Nghiên cứu Đặc Điểm thủy Động lực sóng trên thềm Đảo nổi phục vụ xây dựng công trình bảo vệ bờ Đảo

Biến đổi chiều cao sóng ngắn HSS và sóng ngoại trọng lực HIG trên thềm đảo ứng với các độ sâu nước trên thềm từ nhỏ tới lớn .... Vách dốc- Mái dốc có mặt mái hướng về phía biển nằm dưới

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM LAN ANH

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI PHỤC VỤ XÂY DỰNG

CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ ĐẢO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2024

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM LAN ANH

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI PHỤC VỤ XÂY DỰNG

CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ ĐẢO

Ngành: Kĩ thuật xây dựng công trình biển

Mã số: 9580203 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS THIỀU QUANG TUẤN

HÀ NỘI, NĂM 2024

Trang 3

LỜI 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 văn 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

Chữ ký

Trang 4

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc GS TS Thiều Quang Tuấn đã tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt thời gian tiến hành nghiên cứu Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn trân thành tới Bộ môn Thủy Công, Phòng Thí nghiệm Thủy lực, các thầy cô thuộc bộ môn Công trình Biển và Đường thủy đã tạo điều kiện cho tác giả làm việc và nghiên cứu

Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn đồng hành cùng nghiên cứu sinh để hoàn thành luận án này

Trang 5

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ xiii

GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ xv

MỞ ĐẦU 1

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

5.1 Ý nghĩa khoa học 4

5.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC

SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ 6

1.1 Tổng quan về đảo nổi xa bờ 6

1.1.1 Sự hình thành đảo nổi xa bờ 6

1.1.2 Phân loại đảo nổi xa bờ 7

1.1.3 Đặc điểm địa hình của đảo nổi xa bờ 8

1.1.4 Các thông số kích thước mặt cắt ngang đảo nổi 9

1.1.5 Điều kiện sóng 13

1.1.6 Điều kiện mực nước 14

1.2 Tổng quan về quá trình truyền sóng trên thềm đảo nổi 16

1.2.1 Sự khác biệt cơ bản của quá trình truyền sóng trên thềm đảo nổi so với bờ biển cát 17

1.2.2 Những nghiên cứu nổi bật về sóng vỡ trên thềm đảo nổi 21

1.2.3 Những nghiên cứu nổi bật về nước dâng do sóng trên thềm đảo nổi 24

1.2.4 Sóng ngoại trọng lực và cộng hưởng năng lượng tần số thấp 26

1.2.5 Sóng leo 28

1.3 Tổng quan về các mô hình phân bố chiều cao sóng 29

1.3.1 Phân bố thống kê chiều cao sóng nước sâu 30

1.3.2 Phân bố chiều cao sóng nước nông 31

Trang 6

1.4 Các phương pháp nghiên cứu thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi 37

1.5 Kết luận chương 1 38

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC SÓNG VÀ PHÂN BỐ THỐNG KÊ CHIỀU CAO SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI 41

2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình truyền sóng trên thềm đảo nổi 41

2.1.1 Cơ sở lý thuyết xác định các đặc trưng vùng sóng vỡ 41

2.1.2 Cơ sở lý thuyết xác định nước dâng do sóng trên thềm đảo nổi 45

2.1.3 Cơ sở lý thuyết về quá trình tương tác sóng-sóng tần số thấp và tần số cộng hưởng sóng trên thềm 47

2.2 Cơ sở lựa chọn hướng tiếp cận xây dựng mô hình phân bố thống kê chiều cao sóng phù hợp với địa hình đảo nổi 50

2.3 Mô hình vật lí nghiên cứu đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi 51

2.3.1 Mặt cắt đại diện của đảo nổi trên nguyên hình 52

2.3.2 Phân tích thứ nguyên – Xác định các tham số chi phối quá trình thủy động lực sóng trên thềm đảo 53

2.3.3 Lựa chọn tỉ lệ mô hình 56

2.3.4 Bố trí thí nghiệm 61

2.3.5 Các kịch bản thí nghiệm 66

2.3.6 Các tham số đo đạc 68

CHƯƠNG 3 PHÂN BỐ THỐNG KÊ CHIỀU CAO SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI 71

3.1 Phân tích các tham số chi phối lên đặc tính đường phân bố REEF-CWD2 71

3.1.1 Ảnh hưởng của độ sâu nước trên thềm đảo 71

3.1.2 Ảnh hưởng của năng lượng sóng 81

3.1.3 Ảnh hưởng của hệ số mái dốc bờ đảo 82

3.2 Đề xuất phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo nổi 83

3.3 Xác định các tham số của đường cong REEF-CWD2 87

3.3.1 Chiều cao sóng chuyển tiếp Htr 87

3.3.2 Các hệ số mũ k1, k2 92

3.3.3 Chiều cao sóng trung bình quân phương Hrms 97

3.3.4 Phân bố thống kê CWD2 khi chỉ tồn tại một phân đoạn 99

Trang 7

3.4 Tóm tắt trình tự và các bước xác lập đường phân bố chiều cao sóng trên đảo nổi 100

3.5 So sánh các đặc trưng sóng tính toán bằng phân bố REEF-CWD2 với số liệu thí nghiệm 102

3.6 Thảo luận về ảnh hưởng của các yếu tố thủy động lực sóng lên phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo nổi 105

3.6.1 Ảnh hưởng của mức độ sóng vỡ lên đường phân bố CWD2 105

3.6.2 Ảnh hưởng của sóng ngoại trọng lực và sóng ngắn lên đường phân bố CWD2 107

3.6.3 Ảnh hưởng của nước dâng do sóng lên phân bố thống kê REEF-CWD2

114

3.6.4 Ảnh hưởng của cộng hưởng năng lượng sóng tần số thấp lên phân bố CWD2 117

3.7 Phạm vi áp dụng phân bố thống kê REEF-CWD2 124

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU CAO SÓNG THIẾT KẾ PHỤC VỤ THIẾT KẾ KIỂM TRA CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ ĐẢO NỔI 126

4.1 Lựa chọn mặt cắt địa hình đảo nổi để ứng dụng phân bố thống kê REEF-CWD2 126 4.2 Các điều yếu tố thủy hải văn 128

4.3 Tính truyền sóng trên thềm đảo 129

4.3.1 Xác định các tham số mô hình để áp dụng cho mặt cắt đảo thực 129

4.3.2 Tính truyền sóng trên thềm đảo cho mặt cắt đảo lựa chọn 132

4.4 Xác định chiều cao sóng thiết kế tại vùng tính toán 133

4.5 Ứng dụng đường phân bố chiều cao sóng thống kê vào tính toán khối lượng khối phủ công trình bảo vệ bờ đảo 137

4.5.1 Lựa chọn loại hình công trình và bố trí không gian công trình bảo vệ bờ đảo 137

4.5.2 Ứng dụng phân bố chiều cao sóng thống kê tính toán khối lượng khối phủ 140

Trang 8

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 144

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 148

TÀI LIỆU THAM KHẢO 149

PHỤ LỤC 158

Phụ lục 1 Bản đồ địa hình, địa mạo đảo nổi 158

Phụ lục 2 Tính toán các giá trị tham số đường CWD2 161

Phụ lục 3 Cơ sở các hàm toán học để xác định đường REE-CWD2 173

Phụ lục 4 SWASH CODE 177

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 Một số sự cố vỡ kè khi mở rộng đảo nổi [1]……… 2

Hình 2 Sơ đồ trình tự nghiên cứu……… 5

Hình 1-1 Sự hình thành của đảo nổi [9] 6

Hình 1-2 Ba loại đảo nổi điển hình [11] 7

Hình 1-3 Mặt cắt ngang đảo nổi dạng viền [13] 8

Hình 1-4 Vị trí các đảo nổi được tổng hợp từ tài liệu tổng quan 9

Hình 1-5 Sơ đồ các thông số kích thước và điều kiện ngoại lực lên đảo 10

Hình 1-6 Hệ số mái của vách dốc đảo Trường Sa Lớn tại các mặt cắt địa hình đặc trưng [27] 11

Hình 1-7 Mặt cắt từ -50m tới mặt nước của các đảo nổi [28] 12

Hình 1-8 Bề rộng thềm san hô Trường Sa Lớn tại các mặt cắt địa hình theo các hướng [27] 12

Hình 1-9 Độ dốc mái bờ đảo Trường Sa Lớn tại các mặt cắt địa hình theo các hướng [27] 13

Hình 1-10 Sự thay đổi mực nước biển từ năm 1700 tới năm 2100, màu xanh ứng với mức phát thải RCP2.6 và màu đỏ ứng với RCP8.5 (theo IPCC 2013) 16

Hình 1-11 Quá trình truyền sóng trên đảo nổi 18

Hình 1-12 Quá trình truyền sóng trên bờ biển cát, độ dốc thoải 18

Hình 1-13 a Phổ mật độ năng lượng sóng truyền trên bờ biển thoải [46] b Phổ mật độ năng lượng sóng truyền trên thềm đảo [47] 20

Hình 1-14 Quan hệ nước dâng và độ dốc đáy bờ biển [48] 21

Hình 1-15 Các địa hình của các tác giả đi trước nghiên cứu (Yao Yu, 2012) 22

Hình 1-16 Sơ đồ nước dâng từ vị trí mép thềm tới chân bờ đảo 24

Hình 1-17 Sơ đồ hình thành và phản xạ sóng IG trên đảo nổi (Buckley và nnk 2018) 27

