Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng công thức đánh giá khả năng khả năng tiết giảm sóng của đê giảm sóng kết cấu rỗng và phân tích sự biến đổi hình dạng phổ sóng trước và sau công trình tại khu vực nước nông của rừng ngập mặn dựa trên thí nghiệm mô hình vật lý 2D trong máng sóng.
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SĨNG CỦA ĐÊ KẾT CẤU RỖNG TRÊN MƠ HÌNH MÁNG SĨNG Thiều Quang Tuấn Trường Đại học Thủy Lợi Đinh Công Sản, Lê Xuân Tú, Đỗ Văn Dương Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu xây dựng công thức đánh giá khả khả triết giảm sóng đê giảm sóng kết cấu rỗng phân tích biến đổi hình dạng phổ sóng trước sau cơng trình khu vực nước nông rừng ngập mặn dựa thí nghiệm mơ hình vật lý 2D máng sóng Từ khóa: Đê giảm sóng kết cấu rỗng, hệ số truyền sóng, sóng phản xạ, mơ hình vật lý 2D Summary: In this paper presents the result of establishing a new empirical formula of wave transmission at this type of porous breakwater and analysis wave energy spectra transformation before and after this structure in the shallow water base on the 2D physical model experiment in the wave flume Keywords: porous breakwater, wave transmission, wave reflection, 2D physical model ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong năm gần trình sạt lở bờ biển diễn nghiêm trọng dải ven biển đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) làm suy thoái rừng ngập mặn, theo nghiên cứu Viện khoa học Thủy lợi miền Nam (SIWRR) xói lở bờ biển xảy 280/774 km đường bờ với tốc độ xói lở từ 1-20m/năm Có nhiều giải pháp bảo vệ bờ biển phát triển rừng ngập mặn cách tự nhiên đồng sông Cửu Long, với dạng cơng trình cứng đê giảm sóng xa bờ có kết cấu rỗng giải pháp nghiên cứu ứng dụng khả trao đổi trầm tích bẫy bùn cát Đặc điểm đê giảm sóng xa bờ kết cấu rỗng cho sóng truyền qua với mức độ định với mục đích trao đổi trầm tích bùn cát, gây bồi tụ giúp phát triển rừng ngập mặn Do đó, việc xác định thơng số thiết kế cơng trình hiệu giảm sóng, sóng phản xạ trước cơng trình tối ưu hệ số Ngày nhận bài: 05/6/2018 Ngày thông qua phản biện: 22/7/2018 tiêu tán lượng sóng cần thiết phải nghiên cứu để đánh giá tương tác sóng cơng trình, xem xét khả làm việc cơng trình điều kiện thủy động lực học biến đổi khác Trong nghiên cứu này, cơng thức xác định hệ số truyền sóng đê giảm sóng kết cấu rỗng xây dựng dựa phân tích liệu đo đạc phịng thí nghiệm Thủy động lực sông biển- Viện Khoa học Thủy lợi Miền nam nghiên cứu trước công trình đê giảm sóng đỉnh thấp (LCS) Van der Meer et al 2005; Chen et al 2008; Li and Xie 2008, cơng trình đê giảm sóng dạng cọc có dầm mũ Luth et al 1994; van der Meer et al 2005; Christou et al 2008; Su-xiang ZHANG and Xi LI 2014 Kết nghiên cứu sử dụng cho việc tính tốn thiết kế đánh giá hiệu làm việc cơng trình đê giảm sóng với cấu kiện rỗng sử dụng nghiên cứu MƠ HÌNH VẬT LÝ Ngày duyệt đăng: 12/10/2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 2.1 Cơ sở thí nghiệm 2.2 Mơ hình thí nghiệm Thí nghiệm thực máng sóng phịng thí nghiệm thủy động lực sông biểnViện Khoa học Thủy lợi Miền nam (Hình 1) Các sở thiết bị máy móc cung cấp HR Wallingford Chiều dài máng sóng 35m, chiều rộng 1.2m cao 1.5m Hệ thống máy tạo sóng trang bị khả hấp thụ sóng phản xạ (Active Reflection Compensation), tạo sóng ngẫu nhiên sóng với chiều cao lên đến 0.30m chu kỳ đỉnh 3.0s, sóng đo với tần số 100Hz (độ xác ±0.1mm) Cấu kiện đê giảm sóng dùng để thí nghiệm gồm hai mặt với lỗ trịn bố trí hai hàng có kích thước phần trăm lỗ rỗng bề mặt cấu kiện 17.7% Vật liệu làm cấu kiện bê tông cốt sợi phi kim cung cấp phát triển cơng ty Busadco Mơ hình thiết lập thí nghiệm (hình 2), với chiều cao