1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đê biển và các hạng mục công trình phụ trợ khác hình thành nên một hệ
thống công trình phòng chống, bảo vệ vùng nội địa khỏi bị lũ lụt và thiên tai khác từ
phía biển. Vì tính chất quan trọng của nó mà công tác nghiên cứu thiết kế, xây dựng
đê biển ở trên thế giới, đặc biệt là ở các quốc gia có biển, đã có một lịch sử phát
triển rất lâu đời. Tuy nhiên, tùy thuộc vào các điều kiện tự nhiên và trình độ phát
triển của mỗi quốc gia mà các hệ thống đê biển đã được phát triển ở những mức độ
khác nhau.
Bãi trước đê biển hết sức quan trọng đối với sự an toàn của đê, đặc biệt là đối
với khu vực bãi biển bị xâm thực. Do vậy để ổn định đê biển thì việc bảo vệ bãi
quan trọng hơn cả, cần được ưu tiên đầu tư. Nếu chỉ tập trung để đầu tư đê mà
không quan tâm đến việc giữ bãi thì công tác bảo vệ an toàn đê biển luôn luôn bị
động. Mặt khác, song song đó cần có biện pháp bảo vệ mái phía đồng thích hợp để
chống xói mòn do nước mưa và do sóng tràn qua đê. Do vậy, biện pháp khả thi tại
những vùng có đê bắt buộc phải tồn tại trong điều kiện trên cần có biện pháp giảm
thiểu chiều cao sóng tác động lên mái đê và sóng leo và tràn bằng công trình phá
sóng ngầm trước đê sẽ phần nào khắc phục được sự bất cập hiện nay giữa yêu cầu
chống được sóng lớn triều cường nhưng không tăng quá mức cao độ của hệ thống
đê biển hiện tại. Mặt khác vài thập niên gần đây do biến đổi khí hậu tòan cầu, thiên
tai xảy ra khốc liệt hơn. Tình hình bão lũ, động đất, sóng thần, sạt lở , xuất hiện
nhiều hơn, với cường độ lớn hơn, diễn biến phức tạp hơn, khó lường hơn. Đặc biệt
trong tương lai biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ kéo theo tình trạng nước biển dâng, đây
là một trong những nguy cơ lớn mà nước ta sẽ phải đối mặt trong tương lai.
Với những khó khăn và thách thức nêu trên mà yêu cầu cần thiết phải nghiên
cứu xây dựng một hệ thống đê vững chắc an toàn mà kinh tế. Do đó đề tài ”Nghiên
cứu mô hình toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng trước bãi đê” là một
bước nghiên cứu rất quan trọng với nhiệm vụ giới thiệu, phân tích, đánh giá khả
phương pháp tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm
- Đề suất sơ bộ dạng hình học mặt cắt ngang phù hợp và bố trí đê ngầm trên bãi đê 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ GIẢM
SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM
1.1. THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VEN BIỂN
1.1.1. Bãi trước đê:
a. Định nghĩa bãi trước:
“ Bãi trước đê được hiểu là bãi biển, phần được giới hạn từ chân đê tới phần
bãi biển, tại vị trí ranh giới của mực nước triều thấp. Như vậy bãi trước đê sẽ bao
gồm thềm bãi, bãi dốc, đỉnh bãi và mặt bãi trước”.
Hình 1.1: Mặt cắt đại diện thể hiện bãi trước đê
Bãi biển được chia thành 2 phần, phần bãi trước và phần bãi sau. Bãi trước là
phần bãi nằm trên ranh rới giữa mực nước cao và mực nước thấp khi sóng dồn lên
bờ biển và khi sóng rút ra khỏi bờ. Bãi sau được giới hạn từ phần nước cao đến giới
hạn trên cùng về phía đất liền của sóng. ( mô tả trong hình vẽ trên).
Hình dạng mặt cắt ngang bờ biển có cấu tạo cát thường xuyên thay đổi khi chịu
tác động của sóng truyền từ vùng nước sâu vào bờ. Khi sóng truyền vào tới vùng
nước nông, nó sẽ bị vỡ khi nó gặp các dải cát ngầm. Bãi trước, hay còn gọi là vùng 4
sóng vỗ, là vùng mà mặt cắt bãi thường xuyên ở trạng thái khô, ướt một cách luân
phiên nhau khi sóng xô vào phần mái dốc trên bãi.
b. Vai trò bãi trước đê:
Có thể liệt kê một số chức năng chính của bãi trước đê trên quan điểm động lực
hình thái và dân sinh kinh tế sau đây:
dòng dọc bờ, tương ứng gây ra các hiện tượng xói cấp tính và mãn tính).
Ảnh hưởng của bãi trước đê tới sự ổn định và an toàn của đê được hiểu là các
ảnh hưởng và tác động do bãi trước đê gây ra đối với sự an toàn và ổn định của đê
khi nó bị thu hẹp và hạ thấp. Các ảnh hưởng của bãi trước tới sự an toàn và ổn định
của đê được xem xét tới 2 tác động chính bao gồm:
- Bãi trước đê bị xói lở mạnh dẫn tới thu hẹp chiều rộng bãi
- Bãi trước đê bị xói lở dẫn tới cao trình mặt bãi bị hạ thấp hơn cao trình mặt bãi
ban đầu
Các tác động làm thu hẹp và hạ thấp bãi trước đê có thể diễn ra riêng rẽ hoặc
diễn ra đồng thời với nhau. Khi diễn ra hiện tượng thu hẹp, hạ thấp cao trình mặt bãi
trước đê thì các tác động chính sẽ diễn ra dưới dạng cây sự cố như sau: Bãi trước bị
hạ thấp, thu hẹp -> sóng và dòng chảy tiến sát hơn vào bờ -> sóng và dòng chảy tác
động trực tiếp vào công trình -> nếu năng lượng sóng đủ lớn thì các tác động mà
chúng có thể gây ra sẽ bao gồm:
- Gây hư hỏng mái ngoài
- Tăng lưu lượng tràn qua đỉnh, huy hiếp an toàn mái trong,
- Gây sạt, trượt mái ngoài
- Đào xói chân đê, mất ổn định chân, sập, trượt mái ngoài
Tùy thuộc vào cấu tạo của vật chất thành tạo nên bãi trước đê và các trường
sóng khác nhau mà sự ổn định của bãi trước đê là khác nhau. Do đó bài toán giảm
bớt năng lượng khi sóng tiến vào bờ là bài toán cần phải giải để tìm ra đáp số hiệu
quả nhất. 6
Hình 1.2: Một sự cố sạt trượt khi sóng có năng lượng lớn tiến vào bờ
1.1.3. Các giải pháp giảm sóng, bảo vệ bãi
Để đưa ra các giải pháp nhằm bảo vệ và ổn định bãi trước đê một cách hiệu
* Giải pháp “số không” hay là giải pháp “ không làm gì”: Nhóm giải pháp
“số không” thường được áp dụng cho hiện tượng xói lở cấp tính theo mùa. Vào thời
kỳ sóng nhỏ, sau khi bị xói bùn cát từ các cồn, bãi ngầm ngoài khơi lại được đưa trở
lại bãi biển. Không làm gì khi xảy ra xói lở bãi trước là một lựa chọn mà không
phải lúc nào cũng có thể thực hiện được vì nhiều lý do về mặt chính trị, xã hội và cả
về mặt an ninh quốc phòng. Tuy nhiên nếu bãi trước đê đang bị xói lở là vùng đất tự
nhiên chưa được sử dụng, không có dân cư, khu kinh tế hay khu nông nghiệp, ngư
nghiệp quan trọng thì có thể sử dụng giải pháp này. Tuy nhiên giải pháp “số không”
thường phải đi kèm với việc quy hoạch không gian bãi và bờ biển và đặc biệt là việc
giám sát, theo dõi quá trình xói lở tự nhiên để có biện pháp ứng phó khi cần thiết. 8
* Các giải pháp công trình “mềm”, hay còn gọi là giải pháp mang tính “phi
công trình” (ví dụ như nuôi bãi nhân tạo). Nhóm các giải pháp mang tính “phi công
trình” thường là mang tính bị động, có thể là ngắn hạn (ví dụ như nuôi bãi) có hiệu
quả tức thời, hoặc dài hạn (ví dụ như trồng rừng ngập mặn hoặc tái tạo lại các dải
san hô ngầm ven biển). Việc sử dụng các biện pháp quản lý, tôn tạo bãi trước đê
cũng được xếp vào nhóm các giải pháp mang tính “phi công trình”. Các giải pháp
mang tính phi công trình thường ít gây ảnh hưởng tới bãi hoặc bờ biển lân cận hơn
so với các giải pháp công trình.
* Các giải pháp công trình “cứng”, hay còn gọi là các giải pháp mang tính
“công trình”. Nhóm các giải pháp “công trình cứng” nhằm ổn định, bảo vệ bãi trước
đê thường có tính chủ động, sử dụng các vật liệu vĩnh cửu, lâu dài để tác động vào
bãi trước nhằm mục đích giữ và bảo vệ bãi, mà chủ yếu là hạn chế hiện tượng mất
bùn cát tại các bãi phía trước đê.
