Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán hệ số truyền sóng qua đê ngầm dạng rỗng bằng mô hình vật lý

Một chuỗi 140 kịch bản thí nghiệm đã được tiến hành trên mô hình vật lý (tỷ lệ 1/15) trong máng sóng thủy lực, lần lượt cho 04 kiểu hình đê giảm sóng ngầm dạng rỗng phi truyền thống. Từ kết quả thí nghiệm đã phân tích và đánh giá được các tham số chi phối chính đến hệ số truyền sóng Kt qua đê, đồng thời xây dựng được 1 công thức thực nghiệm tính toán hệ số Kt phản ảnh đầy đủ các tham số chi phối chính đến hiệu quả giảm sóng.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN HỆ SỐ TRUYỀN SĨNG QUA ĐÊ NGẦM DẠNG RỖNG BẰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ Nguyễn Anh Tiến, Trịnh Công Dân, Lại Phước Quý Viện Kỹ thuật Biển Thiều Quang Tuấn Đại học Thủy lợi Hà Nội Tóm tắt: Một chuỗi 140 kịch thí nghiệm tiến hành mơ hình vật lý (tỷ lệ 1/15) máng sóng thủy lực, cho 04 kiểu hình đê giảm sóng ngầm dạng rỗng phi truyền thống Từ kết thí nghiệm phân tích đánh giá tham số chi phối đến hệ số truyền sóng Kt qua đê, đồng thời xây dựng cơng thức thực nghiệm tính tốn hệ số Kt phản ảnh đầy đủ tham số chi phối đến hiệu giảm sóng Kết nghiên cứu cho thấy rằng, khơng kích thước hình học đê ngầm ảnh hưởng lên hệ số tiêu giảm sóng mà đặc trưng sóng tới (Hs, Tp,), độ ngập đỉnh đê ảnh hưởng tương tác sóng với mái đê thơng qua giá trị độ dốc sóng vị trí cơng trình (sm) ảnh hưởng đáng kể đến hiệu giảm sóng đê ngầm Từ khóa: Đê ngầm dạng rỗng, hệ số truyền sóng, mơ hình vật lý, cơng thức thực nghiệm Abstract: A series of 140 physical experiments (scale 1/15) have been carried out to test models of unconventional submerged breakwater in hydraulic wave tank Recorded data have been anaylized and evaluated to define key factors influence transmission coefficency Kt, as the result an empirical equation of Kt has been proposed The outcome has also shown that not only structural geometry but also oceanographic conditions (Hs, Tp), submerged level and also wave impact on slope via wave slope parameter (sm) could alternate wave dissipitation coefficient of the unconventional submerged breakwater Keywords: Permeable breakwater, transmission coefficiency, physical experiment, empirical equation ĐẶT VẤN ĐỀ* Đê giảm sóng dạng cơng trình chủ động nhiều nước phát triển giới Mỹ, Nhật Bản, Pháp, Anh, Ý,… ứng dụng để bảo vệ bờ biển hiệu mang lại vượt trội so với dạng cơng trình khác mỏ hàn biển, kè biển,….Giải pháp xem đáp ứng tiêu chí đa mục tiêu giảm sóng, gây bồi tạo bãi, phục hồi lại rừng ngập mặn, đồng thời giảm thiểu tối đa tác động tiêu cực đến môi trường tự nhiên Ngày nhận bài: 25/6/2018 Ngày thông qua phản biện: 02/08/2018 Ngày duyệt đăng: 12/08/2018 sau xây dựng cơng trình Ở Việt Nam, nói chung có xu hướng chuyển đổi cơng trình bảo vệ bờ có tính truyền thống kè mái nghiêng để thử nghiệm dạng cơng trình giảm sóng với nhiều loại hình vật liệu kết cấu khác để bảo vệ bờ biển bị xói lở Nam Định, Hải Phịng, Bình Thuận, Tiền Giang, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang [4][6][11][12][13][14][16] Tuy nhiên, cơng trình giảm sóng xây dựng thử nghiệm chủ yếu tham khảo vận dụng theo cơng trình thực tiễn xây dựng thành cơng giới Trong tính TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ tốn thiết kế chưa xem xét đánh giá định lượng hiệu giảm sóng hay đánh giá tham số kỹ thuật chi phối đến hiệu giảm sóng Dẫn đến thơng số kích thước hình học loại hình kết cấu lựa chọn thường không hợp lý làm ảnh hưởng đến chức làm việc hiệu kỹ thuật cơng trình [4][11][12][13][14] Bài báo trình bày nghiên cứu mơ hình vật lý thu nhỏ máng sóng q trình truyền sóng qua đê ngầm dạng rỗng, phân tích đánh giá tham số chi