Thiết lập mô hình thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có kết cấu hình trụ rỗng tại đỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long

Dọc bờ biển nước ta có nhiều công trình đê bảo vệ dạng mái nghiêng kết hợp tường đỉnh để giảm lưu lượng sóng tràn và giảm chiều cao đắp đê. Kết cấu tường đỉnh cao tạo ra sóng phản xạ lớn, lực tác động vào tường và phần mái nghiêng lớn.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THIẾT LẬP MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU HÌNH TRỤ RỖNG TẠI ĐỈNH Ở ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG Phan Đình Tuấn Viện Thủy Cơng Tóm tắt: Dọc bờ biển nước ta có nhiều cơng trình đê bảo vệ dạng mái nghiêng kết hợp tường đỉnh để giảm lưu lượng sóng tràn giảm chiều cao đắp đê Kết cấu tường đỉnh cao tạo sóng phản xạ lớn, lực tác động vào tường phần mái nghiêng lớn Xuất phát từ thực tế trên, tác giả nhóm nghiên cứu thuộc Viện Thủy cơng đề xuất kết cấu hình trụ rỗng đỉnh đê biển để nghiên cứu thơng số tương tác sóng kết cấu, có sóng tràn Cấu kiện tiêu sóng hình trụ rỗng đỉnh đê có mặt tiếp sóng đục lỗ theo tỷ lệ khác nhau, vật liệu bê tông cốt thép cốt phi kim cường độ cao số vật liệu Từ khóa: Cấu kiện trụ rỗng; sóng tràn; tỷ lệ lỗ rỗng; mơ hình vật lý Summary: There are a lot of coastal defence constructions along our country coastline in form of sea dike combined with a vertical wall to reduce overtopping discharge and the height of dikes Vertical wall structures often create high reflection waves and forces on structures are also very big Because of these reasons, author and others in a research group of Hydraulic Construction Institute had used a new structure called quarter circular breakwater to replace the vertical walls Some of interaction characteristics between wave and structure were studied, especially in overtopping wave The quarter circular breakwater, which was placed at the crest of dikes, has perforated at the sea side with different ratios It can be made by reinforced concrete or high strength non – metallic as well as other new materials Keywords: hollow cylinder wave dissipation structure; wave dissipation; physical model ĐẶT VẤN ĐỀ* Đồng sông Cửu Long xác định vùng chịu ảnh hưởng lớn biến đổi khí hậu tồn cầu, tình trạng sạt lở, rừng phịng hộ xảy ngày nghiêm trọng Hiện đê biển thường dạng mái nghiêng có kết hợp tường đỉnh, bề rộng mặt đê nhỏ, mái đê phía biển, phía đồng dốc hầu hết đê rừng phòng hộ nên đối diện trực tiếp với biển Theo kết thống kê từ cố vỡ đê năm vừa qua sóng tràn sóng phản xạ gây hư hại mặt đê mái đê thường gặp; Một giải pháp hữu hiệu để giảm sóng tràn qua đê xây tường đặt đỉnh đê Tuy nhiên, kết cấu tường đỉnh cao tạo sóng phản xạ lớn, lực tác động vào tường phần mái nghiêng lớn Trước tình hình đó, tác giả nhóm nghiên cứu thuộc Viện Thủy Cơng đề xuất mặt cắt đê biển có kết cấu hình trụ rỗng đỉnh (Hình 1) Mặt cắt đê biển có kết cấu hình trụ rỗng đỉnh giải pháp với mục tiêu đánh giá tương tác với sóng đỉnh đê biển ý tưởng đề xuất quan trọng điều kiện khan đất đắp đê, đất yếu khu vực đồng sông Cửu Long Kết cấu hình trụ rỗng đỉnh đê góp phần đánh giá tương tác hiệu sóng với kết cấu, nhằm đưa khuyến cáo kỹ thuật thiết kế đê Đồng sông Cửu Long; Ngày nhận bài: 19/6/2019 Ngày thông qua phản biện: 04/7/2019 Ngày duyệt đăng: 20/8/2019 