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

nh đỉnh đê và việc xây dựng thêm tường đỉnh kết hợp với mái nghiêng hiện có để tạo nên mặt cắt đê biển hỗn hợp. Đây là giải pháp được xây dựng phổ biến trên thế giới với sự kết hợp và bổ trợ của mái nghiêng, tường đứng. Mái nghiêng là giải pháp ưu điểm trong giảm sóng phản xạ, sóng leo nhưng lại có diện tích mặt cắt lớn, tải trọng bản thân cao. Còn tường đứng ưu điểm mặt cắt nhỏ gọn, tải trọng thấp, giảm sóng tràn, nhưng nhược điểm là tạo sóng phản xạ lớn. Nên sự kết hợp 2 giải pháp sẽ tạo ra mặt cắt mái nghiêng hỗn hợp để ứng dụng khả thi trong xây dựng công trình đê biển. Theo thống kê năm 2019 – Viện Thủy công [48] (Bảng 2.2) hiện đang có hơn 30 km đê biển đang ứng dụng giải pháp đê mái nghiêng hỗn hợp. Mặt cắt điển hình là mái nghiêng với các kết cấu giảm sóng mái kết hợp tường mũi hắt Hình 1.24. Bảng 2.2: Thống kê công trình đê mái nghiêng hỗn hợp ở ĐBSCL [48] Tỉnh Vị trí Cấp công trình Thời gian xây dựng Zđ (m) L (m) Tiền Giang Xã Tân Điền- Gò Công Cấp II 1999-2017 4.2 5820 Bờ biển du lịch Tân Thành cấp III 2007 4.0 330 Bến Tre Cồn Ngoài- Bảo Thuận- Huyện Ba tri cấp III 2016 3.5 180 Trà Vinh Khu vực bờ biển xã Hiệp Thạnh Cấp III 2010-2016 3.5 2015 Khu vực Bờ biển xã Trường Long Hòa. cấp III 2012-2017 3.5 3600 Sóc Trăng xã Vĩnh Hải, thị xã Vĩnh Châu của tỉnh Sóc Trăng cấp III 2006 3.5 360 47 Tỉnh Vị trí Cấp công trình Thời gian xây dựng Zđ (m) L (m) Huyện Cù Lao Dung cấp III 2006 3.5 1600 Bạc Liêu Gành Hào đoạn G1, huyện Đông Hải, tỉnh Bạc Liêu Cấp III 2002-2005 3.5 2630 Nhà Mát, thành phố Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu Cấp IV 2007-2010 2.86 639 Cà Mau Rạch Bàu Nhỏ đến kênh Hai Thiện Cấp IV 2008-2011 3.20 1250 Phía nam Hòn Đá Bạc Cấp IV 2006-2009 3.20 360 Kiên Giang Thành phố Rạch Giá Cấp IV 2012 3.00 6238 Thành phố Hà Tiên Cấp IV 2014 3.20 5250 Trên cơ sở thống kê mặt cắt đê biển hiện trạng ở trên, nghiên cứu sinh lựa chọn 2 mặt cắt đê biển để so sánh với mặt cắt nghiên cứu đề xuất là mặt cắt mái nghiêng và mái nghiêng có tường đỉnh, và cao trình đỉnh lựa chọn thí nghiệm là +3.5m cho tất cả các mặt cắt kết cấu khác nhau. Tần suất điều kiện mực nước, sóng cực trị là 3,33% tương ứng công trình cấp IV như các đê hiện trạng khu vực. 2.4.2 Lựa chọn độ sâu nước và độ dốc bãi thí nghiệm Khu vực ven biển đồng bằng sông Cửu Long được nghiên cứu trong luận án có điều kiện hải văn bởi hai vùng mang đặc trưng khác nhau là triều biển Đông và triều Biển Tây. Thủy triều vùng ven biển Đông có chế độ bán nhật triều không đều (hai lần lên, hai lần xuống trong ngày), mực nước của hai đỉnh và hai chân triều không bằng nhau. Thủy triều biển Đông có biên độ lớn, ở dọc bờ biển có biên độ từ 2,5 3,5m. Xu thế thủy triều ven biển Đông là từ Vũng Tàu đến Gành Hào biên độ triều tăng lên nhưng thời gian xuất hiện đỉnh triều chậm dần. Thủy triều biển Đông có chu kỳ triều ngày, chu kỳ tháng, chu kỳ năm và chu kỳ nhiều năm. Mỗi tháng có 2 kỳ triều cường và 2 kỳ triều kém. Triều cường mực nước đỉnh triều đạt