Nghiên cứu dòng phản hồi trước chân đê biển bằng mô hình vật lý

Dòng phản hồi (undertow) được hiểu là dòng chảy vuông góc với bờ hướng ra phía biển ở dưới chân sóng. Bài viết này sẽ trình bày ảnh hưởng của sự tương tác giữa sóng với kết cấu công trình đê biển đến dòng phản hồi trong trường hợp có sóng tràn, dựa trên mô hình vật lý trên máng sóng.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI TRƯỚC CHÂN ĐÊ BIỂN BẰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ Nguyễn Thị Phương Thảo Khoa Kĩ thuật biển - Trường Đại học Thủy lợi, email: thao.n.p@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Dòng phản hồi (undertow) hiểu dịng chảy vng góc với bờ hướng phía biển chân sóng Chính dịng phản hồi nguyên nhân dẫn đến xuất bar ngầm bãi trước xói chân cơng trình đê kè, đặc biệt thời kỳ bão mực nước dâng cao, sóng lớn Dịng phản hồi tạo chênh lệch cục ứng suất xạ gây sóng gradient áp suất tạo độ dốc bề mặt nước (Svendsen I , 1984) cân lực thơng lượng động lượng sóng nước dềnh sóng (Stive, 1986) Sự cân lực trở nên quan trọng vùng sóng vỡ gây lực tạo thành hoàn lưu theo phương thẳng đứng Các mơ hình mơ dịng phản hồi dựa phương trình mơ phần tử nước vùng sóng vỡ thực (Svendsen I.A, 1984), (Svendsen I A and J Buhr Hansen, 1988), (Stive M.J.F and Wind H.G, 1986), (Okayasu, 1989) (Dano J.A.R and Stive M., 1989), (H.J.Steetzel, 1993), (Yoshiaki, 2000), (Grasmeijer & B.G, 2003), (Nam, 2013)… Các mơ hình việc tính tốn cuộn sóng vỡ (roller) đóng góp phần quan trọng tính tốn cân thơng lượng động lượng tổng cộng phía mực nước chân sóng, làm cho kết tính tốn dịng phản hồi phù hợp với số liệu đo đạc Sự khác biệt mơ hình mơ hình hóa dịng phản hồi với kỹ thuật mơ hình hóa để tính tốn khía cạnh q trình vật lý giải phương trình giả thiết, lựa chọn điều kiện biên, đặc trưng độ nhớt, xử lý lớp biên đáy, loại lý thuyết sóng (Guannel, 2014) Hầu hết mơ hình kiểm nghiệm số liệu thực phịng thí nghiệm, việc đo đạc trường khó khăn Vấn đề tương tác sóng cơng trình đê biển có ảnh hưởng đến dịng phản hồi chưa xem xét kỹ lưỡng mơ hình có Các thí nghiệm nghiên cứu dịng phản hồi thực xem xét ứng mái đê biển ứng với trường hợp khơng có sóng tràn đặc biệt chưa có nghiên cứu thực nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu đê biển có tường đỉnh sóng tràn Chính viết trình bày ảnh hưởng tương tác sóng với kết cấu cơng trình đê biển đến dịng phản hồi trường hợp có sóng tràn, dựa mơ hình vật lý máng sóng THIẾT KẾ MƠ HÌNH Việc lựa chọn tỷ lệ mơ hình dựa phân tích điều kiện nguyên mẫu đặc điểm địa hình, thủy động lực học, đặc điểm hệ thống đê điều vùng ven biển phía bắc Việt Nam (Viện KH Thủy lợi VN, 2012) (Thao NTP, 2019) đáp ứng điều kiện trang thiết bị thí nghiệm máng sóng Hà Lan trường đại học Thủy lợi Tỉ lệ mơ hình theo chiều dài thời gian chọn sau: NL = 10, NT = 3.16 Mơ hình lịng cứng nghiên cứu dịng phản hồi thiết kế bố trí (hình 1) Trong bãi trước đê có độ dốc 1:40, mơ hình đê có mái đê m = thiết kế cho kịch kết cấu đê gồm trường hợp đê thấp có tràn có tường đỉnh (1) với chiều cao đê 80cm, tường đỉnh 10cm, bề rộng đỉnh đê 40cm; trường hợp đê có tràn không tường đỉnh (2) 549 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 có chiều cao đê 90cm trường hợp đê cao không tràn (3) Với trường hợp có sóng tràn, phía đỉnh đê có bố trí máng thu nước để đo lượng nước tràn, đồng thời có máy bơm bổ sung nước để đảm bảo mực nước ổn định tốt thời gian mơ Hình Thiết lập mơ hình thí nghiệm Các đầu đo bố trí thí nghiệm sau: - đầu đo sóng (WG): gồm đầu đo dao động mặt nước MHM cách chân đê khoảng lần chiều dài sóng, đầu đo bãi đầu đo gần máy tạo sóng Khi đo đạc dịng chảy vị trí khác đồng thời đo sóng vị trí - Đầu đo dịng chảy (CG): vị trí trước chân đê định sẵn để đo dịng chảy, vị trí lại đo đến 10 điểm cao độ khác để xét phân bố dòng chảy theo phương thẳng đứng - Đo lượng nước tràn qua đê: Nước tràn qua đê thu vào thùng chứa để đo thể tích q trình thực thí nghiệm Kịch thí nghiệm thực ứng với mơ hình đê bao gồm điều kiện mực nước đặc trưng sóng khác bảng Tổng cộng có 12 kịch thí nghiệm thực Mỗi kịch đo đặc trưng sóng, phân bố dịng chảy lượng nước tràn KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Dòng phản hồi xác định dòng chảy trung bình theo thời gian nên thời lượng mơ kịch lựa chọn theo kiểm nghiệm thực tế mô máng cho kết tính dịng phản hồi ổn định Sau kiểm nghiệm, thời gian mô cho kịch chọn 350*TP Kết thí nghiệm đo đạc phân bố dòng phản hồi mặt cắt với kịch độ sâu nước d = 65cm, H = 0.15m, T = 1.9s tương ứng với kịch kết cấu đê gồm đê cao khơng tràn, đê thấp có tràn khơng tường đỉnh có tường đỉnh trình bày (hình 2) Bảng Kịch thí nghiệm Do lần tạo sóng để đo dịng chảy đo điểm định, nên kịch mực nước sóng phải nhắc lại khoảng 75 lần để có phân bố dịng phản hồi mặt cắt trước đê 550 Hình Kết đo đạc dòng phản hồi ứng với kịch d=0.65m, H=0.15m, TP=1.9s Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 Độ lớn dòng phản hồi ba kịch lớn vị trí cách chân đê từ 0.5m đến 1.5m (biến đổi từ 3.5-5cm/s), giảm dần phía đê phía biển Nhìn chung trường hợp đê cao cho giá trị dòng phản hồi lớn so với đê thấp Kịch có tường đỉnh cho giá trị nhỏ so với hai kịch kia, đặc biệt vị trí chân đê kịch đê thấp cịn có xuất dòng hướng ngược lại với dòng phản hồi lớp sát đáy Do ảnh hưởng tường đỉnh, sóng bị phản xạ trở lại nhiều hơn, làm cho dịng chảy đến bờ sóng bị chậm lại tạo dòng phản hồi nhỏ Tuy nhiên vực lại bị tạo nhiều chuyển động rối tương tác sóng đến sóng phản xạ (Hình 3) trình bày kết tổng hợp biến đổi dòng phản hồi tương ứng với 12 kịch vị trí dọc theo mặt cắt ngang đê Kết cho thấy biên độ dao động dòng phản hồi lớn khu vực cách chân đê từ 0.25m ÷2.0m Đặc biệt kịch kết cấu tường đỉnh, biên độ dao động dòng phản hồi lớn vị trí cách chân đê 0.5 ÷ 1.0m Điều có nghĩa tương tác sóng với loại kết cấu đê, đặc biệt kết cầu tường đỉnh có ảnh hưởng rõ rệt đến biên độ dao động độ lớn dòng phản hồi phía trước chân đê biển KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu thí nghiệm máng sóng đưa vài kết luận sau: + Dòng phản hồi kết tương tác sóng với kết cấu cơng trình đê tương ứng với điều kiện mực nước khác Độ lớn dòng phản hồi lớn cách chân đê khoảng 0.5 -1m đê có tường đỉnh, 11.5m đê có tràn khơng tường đỉnh 1-2m đê không tràn + Sự tương tác sóng đến sóng phản xạ làm cho biên độ giao động dòng phản hồi kịch mực nước khác lớn so với kết cấu đê khác + Việc đo đạc dịng phản hồi ngồi thực tế trường vơ khó khăn nên kết thực thí nghiệm máng sóng giải pháp hữu hiệu cho thấy phân bố, cấu trúc dòng phản hồi ứng với điều kiện khác Hình Kết tổng hợp dịng phản hồi ứng với kết cấu đê khác khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dano J.A.R and Stive M (1989) Bargenerating cross-shore flow mechanisms on a beach Journal of Geophysical Research Atmospheres, 94(C4):4785-4800 [2] Svendsen, I (1984) Mass flux and undertow in a surf zone Coastal Engineering, 8, 347-365 [3] Grasmeijer, B., & B.G, R (2003) Modeling of waves and currents in the nearshore parametric vs probabilistic approach Coastal engineering 49, 49 P(185–207), 185-207 [4] Nam, P T (2013) Modelling undertow due to random waves Coastal dynamics, 1655-1666 [5] Stive M.J.F and Wind H.G (1986) Crossshore mean flow in the surf zone Coastal engineering 10, 325-340 551 ... cắt ngang đê Kết cho thấy biên độ dao động dòng phản hồi lớn khu vực cách chân đê từ 0.25m ÷2.0m Đặc biệt kịch kết cấu tường đỉnh, biên độ dao động dòng phản hồi lớn vị trí cách chân đê 0.5 ÷... dòng phản hồi ba kịch lớn vị trí cách chân đê từ 0.5m đến 1.5m (biến đổi từ 3.5-5cm/s), giảm dần phía đê phía biển Nhìn chung trường hợp đê cao cho giá trị dòng phản hồi lớn so với đê thấp Kịch... bố dòng phản hồi mặt cắt trước đê 550 Hình Kết đo đạc dịng phản hồi ứng với kịch d=0.65m, H=0.15m, TP=1.9s Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 Độ lớn dòng phản