đê giảm sóng 0.40m, bãi nơng rừng ngập mặn mô với độ dốc 1/500, mái chuyển tiếp khu vực nước sâu nước nông thiết kế với độ dốc 1/25 Sóng đến trước cơng trình hầu hết bị vỡ mái chuyển tiếp nhằm tạo tính chất sóng tương tự thực tế Mái hấp thụ sóng thiết kế đá đổ với độ dốc ¼, hệ số sóng phản xạ ln nhỏ 10% khơng có cơng trình Hình Máng sóng thí nghiệm Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình Thiết lập thí nghiệm truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng Tổng số kịch thí nghiệm 60 kịch tổng hợp Bảng (bao gồm 30 kịch khơng có cơng trình) Tổ hợp kịch từ điều kiện sóng đặc trưng mực nước (cả ngập không ngập công trình) từ điều kiện thủy lực đặc trưng cho khu vực ĐBSCL Quan hệ chiều cao chu kỳ sóng tính tốn theo Linh and Tuấn (2015) Điều kiện biên thơng số sóng mơ dạng phổ JONSWAP với γ=3.30 Mỗi thí nghiệm thực khoảng thời gian 500Tp (s) Tỷ lệ mơ hình lựa chọn dựa TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC lực máng sóng thơng số điều kiện biên: N L=10 (tỷ lệ dài), N t=3.16 (tỷ lệ thời gian) CÔNG NGHỆ Tổng số kịch thí nghiệm 60 kịch tổng hợp Bảng Bảng Kịch thí nghiệm Tham số sóng Trường hợp Hm0 (m) Tp (s) WP6-BW-JSW1 0.10 1.79 WP6-BW-JSW2 0.12 1.88 WP6-BW-JSW3 0.15 2.00 WP6-BW-JSW4 0.17 2.07 WP6-BW-JSW5 0.20 2.16 WP6-BW-JSW6 0.22 2.20 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Ảnh hưởng thơng số lên q trình truyền sóng Giống đê giảm sóng truyền thống trước đây, sóng truyền qua đê giảm sóng kết cấu rỗng phụ thuộc vào hàm tổ hợp chiều cao lưu không đỉnh đê, bề rộng đỉnh đê, độ dốc mái cơng trình, độ rỗng bề mặt cấu kiện tính chất sóng Để xác định cơng thức truyền sóng qua đê giảm sóng có hai yếu quan trọng ảnh hưởng chiều cao lưu không đỉnh đê số tương tự sóng vỡ Iribarren phân tích dựa số liệu thí nghiệm thực đo Bên cạnh hai yêu tố kể yếu tố độ rỗng cấu kiện hay bề rộng đỉnh cấu kiện số không đổi thể đặc trưng cấu kiện nên khơng phân tích nghiên cứu Sự biến đổi phổ sóng khu vực nước nơng Phổ sóng khu vực nước nơng phía sau cơng trình thể Hình (WG6) xuất nhiều đỉnh giá trị mật độ lượng đỉnh phổ khơng có chênh lệch lớn Hình dạng phổ sóng khu vực tương tự phổ sóng sau trải qua q trình sóng vỡ nhiều lần Đáng ý xuất sóng với tần số Chiều cao lưu khơng Rc / Độ sâu nước D (m) Kịch 0.20/0.20 0.10/0.30 0.00/0.40 -0.10/0.50 Khơng cơng trình Có cơng trình -0.15/0.55 thấp hay gọi sóng trọng lực - infragravity waves (IG) chu kỳ đỉnh khoảng 25s tạo q trình sóng vỡ mái chuyển tiếp vùng nước nơng (Baldock, 2012) Ngồi ra, sóng dài tạo từ nhóm sóng giống sóng trọng lực tự điểm sóng vỡ sóng IG Sóng IG tồn khu vực bãi biển nông rừng ngập mặn hay rạn san hô Trong q trình truyền sóng vào khu vực bãi nơng rừng ngập mặn, sóng ngắn bị vỡ làm cho tầm quan trọng sóng IG bắt đầu tăng lên Do đó, lượng sóng dài chiếm phần lớn tổng lương sóng khu vực (Horstma et al, 2012; Phan et al, 2014) Quá trình áp dụng cho việc thiết lập, tính tốn điều kiện biên q trình truyền sóng thí nghiệm Hình thể biến đổi phổ sóng sau truyền qua cơng trình ứng với trường hợp cao trình đỉnh đê lớn, thấy lượng sóng ngắn phần lớn bị tiêu tán, lượng sóng dài cịn lớn Những phân tích biến đổi phổ sóng sở để khẳng định sóng dài có ý nghĩa quan trọng trình nghiên cứu truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng vùng rừng ngập mặn ven biển TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Kt vào chiều cao lưu khơng đỉnh đê thể hình Khi Rc/Hm0 > 0.50 hệ số truyền sóng gần khơng đổi (Kt ~ 0.30), trường hợp cao trình đỉnh đê lớn sóng truyền qua cơng trình nhỏ qua lỗ rỗng Mặt khác, độ ngập lớn khả giảm sóng cơng trình nhỏ (Kt=0.75-0.80 Rc/Hm0 < -0.50) Hình Phổ lượng sóng truyền qua