Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê kết cấu rỗng trên mô hình máng sóng
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ KẾT CẤU RỖNG
TRÊN MÔ HÌNH MÁNG SÓNG
Thiều Quang Tuấn
Trường Đại học Thủy Lợi
Đinh Công Sản, Lê Xuân Tú, Đỗ Văn Dương
Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam
Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng công thức đánh giá khả năng khả
năng triết giảm sóng của đê giảm sóng kết cấu rỗng và phân tích sự biến đổi hình dạng phổ sóng
trước và sau công trình tại khu vực nước nông của rừng ngập mặn dựa trên thí nghiệm mô hình
vật lý 2D trong máng sóng.
Từ khóa: Đê giảm sóng kết cấu rỗng, hệ số truyền sóng, sóng phản xạ, mô hình vật lý 2D
Summary: In this paper presents the result of establishing a new empirical formula of wave
transmission at this type of porous breakwater and analysis wave energy spectra transformation
before and after this structure in the shallow water base on the 2D physical model experiment in
the wave flume.
Keywords: porous breakwater, wave transmission, wave reflection, 2D physical model
1 ĐẶT VẤN ĐỀ*
tiêu tán năng lượng sóng cần thiết phải nghiên
cứu để đánh giá tương tác giữa sóng và công
trình, cũng như xem xét khả năng làm việc của
công trình trong các điều kiện thủy động lực học
biến đổi khác nhau. Trong nghiên cứu này, công
thức xác định hệ số truyền sóng của đê giảm
sóng kết cấu rỗng được xây dựng dựa trên phân
tích dữ liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm Thủy
động lực sông biển- Viện Khoa học Thủy lợi
Miền nam và các nghiên cứu trước đây về công
trình đê giảm sóng đỉnh thấp (LCS) của Van der
Meer et al. 2005; Chen et al. 2008; Li and Xie
2008, công trình đê giảm sóng dạng cọc có dầm
mũ của Luth et al. 1994; van der Meer et al.
2005; Christou et al. 2008; Su-xiang ZHANG
and Xi LI 2014. Kết quả của nghiên cứu được
sử dụng cho việc tính toán thiết kế và đánh giá
hiệu quả làm việc và công trình đê giảm sóng
với cấu kiện rỗng được sử dụng trong nghiên
cứu này.
Trong những năm gần đây quá trình sạt lở bờ
biển đang diễn ra hết sức nghiêm trọng ở dải
ven biển đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL)
làm suy thoái rừng ngập mặn, theo nghiên cứu
của Viện khoa học Thủy lợi miền Nam
(SIWRR) xói lở bờ biển đã xảy ra trên 280/774
km đường bờ với tốc độ xói lở từ 1-20m/năm.
Có nhiều giải pháp bảo vệ bờ biển và phát triển
rừng ngập mặn một cách tự nhiên ở đồng bằng
sông Cửu Long, trong đó với dạng công trình
cứng thì đê giảm sóng xa bờ có kết cấu rỗng
đang là một trong những giải pháp được nghiên
cứu và ứng dụng bởi khả năng trao đổi trầm tích
và bẫy bùn cát. Đặc điểm của đê giảm sóng xa
bờ kết cấu rỗng là cho sóng có thể truyền qua
với mức độ nhất định với mục đích trao đổi trầm
tích bùn cát, gây bồi tụ giúp phát triển rừng
ngập mặn. Do đó, việc xác định các thông số
khi thiết kế công trình như hiệu quả giảm sóng,
sóng phản xạ trước công trình và tối ưu hệ số
2 MÔ HÌNH VẬT LÝ
Ngày nhận bài: 05/6/2018
Ngày duyệt đăng: 12/10/2018
Ngày thông qua phản biện: 22/7/2018
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018
1
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
2.2 Mô hình thí nghiệm
2.1 Cơ sở thí nghiệm
Cấu kiện đê giảm sóng dùng để thí nghiệm gồm
hai mặt với các lỗ tròn được bố trí hai hàng có
kích thước bằng nhau và phần trăm lỗ rỗng bề
mặt của cấu kiện là 17.7%. Vật liệu làm cấu
kiện là bê tông cốt sợi phi kim được cung cấp
và phát triển bởi công ty Busadco. Mô hình thiết
lập thí nghiệm (hình 2), với chiều cao của đê
giảm sóng là 0.40m, bãi nông rừng ngập mặn
được mô phỏng với độ dốc 1/500, mái chuyển
tiếp giữa khu vực nước sâu và nước nông được
thiết kế với độ dốc 1/25. Sóng đến trước công
trình hầu hết bị vỡ ở mái chuyển tiếp này nhằm
tạo tính chất sóng tương tự như thực tế. Mái hấp
thụ sóng được thiết kế bằng đá đổ với độ dốc ¼,
hệ số sóng phản xạ luôn nhỏ hơn 10% khi
không có công trình.
