Nghiên cứu khả năng xây dựng và ảnh hưởng của tường ngầm lên biến động thủy động lực và hình thái ven bờ biển Nam Định

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐHQGHN Mạc Văn Dân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÂY DỰNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG NGẦM LÊN BIẾN ĐỘNG THỦY ĐỘNG LỰC VÀ HÌNH THÁI VEN BỜ BIỂN NAM ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐHQGHN Mạc Văn Dân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÂY DỰNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG NGẦM LÊN BIẾN ĐỘNG THỦY ĐỘNG LỰC VÀ HÌNH THÁI VEN BỜ BIỂN NAM ĐỊNH Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60 44 02 28 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. Đinh Văn Ưu Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn “ Nghiên cứu khả năng xây dựng và ảnh hưởng của tường ngầm lên biến động thủy động lực và hình thái ven bờ biển Nam Đinh” được học viên Mạc Văn Dân thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Đinh Văn Ưu.Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã học hỏi và nắm bắt được rất nhiều lý thuyết cũng như các vấn đề liên quan đến tường phá sóng. Tác giả xin chân thành cám ơn phòng Đạo tạo Đại học và sau Đại học khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải Dương Học, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất cho học viên trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn GS.TS.Đinh Văn Ưu đã tận tình định hướng, hướng dẫn tác giả để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cám ơn các thầy trong bộ môn, các anh chị em đồng nghiệp đã nhiệt tình tham gia, góp ý để tác giả hoàn thành luận văn đạt chất lượng tốt nhất. Xin trân trọng cám ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Tác giả Mạc Văn Dân LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu trung thực, chưa được công bố trong công trình khoa học nào, các thông tin tài liệu phục vụ nghiên cứu đã được trích dẫn và ghi rõ nguồn gốc. Tác giả Mạc Văn Dân 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 4 Chương I: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG PHÁ SÓNG 6 1.1.Khái quát chung và phân loại TPS 6 1.2. Các tham số của TPS 8 1.3. Cấu kiện thường sử dụng với TPS 10 Chương II: NGHIÊN CỨU TPS TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ 11 2.1. Ảnh hưởng của các tham số tường phá sóng đến hệ số giảm sóng 11 2.2. Nghiên cứu hệ số giảm sóng qua TPS 19 2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của TPS tới hình thái đường bờ 23 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA TPS TỚI CHẾ ĐỘ ĐỘNG LỰC VÀ DIỄN BIẾN HÌNH THÁI BẰNG MÔ HÌNH TOÁN 26 3.1. Ảnh hưởng của TPS tới trường sóng sau công trình 26 3.2. Ảnh hưởng của TPS diễn biến hình thái đường bờ 36 3.3. Đánh giá ảnh hưởng của hệ số giảm sóng K t tới sự biến động bãi sau TPS 44 3.4. Đánh giá sai số giữa hai phương pháp mô hình toán và mô hình vật lí (công thức thực nghiệm) 45 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG QUY TRÌNH ỨNG DỤNG VÀ ÁP DỤNG ĐỐI VỚI KHU VỰC BỜ BIỂN NAM ĐỊNH 46 4.1. Quy trình