Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ tới dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ tới dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ" trình bày đánh giá được ảnh hưởng của sóng phản xạ từ mái đê biển đến dòng phản hồi và xói chân đê biển; Mô phỏng xói chân đê biển do dòng phản hồi với ảnh hưởng của sóng phản xạ từ mái đê và ứng dụng tính xói chân đê biển tại Nam Định.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ tới dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG KHU VỰC BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG KHU VỰC BẮC BỘ Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 9580203 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS THIỀU QUANG TUẤN HÀ NỘI, NĂM 2022
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Thị Phương Thảo i
LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Thiều Quang Tuấn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên trong suốt thời gian thực hiện Luận án. Tác giả xin được trân trọng cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp, Phòng Đào tạo, Khoa, Bộ môn về những hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt nhất cho tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình về sự giúp đỡ quý giá và luôn đồng hành cùng tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành Luận án của mình. ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ...........................x MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của luận án ..................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..........................................................................................4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................4 4. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................4 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................................6 7. Cấu trúc luận án .................................................................................................7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN .....................................................................................................8 1.1 Giới thiệu chung .................................................................................................8 1.1.1 Dòng phản hồi và các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ ..................8 1.1.2 Xói chân đê biển ........................................................................................11 1.2 Tổng quan nghiên cứu về dòng phản hồi .........................................................12 1.3 Tổng quan mô hình vận chuyển bùn cát và xói lở ngang bờ ...........................17 1.3.1 Tổng quan mô hình sóng ...........................................................................18 1.3.2 Mô hình vận chuyển bùn cát và hình thái .................................................21 1.4 Tổng quan nghiên cứu về sóng phản xạ...........................................................25 1.5 Tổng quan các nghiên cứu về dòng phản hồi và xói chân đê biển trong bão ở Việt Nam....................................................................................................................28 1.6 Kết luận chương 1 ............................................................................................30 1.6.1 Những vấn đề còn tồn tại ..........................................................................30 1.6.2 Định hướng nghiên cứu của luận án .........................................................31 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ HÌNH HOÁ DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN ............................................................................................33 2.1 Giới thiệu chung ...............................................................................................33 2.2 Ảnh hưởng của phản xạ sóng do công trình đến dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát........................................................................................................................33 iii