cấu kiện Hình Ảnh hưởng chiều cao lưu khơng đến hệ số truyền sóng Chỉ số tương tự sóng vỡ Iribarren ξ0 Hệ số truyền sóng qua đê giảm sóng phụ thuộc vào tượng sóng vỡ mái cơng trình, tương tác thể qua số Iribarren ξ0 Hình mơ tả phụ thuộc số Iribarren ξ0 từ liệu thí nghiệm với chu kỳ đỉnh Tp (ξ0p) chu kỳ phổ T m-1,0 (ξ0m-1,0) Nhìn chung, phụ thuộc ξ0 theo xu hướng phi tuyến tính phụ thuộc nhỏ trường hợp Rc/Hm0 lớn nhỏ Rõ ràng sử dụng T m-1,0 tương quan xuất tốt so với sử dụng Tp Hình Kết phổ sóng đo đạc từ thí nghiệm ứng với độ sâu D=0.4;0.3;0.2m Ảnh hưởng chiều cao lưu không đỉnh đê Rc/Hm0 Sự phụ thuộc mạnh mẽ hệ số truyền sóng Hình Ảnh hưởng số Iribarren đến hệ số truyền sóng Sóng phản xạ Sóng phản xạ phía trước cơng trình tạo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC thành từ tương tác sóng cơng trình Nó khơng mơ tả chi tiết q trình truyền sóng, nhiên thơng qua việc xác định hệ số sóng phản xạ cho phép xác định khả tiêu tán lượng sóng cơng trình Hình Tương quan hệ số sóng phản xạ Rc/Hm0 Hình thể tương quan hệ số sóng phản xạ chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Cho thấy dạng cơng trình đê giảm sóng kết cấu rỗng có hệ số sóng phản xạ cao trường hợp đê nhơ (Kr = 0.40~0.50) Nhìn chung Rc /Hm0 tăng sóng phản xạ tăng theo, điều cơng trình chưa đủ độ rỗng để hấp thụ lượng sóng (độ rỗng bề mặt cấu kiện 17.7%) hay bố trí lỗ rỗng chưa hợp lý Trong trường hợp đê nhơ cao, hầu hết lượng sóng phía sau cơng trình truyền qua sóng IG sóng tràn Việc nhận biết tính tốn sóng phản xạ cần thiết q trình thiết kế đê giảm sóng kết cấu rỗng, đặc biệt cho việc thiết kế giải phải bảo vệ chân chống xói cho cơng trình 3.2 Cơng thức thực nghiệm cho q trình truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng Các phân tích thơng số ảnh hưởng nhiều đến q trình truyền sóng sở cho việc xây dựng công thức thực nghiệm Công thức thực nghiệm xây dựng dựa cơng thức có sẵn Angremond et al (1996) Hai thơng số xem xét cho xây dựng công thức độ ngập tương đối đỉnh đê Rc/H m0 số tương tự sóng vỡ Iribarren ξ0 Cơng thức tổng qt cho hệ số truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng: CƠNG NGHỆ Với a, b c số thực nghiệm xác định thơng qua phương pháp phân tích hồi quy với liệu có từ kết thí nghiệm So với công thức Angremond et al (1996) bề rộng đỉnh đê không xem xét đây, dạng công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng coi dạng cơng trình có kết cấu hẹp Chỉ số tương tự sóng vỡ Iribarren ξ0 tính tốn theo hai tham số Tp Tm-1,0, tùy thuộc vào liệu có sẵn Phân tích hồi quy với kết liệu thí nghiệm theo tham số Tp Tm-1,0, kết phương pháp phân tích cho hai cơng thức tương ứng: (1) (2) Khoảng áp dụng cơng thức: Hình 32 hình 33 so sánh kết hệ số truyền sóng Kt theo công thức (1) (2) với liệu đo đạc tương ứng Cả hai trường hợp cho kết tương quan tốt, nhiên thấy sử dụng Tm-1,0 cho hệ số tương quan tốt so với sử dụng Tp So sánh công thức nghiên cứu với nghiên cứu trước d’Angremond et al (1996), van der Meer et al (2005) cho loại đê chắn sóng truyền thống đê giảm sóng dạng cọc, dạng đê ngầm Van der Meer and Daemen (1994) cho loại đê chắn sóng đỉnh hẹp, truyền thống cho dạng đê ngầm, dạng cọc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Cho thấy liệu nghiên cứu có kết tương đồng với kết nghiên cứu Van deer Meer et al (1993) cho loại đê giảm sóng đỉnh hẹp cho sóng truyền qua Hình Dữ liệu hồi quy với ξ0m-1,0 Hình 10 Dữ liệu hồi quy với ξ0p Hình 11 So sánh cơng thức thiết lập với cơng thức đê giảm sóng dạng trơn dạng cho sóng truyền qua (Angremond et al 1996, Van der Meer et al 2005) Hình 12 So sánh với cơng thức để chắn sóng truyền thống dạng cho sóng truyền qua (DELOS- Van der Meer et al 2005) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0 số sóng vỡ mái cơng trình Iribarren ξ0 Kết q trình phân tích cho thấy chu kỳ phổ T m-1,0 nên sử dụng để thay cho chu kỳ đỉnh Tp nhằm thể rõ tầm ảnh hưởng sóng dài khu vực nước nơng Hình 13 So sánh với cơng thức đê giảm sóng đỉnh hẹp (Van der Meer and Daemen, 1994) KẾT LUẬN Để xây dựng công thức truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng, chuỗi thí nghiệm bao gồm 60 kịch truyền sóng thực Q trình biến đổi phổ sóng khu vực bãi nông rừng ngập mặn qua đê giảm sóng cho thấy tầm quan trọng lượng sóng dài q trình truyền sóng Năng lượng sóng ngắn hầu hết bị tiêu tán phản xạ, sóng phía sau cơng trình phần lớn lượng sóng dài Q trình truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng bị ảnh hưởng hai yếu tố quan trọng Công thức thực nghiệm áp dụng cho để giảm sóng kết cấu rỗng bãi nơng rừng ngập mặn xây dựng với độ tin cậy cao dựa so sánh với công thức có đưa để tăng độ tin cậy cho kết thực nghiệm d’Angremond et al.(1996), Van der Meer et al (2005) hay Van der Meer and Daemen (1994), kết nghiên cứu phù hợp với kết ngiên cứu trước đặc biệt với nghiên cứu dạng đê giảm sóng đỉnh hẹp Van der Meer et al (1993) Trong q trình thiết kế đê giảm sóng kết cấu rỗng cần lưu ý: - Cao trình đỉnh đê giảm sóng nên cao mực nước triều (đê nhô) để tăng hiệu giảm sóng, hầu hết sóng bị chặn Rc/Hm0 > 0.50 - Giải pháp bảo vệ chân công trình nên xem xét cách kỹ lưỡng q trình thiết kế đê giảm sóng kết cấu rỗng Trong nghiên cứu tới yếu tố phần trăm độ rỗng đê chiều rộng đỉnh cấu kiện đê giảm sóng rỗng đến hiệu giảm sóng trình bày TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] 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 Implications for the concept of “bound” wave release at short wave breaking Coastal Engineering, 60, pp 276-285 Đặng Thị Linh Thiều Quang Tuấn, 2015 Xây dựng quan hệ chu kỳ chiều cao sóng gió cho mùa vùng biển Bắc Bắc Trung Bộ nước ta Hội nghị khoa học thường niên năm 2015, Đại học Thủy lợi, Hà Nội, 407 – 409 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., TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ ASCE , pp 40 [5] Hughes, A.S., 1993 Physical models and laboratory techniques in coastal engineering, World Scientific, Singapore, 568 pp [6] Phan, L.K., van Thiel de Vries, J.S.M., and Stive, M.J.F., 2014 Coastal mangrove squeeze in the Mekong Delta Journal of Coastal Research, 31, 2, pp 233 – 243 [7] 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 [8] 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 [9] Van der Meer, J W., Briganti, R., Zanuttigh, B and Wang, B., 2005 Wave transmission and reflection at low-crested structures: Design formulae, oblique wave attack and spectral change Coastal Engineering, 52, 915 - 929 [10] Zelt, J.A and Skjelbreia, J.E., 1992 Estimating incident and reflected wave fields using an arbitrary number of wave gauges Proc 23rd Int Conf Coastal Eng., ASCE, pp 777-789 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 ... cách kỹ lưỡng trình thiết kế đê giảm sóng kết cấu rỗng Trong nghiên cứu tới yếu tố phần trăm độ rỗng đê chiều rộng đỉnh cấu kiện đê giảm sóng rỗng đến hiệu giảm sóng trình bày TÀI LIỆU THAM KHẢO... al (1993) Trong trình thiết kế đê giảm sóng kết cấu rỗng cần lưu ý: - Cao trình đỉnh đê giảm sóng nên cao mực nước triều (đê nhơ) để tăng hiệu giảm sóng, hầu hết sóng bị chặn Rc/Hm0 > 0.50 - Giải... WP6-BW-JSW6 0.22 2.20 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Ảnh hưởng thơng số lên q trình truyền sóng Giống đê giảm sóng truyền thống trước đây, sóng truyền qua đê giảm sóng kết cấu rỗng phụ thuộc vào hàm