Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN THÌN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN THÌN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-40-01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ 2. GS.TS. Ngô Trí Viềng HÀ NỘI, NĂM 2014 i 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 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) được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Văn Thìn ii LỜI CẢM ƠN Có được kết quả nghiên cứu như hôm nay ngoài sự cống gắng của bản thân, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ, GS.TS. Ngô Trí Viềng đã hướng dẫn tận tình. Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Trịnh Minh Thụ, PGS.TS. Nguyễn Trung Việt đã tận tình giúp đỡ mọi mặt trong quá trình tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo ĐH&SĐH, bộ môn Thủy công, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, phòng Khoa học công nghệ và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án. Tác giả xin được cảm ơn Vụ Giáo dục Đại học - Bộ Giáo dục & Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án. iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ix MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4. Nội dung nghiên cứu 2 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 7. Những đóng góp mới của luận án 3 8. Cấu trúc của luận án 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 5 Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 5 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới 5 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam 6 Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu 8 Nguyên nhân hư hỏng đê biển 8 Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn 9 Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ 12 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc 12 Khái quát chung 12 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh 14 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa 16 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Nam Định 16 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hải Phòng 18 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp 18 Ở trên thế giới 18 Ở Việt Nam 20 iv Kết luận chương 1 26 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 28 Mục đích nghiên cứu 28 Cơ sở lý thuyết về tương tự 28 Tương tự về hình học 28 Tương tự về động học 29 Tương tự về động lực học. 29 Mô tả thí nghiệm sóng đều 29 Máng sóng 29 Mô hình đê và các tham số thí nghiệm 31 Chương trình thí nghiệm 32 Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc 34 Phân tích kết quả thí nghiệm 37 Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình 37 Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn 40 Kết luận chương 2 42 CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 43 Đặt vấn đề 43 Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010) 46 Hệ phương trình cơ bản 46 Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên 47 Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) 52 Giới thiệu máng sóng số 52 Hệ phương trình cơ bản 54 Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên 55 Sóng tràn đối với sóng đều 57 Kết luận chương 3 72 CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH 74 Giới thiệu công trình 74 v Tính toán sóng tràn 75 Các công thức cơ bản 75 Thiết lập bảng tính toán sóng tràn 75 Xây dựng phần mềm tính toán sóng tràn 79 Kết quả tính toán sóng tràn và đề xuất mặt cắt ngang đê biển 81 Kết quả tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định 81 Đề xuất mặt cắt ngang đê biển 83 Phạm vi áp dụng 83 Kết luận chương 4 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 I. Kết quả đạt được của luận án 86 II. Những đóng góp mới của luận án 88 III. Tồn tại và hướng phát triển 89 IV. Kiến nghị 89 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 99 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản 5 Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1] 7 Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1] 9 Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức 10 Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam 10 Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005 11 Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1] 11 Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014) 12 Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam 13 Hình 1.10 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh [3] 15 Hình 1.11 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh [3] 15 Hình 1.12 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa [7] 16 Hình 1.13 Đê biển Giao Thủy, Nam Định 17 Hình 1.14 Đê biển Quất Lâm, Nam Định 17 Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng 18 Hình 1.16 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh thấp [9] 19 Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56] 21 Hình 1.18 Thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trong nghiên cứu [56] 21 Hình 1.19 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng vỡ [56] 22 Hình 1.20 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng không vỡ [56] 22 Hình 1.21 Sơ đồ thí nghiệm sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp [58] 24 Hình 1.22 Các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn [58] 24 Hình 1.23 Hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường  w [58] 25 Hình 1.24 Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng thềm trước tường  s [58] 25 Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm 30 Hình 2.2 Máy tạo sóng 30 Hình 2.3 Máng sóng 31 Hình 2.4 Khu vực điều khiển máy tạo sóng 31 Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm sóng đều 32 Hình 2.6 Xử lý chống thấm qua đê trong thí nghiệm 33 Hình 2.7 Máy tính, thiết bị nhận và lưu trữ tín hiệu 34 Hình 2.8 Kiểm tra các đầu đo sóng tại chân đê 35 Hình 2.9 Mô hình xác định lưu lượng sóng tràn 36 Hình 2.10 Mô hình xác định chiều cao sóng bắn 36 Hình 2.11 Mô hình xác định chiều sâu dòng chảy tràn 36 Hình 2.12 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp  v (đo đạc - tính toán) 38 Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (H b /H) với (S.H/g.W.T 2 ) 40 Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1 48 vii Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2 49 Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA1) 51 Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA2) 52 Hình 3.5 Sóng tràn qua đê trong (MH vật lý) 53 Hình 3.6 Sóng tràn qua đê (MH máng sóng số) 53 Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC) 57 Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC) 59 Hình 3.9 Sóng bắn khi sóng va vào tường (MH Vật lý) 61 Hình 3.10 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê (MH Vật lý) 61 Hình 3.11 Sóng chảy thành dòng (MH Vật lý) 62 Hình 3.12 Sóng rút (MH Vật lý) 62 Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý) 63 Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê t=27.3s ( MH vật lý) 63 Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng t = 27.5s ( MH vật lý) 64 Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý) 64 Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý) 65 Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường 67 Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều rộng thềm đến chiều cao sóng bắn 70 Hình 3.20 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t* 71 Hình 3.21 Lực sóng tác dụng lên tường 71 Hình 4.1 Đê biển Giao Thủy tỉnh Nam Định 74 Hình 4.2 Giao diện chính phầm mềm 79 Hình 4.3 Giao diện nhập các tham số thiết kế 80 Hình 4.4 Giao diện tính toán các tham số sóng thiết kế 80 Hình 4.5 Giao diện tính toán sóng tràn qua đê 81 Hình 4.6 Kết quả tính toán cho các kịch bản (W,S) khác nhau 83 Hình 4.7 Mặt cắt ngang đê biển theo dự thảo TCVN-2013 [4] 84 Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp và thềm trước 84 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3] 14 Bảng 1.2 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng ngẫu nhiên 23 Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều 33 Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường 39 Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm xác định chiều cao sóng bắn 41 Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán sóng tràn cho các trường hợp điển hình sóng ngẫu nhiên 56 Bảng 3.2 Kết quả đo đạc và tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình của sóng đều 58 Bảng 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán chiều cao sóng bắn lớn nhất 66 Bảng 3.4 Kết quả đo đạc và tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất 68 Bảng 4.1 Thiết lập các thông số đầu vào 75 Bảng 4.2 Tính toán các tham số sóng thiết kế 77 Bảng 4.3 Tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình 77 Bảng 4.4 Lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn cho đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định với các kịch bản (W,S) khác nhau 82 [...]... sóng nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn qua đê biển; Chương 3: Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; Chương 4: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển Tổng quan nghiên cứu sóng. .. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn qua đê biển; - Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định 5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách... hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tính chất dòng chảy sóng tràn qua đê biển, từ đó góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán 1 sóng tràn qua đê biển để bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện nay 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Phạm vi nghiên cứu là đê biển hiện có ở Bắc bộ. .. cứu tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn chưa đầy đủ Việc hiểu rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp và thềm trước tường đối với sóng tràn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện nay Với ý nghĩa đó tác giả chọn đề tài Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc bộ làm đề tài nghiên cứu của mình 2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu. .. để dự báo lưu lượng sóng tràn trung bình, làm sáng tỏ quá trình tương tác sóng - tường và tính chất dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học Các nghiên cứu hiện tại về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp chưa thật... là quan điểm mới, tiến bộ trong thiết kế đê biển hiện nay Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp Ở trên thế giới Trong những thập kỷ qua, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở trên thế giới đã có những bước tiến khá xa, cơ sử dữ liệu sóng tràn khá đầy đủ cho các dạng kết cấu hình học và điều kiện thủy lực khác nhau Nghiên cứu điển điển hình và... của nghiên cứu 13 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh Hà Tĩnh có khoảng 211.0km đê biển, đê cửa sông thuộc thành phố Hà Tĩnh và các huyện: Kỳ Anh, Cẩm Xuyên, Nghi Xuân, Thạch Hà, Lộc Hà Trong đó có khoảng 95.4km đê trực tiếp biển (chiếm 46%); điển hình một số tuyến đê đã xây dựng tường đỉnh thấp trên đê để nâng cao cao trình, giảm sóng tràn qua đê (Bảng 1.1) Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở. .. khu đô thị, khu du lịch, các hình dạng tường đỉnh phổ biến là tường có mái nghiêng về phía đồng Tường cong có mũi hắt sóng, tường thẳng đứng (Hình 1.9) a Tường đỉnh nghiêng về phía trong b Tường đỉnh có mũi hắt sóng c Tường đỉnh thẳng đứng Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam Với phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả giới thiệu đê biển có tường đỉnh thấp của một số địa phương sau đây... sóng tràn qua đê chỉ giới hạn ở dạng tường đỉnh thấp có vách dốc đứng ở phía biển, tường nằm sát mép đỉnh đê phía biển, không có thềm trước (Hình 1.17) Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56] Trong đó: W chiều cao tường đỉnh, Rc độ lưu cao không, S bề rộng thềm trước tường đỉnh (trong nghiên cứu này S=0), tan độ dốc mái đê; Hm0, Tm-1,0 điều kiện sóng tại chân đê. .. biển Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới Nghiên cứu đê biển nói chung, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển nói riêng được nhiều quốc gia quan tâm đặc biệt là những quốc gia có biển Sự phát triển khoa học và kỹ thuật về đê biển ở các nước này gắn liền với lịch sử phát triển của đất nước Nghiên cứu về đê biển ở trên thế giới đã có từ lâu, nhiều nước đã có những nghiên cứu khá toàn diện như: Mỹ, Hà . TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 5 Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 5 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới 5 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn. đê biển Bắc bộ 12 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc 12 Khái quát chung 12 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh 14 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa 16 Đê biển có. vi nghiên cứu là đê biển hiện có ở Bắc bộ - Việt Nam. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp; - Mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng