Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ tới 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS THIỀU QUANG TUẤN HÀ NỘI, NĂM 2022 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Thị Phương Thảo i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Thiều Quang Tuấn tận tình hướng dẫn, bảo, động viên suốt thời gian thực Luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Phịng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp, Phòng Đào tạo, Khoa, Bộ môn hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt cho tác giả trình nghiên cứu Tác giả xin trân trọng cảm ơn thầy cơ, đồng nghiệp, bạn bè gia đình giúp đỡ quý giá đồng hành tác giả q trình thực hồn thành Luận án ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .4 Nội dung nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỊNG PHẢN HỒI DO SĨNG VÀ XĨI CHÂN ĐÊ BIỂN .8 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Dịng phản hồi q trình vận chuyển bùn cát ngang bờ 1.1.2 Xói chân đê biển 11 1.2 Tổng quan nghiên cứu dòng phản hồi 12 1.3 Tổng quan mơ hình vận chuyển bùn cát xói lở ngang bờ 17 1.3.1 Tổng quan mơ hình sóng 18 1.3.2 Mơ hình vận chuyển bùn cát hình thái 21 1.4 Tổng quan nghiên cứu sóng phản xạ 25 1.5 Tổng quan nghiên cứu dòng phản hồi xói chân đê biển bão Việt Nam 28 1.6 Kết luận chương 30 1.6.1 Những vấn đề tồn 30 1.6.2 Định hướng nghiên cứu luận án 31 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC MƠ HÌNH HỐ DỊNG PHẢN HỒI DO SĨNG VÀ XĨI CHÂN ĐÊ BIỂN 33 2.1 Giới thiệu chung .33 2.2 Ảnh hưởng phản xạ sóng cơng trình đến dịng phản hồi vận chuyển bùn cát 33 iii 2.2.1 trình Cơ sở xác định hệ số phản xạ biến đổi chiều cao sóng trước chân cơng 34 2.2.2 Ảnh hưởng sóng phản xạ đến dịng phản hồi .37 2.2.3 Ảnh hưởng sóng phản xạ đến nồng độ bùn cát 40 2.3 Xây dựng mơ hình vật lý máng sóng nghiên cứu dịng phản hồi xói chân đê biển 42 2.3.1 Mục tiêu điều kiện thực thí nghiệm 42 2.3.2 Lựa chọn tiêu chuẩn tương tự tỉ lệ mơ hình 43 2.3.3 Thiết kế thí nghiệm bố trí thiết bị đo đạc .46 2.3.4 Kịch thí nghiệm 49 2.3.5 Thực mơ hình 51 2.4 Phát triển cập nhật mơ hình tốn mơ dịng phản hồi xói bồi chân đê biển 56 2.4.1 Giới thiệu chung 56 2.4.2 Những vấn đề cập nhật mơ hình Wadibe-TC 56 2.5 Kết luận chương 57 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG 58 3.1 Giới thiệu chung .58 3.2 Phân tích kết nghiên cứu mơ hình vật lý .58 3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc dòng phản hồi 58 3.2.2 Phân tích đánh giá ảnh hưởng sóng phản xạ đến dịng phản hồi .63 3.2.3 Phân tích kết quan trắc xói chân đê mơ hình lịng động .66 3.2.4 Nhận xét kết nghiên cứu mơ hình vật lý máng sóng 72 3.3 Kết phát triển cập nhật mơ hình tốn mơ cấu trúc dịng phản hồi xói bồi chân đê biển 74 3.3.1 Phát triển cập nhật mơ hình tốn Wadibe-TC 74 3.3.2 Kết