áp dụng 46 4.2. Áp dụng cho khu vực ven biển Nam Định 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 TÀI LIỆU THAO KHẢO 55 2 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1a. Xây TPS với mục đích bảo vệ cảng biển 6 Hình 1.1b. Xây TPS với mục đích bảo vệ bờ biển bị xói 6 Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống tường giảm sóng 7 Hình 1.3. Một số dạng kết cấu tường phá sóng 8 Hình 1.4. Mô tả các tham số của TPS phá sóng mặt bằng và mặt đứng 9 Hình 1.5. Tổng quan các loại cấu kiện kết hợp với TPS 10 Hình 2.1. Sóng truyền qua TPS 11 Hình 2.2. Quan hệ giữa bề rộng TPS và hệ số giảm sóng trong hai trường hợp độ sâu h =5.8m và h = 4.7m 13 Hình 2.3. Quan hệ thực nghiệm giữa Kt và Rc trong seri thí nghiệm trên mô hình vật lí với bãi và các điều kiện thủy lực tại Nam Định 14 Hình 2.4. Quan hệ giữa K t và độ dốc sóng khi tỉ lệ d/h thay đổi 15 Hình 2.5. Các kết cấu TPS với cấu kiện 16 Hình 2.6. Kết cấu TPS có lõi Geotube 16 Hình 2.7. Các trường hợp sắp xếp cấu kiện thí nghiệm 16 Hình 2.8. Quan hệ giữa độ dốc sóng và k t trong các PA sắp xếp cấu kiện 17 Hình 2.9. Minh họa hai loại TPS phá sóng với lõi được làm bằng công nghệ GeoTube và lõi được làm bằng bê tông 17 Hình 2.10. Hệ số giảm sóng trong hai trường hợp tường thường và tường có lõi sử dụng công nghệ Geotube 18 Hình 2.11. Hai hình thái điển hình cho diễn biến đường bờ sau TPS 23 Hình 2.12a. Các tham số đánh giá diễn biến hình thái đường bờ sau TPS 23 Hình 2.12b. Ví dụ cho quan hệ giữa các tham số hình thái bãi bồi sau tường 23 Hình 3.1. Lựa chọn mặt cắt dọc bờ và vuông góc với bờ trên lưới tính 27 Hình 3.2a-d. Trường sóng trong các trường hợp chiều dài tường thay đổi 28 Hình 3.3. Biến đổi chiều cao sóng quanh tường theo mặt cắt Y 29 Hình 3.4. Quan hệ giữa chiều dài TPS và hệ số giảm sóng 30 Hình 3.5a-d. Thay đổi trường sóng khi thay đổi độ rộng khe giữa các tường 31 3 Hình 3.6. Biến thiên chiều cao sóng tại mặt cắt X =1700 trong các trường hợp thay đổi khe rộng giữa các tường G 31 Hình 3.7a-f. Thay đổi trường sóng khi thay đổi góc sóng tới 33 Hình 3.8. Biến thiên chiều cao sóng tại mặt cắt Y vuông góc với TPS, ứng với các hướng sóng tới khác nhau khu vực quanh TPS 33 Hình 3.9. Quan hệ giữa hệ số giảm sóng Kt và góc sóng tới 34 Hình 3.10a-b. Trường sóng trong hai trường hợp MN = 0.5m và MN = 1.5m 34 Hình 3.11. Quan hệ giữa hệ số giảm sóng Kt và MN 35 Hình 3.12a-d: Hình thái đường bờ sau 5 năm ứng với các trường hợp Ls khác nhau 37 Hình 3.13. So sánh diễn biến hình thái đường bờ 31/12/2017 ứng với các trường hợp chiều dài tường khác nhau 38 Hình 3.14. Phân tích xu thế bồi xói khi thay đổi Ls (chiều dài tường) 38 Hình 3.15a-f. Diễn biến hình thái đường bờ sau 5 năm ứng với các trường hợp thay đổi khoảng cách X từ TPS đến đường bờ ban đầu 40 Hình 3.16. Diễn biến hình thái đường bờ sau 5 năm khi thay đổi x 41 Hình 3.17. Phân tích xu thế bồi xói khi thay đổi khoảng cách x giữa TPS phá sóng và đường bờ ban đầu 41 Hình 3.18. Diễn biến hình thái đường bờ sau 5 năm ứng với các trường hợp thay đổi khoảng cách G giữa các TPS 42 Hình 3.19. Hình thái đường bờ sau năm ứng với các trường hợp thay đổi độ rộng khe hở giữa các tường từ 25m đến 150m 43 Hình 3.20. Phân tích diễn biến bồi xói khi thay đổi độ rông khe giữa các tường từ 25m đến 150m. 43 Hình 3.21. Diễn biến bãi sau TPS sau 5 năm ứng với các giá trị K t của tường giảm sóng khác nhau 44 Hình 3.22. Diện tích bãi bồi sau TPS sau thời gian tính toán 5 năm ứng với các giá trị K t khác nhau 44 Hình 3.23. So sánh kết quả tính toán hệ số giảm sóng K t bằng hai phương pháp MHT và công thức thực nghiệm 45 4 Hình 3.24. So sánh kết quả tính toán tham số X off bằng hai phương pháp MHT và công thức thực nghiệm 45 Hình 4.1. Hiện trạng các cụm công trình bảo vệ bờ Nam Định 47 Hình 4.2. Hiện trạng công trình cụm I – 13 kè chữ T quanh cống Thanh Niên 48 Hình 4.3. Hiện trạng cụm công trình II – 9 kè chữ T tại xã Hải Chính 48 Hình 4.4. Hiện trạng cụm công trình III – 5 kè chữ T tại bãi tắm Thịnh Long 48 Hình 4.5. Hiện trạng cụm công trình IV – 9 kè chữ T tại xã Nghĩa Phúc 48 Hình 4.6. Phương án công trình thực trang khu vực Thịnh Long 51 Hình 4.7. Phương án bố trí TPS bảo vệ khu vực Thịnh Long 51 Hình 4.8. Kết cấu tường ngầm bảo vệ khu vực Thịnh Long 51 Hình 4.9. Kết quả kiểm định mô hình biến động đường bờ 2006-2012 tại bãi Thịnh Long 53 Hình 4.10. Kết quả tính biến động đường bờ với PA đề xuất 53 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Kết quả thí nghiệm quá trình truyền sóng qua TPS 12 Bảng 2.2. Kết quả thí nghiệm quá trình giảm sóng qua TPS 14 Bảng 2.3. Thống kê các thí nghiệm trên thế giới 21 Bảng 3.1. Kết quả tính toán Kt trong các trường hợp thay đổi chiều dài L 29 Bảng 3.2. Thống kê phương trình quan hệ trong các trường hợp thay đổi các tham số liên quan tới hệ số giảm sóng của TPS 35 5 MỞ ĐẦU Tường phá sóng là loại công trình bảo vệ bờ được ứng dụng khá phổ biến trên thế giới trong lĩnh vực bảo vệ và chỉnh trị bờ biển.TPS thường đặt tại các khu vực bờ biển bị xói nhằm hạn chế quá trình xói lở và thay vào đó là sự hình thành các Tombolo đằng sau TPS, tạo hình thái bãi mới. Trên thế giới cũng đã có nhiều nghiên cứu trên mô hình toán cũng như mô hình vật lí về công năng của TPS với các thông số và chất liệu tường khác nhau.Không những thế, hiệu quả giảm sóng, tạo bãi bồi bảo vệ bờ của TPS đã được minh chứng qua nhiều công trình thực tế trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tuy nhiên, để lựa chọn được bộ tham số TPS bao gồm bề rộng tường, chiều dài tường, số lượng tường, khe hở giữa các tường… và cả giải pháp thi công tường hợp lí, phù hợp với từng vùng rất cần thiết phải có một quy trình tính toán và thử nghiệm để có thể phát huy tối đa công dụng của tường. Dựa trên cơ sở tổng hợp các kết quả đã nghiên cứu trên thế giới kết hợp với việc chạy thử nghiệm các phương án trên mô hình động lực và mô hình diễn biến hình thái luận văn này xây dựng quy trình lựa chọn các tham số TPS thích hợp cho từng khu vực sao cho phát huy tối đa tác dụng của tường.Quy trình này được thử nghiệm áp dụng cho việc lựa chọn công trình tại khu vực bãi biển Nam Định. 6 Chương I: TỔNG QUAN VỀTƯỜNG PHÁ SÓNG 1.1. Khái