Tổng quan luận án
Tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và thiên tai ven biển tại Việt Nam đang gia tăng áp lực lên các đô thị ven bờ. Theo số liệu thống kê trong luận án, Việt Nam có khoảng 405 đô thị trải dài trên hơn 3.200 km bờ biển và dự kiến đến năm 2025 có thêm khoảng 130 đô thị được xây dựng. Tại các khu đô thị và khu du lịch ven biển vùng duyên hải Bắc Bộ, quỹ đất hạn hẹp không cho phép xây dựng đê biển mái nghiêng truyền thống với mặt cắt ngang hình thang chiếm dụng mặt bằng lớn. Đồng thời, đê biển truyền thống không đáp ứng được yêu cầu về cảnh quan và tầm nhìn hướng biển. Do đó, tường biển bằng kết cấu bê tông trọng lực trở thành giải pháp bảo vệ bờ được áp dụng phổ biến.
Tuy nhiên, phần lớn hệ thống tường biển hiện hữu tại duyên hải Bắc Bộ được xây dựng và tu bổ qua nhiều thời kỳ, chủ yếu có dạng mặt thẳng đứng hoặc mặt nghiêng không có mũi hắt sóng, được thiết kế dựa trên kinh nghiệm và chưa tính toán định lượng chính xác lưu lượng sóng tràn. Trong điều kiện triều cường kết hợp bão hoặc gió mùa Đông Bắc mạnh, sóng biển tác động tạo nên hiện tượng sóng tràn và sóng bắn nghiêm trọng, gây xói chân công trình, sạt lở hạ tầng giao thông, ngập lụt và uy hiếp an toàn dân sinh. Việc nâng cao trình đỉnh tường để giảm sóng tràn lại làm suy giảm không gian cảnh quan và che khuất tầm nhìn ra biển. Khoảng trống nghiên cứu then chốt được luận án xác định là: các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành (14 TCN 130-2002, TCVN 9901:2014, TAW-2002, EurOtop-2007, EurOtop-2018) chủ yếu áp dụng cho đê biển mái nghiêng, đê có tường đỉnh thấp ($h_w$ từ 0,8 m đến 1,2 m) hoặc tường đứng đơn giản, chưa có cơ sở khoa học và chỉ dẫn kỹ thuật cụ thể để tính toán lưu lượng sóng tràn cho dạng tường biển mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng có chiều cao tường lớn ($h_w$ từ 1,5 m đến 3,0 m).
Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm 2 mục tiêu cụ thể:
- Đánh giá ảnh hưởng của tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng đến sóng tràn qua tường biển từ kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý máng sóng.
- Đề xuất được 01 mặt cắt ngang tường biển phù hợp cho khu đô thị, khu du lịch vùng duyên hải Bắc Bộ và áp dụng cho khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng, đặt trên bệ mái nghiêng, trong điều kiện sóng không vỡ.
- Phạm vi nghiên cứu: Bờ biển tại các khu đô thị, khu du lịch ven biển vùng duyên hải Bắc Bộ (điển hình tại bán đảo Đồ Sơn, Hải Phòng và các vùng phụ cận tại Quảng Ninh).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu về sóng tràn và tường biển trên thế giới và tại Việt Nam theo ba nhóm phương pháp tiếp cận: thực nghiệm hiện trường, mô hình vật lý và mô hình số trị.
Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường trên thế giới:
- Dự án OPTICREST và dự án CLASH của Ủy ban Châu Âu (De Rouck và cộng sự, 2005) nghiên cứu hiệu ứng tỉ lệ và hiệu ứng phòng thí nghiệm đối với sóng tràn, trong đó thực hiện đo đạc tại hiện trường tường chắn sóng thẳng đứng có cơ chân bằng đá dăm tại Samphire Hoe (Southampton, Vương quốc Anh).