Hình 1-18 Hàm mật độ Rayleigh 30

Hình 1-19 Hàm mật độ xác suất phân bố chiều cao sóng trong nước nông (Battjes và Groenendijk 2000) 33

Hình 1-20 Phân bố chiều cao sóng - so sánh giữa số liệu đo và 03 phương pháp ứng với độ dốc vách dốc 1:100 (Groenendijk 2000) 34

Hình 1-21 Phân bố chiều cao sóng tại Alte Weser lighthouse – so sánh với phân bố Rayleigh và BG2000 (Mai và nnk 2010) 35

Hình 1-22 Mô hình phân bố ba Weibull (3WD) (Tuan và nnk 2019) 36

Hình 2-1 Quá trình truyền sóng trên thềm đảo nổi [97] 41 Hình 2-2 Các dạng sóng vỡ trong thí nghiệm trên đảo nổi (a) Sơ đồ định nghĩa (b)

Trang 10

Hình 2-3 Xác suất tích lũy của vị trí sóng vỡ tương đối trên đỉnh dải ngầm [36] 45

Hình 2-4 Sơ đồ mô phỏng sóng vỡ và nước dâng tại mép thềm 46

Hình 2-5 Sơ đồ về sự tương tác sóng-sóng tần số thấp trên thềm đảo 48

Hình 2-6 Bốn chế độ dao động tự nhiên của bể cảng kín và bể cảng bán kín 49

Hình 2-7 Ba mô hình phân bố chiều cao sóng Rayleigh (nét gạch), Klopman (màu xanh) và Battjes & Groenendijk BG2000 (màu đỏ) so sánh với số liệu thí nghiệm của Van der Meer (1988), độ dốc đáy biển 1:100, m0=1.1E-3m2, d=0.27m [8] [100] 51

Hình 2-8 Sơ đồ các tham số chi phối 53

Hình 2-9 Quy trình thu thập số liệu đầu đo sóng 58

Hình 2-10 Sơ đồ kích thước và cấu tạo các bộ phận mô hình đảo nổi 1- Bệ tạo thềm kết cấu gạch xếp chèn cát 2- Vách dốc 3- Bờ đảo bề mặt gỗ ép 4- Thềm đảo láng vữa xi măng 62

Hình 2-11 Thềm đảo và hệ số mái dốc bờ đảo cotanβ = 5 62

Hình 2-14 Thềm đảo và vách dốc trước thềm cotanα = 5 63

Hình 2-15 Kiểm định 06 đầu đo sóng ứng với độ sâu mực nước 10 cm 65

Hình 2-16 Sơ đồ bố trí các đầu đo thí nghiệm với 03 mái dốc bờ đảo cotanβ = 5; 3; 0 66

Hình 3-1 Đường quan hệ Pr(H≤H) và chiều cao sóng ứng với Hm0,0=0.12m Tp=1.6s d=0.05m tại đầu đo WG3 B=10m cotanβ=5 73

Hình 3-6 Trường hợp phân bố BG2000 không xác định do độ dốc đáy địa hình lớn hơn nhiều so với phạm bị áp dụng BG2000 75

Hình 3-7 Đường quan hệ Pr(H≤H) và chiều cao sóng ứng với Hm0,0=0.12m Tp=1.6s d=0.05m B=10m cotanβ=5 76

Trang 11

Hình 3-11 Đường quan hệ Pr(H≤H) và chiều cao sóng ứng với Hm0,0=0.12m Tp=1.6s

d=0.2m B=10m cotanβ=5 77

Hình 3-17 Tính chất đường phân bố thống kê chiều cao sóng biến đổi từ WG1 tới WG7, kịch bản Hm0,0 = 0.12m Tp = 1.6s d = 0.1m 81

Hình 3-18 Ảnh hưởng hệ số mái dốc bờ đảo cotanβ = 5, 3, 0 lên đường phân bố thống kê chiều cao sóng Hm0,0 = 0.12m Tp = 1.6s d = 0.1m tại WG2 82

Hình 3-19 Ảnh hưởng hệ số mái bờ đảo cotanβ = 5, 3, 0 lên đường phân bố thống kê chiều sóng Hm0,0 = 0.12m Tp = 1.6s d = 0.1m tại WG4 83

Hình 3-20 Ảnh hưởng hệ số mái bờ đảo cotanβ = 5, 3, 0 lên đường phân bố thống kê chiều cao sóng Hm0,0 = 0.12m Tp = 1.6s d = 0.1m tại WG7 83

Hình 3-21 Đề xuất về đường phân bố Weibull phức hợp trên thềm đảo nổi 84

Hình 3-22 Quan hệ H tr / m0 ~: (a) Trong vùng sóng vỡ (b) Phía sau vùng sóng vỡ 88

Hình 3-23 Quan hệ H tr / m0 ~ theo hệ số mái bờ đảo 89

Hình 3-24 Tương quan (𝐻𝑡𝑟𝑚0)𝑠𝑖𝑛𝛽1/2 phía sau vùng sóng vỡ có xét tới ảnh hưởng của độ dốc mái dốc đảo 90

Hình 3-25 Kết quả phân tích hồi quy quan hệ 𝐻𝑡𝑟𝑚0~𝜒 vùng sóng vỡ 91

Hình 3-26 Kết quả phân tích hồi quy quan hệ   1/2 0 / sin ~ tr H m   91

Hình 3-27 Tỷ số Hmax/Hm0 tại các vị trí khác nhau trên đảo 92

Hình 3-28 Số liệu thí nghiệm k1, k2 trong tương quan với mức độ bão hòa sóng  trong vùng sóng vỡ 93

Hình 3-29 Số liệu thí nghiệm k1, k2 trong tương quan với mức độ bão hòa sóng  phía sau vùng sóng vỡ 93

Hình 3-30 Số liệu thí nghiệm tương quan k ~ s00.50m x trong vùng sóng vỡ 94

Hình 3-31 Số liệu thí nghiệm tương quan k ~ s00.50m x phía sau vùng sóng vỡ 95

Hình 3-32 Kết quả phân tích hồi quy k ~ s00.50m x trong vùng sóng vỡ 96

Trang 12

Hình 3-34 Quan hệ H rms / m0 ~  98Hình 3-35 Giá trị hệ số mũ k1 khi phân bố chỉ tồn tại một phân đoạn (k2 = 0) 100Hình 3-36 Đường cong chỉ tồn tại một đoạn khi các hệ số mũ k1, k2 xấp xỉ nhau 100Hình 3-37 Lưu đồ các bước xác lập đường phân bố chiều cao sóng trên thềm đảo nổi 102Hình 3-38 Kết quả tính toán các chiều cao sóng đặc trưng của phân bố REEFCWD2

so với số liệu thí nghiệm trong vùng sóng vỡ: (a) H1/3 (b) Hmax (H0.1%) 103Hình 3-39 Kết quả tính toán các chiều cao sóng đặc trưng của phân bố REEF-CWD2

so với số liệu thí nghiệm sau vùng sóng vỡ: (a) H1/3 (b) Hmax (H0.1%) 103Hình 3-40 Kết quả tính toán các chiều cao sóng đặc trưng của phân bố BG2000 so với

số liệu thí nghiệm: (a) H1/3 (b) Hmax (H0.1%) 104Hình 3-41 Kết quả tính toán các chiều cao sóng đặc trưng của phân bố Rayleigh so với số liệu thí nghiệm: (a) H1/3 (b) Hmax (H0.1%) 104Hình 3-42 Quan hệ phần trăm sóng vỡ và độ ngập tương đối của nước trên thềm 106Hình 3-43 Đường CWD2 tồn tại 1 đoạn Weibull trong vùng sóng vỡ khi độ ngập tương đối trên thềm lớn 𝜒 =0.469; d=0.2m; Hm0,0 = 0.07m; Tp = 1.5s 106Hình 3-44 Đường CWD2 tồn tại 2 đoạn Weibull trong vùng sóng vỡ khi độ ngập tương đối trên thềm nhỏ 𝜒 =0.104; d=0.1m; Hm0,0=0.15m; Tp =1.50s 106Hình 3-45 Đường CWD2 suy biến thành một đường Weibull sau vùng sóng

vỡ; 𝜓′=0.021 d=0.1m; Hm0,0=0.15m; Tp =1.50s 107Hình 3-46 Biến đổi chiều cao sóng ngắn HSS và sóng ngoại trọng lực HIG trên thềm đảo ứng với các độ sâu nước trên thềm từ nhỏ tới lớn 107Hình 3-47 Chiều cao sóng ngắn HSS (đỏ) và chiều cao sóng ngoại trọng lực HIG (xanh) tại các vị trí x=0.1m (đỉnh thềm) x=2.5m (giữa thềm) và x=7.8m, 9.9m, 13.4m (chân đảo) ứng với 03 chiều rộng thềm B=8m (hàng 1), 10m (hàng 2) và 13.5m (hàng 3) 109Hình 3-48 Chiều cao sóng ngắn HSS (đỏ) và chiều cao sóng ngoại trọng lực HIG (xanh) tại các vị trí x=0.1m (đỉnh thềm) x=2.5m (giữa thềm) và x= 10m (chân đảo) ứng với 03 độ dốc mái dốc đảo cotanβ=5 (hàng 1), cotanβ=3 (hàng 2) và cotanβ=0 (hàng 3) 110Hình 3-49 Quan hệ chiều cao sóng ngoại trọng lực HIG/m00.5 và độ ngập trên thềm 𝜒 111Hình 3-50 Quan hệ chiều cao sóng ngoại trọng lực HSS/m00.5 và độ ngập trên thềm 𝜒 111Hình 3-51 Quan hệ chiều cao sóng Htr tương đối với (a) HIG/Hmo,x và (b) HSS/Hm0,x trong vùng sóng vỡ 112Hình 3-52 Quan hệ chiều cao sóng Htr tương đối với (a) HIG/Hmo,x và (b) HSS/Hm0,x 113Hình 3-53 Quan hệ HIG/HSS theo độ ngập 𝜒 114Hình 3-54 Giá trị nước dâng tại các vị trí (X) trên thềm đảo nổi ứng với d=0.15m; B=10m; cotanβ=3 và 06 điều kiện sóng tới ngẫu nhiên [104] 115

