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 đến mũi Cà Mau. Theo khảo sát thực tế và phân tích bản đồ địa hình từ năm 1904 đến 2017, đồng bằng sông Cửu Long đã chứng kiến sự thay đổi rõ rệt về đường bờ biển với tốc độ xói lở gia tăng nhanh chóng. Hệ thống công trình bảo vệ bờ biển hiện nay chủ yếu là các kè và đê biển truyền thống, tuy nhiên các công trình này thường chịu tải trọng sóng lớn, dễ bị hư hại và không thích ứng tốt với biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

Trong bối cảnh đó, đê chắn sóng bằng kết cấu bê tông rỗng được quan tâm do khả năng khắc phục nhiều hạn chế của đê chắn sóng truyền thống. Loại đê này có ưu điểm về tiết kiệm vật liệu, kiểm soát chất lượng thi công và hiệu quả tiêu tán năng lượng sóng tốt. Tuy nhiên, do cấu trúc phức tạp và hình dạng không cố định, chưa có tiêu chuẩn thiết kế cụ thể cho loại đê này. Việc đánh giá hiệu quả thủy động lực học thường dựa trên thí nghiệm vật lý hoặc công trình thực nghiệm, nhưng các phương pháp này tốn kém, phức tạp và mất nhiều thời gian.

Luận văn này nhằm mục tiêu nghiên cứu mô phỏng tính ổn định và hiệu quả giảm sóng của đê chắn sóng sử dụng kết cấu bê tông rỗng bằng phương pháp động lực học chất lỏng tính toán (CFD). Nghiên cứu tập trung vào đánh giá độ tin cậy của mô phỏng so với thực nghiệm, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả giảm sóng như tỷ số chiều cao đê so với chiều cao sóng, chu kỳ sóng, độ ngập thân đê và chiều cao không lưu đỉnh đê. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long với dữ liệu thực nghiệm thu thập tháng 5/2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp bảo vệ bờ biển hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thích ứng với 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 sóng biển cơ bản và mô hình thủy động lực học để phân tích hiệu quả giảm sóng của đê chắn sóng bê tông rỗng. Các lý thuyết chính bao gồm:

  • Lý thuyết sóng tuyến tính (sóng Airy, sóng Stokes bậc 1): Mô tả chuyển động sóng biển với giả định biên độ nhỏ, chất lỏng không nhớt, không nén được, sóng lan truyền tuần hoàn theo hướng xác định. Phương trình mô phỏng mặt sóng tuyến tính được sử dụng để mô hình hóa sóng đều.

  • Lý thuyết sóng dài và sóng ngắn: Áp dụng cho vùng ven bờ với các dạng sóng như sóng Cnoidal và sóng Solitary, phù hợp với điều kiện nước nông và sóng có biên độ lớn hơn.

  • Hiệu quả giảm sóng và hệ số truyền sóng (Kt): Hệ số Kt được sử dụng để đánh giá khả năng truyền sóng qua đê chắn sóng, phản ánh mức độ tiêu tán năng lượng sóng.

  • Động lực học chất lỏng tính toán (CFD): Sử dụng phương trình Navier-Stokes, mô hình dòng chảy rối RNG kèm theo phương pháp thể tích chất lỏng (VOF) và thể tích chứa vật cản (FAVOR) để mô phỏng tương tác sóng với kết cấu đê chắn sóng.

Các khái niệm chính bao gồm chu kỳ sóng (Tp), chiều cao sóng tới (Hs,i), chiều cao sóng truyền (Ht,i), chiều cao không lưu đỉnh đê (Rc), độ ngập thân đê (d), và hệ số truyền sóng (Kt).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm đo sóng tại công trình đê chắn sóng bê tông rỗng tại Đồng bằng sông Cửu Long tháng 5/2019, với chiều cao sóng trước đê dao động từ 0.7 đến 1.0 m và sau đê từ 0.3 đến 0.4 m.

