Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh" trình bày tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển và kết cáu rỗng trong công trình biển; Nghiên cứu cơ sở đề xuất mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh và ảnh hưởng của kết cấu đến sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng; Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho đê biển Nhà Mát tỉnh Bạc Liêu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHAN ĐÌNH TUẤN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG VÀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH 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 PHAN ĐÌNH TUẤN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG VÀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 958 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS Trần Đình Hòa 2. PGS.TS Nguyễn Bá Quỳ 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 đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Phan Đình Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Có được kết quả nghiên cứu như hôm nay ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Trần Đình Hòa, PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ, TS. Trần Văn Thái đã hướng dẫn tận tình. Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Thành Công, GS.TS. Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Trần Thanh Tùng, PGS.TS. Lê Hải Trung, ThS. Nguyễn Thanh Tâm đã tận tình giúp đỡ mọi mặt trong quá trình tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo, Bộ môn Công trình Biển và Đường thủy, khoa Công trình và các Thầy, Cô đã giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án. Tác giả xin được cảm ơn Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc Gia về Động lực học sông biển, Viện Thủy công, Trung tâm công trình đồng bằng ven Biển và Đê điều và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án. ii
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..........................................................................................3 4. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................3 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...........................................................................4 7. Cấu trúc của luận án ...........................................................................................4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN VÀ CÁC KẾT CẤU RỖNG TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN ...........................................................................5 1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ....................................................5 1.1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới ............................................5 1.1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam ...........................................13 1.2 Tổng quan kết cấu rỗng trong công trình biển .................................................17 1.2.1 Tổng quan các công trình sử dụng kết cấu rỗng .......................................17 1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu kết cấu rỗng....................................................21 1.3 Hiện trạng và tồn tại đê biển khu vực đồng bằng sông Cửu Long ..................29 1.4 Kết luận chương 1 ............................................................................................31 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU .......................33 2.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu sóng tràn ..............................................................33 2.1.1 Các loại tràn ..............................................................................................33 2.1.2 Các tham số chi phối sóng tràn .................................................................34 2.1.3 Các tham số sóng ......................................................................................35 2.2 Phương pháp tính sóng tràn qua các mặt cắt đặc trưng ...................................36 2.2.1 Phương pháp tính sóng tràn mái nghiêng và mái nghiêng có tường đỉnh 37 2.2.2 Phương pháp tính sóng tràn qua mặt cắt tường biển .................................37 2.3 Cơ sở lý thuyết về thí nghiệm mô hình vật lý ..................................................37 2.3.1 Lý thuyết tương tự và tỷ lệ mô hình ..........................................................38 2.3.2 Cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích thứ nguyên ............................40 2.3.3 Phân tích thứ nguyên xác định các tham số chi phối để xây dựng phương trình tổng quát xác định lưu lượng tràn .................................................................41 iii
2.3.4 Thiết lập phương trình tổng quát về sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) .............................................................................43 2.4 Cơ sở lựa chọn các tham số và kịch bản thí nghiệm........................................46 2.4.1 Lựa chọn loại mặt cắt nghiên cứu .............................................................46 2.4.2 Lựa chọn độ sâu nước và độ dốc bãi thí nghiệm ......................................47 2.4.3 Lựa chọn thông số sóng thí nghiệm ..........................................................49 2.5 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm .............................................................50 2.5.1 Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc ................................................50 2.5.2 Bố trí thí nghiệm .......................................................................................55 2.6 Các phương án thí nghiệm ...............................................................................59 2.7 Kết luận chương 2 ............................................................................................62 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU ĐẾN SÓNG TRÀN BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG ...............................64 3.1 Cơ sở đề xuất mặt cắt đê biển có kết cấu rỗng trên đỉnh .................................64 3.1.1 Đánh giá sóng tràn qua các mặt cắt thí nghiệm ........................................64 3.1.2 Đánh giá sóng phản xạ qua các mặt cắt thí nghiệm ..................................69 3.2 Đánh giá xu thế sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) so với phương pháp tính toán sóng tràn qua mặt cắt tường biển hỗn hợp .....70 3.3 Đánh giá ảnh hưởng của các tham số chi phối ................................................72 3.3.1 Tương quan độ cao lưu không và lưu lượng tràn ......................................75 3.3.2 Tương quan độ sâu nước, độ dốc sóng và lưu lượng tràn .........................76 3.3.3 Tương quan hệ số rỗng bề mặt và lưu lượng tràn .....................................77 3.4 Xây dựng công thức thực nghiệm ....................................................................78 3.5 So sánh kết quả tính với số liệu đo đạc ............................................................80 3.6 Phạm vi ứng dụng công thức thực nghiệm của luận án ...................................82 3.7 Kết luận chương 3 ............................................................................................82 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO ĐÊ BIỂN NHÀ MÁT TỈNH BẠC LIÊU ............................................................................84 4.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu.........................................................................84 4.1.1 Vị trí địa lý và điều kiện địa hình ..............................................................84 4.1.2 Điều kiện địa chất ......................................................................................84 4.1.3 Điều kiện khí tượng ...................................................................................85 iv
4.1.4 Điều kiện thủy hải văn ..............................................................................86 4.2 Các điều kiện biên thiết kế ...............................................................................90 4.2.1 Cấp công trình và tần suất thiết kế ............................................................90 4.2.2 Điều kiện biên ...........................................................................................91 4.3 Thông số kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh tính toán ..............................................94 4.4 Tính toán cao trình đỉnh mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) 95 4.4.1 Công thức tính toán sóng tràn qua mặt cắt đê có TSD .............................95 4.4.2 Kiểm tra tính phù hợp công thức so với điều kiện biên ............................96 4.4.3 Thiết lập bảng tính toán sóng tràn .............................................................96 4.4.4 Phương pháp tính ......................................................................................98 4.5 Tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt hiện trạng..............................................99 4.5.1 Thông số mặt cắt, điều kiện biên tính toán ...............................................99 4.5.2 Công thức xác định .................................................................................100 4.6 Phân tích, đánh giá hiệu quả mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) so với mặt cắt đê biển hiện trạng ..................................................................102 4.7 Kết luận chương 4 ..........................................................................................103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................104 I. Kết luận .............................................................................................................104 II. Tồn tại và hướng phát triển ............................................................................105 III. Kiến nghị ........................................................................................................106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................109 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 : Phối cảnh không gian đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh .........................2 Hình 1.1: Dữ liệu sóng tràn ảnh hưởng các tham số mặt cắt ..........................................9 Hình 1.2: So sánh công thức tính cho vùng nước sâu của Franco và cộng sự (1994) [12] với Allsop (1995) [13] ...................................................................................................10 Hình 1.3: So sánh công thức tính cho vùng nước nông của Franco và cộng sự (1994) với Allsop et al. (1995) ........................................................................................................10 Hình 1.4: Tổng quan về các chế độ sóng tràn qua công trình tường đứng ...................12 Hình 1.5: Sơ đồ tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt tường biển .................................13 Hình 1.6: Công trình đê chắn sóng tại cảng Miyazaki ..................................................17 Hình 1.7: Đê tiêu sóng dạng bán nguyệt tại Thiên Tân Trung Quốc [22] ....................18 Hình 1.8: Đê tiêu sóng dạng bán nguyệt tại Dương Tử Trung Quốc ............................19 Hình 1.9: Đê trụ rỗng giảm sóng xa bờ bảo về đê biển Nhà Mát ..................................19 Hình 1.10: ĐGS dạng trụ rỗng bảo vệ bờ biển xã Khánh Bình Tây huyện Trần Văn Thời sau khi được tu bổ, chỉnh sửa ........................................................................................20 Hình 1.11: Cấu kiện rỗng bê tông cốt phi kim đúc sẵn hình thang cân ........................20 Hình 1.12: Cấu kiện rỗng bê tông cốt phi kim đúc sẵn hình hộp chữ nhật ...................20 Hình 1.13: Kết cấu lỗ rỗng trong các nghiên cứu của Dhinakaran, 2011 .....................21 Hình 1.14: Hiệu quả giảm sóng phản xạ các kiểu lỗ rỗng, Nguyễn Trung Anh [23] ...22 Hình 1.15: Cấu kiện có bố trí lỗ tiêu sóng hình lăng thể tam giác và tứ giác bằng bê tông cốt thép đúc sẵn của Viện KHTL miền Nam ................................................................23 Hình 1.16: Biểu đồ năng lượng sóng qua kết cấu, Lê Thanh Chương [24] ..................23 Hình 1.17: Kết cấu hình thang không có cọc (trái), có cọc (phải) [26] .........................24 Hình 1.18: Sơ đồ lực Yuan Dekui và Tao Jianhua và mặt cắt đặc trưng tính toán [31]25 Hình 1.19: Tường biển mặt lỗ Caen, Pháp ....................................................................26 Hình 1.20: Tường biển dạng rãnh Cardiff Barrage, Anh ..............................................26 Hình 1.21: Sơ đồ thí nghiệm kết cấu rỗng ¼ đường tròn [36] ......................................27 Hình 1.22: Quan hệ độ cao lưu không tương đối và hệ số chiết giảm sóng tràn [36] ...28 Hình 1.23: Đê mái nghiêng Phú Tân – Cà Mau ............................................................29 Hình 1.24: Mặt cắt đê biển mái nghiêng kết hợp tường đỉnh có mũi hắt ở ĐBSCL .....30 Hình 1.25: Triều cường kết hợp với sóng to, gió lớn làm nước biển tràn qua đê biển Tây tỉnh Cà Mau vào ngày 03/8/2019 ..................................................................................30 Hình 1.26: Đê biển hư hại, mất ổn định do nền yếu ở ĐBSCL.....................................31 Hình 1.27: Sóng tương tác tường đỉnh tạo sóng đứng tại Gành Hào, Bạc Liêu ...........31 Hình 2.1: Chảy tràn qua tường biển ở Howth, UK .......................................................33 Hình 2.2: Sóng bắn qua tương chắn sóng ở Margate, UK ............................................34 Hình 2.3: Các dạng sóng vỡ: nhảy vỡ và dâng vỡ.........................................................36 Hình 2.4: Các tham số chi phối và thông số cơ bản trong đánh giá sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh .........................................................................42 vi
