Nguyờn hỡnh Mụ hỡnh (Tỷ lệ: 1/20) Ghi chỳ
Độ cao H (m) Chu kỳ T
(s) Độ cao H (m) Chu kỳ T (s)
0,75 ữ 2,70 4,0 ữ 10,0 0,038 ữ 0,135 0,894 ữ 2,236 Tiờu chuẩn Froude
2.3.5. Kiểm định mụ hỡnh thớ nghiệm
2.3.5.1. Hiệu chỉnh, kiểm định đầu đo súng
Quy trỡnh kiểm định, gồm hai phương phỏp [68]:
(1) Phương phỏp chỉnh khụ: Chập dõy cảm biến với khung cảm biến tại 1 vị trớ cụ
thể, quan sỏt điện ỏp đầu ra Di chuyển điểm chập trờn dõy cảm biến 1 khoảng chớnh xỏc Kết quả là sự thay đổi điện ỏp đầu ra sẽ bằng đỳng 2 lần khoảng thấy được khi đầu đo vận hành trong mụi trường nước Điều chỉnh chiết ỏp khuyếch đại VR3 nếu cần. Lặp lại cỏc bước từ 1 4 cho cho đến khi độ nhạy chớnh xỏc gấp 2 lần độ nhạy mong muốn trong vận hành.
(2) Phương phỏp chỉnh ướt: Chỳ ý đo điện ỏp đầu ra Tăng hoặc giảm mực
nước (tăng hoặc giảm mức cơ học của giỏ đỡ đầu đo) 1 khoảng chớnh xỏc, quan sỏt thay đổi đầu ra Điều chỉnh chiết ỏp khuyếch đại VR3 nếu cần. Lặp lại cỏc bước từ 1 3 cho đến khi quan sỏt được độ nhạy mong muốn.
Cỏc đầu đo súng được bố trớ như trong hỡnh 2.10. Đầu đo W1 để đo súng đầu vào bố trớ cỏch bảng súng một khoảng d > 2,5 lần chiều dài con súng trờn mụ hỡnh,
-25-20-15-10-5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 Hw (cm ) Series1 0 Wave1 Calibratio n -25-20-15-10-5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 Hw (cm ) Series1 0
Wave2 calib ration
nơi mà con súng đó ổn định. Với trường hợp độ cao súng thớ nghiệm lớn nhất ngoài thực tế hs-max = 2,70m, chu kỳ súng khoảng 10s, độ dài súng thực tế λ ≈ 50m, tức độ dài súng trờn mụ hỡnh lớn nhất λm = 50/20 = 2,5m. Vậy, để đảm bảo sự ổn định của súng đầu vào ta chọn d = 8,0m trờn mụ hỡnh, tại vị trớ cú độ sõu 0,5 - 0,6m (10 ữ 12m ngoài thực địa). Cỏc thụng số súng phõn tớch tại đầu đo W1 được dựng làm cỏc thụng số súng đầu vào cho thớ nghiệm. Đầu đo W2 được bố trớ ở vị trớ giữa bói (cỏch đều cỏc đầu đo W3 và W4 về hai phớa), cỏc đầu đo W3 và W4 được bố trớ tại cỏc vị trớ trước và sau đờ ngầm giảm súng, cỏch chõn đờ một khoảng bằng 1/2 lần bước súng tới (Zelt và Skjelbreia, 1992).
Hỡnh 2.10. Mụ phỏng vị trớ đặt cỏc đầu đo súng trong mụ hỡnh thớ nghiệmSử dụng phương phỏp kiểm định ướt, cỏc đầu đo được hiệu chỉnh tuyến tớnh, Sử dụng phương phỏp kiểm định ướt, cỏc đầu đo được hiệu chỉnh tuyến tớnh, đường kiểm định của cỏc đầu đo thể hiện trong Hỡnh 2.11.
Vo lts
Vo lts
-25-20-1 5-10 -5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 Hw ( cm) Series1 0 Wave3 Calibratio n -25-20-15-10-5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 Hw (cm ) Series1 0 Wave4 Calibratio n
Hỡnh 2.11. Cỏc biểu đồ kiểm định đầu đo
Kết quả cho thấy cỏc đầu đo đều đảm bảo độ tuyến tớnh cho phộp của nhà sản xuất và cú thể đưa vào phục vụ thớ nghiệm.
