BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN DŨNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA GIẢI PHÁP
TƯỜNG ĐỈNH GIẢM SÓNG TRÀN TRÊN ĐÊ BIỂN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN DŨNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA GIẢI PHÁP
TƯỜNG ĐỈNH GIẢM SÓNG TRÀN TRÊN ĐÊ BIỂN

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số:62-58-40-01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1.1 Tổng quan về đê bển có tường đỉnh ..........................................................................5
1.1.1 Đê có tường đỉnh ở Hà Tĩnh ............................................................................6
1.1.2 Đê biển có tường đỉnh ở Thanh Hóa ...............................................................7
1.1.3 Đê biển có tường đỉnh ở Nam Định.................................................................7
1.1.4 Đê biển có tường đỉnh ở Hải Phòng ................................................................8
1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ............................................................9
1.3 Ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê đến sóng tràn ...................................................12
1.3.1 Nghiên cứu của TAW (2002) ........................................................................12
1.3.2. Nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2009, 2013) ........................................14
1.3.3 Nghiên cứu của Nguyễn Văn Thìn (2014) ....................................................16
1.3.4 Nghiên cứu của Koen Van Doorslear và nnk (2015) ....................................16
1.4. Áp lực sóng lên tường đỉnh trên đê ........................................................................18
1.4.1. Nghiên cứu áp lực sóng lên tường đỉnh trên thế giới...................................18
1.4.2. Nghiên cứu áp lực sóng lên tường đỉnh ở Việt Nam........................ . ........28
Kết luận chương 1 .........................................................................................................29
CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG SÓNG TRÀN TRUNG BÌNH QUA ĐÊ BIỂN
CÓ TƯỜNG ĐỈNH VỚI MŨI HẮT SÓNG BẰNG THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ
.......................................................................................................................................30
2.1. Cơ sở lý thuyết chung .............................................................................................30
2.1.1. Tương tự về hình học ....................................................................................30

ii


2.1.2. Tương tự về động học ...................................................................................30
2.1.3. Tương tự về động lực học .............................................................................31
2.2. Thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua đê biển .......................................................31
2.2.1. Thiết bị thí nghiệm ..............................................................................................31
2.2.2. Mô hình đê và các tham số thí nghiệm ................................................................ 31
2.2.3. Trình tự thí nghiệm ..............................................................................................33

Kết luận chương 3 .........................................................................................................77
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THIẾT KẾ ĐÊ BIỂN
BIỂN HẢI NINH – THANH HÓA ...............................................................................79
4.1 Chọn địa điểm áp dụng ............................................................................................79
4.1.1 Sơ lược về đê Hải Ninh .................................................................................79
4.1.2 Hiện trạng đê biển Hải Ninh ..........................................................................81
4.2 Ứng dụng kết quả nghiên cứu thiết kế mặt cắt ngang đê biển Hải Ninh................83
4.2.1 Cấp công trình và tần suất thiết kế.................................................................83
4.2.2 Điều kiện biên thủy lực ........................................................................... .....83
4.2.3 Xác định cao trình đỉnh đê ............................................................................84
4.2.4 Đánh giá hiệu quả của phương án thiết kế.....................................................86
4.3 Kiểm tra ổn định tường đỉnh theo kết quả nghiên cứu................... ............... .........87
4.3.1 So sánh kết quả xác định áp lực sóng ............................................................87
4.3.2 Kiểm tra ổn định tường đỉnh trên đê .............................................................88
Kết luận chương 4: .......................................................................................................91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................92
I. Kết quả đạt được của luận án .....................................................................................92
1. Nghiên cứu tổng quan. ..............................................................................................92
2. Nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình vật lý ..........................................................92
3. Nghiên cứu ứng dụng vào công trình thực tế ...........................................................92
II. Những đóng góp mới của luận án ............................................................................93
III. Tồn tại và hướng phát triển ....................................................................................93
1. Những tồn tại ............................................................................................................93
2. Hướng phát triển .......................................................................................................93
IV. Kiến nghị ................................................................................................................94
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................96
PHỤ LỤC ....................................................................................................................101

