Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu hiệu quả của đê ngầm đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng tác động vào bờ biển việt nam
- 123 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGUYỄN VIẾT TIẾN
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH
TIÊU HAO NĂNG LƢỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN
VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGUYỄN VIẾT TIẾN
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH
TIÊU HAO NĂNG LƢỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN
VIỆT NAM
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 62 58 40 01
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Thiều Quang Tuấn
2. GS.TS. Lê Kim Truyền
HÀ NỘI, NĂM 2015
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 này là trung thực, và không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu
(nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án
Nguyễn Viết Tiến
i
LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sĩ này đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Thiều
Quang Tuấn và GS.TS Lê Kim Truyền. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các
Thầy về định hƣớng khoa học, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá
trình nghiên cứu hoàn thành cuốn luận án này. Tác giả xin đƣợc chân thành cảm ơn
các nhà khoa học, các tác giả của các công trình nghiên cứu đã công bố mà tác giả đã
trích dẫn trong luận án, cung cấp nguồn tƣ liệu quý báu, những kiến thức liên quan
trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô Khoa Công trình, Khoa Kỹ thuật Biển –
trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh đƣợc thực hiện và hoàn
thành chƣơng trình nghiên cứu của mình.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, đặc biệt là nhóm cộng tác nghiên
cứu vì đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi, hỗ trợ thực hiện việc quan trắc thu thập dữ liệu
thí nghiệm, triển khai nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.
Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình và những ngƣời bạn thân thiết vì đã động viên để
nghiên cứu sinh duy trì nghị lực, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các
khía cạnh của cuộc sống trong cả quá trình để hoàn thành luận án.
Tác giả luận án
Nguyễn Viết Tiến
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN ............................................ xii
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án .................................................................................3
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................3
4. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................3
5. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................4
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................................5
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ
NGẦM ...............................................................................................................6
1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................................6
1.1.1 Đê ngầm và ứng dụng đê ngầm .....................................................................6
1.1.2 Điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nƣớc ta ..................................................10
1.1.3 Khả năng ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam....................................................16
1.1.4 Khái niệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm và bãi trƣớc ...........................17
1.2 Tình hình nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trên thế giới ...............19
1.3 Tình hình nghiên cứu về đê ngầm ở Việt Nam .......................................................25
1.4 Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................27
CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ HÌNH TOÁN VỀ XU THẾ VÀ MỨC ĐỘ
ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI ĐẾN HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA
ĐÊ NGẦM .............................................................................................................28
2.1 Mục tiêu nghiên cứu mô hình toán .........................................................................28
2.2 Các quá trình vật lý ảnh hƣởng tới sự tiêu hao năng lƣợng sóng khi đi qua đê ngầm
và xác định các tham số chi phối ...............................................................................28
iii
2.3 Nghiên cứu mô hình toán nhằm đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của các yếu
tố chi phối tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm .......................................................32
2.3.1 Lựa chọn mô hình toán mô phỏng lan truyền sóng qua đê ngầm ................32
2.3.2 Mô hình P-COULWAVE.............................................................................32
2.3.3 Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình ................................................................ 35
2.3.4 Kịch bản mở rộng đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố chi
phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ............................................................40
2.4 Kết luận Chƣơng 2 ..................................................................................................46
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VỀ HIỆU QUẢ GIẢM
SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM ...............................................................................................48
3.1 Mục tiêu thí nghiệm ................................................................................................ 48
3.2 Lý thuyết tƣơng tự và tỷ lệ mô hình .......................................................................48
3.3 Ứng dụng phƣơng pháp phân tích thứ nguyên để thiết lập các phƣơng trình tổng
quát thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với hiệu quả giảm sóng của
đê ngầm......................................................................................................................49
3.4 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm ....................................................................52
3.4.1 Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc ...................................................52
3.4.2 Mô hình đê và bãi trƣớc ...............................................................................53
3.4.3 Bố trí mô hình ..............................................................................................53
3.5 Chƣơng trình thí nghiệm .........................................................................................54
3.5.1 Kịch bản thí nghiệm .....................................................................................54
3.5.2 Trình tự thí nghiệm và số liệu đo đạc ..........................................................55
3.6 Xây dựng công thức tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ...........................57
3.6.1 Phân tích ảnh hƣởng của các yếu tố chi phối ...............................................57
3.6.2 Xây dựng công thức thực nghiệm ................................................................ 60
3.6.3 So sánh mức độ tin cậy với các nghiên cứu trƣớc .......................................64
3.6.4 Phạm vi ứng dụng của các công thức thực nghiệm của luận án ..................68
3.7 Kết luận Chƣơng 3 ..................................................................................................69
iv
CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH
TOÁN XÁC ĐỊNH MẶT CẮT NGANG THIẾT KẾ CỦA ĐÊ NGẦM THEO CHỨC
NĂNG - ÁP DỤNG CHO THIẾT KẾ ĐÊ NGẦM TẠI PHÚ THUẬN, THỪA THIÊN
HUẾ .............................................................................................................71
4.1 Giới thiệu chung ......................................................................................................71
4.2 Xác định chức năng thiết kế của đê ngầm ..............................................................71
4.2.1 Đê ngầm giảm sóng bão ...............................................................................72
4.2.2 Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thƣờng ................................................73
4.3 Đề xuất phƣơng pháp xác định kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng
thiết kế .......................................................................................................................74
4.3.1 Bề rộng đỉnh đê ............................................................................................74
4.3.2 Xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức
năng giảm sóng bão ...............................................................................................74
4.3.3 Xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức
năng giảm sóng trong điều kiện thƣờng ................................................................ 77
4.4 Áp dụng tính toán lựa chọn kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm Phú Thuận – Thừa
Thiên Huế ..................................................................................................................79
4.4.1 Hiện trạng khu vực công trình .....................................................................79
4.4.2 Nguyên nhân gây xói lở và đề xuất giải pháp ..............................................80
4.4.3 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng trong bão ..........81
4.4.4 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng thƣờng ..............84
4.5 Kết luận chƣơng 4 ...................................................................................................90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................91
I. Kết quả đạt đƣợc của luận án .....................................................................................91
1. Nghiên cứu tổng quan .......................................................................................91
2. Nghiên cứu bằng mô hình toán .........................................................................91
3. Nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................................92
4. Nghiên cứu ứng dụng ........................................................................................93
v
II. Những đóng góp mới của luận án .............................................................................93
III. Tồn tại và hƣớng phát triển .....................................................................................94
1. Những tồn tại .....................................................................................................94
2. Hƣớng phát triển ................................................................................................ 94
IV. Kiến nghị .................................................................................................................94
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..............................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................96
PHỤ LỤC ...........................................................................................................101
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1 Tác động của sóng bão đối với công trình đê kè ở Hải Phòng (bão số 2 6/2013)
.........................................................................................................................................2
Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014 ...............................2
Hình 3 Sạt lở bờ biển Cà Mau .........................................................................................2
Hình 1.1 Bố trí công trình đê ngầm giảm sóng [1]..........................................................6
Hình 1.2 Một số ví dụ về công trình đê ngầm trên thế giới (nguồn Internet) .................8
Hình 1.3 Hình ảnh một số đê ngầm đã xây dựng ở Việt Nam ........................................9
Hình 1.4 Đƣờng đi của 50 cơn bão và áp thấp nhiệt đới điển hình đổ bộ vào khu vực
miền Trung, Việt Nam (1959 – 2009) [9] .....................................................................13
Hình 1.5 Đặc trƣng sóng khí hậu tại vùng bờ biển Trung Bộ và Bắc Trung Bộ nƣớc ta
dựa trên số liệu quan trắc nhiều năm của NOAA (1997 - 2009) [11] ...........................15
Hình 1.6 Sơ đồ khái niệm xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ..........................17
Hình 1.7 Tƣơng quan của chỉ số sóng vỡ và hệ số truyền sóng [20] ............................21
Hình 1.8 Hệ số truyền sóng qua đê đỉnh hẹp bởi Van der Meer (1991) [23] ................22
Hình 1.9 Hệ số truyền sóng qua đê: so sánh kết quả giữa đo đạc (cơ sở dữ liệu) và tính
toán (các công thức (1.10) và (1.11)) [26] [24] .............................................................24
Hình 2.1 Các quá trình vật lý tiêu hao năng lƣợng sóng khi qua đê ngầm ...................29
Hình 2.2 Sự thay đổi hình dạng phổ sóng do ảnh hƣởng của bãi nông [15] .................30
Hình 2.3 Tiêu năng trong sóng vỡ tƣơng tự nhƣ nƣớc nhảy [33] .................................31
Hình 2.4 Không gian tính toán và các biên của mô hình ..............................................35
Hình 2.5 Cơ chế hấp thụ của lớp hấp thụ sóng số Sponge ............................................35
Hình 2.6 Ví dụ về biểu diễn kết quả quá trình lan truyền sóng qua đê ngầm ...............35
Hình 2.7 Mô hình đê ngầm trong mô hình toán ............................................................36
Hình 2.8 Độ nhạy của các tham số đối với kết quả tính toán (KD-H15T20)................37
Hình 2.9 So sánh chiều cao sóng Hm0 giữa đo đạc và tính toán bằng mô hình .............38
Hình 2.10 So sánh đƣờng quá trình sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mô hình vật lý
và mô hình toán (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20 ...............................39
Hình 2.11 So sánh phổ sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mô hình vật lý và mô hình
toán (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20 .................................................39
vii
Hình 2.12 Ảnh hƣởng của độ ngập tƣơng đối S/Hm0 đến hiệu quả giảm sóng của đê ..41
Hình 2.13 Mặt cắt tính toán trong trƣờng hợp bề rộng đỉnh đê thay đổi ......................42
Hình 2.14 Ảnh hƣởng của bề rộng đỉnh đê tƣơng đối B/LP đến hiệu quả giảm sóng của
đê ...................................................................................................................................42
Hình 2.15 Mặt cắt tính toán trong khi hệ số mái đê thay đổi ........................................43
Hình 2.16 Ảnh hƣởng của hệ số mái đê đến hiệu quả giảm sóng .................................44
Hình 2. 17 Mặt cắt tính toán khi thay đổi độ dốc bãi trƣớc ..........................................44
Hình 2.18 Hiệu quả giảm sóng của đê khi độ dốc bãi trƣớc thay đổi ...........................45
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí nghiệm đê ngầm giảm sóng trên bãi trƣớc .................................54
Hình 3.2 Hình ảnh thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm..................................55
Hình 3.3 Quan hệ ( ~ S/Hm0) của đê ngầm ứng với các bề rộng đỉnh đê khác nhau ...58
Hình 3.4 Quan hệ ( ~ B/LP) của đê ngầm ứng với các độ ngập nƣớc S khác nhau .....59
Hình 3.5 Quan hệ ( ~ 0m) của đê ngầm ứng với các trƣờng hợp bề rộng đỉnh đê và độ
ngập nƣớc S khác nhau: (a) B = 0,40 m (b) B = 0,80 m (c) B = 1,20 m .....................60
Hình 3.6 Xác định n1 và n2 bằng phƣơng pháp phân tích mức độ hồi quy ...................61
Hình 3.7 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ...................................................................62
Hình 3.8 Xác định hệ số mũ c2 trong phƣơng trình (3.17) ............................................63
Hình 3.9 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm (đo đạc và tính toán).................................64
Hình 3.10 So sánh mức độ tin cậy giữa hai phƣơng pháp tính toán hiệu quả giảm sóng
