Bài viết Áp dụng mô hình sóng SWASH để tính giảm sóng truyền qua khối rỗng phục vụ tôn tạo bờ đảo được nghiên cứu nhằm trình bày việc phục vụ thiết kế giải pháp tôn tạo, bài báo này nghiên cứu sự giảm sóng qua khối RB với công cụ áp dụng là mô hình SWASH.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 ÁP DỤNG MƠ HÌNH SĨNG SWASH ĐỂ TÍNH GIẢM SĨNG TRUYỀN QUA KHỐI RỖNG PHỤC VỤ TƠN TẠO BỜ ĐẢO 1,2 Bùi Thị Kim Khánh , Lê Hải Trung , Nguyễn Quang Chiến Trung tâm Tư vấn Kỹ thuật Biển & Phát triển Cảng - Viện Kỹ thuật Cơng trình - ĐHTL Khoa Kỹ thuật Biển - Trường Đại học Thuỷ lợi GIỚI THIỆU CHUNG Việt Nam có số lượng đáng kể đảo gần bờ Phú Quý, Côn Đảo, Phú Quốc… xa bờ Quần đảo Hoàng Sa, Quần đảo Trường Sa (QĐTS) Trong đáng ý, đảo thuộc QĐTS nhỏ với diện tích nhỏ 0,5 km2 tạo hạn chế hoạt động phát triển kinh tế - xã hội phòng thủ [1] Cho tới nay, số nghiên cứu thực nhằm mở rộng diện tích mặt đảo Các đảo thường có hình van với trục theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Trong q trình xói lở - bồi tụ, vật liệu trầm tích hình thành, dịch chuyển theo mùa tạo doi cát quanh đảo Những bãi cát không cố định mà di chuyển theo mùa Nếu bãi cát giữ ổn định giải pháp khả thi để tôn tạo, mở rộng bãi đảo Các đảo cát có phần lên mặt nước, phần ngập nước trải rộng theo thềm san hô Bãi đảo mở rộng tương đối phẳng từ bờ đảo tới phần thềm san hô bắt đầu thay đổi độ dốc đáng kể để nối tiếp với đáy biển sâu Bãi đảo nơi sinh sống phát triển nhiều loài sinh vật biển tôm cá, cỏ biển san hô Do vậy, giải pháp tôn tạo, mở rộng bãi đảo cần phải đảm bảo yêu cầu mặt kỹ thuật tạo điều kiện cho tái tạo phát triển môi trường Khối bêtông rỗng tạo dải ngầm - Reef Ball kết cấu có dạng kết hợp đê ngầm giảm sóng rạn san hơ tự nhiên Khối RB có chức giảm phần lượng sóng – dịng chảy, hỗ trợ hiệu bảo vệ ổn định bờ biển Hơn thế, với cấu tạo rộng nhiều lỗ trống RB tạo nơi trú ngụ sinh trưởng phù hợp nhiều sinh vật biển Trên giới, khối RB áp dụng nhiều bãi biển Seven Mile (Caribe), bang Alabama (Mỹ), đảo Antigua, Barbuda… phát huy hiệu bảo vệ bờ, cải tạo môi trường Qua nghiên cứu, nhận thấy khả ứng dụng khối RB việc tôn tạo bãi đảo thuộc QĐTS Hình Mơ cấu tạo khối Reef Ball Nhằm phục vụ thiết kế giải pháp tơn tạo, báo nghiên cứu giảm sóng qua khối RB với công cụ áp dụng mô hình SWASH MƠ HÌNH SWASH SWASH mơ hình số trị phi thủy tĩnh mơ tả dịng chảy có bề mặt thống tượng truyền chất mơi trường nước SWASH dùng để dự đoán biến đổi sóng truyền từ vùng nước sâu đến bãi biển động lực khu vực sóng vỡ, xáo động 545 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 bến cảng, dịng chảy nước nơng biến đổi gấp thường thấy lũ lụt ven biển SWASH có tính đến tương tác sóng phi tuyến, tương tác sóng với dịng chảy với cơng