Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phản xạ tới dòng phản hồi và xói chân đê biển mái nghiêng khu vực Bắc Bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG KHU VỰC BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG PHẢN XẠ TỚI DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG KHU VỰC BẮC BỘ Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 9580203 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS THIỀU QUANG TUẤN HÀ NỘI, NĂM 2022 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) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Thị Phương Thảo ii LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Thiều Quang Tuấn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên trong suốt thời gian thực hiện Luận án. Tác giả xin được trân trọng cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp, Phòng Đào tạo, Khoa, Bộ môn về những hỗ trợ, tạo điều kiện làm việc tốt nhất cho tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình về sự giúp đỡ quý giá và luôn đồng hành cùng tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành Luận án của mình. iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH ....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ........................... x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án .................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 4 4. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 4 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................ 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................................ 6 7. Cấu trúc luận án ................................................................................................. 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN ..................................................................................................... 8 1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 8 1.1.1 Dòng phản hồi và các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ .................. 8 1.1.2 Xói chân đê biển ........................................................................................ 11 1.2 Tổng quan nghiên cứu về dòng phản hồi ......................................................... 12 1.3 Tổng quan mô hình vận chuyển bùn cát và xói lở ngang bờ ........................... 17 1.3.1 Tổng quan mô hình sóng ........................................................................... 18 1.3.2 Mô hình vận chuyển bùn cát và hình thái ................................................. 21 1.4 Tổng quan nghiên cứu về sóng phản xạ ........................................................... 25 1.5 Tổng quan các nghiên cứu về dòng phản hồi và xói chân đê biển trong bão ở Việt Nam .................................................................................................................... 28 1.6 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 30 1.6.1 Những vấn đề còn tồn tại .......................................................................... 30 1.6.2 Định hướng nghiên cứu của luận án ......................................................... 31 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ HÌNH HOÁ DÒNG PHẢN HỒI DO SÓNG VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN ............................................................................................ 33 2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 33 2.2 Ảnh hưởng của phản xạ sóng do công trình đến dòng phản hồi và vận chuyển bùn cát ........................................................................................................................ 33 iv 2.2.1 Cơ sở xác định hệ số phản xạ và biến đổi chiều cao sóng trước chân công trình 34 2.2.2 Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi ..................................... 37 2.2.3 Ảnh hưởng của sóng phản xạ đến nồng độ bùn cát .................................. 40 2.3 Xây dựng mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu dòng phản hồi và xói chân đê biển 42 2.3.1 Mục tiêu và điều kiện thực hiện thí nghiệm .............................................. 42 2.3.2 Lựa chọn tiêu chuẩn tương tự và tỉ lệ mô hình ......................................... 43 2.3.3 Thiết kế thí nghiệm và bố trí thiết bị đo đạc ............................................. 46 2.3.4 Kịch bản thí nghiệm .................................................................................. 49 2.3.5 Thực hiện mô hình .................................................................................... 51 2.4 Phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng dòng phản hồi và xói bồi chân đê biển 56 2.4.1 Giới thiệu chung ........................................................................................ 56 2.4.2 Những vấn đề cập nhật trong mô hình Wadibe-TC .................................. 56 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 57 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI VÀ XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN MÁI NGHIÊNG .................................................................................................. 58 3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 58 3.2 Phân tích các kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý ..................................... 58 3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc dòng phản hồi .......................................................... 58 3.2.2 Phân tích đánh giá ảnh hưởng của sóng phản xạ đến dòng phản hồi ....... 63 3.2.3 Phân tích kết quả quan trắc xói chân đê trên mô hình lòng động ............. 66 3.2.4 Nhận xét kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng ................... 72 3.3 Kết quả phát triển cập nhật mô hình toán mô phỏng cấu trúc dòng phản hồi và xói bồi chân đê biển ................................................................................................... 74 3.3.1 Phát triển cập nhật mô hình toán Wadibe-TC ........................................... 