cao nhất và chân thấp nhất xảy ra vào các 48 ngày không trăng và trăng tròn. Triều kém (đỉnh thấp chân cao) xảy ra vào các ngày thượng huyền và hạ huyền (khoảng ngày 7 và 23 âm lịch). Thủy triều ven biển Tây thuộc loại hỗn hợp thiên về nhật triều. Trong ngày có 2 đỉnh, 2 chân triều nhưng những dao động lớn hoàn toàn chiếm ưu thế và thiên về nhật triều. Có nghĩa là 2 đỉnh chênh lệch nhau đáng kể nhưng 2 chân xấp xỉ nhau. Biên độ triều nhỏ chỉ khoảng từ 0,7-1,0 m. Dạng triều này có thời gian duy trì mực nước thấp dài nên tạo ra việc tiêu tháo nước thuận lợi. Trong tháng, mực nước cao nhất lên cao vào ngày sóc vọng (15 âm lịch), xuống thấp vào những ngày thượng, hạ huyền biên độ khoảng 0,2 - 0,5 m. Mực nước thấp nhất không có chu kỳ rõ rệt vì dao động hai đường bao chân nhỏ. Trên cơ sở điều kiện hải văn (sóng, mực nước ...) tại hai vị trí nghiên cứu đại diện đặc trưng biển Đông và Tây ở đồng bằng sông Cửu Long và để tổng quát hóa được các đặc trưng trong thí nghiệm mô hình vật lý, điều kiện mực nước thì việc xác định qua thông số độ sâu nước (h), là một tham số quan trọng trong tính toán sóng tràn qua đê biển. Theo thống kê về cấp công trình thiết kế đê biển khu vực nghiên cứu Bảng 2.1 ở trên, cấp công trình từ cấp IV tới Cấp III qua đó xác định được tần suất thiết kế tương ứng 3.33% tới 2%. Trên cơ sở tần suất thiết kế dựa vào bảng giá trị mực nước ven bờ đoạn từ Cần Giờ (Thành phố Hồ Chí Minh) tới Kiên Giang tại Phụ lục B TCVN 9901, tra cứu dữ liệu mực nước nghiên cứu Bảng 2.3 sau. Bảng 2.3: Tổng hợp độ sâu nước nghiên cứu STT Vùng Biển Mực nước Cao trình bãi Độ sâu nước Min Max Min Max Min Max 1 Biển Tây +0.7 +1.8 -0.5 -1.5 1.2 3.3 2 Biển Đông +1.4 +2.6 0 -1.5 1.4 4.1 49 Với cao trình bãi khu vực từ 0 tới -1.5 từ bảng 2.2 thì độ sâu nước khu vực từ 1.2 tới 4.1m. Với độ sâu nước nêu trên để đảm bảo tổng quát được khu vực và khả thi đánh sóng trong máng thí nghiệm thì độ sâu nước lớn cần hơn 15cm và tạo sóng nhỏ nhất 10cm (trong máng sóng), đồng thời các giá trị chẵn trong mô hình tránh sai số nên độ sâu nước lựa chọn thí nghiệm các giá trị 1.5m; 2.0m; 3.0m 3.5m và 4m. 2.4.3 Lựa chọn thông số sóng thí nghiệm Thông số chiều cao sóng khu vực ven biển Đồng bằng sông Cửu Long phục vụ nghiên cứu trong luận án được tham khảo từ cơ sở dữ liệu sóng thiết kế trong phụ lục B - Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển (ban hành theo Quyết định số 1613/QĐ-BNN-KHCN ngày 09/7/2012 của Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn). Cơ sở tra cứu dữ liệu nghiên cứu là các giá trị sóng ven bờ (phạm vi từ bờ tới cách bờ 50m); và theo tần xuất từ 3.33 tới 2%. Kết quả tham chiếu cho kết quả chiều cao sóng khu vực từ Hs = 0.85m tới Hs = 1.5m. Trên cơ sở chiều cao sóng lựa chọn tác giả đã vận dụng các công thức về quan hệ giữa chiều cao sóng và chu kỳ qua đó lựa chọn chu kỳ sóng phù hợp nghiên cứu. Với từng điều kiện sóng mùa và sóng bão tương ứng có 2 phương pháp xác định như sau: (1) Quan hệ chiều cao sóng Hs và chu kỳ Tp theo gió mùa của Thiều Quang Tuần