quát chung và phân loại TPS 1.1.1. Khái quát chung Tường phá sóng là những công trình xây dựng trên bờ biển với mục đích bảo vệ bờ hoặc bảo vệ bến cảng, neo đậu tàu thuyền.Các hiện tượng sóng đổ, nhiễu xạ sóng, hấp thụ sóng sẽ xảy ra khi sóng truyền qua TPS tiến vào bờ, chính các hiện tượng này sẽ tiêu hao năng lượng của sóng từ đó làm giảm cường độ tác động của sóng ở vùng ven bờ.Tùy với từng mục đích khác nhau, sẽ có những lựa chọn các tham số TPS tương ứng.Thông thường với những khu vực xây tường với mục đích bảo vệ bãi chống xói mòn thường xây dựng tường với kích thước nhỏ, số lượng tường lớn trải dài song song theo bãi biển, ngược lại khi xây tường với mục đích bảo vệ cảng biển, nơi ẩn náu tàu bè, kích thước tường sẽ có quy mô lớn hơn.Ở hình 1.1a và 1.1b minh họa hai mục đích xây TPS khác nhau. Hình 1.1a. Xây TPS với mục đích bảo vệ cảng biển Hình 1.1b. Xây TPS với mục đích bảo vệ bờ biển bị xói Trong trường hợp có trường sóng tác dụng chủ yếu vuông góc với bờ, gây chuyển động bùn cát theo phương vuông góc với bờ thì cần bố trí tường giảm sóng, là loại công trình song song với đường bờ, như hình 1.2 thể hiện. Khi tường giảm sóng kết hợp với hệ thống mỏ hàn trở thành hệ thống công trình phối hợp ngăn cát giảm sóng. [...]... cuội 25,100 24,0.5 22 tan 2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của TPS tới hình thái đường bờ Khi TPS được đặt trên bãi biển, dù là loại tường không ngập nước hay loại tường ngập nước đều sẽ có ảnh hưởng tới diễn biến hình thái đường bờ Tùy thuộc vào các tham số của tường như chiều dài tường, độ rộng tường, khoảng cách giữa tường và đường bờ mà ảnh hưởng của tường đến hình thái đường bờ sẽ có những nét khác nhau... quả của TPS Thông thường có hai phương pháp để nghiên cứu tác động của TPS, đó là sử dụng mô hình vật lí và mô hình toán.Mô hình vật lí giúp ta nghiên cứu chi tiết quá trình truyền sóng qua TPS, nghiên cứu quá trình ổn định của TPS và đặc biệt có thể nghiên cứu quá trình ổn định của TPS đối với từng loại cấu kiện.Còn mô hình toán, cho ta bức tranh tổng thể về quá trình động lực học và diễn biến hình thái. .. các tham số của TPS nhằm đưa ra một bộ thông số phù hợp nhất với khu vực nghiên cứu Ở chương này, trình bày các kết quả nghiên cứu sự thay đổi bức tranh động lực và diễn biến hình thái đường bờ sử dụng mô hình tính sóng STWAVE và mô hình biến động đường bờ GENESIS 3.1 Ảnh hưởng của TPStới trường sóng sau công trình Khi ta đặt TPS trên bãi, tường sẽ có ảnh hưởng làm thay đổi chế độ sóng ven bờ do hiện... thay đổi hình thái đó được chia làm hai loại là Tombolo và Salient (Bãi nổi) Hình 2.11 Hai hình thái điển hình cho diễn biến đường bờ sau TPS 5.0 Xoff / Ls 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Ls / X Hình 2.12a Các tham số đánh giá diễn biến hình thái đường bờ sau TPS Hình 2.12b Ví dụ cho quan hệ giữa các tham số hình thái bãi bồi sau tường Hình 2.11 trực quan hóa hai loại hình thái điển hình sau... cao của tường, h - độ sâu mực nước tại vị trí đặt tường, Rc - khoảng cách từ đỉnh tường tới mặt nước; B - bề rộng đỉnh đê; α - độc dốc mái đê 2.1.1 