Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN THÌN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN THÌN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Ở BẮC BỘ Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-40-01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ 2. GS.TS. Ngô Trí Viềng HÀ NỘI, NĂM 2014 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 (nếu có) được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Văn Thìn i LỜI CẢM ƠN Có được kết quả nghiên cứu như hôm nay ngoài sự cống gắng của bản thân, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ, GS.TS. Ngô Trí Viềng đã hướng dẫn tận tình. Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Trịnh Minh Thụ, PGS.TS. Nguyễn Trung Việt đã tận tình giúp đỡ mọi mặt trong quá trình tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo ĐH&SĐH, bộ môn Thủy công, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, phòng Khoa học công nghệ và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án. Tác giả xin được cảm ơn Vụ Giáo dục Đại học - Bộ Giáo dục & Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................ viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ................................................ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 2 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................................. 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................3 7. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................3 8. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP ....................................................................................................5 Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ...............................................5 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới ............................................5 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam .............................................6 Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu ........................8 Nguyên nhân hư hỏng đê biển ....................................................................8 Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn .........................................................9 Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ..................................12 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc ....................................12 Khái quát chung ........................................................................................12 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh ......................................................14 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa .................................................16 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Nam Định ..................................................16 Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hải Phòng ..................................................18 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp ...................18 Ở trên thế giới ........................................................................................... 18 Ở Việt Nam ............................................................................................... 20 iii Kết luận chương 1 ............................................................................................ 26 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN ............................. 28 Mục đích nghiên cứu........................................................................................28 Cơ sở lý thuyết về tương tự..............................................................................28 Tương tự về hình học ................................................................................28 Tương tự về động học ...............................................................................29 Tương tự về động lực học. ........................................................................29 Mô tả thí nghiệm sóng đều...............................................................................29 Máng sóng .................................................................................................29 Mô hình đê và các tham số thí nghiệm .....................................................31 Chương trình thí nghiệm ...........................................................................32 Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc ...............................................34 Phân tích kết quả thí nghiệm ............................................................................37 Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình ...............37 Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn .........................................40 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 42 CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP .................................................................43 Đặt vấn đề ........................................................................................................43 Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010) ....................................................46 Hệ phương trình cơ bản.............................................................................46 Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên ............................................................ 47 Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) ....................................52 Giới thiệu máng sóng số............................................................................52 Hệ phương trình cơ bản.............................................................................54 Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên ............................................................ 55 Sóng tràn đối với sóng đều ........................................................................57 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 72 CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH ......................................................74 Giới thiệu công trình ........................................................................................74 iv Tính toán sóng tràn .......................................................................................... 75 Các công thức cơ bản ................................................................................75 Thiết lập bảng tính toán sóng tràn ............................................................. 75 Xây dựng phần mềm tính toán sóng tràn ..................................................79 Kết quả tính toán sóng tràn và đề xuất mặt cắt ngang đê biển ........................81 Kết quả tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định ...............81 Đề xuất mặt cắt ngang đê biển ..................................................................83 Phạm vi áp dụng ........................................................................................83 Kết luận chương 4 ............................................................................................ 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................86 I. Kết quả đạt được của luận án ................................................................................86 II. Những đóng góp mới của luận án .........................................................................88 III. Tồn tại và hướng phát triển .................................................................................89 IV. Kiến nghị .............................................................................................................89 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .............................................................. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 91 PHỤ LỤC ......................................................................................................................99 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản....................................................5 Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1] .................................................7 Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1] ................................ 9 Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức ...............................................................................10 Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam ............................................................. 10 Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005 ....................................11 Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1]........................................................................11 Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014) ...................12 Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam ..............................................13 Hình 1.10 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh [3] ..............................................15 Hình 1.11 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh [3] ............................... 15 Hình 1.12 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa [7] .................................................................16 Hình 1.13 Đê biển Giao Thủy, Nam Định.....................................................................17 Hình 1.14 Đê biển Quất Lâm, Nam Định ......................................................................17 Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng .........................................................................18 Hình 1.16 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh thấp [9] ........................19 Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56] ........21 Hình 1.18 Thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trong nghiên cứu [56] ............................ 21 Hình 1.19 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng vỡ [56] ............................... 22 Hình 1.20 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng không vỡ [56] ....................22 Hình 1.21 Sơ đồ thí nghiệm sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp [58] ................24 Hình 1.22 Các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn [58] .............................. 24 Hình 1.23 Hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường w [58] .............................................25 Hình 1.24 Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng thềm trước tường s [58] .......................... 25 Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm .....................................................30 Hình 2.2 Máy tạo sóng ..................................................................................................30 Hình 2.3 Máng sóng ......................................................................................................31 Hình 2.4 Khu vực điều khiển máy tạo sóng ..................................................................31 Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm sóng đều .........................................................................32 Hình 2.6 Xử lý chống thấm qua đê trong thí nghiệm ....................................................33 Hình 2.7 Máy tính, thiết bị nhận và lưu trữ tín hiệu ......................................................34 Hình 2.8 Kiểm tra các đầu đo sóng tại chân đê ............................................................. 35 Hình 2.9 Mô hình xác định lưu lượng sóng tràn ........................................................... 36 Hình 2.10 Mô hình xác định chiều cao sóng bắn .......................................................... 36 Hình 2.11 Mô hình xác định chiều sâu dòng chảy tràn .................................................36 Hình 2.12 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp v (đo đạc - tính toán) .......38 Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (Hb/H) với (S.H/g.W.T2) ...........................................40 Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1 ....................48 vi Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2 .........................49 Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA1) .............................. 51 Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA2) .............................. 52 Hình 3.5 Sóng tràn qua đê trong (MH vật lý) ............................................................... 53 Hình 3.6 Sóng tràn qua đê (MH máng sóng số) ............................................................ 53 Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC) ..............57 Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC) .......................... 59 Hình 3.9 Sóng bắn khi sóng va vào tường (MH Vật lý) ...............................................61 Hình 3.10 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê (MH Vật lý) ...........................................61 Hình 3.11 Sóng chảy thành dòng (MH Vật lý) ............................................................. 62 Hình 3.12 Sóng rút (MH Vật lý) ...................................................................................62 Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý).............................. 63 Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê t=27.3s ( MH vật lý) ............................ 63 Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng t = 27.5s ( MH vật lý) .............................................64 Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý) .....................................................................64 Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý) .....................65 Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường ..............................................67 Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều rộng thềm đến chiều cao sóng bắn ............................ 70 Hình 3.20 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t* ............................. 71 Hình 3.21 Lực sóng tác dụng lên tường ........................................................................71 Hình 4.1 Đê biển Giao Thủy tỉnh Nam Định ................................................................ 74 Hình 4.2 Giao diện chính phầm mềm............................................................................79 Hình 4.3 Giao diện nhập các tham số thiết kế ............................................................... 80 Hình 4.4 Giao diện tính toán các tham số sóng thiết kế ................................................80 Hình 4.5 Giao diện tính toán sóng tràn qua đê .............................................................. 81 Hình 4.6 Kết quả tính toán cho các kịch bản (W,S) khác nhau.....................................83 Hình 4.7 Mặt cắt ngang đê biển theo dự thảo TCVN-2013 [4].....................................84 Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp và thềm trước .............................. 84 vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3] .............................................14 Bảng 1.2 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng ngẫu nhiên .....................................23 Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều .................................................33 Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường ..............39 Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm xác định chiều cao sóng bắn...........................................41 Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán sóng tràn cho các trường hợp điển hình sóng ngẫu nhiên......................................................................................................................56 Bảng 3.2 Kết quả đo đạc và tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình của sóng đều....58 Bảng 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán chiều cao sóng bắn lớn nhất .............................. 66 Bảng 3.4 Kết quả đo đạc và tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất.....................68 Bảng 4.1 Thiết lập các thông số đầu vào .......................................................................75 Bảng 4.2 Tính toán các tham số sóng thiết kế ............................................................... 77 Bảng 4.3 Tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình ......................................................77 Bảng 4.4 Lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn cho đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định với các kịch bản (W,S) khác nhau .............................................82 viii