Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê ngầm bằng mô hình toán PCoulwave

TS. LÊ THỊ HƯƠNG GIANG Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

TÓM TẮT: Đê ngầm phá sóng là dạng công trình bảo vệ bờ biển mang tính chủ động đang được áp dụng khá phổ biến hiện nay ở nhiều nước trên thế giới với tác dụng: Giảm năng lượng sóng tác động, tái tạo và duy trì bờ, bãi biển... Bài báo đề cập tới nội dung nghiên cứu sử dụng mô hình toán họ Boussinesq, được kiểm định với kết quả thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng để phân tích, đánh giá mức độ chi phối của các yếu tố ảnh hưởng như độ ngập sâu, bề rộng đỉnh, độ dốc mái của đê ngầm, độ dốc bãi trước đê đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trước bãi đê. Kết quả cho thấy độ dốc bãi trước đê và độ dốc mái đê có ảnh hưởng thứ yếu đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm. Độ ngập sâu tương đối và bề rộng đỉnh tương đối của đê ngầm đóng vai trò quyết định trong việc giảm sóng của đê ngầm. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ các quá trình và nguyên lý cơ bản về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trước bãi đê, cần thiết cho việc áp dụng dạng công trình ở nước ta.

TỪ KHÓA: Đê chắn sóng, đê ngầm, mô hình vật lý, máng sóng, sóng vỡ...

Abstract: Submerged breakwater has been popularity applied in many countries in the world as an active coastal protection solution. This type of structure reduces wave energy, restore and maintain shore, beach... This article refers to study results using Boussinesq mathematical models that were validated with the results of wave flume physical model tests to analyze and evaluate the influence of parameters (submergence depth, crest width, structure slope, and foreshore slope) on wave reduction efficiency of foreshore submerged breakwater. Results showed that structure slope and foreshore slope do not have significant influence on wave reduction efficiency of the structure. Relative submergence depth and relative crest width play an decisive role on wave reduction efficiency of submerged breakwater. The study demonstrated fundamental processes and principles of wave reduction efficiency of foreshore submerged breakwater, which are necessary for applying this type of structure in Vietnam.

Keywords: Breakwater, submerged breakwater, physical model, wave flume, break wave...

1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH LAN TRUYỀN SÓNG HỌ BOUSSINESQ - PCOULWAVE

PCoulwave là một mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq của Mỹ để đánh giá hiệu quả chiết giảm sóng của dải ngầm phá sóng. Đây là một mô hình sóng bề mặt có nhiều ứng dụng để giải quyết các bài toán phức tạp về sóng dựa trên các phương trình sóng nước nông phi tuyến và phương trình phân tán họ Boussinesq. PCoulwave đã được xác nhận rộng rãi và được công bố từ năm 2002. Các ứng dụng chính của mô hình mã nguồn mở này là: Mô phỏng sóng gió gần bờ, mô phỏng sự hình thành sóng và dòng chảy, sự biến đổi quang phổ gần bờ, mô phỏng sự hình thành và lan truyền sóng thần, mô phỏng sự  lan truyền và gây ngập lụt do sóng thần gần bờ.

Mô hình giải hệ phương trình họ Boussinesq (Pregrine 1967) theo phương pháp phần tử khối.

2. KIỂM ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH

Việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình toán được thực hiện tại máng sóng của Phòng Thí nghiệm Thủy lực Tổng hợp, Trường Đại học Thủy lợi. Đê ngầm được xây dựng trên bãi có độ dốc tiêu biểu là 1/100 (i = 100), với các kích thước: Chiều cao 40cm, độ dốc mái đê m = 2, bề rộng đỉnh đê được thay đổi với 3 kích thước 40cm, 80cm và 120cm.

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm mô hình vật lý đê ngầm phá sóng trước bãi đê

Các kích thước hình học của mặt cắt ngang đê đã lựa chọn tương ứng với tỷ lệ mô hình hóa về chiều dài NL = 20 và thời gian là Nt = 4,5 (theo tiêu chuẩn tương tự Froude). Tổng hợp lại chương trình thí nghiệm bao gồm 150 thí nghiệm (kết hợp có lựa chọn 10 điều kiện sóng x 5 mức ngập nước x 3 bề rộng đê), kết quả từ sự kết hợp đa chiều có lựa chọn của các điều kiện hình học đê, điều kiện sóng và điều kiện mực nước. Thí nghiệm sóng trong bão theo phổ Jonswap. Sử dụng các số liệu sóng thực đo trong thí nghiệm mô hình vật lý để thiết lập, kiểm định và hiệu chỉnh mô hình toán.

Sơ đồ mô hình toán được thiết lập tương tự như mô hình vật lý (Hình 2.3).

Hình 2.2: Mặt cắt dọc trong mô hình số, đơn vị (m)

Xác định bộ tham số mô hình:

- Mô phỏng sóng lan truyền qua đê ngầm trường hợp đỉnh đê rộng 40cm, độ ngập nước 20cm, sóng đầu vào là H15T20 (tức Hs = 15cm, Tp = 2,0s). Sau mỗi trường hợp mô phỏng sẽ thu được kết quả là sóng tính toán tại ngay vị trí nguồn phát sóng và vị trí phía sau công trình.

- Bằng phép thử dần khi lần lượt thay đổi giá trị các tham số chính trong mô hình số (hệ số nhớt xoáy, độ nhám bề mặt, lớp hấp thụ sóng phản xạ tại biên đầu và biên cuối của miền tính toán) cho tới lúc sự sai lệch chiều cao sóng tính toán và thực đo nằm trong khoảng có thể chấp nhận được.

Bảng 2.1. Bảng hiệu chỉnh các tham số

 (Ghi chú: H_tđ1, H_tt1, H_tđ2, H_tt2 lần lượt là chiều cao sóng tính toán và thực đo tại hai điểm trước và sau chân công trình)

Sau rất nhiều trường hợp mô phỏng, có thể thấy rằng sự sai khác giữa tính toán và thực đo không nhiều, do đó mô hình có thể tin cậy được. Mặt khác, biến thiên giá trị các kết quả tính toán mỗi lần hiệu chỉnh cũng không lớn cho nên có thể tạm thời khẳng định rằng mô hình số có tính ổn định cao.

Kết quả kiểm định mô hình: 

Sau khi tìm được bộ tham số tối ưu cho mô hình, tiến hành bước kiểm tra sự ổn định của mô hình trong các trường hợp khác, phạm vi kiểm tra gồm có: Đường quá trình sóng, phổ sóng.

Qua phân tích phổ sóng tính toán và thực đo ta thấy: Chu kì phổ, độ lớn đỉnh phổ khá tương đồng nghĩa là tính chất và năng lượng sóng tương đương nhau. Mô hình có độ tin cậy cao hoàn toàn có thể sử dụng để mô phỏng cho các trường hợp đặc biệt khác trong lĩnh vực nghiên cứu công trình biển.

Hình 2.3: Đường quá trình sóng ở mực nước 0,50m

Hình 2.4: So sánh phổ sóng tính toán và thực đo

3. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

3.1. Ảnh hưởng độ ngập nước của đê

Xét ảnh hưởng của độ ngập nước tương đối S/Hs đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm: Từ chuỗi các số liệu mô phỏng ứng với các trường hợp độ ngập khác nhau thấy rằng, trong cùng một điều kiện bề rộng đê cho trước, độ ngập tương đối của đê càng lớn thì hiệu quả giảm sóng của đê càng bé và ngược lại. Với độ ngập S=0 (hay đỉnh đê ngang mực nước) thì hệ số truyền trung bình qua đê đạt giá trị cao nhất. Khi độ ngập tăng lên lớn hơn khoảng 1,8Hs thì hiệu quả giảm sóng của đê còn lại rất bé và hầu như không còn tác dụng giảm sóng.

3.2. Ảnh hưởng của bề rộng đê

Xét ảnh hưởng của bề rộng tương đối B/Lp đến hiệu quả giảm sóng của đê: Qua các chuỗi số liệu thấy rằng, trong cùng một điều kiện ngập nước thì bề rộng tương đối của đê càng lớn thì hiệu quả giảm sóng của đê càng lớn hay hệ số truyền sóng qua đê càng nhỏ. Tuy nhiên, khi bề rộng tương đối tiếp tục tăng đến một giá trị nào đó (khoảng B/Lp≈0,5) thì hiệu quả giảm sóng của đê sẽ có xu hướng đi ngang trên biểu đồ và không tăng nữa ứng với một mức độ ngập và tham số sóng đã cho (mối quan hệ ε và B/Lp có xu hướng phi tuyến, đồng biến). Quan hệ này rõ nét nhất với các trường hợp có mức ngập nước bé (S≤0,1m). Với các trường hợp có mức độ ngập nước lớn hơn cần phải xem xét đến ảnh hưởng một cách tổng hợp có kể đến tương tác với các tính chất sóng (chiều dài, chu kỳ sóng).

4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Thông qua ứng dụng mô hình toán PCoulwave, được kiểm định với kết quả thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng để phân tích, đánh giá mức độ chi phối của các yếu tố ảnh hưởng như độ ngập sâu, bề rộng đỉnh, độ dốc mái của đê ngầm, độ dốc bãi trước đê đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trước bãi đê. Kết quả cho thấy, độ ngập nước của đê, bề rộng đỉnh đê là các tham số ảnh hưởng chính đóng vai trò quyết định trong việc giảm sóng của đê ngầm. Độ dốc bãi trước đê và độ dốc mái đê có ảnh hưởng thứ yếu đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ các quá trình và nguyên lý cơ bản về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trước bãi đê, cần thiết cho việc áp dụng dạng công trình này ở nước ta.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bruce, T., Van der Meer, J.W., Franco, L., Pearson, J.M. (2009), Overtopping performance of different armour units for rubble mound breakwaters, Coastal Engineering, 56, pp. 166-179.

[2]. Burcharth, H.F., Christensen, M. Jensen, T. and Frigaard, P. (1998), Influence of core permeability on Accropode armour layer stability, Proceedings International conference coastlines, structures and breakwaters, Institution of Civil Engineers, Thomas Telford, London, pp. 34-45.

[3]. Tuan, T.Q., Masushita, H., Luong, N.Q., Hai, L.T, Hai, P.T and Taki, Y. (2011), Experimental study on stability of Nikken Kogaku’s new wave dissipating blocks in application to coastal protection works in Vietnam, Report of Joint Research WRU-NIKKEN KOGAKU, 137 pp.

[4]. Van der Meer, J.W. (1988), Stability of Cubes, Tetrapods and Accropode, Design of Breakwaters, Thomas Telford, Proc. Breakwaters ‘88 Conference, Eastbourne.

[5]. Van der Meer, J.W. (1999), Design of concrete armour layers.

[6]. Zelt, J.A. and Skjelbreia, J.E. (1992), Estimating incident and reflected wave fields using an arbitrary number of wave gauges, Proc. 23rd Int. Conf. Coastal Eng., ASCE, pp. 777-789.