2.3.5.2. Kiểm định súng đầu vào:
Súng đo ở đầu đo W1 được phõn tớch bằng phần mềm Anasys [68], bao gồm: - Kết quả cỏc thụng số súng trong miền thời gian: H1/3, T1/3, Hmean (trung bỡnh), Tmean
(TB), Hmax, Tmax, H1/10, T1/10, Hrms (căn bậc 2), Trms (căn bậc 2).
- Kết quả cỏc thụng số súng trong miền tần số: Hm0 (g iỏ trị ước tớnh của độ cao súng cú nghĩa dựa trờn phổ), Tpeak=1/fpeak, Tm0,1 (chu kỳ TB, xỏc định bởi m0/m1). - Việc phõn tớch miền thời gian cho cỏc kết quả sau đõy: Miền thời gian của cỏc thụng số súng, hàm mật độ xỏc xuất Rayleigh, hàm phõn bố lũy tớch Rayleigh. - Việc phõn tớch miền tần số cho cỏc kết quả: miền tần số của cỏc thụng số súng,
phổ mật độ biến đổi.
Phổ súng đo tại đầu W1 với mực nước +15cm (3,0m thực địa), Hs = 0,0715m (1,43m thực tế) và chu kỳ T = 1,43s (5,84s thực tế) được đem so sỏnh kiểm định với phổ súng đo đạc thực tế tại Hải Hậu (xe m Hỡnh 2.12a và Hỡnh 2.12b).
Vo lts
Vo lts
Hỡnh 2. 12a. Phổ s úng đưa vàokiểm kiểm
định
Hỡnh 2.12b. So sỏnh phổ súng kiểm định và phổ súng thực đo tại Hải Hậu và phổ súng thực đo tại Hải Hậu
Kết quả so sỏnh cho thấy hệ thống đó tạo được súng trong phũng thớ nghiệm khỏ phự hợp với số liệu thực đo, hoàn toàn cú thể đưa hệ thống vào thớ nghiệm.
2.3.6. Cỏc phương ỏn thớ nghiệm
Luận ỏn sử dụng phương phỏp nghiờn cứu trờn mụ hỡnh vật lý nhằm để lựa chọn cỏc tham số cụng trỡnh (cụng trỡnh đờ ngầm phỏ súng) mà mụ hỡnh toỏn sẽ gặp rất nhiều khú khăn hoặc khụng thể giải quyết được, cụ thể là cỏc tham số: Cao trỡnh đỉnh đờ ngầm (∆); Bề rộng đỉnh đờ ngầm (B); Mỏi dốc đờ ngầm (m).
Cỏc kịch bản thớ nghiệm được tiến hành với những tổ hợp của cỏc cấp mực nước và súng đó lựa chọn trong cỏc bảng (2.2 và 2.3) ở trờn.
2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU TRấN Mễ HèNH TOÁN
Ứng dụng mụ hỡnh GENESIS để tớnh toỏn, dự bỏo diễn biến đường bờ biển Hải Hậu trước và sau khi cú cụng trỡnh giảm súng, tạo bồi. Ứng dụng mụ hỡnh MIKE21, STWAVE tớnh trường phõn bố năng lượng súng ven bờ và tương tỏc giữa súng và cụng trỡnh. Tớnh toỏn vận chuyển bựn cỏt, diễn biến bói biển Hải Hậu trước và sau khi cú cụng trỡnh chỉ trị.
2.4.1. Giới thiệu mụ hỡnh tớnh biến đổi đường bờ GENES IS
2.4.1.1. Cỏc giả thiết cơ bản của mụ hỡnh:
Trong mụ hỡnh GENESIS trắc diện (profile) của bờ biển khi dịch chuyển về phớa đất liền hay về phớa biển đều khụng thay đổi. Vỡ thế người ta cú thể sử dụng một đường đồng mức để mụ tả sự biến đổi hỡnh dạng và vị trớ của đường bờ, do đú GENESIS cũn gọi là mụ hỡnh “một đường” (one-line model) [10], [57].
Giới hạn dịch chuyển của trắc diện bờ (phớa biển và đất liền) phải được xỏc định rừ ràng và khụng biến đổi theo thời gian. Việc xỏc định giới hạn về phớa đất liền cú thể tiến hành được một cỏch trực tiếp nhưng đối với giới hạn về phớa biển thỡ rất khú khăn vỡ nú cũn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là cỏc quỏ trỡnh thuỷ động lực.
Trong tớnh toỏn suất vận chuyển bựn cỏt, GENESIS coi suất vận chuyển là một hàm của độ cao súng vỡ và hướng dọc theo bờ. Vận chuyển vuụng gúc với bờ khụng được tớnh tới trong mụ hỡnh.