- Pullen và cộng sự (2008) đo đạc sóng tràn qua tường biển mặt đứng tại Samphire Hoe bằng 3 loại thùng đo, kết hợp mô hình vật lý 2D (tỉ lệ 1/40) và 3D (tỉ lệ 1/20), chỉ ra rằng hiệu ứng tỉ lệ không ảnh hưởng đáng kể đến lưu lượng sóng tràn qua tường đứng, và tác động của gió chỉ rõ nét khi lưu lượng tràn thấp.
- Yamashiro và cộng sự (2013) khảo sát thực nghiệm tại đảo nhân tạo Choshu-Dejima (Nhật Bản) bằng 4 máy quay kỹ thuật số và 3 bể chứa, chứng minh lượng nước tràn qua tường chắn sóng chủ yếu là dòng tràn qua thân tường, tỷ lệ đóng góp của sóng bắn là thứ yếu và tần suất xuất hiện sóng bắn tuân theo phân bố Rayleigh.
Nghiên cứu mô hình vật lý và phát triển công thức sóng tràn quốc tế:
- Saville (1955) đặt nền móng với chuỗi thí nghiệm sóng đơn. Owen (1980) mở rộng thí nghiệm sóng ngẫu nhiên trên mái dốc nhẵn và đưa vào hệ số chiết giảm độ nhám $\gamma_r$.
- De Waal và Van der Meer (1992), Van der Meer (1993), Van der Meer và Janssen (1995) cải tiến công thức tính toán sóng tràn dựa trên chiều cao lưu không tương đối $R_c / H_s$, phân biệt rõ trạng thái sóng vỡ và sóng không vỡ trên mái đê.
- Các sổ tay hướng dẫn kỹ thuật TAW (2002), EurOtop (2007, 2018) đã xây dựng công thức tổng quát cho đê mái dốc có tường đỉnh. EurOtop (2018) bổ sung hệ số chiết giảm do mũi hắt sóng $\gamma_{bn}$ và hệ số chiết giảm do độ dốc sóng $\gamma_{s0,bn}$ cho tường đứng đặt trên mái dốc.
- Franco và cộng sự (1994), Franco và Franco (1999) thiết lập công thức tính sóng tràn cho tường đứng và đê chắn sóng mặt cắt hỗn hợp, đưa ra hệ số cấu tạo mặt trước $\gamma_s$ (vách không thấm có mũi hắt đạt $\gamma_s = 0,78$).
- Berkeley-Thorn và Roberts (1981) thí nghiệm mô hình vật lý tại Kent Northern (Vương quốc Anh), bước đầu khẳng định tường mặt cong có mũi hắt đặt trên mái nghiêng giảm sóng tràn vượt trội so với tường đứng.
- Kortenhaus và cộng sự (2003), Pearson và cộng sự (2004), Veale và cộng sự (2012), Talia Schoonees (2014) khảo sát thông số góc nghiêng $\alpha$, độ nhô ra của mũi hắt và chiều cao lưu không, chỉ ra mũi hắt sóng chuyển hướng dòng nước phản xạ ngược lại phía biển.
- De Waal (1996), Wolters và van Gent (2007) thí nghiệm ảnh hưởng của gió trong máng sóng, ghi nhận gió làm tăng lưu lượng tràn từ 1,2 đến 6,3 lần.
Nghiên cứu mô hình số trị quốc tế:
- Các mô hình dựa trên phương trình sóng phi tuyến nước nông (NLSW) của Kobayashi và Wurjanto (1989, 1992), Dodd (1998), Hu và cộng sự (2000), Hubbard và Dodd (2002), Stansby và Feng (2004) tính toán hiệu quả với đê mái dốc thoải không tường đỉnh.
- Các mô hình họ RANS-VOF và phương trình Boussinesq cải tiến (mô hình COULWAVE của Lynett và cộng sự, 2002; Bellotti và Brocchini, 2002; Brocchini và Dodd, 2008) hỗ trợ mô phỏng tương tác sóng với kết cấu phức tạp.
