d m Kích thước đặc trưng vật liệu

m Độ sâu nước tại chân công trình ds

D m Chiều dày lớp bảo vệ,

i - Độ dốc bãi trước đê

k 1/m số sóng

- Hệ số phản xạ Kr

m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ trung bình Lm

m Chiều dài sóng nước sâu L0

m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ đỉnh phổ LP

m Chiều dài sóng thiết kế LS

m - Hệ số mái dốc

P % Tần suất

- Độ dốc sóng s0p

s Chu kì đỉnh phổ Tp

T s Thời gian chu kỳ sóng

s Chu kỳ phổ trung bình Tm

s Chu kỳ phổ đặc trưng Tm-1,0

m Cao trình đỉnh đê Zd

m Mực nước triều Ztr

m Mực nước triều thiết kế Ztr,tk

- Cao độ đáy địa hình Zđáy đh

- Tỷ lệ mô hình i

λ m Chiều dài sóng

- Hệ số chiết giảm sóng tràn do sóng tới xiên góc γβ

vii

- Hệ số chiết giảm sóng tràn do cơ đê γb

- Hệ số chiết giảm sóng tràn do độ nhám γr

- Hệ số hiệu chỉnh đường kính K()

m Chiều sâu hố xói cân bằng ym,e

q (l/m/s) Lưu lượng sóng tràn trung bình

m Độ cao lưu không phía trên mực nước tính toán Rc

N Thành phần lực kéo hạt do dòng chảy tác động FD

N Thành phần lực cắt do ứng suất tiếp đáy FS

N Thành phần lực nâng do độ cong dòng chảy gây ra FL

N Thành phần lực ma sát giữa các hạt gìm giữ nó khi di chuyển, FF

kg W Trọng lượng bản thân hạt

m/s Vận tốc ngang dòng chảy/ vận tốc giới hạn uc

- Δ Tỷ trọng tương đối của vật liệu ( )

kg/m3 Khối lượng riêng của nước ρw

kg/m3 Khối lượng riêng của đá ρđ

kg/m3 Khối lượng riêng của vật liệu rắn ρs

m/s Vận tốc lớn nhất theo phương ngang Umax

m/s Vận tốc lớn nhất theo phương đứng Vmax

TN

m/s Vận tốc lớn nhất trong thí nghiệm Umax

TT

m/s Vận tốc lớn nhất trong tính toán Umax

m/s Vận tốc dòng chảy trung bình phương nghiêng Ucr

m Đường kính hạt trung bình lọt sàng 50% dn50

m Đường kính hạt lọt sàng 50% d50

- Hệ số phản ánh khả năng thấm/thoát nước của thân và nền kè Pb

- Tham số hư hỏng ban đầu Sb

- N Số con sóng tới công trình trong một trận bão;

- Φ Hệ số ổn định

- Ψ Hệ số Shields giới hạn

- Hệ số Shields giới hạn khi tính vận tốc ngang Ψc

- Hệ số dòng chảy rối Shields do Sleath đề xuất Ψcr

viii

Hệ số ma sát thủy lực tương ứng với kiểu mố nhám gia cường. - λgc

MNTK Mực nước thiết kế m

m Chiều cao sóng nước sâu H0

H m Chiều cao sóng

m Chiều cao sóng quân phương Hrms

- Ðộ dốc sóng nước sâu s0

Độ Góc sóng tới α, β0

n - Độ xốp

C m/s Vận tốc pha (sóng)

- Hệ số cản nhám khi lôi vật liệu Cd

- Hệ số gia tăng quán tính Cm

- Hệ số nâng vật liệu CL

- Hệ số cản nhám do Seath đề xuất Cf

m/s Vận tốc quỹ đạo cực đỉnh gần đáy Ub

% Hiệu suất tiêu giảm vận tốc No

ɷ - Tần số

- Hệ số đặc trưng xác định con sóng ɷo

ix

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có đường bờ biển dài, trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa và thường xuyên chịu

tác động của bão. Số cơn bão xuất hiện trong năm từ 6 đến 10 cơn và đặc biệt trong những

năm gần đây bão có thể xuất hiện vào thời gian sớm hoặc muộn với cấp gió khá lớn. Thông

thường bão hoạt động di chuyển dần từ Bắc xuống Nam theo thời gian. Trong khi đó mùa

mưa bão miền Bắc từ tháng 5 đến tháng 10, vào miền Trung thì chậm hơn bắt đầu vào tháng

7 và kéo xuống cuối năm. Như vậy, hầu như trong năm suốt dải đất ven biển luôn chịu ảnh

hưởng của bão hoặc áp thấp nhiệt đới. Mặt khác hướng đi của bão thay đổi không theo quy

luật. Thực tế trong những năm qua các tuyến đê, kè biển sau mỗi trận bão, kết cấu của thân

đê kè và chân đê kè đều bị ảnh hưởng dẫn đến kinh phí tu bổ đê kè biển sau bão khá lớn.

Chân kè bảo vệ mái phía biển có các dạng chính như: Chân kè nổi, chân kè nông, chân kè

sâu. Nếu theo hình thức sử dụng vật liệu có thể kể ra như: chân kè bằng thảm đá, chân kè

bằng ống buy bên trong chèn đá hộc, chân kè bằng cọc và bản bê tông cốt thép, chân kè

bằng cừ bản thép hoặc bê tông…

Trong điều kiện kinh tế hiện nay nhiều đoạn đê đã sử dụng chân kè bằng ống buy vì những

ưu điểm trong thi công và quản lý, duy tu. Một số loại chân kè khác có áp dụng như tấm cừ

thép (chân kè khu vực bờ biển Nha Trang), chân kè bằng trụ cột bê tông cốt thép có tấm bản

bê tông cốt thép (kè biển Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định). Chung quy các loại chân kè

thuộc dạng chân kè nông, vật liệu bảo vệ chân kè là đá hộc.

Trong tính toán kích thước viên đá theo TCVN 9901:2014 đã sử dụng công thức (1.37) do

Izobat đề xuất, công thức này mới kể đến 3 yếu tố: chiều cao sóng, độ sâu nước và bước

sóng, mặt khác sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính để tính toán. Thực tế cho thấy: đá hộc rải

trên nền giáp chân kè bị di chuyển, hoặc bị đẩy lên mái, hoặc di động dọc bờ, hoặc rời ra

phía biển. Nổi trội hiện nay là hiện tượng đá trượt lên mái, lúc lên, lúc xuống, ma sát giữa

đá và mái kè đã gây mài mòn và làm hư hại kết cấu bảo vệ mái.

Vì những lý do nêu trên, ảnh hưởng của đá mài mòn kè là rất nguy hại đến an toàn của mái

kè, cần tìm ra được chính xác vận tốc tại chân kè để từ đó xác định khối lượng viên đá cho

phù hợp. Đề tài “Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế

chân kè đá đổ; áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng” do vậy đã được đề xuất để

nghiên cứu.

1

2. Mục tiêu nghiên cứu

Luận án sẽ giải quyết hai mục tiêu cơ bản sau đây:

- Làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố thủy động lực học và hình học tới vận tốc dòng

-Xác định công thức tính toán vận tốc dòng chảy lớn nhất tại chân kè, từ đó chọn ra giải

chảy do sóng tại chân kè đá đổ;

pháp thiết kế kết cấu kiện bảo vệ chân kè đá đổ khi có và không có mố nhám.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: dòng chảy do sóng tại chân kè;

- Phạm vi nghiên cứu: chân kè đê biển Bắc Bộ Việt Nam.

4. Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về ổn định chân kè đê biển đá đổ;

- Mô hình số nghiên cứu dòng chảy tại chân kè nông;

- Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng ở chân kè nông bằng mô hình vật lý;

- Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán kiểm tra ổn định viên đá tại chân kè cho đê Cát Hải,

Hải Phòng.

5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.1 Cách tiếp cận

Để giải quyết được mục tiêu của luận án, tác giả lựa chọn cách kế thừa vừa mang tính sáng

tạo, phù hợp với điều kiện Việt Nam.

5.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu,

các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết với luận án, từ đó tìm ra những vấn đề khoa

học mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ.

- Phương pháp thực nghiệm: nghiên cứu trên mô hình vật lý với máng sóng hiện đại, tỷ lệ

thu nhỏ mô hình phù hợp để mô phỏng sóng tiến đến chân kè và làm sáng tỏ chế độ dòng

chảy với sự ảnh hưởng của yếu tố hình học tại vùng chân kè khi có và không có mố nhám.

- Phương pháp mô hình số: ứng dụng mô hình MSS-2D để mô tả vec-tơ vận tốc dòng chảy

do sóng, phân tích ảnh hưởng của các tham số thủy lực và thông số công trình tới chế độ

dòng chảy tại chân kè; hỗ trợ nội dung nghiên cứu mô hình vật lý.

- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế mố

nhám cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2

- Ý nghĩa khoa học:

Thông qua kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra bức tranh tổng quát ảnh hưởng của yếu tố thủy

động học và hình dạng kết cấu công trình đến vận tốc ngang lớn nhất tại chân kè (mà trước

đây công thức sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế chưa đề cập tới). Luận án đã đề xuất công

thức tính mới là một đóng góp mang tính khoa học.

- Ý nghĩa thực tiễn:

Tìm ra được vận tốc lớn nhất tại chân kè do sóng mang tới, đề xuất công thức tính toán khối

lượng cấu kiện bảo vệ chân kè là việc làm ý nghĩa, định hướng cho người thiết kế áp dụng.

7. 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 về ổn định chân kè đê biển đá đổ;

- Chương 2: Mô hình số nghiên cứu dòng chảy tại chân kè nông;

- Chương 3: Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng ở chân kè nông bằng mô hình vật lý;

- Chương 4: Tính toán so sánh khối lượng viên đá bảo vệ chân kè áp dụng cho đê biển Cát

Hải, Hải Phòng.

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ ĐÊ BIỂN ĐÁ ĐỔ

1.1 Kết cấu bảo vệ chân kè đê biển

1.1.1 Cấu tạo chung của đê biển

Đê biển là loại công trình chống ngập do thuỷ triều và nước dâng đối với khu dân cư, khu

kinh tế và vùng khai hoang lấn biển. Kè biển là loại công trình gia cố bờ chống sự phá hoại

trực tiếp của hai yếu tố chính là tác dụng của sóng gió và tác dụng của dòng ven bờ. Ngoài

ra, với đê biển được bảo vệ bằng vật liệu chống chịu được tác động của sóng và dòng lên

thân đê thì lớp bảo vệ này làm việc như một kết cấu kè. Ven bờ biển dòng chảy có thể mang

bùn cát bồi đắp cho bờ hay làm xói chân mái dốc dẫn đến làm sạt lở bờ. Cấu tạo của đê biển

thông thường có các bộ phận chính như sau[1],[2],[3],[4]:

 Thân đê;

 Chân đê;

 Lớp bảo vệ mái phía biển;

 Bộ phận đỉnh đê: mặt đê và có thể có tường đặt trên đỉnh đê;

 Bộ phận bảo vệ mái phía đồng;

 Rãnh tiêu nước sau đê.

Hình 1.1: Cấu tạo mặt cắt ngang điển hình của đê biển

Chân kè bảo vệ mái phía biển có các dạng chính như: chân kè nổi, chân kè nông, chân kè

sâu, chân kè bằng thảm đá, chân kè bằng ống buy lồng đá trong ống buy và lăng trụ đá đỡ

ngoài, chân kè bằng cọc và bản bê tông cốt thép, chân kè bằng cừ bản thép hoặc bê tông,

chân kè là đá hộc thả rối có chiều dày và bề rộng tính toán, chân kè là rọ đá…

Trong điều kiện kinh tế hiện nay nhiều đoạn đê đã sử dụng chân kè bằng ống buy vì những

ưu điểm trong thi công và quản lý, duy tu. Một số loại chân kè khác có thể áp dụng như tấm

cừ thép (chân kè khu vực bờ biển Nha Trang), chân kè bằng trụ cột bê tông cốt thép có tấm

bản bê tông cốt thép (kè biển Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định).

4

Do tác động của sóng và quy luật vận chuyển bùn cát ven bờ nên có những đoạn kè thềm

phía biển được bồi đắp thì chân kè khá ổn định. Ngược lại, nơi bãi biển bị xói hoặc quy luật

bồi xói trong năm theo mùa của gió đổi chiều thì chân kè có hiện tượng chuyển vị. Như vậy,

dưới tác động của sóng và dòng ven nên chân kè cấu tạo chìm hay nổi, vật liệu và dạng kiến

trúc khác nhau, dưới nền địa chất khác nhau thì ổn định của chân kè sẽ hoàn toàn khác nhau.

Ngay trước chân kè thông thường người thiết kế phải làm thêm thảm bảo vệ phía biển,

thường bằng đá hộc xếp khan hoặc rọ thép lõi nhồi đá hộc. Bề rộng của thảm bảo vệ thường

được tính toán dựa trên chiều cao của sóng và độ sâu nước thiết kế.

Kích thước của viên đá được dựa trên cơ sở vận tốc dòng chảy lớn nhất xuất hiện. Vận tốc

cực đại của dòng chảy do sóng tạo ra ở chân đê được xác định theo vận tốc cực đại dòng

chảy, chiều dài và chiều cao sóng thiết kế.

Đến nay đã có một số đề tài nghiên cứu về xói chân kè, dạng ống buy bảo vệ chân kè và đã

đưa vào tiêu chuẩn thiết kế đê biển. Tuy nhiên, thực tế tại đê biển Cát Hải, Hải Phòng và đê

kè biển tại một địa phương đang có hiện tượng sau:

Đá trải thảm chân kè bị sóng đánh bật khỏi vị trí ban đầu. Dưới tác động của sóng và dòng

chảy trên mái kè, đá hộc được đưa lên, đưa xuống, chà xát và va đập vào kết cấu mái kè.

Theo thời gian, kết cấu bảo vệ mái kè bị bào mòn, thủng và bị phá hủy. Các hàng tấm lát

mái dưới chân bị phá hủy trước. Sau đó, sóng tiếp tục tác động làm xói phần đất đắp thân

đê (thông qua các vị trí tấm lát bảo vệ mái kè bị phá vỡ). Tại những vị trí thân đê bị xói mòn

đất, kết cấu mái kè (bên trên) mặc dù chưa bị bào mòn đáng kể nhưng do bị hẫng bên dưới

nên dễ dàng bị sập khi bị sóng và ngoại lực khác tác động.

Tác nhân chính của quá trình phá hủy trên, theo chúng tôi, chính là các viên đá hộc làm

thảm chân kè không đảm bảo ổn định, bị sóng dịch chuyển.

Từ thực tế trên, việc nghiên cứu kết cấu chân kè thích ứng với tương tác của yếu tố thủy hải

văn trong điều kiện địa chất nền và địa hình bãi khác nhau, nhằm đảm bảo ổn định kết cấu

đê kè biển là việc làm cần thiết hiện nay.

Để hiểu cặn kẽ về cấu trúc đê biển, trong đó tập trung về nghiên cứu ổn định chân kè, luận

án xin đi từ tổng quan đến chi tiết.

1.1.2 Khái quát lớp bảo vệ chân kè đê biển

Kè biển là kết cấu bảo vệ thân đê trước tác động của sóng, vật liệu làm nên kết cấu này có

thể là đá, khối bê tông, tấm bê tông hoặc bê tông nhựa đường… Có ba bộ phận cơ bản của

thân kè, đó là: chân kè, mái kè và đỉnh kè[1],[2], [3],[4].

5

a) Chân kè cắm sâu vào nền dạng đơn, phủ cát

b) Chân kè đá đổ khối lăng trụ, đặt sâu vào nền

d)Chân kè nổi c) Chân kè đá đổ lăng trụ, mái cắm sâu vào nền

(f) Chân kè sâu, cọc kết hợp bản bê tông (e) Chân kè khối trụ, lăng trụ

g) Chân kè dạng ông buy xếp lệch

(h) Chân kè ống buy kết hợp thảm đá, rọ đá Hình 1.2: Cấu tạo một số chân kè đại diện trong kết cấu đê biển

Ghi chú: H là chiều cao sóng thiết kế (m), Ym,e là độ sâu chôn kè(m);b1, b2 lần lượt là bề rộng đỉnh, bề rộng đáy lăng thể.

Chân kè là một bộ phận của kết cấu cấu thành đê biển, tuỳ theo đặc điểm về địa hình, chiều

sâu nước, chiều cao sóng tại chân công trình, vận tốc dòng chảy tại chân kè, vật liệu có khả

năng cung cấp mà chân kè có hình thức cấu tạo và dạng vật liệu khác nhau.

6

Chân kè có nhiệm vụ để giữ cho mái kè và các kết cấu phía trên không bị di chuyển trượt

xuống do tác động của ngoại lực như sóng, dòng chảy, vật trôi nổi và những tác động khác

gây mất ổn định. Chân kè còn có nhiệm vụ tạo thành kết cấu tổng hợp để bảo vệ thân đê khi

hố xói xuất hiện dưới chân mái kè.

Vật liệu làm chân kè có thể là đá hộc, ống buy, bản cừ, cọc bê tông hoặc vật liệu khác để

bảo vệ mái kè.

Theo đặc trưng hình học chân kè có thể phân thành 2 loại: chân kè nông và chân kè sâu.

Một số dạng chân kè phổ biến được minh họa trong hình 1.2[4].

1.1.3 Chân kè nông

Chân kè nông theo hướng dẫn tại TCVN 9901:2014 và TCVN 11736:2017 [1],[2],[4] là

dạng chân kè áp dụng cho bờ biển ít biến động. Vật liệu bảo vệ vùng chân kè thông thường

là đá hộc có khối lượng từ vài chục kg đến dưới 100kg vì lý do thi công. Tuy nhiên nếu thiết

kế theo nguyên tắc thả rối, đá cấp phối thì kích thước hạt lớn nhất có thể vượt giới hạn này

do phương tiện và điều kiện thi công, thiết kế cho phép.

Tiêu chuẩn phân loại chân kè theo biên thủy lực như sau:

𝑑𝑠 𝐻𝑚0,0

1,0 ≤ < 4,0 − chân kè nông

(1.1)

𝑑𝑠 𝐻𝑚0,0

(

)

0,3 < < 1,0 − chân kè rất nông

Trong đó: ds là độ sâu nước tại điểm chân kè (m), Hm0,0 chiều cao sóng vùng nước sâu (m).

Độ sâu chôn kè thông thường trong khoảng chiều sâu từ Hs đến 1,5Hs, hoặc bằng 2 lần chiều

dày của lớp vật liệu bảo vệ mái kè.

Đối với khu vực chân kè nông, do ảnh hưởng của địa hình đáy, độ nhám lớn, độ sâu nước

thấp nên các lý thuyết về sóng tuyến tính không còn phù hợp. Các yếu tố thủy động lực học

diễn ra trong vùng sóng vỡ và sóng leo chịu chi phối của độ nhám.

Phần sau đây sẽ tổng kết các nghiên cứu lý thuyết sóng vùng chân kè và vận tốc tính toán

để xác định kích thước vật liệu bảo vệ vùng chân kè. Luận án sẽ giới hạn nghiên cứu cho

loại chân kè nông.

1.2 Dòng chảy khu vực chân kè nông

1.2.1 Hình thành dòng chảy khu vực gần chân kè

7

Thông thường, khu vực ven bờ thường được chia thành 4 vùng dựa trên quá trình biến đổi

của sóng từ nước sâu vào vùng nước nông đó là: vùng nước nông (shoaling zone), vùng

sóng vỡ (breaker zone), vùng sóng xô bờ (surf zone) và vùng sóng vỗ (swash zone). Khi

sóng tiếp cận với dải bờ hình thành nên các dòng như trong hình dưới đây:

Hình 1.3: Sơ đồ dòng mặt của dòng ngoài bờ và hệ thống dòng ven bờ[5]

Khi sóng vào gần sát biên của đường bờ nó bị thay đổi hướng, dòng chảy vùng sát chân kè

hoặc bãi dốc khối nước xoáy hoặc uốn lượn khi bị địa hình tác động, trong kết quả nghiên

cứu luận án tiến sỹ tại trường tổng hợp Griffth- Australia, Thomas Piter Muray[6] đã mô

phỏng các dòng tia của các con sóng khu sát đường bờ như hình dưới đây.

(a) khi dòng đối xứng,

(b) dòng không đối xứng

(c) dòng chảy dọc bờ

Hình 1.4: Mô phỏng hình chiếu bằng hạt nước của dòng chảy gần khu đường bờ

8

Vùng sóng vỡ được xem là vùng quan trọng nhất để phân tích khả năng hình thành dòng

ngang bờ. Có một số khía cạnh trong vùng này cần phải xem xét bao gồm: điều kiện địa

hình, sóng đa phổ, chiều cao sóng và độ dốc của bãi [5],[7],[8],[9],[10],[11].

1.2.2. Dòng chảy tiếp cận vùng sóng vỗ

1.2.2.1 Chuyển động quỹ đạo của phần tử nước

Con sóng thật khi nhìn vận chuyển theo hướng sóng với vận tốc sóng Co. Tuy nhiên trong

khối nước của con sóng và phần dưới bụng sóng thì không phải chúng di động theo một

hướng mà theo quỹ đạo riêng.

Hình dưới đây mô tả quỹ đạo di động hạt nước trong con sóng. Theo lý thuyết tuyến tính,

quỹ đạo hạt nước là đối xứng cả phương đứng và phương ngang. Trong lý thuyết phi tuyến,

không thể bỏ qua sự bất đối xứng của vận tốc hạt nước, khi này quỹ đạo không còn là đối

xứng. Sau một chu kỳ hạt nước tiến lên phía trước một bước và thể hiện qua hình dưới đây:

Hình 1.5: Quỹ đạo hạt nước xấp xỉ bằng sóng phi tuyến[12]

Xét theo trục đứng, hạt nước trong khối di chuyển chung có dạng như hình sau:

Ghi chú hình bên:

H- chiều cao sóng;

rz- bán kính trục đứng;

trục lớn rx- bán kính

phương ngang;

S- đường đi của quỹ đạo;

K – số sóng;

ds- độ sâu nước.

Hình 1.6: Sơ đồ thể hiện các đường quỹ đạo chuyển động trong một sóng lan truyền [12]

1.2.2.2 Lý thuyết sóng tuyến tính

9

Một số lý thuyết sóng đã được phát triển để miêu tả động học hạt nước kết hợp với sóng

biển thay đổi theo mức độ phức tạp của bài toán và mức độ chấp nhận được trong cộng

đồng kỹ sư công trình Biển. Trong số đó có lý thuyết sóng tuyến tính Airy, sóng Stokes bậc

hai và cao hơn, lý thuyết sóng Cnoidal.

Trạng thái biển thực kết hợp với điều kiện bão trong môi trường biển thường được mô tả

như là một tập hợp sóng Airy có biên độ, bước sóng thay đổi. Do đó việc nghiên cứu lý

thuyết sóng Airy không chỉ là một lý thuyết sóng đơn giản nhất mà còn có vai trò trong mô

phỏng các đặc trưng của trạng thái biển thực.

Sóng Airy là sóng tuyến tính, cao độ bề mặt của sóng có biên độ tại thời điểm bất kỳ tại vị

trí nằm ngang theo phương X theo phương di chuyển của sóng, được ký hiệu là η(x,t).

η(x,t)= acos(kx-ωt), với a = H/2 (1.2)

trong đó:

k = 2π/L: là số sóng; L: Chiều dài sóng; ω=2π/T: tần số góc; T: Chu kỳ sóng. Vận tốc sóng

theo phương dọc và phương ngang tại vị trí bất kỳ so với mặt nước lặng được xác định bởi

công thức sau:

(1.3)

cos(kx- ωt)

u(x,t) =

aωcosh(k(z+𝑑 )) sinhk𝑑

υ(xt) = aωcosh(k(z+𝑑 ))

(1.4)

sin(kx- ωt)

sinhk𝑑

ta có quan hệ giữa số sóng với tần số góc như sau:

ω2 = gktanhk.d

trong đó:

g- là gia tốc trọng trường lấy bằng 9,81 (m/s2);

d- độ sâu nước (m);

Hình 1.7: Sóng tuyến tính Airy

10

Gia tốc sóng theo phương ngang được xác định bằng cách đạo hàm theo thời gian của

hàm vận tốc sóng.

𝑢̇ (x,t) = aω2coshk(z+𝑑 )

sinhk𝑑

Các công thức trên được tính toán trong điều kiện nước nông, trong điều kiện nước sâu các

công thức trên được viết lại như sau:

u(x,t) = aωekzcos(kx- ωt) (1.5)

(1.6)

υ(x,t)= aωekzsin(kx- ωt)

ω2 = gk

(1.7)

(1.8)

𝑢̇ (x,t)= a ω2ekzsin(kx- ωt).

1.2.2.3 Lý thuyết sóng bậc cao

Sóng tồn tại trong vùng nước sâu, do gió gây ra có dạng hình sin. Sóng Stokes hay còn gọi

là sóng Sinusoidal (sóng hình Sin), các thông số sóng được diễn tả bằng các hàm lượng giác

thông thường và các hàm hyperbol dưới dạng chuỗi với số mũ từ 1÷n, trong đó n là số

nguyên. Lý thuyết này được gọi là sóng bậc cao, do Stokes sáng lập và ông chỉ xây dựng lý

thuyết này tối đa bậc n =5 [12].

Dựa vào chỉ số gốc Ursell: UR người ta phân chia ranh giới ba lý thuyết sóng: Sinusoidal

(Stokes), Cnoidal và Solitary:

+ Snusoidal khi: (1.9) UR = HL2ds . Π2= 48,35;

-3<2√62 -3>48,25;

+ Cnoidal khi: (1.10) UR = HL2ds

+ Solitary khi: hay L = . (1.11) UR =

Trong các công thức trên:

H - chiều cao sóng (m);

L - chiểu dài sóng (m); ds - độ sâu (m);

g - gia tốc trọng trường (m/s2);

T - chu kỳ sóng (s).

