Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các phương án bố trí đê phá sóng xa bờ đến hiệu quả giảm sóng bằng mô hình vật lý

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ ĐÊ PHÁ SĨNG XA BỜ ĐẾN HIỆU QUẢ GIẢM SĨNG BẰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ Lê Thanh Chương, Trần Bá Hoằng Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam Tóm tắt: Giải pháp cơng trình đê phá sóng xa bờ giải pháp mang tính chủ động việc giảm sóng Đây giải pháp hữu hiệu nhằm giảm thiểu tình trạng xói lở bờ, trường hợp giải pháp mềm giải pháp mang tính bị động không khả thi hiệu thấp Trong báo trình bày tóm tắt kết nghiên cứu với 78 kịch thí nghiệm phương án bố trí cơng trình đê phá sóng xa bờ, điều kiện mực nước, tham số sóng (sóng ngẫu nhiên) khác Kết thí nghiệm phục vụ cho việc nghiên cứu phương án bố trí cơng trình phù hợp với điều kiện tự nhiên khu vực Từ khóa: bể sóng, đê phá sóng, máng sóng, mơ hình vật lý, phổ sóng, rừng ngập mặn Summary: Breakwater solution is an active solution to reduce the waves This is one of the effective measures to minimize shoreline erosion, especially in the case of soft solutions or passive solutions that are not feasible or low efficiency This paper presents a summary of the study results with 78 experimental scenarios for different offshore breakwater configuration with different water level and wave parameters (random waves) The experiment results will serve to define the layout of the offshore breakwaters in accordance with the natural conditions of the each area ĐẶT VẤN ĐỀ * Giải pháp đê phá sóng xa bờ áp dụng nhiều nơi giới như: Anh, Mỹ, Nhật Bản, Singapore, Italia, …, nhằm vừa giảm thiểu tác động tiêu cực sóng, chống xói lở bảo vệ bờ biển đồng thời tạo các bãi bồi phía sau để phục vụ cho mục đích khác như: lấn biển tạo quỹ đất, phát triển du lịch, trồng rừng ngập mặn,… Ở nước ta có số cơng trình thực hiện, với chủ yếu dạng đê chắn sóng nối với bờ như: cảng Tiên Sa (Đà Nẵng), cảng Dung Quất (Quảng Ngãi), cảng Phan Thiết, cảng Lagi (Bình Thuận), cửa Bến Lội (Bà Rịa Ngày nhận bài: 24/7/2017 Ngày thông qua phản biện: 10/9/2017 Ngày duyệt đăng: 26/9/2017 68 – Vũng Tàu),…, hay số dạng mỏ hàn chữ T Hải Hậu, Nghĩa Hưng (Nam Định), gần số dạng đê song song với bờ dạng cơng trình Gị Cơng (Tiền Giang), Nhà Mát (Bạc Liêu), U Minh (Cà Mau)… Các thông số bố trí dạng cơng trình khơng gian chủ yếu xác định công thức thực nghiệm nước ngồi, bố trí theo kinh nghiệm, thử dần (dạng cơng trình thử nghiệm) Để cung cấp sở khoa học cho việc tính tốn xác định phương án bố trí cơng trình đê phá sóng xa bờ phù hợp với điều kiện vùng ven biển ĐBSCL, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ hình vật lý để phân tích đánh giả hiệu phương án bố trí cơng trình đê phá sóng xa bờ bể sóng ứng với điều kiện mực nước, sóng đến TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 40 - 