Nghiên cứu khả năng xây dựng và ảnh hưởng của tường ngầm lên biến động thủy động lực và hình thái ven bờ biển nam định

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐHQGHN - Mạc Văn Dân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÂY DỰNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG NGẦM LÊN BIẾN ĐỘNG THỦY ĐỘNG LỰC VÀ HÌNH THÁI VEN BỜ BIỂN NAM ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐHQGHN - Mạc Văn Dân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÂY DỰNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG NGẦM LÊN BIẾN ĐỘNG THỦY ĐỘNG LỰC VÀ HÌNH THÁI VEN BỜ BIỂN NAM ĐỊNH Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60 44 02 28 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Đinh Văn Ưu Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn “ Nghiên cứu khả xây dựng ảnh hưởng tường ngầm lên biến động thủy động lực hình thái ven bờ biển Nam Đinh” học viên Mạc Văn Dân thực hướng dẫn GS.TS Đinh Văn Ưu.Trong trình thực luận văn, tác giả học hỏi nắm bắt nhiều lý thuyết vấn đề liên quan đến tường phá sóng Tác giả xin chân thành cám ơn phòng Đạo tạo Đại học sau Đại học khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải Dương Học, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện tốt cho học viên trình học tập nghiên cứu Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn GS.TS.Đinh Văn Ưu tận tình định hướng, hướng dẫn tác giả để hoàn thành luận văn Xin chân thành cám ơn thầy mơn, anh chị em đồng nghiệp nhiệt tình tham gia, góp ý để tác giả hồn thành luận văn đạt chất lượng tốt Xin trân trọng cám ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Tác giả Mạc Văn Dân LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trung thực, chưa công bố cơng trình khoa học nào, thơng tin tài liệu phục vụ nghiên cứu trích dẫn ghi rõ nguồn gốc Tác giả Mạc Văn Dân MỤC LỤC MỞ ĐẦU - Chương I: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG PHÁ SÓNG - 1.1.Khái quát chung phân loại TPS 1.2 Các tham số TPS - 1.3 Cấu kiện thường sử dụng với TPS 10 Chương II: NGHIÊN CỨU TPS TRÊN MƠ HÌNH VẬT LÝ - 11 2.1 Ảnh hưởng tham số tường phá sóng đến hệ số giảm sóng 11 2.2 Nghiên cứu hệ số giảm sóng qua TPS 19 2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng TPS tới hình thái đường bờ - 23 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA TPS TỚI CHẾ ĐỘ ĐỘNG LỰC VÀ DIỄN BIẾN HÌNH THÁI BẰNG MƠ HÌNH TỐN 26 3.1 Ảnh hưởng TPS tới trường sóng sau cơng trình - 26 3.2 Ảnh hưởng TPS diễn biến hình thái đường bờ - 36 3.3 Đánh giá ảnh hưởng hệ số giảm sóng Kt tới biến động bãi sau TPS 44 3.4 Đánh giá sai số hai phương pháp mơ hình tốn mơ hình vật lí (cơng thức thực nghiệm) 45 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG QUY TRÌNH ỨNG DỤNG VÀ ÁP DỤNG ĐỐI VỚI KHU VỰC BỜ BIỂN NAM ĐỊNH - 46 4.1 Quy trình áp dụng - 46 4.2 Áp dụng cho khu vực ven biển Nam Định - 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 53 TÀI LIỆU THAO KHẢO 55 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1a Xây TPS với mục đích bảo vệ cảng biển -Hình 1.1b Xây TPS với mục đích bảo vệ bờ biển bị xói -Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống tường giảm sóng -Hình 1.3 Một số dạng kết cấu tường phá sóng -Hình 1.4 Mơ tả tham số TPS phá sóng mặt mặt đứng Hình 1.5 Tổng quan loại cấu kiện kết hợp với TPS Hình 2.1 Sóng truyền qua TPS -Hình 2.2 Quan hệ bề rộng TPS hệ số giảm sóng hai trường hợp độ sâu h =5.8m h = 4.7m -Hình 2.3 Quan hệ thực nghiệm Kt Rc seri thí nghiệm mơ hình vật lí với bãi điều kiện thủy lực Nam Định -Hình 2.4 Quan hệ Kt độ dốc sóng tỉ lệ d/h thay đổi -Hình 2.5 Các kết cấu TPS với cấu kiện -Hình 2.6 Kết cấu TPS có lõi Geotube -Hình 2.7 Các trường hợp xếp cấu kiện thí nghiệm -Hình 2.8 Quan hệ độ dốc sóng kt PA xếp cấu kiện -Hình 2.9 Minh họa hai loại TPS phá sóng với lõi làm công nghệ GeoTube lõi làm bê tông -Hình 2.10 Hệ số giảm sóng hai trường hợp tường thường tường có lõi sử dụng cơng nghệ Geotube Hình 2.11 Hai hình thái điển hình cho diễn biến đường bờ sau TPS -Hình 2.12a Các tham số đánh giá diễn biến hình thái đường bờ sau TPS Hình 2.12b Ví dụ cho quan hệ tham số hình thái bãi bồi sau tường -Hình 3.1 Lựa chọn mặt cắt dọc bờ vng góc với bờ lưới tính -Hình 3.2a-d Trường sóng trường hợp chiều dài tường thay đổi -Hình 3.3 Biến đổi chiều cao sóng quanh tường theo mặt cắt Y -Hình 3.4 Quan hệ chiều dài TPS hệ số giảm sóng -Hình 3.5a-d Thay đổi trường sóng thay đổi độ rộng khe tường Hình 3.6 Biến thiên chiều cao sóng mặt cắt X =1700 trường hợp thay đổi khe rộng tường G Hình 3.7a-f Thay đổi trường sóng thay đổi góc sóng tới Hình 3.8 Biến thiên chiều cao sóng mặt cắt Y vng góc với TPS, ứng với hướng sóng tới khác khu vực quanh TPS -Hình 3.9 Quan hệ hệ số giảm sóng Kt góc sóng tới -Hình 3.10a-b Trường sóng hai trường hợp MN = 0.5m MN = 1.5m -Hình 3.11 Quan hệ hệ số giảm sóng Kt MN Hình 3.12a-d: Hình thái đường bờ sau năm ứng với trường hợp Ls khác Hình 3.13 So sánh diễn biến hình thái đường bờ 31/12/2017 ứng với trường hợp chiều dài tường khác -Hình 3.14 Phân tích xu bồi xói thay đổi Ls (chiều dài tường) Hình 3.15a-f Diễn biến hình thái đường bờ sau năm ứng với trường hợp thay đổi khoảng cách X từ TPS đến đường bờ ban đầu -Hình 3.16 Diễn biến hình thái đường bờ sau năm thay đổi x -Hình 3.17 Phân tích xu bồi xói thay đổi khoảng cách x TPS phá sóng đường bờ ban đầu -Hình 3.18 Diễn biến hình thái đường bờ sau năm ứng với trường hợp thay đổi khoảng cách G TPS Hình 3.19 Hình thái đường bờ sau năm ứng với trường hợp thay đổi độ rộng khe hở tường từ 25m đến 150m Hình 3.20 Phân tích diễn biến bồi xói thay đổi độ rông khe tường từ 25m đến 150m Hình 3.21 Diễn biến bãi sau TPS sau năm ứng với giá trị Kt tường giảm sóng khác Hình 3.22 Diện tích bãi bồi sau TPS sau thời gian tính tốn năm ứng với giá trị Kt khác -Hình 3.23 So sánh kết tính tốn hệ số giảm sóng Kt hai phương pháp MHT cơng thức thực nghiệm Hình 3.24 So sánh kết tính tốn tham số Xoff hai phương pháp MHT công thức thực nghiệm 45 Hình 4.1 Hiện trạng cụm cơng trình bảo vệ bờ Nam Định - 47 Hình 4.2 Hiện trạng cơng trình cụm I – 13 kè chữ T quanh cống Thanh Niên - 48 Hình 4.3 Hiện trạng cụm cơng trình II – kè chữ T xã Hải Chính - 48 Hình 4.4 Hiện trạng cụm cơng trình III – kè chữ T bãi tắm Thịnh Long 48 Hình 4.5 Hiện trạng cụm cơng trình IV – kè chữ T xã Nghĩa Phúc 48 Hình 4.6 Phương án cơng trình thực trang khu vực Thịnh Long - 51 Hình 4.7 Phương án bố trí TPS bảo vệ khu vực Thịnh Long - 51 Hình 4.8 Kết cấu tường ngầm bảo vệ khu vực Thịnh Long - 51 Hình 4.9 Kết kiểm định mơ hình biến động đường bờ 2006-2012 bãi Thịnh Long - 53 Hình 4.10 Kết tính biến động đường bờ với PA đề xuất - 53 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Kết thí nghiệm q trình truyền sóng qua TPS - 12 Bảng 2.2 Kết thí nghiệm q trình giảm sóng qua TPS 14 Bảng 2.3 Thống kê thí nghiệm giới 21 Bảng 3.1 Kết tính tốn Kt trường hợp thay đổi chiều dài L 29 Bảng 3.2 Thống kê phương trình quan hệ trường hợp thay đổi tham số liên quan tới hệ số giảm sóng TPS 35 MỞ ĐẦU Tường phá sóng loại cơng trình bảo vệ bờ ứng dụng phổ biến giới lĩnh vực bảo vệ chỉnh trị bờ biển.TPS thường đặt khu vực bờ biển bị xói nhằm hạn chế q trình xói lở thay vào hình thành Tombolo đằng sau TPS, tạo hình thái bãi Trên giới có nhiều nghiên cứu mơ hình tốn mơ hình vật lí cơng TPS với thơng số chất liệu tường khác nhau.Không thế, hiệu giảm sóng, tạo bãi bồi bảo vệ bờ TPS minh chứng qua nhiều cơng trình thực tế giới Việt Nam Tuy nhiên, để lựa chọn tham số TPS bao gồm bề rộng tường, chiều dài tường, số lượng tường, khe hở tường… giải pháp thi công tường hợp lí, phù hợp với vùng cần thiết phải có quy trình tính tốn thử nghiệm để phát huy tối đa cơng dụng tường Dựa sở tổng hợp kết nghiên cứu giới kết hợp với việc chạy thử nghiệm phương án mơ hình động lực mơ hình diễn biến hình thái luận văn xây dựng quy trình lựa chọn tham số TPS thích hợp cho khu vực cho phát huy tối đa tác dụng tường.Quy trình thử nghiệm áp dụng cho việc lựa chọn công trình khu vực bãi biển Nam Định Chương I: TỔNG QUAN VỀTƯỜNG PHÁ SÓNG 1.1 Khái quát chung phân loại TPS 1.1.1 Khái quát chung Tường phá sóng cơng trình xây dựng bờ biển với mục đích bảo vệ bờ bảo vệ bến cảng, neo đậu tàu thuyền.Các tượng sóng đổ, nhiễu xạ sóng, hấp thụ sóng xảy sóng truyền qua TPS tiến vào bờ, tượng tiêu hao lượng sóng từ làm giảm cường độ tác động sóng vùng ven bờ.Tùy với mục đích khác nhau, có lựa chọn tham số TPS tương ứng.Thông thường với khu vực xây tường với mục đích bảo vệ bãi chống xói mịn thường xây dựng tường với kích thước nhỏ, số lượng tường lớn trải dài song song theo bãi biển, ngược lại xây tường với mục đích bảo vệ cảng biển, nơi ẩn náu tàu bè, kích thước tường có quy mơ lớn hơn.Ở hình 1.1a 1.1b minh họa hai mục đích xây TPS khác Hình 1.1a Xây TPS với mục đích bảo vệ Hình 1.1b Xây TPS với mục đích bảo cảng biển vệ bờ biển bị xói Trong trường hợp có trường sóng tác dụng chủ yếu vng góc với bờ, gây chuyển động bùn cát theo phương vng góc với bờ cần bố trí tường giảm sóng, loại cơng trình song song với đường bờ, hình 1.2 thể Khi tường giảm sóng kết hợp với hệ thống mỏ hàn trở thành hệ thống cơng trình phối hợp ngăn cát giảm sóng 3.3 Đánh giá ảnh hưởng hệ số giảm sóng Kt tới biến động bãi sau TPS Ở chương II cho thấy, nghiên cứu MHVL chủ yếu xoay quanh cơng thức tính hệ số giảm sóng Kt Vậy hệ số giảm sóng ảnh hưởng đến q trình biến động bãi sau TPS nào? Mục làm rõ câu hỏi nêu rõ vai trò Kt ảnh hưởng hệ số tới diễn biến bãi sau TPS Từ lưới tính thiết lập sẵn trên, ta thay đổi hệ số K t mơ hình theo dõi thay đổi biến động sau TPS Kết cho thấy, ảnh hưởng K t rõ nét Khi Kt nhỏ mức độ bồi lắng sau cơng trình mạnh 100 90 70 60 50 40 30 20 10 0 cơngtrình Hình 3.21 Diễn biến bãi sau TPS sau năm ứng với giá trị Kt tường giảm sóng khác 1,921.2 bồisau 1,631.6 1,006.2 634.7 Diện tích bãi K/c tới Baseline(m) 80 Kt = 0.2 Kt = 0.4 Kt = 0.6 Hệ số truyền sóng (Kt) Kt = 0.7 Hình 3.22 Diện tích bãi bồi sau TPS sau thời gian tính tốn năm ứng với giá trị Kt khác 44 Rõ ràng, ảnh hưởng Kt tới hình thái bãi sau TPS lớn, K t tăng từ 0.2 lên 0.7 (3.5 lần) diện tích bãi bồi sau cơng trình giảm 3.02 lần Do vây, tính tốn diễn biến sau cơng trình bắt buộc phải tính tới hệ số giảm sóng Kt 3.4 Đánh giá sai số hai phương pháp mơ hình tốn mơ hình vật lí (cơng thức thực nghiệm) Ở phần trên, có đề cập tới hàng loạt công thức thực nghiệm tính tốn hệ số giảm sóng Ktcũng tham số liên quan đến diễn biến hình thái đường bờ sau TPS Ngoài ra, luận án đưa kết tính tốn mơ hình số trị Mục đánh giá so sánh kết tính tốn hai phương pháp Có thể nói sở kiểm chứng mức độ xác tính tốn 0.5 Kt (MHT) Kt (MHVL) giảmsóng (Kt) 0.4 Sai số 0.2 Hệ số 0.3 0.09 0.1 0.04 0.0 MN = 0.5 MN = 1.0 MN = 1.5 MN = 2.0 Nhận thấy có sai khác hai phương pháp tính tốn giá trị sai số lớn 0.13 nhỏ 0.03 tính tốn hệ số giảm sóng Kt (hình 3.23) Ngồi cơng thức thực nghiệm tính tốn hệ số giảm sóng kt cịn có cơng thức tính tốn đến diễn biến hình thái đường bờ sau TPS Từ kết tính tốn mơ hình tốn Genesis, ta tính tốn tham số Xoff so sánh kết thực nghiệm Kết tính tốn cho thấy, cơng thức Suh&Darymple cho kết tính gần với mơ hình Genesis cơng thức Ming Chew (hình 3.24) 45 ChươngIV: XÂY DỰNG QUY TRÌNH ỨNG DỤNG VÀ ÁP DỤNG ĐỐI VỚI KHU VỰC BỜ BIỂN NAM ĐỊNH 4.1 Quy trình áp dụng Cơ sở khoa học quy trình dựa tổng hợp nghiên cứu mơ hình vật lí, cơng thức thực nghiệm kết hợp với tính tốn kiểm nghiệm mơ hình tốn Để TPS phát huy tối đa hiệu giảm sóng bảo vệ bờ Trước ứng dụng loại cơng trình vào thực tế, ta cần có tính tốn mơ hình tốn cơng thức thực nghiệm Để tìm tham số tường tối ưu a- Những khu vực thích hợp đặt TPS chắn sóng đơn lẻ - Thường khu vực có hướng sóng chủ đạo vng góc với bờ - Dịng chảy dọc bờ nhỏ - Nếu khu vực không thỏa mãn điều kiện cần thiết phải bố trí hệ thống tường kết hợp thêm cơng trình khác kè chữ T, mỏ hàn b- Vị trí đặt tường (X) Vị trí đặt tường giảm sóng phụ thuộc vào mục đích việc khai thác, sử dụng vùng bãi cần bảo vệ.Nhìn chung tường đặt gần bờ kinh tế, hiệu kỹ thuật phải xét đến vấn đề sau: - Khi đặt tường giảm sóng xa bờ, sóng vỡ đợt đầu xảy vị trí tường, sau tường sóng phục hồi làm giảm hiệu cơng trình - Khoảng cách mép nước (lấy đường mép nước trung bình) tường giảm sóng lấy khoảng 1,0 1,5 chiều dài sóng nước sâu c- Chiều dài tường giảm sóng (Ls) Chiều dài tường giảm sóng xác định theo quan hệ với chiều dài sóng nước sâu khoảng cách vị trí đặt tường với đường mép nước sau: Tổng hợp hai trường hợp tạo bãi Tomblo ứng với hai thí nghiệm tường ngập nước không ngập nước xác định khoảng Ls sau: 0.5X≤Ls≤2.0X 46 Trong quan hệ với chiều dài sóng nước sâu chiều dài tương Ls xác định theo điều kiện: 1.8Lo ≤Ls≤ 3.0Lo d- Cao trình đỉnh tường (d,Rc) - Đỉnh tường giảm sóng xác định theo yêu cầu giảm sóng Để phát huy hiệu tường cần lấy giá trị đỉnh tường cho chiều cao tường d ≥ 0.7h– h độ sâu nước cơng trình (Tính theo MNTB) e- Chiều rộng (B) - Dựa kết thí nghiệm, giá trị bề rộng đỉnh tường cần phải thỏa mãn điều kiện B/h≥1 Còn tùy thuộc vào điều kiện địa chất cơng trình, kinh phi thi công ta xác định giới hạn cho giá trị B để phù hợp với thực tế e- Khoảng cách tường(G) G xác định theo điều kiện L ≤ G ≤ 0.8 Ls L chiều dài sóng đỉnh cơng trình xác định theo công thức L = T gh 4.2 Áp dụng cho khu vực ven biển Nam Định 4.2.1 Đánh giá trạng cơng trình ven biển Nam Định Hình 4.1 Hiện trạng cụm cơng trình bảo vệ bờ Nam Định 47 Hình 4.2 Hiện trạng cơng trình cụm I – 13 kè chữ T quanh cống Thanh Niên Hình 4.3 Hiện trạng cụm cơng trình II – kè chữ T xã Hải Chính Hình 4.4 Hiện trạng cụm cơng trình III Hình 4.5 Hiện trạng cụm cơng trình – kè chữ T bãi tắm Thịnh Long IV – kè chữ T xã Nghĩa Phúc Qua phân tích đánh giá trạng cơng trình ngăn cát giảm sóng bảo vệ bờ biển Nam Định ta nhận xét, loại cơng trình tương đối hồn thiện chắn Tồn hệ thống cơng trình kè chữ T có cánh dài từ 60-100m, khoảng cách thân chữ T từ 60 – 140m Hầu hết khu vực xung yếu có cơng trình bảo vệ việc lựa chọn phương án đặt thêm cơng trình cho khu vực chưa thực cần thiết Tuy nhiên, với tài liệu liệu thu thập luận án có phân tích hiệu cơng trình đưa số chỉnh biên nhằm tăng hiệu cơng trình đồng thời 48 giảm vốn đầu tư Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu, đánh giá so sánh hiệu cơng trình cho cụm cơng trình số 3, khu vực bãi tắm Thịnh Long Ưu điểm cụm cơng trình xây dựng: + Dòng chảy ven bờ khu vực bờ biển Nam Định lớn khoảng từ 70 – 120cm/s, việc lựa chọn loại hình cơng trình kè chữ T để bảo vệ bờ hợp lí + Qua ảnh vệ tinh chụp hình bên cho thấy hiệu gây bồi sau cơng trình + Việc sử dụng tồn loại hình cơng trình kè chữ T lãng phí, kinh phí cho việc xây dựng kè chữ T lớn so với việc xây dựng TPS Cần có bố trí mặt xen kẽ để đảm bảo hai mặt kinh tế tính bảo vệ bờ + Các thông số cánh kè chữ T thân kè chữ T chưa thực hợp lí để phát huy tối đa cơng cơng trình Với chiều dài cánh kè chữ T dao động từ 60 – 100m tương đối nhỏ so với điều kiện động lực 4.2.2 Đề xuất phương án sử dụng TPS cho khu vực Thịnh Long, Nam Định a) Cơ sở tính tốn tham số TPS - Khoảng cách tường đường bờ (X) Từ giá trị đo đạc thực tế cho thấy, chiều cao sóng chiếm tỉ lệ lớn rơi vào khoảng từ 0.7m ÷ 1.5 m Do chiều cao sóng trung bình năm H s ước tính sau: Hs = (1.5 + 0.7)/2 = 1.1 m tương ứng Ts = 7.8 s Chiều dài sóng vùng nước sâu Ls liên quan đến Hs: Lo g T52 1.56 7.82 90 m TPSthường đặt vị trí X = (1÷1.5)Lo ta đặt tường cách bờ đoạn X = 120m - Chiều dài đê ngầm (Ls) 49 Chiều dài đê ngầm chắn sóng Ls ước định theo tương quan với chiều dài sóng nước sâu: L o L s 1.8 3.0 L o 90 = 162