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC R·nh thu n­íc CƠNG NGHỆ Zd KÕt cÊu hình trụ rỗng tiêu sóng đỉnh MNTN đất đắp m Lớp phủ gia cố mái Zc Mặt đất tự nhiên rọ đá Hỡnh 1: Mt ct cú cu kiện hình trụ rỗng đỉnh Đến nay, nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu hình trụ rỗng, đặc biệt nghiên cứu tương tác sóng - kết cấu sóng tràn chưa đầy đủ Việc hiểu rõ ảnh hưởng cấu kiện với sóng tràn có ý nghĩa khoa học thực tiễn, bổ sung luận khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển Để làm sáng tỏ điều này, cần thiết phải có nghiên cứu mơ hình vật lý với điều kiện sóng mực nước, hình thái mặt cắt, v.v… khác Bài viết trình bày kết nghiên cứu thiết lập phương trình thực nghiệm mơ hình vật lý để nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có kết cấu tiêu sóng đỉnh có hàng vạn thí nghiệm tiến hành nhiều sở nghiên cứu giới chủ yếu nước châu Âu Các thí nghiệm ngày thực điều kiện tốt hơn, gần với điều kiện tự nhiên sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mơ hình lớn, kết cấu cơng trình đa dạng NỘI DUNG, MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH TIẾP CẬN Q*  a.exp  b. R*  Căn vào tính chất mơ hình nghiên cứu sóng tràn phân thành dạng cơng thức (mơ hình) thực nghiệm sau: - Dạng A: sóng tràn tham số độ cao lưu không Rc: 2.2 Mục tiêu nghiên cứu Trong Q* đại lượng khơng thứ ngun lượng sóng tràn trung bình q, R* đại lượng không thứ nguyên độ lưu không đỉnh đê Rc, a b số thực nghiệm, hệ số chiết giảm sóng tràn (nếu có) yếu tố kết cấu hình học cơng trình tải trọng sóng - Đánh giá sóng tràn mặt cắt đê biển có kết cấu hình trụ rỗng đỉnh - Dạng B: sóng tràn tham số độ cao sóng leo Ru: - Đánh giá sóng phản xạ mặt cắt đê biển có kết cấu kết cấu hình trụ rỗng đỉnh Q*  a.exp  b. R*  2.1 Nội dung nghiên cứu - Thiết kế mơ hình thí nghiệm - Thiết lập trường hợp thí nghiệm - Lập phương trình nghiên cứu thực nghiệm THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Saville (1995) người đặt móng cho nghiên cứu sóng tràn loạt series thí nghiệm với sóng đơn Cho đến Gần loại A, loại B sóng tràn biểu diễn thông qua phụ thuộc với chiều cao sóng leo số trường hợp với thiếu hụt cao trình đỉnh đê R=(Ru-Rc), R* đại lượng chuẩn hóa (khơng thứ ngun) R TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC Ở nước ta, điều kiện kinh tế thấp, nên đa phần đê biển thiết kế cho phép tràn để giảm chiều cao đắp đê chi phí xây dựng Nên xây dựng phương pháp thí nghiệm cơng thức thực nghiệm có đê biển có kết cấu tiêu sóng đỉnh Công thức tổng quát lựa chọn dạng A Với mục đích nghiên cứu kết cấu hình trụ rỗng đỉnh đê biển áp dụng cải tạo xây dựng đê biển cụ thể có, tham số độ dốc mái, độ nhám mái không đổi, nên bỏ qua nghiên cứu - Chiều cao sóng tính tốn: Hs - Chu kỳ sóng tính tốn: Tp - Độ cao lưu không đỉnh đê: Rc - Độ sâu nước: d - Tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt:  - Chiều cao kết cấu: hw - Gia tốc trọng trường: g - Lưu lượng tràn qua đê: q CÔNG NGHỆ Ma trận thứ nguyên trình bày bảng sau: Bảng 1: Ma trận thứ nguyên Hs Tp Rc d hw q g [L] 1 1 [T] 0 -1 -2 [M] 0 0 0 Số thứ nguyên r = Số đại lượng phi thứ nguyên độc lập  = - =5   H x1Tpx2 Rcx3 d x4 hwx5 q x6 g x7  x1  x3  x4  x5  x6  x7   x2  x6  x7   (1) Dựa hệ phương trình (1), chọn cặp giá trị x để giải tìm đại lượng  Kết qủa trình bày bảng Bảng 2: Kết xác định đại lượng