Hiệu quả giảm sóng của giải pháp công trình mềm vùng ven biển nhằm bảo vệ bãi và đê biển - Doãn Tiến Hà

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 1 HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH MỀM VÙNG VEN BIỂN NHẰM BẢO VỆ BÃI VÀ ĐÊ BIỂN Doãn Tiến Hà, Mạc Văn Dân Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Động lực học sông biển Tóm tắt: Đê giảm sóng dạng kết cấu mềm ngoài những chức năng chính là giảm sóng, chống xói lở, bảo vệ bãi, bờ biển thì chúng còn có ưu điểm là tận dụng được nguồn vật liệu tại địa phương và thân thiện với môi trường tự nhiên, đây là loại công trình đang ngày được nhân rộng và áp dụng nhiều vào thực tế. Bài báo sẽ trình bày kết quả thực nghiệm trên hệ thống bể sóng triều kết hợp nhằm đánh giá hiệu quả của công trình, từ đó làm luận cứ khoa học về việc bố trí hợp lý công trình đê giảm sóng có kết cấu mềm nhằm bảo vệ bờ biển ứng với điều kiện cụ thể ở khu vực ven biển Việt Nam. Từ khóa: Mô hình vật lý, đê phá sóng, Geotube Summary: Breakwaters form of soft texture in addition to the primary function is to reduce wave erosion prevention, beach, coastline protection, they also have the advantage is take advantage of local materials and sources friendly to the natural environment, this is the kind of works are to be replicated and applied much on reality. The article will present experimental results on the tidal wave system combined in order to evaluate the effectiveness of the work, hence the scientific arguments about the logical layout of the dyke structures rising waves of structure software aims to protect the coast in response to specific conditions in the coastal areas of Vietnam. Keywords: Physical Models, Breakwaters, Geotube 1. MỞ ĐẦU * Ở nước ta, loại sạt lở do kết hợp tác động trực tiếp của sóng vào bờ và tác dụng xâm thực bãi biển chiếm một tỷ trọng đáng kể, gây hậu quả rất nghiêm trọng, ảnh đến an toàn và phát triển kinh tế - xã hội, nên rất cần các giải pháp để phòng tránh và bảo vệ bờ. Đê giảm sóng (ĐGS) là loại công trình được ứng dụng khá phổ biến trên thế giới nhằm giảm thiểu sự tác động của sóng biển vào đới ven bờ, bảo vệ bãi và bờ biển. Ở nước ta, tại một số vùng ven biển như: Hải Phòng, Nam Định, Thừa Thiên Huế, Thành phố Hồ Chí Minh,... đã áp dụng các giải pháp này vào việc bảo vệ bờ, bãi biển. Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp này là những dạng công trình cứng Ngày nhận bài: 29/4/2016 Ngày thông qua phản biện: 12/5/2016 Ngày duyệt đăng: 20/6/2016 (đá đổ, ống buy, hoặc khối bê tông đúc sẵn). Bên cạnh đó, những công trình này được xây dựng phần đa dựa vào các tiêu chuẩn hiện hành, tiêu chuẩn, sổ tay của các nước khác và kinh nghiệm của các chuyên gia. Hầu như không có những nghiên cứu một cách bài bản trước khi tiến hành xây dựng. Các nghiên cứu liên quan đến dạng công trình này ở nước ta vẫn còn rất ít, đơn lẻ và không có sự thống nhất. Một trong những ĐGS kết cấu mềm với tính năng giảm sóng, bảo vệ bờ biển mà đã được nhiều nước trên thế giới đưa vào áp dụng đó là công nghệ ống vải địa kĩ thuật (Geotube). Cùng với sự ra đời của vải địa kỹ thuật sử dụng sợi Polypropylene có khả năng chịu chọc thủng đạt 2,67kN, tuổi thọ đạt trên 50 năm. Ngoài thực tế loại công trình này đã được nghiên cứu thiết kế và ứng dụng thành công ở một số khu vực như: Refuge - Shallow Welder Bay, Texas, USA; Amwaj Islands, Bahrain; KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 2 Hàn Quốc; Trung Quốc;... Trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây, ở một số vùng ven biển nước ta đã có các giải pháp mềm được đưa vào ứng dụng thay thế cho những công trình dạng cứng, như: ven biển Thừa Thiên - Huế, Quảng Nam, Bình Thuận, Bà Rịa -Vũng Tàu,... Nhưng đa số các giải pháp này là hệ thống mỏ hàn vuông góc với bờ, với chức năng chính là ngăn dòng bùn cát, chống xói lở gây bồi, về hiệu quả giảm sóng là không nhiều. Mới đây, đầu năm 2015 tại ven biển Hội An đã tiến hành thử nghiệm hệ thống đê giảm sóng mềm bằng ống vải địa kỹ thuật, Tuy nhiên về hiệu quả và cơ sở khoa học cho việc bố trí hệ thống công trình này vẫn chưa được rõ ràng, không có nghiên cứu trước khi xây dựng. Việc nghiên cứu thực nghiệm trên bể sóng triều kết hợp sẽ đánh giá được hiệu quả giảm sóng, bảo vệ bờ biển để từ đó làm luận cứ khoa học về việc bố trí hợp lý công trình đê giảm sóng có kết cấu mềm nhằm bảo vệ bờ biển ứng với các điều kiện cụ thể ở khu vực ven biển Việt Nam. Đó là những nghiên cứu có ý nghĩa về khoa học và đáp ứng được đòi hỏi của nhu cầu thực tế hiện nay. 2. CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Cơ sở dữ liệu - Các dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm có các tài liệu chuyên môn đã ban hành (sổ tay, tiêu chuẩn, sách). Các báo cáo kết quả nghiên cứu liên quan của các đề tài, dự án cả trong và ngoài nước; - Các số liệu phục vụ nghiên cứu: số liệu địa hình (bình đồ tỷ lệ 1/5000 thực đo năm 2010 tại Hội An, Quảng Nam), số liệu mực nước (tiêu chuẩn TKĐB năm 2012 của Bộ NN&PTNT), số liệu sóng (số liệu thống kê từ 2010-2015 tại vùng nghiên cứu) và số liệu tra trong Tiêu chuẩn TKĐB năm 2012 của Bộ NN&PTNT; - Ngoài ra còn một số tài liệu khác có liên quan như bài báo khoa học, website,... 2.2. Phương pháp, công cụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chính là thí nghiệm trên mô hình vật lý bể sóng triều kết hợp nhằm đánh giá hiệu quả của đê giảm sóng mềm. Bể sóng triều kết hợp có kích thước 25m x 34.5m x 1m, khu bể thí nghiệm có kích thước 12m x 24m. Máy tạo sóng với 03 modul riêng biệt mô phỏng được sóng đều và không đều với các dạng phổ điển hình như Jonswap và Pierson, với chiều cao sóng tối đa là 0,4m. 3. XÂY DỰNG VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH 3.1. Loại mô hình và tỷ lệ mô hình Loại mô hình: Mô hình lòng cứng, chính thái. Việc mô phỏng tương tự các thông số về đơn vị độ dài, thời gian, tần số, trọng lượng, diện tích, được thiết lập theo tiêu chuẩn Froude. Căn cứ kích thước về chiều dài bể, điều kiện địa hình bãi thực tế và dự kiến các phương án bố trí công trình thí nghiệm, sau khi phân tích, đánh giá nhiều loại tỷ lệ khác nhau, chọn tỷ lệ mô hình về hình học là λL = λh = 30. 