Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão, biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn, dẫn đến tình trạng xói lở bờ biển nghiêm trọng, đặc biệt tại khu vực miền Trung và Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Theo khảo sát thực tế và phân tích bản đồ địa hình từ năm 1904 đến 2017, đường bờ biển ĐBSCL đã thay đổi rõ rệt với tốc độ xói lở gia tăng nhanh chóng. Hệ thống công trình bảo vệ bờ biển, trong đó có đê chắn sóng, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho hàng chục triệu dân cư và đất đai ven biển. Tuy nhiên, các công trình truyền thống như kè bê tông cốt thép hay kè rọ đá thường chịu tải trọng sóng lớn, dễ bị hư hại và tốn kém trong nâng cấp, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

Đê chắn sóng bằng kết cấu bê tông rỗng đang được quan tâm do khả năng khắc phục nhiều hạn chế của các loại đê truyền thống, như tiết kiệm vật liệu, tăng hiệu quả tiêu tán năng lượng sóng và thúc đẩy bồi tụ trầm tích. Tuy nhiên, do cấu trúc phức tạp và hình dạng không cố định, chưa có tiêu chuẩn thiết kế chính thức cho loại đê này. Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng tính ổn định và hiệu quả giảm sóng của đê chắn sóng bê tông rỗng bằng phương pháp động lực học chất lỏng tính toán (CFD), so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm tại ĐBSCL, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như kích thước lưới mô phỏng, tỷ số chiều cao đê trên chiều cao sóng, chu kỳ sóng, độ ngập thân đê và chiều cao không lưu đỉnh đê.

Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2021 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với dữ liệu thực nghiệm thu thập tháng 5/2019 tại cửa Kênh Mới, ĐBSCL. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về hiệu quả thủy động lực học của đê chắn sóng bê tông rỗng, đồng thời đề xuất phương pháp mô phỏng tiết kiệm chi phí và thời gian so với thí nghiệm vật lý truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết sóng biển và thủy động lực học, bao gồm:

  • Lý thuyết sóng tuyến tính (sóng Airy, Stokes bậc 1): Mô tả chuyển động sóng với giả định biên độ nhỏ, chất lỏng không nhớt, không nén được, sóng lan truyền tuần hoàn theo hàm sin. Đây là cơ sở để mô phỏng sóng đều tác động lên đê chắn sóng.

  • Lý thuyết sóng dài và sóng ngắn: Áp dụng cho vùng ven bờ với các dạng sóng Cnoidal và Solitary, mô tả sóng có biên độ lớn hoặc sóng trong vùng nước nông, giúp hiểu rõ ảnh hưởng của chu kỳ sóng và chiều sâu nước đến hiệu quả giảm sóng.

  • Động lực học chất lỏng tính toán (CFD): Sử dụng phương trình Navier-Stokes, mô hình dòng chảy rối RNG kèm phương pháp thể tích chất lỏng (VOF) để mô phỏng tương tác giữa sóng và kết cấu đê chắn sóng bê tông rỗng. Phương pháp FAVOR được áp dụng để mô hình hóa vật cản trong dòng chảy.

  • Hệ số truyền sóng (Kt): Được sử dụng làm chỉ số đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê, tính bằng tỷ số chiều cao sóng truyền qua đê trên chiều cao sóng tới.

  • Phân tích ổn định kết cấu: Sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng ứng xử kết cấu bê tông rỗng dưới tác động của áp lực sóng, kiểm tra điều kiện ổn định chống lật và trượt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập tại công trình thử nghiệm đê chắn sóng bê tông rỗng dài 32m, cao 4m, tại cửa Kênh Mới, ĐBSCL, tháng 5/2019. Dữ liệu bao gồm chiều cao sóng trước và sau đê, áp lực sóng tác dụng lên kết cấu.

  • Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm FLOW-3D để mô phỏng dòng chảy và sóng biển tác động lên đê chắn sóng. Các kịch bản mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của kích thước lưới, chu kỳ sóng Tp, tỷ số Rc/Hs,i, độ ngập thân đê d và chiều cao không lưu đỉnh đê Rc.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên kích thước thực tế của đê chắn sóng tại hiện trường. Kích thước lưới được khảo sát từ 0.01m đến 0.05m để đánh giá độ hội tụ và độ nhạy của kết quả.

  • Phân tích ổn định kết cấu: Mô hình phần tử hữu hạn trong Abaqus được sử dụng để phân tích ứng suất, biến dạng và kiểm tra điều kiện ổn định lật trượt của kết cấu bê tông rỗng dưới áp lực sóng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong 2019-2021, bao gồm thu thập dữ liệu thực nghiệm, xây dựng mô hình mô phỏng, phân tích kết quả và so sánh với thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của kích thước lưới mô phỏng: Kết quả mô phỏng cho thấy khi kích thước lưới giảm từ 0.05m xuống 0.01m, sai số chiều cao sóng tại vị trí trước đê giảm từ khoảng 8% xuống còn dưới 3%, chứng tỏ độ chính xác mô phỏng tăng lên rõ rệt. Kích thước lưới 0.02m được chọn làm tiêu chuẩn cân bằng giữa độ chính xác và thời gian tính toán.

  2. Độ tin cậy mô phỏng so với thực nghiệm: Hệ số truyền sóng Kt mô phỏng dao động trong khoảng 0.35-0.45, tương ứng với hiệu quả giảm sóng từ 55% đến 65%, gần tương đồng với kết quả thực nghiệm của BUSADCO tại ĐBSCL, sai số trung bình dưới 10%.

  3. Ảnh hưởng của tỷ số Rc/Hs,i: Khi tỷ số chiều cao không lưu đỉnh đê trên chiều cao sóng tới Rc/Hs,i tăng từ 1.0 lên 2.0, hệ số truyền sóng Kt giảm từ 0.5 xuống 0.3, cho thấy hiệu quả giảm sóng tăng lên đáng kể. Điều này minh chứng rằng chiều cao đê càng cao so với sóng tới thì khả năng chắn sóng càng tốt.

  4. Ảnh hưởng của chu kỳ sóng Tp: Chu kỳ sóng tăng từ 2 giây lên 6 giây làm giảm hiệu quả giảm sóng, hệ số truyền sóng Kt tăng khoảng 15%, do sóng dài hơn có khả năng truyền qua đê dễ dàng hơn.

  5. Ảnh hưởng của độ ngập thân đê d và chiều cao không lưu đỉnh đê Rc: Độ ngập thân đê tăng làm giảm hiệu quả giảm sóng, trong khi chiều cao không lưu đỉnh đê tăng giúp cải thiện hiệu quả chắn sóng. Ví dụ, khi độ ngập thân đê tăng từ 0.2m lên 0.5m, Kt tăng khoảng 10%.

  6. Tính ổn định kết cấu: Phân tích ứng suất Von Mises và biến dạng trong Abaqus cho thấy kết cấu bê tông rỗng chịu được áp lực sóng với ứng suất tối đa dưới giới hạn chịu kéo của vật liệu. Kiểm tra điều kiện ổn định lật trượt cho thấy kết cấu đảm bảo an toàn trong điều kiện sóng khảo sát.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng CFD cho thấy phương pháp này có độ tin cậy cao khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm, đồng thời tiết kiệm thời gian và chi phí so với thí nghiệm vật lý truyền thống. Việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như kích thước lưới, tỷ số Rc/Hs,i, chu kỳ sóng Tp và độ ngập thân đê giúp hiểu rõ hơn về cơ chế tiêu tán năng lượng sóng và thiết kế tối ưu đê chắn sóng bê tông rỗng.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với nhận định rằng đê chắn sóng có tỷ lệ lỗ rỗng hợp lý và chiều cao đê lớn hơn chiều cao sóng tới sẽ có hiệu quả thủy động lực học cao. Việc mô phỏng áp lực sóng động bằng FLOW-3D và phân tích kết cấu bằng Abaqus cũng cho thấy sự phối hợp hiệu quả giữa mô hình thủy lực và mô hình kết cấu trong đánh giá toàn diện tính ổn định và hiệu quả của đê chắn sóng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hệ số truyền sóng Kt theo tỷ số Rc/Hs,i và chu kỳ sóng Tp, bảng so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm, cũng như biểu đồ ứng suất và biến dạng kết cấu dưới tác động sóng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu thiết kế chiều cao đê (Rc): Nâng cao chiều cao không lưu đỉnh đê để đạt tỷ số Rc/Hs,i tối thiểu 1.5 nhằm tăng hiệu quả giảm sóng, giảm thiểu xói lở bờ biển. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế và quản lý công trình ven biển. Thời gian: 1-3 năm.

  2. Kiểm soát độ ngập thân đê (d): Thiết kế đê với độ ngập thân đê thấp nhất có thể để hạn chế sóng truyền qua, đồng thời đảm bảo tính ổn định kết cấu. Chủ thể: kỹ sư thiết kế và thi công. Thời gian: trong giai đoạn thiết kế công trình.

  3. Ứng dụng mô phỏng CFD trong thiết kế: Khuyến khích sử dụng phương pháp mô phỏng CFD để đánh giá hiệu quả và ổn định đê chắn sóng trước khi thi công, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thí nghiệm vật lý. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học, công ty tư vấn. Thời gian: áp dụng ngay trong các dự án mới.

  4. Nâng cao chất lượng vật liệu bê tông rỗng: Sử dụng bê tông cốt sợi phi kim để tăng độ bền và tuổi thọ kết cấu, giảm chi phí bảo trì. Chủ thể: nhà sản xuất vật liệu và nhà thầu xây dựng. Thời gian: 2-5 năm.

  5. Theo dõi và bảo trì định kỳ: Thiết lập hệ thống quan trắc sóng và biến dạng kết cấu để kịp thời phát hiện hư hỏng, đảm bảo an toàn công trình. Chủ thể: cơ quan quản lý công trình ven biển. Thời gian: liên tục trong quá trình vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ven biển: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp mô phỏng hiện đại để thiết kế đê chắn sóng bê tông rỗng hiệu quả, giúp tối ưu hóa chi phí và nâng cao độ bền công trình.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách: Thông tin về hiệu quả và tính ổn định của các loại đê chắn sóng giúp xây dựng chính sách bảo vệ bờ biển phù hợp, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, thủy lợi: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về lý thuyết sóng, mô phỏng CFD và phân tích kết cấu, là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Thông tin về ứng dụng bê tông cốt sợi phi kim trong đê chắn sóng giúp phát triển sản phẩm mới, nâng cao chất lượng và độ bền công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp mô phỏng CFD có ưu điểm gì so với thí nghiệm vật lý?
    Mô phỏng CFD giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và dễ dàng khảo sát nhiều kịch bản khác nhau mà không cần xây dựng mô hình vật lý phức tạp. Ví dụ, trong nghiên cứu này, CFD cho kết quả hệ số truyền sóng Kt sai số dưới 10% so với thực nghiệm.

  2. Tại sao đê chắn sóng bê tông rỗng được ưu tiên nghiên cứu?
    Loại đê này tiết kiệm vật liệu, có khả năng tiêu tán năng lượng sóng tốt và thúc đẩy bồi tụ trầm tích, đồng thời dễ thi công với cấu kiện đúc sẵn, phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả giảm sóng của đê?
    Chiều cao không lưu đỉnh đê (Rc), tỷ số Rc/Hs,i, chu kỳ sóng Tp và độ ngập thân đê (d) là các yếu tố chính. Ví dụ, tăng Rc/Hs,i từ 1.0 lên 2.0 làm giảm hệ số truyền sóng Kt từ 0.5 xuống 0.3.

  4. Mô hình phần tử hữu hạn Abaqus được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Abaqus mô phỏng ứng suất và biến dạng kết cấu bê tông rỗng dưới áp lực sóng, kiểm tra điều kiện ổn định lật trượt, đảm bảo kết cấu chịu được tải trọng sóng trong thực tế.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các vùng ven biển khác không?
    Có, phương pháp mô phỏng và kết quả phân tích có thể được điều chỉnh phù hợp với điều kiện sóng và địa hình của các vùng ven biển khác, giúp thiết kế đê chắn sóng hiệu quả hơn.

Kết luận

  • Đê chắn sóng bê tông rỗng có hiệu quả giảm sóng cao, với hệ số truyền sóng Kt giảm từ 0.5 xuống 0.3 khi tăng tỷ số Rc/Hs,i từ 1.0 lên 2.0.
  • Phương pháp mô phỏng CFD cho kết quả tin cậy, sai số dưới 10% so với dữ liệu thực nghiệm, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian nghiên cứu.
  • Các yếu tố như kích thước lưới mô phỏng, chu kỳ sóng, độ ngập thân đê và chiều cao không lưu đỉnh đê ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả giảm sóng.
  • Phân tích kết cấu bằng Abaqus xác nhận tính ổn định và khả năng chịu lực của đê chắn sóng bê tông rỗng dưới tác động sóng.
  • Nghiên cứu mở hướng phát triển ứng dụng mô phỏng CFD trong thiết kế và đánh giá công trình bảo vệ bờ biển, góp phần nâng cao hiệu quả và bền vững công trình.

Next steps: Áp dụng mô phỏng CFD cho các dạng đê chắn sóng khác, mở rộng nghiên cứu với sóng ngẫu nhiên và điều kiện thực tế phức tạp hơn. Khuyến khích hợp tác giữa viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp để phát triển vật liệu và công nghệ thi công mới.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế công trình ven biển nên tích cực ứng dụng phương pháp mô phỏng CFD để nâng cao hiệu quả và độ bền công trình, đồng thời tham khảo kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế đê chắn sóng bê tông rỗng.