iv

Hình 2.4 Ảnh hưởng của mũi hắt của tường đỉnh đến sóng tràn qua đê biển ...............35
Hình 2.5 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến lưu lượng tràn khi tường đỉnh không
có mũi hắt sóng ..............................................................................................................36

v


Hình 2.6 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến lưu lượng tràn khi tường đỉnh có mũi
hắt sóng (β = 450) ..........................................................................................................36
Hình 2.7 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến lưu lượng tràn khi tường đỉnh có mũi
hắt sóng (β = 900) ..........................................................................................................37
Hình 2.8 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước đến sóng tràn qua đê có mũi hắt sóng ...38
Hình 2.9 Ảnh hưởng của góc mũi hắt sóng đến lưu lượng sóng tràn qua đê ................39
Hình 2.10: Ảnh hưởng của chiều cao mũi hắt tương đối hn/W đến lưu lượng sóng tràn
.......................................................................................................................................40
Hình 2.11 Sự phụ thuộc của a với bề rộng thềm và góc mũi hắt sóng ........................45
Hình 2.12 Sự phụ thuộc của a với bề rộng thềm và chiều cao mũi tương đối .............46
Hình 2.13 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng của thềm và
mũi hắt a .......................................................................................................................47
Hình 2.14 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh có mũi hắt sóng v giữa thực đo và
tính toán .........................................................................................................................48
Hình 2.15 Sóng tràn qua đê biển với hệ số ảnh hưởng tổng hợp mới cho tường đỉnh có
mũi hắt sóng...................................................................................................................48
Hình 3.1 Kết nối đầu đo PDB với máy đo áp lực và truyền dữ liệu vào máy tính .......50
Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo áp lực sóng...........................................................52
Hình 3.3 Kiểm tra đầu đo áp lực. ..................................................................................53
Hình 3.4 Lắp đặt đầu đo áp lực PDB-200KPa lên tường đỉnh. .....................................53
Hình 3.5 Tín hiệu áp lực được ghi lại ở dạng hiệu điện thế (mV) ................................ 55
Hình 3.6 Áp lựcsóng theo các đợt sóng.........................................................................55
Hình 3.7 Biểu đồ phân bố áp lực sóng tại một số thời điểm..........................................56

Hình 3.33 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định hệ số Cp theo chiều cao tương
đối của vị trí áp lực và chiều cao tường.........................................................................76
Hình 3.34 Đường hồi Đường hồi quy xác định tương quan giữa lực lớn nhất (Fmax) và
lực khi đồng thời xảy ra các áp lực p1/250 (F(p1/250))........................................................77
Hình 4.1 Vị trí tuyến đê Hải Ninh .................................................................................78
Hình 4.2 Bản đồ vị trí đê được thiết kế .........................................................................82
Hình 4.3 Tuyến đê biển Hải Ninh đã được xây dựng....................................................82
Hình 4.4 Mặt cắt ngang thiết kế ....................................................................................83
Hình 4.5 Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm MC20.......................................84
Hình 4.6 Mặt cắt ngang đê biển Hải Ninh (phương án đề xuất)....................................86
Hình 4.7 Chi tiết tường đỉnh trên đê...............................................................................86
Hình 4.8 Biểu đồ áp lực sóng lên tường đỉnh trên đê Hải Ninh.....................................88
Hình 4.9 Sơ đồ các lực tác dụng lên tường đỉnh............................................................88

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980) ............................................. 11

Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm ................................................................ 33
Bảng 3.1 Số liệu thí nghiệm kịch bản Test_196............................................................54
Bảng 3.2 Giá trị hệ số Cp theo vị trí trên tường..............................................................75
Bảng 4.1 Kết quả tính cao trình đỉnh đê.........................................................................85
Bảng 4.2 Kết quả so sánh cao trình đỉnh đê. .................................................................87
Bảng 4.3 Áp lực sóng lên tường theo 2 phương páp......................................................87