Ảnh hưởng của bề rộng TPS tới khả năng giảm sóng Kết quả nghiên cứu được công bố đầu tiên về ảnh hưởng của bề rộng TPS (B) đến khả năng giảm sóng của TPS Tanaka (1976) và Uda (1988) Để minh chứng rõ nét hơn ảnh hưởng này ta xét thêm seri thí nghiệm của. .. công trình, tuy nhiên với mô hình toán ta không thể nghiên cứu sự ổn định của TPS.Chính vì vậy, để có được những kết luận chính xác nhất cần có sự kết hợp cả mô hình toán và mô hình vật lí trong quá trình nghiên cứu tác động của TPS 2.1 Ảnh hưởng của các tham số tường phá sóng đến hệ số giảm sóng Hệ số giảm sóng của TPSkt là đại lượng đặc trưng cho khả năng giảm sóng của tường. kt được tính theo công... mặt cắt có hướng vuông góc với bờ có Y = 1700 m 27 3.1.2 Đánh giá ảnh hưởng của chiều dài tường tới trường sóng ven bờ a/Bãi không có TPS b/ Bãi có tường dài 50m c/ Bãi có tường dài 100m d/ Bãi có tường dài 200m Thang chiều cao sóng (m) Hình 3.2a-d Trường sóng trong các trường hợp chiều dài tường thay đổi Để đánh giá ảnh hưởng của chiều dài tường tới trường sóng ven bờ, ta tiến hành tính toán với điều... TPS (B) 11) Giá trị lưu không (Rc) 12) Hình dạng TPS 13) Cấu kiện sử dụng Hình 1.4 Mô tả các tham số của TPS phá sóngmặt bằng và mặt đứng Do vậy, hiệu quả của công trình phá sóng và ảnh hưởng của chúng tới bờ và công trình bảo vệ bờ biển phụ thuộc vào hai nhóm yếu tố chính là đặc trưng thống kê các tham số động lực tại khu vực công trình (sóng, dòng chảy, mực nước) và bố trí mặt bằng công trình 9 Hầu... tham số của TPS, các tham số này ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả của TPS.Chính vì vậy trước khi quyết định sử dụng loại công 8 trình này cần nghiên cứu và tính toán để đưa ra các tham số hợp lí, phát huy tối đa công dụng của công trình Tác động của công trình phá sóng và phản ứng của đường bờ với TPS được khống chế bởi 13 yếu tố (Hanson và Kraus - 1989): 1) Khoảng cách cách bờ (X) 2) Chiều dài của công... -0.348+0.043X/Ls+0.711Ls/X Chiều dài lớn nhất của bãi bồi sau đê chắn sóng tính từ bờ yoffđược ước tính theo hệ thức của Suh và Dalrymple (1987): Yoff 14.8 X  GX exp  2.83 (GX ) / Ls 2 2 Ls  25 Chương III: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA TPS TỚI CHẾ ĐỘ ĐỘNG LỰC VÀ DIỄN BIẾN HÌNH THÁI BẰNG MÔ HÌNH TOÁN Chương II, tổng quan những nghiên cứu trên thế giới về TPSsử dụng phương pháp mô hình vật lí Đây là cơ sở để ta có . NHIÊN - ĐHQGHN Mạc Văn Dân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÂY DỰNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG NGẦM LÊN BIẾN ĐỘNG THỦY ĐỘNG LỰC VÀ HÌNH THÁI VEN BỜ BIỂN NAM ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC . NHIÊN - ĐHQGHN Mạc Văn Dân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÂY DỰNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG NGẦM LÊN BIẾN ĐỘNG THỦY ĐỘNG LỰC VÀ HÌNH THÁI VEN BỜ BIỂN NAM ĐỊNH Chuyên ngành: Hải dương học Mã. Luận văn “ Nghiên cứu khả năng xây dựng và ảnh hưởng của tường ngầm lên biến động thủy động lực và hình thái ven bờ biển Nam Đinh” được học viên Mạc Văn Dân thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TS.