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ khác áp dụng cho khu vực bờ biển Vĩnh Châu, tỉnh Sóc Trăng KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢM SĨNG CỦA CƠNG TRÌNH ĐÊ PHÁ SĨNG TRÊN MƠ HÌNH VẬT LÝ 2.1 Thiết lập mơ hình thí nghiệm: Bể sóng sử dụng cho thí nghiệm có kích thước hình Độ sâu nước lớn bể đạt thí nghiệm 0.7m (chiều cao thành bể tình từ điểm đáy thấp 1m) Sóng sóng ngẫu nhiên tạo từ máy tạo sóng có chiều cao tối đa 15cm Hình Mặt bể sóng thí nghiệm Hình Mặt cắt địa hình bể sóng Hình Cấu kiện lắp đặt bể Đê phá sóng xa bờ thiết kế gỗ, để dễ chế tạo phù hợp với thơng số thí nghiệm bể sóng, tác dụng làm giảm lượng sóng đê ngầm q trình sóng vỡ chủ yếu, q trình tiêu tán lượng ma sát đáy gây thứ yếu, độ nhám ảnh hưởng khơng lớn đến q trình tiêu hao lượng sóng, sử dụng vật liệu gỗ khơng ảnh hưởng đến kết thí nghiệm Đê phá sóng xây dựng độ dốc bãi 1/500, với kích thước: chiều cao 7.1cm, bề rộng đỉnh 1.7cm, bề rộng chân 8.6cm, chiều dài 22.9cm Hình Mặt đứng cấu kiện đê giảm sóng Địa hình bãi trước cơng trình có độ dốc 1:500 đặc trưng bãi thoải khu vực nghiên cứu Mái dốc 1:20 thiết kế với mục đích tạo sóng vỡ sóng truyền từ nước sâu vào khu vực nước nơng trước cơng trình Cao trình đỉnh đê đo xác máy thủy bình chun dụng phịng thí nghiệm cho độ xác cao đến mm Hình Mặt cắt cấu kiện đê giảm sóng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 40 - 2017 69 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Các kích thước hình học mặt cắt ngang đê lựa chọn tương ứng với tỷ lệ mơ hình hóa chiều dài NL = 35 thời gian Nt = 5.92 ( theo tiêu chuẩn tương tự Froude) Sơ đồ bố trí mơ hình thí nghiệm hiệu giảm sóng bể 3D thể hình Tám đầu đo sóng sử dụng để xác định chế độ sóng vị trí trước sau đê (cách vị trí chân đê khoảng tối thiểu nửa chiều dài sóng) Tín hiệu từ đầu đo sóng truyền trực tiếp đến lưu trữ máy tính chuyên dụng Hình Bể sóng thí nghiệm SIWRR Hình Mặt bố trí kim đo sóng 2.2 Kịch thí nghiệm Bảng Giá trị chiều cao sóng Qua đánh giá tài liệu: thủy hải văn (sóng mực nước), khảo sát địa hình nhiều năm gần đây, cho thấy bãi trước đê có đất yếu, khu vực bố trí cơng trình phá sóng có độ sâu khoảng 2.5m Chiều cao sóng nước nơng khu vực bãi đê với độ sâu tối đa vào khoảng 1.5m Sóng ngẫu nhiên có phổ JONSWAP dạng chuẩn (tạo máy tạo sóng) dùng cho thí nghiệm có chiều cao biển đổi từ Hs = 0.06m đến 0.11m chu kỷ đỉnh phổ Tp = 6s đến 9s Cụ thể thể bảng Thời gian thí nghiệm 500 sóng để đảm bảo dải tần số (chu kỳ) phổ sóng yêu cầu tạo cách hoàn chỉnh Hs,0 (m) P 2.1 3.15 3.85 M 0.06 0.09 0.11 TP (s) P 6.86 7.69 8.34 M 1.16 1.3 1.41 Tổng hợp chương trình thí nghiệm bao gồm 78 kịch (kết hợp từ kịch đê x cao trình đỉnh đê x giá trị mực nước x giá trị tham số sóng nước sâu cộng thêm kịch khơng cơng trình) Có thể nói phạm vi biến đổi kịch thí nghiệm bao quát phần lớn điều kiện biên sóng mực nước khu vực biển Đông ĐBSCL Bảng