Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình biển: Nghiên cứu mô hình toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng trước bãi đê

PHAM VI, DOI TƯỢNG NGHIÊN CỨU - Kiểm định mô hình số lan truyền sóng họ Boussinesq cho trường hợp đê ngam pha sóng trên bãi đê điển hình ở Việt Nam; - Mô phỏng số với các kịch bản mở rộn

MỞ DAU

1 TINH CAP THIET CUA DE TÀI

Dé biển và các hang mục công trình phụ trợ khác hình thành nên một hệ

thống công trình phòng chống, bảo vệ vùng nội địa khỏi bị lũ lụt và thiên tai khác từ

phía biển Vì tính chất quan trong của nó mà công tác nghiên cứu thiết kế, xây dựng

đê biển ở trên thế giới, đặc biệt là ở các quốc gia có biển, đã có một lịch sử pháttriển rất lâu đời Tuy nhiên, tùy thuộc vào các điều kiện tự nhiên và trình độ pháttriển của mỗi quốc gia mà các hệ thống đê biển đã được phát triển ở những mức độ

khác nhau.

Bãi trước đê biển hết sức quan trọng đối với sự an toàn của đê, đặc biệt là đốivới khu vực bãi biển bị xâm thực Do vậy dé ôn định đê biển thì việc bảo vệ bãiquan trọng hơn cả, cần được ưu tiên đầu tư Nếu chỉ tập trung để đầu tư đê màkhông quan tâm đến việc giữ bãi thì công tác bảo vệ an toàn đê biển luôn luôn bịđộng Mặt khác, song song đó cần có biện pháp bảo vệ mái phía đồng thích hop dé

chống xói mòn do nước mưa và do sóng tràn qua đê Do vậy, biện pháp khả thi tạinhững vùng có đê bắt buộc phải tổn tại trong điều kiện trên cần có biện pháp giảm

thiểu chiều cao sóng tác động lên mái đê và sóng leo và tràn bằng công trình phásóng ngầm trước đê sẽ phần nào khắc phục được sự bất cập hiện nay giữa yêu cầuchống được sóng lớn triều cường nhưng không tăng quá mức cao độ của hệ thống

đê biến hiện tại Mặt khác vài thập niên gần đây do biến đổi khí hậu tòan cầu, thiên

tai xay ra khốc liệt hơn Tình hình bão lũ, động đất, sóng than, sat lở , xuất hiện

nhiều hơn, với cường độ lớn hơn, diễn biến phức tạp hơn, khó lường hơn Đặc biệttrong tương lai biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ kéo theo tinh trạng nước biển dâng, đây

là một trong những nguy cơ lớn mà nước ta sẽ phải đối mặt trong tương lai

Với những khó khăn và thách thức nêu trên mà yêu cầu cần thiết phải nghiên

cứu xây dựng một hệ thống đê vững chắc an toàn mà kinh tế Do đó đề tài ”Wghiên

cứu mô hình toán hiệu quả giảm sóng của đê ngẫm phá sóng trước bãi dé” là mộtbước nghiên cứu rất quan trọng với nhiệm vụ giới thiệu, phân tích, đánh giá khả

năng giảm sóng của đê ngầm làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề xuất lựa chọn cácgiải pháp hợp lý ôn định, bảo vệ bãi trước đê, giữ an toàn cho hệ thống đê biển.

2 MỤC DICH, YÊU CÂU

Nghiên cứu tương tác giữa sóng và công trình biển nói chung sóng và đêngầm chắn sóng nói riêng mang ý nghĩa quan trọng trong công tác thiết kế các côngtrình bảo vệ bờ Sóng tương tác với công trình vùng ven bờ rất phức tạp đo tính chấtkết hop phi tuyến của nhiều quá trình thủy động lực Thông thường dé hiểu rõ tươngtác sóng tới một công trình cụ thể thì các nhà thiết kế kĩ thuật phải thực nghiệm thínghiệm mô hình vật lý trong các máng sóng thí nghiệm Trong một số năm gần đâycùng với sự phát triển nhanh của máy tính cộng với sự trợ giúp của các phươngpháp số thông minh, khái niệm thí nghiệm số đã dần phổ biến trong một số ngànhnghiên cứu ứng dụng trong đó có lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình biển

Mục tiêu chính của luận văn là mô phỏng bằng mô hình toán quá trình lantruyền sóng qua đê ngầm trên bãi đê Trên cơ sở đó phân tích, đánh giá hiệu quả

giảm sóng của đê ngầm dưới sự ảnh hưởng chỉ phối của các điều kiện thủy hải văn(sóng, mực nước) và các tham số hình học mặt cắt ngang đê khác nhau

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề đạt được những mục tiêu dé ra, luận văn sử dụng tông hợp các phương

pháp nghiên cứu truyền thống và phương pháp nghiên cứu hiện đại gồm:

- Tổng hợp, kế thừa các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay trong lĩnh vực kỹthuật biển

- Phương pháp mô hình toán, kiểm định với các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý

máng sóng.

4 PHAM VI, DOI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Kiểm định mô hình số lan truyền sóng họ Boussinesq cho trường hợp đê ngam pha

sóng trên bãi đê điển hình ở Việt Nam;

- Mô phỏng số với các kịch bản mở rộng nhằm xây dựng được biểu đồ hoặcphương pháp tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm

- Đề suất sơ bộ dạng hình học mặt cắt ngang phù hợp và bé trí đê ngầm trên bãi đê

CHƯƠNG 1: TONG QUAN NGHIÊN CỨU VE HIỆU QUA GIAM SONG CUA DE NGAM

1.1 THỦY ĐỘNG LUC HỌC VEN BIEN

1.1.1 Bãi trước đê:

a Định nghĩa bãi trước:

“ Bãi trước đê được hiểu là bãi biển, phan được giới hạn từ chân đê tới phan

bãi biển, tại vị trí ranh giới của mực nước triéu thấp Như vậy bãi trước đê sẽ bao

gốm thêm bãi, bãi dốc, đỉnh bãi và mặt bãi trước

Vùng bờ biển

Vùng gần bờ (Xác định vùng dòng chảy gần bờ)

Bãi biển hay bờ biển

Hình 1.1: Mặt cắt đại diện thể hiện bãi trước đê

Bãi biển được chia thành 2 phan, phan bãi trước và phần bãi sau Bãi trước làphần bãi nằm trên ranh rới giữa mực nước cao và mực nước thấp khi sóng dồn lên

bờ biển và khi sóng rút ra khỏi bờ Bãi sau được giới hạn từ phần nước cao đến giớihạn trên cùng về phía đất liền của sóng ( mô tả trong hình vẽ trên)

Hình dạng mặt cắt ngang bờ biển có cấu tạo cát thường xuyên thay đổi khi chịutác động của sóng truyền từ vùng nước sâu vào bờ Khi sóng truyền vào tới vùng

nước nông, nó sẽ bi vỡ khi nó gặp các dải cát ngâm Bãi trước, hay còn gọi là vùng

sóng vỗ, là vùng mà mặt cắt bãi thường xuyên ở trạng thái khô, ướt một cách luânphiên nhau khi sóng xô vào phần mái dốc trên bãi.

b Vai trò bãi trước đê:

Có thể liệt kê một số chức năng chính của bãi trước đê trên quan điểm động lựchình thái va dân sinh kinh tế sau đây:

- Bãi trước đê là vùng đệm, đóng vai trò giảm các tác động của sóng tới phần bãi

cao và tới các công trình, cơ sở hạ tầng (ví dụ như đường giao thông, nhà hàng,khách sạn) được xây dựng ở dai ven bờ Đây là nơi có thé xây dựng các công trình

bảo vệ bờ biển, hoặc công trình có tac dụng giảm sóng

- Bãi trước đê là vùng đệm, nơi có sự dịch chuyển qua lại bùn cát từ phần bãi caoxuống bãi thấp hoặc ngược lại, tùy theo đặc trưng của sóng theo mùa Về mùa hè,

khi bãi chịu tác động sóng nhỏ thì bùn cát sẽ dịch chuyền từ các bãi thấp lên bãicao, ngược lại về mùa đông khi có các sóng lừng do gió mùa hoặc gió bão thì bùncát sẽ bị cuốn từ phần bãi cao xuống bãi thấp Toàn bộ phần bãi trước đê được coi

như năm trọn vẹn trong phần thê tích khống chế bùn cát của mặt cắt ngang

- Một số bãi trước có tiềm năng là bãi biển du lịch, là một bộ phần quan trọng tạo

nên không gian cảnh quan của dải ven bờ.

