Luận án Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, áp dụng cho các khu đô thị, du lịch vùng Duyên Hải Bắc Bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TĂNG XUÂN THỌ NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN MẶT CONG CÓ MŨI HẮT SÓNG, ÁP DỤNG CHO CÁC KHU ĐÔ THỊ, DU LỊCH VÙNG DUYÊN HẢI BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TĂNG XUÂN THỌ NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN MẶT CONG CÓ MŨI HẮT SÓNG, ÁP DỤNG CHO CÁC KHU ĐÔ THỊ, DU LỊCH VÙNG DUYÊN HẢI BẮC BỘ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển Mã số: 958.02.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. TRẦN THANH TÙNG 2. GS. TS. PHẠM NGỌC QUÝ HÀ NỘI, NĂM 2023 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 đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Tăng Xuân Thọ ii LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Ngọc Quý và PGS.TS Trần Thanh Tùng và đã tận tình hướng dẫn, định hướng cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho NCS trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, Phòng Đào tạo, Phòng Thí nghiệm thủy lực tổng hợp trường Đại học Thủy lợi; các cơ quan, các nhà khoa học, các đồng nghiệp và xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban chủ nhiệm đề tài cấp Bộ Xây dựng “Nghiên cứu chế tạo cấu kiện tường biển có mũi hắt sóng phục vụ xây dựng công trình bảo vệ bờ đảo và bờ các khu đô thị, và khu du lịch ven biển”, Mã số TĐ145-17 đã cung cấp số liệu và giúp đỡ NCS để có thể hoàn thành nhiệm vụ này. Tác giả cũng xin được chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Công trình biển và đường thủy, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là GS.TS Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Lê Hải Trung, TS. Lê Tuấn Hải. Các thầy cô đã tạo điều kiện, giúp đỡ NCS về mặt chuyên môn cũng như đóng góp những ý kiến quý báu để để NCS thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Đặc biệt, NCS gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã hỗ trợ, động viên để tác giả duy trì nghị lực, sức khỏe, chia sẻ gánh vác công việc của gia đình, cơ quan trong suốt quá trình nghiên cứu để tác giả hoàn thành luận án. iii MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................... xii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 5 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 5 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .................................................... 6 4.1. Cách tiếp cận .................................................................................................. 6 4.2. Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 6 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................... 6 5.1. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................... 6 5.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................ 6 6. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 7 7. Cấu trúc của luận án ..................................................................................... 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN 8 1.1 Tổng quan về sóng tràn ................................................................................ 8 1.1.1 Khái niệm chung về sóng tràn và lưu lượng sóng tràn trung bình ................. 8 1.1.2 Lưu lượng sóng tràn cho phép ....................................................................... 8 1.1.3 Các tham số chi phối sóng tràn ...................................................................... 9 1.2 Các nghiên cứu về sóng tràn qua tường biển trên thế giới và Việt Nam ...... 10 1.2.1 Nghiên cứu sóng tràn qua tường biển ở nước ngoài .................................... 11 1.2.2 Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển, tường biển ở Việt Nam ........................ 23 1.3 Hiện trạng tường biển và hư hỏng tường biển ở vùng duyên hải Bắc Bộ .... 26 1.4 Kết luận chương 1 ...................................................................................... 31 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN CÓ MŨI HẮT SÓNG TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ 33 iv 2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng .................................................................................................................. 33 2.1.1 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu sóng tràn qua tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng .......................................................................................................... 33 2.1.2 Thiết kế nghiên cứu ...................................................................................... 34 2.2 Cơ sở lý thuyết chung về mô hình vật lý ..................................................... 36 2.2.1 Tương tự về hình học ................................................................................... 36 2.2.2 Tương tự về động học .................................................................................. 36 2.2.3 Tương tự về động lực học ............................................................................ 36 2.2.4 Lý thuyết phi thứ nguyên ............................................................................. 37 2.3 Thiết kế thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua tường biển trên mô hình vật lý máng sóng ......................................................................................................... 39 2.3.1 Điều kiện biên và địa hình bãi biển phục vụ thiết kế thí nghiệm ................ 39 2.3.2 Điều kiện về thiết bị thí nghiệm ................................................................... 39 2.3.3 Lựa chọn tỉ lệ mô hình ................................................................................. 40 2.3.4 Phân tích phi thứ nguyên ............................................................................. 41 2.3.5 Xây dựng mô hình tường biển và bố trí thí nghiệm ..................................... 44 2.3.6 Các tham số đo đạc và tính toán .................................................................. 48 2.3.7 Trình tự thí nghiệm ...................................................................................... 49 2.3.8 Các kịch bản thí nghiệm ............................................................................... 51 2.4 Phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình và điều kiện phòng thí nghiệm ........ 54 2.5 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 56 CHƯƠNG 3 SÓNG TRÀN QUA TƯỜNG BIỂN MẶT CONG CÓ MŨI HẮT SÓNG ĐẶT TRÊN BỆ MÁI NGHIÊNG ..................................................................... 57 3.1 Ảnh hưởng của mũi hắt sóng và hình dạng mặt tường đến lưu lượng sóng tràn 57 3.1.1 Ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến lưu lượng tràn ........................................ 57 3.1.2 Ảnh hưởng của hình dạng mặt tường đến lưu lượng tràn ............................ 61 3.2 Phân tích tương tác sóng - tường biển biển mặt cong có mũi hắt sóng bằng hệ thống video - camera ......................................................................................... 62 3.2.1 Quá trình tương tác sóng - tường ................................................................. 63 3.2.2 Phân tích sóng tràn qua tường biển mặt cong bằng hệ thống video - camera 67 3.2.3 Kết quả phân tích tương tác sóng - tường biển ............................................ 71 v 3.3 Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm sóng tràn do ảnh hưởng của tường mặt cong có mũi hắt sóng ...................................................... 80 3.3.1 Lựa chọn dạng công thức thực nghiệm ........................................................ 80 3.3.2 Xây dựng công thức thực nghiệm ................................................................ 81 3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................... 89 CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG TƯỜNG BIỂN PHÙ HỢP CHO KHU DU LỊCH ĐỒ SƠN, THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG ....................................................... 92 4.1 Lựa chọn địa điểm ứng dụng kết quả nghiên cứu ........................................ 92 4.1.1 Vị trí địa lý ................................................................................................... 92 4.1.2 Điều kiện tự nhiên ........................................................................................ 93 4.2 Hiện trạng tường biển ................................................................................. 94 4.2.1 Hiện trạng kết cấu tường biển tại khu du lịch Đồ Sơn, Hải Phòng.............. 94 4.2.2 Hiện trạng sóng tràn qua một số đoạn tường biển tại Đồ Sơn ..................... 97 4.2.3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng tràn tới hư hỏng tường biển tại Đồ Sơn 101 4.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu ................................................................... 104 4.3.1 Xác định cao trình đỉnh tường ................................................................... 105 4.3.2 Đề xuất bố trí mặt cắt ngang tường biển .................................................... 108 4.3.3 Đề xuất quy trình nâng cấp, cải tạo tường biển ......................................... 110 4.4 Kết luận chương 4 .................................................................................... 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 113 I. Kết quả đạt được của luận án ....................................................................... 113 II. Những đóng góp mới của luận án ............................................................... 115 III. Tồn tại và hướng phát triển ....................................................................... 115 IV. Kiến nghị .................................................................................................. 116 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................ 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 118 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 123 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 0.1 Các dạng mặt cắt ngang tường biển ................................................................. 1 Hình 0.2 Sơ họa sóng tràn qua (a) tường biển thẳng đứng không mũi hắt sóng; (b) tường biển thẳng đứng có mũi hắt sóng; (c) tường biển mặt cong có mũi hắt sóng ................. 2 Hình 0.3 Hiện tượng xói chân tường biển do cộng hưởng sóng phản xạ ........................ 3 Hình 0.4 Một số công trình tường biển ở vùng duyên hải Bắc Bộ, Việt Nam ................ 3 Hình 0.5 Minh họa mặt cắt ngang tường biển mặt cong, có mũi hắt sóng trên mái nghiêng ......................................................................................................................................... 4 Hình 1.1 Sóng tràn qua tường biển .................................................................................. 8 Hình 1.2 Sơ đồ bố trí thùng đo sóng tràn trên đỉnh tường biển ở Samphire Hoe (Pullen và cộng sự 2008) ............................................................................................................ 12 Hình 1.3 Hình dạng tường thẳng đứng trên mái nghiêng .............................................. 16 Hình 1.4 Sơ đồ tường có mũi hắt trên mái nghiêng (trái) và định nghĩa các tham số của tường đỉnh (phải) theo EurOtop (2018) ......................................................................... 16 Hình 1.5 Kích thước tường mặt cong có mũi hắt sóng do Berkeley-Thorn và Roberts (1981) đề xuất ................................................................................................................ 18 Hình 1.6 Mô hình thí nghiệm đê phá sóng tường đứng mặt cắt hỗn hợp của Franco và nnk (1994) ...................................................................................................................... 18 Hình 1.7 Định nghĩa các tham số tính toán sóng tràn cho tường đứng đơn giản có mũi hắt sóng (EurOtop – 2018) ............................................................................................ 19 Hình 1.8 Sóng tràn qua các dạng mặt cắt tường biển khác nhau - Veale và nnk (2012) ....................................................................................................................................... 