Thí nghiệm được thực hiện trong máng sóng
của phòng thí nghiệm thủy động lực sông biển-
Viện Khoa học Thủy lợi Miền nam (Hình 1).
Các cơ sở thiết bị máy móc được cung cấp bởi
HR Wallingford. Chiều dài máng sóng là 35m,
chiều rộng 1.2m và cao 1.5m. Hệ thống máy tạo
sóng được trang bị khả năng hấp thụ sóng phản
xạ (Active Reflection Compensation), có thể
tạo ra sóng ngẫu nhiên hoặc sóng đều với chiều
cao lên đến 0.30m và chu kỳ đỉnh 3.0s, sóng
được đo với tần số 100Hz (độ chính xác
±0.1mm).
Hình 1. Máng sóng thí nghiệm Viện Khoa học
Thủy lợi miền Nam
Hình 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Hình 3. Thiết lập thí nghiệm truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng
Tổng số kịch bản thí nghiệm là 60 kịch bản hệ giữa chiều cao và chu kỳ sóng được tính toán
được tổng hợp trong Bảng 1 (bao gồm 30 kịch theo Linh and Tuấn (2015). Điều kiện biên
bản không có công trình). Tổ hợp các kịch bản thông số sóng được mô phỏng bằng dạng phổ
từ 6 điều kiện sóng đặc trưng và 5 mực nước (cả JONSWAP với γ=3.30. Mỗi thí nghiệm được
ngập và không ngập công trình) từ điều kiện thực hiện ít nhất trong khoảng thời gian 500Tp
thủy lực đặc trưng cho khu vực ĐBSCL. Quan (s). Tỷ lệ mô hình được lựa chọn dựa trên năng
2
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
lực máng sóng và thông số điều kiện biên: Tổng số kịch bản thí nghiệm là 60 kịch bản
NL=10 (tỷ lệ dài), Nt=3.16 (tỷ lệ thời gian). được tổng hợp trong Bảng 1.
Bảng 1. Kịch bản thí nghiệm
Tham số sóng
Chiều cao lưu
không Rc / Độ
sâu nước D (m)
Trường hợp
Kịch bản
Hm0 (m)
Tp (s)
WP6-BW-JSW1
WP6-BW-JSW2
WP6-BW-JSW3
WP6-BW-JSW4
WP6-BW-JSW5
WP6-BW-JSW6
0.10
0.12
0.15
0.17
0.20
0.22
1.79
1.88
2.00
2.07
2.16
2.20
0.20/0.20
0.10/0.30
0.00/0.40
-0.10/0.50
-0.15/0.55
Không công trình
Có công trình
thấp hay gọi là sóng trọng lực - infragravity
waves (IG) chu kỳ đỉnh khoảng 25s được tạo ra
trong quá trình sóng vỡ trên mái chuyển tiếp và
trong vùng nước nông (Baldock, 2012). Ngoài
ra, sóng dài được tạo ra từ các nhóm sóng cũng
giống như sóng trọng lực tự do ở các điểm sóng
vỡ của sóng IG. Sóng IG tồn tại trong khu vực
bãi biển nông rừng ngập mặn hay rạn san hô.
3 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH
3.1 Ảnh hưởng của các thông số lên quá
trình truyền sóng
Giống như các đê giảm sóng truyền thống trước
đây, sóng truyền qua đê giảm sóng kết cấu rỗng
phụ thuộc vào hàm của tổ hợp chiều cao lưu
không đỉnh đê, bề rộng đỉnh đê, độ dốc mái
công trình, độ rỗng bề mặt cấu kiện và tính chất
sóng. Để xác định công thức truyền sóng qua đê
giảm sóng có hai yếu quan trọng ảnh hưởng là
của chiều cao lưu không đỉnh đê và chỉ số tương
tự sóng vỡ Iribarren được phân tích dựa trên số
liệu thí nghiệm thực đo. Bên cạnh hai yêu tố kể
trên thì các yếu tố như độ rỗng cấu kiện hay bề
rộng đỉnh cấu kiện là các hằng số không đổi thể
hiện đặc trưng của cấu kiện nên không được
phân tích trong nghiên cứu này.
