nghiên cứu mô hình toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng trước bãi đê

1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đê biển và các hạng mục công trình phụ trợ khác hình thành nên một hệ
thống công trình phòng chống, bảo vệ vùng nội địa khỏi bị lũ lụt và thiên tai khác từ
phía biển. Vì tính chất quan trọng của nó mà công tác nghiên cứu thiết kế, xây dựng
đê biển ở trên thế giới, đặc biệt là ở các quốc gia có biển, đã có một lịch sử phát
triển rất lâu đời. Tuy nhiên, tùy thuộc vào các điều kiện tự nhiên và trình độ phát
triển của mỗi quốc gia mà các hệ thống đê biển đã được phát triển ở những mức độ
khác nhau.

Bãi trước đê biển hết sức quan trọng đối với sự an toàn của đê, đặc biệt là đối
với khu vực bãi biển bị xâm thực. Do vậy để ổn định đê biển thì việc bảo vệ bãi
quan trọng hơn cả, cần được ưu tiên đầu tư. Nếu chỉ tập trung để đầu tư đê mà
không quan tâm đến việc giữ bãi thì công tác bảo vệ an toàn đê biển luôn luôn bị
động. Mặt khác, song song đó cần có biện pháp bảo vệ mái phía đồng thích hợp để
chống xói mòn do nước mưa và do sóng tràn qua đê. Do vậy, biện pháp khả thi tại
những vùng có đê bắt buộc phải tồn tại trong điều kiện trên cần có biện pháp giảm
thiểu chiều cao sóng tác động lên mái đê và sóng leo và tràn bằng công trình phá
sóng ngầm trước đê sẽ phần nào khắc phục được sự bất cập hiện nay giữa yêu cầu
chống được sóng lớn triều cường nhưng không tăng quá mức cao độ của hệ thống
đê biển hiện tại. Mặt khác vài thập niên gần đây do biến đổi khí hậu tòan cầu, thiên
tai xảy ra khốc liệt hơn. Tình hình bão lũ, động đất, sóng thần, sạt lở , xuất hiện
nhiều hơn, với cường độ lớn hơn, diễn biến phức tạp hơn, khó lường hơn. Đặc biệt
trong tương lai biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ kéo theo tình trạng nước biển dâng, đây
là một trong những nguy cơ lớn mà nước ta sẽ phải đối mặt trong tương lai.
Với những khó khăn và thách thức nêu trên mà yêu cầu cần thiết phải nghiên
cứu xây dựng một hệ thống đê vững chắc an toàn mà kinh tế. Do đó đề tài ”Nghiên
cứu mô hình toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá sóng trước bãi đê” là một
bước nghiên cứu rất quan trọng với nhiệm vụ giới thiệu, phân tích, đánh giá khả

2
năng giảm sóng của đê ngầm làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề xuất lựa chọn các
giải pháp hợp lý ổn định, bảo vệ bãi trước đê, giữ an toàn cho hệ thống đê biển.
2. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU
Nghiên cứu tương tác giữa sóng và công trình biển nói chung sóng và đê
ngầm chắn sóng nói riêng mang ý nghĩa quan trọng trong công tác thiết kế các công
trình bảo vệ bờ. Sóng tương tác với công trình vùng ven bờ rất phức tạp do tính chất
kết hợp phi tuyến của nhiều quá trình thủy động lực. Thông thường để hiểu rõ tương
tác sóng tới một công trình cụ thể thì các nhà thiết kế kĩ thuật phải thực nghiệm thí
nghiệm mô hình vật lý trong các máng sóng thí nghiệm. Trong một số năm gần đây
cùng với sự phát triển nhanh của máy tính cộng với sự trợ giúp của các phương
pháp số thông minh, khái niệm thí nghiệm số đã dần phổ biến trong một số ngành
nghiên cứu ứng dụng trong đó có lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình biển.
Mục tiêu chính của luận văn là mô phỏng bằng mô hình toán quá trình lan
truyền sóng qua đê ngầm trên bãi đê. Trên cơ sở đó phân tích, đánh giá hiệu quả
giảm sóng của đê ngầm dưới sự ảnh hưởng chi phối của các điều kiện thủy hải văn
(sóng, mực nước) và các tham số hình học mặt cắt ngang đê khác nhau.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để đạt được những mục tiêu đề ra, luận văn sử dụng tổng hợp các phương
pháp nghiên cứu truyền thống và phương pháp nghiên cứu hiện đại gồm:
- Tổng hợp, kế thừa các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay trong lĩnh vực kỹ
thuật biển.
- Phương pháp mô hình toán, kiểm định với các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý
máng sóng.
4. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Kiểm định mô hình số lan truyền sóng họ Boussinesq cho trường hợp đê ngầm phá
sóng trên bãi đê điển hình ở Việt Nam;
- Mô phỏng số với các kịch bản mở rộng nhằm xây dựng được biểu đồ hoặc

phương pháp tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm
- Đề suất sơ bộ dạng hình học mặt cắt ngang phù hợp và bố trí đê ngầm trên bãi đê


3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ GIẢM
SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM
1.1. THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VEN BIỂN
1.1.1. Bãi trước đê:
a. Định nghĩa bãi trước:
“ Bãi trước đê được hiểu là bãi biển, phần được giới hạn từ chân đê tới phần
bãi biển, tại vị trí ranh giới của mực nước triều thấp. Như vậy bãi trước đê sẽ bao
gồm thềm bãi, bãi dốc, đỉnh bãi và mặt bãi trước”.

