Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển với kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh, ứng dụng hiệu quả trong xây dựng đê biển.

• Tác giả: Phan Đình Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đình Hòa
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển
• Đề tài: Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Nội dung nghiên cứu
• 0.4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 0.6. Cấu trúc của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN VÀ CÁC KẾT CẤU RỖNG TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN
• 1.1. Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển
• 1.1.1. Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới
• 1.1.2. Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam
• 1.2. Tổng quan kết cấu rỗng trong công trình biển
• 1.2.1. Tổng quan các công trình sử dụng kết cấu rỗng
• 1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu kết cấu rỗng
• 1.3. Hiện trạng và tồn tại đê biển khu vực đồng bằng sông Cửu Long
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU
• 2.1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu sóng tràn
• 2.2. Các tham số chi phối sóng tràn
• 2.3. Các tham số sóng
• 2.4. Phương pháp tính sóng tràn qua các mặt cắt đặc trưng
• 2.4.1. Phương pháp tính sóng tràn mái nghiêng và mái nghiêng có tường đỉnh
• 2.4.2. Phương pháp tính sóng tràn qua mặt cắt tường biển
• 2.5. Cơ sở lý thuyết về thí nghiệm mô hình vật lý
• 2.5.1. Lý thuyết tương tự và tỷ lệ mô hình
• 2.5.2. Cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích thứ nguyên
• 2.5.3. Phân tích thứ nguyên xác định các tham số chi phối để xây dựng phương trình tổng quát xác định lưu lượng tràn
• 2.5.4. Thiết lập phương trình tổng quát về sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD)
• 2.6. Cơ sở lựa chọn các tham số và kịch bản thí nghiệm
• 2.6.1. Lựa chọn loại mặt cắt nghiên cứu
• 2.6.2. Lựa chọn độ sâu nước và độ dốc bãi thí nghiệm
• 2.6.3. Lựa chọn thông số sóng thí nghiệm
• 2.7. Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm
• 2.7.1. Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc
• 2.7.2. Bố trí thí nghiệm
• 2.8. Các phương án thí nghiệm
• 2.9. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU ĐẾN SÓNG TRÀN BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG
• 3.1. Cơ sở đề xuất mặt cắt đê biển có kết cấu rỗng trên đỉnh
• 3.1.1. Đánh giá sóng tràn qua các mặt cắt thí nghiệm
• 3.1.2. Đánh giá sóng phản xạ qua các mặt cắt thí nghiệm
• 3.2. Đánh giá xu thế sóng tràn qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) so với phương pháp tính toán sóng tràn qua mặt cắt tường biển hỗn hợp
• 3.3. Đánh giá ảnh hưởng của các tham số chi phối
• 3.3.1. Tương quan độ cao lưu không và lưu lượng tràn
• 3.3.2. Tương quan độ sâu nước, độ dốc sóng và lưu lượng tràn
• 3.3.3. Tương quan hệ số rỗng bề mặt và lưu lượng tràn
• 3.4. Xây dựng công thức thực nghiệm
• 3.5. So sánh kết quả tính với số liệu đo đạc
• 3.6. Phạm vi ứng dụng công thức thực nghiệm của luận án
• 3.7. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO ĐÊ BIỂN NHÀ MÁT TỈNH BẠC LIÊU
• 4.1. Giới thiệu khu vực nghiên cứu
• 4.1.1. Vị trí địa lý và điều kiện địa hình
• 4.1.2. Điều kiện địa chất
• 4.1.3. Điều kiện khí tượng
• 4.1.4. Điều kiện thủy hải văn
• 4.2. Các điều kiện biên thiết kế
• 4.2.1. Cấp công trình và tần suất thiết kế
• 4.2.2. Điều kiện biên
• 4.2.3. Thông số kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh tính toán
• 4.2.4. Tính toán cao trình đỉnh mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD)
• 4.3. Công thức tính toán sóng tràn qua mặt cắt đê có TSD
• 4.4. Kiểm tra tính phù hợp công thức so với điều kiện biên
• 4.5. Thiết lập bảng tính toán sóng tràn
• 4.6. Phương pháp tính
• 4.7. Tính toán lưu lượng tràn qua mặt cắt hiện trạng
• 4.7.1. Thông số mặt cắt, điều kiện biên tính toán
• 4.7.2. Công thức xác định
• 4.8. Phân tích, đánh giá hiệu quả mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) so với mặt cắt đê biển hiện trạng
• 4.9. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 0.7. Tồn tại và hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu mặt cắt ngang đê biển

Nghiên cứu mặt cắt ngang đê biển là một phần quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển. Luận án tập trung vào việc đề xuất một dạng mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh, nhằm cải thiện hiệu quả giảm sóng tràn và giảm tải trọng lên nền móng. Kết cấu này được thiết kế để phù hợp với điều kiện địa chất mềm yếu và biến đổi khí hậu tại vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL).

1.1. Tổng quan về kết cấu rỗng

Kết cấu rỗng đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình biển, đặc biệt là đê giảm sóng xa bờ. Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng kết cấu rỗng có khả năng giảm sóng truyền và sóng phản xạ hiệu quả. Luận án kế thừa và phát triển các nghiên cứu này, đề xuất kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh để áp dụng vào mặt cắt đê biển.

1.2. Đề xuất mặt cắt ngang

Mặt cắt ngang đê biển được đề xuất bao gồm kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh, giúp giảm tải trọng lên nền móng và tăng khả năng chống chịu sóng tràn. Kết cấu này được thiết kế với tỷ lệ lỗ rỗng phù hợp để đảm bảo hiệu quả giảm sóng mà không làm tăng áp lực lên công trình.

II. Sóng tràn qua đê biển

Sóng tràn qua đê biển là hiện tượng nước biển vượt qua đỉnh đê do tác động của sóng lớn. Luận án nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sóng tràn, bao gồm độ cao sóng, độ sâu nước, và độ dốc bãi. Kết quả nghiên cứu giúp xác định lưu lượng sóng tràn và đề xuất các giải pháp thiết kế đê biển hiệu quả.

2.1. Phân tích sóng tràn

Luận án sử dụng phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng để phân tích sóng tràn qua đê biển. Các tham số như độ cao sóng, độ sâu nước, và độ dốc bãi được điều chỉnh để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến lưu lượng sóng tràn.

2.2. Công thức tính toán sóng tràn

Dựa trên kết quả thí nghiệm, luận án xây dựng công thức tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình qua mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh. Công thức này giúp các kỹ sư thiết kế đê biển với độ chính xác cao hơn, đảm bảo an toàn cho công trình.

III. Ứng dụng kết quả nghiên cứu

Luận án ứng dụng kết quả nghiên cứu vào việc tính toán và thiết kế đê biển tại khu vực Nhà Mát, tỉnh Bạc Liêu. Các thông số kỹ thuật của kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh được áp dụng để đánh giá hiệu quả giảm sóng tràn và tối ưu hóa thiết kế đê biển.

3.1. Tính toán cho đê biển Nhà Mát

Luận án tiến hành tính toán lưu lượng sóng tràn qua mặt cắt đê biển hiện trạng và so sánh với mặt cắt đê có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh. Kết quả cho thấy kết cấu mới giúp giảm đáng kể lưu lượng sóng tràn, đồng thời giảm tải trọng lên nền móng.

3.2. Đánh giá hiệu quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh không chỉ giảm sóng tràn mà còn giảm sóng phản xạ, giúp tăng tuổi thọ và độ ổn định của đê biển. Đây là giải pháp tiềm năng cho việc bảo vệ bờ biển tại vùng ĐBSCL.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang và sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phan Đình Tuấn, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Trần Đình Hòa và PGS. Nguyễn Bá Quỳ, bảo vệ tại Trường Đại học Thủy Lợi năm 2022 thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình biển (mã số: 958 02 03).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống đê biển Việt Nam đóng vai trò then chốt trong bảo vệ tính mạng, tài sản và phục vụ sản xuất ven biển. Tuy nhiên, trước tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và tình trạng sạt lở gia tăng, đặc biệt tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), các công trình đê biển hiện hữu đã bộc lộ nhiều hạn chế. Theo các tiêu chuẩn thiết kế trước đây (như 14 TCN 130-2002), tần suất thiết kế cho đê cấp III và IV là 5%, trong khi các quy chuẩn hiện nay yêu cầu nâng lên mức 2% (cấp III) và 3,33% (cấp IV). Sự thay đổi này cùng với mực nước biển dâng đòi hỏi phải nâng cao cao trình đỉnh đê để kiểm soát sóng tràn.

Tại khu vực ĐBSCL, điều kiện địa chất nền đất yếu gây khó khăn lớn cho việc tôn cao toàn bộ mặt cắt đê truyền thống do làm tăng tải trọng bản thân và nguy cơ sụt lún, trượt lở. Giải pháp bố trí tường đỉnh dạng đứng bước đầu giúp nâng cao độ chống tràn nhưng lại tạo sóng phản xạ lớn ($k_r = 0,7 \div 1,0$), gây xói lở chân đê và tạo sóng bắn nguy hiểm khi tương tác với sóng lớn và gió bão. Mặt khác, các kết cấu rỗng tiêu sóng đúc sẵn tuy đã được ứng dụng cho đê giảm sóng xa bờ nhưng chưa được nghiên cứu bài bản khi tích hợp trực tiếp lên đỉnh mặt cắt đê biển để kiểm soát sóng tràn. Do đó, việc nghiên cứu đề xuất một dạng mặt cắt đê biển mới kết hợp cấu kiện rỗng và xây dựng công thức tính toán sóng tràn tương ứng là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

1. Nghiên cứu đề xuất được một dạng mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD).
2. Xây dựng được công thức tính toán lưu lượng tràn trung bình qua mặt cắt ngang đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Mặt cắt ngang đê biển và đặc trưng thủy động lực học của sóng tràn qua đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh.
• Phạm vi nghiên cứu: Điều kiện tự nhiên, thủy hải văn và địa chất vùng đồng bằng sông Cửu Long; ứng dụng tính toán thử nghiệm cụ thể cho tuyến đê biển Nhà Mát, tỉnh Bạc Liêu.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển bắt đầu từ các thí nghiệm sóng đơn của Saville (1955). Đến năm 1980, Owen thiết lập công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua mái dốc nhẵn dựa trên 500 thí nghiệm sóng ngẫu nhiên, đưa ra các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào độ dốc mái đê và hệ số chiết giảm độ nhám $\gamma_r$. De Waal và Van der Meer (1992) bổ sung ảnh hưởng của độ thiếu hụt lưu không thông qua sóng leo $R_{u2%}$, sau đó Van der Meer (1993), Van der Meer và Janssen (1995) hoàn thiện công thức dựa trên chiều cao lưu không tương đối $R_c/H_s$ và tính chất tương tác sóng vỡ/không vỡ. Các sổ tay kỹ thuật như CEM 1110-2-1100, TAW (2002) và EurOtop (2007, 2018) đã chuẩn hóa phương pháp tính sóng tràn cho nhiều dạng kết cấu.