của đê ngầm của luận án ................................................................................................ 65
Hình 3.11 So sánh mức độ tin cậy với phƣơng pháp của Van der Meer (1991) ...........65
Hình 3.12 So sánh mức độ tin cậy với phƣơng pháp của d'Angremond và nnk. (1996)
và Van der Meer và nnk(2005) (DELOS) trƣờng hợp đê không thấm, mái nhẵn ........66
Hình 3.13 So sánh với phƣơng pháp của Van der Meer và nnk (2005) cho đê đá đổ ..67
Hình 3. 14 So sánh với phƣơng pháp của Viện KHTL Nam Kinh (2001) cho đê đá đổ
.......................................................................................................................................68
Hình 4.1 Chu trình thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm ......................................................72
Hình 4.2 Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng bão ......................73
Hình 4.3 Làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thƣờng ......73
Hình 4.4 Hiện trạng sạt lở bờ biển cồn cát khu vực thôn An Dƣơng - Phú Thuận .......80
Hình 4.5 Đê ngầm giảm sóng bão (a) Vị trí xây dựng đê ngầm trên mặt cắt ngang bãi
viii
biển (b) Phân bố chiều cao sóng ngang bờ tới trƣớc đê .............................................82
Hình 4.6 Các quan hệ về kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A .....83
Hình 4.7 Quan hệ giữa độ ngập và bề rộng đỉnh đê tối thiểu theo cấu tạo (S ~ Bmin) ..83
Hình 4.8 Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng thƣờng trên mặt cắt ngang bãi biển ......85
Hình 4.9 Đƣờng tần suất lũy tích mực nƣớc triều tại khu vực công trình (Ztr ~ p) [44]85
Hình 4.10 Vị trí hoa sóng khí hậu nƣớc sâu ngoài khơi Phú Thuận [9]........................85
Hình 4.11 Phân bố chiều cao sóng bão ngang bờ tới trƣớc đê ngầm giảm sóng thƣờng
.......................................................................................................................................86
Hình 4.12 Các quan hệ về kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A
(c) (S ~ Bmin) theo điều kiện sóng bão ..........................................................................89
ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Độ dốc bãi biển ở các vùng bờ biển của Việt Nam [12] ...............................12
Bảng 1. 2 Tần suất mực nƣớc dâng ở vùng biển Bắc vĩ tuyến 160N (P%) [10]............14
Bảng 2.1 Các kịch bản thí nghiệm dùng cho kiểm định và hiệu chỉnh mô hình toán ...36
Bảng 2.2 Kết quả kiểm định chiều cao sóng Hm0 tại các vị trí WG1 và WG2 ..............38
Bảng 2.3 Các trƣờng hợp tính toán mở rộng .................................................................40
Bảng 2.4 Hiệu quả giảm sóng tƣơng ứng với các độ ngập tƣơng đối khác nhau ..........41
Bảng 2.5 Ảnh hƣởng của bề rộng đỉnh đê tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ..........42
Bảng 3.1 Tƣơng quan tỷ lệ của một số đại lƣợng vật lý cơ bản theo luật Froude [38] .48
Bảng 3.2 Chƣơng trình thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ..........................54
Bảng 3.3 Các bƣớc thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.................................56
Bảng 4. 1 Các tham số thiết kế đê ngầm giảm sóng bão Phú Thuận - Huế ..................82
Bảng 4. 2 Điều kiện sóng tới khí hậu nhiều năm tại vị trí xây dựng đê ngầm tính toán
từ NOAA [9] ..................................................................................................................87
Bảng 4. 3 Các tham số đầu vào thiết kế đê ngầm giảm sóng thƣờng Phú Thuận - Huế
.......................................................................................................................................88
x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
14 TCN: 14 Tiêu chuẩn ngành
ARC (Active Reflection Compensation): Hấp thụ sóng phản xạ chủ động
BTCT: Bê tông cốt thép
DELOS (Environmental Design of Low Crested Coastal Defence Structures): Thiết kế
công trình đỉnh thấp bảo vệ bờ biển phù hợp với môi trƣờng
ĐHBK TP.HCM: Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh
ĐHHH: Đại học Hàng Hải
ĐHTL: Đại học Thủy lợi
ĐHXD: Đại học Xây dựng
FVM (Finite Volume Method): Phƣơng pháp phần tử khối
Hƣớng S, N, E, W: Hƣớng Nam, Bắc, Đông, Tây
JONSWAP (Joint North Sea Wave Project): Dự án nghiên cứu sóng biển Bắc
NLSW: Non-linear Shallow Water – Phƣơng trình phi tuyến nƣớc nông
PM (Peirsion-Moskowitz)
RANS - VOF: Reynolds Averaged Navier Stokes - Volume of fluid : Mô hình toán họ
RANS – VOF
Salient: bờ lồi
Tombolo: bán đảo
VKHTLVN: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
xi
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu
α độ Góc sóng tới
α, β, a, b, C1, C2,
- Các hằng số (có khi là hệ số, có khi là số mũ)
C3, C4, m, n
- Chỉ số sóng vỡ Iribarren
- Tỷ lệ mô hình
- Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm
At m2 Diện tích mặt cắt cắt ngang đê ngầm
B m Bề rộng đỉnh đê ngầm
Bmin Bề rộng đỉnh đê nhỏ nhất
m
Bmax Bề rộng đỉnh đê lớn nhất
D m Độ sâu nƣớc tại vị trí đê ngầm
D’ m Độ sâu nƣớc tại vị trí đê ngầm có kể đến nƣớc dềnh
Đƣờng kính trung bình (lọt sàng 50%) của đá đổ
D50 m
thân đê ngầm
Dn50 m Đƣờng kính danh nghĩa của đá đổ thân đê ngầm
E J Năng lƣợng sóng
g m2/s Gia tốc trọng trƣờng
h m Chiều cao đê ngầm
Hi m Chiều cao sóng tới trƣớc đê (Hi = Hs,i)
HS m Chiều cao sóng
Hs,i m Chiều cao sóng trƣớc đê ngầm
Chiều cao sóng tới tính toán trƣớc đê ngầm – dùng
Hs,i-c m cho xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu của đê
ngầm
xii
Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu
Chiều cao sóng lớn nhất trƣớc đê ngầm – dùng
Hs,i-max m
trong thiết kế kích thƣớc hình học đê
Hs,0 m Chiều cao sóng nƣớc sâu
Hs,t m Chiều cao sóng sau đê ngầm
Hm0 m Chiều cao sóng mô men 0
Chiều cao sóng bão tối đa cho phép để đảm bảo an
H s E m
toàn cho các công trình bảo vệ bờ phía sau đê ngầm
Chiều cao sóng tối đa cho phép phía sau đê theo
H s N m
chức năng thiết kế của đê
i - Độ dốc bãi trƣớc đê
k s-1 Tần số sóng
Kt - Hệ số truyền sóng qua đê ngầm
Hệ số xếp lớp phụ thuộc loại khối phủ và phƣơng
K -
pháp thi công
Kr - Hệ số phản xạ
Lm m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ trung bình
L0 m Chiều dài sóng nƣớc sâu
LP m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ phổ
LS m Chiều dài sóng
m - Hệ số mái dốc
P % Tần suất
pi % Tần suất xuất hiện của từng lớp sóng tới
Tần suất xuất hiện chiều cao sóng tới không lớn
p ( H s , i H s ,i c ) %
hơn chiều cao sóng tới tính toán
Tần suất xuất hiện chiều cao sóng sau đê không lớn
p ( H s ,t H s N ) %
hơn chiều cao sóng cho phép
xiii
Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu
Tần suất mức bảo đảm mực nƣớc triều không lớn
p(Zt r Ztr ,tk ) %
hơn mực nƣớc triều thiết kế đê ngầm
Tần suất mức bảo đảm chiều cao sóng sau đê không
Pa %
lớn hơn chiều cao sóng cho phép
Chiều cao lƣu không phía trên mực nƣớc tính toán
Rc m
của đê chắn sóng (đê nhô Rc> 0, đê ngầm Rc< 0)
s0p - Độ dốc sóng
Độ ngập nƣớc của đỉnh đê ngầm so với mực nƣớc
S m
tính toán
Tp s Chu kì đỉnh phổ
T s Thời gian
Tm s Chu kỳ phổ trung bình
Tm-1,0 s Chu kỳ phổ đặc trƣng
X m Khoảng cách từ đê ngầm tới bờ
Zd m Cao trình đỉnh đê ngầm
Ztr m Mực nƣớc triều
Ztr,tk m Mực nƣớc triều thiết kế
Zđáy đh - Cao độ đáy địa hình
S/HS - Độ ngập tƣơng đối của đê ngầm
B/Lm - Bề rộng tƣơng đối của đỉnh đê
xiv
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống công trình bảo vệ bờ ở nƣớc ta trong đó có đê biển đang đóng vai trò quan
trọng trong việc bảo vệ an toàn cho hàng chục triệu dân cƣ cùng với đất đai vùng ven
biển. Tuy nhiên, các công trình bảo vệ bờ hiện nay phần lớn vẫn chỉ là dạng công trình
kè hoặc kè kết hợp với đê biển. Đây là dạng công trình bảo vệ truyền thống mang tính
thụ động với tải trọng, trong khi đó vấn đề mất an toàn công trình đê điều và xâm thực
từ phía biển đang ngày gia tăng với mức độ nghiêm trọng ở nhiều địa phƣơng đòi hỏi
chúng ta cần có những giải pháp khắc chế hiệu quả. Ngoài ra, trong điều kiện biến đổi
khí hậu và nƣớc biển dâng nhƣ hiện nay thì việc nâng cấp và củng cố dạng các công
trình bảo vệ truyền thống nhằm thích ứng với điều kiện tải trọng mới cũng đang gặp
nhiều trở ngại và tốn kém.