Các giải pháp được sắp xếp theo trình tự từ giải pháp mang tính bị động tới
giải pháp mang tính chủ động trên quan điểm bảo vệ bờ biển bằng công trình. Ngoài
ra việc chia nhóm giải pháp ổn định bãi cũng căn cứ vào các yếu tố sau:
- Căn cứ vào mục đích, yêu cầu của việc bảo vệ bãi trước đê
1.2.2. Cấu tạo, kết cấu:
Đê phá sóng là một dạng công trình đặc biệt của đê ngầm, bởi trong điều
kiện mực nước thấp thì đê ngầm lại hoạt động như một đê phá sóng. Cho nên cấu
tạo, kết cấu của đê ngầm rất đa dạng. 10
Hình 1.5: Đê ngầm kết cấu đá cấp phối
Hình 1.6: Dải ngầm kết cấu bê tông đúc sẵn (Mỹ)
Hình 1.7: Dải ngầm kết cấu bê tông đúc sẵn (Double –T) (Mỹ)
1.2.3. Vấn đề mô phỏng sóng vỡ
hi sóng truyền từ nước sâu vào vùng nước nông thì sẽ trải qua các quá trình
vật lý làm tiêu hao đáng kể năng lượng sóng như: khúc xa, biến hình (sóng dềnh),
sóng vỡ và ma sát đáy.
Ngoài ra còn có quá trình tán xạ làm biến đổi phổ sóng ( chuyển dịch năng
lượng sóng giữa các dải tần số), đặc biệt khi vào vùng nước nông hay khi gặp vật
cản như đê ngầm. Quá trình biến đổi phổ sóng có ảnh hưởng gián tiếp đến mức độ
tiêu hao năng lượng sóng ở vùng nước nông bởi vì với dải sóng dài (tần số thấp) thì
mức tiêu hao năng lượng ít hơn so với dải sóng ngắn ( tần số cao). 11
Hình 1.8: Tiêu năng trong sóng vỡ tương tự như nước nhảy
Trong các quá trình tiêu hao năng lượng sóng thì sóng vỡ là quá trình tiêu tán
năng lượng sóng lơn nhất. Hiện tượng sóng vỡ xảy ra khi sóng biến hình trong nước
nông làm gia tăng chiều cao sóng và do đó độ dốc sóng vượt quá ngưỡng giới hạn
sóng của đê ngầm.
- Tham số môi trường: Sóng: Hs, Tp
Độ sâu nước: h
- Tham số đặc trưng hình học đê: bề rộng đỉnh đê B, độ ngập nước S
R
tk
1.3. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM
Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm,
dưới đây xin tóm lược một số thành tựu, công trình nghiên cứu đã và đang thực hiện
trên thế giới và ở Việt nam.
* Đê ngầm ở Nhật
Ở Nhật Bản, khu vực bãi biển tự nhiên đã giảm trong vùng lân cận của thành
phố, thị xã và làng mạc, hậu quả của việc xây dựng cảng biển, bờ và bãi biển. Mặt
khác, nhu cầu của người dân khu vực vui chơi giải trí ngày càng tăng qua các năm
với cải thiện điều kiện sống và kinh tế. Vì vậy, kể từ vài năm trước đây, chính
quyền địa phương đã rộng rãi được xây dựng những bãi biển nhân tạo và khôi phục
bãi biển bị xói mòn trên nhiều nơi bởi sự trợ giúp của chính quyền trung ương.
Những bãi biển nhân tạo như vậy, tuy nhiên, cần số lượng lớn cát tự nhiên,
bất chấp sự suy thoái của nguồn cung cấp cát và tăng vọt của giá cát. Hơn nữa,
chính quyền địa phương có thể nhận được khoản thanh toán công ty con của chính
quyền trung ương cho việc xây dựng các bãi biển cát nhân tạo, nhưng không cho bổ
sung thêm cát bị mất do tác động của sóng sau khi hoàn thành các công trình xây 13
dựng. Vì vậy, những bãi biển nhân tạo nhất ở Nhật Bản thường được bảo vệ bởi kè
và vùng biển ngoài khơi nghỉ để giữ cát nhân tạo đầy. Nhưng vào mùa hè khi biển
đang trong tình trạng bình tĩnh, gây ô nhiễm sản xuất bởi những người tắm biển
hoặc thải từ đất liền có khả năng trì trệ trong vùng lân cận của bờ biển trên tài
khoản của công trình này.
