Tài liệu Nghiên cứu cơ sở khoa học của giải pháp tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển

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. PGS.TS. Lê Xuân Roanh 2. GS.TS. Thiều Quang Tuấn HÀ NỘI, NĂM 2017 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 được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Văn Dũng i MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3. ...........................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................2 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .....................................................................................3 7. Cấu trúc của luận án ....................................................................................................4 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN ................................................................................................................................5 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 2.3. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm ...............................................................34 2.3.1. Kiểm định nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn (2013) trong trường hợp tường đỉnh không có mũi hắt sóng ....................................................................................34 2.3.2. Ảnh hưởng của các tham số tường đỉnh khi có mũi hắt sóng đến sóng tràn qua đê biển .....................................................................................................................35 2.4. Xây dựng phương pháp tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có tường đỉnh ......................................................................................................................41 2.4.1 Cơ sở lý thuyết về hệ số ảnh hưởng thành phần của mũi hắt ........................41 2.4.2. Mối quan hệ giữa các tham số cơ bản và a .................................................41 2.4.3. Xây dựng công thức thực nghiệm.................................................................44 Kết luận chương 2 .........................................................................................................49 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ÁP LỰC SÓNG LỚN NHẤT LÊN TƯỜNG ĐỈNH BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG .................................................................50 3.1. Giới thiệu về thiết bị đo áp lực sóng ......................................................................50 3.1.1. Đầu đo áp lực ................................................................................................50 3.1.2. Máy đo áp lực (máy đa kênh) .......................................................................51 3.2. Các kịch bản thí nghiệm và trình tự thí nghiệm .....................................................51 3.2.1. Các kịch bản thí nghiệm ...............................................................................51 3.2.2 Công tác chuẩn bị ..........................................................................................52 3.2.3 Trình tự thí nghiệm ........................................................................................53 3.3. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm ...............................................................54 3.3.1 Kết quả thí nghiệm.........................................................................................54 3.3.2 Phân tích áp lực lớn nhất................................................................................57 3.4. Xây dựng phương pháp tính toán áp lực sóng lên tường đỉnh ........................59 3.4.1. Áp lực sóng tại vị trí Y = 1 cm .....................................................................59 3.4.2. Xây dựng biểu đồ đường bao phân bố áp lực sóng lớn nhất ........................71 iii 3.4.3. Xây dựng biể đồ phân bố áp lực sóng thực tế lớn nhất ...................................76 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 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một số dạng điển hình về kết cấu tường đỉnh đê biển......................................5 Hình 1.2 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh..........................................................6 Hình 1.3 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh ........................................6 Hình 1.4 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa ..........................................................................7 Hình 1.5 Đê biển Giao Thủy, Nam Định ........................................................................8 Hình 1.6 Đê biển Quất Lâm, Nam Định .........................................................................8 Hình 1.7 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng ............................................................................9 Hình 1.8 Đê biển Afsluitdijk Hà Lan .............................................................................9 Hình 1.9 Sóng tràn gây vỡ đê biển Hậu lộc, Thanh Hóa (bão số 7/2005) ..................10 Hình 1.10 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh ....................................13 Hình 1.11 Biểu đồ áp lực sóng Goda..............................................................................19 Hình 1.12 Sơ đồ xác định áp lực sóng của Oumeraci, H. (2001) .................................20 Hình 1.13 Hình minh họa áp lực sóng tác dụng lên tường ............................................21 Hình 1.14 Sơ đồ áp lực sóng tác dụng lên tường đỉnh .................................................22 Hình 1.15 Mặt cắt dọc của đê có tường đỉnh trong máng sóng ....................................23 Hình 1.16 Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực .....................................................................24 Hình 1.17 Áp lực sóng đo được của một đầu áp lực theo thời gian ..............................24 Hình 1.18 Áp lực sóng của một chu kỳ sóng ................................................................ 