Hiệu quả giảm sóng của các sơ đồ bố trí Reef Ball trên thềm đảo nổi xa bờ

Bài viết nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của các sơ đồ bố trí khối Reef Ball đặt trên thềm đảo nổi xa bờ ở Biển Đông. Trong bể sóng, thí nghiệm mô hình vật lý được thực hiện với ba phương án bố trí không gian gồm: PA1 - ba đoạn đê trên cùng một tuyến song song với bờ đảo, PA2 - như PA1 và thêm hai đoạn đê so le phía trong, PA3 - như PA2 và thêm hai đoạn đê vuông góc với bờ đảo ở đầu và cuối tuyến.

BÀI BÁO KHOA HỌC HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA CÁC SƠ ĐỒ BỐ TRÍ REEF BALL TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ Phạm Thị Thúy1, Lê Hải Trung1, Nguyễn Mạnh Linh2 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu hiệu giảm sóng sơ đồ bố trí khối Reef Ball đặt thềm đảo xa bờ Biển Đông Trong bể sóng, thí nghiệm mơ hình vật lý thực với ba phương án bố trí khơng gian gồm: PA1 - ba đoạn đê tuyến song song với bờ đảo, PA2 - PA1 thêm hai đoạn đê so le phía trong, PA3 - PA2 thêm hai đoạn đê vng góc với bờ đảo đầu cuối tuyến Đo đạc làm rõ tác dụng giảm sóng đáng kể khối RB Xét tổng qt sơ đồ PA3 có tác dụng giảm sóng tốt phạm vi bố trí Từ khóa: giảm sóng, đảo nổi, bố trí khơng gian, Reef Ball MỞ ĐẦU * Biển Đông Việt Nam có quần đảo, bao gồm nhiều đảo đảo chìm Đặc biệt, đảo đảo ln có phận mực nước biển, kể thủy triều lên cao Phần mặt nước lõi đảo với diện tích khơng lớn (khoảng vài hecta), xung quanh thềm san hô với diện tích thường rộng nhiều lần (từ vài chục đến vài trăm lần diện tích lõi đảo) Phía ngồi thềm san hô vách san hô dốc đứng, ăn xuống biển Một số đảo có bãi cát bồi tụ tự nhiên xung quanh với diện tích khơng nhỏ so với mặt đảo Hoàn cảnh “tấc đất nghìn tấc vàng” đặt yêu cầu cấp bách giải pháp thúc đẩy trình bồi tụ, giữ lại tối đa lượng cát phát sinh vị trí phù hợp, bước bồi đắp mở rộng diện tích đảo Nhiều dự án tiến hành Mỹ, Úc, Indonesia gợi mở khả áp dụng khối Reef Ball (RB) giải pháp bảo vệ, tôn tạo mở rộng bãi đảo xa bờ Biển Đông Một số nghiên cứu gần thực bước làm rõ yêu cầu mặt kỹ thuật thiết kế, thi công khối RB thềm đảo Ba nội dung chủ yếu gồm điều kiện biên hải văn, thiết kế kết cấu đánh giá hiệu giảm sóng qua khối RB Đặc trưng sóng, dịng chảy đảo xa bờ Khoa Cơng trình - Trường Đại học Thủy lợi Phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sông biển - Viện KHTL Biển Đông đo đạc khảo sát hai mùa gió (Nguyễn Quang Chiến & Lê Hải Trung, 2016) Tiếp đó, hai tác giả xác định điều kiện thủy động lực phục vụ bố trí khơng gian bãi đảo giải pháp chỉnh trị tôn tạo đảo (Nguyễn Quang Chiến & Lê Hải Trung, 2019) Nghiên cứu trình vận chuyển trầm tích theo hai mùa gió thịnh hành mơ hình tốn ngun nhân chế bồi xói trầm tích khu vực đảo