Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tính chất dòng chảy sóng tràn qua đê biển, từ đó góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán sóng tràn qua đê biển để bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện nay. Mời các bạn tham khảo Đề tài Hoàn thiện công tác quản trị nhân sự tại Công ty TNHH Mộc Khải Tuyên được nghiên cứu nhằm giúp công ty TNHH Mộc Khải Tuyên làm rõ được thực trạng công tác quản trị nhân sự trong công ty như thế nào từ đó đề ra các giải pháp giúp công ty hoàn thiện công tác quản trị nhân sự tốt hơn trong thời gian tới.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN THÌN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số chuyên ngành: 62-58-40-01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2014 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Bá Quỳ Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Ngơ Trí Viềng Phản biện 1: GS.TS Đinh Văn Ưu, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: GS.TS.Trần Đình Hợi, Viện Nước, Mơi trường Biến đổi khí hậu Phản biện 3: GS.TS Trần Đình Hịa, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc … … ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Việt Nam quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề biến đổi khí hậu nước biển dâng Dọc theo bờ biển trung tâm kinh tế, văn hóa quan trọng nước Đê biển Bắc có cao trình đỉnh tương đối thấp, bề rộng mặt đê nhỏ, mái đê phía biển, phía đồng dốc hầu hết đê lại trực diện với biển Theo kết thống kê từ cố vỡ đê năm qua sóng tràn gây hư hại mặt đê mái phía đồng phổ biến Một giải pháp hữu hiệu để giảm sóng tràn qua đê xây tường đỉnh thấp đặt đỉnh đê, việc tơn cao mặt đê hay làm phía thượng lưu tốn khó khả thi, đặc biệt tuyến đê có hành lang hẹp Đến nay, nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh thấp, đặc biệt nghiên cứu tương tác sóng - tường dịng chảy sóng tràn chưa đầy đủ Việc hiểu rõ ảnh hưởng tường đỉnh thấp thềm trước tường sóng tràn có ý nghĩa khoa học thực tiễn, bổ sung luận khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển Với ý nghĩa tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh Bắc bộ” làm đề tài nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình tính chất dịng chảy sóng tràn qua đê biển, từ góp phần nâng cao độ tin cậy tính tốn sóng tràn qua đê biển để bổ sung luận khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp cho đê biển có Bắc - Việt Nam Nội dung nghiên cứu Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; mơ hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh thấp đến sóng tràn qua đê biển; tương tác sóng - tường dịng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; áp dụng kết nghiên cứu tính tốn sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận Để đạt mục tiêu nghiên cứu, tác giả tổng hợp, phân tích cơng trình nghiên cứu có liên quan nước giới sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp Từ lựa chọn hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa vừa mang tính sáng tạo phù hợp với điều kiện Việt Nam 5.2 Các phương pháp sử dụng luận án Phương pháp nghiên cứu tổng quan; phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; phương pháp kết hợp mơ hình tốn mơ hình vật lý; phương pháp nghiên cứu ứng dụng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Xây dựng tường đỉnh thấp đê nhằm nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê giải pháp áp dụng phổ biến tính