3.2. Các thông số thí nghiệm trên mô hình Các thông số đầu vào thí nghiệm bao gồm địa hình bãi, tham số thủy lực (mực nước, sóng) và điều kiện công trình. a. Địa hình truyền sóng Địa hình bãi thực tế tại khu vực ven biển Hội An, tỉnh Quảng Nam. Địa hình đáy biển có độ dốc điển hình ở khu vực nghiên cứu khoảng i = 1 %. Phạm vi mô phỏng địa hình bờ biển L = 600m, tương ứng trên mô hình là 20m. Mô hình được đắp bằng cát đầm chặt và trát bằng vữa xi măng cát vàng M100, dày 2,5cm. b. Phương án mặt bằng và kết cấu đê Mặt bằng các phương án công trình được thí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 3 nghiệm lần lượt theo các nội dung sau: - Phương án bãi hiện trạng tại Hội An - Phương án đánh giá khoảng cách đê ngầm thay đổi: X = 100, 150 và 200m; - Phương án đánh giá góc công trình so với góc sóng tới là 75 độ; - Phương án khoảng cách so đường bờ là 50m; - Phương án chiều dài đê thay đổi L = 45m và 120m; - Phương án bố trí hai đê ngầm với chiều dài 75m, khoảng cách so với bờ 100m, khe hở giữa hai đê 50m. Hình 1. Kết cấu ống mềm - Phương án thực trạng công trình tại Hội An, Quảng Nam. Về kết cấu đê, sử dụng 03 dạng đê ống mềm với đường kính lần lượt là 1.0m; 2.0m và 3.0m. Chiều dài ống cát biến động từ 45m đến 120m. Trong quá trình thí nghiệm so sánh hiệu quả của từng loại kết cấu, có đề xuất ba dạng xếp ống như trong hình 1. c. Thông số mực nước, sóng Thông số mực nước và sóng đầu vào được lựa chọn, dựa trên tiêu chuẩn TCVN 9901:2014 Công trình thủy lợi - Yêu cầu thiết kế đê biển, do Trung tâm Khoa học và Triển khai kỹ thuật thủy lợi biên soạn, đã được Bộ Khoa học và Công nghệ công bố tại Quyết định số 3768/QĐ-BKHCN ngày 31 tháng 12 năm 2014. Đối với mực nước lựa chọn tại vị trí mặt cắt chọn là MC46 (108024’; 15052’). Dựa trên bảng số liệu tần suất kết hợp với chuỗi số liệu mực nước nhiều năm tại trạm Hội An, lựa chọn 03 mực nước thí nghiệm chính tương ứng là mực nước trung bình nhiều năm, mực nước 10% và mực nước 5%, ứng với 03 giá trị d/H là 0.6; 0.8 và 1.0 Thông số sóng được lựa chọn dựa trên chuỗi sóng thống kê thực đo từ năm 2010 đến 2015 tại khu vực nghiên cứu. Trong đó lựa chọn hai giá trị sóng đặc trưng là sóng trung bình nhiều năm (S1) và sóng tần suất 5% (S2). Bảng 1. Điều kiện sóng đầu vào thí nghiệm mô hình N0 NGUYÊN HÌNH MÔ HÌNH 1/30 MN Sóng MN Sóng Hmo (cm) Tp (s) Hmo (cm) Tp (s) 1 2.5 300 11.23 0.08 10 2.05 2 100 7.79 3.33 1.42 3 88.5 300 11.23 2.95 10 2.05 4 100 7.79 3.33 1.42 5 106.6 300 11.23 3.55 10 2.05 6 100 7.79 3.33 1.42 Thời gian thí nghiệm cho 01 kịch bản là 17 phút tương ứng số con sóng thí nghiệm tính toán là 559, thỏa mãn yêu cầu số con sóng từ 500 đến 1000. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 4 3.3. Hiệu chỉnh và kiểm định và bố trí mô hình Mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định theo đúng các thông số yêu cầu của hệ thống. Các đầu đo sóng và vận tốc được hiệu chỉnh và kiểm định theo đúng yêu cầu của nhà sản xuất. Sơ đồ bố trí đầu đo sóng và đầu đo vận tốc được cụ thể trong hình 2. Hình 2. Sơ đồ bố trí đầu đo 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1. Ảnh hưởng của các tham số công trình tới trường sóng quanh công trình Có ba loại công trình phổ biến trong bảo vệ bờ biển là tường phá sóng, mỏ hàn chữ T và mỏ hàn biển. Các tham số cơ bản được chia làm hai nhóm, nhóm 1 liên quan đến các tham số mặt bằng công trình, nhóm 2 là các tham số liên quan đến kết cấu công trình. Hình 3. Các tham số công trình Trong thí nghiệm này khảo sát chi tiết các tham số liên quan bố trí mặt bằng bao gồm chiều dài công trình, hướng công trình, và vị trí đặt công trình như mô tả ở hình 3. 