Nờn ỏp dụng mụ hỡnh tớnh cho những khu vực cú quỏ trỡnh diễn biến đường bờ dài hạn để cú thể dự bỏo một cỏch rừ ràng sự biến đổi đường bờ và tỏch riờng những dịch chuyển cú tớnh ngẫu nhiờn và chu kỳ (bóo, cỏc dao động thuỷ triều).
2.4.1.2. Cỏc phương trỡnh cơ bản:
Phương trỡnh cơ bản trong mụ hỡnh GENESIS chủ yếu dựa trờn phương trỡnh bảo toàn thể tớch trầm tớch được thiết lập theo những giả thiết đó được đề cập ở trờn. Sơ đồ tớnh toỏn và cỏc đại lượng được thể hiện qua hai hỡnh 2.13 và 2.14 [10].
Trong đú:
∆x : độ dài đoạn biến đổi dọc theo đường bờ (trục X hướng dọc theo đường bờ) ∆y : độ dài đoạn biến đổi vị trớ đường bờ (trục Y hướng từ bờ ra khơi)
∆t : khoảng thời gian lượng trầm tớch tĩnh đi vào hoặc ra khỏi trắc diện thể tớch DC : độ sõu kết thỳc biến đổi mặt cắt Hỡnh 2.13. Mặt cắt theo phương
ngang
Hỡnh 2.14. Mặt cắt thẳng đứng
(depth closure)
DB : độ cao mặt cắt bói cỏt (đỉnh của gũ cỏt nổi hiện tại ở bói trước)
(chỳ ý rằng cả DC và DB đều được đo từ cựng một mốc vớ dụ như mực nước biển trung bỡnh)
Q : suất vận chuyển trầm tớch,
qs : suất vận chuyển của nguồn từ bờ qo : suất vận chuyển của nguồn từ vựng ngoài khơi,
Thể tớch bựn cỏt biến đổi trong một đoạn được xỏc định là lượng bựn cỏt vào hoặc ra khỏi đoạn đú qua bốn mặt tiết diện với cụng thức cú dạng:
∆ = ∆ ∆ V+
x
y(Dc DB ) (2.24)
Khi cú sự chờnh lệch về suất vận chuyển dọc bờ Q tại mặt bờn của đoạn (cú sự bổ sung thờm lượng bựn cỏt) thỡ thể tớch trầm tớch trong đoạn đang xột sẽ thay đổi và khi đú biến đổi thể tớch tổng cộng được tớnh theo cụng thức:
Một số nguồn bổ sung cú thể đến từ phớa đất liền (q s) hoặc từ phớa biển (qo) làm cho thể tớch trầm tớch cú thể tăng lờn hay giảm đi. Biến đổi thể tớch do nguồn bổ sung được tớnh theo cụng thức: q∆x∆t, trong đú q = qs + qo.
Từ cỏc phương trỡnh (2.24) và (2.25) ta cú được phương trỡnh cõn bằng sau:
∆V = ∆x∆y(Dc + DB ) = (∂Q / ∂x )∆x∆t +
∆q∆x∆t (2.26)
Sắp xếp lại cỏc số hạng và cho ∆t → 0 ta cú phương trỡnh mụ tả tốc độ dịch chuyển vị trớ đường bờ theo thời
gian: ∂y + 1 ∂Q − q = 0 (2.27) ∂t D + D ∂x C B
Như vậy, để giải được phương trỡnh (2.27) thỡ vị trớ ban đầu của đường bờ, cỏc điều kiện biờn và cỏc giỏ trị Q, q, DB và DC cần phải được cho trước. Trong mụ hỡnh GENESIS, suất vận chuyển trầm tớch Q được tớnh dựa trờn phương phỏp dũng năng lượng theo cụng thức sau:
Q = H 2 C a sin 2θ −a cosθ dHbs (2.28) l bs gb 1 bs 2 bs dx
trong đú: Hbs- độ cao súng (m); C gb- vận tốc nhúm súng theo lý thuyết súng tuyến tớnh (m/s
); θbs - gúc súng vỡ tạo với đường bờ địa phương; b- chỉ số thể hiện điều kiện súng đổ.
