Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu kiện rỗng đến sự thay đổi thông số sóng trên mô hình máng sóng

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu so sánh khả năng triết giảm sóng, tiêu tán năng lượng của 2 dạng kết cấu đê giảm sóng khác nhau bằng mô hình vật lý. Để có được sự hiểu biết tốt hơn về tương tác sóng với dạng đê rỗng khác nhau.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU KIỆN RỖNG ĐẾN SỰ THAY ĐỔI THƠNG SỐ SĨNG TRÊN MƠ HÌNH MÁNG SĨNG Lê Thanh Chương, Lê Xn Tú, Đỗ Văn Dương Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu so sánh khả triết giảm sóng, tiêu tán lượng dạng kết cấu đê giảm sóng khác mơ hình vật lý Để có hiểu biết tốt tương tác sóng với dạng đê rỗng khác Kết cấu thứ có hai mặt bố trí lỗ rỗng hở tạo điều kiện trao đổi môi trường trước sau công trình Kết cấu thứ hai có mặt trước bố trí lỗ rỗng nhằm hấp thụ sóng phản xạ mặt sau kín khơng cho trao đổi mơi trường trước sau cơng trình Trong q trình tương tác với cơng trình, sóng bị tiêu tán nhiều kết cấu hai có mặt sau kín, nhiên hệ số sóng phản xạ kết cấu lại lớn so với kết cấu thứ Từ khóa: Đê giảm sóng kết cấu rỗng, hệ số truyền sóng, hệ số tiêu tán lượng, sóng phản xạ, mơ hình vật lý 2D Summary: This paper presents the research results comparing the ability of reduce wave, energy dissipation of two breakwater structures based on the physical model This experiment is intended to provide a better under-standing of wave interactions and hollow breakwater and closed structure The first structure is opened, it is capable of environmental exchange before and after of the structure, the second structure is closed, it does not allow environmental exchange before and after of the structure In the interactive process between waves and structures, Wave energy is dissipated better by second structure but the wave reflected is bigger Keywords: porous breakwater, transmission coefficient, dissipation coefficient, wave reflection, 2D physical model ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong bối cảnh tìm kiếm giải pháp bảo vệ bờ biển khơi phục rừng ngập mặn ven biển cách bền vững khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long Một số nghiên cứu đưa giải pháp ứng dụng đê giảm sóng kết cấu rỗng giúp giảm sóng, trao đổi môi trường tạo điều kiện thuận lợi cho bùn cát truyền qua cơng trình vào bên lắng đọng bùn cát hạt mịn, đồng thời cản trở trình di chuyển sinh vật nước Bên cạnh vị trí cần lặng sóng đê dạng kín sử dụng, nhiên dạng đê kín truyền thống thường bị hạn chế số vấn đề quy mô lớn, nguyên Ngày nhận bài: 29/3/2020 Ngày thông qua phản biện: 17/4/2020 vật liệu chủ yếu đá hộc tương đối khan khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long thời gian thi công lắp đặt thường dài Để giải vấn đề đê dạng kín truyền thống, giải pháp đê giảm sóng dạng kín 1/2 hình bán nguyệt (cấu kiện đúc sẵn) có mặt trước bố trí lỗ rỗng nhằm tiêu tán sóng giảm thiểu sóng phản xạ đề xuất Nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả, so sánh khả tiêu tán lượng sóng dạng kết cấu giảm sóng cấu kiện bê tơng đúc sẵn Kết cấu dạng rỗng đặc trưng cho xu hướng nghiên cứu Đồng sơng Cửu Long, cịn kết cấu dạng kín làm Ngày duyệt đăng: 20/4/2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 81 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ cấu kiện bê tông đúc sẵn đặc trưng cho dạng đê truyền thống cải tiến THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM Kết cấu đê giảm sóng dạng hở hình chóp tứ giác TG1 (Hình 2.1a) có mặt chia làm mặt trước mặt sau mặt trước có độ rỗng bề mặt P1=17.6% tương ứng với 10 lỗ rỗng trịn có đường kính 5.7cm mặt độ rỗng mặt sau P2=12.0% tương ứng với 10 lỗ rỗng trịn có (a) Kết cấu dạng rỗng hình chóp tứ giác TG1 đường kính 4.1cm mặt Kết cấu đê giảm sóng dạng kín hình bán nguyệt BN2 có độ rỗng mặt trước P1=19.7% tương ứng với hàng lỗ rỗng trịn đường kính 5.7cm (Hình 2.1b) mặt sau kín Cả mơ hình cấu kiện thiết kế gỗ với độ dày thành 20mm liên kết cứng với bề mặt đáy máng sóng tránh tượng bị dịch chuyển q trình thí nghiệm (b) Kết cấu dạng kín hình bán nguyệt BN2 Hình 2.1: Kết cấu đê giảm sóng chóp tứ giác Nghiên cứu thực máng sóng Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam có chiều dài 35m, cao 1.5m rộng 1.2m với hệ thống thiết lập phân tích liệu sóng HR-Wallingford Cách thiết lập ví trí kim đo sóng cấu kiện đê giảm sóng thể Hình 2.2, máy tạo sóng động đẩy Piston đặt cách cấu kiện 20.5m kết nối với hệ thống điều khiển lập trình có chức hấp thụ sóng tự động giúp hạn chế sai số biên đầu vào Phía trước cơng trình bố trí kim đo sóng, vị trí kim WG2, 3, 4, có chức phân tách sóng tới sóng phản xạ trước cơng trình dựa vào tính tốn thiết lập phần mềm đo sóng HR-Wallingford Sau cơng trình bố trí kim đo sóng cách khoảng 4m kim gần cách chân cơng trình 1.5m có chức đo thay đổi sóng truyền sóng cơng trình Phần cuối máng sóng thiết lập mái hấp thụ sóng đá đổ có 82 hệ số mái m=6, mục đích để giảm thiểu sóng phản xạ ảnh hưởng đến số liệu đo Kết kiểm định cho hệ số sóng phản xạ trường hợp khơng cơng trình ln nhỏ 10% đảm bảo ảnh hưởng sóng phản xạ đến kết đo đạc không đáng kể (theo nghiên cứu Goda 2010 [2], Chakrabarti 1994 [1]) Một loạt thí nghiệm với điều kiện sóng khơng thực mực nước khác (mực nước trung bình, cao, thấp) Sóng tạo theo dạng phổ JONSWAP với hệ số gamma (peak enhancement factor) 3.3, chu kỳ đỉnh sóng thay đổi từ 1.2s ÷ 2.5s, chiều cao sóng ý nghĩa từ 0.07m ÷ 0.17m, độ dốc sóng tương ứng Hm0/L thay đổi từ 0.015 ÷ 0.043 (trong giá trị chiều dài sóng L phụ thuộc vào chu kỳ sóng độ sâu nước) Q trình thu thập phân tích liệu thực phần mềm HR DAQ (của HRWallingford) Thời gian đo đạc cho chuỗi TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC thí nghiệm thực khoảng 500 sóng tương ứng Tdo=500xTp (s), với tần số đo 50Hz Ba giá trị mực nước thí nghiệm tương ứng với giá trị chiều cao lưu khơng đỉnh đê CƠNG NGHỆ Rc ={+0.14m, +0.07m, 0m} (được xác định hiệu cao trình đỉnh đê mực nước thiết kế) Hình 2.2: Sơ đồ thiết lập thí nghiệm Hình 2.3: Mực nước thí nghiệm Loại dịng chảy qua kết cấu giảm sóng xác định số Reynolds với Re   d ,   vận tốc sóng (vận tốc nhóm sóng) chảy qua lỗ rỗng, d đường kính lỗ rỗng, v hệ số nhớt động học nước xác định nhiệt độ 20 oC (0.0101 cm2 /s) Kết tính tốn cho giá trị TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 83 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Re=31237÷59239, cho thấy Re tính tốn >10000 nên dịng chảy qua cấu kiện giảm sóng ứng với kịch dịng chảy rối Bảng 2.1: Thơng số thí nghiệm Tham số thí nghiệm Kết cấu đê giảm sóng Độ rỗng mặt trước cấu kiện, P1 Độ rỗng mặt sau cấu kiện, P2 Chiều cao cấu kiện, h Chiều cao lưu khơng, Rc Chiều cao sóng, Hs Chu kỳ đỉnh sóng, Tp Độ dốc sóng, Hm0/L Chỉ số Reynolds qua đê giảm sóng Re  3.1 Tiêu chí đánh giá hiệu cơng trình Sóng va chạm với dạng cơng trình đê giảm sóng phần lượng sóng bị phản xạ phía trước cơng trình, phần bị tiêu tán, hấp thụ cơng trình phần cịn lại truyền qua phía sau cơng trình Về mặt lý thuyết vấn đề thủy động lực học tuân thủ định luật bảo tồn lượng thể dạng tốn học băng cơng thức cân lượng (Burcharth and Hughes 2003): (1) Trong đó, EI, Et, Er Ed lượng sóng đến, sóng truyền, sóng phản xạ sóng bị tiêu tán Và hàm cân lượng viết lại sau: 2 H  H  E 1  t   r   d  Hi   H i  Ei (2)  Kt  K r  K d (3) Trong đó: Kt  H m 0,t Hệ số truyền sóng xác định H m 0,i giá trị chiều cao sóng truyền phía sau 84 TG1, BN2 17.6%, 19.7% 12%, 0% 0.47m 0.00m, +0.07m, +0.14m 0.07m÷0.17m 1.2s ÷ 2.5s 0.015 ÷ 0.043 d  KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Ei  Et  Er  Ed Giá trị 31237 ÷ 59239 cơng trình (Hm0,t) giá trị chiều cao sóng tới (Hm0,i); Kr  H m 0, r Hệ số sóng phản xạ xác định H m 0,i giá trị chiều cao sóng phản xạ trước cơng trình (Hm0,r) giá trị chiều cao sóng tới (Hm0,i); Kd xác định dựa vào kết công thức biển đổi từ công thức (3): Kd   Kt  K r (4) Các sóng biến đổi xung quanh cơng trình sóng tới tương tác với cơng trình tạo thành chế độ sóng trước cơng trình Sự biến đổi thể qua hệ số sóng trước cơng trình xác định tỷ số chiều cao sóng trước cơng trình (Hm0,f) chiều cao sóng tới (Hm0,i) theo công thức (5): Kf  H m 0, f H m 0,i (5) Trong chiều cao sóng trước cơng trình xác định vị trí kim đo số trước cơng trình 3.2 Q trình truyền sóng Sự thay đổi hệ số truyền sóng Kt phụ thuộc vào TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC yếu tố chiều cao lưu không tương đối (Rc/Hm0,i), tham số sóng thể qua Hình 3.1 Xu hướng nghịch biến Rc/Hm0,i Kt thể rõ ràng kết cấu giảm sóng Nhìn chung kết cấu BN2 có hệ số truyền sóng tốt kết cấu TG1 điều kiện mực nước xem xét thí nghiệm mặt sau cấu kiện BN2 kín Hs=0.07m, Tp=1.20s Hs=0.12m, Tp=1.60s 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.0 Hệ số truyền sóng Kt (-) 1.0 Hệ số truyền sóng Kt (-) Hệ số truyền sóng Kt (-) Đối với kết cấu TG1 Rc/Hm0,i>0 hệ số truyền sóng ln nhỏ 0.75 tương ứng với hiệu giảm sóng lớn 25% Với kết cấu dạng kín BN2 Rc/Hm0,i>1 hệ số truyền sóng khơng, tức sóng khơng thể vượt qua đỉnh đê hệ số truyền sóng ln nhỏ 0.42 tương ứng hiệu giảm sóng lớn 58% Rc/Hm0,i>0 Hs=0.10m, Tp=1.50s 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -1 Rc/Hm0,i CÔNG NGHỆ TG1 BN2 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -1 Rc/Hm0,i -1 Rc/Hm0,i Hình 3.1: Hệ số truyền sóng Kt ứng với tham số thí nghiệm khác 3.3 Sóng phản xạ Cả kết cấu TG1 BN2 cho hệ số sóng phản xạ tương đối nhỏ điều kiện mực nước khác (Hình 3.2) Tuy nhiên xu hướng biến đổi hệ số sóng phản xạ phụ thuộc vào chiều cao lưu khơng lại khơng thực rõ ràng, hệ số sóng phản xạ có xu hướng lớn trường hợp mực nước trung bình 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Rc/Hm0,i Hs=0.12m, Tp=1.60s 1.0 Hệ số sóng phản xạ Kr (-) 1.0 -1 So sánh kết cấu TG1 BN2 nhận thấy sóng phản xạ kết cấu giảm sóng BN2 có xu hướng lớn so với kết cấu TG1 Kết phân tích cho thấy kết cấu TG1 ln cho hệ số sóng phản xạ nhỏ 0.3 Hs=0.10m, Tp=1.50s Hệ số sóng phản xạ Kr (-) Hệ số sóng phản xạ Kr (-) Hs=0.07m, Tp=1.20s nhỏ trường hợp mực nước thấp mực nước cao, thay đổi không lớn 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -1 Rc/Hm0,i 1.0 TG1 BN2 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -1 Rc/Hm0,i Hình 3.2: Hệ số sóng phản xạ Kr ứng với tham số thí nghiệm khác TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 85 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 3.4 Tiêu tán lượng sóng Quan hệ đồng biến nhận thấy chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0,I hệ số tiêu tán lượng sóng qua biểu đồ Hình 3.3, tức đê nhô cao khả tiêu tán lượng sóng kết cấu lớn Hs=0.07m, Tp=1.20s Kết cấu giảm sóng BN2 cho hế số tiêu tán lượng sóng tốt so với kết cấu TG1, nhiên chênh lệch hệ số tiêu tán lượng kết cấu có xu hướng giảm dần chiều cao lưu không đỉnh đê tăng lên Hs=0.10m, Tp=1.50s Hs=0.12m, Tp=1.60s Hệ số tiêu tán NL Kd (-) Hệ số tiêu tán NL Kd (-) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.0 Hệ số tiêu tán Kd Kd (-) 1.0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -1 Rc/Hm0,i 0.8 0.6 0.4 TG1 0.2 BN2 0.0 -1 Rc/Hm0,i -1 Rc/Hm0,i Hình 3.3: Hệ số tiêu tán lượng sóng Kd ứng với tham số thí nghiệm khác 3.5 Sóng biến đổi trước cơng trình Kết phân tích hệ số sóng biến đổi trước cơng trình thể qua Hình 3.4, cho thấy hệ số Kf >1 thể chiều cao sóng trước cơng trình ln lớn chiều cao sóng tới, hệ số Kf kết cấu không khác nhiều Hs=0.10m, Tp=1.50s Hs=0.12m, Tp=1.60s 1.2 1.2 1.0 1.0 1.0 0.8 0.6 0.4 Hệ số Kf(-) 1.2 Hệ số Kf(-) Hệ số Kf (-) Hs=0.07m, Tp=1.20s hầu hết trường hợp thí nghiệm, đê BN2 có hệ số Kf lớn đê TG1 lý đê TG1 có độ rỗng lớn sóng truyền qua nhiều hơn, cịn đê BN2 kín nên tạo nước dềnh trước cơng trình, sóng trước cơng trình cao Nhìn chung hệ số Kf nhỏ 1.2 lớn 0.8 0.6 0.4 0.8 0.6 0.4 0.2 0.2 0.2 0.0 0.0 0.0 -1 Rc/Hm0,i -1 Rc/Hm0,i TG1 BN2 -1 Rc/Hm0,i Hình 3.4: Hệ số sóng cục trước cơng trình Kf ứng với tham số thí nghiệm khác 3.6 Đánh giá biến đổi lượng sóng Dựa vào phân tích thay đổi hệ số 86 giảm sóng, hệ số sóng phản xạ hệ số tiêu tán lượng sóng biểu đồ biến đổi TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 KHOA HỌC lượng sóng tương tác với kết cấu giảm sóng xây dựng Hình 3.5 Các giá trị phần trăm lượng biến đổi Rc/Hm0,i xác định dựa giá trị trung bình ứng với trường hợp mực nước cao, trung bình thấp Cả kết cấu cho dải lượng sóng tiêu tán chiếm ưu Với kết cấu giảm sóng TG1 sóng tới tương tác với cơng trình phần trăm lượng sóng truyền qua từ 24.5÷53.6%, phần trăm CƠNG NGHỆ lượng sóng bị phản xạ khoảng 4.5÷5.8%, phần trăm lượng sóng bị tiêu tán khoảng 41.9÷70.5% Với kết cấu giảm sóng BN2 sóng tới tương tác với cơng trình phần trăm lượng sóng truyền qua từ 0÷16.2%, phần trăm lượng sóng bị phản xạ khoảng 10.7÷14.3%, phần trăm lượng sóng bị tiêu tán khoảng 70.9÷89.3% Biểu đồ lượng sóng qua kết cấu giảm sóng TG1 Biểu đồ lượng sóng qua kết cấu giảm sóng BN2 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0.00 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0.00 0.81 Rc/Hm0,i (-) 1.71 0.83 Rc/Hm0,i (-) 1.76 Hình 3.5: Biến đổi lượng sóng qua kết cấu giảm sóng KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Mơ hình hai kết cấu giảm sóng dạng rỗng dạng kín nghiên cứu, đánh giá khả tiêu tán lượng sóng dựa chuỗi kịch thay đổi mực nước, tham số sóng thí nghiệm máng sóng Một số kết luận rút từ nghiên cứu: Khi sóng tương tác với cơng trình đê giảm sóng dạng kín hình bán nguyệt BN2 cho lượng sóng truyền qua hơn, lượng sóng bị phản xạ lớn lượng sóng tiêu tán kết cấu lớn so với đê giảm sóng dạng rỗng hình chóp tứ giác TG1 Đối với đê giảm sóng dạng rỗng hình tứ giác TG1 trung bình lượng sóng tới bị biến đổi thành: sóng truyền qua cấu kiện (chiếm 38.9%), sóng bị phản xạ (chiếm 5.1%), sóng bị tiêu tán kết cấu (khoảng 56.0%) Đối với đê giảm sóng dạng kín hình bán nguyệt BN2 trung bình lượng sóng tới bị biến đổi thành: sóng truyền qua cấu kiện (chiếm 6.0%), sóng bị phản xạ (chiếm 12.6%), sóng bị tiêu tán kết cấu (khoảng 81.4%) Sóng biến đổi trước cơng trình khơng có khác biệt lớn dạng kết cấu, chiều cao TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 87 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ sóng trước cơng trình ln lớn chiều cao TÀI LIỆU THAM KHẢO sóng tới [1] Chakrabarti, S K (1994) Offshore structure modelling, World Scientific Singapore [2] Goda, Y (2010) Random seas and design of maritime structures, World Scientific, Singapore [3] 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 [4] 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” [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] Angremond, K., Van der Meer, J.W and de Jong, R.J., 1996 Wave transmission at low-crested structures Proc 25th ICCE, ASCE, Orlando, USA [7] Horstman, E., Dohmen-Janssen, M., Narra, P., van den Berg, NJ., Siemerink, M., Balke, T., Bouma, T., and Hulscher, S., 2012 Wave attenuation in mangrove forests; field data obtained in Trang, Thailand Proc 33nd Int Conf Coastal Eng., ASCE , pp 40 [8] Hughes, A.S., 1993 Physical models and engineering, World Scientific, Singapore, 568 pp [9] Tuan, T.Q., Tien, N.V and Verhagen, H.J., 2016 Wave transmission over submerged, smooth and impermeable breakwaters on a gentle and shallow foreshore In: Proc 9th PIANC-COPEDEC, pp 897-905, Rio de Janeiro, BRAZIL laboratory techniques in coastal [10] Van der Meer, J.W., Daemen, I.F.R., 1994 Stability and wave transmission at low crested rubble mound structures Journal of Waterway, Port Coastal and Ocean Engineering, 1, 1-19 88 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 59 - 2020 ... cấu kiện giảm sóng ứng với kịch dịng chảy rối Bảng 2.1: Thơng số thí nghiệm Tham số thí nghiệm Kết cấu đê giảm sóng Độ rỗng mặt trước cấu kiện, P1 Độ rỗng mặt sau cấu kiện, P2 Chiều cao cấu kiện, ... 1.76 Hình 3.5: Biến đổi lượng sóng qua kết cấu giảm sóng KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Mơ hình hai kết cấu giảm sóng dạng rỗng dạng kín nghiên cứu, đánh giá khả tiêu tán lượng sóng dựa chuỗi kịch thay đổi. .. trình Kf ứng với tham số thí nghiệm khác 3.6 Đánh giá biến đổi lượng sóng Dựa vào phân tích thay đổi hệ số 86 giảm sóng, hệ số sóng phản xạ hệ số tiêu tán lượng sóng biểu đồ biến đổi TẠP CHÍ KHOA