Trong quá trình truyền sóng vào khu vực bãi
nông của rừng ngập mặn, các con sóng ngắn bị
vỡ làm cho tầm quan trọng của sóng IG bắt đầu
tăng lên. Do đó, năng lượng sóng dài chiếm
một phần lớn trong tổng năng lương sóng tại
khu vực này (Horstma et al, 2012; Phan et al,
2014). Quá trình này cũng được áp dụng cho
việc thiết lập, tính toán điều kiện biên và quá
trình truyền sóng trong thí nghiệm này. Hình
thể hiện sự biến đổi phổ sóng sau khi truyền
qua công trình ứng với trường hợp cao trình
đỉnh đê lớn, có thể thấy năng lượng của các
con sóng ngắn phần lớn bị tiêu tán, trong khi
năng lượng sóng dài vẫn còn khá lớn.
Sự biến đổi phổ sóng trong khu vực nước
nông
Phổ sóng tại khu vực nước nông phía sau công
trình được thể hiện trong Hình (WG6) xuất hiện
nhiều đỉnh và giá trị mật độ năng lượng của các
đỉnh phổ không có sự chênh lệch lớn. Hình dạng
Những phân tích trên về sự biến đổi phổ sóng
là cơ sở để khẳng định sóng dài có ý nghĩa quan
phổ sóng tại khu vực này tương tự như phổ sóng trọng trong quá trình nghiên cứu truyền sóng
sau khi trải qua quá trình sóng vỡ nhiều lần.
Đáng chú ý là sự xuất hiện của sóng với tần số
qua đê giảm sóng kết cấu rỗng tại vùng rừng
ngập mặn ven biển.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018
3
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Kt vào chiều cao lưu không đỉnh đê được thể
hiện trong hình 6. Khi Rc/Hm0 > 0.50 thì hệ số
truyền sóng gần như là không đổi (Kt ~ 0.30),
trong trường hợp cao trình đỉnh đê lớn thì sóng
truyền qua công trình rất nhỏ qua lỗ rỗng. Mặt
khác, khi độ ngập lớn thì khả năng giảm sóng
của công trình là khá nhỏ (Kt=0.75-0.80 khi
Rc/Hm0 < -0.50).
Hình 4. Phổ năng lượng sóng khi truyền qua
cấu kiện
Hình 6. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không
đến hệ số truyền sóng
Chỉ số tương tự sóng vỡ Iribarren ξ0
Hệ số truyền sóng qua đê giảm sóng cũng phụ
thuộc vào hiện tượng sóng vỡ trên mái của công
trình, tương tác này được thể hiện qua chỉ số
Iribarren ξ0. Hình 7 mô tả sự phụ thuộc của chỉ
số Iribarren ξ0 từ dữ liệu thí nghiệm với chu kỳ
đỉnh Tp (ξ0p) và chu kỳ phổ Tm-1,0 (ξ0m-1,0). Nhìn
chung, sự phụ thuộc của ξ0 theo xu hướng phi
tuyến tính và sự phụ thuộc này khá nhỏ trong cả
trường hợp Rc/Hm0 lớn và nhỏ. Rõ ràng khi sử
dụng Tm-1,0 thì sự tương quan xuất hiện tốt hơn
so với sử dụng Tp.
Hình 5. Kết quả phổ sóng đo đạc từ thí nghiệm
ứng với các độ sâu D=0.4;0.3;0.2m
Hình 7. Ảnh hưởng của chỉ số Iribarren
đến hệ số truyền sóng
Ảnh hưởng của chiều cao lưu không đỉnh đê
Rc/Hm0
Sóng phản xạ
Sóng phản xạ phía trước công trình được tạo
Sự phụ thuộc mạnh mẽ của hệ số truyền sóng
4
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
thành từ tương tác giữa sóng và công trình. Nó
không được mô tả chi tiết trong quá trình truyền
sóng, tuy nhiên thông qua việc xác định hệ số
sóng phản xạ cho phép xác định khả năng tiêu
tán năng lượng sóng của công trình.
Với a, b và c là các hằng số thực nghiệm được
xác định thông qua phương pháp phân tích hồi
quy với dữ liệu có được từ kết quả thí nghiệm.