Hình 1.1: Mặt cắt đại diện thể hiện bãi trước đê
Bãi biển được chia thành 2 phần, phần bãi trước và phần bãi sau. Bãi trước là
phần bãi nằm trên ranh rới giữa mực nước cao và mực nước thấp khi sóng dồn lên
bờ biển và khi sóng rút ra khỏi bờ. Bãi sau được giới hạn từ phần nước cao đến giới
hạn trên cùng về phía đất liền của sóng. ( mô tả trong hình vẽ trên).
Hình dạng mặt cắt ngang bờ biển có cấu tạo cát thường xuyên thay đổi khi chịu
tác động của sóng truyền từ vùng nước sâu vào bờ. Khi sóng truyền vào tới vùng
nước nông, nó sẽ bị vỡ khi nó gặp các dải cát ngầm. Bãi trước, hay còn gọi là vùng


4
sóng vỗ, là vùng mà mặt cắt bãi thường xuyên ở trạng thái khô, ướt một cách luân
phiên nhau khi sóng xô vào phần mái dốc trên bãi.
b. Vai trò bãi trước đê:
Có thể liệt kê một số chức năng chính của bãi trước đê trên quan điểm động lực
hình thái và dân sinh kinh tế sau đây:

- Bãi trước đê là vùng đệm, đóng vai trò giảm các tác động của sóng tới phần bãi
cao và tới các công trình, cơ sở hạ tầng (ví dụ như đường giao thông, nhà hàng,
khách sạn) được xây dựng ở dải ven bờ. Đây là nơi có thể xây dựng các công trình
bảo vệ bờ biển, hoặc công trình có tác dụng giảm sóng.
- Bãi trước đê là vùng đệm, nơi có sự dịch chuyển qua lại bùn cát từ phần bãi cao
xuống bãi thấp hoặc ngược lại, tùy theo đặc trưng của sóng theo mùa. Về mùa hè,
khi bãi chịu tác động sóng nhỏ thì bùn cát sẽ dịch chuyển từ các bãi thấp lên bãi
cao, ngược lại về mùa đông khi có các sóng lừng do gió mùa hoặc gió bão thì bùn
cát sẽ bị cuốn từ phần bãi cao xuống bãi thấp. Toàn bộ phần bãi trước đê được coi
như nằm trọn vẹn trong phần thể tích khống chế bùn cát của mặt cắt ngang.
- Một số bãi trước có tiềm năng là bãi biển du lịch, là một bộ phần quan trọng tạo
nên không gian cảnh quan của dải ven bờ.
- Nếu bãi trước đê là vùng bãi bồi rộng, rất thoải, có sự phát triển của rừng ngập
mặn hoặc có tiềm năng phát triển rừng ngập mặn là nơi nuôi trồng thủy hải sản, đặc
biệt là các loài nhuyễn thể như ngao, sò, ốc. Bãi trước đê vừa có mục đích nuôi
trồng thủy sản, vừa là lá chắn bảo vệ cho vùng đất phía bên trong bãi trước các tác
động của sóng, dòng chảy.
1.1.2. Tương tác sóng với bãi trước, công trình ven biển:
Bãi trước đê là một bộ phận trong hệ thống bờ biển, có vai trò là phần phía
ngoài của công trình đê biển và công trình bảo vệ bờ. Sự an toàn, ổn định của bãi
trước đê sẽ có ảnh hưởng trực tiếp tới sự an toàn và ổn định của bờ biển nói chung
và công trình đê biển, công trình bảo vệ bờ nói riêng. Ảnh hưởng của bãi trước đê


5
tới sự ổn định và an toàn của đê được hiểu là các ảnh hưởng và tác động do bãi
trước đê gây ra đối với sự an toàn và ổn định của đê khi nó bị thu hẹp và hạ thấp.
Bãi trước đê thường xuyên phải chịu những tác động của các yếu tố thủy
động lực học như sóng (tác động của chiều cao sóng, năng lượng sóng, hướng sóng
tới); nước dâng trong bão; thủy triều; dòng chảy ven bờ (bao gồm dòng ngang bờ và

dòng dọc bờ, tương ứng gây ra các hiện tượng xói cấp tính và mãn tính).

Ảnh hưởng của bãi trước đê tới sự ổn định và an toàn của đê được hiểu là các
ảnh hưởng và tác động do bãi trước đê gây ra đối với sự an toàn và ổn định của đê
khi nó bị thu hẹp và hạ thấp. Các ảnh hưởng của bãi trước tới sự an toàn và ổn định
của đê được xem xét tới 2 tác động chính bao gồm:
- Bãi trước đê bị xói lở mạnh dẫn tới thu hẹp chiều rộng bãi
- Bãi trước đê bị xói lở dẫn tới cao trình mặt bãi bị hạ thấp hơn cao trình mặt bãi
ban đầu
Các tác động làm thu hẹp và hạ thấp bãi trước đê có thể diễn ra riêng rẽ hoặc
diễn ra đồng thời với nhau. Khi diễn ra hiện tượng thu hẹp, hạ thấp cao trình mặt bãi
trước đê thì các tác động chính sẽ diễn ra dưới dạng cây sự cố như sau: Bãi trước bị
hạ thấp, thu hẹp -> sóng và dòng chảy tiến sát hơn vào bờ -> sóng và dòng chảy tác
động trực tiếp vào công trình -> nếu năng lượng sóng đủ lớn thì các tác động mà
chúng có thể gây ra sẽ bao gồm:
- Gây hư hỏng mái ngoài
- Tăng lưu lượng tràn qua đỉnh, huy hiếp an toàn mái trong,
- Gây sạt, trượt mái ngoài
- Đào xói chân đê, mất ổn định chân, sập, trượt mái ngoài
Tùy thuộc vào cấu tạo của vật chất thành tạo nên bãi trước đê và các trường
sóng khác nhau mà sự ổn định của bãi trước đê là khác nhau. Do đó bài toán giảm
bớt năng lượng khi sóng tiến vào bờ là bài toán cần phải giải để tìm ra đáp số hiệu
quả nhất.