- Nếu bãi trước đê là vùng bãi bồi rộng, rất thoải, có sự phát triển của rừng ngập

mặn hoặc có tiềm năng phát triển rừng ngập mặn là nơi nuôi trồng thủy hải sản, đặcbiệt là các loài nhuyễn thể như ngao, so, ốc Bãi trước đê vừa có mục đích nuôitrồng thủy sản, vừa là lá chắn bảo vệ cho vùng đất phía bên trong bãi trước các tác

động của sóng, dòng chảy.

1.1.2 Tương tác sóng với bãi trước, công trình ven bién:

Bãi trước đê là một bộ phận trong hệ thống bờ biển, có vai trò là phần phíangoài của công trình đê biển và công trình bảo vệ bờ Sự an toan, én định của bãitrước đê sẽ có ảnh hưởng trực tiếp tới sự an toàn và ôn định của bờ biển nói chung

và công trình đê biên, công trình bảo vệ bờ nói riêng Anh hưởng của bãi trước đê

tới sự ôn định và an toàn của đê được hiểu là các ảnh hưởng và tác động do bãi

trước đê gây ra đối với sự an toàn và ồn định của đê khi nó bị thu hẹp và hạ thấp.

Bãi trước đê thường xuyên phải chịu những tác động của các yếu tố thủy

động lực học như sóng (tác động của chiều cao sóng, năng lượng sóng, hướng sóng

tới); nước dâng trong bão; thủy triều; dong chảy ven bờ (bao gồm dòng ngang bờ và

dòng đọc bờ, tương ứng gây ra các hiện tượng xói cấp tính và mãn tính)

Ảnh hưởng của bãi trước đê tới sự ôn định và an toàn của đê được hiểu là cácảnh hưởng và tác động do bãi trước đê gây ra đối với sự an toàn và ồn định của đê

khi nó bị thu hẹp và hạ thấp Các ảnh hưởng của bãi trước tới sự an toàn và ồn định

của đê được xem xét tới 2 tác động chính bao gồm:

- Bãi trước đê bị xói lở mạnh dẫn tới thu hẹp chiều rộng bãi

- Bãi trước đê bị xói lở dẫn tới cao trình mặt bãi bị hạ thấp hơn cao trình mặt bãi

ban đầu

Các tác động làm thu hẹp và hạ thấp bãi trước đê có thể diễn ra riêng rẽ hoặcdiễn ra đồng thời với nhau Khi diễn ra hiện tượng thu hẹp, hạ thấp cao trình mặt bãi

trước đê thì các tác động chính sẽ diễn ra dưới dạng cây sự cố như sau: Bãi trước bị

hạ thấp, thu hẹp -> sóng và dòng chảy tiến sát hơn vào bờ -> sóng và dòng chảy tácđộng trực tiếp vào công trình -> nếu năng lượng sóng đủ lớn thì các tác động màchúng có thể gây ra sẽ bao gồm:

- Gây hư hỏng mái ngoài

- Tăng lưu lượng tràn qua đỉnh, huy hiếp an toàn mái trong,

- Gây sạt, trượt mái ngoài

- Đào xói chân đê, mất ôn định chân, sập, trượt mái ngoải

Tùy thuộc vào cấu tạo của vật chất thành tạo nên bãi trước đê và các trường

sóng khác nhau mà sự ồn định của bãi trước đê là khác nhau Do đó bài toán giảmbớt năng lượng khi sóng tiến vào bờ là bài toán cần phải giải để tìm ra đáp số hiệuquả nhất

_ XSi t& trong bao

— — —

Hình 1.2: Một sự co sat trượt khi sóng có năng lượng lớn tiễn vào bờ

1.1.3 Các giải pháp giảm sóng, bảo vệ bãi

Đê đưa ra các giải pháp nhăm bảo vệ và ôn định bãi trước đê một cách hiệu quả, cân thiệt phải nghiên cứu các cơ chê gây mat ôn định bãi trước, bao gôm cả cơ

chế gây hạ thấp bãi và cơ chế gây xói lở và thu hẹp bề rộng bãi Ngoài ra, các giảipháp khả thi cũng cần được nghiên cứu và phân tích kỹ lưỡng về mặt kỹ thuật, kinh

tế và xã hội để từ đó đề xuất áp dụng cho từng khu vực nhất định, trên cơ sở đảm

CÁC YÊU TÔ DANH GIÁ Môi

GHI CHU: L] Hiệu quả và phù hợp Khá hiệu quả và phù hợp

Bi Tính hiệu quả rất han chế và không phù hợp

Hình 1.3: Đánh giá số nhóm giải pháp bảo vệ bờ

Có nhiêu loại công trình bảo vệ bờ biên đê chông hoặc giảm xói lở bờ Các

công trình có thé bảo vệ bờ biển trực tiếp (tường chắn, đê, kè) hoặc gián tiếp (các

loại đập mỏ hàn, đập chăn sóng xa bờ) Căn cứ nguyên nhân chủ yêu gây ra mât ôn định bãi, cụ thê là yêu tô sóng, nước dâng, thủy triêu và cân băng bùn cát, có thê nghiên cứu áp dụng các công trình nhăm bảo vệ và ôn định bãi trước đê.

Khi không phải tất cả các biến đổi của bờ biển trong tự nhiên đều đúng theomong muốn của con người thì các công trình bảo vệ bờ biến là giải pháp cần thiết

dé ứng phó với những biến đổi bat lợi trên Các công trình bảo vệ bờ thường được

sử dụng dé hạn ché, ngăn ngừa hoặc làm chậm các tac động bất lợi do các quá trình

tự nhiên xảy ra ở bờ biển, đôi khi là loại bỏ hoàn toàn các ảnh hưởng của các diễnbiến này Ví dụ việc xây dựng các đập mỏ hàn vuông góc với đường bờ biển, hay

các xây dựng đập phá sóng ngoài khơi để làm chậm quá trình xói lở bờ biển Xây

dựng đê biển và hệ thống kè, hay tường biển bảo về mái đê phía ngoài biển cũng làmột giải pháp thường được sử dụng dé chống lại tác động của triều, nước dâng vàsóng đối với những vùng trũng phía trong đất liền Ngày nay, bên cạnh các giảipháp công trình, ở các nước phát triển người ta bắt đầu hướng tới những giải pháp

“mềm” hay còn gọi là giải pháp "phi công trình", thân thiện với môi trường và đáp

ứng được yêu cầu phát triển bền vững, hài hòa với thiên nhiên Thông thường khicần bảo vệ bãi trước đê, khi xảy ra hiện tượng xói lở thì có 3 nhóm giải pháp chính,

đó là:

* Giải pháp “số không” hay là giải pháp “ không làm gì”: Nhóm giải pháp

“số không” thường được áp dụng cho hiện tượng xói lở cấp tính theo mùa Vào thời

kỳ sóng nhỏ, sau khi bị xói bùn cát từ các cồn, bãi ngầm ngoài khơi lại được đưa trở

lại bãi biển Không làm gì khi xảy ra xói lở bãi trước là một lựa chọn mà không

phải lúc nào cũng có thé thực hiện được vì nhiều lý do về mặt chính tri, xã hội và cả

về mặt an ninh quốc phòng Tuy nhiên nếu bãi trước đê đang bị xói lở là vùng đất tựnhiên chưa được sử dụng, không có dân cư, khu kinh tế hay khu nông nghiệp, ngưnghiệp quan trọng thì có thể sử dụng giải pháp này Tuy nhiên giải pháp “số không”thường phải đi kèm với việc quy hoạch không gian bãi và bờ biển và đặc biệt là việcgiám sát, theo dõi quá trình xói lở tự nhiên để có biện pháp ứng phó khi cần thiết

* Các giải pháp công trình “mềm”, hay còn gọi là giải pháp mang tính “phi

công trình” (ví dụ như nuôi bãi nhân tạo) Nhóm các giải pháp mang tính “phi công

trình” thường là mang tinh bị động, có thé là ngắn hạn (vi dụ như nuôi bãi) có hiệuquả tức thời, hoặc dài hạn (ví dụ như trồng rừng ngập mặn hoặc tái tạo lại các dảisan hô ngầm ven biển) Việc sử dụng các biện pháp quản lý, tôn tạo bãi trước đêcũng được xếp vào nhóm các giải pháp mang tính “phi công trình” Các giải phápmang tính phi công trình thường ít gây ảnh hưởng tới bãi hoặc bờ biển lân cận hơn

SO với các giải pháp công trình.

* Các giải pháp công trình “cứng”, hay còn gọi là các giải pháp mang tính

“công trình” Nhóm các giải pháp “công trình cứng” nhằm ổn định, bảo vệ bãi trước

đê thường có tính chủ động, sử dụng các vật liệu vĩnh cửu, lâu dài dé tác động vàobãi trước nhăm mục đích giữ và bảo vệ bãi, mà chủ yếu là hạn chế hiện tượng mất

bùn cát tại các bãi phía trước đê.

Các giải pháp được sắp xếp theo trình tự từ giải pháp mang tính bị động tới

giải pháp mang tính chủ động trên quan điểm bảo vệ bờ biển bằng công trình Ngoài

ra việc chia nhóm giải pháp 6n định bãi cũng căn cứ vào các yếu tố sau:

- Căn cứ vào mục đích, yêu cầu của việc bảo vệ bãi trước đê

- Căn cứ vào điều kiện tự nhiên của bãi trước đê

- Căn cứ vào kết cấu, loại vật liệu xây dựng công trình bảo vệ

- Căn cứ vào chức năng, tác dụng của các giải pháp

1.2 TONG QUAN VE DE NGAM:

1.2.1 Vai trò giảm sóng

Các công trình đỉnh thấp hoặc ngập trong nước gồm có đập phá sóng xa bờ

và gờ ngầm nhân tạo đang trở thành các giải pháp bảo vệ bờ thông dụng (chỉ có

công trình hoặc có kết hợp với dưỡng bãi nhân tạo) Dé ngầm giảm sóng xa bờ cóthé là tuyến dài liên tục, phủ hết chiều dài cần bảo vệ, nhưng thông thường bồ trí

tuyến tường đứt khúc từng đoạn dé trừ các cửa nhằm trao đôi bùn cát ngoài và trong

Mục đích của các công trình đỉnh thấp hoặc ngầm là giảm tải thuỷ lực ở mộtmức độ nhất định để duy trì bờ biển ở trạng thái cân bằng động Đề đạt được mụctiêu này, chúng được thiết kế cho phép năng lượng sóng được truyền qua công trình

ở mức độ nhất định dưới dạng tràn qua đỉnh và xuyên qua cấu trúc rỗng của thân(đập phá sóng đỉnh nhô) hoặc làm vỡ và tiêu tan năng lượng sóng truyền qua đỉnhngập (các công trình chìm) Do yêu cầu thâm mỹ người ta thường thích các công

trình có khoảng lưu không thấp Tuy nhiên, do ảnh hưởng của thuỷ triều và nướcdâng do bão thì chúng bị giảm tác dụng khi thiết kế có độ rộng đỉnh hẹp Vì lý donày mà các công trình đập chắn sóng ngầm đỉnh rộng (còn được gọi là gờ ngầmnhân tạo) thường được dùng nhiều hơn, đặc biệt là ở Nhật Bản Tuy nhiên, các côngtrình đỉnh rộng thường đắt hơn và cần phải lựa chọn dựa trên phân tích kinh tế một

cách hợp lý Mặt khác với sự phát triển của các giải pháp thay thế khác ví dụ sử

dụng các ống cát làm lõi công trình có thể giảm đáng ké chi phí xây dựng

1.2.2 Cấu tạo, kết cấu:

Dé phá sóng là một dạng công trình đặc biệt của đê ngầm, bởi trong điều

kiện mực nước thấp thì đê ngầm lại hoạt động như một đê phá sóng Cho nên cầu

tạo, kêt câu của đê ngâm rât đa dạng.

Hình 1.7: Dai ngầm kết cầu bê tông đúc san (Double —T) (Mỹ)

1.2.3 Vẫn đề mô phỏng sóng vỡ

hi sóng truyền từ nước sâu vào vùng nước nông thì sẽ trải qua các quá trình

vật lý làm tiêu hao đáng ké năng lượng sóng như: khúc xa, biến hình (sóng dénh),

Hình 1.8: Tiêu năng trong sóng v6 tương tự như nước nhảy

Trong các quá trình tiêu hao năng lượng sóng thì sóng vỡ là quá trình tiêu tán

năng lượng sóng lơn nhất Hiện tượng sóng vỡ xảy ra khi sóng biến hình trong nướcnông làm gia tăng chiều cao sóng và do đó độ đốc sóng vượt quá ngưỡng giới hạn

ôn định hình dạng dẫn đến sóng vỡ (đặc biệt tránh nhằm lẫn giữa sóng vỡ với tiêután năng lượng do ma sát đáy, tiêu hao năng lượng do ma sát đáy chỉ chiếm tỷ trọng

rất nhỏ, có thể nói là không đáng kể trong toàn bộ quá trình tiêu hao năng lượng

sóng) Khi sóng vỡ xãy ra thì vận tốc của các phần tử nước ở phía trên đầu sóng trở

lên lớn hơn so với năng lượng sóng vỡ được mô tả một cách tương tự như tiêu hao năng lượng trong nước nhảy (xem Battjes và Janssen, 1978 va 2008).

Quá trình lan truyền sóng vào bờ với sự có mặt của đê ngầm phá sóng thìcũng xảy ra các hiện tượng và quá trình vật lý cơ bản như đã đề cập ở trên Tuy

nhiên quá trình sóng vỡ xãy ra mạnh mẽ hơn hay nói cách khác là chiêu cao sóng sẽ suy giảm mạnh do bên cạnh ảnh hưởng của bãi đê còn có sự suy giảm độ sâu cục bộ

tại vị trí đê ngầm Tính chất sóng (chiều cao, dạng phổ sóng hoặc chu kì đặc trưng)

do đó cũng có sự thay đổi đáng kể sau khi qua đê ngầm

Với đê ngầm phá sóng thì tiêu hao năng lượng sóng còn có thành phần do masát tiếp xúc với các khối phủ bảo vệ mái đê Như đã đề cập ở trên trong quá trìnhtruyền sóng thì sự suy giảm chiều cao sóng (hay là tiêu hao năng lượng sóng) chủ

yếu gây ra bởi sóng vỡ khi vào vùng nước nông Khác với đê cao có nhiệm vụ chắn

sóng, với công trình ngập nước (cản, phá sóng) như đê ngầm thì quá trình dẫn đến

tiêu hao năng lượng sóng chủ yêu vẫn là sóng vỡ xảy ra ở tâng nước sát mặt phía

Nói tóm lại các tham số sau đây được nhận dạng là các tham số cơ bản ảnhhưởng đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng qua đê ngầm tức là hiệu quả giảmsóng của đê ngầm.

