Bài viết giới thiệu đê ngầm cọc phức hợp có kết cấu mới phi truyền thống, lắp ghép linh hoạt bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn định hình để giảm sóng chống xói lở bảo vệ bờ biển. Cơ sở khoa học là ứng dụng lý thuyết sóng biên độ nhỏ thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng của sóng ngẫu nhiên truyền vuông góc với bờ qua đê ngầm rỗng (trường hợp không cọc và có hệ cọc) kết hợp đồng thời với các số liệu đo đạc thực nghiệm trên mô hình vật lý trong máng sóng thủy lực xây dựng công thức bán thực nghiệm tính toán truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN HỆ SỐ TRUYỀN SĨNG QUA ĐÊ NGẦM CỌC PHỨC HỢP Nguyễn Anh Tiến, Trịnh Công Dân Viện Kỹ thuật Biển Thiều Quang Tuấn Đại học Thủy lợi Hà Nội Tô Văn Thanh Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam Tóm tắt: Bài báo giới thiệu đê ngầm cọc phức hợp có kết cấu phi truyền thống, lắp ghép linh hoạt cấu kiện bê tơng đúc sẵn định hình để giảm sóng chống xói lở bảo vệ bờ biển Cơ sở khoa học ứng dụng lý thuyết sóng biên độ nhỏ thiết lập phương trình cân lượng sóng ngẫu nhiên truyền vng góc với bờ qua đê ngầm rỗng (trường hợp khơng cọc có hệ cọc) kết hợp đồng thời với số liệu đo đạc thực nghiệm mơ hình vật lý máng sóng thủy lực xây dựng cơng thức bán thực nghiệm tính tốn truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp Cơng thức dạng tổng quát phản ảnh đầy đủ ảnh hưởng đến q trình tiêu hao lượng sóng truyền qua đê ngầm rỗng trường hợp khơng có hệ cọc có hệ cọc Từ khóa: Đê ngầm cọc phức hợp, đê ngầm phức hợp, hệ số truyền sóng, cơng thức bán thực nghiệm, độc quyền sáng chế Abstract: This article introduces a submerged complex with solid piles breakwater which could be flexibly implemented in bank protection and shoreline correction applications Scientific approaching based on small wave theory and energy conservation equations for perpendicular wave transmit via breakwater (with and without piles) integrate with record data from hydraulic wave tank to propose empirical equation This equation would describe energy dissipiation processes while waves transmit via submerge breakwater both for with and without piles Keywords: Submerged complex with solid piles breakwater, unconventional complex submerged breakwater, transmission coefficiency, empirical equation, invention patent ĐẶT VẤN ĐỀ* Xói lở bờ biển diễn biến nghiêm trọng tỉnh ven biển đồng sơng Cửu Long (ĐBSCL) Nhiều khu vực xói lở uy hiếp trực tiếp đến khu dân cư, cơng trình phòng chống thiên tai, sở hạ tầng làm nhiều diện tích rừng phòng hộ ven biển, tác động nghiêm trọng đến môi trường sinh thái, đời sống sinh hoạt người dân Theo số liệu tổng kết Tổng cục Phòng Ngày nhận bài: 27/6/2018 Ngày thông qua phản biện: 02/8/2018 Ngày duyệt đăng: 08/8/2018 Chống Thiên Tai đến ngày 8/5/2018 toàn vùng ĐBSCL có 513 vị trí sạt lở bờ sơng (dài 520km) 49 vị trí sạt lở bờ biển (dài 266km) Đánh giá mức đặc biệt nguy hiểm có 26 vị trí sạt lở bờ sơng (dài 65km) 16 vị trí sạt lở bờ biển (dài 84km) cần phải xử lý khẩn cấp Trong khoảng 10 năm gần ước tính năm bờ biển xói lở khoảng 450÷500ha/năm, nhiều đoạn bờ biển bị xói lở từ 30÷100m/năm gây rừng phòng hộ, đe dọa an tồn tuyến đê biển sống người dân Tân Thành (Tiền Giang), Cồn Ngoài Cồn Bửng (Bến Tre), Hiệp Thạnh Đông Hải (Trà Vinh), Vĩnh Châu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ (Sóc Trăng), Nhà Mát Gành Hào (Bạc Liêu), 48km bờ biển phía Đơng thuộc huyện Đầm Rơi, Năm Căn, Ngọc Hiển 57km bờ biển phía Tây từ Vàm Tiểu Dừa huyện U Minh đến cửa sông Bảy Háp huyện Phú Tân (Cà Mau) [5] Trước thực trạng xói lở nay, nhiều giải pháp cơng trình thi cơng thử nghiệm để giảm sóng bảo vệ bờ biển với nhiều loại hình vật liệu kết cấu khác Riêng vùng biển phía Tây tỉnh Cà Mau ví “chiến trường” dạng cơng trình thử nghiệm kè lát mái, kè giảm sóng tạo bãi, đê trụ rỗng, túi Geotube, kè tường lưới, kè cừ nhựa, kè rọ đá, hàng rào cọc tre, cọc tràm, dừa, Nói chung, cơng trình thử nghiệm sau xây dựng đạt hiệu giảm sóng gây bồi ban đầu dạng “Kè giảm sóng tạo bãi” tỉnh Cà Mau, đến xây dựng >17km Tuy nhiên, loại hình kết cấu hiệu giảm sóng hầu hết dạng cơng trình thử nghiệm chưa quan tâm nghiên cứu, thường ưu tiên quan tâm đến tiêu chí xuất đầu tư xây dựng cơng trình [5] Trong báo trình bày phương pháp lý thuyết kết hợp với số liệu đo đạc thực nghiệm để xây dựng công thức bán thực nghiệm tính tốn hệ số truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp Cơng thức bảo đảm tính tổng qt phản ảnh đầy đủ tham số phi phối đến trình lan truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp (trường hợp tổng quát đê có hệ cọc trường hợp đặc biệt đê khơng có cọc) Áp dụng kết nghiên cứu để đánh giá hiệu giảm sóng cho đê ngầm rỗng (khơng có cọc có hệ cọc) xây dựng thử nghiệm vùng biển phía Tây tỉnh Cà Mau, yếu tố mang tính chi phối định đến cơng thiết kế dạng cơng trình Error! Reference source not found.Error! source not found Reference GIỚI THIỆU ĐÊ NGẦM CỌC PHỨC HỢP Đê ngầm cọc phức hợp có kết cấu phi truyền thống đăng ký xin cấp Độc Quyền Sáng Chế, Cục Sở Hữu Trí Tuệ chấp nhận đơn hợp lệ công bố đơn sớm Công báo Sở Hữu Công Nghiệp, Số 348, Tập A (03.2017), trang 396 Error! Reference source not found Trên giới nước chưa có cơng trình nghiên cứu thực để đánh giá hiệu giảm sóng cho dạng đê Cấu tạo phân đoạn đê gồm phần khối chân đế đê ngầm dạng rỗng có tiết diện hình thang cân (xem Hình 1) phần hệ cọc trụ tròn lắp ghép linh hoạt đỉnh khối chân đế hình thành hệ thống lược giảm sóng (xem Hình 2) Hình 1: Minh họa đê ngầm dạng rỗng ( khối đế) Hình 2: Minh học hệ thống lược giảm sóng lắp ghép thân đê rỗng Khối chân đế có dạng cấu kiện bê tơng đúc sẵn hình khối lăng trụ, tiết diện ngang TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 KHOA HỌC hình thang cân rỗng ruột, mặt khối chân đế thiết kế sẵn lỗ hình trụ tròn theo dạng hình hoa mai để lắp ghép linh hoạt cọc trụ tròn vào khối chân đế tùy theo yêu cầu chiều cao sóng cần giảm Khoảng cách lỗ hình trụ tròn hàng (li) hàng với đỉnh đê (bi) thiết kế đường kính lỗ hình trụ tròn Ø (li =bi = Ø) Ngồi loại cọc có tiết diện hình tròn sử dụng với loại cọc có tiết diện hình vng, chữ nhật, hay tam giác để lắp ghép vào khối chân đế hình thành hệ thống lược giảm sóng Thực tiễn, để thuận tiện thi công lắp ghép hệ cọc vào khối chân đế định hướng sử dụng loại cọc ống bê tông ly tâm dự ứng lực đúc sẵn thông dụng phổ biến thị trường xây dựng có đường kính Ø=300mm CƠNG NGHỆ hướng đến ngẫu nhiên sóng, đồng thời giảm thiểu tối đa sóng phản xạ hệ cọc gây vị trí cơng trình Điều đặc biệt việc bố trí sẵn lỗ hình trụ tròn kiểu hình hoa mai mặt khối chân đế cho phép linh hoạt lắp ghép bổ sung hàng lược (cọc trụ tròn) phía sau để tăng hiệu giảm sóng tối đa (nếu cần), cần điều chỉnh tăng chiều cao cọc trụ tròn giảm sóng cần rút (nhổ) cọc cũ lắp ghép thay cọc có chiều cao phù hợp, đồng thời tái sử dụng cọc cũ lắp ghép vào hàng lỗ hình trụ tròn chờ sẵn trống phía sau Cơ chế giảm sóng qua đê ngầm cọc phức hợp mô gần giống tự nhiên ngập mặn, phần hệ cọc phía đóng vai trò giống thân cản sóng Ngồi ra, phần khối chân đế có tác dụng cản giữ lại dòng bùn cát dịch chuyển theo phương ngang ngược trở phía biển thủy triều rút thấp cao trình đỉnh khối chân đế (xem Hình 3) CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN HỆ SỐ TRUYỀN SĨNG QUA ĐÊ NGẦM CỌC PHỨC HỢP Hình 3: Minh họa đê ngầm cọc phức hợp (trường hợp lắp ghép hàng cọc trụ tròn ) 3.1 Cơ sở lý thuyết Hệ thống lược tiêu giảm sóng lắp đặt linh hoạt hàng thẳng, hay nhiều hàng theo kiểu hình hoa mai Chiều cao hàng lược hoàn toàn linh hoạt khơng nhau, ví dụ hàng ngồi trực diện với sóng biển cao hàng phía sau để tiết kiệm vật liệu Giữa lược hàng hàng lược hình thành khe hở đứng ln cho phép sóng tới thủy triều xuyên qua Hơn nữa, ưu điểm hệ thống lược cọc trụ tròn khả phân tán lượng linh hoạt theo Khi sóng truyền qua đê ngầm cọc phức hợp trải qua trình tiêu hao lượng, làm giảm chiều cao sóng sóng vỡ đỉnh đê độ sâu bị hạn chế, ma sát, sức cản hệ cọc Trong phân tích chia thành thành phần lượng sóng tiêu hao sau: - Năng lượng tiêu hao thân đê rỗng (khơng có hệ cọc) - Năng lượng tiêu hao ma sát - Năng lượng tiêu hao hệ cọc Xuất phát từ phương trình cân TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ lượng sóng ngẫu nhiên truyền vng góc với bờ qua đê: E D ρgH D D ; c c (1) Mô hình thí nghiệm đê ngầm có thơng số hình học sau: (2) - Theo phương truyền sóng khối đế có dạng đê ngầm rỗng có tiết diện ngang hình thang cân có chiều rộng đỉnh đê khác B= 0,112m, 0,152m, 0,192m 0,232m Chiều cao khối đế D=0,2m, hệ số mái m=1,0 khơng thay đổi tồn kịch thí nghiệm (=constant) 2kh sinh 2kh đó: x – độ dài đặc trưng theo phương truyền sóng h – độ sâu nước, E – tổng lượng đơn vị sóng (J/m2), Hrms – chiều cao sóng trung bình quân phương trường hợp đê gồm hệ cọc Dd – suất tiêu hao lượng sóng phần thân đê rỗng (W/m2) Df – suất tiêu hao lượng sóng ma sát đáy (W/m2) Dp – suất tiêu hao lượng sóng sức cản hệ cọc (W/m2) cg - vận tốc nhóm sóng c - vận tốc đỉnh sóng Trong điều kiện khơng có cọc lượng sóng bị tiêu hao phần thân đê rỗng ma sát đáy: (3) c D D ∂x với E(0) lượng sóng trường hợp đê ngầm rỗng khơng có hệ cọc ∂ E Lưu ý PT.(3) dựa giả thiết bỏ qua thay đổi vận tốc nhóm sóng cg có khơng có hệ cọc (theo lý thuyết cg phụ thuộc độ sâu nước chu kỳ sóng) Với giả thiết lượng tiêu hao ma sát sóng phản xạ thân đê rỗng hai trường hợp đê khơng có cọc có hệ cọc Thực tế số liệu thí nghiệm theo mơ hình đê ngầm cho thấy hệ số phản xạ có chênh lệch không đáng kể hai trường hợp - Đỉnh khối đế tạo sẵn lỗ hình trụ tròn có đường kính 0,02m theo dạng hình hoa mai, khoảng hở lỗ hàng li = 0,02m khoảng hở hàng bi = 0,02m, tức li = bi = 0,02m = constant tồn kịch thí