Ảnh hưởng của kết cấu tường đỉnh đến dòng phản hồi trước chân đê biển mái nghiêng trong bão

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu cấu trúc của dòng phản hồi và ảnh hưởng của kết cấu tường đỉnh trên đê biển mái nghiêng đến dòng phản hồi trong bão có sóng tràn qua đê bằng cách thiết lập mô hình vật lý trong máng sóng. Kết quả cho thấy tường đỉnh ảnh hưởng đáng kể đến phân bố và độ lớn của dòng phản hồi. Mời các bạn cùng tham khảo! Quá trình biến dạng sóng, Chân đê biển mái nghiêng trong bão, Kết cấu tường đỉnh của đê biển, Cấu trúc của dòng phản hồi, Mô hình vật lý trong máng sóng

BÀI BÁO KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU TƯỜNG ĐỈNH ĐẾN DÒNG PHẢN HỒI TRƯỚC CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG TRONG BÃO Nguyễn Thị Phương Thảo1 Tóm tắt: Kết cấu tường đỉnh đê biển mái nghiêng, xem giải pháp làm giảm sóng tràn phổ biến Việt Nam Chính có mặt tường đỉnh làm thay đổi đặc trưng sóng, dịng phản hồi ảnh hưởng đến xói bồi bão Bài báo trình bày kết nghiên cứu cấu trúc dòng phản hồi ảnh hưởng kết cấu tường đỉnh đê biển mái nghiêng đến dòng phản hồi bão có sóng tràn qua đê cách thiết lập mơ hình vật lý máng sóng Kết cho thấy tường đỉnh ảnh hưởng đáng kể đến phân bố độ lớn dòng phản hồi Từ khóa: Dịng phản hồi, đê biển mái nghiêng, tường đỉnh, mơ hình lịng cứng, bão GIỚI THIỆU CHUNG * Sóng biển từ ngồi khơi truyền vào vùng ven bờ, trải qua q trình biến dạng sóng vỡ sinh dòng chảy ven bờ nước dềnh sóng Cấu trúc trường dịng chảy trung bình sóng vùng ven bờ có hai thành phần dịng trung bình dọc bờ tạo sóng đến xiên góc dịng ngang bờ liên quan đến đền bù khối lượng sóng vỡ Nghĩa sóng vỡ, khối nước dịch chuyển sóng phía vào bờ (mass transport) tạo dịng phản hồi (undertow) hướng biển phía chân sóng Như vậy, dịng phản hồi xác định trung bình theo pha sóng chuyển động dao động phần tử nước vùng sóng vỡ Bùn cát phía bờ theo dịng phản hồi bồi đắp phía ngồi chế hình thành dải cát ngầm bãi trước nguyên nhân gây xói chân cơng trình đê kè, đặc biệt thời kỳ bão mực nước dâng cao, sóng lớn dịng vng góc với bờ chiếm ưu Theo nghiên cứu (Svendsen, 1984) (J Buhr Hansen, 1984), dòng phản hồi sóng phát mơ tả chi tiết từ cách hàng trăm năm (Johnson, 1919) (Bagnold, 1940) thực thí nghiệm quan trắc xác định dòng phản hồi (Dyhr-Nielsen M and T Sorensen, Trường Đại học Thủy lợi 32 1970) phân tích định tính dịng chảy hướng bờ sóng nước nơng dịng phản hồi sóng vỡ Việc đo đạc phân bố cấu trúc dòng chảy ngang bờ ngồi thực tế khó khăn hạn chế thiết bị điều kiện đo đạc Hầu hết dự án đo đạc thực địa (Davidson, 1989), (Brian Greenwood, 1990) (Masselink, 1995) (Gallagher Edith L., 1998) (Kuriyama Y., 1999)… nghiên cứu dòng phản hồi thực nước phát triển Bộ số liệu thực đo thực một vài thủy trực định mặt cắt ngang thủy trực đo giá trị cao độ bãi biển có bar cát sau thời kỳ bão hình thành bar cát vùng sóng vỡ ngoại trừ trường hợp bãi biển dốc (Masselink, 1995) Phần lớn số liệu đo điều kiện thời tiết bình thường, có số liệu dự án Duck94 (Gallagher Edith L., 1998) thể rõ rệt giai đoạn 10 ngày bão (10/1994) Độ lớn dòng phản hồi biến đổi khoảng từ -0.02 đến 0,4m/s, thời kỳ bão ghi nhận số liệu đến 0.7 m/s Vị trí dòng chảy lớn xuất đỉnh bar cát gần bar cát phía bờ (Garcez & al, 2000) Vùng sát ven bờ dải sóng vỡ có số liệu đo đạc thường đo dòng chảy máy AEM213_D Trong vùng nước sâu có nhiều số liệu dịng chảy theo tầng khác sử dụng máy đo Awac KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Do hạn chế số liệu đo đạc thực tế nên mơ hình vật lý xem phương pháp hữu hiệu để nghiên cấu trúc dịng phản hồi có số liệu đầy đủ nhằm hiệu chỉnh kiểm định mơ hình tốn Các nghiên cứu cấu trúc dòng phản hồi thực theo phương pháp đa dạng (Stive M , 1980) (Stive M a., 1982) (Stive M a., 1986) (Buhr Hansen, 1984) (Okayasu, 1989) (H.J.Steetzel, 1993) (Francis, 1994) (Nicholas & Smith, 1994) (Daniel T Cox & A., 1995) (Boers M., 1995) (Gregory Guannel, 2008) (Neshaei, A., & M., 2009) từ mơ hình tỉ lệ nhỏ máng dài 23m đến mơ hình tỉ lệ lớn máng dài 240 Đặc trưng sóng thí nghiệm từ sóng đến sóng khơng đều, chiều cao sóng biến đổi từ vài cm đến 1m Địa hình bãi tự nhiên có loại gồm mái phẳng nghiêng mái biến đổi có bar vùng sóng vỡ, độ dốc bãi từ 1/10 đến 1/40 Các nghiên cứu cho thấy phân bố dịng phản hồi theo phương đứng có dạng parabol, dịng phản hồi lớn xuất sát đáy vùng sóng vỡ, nhỏ dần hai phía bờ biển Tuy nhiên thí nghiệm mơ hình vật lý giới hạn số kịch định biên địa hình biên thủy lực Ở Việt Nam chưa có cơng bố số liệu đo đạc dòng phản hồi thực tế kết thí nghiệm với điều kiện thủy lực đặc điểm cơng trình đê biển mái nghiêng có tường đỉnh sóng tràn Chính có mặt tường đỉnh làm thay đổi đặc trưng sóng, dịng phản hồi ảnh hưởng đến xói bồi bão Bài báo trình bày kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình vật lý máng sóng cấu trúc dòng phản hồi ảnh hưởng kết cấu đê biển mái nghiêng đến dòng phản hồi bão có sóng tràn qua đê THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN MƠ HÌNH Mơ hình lịng cứng nghiên cứu dòng phản hồi thiết kế dựa sở phân tích điều kiện nguyên mẫu đặc điểm địa hình, thủy động lực học, đặc điểm hệ thống đê trực diện với biển Việt Nam (Viện KH Thủy Lợi VN, 2012) (Thao, 2020) đáp ứng điều kiện trang thiết bị thí nghiệm máng sóng Hà Lan trường đại học Thủy Lợi gồm: Cao trình đỉnh đê: 4,0 m  5,5 m, có bão thường xuất sóng tràn qua đê; Hệ số mái trước đê: m =  4; Độ cao lưu khơng đỉnh đê phía mực nước thiết kế (MNTK):1,5 m  2,5 m; Bãi trước đê biển có độ dốc 1:40 - 1:100 Máng sóng Hà Lan có tổng chiều dài 45 m, chiều dài hiệu 42 m, chiều cao 1,2 m, chiều cao hữu ích < 1,0 m, chiều rộng 1,0 m, sóng ngẫu nhiên lớn tạo với chiều cao HS = 0,3 m chu kỳ TP = 3,0s Máy tạo sóng trang bị hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động Hình Mơ hình thiết kế Tỉ lệ mơ hình chọn theo chiều dài NL = 10 thời gian NT = 3.16 Việc thiết bố trí thí nghiệm dựa mục tiêu nghiên cứu Hình 1và thực tế thực phịng thí nghiệm Hình Trong bãi trước đê có độ dốc 1:40, mơ hình đê có mái đê m = thiết kế cho KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 33 kịch kết cấu đê gồm trường hợp đê thấp có tường đỉnh (1) với chiều cao đê 80 cm, tường đỉnh cao10 cm, bề rộng đỉnh đê 40cm; trường hợp đê thấp không tường đỉnh (2) có chiều cao đê 90 cm trường hợp đê cao không tường đỉnh (3) Với trường hợp đê thấp cho phép có sóng tràn, phía đỉnh đê bố trí máng thu nước để đo lượng nước tràn, đồng thời có máy bơm bổ sung nước để đảm bảo mực nước ổn định tốt thời gian mơ Hình Mơ hình thực Mỗi kịch đo đặc trưng sóng, phân bố dịng chảy lượng nước tràn với đầu đo bố trí thí nghiệm sau:  đầu đo sóng (WG): gồm đầu đo gần máy tạo sóng, đầu đo bãi, đầu đo đặt khoảng cách chân đê lần chiều dài sóng đầu đo kèm máy đo dịng chảy để đo đồng thời sóng vận tốc dịng nước vị trí khác trước chân đê  Đầu đo dòng chảy (CG): Máy vectrino đo dòng chảy đặt giá đỡ cho phép dịch chuyển theo phương dọc máng phương thẳng đứng vị trí thủy trực trước chân đê định sẵn để đo dịng chảy, vị trí lại đo 34 đến 10 điểm cao độ khác để xét phân bố dòng chảy theo phương thẳng đứng  Đo tổng lượng nước tràn qua đê: Nước tràn qua đê thu vào thùng chứa để đo thể tích q trình thực thí nghiệm Tổng cộng có 12 kịch thí nghiệm điển hình thực hiện, ứng với kết cấu mơ hình đê gồm điều kiện mực nước đặc trưng sóng khác bảng Mỗi kịch thực nhắc lại khoảng 75 lần để có phân bố dịng phản hồi mặt cắt trước đê Dịng phản hồi tính tốn từ kết đo đạc dịng chảy tức thời thời đoạn t = 300 xT p KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Bảng Các kịch điều kiện biên thiết kế N 10 11 12 Tên kịch D65H15T19_CW=0 D65H17T16_CW=0 D70H15T19_CW=0 D70H19T165_CW=0 D65H15T19_TW=0 D65H17T16_TW=0 D70H15T19_TW=0 D70H19T165_TW=0 D65H15T19_TW=10 D65H17T16_TW=10 D70H15T19_TW=10 D70H19T165_TW=10 Mơ hình đê Độ cao tường đỉnh W(cm) Đê cao (khơng tràn) Đê thấp (có sóng tràn) 10 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 3.1 Ảnh hưởng kết cấu tường đỉnh đến phân bố dòng phản hồi Phân bố dòng phản hồi 12 kịch tương ứng với loại kết cấu đỉnh đê gồm đê cao không tường đỉnh, đê thấp không tường đỉnh đê thấp có tường đỉnh trình bày hình từ Hình đến Hình Mỗi hình biểu thị so sánh kết vận tốc mơ hình đê ứng với điều kiện biên thủy lực mái dốc bãi, đê Kết thí nghiệm cho thấy phân bố dòng phản hồi mặt cắt ngang trước chân đê giống với xu nghiên cứu trước dạng parabol, vùng sóng đổ tiêu tan nhiều lượng tương ứng với vùng có vận tốc dịng phản hồi lớn vùng sát chân đê ngồi xa phía biển (Hình 3) Vị trí vùng có dịng phản hồi lớn có khác kết cấu đỉnh đê thí nghiệm: mơ hình đê cao khơng tường đỉnh, độ lớn dịng phản hồi lớn tập trung khoảng từ đến m tính từ chân đê, đê thấp khơng tường đỉnh khoảng 11,5m đặc biệt đê thấp có tường đỉnh cách chân đê khoảng 0,5 -1,5m Kết thí nghiệm cho thấy độ lớn dịng Tham số sóng Hm0 Tp (s) (m) 0,15 1,9 0,17 0,16 0,15 1,9 0,19 1,65 0,15 1,9 0,17 0,16 