Mô phỏng ứng xử cơ học kè chắn bảo vệ mái đê biển gò công dưới tác dụng của sóng biển bằng phương pháp số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ HỒNG HIẾU MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC KÈ CHẮN BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN GỊ CƠNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA SĨNG BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Long An - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ HỒNG HIẾU MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC KÈ CHẮN BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN GỊ CƠNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA SĨNG BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện Long An – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Ngoài kết tham khảo từ cơng trình khác ghi luận văn, xin cam kết luận văn tơi thực luận văn nộp Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa sử dụng công bố cơng trình khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Hồng Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành kết trình học tập nghiên cứu học viên Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Bên cạnh nỗ lực học viên, hoàn thành chương trình luận văn khơng thể thiếu giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An) q trình học tập hồn thành luận văn cao học Nhân đây, xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích Thiện tập thể thầy cơ, đồng nghiệp tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt luận văn Cũng này, tơi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng hỗ trợ tơi q trình học tập thực luận văn HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Hồng Hiếu iii Tóm tắt luận văn Kè chắn sóng kết cấu bảo vệ chống lại sói mịn nghiêm trọng bờ biển giới nói chung Việt Nam nói riêng Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề Tuy nhiên, vấn đề phức tạp thường xuyên thay đổi theo thời gian Các báo cơng trình nghiên cứu nước sử dụng mơ hình thực nghiệm đơn giản dùng phương pháp giải tích, chưa áp dụng phương pháp số vào tính tốn ứng xử bờ kè tác dụng sóng biển Giải tốn mơ kè chắn sóng phương pháp số mở nhiều hướng cho trình nghiên cứu, cải tiến phát triển cấu kiện tự chèn để gia cố cho cơng trình kè Bằng việc sử dụng phương pháp số, nhiều phương án thử nghiệm đa dạng cho điều kiện ngồi tự nhiên gió, bão, sóng thần đưa vào cơng cụ mơ kết tiết kiệm thời gian, chi phí so với thực nghiệm Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp phân tích tương tác rắn lỏng để mô tác động sóng lên cơng trình kè bãi biển Tân Thành Tuy nhiên, vấn đề phức tạp thường xuyên thay đổi theo thời gian không gian Các báo nghiên cứu sử dụng mơ hình thực nghiệm đơn giản dùng phương pháp giải tích, chưa áp dụng phương pháp số vào tính tốn ứng xử bờ đê biển Trong báo này, nhóm tác giả lực chọn kết cấu đê biển bờ biển Tân Thành (Tiền Giang) sử dụng phần mềm Ansys để mô ứng xử học kết cấu tác động sóng, phân tích tương tác rắn lỏng (FSI) dựa tảng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phương pháp thể tích hữu hạn (FDM) Kết