74 3.3.2 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định module sóng ......................................... 74 3.3.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định module dòng chảy ................................ 78 3.3.4 Kết quả kiểm định module vận chuyển bùn cát và xói chân đê biển ........ 91 3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 98 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÓI CHÂN ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH ................................................................................................ 100 v 4.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 100 4.2 Tổng quan khu vực ven biển Nam Định ........................................................ 100 4.2.1 Điều kiện biên tự nhiên khu vực Nam Định ........................................... 100 4.2.2 Đặc điểm hệ thống đê biển Nam Định .................................................... 101 4.3 Kiểm định mô hình toán cho vùng ven biển Nam Định ................................ 104 4.4 Mô phỏng một số kịch bản xói chân đê biển Nam Định ............................... 105 4.4.1 Xây dựng kịch bản .................................................................................. 106 4.4.2 Kết quả mô phỏng xói chân đê ................................................................ 107 4.5 Một số đề xuất giảm xói chân đê trong bão ................................................... 112 4.6 Kết luận chương 4 .......................................................................................... 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 114 1. Những kết quả đạt được ................................................................................. 114 2. Những đóng góp mới của luận án .................................................................. 115 3. Tồn tại và hướng phát triển ............................................................................ 116 4. Kiến nghị ........................................................................................................ 116 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 119 PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 1 vi DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH Hình 1 Sự cố của đoạn đê Nam Định và Đồ Sơn do bão Doksuri 9.2017 (nguồn: tác giả, NamDinh TV) .................................................................................................................. 2 Hình 2. Xói lở trước chân đê và sạt lở mái đê, mái và chân gốc kè mỏ hàn sau trận bão Damrey 7/2005 tại Nam Định [3] [4] .............................................................................. 3 Hình 3 Cấu trúc của Luận án ........................................................................................... 7 Hình 1-1 Ảnh hưởng của đê tường đứng đến bãi [5] ...................................................... 8 Hình 1-2 Sơ họa phân bố dòng chảy và nồng độ bùn cát vùng sóng vỡ [18] ............... 11 Hình 1-3 Phân bố hệ số xáo trộn bùn cát [1] ................................................................. 23 Hình 1-4 Bảo toàn thể tích bùn cát [77] ........................................................................ 24 Hình 1-5 Nội dung nghiên cứu luận án ......................................................................... 32 Hình 2-1Mật độ phương sai của sóng, dòng chảy và hiệp phương sai của sóng và dòng chảy ................................................................................................................................ 36 Hình 2-2 Phân bố ứng suất tiếp theo độ sâu [108] ........................................................ 38 Hình 2-3 Phân bố ứng suất trung bình và vận tốc [108] ............................................... 38 Hình 2-4 Các thành phần trong cấu trúc dòng chảy [19] .............................................. 39 Hình 2-5 Nguyên lý tính toán vận chuyển bùn cát lơ lửng [1] ...................................... 40 Hình 2-6 Hệ số xáo trộn [19] ......................................................................................... 41 Hình 2-7. Mô hình thí nghiệm lòng cứng ...................................................................... 47 Hình 2-8. Mô hình lòng động với mái đê m=4 và độ dốc bãi 1/100 ............................. 49 Hình 2-9. Thực hiện thí nghiệm mô hình kết cấu đê cao không tràn ............................ 52 Hình 2-10. Thực hiện mô hình kết cấu đê thấp không thường đỉnh ............................. 52 Hình 2-11. Thực hiện thí nghiệm mô hình kết cấu đê thấp có tường đỉnh ................... 52 Hình 2-12. Hiển thị kết quả đo sóng và vận tốc dòng chảy tại một điểm ..................... 53 Hình 2-13. Mô hình thực hiện trong máng sóng với các kịch bản kết cấu đê, độ đôc bãi 1/100 .............................................................................................................................. 54 Hình 2-14. Mô hình thực hiện trong máng sóng với các kịch bản kết cấu đê, độ dốc bãi 1/40 ................................................................................................................................ 55 Hình 2-15. Địa hình trước và sau khi chạy sóng – độ dốc bãi 1/100 ............................ 55 Hình 2-16. Địa hình trước và sau khi chạy sóng – độ dốc bãi 1/40 .............................. 55 Hình 3-1. Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D65H15T19 59 Hình 3-2. Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D65H17T16 59 Hình 3-3. Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D70H15T19 59 vii Hình 3-4. Phân bố tốc độ dòng phản hồi của các trường hợp thí nghiệm D70H19T165 ....................................................................................................................................... 60 Hình 3-5. Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D65H15T19 ................................................................................................................... 61 Hình 3-6. Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D65H17T16 ................................................................................................................... 62 Hình 3-7. Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D70H15T19 ................................................................................................................... 62 Hình 3-8. Ảnh hưởng của công trình đến dòng chảy trung bình- các thí nghiệm D70H19T165 ................................................................................................................. 62 Hình 3-9 Phân bố hệ số phản xạ Kr theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình ....................................................................................................................... 63 Hình 3-10 Tỷ số giữa chiều cao sóng tổng và chiều cao sóng tới Hm0,x/Hm0i,x thay đổi theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình .................................. 63 Hình 3-11 Phân bố hệ số phản xạ Kr cục bộ theo khoảng cách tương đối x/L ở lân cận phía trước công trình ..................................................................................................... 64 Hình 3-12 Kết quả phân tích hồi quy hàm phân bố Fx (x/L) ........................................ 65 Hình 3-13 So sánh giữa kết quả tính toán và đo đạc hệ số phản xạ sóng Kr,x .............. 66 Hình 3-14. So sánh độ sâu lớn nhất tương đối giữa đê thấp có và không có tường đỉnh ....................................................................................................................................... 69 Hình 3-15 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ đến độ sâu hố xói lớn nhất tương đối .......... 70 Hình 3-16 Ảnh hưởng của lưu lượng sóng tràn đến độ sâu hố xói ............................... 70 Hình 3-17 Ảnh hưởng của độ sâu nước tương đối đến độ sâu hố xói ........................... 71 Hình 3-18 Tương quan chỉ số sóng vỡ với độ sâu hố xói lớn nhất ............................... 72 Hình 3-19 Dữ liệu đầu vào module thuỷ lực của mô hình Wadibe-TC ........................ 74 Hình 3-20. Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê cao không tràn ....................................................................................................................................... 76 Hình 3-21. Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê thấp không tường đỉnh ................................................................................................................................ 76 Hình 3-22. Kết quả mô phỏng và đo đạc chiều cao sóng - kịch bản đê thấp có tường đỉnh ................................................................................................................................ 77 Hình 3-23. Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê cao không tràn .............................. 80 Hình 3-24. Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê thấp không tường đỉnh ................. 81 Hình 3-25. Vận tốc dòng phản hồi trung bình – đê thấp có tường đỉnh ........................ 81 Hình 3-26. Kết quả mô phỏng kịch bản 1- D65H15T19_CW0 .................................... 83 Hình 3-27. Kết quả mô phỏng kịch bản 2 - D65H17T16_CW0 ................................... 84 viii Hình 3-28. Kết quả mô phỏng kịch bản 3- D70H15T19_CW0 .................................... 84 Hình 3-29. Kết quả mô phỏng kịch bản 4 – D70H19T165_CW0 ................................. 85 Hình 3-30. Kết quả mô phỏng kịch bản 5- D65H15T19_TW0..................................... 86 Hình 3-31. Kết quả mô phỏng kịch bản 6- D65H17T16_TW0..................................... 86 Hình 3-32. Kết quả mô phỏng kịch bản 7- D70H15T19_TW0..................................... 87 Hình 3-33. Kết quả mô phỏng kịch bản 8- D70H19T165_TW0................................... 87 Hình 3-34. Kết quả mô phỏng kịch bản 9- D65H15T19_TW10................................... 88 Hình 3-35. Kết quả mô phỏng kịch bản 10 - D65H17T16_TW10................................ 89 Hình 3-36. Kết quả mô phỏng kịch bản 11- D70H15T19_TW10................................. 89 Hình 3-37. Kết quả mô phỏng kịch bản 12 – D70H19T165_TW10 ............................. 90 Hình 3-38. Mô hình hóa các kịch bản ........................................................................... 92 Hình 3-39 Kết quả mô phỏng xói chân đê cao không tràn ............................................ 93 Hình 3-40 Kết quả mô phỏng xói chân đê thấp không tường đỉnh ............................... 94 Hình 3-41 Kết quả mô phỏng xói chân đê thấp có tường đỉnh ..................................... 95 Hình 3-42 Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ - Đê cao ....................................................................................................................................... 96 Hình 3-43. Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ-Đê thấp không tường đỉnh ........................................................................................................... 97 Hình 3-44. Kết quả mô phỏng biến đổi lòng dẫn khi có và chưa có sóng phản xạ-Đê thấp có tường đỉnh ................................................................................................................. 98 Hình 4-1 Thống kê bão đến khu vực nghiên cứu [118] .............................................. 100 Hình 4-2 Thống kê chiều cao sóng Wavewatch III ..................................................... 101 Hình 4-3 Kết cấu đê biển điển hình ở khu vực Nam Định [89] .................................. 103 Hình 4-4 Thiết lập mô hình xói chân đê Thịnh Long .................................................. 105 Hình 4-5 Kết quả kiểm định xói chân đê biển Thịnh Long – bão Damrey 9/2005 ..... 105 Hình 4-6 Ảnh hưởng của chiều cao sóng đến kích thước hố xói chân đê ................... 108 Hình 4-7 Ảnh hưởng của độ sâu nước đến kích thước hố xói chân đê ....................... 108 Hình 4-8 Ảnh hưởng của chu kỳ sóng đến kích thước hố xói chân đê ....................... 108 Hình 4-9 So sánh chiều sâu hố xói lớn nhất ứng với sự thay đổi của Kr0 ................... 109 Hình 4-10 Kết quả mô phỏng hố xói chân đê với giải pháp thảm đá rộng 3-6m ........