20 Hình 1.9 Mặt cắt ngang tường biển được thí nghiệm trong nghiên cứu của Talia Schoonees (2014) .......................................................................................................... 21 Hình 1.10 Tổng hợp các dạng mặt cắt ngang tường biển được thí nghiệm trong Đề tài KHCN Bộ Xây Dựng, 2019 - Mã số TĐ 145-17 ........................................................... 26 Hình 1.11 Tường biển bảo vệ bờ tại đảo Trần, huyện Cô Tô, tỉnh Quảng Ninh .......... 27 Hình 1.12 Công trình bảo vệ bờ biển trước chùa Cái Bầu, Quảng Ninh ...................... 27 Hình 1.13 Tường biển bảo vệ Nhà máy ô tô Vinfast trên đảo Cát Hải ......................... 28 Hình 1.14 Tường biển khu du lịch Đồ Sơn, Hải Phòng ................................................ 29 Hình 1.15 Sóng tràn, sóng bắn qua đỉnh tường biển diễn ra thường xuyên ở Đồ Sơn, Hải Phòng trong các đợt gió mùa Đông Bắc mạnh .............................................................. 29 Hình 1.16 Các khối đá bị sóng đẩy lên mặt đường sau các đợt bão, gió mùa Đông Bắc mạnh tại Đồ Sơn, Hải Phòng ......................................................................................... 30 vii Hình 2.1 Sơ đồ các bước nghiên cứu sóng tràn qua tường biển bằng mô hình vật lý của luận án ............................................................................................................................ 35 Hình 2.2 Máng sóng Hà Lan được sử dụng để thực hiện thí nghiệm tường biển ......... 40 Hình 2.3 Sơ đồ bố trí các hạng mục công trình và đầu đo sóng .................................... 45 Hình 2.4 Kích thước bệ mái nghiêng bằng gỗ (đơn vị: mm) ........................................ 45 Hình 2.5 Các MCN tường biển được thí nghiệm (trái), mô hình tường biển bằng nhựa mica (phải) ..................................................................................................................... 46 Hình 2.6 Kích thước tường biển mặt cong có mũi hắt sóng được thí nghiệm .............. 46 Hình 2.7 Bố trí mô hình tường biển trong máng sóng .................................................. 47 Hình 2.8 Hệ thống máy tính thu số liệu sóng và máy quay ghi lại tương tác sóng với công trình ....................................................................................................................... 50 Hình 2.9 Hiệu chỉnh đầu đo bằng phần mềm HR-DAQ ............................................... 50 Hình 2.10 Sự biến thiên chiều cao sóng từ nước sâu vào nước nông của một kịch bản sóng đều ......................................................................................................................... 54 Hình 3.1 So sánh lưu lượng tràn qua tường biển mặt đứng có mũi hắt (TM1) và không có mũi hắt (TK1) ........................................................................................................... 58 Hình 3.2 So sánh lưu lượng tràn qua tường biển mặt nghiêng có mũi hắt (TM2) và không có mũi hắt (TK2) ........................................................................................................... 58 Hình 3.3 So sánh lưu lượng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt (TM3) và không có mũi hắt (TK3) ........................................................................................................... 59 Hình 3.4 Hình ảnh thí nghiệm sóng tràn qua tường mặt đứng không có (trái) và có mũi hắt sóng (phải) ............................................................................................................... 60 Hình 3.5 Hình ảnh thí nghiệm sóng tràn qua tường mặt nghiêng không có (trái) và có mũi hắt sóng (phải) ........................................................................................................ 60 Hình 3.6 Hình ảnh thí nghiệm sóng tràn qua tường mặt cong không có (trái) và có mũi hắt sóng (phải) ............................................................................................................... 60 Hình 3.7 So sánh lưu lượng tràn của cả từng dạng mặt cắt ngang tường, trường hợp có mũi hắt ........................................................................................................................... 62 Hình 3.8 Giai đoạn 1, lưỡi sóng tiếp xúc với mái nghiêng và bắt đầu leo trên mái nghiêng ....................................................................................................................................... 64 Hình 3.9 Giai đoạn 1, sóng không vỡ, lưỡi sóng tiếp tục di chuyển trên mái nghiêng . 64 Hình 3.10 Giai đoạn 2, sóng va vào thân tường và đã xuất hiện sóng bắn ................... 65 Hình 3.11 Giai đoạn 2, lưỡi sóng tiếp xúc với thân tường và uốn cong theo hình dạng của mặt cong .................................................................................................................. 65 Hình 3.12 Giai đoạn 2, nước lấp đầy mặt cong dưới mũi hắt sóng ............................... 65 viii Hình 3.13 Giai đoạn 2, sóng tiếp xúc với thân tường và uốn cong theo hình dạng của mặt tường và mũi hắt sóng bắn ngược lại phía biển...................................................... 65 Hình 3.14 Giai đoạn 3, sóng bắn đạt chiều cao lớn nhất ............................................... 66 Hình 3.15 Giai đoạn 3, dòng chảy sóng tràn qua đỉnh tường được hình thành ............. 66 Hình 3.16 Giai đoạn 4, sóng bắt đầu rút về phía biển ................................................... 67 Hình 3.17 Giai đoạn 4, sóng rút hoàn toàn về phía biển ............................................... 67 Hình 3.18 Giao diện Grabit trên Matlab ........................................................................ 69 Hình 3.19 Xử lý tăng chất lượng ảnh sóng tràn từ video camera.................................. 69 Hình 3.20 Gán điểm tham chiếu cho hình ảnh sóng tràn từ video camera ................... 69 Hình 3.21 Trích xuất dữ liệu sóng bắn từ ảnh video camera ........................................ 70 Hình 3.22 Trích xuất đường mặt nước sóng tràn từ ảnh video camera ......................... 70 Hình 3.23 Thời điểm dòng tràn bắt đầu hình thành trên đỉnh tường biển .