Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SĨNG PHẢN XẠ TỚI DỊNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG KHU VỰC BẮC BỘ Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình biển Mã số: 9580203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Thiều Quang Tuấn Phản biện 1: PGS.TS Đinh Quang Cường – Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Phùng Đăng Hiếu – Viện Nghiên cứu biển hải đảo Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Viết Thanh – Trường Đại học Giao thông vận tải Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Trường Đại học Thuỷ Lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội; vào lúc ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Ảnh hưởng sóng bão đến an toàn đê biển nghiêm trọng bão, mực nước dâng cao, sóng tới lớn, vận chuyển bùn cát nhiều đặc biệt xảy vào thời kỳ triều cường yếu tố động lực quan trọng gây uy hiếp an toàn đê biển đặc biệt vấn đề xói chân đê biển Tùy thuộc vào tương tác tải trọng yếu tố thủy động lực học với địa hình kết cấu cơng trình đê biển mà lượng sóng bão dịng chảy tác động gây mức độ xói bãi trước chân đê mức độ hư hỏng đê khác Rất nhiều nghiên cứu thực tế loại kết cấu cơng trình có ảnh hưởng định đến kích thước hố xói chẳng hạn tường đứng cho độ sâu hố xói lớn so với kè mái nghiêng mà nguyên nhân gây khác kích thước hố xói phản xạ sóng từ dạng kết cấu mái khác Với kết cấu đê biển mái nghiêng điển hình vùng ven biển Bắc Bộ ảnh hưởng đến xói chân đê biển thơng qua sóng phản xạ chưa làm sáng tỏ, vấn đề nghiên cứu có ý nghĩa khoa học thực tiễn giúp cho nhà thiết kế, quản lý tính tốn dự báo tác động đưa giải pháp hỗ trợ phù hợp cho an toàn đê biển Do đó, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng sóng phản xạ đến dịng phản hồi xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ” lựa chọn để nghiên cứu Luận án Mục tiêu nghiên cứu + Đánh giá ảnh hưởng sóng phản xạ từ mái đê biển đến dịng phản hồi xói chân đê biển; + Mơ xói chân đê biển dòng phản hồi với ảnh hưởng sóng phản xạ từ mái đê ứng dụng tính xói chân đê biển Nam Định Đối tượng phạm vi nghiên cứu Dòng phản hồi xói chân cơng trình đê biển mái nghiêng tác động tương tác sóng bão với mái đê thơng qua sóng phản xạ cho hệ thống đê biển mái nghiêng vùng ven biển Bắc Bộ Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu mái đê biển đến sóng phản xạ dịng phản hồi mơ hình vật lý lịng cứng máng sóng; Nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu mái đê biển đến xói chân đê biển mơ hình vật lý lịng động; Phát triển cập nhật mơ hình tốn mơ dịng phản hồi xói chân đê có xét đến ảnh hưởng kết cấu mái đê biển thơng qua hệ số sóng phản xạ kiểm định số liệu thí nghiệm; Ứng dụng nghiên cứu mơ xói chân đê biển Nam Định Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Quan sát trạng thực tế vấn đề xói chân đê dọc ven biển Bắc Bộ, tiến hành tổng hợp, phân tích kế thừa cơng trình nghiên cứu thực giới nước Rồi áp dụng phương pháp để tìm hiểu sâu hơn, giải thích rõ tính tốn mơ định lượng đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng Luận án: Phương pháp thống kê; Phương pháp thực nghiệm; Phương pháp mơ hình tốn; Phương pháp chun gia Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận án có ý nghĩa khoa học việc nghiên cứu đánh giá định lượng ảnh hưởng cơng trình đê biển mái nghiêng đến phân bố sóng phản xạ dịng phản hồi, xói chân đê biển mặt cắt ngang điều kiện bão; Hoàn thiện cơng cụ dự tính, phân tích thủy động lực học xói chân đê, kè biển sóng bão; Ứng dụng nghiên cứu cho tốn thực tế cho phép đánh giá, dự tính định lượng xác thực lượng vận chuyển bùn cát ngang bờ xói lở chân kè bão dòng phản hồi chi phối Tạo sở cho việc thiết kế, xây dựng giải pháp bảo vệ bờ bãi, chân cơng trình biển phù hợp nhất; Luận án sở cho nghiên cứu ứng dụng vận chuyển bùn cát ven bờ Những đóng góp luận án + Đánh giá ảnh hưởng kè mái đê biển tới xói lở chân đê biển thơng qua ảnh hưởng sóng phản xạ tới dịng phản hồi hệ số xáo trộn mặt cắt phân bố nồng độ bùn cát lơ lửng; + Xây dựng quan hệ phân bố hệ số sóng phản xạ mặt cắt ngang vùng sóng đổ trước chân cơng trình đê biển mái nghiêng; + Tích hợp ảnh hưởng sóng phản xạ mơ hình tốn mơ xói chân đê biển thử nghiệm thành công cho mặt cắt đê biển thực tế Nam Định Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu giới thiệu tổng quát Luận án phần kết luận, kiến nghị, Luận án trình bày chương: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dịng phản hồi sóng xói chân đê biển; Chương 2: Cơ sở khoa học mơ hình hố dịng phản hồi sóng xói chân đê biển; Chương 3: Kết nghiên cứu dịng phản hồi xói chân đê biển mái nghiêng; Chương 4: Ứng dụng kết nghiên cứu tính tốn xói chân đê biển Nam Định CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ DỊNG PHẢN HỒI DO SĨNG VÀ XĨI CHÂN ĐÊ BIỂN Giới thiệu chung Dòng phản hồi q trình vận chuyển bùn cát ngang bờ Dịng phản hồi dịng chảy trung bình hướng biển, phía mực nước chân sóng vùng sóng vỡ [1] Theo Stive and Wind (1996) Svendsen (1984), dịng phản hồi hình thành cân theo phương thẳng đứng thông lượng động lượng biến đổi theo độ sâu gradient áp suất đồng theo độ sâu dâng nước sóng Vận chuyển bùn cát ngang bờ sóng xác định dựa phân bố theo phương thẳng đứng nồng độ bùn cát dịng chảy (Hình 1-) Trong điều kiện bão, vùng sóng vỡ gần bờ, vận chuyển bùn cát lơ lửng chiếm ưu [2] [3] [4] Xói chân đê biển Hố xói hình thành cân bùn cát cục vị trí chân đê biển mái kè ngăn giữ khơng cho vật liệu thân đê bị sóng/dịng chảy mang Khi đến ngồi vùng sóng vỡ, dịng phản hồi nhỏ hơn, bùn cát lắng chìm xuống tạo cồn cát ngầm Hình 1-2 Sơ họa phân bố dịng chảy nồng độ bùn cát vùng sóng vỡ [5] Tổng quan nghiên cứu dòng phản hồi Đã có nhiều nghiên cứu dịng phản hồi Svendsen (1984), Battjes (1985) Okayasu (1989) Steetzel (1993) Nam (2013)… Các mơ hình mơ dịng phản hồi bắt nguồn từ phương trình gồm phương trình cân khối lượng (hay phương trình liên tục) phương trình cân động lượng Sự khác biệt mơ hình hóa dịng phản hồi 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 Hầu hết kết mơ hình hiệu chỉnh kiệm định phù hợp với số liệu đo đạc phịng thí nghiệm với số kịch giới hạn Nghiên cứu Neshaei (2009) Goda & Suzuki (1976) hệ số phản xạ bãi tăng độ lớn dòng phản hồi giảm mà hệ số phản xạ giảm dần từ mép nước khơi mơ hình Neshaei cộng (2009) kiểm định với ba kịch sóng máng nhỏ, chưa tính đến tương tác sóng với cơng trình đê mái nghiêng thấp có sóng tràn đặc biệt đê biển có tường đỉnh, đồng thời suy giảm hệ số phản xạ theo quan hệ nghiên cứu chưa có đề cập tới Tổng quan mơ hình vận chuyển bùn cát xói lở ngang bờ Đã có nhiều nghiên cứu chế độ thuỷ lực, vận chuyển bùn cát xói lở ngang bờ từ phát triển mơ hình tốn mô từ đơn giản đến phức tạp Các mô hình đơn giản mơ hình kinh nghiệm Bruun (1954), Dean (1987, 1991) Đơn giản cơng thức tính chiều sâu hố xói vị trí chân cơng trình nghiên cứu Xie (1981), Hughes Fowler (1992), Mc Dougal (1996) Các mơ hình mơ phức tạp tính vận chuyển bùn cát biến đổi hình thái thường bao gồm modul: (1) sóng; (2) dịng chảy; (3) vận chuyển bùn cát (4) hình thái Do nhiều yếu tố ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát biến đổi hình thái liên quan đến đặc điểm thủy động lực học, đặc trưng bùn cát, đặc điểm địa hình nên việc lựa chọn áp dụng cơng thức tính tốn đại lượng khác mơ hình biến đổi mặt cắt ngang cho kết khác nhiều Tổng quan nghiên cứu sóng phản xạ Hiện tượng phản xạ sóng xem có ảnh hưởng đến đặc trưng thủy động lực học sóng đến hồn lưu ven bờ, làm gia tăng xói lở chân cơng trình Để đặc trưng cho tượng này, nhà khoa học sử dụng hệ số phản xạ Kr Có nhiều cơng thức thực nghiệm xác định hệ số phản xạ có mặt cơng trình ven bờ đập chắn sóng, tường, kè biển nghiên cứu Seelig (1981) phụ thuộc vào số sóng vỡ Irribaren, số Van de Meer (2005) cịn tính đến ảnh hưởng tỉ số độ cao lưu khơng/chiều cao sóng, Zanuttigh (2008) tính thêm ảnh hưởng hệ số nhám mái kè Sheremet (2002) tỉ số thơng lượng lượng sóng vào Klopman van der Meer (1999) đưa tỷ số chiều cao sóng đo đạc tổng cộng chiều cao sóng tới Hm0,x/Hm0i,x hàm song phản xạ phạm vi lân cận phía trước cơng trình Các tham số hình học kết cấu đê có tính chi phối mạnh mẽ đến tính chất sóng trước chân đê Tổng quan nghiên cứu dịng phản hồi xói chân đê biển bão Việt Nam Đê biển nước ta đánh giá đê tương đối thấp, điều kiện bão hoạt động, mực nước dâng cao tạo điều kiện cho sóng lớn tiến sát vào chân cơng trình làm xuất sóng tràn qua đê gây xói lở chân mái đê làm ổn định mái Đã có nhiều nghiên cứu thủy động lực học, vận chuyển bùn cát biến đổi hình thái hay xói lở dọc ven biển việc ứng dụng phần mềm mơ hình tốn Mike, Delft3D…Vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng dạng kết cấu tường đỉnh vùng ven biển Việt Nam đến lượng sóng tràn nghiên cứu nhiều trong mơ hình lịng cứng nghiên cứu Tuấn (2010, 2016), Thìn (2014), Dũng (2017) Hà (2003), Lập (2019) thiết lập mô hình vật lý máng sóng để nghiên cứu bảo vệ chân đê kè biển Vấn đề nghiên cứu xói chân đê nghiên cứu đề tài thuộc chương trình đê biển Cát (2008), Quỳ (2009), Quý (2012) Tuy nhiên, Việt Nam chưa có nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu mái cơng trình đến phân bố dòng phản hồi vận chuyển bùn cát ngang bờ thơng qua sóng phản xạ trước chân đê biển ứng với điều kiện đê biển nghiêng có tường đỉnh, cao trình đê thấp, sóng tràn xuất bão Kết luận chương Đối với công trình đê có tường đỉnh làm gia tăng sóng phản xạ, tương tác sóng phản xạ sóng đến làm dịng phản hồi nhỏ đi, lại làm gia tăng chuyển động rối dẫn đến xáo trộn bùn cát tăng dẫn đến thay đổi đến cấu trúc dịng phản hồi, vận chuyển bùn cát xói chân đê biển vấn đề cần làm sáng tỏ CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC MƠ HÌNH HỐ DỊNG PHẢN HỒI DO SĨNG VÀ XĨI CHÂN ĐÊ BIỂN Ảnh hưởng phản xạ sóng cơng trình đến dòng phản hồi vận chuyển bùn cát Cơ sở xác định hệ số phản xạ biến đổi chiều cao sóng trước chân cơng trình Hệ số phản xạ tính tốn dựa cơng thức Sheremet (2002) K 2r = 𝑓𝑈 ± 𝐹 = ∫ 𝑓𝐿 F − (x) F + (x) (2-6) 𝑑 √𝑔𝑑 [𝑆𝜂𝜂 (𝑓) ± (2√𝑑/𝑔)𝑆𝜂𝑢 (𝑓) + 𝑆𝑢𝑢 (𝑓)] 𝑑𝑓 𝑔 Trong đó, F+ and F thơng lượng lượng sóng vào ra, S and Suu mật độ phương sai của sóng dòng chảy, Su mật độ hiệp phương sai sóng dịng, d độ sâu, f tần số Có chuỗi số liệu đo đạc đồng thời sóng 𝜂(𝑥, 𝑡) u(x,t) vị trí (x) mặt cắt tiến hành tính tốn mật độ phương sai sóng, dịng chảy mật độ hiệp phương sai, thông lượng vào hệ số phản xạ Từ biết biến đổi hệ số phản xạ Kr dọc theo x Ảnh hưởng hệ số phản xạ đến biến đổi chiều cao sóng trước chân cơng trình tính theo cơng thức Klopman Van der Meer (1999) Theo tỉ số chiều cao sóng đo đạc tổng cộng chiều cao sóng tới vị trí tương đối x/L (với L chiều dài sóng cục bộ) xác định theo công thức: Hm0 (x) x 1/2 = [1 + K 2r + 2K r F( ) ] Hm0i (x) L (2-8) 𝑥 - Tại chân cơng trình 𝐹(𝐿 ) = 𝐻𝑚0 (0) = (1 + 𝐾𝑟 )𝐻𝑚0𝑖 (𝑥) 𝑥 𝐿 - Tại vị trí xa cơng trình 𝐹( ) = 𝐻𝑚0 (∞) = 𝐻𝑚0𝑖 (𝑥)√1 + 𝐾𝑟2 Ảnh hưởng sóng phản xạ đến dịng phản hồi Sóng phản xạ làm giảm chiều cao sóng tính tốn theo cơng thức Goda (1976): 𝐻𝑟𝑚𝑠0 (2-1) 𝐻𝑟𝑚𝑠 = = 𝑓𝐾𝑟 𝐻𝑟𝑚𝑠0 √1 + 𝐾𝑟 Sự gia tăng mạnh mẽ phía cơng trình hệ số phản xạ sóng vùng sóng đổ làm suy giảm đáng kể thơng lượng sóng vận chuyển phía bờ Dịng phản hồi phía biển, để cân lại, suy giảm theo Phân bố ngang bờ dịng phản hồi vùng sóng đổ biến đổi theo phân bố sóng phản xạ Ảnh hưởng sóng phản xạ đến nồng độ bùn cát Sóng phản xạ tương tác với sóng tới làm gia tăng khuấy trộn vùng nước trước cơng trình phạm vi định, ảnh hưởng tới đặc trưng dòng chảy vận chuyển bùn cát vùng sóng vỡ Ảnh hưởng sóng phản xạ đên nồng độ bùn cát thể thông qua công thức tính hệ số xáo trộn bùn cát Steetzel (1993): s(z) = 0 + z Trong 0 hệ số xáo trộn tham chiếu đáy z=0m; chênh lệch theo phương đứng phân bố s(z): 𝑐 = 𝐾 𝛾 = H/d (2-12) 𝐾 hệ số kinh nghiệm = 8.5*10-3; c vận tốc truyền sóng ; hệ số sóng vỡ Sóng phản xạ trước chân đê lớn mức độ xáo trộn bùn cát cao, gia tăng nồng độ bùn cát lơ lửng theo chiều sâu (mặt cắt phân bố nồng độ bùn cát trở nên theo chiều sâu) Xây dựng mơ hình vật lý máng sóng nghiên cứu dịng phản hồi xói chân đê biển Lựa chọn tiêu chuẩn tương tự tỉ lệ mơ hình Mơ hình thái xây dựng máng sóng trường Đại học Thuỷ Lợi, dựa nguyên mẫu vùng ven biển Bắc Bộ cần tuân thủ tiêu chuẩn tương tự Froude tiêu chuẩn tốc độ lắng chìm tương đối Tỉ lệ dài chọn 𝑁𝐿 = tỉ lệ thời gian 𝑁𝑡 = 𝑁𝑇 = Thiết kế thí nghiệm bố trí thiết bị đo đạc Mơ hình lịng cứng nghiên cứu sóng phản xạ cấu trúc dịng phản hồi thiết kế bố trí thiết bị đo đạc hình 2-7 Trong đê mái m=3 với ba kịch kết cấu: đê thấp có tường đỉnh, đê thấp không tường đỉnh, đê cao không tràn Nước tràn bơm để đo quay lại máng để đảm bảo mực nước khơng đổi Có đầu đo sóng (WG) với đầu đo cố định (màu đen) đầu đo đồng thời với vận tốc (CG +WG) Hình 2-7 Mơ hình thí nghiệm lịng cứng Mơ hình lịng động nghiên cứu xói chân đê biển thiết kế với mái dốc bãi 1/100 hình 2-2 tương tự cho độ dốc bãi 1/40 mái đê m=3 3.1.1.2 Đánh giá ảnh hưởng kết cấu cơng trình đến dịng phản hồi trung bình Ứng với điều kiện biên thủy lực, địa hình bãi độ dốc mái, kết thu nhận dịng phản hồi trung bình tương đối tồn mặt cắt kịch đê thấp có kết cấu tường đỉnh không tường đỉnh so sánh với đê cao khơng tràn hình 3-5 Dịng phản hồi trung bình tương đối rõ ràng bị ảnh hưởng kết cấu mái đê tất kịch có xu tăng dần từ mép nước đến vị trí khoảng từ 0,5 ÷ 0,7 lần chiều dài sóng, tạo gradient vận tốc trung bình kéo theo vận chuyển bùn cát từ chân đê xa bờ, đến vị trí khoảng 1L dịng chảy nhỏ trở lại bùn cát bồi lắng tạo thành cồn cát Hình 3-5 Ảnh hưởng cơng trình đến dịng chảy trung bình- kịch D65H15T19 Phân tích đánh giá ảnh hưởng sóng phản xạ đến dòng phản hồi Từ cặp chuỗi số liệu đo đạc dao động mực nước vận tốc dịng nước vị trí dọc theo mặt cắt trình bày mục 2.2.2, theo cơng thức (2-6), tiến hành phân tích tính tốn hệ số phản xạ sóng (Kr,x) cho 11 kịch Kết cho thấy hệ số phản xạ Kr,x có xu giảm dần xa cơng trình, đặc biệt giảm mạnh từ vị trí mép nước đến vị trí khoảng x/L < 0,75 tiệm cận tới giá trị không đổi khoảng cách x/L đủ lớn (x/L >> 1,0) Lấy hệ số phản xạ biên (kí hiệu Kr,0) làm giá trị chuẩn hóa, tỷ số hệ số phản xạ Kr,x cục Kr,0 (tỷ số Kr,x/Kr,0) thể Hình 3-11 Có thể thấy quy luật biến đổi hệ số phản xạ theo vị trí phạm vi lân cận cơng trình thể rõ ràng Áp dụng công thức Klopman van der Meer (1999) (2-8) biến đổi tỷ số chiều cao sóng Hm0,x/Hm0i,x phạm vi lân cận phía trước cơng trình, với 11 Fx(x/L) hàm số khoảng cách tương đối x/L phản ánh tính chất phân bố hệ số phản xạ Các giá trị tiệm cận biên hàm Fx sau: Fx 1.0 x/L0 Fx x / L Từ rút ra: Kr ,x K r ,0 1 Fx ( x / L) K r ,0 (3-2) 0.5 (3-3) Hình 3-11 Phân bố hệ số phản xạ Kr cục theo khoảng cách tương đối x/L lân cận phía trước cơng trình Từ phương trình (3-3) với số liệu đo đạc tỷ số Kr,x/Kr,0 hệ số phản xạ biên Kr,0, quan hệ Fx ~ x/L xác định Kết thể Hình 3-12 Phân tích hồi quy hàm Fx(x/L) với số liệu thực nghiệm xét tới giá trị tiệm cận biên cho kết hàm phân bố sau (R2 = 0,55): 𝑥 𝑥 (3-4) 𝐹𝑥 ( ) = exp(−6,65 ) 𝐿 𝐿 Hình 3-12 Kết phân tích hồi quy hàm phân bố Fx (x/L) 12 Phân tích kết quan trắc xói chân đê mơ hình lịng động 3.1.3.1 Kết đo đạc thay đổi địa hình đáy Xói lở chân đê vấn đề phức tạp, phụ thuộc vào nhiều tham số gồm yếu tố thủy lực, bùn cát, kết cấu cơng trình tương tác sóng với cơng trình đê Xu chung cho kịch mơ thí nghiệm lịng động xói chân đê hình thành cồn cát nhỏ phía ngồi tiếp hố xói nơng đoạn ổn định Vùng có biến động lịng dẫn khoảng 2m tính từ chân