khả thi cao phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta Tuy nhiên, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp chưa đầy đủ, đặc biệt vấn đề tương tác sóng tường Do đó, việc hiểu rõ ảnh hưởng tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình tương tác sóng – tường tính chất dịng chảy sóng tràn góp phần nâng cao độ tin cậy công tác thiết kế đê biển có tường đỉnh nước ta Những đóng góp luận án - Làm sáng tỏ chất ảnh hưởng tường đỉnh đến đặc trưng sóng tràn chứng minh tính ưu việt thềm trước thơng qua việc sâu phân tích q trình tương tác sóng – tường; - Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp tường đỉnh thấp đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho trường hợp sóng (2-12); - Xây dựng đường cong quan hệ tường minh chiều cao sóng bắn với tham số sóng hình học tường (Hình 2.13); - Xây dựng mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh có thềm trước hợp lý, hiệu quả, phù hợp với thực tiễn đê biển Bắc - Việt Nam (Hình 4.8) Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị; luận án trình bày chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; Chương 2: Mơ hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh thấp đến sóng tràn qua đê biển; Chương 3: Tương tác sóng - tường dịng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; Chương 4: Áp dụng kết nghiên cứu để tính tốn sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển Hiện nay, biến động lớn môi trường, tác động rõ nét biến đổi khí hậu toàn cầu, tần suất cường độ thiên tai ngày gia tăng, đặc biệt bão nước biển dâng làm gia tăng nguy ngập lụt vỡ đê, sóng tràn tác nhân Vì vậy, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển vấn đề thời Thế giới Việt Nam 1.2 1.2.1 Nguyên nhân, chế phá hoại đê biển giải pháp giảm thiểu Nguyên nhân hư hỏng đê biển Có nhiều nguyên nhân gây cố hư hỏng đê biển sóng tràn gây phá hoại đỉnh mái đê phía nguyên nhân dẫn đến vỡ đê 1.2.2 Cơ chế phá hoại đê biển sóng tràn Cơ chế phá hoại đê biển có nhiều, từ phá hoại cục đến phá hoại tổng thể; nguyên nhân, yếu tố tác động, hệ đa dạng Qua phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc báo cáo, cố vỡ đê Bắc kết nghiên cứu nước, thấy rằng: chế phá hoại đê biển sóng tràn, dịng chảy tràn chế trội 1.2.3 Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc Hiện nay, có nhiều giải pháp để giảm thiểu sóng tràn qua đê, giải pháp cơng trình phi cơng trình phổ biến như: làm đê ngầm phá sóng phía trước đê, dùng cấu kiện khác đặt trước đê để giảm sóng, làm đê phía biển bậc nhiều bậc, trồng rừng ngập mặn phía trước đê, nâng cao cao trình đỉnh đê…Tuy nhiên, hạn chế khơng gian xây dựng điều kiện kinh tế cịn khó khăn nên việc xây tường đỉnh thấp đê để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê giải pháp khả thi kinh tế kỹ thuật sử dụng phổ biến nước ta 1.3 Tổng quan đê biển có tường đỉnh thấp Miền Bắc Đê biển có tường đỉnh thấp (W/Hs ≤ 0.5) nằm sát mép mặt đê sử dụng phổ biến cho hệ thống đê biển Miền Bắc sử dụng nơi mà khơng cịn quỹ đất để tôn cao, điều kiện kinh tế không cho phép xây đê cao, như: đê bảo vệ khu đô thị, khu du lịch 1.4 1.4.