thu biến dạng ứng suất mặt bờ đê biển phân tích chi tiết iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Các phương pháp chống xói lở bờ biển 1.2.1 Rừng phòng hộ ven biển 1.2.2 Xây dựng đê/kè biển 1.3 Tình hình xói lở bờ sơng, bờ biển gị Cơng – Tân Thành, Tiền Giang 1.4 Tình hình nghiên cứu 12 1.4.1 Nghiên cứu nước 12 1.4.2 Nghiên cứu nước 13 1.5 Tính cấp thiết đề tài 13 1.6 Ý nghĩa đề tài 13 1.7 Mục tiêu đề tài 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Động học lưu chất (Computer Fluid Dynamic – CFD) 15 2.1.1 Giới thiệu 15 2.1.2 Giải thuật CFD 16 2.2 Cơ sở tính tốn tác động sóng biển lên kết cấu 18 2.2.1 Giới thiệu 18 2.2.2 Phân loại sóng 19 2.3 Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method) 20 2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn 23 2.4.1 Giới thiệu 23 2.4.2 Ưu nhược điểm phương pháp phần tử hữu hạn-PPPTHH 25 v 2.5 Phân tích tương tác rắn lỏng (Fluid–structure interaction) 27 2.5.1 Giới thiệu 27 2.5.2 Phân loại toán tương tác rắn lỏng 29 2.5.3 Ưu, nhược điểm phân tích tương tác rắn lỏng 31 CHƯƠNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN 32 3.1 Kết cấu cơng trình 32 3.1.1 Cấu kiện tự chèn 32 3.1.2 Phần đỉnh kè 33 3.1.3 Phần mái kè 34 3.1.4 Phần chân kè 35 3.2 Đặc tính sóng biển bờ biển Gị Cơng 36 3.3 Xác định độ cứng đất đàn hồi 38 3.4 Thiết lập mơ hình mơ 39 3.4.1 Mơ tả tốn 39 3.4.2 Xây dựng mơ hình CAD 39 3.4.3 Giải toán lưu chất 41 3.4.4 Giải toán kết cấu độ (transient) 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 4.1 Kết luận 59 4.2 Kiến nghị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 62 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Lở đất tử thần ngày 22/3/2014 tiểu bang Oso, Mỹ làm 43 người chết, 10 người bị thương, 50 nhà bị phá hủy Hình 1.2 Rừng phòng hộ bãi biển Tân Thành – Gị Cơng (Tiền Giang) Hình 1.3 Đê biển khổng lồ Hà Lan Hình 1.2 Một đoạn đê chắn biển bờ biển Tân Thành – Tiền Giang Hình 1.3 Một đoạn kè mềm Hình 1.4 Hình vẽ loại kè mềm Hình 1.7 Mặt cắt ngang kè Hình 1.8 Chi tiết cấu kiện BT tự chèn D27CM Hình 1.9 Chi tiết lắp ghép Hình 1.10 Mặt lớp cấu kiện Hình 1.11 Xói lở bờ biển Việt Nam Hình 1.12 Bờ biển gị Cơng Đông – Tân Thành 10 Hình 1.13 Đường bờ biển đoạn từ khu du lịch Tân Thành đến cửa Tiểu hình ảnh biển xâm thực phía nam du lịch Tân Thành 11 Hình 1.14 Tình hình hư hại tuyến kè chắn sóng biển Tân Thành 11 Hình 1.15 Mơ hình hình học cấu kiện PĐT CM 5874 12 Hình 1.16 Mơ hình đê ngầm thu nhỏ 12 Hình 2.1 Cấu trúc phần tử chất lỏng 15 Hình 2.2 Miền liên tục miền rời rạc không gian chiều 17 Hình 2.3 Mơ hình rời rạc hố khơng gian1D 17 Hình 2.4 Thơng số sóng 19 Hình 2.5 Các khu vực biển phân loại sóng theo khu vực 20 Hình 2.6 Mơ lưu chất phương pháp thể tích hữu hạn 20 Hình 2.7 Ơ điều khiển 22 vii Hình 2.8 Mơ hình lưới phương pháp phần tử hữu hạn 25 Hình 2.9 Các dạng tiếp xúc Ansys Workbench 28 Hình 2.10 Tương tác rắn lỏng 28 Hình 2.11 Mơ tương tác rắn lỏng sóng biển kết cấu tự chèn Tetrapod phương pháp số 28 Hình 2.12 Phương pháp giải tốn tương tác rắn lỏng 29 Hình 2.13 Sơ đồ phương pháp giải tương tác rắn lỏng