hiệu chỉnh kiểm định module sóng 74 3.3.3 Kết hiệu chỉnh kiểm định module dòng chảy 78 3.3.4 Kết kiểm định module vận chuyển bùn cát xói chân đê biển 91 3.4 Kết luận chương 98 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN XĨI CHÂN ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH 100 iv 4.1 Giới thiệu chung .100 4.2 Tổng quan khu vực ven biển Nam Định 100 4.2.1 Điều kiện biên tự nhiên khu vực Nam Định 100 4.2.2 Đặc điểm hệ thống đê biển Nam Định 101 4.3 Kiểm định mơ hình tốn cho vùng ven biển Nam Định 104 4.4 Mơ số kịch xói chân đê biển Nam Định .105 4.4.1 Xây dựng kịch 106 4.4.2 Kết mơ xói chân đê 107 4.5 Một số đề xuất giảm xói chân đê bão 112 4.6 Kết luận chương 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .114 Những kết đạt 114 Những đóng góp luận án 115 Tồn hướng phát triển 116 Kiến nghị 116 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH Hình Sự cố đoạn đê Nam Định Đồ Sơn bão Doksuri 9.2017 (nguồn: tác giả, NamDinh TV) Hình Xói lở trước chân đê sạt lở mái đê, mái chân gốc kè mỏ hàn sau trận bão Damrey 7/2005 Nam Định [3] [4] Hình Cấu trúc Luận án Hình 1-1 Ảnh hưởng đê tường đứng đến bãi [5] Hình 1-2 Sơ họa phân bố dịng chảy nồng độ bùn cát vùng sóng vỡ [18] .11 Hình 1-3 Phân bố hệ số xáo trộn bùn cát [1] 23 Hình 1-4 Bảo tồn thể tích bùn cát [77] 24 Hình 1-5 Nội dung nghiên cứu luận án 32 Hình 2-1Mật độ phương sai sóng, dịng chảy hiệp phương sai sóng dịng chảy 36 Hình 2-2 Phân bố ứng suất độ sâu [108] 38 Hình 2-3 Phân bố ứng suất trung bình vận tốc [108] .38 Hình 2-4 Các thành phần cấu trúc dòng chảy [19] 39 Hình 2-5 Ngun lý tính tốn vận chuyển bùn cát lơ lửng [1] 40 Hình 2-6 Hệ số xáo trộn [19] 41 Hình 2-7 Mơ hình thí nghiệm lịng cứng 47 Hình 2-8 Mơ hình lịng động với mái đê m=4 độ dốc bãi 1/100 .49 Hình 2-9 Thực thí nghiệm mơ hình kết cấu đê cao khơng tràn 52 Hình 2-10 Thực mơ hình kết cấu đê thấp khơng thường đỉnh .52 Hình 2-11 Thực thí nghiệm mơ hình kết cấu đê thấp có tường đỉnh 52 Hình 2-12 Hiển thị kết đo sóng vận tốc dịng chảy điểm .53 Hình 2-13 Mơ hình thực máng sóng với kịch kết cấu đê, độ đôc bãi 1/100 54 Hình 2-14 Mơ hình thực máng sóng với kịch kết cấu đê, độ dốc bãi 1/40 55 Hình 2-15 Địa hình trước sau chạy sóng – độ dốc bãi 1/100 55 Hình 2-16 Địa hình trước sau chạy sóng – độ dốc bãi 1/40 55 Hình 3-1 Phân bố tốc độ dịng phản hồi trường hợp thí nghiệm D65H15T19 59 Hình 3-2 Phân bố tốc độ dịng phản hồi trường hợp thí nghiệm D65H17T16 59 Hình 3-3 Phân bố tốc độ dịng phản hồi trường hợp thí nghiệm D70H15T19 59 vi Hình 3-4 Phân bố tốc độ dòng phản hồi trường hợp thí nghiệm D70H19T165 .60 Hình 3-5 Ảnh hưởng cơng trình đến dịng chảy trung bình- thí nghiệm D65H15T19 61 Hình 3-6 Ảnh hưởng cơng trình đến dịng chảy trung bình- thí nghiệm D65H17T16 62 Hình 3-7 Ảnh hưởng cơng trình đến dịng chảy