Trang 13

Hình 3-55 Quan hệ nước dâng do sóng và độ ngập trên thềm 116

Hình 3-56 Quan hệ Htr/m00.5 theo nươc dâng do sóng 𝜂𝐻𝑚0, 𝑥 116

Hình 3-57 Quan hệ Hmaxtheo độ cao nước dâng tương đối 𝜂𝐻𝑚0, 𝑥 116

Hình 3-58 Ảnh hưởng nước dâng lên đuôi phân bố CWD2 (Hmax) a 𝜒 nhỏ (0.026) d=0.05m; Hm0,0=0.15m; Tp=1.5s; b 𝜒 nhỏ (0.052) d=0.075m; Hm0,0=0.15m; Tp=1.5s; c 𝜒 lớn (0.31) d=0.15; Hm0,0=0.07m; Tp=1.5s;d 𝜒 lớn (0.44) d=0.2m; Hm0,0=0.07m; Tp=1.5s 117

Hình 3-59 Đường mực nước các đầu đo trường hợp d = 0.05m chiều cao sóng tới 118

Hình 3-60 Năng lượng sóng phổ (mịn) biến đổi từ nước sâu vào tới chân đảo cho trường hợp mực nước trên thềm [105] 119

Hình 3-61 Phổ (mịn) năng lượng sóng tại vị trí chân đảo với cùng một điều kiện sóng 120

Hình 3-62 Cộng hưởng năng lượng tần số thấp tại vị trí chân bờ đảo 121

Hình 3-63 Các khả năng xảy ra cộng hưởng theo độ ngập tương đối d/Hm0,0 122

Hình 3-64 Cộng hưởng mode 0 xảy ra đổi với các chiều rộng thềm B=8m, 10m và 13.5m với d=0.075m, Hm0,0 =0.09m, Tp=1.40s 122

Hình 3-65 Cộng hưởng mode 0 và mode 1 xảy ra với các hệ số mái dốc đảo khác nhau cotanβ=5, 3 và 0 ứng với d=0.075m Hm0,0=0.09m và Tp=1.60s 123

Hình 3-66 Phân bố chiều cao sóng ứng với trường hợp cộng hưởng 124

Hình 4-1 Mặt bằng đảo nổi lựa chọn ứng dụng đường CWD2 127

Hình 4-2 Mặt cắt ngang đảo nổi -Mặt cắt 3-3 [27] 128

Hình 4-3 Vị trí các điểm đo sóng của Vietso Petro và Furgo [27] 129

Hình 4-4 Đường mực nước theo thí nghiệm (màu đỏ) và đường mực nước theo SWASH (màu đen) ứng với d=0.1m; Hm0,0=0.15m; Tp=1.8s 130

Hình 4-5 Phổ mật độ E(f) theo thí nghiệm (màu đỏ) và theo SWASH (màu đen) ứng với d=0.1m; Hm0,0=0.15m; Tp=1.8s 131

Hình 4-6 Chiều cao sóng phổ H m0 và nước dâng do sóng 131

Hình 4-7 Sơ đồ tính mặt cắt ngang đảo trong mô hình SWASH và vị trí xác định m0 132

Hình 4-8 Khối phủ Tetrapod trên thềm đảo nổi 138

Hình 4-9 Kết cấu Reef Ball được lắp đặt trên quần đảo Seychelles [107] 138

Hình 4-10 Sơ đồ bố trí phạm vi tường kè bê tông trọng lực và khối phủ Tetrapod 139

Trang 14

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Các thông số kích thước và độ sâu nước của mặt cắt ngang đảo 10

Bảng 1-2 Hệ số mái vách dốc của các đảo nổi trong quần đảo Trường Sa [28] 11

Bảng 1-3 Tổng hợp điều kiện sóng xác định bằng tái dự tính (hindcast) cho Thái Bình Dương [23] [29] 13

Bảng 1-4 Bộ thông số sóng thiết kế của Vietso Petro 14

Bảng 1-5 Các thông số sóng và tham số phổ Johnswap cho trạng thái biển thiết kế của Furgo 14

Bảng 1-6 Độ sâu nước trên thềm tổng hợp từ tài liệu 15

Bảng 1-7 Tham số Irribaren đánh giá loại sóng vỡ [38] 22

Bảng 2-1 Phân loại sóng theo tần số 47

Bảng 2-2 Các thông số kích thước mặt cắt ngang đảo, sóng và mực nước 52

Bảng 2-3 Các thông số kích thước mặt cắt ngang đảo, sóng và mực nước (tiếp) 53

Bảng 2-4 Ma trận các thứ nguyên cơ bản 54

Bảng 2-5 Kết quả xác định các đại lượng phi thứ nguyên 55

Bảng 2-6 Các kích thước trên mô hình và nguyên hình 64

Bảng 2-7 Ma trận các kịch bản sóng ngẫu nhiên 67

Bảng 2-8 Ma trận các kịch bản sóng ngẫu nhiên (tiếp) 68

Bảng 4-1 Bảng tổ hợp sóng và mực nước tính toán 129

Bảng 4-2 Thiết lập mô hình tính - SWASH 133

Bảng 4-3 Kết quả m0 tại cái vị trí trên thềm đảo 133

Bảng 4-4 Kiểm tra điều kiện áp dụng của công thức (3-1) và (3-2) 133

Bảng 4-5 Các tham số để xác định chiều cao sóng thiết kế 134

Bảng 4-6 Đặc trưng sóng thống kê trong vùng sóng vỡ 134

Bảng 4-7 Xác định điều kiện kiểm tra đường CWD2 sau vùng sóng vỡ 135

Bảng 4-8 Đặc trưng sóng thống kê sau vùng sóng vỡ (tiếp) 135

Bảng 4-9 Xác định điều kiện kiểm tra đường CWD2 sau vùng sóng vỡ và chân bờ đảo 136

Bảng 4-10 Đặc trưng sóng thống kê sau vùng sóng vỡ và chân bờ đảo (tiếp) 136

Bảng 4-11 So sánh điều kiện trong vùng sóng vỡ để xác định HD 141

Bảng 4-12 Xác định chiều cao sóng thiết kế HD phương án - vùng sóng vỡ 141

Bảng 4-13 Xác định chiều cao sóng thiết kế HD cho Phương án 2-chân bờ đảo 141

Bảng 4-14 Tính toán khối lượng khối phủ cho 2 phương án 142

Trang 15

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

𝐵

𝐻𝑚0,0

Chiều rộng tương đối của thềm theo chiều cao sóng tới

H IG Chiều cao sóng ngoại trọng lực (sóng dài, sóng tần số thấp)

H m0,0 Chiều cao sóng tới theo phổ sóng

H m0,x Chiều cao sóng tại vị trí đo trên thềm theo phổ sóng

H 1% Chiều cao sóng lớn nhất ứng với tần suất vượt 1%

H 0.1% Chiều cao sóng lớn nhất ứng với tần suất vượt 0.1%

Trang 16

H 1/3 Chiều cao sóng có ý nghĩa theo thống kê (trung bình của 30%

sóng lớn nhất

H max Chiều cao sóng lớn nhất trong liệt số liệu đo

H tr /m 0 0.5 Chiều cao sóng chuyển tiếp tương đối

Chiều cao sóng ngắn tương đối

IG Infragravity waves: sóng ngoại trọng lực

m 0 Mô men phổ bậc 0th (đại diện năng lượng cục bộ)

̅/𝐻𝑚0,𝑥 Chiều cao nước dâng tương đối

𝜓 Mức độ bão hòa sóng tương đối/Mật độ năng lượng sóng

tương đối

Trang 17

GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ

Đảo nổi xa bờ- là rạn san hô xa bờ mà có một phần diện tích luôn nổi cao trên mặt nước

kể cả khi thủy triều cao nhất

Đảo nổi viền bờ là dạng đảo nổi có thềm đảo nối liền với bờ đảo Loại hình đảo này

không tạo thành vụng ở trên thềm

Vách dốc- Mái dốc có mặt mái hướng về phía biển nằm dưới mặt nước

Thềm đảo- Phần thềm tương đối phẳng, rộng và thường xuyên ngập dưới mực nước biển Mép thềm- Vị trí địa hình giao giữa vách dốc và thềm đảo