- Tham số môi trường: Sóng: Hs, Tp

Độ sâu nước: h

- Tham số đặc trưng hình học đê: bề rộng đỉnh đê B, độ ngập nước Sx

1.3 TONG QUAN NGHIÊN CỨU HIỆU QUA GIAM SÓNG CUA DE NGAM

Trên thé giới đã có rất nhiều nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm,dưới đây xIn tóm lược một số thành tựu, công trình nghiên cứu đã và đang thực hiệntrên thé giới và ở Việt nam

* Dé ngầm ở Nhật

Ở Nhật Bản, khu vực bãi biên tự nhiên đã giảm trong vùng lân cận của thành

phó, thị xã và làng mạc, hậu quả của việc xây dựng cảng biển, bờ và bãi biển Mặt

khác, nhu cầu của người dân khu vực vui chơi giải trí ngày càng tăng qua các nămvới cải thiện điều kiện sống và kinh tế Vì vậy, kế từ vài năm trước đây, chínhquyền địa phương đã rộng rãi được xây dựng những bãi biển nhân tạo và khôi phụcbãi biển bị xói mòn trên nhiều nơi bởi sự trợ giúp của chính quyền trung ương

Những bãi biển nhân tạo như vậy, tuy nhiên, cần số lượng lớn cát tự nhiên,bất chấp sự suy thoái của nguồn cung cấp cát và tăng vọt của giá cát Hơn nữa,

chính quyền địa phương có thể nhận được khoản thanh toán công ty con của chính

quyền trung ương cho việc xây dựng các bãi biển cát nhân tạo, nhưng không cho bốsung thêm cát bị mất do tác động của sóng sau khi hoàn thành các công trình xây

dựng Vì vậy, những bãi biển nhân tạo nhất ở Nhật Bản thường được bảo vệ bởi kè

và vùng biển ngoài khơi nghỉ để giữ cát nhân tạo đầy Nhưng vào mùa hè khi biển

đang trong tình trạng bình tĩnh, gây ô nhiễm sản xuất bởi những người tắm biểnhoặc thải từ đất liền có khả năng trì trệ trong vùng lân cận của bờ biển trên tài

khoản của công trình này.

Từ, các van đề kỹ thuật bờ biển nói trên xây dựng và phục hồi bãi biển cát ở

Nhật Bản là:

- Sắp xếp phù hợp đê chắn sóng ngoài khơi và kè

- Giữ cho nước biển trong sạch bãi biển

- Ước tính thay đôi hồ sơ của bãi biển nhân tạo do tác động của sóng sau khi

Hình 1.8 Các trường hợp kịch bản xây dựng đê ngâm tại Nhật Bản

Trong moi trường hợp, trừ trường hợp 4, phía ngoài khơi bờ biển bị xói mòn

bởi những tác động sóng Ở trường hợp 4 thì không khuyến cáo phía bên trong bờphát triển bãi tắm vì sóng bên trong lặng

* Dé ngầm ở Mỹ :

Hiệu suất của đê chắn sóng chìm bằng bê tông đúc sẵn đã được xem xét như

là một giải pháp có chi phí thấp hơn; các loại đê chắn sóng chìm đã được triển khai

từ năm 1988 Khối đúc sẵn phòng chống xói mòn (PEP) Reefsy đã được xây dựng

và giám sát để đánh giá hoạt động tại ba địa điểm ở phía dưới trung tâm bờ biển

phía đông của Hoa Ky, hai trong Palm Beach County và một ở Indian River

County Ba là Beachsaver Reefsy đã được lắp đặt dọc theo bờ biển New Jersey, hai

Approximately 73 m

PEP Reef at Palm Beach, Florida, USA (Dean et al., 1997)

Hình 1.10:M6t dai đê ngâm chong xói mon PEP sau khi lắp ghép

— Original Fill Placement on Profile

* Đề xuất giải pháp nghiên cứu tại Việt Nam:

Có rất nhiều giải pháp và vật liệu để xây dựng công trình giảm sóng bảo vệ

bờ biển như: gờ ngầm đúc sẵn, kết cấu thùng chìm, rọ đá và thảm đá, bê tông nhựađường + đá, đập phá sóng bằng cột lốp xe cũ công trình cọc và tắm cừ, cọc bê tôngchan nhôi vật liệu rời, đập phá sóng dạng tường chữ chi Tuy nhiên sau khi phântích kế thừa những kết quả quý báu từ nhiều nghiên cứu khoa học trước, chuyênluận văn này lựa chọn nghiên cứu dạng đê ngầm có mặt cắt khối hình thang đặc;nghiên cứu mối liên hệ giữa bề rộng đỉnh đê, dé dốc mái đê, độ ngập nước của đê

với trường sóng tác động tới công trình.

1.4 BÓ TRÍ MẶT NGANG TRÊN BÃI ĐỀ

Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng phụ thuộc vào mục đích của việc khaithác, sử dụng đối với vùng bãi cần được bảo vệ Nhìn chung đê đặt càng gần bờ

càng kinh tế, nhưng về hiệu quả kỹ thuật thì phải xét đến những vấn đề sau:

- Khi xây dựng đê giảm sóng quá gần, phía trước đê sẽ bị xói mạnh và tường sẽ bị

lún sụt.

- Khi đặt đê giảm sóng qua xa bờ, sóng vỡ đợt dau xảy ra ở vi trí đê, ở sau đê sóng

có thê phục hồi làm giảm hiệu quả công trình

- Khoảng cách giữa bờ và đê giảm sóng lẫy khoảng 1,0 đến 1,5 chiều dài sóng nước

sâu sẽ có hiệu quả bảo vệ tôt.

* Dé ngâm dạng tạo bãi treo:

Giải pháp bãi treo tạo ra bãi rộng hơn cho những vị trí bãi quá hẹp do xói lở

bờ biển nhưng đường bờ đã được cé định Trong giải pháp nuôi bãi nhân tạo thường

đòi hỏi khối lượng cát đồ vào rất lớn Nếu nguôồn cát mượn dé tạo bãi giống hoặcmịn hơn cát nguyên ban thì cần phải đồ nhiều cát cho đến tận độ sâu không có vậnchuyên bùn cát và biến động đáy Để giảm khối lượng cát yêu cầu, có thể sử dụng

các gờ ngâm có tác dụng chặn cát ở dưới đê tạo ra bãi treo.

Hình 1.12: Giải pháp tạo bãi treo sử dụng các go ngâm

Nguyên lý của bãi treo như sau: gờ ngầm thế chỗ cho phần ngoài của mặt cắt

ngang bãi biển cân bằng hiện hành Tuy nhiên, dưới tác động của sóng mạnh và

nước dâng do bão, mặt cắt ngang bãi treo có thé bi thay đôi do cát bị lay mat qua gdchìm ra phần nước sâu trên mặt cắt Quá trình này có thé đảo ngược với một bãibiển bình thường trong điều kiện sóng và mực nước nhỏ hơn Nhưng với bãi treo thì

sự mât cát qua gờ ngâm là vĩnh viên.

Sóng lớn kêt hợp với mực nước triêu thâp có thê làm cho sóng bị vỡ trên gờ ngâm gây ra vận chuyên nước qua gờ ngâm vào bờ Dòng quy hôi sát đáy sẽ bù lại

lượng nước vận chuyên vào bờ này nhưng nó sẽ gây ra vận chuyên bùn cát làm mât cát của bãi treo.

