Luận án Nghiên cứu hiệu quả của đê ngầm đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng tác động vào bờ biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VIẾT TIẾN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH TIÊU HAO NĂNG LƢỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VIẾT TIẾN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH TIÊU HAO NĂNG LƢỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62 58 40 01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Thiều Quang Tuấn 2. GS.TS. Lê Kim Truyền HÀ NỘI, NĂM 2015 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 này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Viết Tiến ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ này đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Thiều Quang Tuấn và GS.TS Lê Kim Truyền. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy về định hƣớng khoa học, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành cuốn luận án này. Tác giả xin đƣợc chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả của các công trình nghiên cứu đã công bố mà tác giả đã trích dẫn trong luận án, cung cấp nguồn tƣ liệu quý báu, những kiến thức liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô Khoa Công trình, Khoa Kỹ thuật Biển – trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh đƣợc thực hiện và hoàn thành chƣơng trình nghiên cứu của mình. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, đặc biệt là nhóm cộng tác nghiên cứu vì đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi, hỗ trợ thực hiện việc quan trắc thu thập dữ liệu thí nghiệm, triển khai nghiên cứu tại phòng thí nghiệm. Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình và những ngƣời bạn thân thiết vì đã động viên để nghiên cứu sinh duy trì nghị lực, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh của cuộc sống trong cả quá trình để hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nguyễn Viết Tiến iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN ............................................ xii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ................................................................................. 3 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 3 5. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................. 4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .................................................................. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM ............................................................................................................... 6 1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................................ 6 1.1.1 Đê ngầm và ứng dụng đê ngầm ..................................................................... 6 1.1.2 Điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nƣớc ta .................................................. 10 1.1.3 Khả năng ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam.................................................... 16 1.1.4 Khái niệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm và bãi trƣớc ........................... 17 1.2 Tình hình nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trên thế giới ............... 19 1.3 Tình hình nghiên cứu về đê ngầm ở Việt Nam ....................................................... 25 1.4 Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................... 27 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ HÌNH TOÁN VỀ XU THẾ VÀ MỨC ĐỘ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI ĐẾN HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM ............................................................................................................. 28 2.1 Mục tiêu nghiên cứu mô hình toán ......................................................................... 28 2.2 Các quá trình vật lý ảnh hƣởng tới sự tiêu hao năng lƣợng sóng khi đi qua đê ngầm và xác định các tham số chi phối ............................................................................... 28 iv 2.3 Nghiên cứu mô hình toán nhằm đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố chi phối tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ....................................................... 32 2.3.1 Lựa chọn mô hình toán mô phỏng lan truyền sóng qua đê ngầm ................ 32 2.3.2 Mô hình P-COULWAVE ............................................................................. 32 2.3.3 Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình ................................................................ 35 2.3.4 Kịch bản mở rộng đánh giá xu thế và mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ............................................................ 40 2.4 Kết luận Chƣơng 2 .................................................................................................. 46 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VỀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM ............................................................................................... 48 3.1 Mục tiêu thí nghiệm ................................................................................................ 48 3.2 Lý thuyết tƣơng tự và tỷ lệ mô hình ....................................................................... 48 3.3 Ứng dụng phƣơng pháp phân tích thứ nguyên để thiết lập các phƣơng trình tổng quát thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ...................................................................................................................... 49 3.4 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm .................................................................... 52 3.4.1 Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc ................................................... 52 3.4.2 Mô hình đê và bãi trƣớc ............................................................................... 53 3.4.3 Bố trí mô hình .............................................................................................. 53 3.5 Chƣơng trình thí nghiệm ......................................................................................... 