6

Hình 1.2: Một sự cố sạt trượt khi sóng có năng lượng lớn tiến vào bờ
1.1.3. Các giải pháp giảm sóng, bảo vệ bãi
Để đưa ra các giải pháp nhằm bảo vệ và ổn định bãi trước đê một cách hiệu

quả, cần thiết phải nghiên cứu các cơ chế gây mất ổn định bãi trước, bao gồm cả cơ
chế gây hạ thấp bãi và cơ chế gây xói lở và thu hẹp bề rộng bãi. Ngoài ra, các giải
pháp khả thi cũng cần được nghiên cứu và phân tích kỹ lưỡng về mặt kỹ thuật, kinh
tế và xã hội để từ đó đề xuất áp dụng cho từng khu vực nhất định, trên cơ sở đảm
bảo nhất quán với quy hoạch phát triển chung của vùng.

Hình 1.3: Đánh giá số nhóm giải pháp bảo vệ bờ
Có nhiều loại công trình bảo vệ bờ biển để chống hoặc giảm xói lở bờ. Các
công trình có thể bảo vệ bờ biển trực tiếp (tường chắn, đê, kè) hoặc gián tiếp (các


7
loại đập mỏ hàn, đập chắn sóng xa bờ). Căn cứ nguyên nhân chủ yếu gây ra mất ổn
định bãi, cụ thể là yếu tố sóng, nước dâng, thủy triều và cân bằng bùn cát, có thể
nghiên cứu áp dụng các công trình nhằm bảo vệ và ổn định bãi trước đê.
Khi không phải tất cả các biến đổi của bờ biển trong tự nhiên đều đúng theo
mong muốn của con người thì các công trình bảo vệ bờ biển là giải pháp cần thiết
để ứng phó với những biến đổi bất lợi trên. Các công trình bảo vệ bờ thường được
sử dụng để hạn chế, ngăn ngừa hoặc làm chậm các tác động bất lợi do các quá trình
tự nhiên xảy ra ở bờ biển, đôi khi là loại bỏ hoàn toàn các ảnh hưởng của các diễn
biến này. Ví dụ việc xây dựng các đập mỏ hàn vuông góc với đường bờ biển, hay
các xây dựng đập phá sóng ngoài khơi để làm chậm quá trình xói lở bờ biển. Xây
dựng đê biển và hệ thống kè, hay tường biển bảo về mái đê phía ngoài biển cũng là
một giải pháp thường được sử dụng để chống lại tác động của triều, nước dâng và
sóng đối với những vùng trũng phía trong đất liền. Ngày nay, bên cạnh các giải
pháp công trình, ở các nước phát triển người ta bắt đầu hướng tới những giải pháp
“mềm” hay còn gọi là giải pháp "phi công trình", thân thiện với môi trường và đáp
ứng được yêu cầu phát triển bền vững, hài hòa với thiên nhiên. Thông thường khi
cần bảo vệ bãi trước đê, khi xảy ra hiện tượng xói lở thì có 3 nhóm giải pháp chính,
đó là:

* Giải pháp “số không” hay là giải pháp “ không làm gì”: Nhóm giải pháp
“số không” thường được áp dụng cho hiện tượng xói lở cấp tính theo mùa. Vào thời
kỳ sóng nhỏ, sau khi bị xói bùn cát từ các cồn, bãi ngầm ngoài khơi lại được đưa trở
lại bãi biển. Không làm gì khi xảy ra xói lở bãi trước là một lựa chọn mà không
phải lúc nào cũng có thể thực hiện được vì nhiều lý do về mặt chính trị, xã hội và cả
về mặt an ninh quốc phòng. Tuy nhiên nếu bãi trước đê đang bị xói lở là vùng đất tự
nhiên chưa được sử dụng, không có dân cư, khu kinh tế hay khu nông nghiệp, ngư
nghiệp quan trọng thì có thể sử dụng giải pháp này. Tuy nhiên giải pháp “số không”
thường phải đi kèm với việc quy hoạch không gian bãi và bờ biển và đặc biệt là việc
giám sát, theo dõi quá trình xói lở tự nhiên để có biện pháp ứng phó khi cần thiết.


8
* Các giải pháp công trình “mềm”, hay còn gọi là giải pháp mang tính “phi
công trình” (ví dụ như nuôi bãi nhân tạo). Nhóm các giải pháp mang tính “phi công
trình” thường là mang tính bị động, có thể là ngắn hạn (ví dụ như nuôi bãi) có hiệu
quả tức thời, hoặc dài hạn (ví dụ như trồng rừng ngập mặn hoặc tái tạo lại các dải
san hô ngầm ven biển). Việc sử dụng các biện pháp quản lý, tôn tạo bãi trước đê
cũng được xếp vào nhóm các giải pháp mang tính “phi công trình”. Các giải pháp
mang tính phi công trình thường ít gây ảnh hưởng tới bãi hoặc bờ biển lân cận hơn
so với các giải pháp công trình.
* Các giải pháp công trình “cứng”, hay còn gọi là các giải pháp mang tính
“công trình”. Nhóm các giải pháp “công trình cứng” nhằm ổn định, bảo vệ bãi trước
đê thường có tính chủ động, sử dụng các vật liệu vĩnh cửu, lâu dài để tác động vào
bãi trước nhằm mục đích giữ và bảo vệ bãi, mà chủ yếu là hạn chế hiện tượng mất
bùn cát tại các bãi phía trước đê.
Các giải pháp được sắp xếp theo trình tự từ giải pháp mang tính bị động tới
giải pháp mang tính chủ động trên quan điểm bảo vệ bờ biển bằng công trình. Ngoài
ra việc chia nhóm giải pháp ổn định bãi cũng căn cứ vào các yếu tố sau:
- Căn cứ vào mục đích, yêu cầu của việc bảo vệ bãi trước đê

- Căn cứ vào điều kiện tự nhiên của bãi trước đê
- Căn cứ vào kết cấu, loại vật liệu xây dựng công trình bảo vệ
- Căn cứ vào chức năng, tác dụng của các giải pháp
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM:
1.2.1. Vai trò giảm sóng
Các công trình đỉnh thấp hoặc ngập trong nước gồm có đập phá sóng xa bờ
và gờ ngầm nhân tạo đang trở thành các giải pháp bảo vệ bờ thông dụng (chỉ có
công trình hoặc có kết hợp với dưỡng bãi nhân tạo). Đê ngầm giảm sóng xa bờ có
thể là tuyến dài liên tục, phủ hết chiều dài cần bảo vệ, nhưng thông thường bố trí


9
tuyến tường đứt khúc từng đoạn để trừ các cửa nhằm trao đổi bùn cát ngoài và trong
đê.

Hình 1.4: Minh họa vai trò một công trình đê ngầm

Mục đích của các công trình đỉnh thấp hoặc ngầm là giảm tải thuỷ lực ở một
mức độ nhất định để duy trì bờ biển ở trạng thái cân bằng động. Để đạt được mục
tiêu này, chúng được thiết kế cho phép năng lượng sóng được truyền qua công trình
ở mức độ nhất định dưới dạng tràn qua đỉnh và xuyên qua cấu trúc rỗng của thân
(đập phá sóng đỉnh nhô) hoặc làm vỡ và tiêu tan năng lượng sóng truyền qua đỉnh
ngập (các công trình chìm). Do yêu cầu thẩm mỹ người ta thường thích các công
trình có khoảng lưu không thấp. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của thuỷ triều và nước
dâng do bão thì chúng bị giảm tác dụng khi thiết kế có độ rộng đỉnh hẹp. Vì lý do
này mà các công trình đập chắn sóng ngầm đỉnh rộng (còn được gọi là gờ ngầm
nhân tạo) thường được dùng nhiều hơn, đặc biệt là ở Nhật Bản. Tuy nhiên, các công
trình đỉnh rộng thường đắt hơn và cần phải lựa chọn dựa trên phân tích kinh tế một
cách hợp lý. Mặt khác với sự phát triển của các giải pháp thay thế khác ví dụ sử
dụng các ống cát làm lõi công trình có thể giảm đáng kể chi phí xây dựng.

1.2.2. Cấu tạo, kết cấu:
Đê phá sóng là một dạng công trình đặc biệt của đê ngầm, bởi trong điều
kiện mực nước thấp thì đê ngầm lại hoạt động như một đê phá sóng. Cho nên cấu
tạo, kết cấu của đê ngầm rất đa dạng.


10

Hình 1.5: Đê ngầm kết cấu đá cấp phối

Hình 1.6: Dải ngầm kết cấu bê tông đúc sẵn (Mỹ)

Hình 1.7: Dải ngầm kết cấu bê tông đúc sẵn (Double –T) (Mỹ)
1.2.3. Vấn đề mô phỏng sóng vỡ
hi sóng truyền từ nước sâu vào vùng nước nông thì sẽ trải qua các quá trình
vật lý làm tiêu hao đáng kể năng lượng sóng như: khúc xa, biến hình (sóng dềnh),
sóng vỡ và ma sát đáy.
Ngoài ra còn có quá trình tán xạ làm biến đổi phổ sóng ( chuyển dịch năng
lượng sóng giữa các dải tần số), đặc biệt khi vào vùng nước nông hay khi gặp vật
cản như đê ngầm. Quá trình biến đổi phổ sóng có ảnh hưởng gián tiếp đến mức độ
tiêu hao năng lượng sóng ở vùng nước nông bởi vì với dải sóng dài (tần số thấp) thì
mức tiêu hao năng lượng ít hơn so với dải sóng ngắn ( tần số cao).


