Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA GIẢI PHÁP TƯỜNG ĐỈNH GIẢM SÓNG TRÀN TRÊN ĐÊ BIỂN Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số chuyên ngành: 62 58 40 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Công trình hoàn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Xuân Roanh Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Thiều Quang Tuấn Phản biện 1: TS Trần Văn Sung Phản biện 2: PGS.TS Lê Văn Nghị Phản biện 3: TS Phạm Thanh Hải Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Room – K.1 – Trường Đại học Thủy lợi, địa số 175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội – Việt Nam Vào hồi 8h30 ngày 23 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Do hạn chế điều kiện kinh tế, đê biển nước ta trải qua nhiều lần nâng cấp sửa chữa cao trình đỉnh đê thấp (phổ biến từ 4.0 đến 5.5 m) sóng tràn qua đê bão lớn Nhằm giảm chi phí xây dựng hạn chế sóng tràn, tường đỉnh chắn sóng nằm đỉnh đê dùng nhiều Việt Nam Hiện nay, tường đỉnh xây dựng đê với nhiều dạng kết cấu khác Tuy nhiên, giới Việt Nam việc nghiên cứu chủ yếu dừng lại nghiên cứu đê có tường đỉnh có mặt thẳng đứng phía biển Việc nghiên cứu đê có tường đỉnh có mũi hắt sóng giới hạn chế Việt Nam chưa có nghiên cứu Mặt khác, với hình thức đê biển kết hợp với tường đỉnh việc tính toán thiết kế tường đỉnh đảm bảo ổn định độ bền quan trọng Thực tế cho thấy, ổn định tường đỉnh đê có nguyên nhân chủ yếu áp lực sóng gây Vì việc nghiên cứu, xây dựng công thức xác định áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh đê cần thiết, sở quan trọng để tính toán thiết kế đảm bảo ổn định độ bền cho tường đỉnh Vì lý nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh có mũi hắt đến sóng tràn áp lực sóng lớn tác dụng lên tường cấp thiết mang ý nghĩa quan trọng công tác thiết kế xây dựng đê biển, giảm nhẹ thiên tai biển nước ta Đề tài “Nghiên cứu sở khoa học giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn đê biển” đề xuất để nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận án Mục tiêu nghiên cứu xây dựng sở khoa học cho việc thiết kế tường đỉnh giảm sóng tràn đê biển Hai mục tiêu cụ thể luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh có mũi hắt sóng đến sóng tràn, góp phần nâng cao mức độ tin cậy tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định áp lực sóng lớn lên tường đỉnh sở cho tính toán thiết kế kết cấu tường đỉnh đê Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, mặt trước dốc đứng - Phạm vi nghiên cứu đê biển Bắc Bắc trung - Việt Nam Nội dung nghiên cứu - Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh áp lực sóng lớn lên tường đỉnh đê có sóng tràn qua; - Nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh có mũi hắt đến khả chiết giảm sóng tràn qua đê biển mô hình vật lý máng sóng; - Nghiên cứu áp lực sóng lớn lên tường đỉnh có sóng tràn mô hình vật lý máng sóng; - Áp dụng kết nghiên cứu tính toán đề xuất dạng kết cấu đê biển có tường đỉnh hợp lý cho đê biển huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận Để đạt mục đích nghiên cứu, tác giả tổng hợp, phân tích công trình nghiên cứu nước giới, từ lựa chọn cách tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính đại, phù hợp với điều kiện Việt Nam 5.2 Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng quan, phương pháp thực nghiệm, phương pháp chuyên gia phương pháp nghiên cứu ứng dụng Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Các nghiên cứu tương tác sóng với đê biển có tường đỉnh chưa thật đầy đủ, đặc biệt vấn đề ảnh hưởng mũi hắt sóng tường đỉnh đến khả chiết giảm sóng tràn phương pháp xác định áp lực lớn lên tường Việc hiểu rõ ảnh hưởng mũi hắt sóng tường đỉnh đến sóng tràn xây dựng phương pháp xác định áp lực lớn lên tường đỉnh góp phần nâng cao mức độ tin cậy tính toán thiết kế đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng - Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu cho phép xác định cao trình bố trí hợp lý