54 3.5.1 Kịch bản thí nghiệm ..................................................................................... 54 3.5.2 Trình tự thí nghiệm và số liệu đo đạc .......................................................... 55 3.6 Xây dựng công thức tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ........................... 57 3.6.1 Phân tích ảnh hƣởng của các yếu tố chi phối ............................................... 57 3.6.2 Xây dựng công thức thực nghiệm ................................................................ 60 3.6.3 So sánh mức độ tin cậy với các nghiên cứu trƣớc ....................................... 64 3.6.4 Phạm vi ứng dụng của các công thức thực nghiệm của luận án .................. 68 3.7 Kết luận Chƣơng 3 .................................................................................................. 69 v CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH MẶT CẮT NGANG THIẾT KẾ CỦA ĐÊ NGẦM THEO CHỨC NĂNG - ÁP DỤNG CHO THIẾT KẾ ĐÊ NGẦM TẠI PHÚ THUẬN, THỪA THIÊN HUẾ ............................................................................................................. 71 4.1 Giới thiệu chung ...................................................................................................... 71 4.2 Xác định chức năng thiết kế của đê ngầm .............................................................. 71 4.2.1 Đê ngầm giảm sóng bão ............................................................................... 72 4.2.2 Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thƣờng ................................................ 73 4.3 Đề xuất phƣơng pháp xác định kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng thiết kế ....................................................................................................................... 74 4.3.1 Bề rộng đỉnh đê ............................................................................................ 74 4.3.2 Xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức năng giảm sóng bão ............................................................................................... 74 4.3.3 Xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thƣờng ................................................................ 77 4.4 Áp dụng tính toán lựa chọn kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm Phú Thuận – Thừa Thiên Huế .................................................................................................................. 79 4.4.1 Hiện trạng khu vực công trình ..................................................................... 79 4.4.2 Nguyên nhân gây xói lở và đề xuất giải pháp .............................................. 80 4.4.3 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng trong bão .......... 81 4.4.4 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng thƣờng .............. 84 4.5 Kết luận chƣơng 4 ................................................................................................... 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 91 I. Kết quả đạt đƣợc của luận án ..................................................................................... 91 1. Nghiên cứu tổng quan ....................................................................................... 91 2. Nghiên cứu bằng mô hình toán ......................................................................... 91 3. Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................................... 92 4. Nghiên cứu ứng dụng ........................................................................................ 93 vi II. Những đóng góp mới của luận án ............................................................................. 93 III. Tồn tại và hƣớng phát triển ..................................................................................... 94 1. Những tồn tại ..................................................................................................... 94 2. Hƣớng phát triển ................................................................................................ 94 IV. Kiến nghị ................................................................................................................. 94 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .............................................................. 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 96 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 101 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Tác động của sóng bão đối với công trình đê kè ở Hải Phòng (bão số 2 6/2013) ......................................................................................................................................... 2 Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014 ............................... 2 Hình 3 Sạt lở bờ biển Cà Mau ......................................................................................... 2 Hình 1.1 Bố trí công trình đê ngầm giảm sóng [1] .......................................................... 6 Hình 1.2 Một số ví dụ về công trình đê ngầm trên thế giới (nguồn Internet) ................. 8 Hình 1.3 Hình ảnh một số đê ngầm đã xây dựng ở Việt Nam ........................................ 9 Hình 1.4 Đƣờng đi của 50 cơn bão và áp thấp nhiệt đới điển hình đổ bộ vào khu vực miền Trung, Việt Nam (1959 – 2009) [9] ..................................................................... 13 Hình 1.5 Đặc trƣng sóng khí hậu tại vùng bờ biển Trung Bộ và Bắc Trung Bộ nƣớc ta dựa trên số liệu quan trắc nhiều năm của NOAA (1997 - 2009) [11] ........................... 15 Hình 1.6 Sơ đồ khái niệm xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm .......................... 17 Hình 1.7 Tƣơng quan của chỉ số sóng vỡ và hệ số truyền sóng [20] ............................ 21 Hình 1.8 Hệ số truyền sóng qua đê đỉnh hẹp bởi Van der Meer (1991) [23] ................ 22 Hình 1.9 Hệ số truyền sóng qua đê: so sánh kết quả giữa đo đạc (cơ sở dữ liệu) và tính toán (các công thức (1.10) và (1.11)) [26] [24] ............................................................. 24 Hình 2.1 Các quá trình vật lý tiêu hao năng lƣợng sóng khi qua đê ngầm ................... 29 Hình 2.2 Sự thay đổi hình dạng phổ sóng do ảnh hƣởng của bãi nông [15] ................. 