nghiên cứu (Phạm Thị Thúy & nnk, 2018) Một số sơ đồ xếp khối RB có dạng mỏ hàn, đê chắn sóng đê qy tạo dạng vịnh kín gắn với bờ đảo nghiên cứu đề xuất (Lê Hải Trung, 2017), giải pháp thiết kế nhằm giảm lượng sóng, dịng chảy tác động vào q trình vận chuyển trầm tích quanh đảo, giúp tăng khả bồi tụ vùng lặng sóng Khối RB tính tốn mặt kết cấu nhằm đảm bảo yêu cầu làm việc ổn định điều kiện hải văn đảo (Bùi Thị Kim Khánh & nnk, 2017) Tiếp đó, hiệu giảm sóng qua khối RB mô đánh giá thông qua mô hình tốn (Bùi Thị Kim Khánh & nnk, 2018); Trong máng sóng, thí nghiệm thực nhằm xác định ảnh hưởng vị trí tới hiệu giảm sóng cụm RB thềm đảo (Phạm Thị Thúy & nnk, 2018) Kết cho thấy công trình giảm sóng hiệu tuyến bố trí cách bờ đảo 100m Những công bố tập trung xác định đặc trưng hải văn, thiết kế kết cấu khối RB, vị KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 55 trí làm việc hiệu cụm RB theo phương truyền sóng… Để tiếp nối, báo nhằm nghiên cứu xem xét cách tổng thể ảnh hưởng bố trí khơng gian khối RB tới trường sóng, đặc biệt tác dụng giảm sóng thềm đảo Một loạt thí nghiệm mơ hình vật lý tỷ lệ nhỏ tiến hành bể sóng Ba phương án bố trí khơng gian khối RB thềm đảo gồm PA1ba đoạn đê tuyến song song với bờ đảo, PA2- PA1 thêm hai đoạn đê so le phía trong, PA3- PA2 thêm hai đoạn đê vng góc với bờ đảo đầu cuối tuyến Với mục đích làm sở tin cậy cho việc lựa chọn giải pháp tối ưu để tơn tạo chống xói lở đảo nổi, phù hợp với điều kiện thi công, điều kiện tác chiến, phịng thủ đảo việc xem xét, đánh giá hiệu giảm sóng điểm khác không gian đánh giá hiệu giảm sóng tổng hợp phương án bố trí RB quan trọng cần thiết THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH TRONG BỂ SĨNG 2.1 Bể sóng thí nghiệm tỉ lệ mơ hình Bể sóng thí nghiệm Thí nghiệm thực bể sóng Phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Động lực học sông biển, Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam Bể có kích thước tổng thể L x B x H = 40m x 25m x 1m Chuyển động tạo sóng có dạng tịnh tiến sử dụng piston điện DHI - Đan Mạch thiết kế, điều khiển chương trình Wave Synthesizer Sóng tạo sóng hay sóng ngẫu nhiên theo dạng phổ Jonwap, Moskowitz Chiều sâu nước tối đa trước máy tạo sóng 0,7 m với chiều cao sóng lớn Hmax = 0,4m chu kỳ Tp = 0,5 ÷5,0 s Lựa chọn tỷ lệ mơ hình vật lý Theo nghiên cứu trước đây, mô thềm san hô với chiều dài bãi 500 - 700 m phần nước sâu (ngồi thềm san hơ) tỷ lệ chiều dài không lớn 1/75 Tương ứng với tỷ lệ chiều cao cơng trình chiều cao sóng thềm san hơ nhỏ 2cm, chịu ảnh hưởng lớn sức căng mặt nước Bài báo lựa chọn tỷ lệ 1/20, chiều cao cơng trình chiều cao sóng mơ hình đảm bảo > cm Tuy nhiên, với tỷ lệ này, thềm san hô mô giới hạn khoảng 200 m tính từ bờ đảo Do vậy, số liệu