11

Hình 1.8: Tiêu năng trong sóng vỡ tương tự như nước nhảy
Trong các quá trình tiêu hao năng lượng sóng thì sóng vỡ là quá trình tiêu tán
năng lượng sóng lơn nhất. Hiện tượng sóng vỡ xảy ra khi sóng biến hình trong nước
nông làm gia tăng chiều cao sóng và do đó độ dốc sóng vượt quá ngưỡng giới hạn

ổn định hình dạng dẫn đến sóng vỡ (đặc biệt tránh nhầm lẫn giữa sóng vỡ với tiêu
tán năng lượng do ma sát đáy, tiêu hao năng lượng do ma sát đáy chỉ chiếm tỷ trọng
rất nhỏ, có thể nói là không đáng kể trong toàn bộ quá trình tiêu hao năng lượng
sóng). Khi sóng vỡ xãy ra thì vận tốc của các phần tử nước ở phía trên đầu sóng trở
lên lớn hơn so với năng lượng sóng vỡ được mô tả một cách tương tự như tiêu hao
năng lượng trong nước nhảy (xem Battjes và Janssen, 1978 và 2008).
Quá trình lan truyền sóng vào bờ với sự có mặt của đê ngầm phá sóng thì
cũng xảy ra các hiện tượng và quá trình vật lý cơ bản như đã đề cập ở trên. Tuy
nhiên quá trình sóng vỡ xãy ra mạnh mẽ hơn hay nói cách khác là chiêu cao sóng sẽ
suy giảm mạnh do bên cạnh ảnh hưởng của bãi đê còn có sự suy giảm độ sâu cục bộ
tại vị trí đê ngầm. Tính chất sóng (chiều cao, dạng phổ sóng hoặc chu kì đặc trưng)
do đó cũng có sự thay đổi đáng kể sau khi qua đê ngầm.
Với đê ngầm phá sóng thì tiêu hao năng lượng sóng còn có thành phần do ma
sát tiếp xúc với các khối phủ bảo vệ mái đê. Như đã đề cập ở trên trong quá trình
truyền sóng thì sự suy giảm chiều cao sóng (hay là tiêu hao năng lượng sóng) chủ
yếu gây ra bởi sóng vỡ khi vào vùng nước nông. Khác với đê cao có nhiệm vụ chắn
sóng, với công trình ngập nước (cản, phá sóng) như đê ngầm thì quá trình dẫn đến
tiêu hao năng lượng sóng chủ yếu vẫn là sóng vỡ xảy ra ở tầng nước sát mặt phía


12
trên bụng sóng. Tiêu hao năng lượng sóng do ma sát tiếp xúc với đáy cũng chỉ là
thứ yếu.
Từ những lập luận trên chũng ta có thể nhận thấy rằng hiệu quả giảm sóng
của đê ngầm đang xem xét ở đây sẽ vẫn được chi phối bởi quá trình tiêu hao năng
lượng do sóng vỡ gắn liền với các tham số đặc trưng của hình học cơ bản của đê
ngầm như bề rộng đê, mức độ ngập nước và tính chất sóng tác động. Bên cạnh đó
phải kể đến thêm tính chất biến đổi phổ của sóng do ảnh hưởng của bãi đê.
Nói tóm lại các tham số sau đây được nhận dạng là các tham số cơ bản ảnh
hưởng đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng qua đê ngầm tức là hiệu quả giảm

sóng của đê ngầm.
- Tham số môi trường: Sóng: Hs, Tp
Độ sâu nước: h
- Tham số đặc trưng hình học đê: bề rộng đỉnh đê B, độ ngập nước S
R
tk
1.3. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM
Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm,
dưới đây xin tóm lược một số thành tựu, công trình nghiên cứu đã và đang thực hiện
trên thế giới và ở Việt nam.
* Đê ngầm ở Nhật
Ở Nhật Bản, khu vực bãi biển tự nhiên đã giảm trong vùng lân cận của thành
phố, thị xã và làng mạc, hậu quả của việc xây dựng cảng biển, bờ và bãi biển. Mặt
khác, nhu cầu của người dân khu vực vui chơi giải trí ngày càng tăng qua các năm
với cải thiện điều kiện sống và kinh tế. Vì vậy, kể từ vài năm trước đây, chính
quyền địa phương đã rộng rãi được xây dựng những bãi biển nhân tạo và khôi phục
bãi biển bị xói mòn trên nhiều nơi bởi sự trợ giúp của chính quyền trung ương.
Những bãi biển nhân tạo như vậy, tuy nhiên, cần số lượng lớn cát tự nhiên,
bất chấp sự suy thoái của nguồn cung cấp cát và tăng vọt của giá cát. Hơn nữa,
chính quyền địa phương có thể nhận được khoản thanh toán công ty con của chính
quyền trung ương cho việc xây dựng các bãi biển cát nhân tạo, nhưng không cho bổ
sung thêm cát bị mất do tác động của sóng sau khi hoàn thành các công trình xây


13
dựng. Vì vậy, những bãi biển nhân tạo nhất ở Nhật Bản thường được bảo vệ bởi kè
và vùng biển ngoài khơi nghỉ để giữ cát nhân tạo đầy. Nhưng vào mùa hè khi biển
đang trong tình trạng bình tĩnh, gây ô nhiễm sản xuất bởi những người tắm biển
hoặc thải từ đất liền có khả năng trì trệ trong vùng lân cận của bờ biển trên tài
khoản của công trình này.

