BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
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 chuyên ngành: 9580202
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2019
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Xuân Roanh 1:PGS.TS. Lê Xuân Roanh
GS.TS Ngô Trí Viềng
Phản biện 1: GS.TS Trần Đình Hòa
Phản biện 2: PGS.TS Phùng Đăng Hiếu
Phản biện 3: PGS.TS Trần Thanh Tùng Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
vào lúc 14:00 giờ, ngày 21 tháng 6 năm 2019
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài 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 lần và đặc biệt trong những năm gần đây bão có thể xuất hiện vào thời gian sớm hoặc muộn với cấp gió khá lớn. 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 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. 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 chảy do sóng tại chân kè đá đổ; -Xác định công thức tính toán vận tốc dòng chảy lớn nhất tại chân kè, từ đó chọn ra giải 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; - Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng ở chân kè nông bằng mô hình vật lý; - Mô hình số nghiên cứu dòng chảy tại chân kè nông. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận
1
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; - Phương pháp thực nghiệm; - Phương pháp mô hình số; và phương pháp nghiên cứu ứng dụng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: 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 quy trình kiểm tra ổn định viên đá tại chân kè. 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 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. 1.1.2 Khái quát lớp bảo vệ chân kè đê biển 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. 1.1.3 Chân kè nông Tiêu chuẩn phân loại chân kè theo biên thủy lực như sau: -
Chân kè nông: < 4,0 1,0 <
𝑑𝑠 𝐻𝑚0,0 𝑑𝑠 𝐻𝑚0,0
- Chân kè rất nông: < 1,0. (1.1) 0,3 <
Trong đó: ds là độ sâu nước tại điểm chân kè (m), Hm0,0 chiều cao sóng vùng nước sâu (m). 1.2 Dòng chảy khu vực chân kè nông 1.2.1 Hình thành dòng chảy khu vực gần chân kè 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).
2
Vùng sát chân kè và mái kè là vũng sóng vỗ, khi sóng tới gặp mái kè nó sẽ leo lên và tan ra, chảy xuống mà ta quen gọi là dòng tiến lên mái và dòng rút. Dòng này gây ảnh hưởng trực tiếp đến vật liệu tại chân kè. 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). Chân kè chịu ảnh hưởng của 2 dòng ngang và dọc bờ, dòng Rip ít bị ảnh hưởng. 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 √𝑔𝑑𝑠 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)( EM 2002)[6]. (b) Dòng phản hồi undertow tồn tại trên bãi biển 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). Hướng vận tốc của các vùng này ngược chiều nhau.
− 𝛾𝐿𝑛
Hình 1.8: Biểu đồ hướng vận tốc dòng chảy theo Longuet-Higgins (1953) 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; ϓ- Tiêu chuẩn sóng vỡ; k – hệ số cản
𝑘2 4
𝑔 sin2 𝛼 𝛾ℎ𝑜
− ); t- thời gian tính toán khi sóng lan đáy; hệ số đặc trưng: ϖo = √(
truyền. (c) Dòng dọc bờ + Theo Longuet-Higgins(1970)[9],[10] đã đưa ra công thức tính vận tốc dòng dọc bờ:
3
5𝜋 16
tan 𝛽∗ 𝐶𝑓
2/8);
U = (1.21) 𝞬b √𝑔𝑑𝑠 sin 𝛼 cos 𝛼
trong đó: 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. (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 vỗ 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. 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 (2ds/Ls)
Nghiên cứu ổn định của chân kè đá đổ
trong đó: ds: là độ sâu nước (m); Hs là chiều cao sóng, Tp là chu kỳ sóng, Ls là chiều dài bước sóng. 1.3 1.3.1 Nghiên cứu chân kè đá đổ trên thế giới a) Nghiên cứu dòng chảy đều, phương nằm ngang và ổn định vật rắn 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.
Hình 1.12: Lực tác động của dòng chảy lên vật thể hạt rời, phương ngang. Các lực khác nhau của dòng chảy tác dụng lên hạt được xác định như sau[19].