Đối với kết cấu tường đỉnh và tường đứng, Doorslaer và cộng sự (2015) thực hiện hơn 1.000 thí nghiệm để xác định hệ số chiết giảm tổng hợp $\gamma_v$ từ chiều cao tường, thềm trước và mũi hắt sóng. Các nghiên cứu của Franco và cộng sự (1994) cho vùng nước sâu và Allsop và cộng sự (1995) cho vùng nước nông đã so sánh mô hình tính toán qua bộ dữ liệu CLASS. Van der Meer và Bruce (2014) tổng hợp các chế độ sóng tràn qua tường biển hỗn hợp bao gồm chảy tràn, sóng xung kích và sóng bắn. Về kết cấu rỗng tiêu sóng, Jarlan (1961) đề xuất buồng tiêu sóng (BTS), sau đó được ứng dụng tại Nhật Bản (cảng Miyazaki) và Trung Quốc (cảng Thiên Tân, cửa sông Dương Tử). Dhinakaran và cộng sự (2009–2012) khảo sát kết cấu rỗng giảm sóng xa bờ, xác định tỷ lệ lỗ rỗng tối ưu là 11%. Franco và Franco (1999) khảo sát tường đứng thùng chìm đục lỗ có tỷ lệ rỗng 20%.

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2006, 2009, 2010, 2013) đã tiến hành nhiều chuỗi thí nghiệm mô hình vật lý để đánh giá độ tin cậy của TAW (2002), phát hiện TAW đánh giá thấp ảnh hưởng của tường đỉnh và đề xuất công thức tính hệ số ảnh hưởng tổng hợp $\gamma_v$ cho tường đỉnh có thềm trước trong điều kiện sóng ngẫu nhiên. Nguyễn Văn Thìn (2014) khảo sát ảnh hưởng của tường đỉnh và thềm cơ dưới tác động của sóng đều. Nguyễn Văn Dũng (2017) nghiên cứu tường đỉnh có mũi hắt sóng; Phùng Đăng Hiếu và Phan Ngọc Vinh (2012) sử dụng mô hình số VOF khảo sát độ xốp của mái và cơ đê.

Đối với kết cấu rỗng, Nguyễn Trung Anh (2007) khảo sát thùng chìm có buồng tiêu sóng với các dạng lỗ tròn, khe dọc, khe ngang. Lê Thanh Chương và cộng sự (2017–2020) nghiên cứu kết cấu giảm sóng bán nguyệt và lăng thể tứ giác đúc sẵn. Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2018–2019) nghiên cứu kết cấu giảm sóng hình thang rỗng có cọc và không cọc. Về mặt tính toán lực sóng, Nguyễn Viết Thanh (2014) và Trần Văn Thái và cộng sự (2018) đã nghiên cứu áp lực sóng lên đê trụ rỗng dựa trên lý thuyết của Tanimoto - Takahashi và Yuan Dekui - Tao Jianhua, xây dựng tiêu chuẩn cơ sở của Viện Thủy công năm 2018. Năm 2016, Phan Đình Tuấn và nhóm nghiên cứu bước đầu thử nghiệm 7 phương án kết cấu ¼ trụ rỗng trong máng sóng tại Hải Phòng.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Mặc dù kết cấu rỗng đã được áp dụng cho đê giảm sóng xa bờ, các công trình này chủ yếu được thiết kế ngập hoặc bán ngập cho phép sóng tràn qua lớn. Chưa có nghiên cứu hệ thống nào đánh giá cơ chế tương tác sóng, khả năng chiết giảm sóng tràn và sóng phản xạ của cấu kiện ¼ trụ rỗng (TSD) khi lắp đặt trực tiếp trên đỉnh đê biển mái nghiêng kết hợp cơ thềm. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp phân tích thứ nguyên và thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng để xây dựng công thức thực nghiệm dự báo lưu lượng sóng tràn chuyên biệt.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm thủy động lực học

Luận án tiếp cận bài toán sóng tràn dựa trên cơ sở thủy động lực học công trình biển, phân định rõ hai hiện tượng:

1. Chảy tràn (Green water overtopping): Khối nước dâng vượt qua đỉnh đê tương đối liên tục do động năng sóng.
2. Sóng bắn/tràn xung kích (White water/Spray overtopping): Sóng vỡ mạnh trước công trình tạo bọt khí và cột nước bắn qua đỉnh đê dưới tác động của vận tốc hạt nước và gió.