15
* Đề xuất giải pháp nghiên cứu tại Việt Nam:
Có rất nhiều giải pháp và vật liệu để xây dựng công trình giảm sóng bảo vệ
bờ biển như: gờ ngầm đúc sẵn, kết cấu thùng chìm, rọ đá và thảm đá, bê tông nhựa
đường + đá, đập phá sóng bằng cột lốp xe cũ công trình cọc và tấm cừ, cọc bê tông
chắn nhồi vật liệu rời, đập phá sóng dạng tường chữ chi. Tuy nhiên sau khi phân
tích kế thừa những kết quả quý báu từ nhiều nghiên cứu khoa học trước, chuyên
luận văn này lựa chọn nghiên cứu dạng đê ngầm có mặt cắt khối hình thang đặc;
nghiên cứu mối liên hệ giữa bề rộng đỉnh đê, đố dốc mái đê, độ ngập nước của đê
với trường sóng tác động tới công trình.
1.4. BỐ TRÍ MẶT NGANG TRÊN BÃI ĐÊ
Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng phụ thuộc vào mục đích của việc khai
thác, sử dụng đối với vùng bãi cần được bảo vệ. Nhìn chung đê đặt càng gần bờ
càng kinh tế, nhưng về hiệu quả kỹ thuật thì phải xét đến những vấn đề sau:
- Khi xây dựng đê giảm sóng quá gần, phía trước đê sẽ bị xói mạnh và tường sẽ bị
lún sụt.
- Khi đặt đê giảm sóng quá xa bờ, sóng vỡ đợt đầu xảy ra ở vị trí đê, ở sau đê sóng
có thể phục hồi làm giảm hiệu quả công trình.
- Khoảng cách giữa bờ và đê giảm sóng lấy khoảng 1,0 đến 1,5 chiều dài sóng nước
sâu sẽ có hiệu quả bảo vệ tốt.
* Đê ngầm dạng tạo bãi treo:
Giải pháp bãi treo tạo ra bãi rộng hơn cho những vị trí bãi quá hẹp do xói lở
bờ biển nhưng đường bờ đã được cố định. Trong giải pháp nuôi bãi nhân tạo thường
đòi hỏi khối lượng cát đổ vào rất lớn. Nếu nguồn cát mượn để tạo bãi giống hoặc
mịn hơn cát nguyên bản thì cần phải đổ nhiều cát cho đến tận độ sâu không có vận
chuyển bùn cát và biến động đáy. Để giảm khối lượng cát yêu cầu, có thể sử dụng
các gờ ngầm có tác dụng chặn cát ở dưới để tạo ra bãi treo.
có thể áp dụng rộng rãi nhiều, đặc biệt với những bãi biển đầu tư cho phát triển du
lịch, bãi tắm
Hình 1.13: Một dạng mặt cắt ngang khi bố trí đê ngầm
UKết luận chương 1
Nhằm nâng cao mức độ an toàn, cải thiện điều kiện tải trọng tác động lên đê
biển, đê ngầm phá sóng bãi trước đê là một giải pháp công trình mang tính chủ động
(khi các giải pháp mềm, tự nhiên khác không khả thi hoặc đem lại hiệu quả thấp),
hiệu quả và có tính khả thi cao. Việc đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá
sóng, đặc biệt là khi được xây dựng trên bãi trước đê, là nội dung quan trọng trong
công tác thiết kế, xây dựng đê biển. Trong phạm vi của luận văn, hiệu quả giảm
sóng của đê ngầm được nghiên cứu dựa trên các mô phỏng của mô hình toán sau
khi mô hinh đã được kiểm định với các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ
thực hiện trong máng sóng. 18
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH LAN TRUYỀN
SÓNG HỌ BOUSSINESQ PCOULWAVE
2.1. VẤN ĐỀ LỰA CHỌN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN
SÓNG QUA ĐÊ NGẦM
Hiện nay cùng với sự bùng nổ của khoa học công nghệ và tin học ứng dụng,
rất nhiều chương trình số thông minh đã được ra đời để mô phỏng lại các sự vật
hiện tượng tự nhiên bằng phép giải các hệ phương trình toán học phức tạp. Với mỗi
- Là mô hình tán xạ, mô phỏng tốt đặc tính biến đổi tần số của sóng (biến đổi phổ);
- Tính phi tuyến yếu hơn so với NLSWE;
- Phù hợp mô tả lan truyền sóng ở vùng nước sâu hơn so với NLSWE;
- Áp lực phi thủy tĩnh, gần thực tế hơn (một số mô hình không giải quyết được bài
toán này);
- Hiệu quả tính toán rất thấp so với NLSWE.
- Khả năng mô phỏng sóng vỡ rất yếu (không được ứng dụng rộng rãi cho vùng
nước nông);
- Tính toán yếu vùng nước nông;
* So sánh mô hình họ Boussinesq với Nlswe
Hình 2.3: So sánh hai mô hình toán họ SLSWE và Boussinesq 20
Căn cứ vào đặc điểm của đê ngầm, sóng tác dụng lên đê ngầm, có thể sử
dụng mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq (ví dụ như PCOULWAVE của Mỹ) để
đánh giá hiệu quả triết giảm sóng của dải ngầm phá sóng mô phỏng quá trình sóng
tràn qua đê ngầm, đánh giá hiệu quả của giải pháp công trình giảm sóng trước bãi
đê.
2.2. MÔ HÌNH LAN TRUYỀN SÓNG HỌ BOUSSINESQ - PCOULWAVE
2.2.1. Giới thiệu chung
Coulwave là một mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq của Mỹ để đánh giá
hiệu quả chiết giảm sóng của dải ngầm phá sóng. Đây là một mô hình sóng bề mặt
có nhiều ứng dụng để giải quyết các bào toán phức tạp về sóng dựa trên các phương
trình sóng nước nông phi tuyến và phương trình phân tán họ Boussinesq.
Coulwave đã được xác nhận rộng rãi và được công bố từ năm 2002. Các ứng
dụng chính của mô hình mã nguồn mờ này là mô phỏng sóng gió gần bờ, đê chắn
sóng, sóng thiết lập gây ra và dòng chảy, tương tác sóng với độ sâu không đều,
chuyển đổi gần bờ quang phổ, lở đất, sóng thần, quá trình tiến hóa sóng thần gần
∂∂∂ ∂ ∂ ∂
++= − + −
∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂∂ ∂ +
(2.2)
21
Trong đó:
ζ
: biên độ dao động mực nước; h: độ sâu nước;
x
:tọa độ theo phương ngang; t:
thời gian; u:lưu tốc hướng ngang; C: hệ số chezy;
T
υ
: hệ số nhớt xoáy; g: gia tốc
trọng trường;
2.2.3. Số liệu đầu vào, đầu ra, miền tính toán
Mô hình này đòi hỏi có một điều kiện sóng tới, các điều kiện độ sâu, địa
hình, ranh giới. Đầu vào được hỗ trợ thông qua một tập hợp các kịch bản Matlab và
một giao diện cài đặt chỉnh sửa riêng.
Mô hình cho các kết quả đầu ra là chuỗi số liệu về sóng, vận tốc ngang giữa
độ sâu, tốc độ bề mặt tự do,
PCOULWAVE được viết bằng Fortran90 chạy ổn định trên Windows và các
hệ điều hành khác; công cụ hỗ trợ phân tích xử lí số liệu đầu vào đầu ra là phần
mềm Matlap.
Miền tính toán:
23
CHƯƠNG 3: HIỆU CHỈNH KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH
3.1. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ
3.1.1. Giới thiệu máng sóng
Thí nghiệm được thực hiện tại máng sóng Hà Lan thuộc phòng thí nghiệm
thủy lực tổng hợp, Trường Đại học Thủy Lợi. Máng được trang bị công nghệ hiện
đại tiên tiến của Hà Lan, có tổng chiều dài trên 45m, rộng 1m, cao 1,2 với máy tạo
sóng Piston và hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động và có thể tạo sóng với độ
chính xác cao.
3.1.2. Nội dung thí nghiệm
* Sơ đồ thí nghiệm Hình 3.1: Sơ họa mặt cắt mô hình vật lý
* Đặc điểm mô hình:
- Đê có dạng mặt cắt hình thang mái nhẵn
- Đê được xây dựng trên bãi biển có độc dốc tiêu biểu là 1/100
- Tỷ lệ mô hình hóa về chiều dài N
R
L
R = 15 -20 và thời gian là NR
t
R = 3,5 – 4,5.
- Thí nghiệm sóng trong bão theo phổ Jonswap
25
* Chiều cao sóng mô men:
Chiều cao sóng H
R
mo
R có giá trị xấp xỉ chiều cao sóng ý nghĩa HR
s
R và được xác
định từ mô men 0 của phổ mật độ năng lượng sóng
( )
2
n
Ef g
ρσ
=
(3.1)
max
min
4,004 4,004 ( )
f
s mo o
f
H H m S f df
= = =
∫
(3.2)
Moment bậc không chỉ là diện tích phía dưới đường cong phổ, hay là năng
lượng của quá trình; S(f) là giá trị mật độ năng lượng của phổ sóng tương ứng với
s
H
H
ε
= −
(3.4)
Copyright: Tài liệu đại học ©