So với công thức Angremond et al. (1996) bề
rộng đỉnh đê không được xem xét ở đây, dạng
công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng được coi
là dạng công trình có kết cấu hẹp. Chỉ số tương
tự sóng vỡ Iribarren ξ0 có thể được tính toán
theo hai tham số là Tp hoặc Tm-1,0, tùy thuộc vào
dữ liệu có sẵn. Phân tích hồi quy với những kết
quả của dữ liệu thí nghiệm theo 2 tham số Tp và
Tm-1,0, kết quả của phương pháp phân tích cho
ra hai công thức tương ứng:
Hình 8. Tương quan giữa hệ số sóng phản xạ
và Rc/Hm0
Hình 8 thể hiện tương quan giữa hệ số sóng
phản xạ và chiều cao lưu không tương đối của
đỉnh đê. Cho thấy dạng công trình đê giảm sóng
kết cấu rỗng này có hệ số sóng phản xạ khá cao
trong trường hợp đê nhô (Kr = 0.40~0.50).
Nhìn chung khi Rc/Hm0 tăng thì sóng phản xạ
cũng tăng theo, điều này do công trình chưa đủ
độ rỗng để hấp thụ năng lượng sóng (độ rỗng
bề mặt của cấu kiện 17.7%) hay bố trí lỗ rỗng
chưa hợp lý. Trong trường hợp đê nhô cao, hầu
hết năng lượng sóng phía sau công trình là do
sự truyền qua của sóng IG và sóng tràn. Việc
nhận biết và tính toán sóng phản xạ rất cần
thiết trong quá trình thiết kế đê giảm sóng kết
cấu rỗng, đặc biệt cho việc thiết kế giải phải
bảo vệ chân chống xói cho công trình.
(1)
(2)
Khoảng áp dụng của công thức:
3.2 Công thức thực nghiệm cho quá trình
truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng
Hình 32 và hình 33 so sánh kết quả hệ số truyền
sóng Kt theo công thức (1) và (2) với dữ liệu đo
đạc tương ứng. Cả hai trường hợp đều cho kết
quả tương quan tốt, tuy nhiên có thể thấy khi sử
dụng Tm-1,0 cho hệ số tương quan tốt hơn so với
sử dụng Tp.
Các phân tích về các thông số ảnh hưởng nhiều
nhất đến quá trình truyền sóng ở trên là cơ sở
cho việc xây dựng công thức thực nghiệm.
Công thức thực nghiệm ở đây được xây dựng
dựa trên công thức có sẵn của Angremond et al
(1996). Hai thông số chính được xem xét cho
xây dựng công thức là độ ngập tương đối đỉnh
đê Rc/Hm0 và chỉ số tương tự sóng vỡ Iribarren
ξ0. Công thức tổng quát cho hệ số truyền sóng
qua đê giảm sóng kết cấu rỗng:
So sánh giữa công thức nghiên cứu hiện tại với
các nghiên cứu trước đây của d’Angremond et
al. (1996), van der Meer et al. (2005) cho loại
đê chắn sóng truyền thống và đê giảm sóng
dạng cọc, dạng đê ngầm và Van der Meer and
Daemen (1994) cho loại đê chắn sóng đỉnh hẹp,
truyền thống và cả cho dạng đê ngầm, dạng cọc.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018
5
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Cho thấy dữ liệu trong nghiên cứu hiện tại có cứu Van deer Meer et al. (1993) cho loại đê
kết quả tương đồng nhất với kết quả của nghiên giảm sóng đỉnh hẹp cho sóng truyền qua.
Hình 9. Dữ liệu hồi quy với ξ0m-1,0
Hình 10. Dữ liệu hồi quy với ξ0p
Hình 11. So sánh công thức thiết lập với công
thức của đê giảm sóng dạng trơn và dạng cho
sóng truyền qua (Angremond et al. 1996, Van
der Meer et al. 2005)
Hình 12. So sánh với công thức của để chắn
sóng truyền thống và dạng cho sóng truyền
qua (DELOS- Van der Meer et al. 2005)
6
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0
và chỉ số sóng vỡ trên mái công trình Iribarren
ξ0. Kết quả của quá trình phân tích cho thấy chu
kỳ phổ Tm-1,0 nên được sử dụng để thay thế cho
chu kỳ đỉnh Tp nhằm thể hiện rõ tầm ảnh hưởng
của sóng dài trong khu vực nước nông.
Công thức thực nghiệm áp dụng cho để giảm
sóng kết cấu rỗng trên bãi nông của rừng ngập
mặn đã được xây dựng với độ tin cậy cao dựa
trên các so sánh với các công thức hiện có được
đưa ra để tăng độ tin cậy cho kết quả thực
nghiệm như d’Angremond et al.(1996), Van der
Meer et al (2005) hay Van der Meer and
Daemen (1994), kết quả của nghiên cứu này
khá phù hợp với các kết quả ngiên cứu trước
đây đặc biệt với nghiên cứu về dạng đê giảm
sóng đỉnh hẹp của Van der Meer et al. (1993).