Hình 2.5: Máy tạo sóng .................................................................................................51 Hình 2.6: Máng thí nghiệm ...........................................................................................51 Hình 2.7: Phòng điều khiển ...........................................................................................51 Hình 2.8: Giao diện điều kiện đầu vào cho máy tạo sóng .............................................51 Hình 2.9: Phần mềm thu thập và phân tích số liệu ........................................................52 Hình 2.10: Giao diện phân tích số liệu sóng .................................................................52 Hình 2.11: Kết quả đo đạc số liệu chiều cao sóng qua ba lần tạo sóng ngẫu nhiên ......52 Hình 2.12: Phổ sóng qua 3 lần kiềm tra ........................................................................53 Hình 2.13: Giá trị Hs với thời gian tạo sóng khác nhau ................................................53 Hình 2.14: Thiết bị thu số liệu PicoLog 1000 Series. ...................................................55 Hình 2.15: Bố trí đầu đo và hệ thống thu dữ liệu ..........................................................56 Hình 2.16: Kiểm tra cao độ cốt nền, bãi bằng máy toàn đạc.........................................57 Hình 2.17: Tạo nền công trình .......................................................................................58 Hình 2.18: Lắp đặt cấu kiện TSD ..................................................................................58 Hình 2.19: Kiểm tra thang đo mực nước .......................................................................58 Hình 2.20: Kiểm tra kết quả đo và phân tích sóng trên máy tính ..................................58 Hình 2.21: Lắp đặt kiểm tra thiết bị đo lưu lượng tràn .................................................58 Hình 2.22: NCS trao đổi với thầy hướng dẫn và thầy ngành công trình biển ...............59 Hình 2.23: Sơ họa 3 mặt cắt thí nghiệm ........................................................................61 Hình 2.24: Cắt ngang và chính diện mặt tiếp sóng có lỗ rỗng kết cấu ¼ trụ rỗng (TSD) .......................................................................................................................................61 Hình 3.1: Sóng tràn qua mặt cắt mái nghiêng ...............................................................64 Hình 3.2: Sóng tràn qua mặt cắt mái nghiêng có tường đỉnh ........................................65 Hình 3.3: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng  = 10% ...................................65 Hình 3.4: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng  = 15% ...................................65 Hình 3.5: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng  = 20% ...................................66 Hình 3.6: Lưu lượng tràn qua mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng với đê mái nghiêng ...67 Hình 3.7: Lưu lượng tràn qua mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng với đê mái nghiêng có tường đỉnh ......................................................................................................................67 Hình 3.8: Sóng tràn qua các mặt cắt với cùng điều kiện biên thí nghiệm (Hm0,Tp, Rc) 68 Hình 3.9: Tương quan giữa hệ số phản xạ kr và độ cao lưu không tương đối Rc/Hm0 ..70 Hình 3.10: Sơ đồ mặt cắt tường biển hỗn hợp...............................................................71 Hình 3.11: Sóng tràn qua mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng theo tường biển hỗn hợp ..72 Hình 3.12: Tương quan độ cao lưu không tương đối Rc/Hmo đến lưu lượng tràn .........75 Hình 3.13: Tương quan độ sâu nước tương đối d/h đến lưu lượng tràn ........................76 Hình 3.14: Tương quan độ dốc sóng Hm0/h đến lưu lượng tràn ....................................77 Hình 3.15: Kết quả hồi quy trong matlab ......................................................................79 Hình 3.16: Biểu đồ số dư đường hồi quy trong matlab .................................................79 Hình 3.17: Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định lưu lượng tràn trung bình qua mặt cắt để biển có kết cấu ¼ trụ rỗng ............................................................................80 vii