30 Hình 2.3 Tiêu năng trong sóng vỡ tƣơng tự nhƣ nƣớc nhảy [33] ................................. 31 Hình 2.4 Không gian tính toán và các biên của mô hình .............................................. 35 Hình 2.5 Cơ chế hấp thụ của lớp hấp thụ sóng số Sponge ............................................ 35 Hình 2.6 Ví dụ về biểu diễn kết quả quá trình lan truyền sóng qua đê ngầm ............... 35 Hình 2.7 Mô hình đê ngầm trong mô hình toán ............................................................ 36 Hình 2.8 Độ nhạy của các tham số đối với kết quả tính toán (KD-H15T20) ................ 37 Hình 2.9 So sánh chiều cao sóng Hm0 giữa đo đạc và tính toán bằng mô hình ............. 38 Hình 2.10 So sánh đƣờng quá trình sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mô hình vật lý và mô hình toán (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20 ............................... 39 Hình 2.11 So sánh phổ sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mô hình vật lý và mô hình toán (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20 ................................................. 39 viii Hình 2.12 Ảnh hƣởng của độ ngập tƣơng đối S/Hm0 đến hiệu quả giảm sóng của đê .. 41 Hình 2.13 Mặt cắt tính toán trong trƣờng hợp bề rộng đỉnh đê thay đổi ...................... 42 Hình 2.14 Ảnh hƣởng của bề rộng đỉnh đê tƣơng đối B/LP đến hiệu quả giảm sóng của đê ................................................................................................................................... 42 Hình 2.15 Mặt cắt tính toán trong khi hệ số mái đê thay đổi ........................................ 43 Hình 2.16 Ảnh hƣởng của hệ số mái đê đến hiệu quả giảm sóng ................................. 44 Hình 2. 17 Mặt cắt tính toán khi thay đổi độ dốc bãi trƣớc .......................................... 44 Hình 2.18 Hiệu quả giảm sóng của đê khi độ dốc bãi trƣớc thay đổi ........................... 45 Hình 3.1 Sơ đồ bố trí nghiệm đê ngầm giảm sóng trên bãi trƣớc ................................. 54 Hình 3.2 Hình ảnh thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.................................. 55 Hình 3.3 Quan hệ ( ~ S/Hm0) của đê ngầm ứng với các bề rộng đỉnh đê khác nhau ... 58 Hình 3.4 Quan hệ ( ~ B/LP) của đê ngầm ứng với các độ ngập nƣớc S khác nhau ..... 59 Hình 3.5 Quan hệ ( ~ 0m) của đê ngầm ứng với các trƣờng hợp bề rộng đỉnh đê và độ ngập nƣớc S khác nhau: (a) B = 0,40 m (b) B = 0,80 m (c) B = 1,20 m ..................... 60 Hình 3.6 Xác định n1 và n2 bằng phƣơng pháp phân tích mức độ hồi quy ................... 61 Hình 3.7 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ................................................................... 62 Hình 3.8 Xác định hệ số mũ c2 trong phƣơng trình (3.17) ............................................ 63 Hình 3.9 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm (đo đạc và tính toán)................................. 64 Hình 3.10 So sánh mức độ tin cậy giữa hai phƣơng pháp tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm của luận án ................................................................................................ 65 Hình 3.11 So sánh mức độ tin cậy với phƣơng pháp của Van der Meer (1991) ........... 65 Hình 3.12 So sánh mức độ tin cậy với phƣơng pháp của d'Angremond và nnk. (1996) và Van der Meer và nnk(2005) (DELOS) trƣờng hợp đê không thấm, mái nhẵn ........ 66 Hình 3.13 So sánh với phƣơng pháp của Van der Meer và nnk (2005) cho đê đá đổ .. 67 Hình 3. 14 So sánh với phƣơng pháp của Viện KHTL Nam Kinh (2001) cho đê đá đổ ....................................................................................................................................... 68 Hình 4.1 Chu trình thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm ...................................................... 72 Hình 4.2 Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng bão ...................... 73 Hình 4.3 Làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thƣờng ...... 73 Hình 4.4 Hiện trạng sạt lở bờ biển cồn cát khu vực thôn An Dƣơng - Phú Thuận ....... 80 Hình 4.5 Đê ngầm giảm sóng bão (a) Vị trí xây dựng đê ngầm trên mặt cắt ngang bãi ix biển (b) Phân bố chiều cao sóng ngang bờ tới trƣớc đê ............................................. 82 Hình 4.6 Các quan hệ về kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A ..... 83 Hình 4.7 Quan hệ giữa độ ngập và bề rộng đỉnh đê tối thiểu theo cấu tạo (S ~ Bmin) .. 83 Hình 4.8 Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng thƣờng trên mặt cắt ngang bãi biển ...... 85 Hình 4.9 Đƣờng tần suất lũy tích mực nƣớc triều tại khu vực công trình (Ztr ~ p) [44]85 Hình 4.10 Vị trí hoa sóng khí hậu nƣớc sâu ngoài khơi Phú Thuận [9]........................ 85 Hình 4.11 Phân bố chiều cao sóng bão ngang bờ tới trƣớc đê ngầm giảm sóng thƣờng ....................................................................................................................................... 86 Hình 4.12 Các quan hệ về kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A (c) (S ~ Bmin) theo điều kiện sóng bão .......................................................................... 89 x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Độ dốc bãi biển ở các vùng bờ biển của Việt Nam [12] ............................... 12 Bảng 1. 2 Tần suất mực nƣớc dâng ở vùng biển Bắc vĩ tuyến 160N (P%) [10] ............ 14 Bảng 2.1 Các kịch bản thí nghiệm dùng cho kiểm định và hiệu chỉnh mô hình toán ... 36 Bảng 2.2 Kết quả kiểm định chiều cao sóng Hm0 tại các vị trí WG1 và WG2 .............. 38 Bảng 2.3 Các trƣờng hợp tính toán mở rộng ................................................................. 40 Bảng 2.4 Hiệu quả giảm sóng tƣơng ứng với các độ ngập tƣơng đối khác nhau .......... 41 Bảng 2.5 Ảnh hƣởng của bề rộng đỉnh đê tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm .......... 42 Bảng 3.1 Tƣơng quan tỷ lệ của một số đại lƣợng vật lý cơ bản theo luật Froude [38] . 48 Bảng 3.2 Chƣơng trình thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm .......................... 54 Bảng 3.3 Các bƣớc thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ................................. 56 Bảng 4. 1 Các tham số thiế