0,15 1,9 0,19 1,65 0,15 1,9 0,17 0,16 0,15 1,9 0,19 1,65 Độ cao lưu không Rc(m) 0,25 0,25 0,2 0,2 0,25 0,25 0,2 0,2 0,25 0,25 0,2 0,2 Độ sâu nước gần máy tạo sóng D(m) 0,65 0,65 0,7 0,7 0,65 0,65 0,7 0,7 0,65 0,65 0,7 0,7 phản hồi trước chân đê biển chịu ảnh hưởng tương tác sóng với cơng trình cách rõ nét Hầu hết tất vị trí đo đạc kịch cho kết độ lớn dòng phản hồi trường hợp đê cao không tường đỉnh lớn so với đê thấp có sóng tràn qua, ngoại trừ vị trí cách chân đê 0,25 - 0,5m kịch D65H15T19_TW=0 D70H19T165_TW=0 Điều giải thích theo cân thơng lượng khối lượng, lượng nước tràn qua đê làm giảm lượng nước đền bù chế hình thành dịng phản hồi (Thao N T., 2018) Bên cạnh đó, với đê thấp có kết cấu tường đỉnh độ lớn dịng phản hồi nhỏ so với đê khơng có tường đỉnh, đặc biệt kịch D70H15T19_TW=10 dịng phản hồi vị trí cách chân đê 0,25 - 0,5m nhỏ điều có mặt tường đỉnh, sóng bị hắt trở lại làm giảm vận tốc dòng chảy Đống thời chênh lệch độ lớn dòng phản hồi xa chân đê (thủy trực vị trí 5m) so với vùng chân đê Điều giải thích sóng phản xạ gần chân đê lớn so với vùng xa nên ảnh hưởng đến giảm dịng chảy nhỏ (Yoshimi Goda, 1976) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 35 Vùng sóng vỗ mái đê (swash) xuất dịng stream (dịng sát đáy có chiều ngược lại so với dịng phản hồi) đặc biệt kịch đê thấp, đê có tường đỉnh độ lớn dịng stream lớn so với trường hợp đê khơng tường đỉnh Hình Kết đo đạc chiều cao sóng Hình Phân bố tốc độ dòng phản hồi kịch D65H15T19 Hình Phân bố tốc độ dịng phản hồi kịch D65H17T16 Hình Phân bố tốc độ dịng phản hồi kịch D70H15T19 Hình Phân bố tốc độ dòng phản hồi kịch D70H19T165 36 3.2 Ảnh hưởng cơng trình đến dịng phản hồi trung bình Trong điều kiện biên thủy lực, địa hình bãi độ dốc mái, kết thu nhận dòng phản hồi trung bình thủy trực tương đối (Utb/C) tồn mặt cắt kịch đê thấp có kết cấu tường đỉnh không tường đỉnh so sánh với đê cao khơng tường đỉnh hình từ Hình đến Hình 11 Trong hình Utb vận tốc dịng phản hồi trung bình theo độ sâu; C, L vận tốc truyền sóng chiều dài sóng vị trí thủy trực, x vị trí tính từ mép nước Xu chung cho tất kịch dịng phản hồi trung bình thủy trực tương đối trường hợp đê thấp có tường đỉnh rõ ràng nhỏ so với trường hợp đê thấp không tường đỉnh Và hai trường hợp đê thấp lại nhỏ so với trường hợp đê cao khơng tường đỉnh Độ lớn dịng phản hồi trung bình tương đối có xu tăng dần từ mép nước đến vị trí khoảng từ 0,5 - 0,7 lần chiều dài sóng lại tăng trở lại Đây vùng sóng đổ tiêu tán nhiều lượng sóng cho dịch chuyển phần tử nước Xu tạo gradient vận tốc trung bình kéo theo vận chuyền bùn cát từ chân đê xa bờ, gặp dòng chảy nhỏ trở lại bùn cát bồi lắng tạo thành dải cát ngầm Mức độ chênh lệch vận tốc dòng phản hồi trường hợp kết cấu khác giảm dần từ bờ ngồi biển Tính từ vị trí x = 0,6L vào đến mép nước, kịch biên thủy lực D70H19T175 cho mức độ chênh lệch vận tốc lớn kịch D65H17T16 nhỏ Vùng sát chân đê, vận tốc dòng phản hồi kịch có khác biệt chút so với xu chẳng hạn kịch