Một số ví dụ điển hình về các hƣ hỏng đối với công trình đê điều do bão số 7 năm
2005 ở Nam Định hay do bão số 2 năm 2013 gây ra ở Hải Phòng (xem Hình 1),…
Trong những năm gần đây, bờ biển Cửa Đại, thị xã Hội An đã bị sóng biển xâm thực
sâu vào đất liền cuốn theo nhiều công trình bảo vệ bờ cùng với cơ sở hạ tầng xuống
biển (riêng năm 2014 biển đã lấn sâu vào khoảng 30 m, kéo dài hơn 700 m từ bãi tắm
Cửa Đại đến khách sạn Victoria)(xem Hình 2). Tại Cà Mau, sạt lở bờ biển cũng xảy ra
nghiêm trọng liên tục trong nhiều năm nay, toàn tỉnh hiện có khoảng 80% chiều dài bờ
biển phía Đông và biển Tây bị sạt lở; trong đó có 41 km sạt lở ở mức nghiêm trọng,
bốn đoạn sạt lở đặc biệt nghiêm trọng với tổng chiều dài 17 km (xem Hình 3).
Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau cơn bão số 7 năm 2005, nhiều địa phƣơng
(đặc biệt là Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ) đã mạnh dạn hơn trong việc ứng dụng các giải
pháp nhƣ công trình đê ngầm giảm sóng bảo vệ đê biển, mỏ hàn gây bồi chống xói lở
bờ biển. Các tỉnh ở khu vực Nam Bộ đã thử nghiệm xây dựng một số công trình đê
ngầm nhằm giảm sóng, gây bồi, bảo vệ rừng ngập mặn bằng những kết cấu và vật liệu
khác nhau nhƣ cọc ống bê tông ly tâm chèn đá hộc (Cà Mau), kè mềm bằng túi vải địa
kỹ thuật (Bạc Liêu), cọc tràm kết hợp bó cành cây (Sóc Trăng)… Các công trình thử
nghiệm này đã đạt đƣợc những kết quả ban đầu đáng khích lệ, nhƣng vẫn còn rất hạn
chế do chƣa đƣợc dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng và lý luận thiết kế xây dựng một
1
cách đầy đủ.
(a) Sóng tràn qua đỉnh đê Cát Hải (b) Tƣờng kè Đồ Sơn bị phá hỏng
Hình 1 Tác động của sóng bão đối với công trình đê kè ở Hải Phòng (bão số 2 6/2013)
Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014
a) Sạt lở ở Biển Tây b) Sạt lở ở đất mũi Cà Mau
Hình 3 Sạt lở bờ biển Cà Mau
Với tính năng giảm sóng chủ động, đê ngầm có thể đƣợc xây dựng kết hợp với hệ
thống công trình bảo vệ bờ hiện có nhằm gia tăng an toàn đê biển, giảm xói và gây bồi
bờ biển. Đây là giải pháp đã và đang đƣợc áp dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới
đem lại lợi ích kinh tế, xã hội cao, đặc biệt là có thể áp dụng để ứng phó với biến đổi
2
khí hậu và nƣớc biển dâng đang gia tăng trên toàn cầu.
Thực tế, áp dụng các công trình dạng đê ngầm thử nghiệm ở một số địa phƣơng đã cho
thấy hiệu quả và khả năng ứng dụng không thể phủ nhận của dạng công trình này ở
nƣớc ta. Tuy nhiên, để có thể áp dụng một cách hiệu quả theo chức năng thiết kế của
dạng công trình này thì cần phải có nghiên cứu đánh giá một cách đầy đủ hiệu quả
giảm sóng của chúng. Cho đến nay, mới chỉ có một vài nghiên cứu áp dụng thử
nghiệm ở một số dự án, tuy nhiên chƣa có một nghiên cứu tổng thể với mục đích nêu
trên có gắn với điều kiện tự nhiên đặc thù của nƣớc ta.
Vì vậy, đề tài luận án với nội dung nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trong
điều kiện Việt Nam để có thể áp dụng giải pháp này một cách hiệu quả cho mục đích
bảo vệ bờ biển do vậy rất có ý nghĩa thực tiễn và mang tính cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu cơ sở khoa học về cơ chế giảm sóng của đê ngầm trong chức năng bảo vệ
bờ biển, đề xuất đƣợc phƣơng pháp đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phù hợp
với điều kiện tự nhiên bờ biển Việt Nam.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: Đê ngầm và hiệu quả giảm sóng của nó.
- Phạm vi nghiên cứu: Đê ngầm có dạng mặt cắt thực dụng hình thang, kết cấu không
(hoặc ít) thấm, xây dựng trên bãi ở khu vực nƣớc nông ven bờ thuộc vùng biển Bắc Bộ
và Bắc Trung Bộ.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu nêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu cơ bản
sau đây:
- Nghiên cứu tổng quan về các thành tựu nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới về
hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, phân tích các tồn tại và đặt vấn đề nghiên cứu cho
luận án;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đánh giá các điều
kiện tự nhiên đặc thù vùng bờ biển khu vực nghiên cứu ở nƣớc ta;
3
- Sử dụng mô hình toán đƣợc kiểm định để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của
các yếu tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
- Thiết kế và xây dựng mô hình, xây dựng kịch bản và thực hiện các thí nghiệm mô
hình vật lý máng sóng về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
- Xây dựng công thức thực nghiệm về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm có gắn với
điều kiện tự nhiên vùng bờ biển khu vực nghiên cứu;
- Vận dụng kết quả nghiên cứu để đề xuất chu trình và phƣơng pháp tính toán xác định
kích thƣớc hình học mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng thiết kế. Áp dụng thiết kế
đê ngầm bảo vệ bờ biển chống sạt lở tại khu vực An Dƣơng, Phú Thuận, Thừa Thiên
Huế.
5. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
5.1. Cách tiếp cận
Để đạt đƣợc mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên
cứu có liên quan trong nƣớc và trên thế giới về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm. Từ
đó lựa chọn hƣớng tiếp cận vừa mang tính kế thừa vừa mang tính sáng tạo phù hợp với
đặc điểm tự nhiên về địa hình, sóng, gió của bờ biển khu vực nghiên cứu.