sóng đầu vào kiểm định cách bờ đảo 200 m thềm san hơ, tương ứng với 10 m bể sóng Bảng liệt kê tỷ lệ khác dẫn suất từ tỷ lệ chiều dài 1/20 Bảng Các tỷ lệ sử dụng mơ hình vật lý bể sóng Tỷ lệ mơ hình Tỷ lệ chiều dài Tỷ lệ thời gian Tỷ lệ khối lượng Tỷ lệ độ nhám Công thức l l  n   l lm T  T  n  l / Hm m m  n  W   l  mm n n  n  l / nm 2.2 Chỉ tiêu thiết kế Reef ball Trong thập kỉ gần đây, nhiều giải pháp nghiên cứu liên tục phát triển nhằm bảo vệ bờ biển, bờ đảo, đặc biệt khu vực có rạn san hơ tự nhiên Khối RB giải pháp sáng tạo kết hợp đê ngầm giảm sóng rạn san hơ tự nhiên Khi xếp thành cụm, khối 56 Ngun hình Mơ hình 500 m 25m 6,6 s 1,476 s 2200 kg 0,275 kg 0,016 0,00971 RB làm việc cơng trình giảm sóng, đồng thời góp phần bảo vệ, tái tạo hệ sinh thái biển (Reefball.org.com) Đối với đặc điểm đảo xa bờ, khối RB áp dụng để xếp sơ đồ đê chắn sóng, mỏ hàn nhằm bảo vệ tơn tạo bờ đảo (Lê Hải Trung, 2017) Thực tế xây dựng đảo xa bờ cho KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) thấy kè bảo vệ bờ đảo thiết kế với tần suất P = 1% (Nguyễn Tương Lai, 2012); tương ứng với cơng trình cấp II theo TCVN 9901: 2014 Tuy nhiên, giải pháp tôn tạo mở rộng bãi đảo coi phụ trợ cho cơng trình kè Do vậy, chúng tơi sơ lựa chọn cấp IV với tần suất thiết kế P = 3,33% Từ đặc trưng sóng nước sâu Hs=12,66 m Tp = 13,8 s, sóng tính tốn lan truyền cho H s = 1,4 m Tp = 6,6 s chân cơng trình thềm đảo (Đề tài độc lập cấp Quốc gia 19/15, 2015) Theo đó, kích thước khối RB tính tốn gồm chiều cao Hr=1,52 m, bán kính đáy Br=1 m, bán kính đỉnh b=0,5 m, độ rỗng  = 32%, độ dày dr = 0,12 m, trọng lượng G = 200kg, độ nhám  CKn = 0,016 (Bùi Thị Kim Khánh & nnk) Với tỷ lệ 1/20, khối RB thu nhỏ kích thước Bảng Bảng Đặc trưng thiết kế khối RB ngun hình mơ hình 2.3 Sơ đồ bố trí khơng gian khối RB Đối với điều kiện thềm đảo nổi, khối RB đặt trực tiếp cát san hơ xếp thành hay nhiều hàng song song với Trung đề xuất hai sơ đồ bố trí khơng gian gồm: i/ ba đê song song với bờ ii/ tuyến đê quây tạo dạng vịnh kín gắn với bờ đảo (Lê Hải Trung, 2017) Bài báo giữ nguyên PA1 - hệ thống ba đê song song với bờ; đề xuất thêm PA2 tương tự PA1 thêm hai đoạn đê song song gần bờ hơn; PA3 tương tự PA2 có hai đoạn đê vng góc với bờ hai phía (Hình 1) Tham số Hr (m) Br (m) br (m) G (kg) Ngun hình 1,52 0,5 2200 Mơ hình 0,076 0,05 0,025 0,275 Độ nhám 0,016 0,00971 PA1 - hệ thống 03 đê song song với bờ PA2 – đê đê (so le) song song với bờ PA3 - tuyến chữ C + hai đê song song với bờ Hình Ba sơ đồ bố trí khơng gian khối RB thềm đảo KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 57 Theo phương song song với bờ, chiều dài đoạn đê Ls, khoảng cách hai đê liên tiếp Lg Khoảng cách từ bờ đảo tới hai tuyến cơng trình X1 X2 Ba sơ đồ nêu