Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu đặc tính phản xạ sóng của kết cấu tiêu sóng đỉnh bằng mô hình vật lý. Kết quả cho thấy hệ số phản xạ sóng Kr giảm khi độ sâu nước tăng lên và tỷ lệ diện tích lỗ rỗng trên bề mặt cấu kiện tăng lên. Với độ rỗng bề mặt cấu kiện là 10%, hệ số phản xạ sóng lớn nhất là 0,63 trong khi hệ số phản xạ nhỏ nhất đạt được là 0,37 khi độ rỗng bề mặt cấu kiện là 20% với tất cả các kịch bản thông số sóng được thí nghiệm.
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHẢN XẠ CỦA KẾT CẤU TIÊU SÓNG ĐẶT TẠI ĐỈNH ĐÊ BIỂN TRÊN MƠ HÌNH VẬT LÝ Phan Đình Tuấn Viện khoa học thủy lợi Việt Nam Tóm tắt: Cấu kiện tiêu sóng đỉnh hình trụ rỗng đặt đỉnh đê đề xuất nghiên cứu ứng dụng cho mặt cắt đê biển vùng khan đất đắp đê đê trên đất yếu khu vực Đồng sơng Cửu Long Kết cấu có dạng ¼ hình trịn, rỗng, trọng lượng nhẹ, bề mặt có đục lỗ để hấp thụ lượng sóng đến, giảm lượng sóng phản xạ sóng tràn Bài báo trình bày kết nghiên cứu đặc tính phản xạ sóng kết cấu tiêu sóng đỉnh mơ hình vật lý Kết cho thấy hệ số phản xạ sóng Kr giảm độ sâu nước tăng lên tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện tăng lên Với độ rỗng bề mặt cấu kiện 10%, hệ số phản xạ sóng lớn 0,63 hệ số phản xạ nhỏ đạt 0,37 độ rỗng bề mặt cấu kiện 20% với tất kịch thơng số sóng thí nghiệm Từ khóa: Cấu kiện tiêu sóng đỉnh, hiệu giảm sóng, hệ số phản xạ Summary: The Hollow Cylindrical Breakwater,which is located on the top of the sea dike, is a new structure proposed to apply to sea dykes in areas where soil is scarce or to be built on soft ground in Mekong Delta The structure is in quater-circular shape, with perforated surface to absorb incoming wave energy, reduce reflected wave energy and overtopping wave energy This paper presents some results of wave reflection characteristics of this structure on the physical model The results show that the wave reflection coefficient (Kr) decreases as the water depth increases and the pore area on the surface of the structure increases In case of 10% perforated surface, Kr max = 0.63 while Kr = 0.37 with surface porosity is 20% in all experimental scenarios Keywords: Hollow Cylindrical Crest Breakwater, Wave Reduction Efficiency, Reflection Coefficient ĐẶT VẤN ĐỀ * Đồng sông Cửu Long xác định vùng chịu ảnh hưởng lớn biến đổi khí hậu tồn cầu, tình trạng sạt lở bờ biển, rừng phịng hộ xảy ngày nghiêm trọng Các cơng trình bảo vệ đê biển xây dựng thường có dạng mái nghiêng mái nghiêng kết hợp tường đỉnh để giảm sóng tràn Tuy nhiên, kết cấu tường đỉnh cao tạo sóng phản xạ lớn, lực tác động vào tường phần mái nghiêng lớn Trước thực tế đó, tác giả nhóm nghiên cứu Viện Thủy cơng đề xuất mặt cắt đê Ngày nhận bài: 01/3/2021 Ngày thơng qua phản biện: 30/3/2021 biển có kết cấu hình trụ rỗng đỉnh với mục tiêu thay tường đỉnh đê có hệ số phản xạ sóng lớn kết cấu có chức hấp thụ lượng sóng giảm sóng phản xạ, giảm chiều cao đắp đê Đây ý tưởng đề xuất quan trọng điều kiện khan đất đắp đê, đất yếu khu vực đồng sông Cửu Long Cấu kiện tiêu sóng đỉnh có dạng ¼ hình trịn dạng rỗng, bề mặt có đục lỗ rỗng để hấp thụ tiêu hao lượng sóng Các cấu kiện chế tạo thành đơn nguyên lắp ghép với Ngày duyệt đăng: 06/4/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ thành cơng trình dạng tuyến nằm đỉnh đê cấu kiện…Bằng kết đo đạc thí nghiệm phân tích mơ hình vật lý, báo làm rõ ảnh hưởng yếu tố nói đến đặc tính phản xạ sóng cấu kiện tiêu sóng đề xuất Hệ số phản xạ sóng cấu kiện tiêu sóng đỉnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chiều cao sóng, độ sâu nước, độ cao lưu khơng đỉnh Hình 1: Mặt cắt đê biển có cấu kiện hì trụ rỗng đỉnh THÍ NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH VẬT LÝ 2.1 Kết cấu cấu kiện tiêu sóng đỉnh nghiên cứu c¾t ngang 15 47 29 35 chÝnh diÖn 29 33 29 255 35 R2 255 35 29 205 33 22 22 26 23 40 10 R22 50 60 10 60 10 250 50 30 10 60 60 180 29 16 Hình 2: Kết b»ng cấu cấu kiện tiêu sóng đỉnh nghiên cứu mỈt 32 180 29 32 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 30 KHOA HỌC Kết cấu cấu kiện tiêu sóng đỉnh có dạng ¼ hình trịn có đục lỗ rỗng bề mặt với tỷ lệ khác để đánh giá đặc tính phản xạ sóng tương tác với cơng trỉnh Bán kính ngồi cấu kiện thí nghiệm R=0,235m, đường kính lỗ rỗng mặt cong cấu kiện thay đổi từ 0,025m đến 0,029m, độ dày tường cấu kiện thí nghiệm 0,015m Chiều cao đơn ngun cấu kiện mơ hình thí nghiệm 0,255m, bề rộng cấu kiện 0,25m, đơn nguyên dài 0,18m 2.2 Sơ đồ kịch thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành máng sóng Phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Động lực học sông biển – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Máng sóng sử dụng cho thí nghiệm CƠNG NGHỆ máng sóng Flander có chiều dài làm việc hiệu 30m, chiều cao 1,8m, chiều rộng 2m Máy tạo sóng tạo sóng đều, sóng ngẫu nhiên theo dạng phổ Jonwap, Jonwap Par, Moskowitz, Moskowitz Par Sin Chiều cao sóng lớn tạo máng Hmax=0.4m chu kỳ từ Tp=0.5s ÷5.0s Việc nghiên cứu hiệu làm việc cơng trình mơ mơ hình vật lý thái tương tự theo tiêu chuẩn Froude Trên sở phạm vi khơng gian mơ hình, khả tạo sóng hệ thống máy tạo sóng, để đáp ứng mục tiêu nội dung nghiên cứu, tỷ lệ mơ hình chọn 1/10 Mặt ngang máng Mặt máng Hình 3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm đầu đo W2,W3, W4 bố trí để xác định sóng phản xạ tuân thủ theo lý thuyết Mansard Funke (1980), đầu đo W4 đo sóng phía sau đê Các yêu cầu khoảng cách đầu đo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ sau phải thực để loại bỏ giá trị bất thường phép đo X23 = L/10; Với L: Chiều dài sóng nước sâu; L/6 < X24 < L/3 X24 ≠ L/5 X24 ≠ 3L/10 X23 ≠ n.Lp/2, với n=1,2…; X24 ≠ X23, với n=1,2…; Sóng ngẫu nhiên có phổ JONSWAP dạng chuẩn (tạo máy tạo sóng) dùng cho thí nghiệm có chiều cao biến đổi từ Hs= 0,1m đến 0,15m chu kỳ đỉnh phổ Tp= 1,3s-:-2,1s, độ sâu nước d trước cấu kiện biến đổi với cấp độ 0,15 m; 0,20m; 0,25 0,3m Thời gian thí nghiệm lấy 1000.Tp (1000 sóng) để đảm bảo dải tần số (chu kỳ) phổ sóng yêu cầu tạo cách hoàn chỉnh Bảng 1: Các thơng số thí nghiệm Mặt cắt thí nghiệm Kết cấu hình trụ rỗng đỉnh Các thơng số sóng Hm0 (m) T (s) 0.10 1,3 0.125 1,7 0.15 2,1 Độ cao Chiều cao lưu không kết cấu hw Rc (m) (cm) 0.10 0.15 0.20 Ảnh hưởng độ sâu nước đến hệ số phản xạ sóng Khi độ sâu nước tăng lên, hệ số phản xạ sóng có xu hướng giảm xuống tất trường hợp chiều cao sóng thí nghiệm Trường hợp độ rỗng bề mặt 10%, hệ số phản xạ Kr giảm từ 0,656 đến 0,515 độ sâu nước thay đổi từ 0,15m đến 0,30m Hệ số Kr lớn (Kr=0,656) d/gT2 = 0,0028 nhỏ d/gT2 = 0,0218 (Kr=0,515) Mái dốc đê phía biển Độ dốc bãi 1/3 1/250 10 25,5 15 20 0.25 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Phân tích đánh giá kết Hệ số rỗng (%) Điều giải thích sau: Ở độ sâu nước thấp, tương tác sóng với cơng trình chủ yếu diễn mạnh phần mái đê, lượng sóng đến chủ yếu bị suy giảm phần so sóng vỡ mái, phần lượng cịn lại gây sóng phản xạ lớn nên hệ số phản xạ lớn Khi độ sâu nước lớn, sóng đến ngồi tương tác mái đê hấp thụ kết cấu tiêu sóng đỉnh thơng qua lỗ rỗng bề mặt, lượng gây sóng phản xạ nhỏ Trường hợp độ rỗng bề mặt 15%, hệ số phản xạ Kr giảm từ 0,638 đến 0,414 độ sâu nước thay đổi từ 0,15m đến 0,30m Hệ số Kr lớn (Kr=0,638) d/gT2 = 0,0028 nhỏ d/gT2 =0,0168 (Kr=0,414) Xu hướng tương tự, với độ rỗng bề mặt 20%, hệ số phản xạ Kr giảm từ 0,635 đến 0,371 độ sâu nước thay đổi từ 0,15m đến 0,30m Hệ số Kr lớn (Kr=0,635) d/gT2 = 0,0059 nhỏ d/gT2 =0,0168 (Kr=0,371) Hình 4: Quan hệ Kr với d/gT2, trường hợp độ rỗng 10% TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ nhỏ Rc/Hi = 1,095 (Kr=0,414) Xu hướng tương tự, với độ rỗng bề mặt 20%, hệ số phản xạ Kr tăng từ 0,371 đến 0,635 chiều cao sóng thí nghiệm thay đối từ 0,1m đến 0,15m Hệ số Kr lớn (Kr=0,635) Rc/Hi = 2,489 nhỏ Rc/Hi =1,062 (Kr=0,371) Hình 5: Quan hệ Kr với d/gT2, trường hợp độ rỗng 15% Hình 7: Quan hệ Kr với Rc/Hi, trường hợp độ rỗng 10% Hình 6: Quan hệ Kr với d/gT2, trường hợp độ rỗng 20% Ảnh hưởng độ lưu khơng đỉnh đê (Rc) đến hệ số phản xạ sóng: Độ lưu khơng đỉnh đê Rc (là khoảng cách tính từ mực nước đến đỉnh cấu kiện) Kết thí nghiệm cho thấy hệ số phản xạ có xu hướng tăng độ lưu không đỉnh đê tăng với kịch chiều cao sóng độ rỗng bề mặt cấu kiện khác Hình 8: Quan hệ Kr với Rc/Hi, trường hợp độ rỗng 15% Trường hợp độ rỗng bề mặt 10%, hệ số phản xạ Kr tăng từ 0,515 đến 0,656 chiều cao sóng thí nghiệm thay đối từ 0,1m