Nghiên cứu sóng tràn và áp lực sóng tác động lên tường biển có mũi hắt sóng bằng mô hình máng sóng số

Máng sóng số là công cụ rất hữu ích phục vụ nghiên cứu quá trình biến dạng sóng ở vùng ven bờ, tương tác sóng với công trình và thiết kế các công trình chắn sóng, bảo vệ bờ. Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu sóng tràn và áp lực sóng tác động lên các dạng tường biển có mũi hắt sóng khác nhau và hiệu quả giảm sóng tràn và áp lực sóng tác động lên các loại tường biển này. Mô hình máng sóng số được kiểm định bằng bộ số liệu thí nghiệm sóng tràn và áp lực sóng trên mô hình vật lý máng sóng tại Trường Đại học Thủy lợi để đảm bảo độ tin cậy và tính chính xác của mô hình.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ NGHIÊN CỨU SĨNG TRÀN VÀ ÁP LỰC SÓNG TÁC ĐỘNG LÊN TƯỜNG BIỂN CÓ MŨI HẮT SĨNG BẰNG MƠ HÌNH MÁNG SĨNG SỐ Lê Đức Dũng Viện Nghiên cứu Biển Hải đảo Trần Thanh Tùng Trung tâm Kỹ thuật Biển Phát triển Cảng Nguyễn Quang Chiến Khoa Kỹ thuật Biển Tóm tắt: Máng sóng số cơng cụ hữu ích phục vụ nghiên cứu q trình biến dạng sóng vùng ven bờ, tương tác sóng với cơng trình thiết kế cơng trình chắn sóng, bảo vệ bờ Bài báo trình bày kết nghiên cứu sóng tràn áp lực sóng tác động lên dạng tường biển có mũi hắt sóng khác hiệu giảm sóng tràn áp lực sóng tác động lên loại tường biển Mơ hình máng sóng số kiểm định số liệu thí nghiệm sóng tràn áp lực sóng mơ hình vật lý máng sóng Trường Đại học Thủy lợi để đảm bảo độ tin cậy tính xác mơ hình Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình máng sóng số (MSS) đảm bảo độ xác tin cậy cần thiết, thời gian tính tốn nhanh tiết kiệm kinh phí so với phương pháp thí nghiệm mơ hình vật lý Từ khố: mơ hình máng sóng số, sóng tràn, áp lực sóng, tường đỉnh Summary: Numerical wave flumes are very useful tools to help investigate the wave deformation process nearshore, wave-structure interaction as well as design wave barrier and shore protection structures This paper presents study results on wave overtopping and wave force on various types of wave-return seawalls, with the capability of reducing overtopping and wave forces on these wall types The numerical wave flume MSS-2D has been verified with the data set of wave overtopping and wave force, measured in the scale model of Thuyloi University wave flume, to ensure the credibility and accuracy of the numerical model The result shows that the numerical wave flume MSS-2D is enough accurate and reliable, with fast calculation time and more cost-effective compared to the physical modelling method Keyword: numerical wave flume, wave overtopping, wave pressure, wave-return seawall MỞ ĐẦU * Tính tốn mơ biến dạng sóng vùng ven bờ tương tác sóng với cơng trình biển vấn đề khó có ý nghĩ thực tiễn cao, giúp thiết kế lựa chọn kết cấu dạng mặt cắt ngang (MCN) phù hợp cho cơng trình biển nói chung cho tường biển nói riêng Ngày nhận bài: 01/10/2019 Ngày thông qua phản biện: 15/10/2019 Ngày duyệt đăng: 16/10/2019 Nghiên cứu đánh giá định lượng sóng tràn áp lực sóng tác động lên tường biển có mũi hắt sở quan trọng để lựa chọn dạng MCN phù hợp cho khu vực Việt Nam có đường bờ biển dài 3260 km, tập trung nhiều thành phố, khu đô thị, khu du lịch nghỉ dưỡng ven biển Hầu hết thành phố, khu đô thị, khu du lịch ven biển Việt Nam áp dụng giải pháp tường biển để bảo vệ dải ven bờ Số lượng quy mơ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 56 - 2019 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ tường biển lớn, xây dựng qua nhiều thời kỳ hạn chế kỹ thuật, lại xây dựng vùng thường xuyên chịu tác động sóng, bão nên tường biển thường xuyên bị hư hỏng, gây ảnh hưởng đáng kể tới công đồng dân cư ven biển gây thiệt hại tới sở hạ tầng khu đô thị, du lịch ven biển Hàng năm, địa phương phải đầu tư kinh phí lớn để sửa chữa, xây dựng lại tường biển bị hư hỏng Một ví dụ điển hình khu du lịch Đồ Sơn thành phố Hải Phòng, tường biển xây dựng từ lâu với kết cấu đơn giản Ngay sát với tường vỉa hè, đường giao thông nhà cửa Trong điều kiện triều cường hay có bão, gió mùa đơng bắc mực nước dâng cao sóng tác động mạnh lên tường tạo sóng bắn tóe cao bay qua tường gây nguy hiểm cho dân cư, phương tiện giao thông cơng trình xây dựng phía sau tường Bài báo trình bày kết nghiên cứu sóng tràn áp lực sóng tác động lên cơng trình tường đỉnh mơ hình máng sóng số (MSS) Mơ hình MSS thiết lập kiểm định độ tin cậy với số liệu đo đạc từ thí nghiệm máng sóng vật lý Trường Đại học Thủy lợi với dạng mặt cắt ngang tường biển điển hình xây dựng Việt Nam kịch sóng đại diện cho mùa dải bờ biển nước ta Kết nghiên cứu mơ hình MSS giúp làm sáng tỏ q trình tương tác sóng với cơng trình, tương tác sóng với địa hình vùng ven bờ giúp đề xuất lựa chọn dạng mặt cắt ngang tường biển hợp lý cho vùng miền MƠ HÌNH MÁNG SĨNG SỐ 2.1 Các phương trình sử dụng mơ hình máng sóng số Mơ hình MSS xây dựng từ hệ phương trình Navier-Stokes cho chất lỏng khơng nén Do việc xây dựng máng sóng quan tâm đến hai chiều: chiều theo phương truyền sóng (trục x) chiều thẳng đứng (trục z) nên bỏ qua chiều vng góc với phương truyền sóng để tiết kiệm thời gian tính tốn tài ngun nhớ máy tính Hệ phương trình chiều viết sau:  Phương trình liên tục u w  q x z (1)  Phương trình bảo toàn động lượng hệ Navier-Stokes u uu wu p  ì ỉ u ưü  ì ỉ u w ửỹ ớn ỗ ữý ớn ỗ ữý - D u qu t x z r x x ỵ e è x ứỵ z ợ e ố z x ứỵ x w uw ww p  ì ỉ w u ưü ỡ ổ w ửỹ ớn ỗ ữý ớn ỗ ữý - Dz w - g  qw t x z r z x ợ e ố x z ứỵ z ợ e ố z ứỵ Trong ú: t l thi gian, x v z toạ độ ngang đứng; u, w thành phần vận tốc theo phương ngang phương đứng;  mật độ chất lỏng; p áp suất; e hệ số nhớt động học (tổng nhớt phân tử nhớt rối); g gia tốc trọng trường; q số hạng nguồn; qu, qw nguồn động lượng theo phương x z (2) (3) Dx, Dz hệ số suy giảm lượng theo phương x z Chi tiết sở thuật tốn mơ hình MSS xem [3] 2.2 Cấu trúc mơ hình máng sóng số Để thuận tiện q trình sử dụng mơ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 56 - 2019 KHOA HỌC hình máng sóng số để tính tốn, cấu trúc mơ hình chia thành các phần sau: - Wave Channel Inputs: dùng để thiết lập kích thước máng sóng, dạng cơng trình rỗng, cơng trình đặc máng sóng - Input Waves Condition: dùng để thiết lập điều kiện sóng để đưa vào tính tốn, bao gồm: kiểu sóng (đều hay khơng đều), thời gian tính tốn sóng, vị trí nguồn tạo sóng máng CƠNG NGHỆ chọn loại tường biển phù hợp với vùng miền, đề tài nghiên cứu mã số TĐ 145-17 xây dựng kịch tính tốn cho loại tường biển điển hình Việt Nam với kịch sóng, đại diện cho vùng miền đại diện cho thời kỳ gió mùa Đơng Bắc gió mùa Tây Nam Các dạng tường biển bao gồm: - Tường đứng đơn giản liền khối khơng có mố nhơ có mố nhô, đại diện cho dạng tường biển xây dựng Bắc Bộ, ví dụ Đồ Sơn, Hải Phòng - Output Wave Gauges: dùng để thiết lập vị trí đầu đo sóng, vị trí đo sóng tràn, kích thước miền xuất kết tính tốn vận tốc dịng chảy, áp suất sóng, dao động mặt nước - Tường đứng hỗn hợp khơng có mố nhơ có mố nhơ: đại diện cho dạng tường biển xây dựng Bắc Trung Bộ, ví dụ bãi biển Thiên Cầm, Hà Tĩnh - Save Wave Channel: dùng để