4
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 riêng nước biển lấy bằng γn =1025 kg/m3, khối lượng riêng của đá hộc γđ =2400kg/m3, công thức (1.26) có thể viết lại: (1.27). uc = 6,156√𝑑
0.035∗Φ∗𝐾𝑇∗𝐾ℎ 2g∗Ψ∗𝐾𝑠
trong đó: uc - vận tốc giới hạn (m/s); d- đường kính đặc trưng của viên đá (m); g- gia tốc trọng trường (m/s2); 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. + Dòng chảy phương tiến lên mái kè 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] DΔ = Ucr2. (1.31)
( 𝜌đ−𝜌𝑤) 𝜌𝑤
trong đó: Δ= = tỷ trọng tương đối của vật liệu (-),
(1.34)
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 (-). Thay các hệ số đã biết, công thức (1.31) viết lại: Ucr= 1,171√𝐷 (m/s). 1.3.2 Nghiên cứu ổn định chân kè tại Việt Nam 1.3.2.1 Nghiên cứu thử nghiệm và lý thuyết
5
(1.37)
Nghiên cứu xói chân kè biển cũng được nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm. 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]. Ngoài nghiên cứu trên mô hình vật lý, còn có nhiều tác giả đã 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. 1.3.2.2. Nghiên cứu ứng dụng Ở Việt Nam 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), 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. Các nghiên cứu của cán bộ khoa Kỹ thuật biển đã đóng góp thêm phần lý thuyết lý giải hố xói tại chân kè khi có ống buy, độ dốc bãi thay đổi. 1.3.3 Những tồn tại của nghiên cứu chân kè hiện nay - Hiện tại ở một số công trình đá hộc tại chân kè vẫn bị mất ổn định, đá di chuyển khỏi vị trí ban đầu. - 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). - 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, tỷ lệ diện tích mố nhám chiếm chỗ trên diện tích mặt bằng khoảng (20÷ 40)%. Cần nghiên cứu ảnh hưởng độ cao mố nhám đến tiêu giảm năng lượng dòng chảy. 1.4. Định hướng vấn đề nghiên cứu của luận án Vận tốc lớn nhất tại chân kè theo TCVN 9901:2014[1] xác định như sau: Umax =
trong đó: Umax - là vận tốc lớn nhất của dòng chảy ở chân kè (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 (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 ().
6
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; - 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. Các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc dòng chảy đã được Shield, Paintal, De Boer, Lammers, Simons và nhiều nhà nghiên cứu khác công bố. 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. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH SỐ NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY TẠI CHÂN KÈ NÔNG 2.1 Đặt vấn đề Để mở rộng phạm vi nghiên cứu và ảnh hưởng của các thông số hình học tới vận tốc dòng chảy tại chân kè nông, 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; đồng thời hỗ trợ nội dung nghiên cứu mô hình vật lý bị hạn chế do điều kiện thí nghiệm. 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
7
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]. 2.2.2 Máng sóng số 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: Hệ phương trình nước nông phi tuyến (NSW), Hệ phương trình Boussinesq (BAE) và Hệ phương trình dòng thế phi tuyến đầy đủ (FNPF).. + 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). Hệ số nhớt ) của trường dòng chảy. Công rối (
) được xác định từ ứng xuất biến dạng (
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)
(2.6)
8
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. 2.2.2.2 Cấu trúc của máng sóng số
9
Cấu trúc máng sóng số được sơ lược qua hình 2.2. Các điều kiện biên đưa vào chạy bao gồm: 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.
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc máng sóng số [34]
2.3 Lựa chọn điều kiện biên trong chạy mô hình toán 2.3.1 Căn cứ thiết lập thông số tính toán và thí nghiệm mô hình vật lý 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 Khảo sát đường bờ nói chung, thông số sóng tại điểm thiết kế: 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 trên 3m 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],[40],[39]. (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 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 cho thấy với kịch bản độ xốp n TT = 1,26 m/s cho kết quả phù hợp = 0,3, Cm = 0,25 và Cd = 1,5 cho vận tốc Umax TN(m/s) = 1,24 m/s (xem kết với kết quả thí nghiệm vật lý với cùng điều kiện Umax quả chương 3). Do đó mô hình máng sóng số 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].