Hiện tượng tương tác giữa sóng và công trình được phân loại thông qua chỉ số tương tự sóng vỡ Iribarren: $$\xi_{0m} = \frac{\tan\alpha}{\sqrt{s_m}} = \frac{\tan\alpha}{\sqrt{\frac{H_{m0,d}}{L_0}}}$$ Trong đó $\xi \le 2,0$ đặc trưng cho sóng nhảy vỡ (tiêu hao năng lượng lớn) và $\xi > 2,0$ đặc trưng cho sóng dâng vỡ (năng lượng sóng không bị phá vỡ nhiều).

Phương pháp phân tích thứ nguyên

Để xác định hàm quan hệ giữa lưu lượng tràn và các tham số chi phối, luận án sử dụng định lý $\pi$ (Buckingham $\pi$-theorem). Các biến số độc lập và phụ thuộc được quy đổi về các nhóm đại lượng không thứ nguyên:

• Lưu lượng sóng tràn không thứ nguyên: $\frac{q}{\sqrt{g H_{m0}^3}}$
• Chiều cao lưu không tương đối: $\frac{R_c}{H_{m0}}$
• Độ sâu nước tương đối: $\frac{d}{h}$
• Độ dốc sóng tương đối: $\frac{H_{m0}}{h}$
• Hệ số rỗng bề mặt tiếp sóng: $\varepsilon$ (%)

Hàm tổng quát được thiết lập dưới dạng: $$\frac{q}{\sqrt{g H_{m0}^3}} = f\left(\frac{R_c}{H_{m0}}, \frac{d}{h}, \frac{H_{m0}}{h}, \varepsilon\right)$$

Phương pháp thực nghiệm mô hình vật lý

Nghiên cứu sử dụng mô hình vật lý máng sóng dựa trên quy luật tương tự Froude:

• Hệ thống thiết bị: Máng sóng trọng lực, hệ thống máy tạo sóng ngẫu nhiên điều khiển qua máy tính, phần mềm thu thập và phân tích phổ sóng, thiết bị ghi nhận dữ liệu PicoLog 1000 Series, đầu đo sóng điện dung và máy toàn đạc điện tử kiểm tra cao độ mô hình.
• Bố trí thí nghiệm: Mô phỏng bãi trước đê, thân đê mái nghiêng, lớp phủ gia cố và đỉnh đê lắp đặt cấu kiện TSD với các tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt $\varepsilon = 10%$, $15%$ và $20%$. Các kịch bản đối chứng bao gồm đê mái nghiêng thuần túy và đê mái nghiêng có tường đỉnh thẳng đứng.

Nhóm tham số	Ký hiệu	Đơn vị	Định nghĩa / Vai trò
Hình học đê	$R_c$	m	Độ cao lưu không đỉnh đê
	$B_c, B_w$	m	Bề rộng thềm cơ và bề rộng đáy kết cấu
	$h_w, Z_{dck}$	m	Chiều cao kết cấu TSD và cao trình đặt cấu kiện
	$\varepsilon$	%	Tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt kết cấu cong
Động lực sóng	$H_s, H_{m0}$	m	Chiều cao sóng ý nghĩa và sóng phổ mô men 0
	$T_p, T_{m-1,0}$	s	Chu kỳ đỉnh phổ và chu kỳ đặc trưng phổ
	$L_0, L$	m	Chiều dài sóng nước sâu và chân công trình
	$h, d$	m	Độ sâu nước chân đê và độ ngập nước buồng tiêu sóng

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN VÀ CÁC KẾT CẤU RỖNG TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN

Chương 1 tổng hợp các cơ sở lý luận và thực tiễn về công trình đê biển. Tác giả phân tích các công thức tính sóng tràn kinh điển của Owen (1980), CEM (1110-2-1100), TAW (2002), EurOtop và các nghiên cứu chuyên sâu tại Việt Nam của Thiều Quang Tuấn, Nguyễn Văn Thìn, Nguyễn Văn Dũng. Đồng thời, chương này tổng kết các ứng dụng đê chắn sóng bán nguyệt, thùng chìm tiêu sóng tại Nhật Bản, Trung Quốc và các cấu kiện tiêu sóng rỗng ở ĐBSCL (Viện Thủy công, Busadco).

Đánh giá hiện trạng đê biển vùng ĐBSCL cho thấy hai dạng mặt cắt phổ biến là đê mái nghiêng và đê mái nghiêng có tường đỉnh đang gặp phải sự cố nghiêm trọng:

• Đê mái nghiêng thấp bị nước tràn qua mặt khi triều cường kết hợp sóng lớn (điển hình sự cố tràn đê biển Tây Cà Mau ngày 03/8/2019).
• Đê đắp cao bị lún sụt do nền đất yếu (như tại Nhà Mát - Bạc Liêu, Trần Văn Thời - Cà Mau).
• Tường đỉnh đứng phản xạ sóng mạnh gây xói lở chân đê và tạo sóng đứng, sóng bắn phá hủy kết cấu mặt đỉnh đê (như tại Gành Hào - Bạc Liêu). Từ đó, chương 1 khẳng định sự cần thiết phải nghiên cứu dạng mặt cắt kết hợp kết cấu rỗng ¼ trụ tròn trên đỉnh nhằm đồng thời giảm sóng tràn, giảm sóng phản xạ và giảm tải trọng lên nền đất yếu.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết về các chế độ sóng tràn, phân loại sóng vỡ theo chỉ số Iribarren và phương pháp tính toán sóng tràn qua hai dạng mặt cắt đặc trưng: mái nghiêng hỗn hợp và tường biển hỗn hợp.