lưu lại thiết lập mơ hình máng sóng - Tường bậc thang khơng có mố nhơ có mố nhơ: đại diện cho kiểu tường biển xây dựng bãi biển Cửa Tùng, Quảng Trị - Run Experiment: chạy chương trình máng sóng với điều kiện thiết lập KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các kịch tính tốn Để tính tốn sóng tràn áp lực sóng tác động lên tường biển mũi hắt, đánh giá hiệu làm việc loại tường đề xuất lựa Hình 1: Tường bậc thang có mố nhơ - Tường mặt cong khơng có mố nhơ có mố nhô: đại diện cho kiểu tường biển xây dựng thành phố Nha Trang, Khánh Hịa Trong khn khổ báo này, mơ hình máng sóng số thực để tìm hiểu tương tác sóng hai loại tường: bậc thang mặt cong Hình 2: Tường mặt cong có mố nhơ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 56 - 2019 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Điều kiện sóng: nghiên cứu lựa chọn kịch sóng đại diện cho thời kỳ gió mùa đơng bắc thời kỳ gió mùa tây nam cho khu vực bờ biển Nam Trung Bộ để mơ a) Kịch sóng 1: Hs = 18 cm T = s b) Kịch sóng 2: Hs = 17 cm T = 1,6 s c) Kịch sóng 3: Hs = 16 cm T = 1,5 s Máng sóng thiết lập với kích thước tương tự máng sóng Phịng thí nghiệm thủy lực tổng hợp Trường Đại học Thủy lợi Các kích thước chi tiết xem Hình Hình 3: Kích thước máng sóng 3.2 Kết so sánh thí nghiệm vật lý máng sóng số Để đánh giá độ tin cậy mơ hình MSS, nghiên cứu tiến hành so sánh kết mơ mơ hình MSS với kết thí nghiệm mơ hình vật lý máng sóng Các thơng số thiết lập cho mơ hình MSS tương tự mơ hình vật lý máng sóng, bao gồm: kiểu tường đứng đơn giản liền khối khơng có mố nhơ, độ sâu nước d = 70 cm, chiều cao sóng Hs = 10 cm, chu kỳ sóng T = 1,2 s Tiến hành trích xuất chiều cao sóng mơ hình MSS vị trí đặt đầu đo sóng mơ hình vật lý máng sóng để kiểm tra độ tin cậy mơ hình Hình 4: Kết so sánh dao động sóng đầu đo WG6 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 56 - 2019 KHOA HỌC Hình trình bày kết so sánh chiều cao sóng mơ hình MSS với mơ hình vật lý vị trí đặt đầu đo sóng WG6 đầu đo gần cơng trình Độ xác kết tính tốn từ mơ hình so với số liệu thực đo đánh giá sai số trung bình quân phương (RMSE) Tại đầu đo WG6 RMSE = 0,008 m; cho thấy dao động sóng mơ hình máng sóng số mơ hình vật lý tương đồng Tại thời điểm ban đầu có số sai khác đáng kể, nguyên nhân phương pháp phát sinh sóng tăng dần thí nghiệm vật lý mơ hình máng sóng số có khác Tuy nhiên, sau ổn định dao động sóng mơ hình vật lý mơ hình máng sóng số tương đồng độ cao pha Như kết cho phép sử dụng mơ hình máng sóng số để nghiên cứu tính tốn cho kịch khác 3.3 Kết tính tốn sóng tràn mơ hình MSS Trên sở kịch thiết lập điều kiện dạng tường đỉnh, điều kiện sóng điều kiện máng sóng, tiến hành tính tốn đưa kết lượng sóng tràn áp lực sóng tác động lên cơng trình Trong ba kịch tính tốn nêu mục 3.1, có kịch sóng 1: Hs = 18 cm T = s cho kết có xuất sóng tràn nên báo tập trung trình bày đánh giá kết kịch Với kiểu tường bậc thang có mố nhơ khơng có mố nhơ q trình lan truyền sóng khơng có khác qua cơng trình dẫn đến lưu lượng tràn qua cơng trình khơng chênh lệnh nhiều hai loại tường Với kiểu tường mặt cong có mố nhơ khơng có mơ nhơ, q trình lan truyển sóng qua cơng trình có khác biệt lớn Khi sóng truyền đến cơng trình tường cong có mơ nhơ sóng bị hắt lại, làm cho lượng sóng tràn CƠNG NGHỆ qua cơng trình nhỏ, với cơng trình tường cong khơng có mơ nhơ sóng truyền đến cơng trình tiếp tục vượt qua cơng trình lam cho lưu lượng tràn với dạng cơng trình lớn Kết tính tốn lượng sóng tràn trường hợp tường bậc thang tường cong có mũi hắt khơng có mũi