Bờ đảo- Mái dốc phía bờ đảo nổi có một phần ngập dưới mực nước biển, phần còn lại

nhô lên trên mực nước biển kể cả khi thủy triều cao nhất

Vụng- Một vùng nước khép kín nằm trên thềm đảo nằm khoảng giữa thềm tới bờ đảo Sóng ngoại trọng lực- là sóng có tần số thấp nằm trong khoảng từ 0.004-0.04Hz hay còn

gọi là sóng dài, có chu kỳ sóng trong khoảng từ 25s tới 250s

Sóng ngắn- là sóng có dải tần số nằm trong khoảng từ lớn hơn 0.04-0.2 Hz

Độ ngập tương đối (Độ nông của thềm đảo)- là tham số đánh giá độ sâu ngập của nước

trên thềm đảo so với chiều cao sóng tới Khi giá trị này càng nhỏ thì nước trên thềm càng nông

Mức độ bão hòa sóng- là tham số đánh giá năng lượng sóng so với độ sâu nước trên

thềm tại một vị trí cục bộ trên thềm

Xác suất vượt - là xác suất để chiều cao một con sóng vượt quá một giá trị sóng nhất

định

Chiều cao sóng chuyển tiếp là chiều cao giới hạn của chiều cao sóng không vỡ

(non-breaking), sóng đã vỡ (broken) và sóng sắp vỡ (near (non-breaking), sóng vỡ (breaking) do

Trang 18

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Việt Nam có đường bờ biển dài 3260km với trên 4000 đảo và quần đảo lớn nhỏ Trong

số đó, các đảo nổi xa bờ tuy chiếm số lượng không lớn nhưng đóng vai trò quan trọng trong công tác bảo vệ an ninh, quốc phòng, khẳng định chủ quyền biển đảo của Tổ quốc nên có tầm quan trọng đặc biệt Các đảo nổi xa bờ có địa hình đặc trưng mà ở đó diễn

ra sự chuyển tiếp đột ngột từ vách dốc đứng (độ dốc từ 1/20 tới 1/1), nước trên vách rất sâu sang địa hình thềm rộng (phạm vi từ vài trăm mét tới trên một nghìn mét), tương đối bằng phẳng và nước rất nông trên thềm Có thể nhận định tính chất biến đổi sóng qua thềm đảo nổi là một quá trình vật lý rất phức tạp và mang tính đặc thù riêng Do sự thay đổi địa hình đáy chuyển gấp, độ sâu nước trên thềm hạn chế nên sóng vỡ đột ngột dẫn tới mực nước trung bình dâng cao, các tương tác sóng phi tuyến trên thềm khiến phổ sóng biến đổi mạnh mẽ, sóng đứng hình thành và cộng hưởng sóng phi tuyến khiến cho

sự dao động mực nước đường bờ được khuếch đại Sóng sau khi vỡ tại vách dốc hoặc mép thềm có thể trở thành dạng sóng gián đoạn bất đối xứng Đặc biệt sự hình thành của những con sóng dài hay còn gọi là sóng ngoại trọng lực (Infragravity waves) được hình thành do tương tác của những con sóng trong nhóm sóng vỡ (wave groups) khiến bài toán truyền sóng trên thềm đảo khác biệt so với những địa hình bờ biển cát [2]; [3]; [4], [5]

Trong thực tế xây dựng các công trình mở rộng trên thềm đảo nổi các kết cấu được sử dụng để mở rộng đảo thường là kết cấu tường kè, thùng chìm và các khối phá sóng Tetrapod [1] Mặc dù chưa xảy ra điều kiện cực hạn như tính toán thiết kế nhưng các kết cấu này đã xảy ra một số sự cố như sự cố vỡ kè tường đứng trên đảo Trường Sa Lớn hay các khối Tetrapod nặng 5T và 8T vẫn có thể bị dịch chuyển, va vào nhau và vỡ khi nằm ở vùng mép thềm (hình 1) Vấn đề đặt ra là cần xác định chiều cao sóng thiết kế phù hợp với điều kiện thủy động lực sóng trên thềm đảo Thông số chiều cao sóng thiết

kế các công trình kè bảo vệ bờ biển tại các đảo nổi khu vực quần đảo Trường Sa được xác định gần đúng theo [6] và được quy định không lớn hơn 78% độ sâu nước Như vậy chiều cao sóng lớn nhất không đề cập gì tới chu kì lặp lại hay phân bố ngẫu nhiên của

Trang 19

sóng và gió Một trong những nguyên nhân là tiêu chuẩn áp dụng cho những công trình ven bờ nước nông nên chiều cao sóng lớn nhất chỉ phụ thuộc vào độ sâu nước mà ít phụ thuộc vào vận tốc gió tính toán Trong công thức của Maccowan xác định sóng vỡ vùng nước nông với độ sâu nước là không đổi d=const cho bờ biển độ dốc thoải (từ 1/250 tới 1/20) [1] còn với địa hình vách dốc đứng chuyển tiếp sang thềm phẳng như đảo nổi, độ sâu nước giảm đột ngột thì công thức này không còn đúng nữa Công thức cũng không phân biệt áp dụng cho vùng sóng vỡ hay vùng sóng không vỡ nên có thể kích thước công trình thiết kế thiên lớn

Chiều cao sóng nước sâu ngoài khơi nơi sóng chưa vỡ thì quy luật thống kê tuân theo phân bố Rayleigh [7] và chiều cao sóng nước nông trong vùng nước giới hạn độ sâu áp dụng cho bờ biển độ dốc thoải là phân bố Weibull tổng hợp [8] Cho tới nay các nghiên cứu vẫn chưa chỉ ra sự khác biệt của phân bố chiều cao sóng trong vùng nước nông độ sâu nước biến đổi đột ngột trên địa hình đáy rất dốc (độ dốc lớn hơn 1/20) so với những phân bố nêu trên Vì vậy rất cần phát triển một mô hình phân bố chiều cao sóng phù hợp với địa hình thềm đảo nổi để xác định được các chiều cao sóng thiết kế nhằm phục vụ cho công tác xây dựng, thiết kế cơ sở hạ tầng trên đảo nổi

Hình 1 Một số sự cố vỡ kè khi mở rộng đảo nổi [1]

Các nghiên cứu đi trước đã có những phát hiện về hiện tượng và tính chất biến đổi sóng qua dải ngầm nối liền với bờ (fringing reefs) sử dụng các công cụ mô hình toán Tham

số đầu vào là những tham số sóng nước sâu tính truyền tới vị trí thiết kế nhưng tham số đầu ra chỉ là những đặc trưng sóng như Hrms hoặc Hm0 Như vậy để xác định được sóng cực đại như H1%, H0.1%, như kể trên cần phải dựa vào những mối liên hệ rút ra từ quy luật phân bố thống kê ngắn hạn của chiều cao sóng

Trang 20

Vì vậy việc sử dụng mô hình vật lý nghiên cứu đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi nhằm xây dựng quy luật phân bố thống kê chiều cao sóng là rất có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu sẽ bổ sung cho những nghiên cứu khoa học về các quá trình thủy động lực sóng, là luận cứ cho việc lựa chọn các tham số thiết

kế phục vụ thiết kế và xây dựng các công trình biển đảo

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Làm rõ đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi và các tham số chi phối chính tới phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo nổi

 Phát triển mô hình thực nghiệm về phân bố thống kê chiều cao sóng cho phép tính toán xác định tin cậy các đặc trưng sóng thiết kế phù hợp hơn với các tính chất thủy động lực sóng ở các vùng nước khác nhau trên thềm đảo nổi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi xa bờ bao gồm: quá trình sóng vỡ, nước dâng, quá trình lan truyền sóng, giao thoa và cộng hưởng

 Quy luật phân bố thống kê chiều cao sóng

 Nghiên cứu chưa xem xét tới ảnh hưởng của độ nhám đáy do sự có mặt của san hô lên phân bố thống kê chiều cao sóng

 Nghiên cứu không xét tới ảnh hưởng của dòng chảy sinh ra do sóng vỡ và các dòng ven bờ

Trang 21

4 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu kế thừa: Thu thập các tài liệu trên thế giới và trong nước của các nhà khoa học đi trước; từ đó xem xét các vấn đề liên quan tới đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án nhằm tìm ra khoảng trống khoa học

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng mô hình vật lý đảo nổi trong máng sóng Hà Lan với các kịch bản sóng, mực nước, độ rộng thềm đảo và hệ số mái bờ đảo khác nhau

 Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Thông qua các buổi hội thảo học thuật trong nước và quốc tế, các buổi trao đổi học thuật và báo cáo tiến độ

 Phương pháp mô hình toán: Áp dụng mô hình SWASH nhằm tính toán giá trị năng lượng sóng tại các mặt cắt trên thềm phục vụ việc tính toán các tham số sóng thiết kế

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Kết quả nghiên cứu đóng góp về mặt khoa học cho những nghiên cứu về thủy động lực sóng nói chung và trên thềm đảo nổi nói riêng; làm hiểu biết sâu sắc hơn về những quá trình biến đổi sóng trên thềm đảo nổi

 Kết quả nghiên cứu cũng đóng góp về mặt khoa học cho bài toán phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo trong điều kiện nước trên thềm rất nông và độ sâu nước biến đổi đột ngột từ sâu sang nông

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng tính toán, xác định chiều cao sóng thiết

kế phục vụ thiết kế công trình bảo vệ bờ đảo; hoặc dùng cho việc tham khảo, đối chiếu với những tính toán chiều cao sóng thiết kế theo tiêu chuẩn hiện hành