Dựa trên lý thuyết mô hình vật lý tương tự Froude và phương pháp phân tích thứ nguyên, tác giả xác định các biến số chi phối và thiết lập cấu trúc phương trình tổng quát cho kết cấu TSD. Chương này cũng trình bày các bước thiết kế mô hình máng sóng, hiệu chuẩn thiết bị đo PicoLog 1000 Series, kiểm định phổ sóng ngẫu nhiên qua các lần lặp lại và thiết lập ma trận kịch bản thí nghiệm với các dải thông số độ sâu nước $h$, chiều cao sóng $H_{m0}$, chu kỳ sóng $T_p$, cao trình đỉnh và tỷ lệ lỗ rỗng $\varepsilon$.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐỀ XUẤT MẶT CẮT NGANG ĐÊ BIỂN CÓ KẾT CẤU ¼ TRỤ RỖNG TRÊN ĐỈNH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU ĐẾN SÓNG TRÀN BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm trong máng sóng để kiểm chứng hành vi thủy lực của kết cấu TSD so với mặt cắt đê mái nghiêng và đê có tường đỉnh thẳng đứng:

• Hiệu quả giảm sóng tràn: Kết cấu ¼ trụ rỗng giúp tiêu tán năng lượng sóng trong buồng rỗng thông qua dòng rối qua các lỗ đục, làm giảm lưu lượng sóng tràn $q$ đáng kể so với mặt cắt mái nghiêng thuần túy và đê có tường đỉnh.
• Giảm sóng phản xạ: Hệ số phản xạ sóng $k_r$ của mặt cắt có TSD giảm rõ rệt so với tường đứng, hạn chế áp lực sóng tác động trực tiếp và giảm nguy cơ xói lở chân công trình. Tỷ lệ lỗ rỗng $\varepsilon$ từ $10%$ đến $20%$ thể hiện rõ xu thế tiêu tán năng lượng, trong đó cấu kiện có tỷ lệ rỗng thích hợp giúp tối ưu hóa khả năng giảm tràn.
• Xây dựng công thức thực nghiệm: Bằng kỹ thuật hồi quy phi tuyến trên phần mềm MATLAB đối với chuỗi số liệu thực nghiệm, tác giả thiết lập hàm số tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình không thứ nguyên theo các tham số $R_c/H_{m0}$, $d/h$, $H_{m0}/h$ và $\varepsilon$. Kết quả tính toán từ công thức cho thấy sự tương quan và hội tụ tốt với số liệu đo đạc thực tế trong phạm vi nghiên cứu của mô hình.

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO ĐÊ BIỂN NHÀ MÁT TỈNH BẠC LIÊU

Chương 4 ứng dụng công thức thực nghiệm và giải pháp mặt cắt TSD vào tính toán thực tế cho tuyến đê biển Nhà Mát, thành phố Bạc Liêu:

• Điều kiện tự nhiên: Khu vực có chế độ bán nhật triều không đều, nền địa chất bùn sét yếu có sức chịu tải thấp, chịu tác động của sóng gió mùa đông bắc và tây nam (sử dụng số liệu trạm Gành Hào và phụ lục B - TCVN 9901:2014, TCKT 2012).
• Tính toán kỹ thuật: Luận án khai báo điều kiện biên thiết kế (cấp đê, mực nước thiết kế $Z_{tk}$, chiều cao sóng chân công trình), kiểm tra tính phù hợp của công thức thực nghiệm và thiết lập bảng tính toán lưu lượng sóng tràn qua các phương án cao trình đỉnh.
• Đánh giá hiệu quả: So sánh với mặt cắt hiện trạng, mặt cắt đê biển có kết cấu TSD cho phép giảm đáng kể lưu lượng tràn qua đê với cùng một cao trình đỉnh hoặc cho phép hạ thấp cao trình đỉnh thiết kế mà vẫn đảm bảo an toàn sóng tràn $[q]$. Giải pháp này làm giảm khối lượng đất đắp thân đê, giảm ứng suất gây lún trên nền đất yếu và tăng độ ổn định tổng thể của công trình.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

1. Đã nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế tiêu tán năng lượng sóng, cơ chế hình thành dòng tràn và sóng phản xạ khi sóng tương tác với mặt cắt đê biển có kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD).
2. Xây dựng được công thức thực nghiệm mới để xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê biển có kết cấu TSD, bổ sung cơ sở lý thuyết tính toán sóng tràn cho các dạng đê biển có cấu kiện rỗng tiêu năng trên đỉnh.