D65H15T19 gần vị trí x = 0,3L vận tốc trung bình tương đối đê cao khơng tường đỉnh lại nhỏ so với kịch đê thấp Kịch D65H17T16 quanh vị trí x= 0,5L, vận tốc dịng phản hồi kịch đê thấp không tường đỉnh lại nhỏ so với kịch đê có tường đỉnh Như yếu tố kết cấu tường đỉnh ảnh hưởng khơng đến phân bố dịng phản hồi mà ảnh hưởng đến biến đổi vận tốc dịng phản hồi trung bình tương đối theo mặt cắt ngang KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) đê có thay đổi cân khối lượng sóng tràn qua đê Đồng thời có tường đỉnh sóng phản xạ ảnh hưởng đến cân động lượng nên cần phân tích sóng phản xạ để tính tốn đến ảnh hưởng dịng phản hồi Hình Dịng phản hồi trung bình- kịch D65H15T19 Hình Dịng phản hồi trung bình - kịch D65H17T16 Hình 10 Dịng phản hồi trung bình - kịch D70H15T19 Hình 11 Dịng phản hồi trung bình - kịch D70H19T165 KẾT LUẬN Từ kết thí nghiệm nghiên cứu dịng phản hồi máng sóng trường Đại học Thủy Lợi ứng với số điều kiện biên địa hình điển hình đưa vài kết luận sau:  Việc đo đạc dịng phản hồi ngồi thực tế trường vơ khó khăn nên kết thực thí nghiệm máng sóng giải pháp hữu hiệu cho thấy phân bố, cấu trúc dòng phản hồi ứng với điều kiện khác  Dòng phản hồi kết tương tác sóng với kết cấu cơng trình đê tương ứng với điều kiện mực nước khác Phân bố độ lớn dòng phản hồi lớn cách chân đê khoảng 0,5 1m đê có tường đỉnh, 1-1,5m đê có tràn khơng tường đỉnh 1-2m đê cao không tường đỉnh  Độ lớn dịng phản hồi trung bình tương đối có xu tăng dần từ mép nước đến vị trí khoảng từ 0,5-0,7 lần chiều dài sóng lại tăng trở lại, tạo gradient vận tốc trung bình kéo theo vận chuyền bùn cát từ chân đê xa bờ, gặp dòng chảy nhỏ trở lại bùn cát bồi lắng tạo thành bar cát  Kết cấu cơng trình tường đỉnh ảnh hưởng đến dòng phản hồi hai yếu tố hệ phương trình mơ chuyển động chất lỏng Thứ lượng nước tràn phương trình cân khối lượng ảnh hưởng sóng phản xạ phương trình cân động lượng Đây hai yếu tố quan trọng cần phải xem xét cập nhật mơ hình tốn xét đến ảnh hưởng kết cấu đê biển đến dòng phản hồi vận chuyển bùn cát ngang bờ TÀI LIỆU THAM KHẢO Viện KH Thủy Lợi VN (2012) Báo cáo đánh giá trạng đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam Hà Nội Boers M (1995) Bedform and undertow in the surf zone, an analysis of the LIPP 11D-data Delft: TU Delft KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 37 Buhr Hansen, J a (1984) A theoretical and experimental study of undertow Coastal engineering, 2246-2262 Dyhr-Nielsen M and T Sorensen (1970) Sand transport phenomena on coasts with bars Conf Coastal engineering ch 54, 855-866 Francis, C T (1994) Observation of undertow and turbulence in a laboratory surf zone Coastal Engineering 24, 51-80 Garcez, F A., & al, E T (2000) Undertow over a barred beach Geophysical research, 16999-17010 H.J.Steetzel (1993) Cross-shore transport during storm surge, Doctoral thesis The Netherlands: Delft Hydraulics J Buhr Hansen, a I (1984) A theoretical and experimental study of undertow Coastal