6 Cấu trúc của luận án

Luận án được mở đầu bằng nội dung đặt vấn đề nghiên cứu nhằm làm bật lên tính cấp thiết của vấn đề, các mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về trình tự các bước nghiên cứu được thể

Trang 22

Chương 1: Tổng quan về đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi xa bờ

Chương 2: Cơ sở khoa học và mô hình vật lý nghiên cứu đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi xa bờ

Chương 3: Mô hình phân bố thống kê chiều cao sóng trên thềm đảo nổi xa bờ CWD2

REEF-Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều cao sóng thiết kế phục vụ thiết

kế công trình bảo vệ bờ đảo nổi

Phần cuối là nội dung kết luận và kiến nghị nêu lên đóng góp mới mà luận án mang lại cũng như những tồn tại và hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai Luận án khép lại với nội dung về các phụ lục tính toán để bổ sung cho những khẳng định nêu ra ở kết quả nghiên cứu

Hình 2 Sơ đồ trình tự nghiên cứu

Trang 23

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC

SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ

1.1 Tổng quan về đảo nổi xa bờ

1.1.1 Sự hình thành đảo nổi xa bờ

Núi lửa ngừng hoạt động trong đại dương San hô phát triển quanh vành núi lửa

Đảo nổi dạng viền hình thành, đáy đại

dương chìm xuống Đảo dạng dải chắn, giữa là vụng, đáy đại dương chìm hoàn toàn

Hình 1-1 Sự hình thành của đảo nổi [9]

Theo Darwin (1842) [10] đặt giả thuyết nền địa chất của đảo nổi là nền đá gốc, hình thành do nham thạch phun trào là tàn tích từ những trận núi lửa thời cổ Những nghiên cứu sau này cũng củng cố giả thuyết đó Các loại hình đảo nổi sẽ được hình thành và chuyển đổi theo ba giai đoạn với khung thời gian hàng triệu năm Đầu tiên xuất phát từ núi lửa trong đại dương đã nguội, đáy đại dương chìm xuống, núi lửa ngập dưới mực nước biển tạo điều kiện và môi trường cho sự phát triển của san hô Các lớp san hô theo thời gian chết đi, vôi hóa lại là cơ hội cho những thế hệ san hô sau mọc lên Nhờ đó mà đảo nổi dạng viền phát triển dần và mở rộng ra từ phía bờ như một vành khăn bao xung quanh triền núi lửa cũ nay trở thành bờ đảo Giai đoạn hai là khi quá trình chìm xuống tiếp tục, các đảo dạng viền cũng tiếp tục mở rộng, các vụng (lagoon) trở nên sâu hơn và rộng hơn sẽ phân cách hoàn toàn phần đất rìa đảo và phần bờ đảo, khi đó hình thành nên đảo nổi dạng dải chắn Giai đoạn ba là giai đoạn cuối cùng khi toàn bộ phần núi lửa cũ (bờ đảo) chìm dưới mực nước biển, đảo nổi dạng dải chắn chuyển thành đảo nổi dạng

Trang 24

1.1.2 Phân loại đảo nổi xa bờ

Sự phân loại đảo nổi được căn cứ vào sự hình thành và hình thái của rạn san hô Có ba loại rạn san hô điển hình [10] bao gồm: đảo nổi dạng viền, đảo nổi dạng dải chắn và đảo nổi dạng vòng () Đảo nổi dạng viền là dạng đảo có thềm đảo nối liền với bờ đảo Loại hình đảo này không tạo thành vụng ở trên thềm Ở giữa thềm có thể trũng xuống một chút nhưng không tạo thành vụng nông (a) Điển hình đảo san hô dạng viền phải kể đến đảo Male (Maldives), Lady Elliot (Úc), Ningaloo (Úc), Molokai (Hawaii) Đảo san hô dạng dải chắn có thềm đảo tách với bờ đảo, trên thềm là vụng (lagoon) kích thước lớn, chiều sâu nước trên thềm tương đối lớn Loại hình đảo này thường có thềm đảo chạy song song với đường bờ Do đặc điểm đó nên vùng nước trước và sau thềm chia thành hai phần: phần nước sâu màu xanh thẫm trong vụng và phần nước nông trong hơn trên thềm (b) Đảo san hô dạng dải chắn lớn nhất là Great Barrier ở Australia Đảo vòng san

hô là dạng đảo san hô hình dạng vòng tròn ở giữa là đầm rộng và sâu thường được gọi

là “đầm trung tâm” Đảo san hô dạng vòng (c) thường được tìm thấy ở các vùng biển

Ấn Độ Dương như Maldives và Chago Island Tại Việt Nam, quần đảo Trường Sa, Hoàng Sa với những cụm đảo Song Tử Tây, Nam Yết, đảo Vành Khăn cũng được xếp vào dạng đảo nổi dạng vòng

Hình 1-2 Ba loại đảo nổi điển hình [11]

a Đảo nổi dạng viền (fringing reef) b Đảo nổi dạng dải chắn (barrier reef)

c Đảo nổi dạng vòng (atoll)

Trong số ba loại hình đảo san hô kể trên thì đảo nổi dạng viền phổ biến hơn cả, chiếm hơn 50% trong tổng số đảo san hô toàn cầu [12] Xét về quan điểm quản lí đường bờ, dân sinh và quốc phòng an ninh đảo nổi dạng viền là thích hợp nhất khi thềm đảo được

Trang 25

kết nối trực tiếp với đường bờ phía sau Do đó đối tượng nghiên cứu của luận án là đảo

nổi dạng viền với số lượng chiếm ưu thế

1.1.3 Đặc điểm địa hình của đảo nổi xa bờ

Qua phân tích có thể thấy đối tượng nghiên cứu của luận án là đảo nổi dạng viền, với số lượng chiếm ưu thế Mặt khác, với đảo san hô dạng vòng khi xem xét ở góc độ gần, phạm vi nhỏ thì rạn san hô cũng gần tương tự như một đảo nổi dạng viền có vụng Vì vậy trong phần này sẽ được tập trung nghiên cứu địa hình địa mạo của đảo nổi dạng viền (Hình 1-3)

Hình 1-3 Mặt cắt ngang đảo nổi dạng viền [13]

Đảo nổi có cấu tạo khác hoàn toàn với đảo gần bờ hay một bờ biển cát thường thấy Toàn bộ bề mặt đảo có cao độ thay đổi từ -1000m (tại chân vách dốc) tới cao độ trên thềm thay đổi -1m tới cao độ 0m; phần lõi đảo nhô lên trên mặt nước, cao độ từ +2-3.5m, cá biệt có địa hình nhô cao +4.5-6m Địa hình đảo nổi gồm: (1) Đáy biển (2) Vách dốc hay còn gọi là sườn dốc; (2) Thềm đảo; (3) Bờ đảo (Hình 1-3) Đáy biển có độ sâu

từ -2000m tới -1000m tính tới chân vách dốc Vách dốc đảo là phần chuyển tiếp từ vùng nước rất sâu thuộc đáy biển, sang vùng nước rất nông trên thềm độ sâu trung bình chỉ trên một mét, cao nhất là 3 đến 4 mét Vách dốc gồm hai phần: độ dốc phần chân mái từ 1/1 tới 1/2 sau đó bắt đầu từ độ sâu -50m chuyển lên độ dốc thoải hơn từ 1/12 tới 1/5 khi lên gần mặt nước Vì thế mà độ sâu nước trên vách dốc cũng biến đổi rất lớn từ vài trăm mét tới vài chục mét Thềm đảo là một vùng nước nông (độ sâu một vài mét nước) trên một phạm vi không gian hẹp (dài từ vài trăm mét đến trên dưới một nghìn mét)

Trang 26

50-60m còn lại là địa hình đáy tương đối bằng phẳng cao độ thay đổi từ -1.5m tới 0m Dưới tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng độ sâu nước trên thềm có thể sâu hơn hiện tại tới trên 1m trong 100 năm tới [14] Bờ đảo thường là dạng trầm tích cát, diện tích nhỏ có độ nghiêng trong khoảng 1/20 cho tới 1/5, 1/3 và thậm chí rất dốc (thẳng đứng) Bờ đảo nhô cao hơn so với mực nước trung bình cao độ từ +2.5m tới 3m, cá biệt

có nơi +4-6m (Hình PL1-PL3 trong phụ lục 1) San hô phát triển trên mái dốc đảo tới thềm đảo tạo thành rạn san hô, vào sâu trong thềm có thể là bờ cát thông thường Tại hầu hết các rạn san hô sinh vật thống trị là loài san hô đá với xương calxi cacbonat nên rất thích hợp là nơi sinh sống của nhiều loại động vật biển Tuy nhiên dưới tác động của biến đổi khí hậu, nhiều diện tích san hô đang dần mất đi hoặc bị thoái hóa và chết khiến cho bề mặt đảo có thể trở nên nhẵn hơn Điều đó làm ảnh hưởng không nhỏ tới quá trình truyền sóng lên thềm đảo

1.1.4 Các thông số kích thước mặt cắt ngang đảo nổi

Qua thu thập tài liệu tổng quan trên thế giới, tác giả đã tổng hợp 10 loại hình đảo nổi ở các vùng biển Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương với kích thước mặt cắt ngang là độ rộng thềm, hệ số mái vách dốc, hệ số mái bờ đảo như bảng 1.1 Vị trí các đảo nổi thu thập thể hiện trên hình 1.4

