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

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

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

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

- 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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ GIẢM

SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM

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

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

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

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

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

* 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

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

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)

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

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

năng lượng sóng lơn nhất Hiện tượng sóng vỡ xảy ra khi sóng biến hình trong nước

nông làm gia tăng chiều cao sóng và do đó độ dốc sóng vượt quá ngưỡng giới hạn

ổn định hình dạng dẫn đến sóng vỡ (đặc biệt tránh nhầm lẫn giữa sóng vỡ với tiêu

tán năng lượng do ma sát đáy, tiêu hao năng lượng do ma sát đáy chỉ chiếm tỷ trọng

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

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

lên lớn hơn so với năng lượng sóng vỡ được mô tả một cách tương tự như tiêu hao

năng lượng trong nước nhảy (xem Battjes và Janssen, 1978 và 2008)

Quá trình lan truyền sóng vào bờ với sự có mặt của đê ngầm phá sóng thì

cũng xảy ra các hiện tượng và quá trình vật lý cơ bản như đã đề cập ở trên Tuy

nhiên quá trình sóng vỡ xãy ra mạnh mẽ hơn hay nói cách khác là chiêu cao sóng sẽ

suy giảm mạnh do bên cạnh ảnh hưởng của bãi đê còn có sự suy giảm độ sâu cục bộ

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

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

Với đê ngầm phá sóng thì tiêu hao năng lượng sóng còn có thành phần do ma

sát tiếp xúc với các khối phủ bảo vệ mái đê Như đã đề cập ở trên trong quá trình

truyền sóng thì sự suy giảm chiều cao sóng (hay là tiêu hao năng lượng sóng) chủ

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

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

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

trên bụng sóng Tiêu hao năng lượng sóng do ma sát tiếp xúc với đáy cũng chỉ là

thứ yếu

Từ những lập luận trên chũng ta có thể nhận thấy rằng hiệu quả giảm sóng

của đê ngầm đang xem xét ở đây sẽ vẫn được chi phối bởi quá trình tiêu hao năng

lượng do sóng vỡ gắn liền với các tham số đặc trưng của hình học cơ bản của đê

ngầm như bề rộng đê, mức độ ngập nước và tính chất sóng tác động Bên cạnh đó

phải kể đến thêm tính chất biến đổi phổ của sóng do ảnh hưởng của bãi đê

Nói tóm lại các tham số sau đây được nhận dạng là các tham số cơ bản ảnh

hưởng đến quá trình 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 SR tk

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 hiện

trên thế giới và ở Việt nam

* Đê ngầm ở Nhật

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

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

khác, nhu cầu của người dân khu vực vui chơi giải trí ngày càng tăng qua các năm

với cải thiện điều kiện sống và kinh tế Vì vậy, kể từ vài năm trước đây, chính

quyền địa phương đã rộng rãi được xây dựng những bãi biển nhân tạo và khôi phục

bãi biển bị xói mòn trên nhiều nơi bởi sự trợ giúp của chính quyền trung ương

Những bãi biển nhân tạo như vậy, tuy nhiên, cần số lượng lớn cát tự nhiên,

bất chấp sự suy thoái của nguồn cung cấp cát và tăng vọt của giá cát Hơn nữa,

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

quyền trung ương cho việc xây dựng các bãi biển cát nhân tạo, nhưng không cho bổ

sung thêm cát bị mất do tác động của sóng sau khi hoàn thành các công trình xây

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

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

đang trong tình trạng bình tĩnh, gây ô nhiễm sản xuất bởi những người tắm biển

hoặc thải từ đất liền có khả năng trì trệ trong vùng lân cận của bờ biển trên tài

khoản của công trình này

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

Nhật Bản là:

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

- Giữ cho nước biển trong sạch bãi biển

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

xây dựng

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

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

bởi những tác động sóng Ở trường hợp 4 thì không khuyến cáo phía bên trong bờ

phát triển bãi tắm vì sóng bên trong lặng

* Đê ngầm ở Mỹ :