Tốc độ truyền sóng Cn được biểu diễn qua công thức (1.11) dưới đây [12]:

n = (xo

nC1,1 + xo

nC3,3+ xo

nC5,5 + ….) gthKnds

(1.11) KnC2

𝜋𝐻

𝐻

qua một số phép biến đổi thông số sóng được xác định là:

nB1,1 + x3

nB3,3+ x5

n(B3,5 +B5,5) + x7

n(B3,7+B5,7 + B7,7) + … (1.12)

2

𝐿𝑛

= (x1 …= Kn.

nC1,1 + x2

nC3,3+ x4

nC5,5 + ….) gKnthKnds

4𝜋2 𝑇2 = (xo

(1.13)

11

Trong công thức trên các hằng số xác định như sau:

Kn – số sóng Stockes bậc n;

Cik- hăng số phụ thuộc vào độ sâu d (m);

n- hằng số đặc trưng cho bậc n của sóng Stockes;

Xi

Với sóng bậc 1 : B1,1 = 1, C11=1.

(2𝐶2+1)𝐶 4𝑆3

; Với sóng bậc 2: B2,2=

Với sóng bậc 3:

3(82𝐶6+1)𝐶 64𝑆6

; B3,3=

(8𝐶4− 8𝐶2+9) 8𝑆4

; C3,3=

Với sóng hàm bậc 4:

(273𝐶9− 50 𝐶7− 192𝐶5+ 322𝐶3+ 21𝐶) 38𝑆9

; B2,4=

(768𝐶11 − 488𝐶9− 48 𝐶7+48𝐶5+ 106𝐶3+ 21𝐶) 384(6𝐶2 −1)𝑆9

B4,4=

Với sóng hàm bậc 5:

( 88,13 𝐶14−208,22𝐶12+ 70,85 𝐶10 +54𝐶8− 21,82 𝐶6+ 6264𝐶4−54𝐶2− 81) 12,29(6𝐶2 −1)𝑆15

; B3,5=

125𝐶16 −262,22𝐶14 +83.68𝐶12 + 20,16𝐶10 − 7280𝐶8+ 7160 𝐶6− 1800𝐶4− 1050𝐶2+ 225 , 12,29(6𝐶2 −1)( 8𝐶4 −11𝐶2 +3) 𝑆10

B5,5 =

(3840 𝐶12−262,72𝐶10+ 2592 𝐶8 − 1008 𝐶6+ 5944𝐶4−1830𝐶2+147) 512(6𝐶2 −1)𝑆10

; C5,5=

1.2.2.4 Lý thuyết dòng chảy sóng bậc 2

Hàm biểu diễn sóng thông thường chỉ cần biểu diễn với bậc 1 và 2 là đủ, phần sau đây xin

làm rõ hơn về lý thuyết sóng bận 2.

𝐻

𝐻

- Chiều dài truyền sóng:

𝑑𝑠𝐾∗ ) [1 − (1 +

𝑑𝑠𝐾∗) 5𝐻

𝑑𝑠

4𝑑𝑠𝐾∗ √3

L = (1.14) (1 − ] .−1 √𝑑𝑠 𝐻

𝐻

𝐻

2𝐻

−

) .2 (

)]

- Tốc độ truyền sóng

𝐻 𝑑

1 ( 2

1 𝐾∗) + (1 +

1 𝐾∗2 −

1 4𝐾∗ −

3 20

𝑑.𝐾∗) [1 + (1 +

𝑑.𝐾∗)

𝐻 𝑑.𝐾∗) ( 𝑑.

(1.15) c =√𝑔𝑑.(1 −

Tốc độ chuyển động theo phương ngang Vx:

12

L) + A3 sec h4(2K∗ x̅

L) − A3

𝑉𝑥 √𝑔𝑑

(1.16) = A1 sec h2(2K∗ x̅

4

3𝐻

𝐻

Tốc độ chuyển theo phương đứng Vz:

𝑑

𝑑

𝑑 𝐾∗) (𝑧+𝑑

Vz √g𝑑

𝑑𝑡

) (1.17) = A4 (1 + √ ) 𝑡ℎ (2𝐾∗ 𝑥̅ 𝐿 ) sec ℎ2 (2𝐾∗ 𝑥̅ 𝐿

trong đó:

z – tọa độ thẳng đứng cho hai hệ cố định và di động;

𝑥̅- tọa độ nằm ngang của hệ di chuyển;

d- độ sâu nước;

dt- chiều sâu dưới bụng sóng;

H – chiều cao sóng;

L- chiều dài bước sóng;

𝐾∗- tích phân Elliptic đầy đủ loại 1;

A1, A2, A3, A4 là các thông số xác định theo một hàm số của H,K*,d ,z, dt.

1.2.3. Dòng chảy do sóng tác động tới chân kè nông

Khi sóng mang tới và tan ra trên mái nghiêng, bị ảnh hưởng địa hình và hướng gió, khi này

xuất hiện 3 dạng dòng chính: dòng ngang bờ, dòng dọc bờ và dòng Rip (dòng chảy tập trung

hướng ra biển). Vùng chân kè chịu ảnh hưởng của 2 dòng ngang và dọc bờ, dòng Rip ít bị

ảnh hưởng. Để không bị phân tán, luận án tập trung nghiên cứu dòng dọc bờ và ngang bờ.

Dòng chảy vùng ven bờ là sự tổ hợp của nhiều yếu tố mà hình thành. Dòng này có hướng

phụ thuộc vào hướng gió, phụ thuộc vào dòng ven do nguồn từ sông đổ ra hoặc do dòng

phía ngoài tác động. Khi sóng tới chân công trình, nó gặp biên là vật cản, sóng bị vỡ hoặc

suy giảm độ cao, khối nước tan ra và tạo dòng. Do ảnh hưởng của hướng gió và địa hình

đường bờ nên khối nước này di chuyển, chảy xuôi theo hướng thế năng tiêu giảm.

a) Dòng ngang bờ

Khi khối nước do sóng mang tới gần sát bờ nó tan ra và lượng nước này sẽ phải quay trở lại

phía biển – đó chính là dòng chảy ngược hướng hoặc dòng chảy đáy (undertow). Dòng chảy

đáy có thể tương đối mạnh, thường là 8-10% của √𝑔𝑑 tại điểm đo gần đáy. Nghiên cứu về

dòng chảy đáy đã được Longuet-Higgins (1953), Dyhr-Nielsen và Sorensen (1970), Dally

và Dean (1984), Hansen và Svendsen (1984), Stive and Wind (1986), và Svendsen,

Schäffer, Hansen (1987)[6],[7].

13

Hình 1.8: Biểu đồ hướng vận tốc dòng chảy theo Longuet-Higgins (1953)

(b) Dòng phản hồi undertow tồn tại trên bãi biển

Khi sóng tiến vào gần bờ, gặp cản đáy khi này xuất hiện 3 dạng dòng chảy trên mặt cắt

đứng. Khi sóng truyền từ phía biển vào bờ, vận tốc dòng chia ra làm 3 phần: Vận tốc bề mặt

(đầu sóng), vận tốc khối nước dưới bụng sóng và vận tốc dòng phản hồi sát đáy (undertow).

Dạng của khối dòng được minh họa qua hình 1.9 dưới đây:

Hình 1.9: Dòng phản hồi sát đáy (undertow)

𝛾

Vận tốc dòng ngang bờ trung bình tổng quát:

sin 𝛼

4𝑔

(1.18) 𝑢̅= A𝑒0,5𝑘𝑡cos(𝜔𝑜t - B) – B - Lɳ

𝛾ℎ𝑜

sin2α- k2]0,5 (1.19) 𝜔𝑜= [

2)0,5

trong đó: A và B được xác định như sau: [13]

𝑠𝑖𝑛𝛼

𝐿𝑛𝛾(𝑘2 +4𝜔𝑜 2𝜔𝑜

𝐴 =

−1 2𝑘 𝜔𝑜

) 𝐵 = −𝑡𝑎𝑛−1 ( {

− 𝛾𝐿𝑛

Khi này vận tốc dòng tại đáy được xác định như sau:

𝑠𝑖𝑛𝛼[1−(4𝜛𝑜

2).0.5𝑒−0.5 𝑘𝑡 cos(𝜛𝑜−𝐵)]/2𝜛𝑜

(1.20) 𝑈̅.𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑡𝑜𝑤 =

trong đó:

α- độ dốc đáy;

Ln- thay đổi mực nước;

14

ϓ- Tiêu chuẩn sóng vỡ;

k – hệ số cản đáy;

𝑘2 4

𝑔 sin2 𝛼 𝛾ℎ𝑜

− ) ϖo – hệ số đặc trưng xác định như sau: ϖo = √(

t- thời gian tính toán khi sóng lan truyền.

𝑔

Theo Longuet Higgín (1975)[14]

8𝑐ℎ

giá trị xấp xỉ = H2.

trong đó:

H – Chiều cao sóng;

C – vận tốc pha;

ds- độ sâu nước;

ht- độ sâu nước tại bụng sóng(m);

g- gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2).

(c) Dòng dọc bờ

5𝜋

+ Theo Longuet-Higgins(1970)[9],[10] đã đưa ra công thức tính vận tốc dòng dọc bờ:

16

tan 𝛽∗ 𝐶𝑓

U = (1.21) 𝞬b √𝑔𝑑𝑠 sin 𝛼 cos 𝛼

trong đó:

2/8);

U- vận tốc dòng dọc bờ;

Tanβ*- Góc dốc bãi điều chỉnh do sóng tạo thành, Tanβ*= Tanβ /(1+3 𝞬b

Cf – Hệ số ma sát đáy;

α- góc dốc bãi;

𝞬b- tiêu chuẩn sóng vỡ.

+ Theo nghiên cứu của L.C. Van Rijn[15],[16]

Van Rijn đã nghiên cứu vận tốc dòng theo hướng đi của con sóng và kết luận: Vận tốc dòng

ven bờ biển tăng mạnh về phía đất liền gianh giới của đường cong sâu 10 m, nơi sóng vỡ

trở nên quan trọng (lớn hơn 5% sóng vỡ). Vận tốc kéo dài có giá trị cực đại khoảng 1,6 m/s

đối với Hs = 6 m và 1,7 m/s đối với Hs = 3 m (khi góc sóng tới là 30o). Kết quả hình dưới

đây mô tả vận tốc dọc bờ tại gần chân kè.

15

Hình 1.10: Kết quả nghiên cứu vận tốc dòng dọc bờ[16]

+ Công thức do Komar và Inman đề xuất năm 1970, ông cho rằng vận tốc khu giữa của

vùng sóng vỡ như sau:

(1.22) Umid = 1,17 √𝑔𝐻𝑟𝑚𝑠,𝑏 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑏 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑏

trong đó:

Hrmsb - là chiều cao sóng quân phương tại vùng tính toán (m);

g- gia tốc trọng trường (m/s2);

αb - góc tương đối giữa đỉnh sóng và đường đồng mức đáy (độ).

Dòng dọc bờ chảy với lưu tốc trung bình vào khoảng 0,3m/s nhưng cũng có lúc đạt trên

1,0m/s. Lưu tốc dòng dọc bờ, bất kể trên mặt cắt đới sóng vỡ hoặc trên phương dọc bờ đều

có sự biến đổi rõ rệt.

(d) Dòng chảy vùng sóng vỗ (swash zone)

Vùng sóng vỗ (swash zone) là vùng sóng tác động lên vùng bờ dưới dạng dao động mực

nước nằm giữa vùng sóng leo và sóng rút. Vùng sóng tràn là nơi tiếp giáp trực tiếp giữa đất

liền và biển.

Sự hình thành của vùng swash có liên quan mạnh mẽ đến dòng dâng lên mái và khi sóng đổ

xuôi mái dốc. Các dòng tiến lên mái thông thường mạnh hơn nhiều so với dòng rút (chảy

xuống). Theo Ruessink và Van Rijn [16], vận tốc khi sóng trườn lên có thể gần đúng: ub

=√𝑔𝑑𝑠 với ds trong khoảng 0,1m đến 0,2 m, nó tăng tốc có thể đạt ub trong khoảng từ 1m/s

đến 3 m/s.

16

Hình 1.11: Kết quả đo đạc dòng dọc bờ tại một bãi biển tại Mỹ (California -Thornton and

Guza 1986)

Vận tốc dòng chảy lớn nhất sát đáy của quỹ đạo theo nghiên cứu của Van Rijn và cộng sự

2018 (lý thuyết sóng tuyến tính) biểu diễn như sau[17],[18]:

(1.23) Umax= Hs(Tp)-1sinh-1 (2ds/Ls)

trong đó:

ds: là độ sâu nước (m); Hs là chiều cao sóng, Tp là chu kỳ sóng, Ls là chiều dài bước sóng.

Công thức này sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính để xây dựng. Thực tế vùng này chế động

dòng chảy phức tạp, sóng tuyến tính áp dụng cho trường hợp này cũng còn có những hạn

chế nhất định. Tuy nhiên dạng hàm này cũng cần được xem xét ứng dụng để xây dựng công

thức tính toán vận tốc dòng chảy thông qua kết quả thí nghiệm mô hình vật lý và chạy mô

hình toán mà tác giả sẽ thực hiện trong nội dung nghiên cứu.

Cơ chế sóng tràn bị chi phối bởi các đặc điểm của khu vực nghiên cứu (độ dốc bãi biển,

phân bố kích thước hạt, chế độ sóng, Masselink, 2006). Bởi vì vùng sóng tràn không ổn

định, năng lượng rối lớn, thủy triều chi phối, dòng chảy hẹp, rất khó khăn để có được các

dữ liệu chính xác trong vùng sóng tràn. Các nghiên cứu trước đã tiến hành bằng cách sử

dụng thiết bị đo dòng chảy tần số cao (ADV) và cảm biến quang tán xạ ngược (Hughes,

1997, 1999). Gần đây, các kỹ thuật mới (ADV, Video) đã được thử nghiệm thành công

(Vousdoukas, 2014) hầu hết các nghiên cứu đều thực hiện trong phòng thí nghiệm có yêu

cầu rất cao về các thiết bị ADV và cảm biến.

17

Tác giả luận án đã tiến hành thí nghiệm bằng mô hình vật lý trên máng sóng tại Phòng thí

nghiệm thủy lực tổng hợp, đại học Thủy Lợi. Điểm đo vận tốc gần sát đáy và chiều cao sóng

đã thực hiện ngay tại khu vực chân kè. Bố trí và số lượng đầu đo được thể hiện trong chương

3 luận án.

Song song với việc thực hiện thí nghiệm bằng mô hình vật lý tỷ lệ 1:10, tác giả sử dụng

phần mềm máng sóng số MSS-2D để chạy các kịch bản tổng hợp, sau đó mô hình vật lý sẽ

giải quyết một số kịch bản có tính then chốt để đưa ra công thức xác định vận tốc ngang lớn

nhất tại chân kè.

1.3 Nghiên cứu ổn định của chân kè đá đổ

1.3.1 Nghiên cứu chân kè đá đổ trên thế giới

Khu vực chân kè luôn bị tác động của dòng chảy do sóng và triều mang tới, vận tốc dòng,

phương và chiều luôn thay đổi. Mặt khác vật liệu bảo vệ thường là đá thả rối, thảm đá, cục

bê tông thường có độ nhám khá lớn.

Vì thế khi nghiên cứu ổn định viên đá chân kè các tác giả nghiên cứu đã giới hạn điều kiện

biên và tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý để đưa ra công thức bán thực nghiệm.

Người đi tiên phong theo hướng này là Izbash (1930)[19] đã đưa ra công thức tính ổn định

của viên đá khi bị tác động của dòng chảy.

Sau đó được nhiều nhà nghiên cứu thực nghiệm có thể kể tên như Shields (1936), Van Rijn

(1984), Paintal (1971), De Beor và Boutovsky (1998) đã bổ sung và hoàn thiện công thức

tính ổn định viên đá với các điều kiện biên phức tạp hơn so với Izbash đề xuất[19].

Để hiểu rõ bản chất vấn đề luận án xin tóm tắt các nghiên cứu cơ sở về ổn định của viên đá

dưới đây.

a) Nghiên cứu dòng chảy đều, phương nằm ngang và ổn định vật rắn

Hình 1.12: Lực tác động của dòng chảy lên vật thể hạt rời, phương ngang.

18

Khi xét hạt vật liệu trong môi trường có vận tốc dòng, nó chịu tác động của 5 thành phần

lực như biểu diễn qua hình 1.12[19]. Trong đó FD là thành phần kéo hạt do dòng chảy tác

động, FS là lực cắt do ứng suất tiếp đáy, FL là lực nâng do độ cong dòng chảy gây ra, FF là

lực ma sát giữa các hạt gìm giữ nó khi di chuyển, W là trọng lượng bản thân hạt.

Các lực khác nhau của dòng chảy tác dụng lên hạt được xác định như sau[19]:

(1.24)

Trong đó Ci là hệ số tỉ lệ và Ai là diện tích mặt tiếp xúc, u là lưu tốc của dòng chảy, d là

đường kính đặc trưng của hạt. Như vậy, tất cả các lực tác dụng tỉ lệ với bình phương vận

tốc (tại một vùng lân cận nào đó của hạt) và do diện tích mặt tiếp xúc của hạt tỉ lệ với bình

phương kích thước đặc trưng d (sẽ được xác định sau) cuối cùng tải trọng được biểu thị

( 𝜌đ−𝜌𝑤) 𝜌𝑤

trong một biểu thức với hằng số tỉ lệ là ẩn số. Δ = = Tỷ trọng tương đối của vật

liệu, 𝜌𝑤, 𝜌đ lần lượt là khối lượng tự nhiên của nước và của đá.

Khi xét điều kiện cân bằng: phương đứng, phương ngang và lấy phương trình mô men tại

điểm A khi xem xét viên đá lăn, xét trạng thái giới hạn vận tốc giới hạn uc. Điều này dẫn tới

mối quan hệ không thứ nguyên giữa tải trọng và cường độ[19],[20]:

(1.25)

Tất cả các công thức tính ổn định hạt đều dẫn tới hệ số tỉ lệ này. Hằng số K trong biểu thức

này được xác định bằng thí nghiệm tại vị trí bắt đầu mất ổn định.

Theo Izbash [19]

2 𝑢𝑐 2𝑔

𝑢𝑐 √∆𝑔𝑑

) (1.26) = 1,7 ℎ𝑜ặ𝑐 ∆𝑑 = 0,7 uc = 1,2 √2𝑔𝑑∆ ( ℎ𝑜ặ𝑐

Khi tính với đá hộc tại chân kè, khối lượng nước biển lấy bằng γn =1025 kg/m3, khối lượng

riêng của đá hộc γđ =2400kg/m3, công thức (1.25) có thể viết lại:

(1.27) uc = 6,156√𝑑

Trong công thức này vận tốc ngang không có sự ảnh hưởng của mực nước. Thực ra Izbash

đã không xác định vị trí của vận tốc và cũng không nói rõ xác định đường kính hạt bằng

cách nào[19]. Công thức này chủ yếu dùng để ước tính trong trường hợp đã biết vận tốc sát

đáy nhưng tương quan độ sâu dòng chảy chưa xác định, giống như dòng tia chảy vào trong

một khối nước.

19

Tiến bộ hơn, Shields đã đưa ra mối quan hệ giữa ứng suất tiếp không thứ nguyên và số thực

nghiệm Reynolds:

(1.28)

Shields đã chọn ứng suất tiếp như lực chủ động, c thường được gọi là hệ số Shields và là

hệ số ổn định khi thay vận tốc tiếp xúc bằng giá trị giới hạn. Khi ở mẫu số tính với đường

kính hạt và với vận tốc thực thay cho vận tốc giới hạn,  chính là hệ số lưu biến[19].

Theo nghiên cứu Shields (Viện thủy lực Delft, 1969) cho ra quan điểm phân loại tính chuyển

động của vật rắn trong môi trường dòng chảy thành 7 trạng thái chuyển động[19],[20].

(1) Không có chuyển động nào.

(2) Rất ít chuyển động.

(3) Một số chuyển động tại một vài nơi.

(4) Chuyển động tại một số vị trí.

(5) Chuyển động tại nhiều nơi.

(6) Chuyển động ở mọi nơi.

(7) Chuyển động liên tục ở khắp nơi.

(8) Sự vận chuyển của các hạt.

Hình 1.13: Ngưỡng chuyển động- (a) Ngoại suy vận chuyển tiến tới 0, (b) theo

Paintal[5],[6].

Tiêu chuẩn Shields phù hợp với trạng thái 6 hơn cả. Shields tìm ra các giá trị này bằng cách

ngoại suy các giá trị đo sự vận chuyển của vật liệu tính tới 0. Hình 1.13(a) cho ta một ý

tưởng về trạng thái vận chuyển và trình bày kết quả đạt được trong thí nghiệm của Shields.

Năm 1971, Paintal đã tiến hành một thí nghiệm tương tự (đối với vật liệu thô hơn) như thí

nghiệm của Shields, nhưng không ngoại suy các giá trị đo đạc tới 0. Thay vào đó, ông xác

định sự vận chuyển trên 1m chiều rộng và qs, - dấu sao (*) được biểu diễn cho đơn vị bề

rộng 1m (xem hình 1.13(b):

(khi Ψ < 0,05) qs* = 6,56.1018.Ψ16

20

(khi Ψ > 0,05) (1.29) qs* = 13Ψ2,5

𝑞𝑠 √∆𝑔𝑑3

với : qs* =

Chú ý rằng  lúc này được sử dụng như hệ số lưu biến trong công thức tính vận chuyển và

nó phù hợp cho loại hạt mịn- bùn cát đáy. Tương quan này cho ta sự vận chuyển đối với

mọi ứng suất tiếp không bằng 0. Nhưng nó sẽ giảm với lũy thừa 16 của ứng suất tiếp, nghĩa

là với lũy thừa 13 của vận tốc. Hầu hết các công thức tính vận chuyển bùn cát đều có vận

tốc với lũy thừa 3 tới lũy thừa 5, đó là trên đường thẳng tương ứng của Paintal với > 0,05.

(b) Nghiên cứu ổn định vật rắn trong trường hợp dòng chảy trên đáy dốc

Hình 1.14 cho ta giá trị góc nghỉ () ứng với các loại vật liệu khác nhau.

(1.30)

Hình 1.14: Góc nghỉ đối với vật liệu không cố kết (Simons, 1957)

Một số công thức tính toán tương đương khác được biểu diễn dưới đây.

+ Dòng chảy phương tiến lên mái kè

Dưới tác động của dòng chảy với vận tốc U, khi lực xô của dòng chảy thắng được trở lực

ma sát giữa viên đá và mái tiếp xúc thì nó bắt đầu di chuyển. Ổn định của vật rắn trước dòng

tác động hướng lên mái kè được thể hiện qua công thức sau (Pilarczyk – 1990) [20],

[21],[22]

(1.31)

DΔ =

Ucr2.

0.035∗Φ∗𝐾𝑇∗𝐾ℎ 2g∗Ψ∗𝐾𝑠

trong đó:

( 𝜌đ−𝜌𝑤) 𝜌𝑤

Δ= = tỷ trọng tương đối của vật liệu (-),

21

D = Chiều dày lớp bảo vệ (m),

g = Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2),

ucr = Vận tốc dòng chảy trung bình phương hướng lên mái giới hạn (m/s),

Φ = Hệ số ổn định(-),

Ψ = Hệ số Shields giới hạn(-),

KT = Hệ số dòng chảy rối (-),

Kh = Hệ số độ sâu dòng chảy (-),

Ks = Hệ số độ dốc mái (-).

Các hệ số trên tham khảo lấy theo tài liệu [21] để xác định.

Thay các đại lượng vào công thức (1.31) ta sẽ có:

( 𝜌đ−𝜌𝑤) 𝜌𝑤

1

∆ = = Tỷ trọng tương đối của vật liệu (-), với đá hộc trong nước biển ∆ =1,341, hay

𝛥 g = Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2),

= 0,745.

ucr = Vận tốc dòng chảy trung bình phương hướng lên giới hạn (m/s),

Φ = Hệ số ổn định(-), lấy Φ =1,0;

Từ công thức (1.31) ta có thể rút ra

0.035∗Φ∗𝐾𝑇∗𝐾ℎ∗ 2g∗Ψ∗𝐾𝑠Δ

D = Ucr2. (1.32)

Với điều kiện đá hộc nằm trên bãi độ dốc i =1%; khi này lựa chọn theo [4],[24]

1

1

Φ= 1.0, Ψ=0,035, KT= 2,0; Kh = 1,0; Ks = cosαb, αb là góc dốc của bãi, i = 1%, cosαb =

𝛥

√1+𝑡𝑔(αb)2= 0,9999 chọn = 1,0, ∆ =

( 𝜌đ−𝜌𝑤) 𝜌𝑤

ta có = 0,745.

0.035∗1∗2∗1

Thay vào (1.32) ta có:

2

2= 0,102 ρw/( ρđ – ρw)Ucr

2 = 0,728 Ucr

2∗9.81∗0.035∗1Δ

D = (1.33) Ucr

Như vậy chiều dày lớp bảo vệ phụ thuộc vào bình phương vận tốc theo phương xiên hướng

lên của mái dốc. Nó bắt đầu di chuyển lên khi vận tốc giới hạn là:

(1.34) Ucr= 1,171√𝐷 (m/s).

Công thức (1.34) viết cho khối đổ cấp phối có chiều dày D, bắt đầu dịch chuyển lên theo

mái nghiêng với vận tốc Ucr.

+ Trường hợp dòng chảy rút (hướng xuống), độ dốc mái nhỏ hơn 1:10, quan hệ lưu lượng

𝑚

sin∝1,17

và vật liệu có quan hệ sau [7]:

𝑞𝑐𝑟 (∆𝐷)1,5𝑔0,5 =

22

(1.35)

hoặc

(1.36)

ΔD =

0,67. sin∝0,78𝑞𝑐𝑟 𝑚0,67𝑔0,33

trong đó:

qcr = Lưu lượng riêng giới hạn (m2/s);

α = Góc dốc (o);

m = Hệ số mái dốc (-).

1.3.2 Nghiên cứu ổn định chân kè tại Việt Nam

1.3.2.1 Nghiên cứu thử nghiệm và lý thuyết

Nghiên cứu xói chân kè biển cũng được nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm. Công trình

nghiên cứu đầu tiên do cán bộ trường đại học Thủy lợi thực hiện đề tài cấp Bộ từ cuối thế

kỷ XX và đầu thế kỷ XXI. Theo các tác giả Nguyên Văn Mạo (1999)[24], Nguyễn Hoàng

Hà & nnk (2003)[25], Vũ Minh Cát & nnk(2008, 2013), Lê Hải Trung & nnk(2008), Thiều

Quang Tuấn & nnk (2008)[26],[27],[28],[29]... đã tiến hành nghiên cứu mô hình vật lý thực

hiện tại Phòng thí nghiệm thuỷ lực tổng hợp- Đại học Thủy lợi và mô hình toán thực hiện

tại đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm 2007 của khoa Kỹ thuật biển[4].

Để làm rõ về đặc điểm xói chân kè trong điều kiện địa chất, mặt cắt ngang, mực nước và

biên sóng môi trường bờ biển Việt Nam, nhóm tác giả đã nghiên cứu xói chân kè với các

kịch bản khác nhau, nghiên cứu trường hợp không có chân kè và thảm chống xói. Kết quả

hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu trước đây của các tác giả nước ngoài đã công bố.

Đối với chân kè là ống buy hoặc bản cừ, phía trước có thảm đá chống xói, kết quả cho nhận

xét sau[4]:

Nói chung chiều sâu hố xói gần tương đương nhau trong các trường hợp chân đê không có

và có kết cấu bảo vệ như ống buy hay thảm đá. Chiều sâu hố xói lớn nhất trước chân đê sau

4 giờ chịu tác dụng của sóng (thời gian mô phỏng một cơn bão) đạt giá trị khoảng 1/3,

(0,35HmO ) chiều cao sóng trước hố xói[27],[31].

- Khi chân đê và bãi không có kết cấu bảo vệ, hố xói chỉ phát triển ngay sát chân đê.

Khi chân đê được gia cố bằng ống buy, hố xói phát triển ngay ở chân ống buy, chiều

sâu hố xói lớn hơn khi không có ống buy. Hố xói có độ dốc lớn và xuất hiện một

vùng xói khác ở xa chân đê gây hạ thấp cao độ bãi trong phạm vi rộng.

23

- Hệ số mái đê có ảnh hưởng rõ rệt tới hệ số phản xạ trước đê, khi mái dốc hơn hệ số

phản xạ tăng lên.

- Hệ số phản xạ có quan hệ tỷ lệ thuận với diện tích và chiều dài hố xói.

Ngoài nghiên cứu trên mô hình vật lý, nhóm các tác giả còn nghiên cứu trên mô hình toán,

sử dụng chương trình Wadibe-CT[26],[27].

Mô hình số trị Wadibe-CT được phát triển bởi Khoa Kỹ thuật Biển, trường đại học Thủy

lợi. Mô hình mô phỏng sự phát triển theo thời gian hố xói trước chân công trình dựa trên sự

mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ.

Các quy luật vật lý chi phối quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ của mô hình được xây

dựng dựa trên cơ sở mô hình Unibest-TC (DELFT, Hà Lan[28],[29]) với phần nghiên cứu

mở rộng về các ảnh hưởng của công trình. Mô hình gồm các modul sau[3],[26]:

- Mô đun sóng;

- Mô đun mặt cắt phân bố lưu tốc dòng phản hồi;

- Mô đun vận tốc phân tử sóng;

- Mô đun vận chuyển bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy;

- Mô đun biến đổi đáy.

Nhóm tác giả đã chạy lại các trường hợp đã thí nghiệm bằng mô hình vật lý, kết quả cho

khá tương đồng. Đặc biệt mô hình toán đã đề cập đến trường hợp mái nghiêng của đê. Kết

quả cho thấy: mô hình toán có xem xét ảnh hưởng của độ dốc bãi đến sự phát triển của hố

xói. Bãi có độ dốc lớn hơn thì sẽ bị xói nhiều hơn. Điều này đã không được đề cập trong

công thức tính vận tốc xói tại chân kè như trích dẫn trong tiêu chuẩn thiết kế. Đây sẽ làm cơ

sở để tác giả luận án xây dựng các kịch bản khi chạy bằng mô hình toán máng sóng số MSS-

2D thể hiện trong chương 2.

1.3.2.2. Nghiên cứu ứng dụng

Để biên soạn 14TCN130-2002 thì cần sự giúp đỡ của các nhà khoa học, đây là tiêu chuẩn

ngành đầu tiên về hướng dẫn thiết kế đê biển. Tiêu chuẩn này đã đề cập tới việc lựa chọn

kích thước hố xói và đường kính vật liệu bảo vệ chân kè. Chân kè biển thông thường làm

bằng ống buy, trong thả đá hộc, đỉnh ống buy được nắp bằng tấm bê tông. Ngoài ra có sử

dụng dạng chân kè thả rối, rọ đá với vùng chân kè luôn luôn ngập nước. Ở khu vực cửa sông

đồng bằng sông Cửu Long người ta đã sử dụng thảm bê tông để bảo vệ cả mái kè và chân

kè.

24

Trong thiết kế sửa chữa và nâng cấp đê biển Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định năm 2006,

tư vấn thiết kế đã đưa ra kết cấu chân kè bằng tấm bản bê tông, nó được tựa vào thành cọc

bê tông cốt thép. Phía sau tấm bản là thảm đá chống xói nền. Dạng kết cấu này sau đó được

áp dụng tại một số kè biển khu vực Nam Trung Bộ.

Việc sử dụng ống buy đã lộ ra một số nhược điểm, ống buy bị đẩy trồi, nghiêng, sứt mẻ do

đá va đập khi sóng tác động. Tác giả Nguyễn Văn Mạo (1999) đã cải tiến ống buy dạng tròn

thành dạng lục lăng với lý do[24]: do cạnh lục lăng là cạnh thẳng nên diện tiếp xúc giữa hai

ống buy nhiều hơn so với dạng đường tròn. Đây là nghiên cứu ứng dụng đầu tiên về chân

kè.

Sau cơn bão lịch sử số 5 -2005 (tên quốc tế là Damry) đã làm hư hại nhiều tuyến đê từ

Quảng Ninh đến Hà Tĩnh. Các tuyến đê được cứng hóa và nâng cấp mái bảo vệ phía biển

đã sử dụng nhiều cấu kiện TC178 để thiết kế, chân kè sử dụng ống buy.

Để hạn chế cát/ đất chui qua khe giữa hai ống buy, tư vấn thiết kế đã bổ sung thanh chèn

dạng tam giác chèn giữa phần tiếp xúc hai ống buy và đặt phía chân mái kè, kết cấu này đã

ngăn cản đường đi của cát, ngoài ra tư vấn thiết kế còn đặt thêm vải địa kỹ thuật tại vùng

tiếp giáp để gia tăng khả năng giữ cát.

Nghiên cứu theo hướng thực nghiệm có thể kể đến công trình nghiên cứu của Nguyễn Hoàng

Hà (2003)[25], tác giả đã công bố kết quả nghiên cứu mô hình hố xói sau chân kè qua thí

nghiệm trong máng sóng tại Trường đại học Delft- Hà Lan và cùng công bố trong đề tài

nghiên cứu khoa học cấp Bộ năm 2003 do Nguyễn Văn Mạo làm chủ nhiệm[24].

Tiếp theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Mạo, khoa kỹ thuật biển đã thực hiện nhiệm vụ đề

tài nghiên cứu khoa học cấp bộ “Nghiên cứu xây dựng mặt cắt ngang đê biển hợp lý từng

vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam” do tập thể cán bộ khoa thực hiện[4],[27],[31]. Đề tài

đã thực hiện nghiên cứu mô hình vật lý về xói chân kè trong bão, sử dụng máng sóng Hà

Lan tại phòng thí nhiệm thủy lực tổng hợp tại Đại học Thủy lợi, cho kết quả khá tương đồng

với các nghiên cứu trước đây được các chuyên gia Hà Lan công bố [28],[29].

Lê Hải Trung cùng một số tác giả cũng đã nghiên cứu xói chân kè, bãi trước chân kè trên

máng sóng vật lý[3],[27]. Kết quả cho thấy độ sâu và vùng rộng của bề mặt xói phụ thuộc

vào đường kính hạt cát, chu kỳ, chiều cao sóng và độ sâu ngập trước chân kè.

Tác giả đã nghiên cứu trong trường hợp: ngoài ống buy không có thảm chống xói, khi này

bãi không có kết cấu bảo vệ ở trên, ở đây ngoài hố xói phát triển ngay sát chân đê (chân ống

buy), còn xuất hiện một khu vực xói phía ngoài, nhưng với mức độ nhỏ hơn.

25

Chiều sâu hố xói ở khu vực này bằng khoảng một nửa chiều sâu hố xói sát chân đê. Hiện

tượng này nếu tiếp tục phát triển có thể gây hạ thấp cao trình bãi trên phạm vi rộng.

Lê Xuân Roanh và các cộng sự có báo cáo tổng kết về nguyên nhân xói lở và hư hại chân

kè trong báo cáo chuyên đề[3], nằm trong nội dung đề tài cấp Bộ thuộc chương trình đê

biển, và dự án hỗ trợ kỹ thuật “Nâng cao năng lực đào tạo khoa kỹ thuật bờ biển tại Đại học

Thủy lợi – năm 2009”[3].

Thiều Quang Tuấn [27],[28],[31],[32] và cộng sự cùng một số nghiên cứu khác đã tiến hành

nghiên cứu xói chân kè thông qua mô hình toán Wadibe-CT.

Các tác giả nghiên cứu với điều kiện sóng trong bão. Kết cấu mái kè nối tiếp sau chân kè

là: dạng ống buy truyền thống không bảo vệ nền, dạng chân kè sâu (chôn ngầm) và dạng

hỗn hợp có thảm đá bảo vệ.

Tóm lại: nghiên cứu xói chân kè được thực hiện nhiều ở Hà Lan, cộng hòa Liên Bang

Đức[29],[30], song ở Việt Nam số công trình khoa học công bố còn rất khiêm tốn. Các dạng

chân kè chủ yếu dùng ống buy (dạng tròn và dạng cạnh đa giác đều), ngoài ra các nhà tư

vấn thiết kế có bổ sung thêm dầm khóa chân kè, rọ đá, thảm phủ bảo vệ nền, tùy thuộc vào

điều kiện địa chất nền và biên thủy hải văn thiết kế.

1.3.3 Những tồn tại của nghiên cứu chân kè hiện nay

Việc áp dụng các dạng chân kè thông dụng đã đem lại sự tiện lợi trong thi công và quản lý.

Tuy nhiên, nó còn gây nên những bất cập nhất định về sự ổn định của kết cấu và khó khăn

trong duy tu bảo dưỡng. Ngoài yếu tố chủ quan như thiết kế cường độ bê tông còn thấp, chất

lượng thi công hạn chế thì vấn đề thiết kế, vấn đề ứng dụng phù hợp của dạng chân kè cũng

cần được làm rõ.

Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, có thể tóm tắt những điểm hạn chế của chân kè hiện

nay đang áp dụng ở Việt Nam là:

- Tại nhiều công trình, các kết cấu chân kè, đặc biệt là các vật liệu thảm chân kè, được tính

toán thiết kế và thi công theo các công thức tính toán trong quy phạm nhưng vẫn bị mất ổn

định, dẫn đến hư hỏng của các cấu kiện khác của kè và đê biển.

- Trong các tính toán theo quy phạm, chưa đề cập đến các giải pháp hạn chế sự phá hoại của

các vật liệu rắn do sóng đẩy lên mái kè và chà xát phá hoại mái kè (đặc biệt là các mố nhám

giảm sóng). Mặt khác khi áp dụng công thức của Izobat lại bị hạn chế là áp dụng sóng tuyến

tính để tính toán và chưa chỉ rõ điều kiện áp dụng cụ thể.

26

- Việc tiêu tán năng lượng sóng trên mái kè hiện nay đang được các nhà thiết kế tạo mố

nhám, độ cao mố nhám khoảng vài cm, diện tích mố nhám trên diện tích mặt bằng khoảng

(20÷ 40)%.

Với kích thước hình học trên đã giảm được một phần năng lượng sóng, song nếu có vật rắn

chà xát trên bề mặt thì các mố nhám này bị mài mòn (do cơ học hoặc do độ kháng bền của

vật liệu).

Vì thế cần nghiên cứu hình dạng và kích thước mố nhám để nhằm mục đích vừa giảm năng

lượng sóng vừa cản vật rắn do sóng vần lên mái, hạn chế hư hại của mái kè. Với các mố

nhám giảm sóng (thường bị tác động nhiều nhất và bị phá hoại trước) chưa được xem xét

thay thế để đảm bảo kinh tế, kỹ thuật và thực tế.

1.4. Định hướng vấn đề nghiên cứu của luận án

Từ những phân tích trên, sự hư hại chân kè do sự thay đổi của mặt bãi và trọng lượng viên

đá bảo vệ chân kè cần được xem xét tổng thể. Trong công thức tính toán vận tốc lớn nhất

tại chân kè theo TCVN 9901:2014[1] là:

(1.37) Umax =

trong đó:

Umax là vận tốc lớn nhất của dòng chảy ở chân kè(đê), m/s;

Lsp là chiều dài sóng thiết kế, m;

Hsp là chiều cao sóng thiết kế, m;

ds là độ sâu nước trước chân kè(đê), m;

g là gia tốc trọng trường, m/s2.

So sánh công thức (1.37) với công thức (1.23) thì công thức (1.23) đã đề cập thêm yếu tố

chu kỳ sóng (Tp) xem xét ảnh đến vận tốc lớn nhất tại chân kè. Tuy nhiên vận tốc tại chân

kè còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như: độ dốc mái kè (m), độ nhám mái kè (a), độ

dốc bãi biển (i), chỉ số tương tự sóng vỡ Igrabien ().

Trong khuôn khổ của đề tài, luận án tập trung nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tìm ra

vận tốc dòng tại khu sát đáy, từ đó đề xuất công thức tính và kiểm tra ổn định viên đá tại

chân kè. Nội dung bao gồm:

- Làm sáng tỏ chế độ dòng chảy và ảnh hưởng tới ổn định của chân kè nông đá đổ;

27

- Xây dựng phương pháp tính toán và đề xuất quy trình kiểm tra ổn định chân kè nông đá

đổ.

1.5. Kết luận chương 1

- Chân kè là bộ phận rất quan trọng trong kết cấu đê biển, nó là phần chân móng của mái

kè, giữ cho thân kè, thân đê ổn định dưới tác động của sóng và dòng chảy. Ổn định của chân

kè nói riêng và thân đê nói chung phụ thuộc vào đặc điểm của địa chất nền, độ sâu của dòng

chảy, chiều cao sóng và hướng tác động của dòng chảy. Chân kè đá đổ được sử dụng khá

phổ biến trong thiết kế đê biển hiện nay với các điều kiện tự nhiên phù hợp.

- Dòng chảy tại chân kè nằm trong vùng sóng vỗ, khu vực gần bờ tồn tại các dòng: dòng

chảy ngang bờ, dòng chảy dọc bờ và dòng Rip, trong đó ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc tại

chân kè là dòng ven dọc bờ và ngang bờ nơi tiếp giáp chân kè.

- Đã có nhiều nghiên cứu trong nước và quốc tế về vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè

nông. Ngoài công thức trong TCVN 9901:2014 [1]còn có các tác giả khác đã đề cập đến

các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc dòng chảy như Shield, Paintal, De Boer, Lammers, Simons

và nhiều nhà nghiên cứu khác.

Tuy nhiên còn có một số yếu tố chưa được đề cập đến chiều cao của mố nhám, độ dốc sóng

hoặc chỉ số tương tự sóng vỡ. Luận án cần nghiên cứu làm sáng tỏ các yếu tố ảnh hưởng

trên.

28

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH SỐ NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY TẠI CHÂN KÈ NÔNG

2.1 Đặt vấn đề

a) Các thông số xem xét nghiên cứu

Các thông số xem xét ảnh hưởng đến vận tốc ngang đáy lớn nhất bao gồm: biên thủy hải

văn và biên hình học công trình. Biên thủy hải văn bao gồm: Chiều cao sóng Hs, độ sâu nước ds, chu kỳ sóng (T), bước sóng (Ls), độ dốc sóng. Biên hình học và kết cấu công trình bao gồm: Độ dốc mái kè (m), chiều cao mố nhám (a), hình dạng mố nhám, khoảng cách đặt mố (C), độ dốc bãi (i).

Trong các kết quả nghiên cứu chỉ số sóng vỡ Igrabiên (ξ) có vị trí quan trọng, nó bao hàm

cả yếu tố thủy lực và yếu tố hình học. Đây xem là môt nhân tố cần có trong khi xây dựng

công thức tổng quát xác định vận tốc dòng chảy sát đáy tại chân kè.

b) Mối liên liên đến hai phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án

Trong nghiên cứu tương tác của sóng với công trình có thể sử dụng mô hình vật lý với tỷ lệ

thích hợp để tìm ra tương quan giữa các thông số nghiên cứu. Trong thực tế nếu để thực

hiện nghiên cứu bằng mô hình vật lý thì số kịch bản sẽ phụ thuộc vào số biến đặt ra. Và

trong một số trường hợp phải sử dụng mô hình toán để hỗ trợ. Sự kết hợp giữa hai phương

pháp nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả, giảm bớt số kịch bản thí nghiệm bằng mô hình vật lý, đồng nghĩa với việc hạ giá thành, khối lượng công việc thực hiện và đẩy nhanh tiến

độ.

Luận án đã sử dụng phương pháp mô hình số MSS-2D để mô tả vec-tơ vận tốc dòng chảy

do sóng, phân tích ảnh hưởng của các tham số thủy lực và thông số công trình tới chế độ

dòng chảy tại chân kè.

Chương 3 luận án tập trung nghiên cứu vận tốc ngang tại chân kè bằng mô hình vật lý, tỷ lệ

mô hình 1/10, kết quả thí nghiệm mô hình vật lý sẽ là tài liệu cơ sở cho việc kiểm định mô

hình tính toán tại chương 2. Vì vậy định lượng của chương 2 sẽ giải quyết một số kịch bản

mà mô hình vật lý không đủ thời gian và điều kiện thực hiện các thí nghiệm trên máng sóng

Hà Lan.

(c) Tổng số kịch bản thí nghiệm và chạy mô hình toán

Thông số thí nghiệm và chạy mô hình được thống kê tại bảng 2.1. Tổng số 320 kịch bản sẽ

được tiến hành qua hai phương pháp mô hình toán và mô hình vật lý.

Tương quan và sự phối hợp nghiên cứu của hai phương pháp được thể hiện qua sơ đồ hình

2.1.

29

Bảng 2.1: Thống kê thông số thí nghiệm

Maí dốc Hs T Độ sâu PP thực hiện Ghi chú

nước TN MH

1,0, 1,5, x x 2,0, 2,5, 0,6, 0,7, 5,06,

2,1, 2,6 3,0, 3,5, 0,8,1,0, 5,96,

4,0, 4,5, 1,1, 1,5, 6,96,

5,0 6,32,

Hình 2.1: Sơ đồ tương quan nghiên cứu 2 phương pháp

2.2 Hướng nghiên cứu dạng mô hình toán

2.2.1 Một số phần mềm thông dụng trong nghiên cứu sóng vùng ven bờ

Về nghiên cứu dòng chảy, vận tốc dòng, áp lực điểm, chiều cao sóng đến chân công trình,

có thể thực hiện được qua mô hình toán. Có thể kể tên ra đây một số mô hình toán sử dụng

hệ phương trình Boussinesq điển hình như: MIKE 21-BW, FUNWAVE, COULWAVE.

Bên cạnh đó còn có một số nghiên cứu mô hình toán như máng sóng số thông dụng như:

IH2 (Tây Ban Nha), SOLA-VOF & DELAWAVE (Mỹ), CADMASURF (Nhật Bản) và

MSS-2D, WADIBE-CT (Việt Nam)[4],[33].

2.2.2 Máng sóng số

30

2.2.2.1 Các phương trình cơ bản sử dụng trong lý thuyết máng sóng số

Hệ phương trình Navier-Stokes được biết đến như là các phương trình đúng cho việc mô tả

chuyển động của chất lỏng trong đó bao gồm cả các bài toán của chuyển động sóng.

Song để tiện cho việc áp dụng các hệ phương trình được đơn giản hoá từ hệ phương trình

Navier-Stokes có thể đại diện như là:

Hệ phương trình nước nông phi tuyến (NSW), Hệ phương trình Boussinesq (BAE) và Hệ

phương trình dòng thế phi tuyến đầy đủ (FNPF). Sau đây xin giới thiệu tóm tắt các hệ một

số phương trình nêu trên[34], [35], [36], [37]:

+ Các mô hình sóng dựa trên phương trình NSW

Hệ phương trình nước nông phi tuyến là dạng trung bình tích phân theo độ sâu của hệ

phương trình Navier-Stokes dựa trên giả thuyết độ dài sóng là rất lớn so với độ sâu nước, tỉ

số giữa biên độ sóng và độ sâu nước là một đại lượng nhỏ hơn một (hay nói cách khác số

Ursell lớn hơn nhiều so với đơn vị: ). Áp suất chất lỏng được giả thiết là

có phân bố thuỷ tĩnh và vận tốc dòng chảy ngang đồng nhất theo độ sâu[33].

Dựa trên mô hình do Kobyashi và nnk (1992) phát triển, VanGent (1995) đã sửa lại cho hệ

phương trình nước nông phi tuyến có tính đến môi trường xốp và nghiên cứu tương tác sóng

với đê biển rỗng[35].

Tuy nhiên, do thiếu tính chất phân tán tần số trong hệ phương trình NSW nên hệ phương

trình này chưa đủ để mô phỏng biến dạng sóng, lan truyền sóng và tiêu tán sóng trong vùng

nước chuyển tiếp trước khi sóng đến vùng sóng đổ. Chính vì vậy, hệ phương trình NSW

không thể tính được điểm sóng đổ và do đó chúng chỉ phù hợp cho việc mô phỏng lan truyền

sóng sau khi đổ trong vùng sóng đổ sát bờ.

+ Mô hình dựa trên hệ phương trình Boussinesq (BAE)

Trong khoảng hơn 30 năm gần đây, các phương trình BAE được tăng cường sử dụng để

thiết lập mô hình số mô phỏng sóng trong vùng ven bờ. Tiếp theo hướng nghiên cứu này

nhiều nhà hoa học đã phát triển hướng tiếp cận qua việc đưa ra các phần mềm như:

PCOULWAVE, FUNWAVE, MIKE21-BW.

+ Mô hình dựa trên hệ phương trình dòng thế phi tuyến (FNPF)

Đối với trường hợp sóng không đổ, chuyển động trong sóng có thể xem là chuyển động thế

ngoại trừ trong vùng lớp biên.

31

Với giả thiết chất lỏng không nén, chuyển động không xoáy, vận tốc có thể được biểu diễn

thông qua gradient của hàm thế vô hướng; bảo toàn khối lượng dẫn đến hàm thế vận tốc

thoả mãn phương trình Laplace. Lý thuyết hàm thế này là ứng cử viên tốt cho việc mô phỏng

chuyển động sóng khi sóng không đổ.

+ Mô hình dựa trên giải trực tiếp hệ phương trình Navier-Stokes dưới dạng khép kín rối

khác nhau

Trong nghiên cứu của luận án sẽ quan tâm đến phương trình Navier-Stokes được lọc

không gian sử dụng sơ đồ rối Smagorinsky (Smagorinsky, 1963). Kích thước lọc

không gian phụ thuộc vào kích thước lưới chính, có nghĩa là đối với lưới nhỏ hơn thì

phần lớn hơn của chuyển động rối sẽ được thể hiện trực tiếp trong hệ phương trình

mô phỏng sử dụng phép lọc không gian. Trong sơ đồ Smagorinsky, động năng trao

đổi do rối dưới lưới được chuyển tải thông qua thành phần nhớt rối. Hệ số nhớt rối (

) được xác định từ ứng xuất biến dạng (

) của trường dòng chảy. Công thức tính

toán hệ số nhớt rối cho mô hình hai chiều như sau[42]:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

trong đó Cs là tham số mô hình theo tính toán nó nằm trong khoảng:

Tác giả luận án đã sử dụng lý thuyết máng sóng số của tác giả Hiếu và Tamnimoto để thực

hiện tính toán [33],[36],[37],[42].

Hệ phương trình 2D (theo chiều đứng và chiều ngang). Phương trình liên tục được viết như

sau:

(2.4)

Phương trình bảo toàn động lượng trong hệ Navier-Stokes (theo phương x và z):

(2.5)

32

(2.6)

trong đó t là thời gian, x và z là các toạ độ ngang và đứng; u, w là các thành phần vận tốc

theo phương ngang và phương đứng;  là mật độ chất lỏng; p là áp suất; e là hệ số nhớt

động học (tổng của nhớt phân tử và nhớt rối); g là gia tốc trọng trường; q là nguồn khối

lượng; qu, qw là nguồn động lượng theo phương x và z. Dx, Dz là các hệ số suy giảm năng

lượng theo phương x và z.

Dựa trên hệ phương trình Navier-Stokes, Sakakiyama và Kajima (1992) đã phát triển một

hệ phương trình mở rộng cho dòng chảy không ổn định trong môi trường rỗng, trong đó lực

cản do môi trường xốp được mô hình hoá thông qua lực kéo và lực quán tính gia tăng do

sức cản trong lớp xốp. Hệ phương trình đề xuất của Sakakiyama và Kajima (1992) dưới

dạng 2D như sau:

Phương trình liên tục:

(2.7)

Phương trình bảo toàn động lượng trong hệ Navier-Stokes (theo phương x và z):

(2.8)

(2.9)

Các hệ số: t, x, z, u, w,, p, e, q, qu, qw, v ; x, z và Dx, Dz đã giới thiệu trên.