đến 0,15m Hệ số Kr lớn (Kr=0,656) Rc/Hi = 2,44 nhỏ Rc/Hi = 1,137 (Kr=0,515) Trường hợp độ rỗng bề mặt 15%, hệ số phản xạ Kr tăng từ 0,414 đến 0,638 chiều cao sóng thí nghiệm thay đối từ 0,1m đến 0,15m Hệ số Kr lớn (Kr=0,638) Rc/Hi = 2,568 Hình 9: Quan hệ Kr với Rc/Hi, trường hợp độ rỗng 20% Ảnh hưởng chiều cao sóng đến hệ số phản TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ xạ sóng: Hệ số phản xạ sóng giảm dần kịch thí nghiệm chiều cao sóng đến tăng lên Trường hợp độ rỗng bề mặt 10%, độ sâu nước d=0,3m, độ dốc sóng Hi/gT2=0,0063 cho hệ số phản xạ Kr = 0,515 Tại độ sâu nước d=0,15m, độ dốc sóng Hi/gT2 = 0,0019, hệ số phản xạ Kr = 0,656 số phản xạ nhỏ Kr = 0,378 Hệ số phản xạ lớn đo đạc Kr = 0,638 độ sâu nước nước d=0,15m độ dốc sóng Hi/gT2 = 0,004 Trường hợp độ rỗng bề mặt 15%, hệ số phản xạ Kr = 0,414 độ sâu nước d=0,3m độ dốc sóng Hi/gT2= 0,0051 Tại độ sâu nước d=0,15m, độ dốc sóng Hi/gT2 = 0,0019, hệ số phản xạ Kr = 0,638 Khi độ rỗng bề mặt cấu kiện 20%, độ sâu nước d=0,3m, độ dốc sóng Hi/gT2=0,0052, hệ Hình 11: Quan hệ Kr với Hi/gT2, trường hợp độ rỗng 20% Hình 10: Quan hệ Kr với Hi/gT2, trường hợp độ rỗng 10% Hình 12: Quan hệ Kr với Hi/gT2, trường hợp độ rỗng 15% Ảnh hưởng độ rỗng bề mặt cấu kiện đến hệ số phản xạ sóng d=0,3m chiều cao sóng thí nghiệm Hs=0,1m Trong thí nghiệm với kịch độ sâu nước, chiều cao sóng tiến hành, kết đo đạc tính tốn cho thấy hệ số phản xạ sóng có xu hướng giảm dần tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện tăng lên Hệ số phản xạ lớn Kr=0,634 diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện 10%, độ sâu nước d=0,2m với chiều cao sóng thí nghiệm Hs=0,1m Ngược lại, tăng tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện lên 20%, hệ số phản xạ sóng đo nhỏ nhất, Kr=0,371 độ sâu nước Ngoài nhận thấy rằng, độ sâu nước thấp d=0,2m, hệ số phản xạ không bị ảnh hưởng nhiều tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện, tăng diện tích lỗ rỗng từ 10% lên 20%, hệ số phản xạ giảm không đáng kể từ 5% đến 10% Tuy nhiên độ rỗng ảnh hưởng rõ nét đến hệ số phản xạ sóng độ sâu nước lớn Kết thí nghiệm cho thấy, độ sâu nước d=0,25m, hệ số phản xạ giảm từ 6% đến 13% tăng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ tỷ lệ lỗ rỗng từ e=10% lên e=15% từ 10% đến 20% tăng tỷ lệ lỗ rỗng lên gấp đôi (từ e=10% lên e=20%) Đặc biệt độ sâu nước d=0,3m, tỷ lệ lỗ rỗng 15%, hệ số phản xạ Kr = 0,414 (giảm 22%) so với giá trị Kr =0,514 đo tỷ lệ độ rỗng 10% Khi tỷ lệ lỗ rỗng tăng lên 20%, giá trị Kr = 0,371, giảm 28% so với hệ số phản xạ trường hợp tỷ lệ độ rỗng 10% Hình 13: Ảnh hưởng tỷ lệ lỗ rỗng e đến hệ số Kr, trường hợp d=0,2m Hình 14: Ảnh hưởng tỷ lệ lỗ rỗng e đến hệ số Kr, trường hợp d=0,3m KẾT LUẬN Bằng thí nghiệm mơ hình vật lý máng sóng, phân tích kết đo đạc tính tốn