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp Ở giới (TAW 2002) Ở giới nghiên cứu phổ biến sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp TAW (2002) sau EurOtop (2007) Ảnh hưởng tường đỉnh thấp đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình theo phương pháp TAW (2002) không rõ ràng thể qua: ảnh hưởng tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình theo phương pháp TAW (2002) ẩn; tường đỉnh làm tăng độ dốc mái đê quy đổi nguyên nhân làm tăng lưu lượng sóng tràn, nhiên sau lại chiết giảm hệ số v Hệ số ảnh chiết giảm tường đỉnh v dựa số số liệu thí nghiệm xét đến ảnh hưởng góc nghiêng mặt tường phía biển, chưa kể đến tính chất tương tác sóng – tường dịng chảy sóng tràn kích thước hình học tường 1.4.2 Ở Việt Nam Tường đỉnh thấp dạng cơng trình đặc thù nước ta Do vậy, có cơng trình nghiên cứu sóng tràn qua dạng cơng trình Nghiên cứu ban đầu Tuấn cộng (2009) đưa cách tiếp cận việc xem xét ảnh hưởng tường đỉnh thấp đê đến sóng tràn Tuy nhiên nghiên cứu chưa xem xét ảnh hưởng thềm trước (S = 0) Tiếp theo nghiên cứu Tuấn (2013) đánh giá ảnh hưởng tường đỉnh thềm trước tường đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển Tuy nhiên, nghiên cứu Tuấn (2013) chưa xem xét đến tính chất tương tác sóng - tường thay đổi dịng chảy sóng tràn qua đê có diện tường đỉnh Ngồi ra, ảnh hưởng chiết giảm tường sóng chưa đề cập nghiên cứu 1.5 Kết luận chương Sóng tràn dạng tải trọng đê biển, tác nhân dẫn đến hơ hỏng cố vỡ đê Tường đỉnh xem giải pháp hiệu nâng cao cao trình đỉnh, giảm sóng tràn qua đê Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh từ TAW(2002) đến Tuấn (2013) chưa thật đầy đủ Tiếp tục phát triển nghiên cứu Tuấn (2013) luận án tiến hành thí nghiệm mơ hình vật lý máng sóng với sóng nhằm xem xét ảnh hưởng tường đỉnh đến đặc trưng sóng tràn đặc biệt chi tiết tương tác sóng – tường tính chất dịng chảy sóng tràn có tường Sử dụng mơ hình tốn từ đơn giản mơ hình phi tuyến nước nơng (NLSW) đến phức tạp mơ hình (RANS-VOF) để xem xét cách chi tiết ảnh hưởng tường góc nhìn tương tác sóng - tường chế độ dịng chảy sóng tràn qua tường Những kết nghiên cứu luận án làm sáng tỏ tính chất sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp, góp phần nâng cao chất lượng thiết kế đê biển có tường đỉnh thấp nước ta CHƯƠNG MƠ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SĨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 2.1 Mục đích nghiên cứu Xem xét ảnh hưởng tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình tương tác sóng – tường tính chất dịng chảy sóng tràn có tường 2.2 Cơ sở lý thuyết tương tự Để mơ hình tương tự với ngun hình cách hồn tồn cần phải đầy đủ đặc trưng tương tự: hình học, động học động lực học Để có tương tự yếu tố sóng, mơ hình cần làm thái, tỷ lệ mơ hình cần tn theo tiêu chuẩn Froude Trong thí nghiệm sóng ngắn với mơ hình thái tiêu chuẩn Froude tự động thỏa mãn 2.3 2.3.1 Mô tả thí nghiệm sóng Máng sóng Máng sóng Hà Lan có tổng chiều dài 45m, chiều dài hiệu 42m, chiều cao 1.2m, chiều rộng 1.0m Máy tạo sóng trang bị hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động Hình 2.1 Tồn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm Máy tạo sóng tạo sóng đều, ngẫu nhiên theo số dạng phổ phổ biến ví dụ JONSWAP Chiều cao sóng ngẫu nhiên tối đa tạo máng 0.3m chu kỳ 3.0s (Hình 2.1) 2.3.2 Mơ hình đê tham số thí nghiệm Mơ hình đê tham số thí nghiệm có tỷ lệ mơ hình 1/10, mái đê nhẵn khơng thấm nước Đê máng sóng có chiều cao 70cm, mái đê phía biển có độ dốc 1/3 Tường đỉnh thấp đê có chiều cao W = 4cm, 6cm 9cm làm khối rời cho kết hợp lại với chiều cao tường đỉnh thấp (W) chiều rộng thềm trước (S) thỏa mãn theo yêu cầu kịch thí nghiệm Bề rộng thềm trước thí nghiệm S = 0cm, 10cm 20cm Chiều dài bãi trước đê 24.5m có độ dốc i =1/100 (Hình 2.5) Hình 2.5 Mơ hình thí nghiệm sóng 2.3.3 Chương trình thí nghiệm Độ sâu nước máng d = 0.60m chọn cho thí nghiệm Một hệ thống đầu đo sóng đặt trước chân đê đầu đo đặt cách chân đê 24.5m Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng Các thơng số sóng Số thí nghiệm H (m) T (s) 40 0.16- 0.24 1.5 – 2.5 Rc (m) W (cm) S (cm) 0.10 0; 4; 6; 0; 10; 20 Một camera có độ phân giải cao đặt vng góc với tường kính máng sóng để thu ảnh với tốc độ 50 ảnh/s để xem xét tương tác sóng - tường dịng chảy sóng tràn Thời gian thí nghiệm 10 sóng sóng trước sóng bị ảnh hưởng sóng phản xạ (Bảng 2.1) 2.3.4 Trình tự thí nghiệm tham số đo đạc Thời gian chuẩn bị từ tháng năm 2012 đến tháng năm 2012, thời gian tiến hành thí nghiệm thức từ tháng năm 2012 đến tháng năm 2012 Các tham số đo đạc bao gồm: chiều cao sóng H, chu kỳ sóng T, lưu lượng sóng tràn trung bình q, chiều cao sóng bắn Hb, chiều dày lớp nước đỉnh tường Ht, độ cao lưu không Rc 2.4 Phân tích kết thí nghiệm 2.4.1 Ảnh hưởng tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình Hệ số ảnh hưởng tổng hợp tường đỉnh tích hệ số ảnh hưởng thành phần chiều cao tường chiều rộng thềm trước đem lại 𝛾𝑣 1 𝑊 𝑆 = 𝛾 𝛾 = (1 + 𝑐1 𝑅 𝜉) (1 + 𝑐2 𝐻 𝜉) 𝑤 𝑠 𝑐 (2-11) Xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp 𝛾v (thực đo) 𝛾v (tính tốn), lập đường hồi quy 𝛾v (thực đo) 𝛾v (tính tốn), thử dần giá trị c1, c2 cho đường hồi quy phù hợp với đường phân giác y = x, từ tác giả xác định hệ số c1 =1.26, c2 = 1.44 (Hình 2.12) 𝛾𝑣 2.4.2 = (1 + 1,26 𝑊 𝑆 𝑅𝑐 𝜉 𝐻 𝜉 ) (1 + 1,44 ) (2-12) Ảnh hưởng tường đến chiều cao sóng bắn Chiều cao sóng bắn xác định qua phân tích ảnh Matlab Tác giả xây dựng tương quan giữa 𝐻𝑏 𝐻 với 𝑆.𝐻 𝑔.𝑊.𝑇2 , phương trình đường cong có dạng y = 1.544e-30.9x với độ hồi quy R2 = 0.624 từ biểu đồ ta sơ xác định chiều cao sóng bắn từ yếu tố sóng, tường (Hình 2.13) cho sóng ngẫu nhiên Sự tương tác sóng - tường dịng chảy, hay nói cách khác đặc trưng dịng chảy sóng tràn xem xét cách chi tiết cho trường hợp sóng mơ hình vật lý mơ hình máng sóng số 3.2 3.2.1 Mơ hình NLSW (Tuấn Oumeraci, 2010) Hệ phương trình Mơ hình dựa dạng bảo tồn phương trình NLSW giải theo sơ đồ Roe kết hợp với phương pháp xác định thông lượng bậc cao TVD (total variation diminishing), sau: U F ( x,U ) S ( x, U ) t x Trong đó: véc-tơ bảo tồn U (3-1) , F ( x,U ) vec-tơ thành phần S ( x,U ) xác định: h U ( x) uh (3-2) uh F ( x, U ) u h gh / (3-3) 0 S ( x, U ) gh( Sbx S f Sr ) (3-4) Trong đó: g gia tốc trọng trường, h độ sâu dòng chảy, u vận tốc dòng chảy theo phương ngang, Sbx mái dốc đáy, Sf ma sát đáy, Sr độ dốc tiêu cuộn sóng mặt 3.2.2 Sóng tràn sóng ngẫu nhiên Tường thẳng đứng khơng mơ tả mơ hình NLSW trường dịng chảy vi phạm giới hạn nước nông Do việc điều chỉnh, biến đổi hình học tương đương cần thiết Ở tác giả sử dụng hai phương án biến đổi 11 là: phương án tường tương tương đương (Hình 3.1) phương án chiều cao lưu không tương đương (Hình 3.2) Sử dụng mực nước trung bình kết hợp với chuỗi sóng theo thời gian đo đạc từ đầu đo sóng đặt gần với chân đê (biên sóng đầu vào gần đảm bảo độ xác cho mơ hình NLSW) Hình 3.1 Mơ tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002)-PA1 Hình 3.2 Mô tả tường chiều cao lưu không tương đương – PA2 Tại phía hạ lưu, giá trị mực nước không đổi thấp hẳn đỉnh đê (để tránh ảnh hưởng đến sóng tràn) sử dụng biên đầu Thời gian mơ giống thí nghiệm mơ hình vật lý (1000.Tp ~ 10 phút PC) Nhìn chung, kết hai phương án phù hợp tốt với số liệu thí nghiệm mơ hình với độ hồi quy R2 0.88 0.87 cho phương án thứ phương án thứ hai Sai số trung bình 39.8% với độ lệch chuẩn 56.2% Tuy nhiên, tồn sai khác lớn cho số trường hợp cụ thể với lưu lượng sóng tràn trung bình nhỏ tường đỉnh cao tường khơng có thềm trước Điều 12 tương tác phức tạp sóng tường khơng thể giải cách đầy đủ mơ hình NLSW thơng qua phương pháp biến đổi tương đương Hình 3.3 Kết tính tốn sóng tràn mơ hình NLSW (TAW 2002)-PA1 Hình 3.4 Kết tính tốn sóng tràn mơ hình NLSW (Rc*)-PA2 13 3.3 Mơ hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) 3.3.1 Giới thiệu máng sóng số Máng sóng số có khả mơ tương tác sóng - cơng trình với tính tương tự máng sóng vật lý Dạng cơng trình mơ với kết mô đặc trưng dòng chảy chi tiết đầy đủ Máng sóng số kiểm nghiệm với nhiều số liệu thí nghiệm mơ hình vật lý tỷ lệ lớn, nhỏ cho kết tin cậy 3.3.2 Hệ phương trình Mơ hình dựa hệ phương trình trung bình Reynolds Navier – Stockes chiều ui xi ui t uj ui x j 0 (3-12) 1 p ui gi uiu j xi x j x j (3-13) Và khép kín hệ phương trình vận chuyển rối k k uj t x j x j uj t x j x j Trong đó: chiều), p ui k t x j k ui uiu j x j (3-14) t ui (3-15) uiu j C2 C1 k x j k x j vận tốc trung bình theo phương i (i, j =1, cho dịng chảy hai áp suất dòng chảy, khối lượng riêng nước, gi gia tốc trọng trường theo phương i, uiuj ứng suất Reynolds mô theo độ nhớt xoáy phi tuyến, Các hệ số kinh nghiệm mơ hình rối k = 1.0, =1.3, C1 = 1.44, C1 = 1.92; = / vàt = Cdk2/ (Cd = 0.99) tương ứng hệ số nhớt động nhớt xốy COBRAS-UC tính tốn dịng chảy lưới chữ nhật khơng đều, mặt thống dịng chảy tính tốn theo phương pháp thể tích chất lỏng (VOF) 14 3.3.3 Sóng tràn sóng ngẫu nhiên Chuỗi sóng 1000 sóng (1000.Tp = 2200s) cần 75h để mơ với máy tính có cấu hình 3.1GHz-4GB RAM Do hạn chế lực máy tính nên có 14 trường hợp thí nghiệm tiêu biểu xem xét Đây kết hợp điều kiện sóng (Hm0 = 0.10m, Tp = 2.2s) chiều sâu mực nước d = 0.55m với tất dạng đê với có tường đỉnh cao (W= 6cm 9cm, có khơng có thềm trước) Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC) Lưu lượng sóng tràn trung bình từ thí nghiệm mơ hình vật lý so sánh với kết tính tốn mơ hình COBRAS-UC mơ hình NLSW với hai phương án biến đổi tường tương đương Kết từ mô hình NLSW liệu thí nghiệm có sai số trung bình cho phương án 60.1%, độ lệch chuẩn 63.2% phương án 129.4%, độ lệch chuẩn 100.6% Kết từ mơ hình COBRAS-UC liệu từ thí nghiệm khớp với với độ sai số trung bình 39.7%, độ lệch chuẩn 24.5% Rõ ràng, mơ hình COBRAS-UC thể ưu điểm so với mơ hình NLSW Tuy vậy, kết từ mơ hình COBRAS15 UC cho sai số lên tới 63% cho trường hợp lưu lượng sóng tràn nhỏ (Hình 3.7) Sóng tràn sóng 3.3.4 3.3.4.1 Lưu lượng sóng tràn trung bình Với 40 thí nghiệm cho 10 mơ hình vật lý tương ứng, chuỗi sóng mơ để đánh giá lưu lượng sóng tràn trung bình cho thí nghiệm Thời gian tính tốn cho thí nghiệm khoảng thực PC chuẩn (1giờ CPU/10 giây thời gian dòng chảy) Lưu lượng sóng tràn trung bình tính tốn theo mơ hình COBRAS-UC so sánh với liệu đo đạc từ thí nghiệm mơ hình vật lý Mơ hình COBRAS-UC dự báo tin cậy lưu lượng sóng tràn trung bình qua dạng tường đỉnh thấp khác (R2 = 0.95) Sai số trung bình 23.4% với độ lệch chuẩn 30.2 % Sai số đáng kể xảy số trường hợp chiều cao tường lớn (W=9cm, hình tam giác) So sánh với trường hợp sóng ngẫu nhiên cho thấy phù hợp kết tính tốn cho sóng tốt (Hình 3.8) Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC) 16 3.3.4.2 Tương tác sóng - tường dịng chảy Sóng tràn bao gồm hai thành phần: thành phần tràn chảy thành dòng (green overtoping) thành phần sóng bắn (splash overtoping) Để hiểu ảnh hưởng tường đỉnh đến sóng tràn, ảnh phân tách từ máy quay xem xét phân tích tỉ mỉ với kết đạt từ mơ hình tốn Q trình tương tác sóng – tường mô tả giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Q trình sóng tràn bắt đầu việc lưỡi sóng va với tường kết tạo sóng bắn khơng khí (Hình 3.13); Giai đoạn 2: Sóng bắn bắt đầu biến đạt tới độ cao định tường đổ xuống đỉnh tường, mặt đê Tại thời điểm cuối giai đoạn này, dịng chảy tràn hình thành (Hình 3.14); Giai đoạn 3: Nếu sóng tiếp tục tràn mạnh giai đoạn thứ này, dòng chảy tràn phát triển tới chiều sâu ngập lớn bên đỉnh tường (Hình 3.15); Giai đoạn 4: Sóng chảy tràn theo dòng tiếp tục phát triển sóng rút phía biển giai đoạn cuối (Hình 3.16) Tất thời đoạn tính tốn xem xét kỹ lưỡng để xác định chiều cao sóng bắn lớn mơ hình tốn so sánh với kết đạt mơ hình vật lý Xét mặt mơ hình tốn, mơ hình COBRAS-UC có khả mơ sóng bắn rời miêu tả giọt nước riêng biệt hay tia nhỏ mơ hình vật lý có độ tin cậy không cao Phương pháp mô bề mặt thống (VOF) mơ hình tốn khơng kể đến sức căng bề mặt việc chia lưới thô so với kích thước hạt nước riêng rẽ nguyên nhân dẫn tới khác biệt kết mơ hình tốn với mơ hình vật lý, hạn chế chưa thể khắc phục cơng nghệ mơ dịng chảy Q trình giai đoạn tương tác sóng - tường từ mơ vật lý cho trường hợp thí nghiệm REW6S20_4, kiểm chứng cách chi tiết mô hình COBRAS-UC tương ứng Hai giai đoạn đầu (Hình 3.13, Hình 3.14) kết khơng xác hai giai đoạn sau (Hình 3.15, Hình 3.16) 17 Hình 3.13 Sóng bắn sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý) Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường t=27.3s ( MH vật lý) Hình 3.15 Sóng chảy thành dịng t = 27.5s ( MH vật lý) Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý) Ở mức độ chi tiết hơn, Hình 3.17, Hình 3.18 thể kết dự báo mơ hình tốn chiều cao sóng bắn lớn (xảy giai đoạn 1, Hình 3.13) chiều sâu dịng chảy tràn lớn đỉnh tường (xảy giai đoạn 3, Hình 3.15) so sánh với liệu từ thí nghiệm mơ hình vật lý Khi xem xét kết từ mơ hình vật lý kết dự báo từ mơ hình tốn (Hình 3.17) với điều kiện sóng chiều cao tường chiều cao sóng bắn lớn giảm chiều rộng thềm trước tường tăng lên Cũng tương tự, với điều kiện sóng chiều rộng thềm chiều cao tường lớn cho kết sóng bắn cao 18 Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn (đặc MH tốn, rỗng MH vật lý) Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn đỉnh tường Hình 3.18 thể khả mơ chiều sâu dịng chảy tràn máng sóng số tốt 19 a) Sóng bắn t = t*- 0.2 b) Sóng bắn t = t*- 0.1 c) Sóng bắn t = t*- 0.1 Hình 3.19 Ảnh hưởng chiều rộng thềm đến chiều cao sóng bắn Hình 3.19, trình bày hình ảnh mang tính chất so sánh tương tác sóng - tường trường hợp khác trình bày trường hợp sóng bắn cao điều kiện sóng (Hs= 0.24m,Tp = 2.5s), cho hai trường hợp thí nghiệm (REW9S0_4 REW9S10_4) Lưu tốc dịng chảy lưỡi sóng bị làm chậm đáng kể từ xấp xỉ 2.0m/s thời điểm sóng tác động 20 lên tường (t = t* 0.2s, Hình 3.19a) xuống cịn 1.0m/s - 1.5m/s trường hợp S = 0cm (Hình 3.19c, bên trái) giảm xuống tới 0.5m/s - 1.0m/s cho trường hợp S = 10cm (Hình 3.19c, bên phải) thời điểm sóng bắn lớn (t = t*) Ngồi ra, khác đặc trưng dòng chảy hai trường hợp tường có thềm trước khơng có thềm trước đáng kể Trong trường hơp khơng có thềm trước (S =0), sóng leo dọc theo mái dốc đê dễ dàng hướng lên tường tạo sóng bắn cao khơng khí Hiệu việc giảm động lượng dịng chảy giảm sóng tràn khơng cao Trong trường hợp có thềm trước (S>0), lưỡi sóng leo định hướng chảy dọc theo đỉnh đê (ít nhiều theo phương ngang) trước chạm tới tường Trong trường hợp này, lượng sóng leo bị tiêu tán nhiều sóng tác động với tường Kết chiều cao sóng bắn lưu lượng sóng tràn trung bình nhỏ đáng kể so với trường hợp (S=0) Tường đỉnh có thềm trước (S > 0) ưu việt tường đỉnh khơng có thềm trước (S =0) đề cập đến vấn đề giảm sóng tràn chiều cao sóng bắn Khi sóng bắn cao kèm theo gió bão từ phía biển khó kiểm sốt lưu lượng sóng tràn tăng thêm khả phá hoại đê sóng bắn đập xuống mặt đê 3.4 Kết luận chương Luận án sử dụng mơ hình NLSW mơ hình COBRAS-UC để tính tốn sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp Kết tính tốn cho sóng ngẫu nhiên, sóng kiểm định với kết thí nghiệm Mơ hình NLWS dùng để tính tốn lưu lượng sóng tràn trung bình cho kết đáng tin cậy Tuy nhiên sai số lớn tường đỉnh cao (W/Hs > 0.5) khơng có thềm trước (S=0) Mơ hình COBRAS-UC có khả tốt việc dự báo lưu lượng sóng tràn dự báo cấu trúc bề mặt dòng chảy tràn Tuy nhiên cịn sai số đáng kể việc mơ tả chiều cao sóng bắn Tường có thềm trước thể hiệu việc làm giảm lưu lượng sóng tràn kiểm sốt tốt sóng bắn so với trường hợp tường khơng có thềm trước 21 CHƯƠNG ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN SĨNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH 4.1 Giới thiệu cơng trình Đê biển Giao Thủy dài 32km có nhiệm vụ bảo vệ 205.799 người 23.207ha đất canh tác Cao trình đỉnh đê +5.0m, chiều cao tường đỉnh đê W= 0.5m, bề rộng thềm trước tường S = 0; mái đê phía biển m = 4, bề rộng mặt đê B = 5m, mực nước thiết kế 2.29m 4.2 Tính tốn sóng tràn Ứng dụng kết có chương chương Tác giả thiết lập bảng tính mơ tả chi tiết bước tính tốn sóng tràn bao gồm: lưu lượng sóng tràn trung bình chiều cao sóng bắn Tác giả xây dựng phần mềm tính tốn sóng tràn Phần mềm thiết lập tường minh, đơn giản dễ sử dụng học tập, nghiên cứu tính tốn thiết kế đê biển Phần mềm mã nguồn mở nâng cấp mở rộng tính cách dễ dàng 4.3 4.3.1 Kết tính tốn sóng tràn đề xuất mặt cắt ngang đê biển Kết tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định Với thơng số tính toán đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định (W = 0.5m, S=0) tác giả tính tốn lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê 12.7(l/s/m) Tuy nhiên lùi tường đỉnh thấp phía đồng 0.5m (S =0.5m) lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê cịn lại 0.1(l/s/m) Từ kết tính tốn này, lần tính ưu việt thềm trước tiếp tục chứng minh qua cơng trình thực tế 4.3.2 Đề xuất hình dạng mặt cắt ngang đê biển Trong dự thảo tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển TCVN-2013 có mặt cắt ngang đê biển Tác giả thấy chưa mặt cắt đề cập đến tường đỉnh thấp có thềm trước Vì vậy, từ kết luận án tác giả đề xuất bổ sung thêm mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh thấp thấp có thềm trước (Hình 4.8) Tuy nhiên áp dụng mặt cắt phải phân tích hài hịa yếu tố sóng tràn, u cầu giao thông, cứu hộ, cứu nạn vv cho vùng loại đê cụ thể 22 Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp thềm trước tường 4.4 Kết luận chương Luận án lựa chọn cơng trình nghiên cứu mang tính đại diện cho hệ thống đê biển Bắc - Việt Nam, áp dụng kết nghiên cứu vào tính tốn sóng tràn cho đê biển Giao Thủy tiếp tục chứng minh tính ưu việt thềm trước tường Từ việc hiệu thềm trước tường mang lại tác giả xây dựng mặt cắt ngang đê biển (Hình 4.8), hợp lý hiệu quả, phù hợp với đê biển Bắc Việt Nam Chương trình tính tốn sóng tràn đơn giản, dễ sử dụng đào tạo, thiết kế, phần mềm mở KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt luận án Luận án nêu tổng quan tình hình nghiên cứu sóng tràn qua đê biển giới, Việt Nam thấy rằng: nghiên cứu sóng tràn vấn đề thời sự, chế phá hoại đê biển trội sóng tràn qua đê Một giải pháp hữu hiệu phổ biến để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê xây dựng tường đỉnh thấp đê Các nghiên cứu trước vấn đề chưa đầy đủ Từ kết thí nghiệm cách phân tích số liệu tường minh, khoa học Luận án xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp tường đỉnh thấp cho sóng (2-12) thiết lập mối quan hệ chiều cao sóng bắn yếu tố sóng, chiều cao tường, chiều rộng thềm (Hình 2.13) Luận án kết hợp thí nghiệm mơ hình vật lý mơ hình 23 tốn để xem xét cách chi tiết ảnh hưởng tường góc nhìn tương tác sóng - tường chế độ dịng chảy sóng tràn qua tường Luận án làm bật tính ưu việt thềm trước tường từ đề xuất bổ sung mặt cắt ngang đê biển Kết nghiên cứu luận án chuyển tải qua phần mềm tính tốn sóng tràn đơn giản dễ sử dụng Những kết nghiên cứu luận án làm sáng tỏ tính chất sóng tràn qua đê có tường đỉnh thấp, góp phần nâng cao chất lượng thiết kế đê biển có tường đỉnh thấp nước ta Tồn kiến nghị 2.1 Tồn Các nghiên cứu dừng lại: đê mái nhẵn không thấm nước, tường thẳng đứng, chưa xem hình dạng tường khác (tường nghiêng, tường cong, tường có mũi hắt sóng…); số thí nghiệm chưa nhiều, chưa phủ kín trường hợp làm việc thực tế đê biển Bắc - Việt Nam; chưa nghiên cứu thấu đáo phân bố áp lực sóng lên tường; chưa đề cập đến ảnh hưởng gió bão nên kết tính tốn nghiên cứu thấp so với thực tế 2.2 Kiến nghị Tiếp tục đầu tư nghiên cứu hồn thiện đóng góp luận án để sớm áp dụng vào đào tạo, nghiên cứu thiết kế đê biển Nghiên cứu bổ sung thêm thí nghiệm cho dạng tường đỉnh thấp khác tường cong, tường có mũ hắt sóng, tường nghiêng… 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Thieu Quang Tuan and Nguyen Van Thin (2014) Numerical study of wave overtopping on sea-dikes with crown-walls Journal of Hydro-environment Research ELSEVIER, pp.1-16 (10.1016/j.jher.2014.01.003) Nguyễn Văn Thìn, Thiều Quang Tuấn Nguyễn Văn Ngọc (2013) Nghiên cứu mơ hình số sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, số 11-2013, Trang 89-96; Ngơ Trí Viềng, Trịnh Minh Thụ, Hồng Việt Hùng, Vũ Quốc Vương, Nguyễn Văn Thìn Nguyễn Thị Thu Hương (2013) Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ gia cố đê biển neo đất, sử dụng cơng nghệ phụ gia consolid chống xói bảo vệ mái Tuyển tập Hội nghị khoa học thường niên năm 2013, trường Đại học Thủy lợi, Trang 23-24 (bản tóm tắt); Nguyễn Văn Thìn Nguyễn Bá Quỳ (2009) Ứng dụng phân tích rủi ro vào việc lựa chọn tiêu chuẩn an toàn cho đê biển Việt Nam Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi & Mơi trường, số 11-2009, Trang 3-9; Ngơ Trí Viềng, Nguyễn Bá Quỳ Nguyễn Văn Thìn (2008) Cơ chế phá hoại đê biển sóng trường hợp có bão lớn Tuyển tập Báo cáo hội thảo khoa học lần thứ chương trình khoa học cơng nghệ trọng điểm cấp nhà nước KC08/06-10; Nguyễn Văn Thìn (2007) Ảnh hưởng mưa đến ổn định mái dốc Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, số 3-2007, Trang 95-99