Phương pháp nghiên cứu chính là mô phỏng số bằng phần mềm FLOW-3D, thực hiện các kịch bản mô phỏng với kích thước lưới khác nhau để khảo sát độ hội tụ và độ nhạy của mô hình. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm 15 cấu kiện đê chắn sóng chiều cao 4 m, bố trí song song với bờ biển. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng theo các điều kiện biên và ban đầu dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Phân tích kết quả mô phỏng so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy của mô hình CFD. Ngoài ra, mô phỏng áp lực sóng tác dụng lên kết cấu đê được thực hiện bằng phần mềm Abaqus để phân tích tính ổn định kết cấu, kiểm tra điều kiện ổn định lật và trượt.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2019 đến 2021, bao gồm thu thập dữ liệu thực nghiệm, xây dựng mô hình mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của kích thước lưới đến kết quả mô phỏng: Kết quả mô phỏng cho thấy khi kích thước lưới giảm từ 0.1 m xuống 0.05 m, sai số chiều cao sóng tại vị trí trước đê giảm từ khoảng 8% xuống còn dưới 3%, chứng tỏ mô hình hội tụ tốt và độ chính xác tăng lên.

  2. Đánh giá hiệu quả giảm sóng giữa mô phỏng và thực nghiệm: Hệ số truyền sóng Kt từ mô phỏng CFD dao động trong khoảng 0.35 đến 0.45, tương ứng với mức giảm sóng từ 55% đến 65%, gần tương đồng với kết quả thực nghiệm của BUSADCO ghi nhận mức giảm sóng từ 60% đến 70%. Sai số trung bình giữa mô phỏng và thực nghiệm dưới 10%.

  3. Ảnh hưởng của chu kỳ sóng Tp đến hiệu quả giảm sóng: Khi chu kỳ sóng tăng từ 2 giây lên 6 giây, hệ số truyền sóng Kt tăng khoảng 15%, cho thấy sóng dài hơn có xu hướng truyền qua đê nhiều hơn, làm giảm hiệu quả chắn sóng.

  4. Ảnh hưởng của độ ngập thân đê (d) và chiều cao không lưu đỉnh đê (Rc): Tỷ số Rc/Hs,i tăng từ 1.0 lên 1.5 làm giảm hệ số truyền sóng Kt khoảng 20%, đồng thời độ ngập thân đê tăng cũng làm tăng khả năng tiêu tán năng lượng sóng. Mức độ tiêu tán năng lượng dòng chảy rối (TKE) tăng lên đến 30% khi độ ngập thân đê tăng từ 0.2 m lên 0.5 m.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng CFD cho thấy độ tin cậy cao khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm, khẳng định phương pháp mô phỏng số là công cụ hiệu quả để nghiên cứu tương tác sóng với kết cấu đê chắn sóng bê tông rỗng. Việc khảo sát kích thước lưới cho thấy cần lựa chọn kích thước lưới phù hợp để cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán.

Ảnh hưởng của chu kỳ sóng và tỷ số Rc/Hs,i phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, cho thấy đê chắn sóng bê tông rỗng hoạt động hiệu quả nhất khi chiều cao đê lớn hơn chiều cao sóng tới và khi sóng có chu kỳ ngắn hơn. Tính ổn định kết cấu được đảm bảo khi áp lực sóng tính toán bằng mô phỏng không vượt quá giới hạn chịu lực của bê tông, đồng thời mô phỏng ứng xử kết cấu bằng phần mềm Abaqus cho thấy biến dạng nhỏ, không gây nguy cơ lật hoặc trượt.

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 áp lực sóng thực nghiệm và mô phỏng, cũng như biểu đồ tiêu tán năng lượng dòng chảy rối theo độ ngập thân đê.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng chiều cao không lưu đỉnh đê (Rc) tối thiểu đạt 1.5 lần chiều cao sóng tới (Hs,i): Giải pháp này nhằm giảm hệ số truyền sóng Kt, nâng cao hiệu quả chắn sóng. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do chủ thể là các đơn vị thi công và quản lý công trình ven biển.

  2. Tối ưu độ ngập thân đê (d) trong khoảng 0.3-0.5 m: Để tăng khả năng tiêu tán năng lượng sóng và giảm áp lực tác động lên kết cấu. Chủ thể thực hiện là các nhà thiết kế và kỹ sư công trình trong giai đoạn thiết kế và thi công.

  3. Áp dụng mô phỏng CFD trong thiết kế và đánh giá công trình: Giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với thí nghiệm vật lý truyền thống, đồng thời nâng cao độ chính xác. Khuyến nghị các viện nghiên cứu và trường đại học áp dụng trong nghiên cứu và đào tạo.

  4. Kiểm tra định kỳ và bảo dưỡng kết cấu đê chắn sóng bê tông rỗng: Đảm bảo tính ổn định và hiệu quả lâu dài, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Chủ thể là các cơ quan quản lý công trình và địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thiết kế công trình ven biển: Nhận được kiến thức chuyên sâu về mô phỏng thủy động lực học và thiết kế đê chắn sóng bê tông rỗng, giúp tối ưu hóa công trình bảo vệ bờ biển.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong nghiên cứu khoa học và đào tạo chuyên ngành kỹ thuật xây dựng và thủy lợi.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Hiểu rõ hiệu quả và tính ổn định của các giải pháp đê chắn sóng mới, từ đó xây dựng chính sách phát triển bền vững vùng ven biển.

  4. Doanh nghiệp xây dựng và thi công: Áp dụng phương pháp mô phỏng CFD để giảm chi phí thí nghiệm vật lý, nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công công trình chắn sóng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp mô phỏng CFD có chính xác không so với thí nghiệm thực tế?
    Mô phỏng CFD trong nghiên cứu này cho kết quả hệ số truyền sóng Kt sai lệch dưới 10% so với thực nghiệm, chứng tỏ độ tin cậy cao và phù hợp để ứng dụng trong thiết kế.

  2. Đê chắn sóng bê tông rỗng có ưu điểm gì so với đê truyền thống?
    Loại đê này tiết kiệm vật liệu, kiểm soát chất lượng tốt, tiêu tán năng lượng sóng hiệu quả và thúc đẩy bồi tụ trầm tích, giúp bảo vệ bờ biển bền vững hơn.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả giảm sóng?
    Tỷ số chiều cao không lưu đỉnh đê so với chiều cao sóng (Rc/Hs,i), chu kỳ sóng (Tp), và độ ngập thân đê (d) là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả giảm sóng.

  4. Mô phỏng áp lực sóng giúp gì cho thiết kế kết cấu?
    Mô phỏng áp lực sóng giúp xác định tải trọng thực tế tác động lên kết cấu, từ đó thiết kế kết cấu đảm bảo tính ổn định, tránh lật, trượt và hư hại.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này ở những vùng ven biển khác không?
    Với điều chỉnh phù hợp về điều kiện sóng và địa hình, phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các vùng ven biển có điều kiện tương tự.

Kết luận

  • Mô phỏng CFD là công cụ hiệu quả, cho kết quả gần sát với thực nghiệm trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê chắn sóng bê tông rỗng.
  • Hiệu quả giảm sóng phụ thuộc mạnh vào tỷ số Rc/Hs,i, chu kỳ sóng Tp và độ ngập thân đê d.
  • Kết cấu đê chắn sóng bê tông rỗng có tính ổn định tốt, chịu được áp lực sóng trong giới hạn thiết kế.
  • Nghiên cứu góp phần bổ sung kiến thức khoa học và cung cấp cơ sở dữ liệu cho thiết kế đê chắn sóng hiện đại.
  • Đề xuất áp dụng mô phỏng CFD trong thiết kế và quản lý công trình bảo vệ bờ biển nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả.

Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng mô phỏng với các dạng sóng phức tạp hơn và khảo sát tác động lâu dài của biến đổi khí hậu lên hiệu quả công trình. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng kết quả này để phát triển các giải pháp bảo vệ bờ biển bền vững.