Cỏc tham số vụ hướng a1 và a2 được cho như sau:
K a1 = ρ 5 (2.29) 1n6m s −1 (1 − ) (1.416 )2 ρ K a2 = ρ 7 (2.30) n8m s − 1(1 − ) (1.416 )2 ρ
với m là độ dốc trung bỡnh của đỏy kộo dài từ đường bờ cho tới độ sõu hoạt động của quỏ trỡnh vận chuyển trầm tớch; K1, K2 được coi như là cỏc tham số để hiệu chỉnh (thụng thường K2 bằng 0,5 ữ 1,0 lần K1, nếu K2 > 1,0K1 thỡ độ bất ổn định số sẽ xuất hiện); ρs là khối lượng riờng của cỏt (2,65.103kg/m3 đối với thạch anh), ρ
1
khối lượng riờng nước biển (1,03.103 kg/m3); n là tớnh thấm của cỏt nền đỏy (lấy
2.4.1.3. Cỏc điều kiện biờn và ràng buộc
GENESIS yờu cầu cung cấp cỏc giỏ trị của Q tại hai phớa (hai cạnh ụ 1 và ụ N + 1) tại mỗi lớp thời gian. Vai trũ quan trọng của điều kiện ở chỗ nú trực tiếp chi phối vị trớ đường bờ tớnh toỏn được trờn lưới sai phõn. Dưới đõy, cỏc điều kiện thường dựng sẽ được xột đến [10].
1) Điều kiện biờn “bói cố định”:
Trước khi chạy mụ hỡnh nờn vạch ra tất cả cỏc đường bờ thực đo, trong nhiều trường hợp ta cú thể phỏt hiện ra 1 đoạn bờ biển khỏ xa khu vực cần tớnh toỏn, mà ở đú đường bờ biến đổi khụng đỏng kể theo thời gian. Cú thể vị trớ biờn của mụ hỡnh tại đõy, và ta núi đường bờ được “ghim cố định”, nếu xột về vận chuyển bựn cỏt thỡ:
Q1 = Q2 , đối với biờn trỏi
QN+1 = QN , đối với biờn phải (2.31)
tại biờn ∆Q = 0 thỡ ∆y = 0; nghĩa là vị trớ đường bờ khụng đổi. Biờn loại này cần được đặt đủ xa cụng trỡnh sao cho vựng gần biờn khụng bị ảnh hưởng bởi những nhiễu động gõy ra bởi cụng trỡnh.
2) Điều kiện biờn cửa ngăn:
Mỏ hàn biển, jetty, đờ chắn súng liền bờ và cỏc mũi đất đúng vai trũ ngăn chặn một phần hoặc toàn bộ dũng vận chuyển cỏt dọc bờ, cú thể được coi là một biờn của mụ hỡnh nếu như một trong hai đầu lưới s ai phõn. Nếu ở trong lưới, cỏc cụng trỡnh đúng vai trũ hạn chế vận chuyển bựn cỏt và được tự động tớnh trong GENESIS.
Cỏc cụng trỡnh được hàm hoỏ dưới dạng bựn cỏt vận chuyển qua nú. Cần xột cả lượng cỏt vào và ra khỏi đoạn lưới cú cụng trỡnh. Do vậy, cụng trỡnh luụn đúng một vai trũ “cỏnh cửa” một chiều, chỉ cho cỏt ra khỏi chứ khụng cho vào đoạn lưới. Vấn đề diễn toỏn điều kiện biờn “dạng cửa” quy về việc biểu diễn bựn cỏt vũng qua đầu cụng trỡnh và qua đỉnh cụng trỡnh.
Hỡnh 2.15. Sơ đồ tớnh toỏn của mụ hỡnh GENESIS
2.4.2. Giới thiệu mụ hỡnh MIKE 21FM
Trong luận ỏn, tỏc giả sử dụng mụ đun liờn hợp, kết hợp 3 mụ đun tớnh súng (Mike21SW), dũng chảy (Mike21HD) và vận chuyển bựn cỏt (Mike21ST). Cỏc mụ đun này đều sử dụng lưới phi cấu trỳc (phần tử tam giỏc khụng đều) phự hợp tốt với cỏc dạng đường bờ và địa hỡnh phức tạp.
2.4.2.1. Cơ sở lý thuyết của mụ đun tớnh súng Mike21 SW
Mike21 SW [76] được ỏp dụng cho việc mụ phỏng và phõn tớch súng với cỏc quy mụ khỏc nhau. Quy mụ nhỏ gắn liền với hệ tọa độ Đề Cỏc, quy mụ lớn gắn liền với hệ tọa độ cầu.