10
2.3.3 Kiểm định mô hình trường hợp mái không có mố nhám
TN(m/s)
TT(m/s) Umax
TT Umax ds(m)
Bảng 2.4: Kết quả kiểm định vận tốc ngang lớn nhất (Umax) giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý T Hs (m) (s) 0,8 5,06 1 6,96 1,1 6,96 0,6 5,06 0,7 5,06 0,8 5,06 0,8 5,69 0,8 6,96 5,06 1 1,1 6,32 0,7 5,69 0,8 5,69 1,26 1,84 2,26 0,99 1,15 1,27 1,58 2,03 1,59 2,25 1,41 1,57 1,24 2,23 2,35 1,03 1,37 1,46 1,85 2,11 1,66 2,23 1,45 1,62 1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 KB6 KB7 KB8 KB9 KB10 KB11 KB12
TN(m/s)
2.3.4 Kiểm định mô hình trường hợp mái có mố nhám
TT(m/s)
Bảng 2.7: Kết quả kiểm định vận tốc lớn nhất giữa mô hình máng sóng số và mô hình vật lý Cd Umax TT kè ds(m) Hs (m) T (s) Umax
1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 1,08 1,96 2,15 0,81 0,94 1,08 1,06 1,64 1,61 1,45 1,97 1,81 0,8 1 1,1 0,6 0,7 0,8 0,6 0,7 0,8 0,8 1 1,1 5,06 6,96 6,96 5,06 5,06 5,06 5,06 6,96 5,69 5,06 6,96 6,96 2,0 1,0 2,1 2,3 2,3 2,3 2,4 2,3 2,3 2,3 2,3 2,2 1,12 1,86 2,27 1,08 1,23 1,27 1,12 1,68 1,5 1,35 1,78 1,90 KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 KB6 KB7 KB8 KB9 KB10 KB11 KB12
2.4 Nghiên cứu khả năng tiêu giảm năng lượng khi có mố nhám
11
So sánh hai phương án khi không và có đặt mố nhám, kết quả tính toán được thể hiện qua bảng dưới đây:
mố
Bảng 2.10: So sánh hai phương án khi có và không có mố nhám
TT T (s) N (%) ds(m) Hs (m)
20.000%
15.000%
i
)
10.000%
%
5.000%
( c ố t
.000%
KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 KB6 HS (%) 14.30 6.100 4.900 18.20 18.30 15.00
i
n ậ v m ả g u ê i t t ấ u s u ệ H
Umax (m/s) 1,26 1,96 2,26 0,99 1,15 1,27 KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 KB6 5,06 6,96 6,96 5,06 5,06 5,06 0,8 1 1,1 0,6 0,7 0,8 1,5 1,5 1,5 1 1 1 14,3 6,1 4,9 18,2 18,3 15,0 Umax (m/s) 1,08 1,84 2,15 0,81 0,94 1,08 Ghi chú: Hiệu suất tiêu giảm vận tốc ký hiệu trong bảng No.
Kịch bản
Hình 2.5: Tỷ lệ tiêu giảm vận tốc so sánh khi có và không có mố nhám Nhận xét – Nhìn vào bảng 2.10 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. - 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. 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%. 2.5 Mối quan hệ giữa các tham số 2.5.1 Phân tích ảnh hưởng chu kỳ (T), chiều cao sóng (Hs) tới vận tốc (U) (a) Ảnh hưởng của chiều cao sóng Hs
12
Hình 2.6: Quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và chiều cao sóng (b) Ảnh hưởng của chu kỳ sóng T
Hình 2.7: Mối quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và chu kỳ sóng Từ hình thức biểu diễn các mối quan hệ thông qua hai hình trên (2.6) và (2.7) 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 vơi sự ảnh hưởng của chiều cao sóng tới sự gia tăng vận tốc.
(c) Nhận dạng đường quan hệ giữa vận tốc đáy lớn nhất và tỷ số
(ds/L)
13
Hình 2.8: Xu thế họ đường cong quan hệ giữa vận tốc đáy lớn nhất và hàm sinh(2πds/Lop) Từ hình 2.8 cho thấy: Vận tốc dòng chảy sát đáy lớn nhất tỷ lệ nghịch với số sóng. Khi số sóng càng lớn thì vận tốc dòng chảy do sóng sát đáy càng nhỏ. Mối quan hệ có dạng đường cong lõm. d.Ảnh hưởng của mái dốc tới vận tốc đáy Luận án đã tiến hành chạy với các trường hợp mái dốc khác nhau m = 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 và 5,0. 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
𝐻𝑠 𝑑𝑠
đến m = 4,5. 2.6 Kết luận chương 2 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 𝐻𝑠 m = 2 và m = 5 (phụ lục số 2). Ngoài ra nó cũng phụ thuộc khá lớn vào tỷ số 𝑑𝑠 , xét với T= 5s thì tỷ số = 0,532 và 0,33 thì chênh lệch vận tốc đến 2,0 lần.