Hình 1-4 Vị trí các đảo nổi được tổng hợp từ tài liệu tổng quan

Trang 27

Bảng 1-1 Các thông số kích thước và độ sâu nước của mặt cắt ngang đảo

Kích thước mặt cắt ngang

Độ sâu nước trên thềm [m]

[22] [23]

Hình 1-5 Sơ đồ các thông số kích thước và điều kiện ngoại lực lên đảo

Ở Việt Nam những nghiên cứu về đảo nổi chủ yếu phục vụ công trình bảo vệ bờ và an ninh quốc phòng Nghiên cứu của tác giả Đinh Quang Cường về xác định chiều cao sóng trên đảo Trường Sa Lớn trên mô hình vật lý [27] cho thấy: các mặt cắt địa hình đảo được nghiên cứu theo 08 hướng Tây Nam (SW), Tây Bắc (NW), Đông Nam (SE), Đông (E), Nam (S), Tây (W), Bắc (N) và Đông Bắc (NE) Các mặt cắt SW, NW, SE và E là các mặt

Trang 28

san hô mái thoải hơn cotanα = 2.86 ÷ 4.9 Mặt cắt NE có vách dốc mái thoải cotanα = 10.3

Hình 1-6

Hình 1-6 Hệ số mái của vách dốc đảo Trường Sa Lớn tại các mặt cắt địa hình đặc trưng [27]

Độ dốc lớn của vách dốc thềm đảo thể hiện qua sự thay đổi đột ngột của địa hình ở cao trình từ 5m tới -50m Tổng quát các đảo nổi trong cụm quần đảo Trường Sa (Bảng 1-2) cho thấy vách dốc thềm đảo phần gần mặt nước độ sâu từ -50m trở lên (từ 4.5 đến 10) lớn hơn so với vách dốc các đảo đã thống kê trên biển Thái bình Dương và Đại Tây Dương (từ 10-20) trong Bảng 1-1

Bảng 1-2 Hệ số mái vách dốc của các đảo nổi trong quần đảo Trường Sa [28]

STT

Các đảo nổi (hướng mặt cắt)

Hệ số mái vách dốc (cotanα)

Trang 29

Hình 1-7 Mặt cắt từ -50m tới mặt nước của các đảo nổi [28]

Các mặt cắt bề rộng thềm đảo nổi (tính từ mép thềm đến chân bờ đảo) lớn hơn 200m là các mặt cắt SE, E và S Tiếp đến là các mặt cắt W, NW và SW có bề rộng thềm 312m ÷ 489m; còn lại các mặt cắt NE và N có bề rộng thềm là 630m ÷ 827m (Hình 1-8)

Đo đạc độ dốc bờ đảo Trường Sa Lớn tại các mặt cắt ngang, độ dốc mái bờ đảo nơi dốc nhất có cotanβ = 3; nơi thoải nhất có cotanβ = 6 (Hình 1-9)

Nhận xét: Các thông số như độ dốc vách hướng biển trong Bảng 1-1 thay đổi khá thoải

hơn so với độ dốc vách địa hình đảo Trường Sa Lớn Bảng 1-2 Các thông số trong Bảng 1-1 này cũng không thể hiện theo các hướng mặt cắt đảo Thông số bề rộng thềm có sự biến đổi tương tự giữa Bảng 1-2 và Hình 1-8 Thông số hệ số mái bờ đảo cotanβ chưa được thống kê nhiều trong tài liệu tổng quan về các đảo ở Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương và cũng không thể hiện theo các hướng mặt cắt đảo như đối với đảo Trường Sa Lớn Hình 1-9 Do đó, tài liệu kích thước địa hình đảo Trường Sa Lớn là một trong những căn cứ đáng tin cậy để nghiên cứu về đặc điểm thủy động lực sóng trên thềm đảo

Trang 30

Hình 1-9 Độ dốc mái bờ đảo Trường Sa Lớn tại các mặt cắt địa hình theo các hướng [27]

1.1.5 Điều kiện sóng

Sóng tái dự tính khu vực đảo nổi Thái Bình Dương

Hầu hết các đảo nổi đều phải đối mặt thường xuyên với, một là, các tổ hợp sóng gió mùa xảy ra mang tính chu kỳ lặp lại hàng năm và hai là sóng bão (điều kiện bất lợi) với chu

kỳ 100 năm, 500 năm tới 1000 năm làm ảnh hưởng tới chiều cao sóng leo và dẫn tới ngập lụt tại đường bờ Để xác định các tham số sóng lớn nhất và trung bình hàng năm, tác giả đã tham khảo báo cáo của USGS (US geological survey), trình bày thống kê dữ liệu sóng trong vòng 30 năm qua tại các vùng biển khác nhau trên biển Thái Bình Dương, cũng như những dự đoán trong tương lai dưới tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng trong vòng từ 2026 tới 2100 [23] [29] Báo cáo sử dụng nguồn dữ liệu từ mô hình sóng toàn cầu WAVEWATCH III cho 25 đảo trên biển Thái Bình Dương Kết quả được chỉ ra trong bảng 2 với giá trị lấy trung bình của 5% những con sóng lớn nhất thường xảy ra vào những tháng sóng lớn, giá trị chiều cao sóng ứng với chu kỳ lặp 2 năm một và 5 năm một (Bảng 1-3)

Bảng 1-3 Tổng hợp điều kiện sóng xác định bằng tái dự tính (hindcast) cho Thái Bình Dương [23] [29]

Trang 31

Số liệu sóng tính toán theo WAVEWATCH là số liệu sóng lấy trung bình trong liệt thời gian khác nhau nên có thể sẽ thiên nhỏ, tuy nhiên số liệu này vẫn là nguồn khá tin cậy

và được sử dụng trong thiết kế công trình biển nên vẫn được dùng cho biên ngoại lực ở nghiên cứu này

Sóng đo đạc khu vực đảo Trường Sa Lớn

Theo Đinh Quang Cường [27] tổng hợp điều kiện sóng để làm thí nghiệm mô hình vật

lí trên đảo Trường Sa Lớn từ hai nguồn tài liệu: Vietso Petro tại vị trí dàn khoan DK1

độ sâu 50m và tổ chức Khí tượng châu Âu Furgo tại độ sâu 93m Số liệu được trình bày

Bảng 1-5 Các thông số sóng và tham số phổ Johnswap cho trạng thái biển thiết kế của Furgo

độ dốc sóng bão thay đổi từ S0p = (0.03÷0.065)

1.1.6 Điều kiện mực nước

Sự thay đổi độ sâu nước ở các đảo nổi Thái Bình Dương

Điều kiện mực nước được tổng hợp từ tài liệu nghiên cứu về đảo nổi các năm gần đây (2007-2016) Mực nước được xét tới là mực nước tĩnh (SWL) được định nghĩa tại cao trình 0m Tuy nhiên mực nước tĩnh rất khó tổng hợp từ tài liệu nghiên cứu vì giá trị này

Trang 32

trung bình qua các thời đoạn triều Vì thế độ sâu nước trên thềm kí hiệu là d (để chỉ đã gồm nước triều dâng) Độ sâu nước trên thềm tổng hợp từ tài liệu nghiên cứu được trình bày ở Bảng 1-6 với các giá trị độ sâu thay đổi từ 0.3m tới xấp xỉ 4m

Bảng 1-6 Độ sâu nước trên thềm tổng hợp từ tài liệu

Tên đảo Tài liệu tham khảo Sự thay đổi độ sâu

nước trên thềm

Độ sâu trung bình d (m)

Tổ hợp mực nước tại khu vực đảo Trường Sa Lớn

Theo Đinh Quang Cường [27] nghiên cứu cho đảo Trường Sa Lớn 03 mực nước được

chuyển về theo cao độ hải đồ (cộng thêm +1m) được tổng hợp là:

 Mực nước cao là tổng của mực nước triều tần suất 1% cộng với độ cao nước dâng: MNNC = 3.07m

 Mực nước trung bình là tổng của mực nước triều tần suất 50% cộng với độ cao nước dâng: MNTB = 2.4m

 Mực nước thấp là tổng của mực nước triều tần suất 98% cộng với độ cao nước dâng: MNT = 1.1m

Các mực nước trên đã cộng thêm biên độ triều tại khu vực là +1.0m

Thềm san hô khá bằng phẳng nhưng cao trình đáy không giống nhau, thấp dần từ bờ đảo

ra khu vực vách dốc, cao độ đáy thay đổi từ -1m tới 0m tùy từng vị trí trên thềm Phụ lục

1 Như vậy, độ sâu nước thấp trên thềm thay đổi từ 1.1m tới 2.1m, độ sâu nước trung bình trên thềm thay đổi từ 2.4m tới 3.4m và độ sâu nước lớn nhất thay đổi từ 3.07m tới 4.07m

Sự thay đổi của mực nước biển trong 100 năm tới

Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu làm thay đổi mực nước biển trong 100 năm tới Những quan sát toàn cầu kể từ năm 1961 cho thấy nhiệt độ trung bình của nước biển đại dương

Trang 33

tăng lên ngay cả ở những độ sâu nước sâu hơn Nước biển ngày một ấm lên làm gia tăng khối lượng nước đại dương dẫn tới mực nước biển dâng cao hơn Theo IPCC [34] tốc

