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.