Nghiên cứu phân bố áp lực sóng lên tường biển có mũi hắt sóng bằng mô hình số và mô hình vật lý

Bài viết này nghiên cứu mô phỏng tương tác giữa sóng đều với tường biển thông qua chương trình ANSYS. Biểu đồ bao mô phỏng áp lực sóng của 3 dạng mặt cắt ngang tường biển thể hiện sự phù hợp tương đối với xu thế của số liệu thí nghiệm mô hình vật lý. Hơn nữa, kết quả mô phỏng đã xác định được các vị trí áp lực sóng cục bộ lớn nhất.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, NUCE 2020 14 (4V): 87–95 NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ ÁP LỰC SÓNG LÊN TƯỜNG BIỂN CĨ MŨI HẮT SĨNG BẰNG MƠ HÌNH SỐ VÀ MƠ HÌNH VẬT LÝ Nguyễn Thái Hồnga , Lê Hải Trunga,∗, Trần Thanh Tùnga , Tăng Xuân Thọb a Khoa Cơng trình, trường Đại học Thủy lợi, 175 đường Tây Sơn, quận Đống Đa, Hà Nội, Việt Nam b 05 phố Chiêu Hoa, quận Kiến An, Hải Phòng, Việt Nam Nhận ngày 28/07/2020, Sửa xong 25/09/2020, Chấp nhận đăng 27/09/2020 Tóm tắt Tường biển ngày trở nên phổ biến quy hoạch khu đô thị khu du lịch ven biển yêu cầu bảo vệ an toàn, khả tiếp cận, cảnh quan thẩm mỹ Áp lực sóng đóng vai trị quan trọng ảnh hưởng đến độ bền độ ổn định tường biển Trong nghiên cứu thiết kế nay, công thức kinh nghiệm thường áp dụng để tính tốn áp lực sóng tác dụng lên tường biển Do vậy, báo nghiên cứu mô tương tác sóng với tường biển thơng qua chương trình ANSYS Biểu đồ bao mơ áp lực sóng dạng mặt cắt ngang tường biển thể phù hợp tương xu số liệu thí nghiệm mơ hình vật lý Hơn nữa, kết mô xác định vị trí áp lực sóng cục lớn Từ khố: ANSYS; áp lực sóng; máng sóng số; mũi hắt sóng; tường biển SIMULATIONS AND EXPERIMENTS OF WAVE PRESSURE ON SEAWALLS WITH BULLNOSE Abstract Seawalls have become more and more popular in the master plan of many towns and tourism areas in the coastal zone of Viet Nam due to gradually increasing requirements in safety, amenity and landscape It is clearly wave pressure that strongly governs the stability and strength of this protection structure On the current practice of design and research, empirical formulae are very often applied to determine wave pressure against seawall, specially vertical face Therefore, the paper aims to simulate the wave – wall interaction using ANSYS programme The calculated figures of wave pressure on three different cross-sections are relatively comparable to data derived from measurements conducted on physical experiments Moreover, the simulation has revealed the local maximal points of wave pressure Keywords: ANSYS; wave pressure; numerical wave flume; bullnose; seawall https://doi.org/10.31814/stce.nuce2020-14(4V)-08 © 2020 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Việt Nam có đường bờ biển dài 3260 km, tỷ lệ đường bờ biển so với diện tích lục địa lớn Trong năm gần đây, phát triển kinh tế xã hội dẫn tới tập trung dân số hình thành nên nhiều thành phố, khu thị du lịch ven biển Yêu cầu bảo vệ an toàn dân cư sở hạ tầng khu vực ngày quan tâm Bên cạnh đó, yếu tố mặt thẩm mỹ đặt yêu cầu mới, phức tạp cơng trình bảo vệ bờ biển Tường biển có chức bảo vệ ổn định đường bờ, bảo vệ cho phần đất phía sau tường trước tác động sóng, nước dâng tác động bất lợi khác từ biển Mặt cắt ngang tường nhỏ đáng kể so với đê biển nên diện tích mặt xây dựng nhỏ, phù hợp cho khu vực có diện tích hạn ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: trung.l.h@tlu.edu.vn (Trung, L H.) 87 Hoàng, N T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng chế Cùng với ưu kỹ thuật thẩm mỹ, tường biển dần trở nên phổ biến hệ thống cơng trình bảo vệ bờ cho thành phố, khu dân cư du lịch ven biển nước ta Áp lực sóng đóng vai trị quan trọng ảnh hưởng chi phối đến độ bền độ ổn định tường biển Các nghiên cứu xác định tải trọng sóng lên tường biển bắt đầu sớm từ cuối kỉ 19 Gaillard [1] thực quan sát Mặc dù có nhiều nghiên cứu khắp giới vấn đề chất ngẫu nhiên lực động va đập sóng lên cơng trình nên việc định lượng tải trọng sóng tác động lên tường biển hay đê chắn sóng tiếp tục nghiên cứu Từ kết đo đạc thực tế, Hiroi [2] đề xuất công thức thực nghiệm xác định áp lực sóng trung bình sóng khơng vỡ (non-breaking wave) sau: P = 1,5ρgHD (1) với HD chiều cao thiết kế sóng (m); g gia tốc trọng trường (m2 /s) ρ khối lượng riêng nước (kg/m3 ) Công thức giả thiết áp lực sóng phân bố suốt chiều cao tường đứng lên đến độ cao gấp 1,25 lần chiều cao sóng phía mực nước tĩnh Công thức Hiroi [3] phản ánh tốt áp lực trung bình miền bị ảnh hưởng áp lực sóng Tuy nhiên, áp lực sóng khơng vỡ (non-breaking wave) tính theo cơng thức Hiroi khơng phản ánh xác cường độ áp lực cục quan trắc phịng thí nghiệm hay thực tế Dựa lý thuyết sóng trochoidal, Sainflou [3] thiết lập cơng thức tính áp lực sóng sóng có biên độ hữu hạn nhanh chóng áp dụng rộng rãi Phương pháp sử dụng phương trình thủy động lực học tổng quát chất lỏng lý tưởng sóng đứng độ sâu hạn chế Tuy nhiên, kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy giá trị tổng áp lực sóng tính theo công thức Sainflou thường lớn nhiều so với thực tế trường hợp sóng dốc nhỏ nhiều trường hợp sóng thoải Những kết thí nghiệm Bagnold [4] đặt móng cho nghiên cứu tác dụng động sóng (wave impact) cơng trình ven bờ Trong cơng trình mình, Bagnold nhấn mạnh đến quan trọng lượng khí mang theo sóng, áp lực động đạt giá trị lớn lượng khí nhỏ phải khác khơng Dựa mơ hình thí nghiệm sử dụng phương pháp kinh nghiệm, Goda [5] đưa cơng thức tính áp lực sóng dùng thiết kế đê chắn sóng tường đứng dựa hàng loạt thí nghiệm mơ hình thủy lực, giả thiết áp lực phân bố dọc theo tường đứng có dạng hình thang Cơng thức áp dụng sóng vỡ lẫn khơng vỡ sử dụng chiều cao sóng lớn nhóm sóng để tính tốn Những năm gần đây, nhiều phương pháp phát triển để nghiên cứu áp lực sóng lên tường đứng Goda mở rộng tính tốn mơ hình với sóng bậc năm nay, mơ hình mơ hình sử dụng xấp xỉ bậc cao để tính sóng đứng vùng nước có chiều sâu hữu hạn Nhìn chung, cơng thức kinh nghiệm tập trung tính tốn áp lực lớn tác dụng lên tường biển phân bố áp lực cho số dạng mặt cắt thông dụng dạng tường đứng dạng nghiêng Tuy nhiên thực tế, mặt cắt ngang tường biển đa dạng thay đổi tùy thuộc vào đặc điểm đường bờ đặc trưng sóng mực nước khu vực cụ thể Đối với mặt cắt ngang tường biển có hình dạng phức tạp có mũi hắt sóng (MHS) việc áp dụng cơng thức kinh nghiệm không phù hợp không vị trí chịu áp lực lớn Vì việc xác định phân bố áp lực sóng lên dạng mắt cắt khác tường biển đóng vai trị quan trọng quan tâm nghiên cứu Bên cạnh nghiên cứu thực nghiệm xác định áp lực sóng mơ hình vật lý (MHVL), mơ hình số trị mơ máng sóng số (numerical wave flume) áp dụng ngày phổ biển 88 Hồng, N T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Máng sóng số phát triển mạnh từ năm cuối thập kỉ 1990 [6–8], ngày thường dùng kết hợp với phần mềm tính tốn kết cấu để nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng cơng trình Chính báo nhằm nghiên cứu phân bố áp lực sóng lên tường biển nhờ cơng cụ mơ hình số thí nghiệm MHVL Mặt tường phía biển mơ gồm dạng bậc thang, dạng cong dạng nghiêng; ba dạng có MHS Tính tốn thực