trung bình- thí nghiệm D70H15T19 62 Hình 3-8 Ảnh hưởng cơng trình đến dịng chảy trung bình- thí nghiệm D70H19T165 62 Hình 3-9 Phân bố hệ số phản xạ Kr theo khoảng cách tương đối x/L lân cận phía trước cơng trình .63 Hình 3-10 Tỷ số chiều cao sóng tổng chiều cao sóng tới Hm0,x/Hm0i,x thay đổi theo khoảng cách tương đối x/L lân cận phía trước cơng trình 63 Hình 3-11 Phân bố hệ số phản xạ Kr cục theo khoảng cách tương đối x/L lân cận phía trước cơng trình .64 Hình 3-12 Kết phân tích hồi quy hàm phân bố Fx (x/L) 65 Hình 3-13 So sánh kết tính tốn đo đạc hệ số phản xạ sóng Kr,x 66 Hình 3-14 So sánh độ sâu lớn tương đối đê thấp có khơng có tường đỉnh .69 Hình 3-15 Ảnh hưởng hệ số phản xạ đến độ sâu hố xói lớn tương đối 70 Hình 3-16 Ảnh hưởng lưu lượng sóng tràn đến độ sâu hố xói .70 Hình 3-17 Ảnh hưởng độ sâu nước tương đối đến độ sâu hố xói 71 Hình 3-18 Tương quan số sóng vỡ với độ sâu hố xói lớn .72 Hình 3-19 Dữ liệu đầu vào module thuỷ lực mơ hình Wadibe-TC 74 Hình 3-20 Kết mơ đo đạc chiều cao sóng - kịch đê cao khơng tràn .76 Hình 3-21 Kết mơ đo đạc chiều cao sóng - kịch đê thấp không tường đỉnh 76 Hình 3-22 Kết mơ đo đạc chiều cao sóng - kịch đê thấp có tường đỉnh 77 Hình 3-23 Vận tốc dịng phản hồi trung bình – đê cao khơng tràn 80 Hình 3-24 Vận tốc dịng phản hồi trung bình – đê thấp khơng tường đỉnh 81 Hình 3-25 Vận tốc dịng phản hồi trung bình – đê thấp có tường đỉnh 81 Hình 3-26 Kết mô kịch 1- D65H15T19_CW0 83 Hình 3-27 Kết mơ kịch - D65H17T16_CW0 84 vii Hình 3-28 Kết mô kịch 3- D70H15T19_CW0 84 Hình 3-29 Kết mơ kịch – D70H19T165_CW0 85 Hình 3-30 Kết mô kịch 5- D65H15T19_TW0 86 Hình 3-31 Kết mơ kịch 6- D65H17T16_TW0 86 Hình 3-32 Kết mô kịch 7- D70H15T19_TW0 87 Hình 3-33 Kết mơ kịch 8- D70H19T165_TW0 87 Hình 3-34 Kết mô kịch 9- D65H15T19_TW10 88 Hình 3-35 Kết mơ kịch 10 - D65H17T16_TW10 89 Hình 3-36 Kết mơ kịch 11- D70H15T19_TW10 .89 Hình 3-37 Kết mơ kịch 12 – D70H19T165_TW10 .90 Hình 3-38 Mơ hình hóa kịch 92 Hình 3-39 Kết mơ xói chân đê cao khơng tràn 93 Hình 3-40 Kết mơ xói chân đê thấp khơng tường đỉnh .94 Hình 3-41 Kết mơ xói chân đê thấp có tường đỉnh .95 Hình 3-42 Kết mơ biến đổi lịng dẫn có chưa có sóng phản xạ - Đê cao .96 Hình 3-43 Kết mơ biến đổi lịng dẫn có chưa có sóng phản xạ-Đê thấp khơng tường đỉnh 97 Hình 3-44 Kết mơ biến đổi lịng dẫn có chưa có sóng phản xạ-Đê thấp có tường đỉnh 98 Hình 4-1 Thống kê bão đến khu vực nghiên cứu [118] 100 Hình 4-2 Thống kê chiều cao sóng Wavewatch III .101 Hình 4-3 Kết cấu đê biển điển hình khu vực Nam Định [89] 103 Hình 4-4 Thiết lập mơ hình xói chân đê Thịnh Long 105 Hình 4-5 Kết kiểm định xói chân đê biển Thịnh Long – bão Damrey 9/2005 .105 Hình 4-6 Ảnh hưởng chiều cao sóng đến kích thước hố xói chân đê 108 Hình 4-7 Ảnh hưởng độ sâu nước đến kích thước hố xói chân đê .108 Hình 4-8 Ảnh