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 SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG KHU V
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG
KHU VỰC BẮC BỘ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2022
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG
KHU VỰC BẮC BỘ
Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 9580203
HÀ NỘI, NĂM 2022
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định
Tác giả luận án
Nguyễn Thị Phương Thảo
Trang 4LỜI CÁM ƠN
Tác giả xin trân trọng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Thiều Quang Tuấn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên trong suốt thời gian thực hiện Luận án Tác giả xin được trân trọng cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp, Phòng Đào tạo, Khoa, Bộ môn về những hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt nhất cho tác giả trong quá trình nghiên cứu
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình về sự giúp đỡ quý giá và luôn đồng hành cùng tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành Luận án của mình
Trang 5MỤC 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
1 Tính cấp thiết của luận án 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 4
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4
4 Nội dung nghiên cứu 4
5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6
7 Cấu trúc luận án 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN 8
1.1 Giới thiệu chung 8
1.1.1 Dòng phản hồi và các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ 8
1.1.2 Xói chân đê biển 11
1.2 Tổng quan nghiên cứu về dòng phản hồi 12
1.3 Tổng quan mô hình vận chuyển bùn cát và xói lở ngang bờ 17
1.3.1 Tổng quan mô hình sóng 18
1.3.2 Mô hình vận chuyển bùn cát và hình thái 21
1.4 Tổng quan nghiên cứu về sóng phản xạ 25
1.5 Tổng quan các nghiên cứu về dòng phản hồi và xói chân đê biển trong bão ở Việt Nam 28
1.6 Kết luận chương 1 30
1.6.1 Những vấn đề còn tồn tại 30
1.6.2 Định hướng nghiên cứu của luận án 31
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ HÌNH HOÁ DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN 33
2.1 Giới thiệu chung 33
2.2 Ảnh hưởng của phản xạ sóng do công trình đến dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát 33
Trang 62.2.1 Cơ sở xác định hệ số phản xạ và biến đổi chiều cao sóng trước chân công trình 34
2.2.2 Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi 37
2.2.3 Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến nồng độ bùn cát 40
2.3 Xây dựng mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu dòng phản hồi và xói chân đê biển 422.3.1 Mục tiêu và điều kiện thực hiện thí nghiệm 42
2.3.2 Lựa chọn tiêu chuẩn tương tự và tỉ lệ mô hình 43
2.3.3 Thiết kế thí nghiệm và bố trí thiết bị đo đạc 46
2.3.4 Kịch bản thí nghiệm 49
2.3.5 Thực hiện mô hình 51
2.4 Phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng dòng phản hồi và xói bồi chân đê biển 562.4.1 Giới thiệu chung 56
2.4.2 Những vấn đề cập nhật trong mô hình Wadibe-TC 56
2.5 Kết luận chương 2 57
CHƯƠNG 3 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 các kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý 58
3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc dòng phản hồi 58
3.2.2 Phân tích đánh giá ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi 63
3.2.3 Phân tích kết quả quan trắc xói chân đê trên mô hình lòng động 66
3.2.4 Nhận xét kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng 72
3.3 Kết quả phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng cấu trúc dòng phản hồi và xói bồi chân đê biển 74
3.3.1 Phát triển cập nhật mô hình toán Wadibe-TC 74
3.3.2 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định module sóng 74
3.3.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định module dòng chảy 78
3.3.4 Kết quả kiểm định module vận chuyển bùn cát và xói chân đê biển 91
3.4 Kết luận chương 3 98
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH 100
Trang 74.1 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 mô hình toán cho vùng ven biển Nam Định 104
4.4 Mô phỏng một số kịch bản xói chân đê biển Nam Định 105
4.4.1 Xây dựng kịch bản 106
4.4.2 Kết quả mô phỏng xói chân đê 107
4.5 Một số đề xuất giảm xói chân đê trong bão 112
4.6 Kết luận chương 4 113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114
1 Những kết quả đạt được 114
2 Những đóng góp mới của luận án 115
3 Tồn tại và hướng phát triển 116
4 Kiến nghị 116
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO 119
PHỤ LỤC 1
Trang 8Hình 3 Cấu trúc của Luận án 7
Hình 1-1 Ảnh hưởng của đê tường đứng đến bãi [5] 8
Hình 1-2 Sơ họa phân bố dòng chảy và 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 toàn thể tích bùn cát [77] 24
Hình 1-5 Nội dung nghiên cứu luận án 32
Hình 2-1Mật độ phương sai của sóng, dòng chảy và hiệp phương sai của sóng và dòng chảy 36
Hình 2-2 Phân bố ứng suất tiếp theo độ sâu [108] 38
Hình 2-3 Phân bố ứng suất trung bình và vận tốc [108] 38
Hình 2-4 Các thành phần trong cấu trúc dòng chảy [19] 39
Hình 2-5 Nguyên lý tính toán vận chuyển bùn cát lơ lửng [1] 40
Hình 2-6 Hệ số xáo trộn [19] 41
Hình 2-7 Mô hình thí nghiệm lòng cứng 47
Hình 2-8 Mô hình lòng động với mái đê m=4 và độ dốc bãi 1/100 49
Hình 2-9 Thực hiện thí nghiệm mô hình kết cấu đê cao không tràn 52
Hình 2-10 Thực hiện mô hình kết cấu đê thấp không thường đỉnh 52
Hình 2-11 Thực hiện thí nghiệm mô hình kết cấu đê thấp có tường đỉnh 52
Hình 2-12 Hiển thị kết quả đo sóng và vận tốc dòng chảy tại một điểm 53
Hình 2-13 Mô hình thực hiện trong máng sóng với các kịch bản kết cấu đê, độ đôc bãi 1/100 54
Hình 2-14 Mô hình thực hiện trong máng sóng với các kịch bản kết cấu đê, độ dốc bãi 1/40 55
Hình 2-15 Địa hình trước và sau khi chạy sóng – độ dốc bãi 1/100 55
Hình 2-16 Địa hình trước và sau khi chạy sóng – độ dốc bãi 1/40 55Hình 3-1 Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D65H15T19 59Hình 3-2 Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D65H17T16 59Hình 3-3 Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D70H15T19 59
Trang 9Hình 3-4 Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D70H19T165
Hình 3-12 Kết quả phân tích hồi quy hàm phân bố Fx (x/L) 65
Hình 3-13 So sánh giữa kết quả tính toán và đo đạc hệ số phản xạ sóng Kr,x 66
Hình 3-14 So sánh độ sâu lớn nhất tương đối giữa đê thấp có và không có tường đỉnh 69
Hình 3-15 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ đến độ sâu hố xói lớn nhất tương đối 70
Hình 3-16 Ảnh hưởng của lưu lượng sóng tràn đến độ sâu hố xói 70
Hình 3-17 Ảnh hưởng của độ sâu nước tương đối đến độ sâu hố xói 71
Hình 3-18 Tương quan chỉ số sóng vỡ với độ sâu hố xói lớn nhất 72
Hình 3-19 Dữ liệu đầu vào module thuỷ lực của mô hình Wadibe-TC 74
Hình 3-20 Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê cao không tràn 76
Hình 3-21 Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê thấp không tường đỉnh 76
Hình 3-22 Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê thấp có tường đỉnh 77
Hình 3-23 Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê cao không tràn 80
Hình 3-24 Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê thấp không tường đỉnh 81
Hình 3-25 Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê thấp có tường đỉnh 81
Hình 3-26 Kết quả mô phỏng kịch bản 1- D65H15T19_CW0 83
Hình 3-27 Kết quả mô phỏng kịch bản 2 - D65H17T16_CW0 84
Trang 10Hình 3-39 Kết quả mô phỏng xói chân đê cao không tràn 93
Hình 3-40 Kết quả mô phỏng xói chân đê thấp không tường đỉnh 94
Hình 3-41 Kết quả mô phỏng xói chân đê thấp có tường đỉnh 95
Hình 3-42 Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ - Đê cao 96
Hình 3-43 Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ-Đê thấp không tường đỉnh 97
Hình 3-44 Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và 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 ở khu vực Nam Định [89] 103
Hình 4-4 Thiết lập mô hình xói chân đê Thịnh Long 105
Hình 4-5 Kết quả kiểm định xói chân đê biển Thịnh Long – bão Damrey 9/2005 105
Hình 4-6 Ảnh hưởng của chiều cao sóng đến kích thước hố xói chân đê 108
Hình 4-7 Ảnh hưởng của độ sâu nước đến kích thước hố xói chân đê 108
Hình 4-8 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng đến kích thước hố xói chân đê 108
Hình 4-9 So sánh chiều sâu hố xói lớn nhất ứng với sự thay đổi của Kr0 109
Hình 4-10 Kết quả mô phỏng hố xói chân đê với giải pháp thảm đá rộng 3-6m 111
Hình 4-11 Kết quả mô phỏng hố xói chân đê với giải pháp kè mỏ hàn dài 35-70m 112
Trang 11DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 Tỉ lệ của một số đại lượng vật lý cơ bản theo tiêu chuẩn Froude [102] 44
Bảng 2-2 Các kịch bản của mô hình lòng cứng 50
Bảng 2-3 Kịch bản thí nghiệm với mô hình lòng động 50
Bảng 3-1 Số liệu biên sóng và mực nước 75
Bảng 3-2 Các tham số được hiệu chỉnh 75
Bảng 3-3 Các kịch bản mô phỏng 92
Bảng 4-1 Thống kê hiện trạng đê biển Nam Định [119] 102
Bảng 4-2 Thống kê chiều cao sóng theo chu kỳ sóng từ số liệu Wavewatch III 106
Bảng 4-3 Điều kiện thuỷ lực ảnh hưởng chiều sâu hố xói lớn nhất 108
Bảng 4-4 Ảnh hưởng của kết cấu đê biển đến chiều sâu hố xói lớn nhất 110
Trang 12DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
1 Danh mục các từ viết tắt
NL tỉ lệ dài
SWL Still water level – mực nước tĩnh CG Current gauge – Vị trí đo dòng chảy WG Wave gauge – Vị trí đo sóng
DxHyTz tên kịch bản ứng với độ sâu nước D là x (cm), chiều cao sóng H là y(cm)và
chu kỳ đỉnh phổ T là z(10-1s)
CW0 - Đê cao, chiều cao tường đỉnh =0cm TW0 - Đê thấp, chiều cao tường đỉnh = 0 TW10 - Đê thấp, chiều cao tường đỉnh =10cm
Wadibe -TC (Wave, dike and beach – Time dependent Cross-shore) – Mô hình sóng,
đê và bãi – ngang bờ theo thời gian
Trang 13MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của luận án
Vùng ven biển Việt Nam thường xuyên chịu tác động của thiên tai như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, triều cường, nước biển dâng… đặc biệt trong những năm gần đây xu hướng các hiện tượng cực đoan này xảy ra ngày càng gia tăng cả về tần suất và cường độ làm ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế, xã hội, cuộc sống của những người dân ven biển Do đó hệ thống đê biển luôn được chú trọng xây dựng, duy tu, kiên cố và nâng cấp hàng năm nhằm bảo vệ vùng đất sau đê khỏi bị ngập lụt dưới tác động từ phía biển Đây là giải pháp công trình biển khá phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đã và đang thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu để hệ thống đê kè biển làm việc ổn định lâu dài, hiệu quả, nhất là trong điều kiện cực trị nhằm hạn chế những tác động bất lợi dẫn đến các cơ chế hư hỏng đê Một trong các cơ chế hư hỏng đó là xói lở bãi trước và xói chân đê cần được đặc biệt nghiên cứu của khoa học biển hiện nay