Nghiên cứu tại Việt Nam:
- Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2006, 2009, 2010, 2013) thực hiện các thí nghiệm máng sóng kiểm chứng TAW (2002), đề xuất phương pháp xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp $\gamma_v$ cho tường đỉnh thấp trên đê biển Việt Nam trong cả điều kiện sóng vỡ và sóng không vỡ.
- Nguyễn Văn Thìn và cộng sự (2013, 2016) ứng dụng mô hình số NLSW, RANS-VOF và máng sóng số COBRAS-UC mô phỏng sóng tràn và sóng bắn qua đê có tường đỉnh.
- Nguyễn Văn Dũng và cộng sự (2015) khảo sát thực nghiệm 324 kịch bản sóng tràn qua tường đỉnh thấp có mũi hắt sóng, xác định hiệu quả giảm tràn tối ưu khi góc mũi hắt trong khoảng $45^\circ$.
- Đề tài KHCN cấp Bộ Xây dựng mã số TĐ 145-17 (2019) thí nghiệm so sánh 6 dạng mặt cắt tường biển, ghi nhận kết cấu tường mặt cong có mũi hắt sóng mang lại hiệu quả chiết giảm sóng tràn cao nhất và đảm bảo mỹ quan.
Vị trí của luận án: Luận án kế thừa kết quả của Đề tài TĐ 145-17 và khung lý thuyết EurOtop (2018), tập trung giải quyết bài toán thủy lực sóng tràn cho tường mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng ($h_w = 1,5 \div 3,0\text{ m}$), xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm $\gamma_v^*$ phục vụ trực tiếp công tác thiết kế thực tế tại vùng duyên hải Bắc Bộ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
- Lý thuyết sóng biển và sóng tràn: Sóng tràn sinh ra khi sóng leo vượt qua cao trình đỉnh công trình ($R_c$). Dòng tràn được phân loại thành dòng "thuần tràn" (tràn xanh - green water) khi khối nước bám sát mặt tường chảy qua đỉnh, và "sóng bắn" (white water/spray) khi sóng va đập vỡ bắn thành tia qua đỉnh do động lượng hoặc tác động của gió.
- Lý thuyết mô hình vật lý và phân tích thứ nguyên: Thí nghiệm thủy lực sóng sử dụng tiêu chuẩn tương tự Froude, đảm bảo sự tương tự về hình học, động học và động lực học (lực quán tính và lực trọng trường đóng vai trò chủ đạo). Phương pháp định lý $\Pi$ Buckingham được sử dụng để thiết lập các nhóm biến số phi thứ nguyên chi phối sóng tràn: lưu lượng sóng tràn không thứ nguyên $Q = q / \sqrt{g H_{m0}^3}$, chiều cao lưu không tương đối $R_c / H_{m0}$, chiều cao tường tương đối $h_w / R_c$, độ dốc sóng biểu kiến $s_{m-1,0} = 2\pi H_{m0} / (g T_{m-1,0}^2)$, và chỉ số Iribarren $\xi_{m-1,0} = \tan\alpha / \sqrt{s_{m-1,0}}$.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Thu thập, thống kê và phân tích các tiêu chuẩn thiết kế (TCVN 9901:2014, EurOtop-2018), các bài báo khoa học và báo cáo kỹ thuật.
- Phương pháp mô hình vật lý: Thực hiện thí nghiệm 2D trong Máng sóng Hà Lan tại Phòng Thí nghiệm Thủy lực Tổng hợp - Trường Đại học Thủy lợi.
- Mô hình bệ mái nghiêng chế tạo bằng gỗ với hệ số mái dốc $m = 2,0$ (độ dốc 1:2).
- Mô hình các dạng thân tường biển chế tạo bằng nhựa mica trong suốt.
- Thiết bị đo đạc gồm hệ thống đầu đo sóng (Wave gauges - WG), phần mềm thu thập và phân tích dữ liệu HR-DAQ, hệ thống máy tính điều khiển và bể đo thu gom nước tràn.
