Nghiên Cứu Mô Hình Toán Giảm Sóng Tại Đê Ngầm Phá Sóng Trước Bãi Đê

• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Biển
• Đề tài: Mô Hình Toán Giảm Sóng Hiệu Quả Cho Đê Ngầm Phá Sóng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• 1. CHƯƠNG 1: TONG QUAN NGHIÊN CỨU VE HIỆU QUA GIAM SONG CUA DE NGAM
• 1.1. THỦY ĐỘNG LUC HỌC VEN BIEN
• 1.2. TONG QUAN VE DE NGAM
• 1.2.1. Vai trò giảm sóng
• 1.2.2. Cấu tạo, kết cấu
• 1.2.3. Vấn đề mô phỏng sóng vỡ
• 1.3. TONG QUAN NGHIÊN CỨU HIỆU QUA GIAM SÓNG CUA DE NGAM
• 1.3.1. Dé ngầm ở Nhật

I. Mô Hình Toán Giảm Sóng Hiệu Quả

Mô hình toán giảm sóng hiệu quả cho đê ngầm phá sóng là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật biển. Mô hình này không chỉ giúp phân tích sự tương tác giữa sóng và đê ngầm mà còn đánh giá hiệu quả giảm sóng của các công trình này. Việc nghiên cứu mô hình toán giúp xác định các tham số ảnh hưởng đến khả năng giảm sóng, từ đó đề xuất những giải pháp hợp lý cho việc bảo vệ bãi trước đê. Sự cần thiết của mô hình này được thể hiện rõ qua tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu, khi mà các hiện tượng thiên tai như bão lũ ngày càng gia tăng. Điều này đòi hỏi các giải pháp bảo vệ bờ biển phải hiệu quả và kinh tế hơn. Đặc biệt, mô hình toán giúp tối ưu hóa thiết kế của đê ngầm, từ đó tăng cường khả năng chịu đựng của hệ thống đê biển trong điều kiện sóng lớn và triều cường.

1.1. Tính Chất và Vai Trò Của Đê Ngầm

Đê ngầm đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển khỏi tác động của sóng và triều cường. Tính chất của đê ngầm không chỉ là giảm sóng mà còn duy trì ổn định cho bãi trước đê. Bãi trước đê là khu vực đệm, giúp giảm thiểu tác động của sóng đến các công trình ven biển. Nghiên cứu cho thấy rằng việc thiết kế đê ngầm cần phải xem xét đến các yếu tố như chiều cao sóng, năng lượng sóng và hình dạng mặt cắt ngang của đê. Các giải pháp thiết kế hợp lý không chỉ giúp giảm sóng mà còn bảo vệ các công trình hạ tầng quan trọng nằm gần bờ biển.

1.2. Phương Pháp Nghiên Cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong mô hình toán này bao gồm tổng hợp các kết quả nghiên cứu trước đó và ứng dụng các phương pháp mô hình số hiện đại. Việc kiểm định mô hình số với các kết quả thí nghiệm thực tế giúp đảm bảo tính chính xác và khả thi của mô hình. Các kịch bản mở rộng được xây dựng để phân tích hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trong các điều kiện thủy hải văn khác nhau. Điều này không chỉ giúp cải thiện tính toán mà còn cung cấp cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực bảo vệ bờ biển.

1.3. Ứng Dụng Thực Tiễn

Mô hình toán giảm sóng cho đê ngầm có thể được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển. Các kết quả nghiên cứu có thể hỗ trợ các nhà thiết kế trong việc lựa chọn hình dạng và kích thước của đê ngầm, từ đó tối ưu hóa hiệu quả giảm sóng. Hơn nữa, mô hình này còn có thể được sử dụng để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến các công trình ven biển, giúp đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời. Việc áp dụng mô hình toán không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và sinh kế của người dân sống gần bờ biển.