2.2.1 Cơ sở xác định hệ số phản xạ và biến đổi chiều cao sóng trước chân công trình 34 2.2.2 Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi .....................................37 2.2.3 Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến nồng độ bùn cát ..................................40 2.3 Xây dựng mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu dòng phản hồi và xói chân đê biển 42 2.3.1 Mục tiêu và điều kiện thực hiện thí nghiệm ..............................................42 2.3.2 Lựa chọn tiêu chuẩn tương tự và tỉ lệ mô hình .........................................43 2.3.3 Thiết kế thí nghiệm và bố trí thiết bị đo đạc .............................................46 2.3.4 Kịch bản thí nghiệm ..................................................................................49 2.3.5 Thực hiện mô hình ....................................................................................51 2.4 Phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng dòng phản hồi và xói bồi chân đê biển 56 2.4.1 Giới thiệu chung ........................................................................................56 2.4.2 Những vấn đề cập nhật trong mô hình Wadibe-TC ..................................56 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................57 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG ..................................................................................................58 3.1 Giới thiệu chung ...............................................................................................58 3.2 Phân tích các kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý .....................................58 3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc dòng phản hồi ..........................................................58 3.2.2 Phân tích đánh giá ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi .......63 3.2.3 Phân tích kết quả quan trắc xói chân đê trên mô hình lòng động .............66 3.2.4 Nhận xét kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng ...................72 3.3 Kết quả phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng cấu trúc dòng phản hồi và xói bồi chân đê biển ...................................................................................................74 3.3.1 Phát triển cập nhật mô hình toán Wadibe-TC ...........................................74 3.3.2 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định module sóng .........................................74 3.3.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định module dòng chảy ................................ 78 3.3.4 Kết quả kiểm định module vận chuyển bùn cát và xói chân đê biển ........91 3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................................98 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH ................................................................................................100 iv
4.1 Giới thiệu chung .............................................................................................100 4.2 Tổng quan khu vực ven biển Nam Định ........................................................100 4.2.1 Điều kiện biên tự nhiên khu vực Nam Định ...........................................100 4.2.2 Đặc điểm hệ thống đê biển Nam Định ....................................................101 4.3 Kiểm định mô hình toán cho vùng ven biển Nam Định ................................104 4.4 Mô phỏng một số kịch bản xói chân đê biển Nam Định ...............................105 4.4.1 Xây dựng kịch bản ..................................................................................106 4.4.2 Kết quả mô phỏng xói chân đê ................................................................107 4.5 Một số đề xuất giảm xói chân đê trong bão ...................................................112 4.6 Kết luận chương 4 ..........................................................................................113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................114 1. Những kết quả đạt được .................................................................................114 2. Những đóng góp mới của luận án ..................................................................115 3. Tồn tại và hướng phát triển ............................................................................116 4. Kiến nghị ........................................................................................................116 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................119 PHỤ LỤC ........................................................................................................................1 v
DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH Hình 1 Sự cố của đoạn đê Nam Định và Đồ Sơn do bão Doksuri 9.2017 (nguồn: tác giả, NamDinh TV) ..................................................................................................................2 Hình 2. Xói lở trước chân đê và sạt lở mái đê, mái và chân gốc kè mỏ hàn sau trận bão Damrey 7/2005 tại Nam Định [3] [4] ..............................................................................3 Hình 3 Cấu trúc của Luận án ...........................................................................................7 Hình 1-1 Ảnh hưởng của đê tường đứng đến bãi [5] ......................................................8 Hình 1-2 Sơ họa phân bố dòng chảy và nồng độ bùn cát vùng sóng vỡ [18] ...............11 Hình 1-3 Phân bố hệ số xáo trộn bùn cát [1] .................................................................23 Hình 1-4 Bảo toàn thể tích bùn cát [77] ........................................................................24 Hình 1-5 Nội dung nghiên cứu luận án .........................................................................32 Hình 2-1Mật độ phương sai của sóng, dòng chảy và hiệp phương sai của sóng và dòng chảy................................................................................................................................ 36 Hình 2-2 Phân bố ứng suất tiếp theo độ sâu [108] ........................................................38 Hình 2-3 Phân bố ứng suất trung bình và vận tốc [108] ...............................................38 Hình 2-4 Các thành phần trong cấu trúc dòng chảy [19] ..............................................39 Hình 2-5 Nguyên lý tính toán vận chuyển bùn cát lơ lửng [1]......................................40 Hình 2-6 Hệ số xáo trộn [19] .........................................................................................41 Hình 2-7. Mô hình thí nghiệm lòng cứng ......................................................................47 Hình 2-8. Mô hình lòng động với mái đê m=4 và độ dốc bãi 1/100 .............................49 Hình 2-9. Thực hiện thí nghiệm mô hình kết cấu đê cao không tràn ............................52 Hình 2-10. Thực hiện mô hình kết cấu đê thấp không thường đỉnh .............................52 Hình 2-11. Thực hiện thí nghiệm mô hình kết cấu đê thấp có tường đỉnh ...................52 Hình 2-12. Hiển thị kết quả đo sóng và vận tốc dòng chảy tại một điểm .....................53 Hình 2-13. Mô hình thực hiện trong máng sóng với các kịch bản kết cấu đê, độ đôc bãi 1/100 ..............................................................................................................................54 Hình 2-14. Mô hình thực hiện trong máng sóng với các kịch bản kết cấu đê, độ dốc bãi 1/40 ................................................................................................................................ 55 Hình 2-15. Địa hình trước và sau khi chạy sóng – độ dốc bãi 1/100 ............................55 Hình 2-16. Địa hình trước và sau khi chạy sóng – độ dốc bãi 1/40 ..............................55 Hình 3-1. Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D65H15T19 59 Hình 3-2. Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D65H17T16 59 Hình 3-3. Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D70H15T19 59 vi
Hình 3-4. Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D70H19T165 .......................................................................................................................................60 Hình 3-5. Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D65H15T19 ...................................................................................................................61 Hình 3-6. Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D65H17T16 ...................................................................................................................62 Hình 3-7. Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D70H15T19 ...................................................................................................................62 Hình 3-8. Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D70H19T165 .................................................................................................................62 Hình 3-9 Phân bố hệ số phản xạ Kr theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình .......................................................................................................................63 Hình 3-10 Tỷ số giữa chiều cao sóng tổng và chiều cao sóng tới Hm0,x/Hm0i,x thay đổi theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình ..................................63 Hình 3-11 Phân bố hệ số phản xạ Kr cục bộ theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình .....................................................................................................64 Hình 3-12 Kết quả phân tích hồi quy hàm phân bố Fx (x/L) ........................................65 Hình 3-13 So sánh giữa kết quả tính toán và đo đạc hệ số phản xạ sóng Kr,x ..............66 Hình 3-14. So sánh độ sâu lớn nhất tương đối giữa đê thấp có và không có tường đỉnh .......................................................................................................................................69 Hình 3-15 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ đến độ sâu hố xói lớn nhất tương đối ..........70 Hình 3-16 Ảnh hưởng của lưu lượng sóng tràn đến độ sâu hố xói ...............................70 Hình 3-17 Ảnh hưởng của độ sâu nước tương đối đến độ sâu hố xói ...........................71 Hình 3-18 Tương quan chỉ số sóng vỡ với độ sâu hố xói lớn nhất ...............................72 Hình 3-19 Dữ liệu đầu vào module thuỷ lực của mô hình Wadibe-TC ........................74 Hình 3-20. Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê cao không tràn .......................................................................................................................................76 Hình 3-21. Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê thấp không tường đỉnh ................................................................................................................................ 76 Hình 3-22. Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê thấp có tường đỉnh ................................................................................................................................ 77 Hình 3-23. Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê cao không tràn ..............................80 Hình 3-24. Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê thấp không tường đỉnh .................81 Hình 3-25. Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê thấp có tường đỉnh........................81 Hình 3-26. Kết quả mô phỏng kịch bản 1- D65H15T19_CW0 ....................................83 Hình 3-27. Kết quả mô phỏng kịch bản 2 - D65H17T16_CW0 ...................................84 vii
Hình 3-28. Kết quả mô phỏng kịch bản 3- D70H15T19_CW0 ....................................84 Hình 3-29. Kết quả mô phỏng kịch bản 4 – D70H19T165_CW0 .................................85 Hình 3-30. Kết quả mô phỏng kịch bản 5- D65H15T19_TW0.....................................86 Hình 3-31. Kết quả mô phỏng kịch bản 6- D65H17T16_TW0.....................................86 Hình 3-32. Kết quả mô phỏng kịch bản 7- D70H15T19_TW0.....................................87 Hình 3-33. Kết quả mô phỏng kịch bản 8- D70H19T165_TW0...................................87 Hình 3-34. Kết quả mô phỏng kịch bản 9- D65H15T19_TW10...................................88 Hình 3-35. Kết quả mô phỏng kịch bản 10 - D65H17T16_TW10................................ 89 Hình 3-36. Kết quả mô phỏng kịch bản 11- D70H15T19_TW10.................................89 Hình 3-37. Kết quả mô phỏng kịch bản 12 – D70H19T165_TW10 .............................90 Hình 3-38. Mô hình hóa các kịch bản ...........................................................................92 Hình 3-39 Kết quả mô phỏng xói chân đê cao không tràn ............................................93 Hình 3-40 Kết quả mô phỏng xói chân đê thấp không tường đỉnh ...............................94 Hình 3-41 Kết quả mô phỏng xói chân đê thấp có tường đỉnh .....................................95 Hình 3-42 Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ - Đê cao .......................................................................................................................................96 Hình 3-43. Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ-Đê thấp không tường đỉnh ...........................................................................................................97 Hình 3-44. Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ-Đê thấp có tường đỉnh .................................................................................................................98 Hình 4-1 Thống kê bão đến khu vực nghiên cứu [118] ..............................................100 Hình 4-2 Thống kê chiều cao sóng Wavewatch III .....................................................101 Hình 4-3 Kết cấu đê biển điển hình ở khu vực Nam Định [89] ..................................103 Hình 4-4 Thiết lập mô hình xói chân đê Thịnh Long ..................................................105 Hình 4-5 Kết quả kiểm định xói chân đê biển Thịnh Long – bão Damrey 9/2005 .....105 Hình 4-6 Ảnh hưởng của chiều cao sóng đến kích thước hố xói chân đê ...................108 Hình 4-7 Ảnh hưởng của độ sâu nước đến kích thước hố xói chân đê .......................108 Hình 4-8 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng đến kích thước hố xói chân đê .......................108 Hình 4-9 So sánh chiều sâu hố xói lớn nhất ứng với sự thay đổi của Kr0 ...................109 Hình 4-10 Kết quả mô phỏng hố xói chân đê với giải pháp thảm đá rộng 3-6m ........111 Hình 4-11 Kết quả mô phỏng hố xói chân đê với giải pháp kè mỏ hàn dài 35-70m ..112 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1. Tỉ lệ của một số đại lượng vật lý cơ bản theo tiêu chuẩn Froude [102] ......44 Bảng 2-2. Các kịch bản của mô hình lòng cứng............................................................50 Bảng 2-3. Kịch bản thí nghiệm với mô hình lòng động ................................................50 Bảng 3-1. Số liệu biên sóng và mực nước .....................................................................75 Bảng 3-2. Các tham số được hiệu chỉnh ........................................................................75 Bảng 3-3 Các kịch bản mô phỏng .................................................................................92 Bảng 4-1 Thống kê hiện trạng đê biển Nam Định [119] .............................................102 Bảng 4-2 Thống kê chiều cao sóng theo chu kỳ sóng từ số liệu Wavewatch III ........106 Bảng 4-3 Điều kiện thuỷ lực ảnh hưởng chiều sâu hố xói lớn nhất ............................108 Bảng 4-4 Ảnh hưởng của kết cấu đê biển đến chiều sâu hố xói lớn nhất ...................110 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ 1. Danh mục các từ viết tắt NL tỉ lệ dài SWL Still water level – mực nước tĩnh CG Current gauge – Vị trí đo dòng chảy WG Wave gauge – Vị trí đo sóng DxHyTz tên kịch bản ứng với độ sâu nước D là x (cm), chiều cao sóng H là y(cm)và chu kỳ đỉnh phổ T là z(10-1s) CW0 - Đê cao, chiều cao tường đỉnh =0cm TW0 - Đê thấp, chiều cao tường đỉnh = 0 TW10 - Đê thấp, chiều cao tường đỉnh =10cm Wadibe -TC (Wave, dike and beach – Time dependent Cross-shore) – Mô hình sóng, đê và bãi – ngang bờ theo thời gian 2. Giải thích các thuật ngữ Dòng phản hồi (undertow) là dòng chảy vuông góc với bờ hướng ra phía biển ở dưới chân sóng Độ sâu nước tương đối là tỷ số giữa độ sâu nước cục bộ với chiều dài sóng (d/L) Mô hình lòng cứng – fixed bed model là mô hình vật lý thực hiện mô phỏng chuyển động của chất lỏng mà không làm thay đổi địa hình lòng dẫn, thường dùng để nghiên cứu sóng, dòng chảy Mô hình lòng động – mobile bed model là mô hình vật lý thường dùng để nghiên cứu vận chuyển bùn cát và sự thay đổi địa hình lòng dẫn x
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Vùng ven biển Việt Nam thường xuyên chịu tác động của thiên tai như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, triều cường, nước biển dâng… đặc biệt trong những năm gần đây xu hướng các hiện tượng cực đoan này xảy ra ngày càng gia tăng cả về tần suất và cường độ làm ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế, xã hội, cuộc sống của những người dân ven biển. Do đó hệ thống đê biển luôn được chú trọng xây dựng, duy tu, kiên cố và nâng cấp hàng năm nhằm bảo vệ vùng đất sau đê khỏi bị ngập lụt dưới tác động từ phía biển. Đây là giải pháp công trình biển khá phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đã và đang thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu để hệ thống đê kè biển làm việc ổn định lâu dài, hiệu quả, nhất là trong điều kiện cực trị nhằm hạn chế những tác động bất lợi dẫn đến các cơ chế hư hỏng đê. Một trong các cơ chế hư hỏng đó là xói lở bãi trước và xói chân đê cần được đặc biệt nghiên cứu của khoa học biển hiện nay. Khi bão lớn đổ bộ vào vùng ven bờ, do gió mạnh và chênh lệch áp suất trong bão làm mực nước dâng cao, sóng lớn tiến vào gần đê hơn, đào bới bùn cát và đồng thời tạo ra trường dòng chảy có tốc độ lớn vận chuyển bùn cát đi, gây xói lở bờ biển. Trường dòng chảy ven bờ và các quá trình năng lượng trong đới sóng vỡ có ảnh hưởng quyết định đến các hiện tượng như suy giảm chiều cao sóng, vận chuyển bùn cát và khuếch tán các vật chất xảy ra do sóng vỡ. Khi sóng vỡ, chuyển động sóng biến thành chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau. Dưới ảnh hưởng của chuyển động rối do sóng vỡ tạo nên, chuyển động của chất lỏng trong vùng sóng vỡ vô cùng phức tạp, biến đổi mạnh theo cả không gian và thời gian. Trong đó, có sự xuất hiện của dòng chảy vuông góc với bờ hướng ra phía biển ở dưới chân sóng, được gọi là dòng phản hồi. Dựa trên những nghiên cứu định lượng về trường dòng chảy ngang bờ có thể giải thích định lượng được hướng vận chuyển bùn cát, nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các cồn ngầm ở bãi trước và xói chân công trình đê biển. Theo các tài liệu nghiên cứu, điều tra khảo sát thực địa cho thấy hầu hết các trường hợp sự cố ven bờ biển như: xói chân đê, sạt lở, hỏng mái, vỡ đê kè biển thường xảy ra trong thời kỳ bão hoạt động. Xói lở xảy ra do ảnh hưởng của bão được xem là xói ngắn hạn 1
và là nhiễu động tạm thời trong quá trình biến đổi mặt cắt ngang bờ dài hạn, bởi điều kiện thuỷ động lực trung bình có xu thế phân bố lại dạng mặt cắt sau bão [1]. Tuy nhiên khối lượng xói lở ngắn hạn trong bão có thể dẫn đến vấn đề trầm trọng đặc biệt là xói chân đê gây hư hỏng, mất an toàn của công trình đê biển như vỡ đê và có thể gây rủi ro ngập lụt [2]. Hình 1 và Hình 2 là ví dụ điển hình về hư hỏng mái đê và xói chân đê biển ở Nam Định, Hải Phòng do ảnh hưởng của sóng lớn trong bão Doksuri 9-2017 và bão Damrey 7-2005. Từ Hình 1a,b có thể thấy ngoài sóng tràn gây xói lở mái trong của đê còn thấy rõ được sự tương tác giữa sóng và tường đỉnh tạo ra sóng bắn lên cao. Dưới tác dụng của gió bão làm cho sóng bắn hướng về phía mái trong đê tạo ra lượng gia tăng của sóng tràn qua đê. Ảnh hưởng của sóng bão làm mất ổn định tường đỉnh và bị vỡ như Hình 1c. a. b. c. d. e. f. Hình 1 Sự cố của đoạn đê Nam Định và Đồ Sơn do bão Doksuri 9.2017 (nguồn: tác giả, NamDinh TV) 2
Ngoài những con sóng lớn tràn qua đê còn có những con sóng bị vỡ, trút năng lượng sóng ngay sát chân đê hay trên mái ngoài công trình đê, kè gây mất ổn định cấu kiện bảo vệ mái ngoài (Hình 1d,e, Hình 2b,c), sự hình thành dòng chảy mạnh do sóng có thể mang những vật liệu trên mái kè đi nơi khác làm hư hỏng sạt lở mái kè như Hình 1b, có rất nhiều cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ mái đê bị sóng vận chuyển lên mặt đê. Hoạt động của sóng bão lớn tạo ra sóng vỡ ở bãi trước và ngay sát chân đê, kè gây ra các chuyển động rối làm khuấy động bùn cát lơ lửng, thậm chí các vật liệu chèn bảo vệ ống buy ở chân kè biển cũng bị trôi đi như Hình 1d,e,f. Trên Hình 2a là kết quả đo đạc thực tế mặt cắt ngang trước và sau bão Damrey 2005 tại Nam Định của Viện cơ học và hình ảnh bãi trước chân đê bị hạ thấp, độ sâu xói chân đê sau cơn bão lên tới 1m, gây nên mất ổn định cho toàn bộ công trình. a. b. c. Hình 2. Xói lở trước chân đê và sạt lở mái đê, mái và chân gốc kè mỏ hàn sau trận bão Damrey 7/2005 tại Nam Định [3] [4] Từ những phân tích trên cho thấy ảnh hưởng của sóng bão đến sự an toàn của đê biển là rất nghiêm trọng bởi trong bão, mực nước dâng cao, sóng tới lớn, vận chuyển bùn cát nhiều và đặc biệt xảy ra vào thời kỳ triều cường là các yếu tố động lực quan trọng gây uy hiếp sự an toàn của đê biển đặc biệt là vấn đề xói chân đê biển. Tùy thuộc vào sự 3
tương tác giữa tải trọng của các yếu tố thủy động lực học với địa hình và kết cấu công trình đê biển mà năng lượng sóng bão và dòng chảy tác động gây ra mức độ xói bãi trước và chân đê cũng như mức độ hư hỏng của đê khác nhau. Rất nhiều nghiên cứu và thực tế đã chỉ ra rằng mỗi loại kết cấu công trình có ảnh hưởng nhất định đến kích thước hố xói chẳng hạn như tường đứng cho độ sâu hố xói lớn hơn so với kè mái nghiêng mà một trong những nguyên nhân gây ra sự khác nhau của kích thước hố xói đó là bởi phản xạ sóng từ các dạng kết cấu mái khác nhau. Kết cấu đê biển mái nghiêng điển hình ở vùng ven biển Bắc Bộ ảnh hưởng như thế nào đến xói chân đê biển thông qua sóng phản xạ cho đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ và đây là vấn đề nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn giúp cho các nhà thiết kế, quản lý có thể tính toán dự báo được các tác động và đưa ra những giải pháp hỗ trợ phù hợp cho sự an toàn của đê biển. Do đó, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ” được lựa chọn để nghiên cứu trong Luận án này. 2. Mục tiêu nghiên cứu + Đánh giá được ảnh hưởng của sóng phản xạ từ mái đê biển đến dòng phản hồi và xói chân đê biển; + Mô phỏng xói chân đê biển do dòng phản hồi với ảnh hưởng của sóng phản xạ từ mái đê và ứng dụng tính xói chân đê biển tại Nam Định. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Dòng phản hồi và xói chân công trình đê biển mái nghiêng dưới tác động của sự tương tác giữa sóng bão với mái đê thông qua sóng phản xạ. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Xói chân đê do cơ chế dòng phản hồi cho hệ thống đê biển mái nghiêng vùng ven biển Bắc Bộ 4. Nội dung nghiên cứu Nội dung chính của Luận án bao gồm các phần như sau: 4
 Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu mái công trình đê biển đến phân bố sóng phản xạ và đặc trưng cấu trúc của dòng phản hồi theo mặt cắt ngang trong bão bằng việc thiết lập mô hình vật lý lòng cứng trong máng sóng;  Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu mái công trình đê biển đến xói chân đê biển bằng mô hình vật lý lòng động;  Phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng dòng phản hồi và xói chân đê có xét đến ảnh hưởng của kết cấu mái công trình đê biển và kiểm định bằng số liệu thí nghiệm ứng với các điều kiện nghiên cứu trong máng sóng và ứng dụng nghiên cứu đối với vùng biển Nam Định. Với nội dung nghiên cứu trên, Luận án trả lời 4 câu hỏi: 1) Hệ số phản xạ sóng thay đổi như thế nào trên mặt cắt ngang bãi ứng với các cấu trúc đê biển mái nghiêng? 2) Sóng phản xạ ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc của dòng phản hồi và vận tốc dòng chảy trung bình? 3) Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến vận chuyển bùn cát và xói lở chân đê diễn ra như thế nào? 4) Ứng dụng các nội dung nghiên cứu cho khu vực cụ thể ở Nam Định cho kết quả như thế nào? 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1. Cách tiếp cận Cách tiếp cận được áp dụng trong Luận án: Quan sát hiện trạng thực tế vấn đề xói chân đê dọc ven biển Bắc Bộ, tiến hành tổng hợp, phân tích và kế thừa những công trình nghiên cứu đã thực hiện trên thế giới và trong nước. Từ đó đưa ra những khía cạnh khoa học chưa được nghiên cứu kỹ và ứng dụng nghiên cứu trong điều kiện thực tế của Việt Nam. Sau đó áp dụng các phương pháp có thể để tìm hiểu sâu hơn, giải thích rõ hơn và tính toán mô phỏng định lượng đối tượng nghiên cứu. 5.2 Phương pháp nghiên cứu 5
Để đạt được mục tiêu trên, Luận án sử dụng tổng hợp một số phương pháp nghiên cứu sau đây: - Phương pháp thống kê: Tổng hợp và phân tích các tài liệu đã có nhằm tổng kết và kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về dòng chảy trong vùng sóng vỡ nói chung và dòng phản hồi nói riêng, vận chuyển bùn cát ngang bờ và sự thay đổi địa hình đáy trong bão. - Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng ứng với các điều kiện khác nhau để mô phỏng cấu trúc dòng phản hồi và quá trình vận chuyển bùn cát khu vực chân kè biển ứng với các kịch bản khác nhau. - Phương pháp mô hình toán: Phát triển có kế thừa mô hình toán học Wadibe-TC mô phỏng dòng phản hồi và diễn biến xói chân kè trong bão trong điều kiện nghiên cứu, kết hợp với kết quả mô hình vật lý để kiểm nghiệm. - Phương pháp chuyên gia: Thực hiện công tác xin ý kiến đóng góp của các chuyên gia trong lĩnh vực biển về hướng nghiên cứu, phương pháp thực hiện và kết quả nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Mặc dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề dòng chảy và xói lở ngang bờ, nhưng diễn biến cơ chế của hiện tượng này rất phức tạp và rất khó để dự tính, dự báo chính xác được với những điều kiện biên luôn biến động và hiếm số liệu đo đạc thực tế. Chính vì vậy đây là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng dụng vào thực tế cao. 6.1. Ý nghĩa khoa học - Đóng góp về mặt khoa học đối với các nghiên cứu ảnh hưởng của công trình đê biển mái nghiêng đến phân bố sóng phản xạ và dòng phản hồi trên mặt cắt ngang trong điều kiện bão; - Đóng góp về mặt khoa học đối với nghiên cứu diễn biến xói lở chân kè dưới ảnh hưởng của kết cấu công trình đê biển mái nghiên điển hình ở Việt Nam thông qua việc tính toán ảnh hưởng của sóng phản xạ; - Đóng góp về mặt khoa học đối với công cụ mô hình toán nhằm dự tính, phân tích thủy động lực học và xói chân đê, kè biển do sóng bão tốt hơn. 6