tường đỉnh đê biển thỏa mãn điệu kiện lưu lượng sóng tràn cho phép Những đóng góp luận án - Đã chứng minh tường đỉnh đê biển có mũi hắt sóng hệ số chiết giảm sóng tràn tốt thềm (tường đỉnh sát mái thượng lưu đê - công thức 2.19); - Đã xây dựng công thức thực nghiệm (công thức 3.17 3.19) xác định tác dụng áp lực sóng lên tường đỉnh Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị, luận án trình bày chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu sóng tràn qua đê biển; Chương 2: Xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng thí nghiệm mô hình vật lý; Chương 3: Nghiên cứu áp lực sóng lớn lên tường đỉnh mô hình vật lý máng sóng; Chương 4: Ứng dụng kết nghiên cứu thiết kế đê biển Hải Ninh – Thanh Hóa CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 1.1 Tổng quan đê biển có tường đỉnh Hiện nay, đê biển có tường đỉnh giải pháp sử dụng phổ biến Việt Nam Điển Hà Tĩnh có khoảng 211.0km đê biển, có 105.16km xây dựng tường đỉnh đê (chiếm 50%) số lượng tường đỉnh có mũi hắt sóng khoảng 47km (chiếm 44%); Thanh Hóa có khoảng 70.4km đê biển Trong đó, đê có tường đỉnh với mũi hắt sóng khoảng 32.3km (chiếm khoảng 46%); Nam Định có 91.0km đê biển, có gần 50km đê biển xây dựng tường đỉnh đê (chiếm 55%), hầu hết tường đỉnh đê thẳng đứng, thềm trước tường; Hải phòng có khoảng 46.9km đê biển, đê có tường đỉnh với mũi hắt sóng chiếm khoảng 50% 1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển Những nghiên cứu sóng tràn qua đê biển tiêu biểu giới kể đến Saville (1955), Owen (1980), De Waal and Van der Meer (1992,1993), TAW (2002), EurOtop (2007) Trong TAW (2002), EurOtop (2007) xây dựng công thức tính toán sóng tràn qua đê biển hoàn chỉnh, với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho đa dạng kết cấu hình học đê có xét đến yếu tố ảnh hưởng khác đến sóng tràn qua đê Hiện kết nghiên cứu sử dụng phổ biến 1.3 Ảnh hưởng tường đỉnh đê Nghiên cứu điển hình phổ biến ảnh hưởng tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển TAW (2002) sau đưa vào EurOtop (2007), Koen Van Doorslear nnk (2015), Thiều Quang Tuấn (2013) Nguyễn Văn Thìn (2014) 1.3.1 Nghiên cứu TAW (2002) Ảnh hưởng tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình phản ánh thông qua hệ số chiết giảm tường đỉnh v Khi tường đỉnh tường thẳng đứng (αw = 900) v = 0.65, mặt tường phía biển nghiêng (αw = 450÷ 900) v = 1.35-0.0078.αw, sóng không vỡ v = 1.0 (không có ảnh hưởng tường) 1.3.2 Nghiên cứu Thiều Quang Tuấn (2009, 2013) Thiều Quang Tuấn (2009, 2013) đề xuất hệ số ảnh hưởng tổng hợp tường tích hệ số ảnh hưởng thành phần chiều cao tường, bề rộng thềm trước đem lại dùng chung cho sóng vỡ sóng không vỡ 1.3.3 Nghiên cứu Nguyễn Văn Thìn (2014) Nguyễn Văn Thìn (2014) tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng Qua làm sáng tỏ chất ảnh hưởng tường đỉnh đến đặc trưng sóng tràn, chứng minh tính ưu việt thềm trước 1.3.4 Nghiên cứu Koen Van Doorslaer nnk (2015) Koen Van Doorslaer nnk (2015) hệ số ảnh hưởng tổng hợp tường tích hệ số ảnh hưởng chiều cao tường, bề rộng thềm trước mũi hắt sóng Tuy nhiên, Koen Van Doorslear nnk (2015) cho ảnh hưởng thềm trước mũi hắt sóng độc lập nhau, thềm trước tăng khả chiết giảm sóng tràn tăng lên ngược lại 1.4 Áp lực sóng lên tường đỉnh đê Nghiên cứu áp lực sóng lên tường đỉnh đê, tiêu biểu kể đến Goda (1985), Oumeraci, H.(2001), Phương pháp CEM -2006, Ramachandran nnk (2012), Xuexue Chen nnk (2014), Kortenhous nnk (2004) Koen Van Doorslaer nnk (2015), Nguyễn Chiến Hoàng Ngọc Tuấn (2011), Nguyễn Văn Thìn (2014) Nhìn chung kết nghiên cứu chưa làm rõ ảnh hưởng chiều cao tường, thềm trước tường đặc biệt tường có mũi hắt sóng đến áp lực sóng Kết luận Chương Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển áp lực sóng lớn tác dụng lên tường đỉnh nhận quan tâm đặc biệt nhà khoa học nước giới Các nghiên cứu sóng tràn qua tường đỉnh chưa xét đến ảnh hưởng mũi hắt sóng đến sóng tràn có xét đến xem ảnh hưởng chiều cao tường, thềm trước tường mũi