Rx, Rz : Hệ số kéo (cản) do lực cản tác động của môi trường xốp gây ra.

v, x, z được xác định từ các tham số v, x, z như sau:

(2.10)

với CM là hệ số quán tính. Các lực cản Rxvà Rz được xác định theo biểu thức sau:

(2.11)

(2.12)

x, z là kích thước lưới ngang và đứng của lưới trong môi trường xốp; CD là hệ số kéo.

Phương pháp VOF.

33

Phương pháp VOF đưa ra một hàm (Volume Of Fluid) F đánh dấu miền chất lỏng[36],[42].

Ý nghĩa vật lý của hàm F là phần thể tích của ô lưới được chiếm chỗ bởi nước. Các giá trị

bằng 1 của hàm F tương ứng với ô lưới chứa đầy nước, giá trị 0 của hàm F có nghĩa ô lưới

không chứa nước. Những ô lưới có giá trị của hàm F nằm trong khoảng từ 0 đến 1 phải chứa

bề mặt phân cách nước – khí (hay mặt tự do). Như vậy, ở mỗi thời điểm nếu biết được phân

bố đúng của hàm F ta có thể xác định được vị trí của mặt nước. Như thế, việc xác định bề

mặt tự do tiến triển sẽ bao gồm hai bước:

Bước 1, mặt tự do được xấp xỉ bằng các đoạn thẳng trong ô lưới dựa vào thông tin của hàm

VOF.

Bước 2, bề mặt tự do được tính lại hay tiến triển thông qua việc biến đổi của hàm VOF theo

thời gian do tác động của trường vận tốc. Phương trình 2D của hàm VOF thoả mãn điều

kiện biên động học và bảo toàn hàm VOF được xác định như sau:

(2.13)

ở đây là nguồn phát sinh F nào đó do biên tạo sóng hoặc nguồn tạo sóng sinh ra[42].

2.2.2.2 Cấu trúc của máng sóng số

Để đảm bảo thí nghiệm sóng tương tự như điều kiện thực tế thì bộ phận tạo sóng phải đảm

bảo không làm phản xạ sóng thứ cấp tức là phải hấp thụ được sóng phản xạ từ phía công

trình thí nghiệm và không cho sóng phản xạ này quay trở lại phía công trình. Điều này đòi

hỏi phải xây dựng được biên tạo sóng không phản xạ trong máng sóng số (nếu tạo được

biên tạo sóng như vậy sẽ là điểm cải tiến của máng sóng số so với máng sóng vật lý có bảng

tạo sóng). Dưới đây là sơ đồ cấu trúc của máng sóng số (hình 2.2)[34],[42],[48].

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc máng sóng số [34]

34

Khi đưa các điều kiện biên vào: phần chất lỏng như mực nước, chiều cao sóng, chu kỳ, dạng

sóng (đều hoặc ngẫu nhiên); phần biên cứng bao gồm cao độ đáy, độ dốc đáy, độ dốc mái,

độ nhám… sau đó cho chạy sẽ đưa ra kết quả sơ bộ. Để có được độ tin cậy cần có kiểm định

mô hình toán trong đó hai hệ số CD và CM cần làm thí nghiệm mô hình vật lý để xác định

trị số. Phần xuất kết quả sẽ có phần mềm hỗ trợ.

Mô hình toán được các chuyên gia Mỹ, Nhật Bản phát triển và ngày nay có nhiều mô-đun

tính toán hỗ trợ cho các bài toán phức tạp.

2.3 Lựa chọn điều kiện biên cho chạy mô hình toán

2.3.1 Căn cứ thiết lập thông số tính toán

Mô hình toán kết hợp với mô hình vật lý để nghiên cứu nhằm mở rộng các trường hợp mà

mô hình vật lý chưa tiến hành được. Vì vậy thông số lựa chọn nghiên cứu mô hình sẽ phụ

thuộc vào yêu cầu công thức đưa ra. Vận tốc dòng chảy tại chân kè phụ thuộc vào độ sâu

nước (ds), chiều cao sóng tại chân kè (Hs), chu kỳ sóng (Tp), độ dốc bãi (i), độ dốc mái kè

(m), độ nhám (a). Để đi đến thí nghiệm và chạy mô hình toán, các biên tính toán được lựa

chọn như phần dưới đây.

(a) Biên thủy hải văn thiết kế

Bờ biển Bắc Bộ, Trung Bộ nhìn chung là dạng bãi cát, pha cát, phù sa bồi đắp nên có độ

dốc khá thoải. Khi tính truyền từ sóng vùng nước sâu vào khu chân bờ, chiều cao sóng từ

0,2m đến 3,0m, tương ứng chu kỳ sóng vùng nước nông khoảng 5 giây đến 7 giây, độ sâu

nước tại điểm chân kè từ 0,5m đến mức vài mét theo tần suất thiết kế tính toán. Vì vậy luận

án sẽ căn cứ vào biên tính toán này để thiết lập các kịch bản tính toán[4],[38],[39],[40].

(b) Biên địa hình, cấu tạo mái đê

Theo kết quả nghiên cứu chương trình đê biển giai đoạn I từ Quảng Ninh đến Quảng Nam

độ dốc bãi biển trung bình i = 1% đến 2%[4], mái đê phía biển thông dụng m =3,0 đến

m=3,5[4],[40],[43],[44],[45],[46].

2.3.2. Hiệu chỉnh mô hình máng sóng số MSS-2D

Việc hiệu chỉnh mô hình nhằm xác định được bộ thống số trong mô hình máng sóng số

MSS-2D phù hợp để kết quả tính toán bằng mô hình máng sóng số MSS-2D sát nhất với

kết quả tính toán bằng mô hình vật lý. Các thông số cần hiệu chỉnh trong mô hình máng

sóng số MSS-2D là: độ rỗng n, hệ số cản Cd và hệ số gia tăng quán tính Cm.

35

Mô hình sử dụng số liệu sóng Hs = 0,8m và Tp = 5,06s ( chẵn T = 5s) làm cơ sở để hiệu

chỉnh mô hình. Kết quả hiệu chỉnh mô hình với sự thay đổi các thông số thể hiện tại bảng

2.2.

Bảng 2.2: Các thông số sử dụng chạy máng sóng số MSS-2D

TT(m/s)

Kịch bản Độ xốp: n Hs (m) Tp(s) Umax Cm Cd

5,06 0,8 1,20 0,43 0,25 1,5 1

5,06 0,8 1,20 0,43 0,25 1,3 2

5,06 0,8 1,19 0,43 0,8 2,5 3

5,06 0,8 1,20 0,43 0,8 2 4

5,06 0,8 1,19 0,43 0,8 1,5 5

5,06 0,8 1,19 0,43 0,8 1,0 6

5,06 0,8 1,19 0,43 0,8 0,5 7

5,06 0,8 1,20 0,4 0,25 1,1 8

5,06 0,8 1,19 0,45 0,5 1,5 9

5,06 0,8 1,19 0,4 0,8 2 10

5,06 0,8 1,20 0,4 0,2 1 11

5,06 0,8 1,20 0,4 0,25 1,0 12

5,06 0,8 1,26 0,3 0,25 1,5 13

5,06 0,8 1,19 0,25 0,8 2,0 14

5,06 0,8 1,20 0,2 0,5 1,5 15

5,06 0,8 1,21 0,25 0,25 1,0 16

TT = 1,26 m/s cho kết quả phù hợp với kết quả thí nghiệm vật lý với cùng

Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho thấy với kịch bản độ xốp n = 0,3, Cm = 0,25 và Cd = 1,5

TN(m/s) = 1,24 m/s (xem kết quả chương 3). Do đó mô hình máng sóng số

cho vận tốc Umax

điều kiện Umax

MSS-2D lựa chọn các thông số độ xốp n = 0,3, Cm = 0,5 và Cd = 1,5 làm cơ sở để kiểm định

các kịch bản tiếp theo [phụ lục số 2].

Để kiểm định mô hình và phát triển nghiên cứu vận tốc dòng tại chân kè và khu vực bố trí

mố nhám, luận án đã tiến hành chạy đối chứng cho 12 kịch bản kè mái không có mố nhám

và 12 kịch bản kè mái có mố nhám.

2.3.3 Kiểm định mô hình trường hợp mái không có mố nhám

36

Bảng 2.3: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng

TT T (s) Ghi chú Hs (m)

KB1 Độ sâu nước chân kè ds(m) 1,5 0,8 Mái nghiêng 5,06

KB2 1 Mái nghiêng 6,96 1,5

KB3 1,1 Mái nghiêng 6,96 1,5

KB4 0,6 Mái nghiêng 5,06 1,0

KB5 0,7 Mái nghiêng 5,06 1,0

KB6 0,8 Mái nghiêng 5,06 1,0

KB7 0,8 Mái nghiêng 5,69 1,5

KB8 0,8 Mái nghiêng 6,96 1,5

KB9 1 Mái nghiêng 5,06 1,5

KB10 1,1 Mái nghiêng 6,32 1,5

KB11 0,7 Mái nghiêng 5,69 1,0

KB12 0,8 Mái nghiêng 5,69 1,0

Bảng 2.4: Kết quả kiểm định vận tốc ngang lớn nhất (Umax) giữa mô hình máng sóng

số và mô hình vật lý

TN(m/s)

TT(m/s) Umax

TT Hs (m) T (s) Umax

1,24 1,26 0,8 5,06 Độ sâu nước chân kè ds(m) 1,5 KB1

2,23 1,84 1 6,96 1,5 KB2

2,35 2,26 1,1 6,96 1,5 KB3

1,03 0,99 0,6 5,06 1,0 KB4

1,37 1,15 0,7 5,06 1,0 KB5

1,46 1,27 0,8 5,06 1,0 KB6

1,85 1,58 0,8 5,69 1,5 KB7

2,11 2,03 0,8 6,96 1,5 KB8

1,66 1,59 1 5,06 1,5 KB9

2,23 2,25 1,1 6,32 1,5 KB10

1,45 1,41 0,7 5,69 1,0 KB11

1,62 1,57 0,8 5,69 1,0 KB12

37

TT (m/s): Vận tốc lớn nhất tại lớp đo theo phương ngang (dọc máng) trong tính toán;

Ghi chú:

TN: Vận tốc lớn nhất tại lớp đo theo phương ngang (dọc máng) trong thí nghiệm mô

Umax

Umax

hình vật lý.

Hình 2.3: Kiểm định mô hình-Vận tốc thực đo và vận tốc tính toán trường hợp không

đặt mố nhô

2.3.4 Kiểm định mô hình trường hợp mái có mố nhám

Việc xác định độ nhám của mái có thể tham khảo mục 5.4.2 ảnh hưởng của độ nhám mái

kè tới khả năng chiết giảm sóng- EurOtop 2016 (sổ tay), trong đó hệ số ma sát f phụ thuộc

vào độ cao của mố nhám, tỷ diện tích chiếm chỗ trên bề mặt, khoảng cách giữa các mố

nhám, hình dạng mố nhám, cách bố trí... Trong phần nghiên cứu này tác giả đã lựa chọn hệ

số cản thủy lực dựa theo tài liệu [41] và EurOtop 2016[71] để làm cơ sở của việc tính toán.

Kết quả kiểm định trường hợp có mố nhám được thể hiện taị các bảng dưới đây.

Để thống nhất đơn vị tính toán, chiều sâu nước tại chân kè, chiều cao sóng, kích thước hình

học cấu kiện được ghi với số liệu thực tế tại công trình cho tất cả các bảng sau đây.

38

Bảng 2.5: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám

Độ sâu nước chân kè TT T (s) Ghi chú Hs (m) ds(m)

KB1 1,5 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm 0,8

KB2 1,5 6,96 a=50cm, cạnh C= 20cm 1

KB3 1,5 6,96 a=50cm, cạnh C= 20cm 1,1

KB4 1,0 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm 0,6

KB5 1,0 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm 0,7

KB6 1,0 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm 0,8

KB7 1,0 5,06 a=45cm, cạnh C= 20cm 0,6

KB8 1,0 6,96 a=45cm, cạnh C= 20cm 0,7

KB9 1,0 5,69 a=45cm, cạnh C= 20cm 0,8

KB10 1,5 5,06 a=45cm, cạnh C= 20cm 0,8

KB11 1,5 6,96 a=45cm, cạnh C= 20cm 1

KB12 1,5 6,96 a=45cm, cạnh C= 20cm 1,1

TN(m/s)

Bảng 2.6: Kết quả thí nghiệm cho 12 kịch bản mái kè đặt mố nhô

Umax TT T (s) Độ sâu nước chân kè ds(m) Hs (m)

KB1 1,5 0,8 5,06 1,12

KB2 1,5 1 6,96 1,86

KB3 1,5 1,1 6,96 2,27

KB4 1,0 0,6 5,06 1,08

KB5 1,0 0,7 5,06 1,23

KB6 1,0 0,8 5,06 1,27

KB7 1,0 0,6 5,06 1,12

KB8 1,0 0,7 6,96 1,68

KB9 1,0 0,8 5,69 1,5

KB10 1,5 0,8 5,06 1,35

KB11 1,5 1 6,96 1,78

KB12 1,5 1,1 6,96 1,90

39

Hình 2.4: Kiểm định mô hình-Vận tốc thực đo và vận tốc tính toán trường hợp có mố nhám.

TN(m/s)

Bảng 2.7: Kết quả kiểm định vận tốc Umax giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý

TT(m/s)

Umax TT Hs (m) T (s) Umax

KB1 Độ sâu nước chân kè ds(m) 1,5 Hệ số nhám Cd 2,0 0,8 5,06 1,08 1,12

KB2 1 6,96 1,0 1,96 1,86 1,5

KB3 1,1 6,96 2,1 2,15 2,27 1,5

KB4 0,6 5,06 2,3 0,81 1,08 1,0

KB5 0,7 5,06 2,3 0,94 1,23 1,0

KB6 0,8 5,06 2,3 1,08 1,27 1,0

KB7 0,6 5,06 2,4 1,06 1,12 1,0

KB8 0,7 6,96 2,3 1,64 1,68 1,0

KB9 0,8 5,69 2,3 1,61 1,5 1,0

KB10 0,8 5,06 2,3 1,45 1,35 1,5

KB11 1 6,96 2,3 1,97 1,78 1,5

KB12 1,1 6,96 2,2 1,81 1,90 1,5

2.4 Nghiên cứu khả năng tiêu giảm năng lượng khi có mố nhám

40

Tác giả đã tiến hành thí nghiệm cho trường hợp có mố, với kịch bản biên sóng và mực nước

khác nhau. Sau đây là kết quả chạy máng sóng số. Đơn vị ghi trong bảng lấy theo trị số thực

tế theo biên tính toán đề xuất.

Bảng 2.8: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám

T (s) Ghi chú TT Hs (m)

Độ sâu nước chân kè ds(m) 1,5 0,8 5,06 KB1 a=50cm, cạnh C= 20cm

1 6,96 1,5 KB2 a=50cm, cạnh C= 20cm

1,1 6,96 1,5 KB3 a=50cm, cạnh C= 20cm

0,6 5,06 1,0 KB4 a=50cm, cạnh C= 20cm

0,7 5,06 1,0 KB5 a=50cm, cạnh C= 20cm

0,8 5,06 1,0 KB6 a=50cm, cạnh C= 20cm

TT

Bảng 2.9: Vận tốc theo phương ngang U và phương đứng V của tính toán

TT (m/s)

Vmax TT T (s) Độ sâu nước chân kè ds(m) Hs (m) Umax (m/s)

0,8 5,06 0,01 1,08 1,5 KB1

1 6,96 0,21 1,96 1,5 KB2

1,1 6,96 0,14 2,15 1,5 KB3

0,6 5,06 0,04 0,81 1,0 KB4

0,7 5,06 0,01 0,94 1,0 KB5

0,8 5,06 0,01 1,08 1,0 KB6

So sánh hai phương án khi không và có đặt mố nhám, kết quả tính toán được thể hiện qua

bảng dưới đây:

41

mố

TT

T (s)

ds(m)

Hs (m)

Umax (m/s)

Umax (m/s)

Hiệu suất tiêu giảm vận tốc No (%)

KB1

1,5

0,8

5,06

1,26

1,08

Bảng 2.10: So sánh hai phương án khi có và không có mố nhám

KB2

1,5

1

6,96

1,96

1,84

14,3

KB3

1,5

1,1

6,96

2,26

2,15

6,1

KB4

1

0,6

5,06

0,99

0,81

4,9

KB5

1

0,7

5,06

1,15

0,94

18,2

KB6

1

0,8

5,06

1,27

1,08

18,3

15.0

Hình 2.5: Tỷ lệ tiêu giảm vận tốc so sánh khi có và không có mố nhám

Nhận xét:

Nhìn vào bảng 2.9 và hình 2.5 cho thấy: hiệu suất tiêu giảm vận tốc qua các mố nhám ảnh

hưởng từ 3 thông số chiều cao sóng (Hs), độ sâu nước (ds) và chu kỳ sóng (T).

-Với cùng một độ sâu nước (ds) khi Hs tăng, T tăng thì hiệu suất tiêu giảm vận tốc No có xu

thế giảm.

42

- Xét về độ sâu nước ds. Khi Hs và T như nhau, độ sâu nước nhỏ cho kết quả hiệu suất tiêu

giảm No cao hơn so với độ sâu nước lớn hơn (xem cùng phụ lục số 2). Điều này có thể lý

giải được là do đầu sóng tiếp xúc với mố nhám và khi dòng rút xuống từ trên mái kè, chúng

đều bị chà xát vào mố nhám và sẽ tạo dòng rối, dòng quẩn khu vực xung quanh mố nhám,

làm tiêu giảm vận tốc khi xuyên qua khu vực đặt mố nhám.

- Hiệu suất No cao nhất đã đạt đến trên 18%, trị số thấp nhất cũng trên 4%.

Ngoài kết quả trên, luận án cũng đã tiến hành chạy mô hình toán với sự thay đổi chu kỳ,

chiều cao sóng, độ sâu nước tại chân kè và mái dốc kè đã cho kết quả khá tương đồng với

kết quả chạy mô hình vật lý. Kết quả này được trích lục tại phụ lục số 2.

2.5 Mối quan hệ giữa các tham số

Phân tích ảnh hưởng các tham số tới vận tốc (U) bao gồm: Chu kỳ (T), chiều cao sóng (Hs)

Từ các kết quả nghiên cứu trên, mối quan hệ giữa vận tốc và chiều cao sóng, chu kỳ sóng

được thể hiện qua các hình vẽ 2.6 và 2.7.

Từ hình thức biểu diễn các mối quan hệ thông qua hai hình trên (2.7) và (2.6) cho thấy: Vận

tốc dòng chảy sát đáy lớn nhất tỷ lệ thuận với chiều cao sóng có ý nghĩa và chu kỳ sóng.

Khi chiều cao sóng có ý nghĩa lớn và chu kỳ sóng càng dài thì vận tốc dòng chảy do sóng

sát đáy càng lớn. Trong đó sự gia tăng của chu kỳ nổi trội hơn so với sự ảnh hưởng của

chiều cao sóng tới sự gia tăng vận tốc.

(a) Ảnh hưởng của chiều cao sóng Hs

Hình 2.6: Quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và chiều cao sóng

(b) Ảnh hưởng của chu kỳ sóng T

43

Hình 2.7: Mối quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và chu kỳ sóng

(c) Ảnh hưởng của tỷ số (ds/L)

Hình 2.8: Mối quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và hàm hyperbol độ sâu tương đối

2𝜋𝑑𝑠 𝐿

sinh ( )

𝑑𝑠 𝐿

Quan điểm chung của các nhà khoa học là dựa vào độ sâu tương đối hoặc dựa vào hàm

2𝜋𝑑𝑠 𝐿

2𝜋

hyperbol như hàm sinh(Kds)= sinh ( ) để phân chia các vùng của quá trình vận hành

𝐿

là số sóng. của sóng từ ngoài khơi vào bờ [12]. Trong đó 𝐾 =

Từ hình 2.7 cho thấy: Vận tốc dòng chảy sát đáy lớn nhất tỷ lệ nghịch với số sóng và độ sâu

tương đối. Khi số sóng hoặc độ sâu tương đối càng lớn thì vận tốc dòng chảy do sóng sát

đáy càng nhỏ. Mối quan hệ này có dạng đường cong lõm, dạng hàm mũ.

(c) Ảnh hưởng của tỷ số (a/L)

44

Xét tỷ số giữa độ cao mố nhám và chiều dài sóng cho thấy: Tỷ lệ (a/L) càng lớn thì vận

tốc càng giảm, mối quan hệ có dạng đường cong lõm. Điều này có thể giải thích như sau:

Khi chiều cao mố nhám tăng lên, đồng nghĩa với độ nhám tăng lên, tăng lên sự cản thủy

lực khi dòng do sóng mang tới cũng như sau khi sóng lướt lên mái kè rồi đổ xuống, dòng

2𝜋𝑎

khi này đều bị ảnh hưởng ma sát đáy. Kết quả tính toán được thể hiện trong hình 2.9.

𝐿

Hình 2.9: Mối quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và hàm hyperbol chiều cao mố cosh ( )

Theo hình 2.9, vận tốc dòng chảy sát đáy lớn nhất tỷ lệ nghịch với số sóng và chiều cao mố.

Khi số sóng hoặc chiều cao mố càng lớn thì vận tốc dòng chảy do sóng sát đáy càng nhỏ.

Mối quan hệ có dạng đường cong lõm, dạng hàm số mũ.

(e) Ảnh hưởng của mái dốc tới vận tốc đáy

Luận án đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của mái dốc tới vận tốc đáy cho trường hợp mái không

đặt mố nhám. Kết quả cho thấy có cùng chiều sâu nước, chiều cao sóng và chu kỳ sóng, khi

mái càng dốc thì vận đáy càng lớn. Kết quả được thể hiện trong các bảng 2.11.

Bảng 2.11: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 0,8m và T(s) = 5,06s

T (s) TT ds(m) Hs (m) Umax(m/s)

Hệ số mái đê 1:2 KB1 2,6 0,8 1,73 5,06

1:2,5 KB2 2,6 0,8 1,6 5,06

1:3 KB3 2,6 0,8 5,06

1:3,5 KB4 1,5 1,26 2,6 0,8 5,06

1:4 KB5 2,6 0,8 1,25 5,06

1:4,5 KB6 2,6 0,8 1,16 5,06

1:5 KB7 2,6 0,8 0,99 5,06

Từ các bảng trên, biểu diễn mối quan hệ giữa mái dốc và vận tốc đáy lớn nhất có xu thế

giảm khi độ dốc mái giảm.

45

Bảng 2.12: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,0m và T(s) = 6,96s

Hệ số mái đê T (s) TT Hs (m) Độ sâu nước tại chân kè ds(m) Umax (m/s)

1:2 KB1 1,91 2,6 1,0 6,96

1:2,5 KB2 1,89 2,6 1,0 6,96

1:3 KB3 1,85 2,6 1,0 6,96

1:3,5 1,84 KB4 2,6 1,0 6,96

1:4 KB5 1,66 2,6 1,0 6,96

1:4,5 KB6 1,54 2,6 1,0 6,96

1:5 KB7 1,3 2,6 1,0 6,96

Bảng 2.13: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,1m và T(s) = 6,96s

T (s) Hệ số mái đê TT Hs (m) Độ sâu nước tại chân kè ds(m)

Umax (m/s) 2,38 2,6 1,1 6,96 1:2 KB1

2,34 2,6 1,1 6,96 1:2,5 KB2

2,28 2,6 1,1 6,96 1:3 KB3

2,26 2,6 1,1 6,96 1:3,5 KB4

2,2 2,6 1,1 6,96 1:4 KB5

2,06 2,6 1,1 6,96 1:4,5 KB6

1,61 2,6 1,1 6,96 1:5 KB7

Nhận xét:

- Khi mái dốc giảm xuống thì đồng thời vận tốc cũng giảm theo khi xét cùng một biên

sóng.

- Chiều cao Hs lớn thì vận tốc lớn, chu kỳ càng dài thì vận tốc càng lớn;

- Họ bó dòng vận tốc dãn xa cách khi độ dốc mái nằm trong khoảng m =3,5 đến m = 4,5.

2.6 Kết luận chương 2

46

Vận tốc ngang lớn nhất tại chân kè phụ thuộc cơ bản vào các thông số chính như: Chu kỳ T, chiều

cao sóng Hs, độ sâu nước tại chân kè ds, độ dốc mái m, độ nhô của mố nhám a, độ dốc bãi i, trong

đó chu kỳ T có ảnh hưởng lớn nhất, và sau đó là độ dốc mái m. Mái càng dốc thì vận tốc càng lớn,

chênh lệch đến 2 lần khi xét m = 2 và m = 5 (phụ lục số 2). Ngoài ra nó cũng phụ thuộc khá lớn

, xét với T= 5s thì tỷ số

vào tỷ số

= 0,532 và 0,33 thì chênh lệch vận tốc đến 2,0 lần.

𝐻𝑠 𝑑𝑠

𝐻𝑠 𝑑𝑠

Khi có lắp đặt mố nhám thì vận tốc lớn nhất tại chân kè giảm rõ rệt. Trung bình khả năng tiêu giảm

vận tốc có thể đạt từ 6% đến 18% khi so sánh cùng điều kiện biên thủy lực giữa có và không có

mố nhám (phụ lục số 2).

Ngoài ra mố nhám còn có khả năng cản đá lăn lên mái kè, gây dòng xoáy quẩn, hạn chế sự tập trung

dòng chảy theo hướng tiến lên của đầu sóng cũng như khi dòng chảy xuống do đầu sóng tan ra trên

mái kè.