Nếu go ngầm được xây dựng rất cao dé ngăn mất cát, sóng lớn cũng dễ bị vỡgây ra dòng chảy qua gờ Điều này dẫn đến dòng luân chuyên dòng quy hồi sát đáykhá nguy hiểm và khó khắc phục cho công trình Trong điều kiện sóng yếu hơn,

ngưỡng gờ cao cũng dễ dẫn đến nước tù và giảm chất lượng nước Do đó không nên

thiết kế ngưỡng gờ ngầm rất cao với mục đích giảm mắt cát Hơn nữa gờ ngầm có

đỉnh cao cũng sẽ cân chi phi bảo dưỡng lớn hon rat nhiêu.

Khả năng áp dụng: Bãi treo có thé áp dụng ở vi trí bãi biển dốc và bị xói lở

Không nên ứng dụng cho các vi trí có hướng sóng tác dụng nghiêng góc với đường

bờ Nói chung, giải pháp bãi treo không phải là giải pháp bền vững do có rủi ro lớn

về mat cát và khả năng tạo các dòng chảy nguy hiểm

Dé tăng sức làm việc của những tuyến đê biển chỉ có lớp áo kè bảo vệ mái

thì người ta có thể xây dựng một công trình ngầm giảm sóng ngay gan bờ, chi phíthấp hơn xây dựng ngoài khơi mà hiệu quả mang lại vô cùng cao Mặt cắt dạng này

có thé áp dụng rộng rãi nhiều, đặc biệt với những bãi biển dau tư cho phát triển dulịch, bãi tắm

sóng, đặc biệt là khi được xây dựng trên bãi trước đê, là nội dung quan trọng trong

công tác thiết kế, xây dựng đê biển Trong phạm vi của luận văn, hiệu quả giảmsóng của đê ngầm được nghiên cứu dựa trên các mô phỏng của mô hình toán saukhi mô hinh đã được kiểm định với các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ

thực hiện trong máng sóng.

CHƯƠNG 2: CƠ SO KHOA HOC CUA MÔ HÌNH LAN TRUYEN

SONG HO BOUSSINESQ PCOULWAVE

2.1 VAN DE LỰA CHON MO HÌNH TOÁN MO PHONG LAN TRUYEN

SONG QUA DE NGAM

Hiện nay cùng với sự bùng nỗ của khoa hoc công nghệ và tin hoc ứng dụng,rất nhiều chương trình số thông minh đã được ra đời để mô phỏng lại các sự vậthiện tượng tự nhiên bằng phép giải các hệ phương trình toán học phức tạp Với mỗi

mục đích bài toán khác nhau thì các biến để giải phương trình lại đóng vai trò khác

nhau Chính vì vậy ta cần xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làmviệc của mô hình và đâu là yếu tố giữ vai trò quan trọng

Có một số mô hình có thể mô tả tốt quá trình lan truyền sóng bao gồm cả tan

xạ, biến hình, sóng vỡ, sóng leo; có sơ đồ tính toán mạnh, hiệu quả; có khả năngứng phó với đáy địa hình biến đổi mạnh, dong chảy gián đoạn, nhiều pha; có khanăng xử lý gianh giới khô, ướt hiệu quả; điều kiện biên trong suốt dé vừa phát sóngvừa hấp thụ sóng ( mô hình họ NLSWE, BOUSSINESQ, RANS-VOF)

* Đặc điểm mô hình họ Nlswe

- Là mô hình phi tán xạ (không biến đổi tần số), phù hợp mô tả sóng qua vùng nước

nông

- Sóng vỡ được mô tả một cách tự nhiên

- Phù hợp mô tả lan truyền sóng ở vùng nước nông (trong vùng sóng đồ), tính phituyến chiếm ưu thế

- Tính toán kế đến áp lực thủy tĩnh

- Hiệu quả tính toán cao.

* Đặc điểm mô hình họ Ran-Vof

- Mô phỏng tốt hầu hết các quá trình vật lý lan truyền sóng (2DV);

- Tương tác sóng công trình có cau hình phức tạp (tường đứng, mũi hắt sóng );

- Nhiều pha: sóng, dòng chảy trong môi trường rỗng, bọt khí;

- Hiệu quả tính toán rất rất thấp

- Câu hính máy tính cân tôc độ cao

z£

Lớp hấp thu Lớp hấp thụ

Hình 2.2: Miễn tỉnh toán mô hình họ RANS-VOF

* Đặc điểm mô hình họ Boussinesq

- Là mô hình tán xạ, mô phỏng tốt đặc tính biến đổi tan số của sóng (biến đồi phô);

- Tính phi tuyến yếu hơn so với NLSWE;

- Phù hợp mô tả lan truyền sóng ở vùng nước sâu hơn so với NLSWE;

- Áp lực phi thủy tĩnh, gần thực tế hơn (một số mô hình không giải quyết được bài

toán này);

- Hiệu quả tính toán rất thấp so với NLSWE

- Khả năng mô phỏng sóng vỡ rất yếu (không được ứng dụng rộng rãi cho vùng

nước nông);

- Tính toán yếu vùng nước nông:

* So sánh mô hình họ Boussinesq với Nlswe

BOUSSINESOQ NLSWE + FVM

- MÔ phỏng sóng va ' - M6 phỏng sóng VG (tự nhién)

nhân tao ‘ Phi tan xa

- Sóng tán xa H - Phi tuyến chiếm wu thé es

- Ap lực phi thủy tinh ' - Ap lực thủy tĩnh aes.

1

Hình 2.3: So sánh hai mô hình toán họ SLSWE và Boussinesq

Căn cứ vào đặc điểm của đê ngầm, sóng tác dụng lên đê ngầm, có thể sử

dụng mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq (vi dụ như PCOULWAVE của Mỹ) déđánh giá hiệu quả triết giảm sóng của dai ngầm phá sóng mô phỏng quá trình sóngtràn qua đê ngầm, đánh giá hiệu quả của giải pháp công trình giảm sóng trước bãi

đê.

2.2 MÔ HÌNH LAN TRUYEN SÓNG HO BOUSSINESQ - PCOULWAVE

2.2.1 Giới thiệu chung

Coulwave là một mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq của Mỹ dé đánh giá

hiệu quả chiết giảm sóng của dai ngầm pha sóng Day là một mô hình sóng bề mặt

có nhiều ứng dụng để giải quyết các bào toán phức tạp về sóng dựa trên các phươngtrình sóng nước nông phi tuyến và phương trình phân tán họ Boussinesq

Coulwave đã được xác nhận rộng rãi và được công bố từ năm 2002 Các ứng

dụng chính của mô hình mã nguồn mờ này là mô phỏng sóng gió gần bờ, đê chăn

sóng, sóng thiết lập gây ra và dòng chảy, tương tác sóng với độ sâu không đều,

chuyên đổi gần bờ quang phổ, lở đất, sóng than, quá trình tiến hóa sóng thần gần

bờ, ngập lụt.

2.2.2 Hệ phương trình cơ bản

Xấp xi Boussinesq được đặt theo tên của Joseph Boussinesq, trong lan truyền

cho sóng thì xấp xỉ Boussinesq là một xấp xi giá trị sóng yếu phi tuyến tinh vàsóng khá dài trong đó kết hợp phân tán tần số Trong kỹ thuật bờ biển, phương trìnhBoussinesq thường được sử dụng trong các mô hình toán để mô phỏng sóng nướctrong vùng biển nông và bến cảng

Mô hình giải hệ phương trình họ Bussinesq (Pregrine 1967) theo phương

Trong đó:

é : biên độ dao động mực nước; h: độ sâu nước; x:tọa độ theo phương ngang; t:

thời gian; u:luu tốc hướng ngang; C: hệ số chezy; v,: hệ số nhớt XOắY; Ø: gia tốc

trọng trường;

2.2.3 Số liệu đầu vào, đầu ra, miền tính toán

Mô hình này đòi hỏi có một điều kiện sóng tới, các điều kiện độ sâu, địahình, ranh giới Đầu vào được hỗ trợ thông qua một tập hợp các kịch bản Matlab và

một giao diện cài đặt chỉnh sửa riêng.

Mô hình cho các kết quả đầu ra là chuỗi số liệu về sóng, vận tốc ngang giữa

độ sâu, tốc độ bề mặt tự đo,

PCOULWAVE được viết bằng Fortran90 chạy ồn định trên Windows và các

hệ điều hành khác; công cụ hỗ trợ phân tích xử lí số liệu đầu vao dau ra là phầnmềm Matlap

Miền tính toán:

Hình 2.4: Miễn tính toán mô hình Coulwave2.2.4 Tham số của mô hình

- Hệ số nhớt xoáy của chất lỏng ( hệ số Eddy ) dao động từ 0,05 đến 0,2

- Độ nhám bề mặt: hệ số này rất nhỏ phụ thuộc điều kiện thí nghiệm có giá tri trong

khoảng 9.9999997E-05 (m) ( Rought height)

- Hệ số hấp thụ sóng của lớp xốp tại biên đầu vào và biên phía sau công trình

Lớp hấp thụ sóng (sponge layer): trong mô hình này lớp sponge thể hiện như

một chất hấp năng lượng sóng hiệu quả, bề rộng lớp hấp thụ sóng ít nhất phải bằng

một nửa chiêu dài con sóng.

Hình 2.5: Lớp hấp thụ sóng tại phía biên ( sponge)

Kết luận chương 2

Qua phân tích đặc điểm các mô hình toán, mô hình toán lan truyền sóng họBoussineq - PCoulwave có những điểm phù hợp với bài toán mô phỏng hiệu quảgiảm sóng qua đê ngầm Sau đây ta sẽ tiến hành hiệu chỉnh kiêm định mô hình dựa

trên các sô liệu đo đạc từ mô hình vật lý đê ngâm.

CHƯƠNG 3: HIỆU CHỈNH KIEM ĐỊNH MÔ HÌNH

3.1 MÔ TẢ THÍ NGHIEM MÔ HÌNH VAT LY

3.1.1 Giới thiệu máng sóng

Thí nghiệm được thực hiện tại máng sóng Hà Lan thuộc phòng thí nghiệm

thủy lực tong hợp, Trường Dai hoc Thủy Lợi Máng được trang bị công nghệ hiệnđại tiên tiến của Hà Lan, có tổng chiều dài trên 45m, rộng Im, cao 1,2 với máy taosóng Piston và hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động và có thé tao sóng với độ

- Dé có dang mặt cắt hình thang mái nhăn

- Đê được xây dựng trên bãi biển có độc dốc tiêu biểu là 1/100

- Tỷ lệ mô hình hóa về chiều dai N¡ = 15 -20 va thời gian là N, = 3,5 - 4,5

- Thí nghiệm sóng trong bão theo phổ Jonswap

- Bố trí thiết bị đo trường sóng tại các vị trí nghiên cứu trước và sau công trình

* Lựa chọn bộ số liệu đê hiệu chỉnh kiểm định

Thí nghiệm mô hình vật ly đã mô phỏng nhiều trường hợp khác nhau, ta sẽ chọn lay

một số bộ số liệu dé làm công tác hiệu chỉnh kiểm định mô hình toán PCoulwave.Với mỗi trường hợp đều có số liệu sóng thực đo trước và sau chân công trình

- Độ chim đê (S„): 0,2m, 0,1m,

- Bề rộng đỉnh đê lần lượt (cm): 40cm

- Sóng có chiều cao H=0.2m; chu kì 2.0 giây ( kí hiệu:H20T20); sóng H15T20;

sóng H20T25.

Hình 3.2: Một số hình ảnh đê ngắm trong thí nghiệm

3.2 SÓNG VÀ HIEU QUÁ GIAM SONG CUA DE NGÀM

3.2.1 Khái niệm phố sóng

Giả thiết mặt sóng là một chồng chất tuyến tính của một số vô hạn các sóng

lan truyền theo các hướng khác nhau và có biên độ thay đổi liên tục theo tần số và

hướng truyền Các hàm biểu thị sự phân bố của năng lượng và pha của các sóng

thành phan theo tần số được gọi là các phổ (tần số) được kí hiệu là E = E(f) Phốnăng lượng sóng không cho biết gì về pha của các thành phan phổ, vì vậy không thédùng phổ này dé tạo ra bản ghi chép mà ta đã dùng nó dé xác định phô

* Chiêu cao sóng mô men:

Chiêu cao sóng Hypo có giá trị xâp xỉ chiêu cao sóng ý nghĩa H; và được xác định từ mô men 0 của phô mật độ năng lượng sóng

Jonswap ( Joint north sea wave project, 1073)

= 20

Variance E=E(f) (m°!Hz 9

©

[eo] ĐỊ =

Hinh 3.3: Hinh dang pho song

3.2.2 Hiệu quả giảm sóng của dé ngâm

Mức độ giảm chiêu cao sóng hay nói cách khác là hiệu quả giảm sóng của đê ngâm được đánh giá qua tỷ sô giữa chiêu cao sóng phía sau đê so với chiêu cao

sóng đến trước đê (xem hình 3.4)

k, =—*100% (3.3)

e-(- H, jroo (3.4)

Trong đó k, là hệ số truyền sóng qua đê, e(<1)là hệ số đánh giá hiệu quảgiảm sóng của đê ngầm, H, và /j lần lượt là chiều cao sóng đến và sóng ở sau

công trình và được xác định ở vi trí khoảng cách đê một khoảng từ một nửa đến một

lần chiều dài sóng Đê ngầm có hiệu quả giảm sóng càng tốt khi giá trị của k, càng

bé hay e cảng cao.

Hình 3.4: Sóng giảm chiêu cao khi qua đê ngâm

3.3 HIỆU CHỈNH - KIEM ĐỊNH MÔ HÌNH VỚI CAC KET QUÁ THÍ

toán)

3.3.2 Thiết lập điều kiện biên sóng

Sử dụng số liệu sóng thực do tại vi trí trước chân công trình làm số liệu đầu

vào cho mô hình toán, chuỗi số liệu sóng nay có vai trò như một nguồn phát sóng

mô phỏng trong mô hình toán.

Số liệu sóng thực đo sau công trình sẽ được sử dụng để so sánh với chuỗisóng tính toán mô phỏng trong mô hình Day chính là cơ sở dé hiệu chỉnh kiểm định

mô hình sao cho chiều cao sóng trong số liệu tính toán và thực đo có khoảng sailệch nhỏ nhất

3.3.3 Mô phỏng để tìm ra bộ tham số tối ưu

Mô phỏng sóng lan truyền qua đê ngầm trường hợp đình đê rộng 40cm, độngập nước 20cm, sóng đầu vào là H20T20

Sau mỗi trường hợp mô phỏng, ta thu được kết quả là sóng tính toán tại ngay

vị trí nguồn phát sóng (để so sánh xem chiều cao sóng thực đo khi nhập vào mô

hình sẽ được giữ nguyên hay là có chút dao động trong tính toán) và vi trí phía sau

công trình ( so sánh với sóng thực đo để biết được khoảng lệch giữa thực đo và tính

toán)

Bằng phép thử dan ta lần lượt thay đôi các tham số chính trong mô hình số (

hệ số nhớt xoáy, độ nhám bề mặt, lớp hấp thụ sóng phản xạ tại biên đầu và biêncuối của miền tính toán) cho tới khi sự sai lệch chiều cao sóng tính toán và thực đonam trong khoảng có thé chấp nhận được (sai lệch giữa tính toán và thực đo thường

phải dưới 5%)

Tính chiều cao sóng ý nghĩa (1/3 số con sóng lớn nhất) được tính theo côngthức (3.2) (Có thé tính toán bằng exel hoặc phần mềm Matlap - xem thêm trong Phụ

lục tính toán).

Bảng 3.1: So sánh sóng tính toán và thực đo khi lan lượt thay đổi các tham số.