5.2. Các phương pháp sử dụng trong luận án
- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài
liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết đến luận án, từ đó tìm ra những
vấn đề mà các nghiên cứu trƣớc chƣa đƣợc đề cập một cách đầy đủ;
- Phương pháp mô hình toán: Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình toán với một số kết
quả thí nghiệm mô hình vật lý. Sử dụng mô hình đã kiểm định để tính toán cho các
kịch bản mở rộng để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố đến hiệu
quả giảm sóng của đê ngầm;
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm trên mô hình vật lý để xác định
mối quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản. Xử lý số liệu để thiết lập công thức
thực nghiệm và xác định các thông số cần thiết;
- Phương pháp chuyên gia: Sử dụng phƣơng pháp chuyên gia để xin ý kiến, góp ý cho
4
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGUYỄN VIẾT TIẾN
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH
TIÊU HAO NĂNG LƢỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN
VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGUYỄN VIẾT TIẾN
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH
TIÊU HAO NĂNG LƢỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN
VIỆT NAM
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 62 58 40 01
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Thiều Quang Tuấn
2. GS.TS. Lê Kim Truyền
HÀ NỘI, NĂM 2015
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 này là trung thực, và không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu
(nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án
Nguyễn Viết Tiến
i
LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sĩ này đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Thiều
Quang Tuấn và GS.TS Lê Kim Truyền. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các
Thầy về định hƣớng khoa học, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá
trình nghiên cứu hoàn thành cuốn luận án này. Tác giả xin đƣợc chân thành cảm ơn
các nhà khoa học, các tác giả của các công trình nghiên cứu đã công bố mà tác giả đã
trích dẫn trong luận án, cung cấp nguồn tƣ liệu quý báu, những kiến thức liên quan
trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô Khoa Công trình, Khoa Kỹ thuật Biển –
trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh đƣợc thực hiện và hoàn
thành chƣơng trình nghiên cứu của mình.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, đặc biệt là nhóm cộng tác nghiên
cứu vì đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi, hỗ trợ thực hiện việc quan trắc thu thập dữ liệu
thí nghiệm, triển khai nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.
Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình và những ngƣời bạn thân thiết vì đã động viên để
nghiên cứu sinh duy trì nghị lực, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các
khía cạnh của cuộc sống trong cả quá trình để hoàn thành luận án.
Tác giả luận án
Nguyễn Viết Tiến
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN ............................................ xii
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án .................................................................................3
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................3
4. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................3
5. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................4
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................................5
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ
NGẦM ...............................................................................................................6
1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................................6
1.1.1 Đê ngầm và ứng dụng đê ngầm .....................................................................6
1.1.2 Điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nƣớc ta ..................................................10
1.1.3 Khả năng ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam....................................................16
1.1.4 Khái niệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm và bãi trƣớc ...........................17
1.2 Tình hình nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trên thế giới ...............19
1.3 Tình hình nghiên cứu về đê ngầm ở Việt Nam .......................................................25
1.4 Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................27
CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ HÌNH TOÁN VỀ XU THẾ VÀ MỨC ĐỘ
ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI ĐẾN HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA
ĐÊ NGẦM .............................................................................................................28
2.1 Mục tiêu nghiên cứu mô hình toán .........................................................................28
2.2 Các quá trình vật lý ảnh hƣởng tới sự tiêu hao năng lƣợng sóng khi đi qua đê ngầm
và xác định các tham số chi phối ...............................................................................28
iii
2.3 Nghiên cứu mô hình toán nhằm đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của các yếu
tố chi phối tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm .......................................................32
2.3.1 Lựa chọn mô hình toán mô phỏng lan truyền sóng qua đê ngầm ................32
2.3.2 Mô hình P-COULWAVE.............................................................................32
2.3.3 Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình ................................................................ 35
2.3.4 Kịch bản mở rộng đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố chi
phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ............................................................40
2.4 Kết luận Chƣơng 2 ..................................................................................................46
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VỀ HIỆU QUẢ GIẢM
SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM ...............................................................................................48
3.1 Mục tiêu thí nghiệm ................................................................................................ 48
3.2 Lý thuyết tƣơng tự và tỷ lệ mô hình .......................................................................48
3.3 Ứng dụng phƣơng pháp phân tích thứ nguyên để thiết lập các phƣơng trình tổng
quát thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với hiệu quả giảm sóng của
đê ngầm......................................................................................................................49
3.4 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm ....................................................................52
3.4.1 Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc ...................................................52
3.4.2 Mô hình đê và bãi trƣớc ...............................................................................53
3.4.3 Bố trí mô hình ..............................................................................................53
3.5 Chƣơng trình thí nghiệm .........................................................................................54
3.5.1 Kịch bản thí nghiệm .....................................................................................54
3.5.2 Trình tự thí nghiệm và số liệu đo đạc ..........................................................55
3.6 Xây dựng công thức tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ...........................57
3.6.1 Phân tích ảnh hƣởng của các yếu tố chi phối ...............................................57
3.6.2 Xây dựng công thức thực nghiệm ................................................................ 60
3.6.3 So sánh mức độ tin cậy với các nghiên cứu trƣớc .......................................64
3.6.4 Phạm vi ứng dụng của các công thức thực nghiệm của luận án ..................68
3.7 Kết luận Chƣơng 3 ..................................................................................................69
iv
CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH
TOÁN XÁC ĐỊNH MẶT CẮT NGANG THIẾT KẾ CỦA ĐÊ NGẦM THEO CHỨC
NĂNG - ÁP DỤNG CHO THIẾT KẾ ĐÊ NGẦM TẠI PHÚ THUẬN, THỪA THIÊN
HUẾ .............................................................................................................71
4.1 Giới thiệu chung ......................................................................................................71
4.2 Xác định chức năng thiết kế của đê ngầm ..............................................................71
4.2.1 Đê ngầm giảm sóng bão ...............................................................................72
4.2.2 Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thƣờng ................................................73
4.3 Đề xuất phƣơng pháp xác định kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng
thiết kế .......................................................................................................................74
4.3.1 Bề rộng đỉnh đê ............................................................................................74
4.3.2 Xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức
năng giảm sóng bão ...............................................................................................74
4.3.3 Xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức
năng giảm sóng trong điều kiện thƣờng ................................................................ 77
4.4 Áp dụng tính toán lựa chọn kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm Phú Thuận – Thừa
Thiên Huế ..................................................................................................................79
4.4.1 Hiện trạng khu vực công trình .....................................................................79
4.4.2 Nguyên nhân gây xói lở và đề xuất giải pháp ..............................................80
4.4.3 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng trong bão ..........81
4.4.4 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng thƣờng ..............84
4.5 Kết luận chƣơng 4 ...................................................................................................90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................91
I. Kết quả đạt đƣợc của luận án .....................................................................................91
1. Nghiên cứu tổng quan .......................................................................................91
2. Nghiên cứu bằng mô hình toán .........................................................................91
3. Nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................................92
4. Nghiên cứu ứng dụng ........................................................................................93
v
II. Những đóng góp mới của luận án .............................................................................93
III. Tồn tại và hƣớng phát triển .....................................................................................94
1. Những tồn tại .....................................................................................................94
2. Hƣớng phát triển ................................................................................................ 94
IV. Kiến nghị .................................................................................................................94
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..............................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................96
PHỤ LỤC ...........................................................................................................101
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1 Tác động của sóng bão đối với công trình đê kè ở Hải Phòng (bão số 2 6/2013)
.........................................................................................................................................2
Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014 ...............................2
Hình 3 Sạt lở bờ biển Cà Mau .........................................................................................2
Hình 1.1 Bố trí công trình đê ngầm giảm sóng [1]..........................................................6
Hình 1.2 Một số ví dụ về công trình đê ngầm trên thế giới (nguồn Internet) .................8
Hình 1.3 Hình ảnh một số đê ngầm đã xây dựng ở Việt Nam ........................................9
Hình 1.4 Đƣờng đi của 50 cơn bão và áp thấp nhiệt đới điển hình đổ bộ vào khu vực
miền Trung, Việt Nam (1959 – 2009) [9] .....................................................................13
Hình 1.5 Đặc trƣng sóng khí hậu tại vùng bờ biển Trung Bộ và Bắc Trung Bộ nƣớc ta
dựa trên số liệu quan trắc nhiều năm của NOAA (1997 - 2009) [11] ...........................15
Hình 1.6 Sơ đồ khái niệm xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ..........................17
Hình 1.7 Tƣơng quan của chỉ số sóng vỡ và hệ số truyền sóng [20] ............................21
Hình 1.8 Hệ số truyền sóng qua đê đỉnh hẹp bởi Van der Meer (1991) [23] ................22
Hình 1.9 Hệ số truyền sóng qua đê: so sánh kết quả giữa đo đạc (cơ sở dữ liệu) và tính
toán (các công thức (1.10) và (1.11)) [26] [24] .............................................................24
Hình 2.1 Các quá trình vật lý tiêu hao năng lƣợng sóng khi qua đê ngầm ...................29
Hình 2.2 Sự thay đổi hình dạng phổ sóng do ảnh hƣởng của bãi nông [15] .................30
Hình 2.3 Tiêu năng trong sóng vỡ tƣơng tự nhƣ nƣớc nhảy [33] .................................31
Hình 2.4 Không gian tính toán và các biên của mô hình ..............................................35
Hình 2.5 Cơ chế hấp thụ của lớp hấp thụ sóng số Sponge ............................................35
Hình 2.6 Ví dụ về biểu diễn kết quả quá trình lan truyền sóng qua đê ngầm ...............35
Hình 2.7 Mô hình đê ngầm trong mô hình toán ............................................................36
Hình 2.8 Độ nhạy của các tham số đối với kết quả tính toán (KD-H15T20)................37
Hình 2.9 So sánh chiều cao sóng Hm0 giữa đo đạc và tính toán bằng mô hình .............38
Hình 2.10 So sánh đƣờng quá trình sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mô hình vật lý
và mô hình toán (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20 ...............................39
Hình 2.11 So sánh phổ sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mô hình vật lý và mô hình
toán (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20 .................................................39
vii
Hình 2.12 Ảnh hƣởng của độ ngập tƣơng đối S/Hm0 đến hiệu quả giảm sóng của đê ..41
Hình 2.13 Mặt cắt tính toán trong trƣờng hợp bề rộng đỉnh đê thay đổi ......................42
Hình 2.14 Ảnh hƣởng của bề rộng đỉnh đê tƣơng đối B/LP đến hiệu quả giảm sóng của
đê ...................................................................................................................................42
Hình 2.15 Mặt cắt tính toán trong khi hệ số mái đê thay đổi ........................................43
Hình 2.16 Ảnh hƣởng của hệ số mái đê đến hiệu quả giảm sóng .................................44
Hình 2. 17 Mặt cắt tính toán khi thay đổi độ dốc bãi trƣớc ..........................................44
Hình 2.18 Hiệu quả giảm sóng của đê khi độ dốc bãi trƣớc thay đổi ...........................45
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí nghiệm đê ngầm giảm sóng trên bãi trƣớc .................................54
Hình 3.2 Hình ảnh thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm..................................55
Hình 3.3 Quan hệ ( ~ S/Hm0) của đê ngầm ứng với các bề rộng đỉnh đê khác nhau ...58
Hình 3.4 Quan hệ ( ~ B/LP) của đê ngầm ứng với các độ ngập nƣớc S khác nhau .....59
Hình 3.5 Quan hệ ( ~ 0m) của đê ngầm ứng với các trƣờng hợp bề rộng đỉnh đê và độ
ngập nƣớc S khác nhau: (a) B = 0,40 m (b) B = 0,80 m (c) B = 1,20 m .....................60
Hình 3.6 Xác định n1 và n2 bằng phƣơng pháp phân tích mức độ hồi quy ...................61
Hình 3.7 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ...................................................................62
Hình 3.8 Xác định hệ số mũ c2 trong phƣơng trình (3.17) ............................................63
Hình 3.9 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm (đo đạc và tính toán).................................64
Hình 3.10 So sánh mức độ tin cậy giữa hai phƣơng pháp tính toán hiệu quả giảm sóng
của đê ngầm của luận án ................................................................................................ 65
Hình 3.11 So sánh mức độ tin cậy với phƣơng pháp của Van der Meer (1991) ...........65
Hình 3.12 So sánh mức độ tin cậy với phƣơng pháp của d'Angremond và nnk. (1996)
và Van der Meer và nnk(2005) (DELOS) trƣờng hợp đê không thấm, mái nhẵn ........66
Hình 3.13 So sánh với phƣơng pháp của Van der Meer và nnk (2005) cho đê đá đổ ..67
Hình 3. 14 So sánh với phƣơng pháp của Viện KHTL Nam Kinh (2001) cho đê đá đổ
.......................................................................................................................................68
Hình 4.1 Chu trình thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm ......................................................72
Hình 4.2 Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng bão ......................73
Hình 4.3 Làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thƣờng ......73
Hình 4.4 Hiện trạng sạt lở bờ biển cồn cát khu vực thôn An Dƣơng - Phú Thuận .......80
Hình 4.5 Đê ngầm giảm sóng bão (a) Vị trí xây dựng đê ngầm trên mặt cắt ngang bãi
viii
biển (b) Phân bố chiều cao sóng ngang bờ tới trƣớc đê .............................................82
Hình 4.6 Các quan hệ về kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A .....83
Hình 4.7 Quan hệ giữa độ ngập và bề rộng đỉnh đê tối thiểu theo cấu tạo (S ~ Bmin) ..83
Hình 4.8 Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng thƣờng trên mặt cắt ngang bãi biển ......85
Hình 4.9 Đƣờng tần suất lũy tích mực nƣớc triều tại khu vực công trình (Ztr ~ p) [44]85
Hình 4.10 Vị trí hoa sóng khí hậu nƣớc sâu ngoài khơi Phú Thuận [9]........................85
Hình 4.11 Phân bố chiều cao sóng bão ngang bờ tới trƣớc đê ngầm giảm sóng thƣờng
.......................................................................................................................................86
Hình 4.12 Các quan hệ về kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A
(c) (S ~ Bmin) theo điều kiện sóng bão ..........................................................................89
ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Độ dốc bãi biển ở các vùng bờ biển của Việt Nam [12] ...............................12
Bảng 1. 2 Tần suất mực nƣớc dâng ở vùng biển Bắc vĩ tuyến 160N (P%) [10]............14
Bảng 2.1 Các kịch bản thí nghiệm dùng cho kiểm định và hiệu chỉnh mô hình toán ...36
Bảng 2.2 Kết quả kiểm định chiều cao sóng Hm0 tại các vị trí WG1 và WG2 ..............38
Bảng 2.3 Các trƣờng hợp tính toán mở rộng .................................................................40
Bảng 2.4 Hiệu quả giảm sóng tƣơng ứng với các độ ngập tƣơng đối khác nhau ..........41
Bảng 2.5 Ảnh hƣởng của bề rộng đỉnh đê tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ..........42
Bảng 3.1 Tƣơng quan tỷ lệ của một số đại lƣợng vật lý cơ bản theo luật Froude [38] .48
Bảng 3.2 Chƣơng trình thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ..........................54
Bảng 3.3 Các bƣớc thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.................................56
Bảng 4. 1 Các tham số thiết kế đê ngầm giảm sóng bão Phú Thuận - Huế ..................82
Bảng 4. 2 Điều kiện sóng tới khí hậu nhiều năm tại vị trí xây dựng đê ngầm tính toán
từ NOAA [9] ..................................................................................................................87
Bảng 4. 3 Các tham số đầu vào thiết kế đê ngầm giảm sóng thƣờng Phú Thuận - Huế
.......................................................................................................................................88
x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
14 TCN: 14 Tiêu chuẩn ngành
ARC (Active Reflection Compensation): Hấp thụ sóng phản xạ chủ động
BTCT: Bê tông cốt thép
DELOS (Environmental Design of Low Crested Coastal Defence Structures): Thiết kế
công trình đỉnh thấp bảo vệ bờ biển phù hợp với môi trƣờng
ĐHBK TP.HCM: Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh
ĐHHH: Đại học Hàng Hải
ĐHTL: Đại học Thủy lợi
ĐHXD: Đại học Xây dựng
FVM (Finite Volume Method): Phƣơng pháp phần tử khối
Hƣớng S, N, E, W: Hƣớng Nam, Bắc, Đông, Tây
JONSWAP (Joint North Sea Wave Project): Dự án nghiên cứu sóng biển Bắc
NLSW: Non-linear Shallow Water – Phƣơng trình phi tuyến nƣớc nông
PM (Peirsion-Moskowitz)
RANS - VOF: Reynolds Averaged Navier Stokes - Volume of fluid : Mô hình toán họ
RANS – VOF
Salient: bờ lồi
Tombolo: bán đảo
VKHTLVN: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
xi
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu
α độ Góc sóng tới
α, β, a, b, C1, C2,
- Các hằng số (có khi là hệ số, có khi là số mũ)
C3, C4, m, n
- Chỉ số sóng vỡ Iribarren
- Tỷ lệ mô hình
- Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm
At m2 Diện tích mặt cắt cắt ngang đê ngầm
B m Bề rộng đỉnh đê ngầm
Bmin Bề rộng đỉnh đê nhỏ nhất
m
Bmax Bề rộng đỉnh đê lớn nhất
D m Độ sâu nƣớc tại vị trí đê ngầm
D’ m Độ sâu nƣớc tại vị trí đê ngầm có kể đến nƣớc dềnh
Đƣờng kính trung bình (lọt sàng 50%) của đá đổ
D50 m
thân đê ngầm
Dn50 m Đƣờng kính danh nghĩa của đá đổ thân đê ngầm
E J Năng lƣợng sóng
g m2/s Gia tốc trọng trƣờng
h m Chiều cao đê ngầm
Hi m Chiều cao sóng tới trƣớc đê (Hi = Hs,i)
HS m Chiều cao sóng
Hs,i m Chiều cao sóng trƣớc đê ngầm
Chiều cao sóng tới tính toán trƣớc đê ngầm – dùng
Hs,i-c m cho xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu của đê
ngầm
xii
Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu
Chiều cao sóng lớn nhất trƣớc đê ngầm – dùng
Hs,i-max m
trong thiết kế kích thƣớc hình học đê
Hs,0 m Chiều cao sóng nƣớc sâu
Hs,t m Chiều cao sóng sau đê ngầm
Hm0 m Chiều cao sóng mô men 0
Chiều cao sóng bão tối đa cho phép để đảm bảo an
H s E m
toàn cho các công trình bảo vệ bờ phía sau đê ngầm
Chiều cao sóng tối đa cho phép phía sau đê theo
H s N m
chức năng thiết kế của đê
i - Độ dốc bãi trƣớc đê
k s-1 Tần số sóng
Kt - Hệ số truyền sóng qua đê ngầm
Hệ số xếp lớp phụ thuộc loại khối phủ và phƣơng
K -
pháp thi công
Kr - Hệ số phản xạ
Lm m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ trung bình
L0 m Chiều dài sóng nƣớc sâu
LP m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ phổ
LS m Chiều dài sóng
m - Hệ số mái dốc
P % Tần suất
pi % Tần suất xuất hiện của từng lớp sóng tới
Tần suất xuất hiện chiều cao sóng tới không lớn
p ( H s , i H s ,i c ) %
hơn chiều cao sóng tới tính toán
Tần suất xuất hiện chiều cao sóng sau đê không lớn
p ( H s ,t H s N ) %
hơn chiều cao sóng cho phép
xiii
Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu
Tần suất mức bảo đảm mực nƣớc triều không lớn
p(Zt r Ztr ,tk ) %
hơn mực nƣớc triều thiết kế đê ngầm
Tần suất mức bảo đảm chiều cao sóng sau đê không
Pa %
lớn hơn chiều cao sóng cho phép
Chiều cao lƣu không phía trên mực nƣớc tính toán
Rc m
của đê chắn sóng (đê nhô Rc> 0, đê ngầm Rc< 0)
s0p - Độ dốc sóng
Độ ngập nƣớc của đỉnh đê ngầm so với mực nƣớc
S m
tính toán
Tp s Chu kì đỉnh phổ
T s Thời gian
Tm s Chu kỳ phổ trung bình
Tm-1,0 s Chu kỳ phổ đặc trƣng
X m Khoảng cách từ đê ngầm tới bờ
Zd m Cao trình đỉnh đê ngầm
Ztr m Mực nƣớc triều
Ztr,tk m Mực nƣớc triều thiết kế
Zđáy đh - Cao độ đáy địa hình
S/HS - Độ ngập tƣơng đối của đê ngầm
B/Lm - Bề rộng tƣơng đối của đỉnh đê
xiv
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống công trình bảo vệ bờ ở nƣớc ta trong đó có đê biển đang đóng vai trò quan
trọng trong việc bảo vệ an toàn cho hàng chục triệu dân cƣ cùng với đất đai vùng ven
biển. Tuy nhiên, các công trình bảo vệ bờ hiện nay phần lớn vẫn chỉ là dạng công trình
kè hoặc kè kết hợp với đê biển. Đây là dạng công trình bảo vệ truyền thống mang tính
thụ động với tải trọng, trong khi đó vấn đề mất an toàn công trình đê điều và xâm thực
từ phía biển đang ngày gia tăng với mức độ nghiêm trọng ở nhiều địa phƣơng đòi hỏi
chúng ta cần có những giải pháp khắc chế hiệu quả. Ngoài ra, trong điều kiện biến đổi
khí hậu và nƣớc biển dâng nhƣ hiện nay thì việc nâng cấp và củng cố dạng các công
trình bảo vệ truyền thống nhằm thích ứng với điều kiện tải trọng mới cũng đang gặp
nhiều trở ngại và tốn kém.