6.2. Ý nghĩa thực tiễn - Ứng dụng nghiên cứu này cho bài toán thực tế có thể cho phép đánh giá, dự tính định lượng xác thực hơn lượng vận chuyển bùn cát ngang bờ và xói lở chân kè trong cơn bão do dòng phản hồi chi phối. Nội dung nghiên cứu này có thể là cơ sở cho việc thiết kế, xây dựng các giải pháp bảo vệ bờ bãi, chân công trình biển phù hợp nhất; - Là cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo về vận chuyển bùn cát ven bờ. 7. Cấu trúc luận án Với những mục tiêu và phương pháp như trên, cấu trúc nội dung của Luận án được trình bày trong các chương như Hình 3. Ngoài phần mở đầu giới thiệu tổng quát về Luận án và phần kết luận, kiến nghị, Luận án được trình bày trong 4 chương. Chương 1 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về dòng phản hồi và xói chân đê biển từ đó đề xuất ra hướng nghiên cứu cho Luận án. Cơ sở khoa học và thiết lập mô hình vật lý cũng như mô hình toán nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát, biến đổi địa hình ngang bờ được thể hiện trong chương 2. Những kết quả nghiên cứu của Luận án về sóng phản xạ, dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng được nêu trong chương 3. Chương 4 là phần ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán mô phỏng cho trường hợp cụ thể xói chân đê biển Nam Định. Phần mở đầu Đê biển mái Mô hình Điều kiện nghiêng sóng bão C1. Tổng quan nghiên cứu dòng phản hồi do sóng và xói chân đê biển Sóng phản xạ C2. Cơ sở khoa học mô hình hoá dòng phản hồi do sóng và xói chân kè Dòng phản hồi Từ khóa: C3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi và xói Hệ số xáo trộn chân đê biển mái nghiêng bùn cát C4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán xói chân đê biển Nam Định Xói chân đê Kết luận và kiến nghị Hình 3 Cấu trúc của Luận án 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN 1.1 Giới thiệu chung Chuyển động của các phần tử nước trong sóng làm khuấy động bùn cát, dịch chuyển theo dòng chảy và lượng vận chuyển bùn cát tăng lên do sự có mặt của sóng. Chương này trình bày tổng quan các nghiên cứu đã thực hiện về sóng, dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát, xói bồi trước chân đê biển. Từ đó đưa ra những vấn đề nghiên cứu tiếp theo trong Luận án. 1.1.1 Dòng phản hồi và các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ Có rất nhiều yếu tố chi phối sự hình thành dòng chảy ven bờ nói chung và dòng phản hồi nói riêng cũng như vận chuyển bùn cát gồm thủy triều, sóng, gió, đặc điểm thủy vực, đặc điểm của bão, đặc điểm bùn cát… Trong phần này giới thiệu tổng quát về cơ chế vật lý hình thành dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát ngang bờ dẫn đến xói chân đê biển do sóng. 1.1.1.1 Dòng phản hồi Dòng phản hồi là dòng chảy trung bình hướng ra biển, ở phía dưới mực nước chân sóng trong vùng sóng vỡ [7]. Dòng phản hồi được xem như là một trong những lực chính chi phối vận chuyển bùn cát ra xa bờ, hình thành các cồn cát, xói lở bãi biển và xói lở đê kè biển khi có bão. Để giải thích cơ chế hình thành dòng này cần xuất phát từ các lực làm dịch chuyển các phần tử nước trong chuyển động sóng như dưới đây. Theo Stive and Wind (1996) và Svendsen (1984), dòng phản hồi được hình thành do sự mất cân bằng theo phương thẳng đứng giữa thông lượng động lượng biến đổi theo độ sâu và gradient áp suất đồng nhất theo độ sâu do sự dâng nước bởi sóng. Hay nói cách khác thì dòng phản hồi là dòng chảy hướng ra biển ở phần dưới cột nước khi đền bù cho thông lượng khối lượng hướng vào bờ ở phía trên mực nước chân sóng [8] [9] [10]. Trước khi vào vùng sóng vỡ, các phần tử nước chuyển động tiến và lui theo chuyển động quỹ đạo sóng, năng lượng sóng bị tiêu tán ít, nhưng đến độ sâu nước bằng nhỏ hơn hoặc bằng khoảng 1,25 lần chiều cao sóng thì quá trình sóng vỡ diễn ra làm tiêu hao 8