nghiệm Số hàng lỗ trụ tròn số hàng cọc trụ tròn có đường kính Ø=0,02m lắp ghép đỉnh đê ngầm tương ứng với chiều rộng đỉnh đê (Bi) ni = 2, 3, hàng - Diện tích lỗ rỗng mái nghiêng cho phép nước xuyên qua để giảm thiểu sóng phản xạ trước đê chiếm 14% diện tích mái nghiêng phẳng kín nước tồn kịch thí nghiệm (=constant) Ngồi chênh lệch kể đến cách lấy chiều cao sóng trước đê chiều cao sóng trung bình hai trường hợp sau thơng qua hệ số hiệu chỉnh mơ hình) có mặt hệ cọc khơng làm thay đổi suất tiêu hao lượng thân đê rỗng so với đê khơng có hệ cọc Từ PT.(1), PT.(2) PT.(3) rút phương trình cân lượng sóng cho hệ cọc sau: ∂ E c D ∂x ⇔D TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 ∂ ρg H ∂ H , ∂x ρgH ∂x , c c (4) KHOA HỌC với Hrms, p gọi thành phần chiều cao sóng bị suy giảm hệ cọc Nếu sóng đến PT.(4) có diễn giải cách đơn giản lượng sóng tiêu hao hệ cọc phần chênh lệch lượng sóng phía sau đê hai trường hợp đê có khơng có hệ cọc D H ρgc H , , (5) trình truyền sóng qua đê ngầm rỗng có hệ cọc PT.(6) thiết lập bảng quan hệ tham số chi phối hệ số tiêu hao lượng sóng tương đối Dpr Đồng thời tiến hành phân tích độc lập tham số chi phối đến trình tiêu hao lượng sóng tương tự cách làm với trường hợp phân tích tham số chi phối đến q trình truyền sóng qua thân đê rỗng [3] +/ Xây dựng biểu đồ quan hệ Dpr ~ Rc/Hm0 để phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng độ ngập sâu tương đối Rc/Hm0 (chiều dài phần cọc nhúng nước) X ∆H ρgc X CÔNG NGHỆ , Hrms,t chiều cao sóng phía sau đê, số “0” “p” tương ứng dùng để trường hợp khơng có cọc, Xb chiều rộng ảnh hưởng số hàng cọc đỉnh đê ngầm xét theo phương truyền sóng (giá trị Xb khoảng cách từ tim đến tim hàng cọc biên đỉnh đê theo phương truyền sóng) +/ Xây dựng biểu đồ quan hệ Dpr ~ Xb/Lp Dpr~ Xb/Hm0 để phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng bề rộng tương đối hệ cọc Xb/Lp Xb/Hm0 Ở đưa khái niệm lượng sóng tương đối tiêu hao hệ cọc Dpr, đại lượng phi thứ nguyên định nghĩa sau: +/ Xây dựng biểu đồ quan hệ Dpr ~ h/Lp để phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng độ sâu nước tương đối h/Lp D ∆H H (6) , , Từ PT.(5) PT.(6) có liên hệ: D D H ρgc X , D E c X (7) Sử dụng đại lượng phi thứ nguyên Dpr xác định từ số liệu thí nghiệm cho hai trường hợp có khơng có hệ cọc theo PT.(6) để phân tích suy giảm chiều cao sóng ảnh hưởng hệ cọc Kết tính tốn Dpr theo PT.(5) PT.(6) lập thành bảng tổng hợp dựa vào kết thí nghiệm mơ hình vật lý truyền sóng qua đê ngầm rỗng trường hợp không cọc qua đê ngầm rỗng trường hợp có cọc với điều kiện biên sóng mực nước thí nghiệm 3.2 Phân tích mức độ ảnh hưởng tham số chi phối đến tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc Dựa vào kết thí nghiệm mơ hình vật lý +/ Xây dựng biểu đồ quan hệ Dpr ~ sp = Hm0/Lp Dpr~ sm = Hm0/Lm để phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng độ dốc sóng địa phương sp sm +/ Xây dựng biểu đồ quan hệ Dpr ~ Hm0/h để phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng độ số vỡ Hm0/h Lưu ý: Ngồi tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc phụ thuộc vào mật độ cọc hay độ rỗng đê cọc (phụ thuộc khoảng cách cọc), đường kính cọc Tuy nhiên thí nghiệm tham số giữ cố định không xem xét cách trực tiếp mà gián tiếp