với ba tổ hợp mực nước tải trọng sóng đặc trưng Tiếp đó, kết mơ phân bố áp lực so sánh với số liệu đo đạc thí nghiệm MHVL Mơ áp lực sóng lên mặt tường biển với máng sóng số 2.1 Mơ hình số Máng sóngnhư số dao (MSS) dạng mơ đạo hình sốCác trị mơ chiều chuyển động độnglà tuần hoàn với quỹ elip hình sốmơ trị có nhiều, chất lỏng chất vật lý chia thành loại mơ hình dịng chảy cho dịng chảy khơng theo hai phương (x - phương ngang hướng phía bờ, z - phương đứng hướng lên trên) Khi có khơng xốy, loại mơ hình chonhư dịngdao chảyđộng nhớt, rối Thực tế cho dao động sóng nhớt, truyền đến, phần tử nước sẽNavier-Stokes dao động tựa tuần hoàn với quỹ đạo elip hai cónhưng giá trị ápvềdụng với vật mơ hình bờ chia sóng vỡ rối mơ độnghình dịng chảy Các mơ hình sốthấy trị có loại kháthứ nhiều, bảnđối chất lý cóventhể thành loại đóng vai trị quan trọng cho dịng chảy khơng nhớt, khơng xốy, loại mơ hình Navier-Stokes cho dịng chảy nhớt, rối Bài báo sử dụng máng sóng số ANSYS FLUENT chương trình Thực tế cho thấy loại thứ hai có giá trị áp dụng mơ hình ven bờ sóng vỡ rối động ANSYS để nghiên cứu tác động sóng lên tường biển Đây cơng cụ mơ đóng vai trị quan trọng động lực học chất lỏng mạnh, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (finite-volume Bài báo nàyscheme) sử dụng máng sóng sốNavier-Stokes ANSYS FLUENT chương ANSYS hệ phương trình (trung bình Reynolds) cho trình chất lỏng khơng để nghiên cứu tác động sóng lên tường biển Đây công cụ mô động lực học chất nén [9] Trong ANSYS FLUENT,vị trí mặt thống chất lỏng xác địnhlỏng mạnh, sử dụng phương pháp thể tích pháp hữu thể hạntích (finite-volume scheme) hệtảphương Navier-Stokes (trung bình phương chất lỏng (VOF), dựa miêu Lagrangetrình để theo dõi thể tích chất lỏng đơn giản song hiệu để quan sát biến động chất mặt lỏng xác Reynolds) cho chất lỏngPhương khôngpháp nén [9].tuy Trong ANSYS FLUENT,vị trí mặt thống nướcpháp cần nhớlỏng máy (VOF), tính để lưu [10] Kết tả quảLagrange thu từ định phương thểrấttích chất dựatrữtrên miêu đểANSYS theo dõi thể tích chất FLUENT so sánh đối chiếu với kết thí nghiệm mơ hình vật lý lỏng Phương pháp đơn giản song hiệu để quan sát biến động mặt nước cần Thiết lập mơ nhớ máy tính để2.2lưu trữ [10] Kết thu từ ANSYS FLUENT so sánh đối chiếu với Máng sóng số mặt cắt ngang tường biển thiết lập tương tự thí nghiệm kết thí nghiệm mơ hình vật lý MHVL máng sóng Hà Lan, Trường Đại học Thủy lợi Máng sóng có chiều dài truyền sóng 45 m; chiều cao 1,2 m; chiều rộng 1,0 m Hình phác họa sơ đồ bố trí thí 2.2 Thiết lập mơ nghiệm máng sóng Hà Lan Từ phải qua trái gồm: máy tạo sóng có khả chủ hấpcác thụ mặt sóng cắt phảnngang xạ; mộttường đoạn máng khoảng m để đảm bảo sóng thí phátnghiệm MHVL Máng sóngđộng số biển dài thiết15lập tương tự triển ổn định trước gặp bãi trước; bãi trước với độ dốc 1/50; bệ đỡ tường có hệ số máng sóng Hà Lan, Trường Đại học Thủy lợi Máng sóng có chiều dài truyền sóng 45 m; chiều mái m = 1,5; khối tường biển đặt bệ cao 1,2 m; chiều rộng 1,0 m Hình phác họa sơ đồ bố trí thí nghiệm máng sóng Hà Lan Từ sát chân đỡ cócóbốkhả trí thảm đá động dài m, dàythụ tớisóng cm.phản Thảmxạ; đá có tácđoạn máng dài phải qua trái gồm:Ở máy tạobệsóng chủ hấp dụng hạn chế hình thành hố xói chân bệ không ảnh hưởng tới tham khoảng 15 m để đảm bảo sóng phát triển ổn định trước gặp bãi trước; bãi trước số với độ dốc 1/50; sóng tới Theo đó, mặt cắt bãi trước trì tương đối ổn định, giảm bớt cơng san bệ đỡ tường có hệ số mái m = 1,5; khối tường biển đặt bệ gạt, tạo hình bãi cát sau