Phương án bố trí mơ hình đê phá sóng tỉ lệ 1/35 Ls (m) Phương án MH0 MH2 MH3 70 P M 210 250 6.00 7.14 GB (m) P M Không cơng trình 50 1.43 50 1.43 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 40 - 2017 XB (m) P M 110 110 3.14 3.14 KHOA HỌC Ls (m) Phương án MH4 MH5 MH6 MH7 MH8 P 210 210 170 210 210 CÔNG NGHỆ GB (m) M 6.00 6.00 4.86 6.00 6.00 P 70 90 50 30 50 Giá trị cao trình mực nước gồm giá trị MNTK1 = +1.0 m (+42 cm), MNTK2= +1.7m (+44cm), kết hợp với giá trị cao trình đỉnh đê Z1 =+1.5m, Z2=+2m Từ giá trị trên, XB (m) M 2.00 2.57 1.43 0.86 1.43 P 110 110 110 110 130 M 3.14 3.14 3.14 3.14 3.71 mơ hình thí nghiệm có giá trị chiều cao lưu không (RC>0 tương ứng với đê nhô, Rc 2) hiệu giảm sóng đê khơng có xu hướng tăng (dao động từ 70% đến 80%), nguyên nhân cao trình đỉnh đê lúc đủ lớn để sóng khơng thể leo lên qua đỉnh đê giúp cho hiệu giảm sóng lớn sóng truyền qua lỗ rỗng cấu kiện khe hở G nên có tăng chiều cao đỉnh đê lên chiều cao sóng phía sau khơng giảm Khi Rc/Hm0,i < -0.5 hiệu giảm sóng đê thấp đê gần lúc khơng cịn tác dụng giảm sóng Độ ngập sâu tương đối lớn hiệu giảm sóng đê lớn, q trình thí nghiệm quan sát thấy Rc=+2.9cm (1.01m thực tế) gần sóng khơng leo qua đỉnh đê sóng truyền vào khu vực sát bờ thông qua khoảng hở G cộng thêm tượng nhiễu xạ, lúc hiệu giảm sóng lên đến 0.7-0.8 Chiều cao sóng phản xạ thay đổi tùy thuộc vào sóng tới chiều cao lưu khơng Rc Xu hướng cho thấy chiều cao sóng phản xạ dao động khoảng 0.4 đến 0.7 lần chiều cao sóng tới Trong tổng số 78 kịch thí nghiệm bao gồm thay đổi chiều cao lưu không, khoảng cách khe hở G(m), chiều dài đê L(m), khoảng cách bờ X(m) Hình 13 Quan hệ ~ GxHmo,i ứng với độ ngập đê khác cho vị trí kim đo Hình 12 Quan hệ Kt~Rc/Hm0,i đê phá sóng ứng với giá trị Rc khác Trong trường hợp đê ngầm (RcHm0,i x 100) độ rộng khoảng hở G gần khơng cịn ảnh hưởng đến hiệu giảm sóng đê ngầm Số liệu sóng sau cơng trình dùng cho tính tốn truyền sóng xác định vị trí cách điểm cách điểm khoảng hở 110m phía vng góc với bờ Đặc điểm tham số sóng trước cơng trình lấy dựa theo kết thí nghiệm ứng với trường hợp sóng gió mùa (với chiều cao sóng nước sâu 3m chiều cao sóng tới trước cơng trình lớn 1m chiều cao sóng phản xạ khoảng 0.5m) Để đạt chiều cao sóng mong muốn sau cơng trình (nhỏ 0.6m) trường hợp sóng lớn thì: Hình 15 Quan hệ ~ L/Hmo,i ứng với độ ngập đê khác Quan hệ ~ L/Hmo,i có xu hướng tuyến tính đồng biến L/Hmo,i lớn hiệu giảm sóng đê lớn Đặc biệt L/Hmo,i < 150 hiệu giảm sóng đê tương đối bé (*) Tra điều kiện (*) ứng với biểu đồ tương quan hình13, 14 và16 kết thu sau: 2.5 Lựa chọn phương án bố trí đê cho vùng nghiên cứu Việc xây dựng đê giảm sóng xa bờ ngồi chức giảm sóng gây bồi, chống xói lở dạng cơng trình có kết cấu rỗng đặc biệt chức tái sinh rừng ngập mặn hoàn toàn khả thi Trong việc tái sinh rừng ngập mặn đê giảm sóng xa bờ phải hồn thành tối thiểu hai nhiệm vụ: - Giảm sóng phía