Từ, các vấn đề kỹ thuật bờ biển nói trên xây dựng và phục hồi bãi biển cát ở
Nhật Bản là:
- Sắp xếp phù hợp đê chắn sóng ngoài khơi và kè
- Giữ cho nước biển trong sạch bãi biển
- Ước tính thay đổi hồ sơ của bãi biển nhân tạo do tác động của sóng sau khi
xây dựng.

Hình 1.8. Các trường hợp kịch bản xây dựng đê ngầm tại Nhật Bản
Trong mọi trường hợp, trừ trường hợp 4, phía ngoài khơi bờ biển bị xói mòn
bởi những tác động sóng. Ở trường hợp 4 thì không khuyến cáo phía bên trong bờ
phát triển bãi tắm vì sóng bên trong lặng.
* Đê ngầm ở Mỹ :
Hiệu suất của đê chắn sóng chìm bằng bê tông đúc sẵn đã được xem xét như
là một giải pháp có chi phí thấp hơn; các loại đê chắn sóng chìm đã được triển khai
từ năm 1988. Khối đúc sẵn phòng chống xói mòn (PEP) Reefsy đã được xây dựng
và giám sát để đánh giá hoạt động tại ba địa điểm ở phía dưới trung tâm bờ biển


14
phía đông của Hoa Kỳ, hai trong Palm Beach County và một ở Indian River
County. Ba là Beachsaver Reefsy đã được lắp đặt dọc theo bờ biển New Jersey, hai
trong Cape May County và một trong Monmouth County.

Hình 1.9: Hình ảnh khối đê ngầm đúc sẵn và thi công khối PEP tại Hoa Kỳ


Hình 1.10:Một dải đê ngầm chống xói mòn PEP sau khi lắp ghép


Hình 1.11: Sơ đồ bố trí đê ngầm Double-T (Hoa Kỳ)

15
* Đề xuất giải pháp nghiên cứu tại Việt Nam:
Có rất nhiều giải pháp và vật liệu để xây dựng công trình giảm sóng bảo vệ
bờ biển như: gờ ngầm đúc sẵn, kết cấu thùng chìm, rọ đá và thảm đá, bê tông nhựa
đường + đá, đập phá sóng bằng cột lốp xe cũ công trình cọc và tấm cừ, cọc bê tông
chắn nhồi vật liệu rời, đập phá sóng dạng tường chữ chi. Tuy nhiên sau khi phân
tích kế thừa những kết quả quý báu từ nhiều nghiên cứu khoa học trước, chuyên
luận văn này lựa chọn nghiên cứu dạng đê ngầm có mặt cắt khối hình thang đặc;
nghiên cứu mối liên hệ giữa bề rộng đỉnh đê, đố dốc mái đê, độ ngập nước của đê
với trường sóng tác động tới công trình.
1.4. BỐ TRÍ MẶT NGANG TRÊN BÃI ĐÊ
Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng phụ thuộc vào mục đích của việc khai
thác, sử dụng đối với vùng bãi cần được bảo vệ. Nhìn chung đê đặt càng gần bờ
càng kinh tế, nhưng về hiệu quả kỹ thuật thì phải xét đến những vấn đề sau:
- Khi xây dựng đê giảm sóng quá gần, phía trước đê sẽ bị xói mạnh và tường sẽ bị
lún sụt.
- Khi đặt đê giảm sóng quá xa bờ, sóng vỡ đợt đầu xảy ra ở vị trí đê, ở sau đê sóng
có thể phục hồi làm giảm hiệu quả công trình.
- Khoảng cách giữa bờ và đê giảm sóng lấy khoảng 1,0 đến 1,5 chiều dài sóng nước
sâu sẽ có hiệu quả bảo vệ tốt.
* Đê ngầm dạng tạo bãi treo:
Giải pháp bãi treo tạo ra bãi rộng hơn cho những vị trí bãi quá hẹp do xói lở
bờ biển nhưng đường bờ đã được cố định. Trong giải pháp nuôi bãi nhân tạo thường
đòi hỏi khối lượng cát đổ vào rất lớn. Nếu nguồn cát mượn để tạo bãi giống hoặc
mịn hơn cát nguyên bản thì cần phải đổ nhiều cát cho đến tận độ sâu không có vận
chuyển bùn cát và biến động đáy. Để giảm khối lượng cát yêu cầu, có thể sử dụng
các gờ ngầm có tác dụng chặn cát ở dưới để tạo ra bãi treo.

16

Hình 1.12: Giải pháp tạo bãi treo sử dụng các gờ ngầm
Nguyên lý của bãi treo như sau: gờ ngầm thế chỗ cho phần ngoài của mặt cắt
ngang bãi biển cân bằng hiện hành. Tuy nhiên, dưới tác động của sóng mạnh và
nước dâng do bão, mặt cắt ngang bãi treo có thể bị thay đổi do cát bị lấy mất qua gờ
chìm ra phần nước sâu trên mặt cắt. Quá trình này có thể đảo ngược với một bãi
biển bình thường trong điều kiện sóng và mực nước nhỏ hơn. Nhưng với bãi treo thì
sự mất cát qua gờ ngầm là vĩnh viễn.
Sóng lớn kết hợp với mực nước triều thấp có thể làm cho sóng bị vỡ trên gờ
ngầm gây ra vận chuyển nước qua gờ ngầm vào bờ. Dòng quy hồi sát đáy sẽ bù lại
lượng nước vận chuyển vào bờ này nhưng nó sẽ gây ra vận chuyển bùn cát làm mất
cát của bãi treo.
Nếu gờ ngầm được xây dựng rất cao để ngăn mất cát, sóng lớn cũng dễ bị vỡ
gây ra dòng chảy qua gờ. Điều này dẫn đến dòng luân chuyển dòng quy hồi sát đáy
khá nguy hiểm và khó khắc phục cho công trình. Trong điều kiện sóng yếu hơn,
ngưỡng gờ cao cũng dễ dẫn đến nước tù và giảm chất lượng nước. Do đó không nên
thiết kế ngưỡng gờ ngầm rất cao với mục đích giảm mất cát. Hơn nữa gờ ngầm có
đỉnh cao cũng sẽ cần chi phí bảo dưỡng lớn hơn rất nhiều.
Khả năng áp dụng: Bãi treo có thể áp dụng ở vị trí bãi biển dốc và bị xói lở.
Không nên ứng dụng cho các vị trí có hướng sóng tác dụng nghiêng góc với đường


17
bờ. Nói chung, giải pháp bãi treo không phải là giải pháp bền vững do có rủi ro lớn
về mất cát và khả năng tạo các dòng chảy nguy hiểm.
Để tăng sức làm việc của những tuyến đê biển chỉ có lớp áo kè bảo vệ mái
thì người ta có thể xây dựng một công trình ngầm giảm sóng ngay gần bờ, chi phí
thấp hơn xây dựng ngoài khơi mà hiệu quả mang lại vô cùng cao. Mặt cắt dạng này

có thể áp dụng rộng rãi nhiều, đặc biệt với những bãi biển đầu tư cho phát triển du
lịch, bãi tắm



Hình 1.13: Một dạng mặt cắt ngang khi bố trí đê ngầm

UKết luận chương 1
Nhằm nâng cao mức độ an toàn, cải thiện điều kiện tải trọng tác động lên đê
biển, đê ngầm phá sóng bãi trước đê là một giải pháp công trình mang tính chủ động
(khi các giải pháp mềm, tự nhiên khác không khả thi hoặc đem lại hiệu quả thấp),
hiệu quả và có tính khả thi cao. Việc đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phá
sóng, đặc biệt là khi được xây dựng trên bãi trước đê, là nội dung quan trọng trong
công tác thiết kế, xây dựng đê biển. Trong phạm vi của luận văn, hiệu quả giảm
sóng của đê ngầm được nghiên cứu dựa trên các mô phỏng của mô hình toán sau
khi mô hinh đã được kiểm định với các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ
thực hiện trong máng sóng.





18
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH LAN TRUYỀN
SÓNG HỌ BOUSSINESQ PCOULWAVE
2.1. VẤN ĐỀ LỰA CHỌN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN
SÓNG QUA ĐÊ NGẦM
Hiện nay cùng với sự bùng nổ của khoa học công nghệ và tin học ứng dụng,
rất nhiều chương trình số thông minh đã được ra đời để mô phỏng lại các sự vật
hiện tượng tự nhiên bằng phép giải các hệ phương trình toán học phức tạp. Với mỗi

mục đích bài toán khác nhau thì các biến để giải phương trình lại đóng vai trò khác
nhau. Chính vì vậy ta cần xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm
việc của mô hình và đâu là yếu tố giữ vai trò quan trọng.
Có một số mô hình có thể mô tả tốt quá trình lan truyền sóng bao gồm cả tán
xạ, biến hình, sóng vỡ, sóng leo; có sơ đồ tính toán mạnh, hiệu quả; có khả năng
ứng phó với đáy địa hình biến đổi mạnh, dóng chảy gián đoạn, nhiều pha; có khả
năng xử lý gianh giới khô, ướt hiệu quả; điều kiện biên trong suốt để vừa phát sóng
vừa hấp thụ sóng ( mô hình họ NLSWE, BOUSSINESQ, RANS-VOF).
* Đặc điểm mô hình họ Nlswe
- Là mô hình phi tán xạ (không biến đổi tần số), phù hợp mô tả sóng qua vùng nước
nông
- Sóng vỡ được mô tả một cách tự nhiên
- Phù hợp mô tả lan truyền sóng ở vùng nước nông (trong vùng sóng đổ), tính phi
tuyến chiếm ưu thế
- Tính toán kể đến áp lực thủy tĩnh
- Hiệu quả tính toán cao.

Hình 2.1: Miền tính toán họ mô hình NLSWE


19
* Đặc điểm mô hình họ Ran-Vof
- Mô phỏng tốt hầu hết các quá trình vật lý lan truyền sóng (2DV);
- Tương tác sóng công trình có cấu hình phức tạp (tường đứng, mũi hắt sóng,…);
- Nhiều pha: sóng, dòng chảy trong môi trường rỗng, bọt khí;
- Hiệu quả tính toán rất rất thấp.
- Cấu hính máy tính cần tốc độ cao

Hình 2.2: Miền tính toán mô hình họ RANS-VOF
* Đặc điểm mô hình họ Boussinesq

- Là mô hình tán xạ, mô phỏng tốt đặc tính biến đổi tần số của sóng (biến đổi phổ);
- Tính phi tuyến yếu hơn so với NLSWE;
- Phù hợp mô tả lan truyền sóng ở vùng nước sâu hơn so với NLSWE;
- Áp lực phi thủy tĩnh, gần thực tế hơn (một số mô hình không giải quyết được bài
toán này);
- Hiệu quả tính toán rất thấp so với NLSWE.
- Khả năng mô phỏng sóng vỡ rất yếu (không được ứng dụng rộng rãi cho vùng
nước nông);
- Tính toán yếu vùng nước nông;
* So sánh mô hình họ Boussinesq với Nlswe