đợt thí nghiệm Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm máng sóng Hà Lan - Trường Đại học Thủy lợi Từ Hình Sơ đồ bố trí nghiệm sóngbãiHàtrước Lanvới - Trường Đại học Thủy phảithíqua trái gồm máymáng tạo sóng, độ dốc 1/50, bệ với hệ sốlợi máiTừ m phải =1,5, qua trái gồm máy tạo sóng, bãi trước với độ dốc 1/50, bệ với hệ số mái m =1,5, cấu kiện tường biển cấu kiện tường biển 89 Sơ đồ thí nghiệm mơ trường hợp thực tế nâng cấp, cải tạo cơng Hồng, N T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng trình bảo vệ bờ biển Cấu kiện tường liền khối có MHS với chiều cao (nguyên hình) từ Ở sát chân bệ đỡ có bố trí thảm đá dài m, dày tới cm Thảm đá có tác dụng hạn chế 1,5 tới 2,5 m đặt thân đê/ kè biển có nhằm nâng cao trình đỉnh, giảm hình thành hố xói chân bệ khơng ảnh hưởng tới tham số sóng tới Theo đó, mặt cắt bãi sóng tràn, bắn đối tóeổn dẫn tớigiảm tăngbớt hiệu quảsan bảo phía ý rằng, sơ trước duysóng trì tương định, cơng gạt,vệtạovùng hình đất bãi cát sausau mỗiLưu đợt thí nghiệm đồ khác với dạng tườngmột đỉnh hợp đê có chiều nhỏcấp, từ cải 0,8tạo ~ 1cơng m, hình Sơnày đồ thí nghiệm mơ trường thực tế khicao nâng trình dạng bảo vệđơn bờ biển Cấu kiện tường liền khối có MHS với chiều cao (nguyên hình) từ 1,5 tới 2,5 m đặt giản Bên cạnh đó, việc nâng cấp đem lại hiệu thẩm mỹ, góp phần tạo thân đê/ kè biển có nhằm nâng cao trình đỉnh, giảm sóng tràn, sóng bắn tóe dẫn tới tăng hiệu cảnh quan bảo vệ vùng đất phía sau Lưu ý rằng, sơ đồ khác với dạng tường đỉnh đê có chiều cao nhỏ từ 0,8 ∼ m,Về hình dạng đơnlàm giản.việc, Bên cấu cạnhkiện đó, việc nâng cấp nằm đem lại hiệu thẩm mỹ, văn góp điều kiện tường biển mực nướcquả triều thiên phần cảnhchịu quan.tác động sóng vỡ theo pha lỏng pha khí [11, 12] Nghiên cứu caotạonhất, Về điều kiện làm việc, cấu kiện tường biển nằm mực nước triều thiên văn cao nhất, chịu xem xét áp lực sóng tổng cộng tác động lên mặt tường phía biển Hình minh họa tác động sóng vỡ theo pha lỏng pha khí [11, 12] Nghiên cứu xem xét áp lực sóng tổng ba tác khối tường biển có phía MHS điển hình baohọa gồm mặt tường bậc thang, mặt cộng động lên mặt tường biển Hình minh ba khối biển có mặt MHScong điển hình bao gồm mặt bậc thang, mặtcác nghiêng thí nghiệm, tường mặt cắt có ngang (MCN) có nghiêng Trongmặt thícong nghiệm, mặt Trong cắt ngang (MCN) tỉ lệ 1/15tường so với tỉ lệ 1/15 so với nguyên hình Chiều dài đoạn tường chiều rộng lịng máng sóng m nguyên hình Chiều dài đoạn tường chiều rộng lịng máng sóng m HìnhHình 2.Tường thangMC1 MC1 (trái), mặt MC2 cong(giữa) MC2và(giữa) mặt nghiêng Tườngmặt mặtbậc bậc thang (trái), mặt cong mặt nghiêng MC3 (phải) MC3 Kích thước ghi mm (phải) Kích thước ghi mm thí nghiệm áp lực 1830 sửđịnh dụng Trong Trong thí nghiệm MHVL, MHVL, đầu đo ápđầu lực đo PDRC 1830PDRC sử dụngđược để xác ápđể lựcxác sóngđịnh tác động lên mặt tường Các thơng số kỹ thuật gồm giới hạn đo đến 900 psi (6 Mpa); độ xác 0,06% áp lực sóng tác động lên mặt tường Các thông số kỹ thuật gồm giới hạn đo đến 900psi Số liệu đo thu thiết bị đo Pico với tần số lấy mẫu 2000 Hz, đảm bảo ghi áp (6Mpa); độ xác 0,06% Số liệu đo thu thiết bị đo Pico với tần số lực xung kích xuất khoảng thời gian vô ngắn Theo phương đứng, vị trí đầu đo có lấy mẫu đảm bảo ghi áp lựcChúng xungcó kích khoảng thời khoảng cách2000 tươngHz, đối đồng từ chân lên tới MHS thể xuất bố trítrong cùng(song ngắn Theo phương đứng, vị tríđểcác đầu đo cách tương đối haigian MCNvôtường song cách 10 ∼ 20 cm) tạo thuận lợi có chokhoảng việc lắp đặt đồng từ chân lên tới MHS Chúng bố trí hai MCN tường (song song cách 10 ~ 20 cm) để tạo thuận lợi cho việc lắp đặt 2.3 Kịch kết mơ Các kịch thí nghiệm/ mơ gồm ba tham số sóng khác tương ứng với điều kiện 2.3nước Kịch bảnthấp, kết mơvàphỏng mực triều trung bình cao (Bảng 1) Sóng sử dụng loại sóng có chiều cao chu kỳ Thí nghiệm MHVL thường gồm ∼ 10 sóng số liệu lựa chọn để phân tích, so Các kịch thí nghiệm/ mơ gồm ba tham số sóng khác tương ứng với sánh với kết mô điều kiệnMSS mựccónước caoMHVL (Bảngvới1).các Sóng loại Mơ hình kích triều thước thấp, tương trung tự nhưbình mángvà sóng thơngsửsốdụng thiết lậpsóng theo chiều cao Thí nghiệm gồmphần ~tử10nhỏ cácđều kịchcóbản Bảng Lưới tínhchu tốnkỳ chia thành 3MHVL vùng vớithường kích thước sóng mịn dần từ số phía tạo sóng phía tường biển, 0,1 m; 0,05 m 0,01 m (mặt tường) Mô sử liệu lựa chọn để phân tích, so sánh với kết mơ dụng sóng với chu kỳ chiều cao không đổi Bảng Mực nước tham số sóng thí nghiệm mơ hình vật lý TT Kịch Chiều sâu nước 90 Chiều cao sóng Chu kỳ sóng KB1 70 18 2 KB2 65 17 1,9 KB3 60 16 1,5 Hoàng, N T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng Mực nước tham số sóng thí nghiệm mơ hình vật lý TT Mơ hình MSS có kích thước tương tự máng sóng MHVL với thơng số đượcKịch thiếtbản lập theoChiều kịch Bảng Lưới vùng với sâu nướcở(cm) Chiềutính caotốn sóngđược (cm)chia thành Chu kỳ sóng (giây) kích thước phần tử nhỏ mịn dần từ phía tạo sóng phía tường biển, 0,1 KB1 70 18 m; 0,05 m 0,01 m (mặt tường) Mơ sử dụng sóng với chu kỳ chiều KB2 65 17 1,9 cao khơng KB3đổi 60 16 1,5 Hình Tường biển mặt bậc thang (MC1) mơ ANSYS FLUENT Hình 3.Tường biển mặt bậc thang (MC1) mô ANSYS FLUENT Đầu tiên, Đầu mô thựcđược hiệnthực với khoảng gianthời lần gian lượt lần 20 s, 4020s, s,6040s, 80 s, tiên, mô với thời khoảng lượt 100 s, s, 120 s Kết chos,thấy trở cho giátừ trị100 áp lực lớnđinhất trở trị nênápổnlực định 60s,s,140 80 s, 100 s, 120 140 từ s 100 Kết squả thấy s trở giá lớn Do thời gian mơ cho kịch lựa chọn 100 s Tần số tính tốn chọn 100 Hz, trở nên ổn định Do thời gian mơ cho kịch lựa chọn là giá trị lớn mà lực máy tính Phịng thí nghiệm Sức bền kết cấu – Trường s Tần số thể tínhđáp tốn 100 Hz,cần đâyđược giá lớnđối mà máy Đại học100 Thủy lợi có ứng Kếtchọn MSS so trị sánh, chiếu với kếtlực thu tính Phịng thí kiện nghiệm Sứcbiển bềndạng kết cấu Trường Đạimơ học Thủybằng lợi cómơ thểhình số từ MHVL Hìnhtại minh họa cấu tường bậc–thang đáp ứng Kết MSS cần so sánh, đối chiếu với kết thu từ ANSYS FLUENT MHVL Hìnhdiễn minh cấu đổi kiệncủa tường biển dạng đượcMC1 mơ Hình thể biễnhọa thay áp lực sóng tác bậc dụngthang lên đỉnh theo thời gian ứng với ba mơ kịchhình số KB1, KB2 KB3 Trong đó, trục tung giá trị áp lực sóng [Pa], trục hồnh thời ANSYS FLUENT gian [s] Tương tác sóng tới sóng phản xạ làm cho giá trị áp lực sóng thay đổi theo thời gian Hình thể diễn biễn thay đổi áp lực sóng tác dụng lên đỉnh MC1 Với thời gian mô cho kịch 100 s (> 50 chu kì) đảm bảo bắt giá trị áp lực lớn theo thời giantương ứng với kịch bảnvàKB1, KB2 KB3 Trong đó, trục tung giá trị áp trình tácba sóng tường lực sóng [Pa], trục hồnh thời gian [s] Tương tác sóng tới sóng phản xạ làm cho giá trị áp lực sóng thay đổi theo thời gian Với thời gian mô cho kịch 100 s (> 50 chu kì) đảm bảo bắt giá trị áp lực lớn trình tương tác sóng tường Hình KếtKB1 mô thay đổi áp lựcKB2 sóng theo thời gian đỉnh MC1 (vị KB3 trí mũi hắt sóng) ứng với kịch Hình Kết mô thay đổi áp lực sóng theo thời gian đỉnh MC1 (vị trí mũi hắt sóng) ứng với kịch 91 Hình thể biểu đồ bao áp lực sóng kịch mơ Trong đó, trục tung tỷ số khoảng cách thẳng đứng tính từ chân tường so với chiều cao tường y / h , trục hoành thể giá trị phi thứ nguyên áp lực sóng P / (g n H s ) Đây KB1 KB2 KB3 Hình Kết mơ thay đổi áp lực sóng theo thời gian đỉnh MC1 (vị Hoàng, N T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng trí mũi hắt sóng) ứng với kịch thểbao hiệnáp biểu bao áp lực sóng kịch mơ Hình thể Hình biểu 5đồ lựcđồsóng kịch mơ TrongTrong đó, trục tung tỷ đó, trục tung tỷ số khoảng cách thẳng đứng tính từ chân tường so với chiều caohồnh thể số khoảng cách thẳng đứng tính từ chân tường so với chiều cao tường y/h, trục tường , trục hoành thể giá trị phi thứ nguyên áp lực sóng Đây ( ) P / g H y / h n sáp lực sóng lớn giá trị phi thứ nguyên áp lực sóng P/(γ H ) Đây xác định giá trị n s xác định giá trị áp Nhìn lực sóng lớn bề mặt dạng tường tác dụng lên bềlàmặt dạng tường chung, áp tác lựcdụng sónglên giảm dầncủa khoảng cách thẳng đứng Nhìn chung, áp lực sóng giảm dần khoảng cách thẳng đứng y tính từ chân tường y tính từ chân tường tăng lên dạng tường Đáng lưu ý, áp lực sóng MC1 với bậc tăng lên dạng tường Đáng lưu ý, áp lực sóng MC1 với bậc thang thang có xu hướng giảm chậm so với hai dạng cịn lại Tuy nhiên, áp lực sóng tác động lên có xu hướng giảm chậm so với hai dạng lại Tuy nhiên, áp lực sóng tác tường dạng MC1 có giá trị lớn khác biệt kịch động lên tường dạng MC1 có giá trị lớn khác biệt kịch (MC1) (MC2) (MC3) Hình Kết mơ biểu đồ bao áp lực sóng tác dụng lên mặt tường phía biển Trong tất trường hợp tính tốn dạng tường, áp lực sóng lớn xuất vị trí chân cơng trình Áp lực lớn đạt giá trị Trong tất các!trường hợp tính tốn dạng tường, áp lực sóng lớn xuất 0,86% & ' (KB1), 0,79%& !' (KB2) 0,52%& !' (KB3) MC1; 0,49%& !' , vị trí chân cơng trình Áp lực giávàtrị0,53% lần& ! lượt 0,86γn H s (KB1), 0,79γn H s (KB2) 0,43%& !' 0,29%&lớn !' đối vớiđạt MC2; ' (KB1), 0,37%& !' (KB2) 0,26%& !' 0,52γn H s (KB3) MC1; 0,49γ H , 0,43γ H 0,29γ vànhân 0,53γn H s (KB1), s với n schiều dày đáng n H skểđối (KB3) MC3 Bậc thangn có với thể làMC2; nguyên 0,37γn H s (KB2) H snhất (KB3) so MC3 Bậcchân thang chiều đáng kể gâyvà 0,26γ áp lực nlớn MC1 với phần mỏng nối tiếpvới trơn thuậndày MC2 MC3 nguyên nhân gây áp lực lớn MC1 so với phần chân mỏng nối tiếp trơn thuận MC2 Hình Kết mơ biểu đồ bao áp lực sóng tác dụng lên mặt tường phía biển MC3 Áp lực sóng đạt giá trị lớn chân tường giảm dần vị trí cao Áp lực sóng lớn tường dầnmặt vị trí hơnáptrên mặt tường hơnđạt trêngiá mặttrịtường Bảngở2chân quy đổi giá trịvàápgiảm lực tường theo tỉ lệcao % Bảng quy đổilựcgiá trị áp lực mặt tường theo tỉ lệ % áp lực vị trí chân Tường mặt vị trí chân tường Tường mặt cong MC2 làm cho áp lực giảm đáng kể xuốngtường 36 ~ 61% vị trí phía chân tường (%/ℎ* = 0,2) giá trị 59 ~ 96% với MC1 72 ~ 76% với MC3.92 Áp lực giảm dần từ lên với %/ℎ* = 0,4 tới 0,8 Tường MC3 thể đồng áp lực giảm dần theo mức 70% (%/ℎ* = 0,2), 40% (0,4) 30% (0,6) Giữa %/ℎ* = 0,6 0,8 áp lực giảm khoảng 5% Tường MC1 tỏ hiệu với kịch KB2 KB3 áp lực sóng giảm mạnh từ Hoàng, N T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng cong MC2 làm cho áp lực giảm đáng kể xuống 36 ∼ 61% vị trí phía chân tường (γ/hw = 0,2) giá trị 59 ∼ 96% với MC1 72 ∼ 76% với MC3 Bảng Giá trị áp lực mặt tường theo tỷ lệ % áp lực vị trí chân tường MC1 y/hw 0,2 0,4 0,6 0,8 MC2 MC3 KB1 KB2 KB3 KB1 KB2 KB3 KB1 KB2 KB3 100 96,3 89,8 76,9 84,7 36,6 100 84,2 66,3 52,6 43,4 2,6 100 58,9 31,6 8,9 1,3 0,1 100 61,5 58,2 49,2 32,0 25,4 100 53,7 44,4 35,2 24,1 19,4 100 36,1 27,8 20,8 22,2 43,1 100 75,9 48,9 36,1 31,6 18,8 100 73,2 45,2 30,1 25,8 15,1 100 72,7 42,4 28,8 22,7 12,1 Áp lực giảm dần từ lên với γ/hw = 0,4 tới 0,8 Tường MC3 thể đồng áp lực giảm dần theo mức 70% (γ/hw = 0,2), 40% (0,4) 30% (0,6) Giữa γ/hw = 0,6 0,8 áp lực giảm khoảng 5% Tường MC1 tỏ hiệu với kịch KB2 KB3 áp lực sóng giảm mạnh từ lên 2% MHS Tại vị trí MHS, tường mặt cong MC2 trì 20% giá trị áp lực sóng chân tường giá trị lớn so với MC1 MC3 Tường MC1 với bậc thang tạo bước gián đoạn mặt đứng liên tiếp sóng di chuyển từ lên Đoạn chuyển tiếp bậc thang mặt đứng (dưới MHS) tương đối đột ngột nên áp lực sóng có xu tăng lên Trong đó, áp lực sóng có xu hướng tập trung khu vực mặt cong tường MC2 Tường dạng MC3 với phần chân nối tiếp trơn thuận với mặt dốc lên sát tận MHS khiến cho áp lực sóng giảm dần cách hiệu di chuyển từ chân lên đỉnh tường Hệ tổng áp lực sóng lên MC3 nhỏ nhất, bao gồm phần MHS so với hai dạng tường lại Điều mang ý nghĩa việc nghiên cứu nội lực, bố trí cốt thép cho khối tường biển So sánh kết mơ với thí nghiệm MHVL Để ngắn gọn tránh lặp lại, số liệu đo đạc từ thí nghiệm MHVL khơng trình bày riêng mà so sánh với kết mô số Hình cho thấy kịch có xu hướng tương đồng Do vậy, so sánh thực cho dạng MCN kịch KB3 với chiều sâu nước 60 cm, chiều cao sóng H s = 16 cm chu kì T = 1,5 s Hình thể đồng thời giá trị áp lực sóng lớn đầu đo mặt tường biển MHVL kết mô MSS Trong đó, trục tung vị trí mặt tường phía biển y/h, trục hồnh giá trị phi thứ nguyên áp lực sóng P/ (γn H s ) Nhìn chung, kết mơ phản ánh tương đối phù hợp thay đổi áp lực sóng đo thí nghiệm MHVL Hơn nữa, tần số mơ 100 Hz đảm bảo tính tốn giá trị áp lực sóng lớn tương tự kết đo đạc từ thí nghiệm MHVL Bảng tổng hợp giá trị sai khác kết mơ số liệu thu từ thí nghiệm có điều kiện biên dạng MCN tường, ∆(%) = (MHVL−MSS)*100%/MHVL Phần lớn giá trị đo đạc lớn so với mơ phỏng, có giá trị ∆ < Áp lực nhỏ gần MHS sai khác có xu hướng tăng lên so với áp lực lớn chân tường Một yếu tố dẫn tới chênh lệch mô đo đạc tần số lấy mẫu khác nhau, 2000 Hz MHVL 100 Hz MSS Vấn đề cần xem xét thấu đáo bước nghiên cứu đặc biệt trọng tới kiểm định thiết bị đo hiệu chỉnh – kiểm định mơ hình 93 P / (g n H s ) Nhìn chung, kết mô phản ánh tương đối phù hợp thay đổi áp lực sóng đo thí nghiệm MHVL Hơn nữa, tần số mơ 100 Hz đảm bảo tính tốn giá trị áp lực sóng lớn tương tự kết đo đạc từ thí nghiệm MHVL Hồng, N T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình sánhkết kếtquả quảmơ mơphỏng áp áp lực lực sóng sóng trên MHVL Hình 6 SoSo sánh MSS MSSvà vàsốsốliệu liệuđođođạc đạc MHVL Bảng Soquả sánh lực MHVL sóng MHVL MSS D2, vàlàD4 Bảng So sánh3.kết ápkết lực sóngápgiữa MSS D1,vàD2, D3 D1, D4 lầnD3 lượt cáclần vị lượt trí đặt đầu đo mặt tường từ chân lên tới MHS vị trí đặt đầu đo mặt tường từ chân lên tới MHS P γH s D1 D2 D3 D4 MC2 MC3 MC3 MC1 MC1 MC2 MHVL MSS MSS ∆(%) D (%) MHVL MHVL MHVL MSS MSS∆(%)D (%) MHVL MHVL MSS MSSD (%)∆(%) D1 0,376 0,128 0,108 0,108 15,6 15,6 0,152 0,3760 0,332000,33211,7 11,7 0,128 0,152 0,12 0,12021,1 21,1 0,1680 0,112000,11233,3 33,3 0,108 0,108 0,08 0,08025,9 25,9 D2 0,168 0,108 0,064 0,064 40,7 40,7 0,108 0,0680 0,03200 52,9 0,044 0,060 −36,4 0,044 0,060 −36,4 D3 0,068 0,044 0,056 0,06 -36,4 0,044 0,0018 0,000540,03269,8 52,9 0,060 6,7 0,036 0,06 0,044-36,4−22,2 D4 0,0018 0,00054 69,8 0,06 0,056 6,7 0,036 0,044 -22,2 P g Hs Kết luận Bảng tổng hợp giá trị sai khác kết mô số liệu thu từ thí nghiệm có điều kiện biên dạng MCN tường, D (%) = (MHVLPhânMSS)*100%/ bố áp lực sóng lên ba lớn dạng ngang hắt phỏng, sóng đãchỉ MHVL Phần cácmặt giácắt trị đo đạc tường lớnbiển hơncó so mũi với mơ có nghiên cứu thơng qua cơng cụ MSS (thuộc ANSYS) thí nghiệm MHVL máng sóng Kết giá trị D < Áp lực nhỏ gần MHS sai khác có xu hướng tăng lên so với mô thể tương đối phù hợp so với xu hướng biến đối áp lực sóng đo đạc thí nghiệm áp lực lớn chân tường Một yếu tố dẫn tới chênh lệch mô đo đạc tần số lấy mẫu 94 khác nhau, 2000 Hz MHVL 100 Hz MSS Vấn đề cần xem xét thấu đáo bước nghiên cứu đặc biệt trọng tới kiểm định thiết bị đo hiệu chỉnh – kiểm định mơ hình Hồng, N T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Kết mô thể biểu đồ bao áp lực sóng mặt tường phía biển xác định vị trí chịu áp lực sóng lớn suốt q trình tương tác sóng - tường Đây nơi thường xảy hư hỏng cục nên cần trọng bổ sung biện pháp gia cố Lời cảm ơn Bài báo sử dụng số liệu đề tài ‘Nghiên cứu chế tạo cấu kiện tường biển có mũi hắt sóng phục vụ xây dựng cơng trình bảo vệ bờ đảo bờ khu đô thị, khu du lịch ven biển’, Mã số TĐ 145 – 17, thuộc chương trình KHCN trọng điểm cấp Bộ Xây dựng giai đoạn 2015 – 2020 nhiệm vụ “Nghiên cứu xây dựng thực nghiệm cơng trình biển đảo” Tài liệu tham khảo [1] Gaillard, D D B (1904) Wave action in relation to engineering structures Number 31, US Government Printing Office [2] Hiroi, I (1920) The force and power of waves The Engineer, 130:184–185 [3] Sainflou, G (1928) Essai sur les digues maritimes verticales Annales de ponts et chaussées, 98(4):5–48 [4] Bagnold, R A (1939) Interim report on wave pressure research P Inst C Eng., 12:202–226 [5] Goda, Y (2000) Random seas and design of maritime structures, chapter 4, 126–166 2nd edition, World Scientific [6] Moubayed, W I., Williams, A N (1994) Second-order bichromatic waves produced by generic planar wavemaker in a two-dimensional wave flume Journal of Fluids and Structures, 8(1):73–92 [7] Grilli, S T., Horrillo, J (1998) Periodic wave shoaling over barred-beaches in a fully nonlinear numerical wave tank The Eighth International Offshore and Polar Engineering Conference, International Society of Offshore and Polar Engineers [8] Kim, C H., Clement, A H., Tanizawa, K (1999) Recent research and development of numerical wave tanks-a review International Journal of Offshore and Polar Engineering, 9(04) [9] ANSYS, Inc (2013) ANSYS Fluent Theory Guide, Release 15.0 [10] Hirt, C W., Nichols, B D (1981) Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries Journal of Computational Physics, 39(1):201–225 [11] Thoresen, C A (2010) Port designer’s handbook: Recommendations and guidelines Thomas Telford Ltd [12] Hưng, V Q (2020) Nghiên cứu nguyên nhân hư hỏng cấu kiện bê tơng cốt thép cơng trình cảng tác động môi trường biển biện pháp xử lỳ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 14(2V):107–121 95 ... định phân bố áp lực sóng lên dạng mắt cắt khác tường biển đóng vai trò quan trọng quan tâm nghiên cứu Bên cạnh nghiên cứu thực nghiệm xác định áp lực sóng mơ hình vật lý (MHVL), mơ hình số trị... kết cấu để nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng cơng trình Chính báo nhằm nghiên cứu phân bố áp lực sóng lên tường biển nhờ cơng cụ mơ hình số thí nghiệm MHVL Mặt tường phía biển mô gồm dạng... MC2 Hình Kết mơ biểu đồ bao áp lực sóng tác dụng lên mặt tường phía biển MC3 Áp lực sóng đạt giá trị lớn chân tường giảm dần vị trí cao Áp lực sóng lớn tường dầnmặt vị trí hơnáptrên mặt tường