25 Hình 1.19 Áp lực sóng phân bố theo chiều cao của tường ............................................25 Hình 1.20 Đường hồi quy xác định áp lực sóng theo thời gian gia tăng áp lực ...............26 Hình 1.21 Mũi hắt sóng làm tăng áp lực so với khi không có mũi hắt sóng ....................27 Hình 1.22 Độ thị quan hệ giữa lực sóng theo Hmo và Rc ..............................................27 Hình 1.23 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t* .............................28 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ...................................................................................32 Hình 2.2 Sơ đồ và mô hình tườngđỉnh có mũi hắt sóng được nghiên cứu ....................33 Hình 2.3 Kiểm định ảnh hưởng của tường đỉnh đến sóng tràn qua đê theo Thiều Quang Tuấn (2013), tường không có mũi hắt sóng, sóng vỡ....................................................34 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 3.8 Áp lực sóng tác dụng lên tường theo thời gian tại 3 vị trí đo..........................57 Hình 3.9 Xác định các đỉnh áp lực sóng tác dụng lên tường theo thời gian .................58 Hình 3.10 Áp lực sóng lớn nhất kịch bản thí nghiệm Test_196....................................58 Hình 3.11 Ảnh hưởng của Hm0 đến áp lực sóng lên tường (Đường mầu đỏ - mũi tên thể hiện xu thế quan hệ) ......................................................................................................59 Hình 3.12 Ảnh hưởng của Tp đến áp lực sóng lên tường ..............................................60 Hình 3.13 Ảnh hưởng của Rc đến áp lực sóng lên tường ..............................................60 Hình 3.14 Ảnh hưởng của bề rộng thềm trước tường (S) đến áp lực sóng ...................61 Hình 3.15 Ảnh hưởng của độ dốc mái đê phía biển đến áp lực sóng lên tường ...........61 Hình 3.16 Ảnh hưởng của W đến áp lực sóng lên tường ..............................................62 vi Hình 3.17 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với độ cao lưu không tương đối ....................65 Hình 3.18 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với bề rộng thềm tương đối ...........................66 Hình 3.19 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với chỉ số Iribarren ξm ...................................66 Hình 3.20 Sự phụ thuộc giữa p/(gρHm0) với chiều cao tường tương đối ......................67 Hình 3.21Đường hồi quy của áp lực sóng tại Y = 1cm, tường không có mũi hắt sóng 68 Hình 3.22 Đường hồi quy của áp lực sóng khi có và không có mũi hắt sóng...............68 Hình 3.23 Sự phụ thuộc áp lực sóng vào góc mũi hắt sóng ..........................................69 Hình 3.24 Sự phụ thuộc áp lực vào chiều cao mũi tương đối .......................................70 Hình 3.25 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định áp lực sóng tại vị trí Y = 1cm khi xét đến cả mũi hắt sóng ...........................................................................................71 Hình 3.26 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm áp lực sóng tại vị trí Y = 3cm ............72 Hình 3.27 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm áp lực sóng tại vị trí Y = 4,5cm .........72 Hình 3.28 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm lực sóng tại vị trí Y = 6cm .................73 Hình 3.29 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm lực sóng tại vị trí Y = 6,5 cm .............73 Hình 3.30 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm áp lực sóng tại vị trí Y = 8,5cm .........74 Hình 3.31 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm lực sóng tại vị trí Y = 9,5cm ..............74 Hình 3.32 Đường hồi quy hàm số thực nghiệm áp lực sóng tại vị trí Y = 11,5cm .......75 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 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ 1. Danh mục các từ viết tắt ARC (Active Reflection Compensation): Hấp thụ sóng phản xạ tự động. COBRAS (Cornell Breaking Waves and Structures): Mô hình máng sóng số. JONSWAP (Joint North Sea Wave Project): Dự án nghiên cứu sóng biển Bắc. MNTK: Mực nước thiết kế. MH: Mô hình. NH: Nguyên hình. RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes): Mô hình toán họ RANS. TAW (Technical Report Wave Run- up and Wave Overtopping at Dikes): Sổ tay kỹ thuật tính toán sóng tràn qua đê. TEST_: Kịch bản thí nghiệm. 2. giải thích các thuật ngữ Thềm trước: Là một phần của mặt đê ở phía trước tường đỉnh. Mũi hắt sóng: Là bộ phận phía trên của tường đỉnh ở phía biển, có nhiệm vụ hạn chế sóng tràn qua. Góc mũi hắt sóng: Là góc được tạo bởi phương thẳng đứng và đường bao phía ngoài của mũi hắt sóng. Chiều cao mũi hắt sóng: Là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ đỉnh tường đến phần thấp nhất của mũi hắt sóng. ix CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị α 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 sóng tới xiên góc γb - Hệ số chiết giảm sóng tràn do cơ đê γr - Hệ số chiết giảm sóng tràn do độ nhám γs - Hệ số chiết giảm sóng tràn do bề rộng thềm trước γv - Hệ số chiết giảm sóng tràn tổng hợp do tường đỉnh γw - 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 Cp - Hệ số phân bố áp lực sóng D m Độ sâu nước trong máng sóng F KN Lực do sóng tác dụng fđo Hz Tần số đo áp lực sóng hn m Chiều dày 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 KPa Áp lực sóng lớn nhất trung bình của 100 đợt tương tác p1/250 KPa Áp lực sóng lớn nhất trung bình của 250 đợt tương tác p1/500 KPa Áp lực sóng lớn nhất trung bình của 500 đợt tương tác q (l/m/s) Rc m Độ cao lưu không phía trên mực nước tính toán S m 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 Chiều cao tường đỉnh trên đê Y m Khoảng cách từ chân tường đỉnh đến vị trí đo áp lực Lưu lượng sóng tràn trung bình xi MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam nằm trong khu vực ổ bão của khu vực tây bắc Thái bình Dương với tần suất bão đổ bộ cao, trung bình khoảng 6 cơn/năm. Do vậy hệ thống đê kè biển ở nước ta được hình thành từ rất sớm và khá dài (trên 2000 km) với mục đích bảo vệ các khu vực dân cư kinh tế phía sau đê khỏi các thiên tai từ phía biển như ngập lụt, xói lở,... dưới sự tác động của các yếu tố thủy động lực học trong bão như sóng và nước dâng. Tuy nhiên do hạn chế về điều kiện kinh tế, đê biển ở nước ta mặc dầu đã trải qua nhiều lần nâng cấp sửa chữa nhưng hiện nay cao trình đỉnh đê còn khá thấp (phổ biến từ 4.0 đến 5.5 m) [1] do vậy sóng tràn qua đê trong bão khá lớn, tùy theo vị trí mà lưu lượng sóng tràn có thể lên tới hàng trăm lít trên giây trên một mét chiều dài đê. Thực tế thiên tai bão lũ xảy ra trong những năm vừa qua cho thấy sóng tràn qua đê trong bão đã gây ra xói mái, mất ổn định mái trong phía đồng dẫn đến vỡ đê là cơ chế gây hư hỏng đê phổ biến nhất ở nước ta, đặc biệt là ở khu vực bắc bộ và bắc trung bộ. Vỡ đê biển đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng về người và cơ sở hạ tầng cho các khu vực dân cư và kinh tế ven biển. Lượng sóng tràn cho phép qua đê có tính quyết định đến quy mô, giải pháp thiết kế và 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 Mục tiêu cơ bản của nghiên cứu là xây dựng được cơ sở khoa học cho việc thiết kế tường đỉnh giảm sóng tràn trên đê biển. Hai mục tiêu cụ thể của luận án là: - Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt sóng đến sóng tràn, góp phần nâng cao mức độ tin cậy trong tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển; - Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh là cơ sở cho tính toán thiết kế kết cấu tường đỉnh trên đê; 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh với mũi hắt sóng, mặt trước dốc đứng. - Phạm vi nghiên cứu là đê biển Bắc bộ và Bắc trung bộ - Việt Nam. 4. Nội dung nghiên cứu Để giải quyết được mục tiêu trên, nội dụng luận án gồm: - Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh và áp lực sóng lớn nhất 2 lên tường đỉnh trên đê khi có sóng tràn qua; - Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh có mũi hắt đến khả năng chiết giảm sóng tràn qua đê biển bằng mô hình vật lý máng sóng; - Nghiên cứu áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh khi có sóng tràn bằng mô hình vật lý máng sóng; - Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán đề xuất dạng kết cấu đê biển có tường đỉnh hợp lý cho đê biển huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận Để đạt được mục đích nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới, từ đó lựa chọn cách tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính hiện đại, phù hợp với điều kiện Việt Nam. 5.2 Phương pháp 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 do có tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện kinh tế hiện nay của nước ta. Kết quả nghiên cứu cho phép xác định cao trình và bố trí hợp lý tường đỉnh trên đê để thỏa mãn điều kiện lưu lượng sóng tràn cho phép. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển; 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; Chương 3: Nghiên cứu áp lực sóng lớn nhất lên tường đỉnh bằng mô hình vật lý máng sóng; Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế đê biển Hải Ninh – Thanh Hóa. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 1.1 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh Tường chống tràn trên đỉnh đê (gọi tắt là tường đỉnh) có chức năng bảo vệ và ổn định đường bờ, bảo vệ toàn bộ phần đất phía sau trước tác động của sóng, nước dâng và các tác động bất lợi khác từ biển. Xây dựng tường đỉnh trên đê được coi là giải pháp đơn giản, hiệu quả để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê và thường được sử dụng ở những nơi mà không còn quỹ đất để nâng cao đỉnh đê, hoặc điều kiện kinh tế không cho phép xây đê cao. Tường đỉnh có mặt cắt ngang khá phong phú, có thể là tường đứng, tường nghiêng, tường cong và tường có mũi hắt sóng…Tương ứng với những dạng mặt cắt ngang khác nhau, tường đỉnh có thể được xây dựng bằng nhiều loại vật liệu, thông dụng nhất là bê tông cốt thép, bê tông, đá xây và gạch xây (Hình 1.1) [4]: Hình 1.1 Một số dạng điển hình về kết cấu tường đỉnh đê biển 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]. Hình 1.4 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa 1.1.3 Đê biển có tường đỉnh ở Nam Định Nam Định có 91.0km đê biển thuộc 3 huyện (Hải Hậu 33km, Giao Thủy 32km, Nghĩa Hưng 26km), trong đó có 45km trực diện với biển (chiếm 49.5%). Toàn tỉnh hiện có gần 50km đê biển được xây dựng tường đỉnh trên đê (chiếm 55%) [7]. Hầu hết tường đỉnh trên đê là thẳng đứng, không có thềm trước tường, tường được làm bằng bê tông cốt thép hoặc đá xây. Cao trình đỉnh tường phổ biến (+5.2m đến +5.5m), chiều cao tường đỉnh phổ biến (0.4m đến 0.7m). Một số nơi có mặt đê tương đối rộng như đê biển thị trấn Quất Lâm, có thềm trước khoảng 0.5m. 7