Một số ví dụ điển hình về các hƣ hỏng đối với công trình đê điều do bão số 7 năm
2005 ở Nam Định hay do bão số 2 năm 2013 gây ra ở Hải Phòng (xem Hình 1),…
Trong những năm gần đây, bờ biển Cửa Đại, thị xã Hội An đã bị sóng biển xâm thực
sâu vào đất liền cuốn theo nhiều công trình bảo vệ bờ cùng với cơ sở hạ tầng xuống
biển (riêng năm 2014 biển đã lấn sâu vào khoảng 30 m, kéo dài hơn 700 m từ bãi tắm
Cửa Đại đến khách sạn Victoria)(xem Hình 2). Tại Cà Mau, sạt lở bờ biển cũng xảy ra
nghiêm trọng liên tục trong nhiều năm nay, toàn tỉnh hiện có khoảng 80% chiều dài bờ
biển phía Đông và biển Tây bị sạt lở; trong đó có 41 km sạt lở ở mức nghiêm trọng,
bốn đoạn sạt lở đặc biệt nghiêm trọng với tổng chiều dài 17 km (xem Hình 3).
Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau cơn bão số 7 năm 2005, nhiều địa phƣơng
(đặc biệt là Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ) đã mạnh dạn hơn trong việc ứng dụng các giải
pháp nhƣ công trình đê ngầm giảm sóng bảo vệ đê biển, mỏ hàn gây bồi chống xói lở
bờ biển. Các tỉnh ở khu vực Nam Bộ đã thử nghiệm xây dựng một số công trình đê
ngầm nhằm giảm sóng, gây bồi, bảo vệ rừng ngập mặn bằng những kết cấu và vật liệu
khác nhau nhƣ cọc ống bê tông ly tâm chèn đá hộc (Cà Mau), kè mềm bằng túi vải địa
kỹ thuật (Bạc Liêu), cọc tràm kết hợp bó cành cây (Sóc Trăng)… Các công trình thử
nghiệm này đã đạt đƣợc những kết quả ban đầu đáng khích lệ, nhƣng vẫn còn rất hạn
chế do chƣa đƣợc dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng và lý luận thiết kế xây dựng một
1
cách đầy đủ.
(a) Sóng tràn qua đỉnh đê Cát Hải (b) Tƣờng kè Đồ Sơn bị phá hỏng
Hình 1 Tác động của sóng bão đối với công trình đê kè ở Hải Phòng (bão số 2 6/2013)
Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014
a) Sạt lở ở Biển Tây b) Sạt lở ở đất mũi Cà Mau
Hình 3 Sạt lở bờ biển Cà Mau
Với tính năng giảm sóng chủ động, đê ngầm có thể đƣợc xây dựng kết hợp với hệ
thống công trình bảo vệ bờ hiện có nhằm gia tăng an toàn đê biển, giảm xói và gây bồi
bờ biển. Đây là giải pháp đã và đang đƣợc áp dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới
đem lại lợi ích kinh tế, xã hội cao, đặc biệt là có thể áp dụng để ứng phó với biến đổi
2
khí hậu và nƣớc biển dâng đang gia tăng trên toàn cầu.
Thực tế, áp dụng các công trình dạng đê ngầm thử nghiệm ở một số địa phƣơng đã cho
thấy hiệu quả và khả năng ứng dụng không thể phủ nhận của dạng công trình này ở
nƣớc ta. Tuy nhiên, để có thể áp dụng một cách hiệu quả theo chức năng thiết kế của
dạng công trình này thì cần phải có nghiên cứu đánh giá một cách đầy đủ hiệu quả
giảm sóng của chúng. Cho đến nay, mới chỉ có một vài nghiên cứu áp dụng thử
nghiệm ở một số dự án, tuy nhiên chƣa có một nghiên cứu tổng thể với mục đích nêu
trên có gắn với điều kiện tự nhiên đặc thù của nƣớc ta.
Vì vậy, đề tài luận án với nội dung nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trong
điều kiện Việt Nam để có thể áp dụng giải pháp này một cách hiệu quả cho mục đích
bảo vệ bờ biển do vậy rất có ý nghĩa thực tiễn và mang tính cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu cơ sở khoa học về cơ chế giảm sóng của đê ngầm trong chức năng bảo vệ
bờ biển, đề xuất đƣợc phƣơng pháp đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phù hợp
với điều kiện tự nhiên bờ biển Việt Nam.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: Đê ngầm và hiệu quả giảm sóng của nó.
- Phạm vi nghiên cứu: Đê ngầm có dạng mặt cắt thực dụng hình thang, kết cấu không
(hoặc ít) thấm, xây dựng trên bãi ở khu vực nƣớc nông ven bờ thuộc vùng biển Bắc Bộ
và Bắc Trung Bộ.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu nêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu cơ bản
sau đây:
- Nghiên cứu tổng quan về các thành tựu nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới về
hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, phân tích các tồn tại và đặt vấn đề nghiên cứu cho
luận án;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đánh giá các điều
kiện tự nhiên đặc thù vùng bờ biển khu vực nghiên cứu ở nƣớc ta;
3
- Sử dụng mô hình toán đƣợc kiểm định để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của
các yếu tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
- Thiết kế và xây dựng mô hình, xây dựng kịch bản và thực hiện các thí nghiệm mô
hình vật lý máng sóng về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
- Xây dựng công thức thực nghiệm về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm có gắn với
điều kiện tự nhiên vùng bờ biển khu vực nghiên cứu;
- Vận dụng kết quả nghiên cứu để đề xuất chu trình và phƣơng pháp tính toán xác định
kích thƣớc hình học mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng thiết kế. Áp dụng thiết kế
đê ngầm bảo vệ bờ biển chống sạt lở tại khu vực An Dƣơng, Phú Thuận, Thừa Thiên
Huế.
5. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
5.1. Cách tiếp cận
Để đạt đƣợc mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên
cứu có liên quan trong nƣớc và trên thế giới về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm. Từ
đó lựa chọn hƣớng tiếp cận vừa mang tính kế thừa vừa mang tính sáng tạo phù hợp với
đặc điểm tự nhiên về địa hình, sóng, gió của bờ biển khu vực nghiên cứu.
5.2. Các phương pháp sử dụng trong luận án
- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài
liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết đến luận án, từ đó tìm ra những
vấn đề mà các nghiên cứu trƣớc chƣa đƣợc đề cập một cách đầy đủ;
- Phương pháp mô hình toán: Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình toán với một số kết
quả thí nghiệm mô hình vật lý. Sử dụng mô hình đã kiểm định để tính toán cho các
kịch bản mở rộng để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố đến hiệu
quả giảm sóng của đê ngầm;
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm trên mô hình vật lý để xác định
mối quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản. Xử lý số liệu để thiết lập công thức
thực nghiệm và xác định các thông số cần thiết;
- Phương pháp chuyên gia: Sử dụng phƣơng pháp chuyên gia để xin ý kiến, góp ý cho
4