mơ hình hóa thí nghiệm bể sóng 2.4 Thiết bị đo đạc Thiết bị đo sóng DHI Wave Amplifier 102E gồm đầu đo Wave Gauge 202, khuếch đại 102E, cáp nối nối đầu đo với module thu thập số liệu nguồn cấp Tổng cộng đầu đo P1 đến P8 sử dụng nhằm xác định chiều cao sóng trước sau tuyến cơng trình (Hình 2) Trong đó, P1 đo sóng tới vị trí cách bờ X = 10 m; P2, P3 P4 dùng tách sóng phản xạ trước cơng trình (X = 6,6 m); P5 P7 đo sóng phía sau tuyến cơng trình thứ (X = 4,15 m); P6 P8 đo sóng gần bờ (X = 2,15 m) Hình Sơ đồ bố trí thiết bị đo sóng 2.5 Kịch thí nghiệm Các đặc trưng sóng thí nghiệm lựa chọn với tần suất P = 50% nhằm đánh giá làm việc sơ đồ điều kiện thời tiết bình thường Bảng tổng hợp đặc trưng sóng ngun hình mơ hình ứng với mực nước P = 50% +1,15 m Với cao độ đáy bãi khoảng 0m (Đề tài độc lập cấp Quốc gia 19/15, 2015) chiều sâu nước thềm đạt 1,15m Bảng Đặc trưng sóng thí nghiệm Tham số Chiều sâu nước thềm Chiều cao sóng Hs (m) Chu kì sóngTp Ngun hình 1,15 m 0,55 m 6,6s Mỗi sơ đồ thí nghiệm với 03 giá trị tỉ số khoảng hở cơng trình Lg/Ls = 0,33; 0,43; 0,53 Tuy nhiên, phạm vi báo trình bày phân tích kết đo đạc với giá trị Lg/Ls=0,43 2.6 Chỉ tiêu đánh giá Để đánh giá hiệu giảm sóng sơ đồ bố trí khối RB, hai tiêu thường sử dụng gồm hệ số truyền sóng K t hệ số giảm sóng Hệ số K t tỷ số chiều cao sóng phía sau cơng trình với chiều cao sóng đến trước cơng trình K t  H s ,i / H t , i Hệ số  dẫn xuất tỷ số nêu   1  K t .100% Trong đó, H s , i H t , i chiều cao sóng sau trước cơng trình Hiệu giảm sóng tỉ lệ thuận với  tỉ lệ nghịch với K t KẾT QUẢ & THẢO LUẬN 3.1 Hệ số Kt theo phương truyền sóng Hiệu giảm sóng theo phương truyền sóng 58 Mơ hình 5,75 cm 2,75 cm 1,48 s đánh giá cách thể hệ số K t theo tỷ số khoảng cách đến bờ bước sóng tính cho vùng X / L (L bước sóng nước nơng L= T gh =1,1m mơ hình) đồ thị Hình Trong đó, K t tính tỷ số chiều cao sóng điểm đo P5, P6, P7, P8 so với chiều cao sóng cụm P2,3,4 (trước cơng trình) K t  P1 tử số mẫu số lấy chiều cao sóng Hiệu giảm sóng cơng trình lớp thứ P5 (trục A) lớn nhiều (46%-54%) so với hiệu xét P7 (trục B) ba phương án hai vị trí có khoảng cách tới bờ Với lớp thứ cặp vị trí P6 (trục A) P8 (trục B) hiệu giảm sóng có khác biệt Ở PA1, hiệu giảm sóng P6 lớn P8 Trong hai phương án cịn lại PA2 PA3, hiệu giảm sóng P6 nhỏ P8 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Chiều cao sóng giảm theo phương truyền sóng tất đầu đo PA3 3.2 Hiệu giảm sóng tổng hợp Phần trước phân tích hiệu giảm sóng phương án bố trí khơng gian khối RB thềm đảo Hình biểu diễn hệ số K t Hình Hệ số truyền sóng K t theo hai trục A B ba phương án Tại vị trí phía sau cụm RB (P5 ba phương án; P6 PA1; P8 PA2 PA3) hiệu giảm sóng cao (từ 34,852)% vị trí đặt khoảng hở không khối RB che chắn (P7 PA1; P8 PA1 P6 PA2 PA3) Trong PA1 PA2, chiều cao sóng P6 không giảm mà lại tăng so với P5 Ở PA3, chiều cao sóng giảm liên tục theo hướng truyền sóng Với PA1 PA3, sóng qua cơng trình giảm nhẹ đến vị trí P7, sau giảm mạnh đến vị trí P8 Lưu ý, PA3 có mức độ giảm mạnh PA1 Ngược lại với PA2, sóng qua cơng trình khơng giảm chiều cao mà cịn tăng nhẹ vị trí P7, sau giảm mạnh đển vị trí P8 Tóm lại, hiệu giảm sóng cơng trình làm từ khối RB tốt: Lớp thứ hiệu giảm sóng từ 46-54%, số nhiên lớp thứ hiệu ba phương án biểu đồ nhằm đánh giá cách tổng hợp hiệu giảm sóng chúng Xem xét hai trục A B cho thấy hiệu giảm sóng phía sau cơng trình PA3 cao nhất, tiếp đến PA2 PA1 Cụ thể, hiệu giảm sóng trục A PA3 lớn PA1 từ 13,5 tới 22,8%; lớn PA2 từ 2,5 tới 11% Hơn thế, PA2 với hai lớp cơng trình giảm sóng hiệu PA1 có lớp cơng trình từ 4% tới 10% Điều cho thấy số lớp cơng trình tăng hiệu giảm sóng tăng lên Bên cạnh hệ số K t , biến đổi hệ số giảm sóng  theo khoảng cách từ bờ đánh giá Lớp cơng trình giảm chiều cao sóng hiệu nhất, đặc biệt vị trí phía sau khối RB,  = 46 ~ 54% Các lớp chiều cao sóng giảm chí khơng giảm, kể vị trí sau khối RB,  giảm tối đa 20,5% so với lớp trước Bên cạnh đó, Hình cho thấy hiệu giảm sóng tương đối ổn định dọc theo trục A ba phương án với  = 42 ~ 51% Ngược lại, kết phân tán mạnh dọc trục B với  biến thiên mạnh từ ~ 63% Đây ảnh hưởng vị trí đặt RB số lớp RB sơ đồ tới hiệu giảm sóng Những ảnh hưởng cần tiếp tục nghiên cứu làm sáng tỏ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 59 Hình Biến đổi hệ số truyền sóng theo khoảng cách từ bờ K t ~ X / L ba phương án Hình Biến đổi hệ số giảm sóng theo khoảng cách từ bờ KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết thí nghiệm mơ hình vật lý bể sóng hiệu giảm sóng ba sơ đồ bố trí khối RB thềm đảo xa bờ Phân tích kết đo đạc cho thấy vị trí phía sau khối RB có chiều cao sóng nhỏ đáng kể so với vị trí phía sau khoảng hở, khơng cơng trình che chắn Dọc theo hướng truyền ~X /L ba phương án sóng, lớp cơng trình giảm sóng hiệu nhất, tới lớp Một cách tổng quát, phương án PA3 gồm tuyến đê dạng chữ C hai đê song song với bờ giảm sóng hiệu so với PA1 PA2 Những kết hữu ích tin cậy phục vụ cơng tác thiết kế giải pháp giảm sóng, tụ cát nhằm bảo vệ tôn tạo đảo xa bờ Biển Đông Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quang Chiến, Lê Hải Trung (2016) “Đo đạc đặc trưng sóng, dịng chảy QĐTS’; Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên năm 2016, ĐHTL Nguyễn Quang Chiến, Lê Hải Trung (2019), “Xác định điều kiện biên cho bố trí khơng gian giải pháp tơn tạo đảo thuộc” Hội nghị khoa học thường niên năm 2019, ĐHTL Bùi Thị Kim Khánh, Nguyễn Thái Hoàng, Lê Hải Trung, Đỗ Văn An (2017); “Nghiên cứu