độ bang tan ở hai cực đang được đẩy lên nhanh hơn 100 năm trước và khả năng nước biển dâng trung bình có thể tăng lên từ 0.65m tới trên 1m vào năm 2100 với những kịch bản mức phát thải trung bình và cao là RCP4.5 và RCP8.5 Hình 1-10 Vì vậy trong điều kiện mực nước của đảo nổi cần xét tới ảnh hưởng của nước biển dâng do biến đổi kí hậu trong tương lai

Hình 1-10 Sự thay đổi mực nước biển từ năm 1700 tới năm 2100, màu xanh ứng với mức

phát thải RCP2.6 và màu đỏ ứng với RCP8.5 (theo IPCC 2013)

Nhận xét: Tổng hợp từ tài liệu các đảo nổi dạng viên khu vực Thái Bình Dương và đảo

Trường Sa Lớn, nhận thấy độ sâu nước trên thềm nông có thể đạt tới chỗ thấp nhất là 0.3m; chỗ sâu hơn do địa hình trũng có thể đạt lớn nhất [27] 4m Ngoài ra, nghiên cứu trong luận án có xét tới ảnh hưởng của nước biển dâng từ 0.65m-1m do biến đổi khí hậu trong 100 năm

1.2 Tổng quan về quá trình truyền sóng trên thềm đảo nổi

Trong mục này, những sự khác biệt giữa về quá trình truyền sóng giữa bờ biển cát, độ dốc thoải và đảo nổi ngoài khơi sẽ được phân tích dựa trên những yếu tố về hình thái,

độ sâu nước, sóng vỡ, nước dâng, thống kê sóng… để thấy được một trong những ý nghĩa về mặt khoa học của việc nghiên cứu thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi Những nghiên cứu của các tác giả đi trước cũng được phân tích nhằm làm rõ khoảng trống khoa

Trang 34

1.2.1 Sự khác biệt cơ bản của quá trình truyền sóng trên thềm đảo nổi so với bờ biển cát

Hình thái đảo nổi và hình thái bờ biển cát

Sự khác biệt đầu tiên đến từ nhân tố hình thái Nếu như bờ biển cát có độ dốc thoải và biến đổi dần đều từ 1/250 tới dưới 1/20 Hình 1-11 Vách dốc đảo có độ dốc rất lớn (từ 1/20 tới 1/3) theo sau đó là thềm đảo rất rộng và tương đối bằng phẳng (từ một vài trăm mét tới trên một nghìn mét) kết thúc có thể là vụng hoặc liên kết trực tiếp với bờ đảo phía sau Điều này duy trì một độ sâu nước ít nhiều không đổi dọc theo mặt cắt từ mép thềm tới bờ đảo Trong khi bờ biển cát, độ sâu nước giảm dần, từ trên thềm lục địa về tới 0 tại bờ Nền địa hình là cát, có khi kết hợp phù sa tại các vùng cửa sông ven biển,

có tính đồng chất tương đối nhưng bề mặt đảo nổi san hô lại có độ nhám cao do sự hình thành cấu trúc rạn san hô là xương carbonate rất gồ ghề và mấp mô, không đồng nhất, đặc biệt là với tỉ lệ san hô sống lớn Tuy nhiên hiện nay dưới ảnh hưởng của sự nóng lên toàn cầu do biến đổi khí hậu, nhiệt độ trung bình của nước biển tăng lên đẩy san hô vào tình trạng bị tẩy trắng dẫn đến suy thoái Nếu giữ nguyên tốc độ phá hủy hiện tại thì ¾ các rạn san hô hiện tại sẽ biến mất trong 50 năm tới trong khi tốc độ hồi phục rất chậm Diện tích san hô bao phủ bề mặt thu hẹp nên đáy đảo và đáy thềm đảo có thể nhẵn hơn ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng và tiêu hao năng lượng sóng trên đảo nổi

Quá trình truyền sóng và tiêu tán năng lượng sóng

 Độ sâu nước trên thềm và độ sâu nước bờ biển

Với đảo nổi, độ sâu nước trên thềm là rất nông so với độ sâu trên vách dốc Do sự thay đổi độ sâu nước đột ngột, từ độ sâu hàng trăm mét lên vùng nước rất nông độ sâu chỉ một vài mét (trung bình khoảng từ 1 đến 3 mét tối đa có thể lên tới 4 mét) hầu hết sóng đến bị vỡ mạnh mẽ ngay trên vách dốc trước hoặc tại mép thềm khiến cho năng lượng sóng tới ngoài khơi sẽ bị tiêu hao đáng kể, chỉ còn năng lượng sóng dài chiếm ưu thế từ giữa thềm tới chân mái bờ đảo Khi lan truyền tới bờ do ảnh hưởng của ma sát đáy hầu hết năng lượng sóng ngắn lại tiêu hao một lần nữa

Trang 35

Do đặc thù nước trên thềm rất nông trong khi chiều cao sóng tới lớn nên tham số chi phối quá trình thủy động lực sóng trên thềm như sóng vỡ, sự biến đổi phổ sóng là tham

số độ sâu nước tương đối d/Hm0,0 [35] [36] [37]

Với bờ biển cát: Quá trình lan truyền sóng diễn ra từ vùng nước sâu về vùng nước nông

và đây là quá trình giảm độ sâu nước từ từ và không diễn ra đột ngột Tham số chi phối quá trình lan truyền và biến đổi sóng là các tham số đáy địa hình, độ dốc sóng và tỉ số giữa tham số độ dốc địa hình và độ dốc sóng, số Irribaren  [38]

 Sóng vỡ và vị trí điểm sóng vỡ

Với đảo nổi, sóng nước sâu trong quá trình truyền vào khi gặp vách dốc đứng của đảo nổi được dâng cao trong phạm vi của mép thềm hoặc sau mép thềm (do động năng chuyển thành thế năng và một phần của sóng phản xạ); và sau đó bị vỡ do có sự thay

đổi độ sâu đột ngột Sóng vỡ chủ yếu xung quanh mép thềm (vùng 1, 2 Hình 1-11) ở

khoảng cách rất xa tính từ điểm vỡ tới đường bờ nên phía sau điểm vỡ này các quá trình

thủy động lực sóng tiếp tuc diễn ra mạnh mẽ trên thềm: sóng ngoại trọng lực hình thành

từ cơ chế điểm vỡ và các tương tác phi tuyến, nước dâng, sóng leo, sóng phản xạ, cộng

hưởng(vùng 3, 4 Hình 1-11) Do sự giới hạn về độ sâu nước, sóng đạt trạng thái mất ổn

định và vỡ Kiểu sóng vỡ thường là dạng vỡ bổ nhào hoặc vỡ cuộn

Hình 1-11 Quá trình truyền sóng trên đảo nổi

Trang 36

Với bờ biển cát, sóng nước sâu truyền vào, gặp hiệu ứng nước nông, chiều sâu nước giảm dần còn chiều cao sóng tăng lên; độ dài sóng giảm khiến sóng sẽ vỡ do hoặc độ dốc sóng lớn, hoặc do độ sâu nước quá nhỏ so với chiều cao sóng Quá trình sóng vỡ xảy ra xung quanh vị trí gần bờ hơn, với kiểu sóng vỡ là sóng bổ nhào, cuộn, sóng sạt sườn, sóng vỡ dềnh ; sau khi sóng vỡ các quá trình thủy động lực sóng chi phối là nước dâng, sóng leo, sóng phản xạ Sau khi vỡ các cuộn sóng hình thành lại gặp bờ biển thoải

sẽ leo lên mái tại khu vực sóng vỗ Hình 1-12

 Sóng ngoại trọng lực và sự cộng hưởng sóng tần số thấp

Sóng ngoại trọng lực là những sóng có dải tần số thấp (nhỏ hơn 0.04Hz) có ý nghĩa trong vận chuyển bùn cát ngang bờ và quá trình trao đổi chất của san hô cũng như các sinh vật phù du Với đảo nổi sóng ngoại trọng lực được hình thành từ cơ chế điểm vỡ thay đổi theo thời gian “time-varying breaking point” do đặc thù mái hướng biển vách rất dốc [39] [40] Do địa hình có thềm đảo dài tương đối bằng phẳng, nước trên thềm rất nông, lại giới hạn phía bờ là mái rất dốc nên đảo nổi có thể được xem như một bể cảng bán kín tạo điều kiện cho sự dao động mực nước tần số thấp, làm khuyếch đại mực nước tại đường bờ dâng lên cao Về mặt năng lượng, tại vùng sóng vỡ, năng lượng sóng ngắn tiêu tán 75%-86% năng lượng sóng tới [41] Năng lượng sóng ngắn bị tiêu hao hầu hết chỉ còn năng lượng sóng dài (sóng ngoại trọng lực) chiếm ưu thế trên thềm cho tới bờ đảo Hình 1-13b Mặt khác, cũng do ảnh hưởng về hình thái đảo nổi, năng lượng sóng tần số thấp có thể bị bẫy lại trên thềm [42], không tiêu tán hết do ma sát đáy mà được khuyếch đại cộng hưởng khi trùng tần số với tần số dao động riêng của mặt nước [3] [5] [43] [44] Sự dao động và sóng sánh của mặt nước làm ảnh hưởng tới hoạt động ra vào đảo của thuyền bè

Với bờ biển cát, địa hình đáy thoải (1/250-1/20), sự hình thành sóng ngoại trọng lực do

cơ chế nhóm sóng ràng buộc “bound long waves” [39] [45] và phát triển tăng dần từ nước sâu vào tới nước nông gần bờ Sau khi hình thành thì những con sóng dài tách khỏi nhóm sóng và phát triển như một con sóng độc lập “free waves”

Về mặt năng lượng, trong quá trình lan truyền năng lượng sóng tới suy giảm dần từ vùng nước sâu về bờ và không có sự giảm nhanh năng lượng như trên thềm đảo nên sóng

Trang 37

ngắn vẫn chiếm ưu thế trên bờ biển Sóng ngoại trọng lực có xuất hiện nhưng không phát triển mạnh nhất tại bờ như trường hợp thềm Hình 1-13a.

Hình 1-13 a Phổ mật độ năng lượng sóng truyền trên bờ biển thoải [46] b Phổ mật độ năng

lượng sóng truyền trên thềm đảo [47]

 Thống kê sóng

Chiều cao sóng nước sâu ngoài khơi có dạng phân bố Rayleigh nhưng khi truyền vào tới vùng nước nông chiều cao sóng có dạng phân bố Weibull tổng hợp [8] Trên bờ biển cát độ dốc thoải (1/250-/1/20) phân bố Rayleigh-Weibull theo đề xuất của Battjes và Groenendijk được chứng minh là đúng đắn

Đối với địa hình đảo nổi, vì quá trình truyền sóng có sự khác biệt nên nếu chiều cao sóng thiết kế sử dụng phân bố BG2000 thì không hoàn toàn hợp lý; nếu áp dụng theo Rayleigh thì giá trị thiết kế vượt hơn so thực tế Đó là lý do rất cần thiết xây dựng một

mô hình phân bố chiều cao sóng riêng trên thềm đảo nổi

 Nước dâng

Nghiên cứu cho thấy dưới ảnh hưởng của độ dốc đáy lớn, thềm trước hẹp thì ảnh hưởng nước dâng do gió lên sự thay đổi mực nước không quan trọng bằng ảnh hưởng nước

Trang 38

hơn (Hình 1-14) Vì vậy với đảo nổi ngoài sự thay đổi của thủy triều thì sóng vỡ chiếm

ưu thế trong ảnh hưởng lên sự biến đổi mực nước trên thềm đảo [48]

Những quá trình thủy động lực sóng trên bờ biển cát đã được nghiên cứu sâu, phạm vi rộng, hiểu biết về nó khá phong phú trên nhiều mặt; nhưng quá trình thủy động lực sóng trên thềm đảo nổi còn nhiều điều chưa hiểu biết hết Qua phân tích sự khác biệt có thể thấy cần hiểu và làm rõ quá trình sóng vỡ, quá trình biến đổi sóng trên thềm và nước dâng do sóng, cộng hưởng và phân bố chiều cao sóng trên thềm đảo

Hình 1-14 Quan hệ nước dâng và độ dốc đáy bờ biển [48]

1.2.2 Những nghiên cứu nổi bật về sóng vỡ trên thềm đảo nổi

Sóng vỡ về mặt trực quan là một quá trình thủy động lực phức tạp, rối động với rất nhiều bọt trắng sinh ra cho tới khi quá trình này kết thúc Năng lượng được tiêu tán hầu hết trong các cuộn sóng vỡ trong quá trình chuyển hóa từ thế năng của cột nước sang động năng rối Đối với đảo nổi, mức độ sóng vỡ nhiều hơn so với bờ biển cát do sự giới hạn

độ sâu nước đột ngột nên năng lượng sóng tiêu tán càng lớn Trong mục này, tác giả sẽ nêu lên những đóng góp chính, phạm vi áp dụng và những mặt còn tồn tại của các tác giả nghiên cứu sóng vỡ trên địa hình thềm đảo nổi và cả trên địa hình độ dốc lớn Battjes (1974) sử dụng tham số 0 hoặc b để đánh giá loại sóng vỡ trên mái dốc đều Tham số sóng vỡ đại diện cho tỉ số giữa độ dốc đáy của bờ biển và độ dốc tương đối của sóng tới Battjes đã đề xuất các giá trị chuyển tiếp để xác định liệu sóng có vỡ không và sóng vỡ như thế nào sau đây Bảng 1-7:

Trang 39

Bảng 1-7 Tham số Irribaren đánh giá loại sóng vỡ [38]

Hình 1-15 Các địa hình của các tác giả đi trước nghiên cứu (Yao Yu, 2012)

a Goda (1973) [49] b Gourlay (1994, 1996a,b) [50] [51] [52] c Blenkinshopp (2008) [53] d Smith & Kraus (1991) [54]e Johnson (2006) [55]

Smith and Kraus (1991) [54] thí nghiệm (Hình 1-15d) nghiên cứu sự tương tác giữa sóng

và đụn ngầm với những độ dốc đáy thay đổi từ 1/40 tới 1/20 tới 1/5 Blenkinsopp và Chaplin (2008) thí nghiệm về ảnh hưởng của độ ngập tương đối trên đỉnh dốc lên sóng

vỡ trên mái dốc có độ dốc 1/10, ngập dưới nước và bị cắt cụt phần thềm phẳng [53] (Hình 1-15c) Cả hai kết quả nghiên cứu chứng minh chỉ số vỡ trên mái dốc (surf similarity parameter) dùng để phân loại sóng vỡ trên bờ biển cát không dùng được cho dải ngầm hay đụn ngầm Độ ngập tương đối của đỉnh rìa (d/Hm0,0) mới là nhân tố chính ảnh hưởng lên sóng vỡ cũng như các đặc tính sóng truyền và sóng phản xạ Đặc biệt khi

độ ngập tương đối giảm xuống cường độ sóng vỡ tăng lên đáng kể và được lượng hóa thông qua lỗ hổng không khí trong cuộn sóng vỡ

Trang 40

Gourlay (1994) [50] [51] [52] xem xét sự biến đổi của sóng đơn, đều trên thềm đảo nổi

có vách dốc rất dốc và thềm đảo có vách dốc thoải không có bờ đảo phía sau Kết quả

cho thấy điều kiện sóng vỡ phụ thuộc vào các tham số phi tuyến được kí hiệu là F co (bao

gồm cả sóng tới và thông số địa hình): F co >150 sóng vỡ bổ nhào, F co <100 sóng vỡ cuộn

khi xét cùng một kiểu sóng tới với độ dốc sóng 0.048 (Hình 1-15b)

Yao Yu và nnk (2012) [35] đã tiến hành thí nghiệm sóng đều truyền trên thềm đảo nổi

và xác định các đặc trưng của sóng vỡ với các độ dốc vách đảo khác nhau Kết quả chỉ

ra rằng hầu hết các đặc trưng sóng vỡ như loại sóng vỡ, chỉ số vỡ bị chi phối bởi độ ngập tương đối, không phải bởi chỉ số vỡ trên mái dốc  như ở bờ biển độ dốc thoải (Battjes,

1974) Hệ số mái vách dốc đảo cotanα không phải nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới các

chỉ tiêu sóng vỡ Tuy nhiên nghiên cứu mới thực hiện trên đảo nổi không có bờ đảo dốc

và phía sau là vụng

Thiều Quang Tuấn và Đinh Quang Cường (2019) [36] khẳng định sóng truyền trên đảo ngầm được phân thành hai vùng: vùng sóng vỡ và (nơi năng lượng bị tiêu hao do sóng vỡ) và vùng sau sóng vỡ (nơi năng lượng tiêu hao bởi ma sát đáy) Tác giả cũng thiết

lập công thức thực nghiệm của các tham số sóng phổ (H m0 và T m-1,0) cho vùng sóng vỡ

và sau vùng sóng vỡ Những tham số sóng phổ là đầu vào cho mô hình phân bố chiều cao sóng để xác định đặc trưng sóng thiết kế cho đảo ngầm san hô có mái dốc hướng biển lớn và độ ngập nước trên thềm lớn hơn so với đảo nổi Ngoài ra giới hạn vùng sóng

vỡ được xác định theo x * là vị trí sóng vỡ tương đối trong vùng sóng vỡ; x * được liên

hệ với chiều cao sóng lớn nhất trong vùng sóng vỡ; và được xác định theo xác suất xuất hiện số con sóng vỡ Nhìn chung nghiên cứu của tác giả Thiều Quang Tuấn có thể áp dụng cho địa hình đảo san hô ngầm mái vách dốc lớn và cả cho địa hình đảo nổi mái vách dốc chuyển tiếp gấp lên thềm phẳng

Nhận xét: Các tác giả đi trước đều thống nhất trong việc khẳng định tham số độ ngập

d/Hm0,0 mới là tham số chi phối các đặc tính sóng vỡ Với mục tiêu xây dựng mô hình phân bố chiều cao sóng trên thềm đảo nổi, tác giả sẽ xét tới ảnh hưởng của sóng vỡ lên

mô hình thông qua tham số độ ngập này; và áp dụng nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn

để phân vùng khu vực trong vùng sóng vỡ và sau vùng sóng vỡ trên thềm đảo

Tiêu đề	Nghiên cứu Đặc Điểm thủy Động lực sóng trên thềm Đảo nổi phục vụ xây dựng công trình bảo vệ bờ Đảo
Tác giả	Phạm Lan Anh
Người hướng dẫn	GS. TS Thiều Quang Tuấn
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Kĩ thuật xây dựng công trình biển
Thể loại	Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	195
Dung lượng	9,93 MB