hắt sóng độc lập Các kết nghiên cứu chưa đánh giá phụ thuộc lẫn ba yếu tố chúng đồng thời xuất Nghiên cứu áp lực sóng lên tường đỉnh thu kết định Tuy nhiên, kết nghiên cứu chưa làm rõ ảnh hưởng chiều cao tường, thềm trước tường đặc biệt tường có mũi hắt sóng đến áp lực sóng Để làm sáng tỏ đầy đủ sở khoa học giải pháp tường đỉnh việc giảm sóng tràn tính toán ổn định độ bền tường đỉnh, góp phần nâng cao chất lượng thiết kế đê biển có tường đỉnh nước ta, luận án tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý nhằm nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh có mũi hắt sóng đến sóng tràn nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định áp lực sóng lớn tác dụng lên tường đỉnh CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG SÓNG TRÀN TRUNG BÌNH QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH VỚI MŨI HẮT SÓNG BẰNG THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ 2.1 Cơ sở lý thuyết chung Cơ sở lý thuyết mô hình xác lập sở lý thuyết tương tự Để mô hình tương tự với nguyên hình cách hoàn toàn cần phải đầy đủ đặc trưng tương tự: hình học, động học động lực học 2.2 Thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 2.2.1 Thiết bị thí nghiệm Các thí nghiệm mô hình vật lý sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh tác giả triển khai máng sóng Phòng thí nghiệm Thủy lực, Trường Đại học Thủy lợi 2.2.2 Mô hình đê tham số thí nghiệm Mô hình đê tham số thí nghiệm có tỷ lệ mô hình vào khoảng (1/10 – 1/20) với tham số cụ thể sau: đê máng sóng có chiều cao 70cm, mái đê phía biển có độ dốc 1/3 1/4, chiều dài bãi trước đê 24.5m có độ dốc i = 1/100 Tường đỉnh đê có chiều cao 6cm; 9cm 12cm làm khối rời cho kết hợp lại với chiều cao tường đỉnh (W) chiều rộng thềm trước (S) thỏa mãn yêu cầu kịch thí nghiệm Tường đỉnh dịch chuyển ra, vào để tạo bề rộng thềm trước tường thí nghiệm S = 0cm, 10cm 25cm Tường đỉnh mũi hắt (β = 00) có mũi hắt với góc hắt β 450, 900, chiều dày mũi hắt giới hạn nghiên cứu hn = 2cm (chiều cao mũi hắt tương đối hn/W tạo 1/3, 2/9 1/6) Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Sóng tới tạo máy tạo sóng dùng thí nghiệm có chiều cao Hm0 0.124m, 0.148m 0.178m Chu kỳ sóng (Tp) 1.422s, 1.730s 2.058s Độ sâu nước máng (D) 0.55m 0.60m 2.3 Phân tích đánh giá kết thí nghiệm 2.3.1 Kiểm định nghiên cứu Thiều Quang Tuấn (2013) trường hợp tường đỉnh mũi hắt sóng Để khẳng định việc kế thừa phương pháp đánh giá ảnh hưởng tường đỉnh đê Thiều Quang Tuấn (2013) cho mục đích nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng mũi hắt sóng tường đến sóng tràn qua đê biển hợp lý, Luận án sử dụng số liệu sóng tràn thí nghiệm ứng với trường hợp mũi hắt ( = 0), tính toán hệ số chiết giảm chiều cao tường bề rộng thềm trước theo Thiều Quang Tuấn (2013), tính toán lại số liệu sóng tràn so sánh với TAW (2002), kết so sánh thể Hình 2.1 Hình 2.2 Kiểm định ảnh hưởng tường đỉnh đến sóng tràn qua đê theo Thiều Quang Tuấn (2013), tường mũi hắt sóng, sóng vỡ Kết luận: kết thể Hình 2.2 cho thấy ảnh hưởng tường đỉnh trường hợp mũi hắt tính toán đủ tin cậy theo phương pháp Thiều Quang Tuấn (2013) Do kế thừa phương pháp làm tảng để mở rộng cho trường hợp tường có mũi hắt sóng 2.3.2 Ảnh hưởng tham số tường có mũi hắt sóng đến sóng tràn Kết phân tích cho thấy tường đỉnh có mũi hắt sóng, lưu lượng sóng tràn qua đê biển giảm đáng kể (Hình 2.3), cần thiết phải kể đến ảnh hưởng mũi hắt sóng hệ số ảnh hưởng tổng hợp v Hình 2.3 Ảnh hưởng mũi hắt tường đỉnh đến sóng tràn qua đê biển 2.3.2.1 Xu ảnh hưởng thềm trước có mũi hắt sóng Để đánh giá thềm trước mũi hắt sóng ảnh hưởng đến sóng tràn độc lập hay phụ thuộc lẫn xuất hiện, tác giả tiến hành phân tích ảnh hưởng thềm trước có mũi hắt sóng Trên sở số liệu thực nghiệm, ảnh hưởng thềm trước mũi hắt sóng đến sóng tràn thể Hình 2.4: Hình 2.4 Ảnh hưởng thềm trước có mũi hắt sóng chiều cao mũi tương đối Kết phân tích phụ thuộc a với chiều rộng thềm tương đối ứng với góc hắt sóng  khác thể Hình 2.6 