phi thứ nguyên 1 X1 X2 -2 X3 X4 X5 X6 X7 -1 Hàm  Kết  2 0 -1 0 H s Tp0 Rc0 d 1hw0 q g 3 -1 0 0 H s Tp0 Rc1d hw0 q g Hs Độ dốc sóng gTp2 Hs Hệ số sóng vỡ d Rc Chiều cao lưu khơng Hs H s Tp2 Rc0 d hw0 q0 g 1 1 tương đối 4 -3/2 0 0 -1/2 3 H s Tp0 Rc1d hw0 q1 g 1 q gH s3 Lưu lượng tràn tương đổi 5 -1 0 0 Như vậy, hàm PI-Buckingham tổng quát có dạng:  H H R h   f  s2 , s , c , w   gT d H H  gH s3 s s   p q Xét thêm đại lượng , tanα ta được: (2) 1 p c w Hs T R d h q g hw Chiều cao tương đối Hs     q  tan  H s Rc hw   f , , , , d Hs Hs  gH s3  H s    gTp2    (3) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC  CÔNG NGHỆ   R h  f  , , c , w ,  Hs Hs  gH s  q - Độ sâu nước (d) đảm bảo đánh sóng Hs/d ≤0,45 (4) Phương trình (4) sử dụng để nghiên cứu khả chiết giảm sóng tràn trước biến đổi điều kiện sóng, mực nước hình thái mặt cắt đê biển XÁC ĐỊNH KỊCH BẢN THÍ NGHIỆM Kịch thí nghiệm xây dựng dựa cơng thức (4) với yếu tố ảnh hưởng tới xác định sóng tràn độ cao lưu khơng Rc, độ rỗng kết cấu, thơng số sóng Dựa tổng quan trạng giải pháp bảo vệ thông số hải văn: Thông số mặt cắt (kết cấu, độ dốc bãi), - Kích thước máng sóng BxHxL = 2x1,5x37 m (chiều dài sử dụng 29m) - Máy tạo sóng (H=3÷18cm; Tp=1÷5s) Đặc điểm thủy văn nguyên mẫu khu vực sau: - Thơng số sóng: chiều cao sóng khu vực Hs= 1÷1,5 m chu kỳ sóng Tp = 4÷6 s - Độ sâu nước d = 2,5 ÷ m Trên sở trạng, kịch thí nghiệm xây dựng với kết cấu hình trụ rỗng đỉnh thí nghiệm với tỷ lệ rỗng 11%; 13% 15% Độ sâu nước 0,3m; 0,35 0,40m Chiều cao sóng lựa chọn tối thiểu 0,10 m để tạo số Reynolds đủ lớn (Re >3104) nhằm hạn chế ảnh hưởng lực nhớt tất thí nghiệm Biên sóng tạo máy tạo sóng tuân theo phổ JONSWAP có chiều cao (H) là: 0,1m; 0,125m; 0,15m; chu kỳ đỉnh phổ (Tp) là: 1,3s; 1,7s 2,1s Bảng 3: Tổ hợp chương trình thí nghiệm kết cấu tiêu sóng đỉnh Mặt cắt thí nghiệm Kết hình rỗng đỉnh cấu trụ Các thơng số sóng Độ cao Chiều cao lưu không kết cấu hw Rc (cm) (cm) H (cm) T (s) 10 1,3 12,5 1,7 10 15 2,1 15 Tổ hợp lại thí nghiệm với chiều cao sóng x chu kỳ x độ cao lưu không x độ rỗng kết cầu 81 kịch THIẾT KẾ, BỐ TRÍ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM Thí nghiệm mơ hình mặt cắt đê biển có cấu kiện tiêu sóng trụ rỗng đỉnh tiến hành máng sóng Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Động lực học sông biển – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Máng sóng có chiều dài 37m, chiều cao 1,8m, chiều rộng 2m Máy tạo sóng tạo sóng đều, sóng ngẫu nhiên theo dạng phổ Jonwap, Hệ số rỗng (%) Mái dốc đê phía biển Độ dốc bãi 1/3 1/250 11 23,5 13 15 Jonwap Par, Moskowitz, Moskowitz Par Sin Chiều cao sóng lớn tạo máng Hmax=0,4m chu kỳ từ Tp=0,5s ÷5,0s Để có tương tự yếu tố sóng, mơ hình cần làm thái, luật tỷ lệ mơ hình cần tn theo tiêu chuẩn Froude Việc lựa chọn Nv = Nt =(NL)0.5 theo phép phân tích thứ nguyên định luật Buckingham  giúp cho mơ hình đảm bảo số tương tự Froude tức Fm=Fn (m: mơ hình; n: ngun hình) Tỷ lệ mơ hình lựa chọn dựa lực máng song thông số điều kiện biên TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC trình bày bảng Từ tỷ lệ mơ hình chọn NL = 10 (tỷ lệ dài, tỷ lệ cao), Nt = (NL)0.5 = 3,16 (tỷ lệ thời gian), Nv = 3,16 (tỷ lệ vận tốc) Đối với cấu kiện tiêu sóng trụ rỗng X X23 CƠNG NGHỆ bê tơng có độ nhám thực tế CKn=0,016, theo tỷ lệ mơ hình CKm=0,0097 chế tạo sử dụng kính hữu