- Ứng dụng hệ thống video-camera kỹ thuật số độ phân giải cao kết hợp công cụ phần mềm Grabit trên nền tảng Matlab để số hóa đường mặt nước, trích xuất dữ liệu hình thái học sóng bắn, chiều cao đỉnh lưỡi sóng lớn nhất ($S_{\max}$), chiều dày lớp nước tràn ($h_{tr}$) và thời gian duy trì dòng tràn trên đỉnh ($t_{tr}$).
- Phương pháp khảo sát, điều tra thực địa: Đo đạc mặt cắt địa hình, khảo sát hiện trạng kết cấu, ghi nhận dấu vết sóng tràn và hư hỏng thực tế tại các tuyến tường biển Đồ Sơn (Hải Phòng), Cát Bà, Cát Hải và Quảng Ninh.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua tường biển
Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về sóng tràn, các định nghĩa tham số hình học - thủy lực và tiêu chuẩn lưu lượng sóng tràn cho phép theo TCVN 9901:2014 và EurOtop (2018). Phân tích chi tiết các tham số ảnh hưởng được tổng hợp trong bảng:
| STT |
Nhóm tham số |
Ký hiệu |
Đơn vị |
Ý nghĩa tham số |
| 1 |
Hình học công trình |
$R_c$ |
m |
Chiều cao lưu không đỉnh đê/tường so với mực nước tính toán |
| 2 |
Hình học công trình |
$\alpha$ |
độ |
Góc nghiêng của mái dốc phía biển |
| 3 |
Hình học công trình |
$\gamma_r$ |
- |
Hệ số chiết giảm do độ nhám mái đê |
| 4 |
Hình học công trình |
$B_b, d_b$ |
m |
Bề rộng và độ sâu ngập của cơ đê |
| 5 |
Hình học công trình |
$h_w$ |
m |
Chiều cao tường đỉnh/thân tường biển |
| 6 |
Hình học công trình |
$\alpha_w$ |
độ |
Độ dốc mặt tường đỉnh |
| 7 |
Thủy động lực sóng |
$H_s, H_{m0}$ |
m |
Chiều cao sóng ý nghĩa / sóng mô men 0 tại chân công trình |
| 8 |
Thủy động lực sóng |
$T_p, T_{m-1,0}$ |
s |
Chu kỳ đỉnh phổ sóng / chu kỳ đặc trưng phổ sóng |
| 9 |
Thủy động lực sóng |
$s_{m-1,0}$ |
- |
Độ dốc sóng biểu kiến xác định theo chu kỳ $T_{m-1,0}$ |
| 10 |
Thủy động lực sóng |
$\beta$ |
độ |
Góc truyền sóng tới công trình |
| 11 |
Thủy động lực sóng |
$\xi_{m-1,0}$ |
- |
Hệ số sóng vỡ Iribarren |
Đồng thời, chương 1 khảo sát thực trạng công trình tường biển tại khu vực duyên hải Bắc Bộ:
- Tường biển Đảo Trần (Cô Tô, Quảng Ninh): Kết cấu tường đứng bê tông kết hợp bậc thang.
- Tuyến kè bảo vệ chùa Cái Bầu (Quảng Ninh): Kết cấu đá đổ bọc bê tông.
- Tuyến tường biển thị trấn Cát Bà (Hải Phòng): Chiều dài 900 m, xây dựng từ năm 2003 bằng đá xây kết hợp bê tông cốt thép, cao độ đỉnh +6,5 m, chiều dày 0,5 m.
- Tuyến tường biển bảo vệ Nhà máy ô tô Vinfast (đảo Cát Hải, Hải Phòng): Chiều dài hơn 3.000 m, xây dựng năm 2018 bằng bê tông cốt thép toàn khối, cao trình đỉnh +7,0 m, mái dốc phía trước bảo vệ bằng khối Holdquader.