47

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VẬN TỐC DÒNG CHẢY DO SÓNG Ở CHÂN KÈ

NÔNG BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ

3.1 Đặt vấn đề

Vận tốc dòng chảy tại chân kè bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như điều kiện biên thủy

hải văn, điều kiện địa hình và mắt cắt ngang của công trình. Nghiên cứu trên mô hình vật lý

với máng sóng hiện đại với tỷ lệ thu nhỏ mô hình phù hợp để mô phỏng sóng tiến đến chân

kè và làm sáng tỏ chế độ dòng chảy với sự ảnh hưởng của yếu tố hình học tại vùng chân kè

khi có và không có mố nhám là rất cần thiết và sẽ được giải quyết trong chương này.

3.2 Hướng nghiên cứu bằng mô hình vật lý

3.2.1 Quá trình phát triển hướng nghiên cứu

Việc nghiên cứu hiện tượng tự nhiên có thể thông qua nghiên cứu lý thuyết, vận dụng các

định luật, định lý, nguyên lý, nguyên tắc để giải quyết một vấn đề nào đó. Nghiên cứu mô

hình là dạng khác của nghiên cứu lý thuyết, song vận dụng lý thuyết, kiểm định lý thuyết

cần có thí nghiệm vật lý, trường hợp này ta gọi là thí nghiệm tiến hành trong phòng.

Sử dụng kết quả nghiên cứu tương tự là cách tiếp cận sáng tạo, điều này đã được bác học

vật lý I.Newton đề cập đến trong tác phẩm mà ông đã công bố năm 1686. Nhưng cho mãi

đến năm 1848, J.Bcrtrand mới là người đầu tiên xác định tính chất cơ bản của hiện tượng

tương tự và đề xuất phương pháp phân tích thứ nguyên. Tới năm 1870, W.Froudc tiến hành

thí nghiệm về mô hình tầu thuyền, ông đã đề xuất số Froude nổi tiếng, chính việc này đã đặt

nền móng cho định luật tương tự về trọng lực. Tiếp tục hướng nghiên cứu này năm 1885,

O.Reynolds là người đầu tiên ứng dụng số Froudc tiến hành thí nghiệm mô hình sông

Mersey,Veron–Harcourt tiến hành thí nghiệm mô hình cửa sông Rin. Năm 1898, H.Engcls

đã xây dựng thí nghiệm mô hình sông đầu tiên ở Đức, nghiên cứu diễn biến cửa sông thiên

nhiên. J.R.Freeman xây dựng phòng thí nghiệm thuỷ công đầu tiên của cục tiêu chuẩn Mỹ.

Ngày nay nhiều nước đã đi theo hướng này, xây dựng các phòng thí nghiệm với trang thiết

bị hiện đại, đã giải quyết được nhiều bài toán, đã đưa ra khá nhiều công thức thực nghiệm

thông qua thí nghiệm mô hình vật lý và và mô hình toán kết hợp.

Về nghiên cứu lý thuyết, L.Prandtl, G.I.Taylor và T.V.Kamian đều có những thành tựu lớn,

nổi tiếng với các nghiên cứu về dòng chảy rối và lớp biên. Ngoài ra, F.Eisner, N.N.

Pavlovski, M.V.Kirpiev và Nicuradzc... cũng có những đóng góp đáng kể vào lý thuyết

tương tự và kỹ thuật thực nghiệm.

Hiện nay, trên thế giới có những phòng thí nghiệm công trình thuỷ nổi tiếng như:

48

- Trạm thí nghiệm đường thuỷ của binh đoàn công binh Mỹ (WES);

- Phòng thí nghiệm Thuỷ công của Liên Xô cũ (VNIIG);

- Phòng thí nghiệm thuỷ lực Quốc gia Pháp ở Chatou;

- Phòng thí nghiệm thuỷ lực của viện DELFT (Hà Lan);

- Phòng thí nghiêm thuỷ lợi, thuỷ điện trung ương của Ấn Độ (CWPRS).

- Các phòng thí nghiệm sông ngòi của Trung Quốc ở Bắc Kinh, Nam Kinh, Thiên

Tân, Vũ Hán, Quảng Châu v.v...

Ở Việt Nam, phòng thí nghiệm mô hình về công trình thuỷ đầu tiên và duy trì hoạt động

gần 40 năm nay là của Viện khoa học Thuỷ lợi Việt Nam. Viện khoa học Thuỷ lợi Miền

Nam, Công ty Tư vấn Xây dựng Đường thủy thuộc TED1... Tiếp theo là phòng thí nghiệm

thủy lực tổng hợp- Đại học thủy lợi. Những cơ sở thí nghiệm thuỷ lực có quy mỏ nhỏ hơn

đã có tại trường Đại học Bách khoa, Đại học Xây dựng, Viện Nghiên cứu năng lượng Điện

lực.

Phân loại mô hình công trình thủy:

Theo [49] mô hình phục vụ nghiên cứu có các dạng sau: Mô hình tương tự đồng tính và dị

tính.

+ Mô hình đồng tính: có kích thước và biên thủy lực giống nguyên hình, ví dụ mô hình thí

nghiệm máng sóng tràn có tỷ lệ 1:1 tại phòng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp, đại học Thuỷ

lợi.

+ Mô hình dị tính: nếu tính chất vật lý của chất liệu nguyên hình và mô hình không như

nhau. Ví dụ khi nghiên cứu dòng thấm trong môi trường hạt rời lấy môi trường điện trường

mô phỏng cho trường thấm.

Mô hình vật lý cho các bài toán đặt ra: ví dụ các công trình lòng dẫn, xây dựng các công

trình trị thủy.

3.2.2 Lý thuyết chuyển đổi thông số tương quan trong mô hình

3.2.2.1 Thứ nguyên

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 nguyên hình (NH) và mô hình

(MH) 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

3 đặc trưng tương tự: hình học, động học và động lực học [38,[43],[49].

49

Thứ nguyên là đại lượng biểu thị đơn vị đo cho đối tượng nghiên cứu, phân biệt các chủng

loại của đại lượng vật lý như độ dài, mật độ, độ dày, nhiệt độ, độ dẫn điện... Thứ nguyên

được diễn đạt bằng một ký hiệu đơn giản (chữ cái) và đóng mở bằng một ngoặc vuông [].

Thứ nguyên không thể thay thế bằng thứ nguyên khác gọi là "thứ nguyên cơ bản" có thể kể

ra đây như: [L] (độ dài), [M] (khối lượng) và [T] (thời gian), hoặc [F] (lực).

Trong luận án sử dụng 3 thứ nguyên đầu để phân tích hàm PI khi xây dựng công thức.

Bảng 3.1: Ký hiệu và đơn vị của của thứ nguyên cơ bản [49]

Đại lượng vật lý Thứ nguyên Đơn vi

Ký hiệu thường dùng Hệ SI Ghi chú Thứ nguyên cơ bản MLT Thứ nguyên cơ bản FLT

m s kg N m/s m/s2 m2 m3 m3/s kg/m3 N/m3

Chiều dài Thời gian Khối lượng Lưc Tốc độ Gia tốc Diện tích Thể tích Lưu lượng Mật độ Khối lượng Áp suất (lực cắt) Công (năng lượng) Công suất Hệ số nhớt động lực Hệ số nhớt động học 1 t m F V a (g) A V Q ρ γ p(τ) W(E) P µ ν [L] [T] |M| [ML/T2] [L/T] [L/T2] [L2] |L3] [L3/T] [M/L3] [M/L2T2] [M/LT2] [ML2/T2] [ML2 /T3 [M/LT] [L2/T] [L] IT] [FT-/L] [F| [L/T] [L/T2] [L2] [L1] [L3/T] [FT2/L4] [F/L3] [F/L2] N/m2, Pa |FL| [FL/T] [FL/T2] [L2/T] J w Pa.s m2/s mét giây kilôgram Newton Pascal Joule Oat

3.2.2.2 Tính tương tự trong nghiên cứu mô hình vật lý i *

+ Tương tự về hình học

Tương tự hình học giữa mô hình (MH) và nguyên hình (NH) là tương tự về hình dạng hình

học, do đó bất kỳ độ dài tuyến tính tương ứng nào thì nguyên hình và mô hình phải có cùng

tỷ lệ:

lN1 lM1

lN2 lM2

lNn lMm

= = ⋯ = l (3.1)

trong đó:

- lN1, lN2,…, lNn là các độ dài tuyến tính của nguyên hình;

- lM1, lM2,…, lMn là các độ dài tuyến tính của mô hình;

50

- l là hệ số tỷ lệ độ dài hay còn gọi là tỷ xích độ dài, tỷ xích hình học.

+ Tương tự về động học

Tương tự về động học là tương tự trạng thái chuyển động giữa mô hình và nguyên hình.

Tốc đô, gia tốc tại bất kỳ điểm tương ứng nào giữa mô hình và nguyên hình bắt buộc phải

song song với nhau và có cùng một hệ số tỷ lệ:

(3.2) = = ⋯ = u

UN1 UM1 aN1 aM1

UN2 UM2 aN2 aM2

UNn UMm aNn aMm

(3.3) = = ⋯ = a

trong đó: U và a là vận tốc và gia tốc; u và a là hằng số tỷ lệ của vận tốc và gia tốc.

+ Tương tự về động lực học

Tương tự về động lực học là tương tự về lực tác dụng giữa mô hình và nguyên hình. Lực

tác dụng tại bất kỳ tương ứng nào giữa mô hình và nguyên hình bắt buộc phải song song

với nhau và có cùng một hệ số tỷ lệ:

fN1 fM1

fN2 fM2

fNn fMm

(3.4) = = ⋯ = f

trong đó: f là lực tác dụng; f là hằng số tương tự về lực.

Trong 3 tính tương tự trên, trong thí nghiệm luận án đã sử dụng tương tự hình học. Để có

được tương tự cơ bản về các yếu tố sóng, mô hình cần làm chính thái, luật tỷ lệ mô hình cần

tuân theo tiêu chuẩn Froude. Trong các thí nghiệm sóng ngắn với mô hình chính thái tiêu

chuẩn Froude tự động được thỏa mãn.

3.2.3 Giới thiệu mô hình vật lý

(a) Máng sóng

Máng sóng là thiết bị thí nghiệm mô hình vật lý với tỷ lệ nhất định phục vụ cho nghiên cứu

môi trường tương tác của sóng với vật thể, với công trình. Ngay từ thế kỷ XX người Mỹ đã

nghiên cứu chế tạo máng sóng có kích thước nhất định. Cấu trúc các bộ phận của máng sóng

vật lý bao gồm các bộ phận chính sau:

Máng sóng, vật liệu có thể là các tấm kính ghép lại theo hình máng hẹp để quan sát khi sóng

chuyển động;

Bộ phận tạo sóng: thiết bị tạo nên các con sóng trong máng;

Thiết bị ghi, đo các thống số về sóng: bao gồm các đầu đo tín hiệu, dẫn đến máy tính để

phân tích tín hiệu thành số liệu biểu diễn;

Thiết bị hấp thụ và phá tan sóng phản xạ: khi sóng tiếp xúc với công trình và sóng từ nguồn

phát đi sẽ bị giao thoa, vì thế cần có thiết bị khử nhiễu sóng.

51

Mô hình thí nghiệm: mô hình lắp đặt đối diện với bộ phận tạo sóng. Dạng mô hình có thể

chế tạo theo yêu cầu của bài toán đặt ra.

Phòng điều khiển trung tâm: Phòng này có gắn các thiết bị để nhận và phân tích tín hiệu dẫn

về từ các đầu đo, qua máy tính phân tích tín hiệu, đưa ra số liệu cần thiết theo mục đích sử

dụng. Ngoài ra phần mềm hỗ trợ điều khiển máng hoạt động được lập sẵn theo nhu cầu điều

khiển để guồng máy hoạt động.

(b) Phần mềm điều khiển

Edinburgh Designs đã phát triển một bộ công cụ phần mềm đặc biệt để chạy thí nghiệm

trong một bể sóng. Sóng Synthesiser cho phép người dùng xác định, sử dụng một giao diện

đồ họa, các sóng được sử dụng trong thí nghiệm. Phần mềm này sau đó xuất ra dữ liệu sóng

trong một tệp mở định dạng tập tin dựa trên XML được tối ưu hóa cho nạp vào sóng Runtime

Edinburgh Designs, từ đó nó có thể được chạy trong một bể sóng. Dữ liệu sóng bắt từ

wavegauges có thể được đưa trở lại vào phần mềm được phân tích và, nếu cần thiết, để sửa

chữa cho các hiệu ứng bể trong làn sóng tạo ra.

Wave Synthesiser là một công cụ đồ họa để thiết kế các thí nghiệm sóng và phân tích các

dữ liệu thu được từ các đồng hồ đo sóng.

Sóng có thể được tạo ra bao gồm:

Sóng đều; Sóng không đều từ các phổ (PM, JONSWAP, ITTC, v.v…); Sóng dài; Sóng ngắn

với góc lan (CosN, Cos2N v.v…); Sóng tập trung cho mô phỏng các sự kiện cực đoan; Sóng

hỗn hợp phức tạp với biên động; Mô phỏng sóng đầu bạc.

Các thiết bị đo tín hiệu

Thiết bị (đầu đo) được đặt trong máng sóng để đo các tín hiệu của sóng và dòng, được dẫn

đến máy phân tích để đưa ra số liệu theo yêu cầu.

Hình 3.1: Bố trí đầu đo một thí nghiệm máng sóng [43],[44],[45]

(c) Máng sóng sử dụng trong thí nghiệm

52

Máng sóng Hà Lan đặt tại phòng thí nghiệm Thủy lực, Trường Đại học Thủy lợi được nhiều

nhà khoa học quan tâm và đã giúp cho rất nhiều chủ nhiệm đề tài, NCS nhà trường thực

hiện các thí nghiệm tại đây. Máng sóng sử dụng cho thí nghiệm là máng sóng Hà Lan do

Viện Thủy Lực DELFT, Hà Lan xây dựng và chuyển giao trong khuôn khổ dự án nâng cao

năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật Biển cho Trường Đại học Thủy lợi. Đây là một trong những

máng sóng hiện đại bậc nhất ở Việt Nam và ở khu vực Đông Nam Á.

Phòng điều khiển trung tâm được lắp đặt máy tính tốc độ cao, máy điều khiển hệ thống

máng và cho phép lựa chọn các thông số thí nghiệm theo yêu cầu, máy có độ an toàn cao.

Trường hợp không bình thường máy tự ngắt. Dọc trên máng được lắp đặt nhiều máy quay,

đầu đo và máy tính ghi dữ liệu của các đầu đo.

Hình 3.2: Máng sóng tại phòng thí nghiệm thủy lực tổng hợp - Đại học Thủy lợi.

Hình 3.3: Đo mực nước tĩnh trước khi thí nghiệm

53

Hình 3.4: Theo dõi số liệu hiện thị trên màn hình

Hình 3.5: Phòng điều khiển trung tâm của hệ thống máng

3.3 Cơ sở lựa chọn biên thí nghiệm

3.3.1 Chọn biên thí nghiệm

(a) Biên thủy hải văn thiết kế

Bờ biển Bắc Bộ, Trung Bộ nhìn chung là dạng bãi cát, pha cát, phù sa bồi đắp nên có độ

dốc khá thoải. Khi tính truyền từ sóng vùng nước sâu vào khu chân bờ chiều cao sóng từ

0,2m đến 3,0m, tương ứng chu kỳ sóng vùng nước nông khoảng 5 giây đến 7 giây, độ sâu

nước tại điểm chân kè từ 0,5m đến vài mét theo tần suất thiết kế tính toán. Vì vậy luận án

sẽ căn cứ vào biên tính toán này để thiết lập các kịch bản tính toán[4],[39][40].

(b) Biên địa hình, cấu tạo mái đê

54

Theo kết quả nghiên cứu chương trình đê biển giai đoạn I từ Quảng Ninh đến Quảng Nam

độ dốc bãi biển trung bình từ 1% đến 2%[4], mái đê phía biển thông dụng m =3,0 đến

m=3,5[4],[39].

3.3.2 Máng sóng thí nghiệm

Các thí nghiệm mô hình vật lý sóng tới chân kè đê biển được tác giả triển khai ở phòng thí

nghiệm Thủy lực, Trường Đại học Thủy Lợi. Máng sóng có tổng chiều dài 45m, chiều dài

hiệu quả 42m, chiều cao 1,2m, chiều rộng 1,0m. Máy tạo sóng được trang bị thiết bị hấp thụ

sóng phản xạ chủ động (ARC: Active Reflection Compensation). Máy tạo sóng có thể tạo

sóng đều hoặc sóng ngẫu nhiên theo một số dạng phổ phổ biến (ví dụ như JONSWAP).

Chiều cao sóng ngẫu nhiên tối đa có thể tạo ra trong máng sóng là 0,3m và chu kỳ 3,0s.

Mô hình đê và các tham số thí nghiệm

Đề tài đã chọn đê biển vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ thuộc bờ biển Việt Nam, vì thế điều

kiện biên sóng, mực nước, mái dốc, cao trình đỉnh đê… sẽ dựa theo điều tra thực tế đê biển

khu vực nghiên cứu để xây dựng mô hình thí nghiệm. Theo báo cáo hiện trạng của đê biển

Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ [39],[4] tác giả thấy đặc điểm kết cấu và hình học phổ biến như:

cao trình đỉnh đê biển (kể cả khi có tường đỉnh) phổ biến từ 4,0m đến 5,5m, mái dốc phía

biển từ m =3,0 đến 4,0. Trên cơ sở trên, để phù hợp với điều kiện thí nghiệm trong máng

sóng tác giả chọn mô hình đê và các tham số thí nghiệm có tỷ lệ mô hình 1/10.

Đê trong máng sóng có chiều cao 70cm, mái đê phía biển có độ dốc 1/3,5 và 1/4.

Đầu do lưu tốc được đặt sát với đáy, tại khu vực viên đá bảo vệ chân kè nông tiếp giáp với

mái. Để tiến hành đo đạc vận tốc dòng chảy tại chân kè, kịch bản được xây dựng trên các

cơ sở sau[39],[52]:

(a) Về biên thủy lực

Thể hiện mái dốc của đê biển, phạm vi mái thay đổi từ m = 3, m= 3,5 và m = 4. Ở đây chọn

đại diện m=3,5 là mái trung bình.

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm

55

(b) (a)

Hình 3.7: Đá xử dụng trong thí nghiệm rải tại chân kè, (a) sàng đá kích cỡ 2x4, (b)

phun sơn đá 1x2

Hình 3.8: Cấu kiện sử dụng thí nghiệm

Độ sâu nước cần thay đổi: mực nước cao tương ứng mực nước thiết kế hoặc trên thiết kế,

mực nước thấp, khi này ảnh hưởng của dòng chảy tại chân kè do sóng mang đến là khá

mạnh, năng lượng đầu sóng trực tiếp chà lên bề mặt bãi khi sóng đi qua. Vì thế sẽ chọn thêm

một số mực nước thấp để làm thí nghiệm.

- Chiều cao sóng: sẽ lựa chọn các chiều cao sóng khác nhau, từ sóng trong bão đến

sóng trong điều kiện bình thường.

56

- Chu kỳ sóng: cơ sở của sóng trên biển Đông.

- Thời gian chạy mỗi kịch bản khoảng 1000 con sóng.

- Sóng đều và sóng ngẫu nhiên.

(b) Về Vật liệu thí nghiệm

Mái kè sẽ làm bằng tấm vật liệu không thấm nước, tương đương với trường hợp đắp đất sét

dưới lớp bảo vệ, phần trong thân đê có thể là cát pha. Trường hợp thân là đất ít thấm thì vẫn

phù hợp.

Cấu kiện bảo vệ mái: đúc các cấu kiện có kích thước tương tự đã sử dụng ở đê biển bắc bộ,

loại chân lệch 40x40x35cm tương đương kích thước mô hình 4x4x3,5cm. Chế tạo chiều cao

cấu kiện và kích thước cạnh lục lăng thay đổi theo c= 23mm, 29mm và 35mm, tương ứng

chiều cao khối h = 55mm, 60mm và 90mm[39].

Đá bảo vệ chân kè: Trên cơ sở kích thược viên đá tại chân kè, tuân thủ tỷ lệ rút gọn trong

mô hình để có kích thước tương đương, luận án sử dụng sàng đá để có kích thước tương

ứng. Thí nghiệm sử dụng đá dăm loại đá 1x2 (cm) tức là lọt qua mắt sàng 20mm nằm trên

mắt sàng 10mm (kích thước ngoài thực tế là 10x20cm), đá 2x4 (lọt qua mắt sàng 40mm

đọng trên mắt sàng 20mm) tương đương với đường kính hoặc kích thước cạnh thực là

20x40cm. Đá loại 1x2 (cm) được sơn mầu đỏ để tiện khi ghi hình. Sử dụng loại đá nghiền

thể hiện tính tương đương của đá sau nổ mìn (còn góc cạnh) và sử dụng sỏi lòng suối, cạnh

vê tròn (thể hiện đá đã bị vê, mài mòn thành dạng gần giống hình cầu).

Bãi trước kè chọn độ dốc 1/100 tương tự như bãi biển vùng hạt mịn và cát. Sử dụng cát hạt

mịn có đường kính phù hợp với điều kiện thí nghiệm[26],[27].

3.4 Kịch bản thí nghiệm

Để có thể thực hiện các thí nghiệm, vừa mang tính tổng quát, vừa mang tính đặc trưng, bộ

kịch bản thí nghiệm sẽ dựa trên điều kiện biên thủy hải văn của Biển Đông mà đã được trích

dẫn trong QĐ 1613 Bộ NN&PTNT và TCVN 9901-2014.

Ngoài ra kịch bản sẽ đưa thêm các trường hợp cá biệt như mực thấp, mực nước cao, sóng

trong điều kiện thường và sóng trong bão để tìm ra quy luật vận tốc dòng do sóng mang đến

tại chân kè.

57

Hình 3.9: Lắp đặt cấu kiện thí nghiệm

Hình 3.10: Ghi chép kết quả kịch bản thí nghiệm tại Phòng TNTLTH – Đại học Thủy lợi

Kịch bản thí nghiệm được bố trí như bảng 3.2 (đơn vị sử dụng trong bảng lấy theo đơn vị

thực tế, trong thí nghiệm tỷ lệ mô hình 1:10 kích thước hình học giảm đi 10 lần, do quy đổi

tỷ lệ công thức tính toán nên trị số biểu thị thời gian chu kỳ T = 5,06s chính là 5s, T = 6,96s

chính là 7s).

58

Bảng 3.2: Kịch bản thí nghiệm

TT Tỷ Chu kỳ T (s) lệ mô hình Chiều cao sóng Hs (m) Ghi chú Độ sâu nước chân kè: ds(m)

Độ sâu nước trong máng: (m) 2,1 2,6 2,6 1 2 3 1:10 1:10 1:10 1 1,5 1,5 0,8 1 1,1 5,06 Mái nghiêng 6,96 Mái nghiêng 6,96 Mái nghiêng

4 1:10 2,6 1,5 0,8 5,06

5 1:10 2,6 1,5 1 6,96

6 1:10 2,6 1,5 1,1 6,96 Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm

7 8 9 1:10 1:10 1:10 2,1 2,1 2,1 1 1 1 0,6 0,7 0,8 5,06 Mái nghiêng 5,06 Mái nghiêng 5,06 Mái nghiêng

10 1:10 2,1 1 0,6 5,06

11 1:10 2,1 1 0,7 5,06

12 1:10 2,1 1 0,8 5,06 Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm

13 14 15 16 17 18 1:10 1:10 1:10 1:10 1:10 1:10 2,6 2,6 2,6 2,6 2,1 2,1 1,5 1,5 1,5 1,5 1 1 0,8 0,8 1 1,1 0,7 0,8 5,69 Mái nghiêng 6,96 Mái nghiêng 5,06 Mái nghiêng 6,32 Mái nghiêng 5,69 Mái nghiêng 5,69 Mái nghiêng

19 1:10 2,1 1 0,6 5,06

20 1:10 2,1 1 0,7 6,96

21 1:10 2,1 1 0,8 5,69

22 1:10 2,6 1,5 0,8 5,06

23 1:10 2,6 1,5 1 6,96

24 1:10 2,6 1,5 1,1 6,96 Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm

3.5 Kết quả thí nghiệm máng sóng vật lý

59

Tác giả đã tiến hành thí nghiệm với trên 50 kịch bản khác nhau. Phần trích ra sau đây là kết

quả của 24 thí nghiệm ứng với độ sâu đo đạc vận tốc tiến gần tại chân kè điển hình khi xem

xét khi có và không có mố nhám, đặt tại khu vực sát chân kè, bố trí 3 hàng dọc theo đường

biên chân kè[39]. Kết quả được trình bày trong các bảng 3.3 và 3.4.

Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm đo vận tốc lớn nhất

TN Umax (m/s)

TT T (s) Ghi chú Ls (m) g (m/s2)

Độ sâu nước tại chân kè ds (m) Chiều cao sóng Hs (m)

1 1,5 0,8 5,06 19,41 9,81 1,12

2 1,5 1 6,96 26,69 9,81 1,86

3 1,5 1,1 6,96 26,69 9,81 2,27

4 1 0,6 5,06 15,85 9,81 1,08

5 1 0,7 5,06 15,85 9,81 1,23

6 1 0,8 5,06 15,85 9,81 1,27

7 1 0,6 5,06 15,85 9,81 1,12

8 1 0,7 6,96 21,79 9,81 1,68

9 1 0,8 5,69 17,83 9,81 1,5

10 1,5 0,8 5,06 19,41 9,81 1,35

11 1,5 1 6,96 26,69 9,81 1,78

12 1,5 1,1 6,96 26,69 9,81 1,9 Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô R50cm, C20cm Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô R50cm, C20cm Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=50cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm Mái nghiêng có mố nhô a=45cm, cạnh C= 20cm

60

Bảng 3.4: Kết quả đo đạc vận tốc lớn nhất tại chân kè, mái không có mố nhám

TN Umax (m/s)

TT Ghi chú T (s) Ls (m) g (m/s2)

Độ sâu nước chân kè ds (m) 1,5 1 Chiề u cao sóng Hs (m) 0,8 5,06 19,41 9,81 1,24 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1,5 2 1 6,96 26,69 9,81 2,23 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1,5 3 1,1 6,96 26,69 9,81 2,35 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1 4 0,6 5,06 15,85 9,81 1,03 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1 5 0,7 5,06 15,85 9,81 1,37 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1 6 0,8 5,06 15,85 9,81 1,46 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1,5 7 0,8 5,69 21,83 9,81 1,85 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1,5 8 0,8 6,96 26,69 9,81 2,11 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1,5 9 1 5,06 19,41 9,81 1,66 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1,5 10 1,1 6,32 24,26 9,81 2,23 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1 11 0,7 5,69 17,83 9,81 1,45 Mái nghiêng không đặt mố nhám

1 12 0,8 5,69 17,83 9,81 1,62 Mái nghiêng không đặt mố nhám

3.6 Xây dựng công thức thực nghiệm

3.6.1 Cơ sở lập

Luận án sử dụng phương pháp PI-PUCKINGHAM [51] để thiết lập các phương trình tổng

quát thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với vận tốc ngang lớn nhất xuất hiện

tại chân kè khi biên tính toán thay đổi. Đây chính là cơ sở cho việc thiết kế các chuỗi thí

nghiệm phục vụ cho phân tích kết quả, dẫn tới các công thức thực nghiệm xác định vận tốc

lớn nhất tại chân kè. Các tham số liên quan bao gồm: chiều cao sóng tại điểm tính toán (Hs),

chu kỳ sóng (T), độ sâu nước (ds), mái dốc của kè m= cotgα, độ dốc bãi i, chiều cao mố

nhám (a).

Tác giả chia các tham số chi phối đến vận tốc lớn nhất tại chân kè thành hai nhóm cơ bản

sau đây:

-Các tham số thủy động lực:

Tham số sóng tới tại vị trí công trình: Hs, T, Ls;

Các tham số đặc trưng hình học mặt cắt ngang đê và bãi đê

61

- Tham số chi phối chính:

+ Chiều sâu nước tại chân kè: ds,

-Tham số chi phối phụ:

+ Độ dốc mái đê: m; Chỉ số Iribarren:  = tanα/(H/Lop)0.5

+ Độ dốc bãi: i;

+ Chiều cao mố nhô: a

Như vậy hàm vận tốc ngang lớn nhất sẽ bao gồm các biến như sau:

Umax = f(Hs, ds, T, a, , i,)

Để xây dựng công thức tác giả xây dựng mối quan hệ thể hiện trong công thức dự kiến như

sau:

Vận tốc sẽ được xây dựng trên cơ sở gồm 06 tham số độc lập đó là: Hs, ds, Tp, a, , i. Trong

đó giới hạn nghiên cứu: độ dốc bãi i = 1%. Khi này chỉ còn 5 biến độc lập (Hs, ds, T, a, ).

Phiếm hàm mô tả vận tốc ngang tại chân kè sẽ có dạng:

(3.5) Umax = f(Hs, Tp, ds, a, )

(3.6)

Trên cơ sở công thức tính vận tốc dòng chảy lớn nhất sát đáy [39]:

Umax= Hs(Tp)-1sinh-1 (2ds/Lop)

chọn Hs và Tp làm đơn vị cơ sở với các thứ nguyên cơ bản là [L] và [T], biểu thức (3.5) viết

dưới dạng phiếm hàm:

(3.7) Umax = f (π1, π2, π3, π4)

x1.Ty1;

Trong đó xác định các hàm πi sẽ là:

π1= Hs

x2.Ty2/sinh(2π.ds/L0p)

2𝜋𝑎

π2= Hs

x3.Ty3/ (

𝐿𝑜𝑝

x4.Ty4

x4.Ty4

π3= Hs );

.= Hs

.tanα /(Hs/L0p)0.5

π4= Hs

3.6.2 Giải và tìm hàm phiếm phụ

Từ phương trình (3.7) tác giả đi tìm nghiệm của các phiếm hàm trong họ các hàm này như

sau:

x1.Ty1 = [(L.T-1).Lx1.Ty1]

+ Tìm hàm π1

hay L 1+x1.T-1+y1 π1= Hs

Rút ra:

62

{ 𝑥1 − 1 = 0 y1 + 1 = 0

𝐻𝑠

Từ phương trình trên suy ra: x1 = 1, y1 = -1;

𝑇

Vậy ; π1 =

+ Tìm hàm π2

x2.Ty2/sinh(2π.ds/L0p) = Lx2.Ty2/ (2π.[L]/[L])

π2 = Hs

{ x2 = 0 y2 = 0

(

1 2𝜋𝑑𝑠 ) 𝐿𝑜𝑝

Vậy 𝜋2 =

2𝜋𝑎

+ Tìm hàm π3

x3.Ty3/ (

𝐿𝑜𝑝

π3= Hs )

{ x3 = 0 y3 = 0

1 2𝜋𝑎 ( 𝐿𝑜𝑝

Vậy 𝜋3 = )

x4.Ty4

+ Tìm hàm π4

.= Lx4.Ty4

.[-]

π4= Hs

{ x4 = 0 y4 = 0

Vậy π4=.

3.6.3 Bài toán tổng quát

𝐻𝑠

Chọn các hàm phiếm tính toán

)

)

𝜋1 = ( 𝜋2 =

(3.8)

)

𝑇 1 2𝜋𝑑𝑠 ( 𝐿𝑜𝑝 1 2𝜋𝑎 ( 𝐿𝑜𝑝 𝜋4 = 

𝜋3 =

{

Thay các công thức tính I ở (3.8) vào công thức (3.7) ta được công thức (3.9):

𝐿𝑜𝑝

𝐿𝑜𝑝

, , , ) (3.9) U𝑚𝑎𝑥 = 𝑓 ( 1 2𝜋𝑎 1 2𝜋𝑑𝑠 𝐻𝑠 𝑇 ( ) ( )

3.6.4 Tính toán vận tốc chân kè

63

𝐻𝑠

Dựa trên cơ sở công thức tính vận tốc dòng chảy lớn nhất sát đáy theo công thức (3.6):

𝑇

sinh (

1 2𝜋𝑑𝑠 ) 𝐿𝑜𝑝

Umax= 

và mối quan hệ tương quan giữa vận tốc dòng chảy sát đáy với các tham số đã nghiên cứu

ở chương 2, tác giả lập mối quan hệ của các đại lượng liên quan và vận tốc dòng chảy do

𝐵

1

sóng lớn nhất sát đáy dạng hàm mũ như sau:

𝐻𝑠 𝑇

cosh(

)

2𝜋𝑎 ) 𝐿𝑜𝑝

1 2𝜋𝑑𝑠 𝐿0𝑝

] 𝑈𝑚𝑎𝑥= 𝐴 ∗ [ sinh(

Giải thử dần ta có A=2,752 và B=1,231

1,231

1

Vậy, phương trình rút ra:

𝐻𝑠 𝑇

cosh(

)

2𝜋𝑎 ) 𝐿𝑜𝑝

1 2𝜋𝑑𝑠 𝐿0𝑝

] (3.10) 𝑈𝑚𝑎𝑥= 2,752 [ sinh(

Phương trình (3.10) tính vận tốc ngang lớn nhất khi các thông số xem xét là Hs, T, ds, Lop, a

và .

trong đó:

Ls- chiều dài bước sóng tính toán tại điểm thiết kế chọn (m);

T- chu kỳ sóng tại điểm thiết kế chọn (s);

Hs- chiều cao sóng thiết kế (m);

ds- độ sâu nước tại chân kè (m);

a- chiều cao mố (m);

- Chỉ số Iribarren:  = tanα/(Hs/Lop)0,5.

64

Hình 3.11: So sánh vận tốc dòng chảy lớn nhất của công thức tổng quát với kết quả thí

nghiệm, công thức lý thuyết tuyến tính của Van Rijn và theo tiêu chuẩn TCVN 9901-2014.

Từ hình 3.11, có thể thấy vận tốc dòng chảy lớn nhất do sóng tại điểm đo sát đáy theo TCVN

9901-2014 là nhỏ nhất. Vận tốc dòng chảy lớn nhất trong công thức tổng quát lớn hơn so

với kết quả tính toán trong TCVN 9901-2014 với trị số so sánh trung bình là 1,51 lần. Công

thức của Van Rijn[18] và kết quả thí nghiệm vật lý đều có tương quan với vận tốc dòng

chảy lớn nhất trong công thức tổng quát. Dòng chảy tại điểm đo sát đáy phụ thuộc các tham

số nghiên cứu Hs, T, ds, Lop, a và .

3.7 Kết luận chương 3

Vận tốc lớn nhất tại chân kè phụ thuộc vào các yếu tố như: chu kỳ sóng (T), chiều

cao sóng (Hs), độ sâu nước (ds), chiều dài sóng (Lop), chiều cao mố nhám (a), chỉ số Irribaren

().

Công thức (3.10) chỉ ra cách xác định vận tốc ngang lớn nhất xuất hiện tại chân kè,

công thức này đã đề cập đến 5 yếu tố (Hs, ds, T, a, ) xem xét ảnh hưởng về thủy động lực

học và hình học mặt cắt tính toán, nó mang tính phổ quát hơn công thức dùng trong TCVN

9901:2014 vì nó mới đề cập đến 3 yếu tố xem xét là Hs, độ sâu nước ds và Lop.

65

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN SO SÁNH KHỐI LƯỢNG VIÊN ĐÁ BẢO VỆ CHÂN KÈ

ÁP DỤNG CHO ĐÊ BIỂN CÁT HẢI, HẢI PHÒNG

4.1 Giới thiệu chung về đê Cát Hải, Hải Phòng

4.1.1 Hiện trạng công trình trước khi sửa chữa

Toàn đảo Cát Hải được bao bởi các tuyến đê từ Gót – Gia Lộc – Hoàng Châu – Văn Chấn

– Nghĩa Lộ - Đồng Bài - Gót. Nhìn chung địa hình toàn đảo là khu vục khá bằng phẳng bao

gồm các ao hồ đầm nuôi trồng thuỷ sản và các khu dân cư. Khu vực dự án đoạn thuộc đoạn

đê Gia Lộc – Văn Chấn – Hoàng Châu (từ K5+576 đến đến K8+000) là một trong các tuyến

đê trực diện với biển của Cát Hải[52].

Trong những năm gần đây, mái kè bị hư hại rất nặng do đá hộc chà xát mái kè khi sóng xô

lên và rút xuống, theo [52],[53],[54],[55],[56], thì nguyên nhân lại chính là sóng tác động

và trong thi công việc kiểm soát chất lượng còn hạn chế. Mục tiêu của dự án là thiết kế cấu

kiện phù hợp, hạn chế hoặc ngăn cản hoàn toàn hiện tượng đá lăn trên mái kè khi sóng tác

động.

Hình ảnh dưới đây mô tả hiện trạng công trình bị hư hại. Có đoạn kè vừa mới xây dựng

được 8 tháng đã bị đá lăn gây mài mòn. Có đoạn, tư vấn đổ bù bê tông lên bề mặt để chống

mài mòn. Tuy nhiên giải pháp này không bền vững, chỉ sau thời gian ngắn các mảng bê tông

phủ đã bị bong ra, vỡ vụn.

66

Hình 4.1: Mái kè hư hại toàn tuyến do đá hộc mài mòn

Sau đây xin trích dẫn thông tin chính về thiết kế công trình.

4.1.2 Thông tin chung phục vụ tính toán thiết kế

(a) Thông số thủy hải văn thiết kế

Công trình thuộc cấp IV, xác định theo TCVN 9901-2014. Chiều dài tuyến công trình L=

2424m; tần suất thiết kế chọn P = 3,3%, tương ứng với tiêu chuẩn án toàn là N = 30 năm.

Thông số thiết kế ghi trong bảng sau:

Bảng 4.1: Thông số tính toán biên thủy hải văn thiết kế

TT Thông số chung Ký hiệu Trị số Đơn vị

1 Mực nước thiết kế MNTK 3,16 (m)

2 Chiều cao sóng nước sâu (Vùng 1) (m) 10,33 H0

3 Chiều cao sóng quân phương (m) 7,30 Hrms

4 Chu kỳ đỉnh phổ (s) 12,3 Tp

5 Chiều dài sóng nước sâu (m) 236,01 L0

(m) 6 Khoảng tra tham số sóng TK 59 L0/4

7 Ðộ dốc sóng nước sâu - 0,044 s0

8 Góc sóng tới 0 (độ) β0

(b) Xác định sóng thiết kế tại chân công trình

Dựa vào bình đồ khảo sát tại tuyến kè, điều kiện biên sóng ngoài khơi vùng 1, tiến hành

truyền sóng từ vùng nước sâu vào chân công trình bằng phần mềm truyền sóng Wadibe –

2014 do khoa Kỹ thuật biển- Trường Đại học Thủy lợi lập. Tác giả lựa chọn 10 vị trí mặt

cắt đại biểu của đường bờ, vị trí tính sóng tại mỗi mặt cắt được tính từ mép nước ra một

khoảng L0/4 = 59m và cho kết quả ghi trong bảng.

67

Bảng 4.2: Chiều cao sóng tại chân kè tại 10 mặt cắt đặc trưng

ds Hs TT Mặt cắt (m) (m)

1 MC-0 2,83 3,01

2 MC-10 3,18 2,91

3 MC-19 2,09 2,53

4 MC-30 2,72 2,91

5 MC-40 3,41 3,16

6 MC-50 2,63 2,86

7 MC-60 3,02 3,11

8 MC-70 2,25 3,16

9 MC-80 2,08 2,5

10 MC-85 2,29 2,91

Nhìn vào bảng trên cho thấy mặt cắt có chiều cao sóng cao nhất là MC 40 và MC 70 (Hs=

3,16m). Chúng tôi lựa chọn trị số cao nhất này để tính toán kiểm tra ổn định cấu kiện bảo

vệ mái kè và vật liệu bảo vệ chân kè.

4.2 Hiện tượng hư hại mái kè do vật rắn chà xát

Trong thực tế ta thường bắt gặp hiện tượng đá hộc tại chân kè, khối bê tông bảo vệ mặt bãi

khu vực sát chân kè, khối đá xây hoặc khối vật liệu cứng nằm tại chân kè vẫn bị sóng lăn

lên mái. Thực tế các công trình kè ở Cát Hải, thềm kè tường biển tại Đồ Sơn, Hải Phòng, kè

biển tại Thịnh Long, Hải Hậu, Nam Định và một số đoạn kè khác mái kè chỉ sau một thời

gian khai thác mặt cấu kiện bảo vệ mái đã bị mài mòn. Nếu tính toán khối lượng viên đá

theo thức (1.37), với vận tốc khoảng trên dưới 2 m/s thì trọng lượng viên đá khoảng 40-60

kg. Tuy nhiên vẫn có khối đá xây, cục bê tông lát mái có trọng lượng trên dưới 100 kg vẫn

bị sóng vần lên mái. Nguyên nhân có thể là do khi áp dụng công thức (1.37) để tính toán

song có thể chưa đủ an toàn hoặc nguyên nhân nào khác. Hình ảnh sau đây minh chứng cho

hiện tượng này.

68

Khối đá xây được sóng đưa lên mái kè Đá gom lên mái kè.

Chân kè và cấu kiện bảo vệ chân bị hư hại Giải pháp đổ trùm bê tông giữ khỏi bị mài mòn cấu kiện mái kè

Hình 4.2: Một số hình ảnh về sự mài mòn cấu kiện mái kè khi vật rắn chà xát

4.3 Thiết kế mố nhám chân kè

Trong trường hợp gần đúng khi sóng tới chân kè còn giữ nguyên hình dạng con sóng (sóng

chưa vỡ) để tính ảnh hưởng của mố nhám đến vận tốc dòng. Luận án đã nghiên cứu ứng

dụng lý thuyết trên để giảm năng lượng sóng trườn lên mái kè và nhiệm vụ quan trọng là

cản lượng đá có thể di chuyển lên mái kè khi bị sóng tác động. Việc bố trí mố nhám cản đá

đã được nhóm tác giả thiết kế thử nghiệm và đăng ký bản quyền tại cục sáng chế -quyết

định số QĐ 17147(PL số 5)[40]. Cấu trúc cấu kiện như sau:

69

a)Mô tả chi tiết kết cấu

Kích thước của cấu kiện phụ thuộc vào chiều cao sóng tác động và điều kiện thi công. Kích

thước hình học cấu kiện như sau:

- Cạnh của hình lục giác C (cm);

- Chiều cao cấu kiện h (cm);

- Chiều cao nhô khi xếp có cấu kiện mái a (cm);

- Chiều sâu đặt lỗ móc (c);

- Đường kính lỗ móc (mm);

- Đường kính móc treo bằng thép trên đỉnh d (mm);

- Diện tích của hình lăng trụ S.

Sáng chế sử dụng kết cấu mới thỏa mãn 3 yêu cầu sau:

-Hạn chế tối đa hiện tượng đá trượt trên mái kè khi có sóng tác động;

-Tiêu hao năng lượng sóng tiếp xúc với mài kè;

-Thuận tiện trong thi công, sửa chữa và quan trắc biến dạng của mái kè.

b)Ưu điểm của kết cấu áp dụng

+ Cản đá khi di chuyển trên mái kè: Trong bố trí hiện trường, các cấu kiện này được xếp

theo dạng hình“ Hoa Mai“ xen kẽ có cấu kiện cao, cấu kiện thấp. Khi sóng xô các viên đá

lên mái kè thì bị ngay các các khối cao ngăn cản (hàng tường cản thứ nhất). Trường hợp

viên đá chuyển động trong không gian giữa hai khối cao thì bị hàng thứ hai cản lại. Nếu

năng lượng của viên đá còn lớn, vượt qua “bức tường thứ nhất“ thì lại bị các bức tường sau

ngăn cản. Độ cao và số hàng của các “bức tường“ phụ thuộc vào năng lượng sóng.

+ Tiêu tán năng lượng sóng[40],[52],[56]: Với cách xếp hình hoa mai nó sẽ triệt tiêu nhanh

năng lượng sóng. Vì khi sóng gặp khối cao sẽ bị ngay bức tường này ngăn cản dòng chuyển

động, với dòng chảy qua hai khe của khối cao sẽ bị chuyển động xoáy quanh khối, do hướng

chuyển động của các dòng xoáy này ngược chiều nhau tạo nên dòng rối nên đã tự tiêu tán

năng lượng khi dòng xô vào nhau.

Như vậy nó tiêu tán cả theo phương đứng và phương ngang của dòng do sóng trườn trên

mái kè.

70

Hình 4.3: Viên đá qua khe hàng thứ nhất và bị giữ lại tại hàng thứ hai

+ Thuận tiện trong thi công: Cấu kiện có móc thép trên đỉnh khối để nâng hạ khối khi di

chuyển và lắp đặt. Ngoài ra có lỗ ngang để có thể luồn thanh điều khiển xoay góc khi hạ

vào vị trí. Mặt khác ngay chính lỗ xuyên này lại có tác dụng để móc dây xuyên qua lỗ khi

móc trên đỉnh không còn làm việc.

Hình 4.4: Sơ họa bố trí mặt bằng và hình ảnh thí nghiệm mố nhám cản đá trên mái kè

c)Mô tả vắn tắt các hình vẽ [40]

Các cấu kiện được xếp theo hình hoa mai, trong đó hàng số 1 và hàng số 2 là khối cao, các

hàng xung quanh nó có chiều cao nhỏ hơn. Ở thí nghiệm trên đã bố trí 3 hàng cao[56],[52].

71

1 Móc để

2 nâng cấu

h 1

Lỗ xuyên

ngang 2

-d

C

1 a a)

b)

Hình 4.5: Bố trí cấu kiện trên mái kè

(a) Mặt bằng bố trí các cấu kiện nằm trên mái kè. (1) Mố nhám chắn thứ nhất, (2) Mố nhám

chắn thứ hai, (b) Phối cảnh không gian cấu kiện .

1 2 Mặt nền 3 4

của cấu

kiện lát

Hình 4.6: Cắt đứng biểu diễn các mố nhám cản đá lăn

(1), (2), (3), (4) là các mố nhám cản đá

4.4 Đề xuất quy trình kiểm tra điều kiện ổn định viên đá tại chân kè

Bước 1: Xác định vận tốc lớn nhất tại chân kè theo công thức (3.10);

Bước 2: Tính toán lựa chọn khối lượng viên đá thảo mãn điều kiện ổn định.

Kiểm tra kích thước viên đá theo điều kiện ổn định được quy định tại công thức (1.27) khi

G

xét vận tốc ngang Uc. Khi này đường kính viên đá được tính theo đường kính:

3 G=V*ρ= D3*ρ, hay D = √

ρ

(4.1)

72

trong đó:

3, Dn là đường kính quy đổi

G là khối lượng viên đá (kg); V là thể tích viên đá (m3), V = Dn

viên đá, khi đổ theo lớp(m); ρ là khối lượng riêng của đá (kg/m3). Sau khi đã có D sẽ kiểm

tra các điều kiện sau:

Kiểm tra kích thước viên đá theo điều kiện ổn định được quy định tại công thức (1.27) khi

xét vận tốc ngang Uc.

Nếu xác định được vận tốc phương xiên Ucr thì kiểm tra theo công thức (1.34):

Như vậy nếu viên đá bị trượt thì chiều cao ngưỡng cản phải ít nhất là bằng đường kính quy

đổi D của viên đá có khối lượng là G (kg).

4.5 Tính toán lựa chọn cấu kiện bảo vệ

4.5.1 Nhận xét về các lần sửa chữa và nâng cấp gần đây tại tuyến đê nghiên cứu

Do đặc điểm của đoạn đường bờ có địa hình mặt đất tự nhiên trung bình tại chân kè là 0.0m.

Trước chân kè đang còn tồn tại nhiều viên đá hộc của đê cũ. Nói chung các viên đá nằm

trên bị lăn vê trên mái đê cũ trong thời gian dài nên đã vê cạnh, chúng có dạng gần như khối

cầu. Các viên đá nằm dưới lớp cát thì vẫn còn nguyên dạng. Tuy nhiên đoạn đường bờ này

luôn biến động, nên vẫn có thể cả những viên chưa bị vê tròn vẫn có thể di động và bị đẩy

lên mái kè.

Trên toàn tuyến đê, vào năm 2009 đã có đoạn phải xử lý giảm sóng bằng xếp 2 lớp các khối

Tetraport (nơi có độ cao sóng lớn hơn). Tuy nhiên vẫn còn một số viên đá nằm sót giữa mố

nhám Tetraport và chân kè, nó vẫn lăn lên và chà xát mái kè khi có sóng mang lên. Nếu xử

lý tiếp bằng khối Tetraport giảm sóng thì giá thành sẽ không thấp.

Ở đoạn đê khác tư vấn đã sử dụng khối Holquader để bảo vệ, song vẫn còn hiện tượng đá

lăn lên mái kè. Ở đoạn cuối tuyến đê, vào năm 2015 tư vấn đã thiết kế lớp phủ bằng khối

Ston-Block có chiều dày tới D = 70cm. Thiết kế này mái kè ổn định, song ở đoạn này không

có đá sót lại trên bãi nên không gây nguy hại cho mái kè. Tuy nhiên tư vấn thiết kế chọn

chiều dày gia tăng và cường độ cấu kiện cao (BT mác 250) đề phòng bề mặt bị mài mòn

như các đoạn khác.

Từ những phân tích trên, tác giả đã đề xuất giải pháp bảo vệ không cho đá lăn lên mái kè

bằng các mố nhám cản đá. Kích thước chi tiết được thể hiện tại mục dưới đây.

4.5.2 Thiết kế chi tiết mố nhám cản đá và hình dáng cấu kiện tạo nên mố nhám

(a) Lựa chọn hình dạng cấu kiện

73

Mố nhám sẽ có kích thước chiều cao trên cơ sở tính toán từ kích thước chiều dày lớp bảo

vệ cộng với chiều cao tính toán cản đá. Kích thước trên mặt bằng có dạng hình lục lăng, sẽ

lựa chọn cạnh c để trọng lượng viên cấu kiện không quá nặng, không gây khó khăn cho thi

công.

Từ những phân tích trên, luận án chọn phương án sử dụng khối trụ bảo vệ mái phía biển,

hình dạng lục lăng. Khu vực sát chân kè sử dụng mố nhám cản đá. Kích thước tiết diện cấu

kiện lát chèn phần mố nhám mặt bằng giống với cấu kiện mố nhám, chỉ có chiều cao khối

là khác nhau (h=45cm). Sau đây là phần tính toán kích thước của cấu kiện bảo vệ mái và

mố nhám cản đá.

(b) Tính toán kích thước lớp bảo vệ mái

Áp dụng công thức tính chiều dày lớp bảo vệ trong tiêu chuẩn thiết kế đê biển TCVN 9901-

2014.

- Chiều dày của vật liệu bảo vệ mái được xác định theo công thức Pilarczyk

(1998)[7],[22],[39]:

(4.2)

trong đó:

Φ - Hệ số ổn định biểu thị cho ngưỡng chuyển động/ổn định của vật liệu.

Hệ số ổn định Φ cho các hệ thống cốt liệu dạng rời dưới tác dụng của sóng, được xác định

theo công thức của Van der Meer (1984):

(4.3)

Trong đó:

Pb- Hệ số phản ánh khả năng thấm/thoát nước của thân và nền kè; thường chọn Pb = 0,1 đối

với kè bảo vệ mái đê;

Sb- Tham số hư hỏng ban đầu, có thể lấy bằng 0,5 đến 2,0 đối với cấu kiện bê tông đúc sẵn

xếp độc lập.

N- Số con sóng tới công trình trong một trận bão.

+ Tính chiều cao sóng tại chân công trình

Tác giả đã tính toán dựa theo các công thức đề xuất và cho kết quả tính toán được thể hiện

trong bảng 4.3.

74

Từ kết quả trên, kích thước của mố nhám và cấu kiện trên mái được lựa chọn như sau:

+ Cấu kiện mố nhám thiết kế mặt cắt ngang dạng lục lăng, các cạnh được mô tả chi tiết như

sau:

- Cạnh lục lăng c = 23cm, cạnh ngang giữa 40cm;

- Chiều cao khối h = 70 cm;

- Cường độ bê tông thiết kế R = 250kg/cm2;

- Chi tiết phục vụ thi công, mọc treo d = 10mm, lỗ xuyên ngang để điều chỉnh khối khi

lắp đặt n = 30mm, cách đỉnh 150mm.

+ Cấu kiện chèn chân mố nhám

Cấu kiện bảo vệ chèn chân mố nhám có kích thước mặt bằng như mố nhám, chiều cao cấu

kiện h =50cm.

Các hình vẽ sau đây mô tả chi tiết cấu kiện đề xuất.

Bảng 4.3: Tính toán chiều dày lớp bảo vệ dạng cột

TT Thông số tính Trị số Ghi chú

(m) 1 Chiều cao sóng Hs= 3,16

s 2 Chu kỳ sóng T= 5,3

(m) 3 Chiều sâu nước d= 3,41

- 4 Mái dốc m= 3,0

5 Hệ số mũ b = 0,67 [độ nhẵn trung bình]

6 P = 0,1 [đê biển]

7 N = 3000 (con sóng)

8 S = 2 [bắt đầu hư hỏng]

(m) 9 236,01 L0 =

- 10 sop = 0,044

p =

- 11 ζb 1,37

- 12 cosα = 0,962

13 3 [Giá trị chuẩn - hư hỏng tối đa] Ψu =

14 2 [cấu kiện chất lượng cao] Ψu =

(m) 15 0,43 Chiều dày bảo vệ Dmin =

(m) 16 0,44 Giá trị thiết kế Dtk =

75

Hình 4.6 : Mặt cắt đứng bố trí mố nhám cản đá

Hình 4.7: Bố trí mặt bằng mố nhám sửa chữa

76

(a) (b)

Hình 4.8: Chi tiết cấu tạo cấu kiện chèn chân mố nhám (h =50cm)

(a) Hình chiếu bằng khối chân gìm cạnh hàng rào, (b) Cắt đứng khối chèn (h = 50cm)

(a) (b) ( c)

Hình 4.9: Chi tiêt cấu kiện bảo vệ mái kè

(a) Hình chiều bằng cấu kiện mố nhám, (b) cắt đững (h = 70cm), ( c) Khối chèn bù

Hình 4.10: Cấu tạo chi tiết cấu kiện phần mái kè tu sửa mới (kết cấu chân lệch h =26cm)

77

4.5.3 Kết quả quan trắc mố nhám thiết kế

Qua một số năm đưa công trình vào sử dụng, kết quả cho thấy:

- Khu vực thiết kế sửa chữa đã làm việc ổn định, các cấu kiện vẫn giữ được hình dạng chế

tạo ban đầu. Không có hiện tượng mài mòn trên bề mặt do đá lăn như các đoạn khác

chưa được sửa chữa, không có hiện tượng xô lệch khối xếp.

- Đã có những viên đá to, khối xây, cấu kiện bê tông cũ do nơi khác mang tới, khi sóng

đưa lên mái thì bị giữ lại ngay trên vị trí các mố nhám.

- Chỉ cần 3 mố nhám ngăn cản (tính từ dưới chân kè lên trên mái kè). Hầu như đá chỉ mắc

lại tại sau hàng mố nhám thứ nhất.

- Mặt bãi trước mố nhám có cao độ đồng đều theo trục dọc, không có hiện tượng xuất hiện

hố xói cục bộ trước chân kè.

- Kiểm tra cao độ mố nhám không thấy xuất hiện lún cục bộ. Có thể nguyên do nhà thầu

thi công đã đầm, chèn chặt khi lắp đặt cấu kiện. Điều này cũng chứng tỏ là vật liệu đệm

dưới cấu kiện (mố nhám và cấu kiện bảo vệ mái không bị rửa trôi).

(a) Toàn cảnh mái kè và mố nhám cản đá (b) Cận cảnh mố nhám cản đá

Hình 4.11: Ảnh chụp đoạn kè sửa chữa thực tế tháng 6 năm 2016

4.6 So sánh tính toán khối lượng viên đá tại chân kè

Tác giả luận án đã sử dụng công thức (3.10) để tính vận tốc dòng chảy lướn nhất tại chân kè, so sánh trị số tính toán với cùng điều kiện khi áp dụng công thức (1.37) cho thấy hai trị số này khác nhau. Trị số tính thưo công thức (3.10) có giá trị trung bình khoảng 1,5 lần so với công thức (1.37). Kết quả so sánh được thể hiện qua bảng 4.4.

Nhận xét chung:

78

- Khối lượng viên đá bảo vệ chân tăng đáng kể tới 21% ứng với kịch bản 3 khi sử dụng

công thức tính vận tốc theo phương ngang lớn nhất giáp chân theo công thức (3.10) và

công thức (1.37) của TCVN 9001-2014.

- Khi vận tốc dòng < 2,0 m/s thì cho phép lấy khối lượng viên đá 40kg để đảm bảo an toàn

và tiện cho thi công. Tuy nhiên khi áp dụng công thức (1.37) thì có 2 trường hợp vận tốc

cùng điều kiện như nhau song khi tính theo công thức (3.10) cho vận tốc lớn hơn 2,0m/s.

Như vậy kích thước viên đá sẽ tăng lên trên 40 kg.

- Nhiều kịch bản có vận tốc xấp xỉ 2,0 m/s trong khi đó khi áp dụng công thức (1.37) thì

trị số này khá nhỏ.

T Umax Q

Bảng 4.4: Kết quả so sánh sự khác nhau giữa công thức (1.37) và (3.10)

T Umax CVN(m /s)

TT a Hs (m) T (s) Ls (m)  g (m/s2) G theo T Umax Q (m/s) G tăng (%) (kg) G theo T Umax CVN (kg) Độ sâu nước chân kè ds(m)

0,8 5 15,66 9,81 0,0 1,26 1,64 1,19 40 40 0% KB1 1

0,8 6 18,79 9,81 0,0 1,38 1,93 1,21 40 40 0% KB2 1

0,8 7 21,92 9,81 0,0 1,50 2,21 1,22 KB3 1 48 40 21%

0,8 5 15,66 9,81 0,5 1,26 1,60 1,19 40 40 0% KB4 1

0,8 6 18,79 9,81 0,5 1,38 1,90 1,21 40 40 0% KB5 1

0,8 7 21,92 9,81 0,5 1,50 2,18 1,22 KB6 1 47 40 18%

4.7 Nhận xét chung về phương án đề xuất

- Phương án đề xuất đã thỏa mãn yêu cầu về tăng cường khả năng tiêu giảm vận tốc

dòng khi chảy luồn qua các mố nhám.

- Chiều cao ngưỡng mố nhám h= 43cm đủ ngăn cản các cấu kiện rời khi di động qua.

- Kiểu dáng hài hòa với kết cấu chung của công trình.

4.8 Kết luận chương 4

79

Khi áp dụng công thức (3.10) để tính vận tốc chân kè sẽ cho giá trị lớn hơn khi áp dụng

công thức công thức (1.37) của TCVN 9001-2014, tương ứng khối lượng tối thiểu của viên đá thảm chân kè sẽ an toàn hơn. Việc mất ổn định của đá thảm chân kè đê biển Cát Hải hiện nay rất có thể do nguyên nhân kích thước tính toán thiết kế viên đá còn thiên nhỏ.

Bố trí các mố nhám có tác dụng giảm vận tốc lớn nhất tại chân kè, làm tăng độ ổn định của

thảm chân kè hoặc làm giảm khối lượng tối thiểu viên đá thảm chân kè. Kích thước mố

nhám cản đá có thể tham khảo bản đăng ký độc quyền sang chế của tác giả và nhóm nghiên

cứu để lựa chọn[40].

80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết quả đạt được của luận án

(a) Nghiên cứu lý thuyết

- Khi nghiên cứu chân kè biển nói riêng, thân kè nói chung nó phụ thuộc nhiều vào đặc điểm

địa chất nền, độ sâu dòng chảy, chiều cao sóng, chu kỳ sóng, mái dốc kè và hướng tác dụng

của dòng chảy so với trục chính của kè; ổn định của nền bãi có ảnh hưởng trực tiếp đến chân

kè, ổn định của mái kè và thân đê. Việc tính toán xác định vận tốc lớn nhất thiết kế có xem

xét các yếu tố ảnh hưởng trên đã góp phần làm rõ cơ chế di chuyển đá tại chân kè.

- Luận án đã tổng hợp, phân tích các phương pháp nghiên cứu về ổn định, mất ổn định của

thềm bãi biển vùng sát chân kè, đồng thời nêu được ưu nhược điểm các dạng kè khác nhau,

từ đó đã đề xuất các phương pháp nghiên cứu và phạm vi áp dụng công thức tính vận tốc

lớn nhất tại chân kè để xác định kích thước vật liệu bảo vệ chân kè.

(b)Nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình vật lý và mô hình toán

Để tìm ra nguyên nhân hư hại chân kè, vật liệu di động khỏi chân kè, luận án đã tiến hành

làm thí nghiệm mô hình vật lý, thực hiện tại Phòng TNTL tổng hợp, Đại học Thủy lợi, kết

quả chỉ ra rằng: vận tốc đo đạc của 24 kịch bản cho thấy vận tốc thực đo lớn hơn 1,1 đến

1,68 lần (hoặc lớn hơn với chu kỳ T lớn) vận tốc tính toán theo công thức quy định trong

tiêu chuẩn thiết kế hiện nay.

Trên cơ sở kết quả của mô hình vật lý, tác giả đã sử dụng mô hình toán để mở rộng các biên

tính toán. Kết quả cuối cùng thu được: vận tốc dòng chảy do sóng mang tới chân kè bị ảnh

hưởng của các yếu tố như: Chiều cao sóng (Hs), chu kỳ sóng (T), chiều dài bước sóng (Ls),

độ sâu nước tại chân kè (ds), độ dốc mái kè (m). Vận tốc này đã phụ thuộc rất lớn vào chu

kỳ sóng, Hs, ds, mái dốc và chỉ số Irribaren. Nếu Hs tăng, mái dốc dốc hơn thì vận tốc càng

tăng. Vận tốc ngang lớn nhất tại chân kè được xác định tại công thức (3.10)

(c) Nghiên cứu ứng dụng vào công trình thực tế

Đê biển một số đoạn thuộc bắc bộ và bắc trung bộ nói chung cũng như đê biển Cát Hải, Hải

Phòng nói riêng… các công trình này đều tồn tại nhược điểm là các cấu kiện, đá hộc của

công trình cũ, khối đá xây nằm trên bãi biển, nó luôn bị sóng vần lên mái kè, gây mài mòn

và dẫn đến hư hại, giảm yếu chất lượng mái kè.

Luận án đã áp dụng cách tính toán ổn định của cấu kiện bảo vệ mái và chân kè khi thiết kế

cho một công trình tại Hải Phòng. Đề xuất quy trình kiểm tra 2 bước và lựa chọn khối lượng

viên đá bảo vệ chân kè.

81

Kết quả tính toán thiết kế phù hợp với thực tế và hiện trạng công trình đang ổn định, bền

vững, mỹ thuật từ khi sáng chế được cấp bằng sở hữu trí tuệ[40],[phụ lục số 3].

2. Những đóng góp mới của luận án

Luận án đã đưa ra được những đóng góp chính sau:

- Đã xây dựng công thức tính vận tốc ngang lớn nhất tại chân kè khi xét tổng hợp nhiều yếu

tố bao gồm: T, Hs, ds, L, tanα, a,  như đã thể hiện tại công thức (3.10).

- Luận án đã làm sáng tỏ được một số yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy do sóng ở khu vực

chân kè nông.

3. Tồn tại và hướng phát triển

(a) Những tồn tại

Luận án đã đề xuất công thức tính toán vận tốc lớn nhất xuất hiện tại chân kè khi sóng tác động. Tuy nhiên số kịch bản thí nghiệm còn khiêm tốn.

Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của mái dốc bằng mô hình toán tuy nhiên chưa có kiểm

nghiệm bằng mô hình vật lý một cách đầy đủ nên chưa được đưa vào công thức tổng quát.

(b)Hướng phát triển

Cần nghiên cứu bổ sung tiếp về ảnh hưởng của mái dốc công trình và độ dốc bãi bằng các

mô hình thực nghiệm để xây dựng các công thức vận tốc lớn nhất tại chân kè liên quan đến

hai yếu tố này.

4. Kiến nghị

Luận án đã đưa ra kết quả tính toán vận tốc lớn nhất của dòng chảy do sóng gây ra lớn hơn

trị số quy định hiện hành. Đây là cơ sở ban đầu để tham khảo, hiệu chỉnh công thức tính

toán vận tốc lớn nhất trong tiêu chuẩn thiết kế đê biển hiện hành cho phù hợp với thực tế

hơn.

82

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1) Le Xuan Roanh1, Pham Van Lap2, Hoang Duc Thao3. Le Tuan Hai4 “Toe dike-

Traditional Structure and needed improvement requirements”, Tạp chí Giao thông vận tải,

số đặc biệt (năm thứ 57), ISSN 2354-0818, Trích đăng tuyển tập hội thảo quốc tế-

Sustainability in Civil Engineering (ICSCE 2016), Hanoi.

2) Le Xuan Roanh1, Pham Van Lap2,“ Nghiên cứu cải tiến kết cấu bảo vệ mái đê biển

ngăn chặn hiện tượng đá trượt trên mái kè do sóng và dòng tác động”, Tạp chí Kết cấu &

Công nghệ xây dựng, số ISSN 1859.3194, 19020/IV-2015, Hà Nội 2015;

3) Le Xuan Roanh1, Pham Van Lap2, Le Tuan Hai, “Study of Rock running and

propose solutions agiants concrete plate erosion of embankment on Cathai sea-dike,

Haiphong” Proceding of Vietnam-japan Workshop on Estuaries, Coasts and

Rivers2015”, Hoian, Vietnam, 2015.

4) Phạm Văn Lập, Lê Xuân Roanh, “Nghiên cứu cải tiến kết cấu bảo vệ mái đê biển

ngăn chặn hiện tượng đá trượt trên mái kè do sóng và dòng tác động” Tuyển tập báo cáo

hội nghị KHTN năm 2015, Đại học Thủy lợi, Hà Nội. 2015

5) Phạm Văn Lập, Lê Xuân Roanh, “Cơ chế di chuyển viên đá tại vị trí chân kè” Tuyển

tập báo cáo Hội nghị Khoa học Thủy lợi toàn quốc 2017, Hà Nội 2017.

6) Phạm văn Lập, Lê Xuân Roanh (2015), Bằng độc quyền sang chế, Kết cấu mái kè

biển, số 17147, QĐ số 43706/QĐ-SHTT. Bộ KHCN, Cục SHTT.

83

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1) TCVN 9901:2014 – Công trình thủy lợi. Yêu cầu thiết kế đê biển.

2) TCVN 11736:2017- Công trình thủy lợi. Kết cấu bảo vệ bờ biển- Thiết kế, thi công và

nghiệm thu.

3) Lê Xuân Roanh và nnk (2008), Chuyên đề nghiên cứu xói chân kè biển, Đề tài NCKH

cấp bộ “Nghiên cứu, đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với từng loại đê và phù hợp

với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam”, chương trình NCKH đê biển

giai đoạn I. Bộ NN&PTNT.

4) Vũ Minh Cát (2008), “Nghiên cứu, đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với từng loại

đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam”, đề tài NCKH

cấp bộ, giai đoạn I: 2007 – 2008.

5) Nguyễn Thị Phương Thảo, Nguyễn Văn Lai (2015), Giáo trình Mực nước và dòng chảy,

NXB Bách khoa Hà Nội.

6) Thomass Peter Murray (2014), Surf zone circulation and transient rif currents on a

microtidal and wave dominated open coast beach , Gold Coast , Australia, PhD Thesess.

7) EM 1110-2-1100- Chapter 4: SURF ZONE HYDRODYNAMICS, 2003.

8) Hubert Chanson, Hydraulics of Open Channel Flow, 2nd Edition, Butterworth-

Heinemann 2004.

9) Longuet-Higgins 1970a, Longuet-Higgins, M. S. 1970a. “Longshore Currents

Generated by Obliquely Incident Sea Waves, 1,”Journal of Geophysical Research, Vol

75, No. 33, pp 6778-6789.

10) Longuet-Higgins, M. S. 1970b. “Longshore Currents Generated by Obliquely Incident

Sea Waves, 2,” Journal of Geophysical Research, Vol 75, No. 33, pp 6790-6801.

11) Vu Thanh Ca (2005). Sóng gió, Bài giảng khoa kỹ thuật biển, ĐHTL.

12) Phạm Văn Giáp &nnk (2004), Sóng biển đối với cảng biển, NXB Xây dựng.

13) . Valipour at all (2015), Study of undertow oscilations using an analytical model and

some numerical simulations . India Journal of Geo-Marine Science, Vol. 46(10) Oct,

2015, Pp 1622-1629

14) Longest-Higgins, MS, Wave set-up, Percolation and undertow in suf zone.

Proc.R.London 1983.

84

15) L.C van Rijn, March 2013, Irosion of gravel - Shingle beach and Barries, Cóncience,

www.leovanrijn-sediment.com.

16) Ruessink, G.B. and Van Rijn, L.C., 2010. Skewness and asymmetry of nearshore waves

(in preparation).

17) Van Rijn, (1993). Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal

Seas. Formulas for Sediment Transport. Aqua publication, The Netherlands.

18) Van Rijn, (2018), Stability and movement of coarse materials. The Van Rijn Method.

The Technic Civilization Saga 1. Author: lmpp.co.uk.

19) Gerrit, J. S., 2001. Introduction to Bed, bank and shore protection. Delft University

Press, Delft, the Netherlands.

20) Van Rijn, L.C., 1993. Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal

seas. Aqua Publications, Amsterdam, the Netherlands

21) Pilarczyk, K.W. (ed.), 1990, Design of seawalls and dikes - Including overview of

revetments, In: Coastal Protection, A.A. Balkema Publisher.

22) Pilarczyk, K. (editor), 1998, Dikes and Revetments, A.A. Balkema Publisher.

23) Izbash, S.V. and K.Y. Khaldre, 1970. Hydraulics of River Channel Closure.

Butterworth, London.

24) Nguyễn Văn Mạo & nnk (2009). Nghiên cứu cơ sở khoa học và các giải pháp kĩ thuật

đảm bảo an toàn công trình xây dựng trong điều kiện thiên tai bất thường Miền Trung.

Đề tài cấp Nhà Nước: 2009- 2011.

25) Ha, Ng. H., 2003. A physical model study on toe protection for sea dikes and revetments

in Vietnam. Master of Science Thesis, Unesco IHE, Delft, the Netherlands.

26) Thieu Quang Tuan, Nguyen Quang Luong, Le Ngoc Anh, Modelling sea dike toe erosion

during storms, Journal of Water Resources and Environmental Engineering, No. 23,

November 2008.

27) Lê Xuan Roanh, Le Hai Trung, Nguyen Quang Luong, Thieu Quang Tuan (2008),

“Research on scour of sea dyke with physical model”; Tạp chí thủy lợi môi trường, số

đặc biệt, 11-2008.

28) Vellinga, P., 1986. Beach and dune erosion during storm surges, Doctoral dissertation,

Delft Hydraulics communication report No. 372, Delft, the Netherlands, 169 p.

29) Richard Whitehouse, 1998. Scour at marine structures.

85

30) Bosboom, J., Aarninkhof, S.G.J., Reniers, A.J.H.M., Roelvink, J.A. and Walstra, D.J.R.,

2000. UNIBEST-TC 2.0 - Overview of model formulations. WL | Delft Hydraulics, Rep.

H2305.42, Delft, the Netherlands.

31) Tuấn, T. Q., và các cộng sự, 2008. Chuyên đề “Nghiên cứu trên mô hình vật lý máng

sóng sóng tràn qua đê biển Việt Nam”, Đề tài “Nghiên cứu, đề xuất mặt cắt ngang đê

biển hợp lý với từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến

Quảng Nam”, Giai đoạn I: 2007 – 2008.

32) Nguyễn Thế Duy (2002), “Một mô hình số cho vùng sóng vỡ trong gió bao gồm cả lớp

biên đáy và vùng sóng tràn”.

33) Phung Dang Hieu, Katsutoshi (2005), Verfication of a VOF – base two phase flow model

for wawe breaking and wawe – structure interactions;

34) Hieu P.D and Vinh P.N. “Numerical study of wave overtopping of a seawall supported

by porous structures”. Applied Mathematical Modeling, ELSEVIER, ISSN 0307-904X,

Vol.36, No. 6, pp. 2803- 2813.

35) Phung Dang Hieu, Phan Ngoc Vinh, Du Van Toan and Nguyen Thanh Son (2014).

“Study of ware- wind interaction at a seawall using a numerical wave channel”. Applied

Mathematical Modelling, ELSEVIER, Vol. 38, pp. 5149- 5159.

36) Phùng Đăng Hiếu và nnk (2012), ứng dụng máng sóng số nghiên cứu sóng tương tác

với đê chắn sóng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 13, Số 3; 2013: 227-233-

ISSN: 1859-3097.

37) Phùng Đăng Hiếu, Nghiên cứu mô phỏng sóng tràn qua công trình sử dụng máng sóng

số MSS-2D.

38) Nguyễn Văn Dũng (2014) Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm

sóng tràn trên đê biển, Luận án TSKT, Thư viện Đại học Thủy lợi.

39) Kết quả thí nghiệm hàng rào cản đá trên mái chân kè tỷ lệ 1/10, đê Cát Hải, Hải Phòng,

tại phòng TNTL Tổng hợp ĐHTL năm 2017.

40) Phạm văn Lập, Lê Xuân Roanh (2015), Bằng độc quyền sang chế, Kết cấu mái kè biển,

số 17147, QĐ số 43706/QĐ-SHTT. Bộ KHCN, Cục SHTT.

41) Sổ tay kỹ thuật thủy lợi tập II, NXB Nông nghiệp 1979.

42) Phùng Đăng Hiếu (2012) Xây dựng phần mềm máng sóng số và khả năng ứng dụng

trong thí nghiệm số, Hướng dẫn kỹ thuật và khả năng của máng sóng số (MSS-2D).

86

43) Nguyễn Văn Thìn (2014), Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc bộ-

Luận án TSKT, Thư viện Đại học Thủy lợi.

44) Nguyễn Văn Thìn (2016). “Ứng dụng mô hình máng sóng số để tương tác sóng- tường

và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp”. Tạp chí khoa học và công nghệ

thủy lợi số 32.

45) Nguyễn Văn Thìn, Nguyễn Văn Ngọc, Thiều Quang Tuấn (2013). “Nghiên cứu bằng

mô hình số sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp”. Tạp chí khoa học kĩ thuật thủy

lợi và môi trường- số đặc biệt.

46) Mai Thị Hà, Nguyễn Viết Tiến Thiều Quang Tuấn, Nghiên cứu trên mô hình máng sóng

số sóng tràn qua đê biển và hiệu quả cải thiện tương tác Sóng – Công trình của lăng thể

Tetraport trước đê. Tạp chí khoa học và công nghệ thủy lợi số 33.

47) Hieu P.D. (2004) Numerical Simulation of Wave-structure Interaction based on Two-

phase Flow Model. Doctoral Thesis, Saitama University, Japan.

48) Phùng Đăng Hiếu (2017) Mô tả phần mềm máng sóng số MSS2D.

49) Lương Phương Hậu, Trần Đình Hợi (2003), Lý thuyết thí nghiệm công trình thủy, Nhà

xuất bản Xây dựng, Hà Nội 2003;

50) G.J.C.M. Hoffmans &H.J.Verheij, Scour manual, A.A. Balkema, Rotterdam 1997.

51) Phạm Ngọc Quý, (1999). Bài giảng cao học công trình thủy, Mô hình toán và mô hình

vật lý công trình thủy lợi - Phần mô hình thủy lực công trình. Bài giảng cao học 1999;

52) Hồ sơ thiết kế đê biển Cát Hải- Hải Phòng, 8-2014.

53) Phạm Văn Lập, Lê Xuân Roanh, “Cơ chế di chuyển viên đá tại vị trí chân kè” Tuyển tập

báo cáo Hội nghị Khoa học Thủy lợi toàn quốc 2017, Hà Nội 2017.

54) Le Xuan Roanh, Pham Van Lap, Hoang Duc Thao, Le Tuan Hai “Toe dike- Traditional

Structure and needed improvement requirements”, Tạp chí Giao thông vận tải, số đặc

biệt (năm thứ 57), ISSN 2354-0818, Trích đăng tuyển tập hội thảo quốc tế-

Sustainability in Civil Engineering (ICSCE 2016), Hanoi.

55) Le Xuan Roanh, Pham Van Lap,“ Nghiên cứu cải tiến kết cấu bảo vệ mái đê biển ngăn

chặn hiện tượng đá trượt trên mái kè do sóng và dòng tác động”, Tạp chí Kết cấu &

Công nghệ xây dựng, số ISSN 1859.3194, 19020/IV-2015, Hà Nội 2015.

56) Phạm Văn Lập, Lê Xuân Roanh, “Nghiên cứu cải tiến kết cấu bảo vệ mái đê biển ngăn

chặn hiện tượng đá trượt trên mái kè do sóng và dòng tác động” Tuyển tập báo cáo hội

nghị KHTN năm 2015, Đại học Thủy lợi, Hà Nội. 2015.

87

57) Fowler, J.E., 1992. Scour problems and method for prediction of maximum scour at

vertical seawalls, Technical report CERC-92-16, US Army Engineer Waterways

Experiment Station, Coastal Engineering Research Centre, Vicksburg, Miss.