sau cơng trình điều kiện nhỏ 0.4m phát triển; - Tạo trao đổi bùn cát mịn ngồi cơng trình Trong thí nghiệm phân tích tính tốn phương án bố trí cơng trình phù hợp cho điều kiện giảm sóng tái sinh rừng ngập mặn cho vùng nghiên cứu Phạm vi áp dụng: Hm0,i max (m) giá trị chiều cao sóng tới lớn trước cơng trình (lưu ý phân biệt Hm0,i với Hs,i chiều cao sóng tổng hợp trước cơng trình) Áp dụng cho thơng số sóng khu vực Vĩnh Châu- Sóc Trăng với Hm0,i = 1.0m ứng với cao trình mực nước biển +1.7m: Chiều cao lưu không Rc(m): Khoảng hở G(m): Chiều dài tuyến đê L(m): KẾT LUẬN Một chương trình thí nghiệm mơ hình vật lý 3D bao gồm 78 thí nghiệm hiệu giảm 74 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 40 - 2017 KHOA HỌC sóng đê phá sóng thực với phạm vi bao quát rộng điều kiện biên tham số sóng, mực nước kích thước hình học tuyến đê Kết thí nghiệm cho thấy rõ ảnh hưởng tham số trình vật lý chi phối đến hiệu giảm sóng đê ngầm, từ đưa đánh giá so sánh hiệu giảm sóng phương án bố trí đê Có thể nói bên cạnh tham số độ ngập sâu tương đối Rc/Hm0,i , chiều dài, khoảng cách bờ khoảng hở đê ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu giảm sóng đê phá sóng tích chất biến đổi phổ ảnh hưởng bãi trước đê (đặc thù bãi thoải khu vực ĐBSCL) tương tác với đê đóng vai trị quan trọng CƠNG NGHỆ quan hệ ~ G/Hmo,i ~ L/Hmo,i Điều ngược lại xảy điều kiện đê ngầm, đê nhô cao ảnh hưởng việc lựa chọn phương án bố trí đê đến hiệu giảm sóng đê lớn - Sóng vị trí kim đo số bị ảnh hưởng lớn thay đổi khoảng hở G Trong sóng vị trí kim đo số ảnh hưởng yếu tố G, L, X - Các điều kiện biên giúp đê phá sóng hoạt động hiệu quả: Rc > -0.5 Hm0,i ; L > 150 Hmo,i; trường hợp đê ngầm G < 100/Hm0,i - Đê đảm bảo mục đích tái sinh rừng ngập mặn phía ngun tắc bố trí đê cần thiết đảm bảo điều kiện: Kết thí nghiệm sử dụng cho việc lựa chọn phương án bố trí đê cấu kiện lỗ rỗng ứng với hiệu giảm sóng xác định trước Và ngược lại đánh giá hiệu giảm sóng ứng với phương án bố trí đê cho trước Một số kết luận rút từ kết thí nghiệm trên: Phạm vi áp dụng: - Trong điều kiện đê nhô điều kiện mực nước, thơng số sóng, cao trình đỉnh ảnh hưởng chiều dài đê L đến hiệu giảm sóng đê phá sóng rõ ràng ảnh hưởng khe hở G thể biểu đồ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy Lợi Môi trường số 4100011 “Nghiên cứu ảnh hưởng đê ngầm bão đê đến hiệu giảm sóng mơ hình vật lý 2D - Nguyễn Viết Tiến; Thiều Quang Tuấn; Lê Kim Truyền” [2] Design of low-crested (submerged) structures – an overview –Krystian W Pilarczyk, Rijkswaterstaat, Road and Hydraulic Engineering Division, P.O Box 5044, 2600 GA Delft, the Netherlands; k.w.pilarczyk@dww.rws.minvenw.nl [3] Environmental Design of Low Crested Coastal Defence Structures “D31 Wave basin experiment final form-3D stability tests at AUU- by Morten kramer and Hans Burcharth” TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 40 - 2017 75