Hình 2.6 Sự phụ thuộc a với bề rộng thềm góc mũi hắt sóng Có thể rút kết luận sau từ quan hệ Hình 2.6: với góc hắt sóng , a giảm chậm theo quy luật phi tuyến với bề rộng thềm tương đối S/Hm0/0m Giá trị a lớn ứng với trường hợp thềm trước (S = 0); với bề rộng thềm tương đối, a có xu tăng nhanh theo   tăng từ đến 45o sau giảm chậm  tăng từ 45o đến 90o Sự thay đổi a theo  với  > 45o không nhiều, chứng tỏ a đạt giá trị cực đại tương ứng với góc hắt  > 45o Sự tăng giảm a tương tự quy luật hình sin Giá trị góc  đem lại a,max xác định dựa phù hợp hàm a với số liệu thực nghiệm Hình 2.7 Sự phụ thuộc a với bề rộng thềm chiều cao mũi tương đối 11 Tương tự thiết lập quan hệ hệ số a chiều cao tương đối mũi hắt hn/W thể Hình 2.7 Nhìn chung thấy ảnh hưởng chiều cao tương đối mũi hắt có ảnh hưởng yếu đến hệ số chiết giảm tổng hợp Với bề rộng thềm tương đối a giảm chậm hn/W tăng Quan hệ nghịch biến có quy luật tương tự dạng hàm mũ Dựa vào phân tích nêu đưa phương trình quan hệ a với tham số chi phối theo phương trình (2.18) sau: c hệ số kinh nghiệm xác định theo phương pháp hồi quy với số liệu thí nghiệm, n1 n2 (n2 > theo kết phân tích từ Hình 2.8) số xác định theo phương pháp thử dần theo quy luật ảnh hưởng cho đem lại phù hợp hàm Kết phân tích hồi quy nhiều biến sử dụng matlab cho kết hương trình (2.19): Với n2 = 1.5 có nghĩa  = 900/1.5 = 60o ảnh hưởng mũi hắt lớn (tức sin(1.5) = 1.0) Điều phù hợp với nghiên cứu Doorslaer De Rouck (2010) Hình 2.8 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng thềm mũi hắt a So sánh v kết tính toán thực đo thể Hình 2.9 với mức độ phù hợp tốt R2 = 59 % 12 Hình 2.9 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp tường đỉnh có mũi hắt sóng v thực đo tính toán Toàn số liệu thí nghiệm sóng tràn sau kể đến hệ số ảnh hưởng tổng hợp tường đỉnh v xác định theo công thức (2.5) thể Hình 2.10 So sánh kết Hình 2.10 Hình 2.3 thấy việc kể đến ảnh hưởng mũi hắt thông qua hệ số ảnh hưởng tổng hợp mũi hắt thềm trước cải thiện đáng kể mức độ tin cậy tính toán sóng tràn cho trường hợp tường đỉnh đê có mũi hắt sóng Hình 2.10 Sóng tràn qua đê biển với hệ số ảnh hưởng tổng hợp cho tường đỉnh có mũi hắt sóng Kết luận Chương Kết phân tích cho thấy, điều kiện thí nghiệm sóng tràn qua đê trường hợp tường mũi hắt sóng (β = 0) lớn so với trường hợp tường có mũi hắt sóng (β > 0) Khả chiết giảm sóng tràn có xu tăng nhanh góc mũi hắt tăng từ 00 đến 450 giảm chậm lại góc mũi hắt tăng từ 450 đến 900 Với đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, khả để 13 giảm sóng tràn tốt thềm trước (S = 0) Điều hoàn toàn trái ngược với quan sát kết nghiên cứu trước Luận án xây dựng công thức xác định hệ số ảnh hưởng mũi hắt thềm a (công thức 2.19) Từ tích hợp vào công thức Thiều Quang Tuấn (2013) TAW (2002) CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ÁP LỰC SÓNG LỚN NHẤT LÊN TƯỜNG ĐỈNH BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG 3.1 Giới thiệu thiết bị đo áp lực sóng 3.1.1 Đầu đo áp lực Để nghiên cứu áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh, Luận án sử dụng đầu đo áp lực PDB-200KPa gắn vị trí khác theo sơ đồ thí nghiệm PDB-200KPa đầu đo cảm biến chuyên dùng cho áp lực thủy động, sản xuất kiểm định công ty Tokyo Sokki Kenkyujo Co.,Ltd Nhật Bản 3.1.2 Máy đo áp lực (máy đa kênh) Máy đo áp lực sử dụng máy đa kênh SDA-830C Đây loại máy đo áp lực đại, tương thích với nhiều loại đầu đo đầu đo lưu tốc, đầu đo áp suất, đầu đo áp lực đầu đo biến dạng,… Máy SDA-380C cho phép ghi giá trị đo vào máy từ đầu đo với chu kỳ Tđo = 0.01s = 10ms (tần số đo fđo = 100Hz hay 0.01s lấy giá trị) Tđo nhỏ Trong thí nghiệm sử dụng chu kỳ đo máy T đo = 0.01s Tín hiệu hiệu điện quy đổi đơn vị KPa theo thông số kiểm định thiết bị đo công ty Tokyo Sokki Kenkyujo Co.,Ltd 3.2 Các kịch thí nghiệm trình tự thí nghiệm 3.2.1 Các kịch thí nghiệm Quá trình đo áp lực sóng tiến hành song song với trình đo sóng tràn Trong kịch đo áp lực, đầu đo áp lực gắn lên tường Đối với trường