và Đặng Thị Linh công bố năm 2015 [49]: - Đối với gió mùa Đông Bắc: 0.34T 1.15 4.5p sH= + - Đối với gió mùa Tây Nam: 0.28T 1.5 4.5p sH= + Trong đó: Tp – là chu kỳ đỉnh phổ; Hs là chiều cao sóng có nghĩa (2) Quan hệ chiều cao sóng Hs và chu kỳ Tp theo sóng bão: SPM 1984: T 12.1 sp H g = 50 Nguyễn Xuân Hùng 1999: 1 4 5.164.10 T 3.64 S p H  =     Trong đó: Tp – là chu kỳ đỉnh phổ; Hs là chiều cao sóng có nghĩa; g là gia tốc trọng trường. Bảng 2.4: Bảng xác định chu kỳ Tp Điều kiện Phương pháp tính Chiều cao sóng Hs (m) 1 1.25 1.5 Gió Đông Bắc Thiều Quang Tuần (2015) Chu kỳ Tp (s) 5.7 6.0 6.3 Gió Tây Nam 6.0 6.3 6.6 Gió bão SPM (1984) 3.9 4.3 4.7 Nguyễn Xuân Hùng (1999) 4.6 4.8 5.0 Với mục tiêu tổng quát được tối đa các điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu, trên cơ sở quan hệ chu kỳ Tp với chiều cao sóng Hs bảng 2.2 và năng lực tạo sóng phòng thí nghiệm thì chu kỳ sóng được lựa chọn nghiên cứu 4.1s; 5.5s; và 6.6s theo giá trị nguyên hình. Các giá trị chu kỳ đảm bảo nằm trong giới hạn quan hệ Hs ~Tp đồng thời khả thi trong mô phòng máng sóng thí nghiệm. 2.5 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm 2.5.1 Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc 2.5.1.1 Máng thử nghiệm mô hình Các phương án thí nghiệm được thực hiện trong máng sóng có chiều dài 37m, rộng 2m, sâu 1.5m tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển. Máng được chia thành 2 phần: phần bê tông là phần để máy tạo sóng có chiều dài 15m, thường được sử dụng ở phần nước sâu nơi có độ sâu nước lớn; phần còn lại có chiều dài 22m được làm bằng kính 8mm, thường được sử dụng để bố trí công trình để dễ quan sát các hiện tượng tương tác giữa sóng và công công trình. 51 Máng sóng được cấp nước bởi hệ thống bơm có lưu lượng 400m3/h thông qua hệ thống đường ống cấp D100. Mực nước trong máng được kiểm soát thiết bị đo mực nước và thước gắn trên thành máng. Hình 2.5: Máy tạo sóng Hình 2.6: Máng thí nghiệm 2.5.1.2 Máy tạo sóng Máng sóng được miêu tả ở trên được trang bị một máy tạo sóng dạng chuyển động tịnh tiến bằng pittong thuỷ lực được thiết kế bởi Viện thủy lực Flander của Phần Lan. Việc điều khiển máy tạo sóng được thực hiện bằng phần mềm WLwave.exe và các tham số được thiết lập trong phần mềm. Hình 2.7: Phòng điều khiển Hình 2.8: Giao diện điều kiện đầu vào cho máy tạo sóng Máy tạo sóng có thể tạo ra sóng đều, sóng ngẫu nhiên theo một dạng phổ Jonswap, Jonwap Par, Moskowitz, Moskowitz Par và Sin ở độ sâu nước tối đa trước máy tạo sóng 52 1.4m. Chiều cao sóng lớn nhất có thể tạo trong máng là Hmax = 0.4m và chu kỳ từ TP = 0.5s ÷5.0s. 2.5.1.3 Đầu đo sóng Đo đạc các thông số về sóng, tác giả sử dụng 4 đầu đo sóng Golf 3B dài 1.2m bằng thép không rỉ có độ chính xác ±1%, 4 đầu đo sóng được nối với máy tính bằng card thu thập số liệu PCI 230 và thu thập số liệu bằng phần mềm Manual.exe trên máy tính. Hình 2.9: Phần mềm thu thập và phân tích số liệu Hình 2.10: Giao diện phân tích số liệu sóng Hình 2.11: Kết quả đo đạc số liệu chiều cao sóng qua ba lần tạo sóng ngẫu nhiên Khả năng sao chép sóng một cách chính xác trong một chuỗi thời gian rất quan trọng cho nghiên cứu thí nghiệm. Để đảm bảo tính lặp lại của các sóng trong máng sóng, thực hiện các kiểm tra trước khi lắp đặt mô hình vào thí nghiệm. Một đầu đo sóng được đặt một điểm cố định trong máng để đo chiều cao sóng. Trong suốt quá trình chạy thử, các đầu đo sóng được hiệu chuẩn thường xuyên để giảm thiểu sai số. Tiến hành 3 lần kiểm 53 tra giống nhau với sóng đều và sóng ngẫu nhiên. Đối với trường hợp sóng đều, chiều cao trung bình được xác định Hi =0.11m và TP=1s; trong khi đó sóng ngẫu nhiên sử dụng phổ Jonswap với γ = 3.3, HS=0.11m và Tp=1.2s. Kết quả thu được qua 3 lần kiểm tra đối với sóng ngẫu nhiên như Hình 2.11, phổ sóng của 3 lần kiểm tra Hình 2.12. Hình 2.12: Phổ sóng qua 3 lần kiềm tra Hình 2.13: Giá trị Hs với thời gian tạo sóng khác nhau Đối với sóng thường xuyên, phép đo Hi và Tp cho thấy sai số điển hình dưới 1.5% và 0.1% tương ứng. Đối với sóng không đều, sai số của các thông số từ ba lần kiểm tra lặp lại giống hệt nhau ít hơn 1%. Các thông số được đưa vào phần mềm giống nhau và được sao chép qua các phép thử là giống nhau. Sự sai khác giữa các lần kiểm tra có thể do dao động của đầu đo sóng trên giá đo. Bảng 2.5: Số liệu kiểm định đầu đo sóng 1 Để đảm bảo chiều cao sóng đo được không phụ thuộc vào chiều dài mẫu (có nghĩa là số lượng con sóng do máy tạo sóng phát ra). Để kiểm tra tính nhất quán của máy tạo sóng, 54 bốn nhóm lần thử nghiệm được thực hiện với các Hm0 và Tp khác nhau. Mỗi nhóm có ba bài kiểm tra có giá trị G và fp tương tự đầu vào đưa vào phần mềm, nhưng thời gian chạy khác nhau, tức là 128s, 256s, 512s (máy tạo sóng chạy trên cơ sở 2n, trong đó n=1, 2, 3,) để tạo hoàn chỉnh phổ sóng JONSWAP). Số lượng sóng tạo ra trong máng tăng lên khi thời gian chạy tăng lên được quy định cho một lần kiểm tra cụ thể. Hình 2.13 hiển thị ảnh hưởng của thời gian chạy đối với Hs và Tp thay đổi 0.85s đến 1.4s. Sự thay đổi của Hs đối với thời gian vận hành là khá nhỏ và có độ lệch trung bình nhỏ hơn 2,3%. Tóm lại sóng tạo ra được hiệu chuẩn và duy trì mức độ lặp lại và tính nhất quán cao khi hoạt động. 2.5.1.4 Hệ thống thu thập số liệu Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật PicoLog 1000 Series Thông số kỹ thuật Mô đem PicoLog 1012 Đầu vào tương tự 12 Độ phân giải 10 bits Tỷ lệ lấy mẫu tối đa: PicoScope PicoLog PicoSDK (chế độ chặn) PicoSDK (phát trực tuyến) 1 MS/s; 1 kS/s; 1 MS/s; 100 kS/s PicoScope (PicoSDK chế độ chặn) tỷ lệ lấy mẫu tối đa 100 kS/s: tỷ lệ lấy mẫu thấp: PicoLog (PicoSDK chế đô phát trực tuyến): 8000 mẫu 1 triệu mẫu Lưu trữ trên máy tính Băng thông tương tự (–3 dB) DC đến 70 kHz Kiểu đầu vào đơn cực Dải điện áp vào 0 đến +2.5 V Bảo vệ quá áp ±30 V nối đất Ghép nối đầu vào DC Trởi kháng đầu vào 1 MΩ Điện áp cấp cho cảm biển 2.5 V @ 10 mA, giới hạn dòng điện Phần mềm PicoLog, PicoScope and PicoSDK Phụ kiện kèm theo Cáp USB 2.0, hướng dẫn dử dụng nhanh Giao diện với máy tính USB 2.0 tốc độ cao Bộ thu số liệu sử dụng trong thử nghiệm là bộ thu số liệu PicoLog 1000 Series và PicoScope® 2000 Series, hãng Pico của Anh và kết nối với máy tính thu thập số liệu. 55 a. PicoLog 1000 Series b. PicoLog 1000 Series to PC Hình 2.14: Thiết bị thu số liệu PicoLog 1000 Series. 2.5.2 Bố trí thí nghiệm Phương pháp đo sóng phản xạ bằng ba đầu đo sóng (Mansard và Funke, 1980) [50] ước lượng sóng tới và sóng phản xạ dựa trên kỹ thuật bình phương nhỏ nhất áp dụng để phải đo ba sóng tại ba địa điểm khác nhau. Sóng phản xạ thông thường của sóng đều, đánh giá bề mặt tự do: ( ) ( )cosi ra kx t a kx t   = − + − − + (2.23) Khi: ai: là biên độ của sóng tới; ar: là biên độ của sóng phản xạ; k: là số con sóng=2/L; 𝜎: là tần số góc=2/T; t: là thời gian; : là góc pha giữa sóng tới và sóng phản xạ. 2 3 4 5 3 i S S S a S − = (2.24) 1 4 3 5 3 i S S S a S − = (2.25) Khi 56 3 2 1 1 ni n S e  = =  (2.26) 3 2 2 1 ni n S e  = =  (2.27) ( )3 3 1 n ni nn S A e  + = =  (2.28) ( )3 4 1 n ni nn S A e  − = =  (2.29) 5 1 2 9S S S= − (2.30) ( )1n nk x x = − (2.31) n trong phương trình (2.31) có liên hệ với vị trí đo sóng (xn – x1) trong khoảng cách giữa lần đo sóng thứ n và lần đo sóng thứ nhất; σn là đo pha sóng lần thứ n và sóng thứ nhất; và An là biên độ sóng. Sóng ngẫu nhiên: 12 10 pL X n ; khi n=1,2, ; 13 12X nX khi n=1,2, ; (2.32) Khi X12 là khoảng cách giữa đầu đo sóng số 1 và đầu đo sóng số 2, X13 là khoảng cách giữa đầu đo sóng số 1 và đầu đo sóng số 3, L là bước sóng tương ứng với chu kì sóng trong sóng điều hòa, Lp bước sóng tương ứng với chu kỳ đỉnh phổ của sóng ngẫu nhiên. Hình 2.15: Bố trí đầu đo và hệ thống thu dữ liệu Kết cấu rỗng thử nghiệm được đặt ở khoảng cách 31m so với máy tạo sóng. Sử dụng 4 đầu đo sóng (W0 – W3) kiểu điện trở, chúng được sử dụng để ghi lại chiều cao sóng ở các vị trí khác nhau trong máng sóng. Đầu đo W1, W2, W3 dùng để tách sóng phản xạ trước công trình đê chắn sóng bằng cách sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất được phát triển bởi Mansard và Funke (1980) [50]. Khoảng cách giữa W1, W2 và W3 57 cho mỗi chu kỳ sóng được trình bày trọng Phụ lục 2. Đầu đo W3 được đặt ở phía trước của đê chắn sóng với khoảng cách bằng một nửa chiều dài bước sóng lớn nhất (0.5*L0) được tạo ra trong dải sóng. Các phương án thí nghiệm được tiến hành bởi sóng không đều khoảng 800 con sóng, tần số lấy mẫu 20Hz. Số liệu sóng được thu thập theo thời gian thực và lưu trong máy tính thành các chuỗi số liệu chiều cao theo thời gian của từng đầu đo sóng. Dựa trên cở sở các file đó, phần mềm xử lý số liệu sẽ tính toán các yếu tố cần thiết như chiều cao sóng có nghĩa, chiều cao sóng trung bình, chiều cao sóng cực đại, tương ứng với các chu kỳ. Hình 2.16: Kiểm tra cao độ cốt nền, bãi bằng máy toàn đạc Đo lưu lượng tràn, bố trí máng thu nước tràn được thiết kế thu toàn bộ nước tràn qua đỉnh công trình và đổ vào một thùng chứa nước. Tuy nhiên, nước chỉ được thu sau khi sóng đã ổn định và đến hết thời gian thử nghiệm. Lưu lượng tràn trung bình được xác định qua tổng lượng nước tràn qua công trình và thời gian lấy mẫu. 58 Hình 2.17: Tạo nền công trình Hình 2.18: Lắp đặt cấu kiện TSD Hình 2.19: Kiểm tra thang đo mực nước Hình 2.20: Kiểm tra kết quả đo và phân tích sóng trên máy tính Hình 2.21: Lắp đặt kiểm tra thiết bị đo lưu lượng tràn 59 Để phục vụ cho việc phân tích đánh giá tương tác sóng với kết cấu, 3 máy quay có độ phân giải cao đặt tại 3 vị trí cố định, một máy đặt ở bên trên phía trước công trình, 2 máy đặt vuông góc với tường kính tại vị trí trước công trình và kết cấu để ghi lại toàn bộ quá trình sóng tương tác với kết cấu. Bên cạnh đó, mái trước và bãi được sơn màu phân biệt khu vực tác động sóng. Một số hình ảnh thể hiện quá trình thí nghiệm được thể hiện từ Hình 2.16 đến Hình 2.22. Hình 2.22: NCS trao đổi với thầy hướng dẫn và thầy ngành công trình biển 2.6 Các phương án thí nghiệm Các phương án thí nghiệm được thiết lập dựa trên mục tiêu nghiên cứu của luận án để đánh giá được các ảnh hưởng của các trường hợp thông số sóng và mực nước cùng với lỗ rỗng bề mặt () tới sóng tràn qua kết cấu ¼ trụ rỗng (TSD). - Với các mặt cắt được lựa chọn thí nghiệm so sánh đánh giá như sau: + Với mặt cắt mái nghiêng (Hình 2.23a): lựa chọn 9 phương án thí nghiệm với các thông số Hs = 10; 12.5; 15 (cm); với chu kỳ T=1.3; 1.7; 2.1 (s); độ sâu nước h=30; 35; 40 (cm) trong máng thí nghiệm. + Với mặt cắt mái nghiêng có tường đỉnh (Hình 2.23b): lựa chọn 10 phương án thí nghiệm với các thông số Hs = 10; 12.5; 15 (cm); với chu kỳ T=1.3; 1.7; 2.1 (s); độ sâu nước h=30; 35; 40 (cm) trong máng thí nghiệm. 60 + Với mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) (Hình 2.23c): lựa chon 60 phương án cho 3 độ rỗng khác nhau =10, 15, 20 (%) với các thông số Hs = 10, 12.5, 15 (cm); với chu kỳ T=1.3; 1.7; 2.1 (s), độ sâu mực nước h=15, 20, 25, 30 (cm) trong máng thí nghiệm. Trong đó, kết cấu TSD có hình dạng ¼ đường tròn và đục lỗ bề mặt hay còn gọi là độ rỗng và kí hiệu là   được xác định bằng tổng diện tích lỗ rỗng bề mặt trên diện tích mặt cong của kết cấu TSD. Bảng 2.7: Tổ hợp các phương án thí nghiệm Mặt cắt thí nghiệm Thông số sóng Độ cao lưu không Rc (cm) Hm0 (cm) Tp (s) 10 12.5 15 1.3 1.7 2.1 10 15 20 25 Mặt cắt mái nghiêng x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Mặt cắt mái nghiêng có tường đỉnh 1m x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Mặt cắt có kết cấu TSD, hệ số rỗng bề mặt =10%; =15%, =20% x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 61 Mặt cắt thí nghiệm Thông số sóng Độ cao lưu không Rc (cm) Hm0 (cm) Tp (s) 10 12.5 15 1.3 1.7 2.1 10 15 20 25 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Hình 2.23: Sơ họa 3 mặt cắt thí nghiệm Hình 2.24: Cắt ngang và chính diện mặt tiếp sóng có lỗ rỗng kết cấu ¼ trụ rỗng (TSD) Bảng 2.8: Tổng hợp thông số kết cấu ¼ trụ rỗng và mặt cắt trong mô hình thí nghiệm TT Tham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị 1 Chiều cao kết cấu hw cm 25.5 2 Bề rộng đáy kết cấu Bw cm 25.0 3 Tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt  % 10; 15; 20 62 TT Tham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị 4 Chiều cao mặt cắt cm 40.0 5 Độ dốc mái m 3 6 Chiều cao tường W cm 10.0 7 Độ dốc bãi i % 0.4 2.7 Kết luận chương 2 Cơ sở khoa học về tham số chi phối sóng tràn trong nghiên cứu sóng tràn qua đê biển là tương đối rõ với 2 nhóm chính là hình thái kết cấu đê và điều kiện biên tác động. Về mặt điều kiện biên tác động là yếu tố tự nhiên nên giải pháp giảm tác động với công trình đê biển là khó giải quyết (nếu không có công trình giảm sóng xa bờ). Mặt khác, yếu tố hình thái kết cấu đê làm ảnh hưởng tới tương tác sóng với công trình và gây tràn là yếu tố cần nghiên cứu và xây dựng tối ưu nhằm giảm thiểu sóng tràn qua đê biển. Với mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tìm hiểu sâu về các cơ sở nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu phổ biển hiện nay đó là thí nghiệm mô hình vật lý. Cơ sở khoa học về phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý cho đê biển có kết cấu rỗng tại đỉnh thông qua các yếu tố sau: - Các tham số thứ nguyên ảnh hưởng tới sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) (2.22) được xác định tương đồng với kết cấu công trình tường biển hỗn hợp như độ cao lưu không tương đối c m0 R H , độ ngập tương đối d h , độ dốc sóng tương đối m0 1,0 H . mh s − . Ngoài ra với đặc điểm kết cấu TSD có tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt hệ số  là tham số quan trọng để đánh giá giữa kết cấu TSD và tường biển hỗn hợp. Các tham số thứ nguyên được xác định là cơ sở phân tích và xây dựng công thức thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu TSD. 63 - Cơ sở lựa chọn điều kiện biên thí nghiệm phù hợp và bao quát hết cận trên và dưới của khu vực nghiên cứu về độ lớn sóng, chu kỳ sóng, mực nước cao và các cao trình đỉnh, bãi hiện trạng vùng nghiên cứu. Với các phương pháp tính sóng tràn qua đê biển hiện trạng được chia làm 2 hình dạng mặt cắt điển hình đó là tường biển và đê biển mái nghiêng. Kết quả phân tích thứ nguyên bước đầu cho thấy sự tương đồng trong tham số chi phối sóng tràn của mặt cắt nghiên cứu với mặt cắt tường biển. Đặc tính trên cũng phần nào tương đồng về mặt hình thái và cơ chế làm việc giữa 2 mặt cắt. Đối với 2 mặt cắt đều có kết cấu bê tông khối lớn về chiều cao, bề rộng và là kết cấu tương tác trực tiếp với sóng tác động, không giống như với kết cấu tường đỉnh đê (chiều cao thấp) và chỉ tương tác với sóng leo không chịu tác động trực tiếp sóng đến. 64 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU ĐẾN SÓNG TRÀN BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG 3.1 Cơ sở đề xuất mặt cắt đê biển có kết cấu rỗng trên đỉnh 3.1.1 Đánh giá sóng tràn qua các mặt cắt thí nghiệm Từ các hình ảnh thí nghiệm Hình 3.1 đến Hình 3.5, có thể nhận thấy với từng hình dạng kết cấu khác nhau khi sóng tác động tới công trình sẽ có đặc trưng tương tác riêng biệt, đặc trưng với đê mặt cắt mái nghiêng là khi sóng tác động gây ra quá trình sóng leo trên mái và tràn qua công trình. Khi đó mái nghiêng tạo đà sóng leo dễ dàng khi sinh ra dòng chảy