nằm thông số khác phân tích 3.3 Tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc Với phân tích tương quan nêu (xem Mục 3.2) xây dựng cơng thức thực nghiệm tính tốn xác định lượng sóng bị tiêu hao hệ cọc nằm phía thân đê rỗng Một cách tương tự [3] có phương trình tổng qt: R X (8) D f , H L TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Dpr mang ý nghĩa lượng sóng tiêu hao tương đối hệ cọc so với tổng lượng sóng tới (Dpr hiểu hiệu hệ cọc Dpr phần sóng truyền qua đỉnh đê bị tiêu hao lượng hệ cọc Xuất phát từ phân tích có đề xuất tham số biểu diễn thể tích cản sóng tương đối hệ cọc sau: V V V R H , (9) X H L R H H , X L đóV thể tích cản sóng tương đối hệ cọc, Vp Vw thể tích phạm vi cản sóng hệ cọc tổng thể tích phần khối nước dao động xét chu kỳ sóng PT.(9) bảo tồn tham số chi phối của PT.(8) Dựa vào kết thí nghiệm mơ hình vật lý q trình truyền sóng qua đê ngầm rỗng có hệ cọc tính tốn giá thể tích cản sóng tương đối hệ cọc V theo PT.(9) Tiếp tục tiến hành xây dựng biểu đồ quan hệ Dpr ~ V để phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng độ ngập Rc bề rộng hệ cọc (số hàng cọc) Xb đến Dpr Sử dụng phương pháp hồi quy với số liệu thí nghiệm xây dựng quan hệ đường hồi quy thực nghiệm xác định Dpr ~ V (với Lm) công thức thực nghiệm tính tốn giá trị Dpr sau: R H , X (10) V D H L Hay sử dụng Tp thay Tm-1,0 (Lp thay Lm) tính tốn cơng thức xác định Dpr là: D V R H H , X L (11) 3.4 Truyền sóng qua đê ngầm rỗng có hệ cọc Xuất phát từ phương trình cân lượng sóng cho trường hợp đê rỗng có khơng có hệ cọc Khi đê ngầm rỗng khơng có hệ cọc: E E E E E (12) Khi đê ngầm cọc phức hợp (đê có hệ cọc): E E E E E (13) E Et, Ed, Ep, Ef, Er lượng sóng phía sau đê, phần lượng tiêu hao phần thân đê, hệ cọc, ma sát lượng sóng phản xạ lại Etot tổng lượng sóng (bao gồm sóng tới sóng phản xạ trở lại từ cơng trình) Các số (0) (p) tương ứng dùng để trường hợp khơng có cọc có cọc Giả thiết với tổng lượng sóng Etot, thành phần lượng sóng bị tiêu hao ma sát Ef thân đê Ed hai trường hợp Từ hai PT.(12) PT.(13) suy ra: E E E ⇔ ρg H , E H , ρgH C E (14) C D X c , với Cr (0 p) hệ số phản xạ hai trường hợp đê có khơng có cọc PT.(14) viết lại dạng hệ số truyền sóng (Kt= Hrms,t/Hrms,i) hai trường hợp cách chia hai vế phương trình cho lượng sóng tới đơn vị E 1/8ρgH , ta có: ⇔ K K C C D X ρgH , c (15) Liên hệ PT.(15) với PT.(7) có: ⇔ K K C C D (16) Lưu ý chênh lệch lượng sóng phản xạ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 46 - 2018 KHOA HỌC tương đối E E /E C C có giá trị nhỏ tỷ lệ thuận so với lượng sóng tiêu hao thân đê có hệ cọc (dựa vào kết thí nghiệm mơ hình vật lý để phân tích đánh giá thơng qua liên hệ chênh lệch lượng sóng phản xạ tương đối ΔEr / H2m0,i tiêu hao lượng hệ cọc Dpr) Do ảnh hưởng chênh lệch sóng phản xạ xét đến cách gián tiếp thông qua Dpr với hệ số điều chỉnh mơ hình Từ PT.(16) đưa cơng thức bán thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng qua đê rỗng có hệ cọc bên sau: K f K ,D ,m (17) Kt hệ số truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp (tổng quát); Kt0 hệ số truyền sóng qua khối chân đế đê ngầm rỗng khơng cọc [3]; Dpr lượng sóng tương đối tiêu hao hệ cọc xác định theo công thức (10) hay công thức (11); m hệ số mơ hình (m