28

Don vị chiếu cao sóng (m)

Nhot xoáy | Độ nhám | Sponge 1 | Sponge 2 Hạ H, H/Hạ Hy’ H,’ H,’/ Hy’

0,05 1,00E-07 9,00E-03 10 0,1835 | 0,2001 | 1,0899 | 0,1251 | 0,1216 0,9721 0,1 1,00E-07 9,00E-03 10 0,1835 | 0,1996 | 1,0877 | 0,1251 | 0,1201 0,9643 0,15 1,00E-07 9,00E-03 10 0,1835 | 0,1991 1,085 | 0,1251 | 0,1199 0,9584 0,2 1,00E-07 9,00E-03 10 0,1835 | 0,1991 1,085 | 0,1251 | 0,1198 0,9576

0,2 1,00E-05 9,00E-03 10 0,1835 | 0,1991 1,085 | 0,1251 | 0,1199 0,9584

0,2 1,00E-02 9,00E-03 10 0,1835 | 0,1991 1,085 | 0,1251 | 0,1187 0,9488 0,2 1,00E-07 9,00E-03 10 0,1835 | 0,1991 1,085 | 0,1251 | 0,1199 0,9584 0,2 1,00E-07 9,00E-03 8 0,1835 | 0,1993 | 1,0861 | 0,1251 | 0,1202 0,9608 0,2 1,00E-07 9,00E-03 5 0,1835 | 0,1993 | 1,0861 | 0,1251 | 0,1202 0,9608 0,2 1,00E-07 1,00E+00 10 0,1835 | 0,1993 | 1,0861 | 0,1251 | 0,1202 0,9608 0,2 1,00E-07 9,00E-03 10 0,1835 | 0,1991 1,085 | 0,1251 | 0,1199 0,9584 0,2 1,00E-07 0,00E+00 10 0,1835 | 0,1993 | 1,0861 | 0,1251 | 0,1202 0,9608

Trong đó: Hạ, Hg’ là chiêu cao sóng thực do trước và sau dé

H,,H,’ là chiêu cao sóng tính toán trước va sau đê

Sponge 1: hệ số hap thụ sóng phản xa tại biên đầu vàoSponge 2: hệ số hấp thụ sóng phản xạ tại biên phía sau công trìnhQua biểu bảng trên ta thấy hệ số nhớt xoáy có độ nhạy cao, kết quả bài toán

sẽ chịu nhiều chi phối bởi tham số thủy lực học này Tạm thời chọn bộ tham số tối

ưu cho mô hình như sau:

- Hệ số nhớt xoáy: 0.05 (hệ số này dao động từ 0.05 đến 0.2 tùy thuộc tính chất của

chất lỏng)

- Độ nhám bề mặt: 1,00E-07, hệ số này nhỏ do bài toán nghiên cứu trong vùng sóng

nước sâu nên ảnh hưởng của nhám bê mặt đáy không lớn

- Hệ số hap thụ sóng của lớp Sponge: sponge | mang giá trị là 0,009; sponge 2 có

giá trị là 10.

Dưới đây là giao diện làm việc của mô hình (hình 3.5), và hình ảnh mô

phỏng 1D khi sóng lan truyền qua đê ngầm (hình 3.6)

ID 99 Load Topographical Data from Files

Are the above choices OK? — Enter IDH to change or @ for OK

ie E

- Simulation time in seconds 2600 aà

- Time increment to write to file <s> ø.s5aaaanà

- Number of grid points per wavelength sa

2 Gourant number = dx-“dt/c_o 6-5066000

sees Sponge Layer Absorbers xe>r>t3c3exrxcaescsexexcacsesexexcae

Do Not Use Sponge Layer Use Sponge Layer

Left Wall Right Wall

ID 9 ID 16

1 1

ID 16 Display screen data at time step interval sa

Are the above choices OK? — Enter IDH to change or @ for OK

Hình 3.5: Giao điện làm việc cua mơ hình

đo khơng lớn, mặt khác biến thiến giá trị các kết quả tính tốn mỗi lần hiệu chỉnh

nằm trong phạm vi hẹp cho nên cĩ thể tạm thời khăng định răng mơ hình sốCoulwave phù hợp cho tính tốn lan truyền sĩng qua đê ngầm Bước tiếp theo là đikiểm đỉnh sự ơn đỉnh của mơ hình trong một số trường hợp khác

3.3.4 Kiểm định mơ hình

Sau khi tìm được bộ tham số tối ưu cho mơ hình, ta tiến hành bước kiểm tra

sự ơn định của mơ hình trong các trường hợp khác, phạm vi kiểm tra gồm cĩ:

đường quá trình sĩng, phơ sĩng, hiệu quả giảm sĩng

Mô hình được thiết lập trong điều bề rộng đỉnh đê 0.4m, độ ngập đê là 0.2m,

Mô phỏng cho các con sóng H20T20, H15T20, H20T25 (xem hình 3.7, 3.8, 3.9).

Các số liệu tính toán xem bảng (3.3, 3.4, 3.5)

a So sánh đường quá trình sóng ( độ lệch pha, biên độ dao động)

Từ các số liệu tính toán và thực đo (xem thêm trong Phụ lục tính toán), ta vẽđược đường quá trình sóng, từ đường quá trình sóng ta có thé đánh giá được sơ bộ

độ tin cậy của sô liệu tính toán so với sô liệu thực đo.

Thuc do

Tinh toan

Hình 3.9: Đường qua trình song thực do và tinh toản sóng H20T25

Từ các hình (3.7, 3.8, 3.9) ta nhận thay độ lệch pha dao động sóng tính toán

và sóng thực đo nhỏ, biên độ dao động khá tương đồng Tuy nhiên cần phải kiêm

tra thêm về độ lớn của chiều cao sóng cũng như hiệu quả giảm sóng

b So sánh hiều cao sóng:

Bảng 3.3: Kết quả so sánh sóng tính toán và thực do sóng H20T20 Đơn vị (m)

0,2234 0,2101 0,9405 0,1112 0,1285 1,1556 0,217 0,2043 0,9415 0,1015 0,1133 1,1163

| 000 | 02097 0,215 1,0253 0,0936 0,0972 1,0385

Bang 3.4: Kết quả sóng tinh toán và thực do sóng H20T25 Đơn vị (m)

0,2564 0/2777 1,0831 0,165 0,1863 1,1291

Bảng 3.5: Kết quả song tính toán và thực do sóng H15T20 Don vị (m)

Qua các bảng trên ta thay, khi thay đôi các điêu kiện vê mặt cat hình học dé,

độ ngập nước của đê và các trường sóng các nhau thì mô hình vẫn cho kết quả tính

toán ôn định, sát với các kêt quả thực đo Tuy nhiên cân phải kiêm tra sự ôn định

của phô sóng trong tính toán của mô hình.

c So sánh phố mật độ năng lượng sóng

Như đã giới thiệu ở mục 3.2, phố tần số năng lượng sóng là các hàm biểu thị

sự phân bố của năng lượng và pha của các sóng thành phan theo tần số Do vậy dé

có được đánh giá đầy đủ nhất về mô hình làn truyền sóng thì cần thiết phải xem xétđến sự tương đồng giữa phô sóng tính toán và thực đo

Trong phan này các điều kiện ban đầu cũng giống như hai trường hợp kiểmtra đường quá trình sóng và chiều cao sóng đó là bề rộng đỉnh đê 0.4m, độ ngập

nước của đê 0.2m; mô phỏng các con sóng là H20T20, H15T20, H20T25 Phân

tích phé sóng tính toán và thực đo tại vị trí sau công trình

ae Tinh toan

Thue do

Hình 3.11: So sánh pho song tinh toán và thực do sóng H20T20

thực đo ta có thể nhận xét được một vài đặc điểm sau:

- Hình dang phân bố phổ tương đồng nhau;

- Chu kì đỉnh phố Tp (giá trị tại f, — vi trí đỉnh pho) xấp xi như nhau (xem thêm

trong hình 3.3)

- Đỉnh phô có độ lớn năng lượng E()mạ„ sát nhau

- Dải tần số tương đối trùng khớp nhau

- Chiều cao sóng H, = 4,004,/m, (3.5)

trong đó mp phần diện tích của phổ, nhìn trực quan cho thấy các phần diện tích

tương đương nhau, hon nữa với kết qua tính từ bảng (3.3, 3.4, 3.5 ) có thé khang

định thêm rằng chiều cao sóng tính toán và thực do có giá trị độ lớn xấp xỉ nhau

Kết luận chương 3

Qua quá trình hiệu chỉnh kiểm định mô hình lan truyền sóng PCoulwave tathấy mô hình cho kết quả tính toán phù hợp với số liệu thí nghiệm, hiệu quả lan

truyền sóng đạt được mức độ tin cậy Do đó mô hình toán PCoulwave nghiên cứu

hiệu quả giảm sóng qua đê ngầm có thé áp dụng dé tính toán cho các trường hợp mở

rộng sau đây.