hắt thể Bảng Hình Bảng 1: Lưu lượng tràn trung bình theo thời gian TT Cơng trình Lưu lượng tràn trung bình (cm3/cm/s) Tường bậc thang có mũi hắt 3,00 Tường bậc thang khơng có mũi hắt 3,60 Tường cong có mũi hắt 0,83 Hình 5: Q trình lưu lượng tràn theo thời gian Kết tính tốn áp lực sóng tác động lên cơng trình trường hợp tường bậc thang có mũi hắt khơng có mũi hắt thể Hình 6; trường hợp tường cong có mũi hắt khơng có mũi hắt – thể Hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 56 - 2019 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 6: Biểu đồ phân bố áp suất sóng lên tường bậc thang Đường liền nét: tường có mũi hắt; đường đứt nét: tường khơng mũi hắt Hình 7: Biểu đồ phân bố áp suất sóng lên tường cong Đường liền nét: tường có mũi hắt; đường đứt nét: tường không mũi hắt Trên sở kết tính tốn sóng tràn áp lực sóng tác động lên dạng tường đỉnh thấy rằng: - Lượng sóng tràn trường hợp tường đỉnh có mũi hắt nhỏ so với tường đỉnh khơng có mũi hắt - Sóng có tác động mạnh đến phần chân tường đỉnh hai trường hợp có khơng có mũi hắt Áp lực sóng trường hợp tường đỉnh có mũi hắt lớn so với tường đỉnh khơng có mũi hắt - Trong dạng tường đỉnh tường đỉnh mặt cong có mũi hắt loại tường có khả giảm sóng tràn hiệu nhất, thời điểm bắt đầu tràn muộn so với dạng cơng trình lại 6 KẾT LUẬN Kết nghiên cứu dạng tường biển có kết cấu mũi hắt khác cho thấy sóng tràn áp lực sóng lên tường biển mặt cong có mố nhơ có hiệu giảm sóng tràn lớn nhiên áp lực sóng tác động lên dạng cơng trình lại lớn Do đó, việc lựa chọn loại cơng trình cho phù hợp với khu vực cần phải xem xét hai khía cạnh khả giảm sóng khả chịu áp lực Việc sử dụng mơ hình máng sóng số để nghiên cứu, tính tốn sóng tương tác cơng trình đặc biệt sóng tràn áp lực sóng tác động lên cơng trình cho kết tương đối xác so với mơ hình vật lý Như mơ hình máng sóng số cho phép nhà nghiên cứu đưa đánh giá cách nhanh chóng, hiệu tiết kiệm kinh phí thời gian so với phương pháp khác TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 56 - 2019 KHOA HỌC LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn hỗ trợ Đề tài khoa học công nghệ “Nghiên cứu chế tạo cấu kiện tường biển có mũi hắt sóng phục CƠNG NGHỆ vụ xây dựng cơng trình bảo vệ bờ đảo bờ khu đô thị khu du lịch ven biển”, Mã số TĐ145-17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] Sakakiyama T., Kajima R., 1992 Numerical simulation of nonlinear waves interacting with permeable breakwaters Proc 23rd Int Conf, Coastal Eng, ASCE, 1992, pp 1, 517-1,530 TAW, 2002 Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes Technical Advisory Committee on Flood Defenses Delft, the Netherlands, 2002 pp.1-50 Phùng Đăng Hiếu, nnk, 2013 Ứng dụng máng sóng số nghiên cứu sóng tương tác với đê chắn sóng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển, tập 13, Số 3, 2013: 227-233, ISSN: 1859-3097 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 56 - 2019 ... sóng tràn áp lực sóng tác động lên dạng tường đỉnh thấy rằng: - Lượng sóng tràn trường hợp tường đỉnh có mũi hắt nhỏ so với tường đỉnh khơng có mũi hắt - Sóng có tác động mạnh đến phần chân tường. .. hợp có khơng có mũi hắt Áp lực sóng trường hợp tường đỉnh có mũi hắt lớn so với tường đỉnh khơng có mũi hắt - Trong dạng tường đỉnh tường đỉnh mặt cong có mũi hắt loại tường có khả giảm sóng tràn. .. khơng có mũi hắt 3,60 Tường cong có mũi hắt 0,83 Hình 5: Quá trình lưu lượng tràn theo thời gian Kết tính tốn áp lực sóng tác động lên cơng trình trường hợp tường bậc thang có mũi hắt khơng có mũi