Đóng góp về mặt thực tiễn

1. Đề xuất dạng mặt cắt ngang đê biển mới kết hợp cấu kiện bê tông đúc sẵn ¼ trụ rỗng trên đỉnh, phù hợp với điều kiện địa chất nền đất mềm yếu và chế độ thủy hải văn vùng đồng bằng sông Cửu Long.
2. Cung cấp quy trình tính toán thủy lực, kiểm tra điều kiện biên và xác định cao trình đỉnh đê an toàn sóng tràn, hỗ trợ trực tiếp cho công tác tư vấn thiết kế, thẩm tra và nâng cấp sửa chữa đê biển ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Các thí nghiệm mô hình vật lý trong luận án được thực hiện trong máng sóng 2D với điều kiện sóng truyền vuông góc trực diện với mặt cắt công trình; chưa mô phỏng được tác động của sóng xiên góc 3D, sóng đỉnh ngắn và ảnh hưởng kết hợp của gió bão thực địa đẩy sóng bắn.
• Hướng phát triển: Tiếp tục mở rộng nghiên cứu trên mô hình bể sóng 3D để đánh giá ảnh hưởng của góc sóng tới $\beta$; nghiên cứu tối ưu hóa hình học buồng tiêu sóng, kết cấu khóa liên kết giữa các cấu kiện TSD và theo dõi quan trắc diễn biến lún, xói lở khi triển khai xây dựng thử nghiệm ngoài hiện trường.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Cơ quan quản lý và quy hoạch đê điều: Có thêm cơ sở khoa học để lựa chọn phương án mặt cắt đê giảm tải trọng trên nền đất yếu vùng ven biển ĐBSCL.
• Đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy lợi, công trình biển: Ứng dụng công thức thực nghiệm trong tính toán cao trình đỉnh đê, bố trí buồng tiêu sóng và lựa chọn tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt để giảm sóng tràn và áp lực sóng.
• Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh: Tham khảo phương pháp phân tích thứ nguyên, kỹ thuật bố trí thí nghiệm máng sóng ngẫu nhiên và phương pháp xử lý số liệu thủy động lực học công trình biển.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đê biển truyền thống tại ĐBSCL gặp khó khăn khi nâng cao trình đỉnh để chống biến đổi khí hậu?

Khu vực ĐBSCL có nền địa chất chủ yếu là bùn sét mềm yếu, khả năng chịu tải thấp. Khi nâng cao trình đỉnh đê bằng cách đắp thêm đất theo mái nghiêng truyền thống, tải trọng bản thân công trình tăng lớn, dẫn đến hiện tượng lún sụt nghiêm trọng và mất ổn định trượt mái đê.

2. Nhược điểm chính của việc sử dụng tường đỉnh thẳng đứng trên đê biển là gì?

Tường đỉnh đứng giúp giảm tải trọng đắp so với nâng toàn bộ mái đê nhưng lại gây hệ số phản xạ sóng rất cao ($k_r = 0,7 \div 1,0$). Năng lượng sóng phản xạ gây xói lở chân đê và mái đê phía biển. Đồng thời, sóng va đập vào tường đứng tạo ra sóng bắn lên cao kết hợp gió mạnh dội xuống mặt đê gây hư hỏng kết cấu đỉnh đê.

3. Kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) hoạt động theo nguyên lý tiêu năng nào?

Kết cấu TSD gồm bề mặt cong hướng biển có đục các hàng lỗ rỗng theo tỷ lệ $\varepsilon$ và một buồng rỗng (buồng tiêu sóng) bên trong. Khi sóng va vào kết cấu, một phần nước và năng lượng đi qua lỗ rỗng vào buồng tiêu sóng tạo dòng rối tiêu tán năng lượng, làm giảm chiều cao sóng dâng, triệt tiêu động năng sóng tràn và giảm sóng phản xạ trở lại biển.

4. Các tham số chính trong công thức thực nghiệm tính sóng tràn của luận án là gì?

Các tham số không thứ nguyên cốt lõi bao gồm: chiều cao lưu không tương đối $R_c/H_{m0}$, độ sâu nước tương đối $d/h$, độ dốc sóng tương đối $H_{m0}/h$, và tỷ lệ lỗ rỗng bề mặt tiếp sóng $\varepsilon$ của cấu kiện TSD.

5. Kết quả tính toán ứng dụng tại đê biển Nhà Mát (Bạc Liêu) đem lại lợi ích gì?

Khi áp dụng mặt cắt có kết cấu TSD, lưu lượng sóng tràn qua đê giảm đáng kể so với mặt cắt hiện trạng dưới cùng điều kiện thủy hải văn thiết kế. Điều này cho phép tối ưu hóa cao trình đỉnh công trình, giảm khối lượng đắp, giảm tải trọng tác dụng lên nền đất yếu và nâng cao độ an toàn chống tràn cho khu vực bảo vệ.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Đình Tuấn đã giải quyết thành công bài toán kỹ thuật nâng cao an toàn sóng tràn cho đê biển ĐBSCL trong điều kiện nền đất mềm yếu và nước biển dâng. Bằng sự kết hợp giữa phân tích thứ nguyên và thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng ngẫu nhiên, nghiên cứu đã đề xuất giải pháp mặt cắt đê biển tích hợp kết cấu ¼ trụ rỗng trên đỉnh (TSD) và thiết lập công thức thực nghiệm tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình có độ tin cậy khoa học. Kết quả tính toán ứng dụng cụ thể tại tuyến đê biển Nhà Mát (Bạc Liêu) đã chứng minh tính hiệu quả kỹ thuật của giải pháp, cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ thiết kế, xây dựng và củng cố hệ thống đê biển vùng đồng bằng sông Cửu Long.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN VÀ CÁC KẾT CẤU RỖNG TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN 1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 1.1 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới Đê biển bị hư hỏng, mất ổn định do rất nhiều nguyên nhân và yếu tố tác động. Có thể do địa chất, nền móng, kết cấu không đảm bảo yêu cầu hoặc do tác động của sóng lên đê quá mức tính toán, .v… Trong đó, yếu tố sóng tràn qua đê biển là một trong những tác nhân quan trọng khi tính toán thiết kế đê biển. Vấn đề này đã được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Lưu lượng tràn qua đê, tường biển là tiêu chí tính toán cao trình đỉnh công trình.