hệ số phản xạ, số nhận xét yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ sóng cấu kiện tiêu sóng đỉnh sau: Khi độ sâu nước tăng lên, hệ số phản xạ sóng có xu hướng giảm Hệ số phản xạ Kr giảm từ 0,634-:- 0,515 d/gT2 tăng từ 0,0057-:0,0218, từ 0,597-:- 0,414 d/gT2 tăng từ 0,0061-:- 0,0168 từ 0,578-:- 0,371 d/gT2 tăng từ 0,0059-:- 0,0168 tương ứng với tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện 10%;15% 20% Hình 15: Ảnh hưởng tỷ lệ lỗ rỗng e đến hệ số Kr, trường hợp d=0,25m Hệ số phản xạ sóng có xu hướng tăng lên độ lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hi) tăng lên tất trường hợp chiều cao độ rỗng bề mặt cấu kiện thí nghiệm Hệ số phản xạ Kr nhỏ Rc/Hi = 1,1 Kr lớn Rc/Hi = 2,5 Ngoài ra, kết đo đạc cho thấy tăng tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện tiêu sóng, hệ số phản xạ có xu hướng giảm Tuy nhiên mức độ giảm sóng phản xạ rõ ràng độ sâu nước lớn d=0,3m (Kr giảm từ 22% -28% tỷ lệ diện tích lỗ rỗng tăng từ 10% lên 15% 20% tương ứng) Ở độ sâu nước thấp (d=0,2m) mức độ giảm hệ số phản xạ không đáng kể, từ 6% đến13% tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện tăng từ 10% lên 20% TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mansard, E, P, D,, and Funke, E, R, (1980), The Measurement of Incident and Reflected Spectra Using a Least Square Method, Proc, 17th Coastal Eng, Conf,, Sydney, Australia, vol, 1, pp, 154-172; [2] Hanbin Gu, Xuelian Jiang and Yanbao Li (2008), Research On Hydraulic Performances 0f Quarter Circular Breakwater, Chinese-German Joint Symposium on Hydraulic and Ocean Engineering, August 24-30, 2008, Darmstadt [3] Balakrishna K, Arkal Vittal Hegde, Binumol S (2015), Reflection and Dissipation Characteristics of Non-overtopping Quarter Circle Breakwater with Low-mound Rubble Base, Journal of Advanced Research in Ocean Engineering 1(1) (2015) 044-054 [4] ArkalVittal Hegde, Sharhabeel P.S and Sooraj Mohan (2015), Stability of a Perforated Quarter Circle Breakwater, International Journal of Ocean and Climate Systems, Volume 6, Number - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 ... nằm đỉnh đê cấu kiện…Bằng kết đo đạc thí nghiệm phân tích mơ hình vật lý, báo làm rõ ảnh hưởng yếu tố nói đến đặc tính phản xạ sóng cấu kiện tiêu sóng đề xuất Hệ số phản xạ sóng cấu kiện tiêu sóng. .. mơ hình vật lý máng sóng, phân tích kết đo đạc tính tốn hệ số phản xạ, số nhận xét yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ sóng cấu kiện tiêu sóng đỉnh sau: Khi độ sâu nước tăng lên, hệ số phản xạ. .. sóng đỉnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chiều cao sóng, độ sâu nước, độ cao lưu khơng đỉnh Hình 1: Mặt cắt đê biển có cấu kiện hì trụ rỗng đỉnh THÍ NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH VẬT LÝ 2.1 Kết cấu cấu