- Tuyến tường biển khu du lịch Đồ Sơn (Hải Phòng): Tổng chiều dài 11.250 m, kết cấu hỗn hợp gạch xây, đá xây và bê tông. Ba dạng hư hỏng chính được ghi nhận gồm: sóng tràn gây phá hủy phần đỉnh và thân sau tường (phổ biến nhất); xói lở chân bệ kè phía biển; và nứt gãy thân tường do sóng đập trực tiếp. Trong các đợt bão hoặc gió mùa Đông Bắc, triều cường vượt +3,0 m tạo sóng bắn cao từ 3 m đến 5 m (thậm chí hàng chục mét khi có bão), đẩy đá hộc và cát phủ lấp mặt đường giao thông nội bộ.
Chương 2: Cơ sở khoa học và thiết kế thí nghiệm nghiên cứu sóng tràn qua tường biển có mũi hắt sóng trên mô hình vật lý
Chương 2 thiết kế hệ thống thí nghiệm mô hình vật lý 2D trong Máng sóng Hà Lan. Luận án phân tích cơ sở lựa chọn mô hình vật lý thay vì đo đạc hiện trường (chi phí quá cao, không chủ động điều kiện biên) hoặc mô hình số (hạn chế khi mô phỏng mặt cong phức tạp và dòng tia sóng bắn).
Nội dung thiết kế thí nghiệm gồm:
- Thiết lập tỷ lệ mô hình hình học $\lambda_L$ theo tiêu chuẩn Froude; kiểm soát hiệu ứng tỷ lệ (scale effects) để lực nhớt và sức căng bề mặt không làm sai lệch dòng chảy tràn.
- Bố trí máng sóng: Bệ mái nghiêng cố định bằng gỗ có tỷ lệ mái $m = 2,0$, đặt trên nền đáy máng. Các khối mô hình tường biển bằng mica được gắn nối tiếp phía trên đỉnh mái nghiêng.
- Phân loại các kịch bản thí nghiệm thành 2 nhóm chính:
- Nhóm TN1: Thí nghiệm so sánh đối chứng giữa các dạng mặt cắt tường biển khác nhau: tường mặt đứng không mũi hắt (TK1) và có mũi hắt (TM1); tường mặt nghiêng không mũi hắt (TK2) và có mũi hắt (TM2); tường mặt cong không mũi hắt (TK3) và có mũi hắt (TM3).
- Nhóm TN2: Thí nghiệm chuyên sâu cho tường mặt cong có mũi hắt sóng (TM3) dưới tác động của các kịch bản sóng đều và sóng ngẫu nhiên với các cấp độ sâu nước $D$, chiều cao sóng $H_{m0}$, chu kỳ sóng $T_p$, $T_{m-1,0}$ thay đổi.
- Quy trình đo đạc và xử lý dữ liệu: Hệ thống đầu đo sóng WG thu nhận tín hiệu dao động mực nước qua phần mềm HR-DAQ; nước tràn qua đỉnh được thu gom vào bể chứa chuyên dụng để tính lưu lượng trung bình $q$; hệ thống camera tốc độ cao ghi hình tương tác sóng - tường để số hóa qua phần mềm Matlab.
Chương 3: Sóng tràn qua tường biển mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và phát triển công thức tính toán:
- Đánh giá hiệu quả chiết giảm sóng tràn của hình dạng mặt tường:
- So sánh các cặp mặt cắt (TK1 - TM1, TK2 - TM2, TK3 - TM3) cho thấy sự hiện diện của mũi hắt sóng luôn làm giảm đáng kể lưu lượng sóng tràn $q$ so với tường không có mũi hắt trong cùng điều kiện thủy lực.
- Kết cấu tường mặt cong có mũi hắt sóng (TM3) đạt hiệu quả giảm lưu lượng sóng tràn cao nhất trong các dạng hình học được khảo nghiệm.
- Phân tích cơ chế tương tác sóng - tường mặt cong có mũi hắt sóng bằng hình ảnh số hóa:
Quá trình tương tác được chia thành 4 giai đoạn nối tiếp:
- Giai đoạn 1: Lưỡi sóng tiếp xúc với mái nghiêng $m = 2,0$, sóng không vỡ và tiếp tục leo dọc theo bề mặt mái dốc.