có độ nhám tương đương 0,0097÷0,01 Hình X12 X0 Hình 2: Bố trí đầu đo sóng đầu đo W1,W2, W3 bố trí để xác định sóng đến, phản xạ tuân thủ theo lý thuyết Mansard Funke (1980) Các yêu cầu khoảng cách đầu đo sau phải thực để loại bỏ giá trị bất thường phép đo L - chiều dài sóng nước sâu X12 = L/10; L/6 < X13 < L/3 X13 ≠ L/5 X13 ≠ 3L/10 X12 ≠ n.Lp/2, với n=1,2…; X13 ≠ X12 , với n=1,2…; Ngoài ra, thùng chứa nước máng thu tràn bố trí bao trọn đơn vị chiều dài số ngun (1m) để đo xác lượng tràn đơn vị thí nghiệm KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương án thí nghiệm mơ hình ứng với trường hợp mực nước, sóng thơng số kết cấu Dựa ngun tắc phân tích thứ ngun, phương trình nghiên cứu thực nghiệm để xác định lưu lượng tràn đơn vị có ảnh hưởng kết cấu tiêu sóng đỉnh thiết lập Trên sở đó, sau tiến hành thí nghiệm để xác định cơng thức thực nghiệm riêng áp dụng thiết kế đê biển có kết cấu tiêu sóng đỉnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Thái, Nguyễn Hải Hà, Phạm Đức Hưng, Nguyễn Duy Ngọc, Phan Đình Tuấn, Nguyễn Thanh Tâm nnk (2016), “Nghiên cứu giải pháp đê rỗng giảm sóng gây bồi kết hợp trồng rừng ngập mặn bảo vệ bờ biển Tây tỉnh Cà Mau để góp phần bảo vệ nâng cao hiệu cơng trình” Tuyển tập khoa học công nghệ năm 2016, Phần 1: Kết nghiên cứu khoa học công nghệ phục vụ phịng tránh thiên tai, xây dựng bả vệ cơng trình, thiết bị thủy lợi, thủy điện, trang 251-266 [2] Thiều Quang Tuấn (2010), “Tổng quan nghiên cứu phương pháp tính tốn sóng tràn qua đê biển” Tài liệu tham khảo Wadibe, Bộ môn Kỹ thuật công trình biển TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ [3] Thiều Quang Tuấn, Đặng Thị Linh (2017), “Quan hệ chu kỳ chiều cao sóng gió mùa vùng biển Bắc Bắc Trung Bộ nước ta” Tạp trí khoa học thủy lợi [4] TAW, (2002) technical report wave run-up and wave overtopping at dikes, Technical Advisary Committeemon water defences, the NetherLands [5] TAW, (2003) Leidraad Kunstwerken, B2 Kerende hoogte, technical Advisary Committeemon water defences, the NetherLands [6] Hee Min The and Vengatesan Venugopal: “Wave Transformation by a Perforated Free Surface Semicircular Breakwater in Irregular Waves” [7] Hee Min Teh, Vengatesan Venugopal, Tom Bruce: “ Hydrodynamic performance of a free surface semicircular perforated breakwater” [8] Mansard (1980), The measurement of incident and reflected spectra using a least square method, Proceedings of the 17th ICCE, ASCE 1, 154–172 [9] Tanimoto, K., Takahashi, S., (1994) Japanese experiences on composite breakwaters Proc Intern Workshop on Wave Barriers in Deepwaters Port and Harbour Research Institute, Yokosuka, Japan, pp 1–22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 55 - 2019 ... không đỉnh đê Rc, a b số thực nghiệm,  hệ số chiết giảm sóng tràn (nếu có) yếu tố kết cấu hình học cơng trình tải trọng sóng - Đánh giá sóng tràn mặt cắt đê biển có kết cấu hình trụ rỗng đỉnh. .. B: sóng tràn tham số độ cao sóng leo Ru: - Đánh giá sóng phản xạ mặt cắt đê biển có kết cấu kết cấu hình trụ rỗng đỉnh Q*  a.exp  b. R*  2.1 Nội dung nghiên cứu - Thiết kế mơ hình thí nghiệm. .. lại thí nghiệm với chiều cao sóng x chu kỳ x độ cao lưu không x độ rỗng kết cầu 81 kịch THIẾT KẾ, BỐ TRÍ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM Thí nghiệm mơ hình mặt cắt đê biển có cấu kiện tiêu sóng trụ rỗng đỉnh