trình, giảm sóng qua thực vật, sóng vỡ sóng leo lên mặt bãi biển Dịng chảy có mặt thống phi thủy tĩnh lấy trung bình độ sâu, mơ tả phương trình phi tuyến nước nơng [4]: ¶ z ¶hu ¶hv ¶t + ¶x + ¶y Bảng Các kịch tính tốn Cơng trình =0 ¶u uU ỉ ¶ht xx ¶ht xy + c ũ ảx f h = h ỗỗ ảx + ảy ÷÷ d è ø ¶ z z ¶v vU ổ ảht yx ảht yy ữ Dv + g + ũ + cf = ỗỗ + ảy h d ảy h h ố ảx ảy ữứ ảÃ ảÃ ¶· D· = + u + v tổng đạo hàm ¶t ¶x ¶y ¶z Du + g + ¶x h 125 m từ bờ tới tuyến cơng trình Các khối RB xếp thành 3, hay hàng cạnh song song với đường bờ Tổ hợp vị trí cách xếp cho 11 kịch Bảng z Số hàng Reef Ball Vị trí Xct (m) VT1 125 KB4 KB7 VT2 100 KB1 KB2 KB10* KB5 KB8 VT3 K0 75 KB3 KB6 KB11 KB9 *KB10 có thêm hàng RB cạnh tim cách bờ 60 m ‘K0’ khơng có cơng trình tương ứng với KB11 Để thiết lập mơ hình [2], ta cần xác định mặt cắt bãi biển gồm đoạn (Hình 2) Từ mực nước, d độ sâu nước tĩnh cịn h = d + máy tạo sóng (cách bờ 244 m) tới điểm P ζ tổng độ sâu nước, cf hệ số nhám (được cách bờ 160 m, đáy bãi có độ dốc i = 4%; tính theo cơng thức Manning) cịn τxx, τxy, τyx, đoạn từ điểm P1 vào bờ với i = 0, cao trình đáy khơng đổi cao độ (cao độ quốc τyy , ứng suất sóng Bước thời gian tính tốn SWASH phải gia) Mặt cắt tính tốn chia thành 244 đủ ngắn để phân giải thay đổi lưới, ô rộng Δx = m; chia thành mực nước, áp suất ma sát đáy Độ dài bước lớp theo phương đứng thời gian, Δt quy định điều kiện CFL Tương tác sóng cơng trình biển dạng rỗng (như đập đá đổ) mơ SWASH Dịng chảy qua mơi trường rỗng mơ tả phương trình Hình Mặt cắt ngang bãi đảo Navier-Stokes trung bình số Reynolds trung bình thể tích (VARANS) Các sức cản ma sát vị trí đặt cơng trình chảy tầng chảy rối lấy theo công thức Độ nhám Nikuradse đáy biển thực nghiệm [3] Trong trường hợp có dao chọn 1,6 mm Ở khu vực có khối Reef động sóng, tổn thất chảy rối lớn hơn, phụ Ball tham số độ rỗng (tỉ lệ nước chảy qua thuộc vào số Keulegan-Carpenter được) lấy 0,75 Mỗi khối rộng m; cao 2 biến, U = u + v tốc độ dòng chảy; ζ 3 THIẾT LẬP MƠ HÌNH VỚI CÁC KỊCH 1,5 m; thể tích 0,57 m [5] Điều kiện sóng đầu vào thu từ BẢN TÍNH TỐN kết tính truyền sóng từ nước sâu mơ Kích thước, hình dạng khối RB xác hình Wadibe (chi tiết đề tài [1]) gồm: định công bố khác [5] Ở đây, chúng chiều cao sóng Hs = 1,27 m, chu kỳ sóng tơi tập trung nghiên cứu vị trí đặt khối Tp = 9,7 s, hướng sóng Đơng Bắc trực diện số lượng lớp RB theo phương truyền sóng Vị với đường bờ đảo Mực nước +2 m cao độ trí đặt trưng khoản cách Xct = 75, 100 quốc gia 546 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU sâu nước trung bình cao chút so với vị trí xa bờ 125m Kịch 10 với tuyến Dựa kết mơ kịch biến trình mực nước, ta xác định cơng trình - hàng RB cách bờ 100 m hàng cách bờ 60 m – khiến cho chiều cao chiều cao sóng