- Giai đoạn 2: Khối nước tiếp xúc với chân thân tường, uốn cong theo bề mặt cong lõm của tường; nước lấp đầy không gian dưới mũi hắt, lực nén làm dòng nước đổi hướng cục bộ và mũi hắt hắt ngược dòng tia sóng bắn trở lại phía biển.
- Giai đoạn 3: Cột sóng bắn đạt chiều cao cực đại ($S_{\max}$), một phần động lượng còn lại vượt qua mép mũi hắt tạo thành dòng tràn mỏng duy trì trên đỉnh tường trong thời gian $t_{tr}$ với chiều dày lớp nước $h_{tr}$.
- Giai đoạn 4: Trọng lực kéo khối nước rút lùi hoàn toàn về phía biển.
- Xây dựng công thức thực nghiệm:
Dựa trên cấu trúc công thức tổng quát của EurOtop (2018) cho trường hợp sóng không vỡ trên đê mái dốc:
$$\frac{q}{\sqrt{g H_{m0}^3}} = 0,09 \cdot \exp\left[ -1,5 \left( \frac{R_c}{H_{m0} \cdot \gamma_f \cdot \gamma_\beta \cdot \gamma_v^*} \right)^{1,3} \right]$$
Luận án đã phân tích tương quan thực nghiệm giữa hệ số chiết giảm $\gamma_v^$ với tỷ số chiều cao tường tương đối $h_w / R_c$ và độ dốc sóng biểu kiến $s_{m-1,0}$. Kết quả chỉ ra $\gamma_v^$ nghịch biến với độ dốc sóng và phụ thuộc chặt chẽ vào tham số tổ hợp $(h_w / R_c) \cdot s_{m-1,0}$. Từ đó, luận án thiết lập công thức thực nghiệm (3-10) để xác định hệ số chiết giảm sóng tràn $\gamma_v^$ dành riêng cho kết cấu tường mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng:
$$\gamma_v^ = f\left( \frac{h_w}{R_c}, s_{m-1,0} \right)$$
Biểu thức thực nghiệm này khi tích hợp vào công thức EurOtop (2018) cho kết quả tính toán lưu lượng sóng tràn $Q_{tính_toán}$ phù hợp chặt chẽ với số liệu thực nghiệm đo đạc $Q_{đo_đạc}$.
Chương 4: Đề xuất mặt cắt ngang tường biển phù hợp cho khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng
Chương 4 áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vào bài toán thực tế tại khu du lịch Đồ Sơn:
- Điều kiện tự nhiên và khí tượng hải văn: Thu thập chuỗi số liệu hoa gió tại trạm Hòn Dấu giai đoạn 2000 - 2021; xác định mực nước thiết kế (MNTK) ứng với các tần suất thiết kế $P_{TK}$ và tổ hợp sóng nước sâu truyền vào chân công trình qua các mặt cắt tính toán (MC1 đến MC10).
- Đánh giá hiện trạng 5 phân đoạn tường biển điển hình tại bán đảo Đồ Sơn: Phân tích nguyên nhân gây tràn lớn tại các đoạn số 3 và số 5 do chiều cao lưu không không đủ và kết cấu mũi hắt hiện tại không đúng quy chuẩn khí động lực học dòng chảy.
- Tính toán lựa chọn chiều cao tường và cao trình đỉnh tường biển ($Z_t$):
$$Z_t = Z_{MNTK} + R_c$$
Sử dụng công thức chiết giảm $\gamma_v^*$ đã phát triển ở Chương 3 để xác định chính xác chiều cao lưu không cần thiết $R_c$ ứng với ngưỡng lưu lượng tràn cho phép $q_{cp}$ theo TCVN 9901:2014.
- Đề xuất giải pháp mặt cắt ngang điển hình cho khu du lịch Đồ Sơn:
- Phần bệ dưới: Kè mái nghiêng bảo vệ chân bằng đá đổ hoặc khối phủ bê tông có hệ số mái $m = 2,0 \div 3,0$, đóng vai trò bệ phản áp chống trượt và chống xói lở đáy.