Khi bão lớn đổ bộ vào vùng ven bờ, do gió mạnh và chênh lệch áp suất trong bão làm mực nước dâng cao, sóng lớn tiến vào gần đê hơn, đào bới bùn cát và đồng thời tạo ra trường dòng chảy có tốc độ lớn vận chuyển bùn cát đi, gây xói lở bờ biển Trường dòng chảy ven bờ và các quá trình năng lượng trong đới sóng vỡ có ảnh hưởng quyết định đến các hiện tượng như suy giảm chiều cao sóng, vận chuyển bùn cát và khuếch tán các vật chất xảy ra do sóng vỡ Khi sóng vỡ, chuyển động sóng biến thành chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau Dưới ảnh hưởng của chuyển động rối do sóng vỡ tạo nên, chuyển động của chất lỏng trong vùng sóng vỡ vô cùng phức tạp, biến đổi mạnh theo cả không gian và thời gian Trong đó, có sự xuất hiện của dòng chảy vuông góc với bờ hướng ra phía biển ở dưới chân sóng, được gọi là dòng phản hồi Dựa trên những nghiên cứu định lượng về trường dòng chảy ngang bờ có thể giải thích định lượng được hướng vận chuyển bùn cát, nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các cồn ngầm ở bãi trước và xói chân công trình đê biển
Theo các tài liệu nghiên cứu, điều tra khảo sát thực địa cho thấy hầu hết các trường hợp sự cố ven bờ biển như: xói chân đê, sạt lở, hỏng mái, vỡ đê kè biển thường xảy ra trong thời kỳ bão hoạt động Xói lở xảy ra do ảnh hưởng của bão được xem là xói ngắn hạn
Trang 14và là nhiễu động tạm thời trong quá trình biến đổi mặt cắt ngang bờ dài hạn, bởi điều kiện thuỷ động lực trung bình có xu thế phân bố lại dạng mặt cắt sau bão [1] Tuy nhiên khối lượng xói lở ngắn hạn trong bão có thể dẫn đến vấn đề trầm trọng đặc biệt là xói chân đê gây hư hỏng, mất an toàn của công trình đê biển như vỡ đê và có thể gây rủi ro ngập lụt [2] Hình 1 và Hình 2 là ví dụ điển hình về hư hỏng mái đê và xói chân đê biển ở Nam Định, Hải Phòng do ảnh hưởng của sóng lớn trong bão Doksuri 9-2017 và bão Damrey 7-2005 Từ Hình 1a,b có thể thấy ngoài sóng tràn gây xói lở mái trong của đê còn thấy rõ được sự tương tác giữa sóng và tường đỉnh tạo ra sóng bắn lên cao Dưới tác dụng của gió bão làm cho sóng bắn hướng về phía mái trong đê tạo ra lượng gia tăng của sóng tràn qua đê Ảnh hưởng của sóng bão làm mất ổn định tường đỉnh và bị vỡ như Hình 1c
Trang 15Ngoài những con sóng lớn tràn qua đê còn có những con sóng bị vỡ, trút năng lượng sóng ngay sát chân đê hay trên mái ngoài công trình đê, kè gây mất ổn định cấu kiện bảo vệ mái ngoài (Hình 1d,e, Hình 2b,c), sự hình thành dòng chảy mạnh do sóng có thể mang những vật liệu trên mái kè đi nơi khác làm hư hỏng sạt lở mái kè như Hình 1b, có rất nhiều cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ mái đê bị sóng vận chuyển lên mặt đê Hoạt động của sóng bão lớn tạo ra sóng vỡ ở bãi trước và ngay sát chân đê, kè gây ra các chuyển động rối làm khuấy động bùn cát lơ lửng, thậm chí các vật liệu chèn bảo vệ ống buy ở chân kè biển cũng bị trôi đi như Hình 1d,e,f Trên Hình 2a là kết quả đo đạc thực tế mặt cắt ngang trước và sau bão Damrey 2005 tại Nam Định của Viện cơ học và hình ảnh bãi trước chân đê bị hạ thấp, độ sâu xói chân đê sau cơn bão lên tới 1m, gây nên mất ổn định cho toàn bộ công trình