Trong quá trình thiết kế đê giảm sóng kết cấu
rỗng cần lưu ý:
Hình 13. So sánh với công thức của đê giảm
sóng đỉnh hẹp (Van der Meer and Daemen, 1994)
4 KẾT LUẬN
Để xây dựng công thức truyền sóng qua đê giảm
sóng kết cấu rỗng, một chuỗi thí nghiệm bao
gồm 60 kịch bản truyền sóng đã được thực hiện.
Quá trình biến đổi phổ sóng trong khu vực bãi
nông của rừng ngập mặn và qua đê giảm sóng
cho thấy tầm quan trọng của năng lượng sóng
dài trong quá trình truyền sóng. Năng lượng
sóng ngắn hầu hết bị tiêu tán hoặc phản xạ, sóng
phía sau công trình phần lớn là năng lượng sóng
dài.
- Cao trình đỉnh đê giảm sóng nên cao hơn
mực nước triều (đê nhô) để tăng hiệu quả giảm
sóng, hầu hết sóng bị chặn khi Rc/Hm0 > 0.50.
- Giải pháp bảo vệ chân công trình nên được
xem xét một cách kỹ lưỡng trong quá trình thiết
kế đê giảm sóng kết cấu rỗng.
Trong nghiên cứu tới các yếu tố về phần trăm
độ rỗng của đê và chiều rộng đỉnh của cấu kiện
đê giảm sóng rỗng đến hiệu quả giảm sóng sẽ
được trình bày.
Quá trình truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu
rỗng bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố quan trọng là
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Angremond, K., Van der Meer, J.W. and de Jong, R.J., 1996. Wave transmission at
low-crested structures. Proc. 25th ICCE, ASCE, Orlando, USA.
[2] Implications for the concept of “bound” wave release at short wave breaking.
Coastal Engineering, 60, pp. 276-285.
[3] Đặng Thị Linh và Thiều Quang Tuấn, 2015. Xây dựng quan hệ chu kỳ và chiều cao
của sóng gió cho mùa vùng biển Bắc và Bắc Trung Bộ nước ta. Hội nghị khoa học
thường niên năm 2015, Đại học Thủy lợi, Hà Nội, 407 – 409.
[4] Horstman, E., Dohmen-Janssen, M., Narra, P., van den Berg, NJ., Siemerink, M.,
Balke, T., Bouma, T., and Hulscher, S., 2012. Wave attenuation in mangrove
forests; field data obtained in Trang, Thailand. Proc. 33nd Int. Conf. Coastal Eng.,
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018
7
CHUYỂN GIAO
CÔNG NGHỆ
[5] Hughes, A.S., 1993. Physical models and laboratory techniques in coastal
engineering, World Scientific, Singapore, 568 pp.
[6] Phan, L.K., van Thiel de Vries, J.S.M., and Stive, M.J.F., 2014. Coastal mangrove
squeeze in the Mekong Delta. Journal of Coastal Research, 31, 2, pp. 233 – 243.
[7] Tuan, T.Q., Tien, N.V. and Verhagen, H.J., 2016. Wave transmission over
submerged, smooth and impermeable breakwaters on a gentle and shallow
foreshore. In: Proc. 9th PIANC-COPEDEC, pp. 897-905, Rio de Janeiro, BRAZIL.
[8] Van der Meer, J.W., Daemen, I.F.R., 1994. Stability and wave transmission at low
crested rubble mound structures. Journal of Waterway, Port Coastal and Ocean
Engineering, 1, 1-19.
[9] Van der Meer, J. W., Briganti, R., Zanuttigh, B. and Wang, B., 2005. Wave
transmission and reflection at low-crested structures: Design formulae, oblique
wave attack and spectral change. Coastal Engineering, 52, 915 - 929.
[10] Zelt, J.A. and Skjelbreia, J.E., 1992. Estimating incident and reflected wave fields
using an arbitrary number of wave gauges. Proc. 23rd Int. Conf. Coastal Eng., ASCE,
pp. 777-789.
8
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018
8 trang
09/01/2024
18940
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê kết cấu rỗng trên mô hình máng sóng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_hieu_qua_giam_song_cua_de_ket_cau_rong_tren_mo_hi.pdf