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. 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 sử dụng 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
14
3.2.1 Quá trình phát triển hướng nghiên cứu Bcrtrand 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 ông đã đề xuất số Froude nổi tiếng, chính việc này đã đặt nền móng cho định luật tương tự về trọng lực. Tiếp theo vào 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. Tới nay đã có rất nhiều phòng thí nghiệm thủy lực nghiên cứu mô hình sóng sử dụng bể sóng và máng sóng để thực hiện nhiều thí nghiệm khoa học và đã đưa ra được nhiều công thức bán thực nghiệm. 3.2.2 Lý thuyết chuyển đổi thông số tương quan trong mô hình Thứ nguyên được diễn đạt bằng mộl 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). Có 3 tương tự được vận dụng trong nghiên cứu mô hình là: Tương tự về hình học; Tương tự về động học; Tương tự về động lực học. 3.2.3 Giới thiệu mô hình vật lý (a) Máng sóng Máng sóng là bộ phận giữ cho hệ thống tạo sóng và các con sóng di động trong máng. Nó là máng dẫn có chiều dài theo yêu cầu thí nghiệm đặt ra. (b) Phần mềm điều khiển Phần mềm tạo ra: 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. (c) thiết bị và phòng điều khiển trung tâm Phòng điều khiển trung tâm có lắp đặt, kết nối các máy tính có tốc độ cao, quản lý điều khiển hệ thống tạo sóng, đi cùng là các thiết bị đo vận tốc dòng, chiều cao sóng, chu kỳ, áp lực, độ đục… 3.3 Cơ sở lựa chọn biên thí nghiệm 3.3.1 Chọn biên thí nghiệm (a) Biên thủy hải văn thiết kế và (b) Biên địa hình, cấu tạo mái đê, như đã được trình bày tại mục 2.3.1. 3.3.2 Máng sóng thí nghiệm
15
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 thí nghiệm: Ở đây chọn đại diện m=3,5 là mái trung bình.
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm Chiều sâu nước: Thay đổi theo kịch bản; 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. + Vật liệu thí nghiệm - Mái kè sẽ làm bằng tấm vật liệu không thấm nước; - Cấu kiện bảo vệ mái: 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: 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 tương đương với đường kính hoặc kích thước cạnh thực là 20x40cm. 3.4 Kịch bản thí nghiệm Tác giả đã tiên hành thí nghiệm 24 kịch bản với thông số áp dụng như sau: Tỷ lệ mô hình 1:10; độ sâu nước trong máng (d): 2,1, 2,6 (m); độ sâu nước chân kè ds(m): 1,0, 1,5(m); Chiều cao sóng Hs (m): 0,8, 1,0, 1,1(m); Chu kỳ (T): 5,06, 6,92, 6,32(s).
3.5 Kết quả thí nghiệm máng sóng vật lý
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm đo vận tốc lớn nhất
16
TN
TT Ghi chú ds (m) Hs (m) T (s) Ls (m) Umax m/s)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1,5 1,5 1,5 1 1 1 1 1 1 1,5 1,5 1,5 0,8 1 1,1 0,6 0,7 0,8 0,6 0,7 0,8 0,8 1 1,1 5,06 19,41 6,96 26,69 6,96 26,69 5,06 15,85 5,06 15,85 5,06 15,85 5,06 15,85 6,96 21,79 5,69 17,83 5,06 19,41 6,96 26,69 6,96 26,69 a=50cm, cạnh C= 20cm a=50cm, cạnh C=20cm a=50cm, cạnh C= 20cm a=50cm, cạnh C=20cm a=50cm, cạnh C= 20cm a=50cm, cạnh C= 20cm a=45cm, cạnh C= 20cm a=45cm, cạnh C= 20cm a=45cm, cạnh C= 20cm a=45cm, cạnh C= 20cm a=45cm, cạnh C= 20cm a=45cm, cạnh C= 20cm 1,12 1,86 2,27 1,08 1,23 1,27 1,12 1,68 1,5 1,35 1,78 1,9
Umax
TN(m/s) 1,24 2,23 2,35 1,03 1,37 1,46 1,85 2,11 1,66 2,23 1,45 1,62
Bảng 3.2: Kết quả đo đạc vận tốc lớn nhất tại chân kè, mái không có mố nhám T (s) 5,06 6,96 6,96 5,06 5,06 5,06 5,69 6,96 5,06 6,32 5,69 5,69 Hs (m) 0,8 1 1,1 0,6 0,7 0,8 0,8 0,8 1 1,1 0,7 0,8 Ls (m) 19,41 26,69 26,69 15,85 15,85 15,85 21,83 26,69 19,41 24,26 17,83 17,83 ds (m) 1,5 1,5 1,5 1 1 1 1,5 1,5 1,5 1,5 1 1 TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
3.6 Xây dựng công thức thực nghiệm 3.6.1 Cơ sở lập 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: Hs, T, Ls = Lop; Các tham số đặc trưng hình học mặt cắt ngang đê và bãi đê: 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/(Hs/Lop)0.5; Độ dốc bãi: i (-); Chiều cao mố nhô: a (m).
17
Như vậy hàm vận tốc ngang lớn nhất sẽ bao gồm các biến như sau:
Umax = f(Hs, Tp, ds, a, )
(3.5) Luận án sẽ xây dựng công thức dựa trên cơ sở công thức tính vận tốc dòng chảy lớn nhất sát đáy của quỹ đạo [54]: Umax= Hs(Tp)-1sinh-1 (2ds/Lop)
1
(3.6) 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) f (π1, π2, π3, π4) = 0
𝑇 𝐻𝑠
𝑐𝑜𝑠ℎ (
)
sinh (
2𝜋𝑎 𝐿𝑜𝑝
1 2𝜋𝑑𝑠 𝐿𝑜𝑝
, và π4 = . 3.6.2 Giải và tìm hàm phiếm phụ Giải các phiếm hàm cho kết quả: ; 𝜋2 = π1 = Umax ; 𝜋3 = )
3.6.3 Bài toán tổng quát Để đưa ra công thức tổng quát, luận án chọn họ hàm (3.8)
𝑇 𝐻𝑠
)
)
sinh (
1
𝜋2 = 𝜋1 = 𝑈𝑚𝑎𝑥( 1 2𝜋𝑑𝑠 𝐿𝑜𝑝 (3.8)
𝑐𝑜𝑠ℎ (
)
2𝜋𝑎 𝐿𝑜𝑝
𝜋3 =
𝜋4 = {
1,231
1
Phương trình rút ra: y = a*x^b với a=2,752, b=1,231
𝐻𝑠
)
cosh(
sinh(
)
2𝜋𝑎 𝐿𝑜𝑝
1 2𝜋𝑑𝑠 𝐿𝑜𝑝
hay 𝑈𝑚𝑎𝑥𝑇 với R2 = 0,69 (3.9) = 2,752 [ ]
1,231
1
Cuối cùng thu được:
𝐻𝑠 𝑇
cosh(
)
sinh(
)
2𝜋𝑎 𝐿𝑜𝑝
1 2𝜋𝑑𝑠 𝐿0𝑝
(3.10) [ ] 𝑈𝑚𝑎𝑥= 2,752
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: Lop- 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.
18
Hình 3.2: 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 3.2, 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[23] 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 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), độ dốc (), trong đó chu kỳ có ảnh hưởng mạnh nhất. Với T> 6s vận tốc đo đạc được đều lớn hơn 2,0 m/s. 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 6 yếu tố xem xét ảnh hưởng về thủy lực và hình học mặt cắt tính toán, nó mang tính phổ quát hơn công thức dùng trong TCVN9901:2014 vì nó mới đề cập đến 3 yếu tố xem xét là Hs, độ sâu nước ds và Lop. 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
19
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 toàn tuyến kè có hiện tượng đá hộc nằm tại chân kè đã di chuyển, cọ xát mái kè, gây tổn hại, mài mòn rất nghiêm trọng. Đã sử dụng nhiều dạng kết cấu mái kè trong tuyến đê này. Tuy nhiên hiện tượng đá lăn lên mái kè vẫn thường xuyên xảy ra. 4.2 Hiện tượng hư hại mái kè do vật rắn chà xát Nguyên do là đá hộc nằm tại chân kè do khối lượng chưa đủ hoặc do xác định khối lượng của viên đá trong thiết kế chưa đủ hoặc lý do nào nữa. Thực tế sau các lần động biển, sau các trận bão thì mái kè luôn bị mài mòn.
