Tổng quan về luận án

Nghiên cứu của tác giả Phạm Văn Lập (2019) với đề tài "Nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông trong thiết kế chân kè đá đổ, áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng" (Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Mã số: 9580202, Trường Đại học Thủy Lợi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Xuân Roanh và GS. Ngô Trí Viềng) giải quyết trực diện một điểm nghẽn thủy động lực học nghiêm trọng trong công trình bảo vệ bờ biển nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam. Vùng duyên hải Việt Nam hàng năm chịu tác động trực tiếp của 6 đến 10 cơn bão với cường độ gió và nước dâng phức tạp. Thực tiễn vận hành công trình đê biển tại miền Bắc và Bắc Trung Bộ ghi nhận hiện tượng phá hoại mang tính quy luật: lớp thảm đá hộc bảo vệ chân kè bị sóng bóc tách, cuộn trượt liên tục lên xuống mái kè, gây mài mòn cơ học, đập vỡ tấm lát bê tông và xói rỗng thân đê.

Khoảng trống nghiên cứu (Research gap) cốt lõi xuất phát từ sự thiếu hụt của các quy phạm thiết kế hiện hành. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9901:2014 đang áp dụng công thức xác định vận tốc đáy của Izbash (1930) vốn dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính Airy: $$U_{\max} = \frac{\pi H_{sp}}{T \sinh\left(\frac{2\pi d_s}{L_{sp}}\right)}$$ Công thức này chỉ xét 3 thông số hình học sóng cơ bản gồm chiều cao sóng thiết kế ($H_{sp}$), độ sâu nước tại chân công trình ($d_s$) và bước sóng ($L_{sp}$). Giả định sóng tuyến tính hoàn toàn mất hiệu lực tại vùng nước nông và vùng sóng vỡ ($1,0 \le d_s/H_{m0,0} < 4,0$), nơi tính phi tuyến, sự bất đối xứng của quỹ đạo chuyển động phần tử nước và dòng phản hồi đáy (undertow) chiếm ưu thế tuyệt đối. Tiêu chuẩn bỏ qua ảnh hưởng của chu kỳ đỉnh phổ ($T_p$), hệ số mái dốc kè ($m$), độ dốc bãi trước đê ($i$), độ nhám mái ($a$) và chỉ số sóng vỡ Iribarren ($\xi$).

Luận án đặt ra hai câu hỏi nghiên cứu và hai giả thuyết khoa học chính:

  • Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Các tham số thủy động lực học phi tuyến và hình học công trình chi phối phân bố vận tốc dòng chảy ngang lớn nhất ($U_{\max}$) sát đáy tại chân kè nông như thế nào?
  • Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Quy luật tiêu tán năng lượng và cơ chế cản giữ vật liệu rắn của hệ thống mố nhám nhân tạo trên mái kè diễn ra theo cơ chế thủy lực nào để ổn định khối đá chân kè?
  • Giả thuyết khoa học 1 (H1): Vận tốc dòng chảy sát đáy $U_{\max}$ tại chân kè nông chịu sự khuếch đại phi tuyến của chu kỳ sóng $T_p$ và độ dốc mái $m$, vượt đáng kể giá trị dự báo bởi lý thuyết sóng tuyến tính Airy.
  • Giả thuyết khoa học 2 (H2): Bố trí hệ mố nhám có kích thước và khoảng cách tối ưu sẽ làm giảm vận tốc dòng đáy từ 15% đến 35%, đồng thời triệt tiêu cơ học chuyển động trượt của đá hộc lên mái kè.

Khung lý thuyết của nghiên cứu tích hợp phương trình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) kết hợp phương pháp thể tích lưu chất (VOF) cho môi trường rỗng (Sakakiyama & Kajima, 1992), lý thuyết dòng undertow (Longuet-Higgins, 1953) và lý thuyết ổn định hạt rời trên đáy dốc (Shields, 1936; Pilarczyk, 1990). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào chân kè nông đê biển Bắc Bộ, kiểm chứng qua 320 kịch bản mô phỏng số và thực nghiệm máng sóng tỷ lệ 1:10 tại Phòng Thí nghiệm Thủy lực Tổng hợp (Đại học Thủy Lợi), áp dụng trực tiếp cho tuyến đê biển Cát Hải (Hải Phòng).

Literature Review và Positioning

Tổng quan y văn quốc tế và trong nước về thủy động lực học sóng ven bờ chia thành ba dòng nghiên cứu chính:

Dòng thứ nhất tập trung vào động học sóng phi tuyến và dòng ven bờ. Kể từ nền tảng sóng tuyến tính của Airy (1845) và sóng bậc cao Stokes (1847), các nghiên cứu của Longuet-Higgins (1953, 1970, 1975) đã đặt nền móng cho cơ chế dòng phản hồi sát đáy (undertow) và dòng dọc bờ. Vận tốc dòng undertow được chứng minh đạt từ 8% đến 10% giá trị $\sqrt{gd}$ sát đáy. Các công trình thực địa của Thornton & Guza (1986 tại California) và phân tích của Ruessink & Van Rijn (2018) chỉ ra rằng trong vùng sóng vỗ (swash zone), vận tốc nước tràn lên mái kè có thể đạt từ 1,0 m/s đến 3,0 m/s: $$u_b \approx \sqrt{gd_s}$$ Tuy nhiên, các mô hình này chủ yếu áp dụng cho bờ biển tự nhiên dạng bãi cát phẳng, chưa xét đến biên cứng mái dốc có độ nhám nhân tạo.

Dòng thứ hai nghiên cứu về ổn định hạt rời dưới tác động thủy lực. Khởi đầu từ công thức Izbash (1930) xác định vận tốc giới hạn làm trôi hạt $u_c = K\sqrt{2g\Delta d}$, tiếp nối bởi tiêu chuẩn ứng suất tiếp đáy Shields (1936) và thực nghiệm Paintal (1971) với quy luật vận chuyển bùn cát giảm theo lũy thừa 16 của hệ số lưu biến $\Psi$. Pilarczyk (1990) mở rộng lý thuyết ổn định cho tấm lát và đá đổ trên mái dốc: $$D = \frac{0,035 \Phi}{\Delta \Psi K_s} u_{cr}^2$$ Các công thức này bộc lộ sự bất cập khi áp dụng cho chân kè nông đê biển do chưa xác định chính xác trường vận tốc cục bộ thực tế trước chân công trình khi sóng vỡ tương tác với mái nghiêng.

Dòng thứ ba là các nghiên cứu thực nghiệm và mô hình số tại Việt Nam. Các nghiên cứu của Nguyễn Văn Mạo (1999), Nguyễn Hoàng Hà (2003), Lê Hải Trung (2008), Vũ Minh Cát (2008, 2013) và Thiều Quang Tuấn (2008) trên mô hình số Wadibe-CT (kế thừa từ Unibest-TC của Delft Hydraulics, Hà Lan) đã làm sáng tỏ diễn biến hố xói sâu khoảng $0,35 H_{m0}$ trước chân đê ống buy. Tuy nhiên, các tác giả chưa đưa ra được công thức định lượng vận tốc đáy $U_{\max}$ tích hợp đầy đủ các yếu tố hình học kết cấu và giải pháp kết cấu mố nhám cản đá.

Luận án định vị chính xác tại giao điểm của cơ học chất lỏng tính toán (CFD) môi trường rỗng và kỹ thuật bờ biển thực nghiệm, tiến bộ vượt bậc so với các nghiên cứu của Van Gent (1995, Hà Lan) và Hughes (1999, WES Hoa Kỳ) nhờ xác lập mối quan hệ hàm số tường minh giữa vận tốc động học sát đáy với cấu trúc nhám bề mặt công trình.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng lý thuyết ổn định hạt rời cổ điển của Izbash và Pilarczyk bằng cách định nghĩa lại trường vận tốc tác động tại chân kè nông không phải là một đại lượng tuyến tính đơn thuần, mà là hàm số phụ thuộc đa biến vào các thông số vô thứ nguyên: $$U_{\max} = f\left(H_s, T_p, d_s, L_s, m, i, a, \xi\right)$$ Nghiên cứu chứng minh sự dịch chuyển hệ hình (paradigm shift) từ việc xem xét ổn định chân kè tĩnh sang trạng thái tương tác động lực học phi tuyến cao giữa sóng vỡ, dòng phản hồi đáy và kết cấu xốp. Vận tốc giới hạn $u_c$ của viên đá chân kè được liên kết trực tiếp với trường xoáy cục bộ sinh ra do độ dốc mái và hệ thống mố nhám, bác bỏ giả định vận tốc dòng đáy phân bố đều theo phương ngang của các lý thuyết sóng nước nông truyền thống.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đồng bộ 3 trụ cột lý thuyết:

  1. Hệ phương trình RANS 2 chiều cho môi trường xốp (Sakakiyama & Kajima, 1992) kết hợp mô hình nhớt rối không gian con lưới Smagorinsky: $$\tau_t = C_s^2 \Delta^2 (2S_{x,z} S_{x,z})^{1/2}$$
  2. Kỹ thuật theo dõi mặt tự do VOF (Volume of Fluid) bảo toàn thể tích chất lỏng qua hàm $F(x,z,t)$, cho phép nắm bắt chính xác quá trình vỡ sóng, trườn sóng và hình thành dòng xoáy cuộn tại chân kè.
  3. Mô hình cân bằng lực động học hạt rời phân tích chi tiết 5 thành phần lực tác dụng lên viên đá: lực kéo do dòng chảy ($F_D$), lực cắt do ứng suất tiếp đáy ($F_S$), lực nâng động lực học ($F_L$), lực ma sát chống trượt ($F_F$) và trọng lượng bản thân chìm ($W$).

Điều kiện biên áp dụng (Boundary conditions): Độ sâu tương đối $1,0 \le d_s/H_{m0,0} < 4,0$; chiều cao sóng có nghĩa $H_s = 0,6 \div 1,5\text{ m}$; chu kỳ sóng $T = 5,06 \div 6,96\text{ s}$; hệ số mái dốc $m = 2,0 \div 5,0$; độ dốc bãi $i = 1%$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án vận dụng triết lý nghiên cứu thực chứng nghiêm ngặt (Critical Realism / Positivism), phối hợp bổ trợ hai phương pháp chủ lực: mô phỏng toán trên máng sóng số 2D (MSS-2D) và thực nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ trên máng sóng máng hiện đại tại Phòng Thí nghiệm Thủy lực Tổng hợp (Trường Đại học Thủy Lợi). Thiết kế đa tầng này giải quyết bài toán tối ưu hóa nguồn lực: mô hình số chịu trách nhiệm quét rộng 320 kịch bản biến thiên thông số, trong khi mô hình vật lý đóng vai trò kiểm định độc lập và hiệu chỉnh các tham số thủy lực cơ bản.

                                  QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thực nghiệm trên mô hình vật lý được thiết lập chuẩn xác theo định luật tương tự Froude với tỷ lệ hình học thu nhỏ $\lambda_L = 1:10$:

  • Máng sóng dài 45 m, rộng 1,2 m, sâu 1,5 m trang bị hệ thống tạo sóng điện phân động học và cảm biến hấp thụ sóng phản xạ chủ động (Active Reflection Compensation - ARC), triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng sóng phản xạ thứ cấp gây nhiễu loạn trường vận tốc đo đạc.
  • Thiết bị quan trắc bao gồm đầu đo vận tốc Doppler âm học tần số cao (ADV) đặt sát đáy (cách đáy $1 \div 2\text{ cm}$) tại vị trí chân kè, đồng bộ với hệ thống cảm biến sóng điện dung xác định chiều cao sóng tức thời $H(t)$ và mực nước tĩnh trước thí nghiệm.
  • Vật liệu đá bảo vệ chân kè sử dụng đá hộc tự nhiên ($\rho_đ = 2400\text{ kg/m}^3$, $\rho_w = 1025\text{ kg/m}^3$), được phân loại qua sàng tiêu chuẩn kích cỡ 1x2 và 2x4, phun sơn đánh dấu để theo dõi chính xác ngưỡng bắt đầu dịch chuyển và quỹ đạo lăn của hạt theo 7 trạng thái chuyển động của tiêu chuẩn Shields-Paintal.

Data và phân tích

Quá trình hiệu chỉnh mô hình số MSS-2D được thực hiện dựa trên kịch bản chuẩn: $H_s = 0,8\text{ m}$, $T_p = 5,06\text{ s}$, độ sâu $d_s = 1,5\text{ m}$. Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình môi trường rỗng xác định: độ xốp $n = 0,3$, hệ số gia tăng quán tính $C_M = 0,25 \div 0,5$, hệ số cản nhớt $C_D = 1,5$. Với bộ thông số này, vận tốc tính toán $U_{\max TT} = 1,26\text{ m/s}$ đạt độ tương thích gần như tuyệt đối với vận tốc thực đo mô hình vật lý $U_{\max TN} = 1,24\text{ m/s}$ (sai số $< 1,6%$).

Dữ liệu kiểm định đối chứng trên 12 kịch bản đê mái nghiêng không mố nhám cho thấy sự trùng khớp chặt chẽ giữa tính toán số và đo đạc vật lý:

Kịch bản Độ sâu $d_s$ (m) Chiều cao $H_s$ (m) Chu kỳ $T$ (s) $U_{\max TT}$ (m/s) $U_{\max TN}$ (m/s) Sai số tương đối (%)
KB1 1,5 0,8 5,06 1,26 1,24 +1,61%
KB2 1,5 1,0 6,96 1,84 2,23 -17,49%
KB3 1,5 1,1 6,96 2,26 2,35 -3,83%
KB4 1,0 0,6 5,06 0,99 1,03 -3,88%
KB5 1,0 0,7 5,06 1,15 1,37 -16,06%
KB6 1,0 0,8 5,06 1,27 1,46 -13,01%
KB7 1,5 0,8 5,69 1,58 1,85 -14,59%
KB8 1,5 0,8 6,96 2,03 2,11 -3,79%
KB9 1,5 1,0 5,06 1,59 1,66 -4,22%
KB10 1,5 1,1 6,32 2,25 2,23 +0,90%
KB11 1,0 0,7 5,69 1,41 1,45 -2,76%
KB12 1,0 0,8 5,69 1,57 1,62 -3,09%

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

"Đá trải thảm chân kè bị sóng đánh bật khỏi vị trí ban đầu. Dưới tác động của sóng và dòng chảy trên mái kè, đá hộc được đưa lên, đưa xuống, chà xát và va đập vào kết cấu mái kè. Theo thời gian, kết cấu bảo vệ mái kè bị bào mòn, thủng và bị phá hủy. Các hàng tấm lát mái dưới chân bị phá hủy trước. Sau đó, sóng tiếp tục tác động làm xói phần đất đắp thân đê... Tác nhân chính của quá trình phá hủy trên, theo chúng tôi, chính là các viên đá hộc làm thảm chân kè không đảm bảo ổn định, bị sóng dịch chuyển."

Từ việc phân tích 320 kịch bản thực nghiệm và mô phỏng số, luận án xác lập 4 phát hiện mang tính đột phá:

Thứ nhất, chu kỳ sóng $T$ là biến số kiểm soát then chốt đối với vận tốc đáy $U_{\max}$, vượt trội hơn mức độ ảnh hưởng đơn thuần của chiều cao sóng $H_s$. Khi giữ nguyên độ sâu $d_s = 1,5\text{ m}$ và $H_s = 0,8\text{ m}$, nếu chu kỳ sóng $T$ tăng từ $5,06\text{ s}$ lên $5,69\text{ s}$ và $6,96\text{ s}$, vận tốc thực đo $U_{\max TN}$ tăng vọt từ $1,24\text{ m/s}$ lên $1,85\text{ m/s}$ và đạt đỉnh $2,11\text{ m/s}$ (mức tăng $70,16%$). Hiện tượng này xảy ra do sóng chu kỳ dài mang bước sóng lớn hơn, gia tăng mức độ thâm nhập của động năng xuống tầng đáy trong điều kiện nước nông.

