Kết quả bước đầu đánh giá hiệu quả giảm sóng của cấu kiện lăng trụ mặt bên khoét lỗ rỗng tròn

Với mục đích đánh giá hiệu quả giảm sóng của cấu kiện lăng trụ mặt bên khoét lỗ rỗng tròn, làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế đê ngầm giảm sóng bằng cấu kiện này, tập thể tác giả đã tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý trên bể sóng của Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam. Kết quả bước đầu thu được từ thí nghiệm là nội dung chính được trình bày trong bài viết.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ HI ỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA CẤU KIỆN LĂNG TRỤ MẶT BÊN KHOÉT LỖ RỖNG TRÒN Lê Thanh Chương, Trần Bá Hoằng Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam Tóm tắt: Tình trạng sạt lở bờ biển, suy thối rừng ngập mặn vùng ĐBSCL diễn phức tạp ngày gia tang Một nguyên nhân sóng biển, nước biển dâng … gây Để ngăn chặn sạt lở, khôi phục lại rừng ngập mặn dải ven biển ĐBSCL, có nhiều loại dạng cơng trình bảo vệ trực tiếp, cơng trình giảm sóng gây bồi xa bờ Mặc dù nhiều cơng trình mang lại hiệu tốt, xong khả nhân rộng hạn chế, thiếu sở khoa học Với mục đích đánh giá hiệu giảm sóng cấu kiện lăng trụ mặt bên khoét lỗ rỗng tròn, làm sở cho việc tính tốn thiết kế đê ngầm giảm sóng cấu kiện này, tập thể tác giả tiến hành thí nghiệm mơ hình vật lý bể sóng Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam Kết bước đầu thu từ thí nghiệm nội dung trình bày báo Từ khóa: Cấu kiện lăng trụ kht lỗ tròn, hiệu giảm sóng, mơ hình vật lý Summary: Coastal erosion and mangrove forest degradation have been occurring seriously in the Mekong Delta The main causes are wave attacked and sea level rise In order to prevent erosion bank and mangrove rehabilitation in the coast of the Mekong Delta, there were many protection measures were built such as revetments, breakwaters in the coast These measures have brought effectively temporary in coastal protection However, the application of which is very limited in large scale, due to lack of scientific basis The purpose of this study is to evaluate the effect of wave transmission through the porous breakwater, and results of which are used for designing this structure, the physical model experiments were conducted in the wave basin of the Southern Institute of Water Resources Research Initial results of the experiment are presented in this paper ĐẶT VẤN ĐỀ * Để xác định hiệu giảm sóng đê phá sóng nhiều nghiên cứu thực với kết cấu khác M d.Salauddin – 2015 tiến hành nghiên cứu mơ hình vật lý hai chiều cấu kiện Crablock cho thiết kế đê phá sóng AFDN – 2017 tiến hành thí nghiệm mơ hình vật lý chiều đánh giá hiệu giảm sóng cấu kiện kết cấu rỗng R Gutierrez J Lozano – 2013 thực thí nghiệm mơ hình vật lý 2D thiết kế cho đê phá sóng Cora Outer Port (Tây Ban Nha) Dự án Ngày nhận bài: 6/11/2017 Ngày thông qua phản biện: 18/12/2017 Ngày duyệt đăng: 22/12/2017 thiết kế đê phá sóng cảng Nghi Sơn – Thanh Hóa (2013) tiến hành thí nghiệm mơ hình vật lý 2D 3D để đánh giá hiệu giảm sóng tính tốn hư hỏng cơng trình với cấu kiện Rakuna-IV Các thí nghiệm đánh giá hiệu giảm sóng kết cấu đê phá sóng xa bờ đa phần thí nghiệm máng sóng chiều, đặc biệt Việt Nam thí nghiệm đánh giá hiệu giảm sóng đê phá sóng hạn chế Trong báo này, kết cấu sử dụng cho đê chắn sóng kết cấu rỗng, làm bê tông đúc sẵn lắp ghép thành tuyến đê phá sóng Việc đánh giá hiệu giảm sóng cấu kiện kết cấu rỗng làm đê phá sóng thực mơ hình vật lý 3D TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ phòng thí nghiệm Viện Khoa Học Thủy Lợi M iền Nam Kết nghiên cứu làm sở cho việc đánh giá hiệu giảm sóng tuyến đê phá sóng lắp ghép cấu kiện rỗng nghiệm quan sát thấy vị trí sóng phía sau đê gần ổn định không bị ảnh hưởng sóng leo qua đê hay tác động từ dòng chảy quanh đầu đê THÍ NGHIỆM 1.1 Cơ sở thí nghiệm Các thí nghiệm mơ hình thực bể sóng 3D Viện Khoa Học Thủy Lợi M iền Nam Bể sóng dài 35m, rộng 18m sâu 1.2m M áy tạo sóng gồm cánh sóng lớn với chiều dài cánh sóng 6m điều khiển phần mềm tạo sóng HR Wallingford M áy tạo sóng tạo sóng ngẫu nhiên sóng với chu kỳ chiều cao thiết lập sẵn Trong thí nghiệm này, tất sóng tạo sóng ngẫu nhiên với số sóng tính tốn tạo 500 sóng Ở phía cuối bể sóng mái hấp thụ sóng thiết kế đá với đường kính 3cm-7cm để giảm sóng phản xạ Độ dốc mái hấp thụ sóng 1:5 Hình Mặt bố trí đầu đo sóng 1.2 Đê phá sóng Xét kích thước bể sóng tham số sóng tạo máy tạo sóng, mơ hình làm thái tn theo luật Froude để đảm bảo điều kiện tương tự thủy động lực với hệ số tỷ lệ hình học 1:35 Đê phá sóng xa bờ thí nghiệm thiết kế gỗ, để dễ chế tạo phù hợp với thơng số thí nghiệm bể sóng Đê phá sóng xây dựng độ dốc bãi 1/500 với kích thước mơ hình: chiều cao 7.1cm, bề rộng đỉnh 1.7cm, bề rộng chân 8.6cm, chiều dài 22.9cm Hình Phòng thí nghiệm mơ hình thủy lực Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam Tham số sóng q trình thí nghiệm đo đầu đo sóng (WG) bố trí hình với khoảng cách WG2, WG3, WG4, WG5 0.7m, 0.3m, 0.3m WG1 sử dụng để đo sóng nước sâu, WG2, WG3, WG4, WG5 sử dụng để đo sóng tới tách sóng phản xạ, WG6 dùng để đo sóng hai đê phá sóng WG7, WG8 đo sóng phía sau đê cách tim đê đoạn 3.1m phía bờ, q trình thí TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017 Hình Kích thước cấu kiện đê giảm sóng KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Cao trình đỉnh đê đo xác máy thủy bình chun dụng phòng thí nghiệm cho độ xác cao đến mm Hình Hoa sóng trạm Bạch Hổ từ năm 1986-1999 Bảng Thơng số sóng thực tế mơ hình Hình Cấu kiện lắp đặt bể 1.3 Kịch thí nghiệm Số liệu sóng lựa chọn từ chuỗi số liệu sóng khí hậu nhiều năm trạm Bạch Hổ, dựa vào số liệu hoa sóng đo đạc từ năm 1986-1999 nhận thấy: chủ yếu sóng hướng Đơng Bắc có tác động mạnh mẽ tới trình thủy động lực học bờ biển ĐBSCL với chiều cao sóng dao động từ 2m đến 4m, chu kỳ từ 6s đến 9s Vì chiều cao sóng từ 2-4 m giá trị chiều cao sóng phục vụ cho số liệu sóng đầu vào thí nghiệm mơ hình vật lý Sóng ngẫu nhiên có phổ JONSWAP dạng chuẩn (tạo máy tạo sóng) dùng cho thí nghiệm Cụ thể thể bảng Thời gian thí nghiệm 500 sóng để đảm bảo dải tần số (chu kỳ) phổ sóng yêu cầu tạo cách hoàn chỉnh Hs,0 (m) Thực tế M ô hình 2.1 0.06 3.15 0.09 3.85 0.11 T P (s) Thực tế M hình 6.86 1.16 7.69 1.3 8.34 1.41 Hệ thống đê phá sóng đặt song song với đường đỉnh sóng cách đường bờ giả định khoảng 3.14m Bảng 2.Phương án bố trí mơ hình đê phá sóng tỉ lệ 1/35 Ls (m) GB (m) XB (m) Phương Thực Mô Thực Mô Thực Mô án tế hình tế hình tế hình MH0 Khơng cơng trình MH2 210 6.00 50 1.43 110 3.14 MH3 250 7.14 50 1.43 110 3.14 MH4 210 6.00 70 2.00 110 3.14 MH6 170 4.86 50 1.43 110 3.14 MH7 210 6.00 30 0.86 110 3.14 Bảng Ma trận kịch thí nghiệm Phương án bố trí ĐPS Cao trình đê Mực nước Tham số sóng nước sâu x Mực nước thấp D=42cm Mực nước cao D=44cm x Hs,0=6cm; Tp=1.16s Hs,0=9cm; Tp=1.30s Hs,0=11cm; Tp=1.41s x Mực nước thấp D=42cm Mực nước cao D=44cm x Hs,0=6cm; Tp=1.16s Hs,0=9cm; Tp=1.30s Hs,0=11cm; Tp=1.41s MH2 MH3 MH4 MH6 MH7 x Cao trình đê Z1=+1.5 m Cao trình đê Z2=+2 m MH0 x Khơng cơng trình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Tổng hợp chương trình thí nghiệm bao gồm 66 kịch (kết hợp từ kịch đê x cao trình đỉnh đê x giá trị mực nước x giá trị tham số sóng nước sâu cộng thêm kịch khơng cơng trình) PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH Các tham số sóng (chiều cao, chu kỳ đặc trưng) t ại vị trí nước sâu, trước đê s au đê tính tốn từ phổ sóng đo đạc sử dụng chư ơng trình HR Wallingford Chương trình tính tốn phân tách sóng phản xạ phần mềm dự a phương pháp M ansard Funke (phân tách sóng phản xạ) để xác định sóng tới (Hm0,i) sóng phản xạ (Hm0,r) trước cơng trình sử dụng đầu đo sóng (WG2, 3, 4, 5) - Kt hệ số truyền sóng qua đê (-); - Hm0,t chiều cao sóng phía sau đê xác định vị trí cách đê khoảng 3.14m (mơ hình); - Hm0,i chiều cao sóng phía trước đê xác định vị trí cách đê khoảng 1.5m (mơ hình); Chiều cao lưu không đỉnh đê (Rc ) khoảng cách từ đỉnh đê đến bề mặt mực nước Trường hợp đê ngầm Rc 0 Các tham s ố đư ợc đo trự c t iếp từ thí nghiệm là: Hình Mơ mặt cắt ngang đê chắn sóng  Chiều cao sóng momen Hm0 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chiều cao sóng Hm0 có giá trị xấp xỉ chiều cao sóng ý nghĩa Hs đư ợc xác định từ mô men bậc phổ mật độ nặng lư ợng sóng sau [6]: 3.1 S ự biến đổi sóng từ nước sâu vào nước nông - S(f) giá trị mật độ lượng phổ sóng tương ứng với tần số f; Khi sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nơng trải qua q trình vật lý làm tiêu hao lượng sóng khúc xạ, ma sát đáy, sóng vỡ N gồi có tán xạ làm phổ sóng biến đổi (chuyển dịch lượng sóng dải tần số), đặc biệt gặp vật cản (đê ngầm) - m0 giá trị mơ-men bậc phổ sóng;  Hiệu giảm sóng đê phá sóng Mức độ giảm chiều cao sóng hay nói cách khác hiệu giảm sóng đê phá sóng xa bờ đánh giá thơng qua tỷ số chiều cao sóng phía sau đê só với chiều cao sóng đến trước đê Hiệu giảm sóng đê: Kt  Hm 0,t H m0, i Trong đó: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017 Hình Sự biến đổi sóng trước sau cơng trình KHOA HỌC Kim số (nước sâu) Kim số (trước cơng trình) Hm0=10.6cm Tp=1.33s CƠNG NGHỆ Kim số (sau cơng trình) Hm0=3.10cm Tp=5.18s Hm0=1.60cm Tp=19.05s Hình Sự biến đổi hình dạng phổ sóng Trong q trình tiêu hao lượng sóng sóng vỡ q trình tiêu tán lượng sóng lớn Hiện tượng sóng vỡ xảy sóng biến hình nước nơng làm gia tăng chiều cao sóng độ dốc sóng vượt q ngưỡng giời hạn ổn định hình dạng dẫn đến sóng vỡ chiều cao sóng nước sâu lớn 6cm chiều cao sóng trước cơng trình ln khoảng 0.6 lần độ sâu nước Điều tương tự nhận thấy mực nước trước cơng trình 7cm chiều cao sóng trước cơng trình ln giữ mực 0.6 lần độ sâu nước (4.2cm) hình 9b Sự thay đổi tham số đặc trưng sóng (chiều dài sóng chiều cao sóng) q trình sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông, sau sóng vỡ thể qua biểu đồ hình 9a, 9b Với đường biểu đồ mùa đen nét liền biểu thị cho mực nước cao thí nghiệm 7cm (thực tế 2.45m) đường màu xanh nét đứt biểu thị cho mực nước thấp thí nghiệm 5cm (thực tế 1.75m) Vận tốc đỉnh sóng: c=L/T (L chiều dài sóng; T chu kỳ sóng); Trong trường hợp mực nước 5cm xác định vị trí trước cơng trình 1.5m mơ hình thí nghiệm, chiều cao sóng nước sâu 6cm chiều cao sóng trước cơng trình đạt ngưỡng 0.6d (3cm), nên trường hợp Như sóng truyền từ nước sâu vào nước nơng qua vùng sóng vỡ, bị giới hạn độ sâu nước lượng sóng lớn hay nhỏ thể qua vận tốc đỉnh sóng (a) Khi chiều cao sóng nước sâu tăng chiều dài sóng trước cơng trình tăng (hình 9a), làm cho vận tốc đỉnh sóng tăng lên Trong điều kiện sóng nước sâu, mực nước thấp chiều dài sóng trước cơng trình lớn chiều cao sóng trước cơng trình lớn mực nước nhỏ (b) Hình Sự thay đổi tham số sóng (a)Tương quan chiều cao sóng nước sâu chiều dài sóng trước cơng trình (b) Tương quan chiều cao sóng nước sâu chiều cao sóng trước cơng trình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 3.2 Hiệu giảm sóng Hiệu giảm sóng đê phá sóng thể qua hệ số truyền sóng Kt (hình 10), cho thấy sóng ngắn sóng dài trước cơng trình cho hiệu giảm sóng khác Trục hồnh tỷ số chiều cao lưu không đỉnh đê Rc chiều cao sóng trước cơng trình H (được xác định vị trí cách cơng trình 50m) Trục tung hệ số truyền sóng Kt (được xác định vị trí cách đê phía s au khoảng 110m) Khi tăng chiều cao lưu khơng Rc hệ số truyền sóng giảm (chiều cao sóng sau đê giảm) hệ số truyền sóng tỷ lệ nghịch với tỷ số Rc/H Sóng ngắn trước cơng trình mơ hình thí nghiệm có chiều dài sóng từ 1.80m đến 2.32m, sóng dài có giá trị từ 4.08m đến 5.50m Như phân tích phần 4.1, điều kiện độ sâu nước trước cơng trình thí nghiệm bị giới hạn nên lượng sóng đến trước cơng trình lớn hay nhỏ thể qua vận tốc đỉnh sóng (chiều dài sóng) Kết hình 10 cho thấy, chiều dài sóng lớn (vận tốc đỉnh sóng lớn) hệ số truyền sóng lớn tức sóng phía sau cơng trình lớn Khi sóng có chiều cao sóng va chạm với cơng trình đê phá sóng kết cấu rỗng sóng có chiều dài sóng lớn (tần số thấp hơn) mức độ tiêu hao lượng đê phá sóng sóng có chiều dài ngắn (tần số cao hơn) Cơng trình đê chắn sóng kết cấu rỗng giảm hầu hết sóng ngắn kể trường hợp đê ngập khoảng 0.14 lần chiều cao sóng hiệu giảm sóng đạt khoảng 40% Cơng trình cho hầu hết sóng dài truyền qua trường hợp đê ngầm, hiệu giảm sóng nhỏ 30% Hình 10 Ảnh hưởng sóng ngắn sóng dài đến hệ số truyền sóng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong báo này, chúng tơi tiến hành chương trình thí nghiệm mơ hình vật lý 3D bao gồm 66 kịch thí nghiệm hiệu giảm sóng số phương án bố trí đê phá sóng H iệu giảm sóng thể qua hệ số truyền sóng Kt vị trí đo khác Theo kết đo thực nghiệm, số kết luận hiệu giảm sóng cấu kiện lăng trụ mặt bên khoét lỗ tròn làm đê phá sóng rút sau: - Năng lượng sóng thể qua vận tốc đỉnh sóng sóng truyền vào vùng nước bị giới hạn độ sâu nước - Đê phá sóng cấu kiện lăng trụ mặt bên khoét lỗ tròn giảm hầu hết sóng ngắn kể trường hợp đê bị ngập khoảng 0.14 lần chiều cao sóng Với sóng dài khả giảm sóng đê kết cấu rỗng bị giảm đáng kể Tuy nhiên thời gian thí nghiệm ngắn hạn chế thiết bị đo dòng vận tốc nên số kịch thí nghiệm đo dòng vận tốc dự kiến thực thời gian tới TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy Lợi M ôi trường số 4100011 “Nghiên cứu ảnh hưởng đê ngầm bão đê đến hiệu giảm sóng mơ hình vật lý 2D - Nguyễn Viết Tiến; Thiều Quang Tuấn; Lê Kim Truyền” [2] Design of low-crested (submerged) structures – an overview –Krystian W Pilarczyk, Rijkswaterstaat, Road and Hydraulic Engineering Division, P.O Box 5044, 2600 GA Delft, the Netherlands; k.w.pilarczyk@dww.rws.minvenw.nl [3] Environmental Design of Low Crested Coastal Defence Structures “D31 Wave basin experiment final form-3D stability tests at AUU- by Morten kramer and Hans Burcharth” [4] a 3D experimental study on a cylindrical floating breakwater system “Chun-YanJi YuChanGUOa JieCuiaZhi-M ingYuanabXiao-JianM aa ” [5] Report 2D laboratory study and protection measures for LWD wave transmission at porous breakwaters on mangrove foreshore and large-scale near-shore sandbank nourishment “AFD, SIWRR, European Union” [6] Hughes, A.S (ed.), 1993 Physical models and laboratory techniques in coastal engineering [7] World Scientific, Singapore, 568 pp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017 ... nghiệm hiệu giảm sóng số phương án bố trí đê phá sóng H iệu giảm sóng thể qua hệ số truyền sóng Kt vị trí đo khác Theo kết đo thực nghiệm, số kết luận hiệu giảm sóng cấu kiện lăng trụ mặt bên kht lỗ. .. kht lỗ tròn làm đê phá sóng rút sau: - Năng lượng sóng thể qua vận tốc đỉnh sóng sóng truyền vào vùng nước bị giới hạn độ sâu nước - Đê phá sóng cấu kiện lăng trụ mặt bên khoét lỗ tròn giảm hầu... sóng dải tần số), đặc biệt gặp vật cản (đê ngầm) - m0 giá trị mơ-men bậc phổ sóng;  Hiệu giảm sóng đê phá sóng Mức độ giảm chiều cao sóng hay nói cách khác hiệu giảm sóng đê phá sóng xa bờ đánh