phối đến hệ số truyền sóng qua đê xây dựng phương pháp tính tốn hệ số truyền sóng qua đê ngầm dạng rỗng có tiết diện hình thang cân (chiều rộng đỉnh đê thay đổi) Lưu ý: Bài báo không xem xét nghiên cứu độ rỗng thân đê ảnh hưởng đến q trình truyền sóng Về hình học nước xun qua mái trước mái sau kết hợp với thân đê rỗng định nghĩa đê ngầm dạng rỗng Lý tạo lỗ rỗng mái trước mái sau đê nhằm giảm thiểu ảnh hưởng sóng phản xạ đến kết thí nghiệm, số lượng kích thước hình học lỗ trịn bố trí mái đê ngầm số toàn kịch thí nghiệm (phần diện tích lỗ rỗng tạo phân bố theo hàng mái nghiêng cho phép nước xuyên qua chiếm 14% diện tích mái nghiêng phẳng kín nước mơ hình thí nghiệm) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu mô hình vật lý thu nhỏ máng Phịng Thí Nghiệm Thủy Lực Sông Biển Viện Khoa học Thủy Lợi Miền Nam (máng sóng HR Wallingford Anh) Máng có chiều dài 36m, rộng 1,2m, cao 1,5m với máy tạo sóng dạng Piston hệ thống hấp thụ sóng phản xạ chủ động ARC (Active Reflection Compensation) cho phép tạo sóng với độ xác cao Máng tạo sóng hay sóng ngẫu nhiên theo dạng phổ lượng phổ biến JONSWAP hay Peirsion – Moskowitz 2.1 Lý thuyết tương tự tỉ lệ mơ hình - Dịng chảy máng sóng dòng chảy rối, với số = 2,2.106>> [Re] = 104 - Với mơ hình sóng ngắn, mơ hình mặt cắt cần làm thái tức tỉ lệ chiều dài λL với tỉ lệ chiều cao λh để có tương tự động học động lực sóng Các tỉ lệ mơ hình cần tn thủ định luật tương tự Froude - Trong thực tiễn mơ hình mặt cắt có mơ hình thái số tỉ lệ mơ hình tương đối nhỏ (λL ≤ 60) - Trong nghiên cứu tỉ lệ mơ hình thiết kế λL = λh = a = 15 bảo đảm tuân thủ định luật tương tự Froude, thỏa mãn điều kiện liên quan đến yếu tố hình học nguyên hình, yếu tố sóng khả đáp ứng hệ thống thiết bị thí nghiệm, đồng thời bảo đảm giảm thiểu tối đa hiệu ứng phát sinh ảnh hưởng sóng phản xạ gây ảnh hưởng đến kết thí nghiệm [5][10][15] Bàng 1: Tương quan tỉ lệ đại lượng vật lý theo định luật Froude Các đại lượng Độ dài (m) Chiều cao (m) Thời gian, chu kỳ (s) Thứ nguyên L L T Tính hệ số Froude mơ hình: Dịng chảy mơ hình thí nghiệm máng sóng dịng chảy rối Do đó, quy luật tương tự mơ hình cần phải tn theo quy luật tượng tự số Tương quan λ λ λ a / λ λ √ Giá trị 15 15 3,873 Froude Số Froude định nghĩa theo cơng thức sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 KHOA HỌC Fr V CƠNG NGHỆ đó: Fr – số Froude; V - đặc trưng vận tốc ; L - đặc trưng chiều dài g L Tỷ lệ mơ hình 1/15 Nguyên hình Hs (m) 1,50 Số Froude thực tế 0,2270 Mơ hình Tp (s) 6,20 Hs/15 Tp/sqr1.1b) bi (a): Chiều rộng đỉnh đê B2=0,232m bi (b): n2=3 hàng lỗ Hình 1.1: Minh họa hình dạng phối cảnh phân đoạn đê ngầm rỗng B2=0,232m (a) phương án bố trí n2=3 hàng lỗ đỉnh đê (b) m = m = m li li li m = m = m li bi 200 m=1 li m=1 li li li m=1 li m=1 = li 200 b) B2=0,152m; n2=3 hàng lỗ li = bi 152 200 200 112 a) B1=0,112m; n1=2 hàng lỗ m m=1 bi bi 200 li li li m=1 m=1 li m=1 = li = m bi 192 bi bi 200 c) B3=0,192m; n3=4 hàng lỗ 200 bi bi 232 bi 200 d) B4=0,232m; n4=5 hàng lỗ Hình 1.2: dạng mơ hình thí nghiệm đê ngầm rỗng khơng cọc máng sóng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 KHOA HỌC 2.4 Thiết kế mơ hình thiết lập kịch thí nghiệm - Kịch thí nghiệm: Các thí nghiệm tiến hành với sóng ngẫu nhiên theo phổ JONSWAP, xem làm phù hợp với điều kiện hải văn thực tế vùng biển Việt Nam nói chung vùng biển Tây nói riêng - Sơ đồ bố trí thí nghiệm sử dụng kim đo bố trí dọc theo tuyến máng sóng (xem Hình 2) Trong kim đo (WG1, WG2, WG3, WG4) sau Piston sử dụng để tính tốn tách sóng phản xạ kim đo WG6 CƠNG NGHỆ (WG5, WG6) cịn lại bố trí trước sau đê ngầm để ghi nhận kết đặc trưng sóng trước sau truyền qua đê ngầm Vị trí đặt kim đo WG5 thường đặt cách khoảng