BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VIẾT TIÊN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH TIÊU HAO NĂNG LƯỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số chuyên ngành: 62 58 40 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2015 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Thiều Quang Tuấn Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Lê Kim Truyền Phản biện 1: TS. Trần Văn Sung Phản biện 2: GS.TS Trần Đình Hòa Phản biện 3: TS. Nguyễn Viêt Thanh Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Phòng 123 Đại học Thủy lợi - 175 Phố Tây Sơn- Quận Đống Đa – Hà Nội vào lúc 14h giờ 00 ngày 03 tháng 11 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ở nước ta đã có rất nhiều giải pháp bảo vệ đê biển và bờ biển, phần lớn là các giải pháp mang tính truyền thống như kè lát mái,...mang tính thụ động với tải trọng. Không ít công trình đê biển bị phá hoại liên tục, nhất là những năm gần đây do biến đổi khí hậu bất thường và nước biển dâng đã xẩy ra, điển hình như trên các tuyến đê Cát Hải, Đồ Sơn, Hải Hậu (Miền Bắc), Bãi biển Cửa Đại, Bãi biển Nha Trang (Miền Trung), đặc biệt là vùng Đất Mũi Cà Mau kéo theo gần 80% chiều dài bờ biển phía Đông và Tây Cà Mau bị sạt lở ngày càng nghiêm trọng. Mặc dù gần đây đã tăng cường sử dụng sử dụng các biện pháp bổ sung như kè mỏ hàn và đê chắn sóng (nổi và ngầm) bằng các loại vật liệu cao trình thiết kế khác nhau, để bảo vệ đê, bờ biển, rừng ngập mặn...Các giải pháp này đã tỏ ra hữu hiệu, tuy nhiên vẫn chưa đạt được hiệu quả như mong muốn, do chưa có sơ sở khoa học tin cậy trong tính toán thiết kế. Giải pháp “Đê ngầm” với nhiều ưu điểm đã được áp dụng thành công ở nhiều nước trên thế giới và có thể kết hợp với các giải pháp bảo vệ bờ biển hiện có để tiêu hao năng lượng sóng tác động vào phía bờ nhằm tăng cường an toàn cho tuyến đê biển. Xuất phát từ những lý do nêu trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả của đê ngầm đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng tác động vào bờ biển Việt Nam” hoàn toàn mang tính thời sự và cấp thiết. 2.Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu cơ sở khoa học về cơ chế giảm sóng của đê ngầm trong chức năng bảo vệ bờ biển. Đề xuất phương pháp đánh giá, phù hợp với điều kiện tự nhiên bờ biển Việt Nam. 3.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đê ngầm và hiệu quả giảm sóng của nó. - Phạm vi nghiên cứu: Đê ngầm có dạng mặt cắt thực dụng hình thang, kết cấu không (hoặc ít) thấm, xây dựng trên bãi ở khu vực nước nông ven bờ, trọng tâm nghiên cứu vùng biển Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Các phương pháp sử dụng trong luận án: Phương pháp nghiên cứu tổng quan, phương pháp mô hình toán, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp chuyên gia, phương pháp nghiên cứu ứng dụng. 5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Đánh giá được đầy đủ ảnh hưởng của các tham số chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đặc biệt là các yếu tố mang tính đặc thù về điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nước ta. 1 - Đề xuất chu trình và phương pháp tính toán xác định kích thước mặt cắt ngang phù hợp với chức năng thiết kế của công trình đã được xây dựng, giải quyết được một vấn đề thực tiễn còn nhiều vướng mắc trong lý luận thiết kế công trình đê ngầm. - Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể được dùng để tham khảo trong đánh giá hiệu quả giảm sóng, tính toán thiết kế đê ngầm theo chức năng, góp phần nâng cao hiệu quả áp dụng dạng công trình này ở nước ta. 6.Những đóng góp mới của luận án - Xây dựng được các công thức thực nghiệm (3.15) và (3.17) cho phép xác định một cách tin cậy hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đặc biệt là đối với trường hợp đê ngầm xây dựng trên bãi biển đáy thoải thuộc khu vực nước nông ven bờ ở nước ta - Đề xuất được chu trình thiết kế và xây dựng phương pháp tính toán xác định kích thước hình học mặt cắt ngang của đê ngầm theo chức năng thiết kế. 7.Cấu trúc của luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong bốn chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan về đê ngầm và hiệu quả giảm sóng của đê ngầm; Chương 2: Nghiên cứu bằng mô hình toán về xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm; Chương 3: Nghiên cứu trên mô hình vật lý về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm; Chương 4:Nghiên cứu đề xuất chu trình tính toán và phương 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. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ĐÊ NGẦM 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Đê ngầm và ứng dụng đê ngầm Đê ngầm là thuật ngữ dịch từ tên tiếng Anh Submerged Breakwater, dùng để chỉ dạng công trình đê chắn sóng có đỉnh ngập dưới mực nước thiết kế theo chức năng. Đê ngầm có tác dụng tiêu hao một phần năng lượng sóng khi truyền qua đê và do vậy có thể được thiết kế làm giảm chiều cao sóng tới trước mục tiêu bảo vệ, làm giảm tốc độ dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ dẫn tới giảm khả năng xói bờ, gây bồi, tạo bãi. Cao trình đỉnh đê được xác định tùy theo chức năng và mức độ giảm sóng yêu cầu. Theo thống kê của chương trình nghiên cứu xây dựng công trình đỉnh thấp của liên minh Châu Âu (DELOS từ 1998 đến năm 2002), tại Châu Âu số lượng đê 2 ngầm đã xây dựng chiếm tới 66% dạng công trình chủ động bảo vệ bờ biển. Tại Mỹ, đê ngầm đã được xây dựng 235 chiếc trong 24 công trình tôn tạo bãi tắm biển. Tại Nhật Bản, năm 1960 bắt đầu xây dựng các đê ngầm đầu tiên và cho thấy hiệu quả bảo vệ bờ rất rõ rệt. Ở nước ta trong một số năm gần đây, công trình dạng đê ngầm đã bước đầu được đưa vào sử dụng dưới dạng một số hình thức kết cấu và công năng khác nhau. Tính từ Bắc vào Nam đến nay đã xây dựng được một số công trình điển hình như: Kè ngầm chắn sóng tách bờ ở Cà Mau, đê mềm giảm sóng ở Bạc Liêu,... Các nghiên cứu về đê ngầm đã kế thừa rất nhiều thành quả nghiên cứu về công trình đê chắn sóng nói chung với ba hướng nghiên cứu cơ bản: (1) Nguyên lý làm việc và bố trí không gian của đê ngầm; (2) Kết cấu của đê ngầm; (3) Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của đê ngầm. Trong 3 hướng nghiên cứu trên, tác giả chọn hướng nghiên cứu: Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của đê ngầm là hướng nghiên cứu chính. 1.1.2 .Điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nước ta - Về địa hình bãi ven bờ ở phía trước đê biển thuộc dạng bãi ở khu vực nước nông có đáy tương đối thoải. Nhìn chung, độ dốc bãi biển (bãi cát) ở nước ta là tương đối nhỏ, dao động từ 1/100 ~ 1/250. Cá biệt ở một số nơi như các tỉnh duyên hải miền Trung bãi biển có độ dốc lớn hơn (dao động từ 1/50 ~1/150). - Về thuỷ triều biển Đông: Dọc theo bờ biển nước ta từ Bắc vào Nam có đầy đủ cả bốn loại triều đó là: nhật triều, nhật triều không đều, bán nhật triều và bán nhật triều không đều phân bố xen kẽ, trong đó tính chất nhật triều chiếm ưu thế. Độ lớn thủy triều ở khu vực nghiên cứu dao động trong khoảng từ 0,5~3,5 m. - Về Bão và nước dâng: Theo số liệu thống kê, trong 2 thập kỷ qua có khoảng 80 cơn bão xuất hiện trên biển Đông (63 cơn ảnh hưởng trực tiếp và 17 cơn ảnh hưởng gián tiếp) và 26 cơn áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng (có 9 cơn áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp và 17 cơn áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng gián tiếp). - Về chế độ sóng: Đặc trưng của sóng biển có ảnh hưởng rất lớn đến công trình bảo vệ bờ biển nói chung và công trình đê ngầm nói riêng. Các vùng biển nước ta chịu ảnh hưởng chi phối của cả sóng bão và sóng khí hậu (sóng gió mùa). Khu vực biển Đông, dạng phổ JONSWAP là một dạng phổ phù hợp cho việc mô phỏng các đặc trưng sóng ở khu vực biển này. 1.1.3 Khả năng ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam Đê ngầm giảm sóng,với hiệu quả giảm sóng, gây bồi đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu và công trình thực tiễn ở nhiều nước trên thế giới, hoàn toàn 3 phù hợp để có thể áp dụng cho mục tiêu giảm sóng chủ động, bảo vệ bờ biển nước ta. Với chiều sâu nước và chiều cao sóng bão vùng ven bờ không quá lớn, phù hợp với công năng kỹ thuật và thuận lợi về điều kiện xây dựng, công trình đê ngầm sẽ đem lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao và còn không làm phá vỡ cảnh quan du lịch ở các vùng biển. Đê ngầm cũng được xem là một trong những giải pháp ứng phó với sự gia tăng về cường độ tải trọng trong điều kiện biến đổi khí hậu như hiện nay. 1.1.4 Khái niệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm và bãi trước Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm là khái niệm dùng để chỉ mức độ suy giảm chiều cao sóng trước và sau khi đi qua đê ngầm, được đánh giá thông qua tỷ số giữa chiều cao sóng phía sau đê so với chiều cao sóng đến trước đê (xem Hình 1.6): Phía biển Phía bờ Hình 1.6.Sơ đồ khái niệm xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm Kt  H s ,t H s ,i 100% (1.1)  H  (1.2)   1  s ,t   100%  H s ,i  với Ktlà hệ số truyền sóng qua đê ngầm (Kt< 1,0),  là hiệu quả giảm sóng của đê ngầm ( 1,0), đê ngầm có hiệu quả giảm sóng càng tốt khi giá trị của hệ số Kt càng bé hay  càng cao, Hs,i vàHs,t lần lượt là chiều cao sóng tới trước và sau đê ngầm được xác định cách đê một khoảng từ một nửa đến một lần chiều dài sóng L ở vị trí công trình (Hình 1.6). 1.2 Tình hình nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trên thế giới Johnson & nnk (1951) là các tác giả tiên phong đã đề xuất công thức tính hệ số truyền sóng qua dải ngầm, tuy nhiên chỉ áp dụng cho sóng đều. Sau đó, 4 Goda (1969) xây dựng các công thức tính toán hệ số truyền sóng qua đê chắn sóng dạng thùng chìm thẳng đứng và đê hỗn hợp đứng cho sóng đều và khẳng định chiều cao lưu không tương đối của đỉnh đê là tham số ảnh hưởng chủ yếu đến hệ số truyền sóng qua đê. …...Ahren (1987)là người tiên phong cho các thí nghiệm với sóng ngẫu nhiên sau này, công thức thực nghiệm mà Ahren (1987) đề xuất phụ thuộc phức tạp vào nhiều tham số trong đó có độ thấm của đê thể hiện qua kích cỡ của viên đá đổ nhưng mức độ ảnh hưởng không lớn, tuy nhiên Ahren (1987) đã không kể đến ảnh hưởng trực tiếp của bề rộng đê. Công thức tính toán hệ số truyền sóng qua đê ngầm đá đổ hình thang, Viện Khoa học Thủy lợi Nam Kinh-Trung Quốc (2001) được xác định trực tiếp kể đến ảnh hưởng của bề rộng đê tương đối B/Hs và độ sâu nước tương đối D/Hs.Gomez Pina và Valdes (1990) đã xây dựng được biểu đồ tương quan giữa hệ số truyền sóng với hai tham số có ảnh hưởng quan trọng đó là bề rộng tương đối của đê B/L0 và chỉ số sóng vỡ Iribarren . Công thức mà Van der Meer (1991) đã xây dựng cho trường hợp bề rộng đê nhỏ nên phụ thuộc duy nhất theo quan hệ tuyến tính của chiều cao lưu không (hoặc độ ngập) tương đối đến hệ số truyền sóng. Van der Meer và Daemen (1994) nghiên cứu để khắc phục nhược điểm của Ahren (1987) khi cho rằng ảnh hưởng của độ thấm của đê cần được phản ánh thông qua đại lượng phi thứ nguyên Hs/Dn50và ảnh hưởng của chiều cao lưu không được phản ánh qua Rc/Dn50. Các nghiên cứu gần đây đã không kể đến độ sâu nước D một cách trực tiếp trong các công thức tính toán mà sử dụng chiều cao sóng phổ Hm0 (và có thể là cả chu kỳ phổ) trong các công thức tính toán về sau này là đã ngầm kể đến ảnh hưởng (một cách gián tiếp) của độ sâu nước. d’ Angremond và nnk (1996)đã phân tích lại các kết quả thí nghiệm của nhiều nghiên cứu đi trước và nhận định rằng đê đá đổ và đê mái nhẵn ít khác biệt nhau về hiệu quả giảm sóng, do vậy chỉ cần phân biệt hai trường hợp đê thấm và đê không thấm, chịu ảnh hưởng của đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng là độ ngập nước của đê, bề rộng đỉnh đê và đặc biệt là số Iribarren . Phương pháp của d'Angremond và nnk (1996) được đánh giá là có độ tin cậy cao vì đã được xây dựng dựa trên nhiều bộ số liệu thí nghiệm nhất. Công thức có giới hạn bề rộng đỉnh đê trong khoảng B/Hs< 8,0 và hệ số truyền sóng 0,075 12 với các hằng số thực nghiệm được kiểm định lại cho trường hợp đỉnh rộng, với trường 5 hợp đê có bề rộng đỉnh nằm trong khoảng 8 1,8Hm0 thì hiệu quả giảm sóng của đê còn lại rất bé, đê hầu như không còn tác dụng giảm sóng nữa. Ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê tương đối Hình 3.3 .Quan hệ ( ~ S/Hm0) của đê ngầm ứng với các bề rộng đỉnh đê khác nhau 15 Hình 3.4 Quan hệ ( ~ B/Lp) của đê ngầm ứng với các độ ngập nước S khác nhau Quan hệ ( ~ B/Lp) có xu hướng phi tuyến, đồng biến. Quan hệ này rõ nét nhất với các trường hợp đê có mức độ ngập nước bé (S ≤ 0,10 m). Với các trường hợp đê ngập nước sâu hơn thì ảnh hưởng của bề rộng đê càng tỏ ra yếu hơn do lúc này nó có ít vai trò trong quá trình làm sóng vỡ trên đỉnh đê. Ảnh hưởng của tính chất tương tác sóng - đê ngầm Hình 3.5. Quan hệ ( ~0m) của đê ngầm ứng với các trường hợp bề rộng đỉnh đê và độ ngập nước S khác nhau: (a) B = 0,40 m (b) B = 0,80 m (c) B = 1,20 m Quan hệ ( ~ 0m) có xu thế nghịch biến và phi tuyến rõ ràng, đặc biệt là đối với các trường hợp đê có độ ngập không sâu (S  0,10 m). Khi đê ngập sâu thì vai trò của tính chất tương tác giữa sóng và mái đê phản ánh thông qua 0m 16 trong hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trở nên không quan trọng. 3.6.2 Xây dựng công thức thực nghiệm Phương pháp 1:  1  S 3  B 1    0,16  0, 41exp     .    6  H s   Lp     3,4 Phương pháp 2:  B    0,59  1, 47    Lm  1  e 0,50 m (3.15)   0, 26 HS (3.17) s ,i Điều kiện áp dụng công thức: B/LP = 0,06~0,65; S/Hm0 =0~1,7; s0P = 0,015~0,06. So sánh mức độ tin cậy giữa hai công thức (3.15) và (3.17) của luận án với các số liệu thực nghiệm. Kết quả so sánh trên Hình 3.10 đã thể hiện rõ đúng như kết quả đánh giá, phương pháp 2 đem lại mức độ tin cậy cao hơn (R 2 = 0,93) so với phương pháp 1 (R2 = 0,89) do đã kể đến đầy đủ và đúng bản chất hơn các yếu tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm. Hình 3.2 So sánh mức độ tin cậy giữa hai phương pháp tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm của luận án Để làm rõ độ tin cậy của công thức thực nghiệm, tác giả đã so sánh công thức (3.17) với các công thức của: 17 - Van der Meer (1991) áp dụng cho đê đỉnh hẹp (công thức (1.8)); - d'Angremond và nnk (1996) cho đê không thấm (công thức (1.10)) và Van der Meer và nnk (2005) cho đê mái nhẵn, không thấm (công thức (1.12)); - Van der Meer và nnk (2005) đê đá đổ điển hình hiện nay (công thức (1.11)); - Viện Khoa học Thủy lợi Nam Kinh-Trung Quốc (2001) đê đá đổ hình thang (công thức (1.7)). Qua đó đã chứng minh được công thức thực nghiệm (3.17) của tác giả có đủ độ tin cậy cho trường hợp đê ngầm đá đổ xây dựng trên bãi thuộc khu vực nước nông. 3.7 Kết luận Chƣơng 3 Dựa trên các phương trình tổng quát cùng với bộ số liệu thí nghiệm và các đánh giá được: - Mức độ ảnh hưởng của các tham số : Độ ngập, bề rộng đỉnh đê, tương tác sóng đê ngầm đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm; - Xây dựng được hai công thức thực nghiệm (3.15) và (3.17) xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm với mức độ tin cậy tốt. Thông qua việc so sánh giữa công thức (3.17) của luận án với các công thức tiêu biểu về hiệu quả giảm sóng trên thế giới đã khẳng định mức độ tin cậy và khả năng ứng dụng của các kết quả nghiên cứu của luận án trong việc đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đặc biệt là khi đê ngầm được xây dựng trên bãi trước thuộc khu vực nước nông ven bờ ở nước ta. 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 4.1 Mở đầu Sử dụng công thức thực nghiệm ở Chương 3 đề xuất chu trình thiết kế đê ngầm theo chức năng và áp dụng thiết kế đê ngầm tại Phú Thuận, Thừa Thiên Huế. 18 Điều kiện biên Xác định chức năng thiết kế Điều kiện làm việc và tải trọng theo chức năng thiết kế Hiệu quả giảm sóng No No Mặt cắt ngang thiết kế Đánh giá ổn định Yes Điều kiện thi công Yes Hình học Chi phí đầu tƣ Kết cấu No Yes Phƣơng án mặt cắt chọn Hình 4.1. Chu trình thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm 4.2 Xác định chức năng thiết kế của đê ngầm Chức năng chung của đê ngầm là tiêu hao một phần năng lượng sóng, theo đó luận án đề xuất phân loại đê ngầm theo hai chức năng cơ bản như sau: 19 Đê ngầm giảm sóng bão Hình 4.2. Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng bão Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thường Hình 4.3. Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thường 4.3 Đề xuất phƣơng pháp xác định kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng thiết kế 4.3.1 Bề rộng đỉnh đê Chiều rộng đỉnh đê cần thỏa mãn điều kiện: và B  1 L (4.1và B ≥ Bmin = 3Kođ.Dn p 2 4.2) 4.3.2 Thiết kế đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện bão Với chức năng giảm sóng bão chúng tacần khống chế chiều cao sóng phía sau đê ngầm ở mức độ cho phép,tương ứng với hiệu quả giảm sóng yêu cầu [] được xác định như sau: [ ]  1  [ H s ]E (4.3) H s ,i trong đó:Hs,i là chiều cao sóng tới tại vị trí công trình,[ H s ]E là chiều cao sóng bão tối đa cho phép để đảm bảo an toàn cho các công trình bảo vệ bờ phía sau đê ngầm. Chu trình tính toán xác định kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm giảm sóng trong bão đƣợc tóm lƣợc thành những bƣớc sau: Bƣớc 1. Xác định vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng bão: Vị trí này cần thỏa mãn các điều kiện sóng bão thiết kế (mực nước, sóng) và hiệu quả giảm sóng yêu cầu của đê ngầm theo chức năng giảm sóng bão, về độ sâu nước để thi công công trình, về địa chất để đảm bảo ổn định của công trình, …. Bƣớc 2. Xác định các tham số thiết kế đầu vào: Xác định các tham số dùng 20 trong tính toán thiết kế như: cấp công trình, mực nước thiết kế Ztk,p%, sóng tới nước sâu thiết kế Hs0, sóng tới trước đê thiết kế Hs,i, chiều cao sóng lớn nhất cho phép sau đê [Hs]E, hiệu quả giảm sóng yêu cầu []. Bƣớc 3.Xác định bề rộng và cao trình đỉnh đê đảm bảo hiệu quả giảm sóng yêu cầu sử dụng các công thức (4.3) đến (4.6) và (3.17). Bƣớc 4.Tính toán kết cấu mặt cắt ngang đê ngầm (kích thước khối phủ bảo vệ) nhằm đảm bảo điều kiện ổn định trong bão. Bƣớc 5.Kiểm tra ổn định của mặt cắt ngang đê thiết kế với tải trọng sóng và mực nước trong điều kiện thường (đê trở thành đê nhô). Bƣớc 6.Tính toán so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật và quay lại bước 1 hoặc bước 3 nếu chưa thỏa mãn. 4.3.3 Thiết kế đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thường Tương tự như trường hợp trên, chiều cao sóng cho phép phía sau đê vẫn cần được khống chế thông qua hiệu quả giảm sóng yêu cầu [] nhưng với một mức bảo đảm cho trước được xác định theo yêu cầu thiết kế: [H ] (4.7) [ ]  1  s N H s ,i c (4.8) H s ,i max  H s ,i c  [ H s ]N p( H s ,t  [ H s ]N )  [ Pa ] (4.9) trong đó [ H s ]N là chiều cao sóng tối đa cho phép phía sau đê ngầm theo chức năng thiết kế của đê, ví dụ để gây bồi hoặc trồng rừng ngập mặn thông thường [ H s ]N  0,50 m. H s ,i c và H s ,i max lần lượt là chiều cao sóng tới tính toán ( H s ,i c được dùng cho xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu của đê ngầm) và lớn nhất dùng trong thiết kế kích thước hình học đê (sóng khí hậu, tại vị trí công trình), Hs,tlà chiều cao sóng phía sau đê ngầm, p( H s ,t  [ H s ]N ) và [ Pa ] lần lượt là tần suất xuất hiện và mức đảm bảo chiều cao sóng sau đê không lớn hơn chiều cao sóng cho phép. Nếu hiệu quả giảm sóng yêu cầu hay độ ngập của đê ngầm đã được xác định với một chiều cao sóng Hs,i-c và một cao trình mực nước triều thiết kế Ztr,tk nào đó thì điều kiện (Hs,t[Hs]N) sẽ luôn thỏa mãn khi xảy ra tổ hợp mực nước và sóng thấp hơn so với điều kiện thiết kế, tức là (ZtrZtr,tk) đồng thời với (Hs,iHs,i-c).Giả thiết sóng và triều trong trường hợp này là hai đại lượng độc lập thống kê thì khi đó tần suất xuất hiện của chiều cao sóng phía sau đê nhỏ hơn giá trị cho phép (phương trình (4.9)) sẽ là: p( H s ,t  [ H s ]N )  p (Ztr  Ztr ,tk )  ( H s ,i  H s ,i c )  p(Ztr  Ztr ,tk )  p( H s ,i  H s ,i c )  [Pa ] 21 hay p( Z  Z )  tr tr ,tk [Pa ]  1,0 p( H s ,i  H s ,i c ) (4.10) trong đó p(Ztr  Ztr ,tk ) là tần suất xuất hiện mực nước triều lớn nhỏ mực nước thiết kế của đê ngầm (dựa trên đường tần suất lũy tích mực nước tại khu vực xây dựng công trình), p( H s ,i  H s ,i c ) là tần suất xuất hiện của sóng tới có chiều cao không lớn hơn chiều cao sóng tính toán. Chu trình tính toán thiết kế đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thƣờng đƣợc tóm lƣợc thành những bƣớc sau: Bƣớc 1. Xác định vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng thường. Tương tự như bước 1 của đê ngầm giảm sóng bão. Bƣớc 2.Xác định các tham số tính toán thiết kế đầu vào - Dựa trên chức năng thiết kế của đê ngầm để xác định chiều cao sóng lớn nhất cho phép sau đê [Hs]N và mức đảm bảo duy trì chiều cao sóng phía sau đê không lớn hơn chiều cao sóng cho phép [Pa]. - Xác định đường tần suất lũy tích mực nước triều tại khu vực công trình (Ztr~p). - Thu thập hoặc xây dựng tài liệu hoa sóng khí hậu nhiều năm tại vị trí xây dựng công trình. Chia lớp và xác định các tham số của từng lớp sóng tới trước đê ngầm (chiều cao Hs,i, chu kỳ Tp,i, và tần suất xuất hiện pi). - Xác định cấp công trình, từ đó xác định các tham số sóng và mực nước (trong bão) ứng với tần suất thiết kế tại vị trí công trình. Bƣớc 3.Xác định bề rộng, cao trình đỉnh đê đảm bảo hiệu quả giảm sóng yêu cầu Việc xác định bề rộng và cao trình đỉnh đê được thực hiện theo các bước nhỏ sau: - Lựa chọn chiều cao sóng tới tính toán H s ,i c (lưu ý H s ,i max  H s ,i c  [ H s ]N ) trong liệt số liệu sóng đầu vào ở trên, từ đó xác định tần suất p( H s ,i  H s ,i c ) . Lưu ý việc lựa chọn Hs,i-c cần đảm bảo ý nghĩa thống kê xác suất của p(Ztr  Ztr ,tk ) tức là [ Pa ] / p( H s ,i  H s ,i c )  1,0 . - Xác định hiệu quả giảm sóng tính toán [] theo biểu thức (4.7). - Xác định p(Ztr  Ztr ,tk ) từ phương trình (4.10) để lựa chọn cao trình mực nước triều thiết kế Ztr,tk trên đường tần suất mực nước lũy tích mực nước triều. - Xác định cao trình đỉnh đê và bề rộng đỉnh đê thiết kế theo các điều kiện ràng buộc chung: các biểu thức (4.1), (4.2), (3.17), (4.4), (4.5) và (4.11). Bƣớc 4.Tính toán kết cấu mặt cắt ngang đê ngầm (kích thước khối phủ bảo vệ) nhằm đảm bảo điều kiện ổn định trong điều kiện thường. 22 Bƣớc 5.Kiểm tra ổn định của mặt cắt ngang đê thiết kế với tải trọng sóng và mực nước trong điều kiện bão thiết kế. Bƣớc 6.Tính toán so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật và quay lại bước 1 hoặc bước nếu chưa thỏa mãn. 4.4 Áp dụng tính toán lựa chọn kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm Phú Thuận – Thừa Thiên Huế Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện bão Các kích thước hình học cơ bản của mặt cắt ngang đê ngầm giảm sóng bão được xác định như sau: - Bề rộng B = 5,80 m; Cao trình đỉnh đê thiết kế Zd = + 0,05 m (tương ứng với độ ngập S = 1,40 m, mực nước thiết kế Ztk,p = 1,45 m) - Chiều cao đê: Hđ = 3,90 m; Hệ số mái m = 2,0 Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thường Các kích thước hình học cơ bản của mặt cắt ngang đê ngầm giảm sóng thường được xác định như sau: - Bề rộng đỉnh B = 13,5 m; Cao trình đỉnh đê thiết kế Zd = + 0,10 m (tương ứng với độ ngập S = 0,30 m và mực nước tính toán Ztr,tk = + 0,40 m) - Chiều cao đê: Hđ = 2,70 m; Hệ số mái m = 2,0 4.5 Kết luận Chƣơng 4 Xây dựng và đề xuất chu trình thiết kế và phương pháp tính toán xác định kích thước hình học mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng đã được đề xuất (đê ngầm giảm sóng bão và đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thường). Kết quả nghiên cứu đã góp phần bổ sung cho cơ sở lý luận thiết kế xây dựng đê ngầm giảm sóng theo chức năng mà thực tiễn hiện nay còn nhiều vướng mắc. Áp dụng thành công chu trình và phương pháp tính toán đã đề xuất vào cho bài toán cụ thể đó là thiết kế đê ngầm bảo vệ bờ biển và chống xói lở ở xã An Dương - Phú Thuận - Thừa Thiên Huế. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I.Kết quả đạt đƣợc của luận án Nhận dạng đầy đủ các yếu tố chi phối, đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đặc biệt là ảnh hưởng của bãi trước khi dạng công trình này được xây dựng trên bãi biển đáy thoải thuộc khu vực nước nông ven bờ ở khu vực nghiên cứu ở nước ta. Xây dựng được các công thức thực nghiệm (3.15) và (3.17) cho phép xác định một cách tin cậy hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đặc biệt là đối với trường hợp đê ngầm xây dựng trên bãi biển đáy thoải thuộc khu vực nước nông ven bờ ở 23 nước ta. Đề xuất được chu trình thiết kế và xây dựng phương pháp tính toán xác định kích thước hình học mặt cắt ngang của đê ngầm theo chức năng thiết kế, đảm bảo mức độ giảm sóng yêu cầu, tiết kiệm vật liệu, phù hợp với yêu cầu cấu tạo và điều kiện thi công của công trình. II. Tồn tại và hƣớng phát triển 1. Những tồn tại Nghiên cứu của luận án chỉ dừng lại ở đê mái nhẵn không hoặc ít thấm nước, chưa xem xét các dạng kết cấu đê ngầm có mức độ thẩm thấm lớn như đê đá đổ, đê kết cấu rỗng,… 2. Hƣớng phát triển Các định hướng phát triển cho các nghiên cứu sau bao gồm: - Nghiên cứu nguyên tắc bố trí không gian của hệ thống đê ngầm bảo vệ bờ biển. - Các dạng kết cấu đê ngầm phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thủy hải văn ở các vùng bờ biển khác của nước ta III. Kiến nghị - Bổ sung các đóng góp mới của luận án vào trong các tài liệu tham khảo hướng dẫn thiết kế đê ngầm giảm sóng ở nước ta và các tài liệu giảng dạy cho sinh viên. - Tiếp tục nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê ngầm sử dụng các dạng kết cấu khác có độ thấm lớn. 24 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Nguyễn Viết Tiến và nnk, (2013), Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: Nghiên cứu xây dựng đê biển an toàn cao theo hướng hài hòa với môi trường sinh thái, Trung tâm Tư vấn và Chuyển giao công nghệ Thủy lợi, Hà Nội. 2. Mai Thị Hà, Nguyễn Viết Tiến, Thiều Quang Tuấn, (2013), Nghiên cứu trên mô hình máng sóng số sóng tràn qua đê biển và hiệu quả cải thiện tương tác sóng – công trình của lăng thể Tetrapod trước đê, Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường số đặc biệt Kỷ niệm 10 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển (11-2013), trang 46-55; 3. Nguyễn Viết Tiến, Thiều Quang Tuấn, Bùi Doãn Quyết, (2013), Nghiên cứu bằng mô hình toán về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng, Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường số đặc biệt Kỷ niệm 10 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển (11-2013), trang 38-45; 4. Nguyễn Viết Tiến, Thiều Quang Tuấn, Lê Kim Truyền, (2013), Nghiên cứu ảnh hưởng của đê ngầm và bãi đê đến hiệu quả giảm sóng trên mô hình vật lý, Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường số 41 tháng 6-2013, trang 69-78. 5. Nguyễn Viết Tiến, (2012), Giới thiệu đê phá sóng và đê ngầm giảm sóng, Tạp chí Tài Nguyên nước của Hội Thủy lợi số 01-2013, trang 49-55. 6. Nguyễn Viết Tiến, (2012), Khả năng áp dụng mỏ hàn mềm bảo vệ bờ biển ở Việt Nam, Tạp chí Tài Nguyên nước của Hội Thủy lợi số 04-2012, trang 35-47. 7. Nguyen Viet Tien, (2012), Introdution of erosion control measures at Ninh Co river mouth Nghia Phuc commune, Nghia Hung district, Nam Dinh province” Tập 2 trang 122-128 Hội thảo cửa sông ven biển Quốc tế ICEC 2012 tại Hà Nội; 8. Nguyễn Viết Tiến(2011), Nghiên cứu xây dựng đê biển an toàn cao theo hướng hài hòa với môi trường sinh thái, Tạp chí Tài Nguyên nước của Hội Thủy lợi số 02-2011, trang 05-10. [...]... độ ngập tương đối của đê S/Hm0 có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm Hình 2.12 Ảnh hưởng của độ ngập tương đối S/Hm0 đến hiệu quả giảm sóng của đê 2.3.4.2 Ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê Hình 2.13 Mặt cắt tính toán trong trường hợp bề rộng đỉnh đê thay đổi 11 Hình 2.14 Ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê tương đối B/Lp đến hiệu quả giảm sóng của đê Hiệu quả giảm sóng của đê tỷ lệ thuận theo... giảm sóng của đê ngầm; - Xây dựng được hai công thức thực nghiệm (3.15) và (3.17) xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm với mức độ tin cậy tốt Thông qua việc so sánh giữa công thức (3.17) của luận án với các công thức tiêu biểu về hiệu quả giảm sóng trên thế giới đã khẳng định mức độ tin cậy và khả năng ứng dụng của các kết quả nghiên cứu của luận án trong việc đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, ... của đê không có nghĩa là bãi không đóng vai trò quan trọng Bãi có ảnh hưởng đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm thông qua việc làm thay đổi hình dạng phổ sóng trước đê ngầm và do đó thay đổi tính chất tương tác sóng với đê ngầm Hình 2.18 Hiệu quả giảm sóng của đê khi độ dốc bãi trước thay đổi 2.3 Kết luận Chƣơng 2 Kế thừa các kết quả nghiên cứu tổng quan ở Chương 1, với một seri thí nghiệm phục vụ hiệu. .. loại đê ngầm theo hai chức năng cơ bản như sau: 19 Đê ngầm giảm sóng bão Hình 4.2 Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng bão Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thường Hình 4.3 Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thường 4.3 Đề xuất phƣơng pháp xác định kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng thiết kế 4.3.1 Bề rộng đỉnh đê Chiều rộng đỉnh đê cần... công trình bảo vệ bờ phía sau đê ngầm Chu trình tính toán xác định kích thƣớc mặt cắt ngang đê ngầm giảm sóng trong bão đƣợc tóm lƣợc thành những bƣớc sau: Bƣớc 1 Xác định vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng bão: Vị trí này cần thỏa mãn các điều kiện sóng bão thiết kế (mực nước, sóng) và hiệu quả giảm sóng yêu cầu của đê ngầm theo chức năng giảm sóng bão, về độ sâu nước để thi công công trình, về địa chất... Xác định chức năng thiết kế Điều kiện làm việc và tải trọng theo chức năng thiết kế Hiệu quả giảm sóng No No Mặt cắt ngang thiết kế Đánh giá ổn định Yes Điều kiện thi công Yes Hình học Chi phí đầu tƣ Kết cấu No Yes Phƣơng án mặt cắt chọn Hình 4.1 Chu trình thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm 4.2 Xác định chức năng thiết kế của đê ngầm Chức năng chung của đê ngầm là tiêu hao một phần năng lượng sóng, theo đó... tham số chi phối cơ bản với hiệu quả giảm sóng của đê ngầm Luận án sử dụng phương pháp PI-PUCKINGHAM để thiết lập các phương trình tổng quát thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với hiệu quả giảm sóng của đê ngầm Đây chính là cơ sở cho việc thiết kế các chuỗi thí nghiệm phục vụ cho phân tích kết quả, dẫn tới các công thức thực nghiệm về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm (3.9) f ( H m0,i , H... hưởng của các tham số chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm Kết quả đã cho thấy độ ngập tương đối S/H m0 và bề rộng tương đối B/LP của đỉnh đê là các tham số chi phối chủ yếu, trong đó độ ngập tương đối có mức độ ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm  Kết quả nhận định này sẽ là cơ sở cho việc thiết kế xây dựng mô hình vật lý và các kịch bản thí nghiệm CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU TRÊN... trên mô hình máng sóng số sóng tràn qua đê biển và hiệu quả cải thiện tương tác sóng – công trình của lăng thể Tetrapod trước đê, Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường số đặc biệt Kỷ niệm 10 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển (11-2013), trang 46-55; 3 Nguyễn Viết Tiến, Thiều Quang Tuấn, Bùi Doãn Quyết, (2013), Nghiên cứu bằng mô hình toán về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng, Tạp chí khoa... rộng đỉnh đê tương đối B/LP Khi đỉnh đê quá rộng (B/LP0,50, xem Hình 2.14) thì hiệu quả giảm sóng có xu thế tăng chậm, kém hiệu quả Về tương quan mức độ ảnh hưởng tới hiệu quả giảm sóng thì tỏ ra yếu hơn so với độ ngập tương đối S/Hm0 2.3.4.3.Ảnh hưởng của độ dốc mái đê Khi mái đê càng thoải thì hiệu quả giảm sóng càng tăng, tương tự như xu thế tăng bề rộng đê Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của độ dốc ... trên, tác giả chọn đề tài Nghiên cứu hiệu đê ngầm đến trình tiêu hao lượng sóng tác động vào bờ biển Việt Nam hoàn toàn mang tính thời cấp thiết 2.Mục tiêu nghiên cứu luận án Nghiên cứu sở... giảm sóng đê ngầm chức bảo vệ bờ biển Đề xuất phương pháp đánh giá, phù hợp với điều kiện tự nhiên bờ biển Việt Nam 3.Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đê ngầm hiệu giảm sóng. .. hình như: Kè ngầm chắn sóng tách bờ Cà Mau, đê mềm giảm sóng Bạc Liêu, Các nghiên cứu đê ngầm kế thừa nhiều thành nghiên cứu công trình đê chắn sóng nói chung với ba hướng nghiên cứu bản: (1)