Hình 3.18: So sánh kết quả tính toán và số liệu đo đạc thí nghiệm ..............................82 Hình 4.1: Minh họa chế độ triều khu vực dự án ............................................................86 Hình 4.2: Hoa gió theo các hướng tại trạm Gành Hào ..................................................89 Hình 4.3: Tác động của sóng đến các vùng biển ĐBSCL – Nguồn Viện KHTLMN ...90 Hình 4.4: Đường tần suất mực nước theo phụ lục B - TCVN 9901 – 2014 .................91 Hình 4.5: Khu vực tính tham số sóng ngoài khơi, phụ lục B – TCKT 2012 ................92 Hình 4.6 Vị trí 12 điểm thuộc khu vực Nhà Mát [37] ...................................................93 Hình 4.7: Cắt ngang kết cấu ¼ trụ rỗng ........................................................................94 Hình 4.8: Mặt trước (trái), mặt sau (phải) kết cấu ¼ trụ rỗng .......................................94 Hình 4.9: Mặt bằng kết cấu ¼ trụ rỗng..........................................................................95 Hình 4.10: Mặt đáy kết cấu ¼ trụ rỗng..........................................................................95 Hình 4.11: Mặt cắt đê biển hiện trạng tại Nhà Mát, tỉnh Bạc Liêu .............................100 Hình 4.12: Khai báo thông số đầu vào tính toán .........................................................101 Hình 4.13: Kết quả tính toán .......................................................................................102 Hình 4.14: Mặt cắt ngang đê có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh thử nghiệm..................103 Hình 4.15: Mặt bằng đê có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh thử nghiệm .........................103 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980) ....................................6 Bảng 1.2: Bảng tổng hợp kết quả nghiên cứu theo sổ tay kỹ thuật bờ biển CEM 1110-2- 1100 (phần VI) [11] .........................................................................................................8 Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật đê chắn sóng bán nguyệt ở Trung Quốc và Nhật Bản [22] .......................................................................................................................................18 Bảng 2.1: Các tham số chi phối sóng tràn .....................................................................34 Bảng 2.2: Thống kê công trình đê mái nghiêng hỗn hợp ở ĐBSCL [38] .....................46 Bảng 2.3: Tổng hợp độ sâu nước nghiên cứu ................................................................48 Bảng 2.4: Bảng xác định chu kỳ Tp ..............................................................................50 Bảng 2.5: Số liệu kiểm định đầu đo sóng 1 ...................................................................53 Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật PicoLog 1000 Series .......................................................54 Bảng 2.7: Tổ hợp các phương án thí nghiệm ................................................................60 Bảng 2.8: Tổng hợp thông số kết cấu ¼ trụ rỗng và mặt cắt trong mô hình thí nghiệm .......................................................................................................................................61 Bảng 3.1: Kết quả lưu lượng tràn qua các mặt cắt đê biển với cùng tham số sóng ......68 Bảng 3.2: Kết quả phân tích phản xạ qua các mặt cắt đê biển với cùng tham số sóng .69 Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm tham số sóng và lưu lượng tràn .....................................72 Bảng 3.4: Kết quả so sánh lưu lượng tràn tính toán và đo đạc ......................................81 Bảng 4.1 Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của các lớp đất [37] .................................................85 Bảng 4.2 Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm (Trạm Bạc Liêu) [37] ....................86 Bảng 4.3 Mực nước lớn nhất, nhỏ nhất của năm [37] ...................................................87 Bảng 4.4 Bảng sóng nước sâu theo vùng, phụ lục B – TCKT 2012 .............................92 Bảng 4.5 Giá trị chiều cao sóng ứng với các mức tần suất tại Nhà Mát [37] ...............93 Bảng 