nghiên cứu mô hình toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng trước bãi đê

1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Đê biển và các hạng 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 trọng 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 phát triển rất lâu đời. Tuy nhiên, tùy thuộc vào các điều kiện tự nhiên và trình độ phát triển 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 đối với khu vực bãi biển bị xâm thực. Do vậy để ổn định đê biển thì việc bảo vệ bãi quan trọng hơn cả, cần được ưu tiên đầu tư. Nếu chỉ tập trung để đầu tư đê mà không quan tâm đến việc giữ bãi thì công tác bảo vệ an toàn đê biển luôn luôn bị động. Mặt khác, song song đó cần có biện pháp bảo vệ mái phía đồng thích hợp để chống xói mòn do nước mưa và do sóng tràn qua đê. Do vậy, biện pháp khả thi tại những vùng có đê bắt buộc phải tồn 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 phá sóng ngầm trước đê sẽ phần nào khắc phục được sự bất cập hiện nay giữa yêu cầu chống được sóng lớn triều cường nhưng không tăng quá mức cao độ của hệ thống đê biển hiện tại. Mặt khác vài thập niên gần đây do biến đổi khí hậu tòan cầu, thiên tai xảy ra khốc liệt hơn. Tình hình bão lũ, động đất, sóng thần, sạt lở , xuất hiện nhiều hơn, với cường độ lớn hơn, diễn biến phức tạp hơn, khó lường hơn. Đặc biệt trong tương lai biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ kéo theo tình 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 ”Nghiên cứu mô hình toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng trước bãi đê” là một bước nghiên cứu rất quan trọng với nhiệm vụ giới thiệu, phân tích, đánh giá khả 2 năng giảm sóng của đê ngầm làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề xuất lựa chọn các giải pháp hợp lý ổn định, bảo vệ bãi trước đê, giữ an toàn cho hệ thống đê biển. 2. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU Nghiên cứu tương tác giữa sóng và công trình biển nói chung sóng và đê ngầm chắn sóng nói riêng mang ý nghĩa quan trọng trong công tác thiết kế các công trình bảo vệ bờ. Sóng tương tác với công trình vùng ven bờ rất phức tạp do tính chất kết hợp phi tuyến của nhiều quá trình thủy động lực. Thông thường để hiểu rõ tương tác sóng tới một công trình cụ thể thì các nhà thiết kế kĩ thuật phải thực nghiệm thí nghiệm mô hình vật lý trong các máng sóng thí nghiệm. Trong một số năm gần đây cùng với sự phát triển nhanh của máy tính cộng với sự trợ giúp của các phương pháp số thông minh, khái niệm thí nghiệm số đã dần phổ biến trong một số ngành nghiên 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 lan truyền 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 chi 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 Để đạt được những mục tiêu đề ra, luận văn sử dụng tổng 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 kỹ thuật biển. - Phương pháp mô hình toán, kiểm định với các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng. 4. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU - Kiểm định mô hình số lan truyền sóng họ Boussinesq cho trường hợp đê ngầm phá sóng trên bãi đê điển hình ở Việt Nam; - Mô phỏng số với các kịch bản mở rộng nhằm xây dựng được biểu đồ hoặc phương pháp tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm - Đề suất sơ bộ dạng hình học mặt cắt ngang phù hợp và bố trí đê ngầm trên bãi đê 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM 1.1. THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VEN BIỂN 1.1.1. Bãi trước đê: a. Định nghĩa bãi trước: “ Bãi trước đê được hiểu là bãi biển, phần được giới hạn từ chân đê tới phần bãi biển, tại vị trí ranh giới của mực nước triều thấp. Như vậy bãi trước đê sẽ bao gồm thềm bãi, bãi dốc, đỉnh bãi và mặt bãi trước”. Hình 1.1: Mặt cắt đại diện thể hiện bãi trước đê Bãi biển được chia thành 2 phần, phần bãi trước và phần bãi sau. Bãi trước là phần 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 giới hạn 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 chịu tác động của sóng truyền từ vùng nước sâu vào bờ. Khi sóng truyền vào tới vùng nước nông, nó sẽ bị vỡ khi nó gặp các dải cát ngầm. Bãi trước, hay còn gọi là vùng 4 sóng vỗ, là vùng mà mặt cắt bãi thường xuyên ở trạng thái khô, ướt một cách luân phiên 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 lực hình thái và 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 dải ven bờ. Đây là nơi có thể xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển, hoặc công trình có tác dụng giảm sóng. - Bãi trước đê là vùng đệm, nơi có sự dịch chuyển qua lại bùn cát từ phần bãi cao xuống 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 chuyển từ các bãi thấp lên bãi cao, ngược lại về mùa đông khi có các sóng lừng do gió mùa hoặc gió bão thì bùn cát sẽ bị cuốn từ phần bãi cao xuống bãi thấp. Toàn bộ phần bãi trước đê được coi như nằm trọn vẹn trong phần thể 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, đặc biệt là các loài nhuyễn thể như ngao, sò, ốc. Bãi trước đê vừa có mục đích nuôi trồng 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 biển: Bãi trước đê là một bộ phận trong hệ thống bờ biển, có vai trò là phần phía ngoài của công trình đê biển và công trình bảo vệ bờ. Sự an toàn, ổn định của bãi trước đê sẽ có ảnh hưởng trực tiếp tới sự an toàn và ổn định của bờ biển nói chung và công trình đê biển, công trình bảo vệ bờ nói riêng. Ảnh hưởng của bãi trước đê 5 tới sự ổn 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 ổn 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; dòng chảy ven bờ (bao gồm dòng ngang bờ và dòng dọc bờ, tương ứng gây ra các hiện tượng xói cấp tính và mãn tính). Ảnh hưởng của bãi trước đê tới sự ổn 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 ổn định của đê khi nó bị thu hẹp và hạ thấp. Các ảnh hưởng của bãi trước tới sự an toàn và ổn 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 hoặc diễn 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 tác động trực tiếp vào công trình -> nếu năng lượng sóng đủ lớn thì các tác động mà chúng 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 ổn định chân, sập, trượt mái ngoài Tùy thuộc vào cấu tạo của vật chất thành tạo nên bãi trước đê và các trường sóng khác nhau mà sự ổn định của bãi trước đê là khác nhau. Do đó bài toán giảm bớt năng lượng khi sóng tiến vào bờ là bài toán cần phải giải để tìm ra đáp số hiệu quả nhất. 6 Hình 1.2: Một sự cố sạt trượt khi sóng có năng lượng lớn tiến vào bờ 1.1.3. Các giải pháp giảm sóng, bảo vệ bãi Để đưa ra các giải pháp nhằm bảo vệ và ổn định bãi trước đê một cách hiệu quả, cần thiết phải nghiên cứu các cơ chế gây mất ổn định bãi trước, bao gồm cả cơ chế gây hạ thấp bãi và cơ chế gây xói lở và thu hẹp bề rộng bãi. Ngoài ra, các giải pháp 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 bảo nhất quán với quy hoạch phát triển chung của vùng. Hình 1.3: Đánh giá số nhóm giải pháp bảo vệ bờ Có nhiều loại công trình bảo vệ bờ biển để chống hoặc giảm xói lở bờ. Các công trình có thể bảo vệ bờ biển trực tiếp (tường chắn, đê, kè) hoặc gián tiếp (các 7 loại đập mỏ hàn, đập chắn sóng xa bờ). Căn cứ nguyên nhân chủ yếu gây ra mất ổn định bãi, cụ thể là yếu tố sóng, nước dâng, thủy triều và cân bằng bùn cát, có thể nghiên cứu áp dụng các công trình nhằm bảo vệ và ổn định bãi trước đê. Khi không phải tất cả các biến đổi của bờ biển trong tự nhiên đều đúng theo mong muốn của con người thì các công trình bảo vệ bờ biển là giải pháp cần thiết để ứng phó với những biến đổi bất lợi trên. Các công trình bảo vệ bờ thường được sử dụng để hạn chế, ngăn ngừa hoặc làm chậm các tác 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 diễn biến 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 là một giải pháp thường được sử dụng để chống lại tác động của triều, nước dâng và sóng đối với những vùng trũng phía trong đất liền. Ngày nay, bên cạnh các giải pháp 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 khi cần 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 thể thực hiện được vì nhiều lý do về mặt chính trị, xã hội và cả về mặt an ninh quốc phòng. Tuy nhiên nếu bãi trước đê đang bị xói lở là vùng đất tự nhiên chưa được sử dụng, không có dân cư, khu kinh tế hay khu nông nghiệp, ngư nghiệp 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 việc giám sát, theo dõi quá trình xói lở tự nhiên để có biện pháp ứng phó khi cần thiết. 8 * 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 tính bị động, có thể là ngắn hạn (ví dụ như nuôi bãi) có hiệu quả tức thời, hoặc dài hạn (ví dụ như trồng rừng ngập mặn hoặc tái tạo lại các dải san hô ngầm ven biển). Việc sử dụng các biện pháp quản lý, tôn tạo bãi trước đê cũng được xếp vào nhóm các giải pháp mang tính “phi công trình”. Các giải pháp mang 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 để tác động vào bãi trước nhằm 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 ổn 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. TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM: 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). Đê ngầm giảm sóng xa bờ có thể là tuyến dài liên tục, phủ hết chiều dài cần bảo vệ, nhưng thông thường bố trí 9 tuyến tường đứt khúc từng đoạn để trừ các cửa nhằm trao đổi bùn cát ngoài và trong đê. Hình 1.4: Minh họa vai trò một công trình đê ngầm Mục đích của các công trình đỉnh thấp hoặc ngầm là giảm tải thuỷ lực ở một mức độ nhất định để duy trì bờ biển ở trạng thái cân bằng động. Để đạt được mục tiêu 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 đỉnh ngập (các công trình chìm). Do yêu cầu thẩm mỹ người ta thường thích các công trình có khoảng lưu không thấp. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của thuỷ triều và nước dâng do bão thì chúng bị giảm tác dụng khi thiết kế có độ rộng đỉnh hẹp. Vì lý do này mà các công trình đập chắn sóng ngầm đỉnh rộng (còn được gọi là gờ ngầm nhân tạo) thường được dùng nhiều hơn, đặc biệt là ở Nhật Bản. Tuy nhiên, các công trình 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 kể chi phí xây dựng. 1.2.2. Cấu tạo, kết cấu: Đê 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 cấu tạo, kết cấu của đê ngầm rất đa dạng. 10 Hình 1.5: Đê ngầm kết cấu đá cấp phối Hình 1.6: Dải ngầm kết cấu bê tông đúc sẵn (Mỹ) Hình 1.7: Dải ngầm kết cấu bê tông đúc sẵn (Double –T) (Mỹ) 1.2.3. Vấn 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 kể năng lượng sóng như: khúc xa, biến hình (sóng dềnh), sóng vỡ và ma sát đáy. Ngoài ra còn có quá trình tán xạ làm biến đổi phổ sóng ( chuyển dịch năng lượng sóng giữa các dải tần số), đặc biệt khi vào vùng nước nông hay khi gặp vật cản như đê ngầm. Quá trình biến đổi phổ sóng có ảnh hưởng gián tiếp đến mức độ tiêu hao năng lượng sóng ở vùng nước nông bởi vì với dải sóng dài (tần số thấp) thì mức tiêu hao năng lượng ít hơn so với dải sóng ngắn ( tần số cao). [...]... truyền sóng họ Boussinesq (ví dụ như PCOULWAVE của Mỹ) để đánh giá hiệu quả triết giảm sóng của dải ngầm phá sóng mô phỏng quá trình sóng tràn qua đê ngầm, đánh giá hiệu quả của giải pháp công trình giảm sóng trước bãi đê 2.2 MÔ HÌNH LAN TRUYỀN SÓNG HỌ BOUSSINESQ - PCOULWAVE 2.2.1 Giới thiệu chung Coulwave là một mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq của Mỹ để đánh giá hiệu quả chiết giảm sóng của dải ngầm. .. tiêu hao năng lượng sóng qua đê ngầm tức là hiệu quả giảm sóng 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 S tk R 1.3 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM Trên thế 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... Qua quá trình hiệu chỉnh kiểm định mô hình lan truyền sóng PCoulwave ta thấy 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 thể áp dụng để tính toán cho các trường hợp mở rộng sau đây 35 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM 4.1 THÍ... một giải pháp công trình mang tính chủ động (khi các giải pháp mềm, tự nhiên khác không khả thi hoặc đem lại hiệu quả thấp), hiệu quả và có tính khả thi cao Việc đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá 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 giảm sóng của đê ngầm được nghiên cứu dựa... truyền sóng qua đê, ɛ( . phải nghiên cứu xây dựng một hệ thống đê vững chắc an toàn mà kinh tế. Do đó đề tài Nghiên cứu mô hình toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng trước bãi đê là một bước nghiên cứu rất. phương pháp tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm - Đề suất sơ bộ dạng hình học mặt cắt ngang phù hợp và bố trí đê ngầm trên bãi đê 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM Trên thế 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