hợp tường đỉnh mũi hắt sóng: tường đỉnh 6cm bố trí đầu đo cách chân tường 1cm, 3cm 4.5cm; tường đỉnh 9cm bố trí đầu đo cách chân tường 1cm, 4.5cm 8.5cm; tường đỉnh 12cm bố trí đầu đo cách chân tường 1cm, 6cm 11.5cm Đối với trường hợp tường đỉnh có mũi hắt sóng: tường đỉnh 6cm bố trí đầu đo 14 cách chân tường 1cm 3cm; tường đỉnh 9cm bố trí đầu đo cách chân tường 1cm, 4.5cm 6.5cm; tường đỉnh 12cm bố trí đầu đo cách chân tường 1cm, 6cm 9.5cm 3.2.2 Trình tự thí nghiệm Quá trình đo áp lực tiến hành đồng thời với trình đo sóng tràn Sau kịch thí nghiệm, dừng máy tạo sóng sau đạt thời gian thí nghiệm cần thiết, kiểm tra sơ tính hợp lý số liệu áp lực sóng, tiến hành lưu trữ liệu áp lực sóng vào máy tính 3.3 Phân tích đánh giá kết thí nghiệm 3.3.1 Kết thí nghiệm Khi kịch thí nghiệm thực xong, số liệu thí nghiệm ghi lại dạng hiệu điện (mV) Kết phân tích số liệu cho thấy, áp lực sóng có dạng đỉnh Wagner hai đỉnh (sóng vỡ thoát khí) Không tồn áp lực sóng xung kích dạng Bagnold Chu kỳ dao động đỉnh áp lực vào khoảng 1/10 giây đến hàng giây Điều khẳng định việc sử dụng đầu đo PDB-200KPa với tần số đo 100Hz đủ đáp ứng yêu cầu toán xác định áp lực lớn 3.3.2 Phân tích áp lực sóng lớn Kết phân tích xác định giá trị áp lực sóng lớn p 1/500 (giá trị áp lực sóng lớn 500 đợt tương tác đo được), p1/250 (giá trị áp lực sóng lớn 250 đợt tương tác đo được), p1/100 (giá trị áp lực sóng lớn 100 đợt tương tác đo được),… vị trí đo hợp lực thực tế lớn tác lên tường cho kịch thí nghiệm Fmax Trong luận án, tác giả giới hạn chọn giá trị p1/250 để tiến hành phân tích, xây dựng phương pháp tính toán áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh 3.4 Xây dựng phương pháp tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh Để xây dựng phương pháp tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh, luận án tiến hành xây dựng công thức thực nghiệm xác định áp lực sóng vị trí đặt đầu đo Y = 1cm; 3cm; 4.5cm; 6cm; 6.5cm; 8.5cm; 9.5cm; 11.5cm, sau xây dựng công thức thực nghiệm chung để xác định áp lực sóng vị trí tường đỉnh Để xây dựng công thức thực nghiệm xác định áp lực 15 sóng vị trí đặt đầu đo, luận án tiến hành xây dựng công thức cho vị trí Y = 1cm, sau mở rộng cho vị trí khác 3.4.1 Áp lực sóng vị trí Y = cm Để xác định công thức xác định áp lực sóng vị trí Y = 1cm, luận án tiến hành xây dựng cho trường hợp tường mũi hắt sóng, sau mở rộng cho trường hợp tường có mũi hắt sóng 3.4.1.1 Phân tích tham số chi phối ảnh hưởng đến áp lực sóng tác động lên tường đỉnh vị trí Y = 1cm, trường hợp tường đỉnh mũi hắt sóng Kết cho thấy áp lực sóng tỷ lệ thuận với chiều cao sóng Hm0, chu kỳ sóng Tp độ dốc mái đê phía biển (tan ) Mặt khác, áp lực sóng lại tỷ lệ nghịch với độ cao lưu không (Rc), bề rộng thềm trước tường (S) chiều cao tường (W) 3.4.1.2 Thiết lập phương trình tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh Luận án sử dụng phương pháp PI-BUCKINGHAM để thiết lập phương trình tổng quát thể quan hệ tham số chi phối với áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh vị trí Y = 1cm (công thức 3.7) 3.4.1.3 Xây dựng công thức thực nghiệm vị trí Y = 1cm, tường mũi hắt sóng Từ số liệu thí nghiệm, tiến hành đánh giá ảnh hưởng đại lượng phi thứ nguyên đến p/(gρHm0) vị trí Y = 1cm, trường hợp tường mũi hắt sóng Kết phân tích cho thấy (Hình 3.1): p/(gρHm0) phụ thuộc vào độ cao lưu không tương đối Rc/Hm0 Khi Rc/Hm0 tăng p/(gρHm0) giảm dần theo quy luật hàm mũ; p/(gρHm0) phụ thuộc vào bề rộng thềm tương đối S/H m0 Khi S/Hm0 tăng lên p/(gρHm0) tuân theo quy luật giảm dần theo dạng hàm tang hyperbolic (viết tắt tanh); p/(gρHm0) phụ thuộc nhiều vào số Iribarren ξm (chỉ số sóng vỡ) Khi ξm tăng lên p/(gρHm0) tăng nhanh theo quy luật hàm lũy thừa; p/(gρHm0) phụ thuộc vào chiều cao tường tương đối W/Hm0 Khi W/Hm0 tăng lên p/(gρHm0) giảm dần theo quy luật hàm mũ 16 Hình 3.1 Sự phụ thuộc p/(gρHm0) với Rc/Hm0, W/Hm0, S/Hm0 ξm Dựa vào phân tích nêu trên, phương trình quan hệ p/(gρH m0) với tham số chi phối đề xuất theo phương trình (3.8): Kết phân tích hồi quy nhiều biến sử dụng matlab (Hình 3.2) phương trình (3.9): 17 30 R2 = 0.51 20 p/ ( .g.Hm0 ) 10 p/(.g.Hm0) = 3.70.exp(-0.31.R c /Hm0).exp(-0.31.W/Hm0).tanh(Hm0/S). 1.82 m -10 -20 -30 0.5 1.5 2.5 3.5 exp(-0.31.Rc )/Hm0).exp(-0.31.W/Hm0).tanh(Hm0/S). 1.82 m Hình 3.2 Đường hồi quy áp lực sóng Y = 1cm, tường mũi hắt sóng 3.4.1.4 Tại vị trí Y = 1cm, tường đỉnh có mũi hắt sóng (β > 00) Ảnh hưởng mũi hắt đến áp lực sóng tác dụng lên tường gồm thành phần chiều cao mũi hắt tương đối hn/W góc mũi hắt sóng β Kết phân tích ảnh hưởng β hn/W đến bβ cho thấy góc mũi hắt sóng tăng (β từ 00 đến 900) hệ số gia tăng áp lực bβ tăng lên không nhiều, tăng phù hợp với quy luật hàm sin Chiều cao mũi hắt tương đối tăng lên hệ số gia tăng áp lực tăng lên, tăng có quy luật dạng hàm mũ Kết phân tích hồi quy nhiều biến sử dụng matlab (Hình 3.3) cho xác định công thức áp lực sóng Y = 1cm trường hợp có mũi hắt sóng (công thức 3.15): 30 20 R = 0.50 p/ (  g.Hm0 ) 10 -10 1.82 p/(.g.Hm0) = 3.70.exp(-0.31.Rc/Hm0).exp(-0.31.W/Hm0).tanh(Hm0/S). m exp(0.12.hn/W) / cos(0.25) -20 -30 0.5 1.5 2.5 3.5 1.82 exp(-0.31.Rc/Hm0).exp(-0.31.W/Hm0).tanh(Hm0/S). m exp(0.12.hn/W)/cos(0.25) Hình 3.3 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định áp lực sóng vị trí Y = 1cm xét đến mũi hắt sóng 18 3.4.2 Xây dựng biểu đồ đường bao phân bố áp lực sóng lớn Giả thiết áp lực sóng vị trí tường xác định theo dạng công thức (3.15), công thức tổng quát xác định áp lực sóng vị trí tường viết lại (3.16): với Cp hệ số phân bố áp lực sóng theo chiều cao tường, phụ thuộc vào chiều cao tương đối vị trí tính áp lực chiều cao tường (Y/W) Tại Y = 1cm, theo công thức (3.15) ta có hệ số C1 = 3.70 Phân tích tương tự để tìm hệ số Cp cho vị trí khác ta thu được: vị trí Y = 3cm, hệ số Cp xác định C2 = 4.54; vị trí Y = 4.5cm, hệ số Cp xác định C3 = 3.43; vị trí Y = 6cm, hệ số Cp xác định C4 = 6.03; vị trí Y = 6.5cm, hệ số Cp xác định C5 = 2.49; vị trí Y = 8.5cm, hệ số Cp xác định C6 = 1.57; vị trí Y = 9.5cm, hệ số Cp xác định C7 = 3.19; vị trí Y = 11.5cm, hệ số Cp xác định C8 = 2.21 Từ kết xây dựng quan hệ Cp Y/W công thức (3.17) R2 = 0.63 C p Cp = - 8.85.(Y/W )2 + 7.04.(Y/W ) + 3.07 -2 -4 0.2 0.4 0.6 Y/W 0.8 1.2 Hình 3.4 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định hệ số Cp theo chiều cao tương đối vị trí áp lực chiều cao tường 3.4.3 Xây dựng biểu đồ phân bố áp lực sóng thực tế lớn tác dụng lên tường Từ công thức (3.16, 3.17), ứng với kịch thí nghiệm xác định hợp lực sóng tác dụng lên tường F(p1/250), tiến hành so sánh tương quan với hợp lực sóng lớn tác dụng lên tường theo số liệu thí nghiệm F max (Hình 3.5) 19 Kết phân tích cho thấy quan hệ Fmax F(p1/250) xác định sau: Fmax = 0.63.F(p1/250) (3.18) 160 140 120 Fmax (KN) 100 R2 = 0.69 80 60 40 Fm ax = 0.63.F(p1/250) 20 -20 -40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 F(p1/250) (KN) Hình 3.5 Đường hồi quy xác định tương quan lực lớn (Fmax) lực đồng thời xảy áp lực p1/250 (F(p1/250)) Từ kết công thức (3.18), xây dựng công thức xác định biểu đồ áp lực có hợp lực thực tế tác dụng lên tường lớn sau (3.19): Biểu đồ áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh đê xác định theo công thức (3.19) biểu đồ áp lực kiến nghị để sử dụng cho thiết kế Kết luận Chương Kết từ 324 kịch thí nghiệm mô hình vật lý nghiên cứu áp lực sóng cho thấy, tham số chiều cao sóng thiết kế Hm0, độ cao lưu không Rc ảnh hưởng đến áp lực sóng lên tường đỉnh tham số: độ dốc mái đê phía biển (tanα), thềm trước tường (S), chiều cao tường (W) mũi hắt sóng có ảnh hưởng đáng kể đến áp lực sóng Kết phân tích hồi quy nhiều biến matlap xây dựng công thức thực nghiệm xác định đường bao phân bố áp lực sóng lớn p1/250 (công thức 3.6 3.17) công thức thực nghiệm xác định biểu đồ phân bố áp lực ứng với trường hợp hợp lực thực tế tác dụng lên tường lớn (công thức 3.19) Qua kiến nghị sử dụng biểu đồ phân bố áp lực xác định theo công thức (3.17 3.19) để tính toán thiết kế tường đỉnh đê 20 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THIẾT KẾ ĐÊ BIỂN HẢI NINH – THANH HÓA 4.1 Chọn địa điểm áp dụng Luận án lựa chọn địa điểm áp dụng tuyến đê biển Hải Ninh, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa (gọi tắt đê biển Hải Ninh) Với thông số kỹ thuật thiết kế sau: MNTK = +3.10m; chiều cao sóng Hm0 = 1.23m; chu kỳ sóng Tp = 5.47s Cao trình đỉnh tường đỉnh: +5.2m; Cao trình mặt đê: +4.2; Bề rộng mặt đê: Bđỉnh đê = 6.0m; Hệ số mái phía biển mb = 4.0, phía đồng mđ = 2.0 4.2 Ứng dụng kết nghiên cứu thiết kế mặt cắt đê Hải Ninh 4.2.3 Xác định cao trình đỉnh đê Để xác định mặt cắt đê có tường đỉnh hợp lý điều kiện sóng tràn, luận án đưa số kịch để tính toán sau: W = 1m, S = 0; 1; 3; 5m β = 0; 300; 450; 600; 900 Kết cho thấy, mặt cắt đê có lợi điều kiện sóng tràn trường hợp W = 1m; S = 0; β = 600 với cao trình đỉnh tường +4.64m Từ đề xuất mặt cắt đê Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.1 Mặt cắt ngang đê biển Hải Ninh (theo phương án đề xuất) Hình 4.2 Chi tiết tường đỉnh đê 21 4.2.4 Đánh giá hiệu phương án thiết kế Để đánh giá hiệu công thức tính sóng tràn xét đến mũi hắt sóng, với điều kiện: W = 1m, S = 0, β = 600 luận án so sánh cao trình đỉnh đê theo kết nghiên cứu (công thức 2.19), theo Thiều Quang Tuấn (2013) theo TAW (2002) Kết so sánh Bảng 4.1: Bảng 4.1 Kết so sánh cao trình đỉnh đê Phương pháp tính Cao trình đỉnh đê TAW (2002) Thiều Quang Tuấn (2013) 5.20m 4.98m Kết nghiên cứu 4.64m Từ Bảng 4.1 ta thấy, theo phương án đề xuất kết nghiên cứu cao trình đỉnh đê thấp +0.34m so với tính toán theo phương pháp Thiều Quang Tuấn (2013) thấp 0.56m so với công trình thực tế xây dựng (tính theo TAW (2002)) Với điều kiện đảm bảo sóng tràn mà giảm cao trình đỉnh đê, cho thấy áp dụng kết nghiên cứu giảm khối lượng vật liệu, giảm giá thành xây dựng đê biển 4.3 Kiểm tra ổn định tường đỉnh theo kết nghiên cứu 4.3.1 So sánh kết xác định áp lực sóng Với mặt cắt đề xuất (W = 1m; S = 0; β = 60o), luận án tiến hành so sánh áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh theo kết nghiên cứu (công thức 3.19) theo Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9901:2014 Kết tính toán vẽ đồ thị Hình 4.3: Hình 4.3 Biểu đồ áp lực sóng lên tường đỉnh đê Hải Ninh 22 Từ kết Hình 4.3 rút kết luận: trường hợp tính toán áp lực sóng tính theo kết nghiên cứu (công thức 3.17 3.19) lớn nhiều so với tính theo TCVN 9901:2014 Cụ thể: lực tổng hợp áp lực sóng tác dụng lên tường tính theo TCVN 9901:2014 2.199KN/m tính theo công thức (3.17 3.19) 4.329KN/m (tăng lần); điểm đặt lực tính theo TCVN 9901:2014 cách chân tường khoảng 1/3 chiều cao tường, tính theo công thức (3.17 3.19) có xu hướng dịch gần lên đoạn tường Điều giải thích công thức (3.17 3.19) xét đến đầy đủ yếu tố ảnh hưởng đến áp lực sóng (đặc biệt mũi hắt sóng), giúp cho áp lực sóng tác dụng lên tường gần với thực tế Qua cho thấy tính toán thiết kế đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, việc xét đến ảnh hưởng mũi hắt sóng đến áp lực sóng cần thiết để đảm bảo điều kiện cho đê biển an toàn 4.3.2 Kiểm tra ổn định tường đỉnh đê Luận án sử dụng công thức (3.17 3.19) kiểm tra ổn định cho tường đỉnh đê biển Hải Ninh, kết cho thấy hoàn toàn áp dụng công thức (3.17 3.19) cho việc tính toán thiết kế đê biển Kết luận Chương 4: Kết nghiên cứu lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng (công thức 2.19) áp dụng vào tính toán lựa chọn hình dạng kết cấu đê có tường đỉnh hợp lý điều kiện kinh tế (chiều cao tường W = 1m, tường có mũi hắt sóng với góc hắt sóng 60 thềm trước) Qua đề xuất dạng kết cấu đê hợp lý cho đê biển Hải Ninh Kết nghiên cứu tính toán áp lực sóng theo phương pháp (công thức 3.17 3.19) so sánh với TCVN 9901:2014 Kết cho thấy tính toán áp lực sóng theo phương pháp cho kết lớn nhiều so với tính toán theo TCVN 9901:2014 (cụ thể trường hợp tính toán lực tổng hợp áp lực sóng lên tường theo phương pháp tăng lần so với tính toán theo TCVN 9901:2014) điểm đặt hợp lực áp lực sóng lên tường theo phương pháp có xu hướng cao so với tính theo TCVN 9901:2014 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt luận án 1) Nghiên cứu tổng quan: Luận án nêu tổng quan tình hình nghiên cứu sóng tràn qua đê biển giới, Việt Nam Các nghiên cứu sóng tràn qua đê hầu hết chưa xét đến khả chiết giảm sóng tràn mũi hắt tường đỉnh Những nghiên cứu áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh đê chưa xét đến tham số ảnh hưởng đến áp lực sóng chiều cao tường, thềm trước tường trường hợp tường có mũi hắt sóng 2) Nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý: xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm sóng tràn mũi hắt sóng (công thức 2.19) phương pháp xác định biểu đồ phân bố áp lực sóng ứng với trường hợp hợp lực tác dụng lên tường lớn với yếu tố sóng, chiều cao tường, chiều rộng thềm trước mũi hắt sóng (công thức 3.17 3.19) 3) Nghiên cứu ứng dụng vào công trình thực tế: thông qua kết nghiên cứu sóng tràn, luận án đề xuất mặt cắt ngang đê biển có tường đỉnh hợp lý điều kiện kinh tế đảm bảo điều kiện sóng tràn cho đê biển Hải Ninh – Tĩnh Gia – Thanh Hóa so sánh áp lực sóng tác dụng lên tường phương pháp (công thức 3.17 3.19) TCVN 9901:2014 Qua việc tính toán theo kết nghiên cứu (công thức 3.17 3.19) thiên an toàn cho công trình Những vấn đề tồn cần nghiên cứu tiếp - Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng dạng tường cong, mũi hắt cong; - Tiếp tục xem xét đầy đủ trình vật lý liên quan ảnh hưởng gió bão để kết sát so với thực tế Kiến nghị - Tiếp tục đầu tư nghiên cứu hoàn thiện đóng góp luận án để sớm áp dụng vào đào tạo, nghiên cứu thiết kế đê biển nay; - Tiếp tục đầu tư cho nghiên cứu bổ sung thêm thí nghiệm cho dạng tường đỉnh khác tường cong, mũi hắt cong, 24 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Nguyễn Văn Dũng, Thiều Quang Tuấn, Lê Xuân Roanh, Nguyễn Văn Thìn, “Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng mũi hắt sóng đến lưu lượng tràn qua đê biển có tường đỉnh”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, Số 53 (6/2016) Nguyễn Văn Dũng, Thiều Quang Tuấn, Lê Xuân Roanh,“Nghiên cứu ảnh hưởng mũi hắt đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, Số 50 (9/2015) Lê Xuân Roanh, Nguyễn Văn Dũng,“Chiều cao sóng thiết kế công trình biển cần xem xét thêm yếu tố địa hình (3 chiều) để đảm bảo độ xác”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, Số đặc biệt (11/2013) Hồ Hồng Sao, Nguyễn Văn Dũng,“Nghiên cứu hiệu giảm sóng đê chắn sóng hình hộp cho khu trú bão tàu thuyền mô hình vật lý”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường, Số đặc biệt (11-2011) Nguyen Van Dung, Thieu Quang Tuan, Le Xuan Roanh, Nguyen Van Thin,“Research effects of crown-walls having nose to wave overtopping discharges though sea-dikes”, ICSCE-2016 International Conference, Hanoi, Vietnam-26-27 Nov 2016 Nguyen Van Dung, Thieu Quang Tuan, Le Xuan Roanh,“Physical study with a wave flume on the impact of wave returning nose on wave overtopping at sea-dikes”, Vietnam-Japan Workshop on Estuaries, Coasts and Rivers 2015, September 22nd -23rd, Hoi An, Vietnam Le Xuan Roanh, Nguyen Van Dung, “Công nghệ xử lý công trình biển giải pháp áp dụng thực tế móng đập phá sóng Dung QuấtQuảng Ngãi”, Hội nghị khoa học học thủy khí toàn quốc năm 2012” 25 ... giảm nhẹ thiên tai biển nước ta Đề tài Nghiên cứu sở khoa học giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn đê biển đề xuất để nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận án Mục tiêu nghiên cứu xây dựng sở khoa. .. qua đê biển có tường đỉnh áp lực sóng lớn lên tường đỉnh đê có sóng tràn qua; - Nghiên cứu ảnh hưởng tường đỉnh có mũi hắt đến khả chiết giảm sóng tràn qua đê biển mô hình vật lý máng sóng; - Nghiên. .. tượng nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, mặt trước dốc đứng - Phạm vi nghiên cứu đê biển Bắc Bắc trung - Việt Nam Nội dung nghiên cứu - Tổng quan nghiên cứu sóng tràn