đê Kết phù hợp với xu chung theo kết đo đạc số nghiên cứu trước 3.1.3.2 Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu hố xói chân đê Kết quan sát thí nghiệm cho thấy sóng chủ yếu vỡ mái đê kết phân tích hình 3-18 cho thấy độ sâu hố xói lớn tương đối tỉ lệ thuận với số sóng vỡ xu hợp lý liên quan tới độ dốc mái đê Độ dốc bãi có vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến đặc trưng sóng, đặc biệt tạo tượng sóng vỡ vị trí khác dẫn đến vị trí vùng xói khác Xu thể chung mái dốc, xói nhiều hay độ sâu nước tương đối nhỏ chiều sâu hố xói lớn tương đối lớn Hình 3-18 Tương quan số sóng vỡ với độ sâu hố xói lớn Sự có mặt tường đỉnh làm gia tăng sóng phản xạ, tăng chuyển động rối gia tăng chiều sâu hố xói chân đê Hình 3-15 thể phụ thuộc độ sâu hố xói tương đối vào hệ số phản xạ 60 kịch mơ Phần kết thí 13 nghiệm lịng cứng cho thấy hệ số phản xạ tăng dẫn đến giảm dòng chảy gần chân đê lại làm tăng kích thước hố xói đáng kể Điều chứng minh làm rõ kết nghiên cứu mơ hình tốn phần Hình 3-15 Ảnh hưởng hệ số phản xạ đến độ sâu hố xói lớn tương đối Kết phát triển cập nhật mơ hình tốn mơ cấu trúc dịng phản hồi xói bồi chân đê biển Phát triển cập nhật mơ hình tốn Wadibe-TC Như mục 2.3 trình bày vấn đề luận án cập nhật mơ hình WadibeTC dựa kết nghiên cứu mục 3.1.2, Mơ hình Wadibe-TC cập nhật quan hệ phân bố hệ số phản xạ theo vị trí mặt cắt ngang bãi tính theo mép nước (phương trình (2-1) (3-3), (3-4)) tính tốn dịng chảy biến đổi hình thái Ứng với loại kết cấu cơng trình điều kiện biên có hệ số phản xạ biên xa cơng trình Kr0 khác Các module mơ hình Wadibe_TC tính tốn xói chân đê biển kiểm định với số liệu thí nghiệm thực phần trước Kết hiệu chỉnh kiểm định module sóng Sử dụng số liệu kịch để hiệu chỉnh, kịch cịn lại dùng thơng số kiểm định Kết so sánh chiều cao sóng đo đạc mơ kịch điển hình trình bày Hình 3-20 Tham số hiệu chỉnh mơ hình gồm độ dốc mặt sóng vỡ, hệ số tiêu tán lượng, hệ số ma sát hệ số sóng vỡ Tất kịch mơ cho kết phù hợp với 14 số liệu chiều cao sóng tổng cộng máng sóng cho mơ hình đê cao đê thấp, đặc biệt vùng sóng vỡ điểm đo đạc sát với giá trị tính tốn Hình 3-20 Kết mơ đo đạc chiều cao sóng - kịch đê cao không tràn Kết hiệu chỉnh kiểm định module dịng chảy 3.2.3.1 Kết mơ vận tốc dịng phản hồi trung bình Kết mơ vận tốc dịng phản hồi trung bình dọc theo mặt cắt ngang đê số 12 kịch tương ứng với ba loại kết cấu đê cao không tràn, đê thấp khơng tường đỉnh đê thấp có tường đỉnh so sánh với số liệu thực đo máng sóng thể hình 3-23 Khi có tính đến ảnh hưởng sóng phản xạ kết mơ vận tốc dịng phản hồi trung bình cho kết tốt so với khơng tính đến sóng phản xạ Kết cấu cơng trình có ảnh hưởng đến độ lớn dòng phản hồi kết mơ chứng minh điều Sự phù hợp kết mơ vùng sóng vỡ tốt vị trí sát với chân đê vùng sát chân đê bị ảnh hưởng yếu tố dịng rút sóng tràn sóng mà phương trình Wadibe-TC chưa tính tốn đến 15 Hình 3-23 Vận tốc dịng phản hồi trung bình – đê thấp có tường đỉnh 3.2.3.2 Kết mơ phân bố vận tốc dịng phản hồi Kết mơ phân bố vận tốc dòng phản hồi chưa tính có tính đến sóng phản xạ kịch tổng 12 kịch thể hình 3-34 Hình 3-34 Kết mơ kịch 16 Khi có kể đến ảnh hưởng sóng phản xạ theo hàm xác định, kết mơ vận tốc trung bình phân bố vận tốc dòng phản hồi tốt nhiều so với chưa tính đến sóng phản xạ, đặc biệt vùng sóng vỡ tiêu tán nhiều lượng sóng Kết kiểm định module vận chuyển bùn cát xói chân đê biển Sau hiệu chỉnh phân tích độ nhạy tham số, tiến hành mơ kiểm định xói chân đê có ảnh hưởng sóng phản xạ Kết so sánh thay đổi địa hình đáy trước sau sóng tác động, ứng với trường hợp có tính chưa tính đến ảnh hưởng sóng phản xạ cho tổng số kịch trình bày hình 3-43 hình 3-44 Nhìn chung, có tính đến sóng phản xạ chiều sâu hố xói chân đê lớn so với chưa tính đến Mặc dù dòng chảy khu vực trước chân đê nhỏ hơn, hệ số xáo trộn lớn dẫn đến độ sâu hố xói lớn Với kịch đê có hệ số phản xạ thấp hơn, chênh lệch nhỏ so với kịch có hệ số phản xạ lớn Hình 3-43 Kết mơ xói chân đê – Đê thấp khơng tường đỉnh 17 Khi hệ số phản xạ tăng, kích thước hố xói gia tăng Việc tính tốn đến hệ số phản xạ công thức xáo trộn bùn cát cho kết tốt hơn, có phân biệt rõ ảnh hưởng tương tác sóng kết cấu cơng trình khác Độ sâu hố xói lớn gia tăng thêm từ 11 ÷ 20% so với chưa tính đến ảnh hưởng sóng phản xạ Hình 3-44 Kết mơ xói chân đê - Đê thấp có tường đỉnh Kết luận chương Do ảnh hưởng sóng phản xạ, sóng tới giảm dẫn đến dịng chảy trung bình thủy trực giảm phân bố dòng phản hồi trở nên dốc (thẳng đứng từ đáy lên mực nước chân sóng, nghĩa đồng hơn) Số liệu đo đạc máng sóng cho thấy ảnh hưởng sóng phản xạ từ loại kết cấu mái đê làm cho phân bố dòng phản hồi mặt cắt ngang khác nhau, với cơng trình đê biển có tường đỉnh dòng phản hồi lớn gần chân đê so với kịch đê cao Mơ hình tốn có kể đến sóng phản xạ cho kết phù hợp với số liệu thí nghiệm so với chưa kể đến sóng phản xạ 18 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN XĨI CHÂN ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH Tổng quan khu vực ven biển Nam Định Vùng ven biển Nam Định nơi có chế độ thủy động lực học phức tạp Bắc Bộ với nhiều loại biến đổi hình thái bồi tụ xói lở bờ biển với loại cơng trình bảo vệ bờ điển hình điều kiện bão Phần lớn bờ biển Nam Định thuộc vùng biển lấn, bãi thoái nghiêm trọng Theo Vu (2003), địa hình bãi biển khu vực Nam Định thoải, độ dốc trung bình dao động từ 1/150 ÷ 1/300, phần sát bờ từ chân đê khoảng 300m có độ dốc lớn hơn, 1/50 ÷1/100 Số liệu tái phân tích sóng tại vị trí 106.5E_20.0N, cách bờ biển Hải Hậu, Nam Định chừng 25km cho thấy sóng gió mùa có chiều cao sóng khoảng 2m, chu kỳ 6-8 s Sóng bão thường có chiều cao tới ÷ 4m, hướng sóng chủ đạo đến đường bờ Đơng Nam Đông Đông Bắc Hệ thống đê biển Nam Định kiên cố có chiều dài khoảng 91km, có 45 km đê biển trực diện với biển, thường xuyên củng cố nâng cấp xảy cố có tác động bão đặc biệt vấn đề xói lở Do kè mỏ hàn xây dựng để giữ bãi bảo vệ đê Kiểm định mơ hình tốn cho vùng ven biển Nam Định Số liệu đầu vào cho trận bão Damrey 2005 đê biển Thịnh Long sử dụng dựa nghiên cứu cứu Cát (2008), Tuấn (2008) gồm: Số liệu địa hình; sóng Hs = 6,5 m, Tp = s; mực nước +2,6m; d50 = 200m, d90 =250m, độ rỗng 40%; hệ số phản xạ xa bờ tính dựa công thức Zanuttigh (2008) Kr0 = 0,37; thời gian mơ 6h Kết mơ xói chân đê biển Thịnh Long trình bày hình 4-5 Có thể thấy tính tốn đến hệ số sóng phản xạ cho kết sát với thực tế Độ sâu hố xói chân đê tính sóng phản xạ lớn 22cm so với khơng tính đến ảnh hưởng sóng phản xạ Phạm vi hố xói mơ hình tốn rộng so với thực đo Do diễn biến hố xói thực tế phức tạp bị chi phối nhiều yếu tố đặc biệt chịu ảnh hưởng hai trận bão liền kề trường hợp mô trở nên phức tạp, sai khác định tính tốn so với 19 thực tế chấp nhận việc định lượng kích thước hố xói mơ hình có tính đến ảnh hưởng hệ số phản xạ cho kết khả quan sử dụng để mô cho kịch với kết cấu cơng trình đê biển khác Hình 4-5 Kết kiểm định xói chân đê biển Thịnh Long – bão Damrey 9/2005 Mô số kịch xói chân đê biển Nam Định Xây dựng kịch Kịch mô xây dựng nhằm đánh giá ảnh hưởng điều kiện thủy lực (chiều cao sóng, chu kỳ sóng, độ sâu nước), kết cấu mái đê giải pháp bảo vệ chân đê đến phạm vi hố xói chân đê biển Số liệu cho kịch gồm: Kết câu đê mái nghiêng m = 3, m = 4, tường đỉnh cao 0,8m, bảo vệ chân đê ống buy (2m) cọc bê tơng thảm đá rộng ÷ 6m, kè mỏ hàn dài 35-70m; Mực nước chọn từ 2,0 ÷ 3m Đặc trưng sóng biên phía biển chọn theo thống kê vị trí 106,5E_20,0N: Hm0 = 2,0 ÷ 3m, chu kỳ ÷12s; Đặc điểm bùn cát, địa mục 4.2phần ngồi bãi biển kéo dài theo độ dốc 1/200 đến vị trí cách chân đê chừng 3km; Thời gian mô Kết mơ xói chân đê Ảnh hưởng yếu tố thủy lực đến chiều sâu hố xói Kết mô bảng 4-3 biểu diễn ảnh hưởng số tổ hợp yếu tố thủy lực gồm chiều cao sóng, độ sâu nước chu kỳ sóng đến phát triển hố xói chân đê Kích thước hố xói chân đê tùy thuộc nhiều vào lượng sóng đến chân đê, nên độ sâu nước d=1,8m chiều cao sóng cao 20 hố xói lớn Khi độ sâu nước lớn, tạo điều kiện cho sóng lớn đến chân đê, gây lực ứng suất tiếp lớn hơn, khuấy động nhiều bùn cát dòng chảy rút mái đê lớn mang vật liệu xa gây hố xói sâu Tuy nhiên cịn phụ thuộc vào đặc trưng sóng đến mà độ sâu hối xói cao thấp hơn, tồn độ sâu nước gây hố xói lớn ứng với tổ hợp đặc trưng sóng Sự thay đổi chu kỳ sóng khơng ảnh hưởng đến bề rộng hố xói mà làm hay đổi độ sâu hố xói Do sóng có chu kỳ ngắn bị tiêu tán lượng nhiều q trình truyền sóng nên chiều cao sóng chân cơng trình giảm nhỏ Bảng 4-3 Điều kiện thuỷ lực ảnh hưởng đến chiều sâu hố xói lớn h(m) d(m) Hm0 (m) Tp(s) Hm0toe(m) Smax(m) Smax/Hm0toe Smax/Hm0 1,8 1,24 0,71 0,57 0,36 1,8 2,5 1,26 0,84 0,67 0,34 1,8 1,28 0,93 0,72 0,31 0,8 2,5 0,73 0,56 0,77 0,23 2,5 1,3 2,5 1,02 0,72 0,71 0,29 2,5 1,3 2,5 0,92 0,52 0,57 0,21 2,5 1,3 2,5 12 1,18 0,83 0,71 0,33 Ảnh hưởng kết cấu mái đê đỉnh đê Kết mô ảnh hưởng kết cấu đê biển đến chiều sâu hố xói chân lớn (Smax), có tính khơng tính đến hệ số phản xạ trình bày bảng 4-4) Hệ số phản xạ sóng xa bờ Kr0 ước tính theo cơng thức Zanuttigh (2008), phụ thuộc vào số sóng vỡ Irribaren hệ số nhám mái đê chọn 0,9 Trong trường hợp có tường đỉnh, hệ số mái đê tính theo hệ số mái quy đổi theo TAW Hệ số Kr0 biến đổi từ 0,223 đến 0,533 tuỳ theo điều kiện kết cấu mái đê điều kiện sóng Kết cho thấy kết cấu đê biển ảnh hưởng nhiều đến chiều sâu hố xói lớn nhất, chênh lệch Smax việc có tính đến sóng phản xạ (Kr0>0) khơng tính đến sóng phản xạ (Kr0 = 0) từ 0,08 - 0,45m tương ứng với độ gia tăng hố xói khoảng từ 13-63% trường hợp có tính so với trường hợp bỏ qua ảnh hưởng sóng phản xạ 21 Bảng 4-4 Ảnh hưởng kết cấu đê biển đến chiều sâu hố xói lớn TT 10 11 12 13 14 15 16 Kết cấu mái m = 4; CW=0 m = 4; CW=0,8 m = 3; CW=0 m = 3; CW=0,8 Hm0 (m) T(s) Kr0 Smax(m) Kr0 = Smax(m) Kr0 > 3,5 3.0 3,5 3.0 3,5 3.0 3,5 3.0 3,5 3.0 3,5 3.0 3,5 3.0 3,5 3.0 8 10 10 8 10 10 8 10 10 8 10 10 0,223 0,245 0,292 0,32 0,276 0,303 0,359 0,392 0,315 0,345 0,407 0,443 0,386 0,421 0,493 0,533 0,64 0,61 0,75 0,71 0,64 0,61 0,75 0,71 0,64 0,61 0,75 0,71 0,64 0,61 0,75 0,71 0,72 0,7 0,91 0,88 0,77 0,74 0,99 0,96 0,81 0,79 1,07 1,03 0,89 0,87 1,2 1,16 Chênh lệch Smax(m) 0,08 0,09 0,16 0,17 0,13 0,13 0,24 0,25 0,17 0,18 0,32 0,32 0,25 0,26 0,45 0,45 Ảnh hưởng kết cấu bảo vệ chân đê đến hố xói Hai giải pháp bảo vệ chân đê biển Nam Định mô mơ hình WadibeTC gồm chân kè ống buy bảo vệ thảm đá dài 3-6 lần chiều cao sóng chân cơng trình bảo vệ mỏ hàn chữ T (giả thiết đập đầu mỏ hàn đủ dài) Với giải pháp đầu tiên, kết mô cho thấy độ sâu hố xói dường khơng thay đổi, dịch chuyển theo di chuyển đầu thảm đá Giải pháp thứ hai với hai kịch kè mỏ hàn dài 35m 70m so trình bày hình 4-11 Có thể thấy độ sâu hố xói bị đẩy xa tăng bề rộng bảo vệ chân đê đồng thời với việc tăng kích thước hố xói Nguyên nhân khác biệt vị trí đầu đập chiều cao sóng lớn độ sâu nước thay đổi đột ngột dẫn đến sóng vỡ làm tiêu tán lượng nhiều tạo ứng suất tiếp lớn hệ số xáo trộn bùn cát lớn so với chân đê 22 Hình 4-11 Kết mơ hố xói chân đê với giải pháp kè mỏ hàn dài 35-70m Kết luận chương Việc ứng dụng mơ hình Wadibe-TC cập nhật hệ số phản xạ sóng xói chân đê biển Nam Định cho kết phù hợp hơn, đặc biệt thấy rõ ảnh hưởng kết cấu cơng trình mái đê đến chiều sâu hố xói Với cơng trình mái có hệ số phản xạ lớn hơn, cho kết kích thước hố xói lớn ứng với điều kiện biên thuỷ lực Tuỳ tổ hợp điều kiện thuỷ lực kích thước cơng trình, đặc biệt đê có tường đỉnh, chiều sâu hố xói lớn có tính đến sóng phản xạ chênh lệch từ 20 ÷ 60% so với khơng tính đến sóng phản xạ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những kết đạt Ảnh hưởng sóng phản xạ cơng trình đến sóng tới, dịng phản hồi xói chân đê xem xét hai khía cạnh, thứ phạm vi ảnh hưởng thứ hai mức độ ảnh hưởng thông qua hệ số phản xạ Kr Kết nghiên cứu mơ hình lịng cứng với ba loại kết cấu đê mái nghiêng có tường đỉnh khơng có tường đỉnh, có sóng tràn khơng có sóng tràn tương ứng với biên thủy lực khác cho kết sóng phản xạ ảnh hưởng phạm vi đến vị trí khoảng 0,7 lần chiều dài sóng cục bộ, tính từ mép nước (Hình 3-4) Mức độ ảnh hưởng sóng phản xạ thơng qua biến đổi hệ số phản xạ xác định theo phương trình Klopman Van Der Meer (2-2) phương trình (3-3) 23 + Luận án định lượng khác kích thước hố xói sóng phản xạ từ loại kết cấu mái nghiêng cơng trình đê biển khác + Cập nhật kết nghiên cứu ảnh hưởng sóng phản xạ đến sóng tới, dịng phản hồi xói chân đê biển vào phần mềm Wadibe-TC cho kết phù hợp với số liệu đo đạc mơ hình lịng động kết áp dụng mơ kiểm định xói chân đê cho mặt cắt ngang đê biển Nam Định phù hợp với thực tế so với chưa cập nhật + Áp dụng mơ hình tốn cập nhật sóng phản xạ, mơ kịch vùng ven biển Nam Định cho thấy ảnh hưởng rõ rệt kết cấu công trình đến xói chân đê thơng qua hệ số phản xạ sóng Mơ hình tốn có độ tin cậy cao có khả ứng dụng thực tiễn cao Tồn kiến nghị + Nghiên cứu xét đến điều kiện địa hình có đường đẳng sâu thẳng, song song với bờ sóng trực diện Các nghiên cứu thực với dạng địa hình khác để tìm quy luật tổng quát + Kết cấu mái đê Việt Nam phong phú với nhiều loại khác nhau, luận án nghiên cứu loại tường đỉnh thẳng đặt mép đỉnh mái đê Các loại kết cấu mái đê khác cần thiết nghiên cứu nghiên cứu + Xói chân đê biển tương tác sóng cơng trình đê gồm ngun nhân chính: xói sóng vỡ, xói sóng phản xạ xói dịng chảy rút mái đê, luận án tập trung vào sóng phản xạ, vấn đề xói dịng rút cần nghiên cứu kỹ nghiên cứu + Khi ứng dụng mơ hình tốn mơ xói chân đê phục vụ nghiên cứu thiết kế cần lưu ý chạy nhiều tổ hợp kịch mực nước, kết cấu mái, biên sóng để tìm kịch bất lợi cho cơng trình 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Nguyen Thi Phuong Thao (2022), Wave reflection from typical sloping dike in the north of Vietnam, The 4th International Conference on Sustainability in Civil Engineering - ICSCE 2022, University of Transport and Communications (UTC), pp 51 Nguyễn Thị Phương Thảo (2021) Ảnh hưởng kết cấu tường đỉnh đến dòng phản hồi trước chân đê biển mái nghiêng bão, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi - Môi trường, số 6.2021, pp 32-38 Nguyễn Thị Phương Thảo (2020) Nghiên cứu dịng phản hồi trước chân đê biển mơ hình vật lý, HNKHTN, ĐH Thủy Lợi 11-2020, pp 549-551 Nguyen Thi Phuong Thao, Thieu Quang Tuan (2020) Influences of geometrical and structural configurations on beach and sea-dike toe scour during storms, Springer 2020, APAC 2019, Thuyloi University, pp 401-406 Nguyễn Thị Phương Thảo (2019) Ảnh hưởng độ dốc bãi biển đến xói lở chân kè đê biển mái nghiêng không tràn, HNKHTN, ĐH Thủy Lợi 112019, pp 774-776 Nguyen Thi Phuong Thao (2018) Literature review on the modeling of processes related to sea dike toe erosion during storms, ISLT 2018, ThuyLoi university pp 244 Nguyễn Thị Phương Thảo (2018) Ứng dụng mơ hình vật lý nghiên cứu xói lở chân kè đê biển mái nghiêng bão, HNKHTN, ĐH Thủy Lợi 2018, pp 551-553 ... giá ảnh hưởng sóng phản xạ từ mái đê biển đến dịng phản hồi xói chân đê biển; + Mơ xói chân đê biển dịng phản hồi với ảnh hưởng sóng phản xạ từ mái đê ứng dụng tính xói chân đê biển Nam Định... tồn đê biển Do đó, đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng sóng phản xạ đến dịng phản hồi xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ” lựa chọn để nghiên cứu Luận án Mục tiêu nghiên cứu + Đánh giá ảnh hưởng. .. quan nghiên cứu dòng phản hồi sóng xói chân đê biển; Chương 2: Cơ sở khoa học mơ hình hố dịng phản hồi sóng xói chân đê biển; Chương 3: Kết nghiên cứu dịng phản hồi xói chân đê biển mái nghiêng;