4.1.1. Ảnh hưởng của tham số vị trí công trình (khoảng cách X) Để đánh giá được hiệu quả của công trình khi khoảng cách từ bờ đến công trình (X) thay đổi. Thí nghiệm lựa chọn 4 giá trị X lần lượt X = 50m, 100m, 150m và 200m. Xem xét trường sóng và dòng chảy sau công trình tương ứng với các vị trí công trình khác nhau. Bảng 2: Chiều cao sóng ứng với các trường hợp thì nghiệm trong điều kiện khoảng cách giữa công trình và đường bờ thay đổi từ 100m đến 200m Đ i ều k i ện cô n g trì n h W 0 1 W 0 2 W 0 3 W 0 4 W 0 5 W 0 6 W 0 7 Kt0 1 Kt0 2 Kt0 3 Kt0 4 Kt0 5 Kt0 6 KtT B X = 2 00 m d / H= 0. 8 10. 34 8.5 0 8.6 9 8.6 2 8.7 3 7.5 8 7.6 0 0.8 2 0.8 4 0.8 3 0.8 4 0.7 3 0.7 3 0.8 0 9.9 8 8.7 2 8.7 7 8.6 6 8.7 3 7.6 5 7.6 0 0.8 7 0.8 8 0.8 7 0.8 7 0.7 7 0.7 6 0.8 4 d / H= 0. 6 9.9 4 8.8 9 9.1 4 9.3 4 9.2 8 8.2 3 7.9 3 0.8 9 0.9 2 0.9 4 0.9 3 0.8 3 0.8 0 0.8 9 X = 1 50 m d / H= 0. 8 11. 23 7.8 6 8.2 2 8.0 3 7.7 2 6.8 7 7.7 9 0.7 0 0.7 3 0.7 1 0.6 9 0.6 1 0.6 9 0.6 9 d / H= 0. 6 10. 25 9.0 9 9.0 5 8.9 3 9.3 1 7.9 0 9.3 3 0.8 9 0.8 8 0.8 7 0.9 1 0.7 7 0.9 1 0.8 7 10. 40 8.9 6 9.2 5 8.9 2 8.7 6 8.0 2 9.1 9 0.8 6 0.8 9 0.8 6 0.8 4 0.7 7 0.8 8 0.8 5 X = 1 00 m d / H= 0. 8 10. 99 7.9 4 8.0 1 7.6 0 7.6 4 6.8 8 7.2 8 0.7 2 0.7 3 0.6 9 0.7 0 0.6 3 0.6 6 0.6 9 11. 18 7.8 5 7.9 4 7.4 1 7.4 9 7.0 9 7.1 4 0.7 0 0.7 1 0.6 6 0.6 7 0.6 3 0.6 4 0.6 7 d / H= 0. 6 11. 21 8.8 0 8.8 9 8.9 0 8.6 0 7.6 9 8.7 1 0.7 9 0.7 9 0.7 9 0.7 7 0.6 9 0.7 8 0.7 7 X = 5 0 m d / H= 0. 6 10. 53 9.2 6 9.9 4 9.5 1 7.6 1 6.7 3 7.0 7 0.8 8 0.9 4 0.9 0 0.7 2 0.6 4 0.6 7 0.7 9 Kết quả nhận thấy quy luật, khi tường ngầm càng xa bờ thì hệ số giảm sóng càng tăng, có thể đặc trưng bằng phương trình tuyến tính như trên đồ thị. Trong đó y là khoảng cách giữa tường ngầm KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 5 và đường bờ, x là hệ số giảm sóng. Đường thẳng màu xanh nét liền nằm trên đặc trưng cho trường hợp d/H = 0.6, đường thẳng nét rời màu đen đặc trưng cho trường hợp d/H = 0.8. Khi xem xét kĩ mối quan hệ giữa vị trí đặt tường và chiều cao sóng khu vực gần bờ để làm cơ sở cho việc lựa chọn tham số công trình. Kết quả tổng hợp và phân tích cho thấy. Khi công trình đặt quá xa, sẽ xảy ra hiện tượng khôi phục năng lượng sóng tang chiều cao sóng gần bờ. Hình 4. Quan hệ giữa khoảng cách X với hệ số giảm sóng trung bình khi d/H = 0.6 và d/H = 0.8 Khảo sát chiều cao sóng tại 03 đầu đo W5, W6 và W7 cho thấy khi khoảng cách X tăng thì chiều cao sóng tại 03 đầu đo sát bờ cũng tăng theo với 3 dạng phương trình tuyến tính như ở hình 4. Tuy nhiên, hệ số tương quan giữa chiều cao sóng và khoảng cách công trình không lớn. Trường hợp tại đầu đo W7 hệ số R2 = 0.054. Còn tại đầu số 5 và 6 hệ số tương quan trung bình khoảng R2 = 0.45. Hệ số tương quan nhỏ như vậy, do chuỗi thí nghiệm chưa đủ độ dài. Tuy nhiên, có thể dựa vào phương trình trên để xác định quy luật chung, cũng như là tài liệu tra cứu đối với những trường hợp thực tế có điều kiện tương đương với điều kiện thí nghiệm. Vì vậy, không nên đặt công trình quá xa vì khi đó hiêu quả giảm sóng sẽ kém, mặt khác khi đặt công trình càng xa bờ, thì kinh phí thi công càng tăng lên. Vì vậy với kết quả thí nghiệm sóng này, xét trên khía cạnh đơn thuần về chiều cao sóng sát bờ, kiến nghị khoảng cách X không nên lớn hơn 150m. Hình 5. Tương quan giữa khoảng cách với chiều cao sóng sát bờ khi d/H=0.6 và d/H=0.8 4.1.2. Ảnh hưởng của tham số hướng sóng tới so với công trình Bảng 3. Trường sóng và hệ số giảm sóng tại các vị trí sau công trình trong điều kiện thay đổi hướng sóng tới hợp với hướng công trình từ 600 đến 900 Đi ều k iện cô ng trì n h W01 W02 W03 W04 W05 W06 W07 Kt01 Kt02 Kt03 Kt04 Kt05 Kt06 KtTB Dir = 90 d/H=0.6 3.46 3.33 3.15 2.97 3.37 3.20 3.07 0.96 0.91 0.86 0.97 0.92 0.89 0.92 3.61 3.53 3.21 2.96 3.52 3.26 3.01 0.98 0.89 0.82 0.97 0.90 0.83 0.90 10.99 7.94 8.01 7.60 7.64 6.88 7.28 0.72 0.73 0.69 0.70 0.63 0.66 0.69 11.18 7.85 7.94 7.41 7.49 7.09 7.14 0.70 0.71 0.66 0.67 0.63 0.64 0.67 d/H=0.8 10.46 6.28 6.27 6.05 6.48 5.74 5.78 0.60 0.60 0.58 0.62 0.55 0.55 0.58 4.28 3.44 3.30 2.76 3.36 3.10 2.92 0.80 0.77 0.64 0.79 0.72 0.68 0.73 3.42 2.83 2.71 2.47 2.88 2.55 2.61 0.83 0.79 0.72 0.84 0.75 0.76 0.78 Dir = 75 d/H=0.8 3.08 2.98 2.60 2.53 2.82 2.67 2.71 0.97 0.85 0.82 0.92 0.87 0.88 0.88 9.87 6.40 6.32 5.82 6.45 5.82 6.00 0.65 0.64 0.59 0.65 0.59 0.61 0.62 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 6 Đi ều k iện cô ng trì n h W01 W02 W03 W04 W05 W06 W07 Kt01 Kt02 Kt03 Kt04 Kt05 Kt06 KtTB d/H=0.6 10.46 8.42 8.48 7.56 8.00 7.13 7.67 0.81 0.81 0.72 0.76 0.68 0.73 0.75 Dir = 60 d/H=0.6 11.03 8.56 8.46 7.94 8.17 7.31 7.75 0.78 0.77 0.72 0.74 0.66 0.70 0.73 d/H=0.8 10.66 6.88 6.78 6.46 7.26 6.31 6.50 0.65 0.64 0.61 0.68 0.59 0.61 0.63 Hình 6. Quan hệ giữa hệ số giảm sóng và góc hợp giữa công trình với hướng sóng tới Để đánh giá được hiệu quả giảm sóng của công trình khi thay đổi hướng sóng tới, lựa chọn các hướng sóng so với hương công trình lần lượt là 900, 750 và 600. Dựa trên 18 liệt số liệu ứng với các biến đổi về tham số hướng sóng tới. Nhóm nghiên cứu lựa chọn trường hợp điển hình đại diện để xác định quy luật biến đổi giữa hướng sóng tới và hiệu quả giảm sóng của công trình. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hiệu quả giảm sóng tốt nhất khi hướng sóng tới vuông góc với công trình. Hướng sóng tới càng lệch so với công trình, hiệu quả giảm sóng càng kém. Tương quan hình 6 sử dụng khi MN triều thấp, và Hmo>3.0m. 4.1.3. Ảnh hưởng của tham số chiều dài công trình Chiều dài công trình là một tham số quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả giảm sóng gây bồi của công trình. Trong thí nghiệm này, tiến hành thí nghiệm với 3 chiều dài công trình khác nhau lần lượt là L = 45m, L = 90m và L = 120m. Kết quả thu được như trong bảng 4. Bảng 4. Trường sóng và hệ số giảm sóng sau công trình ứng với các trường hợp chiều dài tường tay đổi từ 45m đến 120m Đi ều ki ện công tr ìn h W01 W02 W03 W04 W05 W06 W07 Kt01 Kt02 Kt03 Kt04 Kt05 Kt06 KtT B L = 75m d/H = 1.0 9.38 5.30 4.93 4.82 5.27 4.33 4.32 0.56 0.53 0.51 0.56 0.46 0.46 0.51 9.68 5.30 4.82 4.87 5.08 4.32 4.36 0.55 0.50 0.50 0.53 0.45 0.45 0.50 6.11 4.85 4.33 3.62 4.90 3.75 3.98 0.79 0.71 0.59 0.80 0.61 0.65 0.69 d/H = 0.8 9.78 7.06 6.42 5.91 6.80 5.49 5.68 0.72 0.66 0.60 0.70 0.56 0.58 0.64 9.68 6.11 5.79 5.56 6.48 5.25 5.72 0.63 0.60 0.57 0.67 0.54 0.59 0.60 L = 90m d/H=0.6 3.46 3.33 3.15 2.97 3.37 3.20 3.07 0.96 0.91 0.86 0.97 0.92 0.89 0.92 3.61 3.53 3.21 2.96 3.52 3.26 3.01 0.98 0.89 0.82 0.97 0.90 0.83 0.90 10.99 7.94 8.01 7.60 7.64 6.88 7.28 0.72 0.73 0.69 0.70 0.63 0.66 0.69 11.18 7.85 7.94 7.41 7.49 7.09 7.14 0.70 0.71 0.66 0.67 0.63 0.64 0.67 d/H=0.8 10.46 6.28 6.27 6.05 6.48 5.74 5.78 0.60 0.60 0.58 0.62 0.55 0.55 0.58 4.28 3.44 3.30 2.76 3.36 3.10 2.92 0.80 0.77 0.64 0.79 0.72 0.68 0.73 3.42 2.83 2.71 2.47 2.88 2.55 2.61 0.83 0.79 0.72 0.84 0.75 0.76 0.78 L = 120 d/H = 0.8 9.94 6.49 6.82 5.79 6.30 5.68 5.80 0.65 0.69 0.58 0.63 0.57 0.58 0.62 3.10 2.01 2.31 2.47 2.15 2.04 2.57 0.65 0.75 0.80 0.69 0.66 0.83 0.73 d/H = 1.0 3.74 1.99 2.35 1.55 2.02 1.68 1.58 0.53 0.63 0.41 0.54 0.45 0.42 0.50 9.27 4.78 5.11 4.80 4.64 4.07 4.44 0.52 0.55 0.52 0.50 0.44 0.48 0.50 9.63 4.88 5.11 4.65 4.53 4.11 4.42 0.51 0.53 0.48 0.47 0.43 0.46 0.48 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 7 Hình 7. Quan hệ giữa chiều dài công trình, và hệ số giảm sóng trung bình sau công trình Xuất phát từ 16 liệt số liệu trên, lựa chọn các giá trị đặc trưng cố định các tham số mực nước với hai tỉ lệ là d/H=0.8 và d/H=1.0. Rõ ràng, khi chiều dài công trình tăng thì hệ số giảm sóng trung bình sẽ giảm tức là hiệu quả giảm sóng của công trình tăng lên. Trong điều kiện mực nước d/H = 0.8 và d/H = 1.0 ứng với chiều cao sóng từ 2.5 – 3.5m. Có thể áp dụng quan hệ lập được ở trên để tính gần đúng hiệu quả giảm sóng của công trình thông qua tham số chiều dài công trình. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy, mức độ ảnh hưởng của tham số chiều dài tới hệ số giảm sóng không lớn thể hiện qua hệ số tương quan R2 trong cả hai trường hợp d/H = 0.8 và d/H =1.0 đều rất nhỏ. 4.2. Ảnh hưởng của các tham số công trình tới giá trị vận tốc sau công trình 4.2.1. Quy luật biến đổi vận tốc và hướng dòng chảy khi thay đổi các tham số công trình Đầu tiên ta xem xét ảnh hưởng của tham số vị trí công trình (X) tới giá trị vận tốc sau công trình. Lưu ý, hệ thống đầu đo sóng và vận tốc được cố định trong tất cả các trường hợp thí nghiệm. Hình 8. Quan hệ giữa vận tốc dòng chảy ven và khoảng cách đặt công trình Hình 9. Véc tơ vận tốc khi thay đổi khoảng cách công trình Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi khoảng cách tăng thì giá trị vận tốc tăng, giống như trường hợp xét tới chiều cao sóng sau công trình. Hướng dòng chảy thay đổi được mô tả như hình 9. Về giá trị hướng vận tốc, kết quả nghiên cứu chưa cho thấy được rõ quy luật biến đổi. Đối với trường hợp thay đổi tham số hướng sóng tới so với công trình, quy luật biến đổi vận tốc, dựa trên liệt 14 chuỗi số liệu vận tốc và chiều cao sóng tương ứng với các điều kiện công trình. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 8 Hình 10. Quan hệ giữa vận tốc dòng chảy và hướng sóng tới Hình 11. Véc tơ vận tốc khi thay đổi khoảng cách công trình Đồ thị cho thấy, khi hướng sóng tới không vuông góc với công trình thì vận tốc dòng chảy có xu hướng tăng lên. Hàm quan hệ ở trên có tập xác định X= [00-900]. Trong điều kiện sóng lớn hơn 3.0m và tỉ lệ d/H > 0.8. Ta có thể áp dụng quan hệ trên để xác định vận tốc dòng chảy sau công trình phụ thuộc vào hướng sóng tới. Trong trường hợp thay đổi chiều dài công trình, do chỉ có một đầu đo vận tốc, do vậy với những kết quả đạt được, chưa thấy rõ được quy luật biến đổi của giá trị vận tốc khi thay đổi chiều dài công trình. Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm cho thấy, đối với chiều dài công trình ngắn 75m, giá trị vận tốc đo tại một điểm cố định lớn hơn đối với trường hợp tường dài 90m và 120m khoảng 10% đến 30%. Về hướng của vận tốc sau công trình cũng chưa thể hiện rõ quy luật, với trường hợp tường ngắn, hướng vận tốc có xu hướng song song với đường bờ. Còn đối với các trường hơp tường dài trường vận tốc sau công trình ổn định hơn về cả giá trị độ lớn và hướng. Khi tăng chiều dài từ 90m lên 120m hướng vận tốc không thay đổi nhiều. 4.2.2. Tương quan giữa giá trị chiều cao sóng và vận tốc ven bờ khu vực sau công trình Xem xét quan hệ giữa chiều cao sóng và vận tốc dòng chảy sau công trình đối với đầu W6 và W3 có được kết quả như sau: Kết quả phản ánh quy luật chung giống các trường hợp trên. Hệ số tương quan thu được trung bình R2 = 0.65. Hình 12. Tương quan giữa giá trị vận tốc sau công trình và chiều cao sóng 4.2.3. Biến đổi vận tốc tại các vị trí quanh công trình Yếu tố vận tốc là một tham số thể hiện rõ quá trình vận chuyển bùn cát quanh công trình. Trong nghiên cứu này, nhóm thí nghiệm đã dịch chuyển vị trí đầu đo vận tốc tại một số điểm đặc trưng quanh công trình, nhằm xem xét định lượng giá trị vận tốc. Phục vụ quá trình đánh giá bồi xói xung quanh công trình. Sơ đồ các vị trí khảo sát giá trị vận tốc quanh công trình được thể hiện dưới sơ đồ bên dưới. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 9 Gồm ba điểm đặc trưng là khu vực chân phía trước công trình, khu vực mép công trình (thường xảy ra hiện tượng nước rút theo hướng song song với công trình) và một điểm sau công trình. Hình 13. Sơ đồ khảo sát giá trị vận tốc quanh công trình. Kết quả cho thấy, tại vị trí sô 1 (ở giữa và sau công trình) vận tốc ổn định, nhỏ. Ở vị trí mép công trình vận tốc biến đổi bất ổn hơn, giá trị lớn hơn vận tốc ở khu vực giữa. Tại vị trí trước chân công trình, vận tốc lớn nhất. Do vậy có thể thấy, khu vực dễ bị xói nhất là khu vực trước công trình, tiếp đó là ở mép sau của công trình. Còn khu vực giữa công trình là khu vực có xu hướng được bồi tụ. Đồ thị bên dưới thể hiện rõ nét quy luật đó thông qua quan hệ giữa chiều cao sóng và vận tốc dòng chảy. Hình 14. Khảo sát tham số vận tốc tại ba vị trí quanh công trình 4.3. Nghiên cứu trường động lực với hiện trạng công trình tại Hội An, Quảng Nam Tiến hành thí nghiệm với hệ thống các công trình bố trí thực tế tại Hội An (Hình 15). Hình 15. Mặt bằng bố trí trên mô hình vật lý bế sóng triều kết hợp – hệ công trình kè mềm tại Hội An, Quảng Nam Kết quả thí nghiệm cho thấy, hệ thống công trình hiện trạng có khả năng giảm sóng khá tốt. Trong điều kiện thông thường, chiều cao sóng sau công trình khoảng 0.3m đến 0.5m. Trong điều kiện sóng lớn ngoài khơi khoảng 3.0m thì chiều cao sóng sau công trình giảm còn khoảng 1.0m đến 1.2m. Khi xem xét yếu tố vận tốc trước công trình nhận thấy quy luật, đối với sóng nhỏ ở điều kiện bình thường vận tốc dòng chảy trước chân công trình khá nhỏ chỉ từ 0.05m/s đến 0.15m/s. Tuy nhiên khi trong sóng lớn với Hmo = 3.0m ngoài khơi thì vận tốc dòng chảy tại đây tăng mạnh lên khoảng 0.4m/s đến 0.7m/s. Với vận tốc này khả năng xói chân công trình là rất lớn. Hình 16. Quan hệ giữa chiều cao sóng và vận tốc sóng trước chân công trình ứng với công trình hiện trạng KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 10 Nhìn chung, với chiều cao sóng nhỏ, hướng vận tốc thường có xu hướng hợp với công trình một góc khoảng 450 đến 600. Còn với chiều cao sóng lớn, thì hướng vận tốc thay đổi, trực diện với công trình. 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận Dựa trên kết quả đo sóng và dòng chảy đối với từng phương án mặt bằng công trình (tổng hợp khoảng 80 phương án thí nghiệm) có thể rút ra các nhận xét như sau: 1. Cả 03 tham số khoảng cách từ công trình đến bờ (X), chiều dài công trình (L) và hướng sóng tới đều có ảnh hưởng lớn tới hiệu quả giảm sóng và trường động lực sau công trình. Đối với giá trị X khi khảo sát tác động trong khoảng giá trị từ 50m đến 200m, khuyến nghị đối với khu vực nghiên cứu khoảng cách hợp lý là từ 80m đến 150m. Nếu đặt quá sát bờ sẽ gây hiện tượng xói trước công trình khi nước lớn, đặc biệt trong bão. Nếu đặt quá xa công trình thì hiệu quả giảm sóng sẽ không lớn, bởi năng lượng sóng có đủ thời gian và chiều dài để tái tạo thành sóng mới. Đối với giá trị L, khuyến nghị áp dụng trong khoảng từ 75m đến 100m, vì qua thí nghiệm cho thấy khi tăng chiều dài lên 120m thì hiệu quả giảm sóng cũng chỉ tăng trung bình khoảng 5%. Hướng công trình nên đặt vuông góc với hướng sóng sẽ phát huy tốt hiệu quả. 2. Trường vận tốc quanh công trình tỉ lệ thuận với chiều cao sóng, quan hệ này được thể hiện rõ thông qua các hàm tương quan lập được ở trên. Trong các vị trí quanh công trình, khu vực trước công trình thường có vận tốc lớn hơn các điểm khác. Trong sóng 3.0m, vận tốc có thể đạt giá trị 0.75m/s. Với vận tốc này khả năng gây xói trước chân công trình rất cao, đối với loại công trình mềm, tính ổn định so với địa hình đáy là không cao, do vậy nếu không ngăn chặn được hiện tượng xói trước công trình thì rất khó đảm bảo thời gian tổn tại của loại công trình này. Vì vậy, ngoài việc sử dụng ống đơn cần có gia cố thêm các loại cọc, hoặc vật liệu khác để hạn chế hiện tượng mất ổn định này. 3. Kết quả thí nghiệm với công trình hiện trạng tại Hội An, Quảng Nam cho thấy, công trình đã phần nào phát huy được hiệu quả giảm sóng. Ngoài ra, khi đo đạc vận tốc trước chân công trình với bão (sóng khoảng 3.0m). Vận tốc rất lớn. Đây là một nguy cơ ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ công trình. 5.2. Kiến nghị Vận tốc quanh công trình là một tham số ảnh hưởng trực tiếp tới sự xói lở, là nguyên nhân chính dẫn đến biến dạng công trình mềm, gây phá hủy công trình. Do vậy, kiến nghị cần có thêm các nghiên cứu liên quan đến vận tốc xung quanh công trình, làm cơ sở cho việc tính toán bồi xói quanh công trình. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (2012), Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển. [2] Doãn Tiến Hà (2015), Nghiên cứu diễn biến bãi do tác động của công trình giảm sóng, tạo bồi cho khu vực Hải Hậu-Nam Định, Luận án Tiến sĩ chuyên ngành Hải dương học, Hà Nội. [3] Lương Phương Hậu (1999), Công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo, Tủ sách trường ĐH Xây dựng, Hà Nội. [4] Lương Phương Hậu, Trần Đình Hợi (2003), Lý thuyết thí nghiệm công trình thủy, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội. [5] Nguyễn Thành Trung (2013), Nghiên cứu thực nghiệm xác định nguyên tắc bố trí không gian hợp lý công trình ngăn cát, giảm sóng bảo vệ đê biển và bờ biển khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ, Hà Nội. [6] U.S. Amrmy Corp, 1984, Shore Protection Manual (SPM). [7] U.S. Amrmy Corp, 2002, Coastal Engineering Manual (CEM). [8] Steven A Hughes (1993), Physical Models and Laboratory Techniques in Coastal Engineering, World Scientific 568pp.