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

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

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

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

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

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

trong Cape May County và một trong Monmouth County

Hình 1.9: Hình ảnh khối đê ngầm đúc sẵn và thi công khối PEP tại Hoa Kỳ

Hình 1.10:Một dải đê ngầm chống xói mòn PEP sau khi lắp ghép

Hìn h 1.11: Sơ đồ bố trí đê ngầm Double-T (Hoa Kỳ)

* Đề xuất giải pháp nghiên cứu tại Việt Nam:

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

bờ biển như: gờ ngầm đúc sẵn, kết cấu thùng chìm, rọ đá và thảm đá, bê tông nhựa

đường + đá, đập phá sóng bằng cột lốp xe cũ công trình cọc và tấm cừ, cọc bê tông

chắn nhồi vật liệu rời, đập phá sóng dạng tường chữ chi Tuy nhiên sau khi phân

tích kế thừa những kết quả quý báu từ nhiều nghiên cứu khoa học trước, chuyên

luận văn này lựa chọn nghiên cứu dạng đê ngầm có mặt cắt khối hình thang đặc;

nghiên cứu mối liên hệ giữa bề rộng đỉnh đê, đố dốc mái đê, độ ngập nước của đê

với trường sóng tác động tới công trình

1.4 BỐ TRÍ MẶT NGANG TRÊN BÃI ĐÊ

Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng phụ thuộc vào mục đích của việc khai

thác, sử dụng đối với vùng bãi cần được bảo vệ Nhìn chung đê đặt càng gần bờ

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

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

lún sụt

- Khi đặt đê giảm sóng quá xa bờ, sóng vỡ đợt đầu xảy ra ở vị trí đê, ở sau đê sóng

có thể phục hồi làm giảm hiệu quả công trình

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

sâu sẽ có hiệu quả bảo vệ tốt

* Đê ngầm dạng tạo bãi treo:

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

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

đòi hỏi khối lượng cát đổ vào rất lớn Nếu nguồn cát mượn để tạo bãi giống hoặc

mịn hơn cát nguyên bản thì cần phải đổ nhiều cát cho đến tận độ sâu không có vận

chuyển bùn cát và biến động đáy Để giảm khối lượng cát yêu cầu, có thể sử dụng

các gờ ngầm có tác dụng chặn cát ở dưới để tạo ra bãi treo

Hình 1.12: Giải pháp tạo bãi treo sử dụng các gờ ngầm

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

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

nước dâng do bão, mặt cắt ngang bãi treo có thể bị thay đổi do cát bị lấy mất qua gờ

chìm ra phần nước sâu trên mặt cắt Quá trình này có thể đảo ngược với một bãi

biển bình thường trong điều kiện sóng và mực nước nhỏ hơn Nhưng với bãi treo thì

sự mất cát qua gờ ngầm là vĩnh viễn

Sóng lớn kết hợp với mực nước triều thấp có thể làm cho sóng bị vỡ trên gờ

ngầm gây ra vận chuyển nước qua gờ ngầm vào bờ Dòng quy hồi sát đáy sẽ bù lại

lượng nước vận chuyển vào bờ này nhưng nó sẽ gây ra vận chuyển bùn cát làm mất

cát của bãi treo

Nếu gờ ngầm được xây dựng rất cao để ngăn mất cát, sóng lớn cũng dễ bị vỡ

gây ra dòng chảy qua gờ Điều này dẫn đến dòng luân chuyển dòng quy hồi sát đáy

khá nguy hiểm và khó khắc phục cho công trình Trong điều kiện sóng yếu hơn,

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

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

đỉnh cao cũng sẽ cần chi phí bảo dưỡng lớn hơn rất nhiều

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

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

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

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

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

thì người ta có thể xây dựng một công trình ngầm giảm sóng ngay gần bờ, chi phí

thấp hơn xây dựng ngoài khơi mà hiệu quả mang lại vô cùng cao Mặt cắt dạng này

có thể áp dụng rộng rãi nhiều, đặc biệt với những bãi biển đầu tư cho phát triển du

lịch, bãi tắm

Hình 1.13: Một dạng mặt cắt ngang khi bố trí đê ngầm

U

Kết luận chương 1

Nhằm nâng cao mức độ an toàn, cải thiện điều kiện tải trọng tác động lên đê

biển, đê ngầm phá sóng bãi trước đê là 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 trên các mô phỏng của mô hình toán sau

khi mô hinh đã được kiểm định với các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ

thực hiện trong máng sóng

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH LAN TRUYỀN

SÓNG HỌ BOUSSINESQ PCOULWAVE

SÓNG QUA ĐÊ NGẦM

Hiện nay cùng với sự bùng nổ của khoa học công nghệ và tin học ứng dụng,

rất nhiều chương trình số thông minh đã được ra đời để mô phỏng lại các sự vật

hiện tượng tự nhiên bằng phép giải các hệ phương trình toán học phức tạp Với mỗi

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

nhau Chính vì vậy ta cần xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm

việc của mô hình và đâu là yếu tố giữ vai trò quan trọng

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

xạ, biến hình, sóng vỡ, sóng leo; có sơ đồ tính toán mạnh, hiệu quả; có khả năng

ứng phó với đáy địa hình biến đổi mạnh, dóng chảy gián đoạn, nhiều pha; có khả

năng xử lý gianh giới khô, ướt hiệu quả; điều kiện biên trong suốt để vừa phát sóng

vừa hấp thụ sóng ( mô hình họ NLSWE, BOUSSINESQ, RANS-VOF)

* Đặc điểm mô hình họ Nlswe

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

nông

- Sóng vỡ được mô tả một cách tự nhiên

- Phù hợp mô tả lan truyền sóng ở vùng nước nông (trong vùng sóng đổ), tính phi

tuyến chiếm ưu thế

- Tính toán kể đến áp lực thủy tĩnh

- Hiệu quả tính toán cao

Hình 2.1: Miền tính toán họ mô hình NLSWE

* Đặc điểm mô hình họ Ran-Vof

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

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

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

- Hiệu quả tính toán rất rất thấp

- Cấu hính máy tính cần tốc độ cao

Hình 2.2: Miền tính toán mô hình họ RANS-VOF

* Đặc điểm mô hình họ Boussinesq

- Là mô hình tán xạ, mô phỏng tốt đặc tính biến đổi tần số của sóng (biến đổi phổ);

- Tính phi tuyến yếu hơn so với NLSWE;

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

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

toán này);

- Hiệu quả tính toán rất thấp so với NLSWE

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

nước nông);

- Tính toán yếu vùng nước nông;

* So sánh mô hình họ Boussinesq với Nlswe

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

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

dụng mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq (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 phá sóng Đây là một mô hình sóng bề mặt

có nhiều ứng dụng để giải quyết các bào toán phức tạp về sóng dựa trên các phương

trình sóng nước nông phi tuyến và phương trình phân tán họ Boussinesq

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

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

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

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

bờ, ngập lụt

2.2.2 Hệ phương trình cơ bản

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

cho sóng thì xấp xỉ Boussinesq là một xấp xỉ giá trị sóng yếu phi tuyến tính và

sóng khá dài trong đó kết hợp phân tán tần số Trong kỹ thuật bờ biển, phương trình

Boussinesq thường được sử dụng trong các mô hình toán để mô phỏng sóng nước

trong vùng biển nông và bến cảng

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

Trong đó:

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

thời gian; u:lưu tốc hướng ngang; C: hệ số chezy; υT: hệ số nhớt xoáy; g: gia tốc

trọng trường;

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

Mô hình này đòi hỏi có một điều kiện sóng tới, các điều kiện độ sâu, địa

hình, ranh giới Đầu vào được hỗ trợ thông qua một tập hợp các kịch bản Matlab và

một giao diện cài đặt chỉnh sửa riêng

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

độ sâu, tốc độ bề mặt tự do,

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

hệ điều hành khác; công cụ hỗ trợ phân tích xử lí số liệu đầu vào đầu ra là phần

mềm Matlap

Miền tính toán:

Hình 2.4 : Miền tính toán mô hình Coulwave

2.2.4 Tham số của mô hình

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

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

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

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

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

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

một nửa chiều dài con sóng

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

U

Kết luận chương 2

Qua phân tích đặc điểm các mô hình toán, mô hình toán lan truyền sóng họ

Boussineq - PCoulwave có những điểm phù hợp với bài toán mô phỏng hiệu quả

giảm sóng qua đê ngầm Sau đây ta sẽ tiến hành hiệu chỉnh kiểm định mô hình dựa

trên các số liệu đo đạc từ mô hình vật lý đê ngầm

CHƯƠNG 3: HIỆU CHỈNH KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH

3 1.1 Giới thiệu máng sóng

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

thủy lực tổng hợp, Trường Đại học Thủy Lợi Máng được trang bị công nghệ hiện

đại tiên tiến của Hà Lan, có tổng chiều dài trên 45m, rộng 1m, cao 1,2 với máy tạo

sóng Piston và hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động và có thể tạo sóng với độ

- Đê có dạng mặt cắt hình thang mái nhẵn

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

- Tỷ lệ mô hình hóa về chiều dài NR L R = 15 -20 và thời gian là NR t R = 3,5 – 4,5

- Thí nghiệm sóng trong bão theo phổ Jonswap

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

* Lựa chọn bộ số liệu đê hiệu chỉnh kiểm định

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

một số bộ số liệu để làm công tác hiệu chỉnh kiểm định mô hình toán PCoulwave

Với mỗi trường hợp đều có số liệu sóng thực đo trước và sau chân công trình

- Độ chìm đê (SR tk R): 0,2m, 0,1m,

- Bề rộng đỉnh đê lần lượt (cm): 40cm

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

sóng H20T25

Dưới đây là một số hình ảnh trong thí nghiệm mô hình vật lý đê ngầm trong

máng sóng Hà Lan

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

3 2.1 Khái niệm phổ sóng

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

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

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

thành phần theo tần số được gọi là các phổ (tần số) được kí hiệu là E = E(f) Phổ

năng lượng sóng không cho biết gì về pha của các thành phần phổ, vì vậy không thể

dùng phổ này để tạo ra bản ghi chép mà ta đã dùng nó để xác định phổ

* Chiều cao sóng mô men:

Chiều cao sóng HR mo R có giá trị xấp xỉ chiều cao sóng ý nghĩa HR s Rvà được xác

định từ mô men 0 của phổ mật độ năng lượng sóng

( ) 2

n

E f =ρ σg (3.1)

lượng của quá trình; S(f) là giá trị mật độ năng lượng của phổ sóng tương ứng với

tần số f, mR o R là giá trị mô men bậc 0 của phổ sóng Trong thí nghiệm HR mo R được xác

định tại các vị trí trước và sau đê Trong luận văn này nghiên cứu sóng theo phổ

Jonswap ( Joint north sea wave project, 1073)

Hình 3.3: Hình dạng phổ sóng

3.2.2 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm

Mức độ giảm chiều cao sóng hay nói cách khác là hiệu quả giảm sóng của đê

ngầm được đánh giá qua tỷ số giữa chiều cao sóng phía sau đê so với chiều cao

sóng đến trước đê (xem hình 3.4)

'

100%

s t s

H k H

ε = − 

  (3.4)

Trong đó kR t R là hệ số truyền sóng qua đê, ɛ(<1)là hệ số đánh giá hiệu quả

giảm sóng của đê ngầm, H s và '

Hình 3.4: Sóng giảm chiều cao khi qua đê ngầm

NGIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG

3.3 1 Thiết lập mô hình

Sơ đồ mô hình toán được thiết lập tương tự như mô hình vật lý (xem hình 3.3)

Hình 3.3: Mặt cắt dọc trong mô hình số Đơn vị khoảng cách (m)

Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cần có dùng công cụ hỗ trợ phần

mềm Matlap trong ứng dụng tính toán chiều cao sóng Hs, vẽ và hiển thị các đường

quá trình lan truyền sóng, phổ sóng, các đường quan hệ ( Xem thêm phụ lục tính

toán)

3.3 2 Thiết lập điều kiện biên sóng

Sử dụng số liệu sóng thực đo tại vị trí trước chân công trình làm số liệu đầu

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

mô phỏng trong mô hình toán

Số liệu sóng thực đo sau công trình sẽ được sử dụng để so sánh với chuỗi

sóng tính toán mô phỏng trong mô hình Đây chính là cơ sở để hiệu chỉnh kiểm định

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

lệch nhỏ nhất

3.3.3 Mô phỏng để tìm ra bộ tham số tối ưu

Mô phỏng sóng lan truyền qua đê ngầm trường hợp đình đê rộng 40cm, độ

ngập nước 20cm, sóng đầu vào là H20T20

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

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

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

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

toán)

Bằng phép thử dần ta lần lượt thay đổi các tham số chính trong mô hình số (

hệ số nhớt xoáy, độ nhám bề mặt, lớp hấp thụ sóng phản xạ tại biên đầu và biên

cuối của miền tính toán) cho tới khi sự sai lệch chiều cao sóng tính toán và thực đo

nằm trong khoảng có thể chấp nhận được (sai lệch giữa tính toán và thực đo thường

phải dưới 5%)

Tính chiều cao sóng ý nghĩa (1/3 số con sóng lớn nhất) được tính theo công

thức (3.2) (Có thể tính toán bằng exel hoặc phần mềm Matlap - xem thêm trong Phụ

lục tính toán)

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

Đơn vị chiều cao sóng (m)

Nhớt xoáy Độ nhám Sponge 1 Sponge 2 H R đ H R t H R t R /H R đ H R đ R ’ H R t R ’ H R t R ’/ H R đ R ’

Trong đó: HR đ R, HR đ R’ là chiều cao sóng thực đo trước và sau đê

HR t, RHR t R’ là chiều cao sóng tính toán trước và sau đê

Sponge 1: hệ số hấp thụ sóng phản xạ tại biên đầu vào

Sponge 2: hệ số hấp thụ sóng phản xạ tại biên phía sau công trình

Qua biểu bảng trên ta thấy hệ số nhớt xoáy có độ nhạy cao, kết quả bài toán

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

ưu cho mô hình như sau:

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

chất lỏng)

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

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

- Hệ số hấp thụ sóng của lớp Sponge: sponge 1 mang giá trị là 0,009; sponge 2 có

giá trị là 10

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

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

Hình 3.5: Giao diện làm việc của mô hình

Hình 3.6: Mô phỏng 1D sóng lan truyền trong trong mô hình

Qua bảng tính toán (3.1), nhận thấy rằng sự sai khác giữa tính toán và thực

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

nằm trong phạm vi hẹp cho nên có thể tạm thời khẳng định rằng mô hình số

Coulwave phù hợp cho tính toán lan truyền sóng qua đê ngầm Bước tiếp theo là đi

kiểm đỉnh sự ổn đỉnh của mô hình trong một số trường hợp khác

3.3 4 Kiểm định mô hình

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

sự ổn định của mô hình trong các trường hợp khác, phạm vi kiểm tra gồm có:

đường quá trình sóng, phổ sóng, hiệu quả giảm sóng

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

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

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

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

Từ các số liệu tính toán và thực đo (xem thêm trong Phụ lục tính toán), ta vẽ

được đường quá trình sóng, từ đường quá trình sóng ta có thể đánh giá được sơ bộ

độ tin cậy của số liệu tính toán so với số liệu thực đo

Hình 3.7: Đường quá trình sóng thực đo và tính toán sóng H20T20

Hình 3.8: Đường quá trình sóng thực đo và tính toán sóng H15T20

Hình 3.9: Đường quá trình sóng thực đo và tính toán sóng H20T25

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

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

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

Qua các bảng trên ta thấy, khi thay đổi các điều kiện về mặt cắt hình học đê,

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

toán ổn định, sát với các kết quả thực đo Tuy nhiên cần phải kiểm tra sự ổn định

của phổ sóng trong tính toán của mô hình

c So sánh p hổ mật độ năng lượng sóng

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

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

có được đánh giá đầy đủ nhất về mô hình làn truyền sóng thì cần thiết phải xem xét

đến sự tương đồng giữa phổ sóng tính toán và thực đo

Trong phần này các điều kiện ban đầu cũng giống như hai trường hợp kiểm

tra đường quá trình sóng và chiều cao sóng đó là bề rộng đỉnh đê 0.4m, độ ngập

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

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

Hình 3.11: So sánh phổ sóng tính toán và thực đo sóng H20T20

Hình 3.12: So sánh phổ sóng tính toán và thực đo sóng H20T25

Hình 3.13: So sánh phổ sóng tính toán và thực đo sóng H15T20

Sau khi phân tích phổ sóng ta thấy phổ mật độ năng lượng sóng tính toán và

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

- Hình dạng phân bố phổ tương đồng nhau;

- Chu kì đỉnh phổ TR p R (giá trị tại fR p R– vị trí đỉnh phổ) xấp xỉ như nhau (xem thêm

trong hình 3.3)

- Đỉnh phổ có độ lớn năng lượng E(f)R max R sát nhau

- Dải tần số tương đối trùng khớp nhau

- Chiều cao sóng H s =4, 004 m0 (3.5)

trong đó mR 0 R phần diện tích của phổ, nhìn trực quan cho thấy các phần diện tích

tương đương nhau, hơn nữa với kết quả tính từ bảng (3.3, 3.4, 3.5 ) có thể khẳng

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

U

Kết luận chương 3

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

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG

GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM

Trong phần này ta sẽ mô phỏng hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trong các

trường hợp mở rộng (mở rộng hơn so với sự eo hẹp về điều kiện để tiến hành thí

nghiệm mô hình vật lý) Cụ thể đó là thay đổi các yếu tố về hình học đê (bề rộng

đỉnh đê, hệ số mái đê), thay đôi độ dốc bãi trước đê, thay đổi đổ ngập của đê và thay

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

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

việc của đê ngầm trong vấn đề giảm sóng

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

đo nữa mà là chuỗi sóng số nhân tạo được tạo ra trong mô hình theo phổ Jonswap

(có thể nghiên cứu thêm cho phổ sóng khác)

Với mỗi sự thay đổi về mặt cắt tính toán ( bề rộng, độ dốc, mực nước) thì cần

thao tác thiết lập lại sơ đồ tính Sau đây là phần tổng hợp kết quả mô phỏng của hơn

100 trường hợp tính

4 1.1 Bề rộng đỉnh đê thay đổi

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

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

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

H20T20 và H20T25); từ đó tìm được mối liên hệ giữa bề rộng đỉnh đê và chiều dài

sóng ảnh hường đến hiệu quả giảm sóng Ngoài ra còn mô phỏng cho các trường

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

Qua biểu đồ (hình 4.2 và 4.3) ta thấy tính ổn định trong mô phỏng của mô

hình khi xét đến ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê rất tốt, biểu đồ trơn, không có điểm

kì dị, từ biểu đồ có thể rút ra kết luận về ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê đến hiệu

quả giảm sóng của đê ngầm như sau:

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

sóng càng cao

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

nhr

Tóm lại yếu tố về mặt cắt hình học đê (bề rộng đỉnh đê) là một trong những

yếu tố ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp thụ sóng của đê ngầm

4 1.2 Độ ngập nước của đê thay đổi

Xét tỷ số độ ngập nước và chiều cao sóng tới : SRtkR/Hs

Chọn bề rộng đỉnh đê B=0.4m ; Chọn độ dốc mái đê m=2; độ dốc bãi trước

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

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

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

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

4,33 7,21

11,46 22,46 32,13

1,91 2,99

6,65 24,22

36,48 44,14

Hình 4.5 : Ảnh hưởng của độ chìm đê đến khả năng giảm sóng (H15T20)

Biểu đồ hình (4.4) và (4.5) thể hiện mối quan hệ giữa độ chìm của đê với

chiều cao sóng tới công trình đó là :

- Với trường sóng có chiều cao sóng đến không đổi, độ ngập càng nhỏ thì

hiệu quả giảm sóng càng lớn Khi độ ngập tăng đến một giá trị nào đó thì khả năng

giảm sóng của đê ngầm có xu hướng đi ngang trên biểu đồ

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

sóng của đê càng cao

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

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

trong trường hợp đê thay đổi hệ số mái

4 1.3 Hệ số mái đê thay đổi

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

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

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

Hình 4.6 : Sơ đồ mặt cắt đê khi độ dốc mái đê thay đổi

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

Bảng 4.5: Hiệu quả giảm sóng khi hệ số mái đê thay đổi