Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở Bắc bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN THÌN

NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH

Ở BẮC BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN THÌN

NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH

Ở BẮC BỘ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 62-58-40-01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ

2. GS.TS. Ngô Trí Viềng

HÀ NỘI, NĂM 2014

i

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 là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một

nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Thìn

ii

LỜI CẢM ƠN

Có được kết quả nghiên cứu như hôm nay ngoài sự cống gắng của bản thân, tác giả xin

trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ, GS.TS. Ngô Trí Viềng

đã hướng dẫn tận tình.

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Trịnh Minh Thụ,

PGS.TS. Nguyễn Trung Việt đã tận tình giúp đỡ mọi mặt trong quá trình tác giả thực

hiện luận án.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo ĐH&SĐH,

bộ môn Thủy công, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, phòng Khoa học công nghệ

và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án.

Tác giả xin được cảm ơn Vụ Giáo dục Đại học - Bộ Giáo dục & Đào tạo, Bộ Nông

nghiệp và PTNT đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua

mọi khó khăn khi thực hiện luận án.

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................ viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ................................................ix

MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1

1. Tính cấp thiết của đề tài...........................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2

4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2

5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu..............................................................2

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................3

7. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................3

8. Cấu trúc của luận án ................................................................................................4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ

TƯỜNG ĐỈNH THẤP ....................................................................................................5

Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ...............................................5

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới ............................................5

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam.............................................6

Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu........................8

Nguyên nhân hư hỏng đê biển ....................................................................8

Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn .........................................................9

Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ..................................12

Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc....................................12

Khái quát chung ........................................................................................12

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh......................................................14

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa .................................................16

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Nam Định ..................................................16

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hải Phòng..................................................18

Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp...................18

Ở trên thế giới ...........................................................................................18

Ở Việt Nam ...............................................................................................20

iv

Kết luận chương 1............................................................................................26

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN .............................28

Mục đích nghiên cứu........................................................................................28

Cơ sở lý thuyết về tương tự..............................................................................28

Tương tự về hình học ................................................................................28

Tương tự về động học ...............................................................................29

Tương tự về động lực học. ........................................................................29

Mô tả thí nghiệm sóng đều...............................................................................29

Máng sóng.................................................................................................29

Mô hình đê và các tham số thí nghiệm .....................................................31

Chương trình thí nghiệm...........................................................................32

Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc ...............................................34

Phân tích kết quả thí nghiệm............................................................................37

Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình...............37

Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn .........................................40

Kết luận chương 2............................................................................................42

CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY SÓNG TRÀN

QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP .................................................................43

Đặt vấn đề ........................................................................................................43

Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010)....................................................46

Hệ phương trình cơ bản.............................................................................46

Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên............................................................47

Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) ....................................52

Giới thiệu máng sóng số............................................................................52

Hệ phương trình cơ bản.............................................................................54

Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên............................................................55

Sóng tràn đối với sóng đều........................................................................57

Kết luận chương 3............................................................................................72

CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG TRÀN

QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH......................................................74

Giới thiệu công trình ........................................................................................74

v

Tính toán sóng tràn ..........................................................................................75

Các công thức cơ bản ................................................................................75

Thiết lập bảng tính toán sóng tràn.............................................................75

Xây dựng phần mềm tính toán sóng tràn ..................................................79

Kết quả tính toán sóng tràn và đề xuất mặt cắt ngang đê biển ........................81

Kết quả tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định ...............81

Đề xuất mặt cắt ngang đê biển ..................................................................83

Phạm vi áp dụng........................................................................................83

Kết luận chương 4............................................................................................85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................86

I. Kết quả đạt được của luận án ................................................................................86

II. Những đóng góp mới của luận án .........................................................................88

III. Tồn tại và hướng phát triển .................................................................................89

IV. Kiến nghị .............................................................................................................89

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..............................................................90

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................91

PHỤ LỤC ......................................................................................................................99

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản....................................................5

Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1].................................................7

Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1]................................9

Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức ...............................................................................10

Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam .............................................................10

Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005....................................11

Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1]........................................................................11

Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014)...................12

Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam..............................................13

Hình 1.10 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh [3] ..............................................15

Hình 1.11 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh [3]...............................15

Hình 1.12 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa [7].................................................................16

Hình 1.13 Đê biển Giao Thủy, Nam Định.....................................................................17

Hình 1.14 Đê biển Quất Lâm, Nam Định......................................................................17

Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng .........................................................................18

Hình 1.16 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh thấp [9]........................19

Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56] ........21

Hình 1.18 Thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trong nghiên cứu [56] ............................21

Hình 1.19 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng vỡ [56]...............................22

Hình 1.20 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng không vỡ [56]....................22

Hình 1.21 Sơ đồ thí nghiệm sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp [58] ................24

Hình 1.22 Các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn [58] ..............................24

Hình 1.23 Hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường w [58] .............................................25

Hình 1.24 Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng thềm trước tường s [58]..........................25

Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm.....................................................30

Hình 2.2 Máy tạo sóng ..................................................................................................30

Hình 2.3 Máng sóng ......................................................................................................31

Hình 2.4 Khu vực điều khiển máy tạo sóng ..................................................................31

Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm sóng đều.........................................................................32

Hình 2.6 Xử lý chống thấm qua đê trong thí nghiệm....................................................33

Hình 2.7 Máy tính, thiết bị nhận và lưu trữ tín hiệu......................................................34

Hình 2.8 Kiểm tra các đầu đo sóng tại chân đê .............................................................35

Hình 2.9 Mô hình xác định lưu lượng sóng tràn ...........................................................36

Hình 2.10 Mô hình xác định chiều cao sóng bắn ..........................................................36

Hình 2.11 Mô hình xác định chiều sâu dòng chảy tràn.................................................36

Hình 2.12 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp v (đo đạc - tính toán).......38

Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (Hb/H) với (S.H/g.W.T2

) ...........................................40

Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1 ....................48

vii

Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2 .........................49

Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA1) ..............................51

Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA2) ..............................52

Hình 3.5 Sóng tràn qua đê trong (MH vật lý) ...............................................................53

Hình 3.6 Sóng tràn qua đê (MH máng sóng số)............................................................53

Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC)..............57

Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC)..........................59

Hình 3.9 Sóng bắn khi sóng va vào tường (MH Vật lý) ...............................................61

Hình 3.10 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê (MH Vật lý)...........................................61

Hình 3.11 Sóng chảy thành dòng (MH Vật lý) .............................................................62

Hình 3.12 Sóng rút (MH Vật lý) ...................................................................................62

Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý)..............................63

Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê t=27.3s ( MH vật lý)............................63

Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng t = 27.5s ( MH vật lý).............................................64

Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý).....................................................................64

Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý).....................65

Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường ..............................................67

Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều rộng thềm đến chiều cao sóng bắn............................70

Hình 3.20 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t* .............................71

Hình 3.21 Lực sóng tác dụng lên tường ........................................................................71

Hình 4.1 Đê biển Giao Thủy tỉnh Nam Định ................................................................74

Hình 4.2 Giao diện chính phầm mềm............................................................................79

Hình 4.3 Giao diện nhập các tham số thiết kế...............................................................80

Hình 4.4 Giao diện tính toán các tham số sóng thiết kế................................................80

Hình 4.5 Giao diện tính toán sóng tràn qua đê ..............................................................81

Hình 4.6 Kết quả tính toán cho các kịch bản (W,S) khác nhau.....................................83

Hình 4.7 Mặt cắt ngang đê biển theo dự thảo TCVN-2013 [4].....................................84

Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp và thềm trước ..............................84

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3].............................................14

Bảng 1.2 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng ngẫu nhiên.....................................23

Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều.................................................33

Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường ..............39

Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm xác định chiều cao sóng bắn...........................................41

Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán sóng tràn cho các trường hợp điển hình sóng

ngẫu nhiên......................................................................................................................56

Bảng 3.2 Kết quả đo đạc và tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình của sóng đều....58

Bảng 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán chiều cao sóng bắn lớn nhất..............................66

Bảng 3.4 Kết quả đo đạc và tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất.....................68

Bảng 4.1 Thiết lập các thông số đầu vào.......................................................................75

Bảng 4.2 Tính toán các tham số sóng thiết kế...............................................................77

Bảng 4.3 Tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình ......................................................77

Bảng 4.4 Lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn cho đê biển Giao

Thủy, tỉnh Nam Định với các kịch bản (W,S) khác nhau .............................................82

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

1. Danh mục các từ viết tắt:

2DV-RANS Navier – Stockes 2 chiều – Phương trình 2 chiều

ARC Active Reflection Compensation – Hấp thụ sóng phản xạ tự động

BĐKH Biến đổi khí hậu.

COBRAS Cornell Breaking Waves and Structures – Mô hình máng sóng số

ENDEC Energy Decay – Suy giảm năng lượng sóng

FVM Finite volume method – Phương pháp phần tử hữu hạn

MH Mô hình.

MNTK Mực nước thiết kế.

NH Nguyên hình.

NLSW Non-Linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông

RANS Reynolds Averaged Navier Stokes – Mô hình toán họ RANS

SPH Smoothed Particle Hydrodynamics – Mô hình thủy lực SPH

SWASH Simulating WAve still Shore – Mô hình SWASH

TAW Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes – Sổ tay kỹ thuật

tính toán sóng tràn qua đê

TH Trường hợp.

VOF Volume Of Fluid – Mặt thoáng

2. Các thuật ngữ

“Tường đỉnh thấp” là tường đỉnh trên đê có (W/Hs ≤ 0.5)

“Thềm trước” là thềm phía trước tường đỉnh

“Sóng bắn” là một phần sóng tràn nằm trong không khí không bám sát bề mặt đê

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu và

nước biển dâng. Dọc theo bờ biển là những trung tâm kinh tế, văn hóa quan trọng của

cả nước. Để đảm bảo ổn định và phát triển bền vững của khu vực quan trọng này nhất

thiết phải xây dựng hệ thống đê biển. Mặc dù đã được nhà nước đầu tư đáng kể qua

nhiều chương trình, nhưng đê biển Bắc bộ vẫn có cao trình đỉnh tương đối thấp, bề rộng

mặt đê nhỏ, mái đê phía biển, phía đồng dốc, hầu hết đê lại trực diện với biển. Đây là

vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai (đặc biệt là bão, áp thấp nhiệt đới) là

vùng biển có độ lớn thuỷ triều cao và nước dâng do bão lớn. Vì vậy hệ thống đê biển

khu vực này luôn có nguy cơ sóng tràn qua đê làm vỡ đê gây ảnh hưởng nặng nề đến

tính mạng và tài sản của nhân dân (điều này đã được chứng minh thực tế qua các cơn

bão điển hình trong những năm gần đây).

Theo kết quả thống kê từ các sự cố vỡ đê trong những năm qua thì sóng tràn gây hư hại

mặt đê và mái phía đồng là phổ biến ở nước ta. Một trong những giải pháp hữu hiệu để

giảm sóng tràn qua đê là xây tường đỉnh thấp đặt trên đỉnh đê, vì việc tôn cao mặt đê

hay làm cơ ở phía thượng lưu là rất tốn kém và khó khả thi đặc biệt là những tuyến đê

bảo vệ các thành phố, các khu du lịch. Đến nay, các nghiên cứu sóng tràn qua đê có

tường đỉnh thấp đặc biệt là các nghiên cứu tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy

sóng tràn chưa đầy đủ.

Việc hiểu rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp và thềm trước tường đối với sóng tràn có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển

hiện nay. Với ý nghĩa đó tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường

đỉnh ở Bắc bộ” làm đề tài nghiên cứu của mình.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tính

chất dòng chảy sóng tràn qua đê biển, từ đó góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán