Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến lưu lượng tràn qua đê biển có tường đỉnh

Nội dung text: Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến lưu lượng tràn qua đê biển có tường đỉnh

1. BÀI BÁO KHOA HỌC XÂY DỰNG CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA MŨI HẮT SÓNG ĐẾN LƯU LƯỢNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH Nguyễn Văn Dũng1, Thiều Quang Tuấn2, Lê Xuân Roanh2, Nguyễn Văn Thìn2 Tóm tắt: Lưu lượng tràn qua đỉnh đê có tường đỉnh không chỉ phụ thuộc vào độ lưu không Rc, độ dốc và độ nhám mà còn phụ thuộc vào vị trí, chiều cao và đặc điểm của mũi hắt sóng. Kết quả phân tích số liệu của 324 kịch bản thí nghiệm sóng tràn trong mô hình vật lý đã tìm ra công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng của mũi hắt sóng đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh. Từ đó có thể tích hợp một cách tường minh vào công thức (Thiều Quang Tuấn, 2013) cũng như (TAW, 2002) khi có tường đỉnh. Từ khóa: Tường đỉnh; Mũi hắt, Sóng tràn; Đê biển, TAW-2002, Tuan 2013. 1. GIỚI THIỆU xây dựng được công thức thực nghiệm xác Các kết quả điều tra đánh giá hiện trạng hư định ảnh hưởng của chiều cao tường và bề rộng hỏng đê biển sau bão các tỉnh ven biển miền thềm trước đến khả năng giảm lưu lượng sóng Bắc và Bắc Trung Bộ cho thấy sóng tràn qua đê tràn. Trường hợp tường đỉnh có mũi hắt sóng gây hư hại mái trong là một trong những cơ chế vẫn chưa được (TAW, 2002) và (Thiều Quang phá hỏng đê biển phổ biến ở nước ta (Vũ Minh Tuấn, 2013) nghiên cứu. Theo kết quả nghiên Cát và cộng sự, 2008) (Hình 1). cứu (Nguyễn Văn Dũng và cộng sự 2015), mũi Công thức xác định lưu lượng sóng tràn hắt sóng có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng (TAW, 2002), sau đó được tổng hợp (EurOtop, giảm lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê 2007) chưa xét đến ảnh hưởng của chiều cao biển. Vì vậy, cần thiết phải xét đến hệ số ảnh tường và bề rộng thềm trước tường. (Thiều hưởng này trong công thức tính toán sóng tràn Quang Tuấn, 2013) trên cơ sở (TAW, 2002), của (TAW, 2002) cũng như của (Thiều Quang thông qua thí nghiệm trên mô hình vật lý đã Tuấn, 2013). Hình 1. Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa hư hỏng do bão số 7 năm 2005 (nguồn Internet) 2. THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ đê biển có tường đỉnh có mũi hắt sóng đã được 1 MÁNG SÓNG triển khai trong máng sóng Hà Lan, Trường ĐH Các thí nghiệm mô hình vật lý sóng tràn qua Thủy Lợi. Máng sóng có chiều dài 45m (hiệu quả 42m), rộng 1,0m và cao 1,2m. Máy tạo sóng 1 Trường Đại học Hồng Đức. 2 Trường Đại học Thủy Lợi. được trang bị hệ thống hấp thụ sóng phản xạ 114 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
2. chủ động Active Reflection Compensation tường W khác nhau là 6cm, 9cm, và 12cm. (AUKEPC/ARC) và có khả năng tạo sóng ngẫu Đồng thời mũi hắt tường đỉnh có 3 góc nghiêng nhiên theo phổ với chiều cao lên tới 30cm, chu  khác nhau là 0o, 45o và 90o và chiều cao mũi kỳ đỉnh phổ 3,0s. hắt hn là 2cm, bề rộng mũi hắt là 2cm. Tường Mô hình đê và các tham số sóng thí nghiệm đỉnh có thể dịch chuyển để tạo ra các bề rộng được lựa chọn có tỷ lệ mô hình là 1/10. Đê được thềm trước S khác nhau 0cm, 10cm và 25cm. chế tạo có chiều cao 70cm, với hai độ dốc phía Hình 2 minh họa quá trình bố trí thí nghiệm mô biển 1/3 và 1/4 được kết hợp với ba chiều cao hình trong máng sóng. Bảng 1. Tóm tắt các tham số thí nghiệm Mái đê Các thông số sóng h B phía Dạng W (cm) S (cm) D (m) β (0) n n H (m) T (s) (cm) (cm) biển mo p phổ 1/3 0.124, 0.148 1.422, 1.73 Jonswap 6, 9, 12 0, 10, 0.55, 0, 45, 90 2 2 và 0.178 và 2.058 25 0.60 1/4 0.124, 0.148 1.422, 1.73 Jonswap 6, 9, 12 0, 10, 0.55, 0, 45, 90 2 2 và 0.178 và 2.058 25 0.60 Tổng số: 324 kịch bản thí nghiệm Hình 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm mô hình vật lý Bn hn  W S Rc* m = 3 ; 4 Rc Hình 3. Mô phỏng các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn Chương trình thí nghiệm được thực hiện với với sóng ngẫu nhiên đã được thực hiện, mỗi thí sự kết hợp của các yếu tố hình học đê và các nghiệm được kéo dài ít nhất là 1000 con sóng để tham số sóng và mực nước được tóm tắt như tạo được đầy đủ miền dao động tần số của phổ trong Bảng 1. Các thí nghiệm được thực hiện sóng như mong muốn. Sóng đến và sóng phản theo một trình tự biến đổi có hệ thống các tham xạ được phân tách theo phương pháp của (Zelt số của tường đỉnh (S, W, β) nhằm tạo điều kiện and Skjelbreia ,1992), trong đó sử dụng các số đánh giá ảnh hưởng của tường một cách thuận liệu ghi sóng của 03 đầu đo sóng đồng bộ được lợi hơn. Tổng cộng có 324 kịch bản thí nghiệm đặt phía trước đê (Hình 2). KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 115
3. 3. TAW (2002) VÀ TUẤN (2013) trong trường hợp sóng vỡ (0m< 2.0) theo Lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển (TAW, 2002): q 0.067 Rc 1 1 Q* .0m .exp 4.75. . . (1) 3 tan H   gH m0 m0 0 m v Trong đó: 1 1 1 WS 1 1 1  1 1.6  1 (2) + q: Lưu lượng đơn vị sóng tràn trung bình   RH 8  v w s c0 m m 0 0 m thời gian (l/s trên m dài); Trong đó: + Hmo: Chiều cao sóng tại chân công  w trình(m); + : Hệ số chiết giảm do ảnh hưởng của chiều cao tường đỉnh W; + γβ: Hệ số chiết giảm do ảnh hưởng của góc  sóng tới; + s : Hệ số chiết giảm do ảnh hưởng của + γr: Hệ số chiết giảm do độ nhám của vật thềm trước S; liệu bảo vệ mái; + W: chiều cao tường đỉnh (cm); + γb: Hệ số chiết giảm do cơ; + S: Bề rộng thềm trước (cm). + γv: Hệ số chiết giảm sóng do tường đứng, 4. KIỂM ĐỊNH SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM được xác định theo: TRƯỜNG HỢP TƯỜNG ĐỈNH KHÔNG + γv = 1,35-0.0078 αw khi độc dốc mặt ngoài CÓ MŨI HẮT SÓNG o tường : αw = 45÷90 Sử dụng bộ số liệu sóng tràn ứng với trường o + γv= 1,0 khi αw = 45 hợp không có mũi hắt ( = 0), tính toán hệ số o + γv = 0,65 khi αw = 90 (tường dốc đứng) chiết giảm ảnh hưởng của tường chắn theocông Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường v theo thức (2) đã được tích hợp vào công thức (1), kết (Thiều Quang Tuấn, 2013): quả so sánh được thể hiện qua Hình 4. Hình 4. Kiểm định số liệu thí nghiệm Bảng 1 với trường hợp tường đỉnh không có mũi hắt sóng theo Thiều Quang Tuấn (2013) và TAW-2002 Kết quả thể hiện trên Hình 4 cho thấy ảnh (2) đủ độ tin cậy. Do đó có thể kế thừa công hưởng của tường đỉnh trên đê trong trường hợp thức này để mở rộng cho trường hợp khi tường không có mũi hắt được tính toán theo công thức đỉnh có mũi hắt. 116 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
4. 5. PHÂN TÍCH MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG 900) được kiểm định với công thức (2) tích hợp vào CỦA MŨI HẮT SÓNG ĐẾN SÓNG TRÀN công thức (1) thể hiện như Hình 5. Kết quả cho thấy QUA ĐÊ BIỂN mũi hắt sóng có ảnh hưởng đáng kể đến lưu lượng Số liệu thí nghiệm sóng tràn trong trường hợp sóng tràn qua đê biển và do vậy cần thiết phải kể đến 0 tường đỉnh có mũi hắt sóng (góc mũi hắt  = 45 và ảnh hưởng này trong hệ số ảnh hưởng tổng hợp v. Hình 5. Ảnh hưởng của mũi hắt của tường đỉnh đến sóng tràn qua đê biển 6. PHƯƠNG PHÁP MỚI XÁC ĐỊNH HỆ Nhìn chung a là hàm số phức hợp phụ thuộc SỐ ẢNH HƯỞNG TỔNG HỢP CỦA vào bề rộng tương đối S/Hm0, 0m, góc mũi hắt  TƯỜNG ĐỈNH CÓ MŨI HẮT và chiều cao mũi hắt tương đối hn/W. Do ảnh hưởng của mũi hắt sóng và thềm S hn trước phụ thuộc vào nhau và coi ảnh hưởng của a F ,,,0m  (6) HW chiều cao tường là độc lập (Nguyễn Văn Dũng m0 và cộng sự, 2015), trên cơ sở kế thừa công thức Phương trình (6) được xác định dựa vào các (2) thì hệ số chiết giảm của tường đỉnh có mũi số liệu thí nghiệm cùng với các điều kiện biên hắt được thể hiện như sau: ràng buộc của a như sau: 1 1 1 a 0 khi 0 . (3) (7) a akhi 0& S 0 v  w  s,   max Trong đó s, là hệ số chiết giảm do ảnh Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường v từ số hưởng của thềm trước và mũi hắt sóng của liệu thí nghiệm so với đường chuẩn của (TAW, tường. 2002). Hệ số chiết giảm của mũi hắt và thềm trước log(QTAW )  v (8) s, có thể được xác định như (4): log(Qm ) 1 1S 1 1 với QTAW và Qm lần lượt là lưu lượng sóng 1 a a  (4) s,8 H m 0  0 m  s ,  0 tràn phi thứ nguyên xác định theo đường chuẩn với a là hệ số kể đến sự ảnh hưởng của mũi của (TAW, 2002) không kể đến ảnh hưởng của hắt, s,=0 là hệ số chiết giảm của thềm trước khi tường (vế phải của (1) với v =1.0) và lưu lượng không có mũi hắt (xác định theo công thức (1)). sóng tràn phi thứ nguyên đo đạc được (vế trái Từ (4), hệ số ảnh hưởng của mũi hắt và thềm của (1)). acó thể được xác định như sau: Kết quả phân tích sự phụ thuộc của avới 1 1 chiều rộng thềm tương đối ứng với các góc hắt a (5) s,  s ,  0 sóng  khác nhau được thể hiện như Hình 6. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 117
5. Hình 6. Sự phụ thuộc của a với bề rộng thềm và góc mũi hắt sóng Như vậy, với cùng một góc hắt sóng ( khi  tăng từ trên 45o đến 90o. Sự thay đổi của o không đổi, Hình 6b hoặc 6c), a giảm chậm theo atheo với > 45 là không nhiều, chứng tỏ a quy luật phi tuyến với bề rộng thềm tương đối đạt giá trị cực đại tương ứng với góc hắt > 45o. S/Hm0/0m. Giá trị alớn nhất ứng với trường Sự tăng giảm này của a tương tự như quy luật hợp không có thềm trước (S = 0). Khi có cùng hình sin. Giá trị góc  đem lại a,maxsẽ được xác một bề rộng thềm, a có xu thế tăng nhanh theo định dựa trên sự phù hợp nhất của hàm avới  khi  tăng từ 0 đến 45o và sau đó giảm chậm các số liệu thực nghiệm. Hình 7. Sự phụ thuộc của a với bề rộng thềm và chiều cao mũi tương đối. Nhìn chung có thể thấy rằng ảnh hưởng của luật tương tự như dạng hàm mũ. chiều cao tương đối của mũi hắt có ảnh hưởng Dựa vào những phân tích nêu trên chúng yếu đến hệ số chiết giảm tổng hợp. Với cùng ta có thể đưa ra phương trình quan hệ giữa a một bề rộng thềm tương đối thì agiảm chậm với các tham số chi phối của nó theo (9) như khi hn/W tăng. Quan hệ nghịch biến này có quy sau: Hm0 n1 h n a c tanh  m  exp sin n2   (9) SW trong đó c là hệ số kinh nghiệm xác định theo 5) là các hằng số được xác định theo phương phương pháp hồi quy với các số liệu thí nghiệm, pháp thử dần theo quy luật ảnh hưởng sao để n1 và n2 (n2> 1 theo kết quả phân tích từ (Hình đem lại sự phù hợp nhất của hàm. 118 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
6. Kết quả phân tích hồi quy nhiều biến sử dụng 1.5 và hệ số thực nghiệm c = 0.222. Công thức Matlab cho kết quả các hằng số n1 = 2.0 và n2 = (9) có thể được viết lại như sau: Hm0 2 h n a 0.222  tanh  m  exp sin 1.5   (10) SW o o Với n2 = 1.5 có nghĩa là khi  = 90 /1.5 = 60 thì ảnh hưởng của mũi hắt là lớn nhất (tức sin(1.5) = 1.0). Điều này cũng phù hợp với nghiên cứu của (Doorslaer và De Rouck, 2010). Hình 8. Đường hồi quy hàm số thực nghiệm xác định hệ a Đường hồi quy của (10) với các số liệu thực định theo (10), hệ số chiết giảm s, theo (4), chúng nghiệm được thể hiện trên Hình 8 với hệ số hồi ta có thể dễ dàng xác định hệ số chiết giảm tổng 2 quy khá tốt R = 56 % (so với tính ngẫu nhiên hợp của tường đỉnh v theo (3). So sánh v giữa kết và bất định cao của sóng tràn qua tường đỉnh). quả tính toán và thực đo được thể hiện ở trên Hình Với hệ số ảnh hưởng của thềm và mũi hắt xác 9 với mức độ phù hợp khá tốt R2 = 59 %. Hình 9. Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh có mũi hắt sóng v: thực đo và tính toán Toàn bộ số liệu thí nghiệm sóng tràn sau hưởng của mũi hắt thông qua hệ số ảnh khi đã kể đến hệ số ảnh hưởng tổng hợp của hưởng tổng hợp giữa mũi hắt và thềm trước tường đỉnh v xác định theo (3) được thể hiện đã đem lại mức độ tin cậy cao trong tính toán ở Hình 10. So sánh kết quả giữa Hình 10 và sóng tràn trong trường hợp tường đỉnh trên Hình 5 có thể thấy rằng việc kể đến ảnh đê có mũi hắt sóng. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 119
7. Hình 10. Sóng tràn qua đê biển với hệ số ảnh hưởng tổng hợp mới cho tường đỉnh có mũi hắt 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ mũi hắt. Trên cơ sở công thức (2), quá trình Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho phân tích từ chuỗi số liệu thí nghiệm cho thấy thấy (TAW, 2002) chưa mô tả xác đáng ảnh ảnh hưởng của mũi hắt đến lưu lượng tràn qua hưởng của tường đỉnh đến sóng tràn qua đê đê là khá đáng kể, đồng thời mức độ chi phối biển. Việc sử dụng độ dốc mái đê quy đổi khi có của tường đỉnh có mũi hắt là không giống tường tỏ ra không phù hợp, tạo ra hiện tượng nhau khi thay đổi thềm trước (S), góc nghiêng sóng không vỡ giả, làm giảm độ tin cậy của của mũi hắt và chiều cao tương đối cũng ảnh (TAW, 2002). hưởng đáng kể đến lưu lượng tràn qua đê. Kết quả kiểm tra từ bộ số liệu của 324 thí Điều này đã gợi mở cho việc đề xuất một hệ nghiệm cho thấy ảnh hưởng của tường đỉnh số ảnh hưởng tổng hợp mới, được phát triển từ trên đê trong trường hợp không có mũi hắt có công thức (2). Hệ số tổng hợp này là hàm số thể được tính toán đủ tin cậy theo công thức phức hợp phụ thuộc vào bề rộng tương đối (2). Do vậy có thể kế thừa phương pháp này S/Hm0, 0m, góc mũi hắt  và chiều cao mũi để mở rộng cho trường hợp khi tường đỉnh có hắt tương đối hn/W. TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Minh Cát và cộng sự (2008), “Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam”, Báo cáo tổng hợp đề tài NCKH cấp Bộ, Hà Nội. Nguyễn Văn Dũng, Lê Xuân Roanh, Thiều Quang Tuấn (2015), Nghiên cứu ảnh hưởng của mũi hắt đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường số 50 (9/2015). EurOtop (2007), “Wave Overtopping of Sea Defences and Related Structures: Assessment Manual”, Environment Agency UK/Expertise Netwerk Waterkeren NL/Kuratorium fur Forschung im Kusteningenieurswesen, DE. Pozueta, B., Van Gent, M.R.A., Van den Boogaard, H.F.P. and Medina, J.R. (2004), ”Neural network modelling of wave overtopping at coastal structures”, Proc. 29th Int. Conf. Coastal Eng.(ICCE 2004), ASCE, Lisbon, Portugal, pp. 4275-4287. TAW-2002 (2002),“Technical report wave run-up and wave overtopping at dikes”, Technical Advisory Committee on Flood Defence, The Netherlands. Thiều Quang Tuấn(2013), Trang 23, “Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển”, Báo cáo khoa học thường niên trường Đại học Thủy lợi 2013. 120 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
8. Van Doorslaer K. and De Rouck J. (2010), “Reduction of wave overtopping on a smooth dike by means of a parapet”, Coastal Eng.(ICCE 2010). Verhaeghe, H., Van der Meer, J.W., Steendam, G.J., Besley, P., Franco, L. and Van Gent, M.R.A. (2003), “Wave overtopping database as the starting point for a neural network prediction method”, ASCE, Proc. Coastal Structures 2003, Portland, pp. 418-430.WL, 2004. DELFT-AUKEPC users’ manual, DELTARES, www.detares.nl/nl/software/1029548/aukepc. 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 Abstract: RESEARCH EFFECTS OF CROWN-WALLS HAVING NOSE TO WAVE OVERTOPPING DISCHARGES THROUGH SEA-DIKES. Overtopping discharge on top of sea dike with crown wall is not ally depended free board Rc, slope of dike, roughness but also related to location, height and shape of the crown wall. Based on the 324 random scenariosexperiment of physical wave flume modeling we have founded an empirical formula to determine the impacts of the nose of crown-walls to wave overtopping discharge through sea-dikes. Therefore the research results also made more clearly Thieu Quan Tuan’ formula (2013) as well as TAW- 2002 in case of crown wall. Keywords: crown - walls, Nose, wave overtopping, Sea-dikes, TAW-2002, Tuan 2013. BBT nhận bài: 25/4/2016 Phản biện xong: 15/6/2016 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 121