4.6: Thông số kết cấu ¼ trụ rỗng thiết kế ............................................................95 Bảng 4.7 : Kết quả đánh giá tính phù hợp khi áp dụng công thức ................................96 Bảng 4.8: Kết quả tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt với các cao trình đỉnh khác nhau .......................................................................................................................................99 Bảng 4.9: Tổng hợp thông số mặt cắt hiện trạng ........................................................100 Bảng 4.10: Kết quả tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt hiện trạng ..........................102 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ 1. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTS Buồng tiêu sóng BTCT Bê tông cốt thép ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long ĐGS Đê giảm sóng EurOtop Manual on wave overtopping of sea defences and related structures KB Kịch bản MNTK Mực nước thiết kế TAW Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes – Sổ tay kỹ thuật tính toán sóng tràn qua đê TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TSD Kết cấu rỗng hình dạng ¼ đường tròn, mặt trước có đục lỗ bề mặt theo tỷ lệ  2. GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ Công trình giảm sóng: Công trình xây dựng ở vùng ngập nước của bãi biển và cách xa bờ biển khoảng cách thích hợp nhằm giảm chiều cao sóng, giảm tác động của sóng vào bờ biển, đê biển. Đê biển: Công trình ngăn biển, được phân loại, phân cấp theo quy định của cơ quan có thẩm quyền. Hệ số rỗng (tỷ lệ lỗ rỗng, lỗ rỗng): Tỷ số giữa tổng diện tích lỗ rỗng và tổng diện tích bề mặt cong của cấu kiện rỗng tại đỉnh. Kết cấu rỗng: Kết cấu dạng khối có các hình dánh khác nhau và có khoảng rỗng bên trong. Lưu lượng sóng tràn trung bình: Lượng sóng tràn lấy trung bình trong một đơn vị x
thời gian, trên một mét chiều dài, có đơn vị m3/s/m hoặc l/s/m. Sóng tràn: Nước bị đẩy tràn qua đỉnh đê do động năng của sóng khi mà đỉnh đê vẫn còn cao hơn mực nước biển. Tường đỉnh: Kết cấu nằm ở đỉnh của đê mái nghiêng. Tường biển: Công trình đặc biệt của đê biển với cấu trúc dạng đứng, phía trước có gia cố đá đổ. xi
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu HS m Chiều cao sóng ý nghĩa Hm0 m Chiều cao sóng mô men 0 Tp s Chu kỳ đỉnh (phổ) sóng Tm-1,0 s Chu kỳ đặc trung phổ m-1,0 L m Chiều dài sóng chân công trình L0 m Chiều dài sóng nước sâu Lm-1,0 m Chiều dài sóng ứng với chu kỳ Tm-1,0 d m Độ ngập nước trong buồng kết cấu trụ rỗng h m Độ sâu nước tại chân công trình Rc m Độ lưu không đỉnh đê q l/s.m Lưu lượng tràn đơn vị [q] l/s.m Lưu lượng tràn đơn vị cho phép Zd m Cao trình đỉnh tường/ đê biển Ztk m Cao trình mực nước thiết kế Zđck m Cao trình đặt cấu kiện Zc m Cao trình đỉnh lớp gia cố Bc m Bề rộng thềm Bw m Bề rộng đáy kết cấu  % Tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt kết cấu tiêu sóng tại đỉnh sm −1,0 Độ dốc sóng ứng với chu kỳ Tm-1,0 hw m Chiều cao kết cấu ¼ trụ rỗng (TSD) xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam có hệ thống đê biển rất lớn, trải dài từ Bắc xuống Nam, góp phần quan trọng trong việc bảo vệ tính mạng, tài sản cho người dân, và phục vụ sản xuất, phát triển đất nước. Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu ngày càng diễn biến phức tạp, khó lường, đã tác động rất lớn đến đời sống và sản xuất. Vấn đề sạt lở bờ biển đã và đang diễn ra rất phức tạp, có xu thế gia tăng, đặc biệt là vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Đã có nhiều đề tài nghiên cứu đề xuất nhiều giải pháp, công nghệ nhằm tăng cường ổn định cho đê biển. Trong đó, giải pháp công trình giảm sóng tác động vào đê và giảm sóng tràn qua đê được nghiên cứu, ứng dụng khá nhiều. Hệ thống công trình đê, tường biển được xây dựng nhằm bảo vệ vùng đất phía sau khỏi ngập lụt, biển lấn, … dưới sự tác động của các yếu tố thủy động lực học như sóng, nước dâng, dòng chảy. Để đảm bảo được các chức năng theo yêu cầu thì độ cao của đỉnh công trình phía trên mực nước biển tính toán (còn gọi là độ lưu không) phải đảm bảm theo tiêu chuẩn sóng tràn. Lượng sóng tràn cho phép qua đê có tính quyết định đến quy mô, giải pháp thiết kế và cũng như là quy hoạch bảo vệ của một hệ thống đê biển. Lượng sóng tràn cho phép được quy định khác nhau đối với từng nhiệm vụ công trình và kết cấu mặt cắt. Nghiên cứu sóng tràn do vậy có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế các chi tiết cấu tạo hình học và kết cấu của