(1)- Cỏc phương trỡnh cơ bản:
Động lực súng trọng lực được mụ tả bởi phương trỡnh truyền tải mật độ tỏc động súng. Phổ mật độ tỏc động súng là hàm của 2 tham số pha súng biến đổi theo thời gian và khụng gian. Mật độ tỏc động súng N (δ ,θ
)
quan hệ với mật độ năng lượng Q(δ ,θ
)
theo biểu thức: N= E δ
gk. kd
Đối với súng lan truyền trờn độ sõu và dũng chảy biến đổi nhỏ thỡ quan hệ giữa tần số gúc tương đối và tần số gúc tuyệt đối ω được xỏc định theo biểu thức tỏn xạ tuyến tớnhtasnahu(:
δ )= = ωk U (2.33)
với: g- gia tốc trọng trường, d- độ sõu, U - vộc tơ vận tốc dũng chảy, Vận tốc nhúm súng
cg cú quan hệ với vận tốc dũng chảy theo biểu thức:
c = ∂ δ = 1 + 2kdδ (2.34) g ∂k 2 1 sinh( 2kd) k
Vận tốc pha súng cú quan hệ với vận tốc dũng chảy bởi biểu thức sau:
c = δ
k
(2.35)
Phổ tần số được giới hạn theo giải tần số từ tần số δ min đến tần số δmax. Phần
trờn tần số ngưỡng của miền xỏc định trước thỡ phần tham số được ỏp dụng.
E(δ ,θ) = E(δ ,θ) θ (2.36) max max
với m là hằng số (trong mụ hỡnh này, m = 5), tần số ngưỡng được xỏc định bởi:
δ cut− off = min (δ , max (2.5δ ,δ )) (2.37)
với δ là tần số trung bỡnh và
δ
PM = g
28U10
là tần số đỉnh phổ Pierson-Moskowitz
đối với súng phỏt triển hoàn toàn, U10 là tốc độ giú ở độ cao 10m so với mực biển trung bỡnh.
(2)- Phương trỡnh bảo toàn tỏc động súng:
Trong phần này, chỉ xột cỏc phương trỡnh đối với hệ tọa độ Đề Cỏc. Phương trỡnh tổng quỏt là phương trỡnh cõn bằng tỏc động súng, cú dạng:
δ
m
∂N +∇.(v.N) = S t (2.38) Trong đ ú, , ,N,(x δ θ t ) là mật độ tỏc động, t là thời gian, x,= (x y ) là tọa độ Đề cỏc, v v( c , =c y ,
cδ , cθ ) là tốc độ lan truyền của nhúm súng, S là số hạng nguồn
δ ∂
trong phương trỡnh cõn bằng năng lượng, ∇ là toỏn tử đạo hàm riờng trong khụng
gian ,xδ ,θ .
Bốn đặc trưng của tốc độ lan truyền được xỏc định bởi:
(c c =, d x U dt= c g + (2.39) c =. dδ δ dt = ∂δ ∂ d ∂ d ∂t +U ∇ d − c x g k ∂U ∂S (2.40) c = d θ = 1 ∂ δ ∂ d + k ∂ U θ dt k ∂d ∂m ∂S (2.41)
trong đú: s là tọa độ khụng gian theo hướng súng θ và m là tọa độ vuụng gúc với s.
∇x là toỏn tử đạo hàm riờng theo hai biến củxa=
(3)- Điều kiện biờn:
x (y , ) .
- Cỏc biờn đất, điều kiện biờn hấp thụ hoàn toàn được ỏp dụng.
- Tại biờn lỏng (biờn mở), cho điều kiện đầu vào của súng (chỉ xột với súng truyền vào miền tớnh, súng truyền từ trong miền tớnh ra ngoài coi như truyền tự do). Phổ năng lượng được xỏc định tại cỏc biờn lỏng.
2.4.2.2. Cơ sở lý thuyết của mụ đun dũng chảy Mike21 HD:
Mụ đun MIKE 21 HD [74] tớnh toỏn dũng chảy hai chiều (2D) bằng phương phỏp phần tử hữu hạn khụng đều để giải hệ phương trỡnh nước nụng 2D. Hệ phương trỡnh nước nụng 2D gồm cú phương trỡnh liờn tục (bảo toàn khối lượng, phương trỡnh chuyển động của chất lỏng (bảo toàn động lượng), và cỏc phương trỡnh khộp kớn khỏc như phương trỡnh nhiệt độ, độ muối, mật độ.
(1)- Phương trỡnh liờn tục: ∂h +∂hU +∂hV = hS (2.42) ∂t ∂x ∂y x y)
với: U, V là cỏc thành phần vận tốc trung bỡnh theo độ sõu của cỏc thành phần vận tốc u, v theo cỏc hướng toạ độ x, y, được xỏc định theo cụng thức: