kết quả nghiên cứu sóng tràn trên máng sóng tại đại học thuỷ lợi

Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 217 Kết quả nghiên cứu sóng tràn trên máng sóng tại Đại học thuỷ lợi Vũ Minh Cát 1 , Thiều Quang Tuấn 1 , Lê Hải Trung 1 Tóm tắt: Thiết kế đê biển ở Việt Nam hiện nay theo tiêu chuẩn sóng leo, nhưng trong thực tế phần lớn đê bị nước tràn dẫn tới sạt lở hoặc vỡ đê khi gặp bão và gió mùa dài ngày. Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm trên máng sóng của Đại học thuỷ lợi để xác định tiêu chuẩn sóng tràn khi đê không có tường đỉnh và dẫn tới kết luận có thể dùng các công thức được xây dựng và kiểm nghi ệm của TAW (2002) để lựa chọn lưu lượng sóng tràn khi xây dựng đê biển ở nước ta. 1. Mở đầu Hiện nay, việc thiết kế đê biển vẫn đang áp dựng tiêu chuẩn 14TCN130 – 2002, theo đó cao trình đê biển được tính theo tiêu chuẩn sóng leo với công thức tính toán như sau: H đđp = H trp + h nd + h sl + a (1) Trong đó: H đđp : Cao trình đỉnh đê (m) H trp : Mực nước triều với tần suất p h nd : độ lớn nước dâng ứng với tần suất thiết kế h sl : độ lớn sóng leo trên mái đê và a: Chiều cao gia cường phòng lún và gia tăng an toàn Việc tính toán cao trình đỉnh đê theo công thức (1) tồn tại những vấn đề sau: - Việc chọn tần suất của mỗi thành phần tính toán khác nhau, chẳng hạn mực nước lấy với p = 5%, nước dâng p = 20%, sóng leo không rõ tính theo tần suất nào, nhưng xác suất cho phép tràn là 2%, nghĩa là cứ 100 con sóng thì có 2 con gây ra sóng tràn qua mặt đê. - Về mực nước triều thiết kế: khi tính toán lấy chuỗi tài li ệu mực nước thực đo lớn nhất tại một trạm ven biển hoặc chuyển từ một trạm triều cơ bản về khu vực tính toán, sử dụng phân bố xác suất nhất định (thường sử dụng hàm Gumbel hoặc Pearson để xây dựng đường tần suất và xác định mực nước ứng với tần suất thiết kế. Việc lựa chọn chuỗi s ố liệu như vậy đã bao gồm cả nước dâng trong đó rồi và nếu trong công thức (1) có thêm thành phần nước dâng thì vô hình chung nước dâng được tính 2 lần. - Trong công thức (1), cao trình đỉnh đê tính theo tiêu chuẩn sóng leo R u2% hay được hiểu rằng thiết kế chỉ cho phép trung bình có 2 con sóng gây nước tràn trong 100 con sóng tới. 1 Khoa Kỹ thuật Biển, ĐH Thuỷ lợi; E-mail: vuminhcat@wru.edu.vn Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 218 a) Sóng tràn gây xói do số 7/2005 tại Cát Hải (Hải Phòng) b) Đê biển 3 (Tiên lãng, Hải Phòng) sau bão 7/2005 c) Đê cổ Vạy (Nam Định) sau bão 7/2005 d) Kè biển Thịnh Long (Nam Định) sau bão 7/2005 e) Đê Hậu Lộc (Thanh Hoá) sau bão 7/2005 f) Đê Hoằng Thanh (Thanh Hoá) sau bão 7/2005 Hình 1: Một số hình ảnh vỡ đê và sóng tràn trong các trận bão năm 2005 Tuy nhiên, trong thực tế đê biển ở những nơi xung yếu trực tiếp với biển như Cát Hải, đê I (Hải Phòng), đê Hải Hậu, Giao Thuỷ (Nam Định) thường xuyên bị tràn nước khi gặp bão, mặc dù chưa phải tổ hợp bất lợi nhất (triều cường đúng thời điểm tâm bão lớn đi vào vùng tính toán) hoặc gió mùa kéo dài gây sạt lở cục bộ mái trong đồng và đã có mộ t số trường hợp vỡ đê như trong các trận bão cuối năm 2005 tại Cát Hải (Hải Phòng), Hải Hậu (Nam Định) và Hậu Lộc (Thanh Hoá). Nguyên nhân chính là do điều kiện kinh tế mà chúng ta phải chọn tần suất thiết kế thấp. - Trong điều kiện như vậy, một vấn đề kỹ thuật đặt ra là nên xem xét thiết kế đê theo tiêu chuẩn sóng tràn. Điều đó có nghĩa là nước tràn qua đê sẽ thường xuyên hơn, do cao trình đê thấp hơn trường hợp sóng leo và trong những trường hợp như vậy đê phải gia cố tốt hơn Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 219 và có những giải pháp thoát nước tràn sau bão cũng như giải pháp đê kép (đê 2 tuyến) tránh sự cố vỡ đê gây thiệt hại cho các hoạt động kinh tế xã hội phía sau đê. 2. Lưu lượng tràn trung bình qua đê không có tường đỉnh Theo TAW (2002) hoặc EurOtop (2007), lưu lượng tràn trung bình qua đê được xác định như sau: Cho sóng nhảy vỡ, γ b ξ 0m ≤ ξ cr ≈ 2.0: 0 3 00 0 0.067 1 1 . . .exp 4.75. . . tan c bm mmbfv m R q H gH β γξ ξ γγγγ α ⎛⎞ =− ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ (2) Cho sóng dâng vỡ (không vỡ), γ b ξ 0m > ξ cr ≈ 2.0: 3 0 0 1 0.20.exp 2.6 c mf m R q H gH β γ γ ⎛⎞ =− ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ (3) Khi sóng vỡ nhiều trên bãi rất nông, ξ 0m ≥ 7.0: 3 00 0 1 . (0.33 0.022 ) c f mm m R q H gH β γ γξ = + (4) Trong đó: q là lưu lượng tràn đơn vị (l/s/m); H m0 có giá trị xấp xỉ chiều cao sóng ý nghĩa H s và được xác định từ mô men bậc 0 của phổ mật độ năng lượng sóng như sau: ∫ ∞ ==≈ 0 00 )(44 dffSmHH ms (5) Với S(f) là giá trị mật độ năng lượng của phổ sóng tương ứng với tần số f, m 0 là giá trị mô men 0 của phổ sóng. ξ 0m là chỉ số Irribaren hay còn gọi là chỉ số tương tự sóng đổ được xác định 0 tan m m s α ξ = (6) S m đặc trưng cho độ dốc của sóng và biểu diễn như sau: 0, 0, 2 0 2 md md m m HH s LgT π == (7) Các hệ số γ b, γ f, γ β, γ v biểu thị mức độ ảnh hưởng của cơ đê phía biển, vật liệu và hình thức lát mái, góc sóng tới và tường đỉnh (trường hợp này không xem xét tường đỉnh) tương ứng. tanα là góc của mái dốc đê; R c là độ lưu không tính từ mực nước thiết kế tới đỉnh đê Các công thức trên tất cả các tham số sóng đều được lấy tại chân đê. Theo TAW (2002), độ tin cậy của công thức (2) được đánh giá bằng cách xem hệ số 4.75 tuân theo phân bố chuẩn với giá trị trung bình 4.75 và độ chệch chuẩn σ = 0.50 (các giá trị này được xác định dựa Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 220 vào cơ sở số liệu thực nghiệm sóng tràn). Như vậy với các đường bao 95% độ tin cậy trên và dưới ứng ta sẽ có các hệ số tương ứng là 3.93 và 5.57. Tương tự như vậy, với độ tin cậy của công thức (3), hệ số 2.60 có phân bố chuẩn với giá trị trung bình 2.60 và độ chệch chuẩn σ = 0.35, có các hệ số đường bao 95% độ tin cậy trên và dưới là 2.03 và 3.17. Các cặp đường bao giới hạn tin cậy này sẽ được sử dụng trong việc phân tích so sánh số liệu thí nghiệm sóng tràn. Với mục đích tăng độ an toàn khi thiết kế, TAW (2002) kiến nghị sử dụng các công thức (2) và (3) với các hệ số 4.30 (thay vì 4.75) và 2.3 (thay vì 2.6). 3. Một số kết quả thí nghiệm lưu lượng tràn trên máng thí nghiệm tại ĐH Thủy lợi trong trường hợp đê không có tường đỉnh 3.1. Máng sóng Máng sóng sử dụng cho thí nghiệm là máng sóng do Viện Thủy Lực Delft (W|L Delft Hydraulics) - Hà Lan xây dựng và chuyển giao trong khuôn khổ Dự án nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật Biển cho Trường đại học Thủy lợi. Máng có chiều dài 45m, cao 1.2m, rộng 1.0m được trang bị với máy tạo sóng tiên tiến có hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động (ARC: Active Reflection Compensation). Máng có thể tạo sóng đều hoặc ngẫu nhiên theo một số dạng phổ sóng phổ biế n như JONSWAP. Chiều cao sóng tối đa có thể tạo ra trong máng là 0.30 m và chu kỳ 3.0 s. 3.2. Mô hình đê và bãi trước đê Đê biển Việt Nam có cao trình đỉnh đê (kể cả khi có tường đỉnh) có cao trình phổ biến từ 4.0 m đến 5.5 m. Độ lưu không của đỉnh đê phía trên MNTK tính đến cao trình đỉnh tường phổ biến nằm trong khoảng từ 1.5 đến 2.5 m. Độ dốc mái đê phía biển phổ biến trong khoảng 1/3.0 đến 1/4.0. Địa hình bãi trước đê rất đa dạng và phức tạp. Tại các vị trí xung yếu bãi khá sâu (độ sâu trung bình lớn hơ n 5 ∼ 6 m trong điều kiện bão) hoặc không tồn tại bãi, còn lại phần lớn bãi trước đê khá thoải, rộng có độ sâu từ nông đến rất nông (độ sâu từ 1 ∼ 4 m trong điều kiện bão). Trên cơ sở đặc điểm hình học và kết cấu đê biển chúng tôi đã chọn mô hình đê biển trong máng sóng có chiều cao 75 cm, mái đê phía biển là mái có độ dốc 1/3. Ngoài ra để hạn chế các ảnh hưởng khác có thể gây ra do mô hình tỷ lệ nhỏ, chúng tôi đã chọn thí nghiệm với mái đê nhẵn, không thấm nước (ví như việc đánh giá thấp lượng tràn qua đê mái nhám do hạn chế trong việ c mô phỏng độ nhám trong mô hình; trên thực tế nghiên cứu ảnh hưởng độ nhám của mái đê được tiến hành trên các mô hình tỷ lệ lớn hoặc không thu nhỏ thông qua hệ số chiết giảm sóng tràn do độ nhám của mái γ f . Điều này hoàn toàn đáp ứng được mục đích chính của các thí nghiệm của đề tài như đã nêu trên. Bãi trước đê lựa chọn cho thí nghiệm có chiều dài lần lượt là 6.5m và 12.0m tương ứng với các trường hợp bãi ngắn (xấp xỉ 01 lần chiều dài con sóng ở nước sâu L 0 ) và bãi dài (xấp xỉ 02 lần chiều dài con sóng ở nước sâu L 0 ). Ngoài ra, ứng với mỗi trường hợp chiều dài bãi, bãi còn được xây dựng có chiều cao thay đổi tương ứng với các trường hợp bãi nông và sâu khác nhau (chiều cao bãi lần lượt là FLH = 0.25m, 0.30m, và 0.35m). Nêm chuyển tiếp giữa bãi và không bãi (đáy máng) có độ dốc 1/20. 3.3. Bố trí mô hình và chương trình thí nghiệm Sơ đồ bố trí mô hình thí nghiệm sóng tràn trong máng sóng được thể hiện trong Hình 1. Các mặt tiếp xúc giữa đê và máng (đặc biệt là giữa bãi và đê) được xử lý đặc biệt bằng vật Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 221 liệu chống thấm đảm bảo không cho nước thẩm thấu qua đê vào trong bể thu nước tràn. Năm đầu đo sóng được sử dụng để xác định chế độ sóng tại các vị trí trước bãi, giữa bãi, và tại chân đê. Trong đó ba đầu đo trước bãi còn được sử dụng để phân tách sóng phản xạ (v ới sóng ngẫu nhiên thì cần ít nhất 03 đầu đo song song để phân tách sóng phản xạ) xác định các tham số sóng đến. Tín hiệu từ các đầu đo sóng được truyền trực tiếp đến và lưu trữ trong máy tính chuyên dụng. Nước tràn qua đê được gom vào bể chứa phía sau đê sau đó được bơm ra để đo tổng thể tích tràn cho từng thí nghiệm. Trong nghiên cứu này chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm với sóng ngẫu nhiên có phổ dạng chuẩn JONSWAP. Đây là d ạng phổ được xem là phù hợp với điều kiện sóng gió ở khu vực biển Đông nước ta. Sóng tới (tạo ra bởi máy tạo sóng) dùng cho thí nghiệm có chiều cao lần lượt là H s = 0.10m, 0.15m, và 0.20m và chu kỳ đỉnh phổ lần lượt là T p = 1.5s, 1.7s, và 2.0s. Ngoài ra, để tạo ra các điều kiện sóng đa dạng do mức độ nông sâu khác nhau trên bãi hai độ sâu nước máng D = 0.55m và 0.60m cũng đã được chọn cho thí nghiệm. Tổng hợp lại chương trình thí nghiệm bao gồm 72 thử nghiệm, kết quả từ ma trận kết hợp đa chiều có lựa chọn của các điều kiện hình học đê, điều kiện bãi, điều kiện sóng, và điều ki ện mực nước như thể hiện ở bảng 1. Thời gian của mỗi thử nghiệm được lấy ít nhất là 1000Tp (1000 con sóng) để đảm bảo dải tần số (chu kỳ) cơ bản của phổ sóng được tạo ra một cách hoàn chỉnh. 3.4. Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc Trình tự cơ bản sau được áp dụng cho mỗi một thử nghiệm: Chuẩn bị thí nghiệm: vệ sinh máng (theo định kỳ), bơm nước và đo mực nước trong máng, xác định vị trí và khoảng cách các đầu đo (nếu có thay đổi), chuẩn bị các thiết bị phụ trợ khác. Hiệu chỉnh các đầu đo sóng: xác định hệ số chuyển đổi cho từng ngày đo (phụ thuộc vào tính chất củ a nước có thể thay đổi từng ngày theo nhiệt độ, thành phần tạp chất, ). Khởi hoạt máy tạo sóng theo file chương trình điều khiển đã lập từ trước. Theo dõi và bắt đầu lưu trữ tín hiệu từ các đầu đo sóng khi sóng trong máng đã đạt tới điều kiện ổn định (khoảng 5 phút sau khi máy tạo sóng hoạt động). Theo dõi và bơm nước từ bể thu nước tràn ra các dụng cụ đo thể tích. Dừng hoạt động của máy tạo sóng sau khi đã đạt thời gian thử nghiệm cần thiết. Đo mực nước trong máng sau thử nghiệm. Xác định tổng lượng nước đã tràn qua đê và thời gian của thử nghiệm Kiểm tra sơ bộ tính hợp lý của các số liệu và lưu trữ số liệu Vào sổ nh ật ký thí nghiệm Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 222 Hình 1: Bố trí mô hình thí nghiệm sóng tràn trong máng sóng Bảng 1: Điều kiện thí nghiệm mô hình nghiên cứu sóng tràn qua đê (không tường đỉnh) Điều kiện bãi (dài FLL, cao FLH) Điều kiện sóng (Hs, Tp) Độ sâu nước trong máng (D) 02FLL × 04FLH = (6.5m 12m) × (0.25m 0.30m 0.35m) 03Hs × 03 Tp = (0.10m 0.15m 0.20m) × (1.5s 1.7s 2.0s) 02D = (0.50m 0.60m) Tổng số thử nghiệm: 168 (kết hợp có lựa chọn) 3.5. Một số kết quả thí nghiệm về lưu lượng tràn trường hợp không tường đỉnh 72 điểm số liệu thực nghiệm cho trường hợp đê không tường đỉnh đã được phân tích và so sánh với phương pháp TAW (2002) nêu trên tương ứng với hai trường hợp sóng vỡ và không vỡ. Các đại lượng không thứ nguyên sau đây đã được sử dụng để vẽ các đồ thị sóng tràn dạng bán logarít. Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 223 Trường hợp sóng vỡ: Trục tung (tỷ lệ logarít): lưu lượng tràn phi thứ nguyên 0 3 0 tan m s q gH α Trục hoành: độ lưu không của đỉnh đê phi thứ nguyên 00 1 c mm R H ξ Trường hợp sóng không vỡ: Trục tung (tỷ lệ logarít): lưu lượng tràn phi thứ nguyên 3 0m q gH Trục hoành: độ lưu không của đỉnh đê phi thứ nguyên 0 c m R H Hình 2: Sóng tràn qua đê không tường đỉnh, sóng vỡ, Tm-1,0 tại chân Hình 3: Sóng tràn qua đê không tường đỉnh, sóng không vỡ, Tm-1,0 tại chân Hình 2 và 3 thể hiện sự so sánh giữa các số liệu thực nghiệm sóng tràn với phương pháp tính toán của TAW (2002), trong đó chu kỳ phổ đặc trưng T m-1,0 được lấy từ số liệu đo đạc ngay tại chân đê. Như đã đề cập ở các phần trước chu kỳ đặc trưng phổ T m-1,0 tại chân đê hiện nay được dùng thay vì T p tại nước sâu trong tính toán sóng tràn. Tuy nhiên T m-1,0 thay đổi phụ thuộc vào tính chất của phổ sóng tại từng vị trí do đó việc xác định chính xác đại lượng này tương đối phức tạp thông qua mô hình toán biến đổi phổ sóng. Vì lý do này TAW (2002) kiến nghị sử dụng quan hệ T p = 1.10T m-1,0 cho trường hợp phổ sóng ở nước sâu có dạng một đỉnh. Hình 4 là kết quả thực nghiệm (kết quả từ các thử nghiệm với nhiều điều kiện sóng và bãi khác nhau) về mối liên hệ giữa T p và T m-1,0 tại các vị trí trước bãi (nước sâu), giữa bãi, và chân đê. Có thể thấy rằng T m-1,0 nhìn chung có xu hướng tăng dần lên so với T p khi sóng tiến dần vào sâu vùng nước nông trước đê. Tại ngay vị trí chân đê tồn tại mối liên hệ T p = (1.10 ∼1.20)T m-1,0 . Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 224 Hình 4: Quan hệ thực nghiệm giữa T p và T m-1,0 tại các vị trí trước bãi, giữa bãi, và chân đê Để đánh giá độ tin cậy của các tính toán khi T m-1,0 được lấy thông qua mối liên hệ với T p , các số liệu sóng tràn được tính toán và vẽ lại với T m-1,0 = T p /1.15, kết quả được thể hiện ở các Hình 5 và 6. Từ các phân tích so sánh được thể hiện trên các hình vẽ chúng ta có thể kết luận rằng đối với trường hợp đê không tường đỉnh phương pháp tính toán sóng tràn của TAW (2002) cho kết quả phù hợp tốt với các số liệu thực nghiệm sóng tràn. Hình 5: Sóng tràn qua đê không tường đỉnh, sóng vỡ, T m-1,0 = T p /1.15 Hình 6: Sóng tràn qua đê không tường đỉnh, sóng không vỡ, T m-1,0 = T p /1.15 4. Kết luận Những kết quả thực nghiệm trên máng cho thấy khá phù hợp với các kết quả tính toán sóng tràn của TAW (2002). Do vậy có thể sử dụng với các đường quan hệ đã được thiết lập để tính toán độ lưu không khi thiết kế cho phép tràn với các lưu lượng khác nhau. Thực nghiệm tiến hành trong điều kiện sóng tràn trên đê mái nhẵn – là trường hợp cho kết quả lớn nhất, nên khi đưa vào ứng dụng trong thực t ế sẽ cho kết quả an toàn nhất. Tuy Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 225 nhiên, cũng cần xem xét ảnh hưởng của mái, vật liệu, góc sóng v.v… để giảm chiều cao của đê hợp lý và kinh tế nhất. Tài liệu tham khảo CEM-US, 2002. Coastal Engineering Manual, U.S. Army Corps of Engineers, Engineer Manual 1110-2- 1100, Washington D.C., USA. EurOtop, 2007. Wave Overtopping of Sea Defences and Related Structures: Assessment Manual, Environment Agency UK/Expertise Netwerk Waterkeren NL/Kuratorium fur Forschung im Kusteningenieurswesen DE. TAW, 2002. Technical report wave run-up and wave overtopping at dikes, Technical Advisory Committee on Flood Defence, The Netherlands. Van Gent, M.R.A., 2001. Wave runup on dikes with shallow foreshores. J. Waterw. Port Coastal Ocean Eng., ASCE, 127, 5, pp. 254-262. . Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 217 Kết quả nghiên cứu sóng tràn trên máng sóng tại Đại học thuỷ lợi Vũ Minh Cát 1 , Thiều Quang Tuấn 1 ,. 3. Một số kết quả thí nghiệm lưu lượng tràn trên máng thí nghiệm tại ĐH Thủy lợi trong trường hợp đê không có tường đỉnh 3.1. Máng sóng Máng sóng sử dụng cho thí nghiệm là máng sóng do Viện. chuẩn sóng leo, nhưng trong thực tế phần lớn đê bị nước tràn dẫn tới sạt lở hoặc vỡ đê khi gặp bão và gió mùa dài ngày. Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm trên máng sóng của Đại học thuỷ lợi