Đồng thời cũng là cơ sở để xác định yêu cầu về kết cấu bảo vệ mái đê, công trình thu nước và các hạng mục khác…. Nghiên cứu sóng tràn do vậy có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế các chi tiết cấu tạo hình học và kết cấu của đê, tường biển. Khi nghiên cứu về đê biển có mặt cắt mái nghiêng, Saville (1955) là người đầu tiên đặt nền móng cho nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí nghiệm sóng đơn [2]. Cho đến nay, đã có hàng vạn thí nghiệm đã và đang được tiến hành tại nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, các thí nghiệm sau này được thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với thực tế hơn như: sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, cấu tạo hình học và dạng kết cấu công trình đa dạng… [3].

Sau sự khởi xướng của Saville (1955), năm 1980 Owen dựa trên kết quả của 500 thí nghiệm mô hình với sóng ngẫu nhiên đã công bố công thức công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình mái nhẵn như sau [4].1) gH sTm  T gH   m s  Trong đó Tm là chu kỳ sóng trung bình (s), Hs là chiều cao sóng ý nghĩa (m), Rc là độ cao lưu không của đỉnh đê (m), q là lưu lượng tràn đơn vị(l/s/m). Owen (1980) chủ yếu đã sử dụng mô hình mái đê nhẵn dạng đơn giản, chỉ một số ít thí nghiệm có cơ đê phía trước. Các hệ số thực nghiệm a và b được Owen lập cho các độ dốc mái đê khác nhau 5 như thống kê ở Bảng 1. Owen (1980) cũng đã xét đến ảnh hưởng giảm sóng tràn của độ nhám mái đê thông qua hệ số chiết giảm γr: q  Rc 1 = a.2) gH sTm  T gH  r   m s  Trong đó: γr là hệ số chiết giảm sóng tràn Bảng 1.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980) Độ dốc mái đê tanα a b 1/1.20 Sau đó Owen (1980) đã dựa trên các thí nghiệm bổ sung để hiệu chỉnh lại các hệ số a và b một lần nữa cho cả trường hợp sóng đến xiên góc.

De Waal and Van der Meer (1992) [5] cũng có nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn không thấm tương tự như Owen (1980). Tuy nhiên lưu lượng sóng tràn trung bình được quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lưu không đỉnh đê (Ru2% - Rc)/Hs: q  R −R  = 8.3) gH s3  Hs  Trong đó Ru2% là chiều cao sóng leo 2% (ứng với 2% con sóng vượt qua mức này ở trên mái đê không tràn). Có thể thấy rằng phạm vi ứng dụng của công thức (1.3) còn nhiều hạn chế như: không xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái đê, ảnh hưởng của cơ đê và 6 nhất là tính sóng tràn thông qua sóng leo Ru2%. Vì vậy sau này Van deer Meer (1993) [6] đã cải tiến công thức trên bằng cách biểu diễn sóng tràn trực tiếp thông qua chiều cao lưu không tương đối của đỉnh đê Rc/Hs và sử dụng cả các kết quả nghiên cứu của Owen (1980).

Ngoài ra, Van deer Meer (1993) [6] còn cho rằng sóng tràn còn phụ thuộc vào tính chất tương tác của sóng với công trình (tức là giữa sóng vỡ và sóng không vỡ). Van deer Meer và Janssen (1995) [7] đã đề xuất công thức tính toán sóng tràn có thể ứng dụng cho cả trường hợp đê có cơ (phía biển) và mái đê có độ nhám. TAW (2002) [8], EurOtop (2007) [9] đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua đê biển khá hoàn chỉnh, với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho đa dạng các kết cấu hình học đê và có xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến sóng tràn qua đê. Hiện nay kết quả nghiên cứu này đang được sử dụng phổ biến, Doorslaer và cộng sự (2015) [10]đã tiến hành trên 1000 thí nghiệm với các yếu tố sóng và mặt cắt đê theo điều kiện bờ biển của nước Bỉ.