đê, tường biển. Đối với khu vực đồng bằng sông Cửu Long khu vực bị tác động biến đổi khí hậu nước biển dâng nghiêm trọng. Các đê biển hiện trạng được thiết kế với tần suất trước kia và điều kiện biên chưa xét tới nước biển dâng, biên đổi khí hậu, đến nay đã bộc lộ nhiều mặt hạn chế. Với tiêu chuẩn thiết kế đê biển hiện nay, đê cấp III, IV (cấp đê phổ biến ĐBSCL) với tần suất thiết kế lần lượt là 2% và 3,33% đã được nâng cao so với quy định trước kia trong 14 TCN 130-2002, tần suất thiết kế là 5% cho cấp đê III và IV. Cùng với đó, tham số mực nước và sóng thiết kế tính toán đều cao hơn do tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Vì vậy, vấn đề đặt ra trong quản lý và thiết kế mới hoặc sửa chữa đê biển nhằm đảm bảo điều kiện làm việc là nâng cao trình đỉnh. 1
Trong điều kiện địa chất nền mềm yếu ở ĐBSCL, để nâng cao trình đỉnh cần có mặt cắt nhỏ gọn, tải trọng bản thân thấp, hạn chế sụt lún nền. Giải pháp phổ biến hiện nay đang xây dựng tường đỉnh trên đê và bước đầu cho hiệu quả về khả năng giảm sóng tràn, do nâng được chiều cao đỉnh và giảm được chiều cao đắp đê so với nâng cao toàn bộ mặt cắt đê. Tuy nhiên, với kết cấu tường đỉnh thường hạn chế bởi chiều cao tường thấp dẫn tới mặt cắt vẫn còn lớn và hiện tượng sụt lún vẫn xảy ra. Bên cạnh đó tường đỉnh tạo sóng phản xạ cao và gia tăng khi tường được nâng lên (kr = 0.7 ÷ 1) [1], do đó áp lực trực tiếp lên công trình lớn, đồng thời gây xói chân, mất ổn định chân tường. Để đáp ứng được yêu cầu về cao trình đỉnh an toàn khi sóng tràn và giảm tải trọng mặt cắt, trên cơ sở phân tích, đánh giá các giải pháp đã có, tác giả đã đề xuất mặt cắt đê biển có kết cấu rỗng (Hình 1), nhằm cải thiện các hạn chế về tải trọng mặt cắt, sóng phản xạ... Trong những năm gần đây, kết cấu rỗng đã được ứng dụng nhiều trong công trình biển đặc biệt là đê giảm sóng xa bờ. Kết cấu rỗng có nhiều hình dạng khác nhau nhưng đều có điểm chung là mặt tiếp sóng đục lỗ có tỷ lệ và buồng rỗng ở giữa. Các kết quả đã nghiên cứu chỉ ra ưu điểm nổi bật như: kết cấu bê tông đúc sẵn thuận lợi trong thi công; đạt hiệu quả giảm sóng truyền, sóng phản xạ. Đây là một giải pháp có hình thức bố trí kết cấu mới, phù hợp cho việc bảo vệ bờ biển vùng đồng bằng sông Cửu Long. Hình 1 : Phối cảnh không gian đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh Khi áp dụng kết cấu rỗng trên đỉnh vào mặt cắt đê biển gặp khó khăn trong nguyên lý giảm sóng. Đồng thời công thức xác định cao trình đỉnh đê theo độ cao lưu không để đảm bảo sóng tràn là chưa được hoàn thiện. Vì vậy, luận án đặt vấn đề "Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh" có nhiều ý nghĩa khoa học, thực tiễn và cần thiết để giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu nước biển dâng, địa chất mềm yếu, lún sụt đê đang tác động tới đồng bằng sông Cửu Long. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu đề xuất được một dạng mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh. - Xây dựng được công thức tính toán lưu lượng tràn trung bình qua mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh với điều kiện tự nhiên vùng đồng bằng sông Cửu Long. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển và các kết cấu rỗng trong công trình biển - Cơ sở lý thuyết và dữ liệu nghiên cứu về sóng tràn qua mặt cắt nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở đề xuất mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh và ảnh hưởng của kết cấu đến sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng. - Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho đê biển Nhà Mát tỉnh Bạc Liêu. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1. Cách tiếp cận - Thu thập các dữ liệu thủy hải văn khu vực nghiên cứu, lý thuyết về sóng tràn qua đê, các kết quả nghiên cứu về kết cấu rỗng tiêu sóng. - Phân tích, đánh giá các loại đê biển hiện có, qua đó đề xuất mặt cắt ngang đê biển kết có cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh phù hợp với vùng ĐBSCL. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm mô hình vật lý để thiết lập công thức tính toán sóng 3
tràn qua mặt cắt ngang đê biển vừa được đề xuất. Từ các kết quả đã đạt được, luận án tiến hành tính toán thí điểm cho một công trình ngoài thực tế. 5.2. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết được mục tiêu và nội dung nghiên cứu đặt ra, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau: phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc; phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đề xuất được một dạng mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh và công thức để xác định sóng tràn qua mặt cắt ngang có kết cấu đề xuất. Các kết quả của luận án đã góp phần bổ sung, làm phong phú thêm các kết quả nghiên cứu về đê biển nói chung và sóng tràn qua đê biển nói riêng. Đồng thời là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu các vấn đề khác chưa được giải quyết đối với đê biển. - Ý nghĩa thực tiễn: Mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh và công thức thực nghiệm tính toán sóng tràn sẽ góp phần quan trọng trong việc phân tích, lựa chọn và tính toán áp dụng cho đê biển cho khu vực ĐBSCL được phong phú, đa dạng và hiệu quả hơn. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án dược trình bày trong 4 chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển và kết cáu rỗng trong công trình biển. Chương 2: Cơ sở lý thuyết và dữ liệu nghiên cứu. Chương 3: Nghiên cứu cơ sở đề xuất mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh và ảnh hưởng của kết cấu đến sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng. Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho đê biển Nhà Mát tỉnh Bạc Liêu. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN VÀ CÁC KẾT CẤU RỖNG TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN 1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 1.1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới Đê biển bị hư hỏng, mất ổn định do rất nhiều nguyên nhân và yếu tố tác động. Có thể do địa chất, nền móng, kết cấu không đảm bảo yêu cầu hoặc do tác động của sóng lên đê quá mức tính toán, .v.v… Trong đó, yếu tố sóng tràn qua đê biển là một trong những tác nhân quan trọng khi tính toán thiết kế đê biển. Vấn đề này đã được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Lưu lượng tràn qua đê, tường biển là tiêu chí tính toán cao trình đỉnh công trình. Đồng thời cũng là cơ sở để xác định yêu cầu về kết cấu bảo vệ mái đê, công trình thu nước và các hạng mục khác…. Nghiên cứu sóng tràn do vậy có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế các chi tiết cấu tạo hình học và kết cấu của đê, tường biển. Khi nghiên cứu về đê biển có mặt cắt mái nghiêng, Saville (1955) là người đầu tiên đặt nền móng cho nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí nghiệm sóng đơn [2]. Cho đến nay, đã có hàng vạn thí nghiệm đã và đang được tiến hành tại nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, các thí nghiệm sau này được thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với thực tế hơn như: sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, cấu tạo hình học và dạng kết cấu công trình đa dạng… [3]. Sau sự khởi xướng của Saville (1955), năm 1980 Owen dựa trên kết quả của 500 thí nghiệm mô hình với sóng ngẫu nhiên đã công bố công thức công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình mái nhẵn như sau [4]. q  Rc  = a.exp  −b  (1.1) gH sTm  T gH   m s  Trong đó Tm là chu kỳ sóng trung bình (s), Hs là chiều cao sóng ý nghĩa (m), Rc là độ cao lưu không của đỉnh đê (m), q là lưu lượng tràn đơn vị(l/s/m). Owen (1980) chủ yếu đã sử dụng mô hình mái đê nhẵn dạng đơn giản, chỉ một số ít thí nghiệm có cơ đê phía trước. Các hệ số thực nghiệm a và b được Owen lập cho các độ dốc mái đê khác nhau 5
như thống kê ở Bảng 1.1. Owen (1980) cũng đã xét đến ảnh hưởng giảm sóng tràn của độ nhám mái đê thông qua hệ số chiết giảm γr: q  Rc 1 = a.exp  −b .  (1.2) gH sTm  T gH  r   m s  Trong đó: γr là hệ số chiết giảm sóng tràn Bảng 1.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980) Độ dốc mái đê tanα a b 1/1.0 0.0079 20.12 1/1.5 0.0102 20.12 1/2.0 0.0125 22.06 1/2.5 0.0145 26.10 1/3.0 0.0163 31.90 1/3.5 0.0178 38.90 1/4.0 0.0192 46.96 1/4.5 0.0215 55.70 1/5.0 0.0250 65.20 Sau đó Owen (1980) đã dựa trên các thí nghiệm bổ sung để hiệu chỉnh lại các hệ số a và b một lần nữa cho cả trường hợp sóng đến xiên góc. De Waal and Van der Meer (1992) [5] cũng có nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn không thấm tương tự như Owen (1980). Tuy nhiên lưu lượng sóng tràn trung bình được quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lưu không đỉnh đê (Ru2% - Rc)/Hs: q  R −R  = 8.10−5.exp  3.1 u 2% c  (1.3) gH s3  Hs  Trong đó Ru2% là chiều cao sóng leo 2% (ứng với 2% con sóng vượt qua mức này ở trên mái đê không tràn). Có thể thấy rằng phạm vi ứng dụng của công thức (1.3) còn nhiều hạn chế như: không xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái đê, ảnh hưởng của cơ đê và 6