Bài viết trình bày phương pháp nghiên cứu xây dựng công thức bán thực nghiệm tính toán hệ số truyền sóng qua đê ngầm cọc có cấu tạo phức hợp, trên cơ sở lý thuyết là các phương trình cân bằng năng lượng của sóng ngẫu nhiên truyền vuông góc qua đê, kết hợp với các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý thu nhỏ trong máng sóng thủy lực cho 2 dạng đê ngầm rỗng không có cọc và đê ngầm rỗng có hệ cọc bên trên.
Vietnam Journal of Marine Science and Technology; Vol 19, No 4; 2019: 611–625 DOI: https://doi.org/10.15625/1859-3097/19/4/13080 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst To study impact level of dominat parameters and propose estimate methodology for wave transmission efficiency of unconventional complex pile submerged breakwater Nguyen Anh Tien Institute of Coastal and Offshore Engineering, Ho Chi Minh city, Vietnam E-mail: nganhtien@gmail.com Received: December 2018; Accepted: 24 June 2019 ©2019 Vietnam Academy of Science and Technology (VAST) Abstract This article proposes semi-empirical equations to estimate wave transmission coefficient through submerged complex with solid pile breakwater based on theories of random wave energy conservation of perpendicular wave transmission incorporated with physical hydraulic experiments in wave flume applied on both types of submerged breakwater with and without piles These equations are able to describe interactions and energy dissipation process for each element of this complex structure which are foundation block and pile rows Energy dissipation process depends on three major factors which are [relative submerge depth (Rc/Hm0), relative crest width (B/Hm0), wave slope at construction location (sm=H m0/Lm)] and wave energy dissipation process through pile rows is determined by two major factors [relative submerged depth or submerged length of piles (Rc/Hm0), relative pile row width (Xb/Lm)] Keywords: Semi-empirical equation, submerged complex structures with solid piles breakwater, submerged breakwater, permeable breakwater, wave dissipation piles, wave transmission coefficient, physical model, wave energy, definition factor Citation: Nguyen Anh Tien, 2019 To study impact level of dominat parameters and propose estimate methodology for wave transmission efficiency of unconventional complex pile submerged breakwater Vietnam Journal of Marine Science and Technology, 19(4), 611–625 611 Tạp chí Khoa học Công nghệ Biển, Tập 19, Số 4; 2019: 611–625 DOI: https://doi.org/10.15625/1859-3097/19/4/13080 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng tham số chi phối xây dựng phương pháp tính tốn truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp có kết cấu phi truyền thống Nguyễn Anh Tiến Viện Kỹ thuật Biển, thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam E-mail: nganhtien@gmail.com Nhận bài: 8-12-2018; Chấp nhận đăng: 24-6-2019 Tóm tắt Bài báo trình bày phương pháp nghiêu cứu xây dựng cơng thức bán thực nghiệm tính tốn hệ số truyền sóng qua đê ngầm cọc có cấu tạo phức hợp, sở lý thuyết phương trình cân lượng sóng ngẫu nhiên truyền vng góc qua đê, kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm mơ hình vật lý thu nhỏ máng sóng thủy lực cho dạng đê ngầm rỗng khơng có cọc đê ngầm rỗng có hệ cọc bên Công thức bán thực nghiệm thể rõ trình tương tác chế tiêu hao lượng sóng hai phận thân đê rỗng hệ cọc bên với sóng độc lập với Thành phần lượng sóng tiêu hao thân đê rỗng khơng có cọc chịu chi phối chủ yếu ba tham số độ sâu ngập nước tương đối đỉnh đê (Rc/Hm0), bề rộng tương đối đỉnh đê (B/Hm0), độ dốc sóng vị trí cơng trình (sm = Hm0/Lm) thành phần lượng sóng tiêu hao hệ cọc bên chịu chi phối chủ yếu hai tham số [độ ngập sâu tương đối hay chiều dài phần cọc nhúng nước (Rc/Hm0), bề rộng tương đối hệ cọc (Xb/Lm) Từ khóa: Cơng thức bán thực nghiệm, đê ngầm cọc phức hợp, đê ngầm giảm sóng, đê ngầm rỗng, hệ cọc giảm sóng, hệ số truyền sóng, mơ hình vật lý, lượng sóng, tham số chi phối ĐẶT VẤN ĐỀ Đê giảm sóng ngầm dạng cơng trình chủ động nhiều nước phát triển giới Hoa Kỳ, Nhật Bản, Pháp, Anh, Italia,… tập trung nghiên cứu ứng dụng để bảo vệ bờ biển hiệu mang lại vượt trội so với dạng cơng trình khác mỏ hàn biển, kè