Qua đó tìm hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường, thềm trước tường và mũi hắt sóng đến sóng tràn đối với trường hợp tường mặt trước dốc đứng. Kết quả nghiên cứu đã đề xuất được công thức xác định hệ số ảnh hưởng γv tổng hợp của tường như công thức:  v = 1.4) trong đó γw, γs, lần lượt là các hệ số chiết giảm sóng tràn do chiều cao tường, thềm trước tường và mũi hắt sóng, được xác định theo công thức   W W exp  −0.6) Lm−1,0 W, Rc, γp là chiều cao tường, độ cao lưu không, hệ số chiết giảm sóng tràn do mũi hắt sóng được xác định theo công thức: W Khi  0.6  W W Trong đó: β là góc của mũi hắt sóng; hn là chiều dày mũi hắt sóng; γβ, γn lần lượt là hệ số chiết giảm sóng tràn do góc mũi hắt sóng và chiều dày mũi hắt sóng tương đối (hn/W).2: Bảng tổng hợp kết quả nghiên cứu theo sổ tay kỹ thuật bờ biển CEM 1110- 2-1100 (phần VI) [11] Công thức tổng Lưu lượng Độ lưu không Tác giả Kết cấu quát lưu lượng tràn không không thứ tràn thứ nguyên Q nguyên R Owen (1980 Không thấm Q = a exp ( −b.5 1 1982) nước, đá đổ gH sTom H s  2   mái nghiêng, tường đỉnh. Bradbury and Đá lát mái Q = aR − b q 2  Rc   Som  0.5 Allsop (1988) dốc có tường gH sTom     đỉnh  H s   2  Aminti and Các cấu kiện Q = aR − b q 2  Rc   Som  0.5 Franco (1988) mái Cube, gH sTom     Tetrapod trên  H s   2  mái dốc có tường đỉnh Ahrens and Tường biển Q = a exp ( −b.R ) q Rc Heimbaugh không mái (H L ) 3 13 gH s 2 (1988) dốc s op Pedersen and Đê mái Q = aR qTom Hs Burcharth nghiêng đá L2om Rc (1992) đổ với tường trên đỉnh Vander Meer Đê không Q = a exp ( −b.R ) q Sop Rc Sop 1 and Janssen thấm có cơ H s tan   gH s3 tan  (1995) và không cơ Cho  op  2 Cho  op  2 Rc 1 q Hs  gH s3 Cho  op  2 Cho  op  2 8 Công thức tổng Lưu lượng Độ lưu không Tác giả Kết cấu quát lưu lượng tràn không không thứ tràn thứ nguyên Q nguyên R Franco, de Tường đứng Q = a exp ( −b.R ) q Rc 1 Gerlomi and gH s3 Hs  Van der Meer (1994) Pedersen Đê mái Q=R qTom H s5 tan  −5 3.10 (1996) nghiêng đá L2om Rc3 Ac .B đổ với tường trên đỉnh Theo kết quả nghiên cứu của Doorslaer và cộng sự (2015), ngoài ảnh hưởng của chiều cao tường, thềm trước tường đến sóng tràn thì mũi hắt sóng cũng có ảnh hưởng đến sóng tràn thông qua hệ số chiết giảm γp. Mũi hắt sóng ảnh hưởng đến sóng tràn thông qua góc β và chiều dày mũi hắt sóng tương đối (hn/W).

Tuy nhiên, Doorslear và cộng sự (2015) vẫn cho rằng ảnh hưởng của thềm trước và mũi hắt sóng là độc lập nhau, thềm trước tăng thì khả năng chiết giảm sóng tràn tăng lên và ngược lại.1: Dữ liệu sóng tràn ảnh hưởng các tham số mặt cắt Tới nay trên thế giới đã có một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển. Các nghiên cứu này chủ yếu đề cập mối quan hệ giữa 9 chiều cao tường (W), độ cao lưu không tính đến mặt đê (hoặc độ cao lưu không tính đến đỉnh tường Rc) và thềm trước tường (S) tới các hệ số chiết giảm γw, γs, γv. Mặt khác, các nghiên cứu cũng chưa phân tích ảnh hưởng đồng thời giữa các yếu tố như thềm trước tường và mũi hắt sóng. lưu lượng tràn tương đối Độ cao lưu không tương đối RC/Hm0 Hình 1.2: So sánh công thức tính cho vùng nước sâu của Franco và cộng sự (1994) [12] với Allsop (1995) [13] lưu lượng tràn tương đối Độ cao lưu không tương đối RC/Hm0 Hình 1.3: So sánh công thức tính cho vùng nước nông của Franco và cộng sự (1994) với Allsop et al.

(1995) 10 Đối với đê chắn sóng hoặc tường chắn sóng thẳng đứng, trong trường hợp không có sóng vỡ, Owen (1980) đã thí nghiệm và xác định các giá trị a và b trong công thức với (1.1) để trở thành một công thức thiết kế đáng tin cậy. Kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra ảnh hưởng của chu kỳ sóng dường như rất nhỏ hoặc không tồn tại. Cùng hướng phát triển hoàn thiện từ công thức tổng quát (1.1) Franco và các cộng sự (1994) nghiên cứu đối với vùng nước sâu đưa ra tham số a = 0.3, trong khi Allsop và các cộng sự (1995) đưa ra kết quả a = 0.78 trong điều kiện nước nông. Cả hai công thức đã được tính toán và so sánh với cùng một bộ dữ liệu từ dự án CLASS, kết quả đường lý luận đều phù hợp với công thức trong phạm vi nghiên cứu, Franco và các cộng sự (1994) thu được kết quả hội tụ trong vùng nước sâu (Hình 1.2), khi tính vùng nước nông kết quả đúng cho phương pháp Allsop và các cộng sự (1995) (Hình 1.

Đối với cả ba phương pháp trên khi xây dựng chưa xét tới ảnh hưởng khối gia cố phía trước tới sóng tràn qua công trình đứng, đây là mặt hạn chế của phương pháp, cũng là tiền đề các nghiên cứu sau này thực hiện hoàn thiện phương pháp tính sóng tràn qua công trình đứng phía trước có khối giá cố.