Tổng quan nghiên cứu

Đê biển và các công trình phụ trợ như đê ngầm phá sóng đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ vùng nội địa khỏi lũ lụt và thiên tai từ phía biển. Trên thế giới, đặc biệt ở các quốc gia có biển, công tác nghiên cứu và xây dựng đê biển đã có lịch sử phát triển lâu đời, tuy nhiên mức độ phát triển và ứng dụng còn phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và trình độ phát triển của từng quốc gia. Ở Việt Nam, bãi trước đê biển giữ vai trò quan trọng trong việc ổn định và bảo vệ đê, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu làm gia tăng tần suất và cường độ thiên tai như bão, lũ, sóng thần và nước biển dâng.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu mô hình toán học mô phỏng quá trình lan truyền sóng qua đê ngầm trên bãi đê, từ đó phân tích và đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm dưới tác động của các điều kiện thủy hải văn và các tham số hình học mặt cắt ngang đê khác nhau. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mô hình đê ngầm điển hình tại Việt Nam, với dữ liệu thực nghiệm từ thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng và mô phỏng số bằng mô hình toán học họ Boussinesq. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp thiết kế đê biển hiệu quả, kinh tế và bền vững, góp phần nâng cao an toàn vùng ven biển trước các tác động của thiên tai và biến đổi khí hậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy động lực học ven biển, trong đó nổi bật là:

• Lý thuyết về bãi trước đê biển: Bãi trước đê là vùng bãi biển nằm giữa chân đê và mực nước triều thấp, đóng vai trò như vùng đệm giảm tác động sóng và dòng chảy đến đê biển. Sự ổn định của bãi trước ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn và ổn định của đê biển.

• Mô hình toán học họ Boussinesq: Đây là mô hình lan truyền sóng có khả năng mô phỏng biến đổi tần số sóng, sóng vỡ và các quá trình phi tuyến trong vùng nước nông đến trung bình sâu. Mô hình này được lựa chọn do phù hợp với đặc điểm sóng tác động lên đê ngầm và có hiệu quả tính toán cao.

• Khái niệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm: Được đánh giá qua hệ số truyền sóng $k = \frac{H_s'}{H_s}$, trong đó $H_s$ là chiều cao sóng đến trước đê, $H_s'$ là chiều cao sóng sau đê. Hiệu quả giảm sóng càng cao khi $k$ càng nhỏ.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu truyền thống và hiện đại:

• Tổng hợp và kế thừa kết quả nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực kỹ thuật biển và bảo vệ bờ biển.

• Thí nghiệm mô hình vật lý tại máng sóng Hà Lan với tỷ lệ mô hình hóa chiều dài từ 1:15 đến 1:20, sử dụng máy tạo sóng piston và hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động. Thí nghiệm mô phỏng các trường hợp sóng bão theo phổ Jonswap, đo đạc chiều cao sóng trước và sau đê ngầm với các tham số hình học khác nhau.

• Mô phỏng số bằng mô hình toán học họ Boussinesq (PCOULWAVE), được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên số liệu thực nghiệm mô hình vật lý. Mô hình được thiết lập với các tham số như hệ số nhớt xoáy, độ nhám bề mặt, lớp hấp thụ sóng tại biên, nhằm tối ưu hóa độ chính xác và độ ổn định của kết quả.

• Phân tích hơn 100 kịch bản mô phỏng với các biến đổi về bề rộng đỉnh đê, độ ngập nước, hệ số mái đê, độ dốc bãi trước đê và điều kiện sóng đầu vào để đánh giá ảnh hưởng của từng tham số đến hiệu quả giảm sóng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê đến hiệu quả giảm sóng:

   • Khi tỷ số bề rộng đỉnh đê trên chiều dài sóng (B/L) tăng từ 0,05 đến 0,45, hiệu quả giảm sóng tăng từ khoảng 7% đến hơn 32% (sóng H20T20).
   • Sóng có chu kỳ dài hơn (H20T25) cho hiệu quả giảm sóng cao hơn với cùng bề rộng đỉnh đê, ví dụ hiệu quả giảm sóng đạt khoảng 26% khi B/L = 0,36.

2. Ảnh hưởng của độ ngập nước đê (S/Hs) đến hiệu quả giảm sóng:

   • Hiệu quả giảm sóng tăng khi độ ngập nước giảm. Khi đê ngập hoàn toàn (S/Hs = 0,4), hiệu quả giảm sóng chỉ khoảng 2%, trong khi khi đê gần như không ngập (S/Hs = 0), hiệu quả giảm sóng đạt trên 45% (sóng H20T20).
   • Hiệu quả giảm sóng giảm dần khi độ ngập tăng, gần như không còn tác dụng khi S/Hs > 2.

3. Ảnh hưởng của hệ số mái đê:

   • Đê có mái thoải hơn (hệ số mái lớn) có hiệu quả giảm sóng cao hơn, tuy nhiên sự ảnh hưởng không lớn và phụ thuộc vào vật liệu xây dựng đê.

4. Ảnh hưởng của độ dốc bãi trước đê:

   • Độ dốc bãi trước đê có ảnh hưởng rất nhỏ đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm. Bãi biển thoải hơn có thể giúp tăng nhẹ hiệu quả giảm sóng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phụ thuộc chủ yếu vào hai tham số hình học chính: bề rộng đỉnh đê và độ ngập nước. Bề rộng đỉnh đê càng lớn, khả năng hấp thụ và tiêu hao năng lượng sóng càng cao, làm giảm chiều cao sóng phía sau đê. Độ ngập nước đê càng nhỏ, đê càng hoạt động hiệu quả như một công trình phá sóng, giảm năng lượng sóng truyền qua.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các mô hình đê ngầm tại Nhật Bản và Hoa Kỳ, nơi các công trình đê ngầm cũng được thiết kế với bề rộng đỉnh và độ ngập nước tương tự để tối ưu hiệu quả giảm sóng. Việc mô hình toán PCOULWAVE được hiệu chỉnh và kiểm định kỹ càng với sai số dưới 5% so với số liệu thực nghiệm vật lý cho thấy độ tin cậy cao của phương pháp nghiên cứu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ số B/L, S/Hs với hiệu quả giảm sóng, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của từng tham số. Bảng số liệu chi tiết hỗ trợ việc phân tích sâu hơn và xây dựng các phương pháp tính toán sơ bộ hiệu quả giảm sóng cho đê ngầm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thiết kế đê ngầm với bề rộng đỉnh phù hợp:

   • Ưu tiên lựa chọn bề rộng đỉnh đê đạt tỷ số B/L từ 0,3 đến 0,5 để đảm bảo hiệu quả giảm sóng trên 25% trong điều kiện sóng phổ biến.
   • Thời gian thực hiện: giai đoạn thiết kế công trình bảo vệ bờ biển.
   • Chủ thể thực hiện: các đơn vị tư vấn thiết kế công trình biển.

2. Kiểm soát độ ngập nước đê ngầm:

   • Thiết kế đê ngầm với độ ngập nước thấp (S/Hs < 0,2) để tối ưu hiệu quả giảm sóng, tránh xây dựng đê ngập sâu làm giảm tác dụng công trình.
   • Thời gian thực hiện: trong quá trình khảo sát địa hình và thiết kế.
   • Chủ thể thực hiện: các nhà quản lý dự án và kỹ sư thiết kế.

3. Ưu tiên sử dụng mái đê thoải khi điều kiện vật liệu cho phép:

   • Mái đê thoải giúp tăng hiệu quả giảm sóng và giảm thiểu xói lở chân đê.
   • Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế chi tiết.
   • Chủ thể thực hiện: đơn vị thi công và thiết kế.

4. Áp dụng mô hình toán PCOULWAVE trong đánh giá và thiết kế:

   • Sử dụng mô hình đã được hiệu chỉnh để mô phỏng các kịch bản sóng và hình học đê khác nhau, từ đó lựa chọn phương án tối ưu.
   • Thời gian thực hiện: trong giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi và thiết kế.
   • Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học và đơn vị tư vấn kỹ thuật.

5. Theo dõi và bảo trì công trình đê ngầm định kỳ:

   • Giám sát sự biến đổi của bãi trước đê và hiệu quả giảm sóng để kịp thời điều chỉnh, bổ sung vật liệu hoặc sửa chữa công trình.
   • Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành công trình.
   • Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý ven biển và đơn vị vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà thiết kế và tư vấn công trình biển:

   • Hưởng lợi từ các kết quả mô phỏng và phương pháp tính toán hiệu quả giảm sóng để thiết kế đê ngầm phù hợp với điều kiện địa phương.

2. Cơ quan quản lý ven biển và phòng chống thiên tai:

   • Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy hoạch và kế hoạch bảo vệ bờ biển trước tác động của biến đổi khí hậu và thiên tai.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật biển, thủy văn:

   • Tham khảo các phương pháp mô hình toán, thí nghiệm vật lý và phân tích dữ liệu trong lĩnh vực bảo vệ bờ biển.

4. Chính quyền địa phương và nhà đầu tư phát triển du lịch ven biển:

   • Áp dụng các giải pháp bảo vệ bờ biển bền vững, giảm thiểu rủi ro thiên tai, đồng thời phát triển kinh tế - xã hội khu vực ven biển.

Câu hỏi thường gặp

1. Đê ngầm phá sóng là gì và vai trò của nó trong bảo vệ bờ biển?
   Đê ngầm phá sóng là công trình xây dựng dưới mặt nước, có tác dụng giảm năng lượng sóng trước khi sóng tiếp xúc với bờ hoặc đê biển. Nó giúp giảm xói lở bãi trước đê, bảo vệ công trình ven bờ và vùng nội địa khỏi lũ lụt và thiên tai.

2. Mô hình toán họ Boussinesq có ưu điểm gì trong mô phỏng sóng?
   Mô hình này mô phỏng tốt sự biến đổi tần số sóng, sóng vỡ và các quá trình phi tuyến trong vùng nước nông đến trung bình sâu, phù hợp với điều kiện sóng tác động lên đê ngầm, đồng thời có hiệu quả tính toán cao hơn so với các mô hình phức tạp hơn.

3. Các tham số hình học nào ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm?
   Bề rộng đỉnh đê và độ ngập nước đê là hai tham số chính ảnh hưởng đến hiệu quả giảm sóng. Bề rộng đỉnh lớn và độ ngập nước thấp giúp tăng khả năng hấp thụ và tiêu hao năng lượng sóng.

4. Tại sao độ ngập nước đê càng lớn thì hiệu quả giảm sóng càng giảm?
   Khi đê ngập sâu, sóng dễ dàng truyền qua công trình mà ít bị tiêu hao năng lượng, làm giảm tác dụng phá sóng của đê ngầm. Ngược lại, đê ngập thấp tạo điều kiện cho sóng vỡ và tiêu hao năng lượng hiệu quả hơn.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu này vào thiết kế thực tế?
   Kết quả mô phỏng và phương trình hiệu quả giảm sóng có thể được sử dụng để lựa chọn kích thước mặt cắt đê ngầm phù hợp với điều kiện sóng và địa hình cụ thể, đồng thời kết hợp với khảo sát thực địa và thí nghiệm vật lý để tối ưu thiết kế.

Kết luận

• Đê ngầm phá sóng là giải pháp công trình chủ động, hiệu quả và khả thi trong bảo vệ bãi trước đê và nâng cao an toàn đê biển trước tác động của sóng và biến đổi khí hậu.
• Mô hình toán họ Boussinesq (PCOULWAVE) được hiệu chỉnh và kiểm định với sai số dưới 5%, phù hợp để mô phỏng lan truyền sóng qua đê ngầm.
• Bề rộng đỉnh đê và độ ngập nước đê là hai tham số hình học chính ảnh hưởng đến hiệu quả giảm sóng, với hiệu quả giảm sóng có thể đạt trên 45% khi đê ngập thấp và bề rộng đỉnh lớn.
• Đề xuất các giải pháp thiết kế đê ngầm với bề rộng đỉnh và độ ngập nước tối ưu, kết hợp theo dõi, bảo trì công trình để đảm bảo hiệu quả lâu dài.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng với các điều kiện sóng phức tạp hơn và ứng dụng thực tế tại các vùng ven biển có nguy cơ cao như Thừa Thiên Huế.

Hành động tiếp theo: Áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu để thiết kế, thi công và giám sát các công trình đê ngầm phá sóng tại các khu vực ven biển trọng điểm, góp phần bảo vệ bờ biển và phát triển bền vững vùng duyên hải.