viii




độ

Góc dốc của mái đê phía biển

αw

độ

Góc nghiên của tường đỉnh

β

độ

Góc của mũi hắt sóng

ξ

-

Chỉ số sóng vỡ Iribarren



-

Tỷ lệ mô hình

γβ


-

Hệ số chiết giảm sóng tràn do chiều cao tường

γs,β

-

Hệ số chiết giảm sóng tràn do thềm trước và mũi hắt sóng

γs,β=0

-

Hệ số chiết giảm sóng tràn của thềm trước khi không có mũi
hắt sóng

aβ

-

Hệ số kể đến ảnh hưởng của mũi hắt sóng

bβ

-

Hệ số gia tăng áp lực khi có mũi hắt sóng


Hs

m

Chiều cao sóng

Hm0

m

Chiều cao sóng mô men 0

hn/W

-

Chiều cao mũi hắt tương đối

p

KPa

Tên gọi của ký hiệu

Áp lực sóng

x


p1/100


Bề rộng thềm trước tường

T

s

Thời gian

Tp

s

Chu kỳ đỉnh phổ

Tm

s

Chu kỳ đỉnh phổ trung bình

tr

s

Thời gian gia tăng áp lực từ 0 đến giá trị lớn nhất

W

m

cũng như là quy hoạch bảo vệ của một hệ thống đê biển. Việc nghiên cứu sóng tràn qua
đê biển có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công tác xây dựng đê biển nói riêng và
phòng chống thiên tai biển ở Việt Nam nói chung, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi
khí hậu và nước biển dâng như hiện nay (theo khuyên cáo của Ngân hàng thế giới thì
Việt Nam nằm trong danh sách 05 nước trên toàn thế giới chịu ảnh hưởng nặng nề nhất
của nước biển dâng) [2].
Nhằm giảm chi phí xây dựng nhưng vẫn hạn chế được sóng tràn, tường đỉnh chắn sóng
nằm trên đỉnh đê được dùng khá nhiều ở Việt Nam. Sự có mặt của tường trên đỉnh đê
ngăn chặn một phần sóng tràn qua đê nhưng làm thay đổi cơ bản chế độ dòng chảy sóng
tràn trên đê so với trường hợp không có tường. Hiện nay, tường đỉnh được xây dựng
trên đê với nhiều dạng kết cấu khác nhau. Tuy nhiên, trên thế giới và Việt Nam hiện nay
việc nghiên cứu chủ yếu mới dừng lại ở nghiên cứu đê có tường đỉnh có mặt thẳng đứng
phía biển. Việc nghiên cứu đê có tường đỉnh có mũi hắt sóng trên thế giới còn hạn chế
và ở Việt Nam vẫn chưa có một nghiên cứu nào.
1


Mặt khác, với hình thức đê biển kết hợp với tường đỉnh thì việc tính toán thiết kế tường
đỉnh đảm bảo ổn định và độ bền là hết sức quan trọng. Các cơ chế mất ổn định của tường
đỉnh có thể do trượt, lật (hoặc nghiêng), nứt kết cấu hoặc trượt nền [3]. Thực tế cho thấy,
mất ổn định của tường đỉnh trên đê có nguyên nhân chủ yếu là do áp lực sóng gây ra. Vì
vậy việc nghiên cứu, xây dựng công thức xác định áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh
trên đê là hết sức cần thiết, là cơ sở quan trọng để tính toán thiết kế đảm bảo ổn định và
độ bền cho tường đỉnh.
Vì những lý do nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt đến sóng
tràn và áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên tường là hết sức cấp thiết và mang ý nghĩa
quan trọng trong công tác thiết kế xây dựng đê biển, giảm nhẹ thiên tai biển ở nước ta.
Đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn trên
đê biển” do vậy đã được đề xuất để nghiên cứu.
2. Mục tiêu nghiên cứu

- 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 với luận án, từ đó tìm ra những
vấn đề khoa học mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ;
- Phương pháp thực nghiệm: nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng hiện đại với tỷ
lệ mô hình phù hợp để mô phỏng sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh (nghiên cứu lưu
lượng sóng tràn và áp lực sóng lên tường đỉnh);
- Phương pháp chuyên gia: thông qua các hội thảo khoa học để lấy ý kiến đóng góp của
các chuyên gia về cách tiếp cận, thiết kế nghiên cứu, các luận cứ khoa học và các giải
pháp;
- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu cho đê biển Tĩnh Gia,
tỉnh Thanh Hóa.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học:

3


Các nghiên cứu hiện tại về tương tác của sóng với đê biển có tường đỉnh chưa thật đầy
đủ, đặc biệt là vấn đề ảnh hưởng của mũi hắt sóng ở tường đỉnh đến khả năng chiết giảm
sóng tràn và phương pháp xác định áp lực lớn nhất lên tường. Việc hiểu rõ ảnh hưởng
của mũi hắt sóng ở tường đỉnh đến sóng tràn và xây dựng được phương pháp xác định
áp lực lớn nhất lên tường đỉnh sẽ góp phần nâng cao mức độ tin cậy trong tính toán thiết
kế đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Để đảm bảo tính mạng và tài sản của các vùng ven biển trong điều kiện biến đổi khí hậu
và nước biển dâng như hiện nay, nhất thiết phải giảm thiểu sóng tràn qua đê, đặc biệt là
các tuyến đê bảo vệ các khu dân cư, vùng kinh tế quan trọng. Hiện nay, để nâng cao cao
trình đê biển với đê hiện có, đặc biệt là các tuyến đê bảo vệ thành phố, các khu du lịch
là khó khả thi. Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp xây dựng tường đỉnh trên đê nhằm nâng
cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là giải pháp được áp dụng phổ biến

5


Hiện nay, đê biển có tường đỉnh đang là giải pháp được sử dụng khá phổ biến ở Việt
Nam. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả giới thiệu đê có tường đỉnh của
một số địa phương sau đây cũng không làm mất tính tổng quát của vấn đề nghiên cứu.
1.1.1 Đê có tường đỉnh ở Hà Tĩnh
Hà Tĩnh có khoảng 211.0km đê biển, đê cửa sông thuộc thành phố Hà Tĩnh và các huyện:
Kỳ Anh, Cẩm Xuyên, Nghi Xuân, Thạch Hà, Lộc Hà. Trong đó có khoảng 95.4km đê
trực tiếp biển (chiếm 46%) và 105.16km được xây dựng tường đỉnh trên đê (chiếm 50%)
để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê. Chiều cao tường đỉnh phổ biến là
(0.4m - 1.0m), tường đỉnh có mũi hắt sóng khoảng 47km (chiếm 44%) và hầu hết không
có thềm trước tường [5].

Hình 1.2 Đê biển Thiên Cầm, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh

Hình 1.3 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh
6


1.1.2 Đê biển có tường đỉnh ở Thanh Hóa
Thanh Hóa có khoảng 70.4km đê biển thuộc các huyện Nga Sơn, Hậu Lộc, Hoàng Hóa,
Tĩnh Gia. Hiện nay, hầu hết các tuyến đê biển ở Thanh Hóa đều đã được kiên cố hóa với
tường đỉnh trên đê. Trong đó, đê có mũi hắt sóng khoảng 32.3km (chiếm khoảng 46%)
[6]. Điển hình là tuyến đê biển Hậu Lộc (đoạn đê biển Y Vích dài 5.5km), cao trình đỉnh
đê +4.5m; chiều rộng mặt đê B = 3m; mái đê phía biển m1 = 4.0; mái đê phía đồng m2
= 2.0; cao trình đỉnh tường là +5.5m; chiều cao tường W = 1.0m. Đây là tuyến đê bảo
vệ trực tiếp khu dân cư đông đúc cho 5 xã: Hải Lộc, Minh Lộc, Ngư Lộc, Đa Lộc, Hưng
Lộc với diện tích 2165ha và dân số khoảng 60 ngàn người [6].


có từ lâu, nhiều nước đã có những nghiên cứu khá toàn diện như: Mỹ, Hà Lan, CHLB
Đức, Nhật Bản… Các thành tựu nghiên cứu về khoa học và công nghệ đê biển trên thế
giới đã được tổng kết, đánh giá đưa vào sổ tay, quy trình, quy phạm [1], [9]. Hiện nay,
hệ thống đê biển của các nước phát triển được xây dựng kiên cố, khá hiện đại, kết hợp
với hệ thống đường cao tốc (Hình 1.8).

Hình1.8 Đê biển Afsluitdijk Hà Lan (nguồn Internet)

9


Nhưng do những biến động lớn về môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu toàn
cầu, tần suất và cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, đặc biệt là bão, triều cường kết
hợp với nước dâng làm cho nguy cơ sóng tràn qua đê chưa được loại bỏ vẫn là mối hiểm
họa phổ biến (Hình 1.9).

Hình 1.9 Sóng tràn gây vỡ đê biển Hậu lộc, Thanh Hóa (bão số 7/2005) [1]
Những nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển tiêu biểu trên thế giới có thể kể đến:
Saville (1955) là người đầu tiên đặt nền móng cho nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt
các thí nghiệm sóng đơn [10]. Cho đến nay, đã có hàng vạn thí nghiệm đã và đang được
tiến hành tại nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, chủ yếu là ở các nước châu Âu, trong
đó gần một nửa đã được thực hiện gần đây (năm 2000 – 2004) [11]. Các thí nghiệm sau
này được thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với điều kiện tự nhiên hơn
như: sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, cấu tạo hình học và dạng kết cấu công
trình đa dạng…[12];
Sau sự khởi xướng của Saville (1955), năm 1980 Owen dựa trên kết quả của 500 thí
nghiệm mô hình với sóng ngẫu nhiên đã công bố công thức công thức xác định lưu
lượng sóng tràn trung bình qua công trình mái nhẵn như sau [13]:
𝑞
𝑅𝑐

a
B
1/1.0
0.0079
20.12
1/1.5
0.0102
20.12
1/2.0
0.0125
22.06
1/2.5
0.0145
26.10
1/3.0
0.0163
31.90
1/3.5
0.0178
38.90
1/4.0
0.0192
46.96
1/4.5
0.0215
55.70
1/5.0
0.0250
65.20
Sau đó Owen (1980) đã dựa trên các thí nghiệm bổ sung để hiệu chỉnh lại các hệ số a và

TAW (2002), EurOtop (2007) đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua
đê biển khá hoàn chỉnh, với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho đa dạng các kết cấu hình
học đê và có xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến sóng tràn qua đê. Hiện nay
kết quả nghiên cứu này đang được sử dụng phổ biến [17], [18].
1.3 Ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê
Trong những thập kỷ qua, nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng
tràn qua đê biển trên thế giới và Việt Nam đã có những bước tiến khá xa, cơ sở dữ liệu
sóng tràn khá đầy đủ cho các dạng kết cấu hình học và điều kiện thủy lực khác nhau.
Nghiên cứu điển hình và phổ biến nhất hiện nay về ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu
lượng sóng tràn qua đê biển là TAW (2002) sau này đưa vào EurOtop (2007), Koen Van
Doorslear và nnk (2015), Thiều Quang Tuấn (2013) và Nguyễn Văn Thìn (2014).
1.3.1 Nghiên cứu của TAW (2002)
Trong TAW (2002) có xét đến hệ số chiết giảm của tường đỉnh cho trường hợp kết cấu
hình học của tường đỉnh và đê thỏa mãn các điều kiện sau: độ dốc mái đê trong phạm vi
dưới chân tường đỉnh đến biên 1.5Hm0 phía dưới mực nước thiết kế nằm trong khoảng
từ 1/2.5 đến 1/3.5; tổng bề rộng cơ không quá 3Hm0, vị trí chân tường nằm trong khoảng
±1.2Hm0 so với mực nước thiết kế, chiều cao tường nhỏ nhất (khi chân tường nằm ở vị
trí cao) là 0.5Hm0; và lớn nhất (khi chân tường nằm ở vị trí thấp) là 3Hm0 (Hình 1.9) [17].
Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình được phản ánh thông qua
hệ số chiết giảm tường đỉnh γv. Với tường đỉnh thỏa mãn các điều kiện nêu trên thì có
thể xác định γv như sau:
- Xác định hệ số mái dốc quy đổi trong trường hợp có tường đỉnh và tường đỉnh được
thay thế bằng mái dốc có độ dốc 1:1.0 (Hình 1.10):
12