chiều 30 Hình 2.14 Các bước thiết lập toán tương tác rắn lỏng chiều 31 Hình 3.1 Theo thứ tự mặt bằng, mặt cạnh A, mặt cạnh B mặt cắt cấu kiện 32 Hình 3.2 Tồn thể hình chiếu kè bảo vệ 33 Hình 3.3 Chi tiết đỉnh kè 33 Hình 3.4 Hình ảnh đá dăm thực tế 34 Hình 3.5 Chi tiết mái kè 34 Hình 3.6 Chân kè hai ống buy 35 Hình 3.7 Bản đồ khí hậu Gị Cơng 36 Hình 3.8 Vận tốc sóng phân bố biển có gió mùa Đơng Bắc 37 Hình 3.9 Vận tốc sóng phân bố biển có gió mùa Đơng Bắc 37 Hình 3.10 Mơ hình 2D Ansys Workbench 40 Hình 3.11 Cấu tạo vật rắn 40 Hình 3.12 Vùng lưu chất 41 Hình 3.13 Cơng cụ chia lưới mịn mặt tiếp xúc 41 Hình 3.14 Lưới biên lưu chất 42 Hình 3.15 Các vùng miền lưu chất 42 Hình 3.16 Đặt tên cho vùng miền lưu chất 42 Hình 3.17 Khởi động mơ – đun Fluent 43 Hình 3.18 Thiết lập chung 44 viii Hình 3.19 Chọn mơ hình rối 45 Hình 3.20 Thiết lập cho dịng chảy sóng kênh mở 45 Hình 3.21 Thiết lập cho dịng chảy sóng kênh mở 46 Hình 3.22 Chọn thơng số vật liệu cho lưu chất 46 Hình 3.23 Chọn thơng số vật liệu cho lưu chất 47 Hình 3.24 Chọn thơng số vật liệu cho lưu chất 47 Hình 3.25 Đặt điều kiện biên cho khơng khí 48 Hình 3.26 Đặt điều kiện biên cho sóng 48 Hình 3.27 Đặt điều kiện biên cho sóng 49 Hình 3.28 Chọn phương pháp giải 49 Hình 3.29 Giải 50 Hình 3.30 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 0,05s 50 Hình 3.31 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 0,5s 51 Hình 3.32 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 1s 51 Hình 3.33 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 1,45s 51 Hình 3.34 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 2s 51 Hình 3.35 File Excel kết áp suất 52 Hình 3.36 Thơng số vật liệu bê tông 53 Hình 3.37 Thơng số vật liệu đất 53 Hình 3.38 Chia lưới tự với kích thước lưới 0,05 m 53 Hình 3.39 Đặt điều kiện biên đàn hồi 54 Hình 3.40 Áp tải theo thời gian chuyển đổi từ Fluent 54 Hình 3.41 Áp suất đồ thị áp suất tác dụng lên mặt phẳng bờ kè 55 Hình 3.42 Đồ thị chuyển vị theo thời gian 55 Hình 3.43 Chuyển vị thời điểm 0,1s 55 48 Hình 3.25 Đặt điều kiện biên cho khơng khí Ở lựa chọn inlet, ta bắt đầu bước thiết đặt cho sóng đầu vào: Open Channel Wave BC ( Điều kiện biên sóng kênh thống) vận tốc sóng v = 0,5 m/s Hình 3.26 Đặt điều kiện biên cho sóng 49 Hình 3.27 Đặt điều kiện biên cho sóng Chuyển sang tab Multiphase: vị trí Wave BC Options, chọn Shallow Waves ( sóng gần bờ); Free Surface Level khoảng cách từ đáy thềm địa chất đến mặt thoáng chất lỏng, giá trị gấp lần giá trị D tính tốn, nên ta có 2xD = 1.3m Wave Height (Chiều cao sóng chọn 0,8m; chiều dài sóng sóng gần bờ 15m Bước 5:Khởi động toán (Initialization) Ta chọn hybrid Initialization, Compute from “Inlet” Method “Flat” Hình 3.28 Chọn phương pháp giải 50 Bước 6:Giải (Run Calculation) Hình 3.29 Giải Với time step size 0,01s; number of time steps 200, ta có tốn mơ sóng tác động lên bờ kè biển khoảng thời gian 2s 3.4.3.3 Kết tốn lưu chất Hình 3.30 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 0,05s 51 Hình 3.31 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 0,5s Hình 3.32 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t =1s Hình 3.33 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 1,45s Hình 3.34 Áp suất thành kè trạng thái sóng thời điểm t = 2s 52 3.4.4 Giải toán kết cấu độ (transient) 3.4.4.1 Thiết lập thơng số đầu vào tốn kết cấu Sau có kết áp suất, tác giả xuất liệu áp suất vách cứng (wall) vào file Excel Hình 3.35 File Excel kết áp suất Tại thời điểm có kết áp suất mặt Wall Để làm đơn giản hóa tốn, 0,05s lấy kết lần Vì 2s cho 40 kết áp suất Tiếp theo sử dụng Module External Data Ansys Workbench để chuyển kết từ Fluent module Transient Thông số vật liệu cho kè biển Bê tơng 53 Hình 3.36 Thơng số vật liệu bê tơng Đất (Soil) Hình 3.37 Thơng số vật liệu đất Chia lưới mơ hình đặt điều kiện biên Hình 3.38 Chia lưới tự với kích thước lưới 0,05 m Điều kiện biên: xét kê chắn sóng đặt đất nên sử dụng điều kiện biên Elastic Support, với hệ số 4e7 N/m3 54 Hình 3.39 Đặt điều kiện biên đàn hồi Chia tổng thời gian chạy toán thành 40 bước thời gian (Steps), bước 0,05s Hình 3.40 Áp tải theo thời gian chuyển đổi từ Fluent Áp tải theo thời gian chuyển đổi từ Fluent, ta đồ thị 55 Hình 3.41 Áp suất đồ thị áp suất tác dụng lên mặt phẳng bờ kè 3.4.4.2 Kết toán kết cấu Chuyển vị thời điểm 0.1s, 0.5s, 1s, 1.5s 2s Hình 3.42 Đồ thị chuyển vị theo thời gian Hình 3.43 Chuyển vị thời điểm 0,1s 56 Hình 3.44 Chuyển vị thời điểm 0,5s Hình 3.45 Chuyển vị thời điểm 1s Hình 3.46 Chuyển vị thời điểm t 1,5s Hình 3.47 Chuyển vị thời điểm 2s 57 Ứng suất von – Mises thời điểm 0.1s, 0.5s, 1s, 1.5s 2s Hình 3.48 Đồ thị ứng suất theo thời gian Hình 3.49 Ứng suất thời điểm 0,1s Hình 3.50 Ứng suất thời điểm 0,5s Hình 3.51 Ứng suất thời điểm 1s 58 Hình 3.52 Ứng suất thời điểm t 1,5s Hình 3.53.Ứng suất thời điểm 2s Có thể thấy chuyển vị lớn phân bố kết cấu thay đổi tương ứng với lan truyền sóng mặt kè Điều dễ dàng thấy từ hình 3.43 đến hình 3.47 Ứng suất tập trung lớn chân cục chèn Dễ dàng thấy vị trí chân kè có biến dạng ứng suất lớn cần phải quan tâm Ngoài ra, thời điểm 1s lúc sóng đập vào thành bờ, ứng suất biến dạng vùng lân cận nơi sóng va đập có trị số lớn 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Việc nghiên cứu tác động sóng biển lên kết cấu kè chắn sóng thơng qua mô số đưa kết trực quan nhanh chóng mà dựa đó, nhiều phương án khác đề xuất nhằm gia cố kết cấu vững hơn, chống lại xói mịn nghiêm trọng sóng biển gây Trong luận văn, q trình phân tích tương tác rắn lỏng sử dụng, với kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp thể tích hữu hạn, để mơ q trình chuyển động sóng biển tác động sóng biển lên kết cấu kè Phương pháp thể tích hữu hạn dùng để tính tốn giải tốn lưu chất hai pha gồm nước biển khơng khí Từ đó, chuyển động sóng biển theo thời gian mơ áp suất sóng biển tác động lên bờ kè theo thời gian lưu lại chuyển qua toán kết cấu, làm điều kiện đầu vào cho toán kết cấu Từ điều kiện đầu vào áp suất sóng biển, phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để giải tốn q độ kết cấu, mơ biến dạng kè chắn sóng theo thời gian Do vậy, toán tương tác rắn lỏng dạng tốn có độ phức tạp tương đối Qua đó, luận văn giải số vấn đề xây dựng mơ hình hình học kết cấu kè chắn sóng từ thiết kế tham khảo từ viện Khoa học thủy lợi miền nam, thiết lập tốn lưu chất hai pha, mơ ứng xử sóng biển theo thơng số phụ thuộc vào vị trí địa lý biển Gị Cơng tham khảo từ tài liệu uy tín, chuyển tải trọng từ toán lưu chất qua toán kết cấu giải toán kết cấu theo thời gian, xác định vùng ứng suất lớn bờ kè,tìm vùng nguy hiểm bờ kè cần quan tâm Từ kết trường ứng suất phân bố kết cấu theo thời gian, có thểxác định thời điểm, vị trí biến dạng lớn ứng suất lớn kết cấu.Đó vị trí chân đê Đây tượng xói chân đê, xảy gây ổn định cho đê Do chân đê gia cố kết cấu bảo vệ ống buy, thảm đá, … Ngoài ra, qua kết mơ sóng biển, thời điểm lúc sóng đập vào thành đê gây trị số chuyển vị biến dạng đáng kể Cho nên khu vực cần lưu ý xem xét Từ gia cố cải tiến thích hợp 60 4.2 Kiến nghị Trên sở kết đạt luận văn, mở rộng đề tài theo hướng xét toán ba chiều, xét cấu kiện tự chèn với hình dạng khác Từ đưa nhiều giải pháp việc lựa chọn bố trí cấu kiện tự chèn 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Viết Tiến, Thiều Quang Tuấn, Lê Kim Truyền.Nghiên cứu ảnh hưởng đê ngầm bãi đê đến hiệu giảm sóng mơ hình vật lý, Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi môi trường – số 41, 2013 [2] Trần Văn Thái.Đê trụ rỗng ngăn sạt lở bờ biển Cà Mau, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 2000 [3] Yoshiya Igarashia, Norio Tanaka.Effectiveness of a compound defense system of sea embankment and coastal forest against a tsunami, 1, 2018 [4] GráinneEl Mountassir, MarceloSánchez, EnriqueRomero.An experimental study on the compaction and collapsible behaviour of a flood defence embankment fill, 4, 2014 [5] Ferziger Peric.Computational Methods for Fluid Dynamics, 3rd Ed, 2002, pp 70 – 74 [6] Abdelkhalak El Hami, Bouchaib Radi.Fluid-Structure Interactions and Uncertainties, Ansys and Fluent Tools, Volume 6, 2017 [7] Bùi Trọng Vinh.Xói lở biển gị Cơng Đơng – Tiền Giang, Tạp chí phát triển KH&CN, tập 19, số K1-2016, tr 62 – 63 [8] Phạm Tuấn Anh.Tính tốn móng bè cọc theo mơ hình hệ số có xét đến độ tin cậy số liệu đất, Luận văn thạc sĩ, Trường ĐH Kiến trúc Hà Nội, 2011 62 PHỤ LỤC Nội dung luận văn báo cáo Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học Hà Nội vào ngày 09/04/2019 với chủ đề Mơ tác động sóng lên cơng trình đê bãi biển Tân Thành phân tích tương tác rắn lỏng ... VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ HỒNG HIẾU MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC KÈ CHẮN BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN GỊ CƠNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA SĨNG BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên... đơn giản dùng phương pháp giải tích, chưa áp dụng phương pháp số vào tính tốn ứng xử bờ kè tác dụng sóng biển Giải tốn mơ kè chắn sóng phương pháp số mở nhiều hướng cho trình nghiên cứu, cải tiến... tích ứng xử học kè chắn bảo vệ mái đê biển Gị Cơng tác dụng sóng biển hứa hẹn Hình 2.9 Các dạng tiếp xúc Ansys Workbench.[6] Hình 2.10 Tương tác rắn lỏng [nguồn: internet] Hình 2.11 Mơ tương tác