tính tốn cấu kiện cho giải pháp tôn tạo mở rộng bãi đảo thuộc QĐTS”, Hội nghị KHTL toàn quốc 2017 Bùi Thị Kim Khánh, Lê Hải Trung, Nguyễn Quang Chiến (2018); “Áp dụng mơ hình sóng SWASH để tính giảm sóng truyền qua khối rỗng phục vụ tôn tạo bờ đảo” Tuyển tập HN KHTN trường Đại học Thủy lợi ISBN 978-604-82-2548-3 60 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) Nguyễn Tương Lai (2012) “Nghiên cứu tôn tạo mở rộng đảo thềm san hơ biển đơng Hội nghị học tồn quốc lần thứ IX” ISBN: 978-604-911-437-3 TCVN 9901: 2014 - Yêu cầu kĩ thuật - Thiết kế đê biển Phạm Thị Thuý, Trần Ngọc Sơn, Lê Văn Công, Nguyễn Thanh Trang (2018), “Nghiên cứu q trình vận chuyển trầm tích đảo thuộc QĐTS phục vụ việc chống xói lở tơn tạo đảo”; Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2018 Phạm Thị Thuý, Trần Ngọc Sơn, Lê Hải Trung, Nguyễn Mạnh Linh (2018); “Nghiên cứu ảnh hưởng vị trí đặt tới hiệu giảm sóng cơng trình đảo QĐTS”; Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2018 Lê Hải Trung, (2017) “Nghiên cứu đề xuất giải pháp tôn tạo mở rộng bãi đảo thuộc QĐTS” Tạp chí KHKT Thuỷ lợi mơi trường số 58 tháng 9/2017 Viện Kỹ thuật Công binh (2015); Đề tài độc lập cấp Quốc gia ĐTĐLCN.19/15 “Nghiên cứu giải pháp tôn tạo chống xói lở đảo thuộc quần đảo Trường Sa” Reefball.org.com Abstract: REDUCTION OF WAVE BY FIELDS OF REEF BALLS ON A FRINGING REEF The paper investigates how effectively Reef Balls reduce wave on a fringing reef Experiments on physical models were conducted with three field layouts of the Reef Balls including PA1 - three segments (like breakwaters) paralell to the coast, PA2 - similar to PA1 with additional segments placed behind the first three ones, PA3 - similar to PA2 with two segments normal to the coast (like groynes) Measurements reveal that Reef Balls significantly reduce wave height In general, layout PA3 shows the most rapid decay of wave over its configuration Keywords: wave reduction, fringing reef, configuration layout, Reef Ball Ngày nhận bài: 09/4/2020 Ngày chấp nhận đăng: 08/6/2020 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 69 (6/2020) 61 ... khoảng cách từ bờ K t ~ X / L ba phương án Hình Biến đổi hệ số giảm sóng theo khoảng cách từ bờ KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết thí nghiệm mơ hình vật lý bể sóng hiệu giảm sóng ba sơ đồ bố trí khối... (6/2020) Chiều cao sóng giảm theo phương truyền sóng tất đầu đo PA3 3.2 Hiệu giảm sóng tổng hợp Phần trước phân tích hiệu giảm sóng phương án bố trí khơng gian khối RB thềm đảo Hình biểu diễn... thái biển (Reefball.org.com) Đối với đặc điểm đảo xa bờ, khối RB áp dụng để xếp sơ đồ đê chắn sóng, mỏ hàn nhằm bảo vệ tơn tạo bờ đảo (Lê Hải Trung, 2017) Thực tế xây dựng đảo xa bờ cho KHOA