- Phần thân trên: Khối tường bê tông trọng lực mặt cong lõm kết hợp mũi hắt sóng nhô ra phía biển với chiều cao thân tường $h_w = 1,5 \div 3,0\text{ m}$.
- Đề xuất quy trình 4 bước nâng cấp, cải tạo các đoạn tường biển hiện hữu tại Đồ Sơn nhằm đảm bảo đồng thời khả năng chống tràn, ổn định kết cấu và cảnh quan du lịch.
Kết quả và những đóng góp mới
Kết quả đạt được
- Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở khoa học về động lực học sóng tràn qua các dạng tường biển, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp tính toán quốc tế (TAW, EurOtop, Franco) khi áp dụng vào điều kiện Việt Nam.
- Thực hiện thành công chuỗi thí nghiệm mô hình vật lý 2D trong máng sóng, làm rõ quy luật thủy lực và cấu trúc dòng chảy tràn 4 giai đoạn của tương tác sóng với tường mặt cong có mũi hắt sóng trên bệ mái nghiêng.
- Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh kỹ thuật số (kết hợp video camera và phần mềm Grabit trên Matlab) để định lượng các thông số hình thái dòng tràn ($S_{\max}$, $h_{tr}$, $t_{tr}$).
- Đề xuất hoàn chỉnh giải pháp kết cấu mặt cắt ngang tường biển mặt cong có mũi hắt sóng trên bệ mái nghiêng và quy trình cải tạo áp dụng trực tiếp cho khu du lịch Đồ Sơn, Hải Phòng.
Những đóng góp mới của luận án
- Làm sáng tỏ mức độ tác động và quy luật chi phối của các tham số hình học và thủy lực đến lưu lượng sóng tràn qua tường biển, bao gồm: hình dạng mặt cong của thân tường, góc và độ nhô của mũi hắt sóng, chiều cao tường tương đối ($h_w / R_c$), chiều cao lưu không tương đối ($R_c / H_{m0}$), và chu kỳ sóng thông qua độ dốc sóng biểu kiến ($s_{m-1,0}$).
- Xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm sóng tràn $\gamma_v^*$ (công thức 3-10 trong luận án), bổ sung và tích hợp trực tiếp vào cấu trúc công thức tính sóng tràn của tiêu chuẩn EurOtop (2018) cho dạng kết cấu tường biển mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng trong điều kiện sóng không vỡ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Căn cứ theo đối tượng và phạm vi nghiên cứu được xác lập trong văn bản luận án, các hạn chế và định hướng phát triển gồm:
- Luận án chỉ giới hạn khảo sát trong điều kiện sóng không vỡ trên mái nghiêng; chưa xét đến trường hợp sóng vỡ phức tạp trước khi tác động vào thân tường.
- Thí nghiệm mô hình vật lý được thực hiện trên máng sóng 2D với hướng sóng tới vuông góc ($\beta = 0^\circ$); chưa thực hiện thí nghiệm mô hình 3D trong bể sóng để kiểm chứng ảnh hưởng của góc sóng tới xiên ($\beta \neq 0^\circ$) và hiệu ứng sóng ba chiều.
- Chưa khảo sát định lượng tác động của áp lực sóng va trực tiếp lên mặt cong và mũi hắt sóng trong điều kiện bão cực hạn.
- Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng nghiên cứu trong bể sóng 3D, bổ sung đo đạc áp lực sóng tác động lên thân tường mặt cong và tích hợp mô phỏng số trị 3D chi tiết trường vận tốc dòng chảy qua mũi hắt.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn phục vụ các nhóm đối tượng:
- Cơ quan quản lý nhà nước và chủ đầu tư: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật, định mức và quy chuẩn thiết kế kè, tường biển bảo vệ bờ cho các đô thị, khu du lịch và đảo tiền tiêu ven biển vùng duyên hải Bắc Bộ.
- Đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy lợi, công trình thủy và công trình biển: Ứng dụng trực tiếp công thức thực nghiệm $\gamma_v^*$ và sơ đồ tính toán ở Chương 3 để xác định chính xác cao trình đỉnh tường biển $Z_t$, giảm thiểu chiều cao công trình mà vẫn khống chế được lưu lượng sóng tràn theo quy chuẩn TCVN 9901:2014.
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tham khảo phương pháp luận thiết kế thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng, kỹ thuật đo đạc xử lý ảnh video-camera qua Matlab (Grabit), và phương pháp phân tích thứ nguyên trong thủy lực công trình biển.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao kết cấu tường biển mặt cong có mũi hắt sóng lại phù hợp hơn đê biển truyền thống tại các khu đô thị và khu du lịch?
Đê biển truyền thống có mặt cắt hình thang chiếm diện tích đất rất lớn, không khả thi trong điều kiện quỹ đất hạn hẹp tại các đô thị ven biển. Đê biển cũng gây cản trở tầm nhìn ra biển và không đáp ứng mỹ quan du lịch. Tường biển mặt cong có mũi hắt sóng chiếm mặt bằng nhỏ, cho phép giảm cao trình đỉnh tường mà vẫn giảm được sóng tràn, giữ gìn không gian cảnh quan đô thị.
2. Điểm khác biệt cơ bản giữa tường biển trên bệ mái nghiêng trong luận án và tường đỉnh trên đê biển thông thường là gì?
Tường đỉnh trên đê biển truyền thống thường có chiều cao nhỏ ($h_w$ từ 0,8 m đến 1,2 m) đặt trên đỉnh đê dốc thoải. Ngược lại, tường biển trong nghiên cứu của luận án là kết cấu tường trọng lực độc lập đặt trên bệ kè mái dốc ($m = 2,0 \div 3,0$), có chiều cao tường lớn hơn nhiều ($h_w$ từ 1,5 m đến 3,0 m), trực tiếp chịu tác động của sóng leo và sóng bắn từ chân bệ dốc.
3. Cơ chế giảm sóng tràn của tường mặt cong kết hợp mũi hắt sóng diễn ra như thế nào?
Khi lưỡi sóng leo lên bệ mái nghiêng và tiếp xúc với thân tường, mặt cong lõm hướng dòng chảy uốn cong lên phía trên. Khi dòng nước chạm vào mũi hắt sóng, áp lực cục bộ ép dòng tia nước đổi hướng và bị hắt ngược trở lại phía biển, làm tiêu tán động lượng và ngăn dòng nước tràn qua đỉnh vào phía sau công trình.
4. Luận án đã tích hợp đóng góp mới vào tiêu chuẩn quốc tế nào?
Luận án phát triển công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm $\gamma_v^*$ (phụ thuộc vào tỷ số $h_w / R_c$ và độ dốc sóng $s_{m-1,0}$), tích hợp trực tiếp vào công thức tính toán lưu lượng sóng tràn cho trường hợp sóng không vỡ của tiêu chuẩn EurOtop (2018).
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Tăng Xuân Thọ đã giải quyết bài toán tính toán sóng tràn qua kết cấu tường biển mặt cong có mũi hắt sóng đặt trên bệ mái nghiêng trong điều kiện sóng không vỡ. Bằng phương pháp thực nghiệm mô hình vật lý máng sóng kết hợp xử lý hình ảnh số hóa, nghiên cứu đã làm rõ bản chất thủy lực 4 giai đoạn tương tác giữa sóng và công trình. Đóng góp cốt lõi của luận án là thiết lập công thức thực nghiệm xác định hệ số chiết giảm $\gamma_v^*$ tích hợp vào tiêu chuẩn EurOtop (2018), làm cơ sở tính toán cao trình đỉnh và đề xuất mặt cắt ngang tường biển tối ưu áp dụng cho khu du lịch Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng.