hưởng chu kỳ sóng đến kích thước hố xói chân đê .108 Hình 4-9 So sánh chiều sâu hố xói lớn ứng với thay đổi Kr0 109 Hình 4-10 Kết mơ hố xói chân đê với giải pháp thảm đá rộng 3-6m 111 Hình 4-11 Kết mơ hố xói chân đê với giải pháp kè mỏ hàn dài 35-70m 112 viii Trong đó: E: lượng sóng (= 𝜌𝑔𝐻𝑟𝑚𝑠 ); c: vận tốc truyền sóng ; Hrms: chiều cao sóng qn phương ; T: chu kì sóng Vận tốc trung bình thủy trực tính theo cơng thức: 𝑢̅ = − 𝑚𝑡 𝑑 A.3 Phương trình mô vận chuyển bùn cát thay đổi địa hình đáy Cơng thức tính vận chuyển bùn cát gồm cơng thức tính bùn cát đáy bùn cát lơ lửng (Walstra, 2000) Lượng vận chuyển bùn cát đáy: 𝑞𝑏 (𝑡 ) √Δ𝑔𝑑50 = 9,1 𝛽𝑠 𝜃 ′ (𝑡 ) {|𝜃 ′ (𝑡 ) − 𝜃𝑐 |}1,8 ′ (1 − 𝑝 ) |𝜃 (𝑡 )| (A-8) Trong đó: qb(t): tốc độ vận chuyển bùn cát đáy đơn vị bề rộng đơn vị thời gian : mật độ tương đối (s - )/ với s khối lượng riêng bùn cát,  khối lượng riêng nước; g gia tốc trọng trường; d50: đường kính hạt cát trung bình; p: độ rỗng bùn cát Khối lượng riêng nước w hàm nhiệt độ Te độ muối Sa: 𝜌𝑤 = 1000 + 1,455𝐶𝑙 − 0,0065(𝑇𝑒 − + 0,4𝐶𝑙)2 𝐶𝑙 = 𝑆𝑎 − 0,03 1,805 s: hệ số ảnh hưởng mái dốc (tham số Bagnold): ub: vector vận tốc sát đáy : góc nghỉ hàm khoảng cách ngang bờ Công thức hợp lý trường hợp: PL-6 ’(t) ứng suất hiệu phi thứ nguyên: f cw hệ số ma sát kết hợp sóng dịng chảy: ̂ biên độ vận tốc dòng chảy sóng sát đáy; c ứng suất giới hạn 𝑈 𝜃𝑐𝑟 = 0,24𝐷∗−1 1< 𝐷∗ ≤ 𝜃𝑐𝑟 = 0,14𝐷∗−0,64 4< 𝐷∗ ≤ 10 𝜃𝑐𝑟 = 0,04𝐷∗−0,1 10< 𝐷∗ ≤ 20 𝜃𝑐𝑟 = 0,013𝐷∗0,29 20< 𝐷∗ ≤ 150 𝜃𝑐𝑟 = 0,055𝐷∗ 150< 𝐷∗ Tiêu chuẩn giới hạn công thức vận chuyển bùn cát đáy hiệu chỉnh hệ số Schoklitsch có tính đến ảnh hưởng độ dốc đáy khởi động chuyển động: Vận chuyển bùn cát đáy sóng dịng chảy theo hướng ngang bờ: Vận chuyển bùn cát lơ lửng: 𝑑 𝑑 𝑞̅𝑠 = ∫ 𝑢𝐶𝑑𝑧 + ∫ ̅̅̅̅̅ 𝑢′𝐶′𝑑𝑧 = ̅̅̅̅ 𝑞𝑠,𝑐 + ̅̅̅̅̅ 𝑞𝑠,𝑤 𝑎 (A-9) 𝑎 Trong đó: ̅̅̅̅ 𝑞𝑠,𝑐 lượng vận chuyển bùn cát đơn vị thời gian tác dụng dòng chảy (kg/sm); ̅̅̅̅̅ 𝑞𝑠,𝑤 lượng vận chuyển bùn cát đơn vị thời gian tác PL-7 dụng sóng (kg/sm) Giả thiết lượng ̅̅̅̅̅ 𝑞𝑠,𝑤 nhỏ so với lượng ̅̅̅̅ 𝑞𝑠,𝑐 nên cơng thức đưa sau (có xét tới độ rỗng): 𝑑 ∫ 𝑢𝐶𝑑𝑧 𝑞𝑠,𝑐 = 𝑎 ̅̅̅̅ (1 − 𝑝)𝜌𝑠 Trong đó: u: vận tốc nước (m/s); a: độ dày lớp vận chuyển bùn cát đáy; d: độ sâu nước có liên quan đến mực nước trung bình (m); C: nồng độ bùn cát trung bình mặt cắt (kg/m3); p: độ rỗng Phân bố nồng độ bùn cát trung bình: ωs,m 𝐶 + φd 𝜀𝑠,𝑐𝑤 Trong đó: dC =0 dz (A-10) ws,m: vận tốc lắng chìm hạt cát (m/s) C: nồng độ bùn cát trung bình theo thời gian cao độ z (kg/m3) d: Hệ số suy giảm phụ thuộc vào nồng độ bùn cát C nồng độ bùn cát lớn C0 𝐶 0,8 𝐶 0,4 𝜑𝑑 = + ( ) − ( ) 𝐶0 𝐶0 C0 = 1,7*103 kg/m3 s,cw: Hệ số xáo trộn sóng s,w dòng chảy s,c (m2/s): 𝜀𝑠,𝑐𝑤 = √(𝜀𝑠,𝑤 ) + (𝜀𝑠,𝑐 ) Hệ số xáo trộn sóng xác định: 𝜀𝑠,𝑤 = 𝜀𝑠,𝑤,𝑏𝑒𝑑 z ≤ s 𝜀𝑠,𝑤 = 𝜀𝑠,𝑤,𝑚𝑎𝑥 z≥0,5d 𝜀𝑠,𝑤 = 𝜀𝑠,𝑤,𝑏𝑒𝑑 + [𝜀𝑠,𝑤,𝑚𝑎𝑥 − 𝜀𝑠,𝑤,𝑏𝑒𝑑 ] [ 𝑧−𝛿𝑠 0,5𝑑−𝛿𝑠 PL-8 ] s