ý nghĩa Hs = 4ση với ση độ lệch chuẩn mực nước Hiệu làm việc sóng giảm dần đều, ổn định thấp gần bờ (Hình 3) kịch đánh giá theo hệ số truyền Mơ hình kiểm định theo kết sóng Kt = Ht /Hi hệ số giảm sóng Ct = Ht /Hk; với Ht chiều cao sóng truyền qua cơng trình, thí nghiệm mơ hình vật lý phịng thí Hi chiều cao sóng tới cịn Hk chiều cao nghiệm động lực sơng biển kịch sóng truyền khơng có cơng trình Nếu Kt cho vị trí cách bờ 40 m, 94 m, 115 m Ct nhỏ hiệu giảm sóng cao 160 m Kết cho sai số mơ hình vật lý Swash ≤ 0.02 m Bảng Hệ số truyền sóng Kt giảm sóng Ct Kịch KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 KB6 KB7 KB8 KB9 KB10 Kt 0.695 0.695 0.701 0.651 0.646 0.656 0.620 0.784 0.624 0.696 KẾT LUẬN Ct 0.726 0.733 0.733 0.667 0.672 0.677 0.619 0.624 0.630 0.739 Sự suy giảm sóng qua khối RB bãi đảo mơ với SWASH Trước cơng trình, chiều cao sóng tăng lên sóng tới gặp sóng phản xạ tác động lên cơng trình; sau giảm dần theo hướng vào bờ Hiệu giảm sóng tăng lên theo số hàng RB xếp cạnh Vị trí đặt cơng trình nói chung khơng có ảnh hưởng đáng kể đến chiều cao sóng gần sát bờ Tóm lại, mơ hình SWASH có khả hỗ trợ việc tính tốn bố trí kết cấu cách tối ưu, phục vụ thiết kế cơng trình tơn tạo, mở rộng bãi đảo thuộc QĐTS TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đề tài ĐTĐLCN.19/15 Nghiên cứu giải pháp tôn tạo chống xói lở đảo thuộc quần đảo Trường Sa [2] The Swash Team 2017 Swash user manual [3] Van Gent, M.R.A., 1995 Wave interaction with permeable coastal structures PhD thesis, TU Delft [4] Zijlema, M., Stelling, G., Smit, P 2011 SWASH: an operational public domain code for simulating wave fields and rapidly Hình Kết giảm sóng mặt cắt varied flows in coastal waters Coastal ngang tính SWASH Engineering, 58, 992–1012 [5] Bùi Thị Kim Khánh, Nguyễn Thái Hoàng, Bảng cho thấy trường hợp hàng RB Lê Hải Trung, 2017 Nghiên cứu tính tốn xếp cạnh làm giảm sóng tốt cấu kiện cho giải pháp tôn tạo, mở rộng bãi Công trình khoảng cách 125 m tính từ bờ đảo thuộc QĐTS Hội nghị Khoa học làm việc hiệu trường hợp 100 m Thuỷ lợi toàn quốc 75 m vị trí gần bờ (75 100 m) hiệu ứng nước dềnh (wave setup) khiến cho chiều 547 ... Sự suy giảm sóng qua khối RB bãi đảo mô với SWASH Trước cơng trình, chiều cao sóng tăng lên sóng tới gặp sóng phản xạ tác động lên cơng trình; sau giảm dần theo hướng vào bờ Hiệu giảm sóng tăng... việc sóng giảm dần đều, ổn định thấp gần bờ (Hình 3) kịch đánh giá theo hệ số truyền Mơ hình kiểm định theo kết sóng Kt = Ht /Hi hệ số giảm sóng Ct = Ht /Hk; với Ht chiều cao sóng truyền qua cơng... đổi gấp thường thấy lũ lụt ven biển SWASH có tính đến tương tác sóng phi tuyến, tương tác sóng với dịng chảy với cơng trình, giảm sóng qua thực vật, sóng vỡ sóng leo lên mặt bãi biển Dịng chảy