Hình 4.1: Mái kè hư hại toàn tuyến do đá hộc mài mòn
4.3 Thiết kế mố nhám chân kè Luận án đã tiến hành tính toán xác định chiều dày tấm bảo vệ mái, thiết kế mố nhám, và thực hiện kiểm nghiệm tại phòng thí nghiệm. 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 xét vận tốc ngang Uc. Khi này đường kính viên đá được tính theo đường kính:
3 G=V*ρ= D3*ρ, hay D = √
G ρ
(4.1)
trong đó: G là khối lượng viên đá (kg); V là thể tích viên đá (m3), V = Dn 3, Dn là đường kính quy đổi 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).
20
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
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: móc treo d = 10mm, lỗ xuyên ngang để điều
- Tuyến kè đã sử dụng nhiều dạng cấu kiện bảo vệ, thậm chí là rất kiên cố, tuy nhiên hiện tượng đá lăn lên mái kè vẫn chưa được ngăn chặn. - Khi đã lăn đã gây mài mòn cấu kiện, làm suy giảm khả năng ổn định và độ bền của cấu kiện. 4.5.2 Thiết kế chi tiết mố nhám cản đá và hình dáng cấu kiện tạo nên mố nhám + Cấu kiện mố nhám thiết kế mặt cắt ngang dạng lục lăng, các cạnh được mô tả chi tiết như sau: chỉnh khối khi lắp đặt n = 30mm, nó 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. 4.6 So sánh tính toán khối lượng viên đá tại chân kè
TQ
TT
Hs (m) T (s) Ls (m)
a
G theo TQ Umax
g (m/s2)
Umax (m/s)
G tăng (%)
TC Umax VN(m/s )
(kg)
G theo TC Umax VN (kg)
Độ sâu nước chân kè ds(m) 1 1 1 1 1 1
15,66 9,81 18,79 9,81 21,92 9,81 15,66 9,81 18,79 9,81 21,92 9,81
0,0 0,0 0,0 0,5 0,5 0,5
0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
1,26 1,38 1,50 1,26 1,38 1,50
1,64 1,93 2,21 1,60 1,90 2,18
1,19 1,21 1,22 1,19 1,21 1,22
Bảng 4.4: Kết quả so sánh sự khác nhau giữa công thức (1.37) và (3.10)
40 40 48 40 40 47
40 40 40 40 40 40
0% 0% 21% 0% 0% 18%
KB1 5 KB2 6 KB3 7 KB4 5 KB5 6 7 KB6 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
21
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 sáng chế của tác giả và nhóm nghiên cứu để lựa chọn[40]. 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 (Lop), độ sâu nước tại chân kè (ds), độ dốc mái kè (m). Vận tốc này đã phụ thuộc rất lớn vào chu kỳ sóng-T, 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
22
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. 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, Lop, 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.
- 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. Khi thiết kế mố nhám cản đá cần có thêm các thí nghiệm để đo vận tốc tại mái kè từ đó sẽ có số liệu chính xác cho việc xây dựng hệ số cản thủy lực Cd.
- Cần nghiên cứu sự tiêu giảm năng lượng cũng như áp lực sóng tác động lên mái kè khi xem xét ảnh hưởng đồng thời của độ nhám cấu kiện lát mái và độ cao của mố nhám.
23
- Cần nghiên cứu bổ sung tiếp về sự tiêu giảm năng lượng cũng như áp lực sóng tác động lên mái kè khi xem xét ảnh hưởng đồng thời của độ nhám cấu kiện lát mái và độ cao của mố nhám.
24
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;
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
3.Pham van Lap, Le Xuan Roanh, 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.