Thứ hai, công thức trong tiêu chuẩn TCVN 9901:2014 đánh giá thấp nghiêm trọng vận tốc thực tế tại chân kè nông. Do sử dụng sóng tuyến tính, tiêu chuẩn ước tính thiếu từ $25%$ đến $40%$ giá trị $U_{\max}$ trong các kịch bản sóng bão chu kỳ lớn ($T > 6\text{ s}$), dẫn đến việc lựa chọn kích thước viên đá bảo vệ chân kè nhỏ hơn yêu cầu chịu lực thực tế, là nguyên nhân gốc rễ gây sạt lở đê biển.

Thứ ba, sự tương tác phức hợp giữa độ dốc mái kè $m$ và vận tốc ngang. Khi hệ số mái dốc $m$ thoải hơn (tăng từ $m = 2,0$ lên $m = 5,0$), vận tốc ngang sát đáy $U_{\max}$ có xu hướng giảm nhẹ do năng lượng sóng phân tán trên bề mặt dốc dài hơn, làm giảm hệ số phản xạ sóng $K_r$.

Thứ tư, hiệu ứng tiêu giảm vận tốc và cơ chế "bẫy giữ đá" của hệ thống mố nhám cản đá. Thí nghiệm chứng minh việc bố trí các mố nhám có chiều cao $a = 50\text{ cm}$ trên mái kè giúp tiêu tán từ $15%$ đến $35%$ động năng dòng chảy sát chân kè ($N_o%$), đồng thời hình thành cấu trúc rào cản vật lý hai tầng: viên đá bị sóng cuốn vượt qua khe hàng thứ nhất sẽ bị giữ lại hoàn toàn tại hàng thứ hai, triệt tiêu hiện tượng mài mòn cơ học lên tấm lát mái.

Implications đa chiều

  • Về mặt lý thuyết: Luận án đã hoàn thiện mô hình động lực học dòng chảy sóng nước nông sát biên công trình dốc rỗng, bắc cầu nối giữa phương trình Navier-Stokes phi tuyến và công thức ổn định hạt rời Shields-Pilarczyk.
  • Về mặt phương pháp luận: Thiết lập quy trình chuẩn phối hợp mô hình số 2D (MSS-2D) và mô hình vật lý thu nhỏ, mở ra hướng nghiên cứu tiết kiệm chi phí nhưng đạt độ chuẩn xác cao cho các bài toán công trình thủy ven biển phức tạp.
  • Về mặt ứng dụng thực tiễn: Cung cấp công thức tính toán tường minh và quy trình kiểm tra ổn định viên đá chân kè cho các đơn vị tư vấn thiết kế, khắc phục triệt để nhược điểm của công thức Izbash truyền thống.
  • Về mặt chính sách và tiêu chuẩn: Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng để sửa đổi, bổ sung Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9901:2014 và TCVN 11736:2017 về thiết kế đê biển.

Limitations và Future Research

Nghiên cứu thể hiện tính trung thực khoa học cao khi làm rõ các giới hạn biên:

  1. Giới hạn không gian hai chiều (2D): Mô hình số MSS-2D và máng sóng vật lý chỉ xét tương tác sóng trực diện vuông góc với tuyến đê ($\beta = 0^\circ$), chưa mô phỏng được trường sóng tới xiên góc ($\beta \ne 0^\circ$) và dòng chảy dọc bờ 3 chiều phức tạp.
  2. Đặc trưng địa hình bãi: Nghiên cứu tập trung vào bãi biển cát thoải đặc trưng miền Bắc ($i = 1%$), chưa bao quát các dạng bãi dốc san hô hoặc bãi bùn xói lở sâu tại miền Trung và Nam Bộ.
  3. Phổ sóng mô phỏng: Thực nghiệm chủ yếu thực hiện với các kịch bản sóng đều và sóng ngẫu nhiên đơn cực đỉnh (JONSWAP), chưa xét đến phổ sóng hai đỉnh (kết hợp sóng gió địa phương và sóng lừng viễn dương).

Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được đề xuất gồm:

  • Mở rộng mô hình số lên 3 chiều sử dụng phương pháp mô phỏng xoáy lớn (3D LES-VOF) trên nền tảng OpenFOAM.
  • Nghiên cứu động lực học va đập của đá hộc lên cấu kiện bê tông cường độ cao (UHPC) dưới tác động của chuỗi sóng bão kéo dài nhiều đỉnh triều.
  • Tích hợp bài toán biến đổi khí hậu, nước biển dâng và hiện tượng xói bãi hạ thấp cao trình chân kè dài hạn vào công thức dự báo $U_{\max}$.

Tác động và ảnh hưởng

Luận án tạo ra tác động sâu rộng trên cả 4 phương diện:

  • Học thuật: Cung cấp hệ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác 320 kịch bản về trường vận tốc đáy chân kè nông, làm tài liệu tham khảo cốt lõi cho các nghiên cứu sinh chuyên ngành Công trình Thủy và Kỹ thuật Bờ biển.
  • Ngành xây dựng thủy lợi: Thay đổi căn bản phương pháp tính toán kết cấu chân kè đá đổ, giúp các đơn vị tư vấn tối ưu hóa khối lượng đá đổ, giảm $20% \div 30%$ kinh phí duy tu sửa chữa đê biển sau bão.
  • Chính sách công: Định hình cơ sở sửa đổi Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9901, nâng cao mức độ an toàn cho hệ thống đê biển quốc gia trước các hiện tượng thời tiết cực đoan.
  • Xã hội và môi trường: Bảo vệ an toàn tính mạng và sinh kế cho hàng triệu người dân vùng ven biển Cát Hải (Hải Phòng) và dải duyên hải Bắc Bộ trước hiểm họa vỡ đê do bão biển.

Đối tượng hưởng lợi

  • Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận phương pháp luận kết hợp RANS-VOF và máng sóng vật lý; kế thừa cơ sở dữ liệu thực nghiệm 320 kịch bản để phát triển các mô hình học máy (Machine Learning) dự báo thủy động lực học sóng ven bờ.
  • Kỹ sư và Đơn vị tư vấn thiết kế: Sở hữu công cụ tính toán chính xác kích thước viên đá bảo vệ ($D_{50}$, khối lượng $W$) và bản vẽ cấu tạo chi tiết gờ mố nhám cản đá ($h = 50\text{ cm}$) đã được kiểm chứng thực tế.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Nông nghiệp & PTNT, Cục Quản lý Đê điều): Có căn cứ khoa học vững chắc để phê duyệt dự án nâng cấp đê biển và ban hành quy chuẩn kỹ thuật cập nhật.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp độc đáo nhất là việc xác lập mối quan hệ hàm số giữa vận tốc ngang cực đại sát đáy $U_{\max}$ với tổ hợp thông số phi tuyến gồm chu kỳ sóng ($T_p$), hệ số mái dốc ($m$) và độ nhám công trình ($a$), mở rộng trực tiếp lý thuyết ổn định hạt rời cổ điển Izbash (1930) và Pilarczyk (1990) trong vùng sóng vỗ nước nông.

2. Phương pháp nghiên cứu có điểm gì cải tiến so với hai nghiên cứu quốc tế tiêu biểu?

So với mô hình máng sóng số của Van Gent (1995, Hà Lan) vốn chỉ giải hệ phương trình nước nông phi tuyến (NLSW) thiếu tính phân tán tần số, luận án giải trực tiếp hệ phương trình RANS-VOF kết hợp mô hình rối Smagorinsky. So với nghiên cứu thực nghiệm của Hughes (1999, WES Hoa Kỳ), luận án tích hợp biên tạo sóng hấp thụ phản xạ chủ động (ARC) đồng thời đo đạc đồng thời cả trường vận tốc ADV sát đáy và trạng thái động học di chuyển hạt đá.

3. Phát hiện bất ngờ nhất có dữ liệu thực nghiệm chứng minh là gì?

Phát hiện bất ngờ nhất là sự gia tăng đột biến của vận tốc đáy $U_{\max}$ theo chu kỳ sóng $T$: tại $d_s = 1,5\text{ m}$ và $H_s = 0,8\text{ m}$, chỉ cần chu kỳ $T$ tăng từ $5,06\text{ s}$ lên $6,96\text{ s}$ (tăng 37,5%), vận tốc thực đo $U_{\max TN}$ đã tăng vọt từ $1,24\text{ m/s}$ lên $2,11\text{ m/s}$ (tăng $70,16%$), bác bỏ giả thiết trước đây cho rằng chiều cao sóng $H_s$ là yếu tố duy nhất chi phối vận tốc đáy.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập nghiên cứu (Replication protocol) không?

Có. Luận án cung cấp chi tiết toàn bộ điều kiện biên mô hình số (kích thước lưới FVM, thông số hiệu chỉnh $n = 0,3$, $C_M = 0,25 \div 0,5$, $C_D = 1,5$), tỷ lệ hình học máng sóng vật lý 1:10, vị trí đặt đầu đo ADV cách đáy $1 \div 2\text{ cm}$, cấp phối đá thí nghiệm và bảng số liệu đo đạc 320 kịch bản tại Phụ lục.

5. Kế hoạch nghiên cứu 10 năm được phác thảo như thế nào?

Kế hoạch bao gồm: (1) Phát triển mô hình 3D LES-VOF mô phỏng sóng xiên góc và dòng dọc bờ; (2) Nghiên cứu độ bền mài mòn va đập của cấu kiện bê tông sợi cường độ siêu cao (UHPC); (3) Xây dựng hệ thống giám sát thời gian thực ổn định chân kè đê biển tích hợp cảm biến IoT và trí tuệ nhân tạo.

Kết luận

  1. Làm sáng tỏ cơ chế phá hoại chân kè: Xác định chính xác tác nhân phá hủy mái đê biển là do thảm đá chân kè mất ổn định dưới tác động của vận tốc dòng đáy phi tuyến, bị sóng đẩy trượt lên xuống gây mài mòn vỡ tấm lát bê tông và xói rỗng thân đê.
  2. Chỉ ra hạn chế cốt tử của tiêu chuẩn hiện hành: Chứng minh công thức Izbash trong TCVN 9901:2014 dựa trên sóng tuyến tính đã đánh giá thấp từ $25%$ đến $40%$ vận tốc dòng đáy trong điều kiện sóng bão chu kỳ lớn.
  3. Thiết lập công thức tính toán vận tốc mới: Xây dựng thành công công thức thực nghiệm xác định $U_{\max}$ sát đáy tại chân kè nông có xét đến đầy đủ các yếu tố: $H_s, T_p, d_s, L_s, m, i, a$ và chỉ số Iribarren $\xi$.
  4. Phát minh giải pháp mố nhám cản đá: Thiết kế và kiểm chứng thành công kết cấu mố nhám tiêu năng cản đá ($h = 50\text{ cm}$), giúp giảm $15% \div 35%$ vận tốc đáy và ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng đá vần lên mái kè.
  5. Ứng dụng thực tiễn thành công: Áp dụng hiệu quả cho công trình đê biển Cát Hải (Hải Phòng), đảm bảo ổn định bền vững tuyến công trình trước mùa mưa bão, tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư và duy tu hàng năm.
  6. Mở ra hướng nghiên cứu mới: Đặt nền móng vững chắc cho việc ứng dụng mô hình số thủy động lực học chuyên sâu RANS-VOF kết hợp thực nghiệm máng sóng trong thiết kế công trình bảo vệ bờ biển thích ứng với biến đổi khí hậu tại Việt Nam.