58) Shore Protection Manual, 1984. Coastal Engineering Research Centre, US Army.

59) Hughes, A. S. (ed.), 1993. Physical models and laboratory techniques in coastal

engineering. World Scientific, Singapore, 568 pp.

60) .Pham Van Lap, Le xuan Roanh (2015), Renovation study to prevent movement of rocks

on slope of seadike due to attachment of wave and current. Proceeding of Vietnam –

Japan Workshop on Estuaries and Rivers - (VJWECR2015).

61) Battjes, J. A. (1974). “Computation of set-up, longshore currents, run-up and

overtopping due to wind-generated waves”, Phd thesis, TU Delft, DelftUniversity of

Technology, Delft.

62) .Ashida, 1973. Initiation of Motion and Roughness of Flows in steep Channels, Papers

IAHR Congress, Istanbul.

63) Shields, A. (1936) Application of Similarity Principles and Turbulence Research to Bed-

Load Movement. California Institute of Technology, Pasadena (Translate from

German).

64) Van Rijn (1984), Sediment Transport, Part I: Bed Load Transport, Journal of Hydraulic

Engineering, Volume 110 Issue 10 - October 1984.

65) Paintal (1971). A Stochastic Model Of Bed Load Transport, Pages 527-554, Published

online: 01 Feb 2010.

66) Pilarczyk, K.W., 1996, Geosystems in hydraulic and coastal engineering - An overview,

Proceedings of the 1st European Geosynthetics Conference (EuroGeo), Maastricht, A.A.

Balkema (Publisher).

67) Pilarczyk, K.W. and Zeidler, R.B., 1996, Offshore breakwaters and shore evolution

control, A.A. Balkema Publisher, Rotterdam.

68) Fletcher C.A.J., Computational Techniques for Fluid Dynamics Volume 1, Springer.

1997.

69) Sakakiyama T., Kajima R. (1992). Numerical simulation of nonlinear waves interacting

with permeable breakwaters. Proc. 23rd Int. Conf., Coastal Eng., ASCE, 1517-1530.

70) Van Gent, (1994). The modeling of wave action on and in coastal structures. Coastal

Engineering Vol. 22,311-339.

88

71) Manual on wave overtopping of sea defences and related structures- EurOtop 2016, Pre-

release October 2016, second edition.

89

PHỤ LỤC SỐ 1

HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm với mực nước thấp: H8,T16: d21,H8,T22. Hs = 80cm, T= 16s; Độ sâu d = 2,1 m; Các vị trí của viên đá bị sóng tác động.

90

(1) Bắt đầu quan sát –

giây:0

(2) Giây thứ 2- điểm ghi

chu kỳ sóng rút

(3) Giây thứ 3- điểm ghi

chu kỳ sóng đến

(4) Giây thứ 4, điểm ghi chu kỳ sóng rút đá lao xuống

(5) Giây thứ 5 điểm ghi chu kỳ sóng rút

91

Giây thứ 10 sau vài lần

di động

Giây thứ 11 nó lại tiếp

tục nhích lên, điểm ghi

bắt đầu sóng rút

Giây thứ 12, đá lại lao

xuống, sóng rút

Giây thứ 13 lúc sóng rút

92

Giây thứ 14 sóng đến

xô nó lên

Giây thứ 22 đá lên khá

cao,

Giây thứ 29

Giây thứ 34- dịch xa so với vị trí ban đầu

Trường hợp mực nước cao: D52, H10, T22 , Vận tốc bình thường

93

H = 100cm, Độ sâu : d=520cm, T = 22s

Cột nước cao, sóng tràn qua đỉnh đê

Sóng tràn qua đỉnh khá mạnh

Vùng đáy vẫn yên tĩnh

Đá bảo vệ chân kè không di đông!

Trường hợp 2:

94

D36, H12,T18 Sóng tràn mạnh qua đỉnh đê

Sóng tràn mạnh qua đỉnh đê

Đá phần bảo vệ vẫn yên bình,

có xuất hiện đá đỏ lăn lên hàng

rào số 1, Tuy nhiên hầu như đá

chân kè không lúc lắc nhiều,

Trường hợp 3: Thí nghiệm với chu kỳ sóng dài

D22,H20,T28. Đá nhỏ dịch chuyên trên pham vi bảo vệ chân kè, ảnh hưởng chu kỳ

95

Giây thứ 27

Giây thứ 38

Trường hợp 4: Ngày 23/8- Có làm thêm, nước thấp D21, H6, T22

Quan sát hòn đá trắng tại thời

điểm 1, sóng rút

Tại thời điểm sau đó khi sóng tới

đã đẩy xô lên sát hàng rào số 1

Chiều cao sóng nhỏ, độ sâu nước rất thấp.

96

PHỤ LỤC SỐ 2

2.1 KỊCH BẢN TÍNH TOÁN MÔ HÌNH MÁNG SÓNG SỐ MÁI NGHIÊNG

Bảng 2.1: Kịch bản tính toán

TT T (s) Hs (m)

KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 KB6 KB7 KB8 KB9 KB10 KB11 KB12 Độ sâu nước trong máng (m) 2,6 2,6 2,6 2,1 2,1 2,1 2,6 2,6 2,6 2,6 2,1 2,1 Độ sâu nước chân kè ds(m) 1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 0,8 1 1,1 0,6 0,7 0,8 0,8 0,8 1 1,1 0,7 0,8 5,06 6,96 6,96 5,06 5,06 5,06 5,69 6,96 5,06 6,32 5,69 5,69

Hình 2. 1: Thiết lập mô hình máng sóng số KB1

Hình 2. 2: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB1

97

Hình 2. 3: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB1 lúc nước rút

Hình 2. 4: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB1 lúc nước dâng

Hình 2. 5: Thiết lập mô hình máng sóng số KB2

Hình 2. 6: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB2

98

Hình 2. 7: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB2 lúc nước rút

Hình 2. 8: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB2 lúc nước dâng

Hình 2. 9: Thiết lập mô hình máng sóng số KB3

99

Hình 2. 10: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB3

Hình 2. 11: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB3 lúc nước rút

Hình 2. 12: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB3 lúc nước dâng

Hình 2. 13: Thiết lập mô hình máng sóng số KB4

100

Hình 2. 14: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB4

Hình 2. 15: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB4 lúc nước rút

Hình 2. 16: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB4 lúc nước dâng

Hình 2. 17: Thiết lập mô hình máng sóng số KB5

101

Hình 2. 18: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB5

Hình 2. 19: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB5 lúc nước rút

Hình 2. 20: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB5 lúc nước dâng

102

Hình 2. 21: Thiết lập mô hình máng sóng số KB6

Hình 2. 22: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB6

Hình 2. 23: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB6 lúc nước rút

Hình 2. 24: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB6 lúc nước dâng

103

Hình 2. 25: Thiết lập mô hình máng sóng số KB7

Hình 2. 26: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB7

Hình 2. 27: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB7 lúc nước rút

Hình 2. 28: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB7 lúc nước dâng

104

Hình 2. 29: Thiết lập mô hình máng sóng số KB8

Hình 2. 30: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB8

Hình 2. 31: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB8 lúc nước rút

Hình 2. 32: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB8 lúc nước dâng

105

Hình 2. 33: Thiết lập mô hình máng sóng số KB9

Hình 2. 34: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB9

Hình 2. 35: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB9 lúc nước rút

Hình 2. 36: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB9 lúc nước dâng

106

Hình 2. 37: Thiết lập mô hình máng sóng số KB10

Hình 2. 38: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB10

Hình 2. 39: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB10 lúc nước rút

Hình 2. 40: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB10 lúc nước dâng

107

Hình 2. 41: Thiết lập mô hình máng sóng số KB11

Hình 2. 42: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB11

Hình 2. 43: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB11 lúc nước rút

Hình 2. 44: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB11 lúc nước dâng

108

Hình 2. 45: Thiết lập mô hình máng sóng số KB12

Hình 2. 46: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB12

Hình 2. 47: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB12 lúc nước rút

Hình 2. 48: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB12 lúc nước dâng

109

2.2 KỊCH BẢN TÍNH TOÁN MÔ HÌNH MÁNG SÓNG SỐ MÁI NGHIÊNG CÓ

MỐ

Bảng 2,2: Kich bản tính toán mố nhô

T (s) TT Hs (m) Độ sâu nước chân kè ds(m)

Độ sâu nước trong máng (m) 2,6 Hệ số nhám Cd do mố nhô 2,0 KB1 1,5 0,8 5,06

KB2 2,6 1,5 1 6,96 2,1

KB3 2,6 1,5 1,1 6,96 2,1

KB4 2,0 1,0 0,6 5,06 2,3

KB5 2,0 1,0 0,7 5,06 2,3

KB6 2,0 1,0 0,8 5,06 2,3

KB7 2,0 1,0 0,6 5,06 2,4

KB8 2,0 1,0 0,7 6,96 2,3

KB9 2,0 1,0 0,8 5,69 2,3

KB10 2,6 1,5 0,8 5,06 2,3

KB11 2,6 1,5 1 6,96 2,3

KB12 2,6 1,5 1,1 6,96 2,2

Hình 2. 49: Thiết lập mô hình máng sóng số KB1

110

Hình 2. 50: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB1

Hình 2. 51: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB1 lúc nước rút

Hình 2. 52: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB1 lúc nước dâng

Hình 2. 53: Thiết lập mô hình máng sóng số KB2

111

Hình 2. 54: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB2

Hình 2. 55: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB2 lúc nước rút

Hình 2. 56: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB2 lúc nước dâng

Hình 2. 57: Thiết lập mô hình máng sóng số KB3

112

Hình 2. 58: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB3

Hình 2. 59: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB3 lúc nước rút

Hình 2. 60: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB3 lúc nước dâng

Hình 2. 61: Thiết lập mô hình máng sóng số KB4

113

Hình 2. 62: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB4

Hình 2. 63: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB4 lúc nước rút

Hình 2. 64: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB4 lúc nước dâng

Hình 2. 65: Thiết lập mô hình máng sóng số KB5

114

Hình 2. 66: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB5

Hình 2. 67: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB5 lúc nước rút

Hình 2. 68: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB5 lúc nước dâng

Hình 2. 69: Thiết lập mô hình máng sóng số KB6

115

Hình 2. 70: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB6

Hình 2. 71: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB6 lúc nước rút

Hình 2. 72: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB6 lúc nước dâng

Hình 2. 73: Thiết lập mô hình máng sóng số KB7

116

Hình 2. 74: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB7

Hình 2. 75: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB7 lúc nước rút

Hình 2. 76: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB7 lúc nước dâng

Hình 2. 77: Thiết lập mô hình máng sóng số KB8

117

Hình 2. 78: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB8

Hình 2. 79: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB8 lúc nước rút

Hình 2. 80: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB8 lúc nước dâng

Hình 2. 81: Thiết lập mô hình máng sóng số KB9

118

Hình 2. 82: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB9

Hình 2. 83: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB9 lúc nước rút

Hình 2. 84: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB9 lúc nước dâng

Hình 2. 85: Thiết lập mô hình máng sóng số KB10

119

Hình 2. 86: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB10

Hình 2. 87: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB10 lúc nước rút

Hình 2. 88: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB10 lúc nước dâng

Hình 2. 89: Thiết lập mô hình máng sóng số KB11

120

Hình 2. 90: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB11

Hình 2. 91: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB11 lúc nước rút

Hình 2. 92: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB11 lúc nước dâng

Hình 2. 93: Thiết lập mô hình máng sóng số KB12

121

Hình 2. 94: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy KB12

Hình 2. 95: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB12 lúc nước rút

Hình 2. 96: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình KB12 lúc nước dâng

122

2.3 KỊCH BẢN TÍNH TOÁN MÔ HÌNH MÁNG SÓNG SỐ THAY ĐỔI HỆ SỐ MÁI

DỐC

Bảng 2,3: Kịch bản tính toán kè mái dốc thay đổi

TT T (s) Hs (m) Độ sâu nước trong máng (m) Độ sâu nước chân kè ds(m)

1 2,6 1,5 0,8 5,06 Hệ số mái dốc m 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

2 2,6 1,5 - - 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

3 2,6 1,5 - - 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

Hình 2. 97: Thiết lập mô hình máng sóng số với hệ số mái m = 2

Hình 2. 98: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy với hệ số mái m = 2

123

Hình 2. 99: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 2 lúc nước rút

Hình 2. 100: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 2 lúc nước dâng

Hình 2. 101: Thiết lập mô hình máng sóng số với hệ số mái m =2,5

124

Hình 2. 102: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy với hệ số mái m = 2,5

Hình 2. 103: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 2,5 lúc nước rút

Hình 2. 104: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 2,5 lúc nước dâng

125

Hình 2. 105: Thiết lập mô hình máng sóng số với hệ số mái m = 3

Hình 2. 106: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy với hệ số mái m = 3

Hình 2. 107: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m =

3 lúc nước rút

Hình 2. 108: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 3 lúc nước dâng

126

Hình 2. 109: Thiết lập mô hình máng sóng số với hệ số mái m = 3,5

Hình 2. 110: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy với hệ số mái m = 3,5

Hình 2. 111: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 3,5 lúc nước rút

Hình 2. 112: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 3,5 lúc nước dâng

127

Hình 2. 113: Thiết lập mô hình máng sóng số với hệ số mái m = 4

Hình 2. 114: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy với hệ số mái m = 4

Hình 2. 115: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m =

4 lúc nước rút

Hình 2. 116: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m =

4 lúc nước dâng

128

Hình 2. 117: Thiết lập mô hình máng sóng số với hệ số mái m = 4,5

Hình 2. 118: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy với hệ số mái m = 4,5

Hình 2. 119: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m =

4,5 lúc nước rút

Hình 2. 120: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 4,5 lúc nước dâng

129

Hình 2. 121: Thiết lập mô hình máng sóng số với hệ số mái m = 5

Hình 2. 122: Kết quả tính toán trường sóng và vận tốc dòng chảy với hệ số mái m = 5

Hình 2. 123: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m = 5 lúc nước rút

Hình 2. 124: Trường sóng và vận tốc dòng chảy tại chân công trình với hệ số mái m =

5 lúc nước dâng

130

2.4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN BẰNG MÔ HÌNH MÁNG SÓNG SỐ

2.4.1 Kết quả kiểm định mô hình máng sóng số với kết quả thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng

Bảng 1: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng

Hs (m)

T (s)

Ghi chú

TT

Độ sâu nước tại chân kè ds(m) 2,6

0,8

5,06

Mái nghiêng

KB1

2,6

1

6,96

Mái nghiêng

KB2

2,6

1,1

6,96

Mái nghiêng

KB3

2,1

0,6

5,06

Mái nghiêng

KB4

2,1

0,7

5,06

Mái nghiêng

KB5

2,1

0,8

5,06

Mái nghiêng

KB6

2,6

0,8

5,69

Mái nghiêng

KB7

2,6

0,8

6,96

Mái nghiêng

KB8

2,6

1

5,06

Mái nghiêng

KB9

2,6

1,1

6,32

Mái nghiêng

KB10

2,1

0,7

5,69

Mái nghiêng

KB11

2,1

0,8

5,69

Mái nghiêng

KB12

Bảng 2: Kết quả kiểm định Vmax giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý

131

Hs (m) T (s)

TT

TN

TT

Umax

Umax

Độ sâu nước tại chân kè ds(m))

KB1

0,8

5,06

1,26

1,24

2,6

KB2

1

6,96

1,84

2,23

2,6

KB3

1,1

6,96

2,26

2,35

2,6

KB4

0,6

5,06

0,99

1,03

2,1

KB5

0,7

5,06

1,15

1,37

2,1

KB6

0,8

5,06

1,27

1,46

2,1

KB7

0,8

5,69

1,58

1,85

2,6

KB8

0,8

6,96

2,03

2,11

2,6

KB9

1

5,06

1,59

1,66

2,6

KB10

1,1

6,32

2,25

2,23

2,6

KB11

0,7

5,69

1,41

1,45

2,1

KB12

0,8

5,69

1,57

1,62

2,1

Bảng 3: Vận tốc theo phương U và phương V của tính toán

U (m/s)

V (m/s)

TT

KB1

1,26

0,46

KB2

1,84

0,55

KB3

2,26

0,65

KB4

0,99

0,36

KB5

1,15

0,29

KB6

1,27

0,33

KB7

1,58

0,37

KB8

2,03

0,58

KB9

1,59

0,39

KB10

2,25

0,61

KB11

1,41

0,32

KB12

1,57

0,37

Bảng 4: Kết quả vận tốc Vmax trên mái đê (cách chân công trình 2,5m) với đê mái trơn

132

Hs (m) T (s)

TT

TT Umax (2,5m)

Độ sâu nước tại chân kè ds(m)

KB1

0,65

2,6

0,8

5,06

KB2

0,77

2,6

1

6,96

KB3

0,79

2,6

1,1

6,96

KB4

0,73

2,1

0,6

5,06

KB5

0,82

2,1

0,7

5,06

KB6

0,85

2,1

0,8

5,06

KB7

0,81

2,6

0,8

5,69

KB8

0,83

2,6

0,8

6,96

KB9

0,92

2,6

1

5,06

KB10

0,95

2,6

1,1

6,32

KB11

0,80

2,1

0,7

5,69

KB12

0,83

2,1

0,8

5,69

2.4.2 Kết quả kiểm định mô hình máng sóng số với kết quả thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhô

Bảng 5: Kịch bản thí nghiệm trường hợp đê mái nghiêng có mố nhám

133

Hs (m)

T (s)

Ghi chú

TT

Độ sâu nước tại chân kè ds(m)

KB1

2,6

0,8

5,06

KB2

2,6

1

6,96

Mái nghiêng có mố nhô R5cm, C2,0cm Mái nghiêng có mố nhô R5cm, C2,0cm

KB3

2,6

1,1

6,96

Mái nghiêng có mố nhô R5cm, C2,0cm

KB4

2,1

0,6

5,06

Mái nghiêng có mố nhô R5cm, C2,0cm

KB5

2,1

0,7

5,06

Mái nghiêng có mố nhô R5cm, C2,0cm

KB6

2,1

0,8

5,06

Mái nghiêng có mố nhô R5cm, C2,0cm

KB7

2,1

0,6

5,06

Mái nghiêng có mố nhô R4,5cm, C2,0cm

KB8

2,1

0,7

6,96

Mái nghiêng có mố nhô R4,5cm, C2,0cm

KB9

2,1

0,8

5,69

Mái nghiêng có mố nhô R4,5cm, C2,0cm

KB10

2,6

0,8

5,06

Mái nghiêng có mố nhô R4,5cm, C2,0cm

KB11

2,6

1

6,96

Mái nghiêng có mố nhô R4,5cm, C2,0cm

KB12

2,6

1,1

6,96

Mái nghiêng có mố nhô R4,5cm, C2,0cm

Bảng 6: Kết quả kiểm định Vmax giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý

134

TT

Hs (m) T (s)

TT

TN

Umax

Umax

Độ sâu nước tại chân kè ds(m)

Hệ số nhám Cd

KB1

2,0

1,08

2,6

0,8

5,06

0,01

KB2

2,1

1,96

2,6

1

6,96

0,21

KB3

2,1

2,15

2,6

1,1

6,96

0,14

KB4

2,3

0,81

2,1

0,6

5,06

0,04

KB5

2,3

0,94

2,1

0,7

5,06

0,01

KB6

2,3

1,08

2,1

0,8

5,06

0,01

KB7

2,4

1,06

2,1

0,6

5,06

0,08

KB8

2,3

1,64

2,1

0,7

6,96

0,28

KB9

2,3

1,61

2,1

0,8

5,69

0,20

KB10

2,3

1,45

2,6

0,8

5,06

0,15

KB11

2,3

1,97

2,6

1

6,96

0,29

KB12

2,2

1,81

2,6

1,1

0,28

6,96

Bảng 7: Vận tốc theo phương U và phương V của tính toán

TT

Hs (m) T (s)

TT

TT

Umax

Vmax

Độ sâu nước tại chân kè ds(m))

KB1

1,08

2,6

5,06

0,8

1,12

KB2

1,96

2,6

6,96

1

1,86

KB3

2,15

2,6

6,96

1,1

2,27

KB4

0,81

2,1

5,06

0,6

1,08

KB5

0,94

2,1

5,06

0,7

1,23

KB6

1,08

2,1

5,06

0,8

1,27

KB7

1,06

2,1

5,06

0,6

1,12

KB8

1,64

2,1

6,96

0,7

1,68

KB9

1,61

2,1

5,69

0,8

1,5

KB10

1,45

2,6

5,06

0,8

1,35

KB11

1,97

2,6

6,96

1

1,78

KB12

1,81

2,6

6,96

2,09

1,1

135

Bảng 8: Kết quả vận tốc Vmax trên mái đê (cách chân công trình 2,5m) với đê có mố nhô

Hs (m) T (s)

TT

TT Umax (2,5m)

Độ sâu nước tại chân kè ds(m)

0,65

KB1

0,8

5,06

2,6

0,67

KB2

1

6,96

2,6

0,46

KB3

1,1

6,96

2,6

0,58

KB4

0,6

5,06

2,1

0,63

KB5

0,7

5,06

2,1

0,65

KB6

0,8

5,06

2,1

0,54

KB7

0,6

5,06

2,1

0,57

KB8

0,7

6,96

2,1

0,63

KB9

0,8

5,69

2,1

0,62

KB10

0,8

5,06

2,6

0,65

KB11

1

6,96

2,6

0,44

KB12

1,1

6,96

2,6

2.4.3 Kết quả tính toán ảnh hưởng của hệ số mái đến vận tốc Vmax tại chân đê

Bảng 9: Kịch bản tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 0,8m và T(s) = 5,06s

Hệ số mái đê

Hs (m)

T (s)

TT

Ghi chú

Độ sâu nước tại chân kè ds(m) 2,6

KB1

5,06

0,8

Mái nghiêng

1:2

KB2

2,6

5,06

0,8

Mái nghiêng

1:2,5

KB3

2,6

5,06

0,8

Mái nghiêng

1:3

KB4

2,6

5,06

0,8

Mái nghiêng

1:3,5

KB5

2,6

5,06

0,8

Mái nghiêng

1:4

KB6

2,6

5,06

0,8

Mái nghiêng

1:4,5

KB7

2,6

5,06

0,8

Mái nghiêng

1:5

136

Bảng 10: Kịch bản tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,0m và T(s) = 6,96s

Hệ số mái đê

Hs (m)

T (s)

Ghi chú

TT

Độ sâu nước tại chân kè d(m ds(m) 2,6

Mái nghiêng

1:2

KB1

1,0

6,96

Mái nghiêng

1:2,5

KB2

2,6

1,0

6,96

Mái nghiêng

1:3

KB3

2,6

1,0

6,96

Mái nghiêng

1:3,5

KB4

2,6

1,0

6,96

Mái nghiêng

1:4

KB5

2,6

1,0

6,96

Mái nghiêng

1:4,5

KB6

2,6

1,0

6,96

Mái nghiêng

1:5

KB7

2,6

1,0

6,96

Bảng 11: Kịch bản tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,1m và T(s) = 6,96s

Hệ số mái đê

Hs (m)

T (s)

Ghi chú

TT

Độ sâu nước tại chân kè ds(m) 2,6

Mái nghiêng

1:2

KB1

1,1

6,96

Mái nghiêng

1:2,5

KB2

2,6

1,1

6,96

Mái nghiêng

1:3

KB3

2,6

1,1

6,96

Mái nghiêng

1:3,5

KB4

2,6

1,1

6,96

Mái nghiêng

1:4

KB5

2,6

1,1

6,96

Mái nghiêng

1:4,5

KB6

2,6

1,1

6,96

Mái nghiêng

1:5

KB7

2,6

1,1

6,96

Kết quả tính toán vận tốc theo phương Umax và Vmax tại chân đê

137

Bảng 12: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 0,8m và T(s) = 5,06s

TT

T (s)

Umax

Hs (m)

Hệ số mái đê

Độ sâu nước tại chân kè ds(m)

Vmax

1:2

1,73

0,73

KB1

2,6

0,8

5,06

1:2,5

1,6

0,57

KB2

2,6

0,8

5,06

1:3

1,5

0,37

KB3

2,6

0,8

5,06

1:3,5

KB4

2,6

0,8

5,06

1,26

0,46

1:4

1,25

0,29

KB5

2,6

0,8

5,06

1:4,5

1,16

0,29

KB6

2,6

0,8

5,06

1:5

0,99

0,01

KB7

2,6

0,8

5,06

Bảng 13: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,0m và T(s) = 6,96s

v

TT

T (s)

Hs (m)

Hệ số mái đê

u

Độ sâu nước tại chân kè ds(m)

1:2

1,91

0,73

KB1

2,6

1,0

6,96

1:2,5

1,89

0,57

KB2

2,6

1,0

6,96

1:3

1,85

0,42

KB3

2,6

1,0

6,96

1:3,5

KB4

2,6

1,0

6,96

1,84

0,55

1:4

1,66

0,25

KB5

2,6

1,0

6,96

1:4,5

1,54

0,21

KB6

2,6

1,0

6,96

1:5

1,3

0,02

KB7

2,6

1,0

6,96

138

Bảng 14: Kết quả tính toán thay đổi hệ số mái với Hs = 1,1m và T(s) = 6,96s

Hs (m) T (s)

v

TT

Hệ số mái đê

u

Độ sâu nước tại chân kè ds(m)

1:2

2,38

0,86

KB1

6,96

2,6

1,1

1:2,5

2,34

0,78

KB2

6,96

2,6

1,1

1:3

2,28

0,72

KB3

6,96

2,6

1,1

1:3,5

KB4

6,96

2,6

1,1

2,26

0,65

1:4

2,2

0,56

KB5

6,96

2,6

1,1

1:4,5

2,06

0,41

KB6

6,96

2,6

1,1

1:5

1,61

0,02

KB7

6,96

2,6

1,1

139

PHỤ LỤC SỐ 3

SÁNG CHẾ QĐ số: 17147

140