biển,… Giải pháp xem đáp ứng tiêu chí đa mục tiêu giảm sóng chống sạt lở bảo vệ bờ biển, gây bồi tạo bãi, phục hồi hay hỗ trợ trồng ngập mặn, đồng thời giảm thiểu tối đa tác động tiêu cực đến môi trường tự nhiên sau xây dựng cơng trình [1] Các nghiên cứu đê giảm sóng (ĐGS) thường tập trung theo hướng (i) 612 Nghiên cứu kết cấu đê, (ii) Nghiên cứu hiệu giảm sóng (iii) Nghiên cứu hiệu gây bồi Trong đó, nghiên cứu hiệu giảm sóng đê ngầm dạng đá đổ mái nghiêng loại kết cấu mang tính truyền thống quan tâm nghiên cứu nhiều sử dụng phổ biến giới Sau nghiên cứu mở rộng cho ĐGS dạng đá đổ phủ khối dị Tribar, Tetrapod, Dolos,… Các nghiên cứu gần có xu hướng đến sử dụng dạng kết cấu phi truyền thống đê trụ rỗng có lỗ tiêu sóng (hình bán nguyệt), cấu kiện L-Block, cấu kiện AccropodeTM, cấu kiện AccropodeTM II, cấu kiện Core-LocTM, cấu kiện EcopodeTM; dạng To study impact level of dominat parameters thân thiện với môi trường tự nhiên dải ngầm nhân tạo (Artificial Reefball), kết cấu gờ ngầm P.E.P, WaveBlockTM, BeachSaverTM, Surger BreakerTM, BeachPrismTM, ống Geotube, túi địa kỹ thuật, hệ cọc giảm sóng (tiết diện ngang hình trịn, vng, chữ nhật hay tam giác); hay dạng phi cơng trình trồng ngập mặn Nghiên cứu chủ yếu thực thơng qua thí nghiệm mơ hình vật lý thu nhỏ máng sóng thủy lực để xác lập mối quan hệ đặc trưng hải văn, thủy lực (chiều cao sóng Hs, chu kỳ sóng Tp, độ sâu nước trước đê h, độ ngập đỉnh đê Rc) với đặc trưng hình học đê (bề rộng đỉnh đê B, chiều cao đê D, hệ số mái m) cấu trúc vật liệu làm thân đê (n%) Các nghiên cứu giai đoạn trước năm 1995 đánh giá thực đơn giản, kết nghiên cứu có tính thực tiễn chưa xem xét đầy đủ chất yếu tố chi phối nghiên cứu Johnson et al., (1951) [2], Seelig (1980) [3], Allsop (1983) [4], Ahren et al., (1987) [2], Ahren (1987) [5], Gomez Pina Valdes (1990) [2, 6], Van der Meer et al., (1991) [7], Van der Meer Daemen (1994) [8]… Các nghiên cứu thực sau năm 1995 d’Angremond et al., (1996) [9], van der Meer et al., (2005) [10]… đánh giá thực công phu với sóng ngẫu nhiên dạng mặt cắt ngang kết cấu đê theo thực tế, công thức thực nghiệm xây dựng sở xem xét toàn diện mức độ ảnh hưởng tham số chi phối đến q trình truyền sóng qua đê, kết nghiên cứu có độ tin cậy tính thực tiễn cao [2] Tại Việt Nam, nói chung có xu hướng chuyển đổi cơng trình bảo vệ bờ có tính truyền thống kè mái nghiêng để thử nghiệm dạng cơng trình giảm sóng với nhiều loại hình vật liệu kết cấu khác khối Tetrapod, ống Geotube, đê trụ rỗng, khối rọ đá, cọc bê tông ly tâm lõi đá hộc, cừ nhựa, hàng rào cọc tre, cừ tràm,… để giảm sóng bảo vệ đê biển hay bờ biển bị sạt lở Nam Định, Hải Phịng, Bình Thuận, Tiền Giang, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang Tuy nhiên, cơng trình giảm sóng xây dựng theo dạng thử nghiệm chủ yếu thiết kế thi công sở tham khảo từ cơng trình thực tiễn xây dựng thành công giới Cơ sở khoa học để tính tốn lựa chọn hệ số số truyền sóng hợp lý xem “tiêu chí kỹ thuật” mang tính chi phối định cơng thiết kế dạng cơng trình chưa quan tâm nghiên cứu, thường thơng qua “tiêu chí suất đầu tư” để loại hình kết cấu thơng số kích thước hình học thiết kế cơng trình [11] Trong báo trình bày phương pháp lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng cơng thức bán thực nghiệm tính tốn hệ số truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp có kết cấu phi truyền thống Cơng thức phản ảnh đầy đủ mức độ ảnh hưởng tham số chi phối đến q trình truyền sóng qua đê ngầm rỗng khơng cọc có hệ cọc bên (trường hợp tổng quát) Ứng dụng kết nghiên cứu để phân tích lựa chọn hệ số giảm sóng thích hợp thiết kế cho cơng trình thử nghiệm bảo vệ bờ biển bị sạt lở sóng phía tây đồng sơng Cửu Long (ĐBSCL) Đề tài cấp Quốc gia mã số ĐTĐL.CN-09/17 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Giới thiệu đê ngầm cọc phức hợp Đê ngầm cọc phức hợp có kết cấu phi truyền thống đăng ký xin cấp Độc quyền Sáng chế, Cục sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ cơng bố đơn Công báo Sở hữu Công nghiệp, Số 348, Tập A (03.2017), trang 396 Trên giới nước chưa có cơng trình nghiên cứu thực để đánh giá hiệu giảm sóng cho dạng đê Cấu tạo phân đoạn đê gồm phần khối đế hệ cọc trụ trịn, khối đế đê