engineering, 2246-2262 Johnson, D (1919) Shore Processes and Shore Line Development Facsimile reproduction 1972, Hafner Publishing Company, New York, 140 Kuriyama Y., a N (1999) Undertow and Longshore current on a Bar-Trough Beach, Field Measurements at HORS and Modeling Rep Port and Harbor Res Inst., 3-28 Masselink, G a (1995) Magnitude and cross-shore distribution of bed return flow measured on natural beaches Coastal Engineering, 25, 165-190 Neshaei, M A., A., M M., & M., V (2009) The effect of beach reflection on undertow Iranian Journal of Science & Technology, Transaction B, Engineering, Vol 33, No B1, 49-60 Nicholas, C K., & Smith, J M (1994) SUPERTANK Laboratory Data Collection Project U.S Army Corps of Engineers Okayasu, A (1989) Characteristics of turbulence structure and undertow in the surf zone Japan: Repository.tudelft.nl Stive, M a (1986) Cross-shore mean flow in the surf zone Coastal engineering 10, 325-340 Svendsen, I (1984) Mass flux and undertow in a surf zone Coastal Engineering, 8, 347 365 Thao, N T (2018) Literature review on the modeling of processes related to sea dike toe erosion during storms International Symposium on Lowland Technology, ISLT at Thuy Loi university (p 244) Hà Nội: Construction publishing house Thao, N T (2020) Nghiên cứu dòng phản hồi trước chân đê biển mơ hình vật lý Hội nghị Khoa học thường niên Trường Đại học Thủy lợi Yoshimi Goda, Y S (1976) Estimation of incident and reflected waves in random wave experiments Coastal Engineering, 828-845 Abstract: INFLUENCES OF SEA-DIKE CROWN WALLS ON THE UNDERTOW DURING STORMS Crown walls as a measure against wave overtopping are commonly-used on low-crested coastal dikes in Viet Nam The presence of these walls, however, might modify the wave, undertow characteristics and eventually affect the dike-toe scour during storms In this paper modifying characteristics of the undertow due to the wall presence are investigated through a series of fix-bed flume model experiments The results shown that the undertow values, the profile and its across-shore distribution of the undertow markedly deviates Keywords: Undertow, sea dike, fix-bed model, crown walls, storm Ngày nhận bài: 11/3/2021 Ngày chấp nhận đăng: 04/5/2021 38 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) ... hưởng đến xói bồi bão Bài báo trình bày kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình vật lý máng sóng cấu trúc dòng phản hồi ảnh hưởng kết cấu đê biển mái nghiêng đến dịng phản hồi bão có sóng tràn qua đê. .. D70H19T165_TW=10 Mơ hình đê Độ cao tường đỉnh W(cm) Đê cao (không tràn) Đê thấp (có sóng tràn) 10 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 3.1 Ảnh hưởng kết cấu tường đỉnh đến phân bố dòng phản hồi Phân bố dòng phản hồi 12 kịch... vận tốc dòng phản hồi lớn vùng sát chân đê ngồi xa phía biển (Hình 3) Vị trí vùng có dịng phản hồi lớn có khác kết cấu đỉnh đê thí nghiệm: mơ hình đê cao khơng tường đỉnh, độ lớn dịng phản hồi lớn