tràn với chiều cao lớn (Hình 3.1) và là nguyên nhân lưu lượng tràn qua mặt cắt thiên lớn so với mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng (Hình 3.3, Hình 3.4, Hình 3.5 ). Với mặt cắt mái nghiêng có tường đỉnh sau khi sóng leo trên mái nghiêng đã bị cản lại bởi tường đỉnh. Sóng tới tương tác với tường tạo thành sóng đứng cao (Hình 3.2), lưu lượng tràn qua đó được giảm đáng kể. Tuy nhiên, sóng đứng lớn tạo ra sóng phản xạ trước tường gây bất lợi cho kết cấu mái nghiêng và tường đỉnh. Hình 3.1: Sóng tràn qua mặt cắt mái nghiêng Quá trình sóng tương tác với mặt cắt kết cấu ¼ trụ rỗng có xu thế tràn tương tự với mái nghiêng, sóng leo qua mặt cong và tràn qua đỉnh công trình. Dưới tác dụng bởi lỗ rỗng bề mặt, lưu lượng được hấp thụ thông qua buồng tiêu sóng ¼ trụ rỗng nên chiều cao chảy tràn và lưu lượng tràn qua công trình đã được giảm đáng kể. Hình 3.6 thể hiện kết 65 quả tỷ số tràn tương đối qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng nằm dưới đường lý luận tính toán sóng tràn qua mặt cắt mái nghiêng. Hình 3.2: Sóng tràn qua mặt cắt mái nghiêng có tường đỉnh Hình 3.3: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng  = 10% Hình 3.4: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng  = 15% 66 Hình 3.5: Sóng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng  = 20% Để có cơ sở đánh giá độ tin cậy thí nghiệm và so sánh lưu lượng tràn qua mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng với từng mặt cắt mái nghiêng và mái nghiêng có tường đỉnh. Tác giả đã kết hợp kết quả đo tràn và công thức tính toán lưu lượng tràn đặc trưng của hai dạng mặt cắt mái nghiêng và mái nghiêng có tường đỉnh. Với đê mái nghiêng độ dốc 1:2 đến 1: 4, lưu lượng tràn trung bình là [9]: 1.3 c 3 m0 f β0 R 0.1035exp 1.35 H γ γ m q gH     = −        (3.1) trong đó, Hm0 chiều cao sóng mô men không, Rc độ cao lưu không trên mực nước, f hệ số chiết giảm sóng tràn do độ nhám mái,  hệ số chiết giảm do hướng sóng tới. Với đê mái nghiêng có tường đỉnh, lưu lượng tràn trung bình là [10]: 1.3 *3 00 0.09exp 1.5 c mm Rq HgH      = −      Với * wexp 0.56 all c h R    = −    (3.2) trong đó, * hệ số chiết giảm sóng tràn của tường đỉnh, hwall chiều cao tường đỉnh. Kết quả tính toán thí nghiệm lưu lượng tràn qua mặt cắt mái nghiêng và mái nghiêng có tường đỉnh đều phù hợp với đường lý luận, điều này thể hiện độ tin cậy trong quá trình thiết lập và đo đạc thí nghiệm. 67 Hình 3.6: Lưu lượng tràn qua mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng với đê mái nghiêng Hình 3.7: Lưu lượng tràn qua mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng với đê mái nghiêng có tường đỉnh So sánh với cùng điều kiện biên tác dụng thì lưu lượng tràn trung bình qua mặt cắt mái nghiêng là lớn nhất (Hình 3.8). Mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng với lỗ rỗng bề mặt 68 =20% cho giá trị xấp xỉ với mái nghiêng tường đỉnh. Trong cùng một loại mặt cắt có kết cấu ¼ trụ rỗng, khi hệ số lỗ rỗng bề mặt tăng lên thì hiệu quả giảm tràn tăng theo. Hiệu quả