ngầm rỗng có tiết diện ngang hình thang cân (hình 1a) hệ cọc trụ trịn lắp ghép linh hoạt bên đỉnh khối đế hình thành hệ thống lược giảm sóng (hình 1b) Bản chất kỹ thuật đê ngầm cọc phức hợp việc bố trí sẵn hệ thống hàng lỗ trụ trịn theo dạng hình hoa mai đỉnh đê việc cho phép lắp ghép linh hoạt hệ cọc trụ tròn vào thân đê rỗng tùy theo yêu cầu cần giảm chiều cao sóng Khoảng cách lỗ hình trụ trịn hàng (li) khoảng cách hàng lỗ (bi) đỉnh đê tuân theo qui luật li = bi = Ø (Ø đường kính cọc 613 Nguyen Anh Tien trụ trịn) Ngồi loại cọc trụ trịn cịn sử dụng loại cọc khác có tiết diện (vng, chữ nhật, tam giác) để lắp ghép vị trí hàng lỗ bố trí sẵn tương ứng đỉnh đê vào thân đê rỗng hình thành hệ thống lược giảm sóng Thực tiễn, để thuận tiện thi công lắp ghép hệ cọc vào thân đê định hướng sử dụng loại cọc ống bê tông ly tâm dự ứng lực đúc sẵn thông dụng phổ biến thị trường xây dựng có đường kính Ø = 300 mm Cơ chế tiêu giảm sóng qua đê gần giống tự nhiên ngập mặn ven biển Trong a) Đê ngầm rỗng (khối đế) phần hệ cọc bên tạo khe hở đứng ln cho phép sóng biển thủy triều xun qua đóng vai trị giống thân cản sóng, lượng sóng tiêu tán qua hệ cọc nhờ công lực cản, phần khối đế ngồi tác dụng tiêu tán lượng sóng tới thơng qua q trình sóng vỡ dịng chảy qua thân đê có tác dụng cản giữ bùn cát dịch chuyển theo phương ngang ngược trở phía biển thủy triều rút thấp cao trình đỉnh đê (hình 1c) b) Hệ cọc trụ trịn lắp ghép vào thân đê rỗng c) Lắp ghép phân đoạn đê ngầm cọc phức hợp Hình Minh họa đê ngầm cọc phức hợp (trường hợp hàng cọc) Cơ sở lý thuyết Sử dụng lượng sóng thiết lập phương trình cân lượng sóng ngẫu nhiên truyền vng góc với bờ qua đê kết hợp với số liệu đo đạc thực nghiệm mơ hình vật lý thơng qua bước biến đổi tốn học trung gian để xác định thành phần lượng sóng tiêu hao thân đê rỗng hệ cọc Sau xây dựng cơng thức bán thực nghiệm dạng tổng qt tính tốn truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp với hai tham số độc lập thành phần lượng sóng tiêu hao phần thân đê rỗng hệ cọc [1, 11] Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu mơ hình vật lý thu nhỏ máng sóng thủy lực thực Phịng Thí nghiệm Thủy lực sơng biển Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam (máng sóng HR Wallingford - Anh) Lý thuyết tương tự tỉ lệ mơ hình Tỉ lệ mơ hình thiết kế λL = λh = a = 15 bảo đảm tuân thủ định luật tương tự Froude, 614 thỏa mãn điều kiện liên quan đến yếu tố hình học nguyên hình, yếu tố sóng khả đáp ứng hệ thống thiết bị thí nghiệm, đồng thời bảo đảm giảm thiểu tối đa hiệu ứng phát sinh ảnh hưởng sóng phản xạ đến kết thí nghiệm [1] Điều kiện biên thủy hải văn Chiều cao sóng Hs = 1,00–2,50 m, chu kỳ sóng Tp < 8,0 s, độ ngập nước đỉnh đê Rc = 0–2,25 m [5] Thực tế thơng số sóng nước sâu vùng biển phía tây ĐBSCL dao động khoảng Hs = 1,0–1,75 m, Tp = 2–6 s, chuỗi số liệu thí nghiệm MHVL xem xét đầy đủ đặc trưng riêng này, đồng thời mở rộng thêm biên độ với giới hạn Hs ≤ 2,50 m, Tp ≤ 8,0 s nghiên cứu nhằm mục đích khái quát hóa đầy đủ mức độ ảnh hưởng tham số chi phối đến q trình truyền sóng qua đê phân tích tăng độ tin cậy xây dựng công thức thực nghiệm bán thực nghiệm Mục tiêu hướng đến mở rộng phạm vi ứng To study impact level of dominat parameters dụng thực tiễn dạng đê ngầm không giới hạn ứng dụng riêng cho vùng biển phía tây hay vùng ĐBSCL mà cịn ứng dụng cho vùng biển khác nước ta có đặc trưng sóng chế sạt lở bờ biển tương tự Cơ sở để xác định giá trị độ sâu ngập nước đỉnh đê ngầm theo thực tế để giảm sóng hiệu đỉnh đê cần thiết kế có có cao trình nằm xung quanh cao trình mực nước với độ ngập sâu tối đa < × Hs (tức ≤ Rc < 2,5 m) Khơng xem xét trường hợp cao trình đỉnh đê > cao trình mực nước nghiên cứu Thực tế chế độ thủy triều vùng biển tây nhật triều không đều, biên độ dao động nhỏ m, thực tiễn thiết kế cơng trình cao trình đỉnh đê ngầm (khơng có cọc) chọn cao trình mực nước trung bình (theo tần suất thiết kế) bảo đảm yêu cầu kỹ thuật hiệu kinh tế (≈ độ ngập đỉnh đê Rc = 0) Thiết kế mô hình thí nghiệm Khối đế đê ngầm rỗng tiết diện hình thang cân có chiều cao D = 0,2 m hệ số mái WG6 m = 1,0 Nghiên cứu với chiều rộng đỉnh khối đế khác nhau, kích thước kí hiệu Bi = 2,3,4,5 = 0,112; 0,152; 0,192; 0,232 m Mật độ lỗ rỗng đỉnh khối đế bố trí theo dạng hình hoa mai theo qui luật li = bi = Ø = 0,02 m Số hàng lỗ rỗng tương ứng với chiều rộng đỉnh Bi n(0)i = 2, 3, 4, hàng (hình 1a với trường hợp B3 =0,152 m n(0)3) Hệ cọc trụ tròn lắp ghép đỉnh khối đế bảo đảm tương thích với mật độ kích thước hàng lỗ rỗng n(0)i Số hàng cọc trụ tròn lắp ghép đỉnh khối đế Bi tương ứng n(p)i = 2, 3, 4, hàng (hình 1b, 1c với trường hợp n(p)3) Bố trí thiết bị sơ đồ thí nghiệm Sơ đồ bố trí thí nghiệm sử dụng đầu đo bố trí dọc theo tuyến máng sóng Trong kim đo (WG1, WG2, WG3, WG4) sau Piston sử dụng để tính tốn tách sóng phản xạ đầu đo (WG5, WG6) cịn lại bố trí trước sau đê ngầm để ghi nhận kết đặc trưng sóng trước sau truyền qua đê ngm WG4 WG3 WG2 WG1 Máy tạo sóng WG5 Bi i = 1/500 D BÃi đá tiêu sóng Rc Rc = 0.00; 0.05; 0.10; 0.15 (m) 2.0m 9.0m 1.5m 1.5m 8.0m i = 1/2 10.0m 0.20m 0.5m 0.72m 0.18m 0.4m a) Sơ đồ thí nghiệm đê ngầm rỗng, khơng cọc (Bi, n(0)I, Rci) WG5 WG4 WG3 WG2 WG1 M¸y t¹o sãng Rc = 0.00; 0.05; 0.10; 0.15 (m) Bi i = 1/500 D BÃi đá tiêu sóng Rc WG6 2.0m 9.0m 1.5m 1.5m 8.0m i = 1/2 10.0m 0.20m 0.5m 0.72m 0.18m 0.4m b) Sơ đồ thí nghiệm đê ngầm rỗng có hệ cọc (Bi, n(p)I, Rci) Hình Sơ đồ bố trí cơng trình thiết bị thí nghiệm máng sóng HR Wallingford Xây dựng chương trình thí nghiệm Tổng số 300 thí nghiệm (40 thí nghiệm trường hợp trạng, 100 thí nghiệm trường hợp đê ngầm rỗng khơng cọc 160 thí nghiệm trường hợp đê ngầm rỗng có hệ cọc bên trên) 615 Nguyen Anh Tien Bảng Xây dựng chương trình thí nghiệm tổng qt Đặc trưng sóng thí nghiệm (tại biên tạo sóng) H07T113 (Hm0 = 0,07 m,Tp = 1,13 s) H07T134 (Hm0 = 0,07 m,Tp = 1,34 s) H10T135 (Hm0 = 0,10 m,Tp = 1,35 s) H10T160 (Hm0 = 0,10 m,Tp = 1,60 s) H12T148 (Hm0 = 0,12 m,Tp = 1,48 s) H12T175 (Hm0 = 0,12 m,Tp = 1,75 s) H14T160 (Hm0 = 0,14 m,Tp = 1,60 s) H14T189 (Hm0 = 0,14 m,Tp = 1,89 s) H16T171 (Hm0 = 0,16 m,Tp = 1,71 s) H16T203 (Hm0 = 0,16 m,Tp = 2,03 s) Bề rộng đỉnh Bi (m) Số hàng lỗ n(0)i Số hàng cọc n(p)i Độ ngập Rci (m) B1 = B2 = 0,112 B3 = 0,152 B4 = 0,192 B5 = 0,232 n(-)1 = n(0)2 = n(0)3 = n(0)4 = n(0)5 = n(-)1 = n(p)2 = n(p)3 = n(p)4 = n(p)5 = Rc1 = Rc2 = 0,05 Rc3 = 0,10 Rc4 = 0,15 Ghi chú: Các số (-), (0) (p) tương ứng với thí nghiệm trạng khơng có đê (-), đê ngầm rỗng khơng cọc (0) đê ngầm rỗng có hệ cọc (p) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Đê có cấu tạo phức hợp bao gồm phần khối đế đê ngầm rỗng tiêu hao lượng sóng thơng qua q trình sóng vỡ, phản xạ, ma sát dòng chảy qua thân đê, phần hệ cọc bên tiêu hao lượng sóng nhờ cơng lực cản Khi chiều cao phần đê rỗng tăng lượng sóng tiêu hao thân đê tăng hệ cọc lại giảm ngược lại Do trình tương tác chế tiêu hao lượng sóng hai phận với sóng khác cần có đánh giá, phân tích độc lập mức độ ảnh hưởng tham số chi phối để từ xây dựng phương pháp tính tốn truyền sóng qua đê trường hợp tổng qt Truyền sóng qua thân đê rỗng, khơng cọc Ảnh hưởng số vỡ () Hình minh họa ảnh hưởng số vỡ = Hm0/d đến hệ số truyền sóng Kt cho trường hợp khơng có cơng trình có cơng trình khơng có cọc với bề rộng khác Khi có cơng trình khơng có cọc, Kt giảm mạnh mức cao, phổ biến Kt = 0,60–0,80 Khi tăng Kt giảm nhẹ, nhiên phụ thuộc yếu, khơng rõ ràng Hình Ảnh hưởng số sóng vỡ (đê khơng cọc) Ảnh hưởng độ sâu ngập nước tương đối đỉnh đê Quan hệ Kt ~ Rc/Hm0 thể hình cho trường hợp đê khơng cọc Nhìn chung Rc/Hm0 có ảnh hưởng chi phối đến Kt, quan hệ đồng biến, tương tự trường hợp đê ngầm giảm sóng khác Tuy 616 nhiên cấu tạo thân đê rỗng nên cho thấy hiệu giảm sóng rõ rệt với độ ngập sâu nhỏ Rc/Hm0 < Khi Rc/Hm0 > Kt tăng nhẹ không đổi Khi độ ngập = (Rc =0) đê có hiệu giảm sóng tốt với Kt = 0,50 (trung bình) To study impact level of dominat parameters Hình Ảnh hưởng độ ngập sâu tương đối Rc/Hm0 (đê không cọc) Ảnh hưởng bề rộng tương đối đỉnh đê Ảnh hưởng bề rộng tương đối B/Lm B/Lp (Lm Lp chiều dài sóng nước nơng khu vực cơng trình tương ứng với chu kỳ đặc trưng phổ Tm-1,0 đỉnh phổ Tp) với hệ số Kt thể hình 5, Hình Ảnh hưởng bề rộng tương đối B/Lm (đê khơng cọc) (đê khơng khơng cọc) Hình 5 Ảnh Ảnh hưởng hưởng của bề rộng tương đối B/Lmm (đê Hình cọc) Hình 6.6.Ảnh tươngđối đốiB/L B/Lpp p(đê (đêkhơng khơng cọc) Hình rộng tương cọc) Hình Ảnhhưởng hưởngcủa bề bề rộng (đê khơng cọc) Hình Ảnh hưởng bề rộng tương đối B/H m0 (đê khơng cọc) Hình Ảnhhưởng hưởngcủa củabề bề rộng rộng tương cọc) Hình 7.Ảnh tươngđối đốiB/H B/Hm0m0(đê (đêkhơng khơng cọc) 617 Nguyen Anh Tien Việc sử dụng bề rộng tương đối B/Hm0 thay B/L cho kết tương quan tương tự mức độ yếu (hình 7) Nên sử dụng Tm-1,0 trường hợp sóng nước nơng, mà phổ sóng bị dẹt khơng cịn rõ đỉnh Tm-1,0 dùng để nhấn mạnh vai trò sóng dài vùng nước nơng sóng vỡ Xu thể rõ hay mức độ phân tán số liệu nhỏ sử dụng Tm-1,0 (hình 5) so với sử dụng Tp (hình 6) Ảnh hưởng bề rộng tương đối B/L nhìn chung yếu so với độ ngập nước tương đối Rc/Hm0 Quan hệ nghịch biến Ảnh hưởng B/L trở nên yếu dần độ ngập tăng, với độ ngập lớn (Rc = 0,10; 0,15 m) B/L khơng cịn ảnh hưởng Ảnh hưởng tương tác sóng với mái đê Thơng thường tính chất tương tác sóng với mái dốc thể qua giá trị số Iribarren 0m có ảnh hưởng đến truyền sóng qua đê ngầm Tuy nhiên hệ số mái đê số (tan =1) xét tính chất tương tác thơng qua giá trị độ dốc sóng vị trí cơng trình sm: sm H m0 Lm (1) Hình Tương quan sm ~ Kt (đê khơng cọc) Hình trình bày kết phân tích tương quan phụ thuộc sm Kt cho trường hợp bề rộng độ sâu ngập khác Nhìn chung xu ảnh hưởng sm đến Kt nghịch biến rõ ràng, đặc biệt với độ ngập nước lớn, cho thấy sóng dài bị tiêu hao lượng qua đê so với sóng ngắn Hệ số truyền sóng qua thân đê rỗng Từ phân tích ảnh hưởng nêu thấy hệ truyền sóng qua thân đê rỗng trường hợp khơng có hệ cọc phía chịu chi phối chủ yếu ba tham số là: độ ngập sâu tương đối Rc/Hm0, bề rộng tương K (0) t H m 0,t H m 0,i R a c H m 0,i Kt(0) H m0,t H m0,i R B f c , , sm H m0,i H mo,i (2) Từ phân tích tương quan nêu tương tự với dạng đê ngầm khác, hệ số truyền sóng qua đê có dạng tổng quát sau d’Angremond nnk., (1996) [3]; van der Meer nnk., (2005) [11] Lưu ý ta sử dụng tham số độ dốc sóng (sm) thay sử dụng số Iribarren (0m), Rc độ ngập sâu mang giá trị dương B b. H m 0,i Trong đó: Các hệ số a, b (giá trị dương) số mũ c1, c2 (giá trị âm) xác định phương pháp hồi quy với số liệu thí nghiệm cho trường hợp đê ngầm rỗng không cọc 618 đối B/Hm0 độ dốc sóng vị trí cơng trình s m: c1 c e sm (3) Sử dụng phương pháp dị tìm theo tổ hợp hai số mũ c1 c2 để phương trình (PT) (3) phù hợp với số liệu thí nghiệm, tức có hệ số hồi quy R2 lớn To study impact level of dominat parameters Ứng với giá trị c2 có chuỗi giá trị c1 giả thiết để phân tích hồi quy lựa chọn tham số c1 c2 cho R2 lớn Kết quan hệ c2 R2 thể hình cho thấy R2 độ nhạy khơng lớn đối c2 < Khi c2 ≤ –1,0 R2 đạt giá trị cực đại chọn c2 = –1,0 để phân tích hồi quy Hình 10 Quan hệ c1 ~ R2 (với c2 = –1,0) Với c2 xác định, hình 10 thể quan hệ c1 R2 ứng với giá trị c2 = –1,0 Kết c1 = –0,19 đem lại giá trị R2 lớn đạt xấp xỉ 0,94 Sử dụng số mũ c1 = –0,19 c2 = –1,0 xác định số thực nghiệm tương ứng a = 0,18 b = 0,58 Như PT (3) viết lại sau: Hình Quan hệ c2 ~ R2 K (0) t R 0,18 c H m 0,i B 0,58 H m 0,i 0,19 1 e 1 sm (4) thay sm nhiên với độ tin cậy đạt thấp chút Hình 11 So sánh tính tốn theo cơng thức số liệu thực nghiệm hệ truyền sóng đê khơng cọc Kết so sánh hệ số truyền sóng qua thân đê rỗng (khơng cọc) tính tốn theo cơng thức thực nghiệm (4) số liệu thí nghiệm thể hình 11 với mức độ phù hợp cao (R2 = 0,94) Trong trường hợp xác định Tm-1,0 cách xác sử dụng công thức (4) với sp Tiêu hao lượng sóng qua đê ngầm rỗng có hệ cọc Phân tích q trình tiêu hao lượng sóng Khi sóng truyền qua hệ đê ngầm rỗng trải qua trình tiêu hao lượng, làm giảm chiều cao sóng sóng vỡ đê độ sâu bị hạn chế, ma sát, sức cản hệ cọc Trong phân tích chia thành thành phần lượng sóng tiêu hao sau: Năng lượng tiêu hao thân đê rỗng (khơng có hệ cọc) Năng lượng tiêu hao ma sát Năng lượng tiêu hao hệ cọc Phương trình cân lượng sóng ngẫu nhiên truyền vng góc với bờ qua đê ngầm rỗng có hệ cọc bên có dạng sau: E ( p ) cg x Dd D f Dp (5) c 2kh E ( p ) gH rms 1 (6) ,( p ) ; cg sinh 2kh 619 Nguyen Anh Tien Trong đó: x- độ dài đặc trưng theo phương truyền sóng; h- độ sâu nước trước đê; E(p)- tổng lượng đơn vị sóng trường hợp đê ngầm rỗng có hệ cọc (J/m2); Hrms- chiều cao sóng trung bình qn phương trường hợp đê gồm hệ cọc; Dd- suất tiêu hao lượng sóng phần thân đê rỗng (W/m2); Df- suất tiêu hao lượng sóng ma sát đáy (W/m2); Dp- suất tiêu hao lượng sóng sức cản hệ cọc (W/m2); cg- vận tốc nhóm sóng; cvận tốc đỉnh sóng Trong điều kiện đê khơng có cọc lượng sóng bị tiêu hao phần thân đê rỗng ma sát đáy có dạng sau: E (0) cg x Dd D f (7) Với E(0) lượng sóng trường hợp đê ngầm rỗng khơng có hệ cọc (J/m2) E ( p ) E (0) cg x D p Lưu ý PT (7) dựa giả thiết bỏ qua thay đổi vận tốc nhóm sóng cg có khơng có hệ cọc (theo lý thuyết cg phụ thuộc độ sâu nước chu kỳ sóng) Với giả thiết lượng tiêu hao ma sát sóng phản xạ thân đê rỗng hai trường hợp đê khơng cọc có hệ cọc (theo số liệu thí nghiệm từ MHVL cho thấy hệ số phản xạ có chênh lệch khơng đáng kể hai trường hợp này); ngồi chênh lệch cịn kể đến cách lấy chiều cao sóng trước đê chiều cao sóng trung bình hai trường hợp sau thông qua hệ số hiệu chỉnh mơ hình) có mặt hệ cọc khơng làm thay đổi suất tiêu hao lượng thân đê rỗng so với đê khơng có hệ cọc Từ PT (5)–(7) rút phương trình cân lượng sóng cho hệ cọc sau: 1 1 2 g H rms gH rms ,(0) H rms ,( p ) cg , p cg 8 Dp x x Với Hrms,p gọi thành phần chiều cao sóng bị suy giảm hệ cọc Nếu sóng đến PT (8) có diễn giải cách đơn giản lượng sóng tiêu hao hệ cọc phần chênh lệch lượng sóng phía sau đê hai trường hợp đê có khơng có hệ cọc H rms2 ,t (0) H rms2 ,t ( p) H rms ,p Dp gcg gcg Xb Xb Trong đó: Hrms,t chiều cao sóng phía sau đê, số (0) (p) tương ứng dùng để trường hợp đê ngầm rỗng khơng cọc có hệ cọc; Xb chiều rộng ảnh hưởng số hàng cọc đỉnh đê ngầm xét theo phương truyền sóng (Xb khoảng cách tính theo tim hai hàng cọc biên đỉnh đê theo phương truyền sóng) Ở đưa khái niệm lượng sóng tương đối tiêu hao hệ cọc Dpr, đại lượng phi thứ nguyên định nghĩa sau: D pr 620 H rms ,p H rms ,i (10) (8) (9) Từ PT (9) (10) có liên hệ: Dpr H rms Dpr E ( p ) cg ,i (11) Dp gcg Xb Xb Sử dụng đại lượng phi thứ nguyên Dpr xác định từ số liệu thí nghiệm cho hai trường hợp đê khơng có có hệ cọc theo PT (10) để phân tích suy giảm chiều cao sóng ảnh hưởng hệ cọc Kết tính tốn Dpr theo PT (9), (10) lập thành bảng dựa vào kết thí nghiệm MHVL truyền sóng qua đê ngầm rỗng khơng cọc có hệ cọc Nhìn chung giá trị Dpr To study impact level of dominat parameters nhỏ, chiếm khoảng 10–20% so với tổng lượng sóng tới Phân tích mức độ ảnh hưởng tham số chi phối đến tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc Tương tự với thân đê rỗng, độ ngập sâu tương đối Rc/Hm0 (chiều dài phần cọc nhúng nước) có ảnh hưởng nhiều đến tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc thể hình 12 Nhìn chung thấy quan hệ đồng biến rõ ràng với xu phi tuyến Dpr tăng mạnh với Rc/Hm0 < 1,20 sau không tăng Dpr tăng tỷ lệ với số hàng cọc (tương ứng với bề rộng ảnh hưởng hệ cọc) lượng sóng dải tần số cao bị tiêu hao hệ cọc, lại lượng sóng dài tần số thấp Như phân tích sóng dải tần thấp bị tiêu hao lượng qua hệ cọc, độ sâu tiếp tục tăng số hàng cọc tăng Dpr khơng tiếp tục tăng Hình 14 kết phân tích phuộc vào độ dốc sóng (sp = Hm0/Lp sm = Hm0/Lm) vị trí cơng trình Dpr Xu chung đồng biến, nhiên yếu so với trường hợp thân đê rỗng khơng có cọc Hình 14 Ảnh hưởng độ dốc sóng địa phương sp (hình trái) sm (hình phải) Hình 12 Ảnh hưởng của độ ngập sâu tương đối Rc/Hm0 Hình 13 Ảnh hưởng bề rộng tương đối hệ cọc Xb/Lp (trái) Xb/Hm0 (phải) Ảnh hưởng bề rộng tương đối hệ cọc Xb/Lp Xb/Hm0 Dpr thể hình 13 cho thấy phụ thuộc mạnh mẽ theo quan hệ đồng biến bề rộng hệ cọc đến tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc Ảnh hưởng rõ rệt mức độ ngập sâu thấp Việc Dpr có xu tăng chậm với mức độ ngập sâu lớn lý giải: Khi độ sâu nước đủ lớn phần lớn Các ảnh hưởng khác độ sâu nước tương đối h/Lp số vỡ Hm0/h đến Dpr trình bày hình 15–16 cho thấy tham số khơng có chi phối trực tiếp đến tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc Hình 15 Ảnh hưởng độ sâu nước tương đối h/Lp Ngoài tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc cịn phụ thuộc vào mật độ cọc hay độ rỗng đê ngầm cọc phức hợp (phụ thuộc khoảng cách cọc), đường kính cọc Tuy nhiên thí nghiệm tham số giữ cố định không xem xét cách trực tiếp mà gián tiếp nằm thông số khác phân tích 621 Nguyen Anh Tien R X Dpr f c , b H m Lm Hình 16 Ảnh hưởng số vỡ Hm0/h Tiêu hao lượng sóng qua hệ cọc Với phân tích tương quan nêu xây dựng công thức thực nghiệm tính tốn xác định lượng sóng bị tiêu hao hệ cọc phía thân đê rỗng Một cách tương tự có phương trình tổng quát sau: Vˆp Vp Vw R c H m 0,i X b H m Lm Trong đó: Vˆp thể tích cản sóng tương đối hệ cọc; Vp Vw thể tích phạm vi cản sóng hệ cọc tổng thể tích phần khối nước dao động xét chu kỳ sóng Hình 17 Đường hồi quy thực nghiệm xác định Dpr ~ Vˆp (với Lm) (đê có hệ cọc) PT (13) bảo toàn tham số chi phối của PT (12) Hình 17 biểu diễn quan hệ thể tích cản sóng tương đối hệ cọc Dpr, qua thấy tương tự phân tích tương quan phần trước Dpr có xu tăng Vˆp tăng, tức độ ngập tương đối tăng bề rộng hệ cọc tăng Khi Vˆp tăng đến giới hạn Dpr khơng tăng 622 (12) Dpr mang ý nghĩa lượng sóng tiêu hao tương đối hệ cọc so với tổng lượng sóng tới (Dpr hiểu hiệu hệ cọc Dpr < 1) Như Dpr phụ thuộc vào tổng thể tích phạm vi cản nước tương đối hệ cọc so với tồn thể tích khối nước dao động xét trong chu kỳ sóng Ngồi lưu ý Rc = (mực nước ngang thân đê rỗng) Dpr > phần sóng truyền qua đỉnh đê bị tiêu hao lượng hệ cọc Xuất phát từ phân tích có đề xuất tham số biểu diễn thể tích cản sóng tương đối hệ cọc sau: Rc H m 0,i X b H m0 Lm (13) (lý giải thích trên) Như tương quan tồn số điều kiện giới hạn sau: Có tiệm cận Dpr, max Dpr = khơng có hệ cọc (Xb = 0) Dpr > Rc = Với tính chất với đại lượng miêu tả hiệu (Dpr < 1) hàm tanh(x) (với x < 1) dạng hàm phù hợp Sử dụng phương pháp hồi quy với số liệu thí nghiệm xây dựng quan hệ đường hồi quy sau (hình 17), mức độ phù hợp cao R2 = 0,80 Rc H m0,i X b (14) D pr 0,153tanh 20,6 H m0 Lm Khi sử dụng Tp thay Tm-1,0 (Lp thay Lm) tính tốn mức độ phù hợp với số liệu thực nghiệm đạt thấp chút (R2 = 0,71, hình 18) Lúc công thức xác định Dpr là: Rc H m0,i X b D pr 0,152 16,3 H m0 L p (15) To study impact level of dominat parameters Khi đê ngầm rỗng có hệ cọc bên trên: Etot Et( p ) Ed( p ) E p( p ) E (f p ) Er( p ) (17) Hình 18 Đường hồi quy thực nghiệm xác định Dpr ~ Vˆp (với Lp) (đê có hệ cọc) Truyền sóng qua đê ngầm rỗng có hệ cọc Xuất phát từ phương trình cân lượng sóng cho trường hợp đê ngầm rỗng khơng cọc có hệ cọc bên sau: Khi đê ngầm rỗng không cọc: Etot Et(0) Ed(0) E (0) Er(0) f E (0) t (16) Trong đó: Et, Ed, Ep, Ef Er lượng sóng phía sau đê, phần lượng tiêu hao phần thân đê rỗng, hệ cọc, ma sát lượng sóng phản xạ lại Etot tổng lượng sóng (bao gồm sóng tới sóng phản xạ trở lại từ cơng trình) Các số (0) (p) tương ứng dùng để trường hợp đê khơng cọc có hệ cọc Giả thiết với tổng lượng sóng Etot, thành phần lượng sóng bị tiêu hao ma sát thân đê hai trường hợp đê ngầm rỗng không E (f p ) , cọc có hệ cọc bên (tức E (0) f (0) ( p) Ed Ed Từ hai PT (16) PT (17) ta có: Et( p ) Er(0) Er( p ) E p( p ) Dp X b 1 (0) ( p )2 (0) g H rms gH rms Cr( p ) 0 ,t H rms ,t , i Cr 8 cg Với Cr(0 p) hệ số phản xạ hai trường hợp đê khơng có cọc có hệ cọc PT (18) viết lại dạng hệ số truyền sóng (Kt = Hrms,t/Hrms,i) cách chia hai vế phương trình cho lượng sóng tới đơn vị E gH rms ,i , ta có: Kt 0 Kt p Cr 0 Cr p 2 (18) Dp X b gH rms , i cg 0 (19) Liên hệ PT (19) với PT (11), có: K t K t p Cr Cr p D pr 2 2 Lưu ý: Chênh lệch lượng sóng phản 2 p p xạ tương đối Er Er E Er Er có giá trị nhỏ tỷ lệ thuận so với lượng sóng tiêu hao thân đê có hệ cọc trình bày hình 19 có kết từ thực nghiệm Do ảnh hưởng chênh lệch sóng phản xạ xét đến cách gián tiếp thông qua Dpr với hệ số điều chỉnh mơ hình m (20) Từ PT (20) đưa cơng thức bán thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng qua đê rỗng có hệ cọc bên (Kt(p) hay kí hiệu khác Kt) sau: Kt Kt(0) m.Dpr (21) Trong đó: m hệ số mơ hình (theo lý thuyết m < 1,0) hiệu chỉnh với số liệu thí 623 Nguyen Anh Tien nghiệm nhằm kể đến ảnh hưởng sóng phản xạ sai lệch giả thiết nêu khác trình xây dựng công thức phương pháp giả thiết đưa q trình xây dựng cơng thức Lưu ý: Kt(0) hệ số truyền sóng qua đê ngầm rỗng không cọc xác định từ PT (4) Dpr lượng sóng tương đối tiêu hao hệ cọc xác định từ PT (14) PT (15) Khi đê ngầm rỗng không cọc (Dpr = 0) PT (21) trở PT (4) Sử dụng PT (4), PT (14) PT (21) với số liệu thí nghiệm cho trường hợp đê có cọc để xác định hệ số mơ hình m (160 thí nghiệm) Kết hình 20 cho thấy m = 0,94 cho kết phù hợp tốt với số liệu thí nghiệm (R2 = 0,87) Hình 21 trình bày so sánh kết tính tốn Kt theo PT (21) với hệ số mơ hình m = 0,94 số liệu thí nghiệm Sự phù hợp tốt PT (21) với số liệu thí nghiệm khẳng định tính đắn Hình 19 Liên hệ chênh lệch lượng sóng phản xạ tương đối tiêu hao lượng hệ cọc Dpr (đê có cọc) Hình 20 Hiệu chỉnh hệ số mơ hình m với số liệu thí nghiệm Dữ liệu Lab (Đê có hệ cọc), m= 0,94 Đo đạc = Tính tốn Đo đạc = Tính tốn Đê khơng cọc Đê có hệ cọc Hình 21 So sánh kết tính tốn hệ số truyền sóng với số liệu thực nghiệm cho trường hợp đê có hệ cọc (hệ số mơ hình m = 0,94) 624 Hình 22 Tổng hợp so sánh kết tính tốn hệ số truyền sóng với tồn số liệu thực nghiệm (đê khơng cọc đê có hệ cọc) To study impact level of dominat parameters Sau hình 22 so sánh tổng hợp kết tính tốn với tất trường hợp có khơng có hệ cọc (tổng số 260 thí nghiệm) KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu dạng đê ngầm cọc phức hợp có kết cấu phi truyền thống lắp ghép linh hoạt cấu kiện bê tơng đúc sẵn định hình ứng dụng để bảo vệ bờ biển bị sạt lở tác động sóng biển vùng biển tây ĐBSCL (hình 1) [1, 2] Xây dựng công thức bán thực nghiệm (21) dạng tổng qt tính tốn xác định hệ số truyền sóng qua đê, cơng thức phản ảnh đầy đủ mức độ ảnh hưởng tham số chi phối thơng qua hai thành phần lượng sóng tiêu hao thân đê rỗng Kt(0) xác định theo PT (4) hệ cọc bên Dpr xác định theo PT (14) PT (15) Trường hợp đê ngầm rỗng khơng có hệ cọc (Dpr = 0) PT (21) trở PT (4) Công thức bán thực nghiệm (21) công thức thực nghiệm (4), (14), (15) xây dựng có đầy đủ sở khoa học, đảm bảo độ tin cậy có khả ứng dụng vào thực tiễn để tính tốn xác định hệ số truyền sóng qua đê ngầm cọc có cấu tạo phức hợp [4] [5] [6] [7] [8] [9] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Anh Tien, Trinh Cong Dan, Lai Phuong Quy, Thieu Quang Tuan, 2018 The study of proposing the empirical formulation for calculating wave transmission coefficent through permeable breakwater by physical experiment Journal of Water Resources Science and Technology, Vietnam Academy for Water Resources, (46), 24–34 [2] Nguyen Viet Tien, 2015 Research on wave energy damping efficiency by submerged breakwater in Vietnamese coastal Ph.D Thesis, Thuyloi University, Hanoi [3] Seelig, W N., 1980 Two-Dimensional Tests of Wave Transmission and [10] [11] Reflection Characteristics of Laboratory Breakwaters (No CERC-TR-80-1) Coastal Engineering Research Center Fort Belvoir VA Allsop, N W H., 1983 Low-crest breakwaters, studies in random waves In Coastal Structures’ 83 (pp 94–107) ASCE Ahrens, J P., 1987 Characteristics of Reef Breakwaters (No CERC-TR-87-17) Coastal Engineering Research Center Vicksburg MS Ferrant, V., 2007 Spectral analysis of wave transmission behind submerged breakwaters Ph.D thesis, Italy van der Meer, J W., 1991 Stability and transmission at lowcrested structures Delft hydraulics publ van der Meer, J W., and Daemen, I F., 1994 Stability and wave transmission at low-crested rubble-mound structures Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, 120(1), 1–19 d’Angremond, K., Van der Meer, J W., and De Jong, R J., 1996 Wave transmission at low-crested structures, 25th Int In Conf on Coastal Eng., Orlando, Florida 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(10–11), 915–929 Nguyen Anh Tien, Trinh Cong Dan, Thieu Quang Tuan, To Van Thanh, 2018 Scientific background used for proposing calculating method of wave transmission coefficent through submerged complex with solid piles breakwater Journal of Water Resources Science and Technology, Viet Nam Academy for Water Resources, (46), 81–87 625 ... phương pháp lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng công thức bán thực nghiệm tính tốn hệ số truyền sóng qua đê ngầm cọc phức hợp có kết cấu phi truyền thống Cơng thức phản ảnh. .. mức độ ảnh hưởng tham số chi phối đến q trình truyền sóng qua đê ngầm rỗng khơng cọc có hệ cọc bên (trường hợp tổng quát) Ứng dụng kết nghiên cứu để phân tích lựa chọn hệ số giảm sóng thích hợp. .. pháp tính tốn truyền sóng qua đê trường hợp tổng quát Truyền sóng qua thân đê rỗng, khơng cọc Ảnh hưởng số vỡ () Hình minh họa ảnh hưởng số vỡ = Hm0/d đến hệ số truyền sóng Kt cho trường hợp