CHƯƠNG 4: UNG DUNG MÔ HÌNH SO NGHIÊN CỨU KHẢ NANG

GIAM SONG CUA ĐỀ NGAM

4.1 THi NGHIEM SO VOI CAC KICH BAN MO RONG

Trong phan này ta sẽ mô phỏng hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trong cáctrường hop mở rộng (mở rộng hơn so với sự eo hẹp về điều kiện dé tiến hành thinghiệm mô hình vật lý) Cụ thé đó là thay đổi các yếu tố về hình học đê (bề rộngđỉnh đê, hệ số mái đê), thay đôi độ đốc bãi trước đê, thay đôi đỗ ngập của đê và thay

đổi các điều kiện biên sóng đầu vào Với sự tô hợp thay đổi của các yếu tổ trên, ta

có thé mô phỏng được rất nhiều trường hợp, từ đó có thể đánh tốt nhất khả năng làm

việc của đê ngầm trong vấn đề giảm sóng

Và cũng ở trong phần này, biên sóng đầu vào không còn là chuỗi sóng thực

đo nữa mà là chuỗi sóng số nhân tạo được tạo ra trong mô hình theo phổ Jonswap(có thé nghiên cứu thêm cho phổ sóng khác)

Với mỗi sự thay đổi về mặt cắt tính toán ( bề rộng, độ dốc, mực nước) thì cầnthao tác thiết lập lại sơ đồ tính Sau đây là phần tổng hợp kết quả mô phỏng của hơn

100 trường hợp tính.

4.1.1 Bề rộng đỉnh đê thay doi

Trường hợp này bề rộng đỉnh đê ngầm sẽ lần lượt được thay đổi với các giá

Trường hợp này ta mô phỏng hai con sóng có cùng độ lớn chiều cao sóng

Hs nhưng khác nhau về tần số, tức là chiều đài sóng khác nhau (mô phỏng sóng

H20T20 và H20T25); từ đó tim được mối liên hệ giữa bề rộng đỉnh đê và chiều daisóng ảnh hường đến hiệu quả giảm sóng Ngoài ra còn mô phỏng cho các trường

Hình 4.3: Ảnh hưởng của bê rộng đỉnh đê đến hiệu quả giảm sóng ( H20T25)

Qua biểu đồ (hình 4.2 và 4.3) ta thấy tính ôn định trong mô phỏng của môhình khi xét đến ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê rất tốt, biểu đồ trơn, không có điểm

kì dị, từ biêu đô có thê rút ra kêt luận về ảnh hưởng của bê rộng đỉnh đê đên hiệu quả giảm sóng của đê ngâm như sau:

Sóng càng cao

nÌr.

- Với cùng một con sóng tới, bê rộng đỉnh đê càng lớn thì hiệu quả giảm

- Cùng một bề rộng đê, sóng có chu kì càng lớn thì khả năng giảm sóng càng

Tóm lại yếu tố về mặt cắt hình học đê (bề rộng đỉnh đê) là một trong nhữngyêu tố ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp thụ sóng của đê ngầm

4.1.2 Độ ngập nước của đê thay đổi

Xét tỷ số độ ngập nước và chiều cao sóng tới : S4/HsChọn bề rộng đỉnh đê B=0.4m ; Chọn độ dốc mái đê m=2; độ dốc bãi trước

đê bằng 10; độ chìm của đê lần lượt là 0,3m; 0,25m; 0,2m; 0,15m; 0,10m; 0,05m;

0.00m); trường hợp này sẽ mô phỏng cho các con sóng có cùng chu kì nhưng khác

nhau về chiều cao sóng, (xem thêm kết quả mô phỏng trong phụ lục 4)

Sau đây là sự kết quả mô phỏng của sóng H15T20 và H20T20

* Mô phỏng sóng H20T20:

Bảng 4.3: Hiệu quả giảm sóng khi độ chìm của đê thay đổi (sóng H20T20)

S(m) Hs (m) Hs' (m) Su/Hs k = Hs'/Hs £(%)

0,40 0,1977 0,1938 2,02 0,98 1,96 0,35 0,196 0,1906 1,79 0,97 2,74 0,30 0,1952 0,1867 1,54 0,96 4,33

0,25 0,1921 0,1782 1,30 0,93 7,21

0,20 0,1903 0,1685 1,05 0,89 11,46 0,15 0,1808 0,1402 0,83 0,78 22,46 0,10 0,1799 0,1221 0,56 0,68 32,13 0,05 0,1553 0,0940 0,32 0,61 39,47

Tỷ số Stk/Hs

Hình 4.4: Anh hưởng của bê rộng đỉnh đê đến khả năng giảm sóng (H20T20)

Hình 4.5: Anh hưởng của độ chim đê đến khả năng giảm sóng (H15T20)Biểu đồ hình (4.4) và (4.5) thể hiện mối quan hệ giữa độ chìm của đê với

chiều cao sóng tới công trình đó là :

- Với trường sóng có chiều cao sóng đến không đổi, độ ngập càng nhỏ thìhiệu quả giảm sóng càng lớn Khi độ ngập tăng đến một giá trị nào đó thì khả nănggiảm sóng của đê ngầm có xu hướng đi ngang trên biểu đô

- Với một độ ngập không đổi, sóng có chiều cao càng lớn thì hiệu quả giảm

sóng của đê càng cao.

Còn một yếu tố về mặt cắt hình học của đê cũng ảnh hưởng đên hiệu quả

giảm sóng của đê ngầm đó là hệ sốc dốc của mái đê, sau đây là kết quả mô phỏng

trong trường hợp đê thay đổi hệ số mái

4.1.3 Hệ số mái đê thay đỗi

Trường hợp này mô phỏng cho dạng mặt cắt đê có bề rộng đỉnh đê B=0,4m;

đê ngập 0,2m; bãi trước đê độ dốc bằng 10; hệ số mái đê thay đổi lần lượt là:

m=1,5, m=2, m=2,5; m=3; m=3,5; m=4; mô phỏng sóng H20T20.

———— Hs

B=40em Stk=20cm

Sau khi tính toán mô phỏng ta có được kết quả dưới bảng sau :

Bảng 4.5: Hiệu quả giảm sóng khi hệ số mái dé thay doi

Hệ số mái Hs (m) Hs' (m) € = Hs'/Hs Giảm sóng %

1.5 0,1861 0,1681 0,9033 9,67

2.0 0,1903 0,1685 0,8854 11,46 2.5 0,1921 0,1662 0,8652 13,48 3.0 0,1934 0,1622 0,8387 16,13 3.5 0,1941 0,1574 0,8107 18,93 4.0 0,1954 0,1525 0,7806 21,94

Từ bang 4.5 ta có biểu đồ