Hình 2.3: So sánh hai mô hình toán họ SLSWE và Boussinesq


20
Căn cứ vào đặc điểm của đê ngầm, sóng tác dụng lên đê ngầm, có thể sử
dụng mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq (ví dụ như PCOULWAVE của Mỹ) để
đánh giá hiệu quả triết giảm sóng của dải ngầm phá sóng mô phỏng quá trình sóng
tràn qua đê ngầm, đánh giá hiệu quả của giải pháp công trình giảm sóng trước bãi
đê.
2.2. MÔ HÌNH LAN TRUYỀN SÓNG HỌ BOUSSINESQ - PCOULWAVE
2.2.1. Giới thiệu chung
Coulwave là một mô hình lan truyền sóng họ Boussinesq của Mỹ để đánh giá
hiệu quả chiết giảm sóng của dải ngầm phá sóng. Đây là một mô hình sóng bề mặt
có nhiều ứng dụng để giải quyết các bào toán phức tạp về sóng dựa trên các phương
trình sóng nước nông phi tuyến và phương trình phân tán họ Boussinesq.
Coulwave đã được xác nhận rộng rãi và được công bố từ năm 2002. Các ứng
dụng chính của mô hình mã nguồn mờ này là mô phỏng sóng gió gần bờ, đê chắn
sóng, sóng thiết lập gây ra và dòng chảy, tương tác sóng với độ sâu không đều,
chuyển đổi gần bờ quang phổ, lở đất, sóng thần, quá trình tiến hóa sóng thần gần

bờ, ngập lụt.
2.2.2. Hệ phương trình cơ bản
Xấp xỉ Boussinesq được đặt theo tên của Joseph Boussinesq, trong lan truyền
cho sóng thì xấp xỉ Boussinesq là một xấp xỉ giá trị sóng yếu phi tuyến tính và
sóng khá dài trong đó kết hợp phân tán tần số. Trong kỹ thuật bờ biển, phương trình
Boussinesq thường được sử dụng trong các mô hình toán để mô phỏng sóng nước
trong vùng biển nông và bến cảng.
Mô hình giải hệ phương trình họ Bussinesq (Pregrine 1967) theo phương
pháp phần tử khối.

((h ) ) 0u
tx
ζ
ζ
∂∂
+ +=
∂∂
(2.1)

3 23 2
2 2 22
( ) ||
2 6 ()
T
u u h du h u u u u
Ug g
t x x xt xt x Cd
ζ
υ
ζ

∂∂∂ ∂ ∂ ∂
++= − + −
∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂∂ ∂ +
(2.2)




21
Trong đó:
ζ
: biên độ dao động mực nước; h: độ sâu nước;
x
:tọa độ theo phương ngang; t:
thời gian; u:lưu tốc hướng ngang; C: hệ số chezy;
T
υ
: hệ số nhớt xoáy; g: gia tốc
trọng trường;
2.2.3. Số liệu đầu vào, đầu ra, miền tính toán
Mô hình này đòi hỏi có một điều kiện sóng tới, các điều kiện độ sâu, địa
hình, ranh giới. Đầu vào được hỗ trợ thông qua một tập hợp các kịch bản Matlab và
một giao diện cài đặt chỉnh sửa riêng.
Mô hình cho các kết quả đầu ra là chuỗi số liệu về sóng, vận tốc ngang giữa
độ sâu, tốc độ bề mặt tự do,
PCOULWAVE được viết bằng Fortran90 chạy ổn định trên Windows và các
hệ điều hành khác; công cụ hỗ trợ phân tích xử lí số liệu đầu vào đầu ra là phần
mềm Matlap.
Miền tính toán:

Hình 2.4: Miền tính toán mô hình Coulwave
2.2.4. Tham số của mô hình
- Hệ số nhớt xoáy của chất lỏng ( hệ số Eddy ) dao động từ 0,05 đến 0,2
- Độ nhám bề mặt: hệ số này rất nhỏ phụ thuộc điều kiện thí nghiệm có giá trị trong
khoảng 9.9999997E-05 (m) ( Rought height)
- Hệ số hấp thụ sóng của lớp xốp tại biên đầu vào và biên phía sau công trình
Lớp hấp thụ sóng (sponge layer): trong mô hình này lớp sponge thể hiện như


22
một chất hấp năng lượng sóng hiệu quả, bề rộng lớp hấp thụ sóng ít nhất phải bằng
một nửa chiều dài con sóng.

Hình 2.5: Lớp hấp thụ sóng tại phía biên ( sponge)

UKết luận chương 2
Qua phân tích đặc điểm các mô hình toán, mô hình toán lan truyền sóng họ
Boussineq - PCoulwave có những điểm phù hợp với bài toán mô phỏng hiệu quả
giảm sóng qua đê ngầm. Sau đây ta sẽ tiến hành hiệu chỉnh kiểm định mô hình dựa
trên các số liệu đo đạc từ mô hình vật lý đê ngầm.

23
CHƯƠNG 3: HIỆU CHỈNH KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH
3.1. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ
3.1.1. Giới thiệu máng sóng
Thí nghiệm được thực hiện tại máng sóng Hà Lan thuộc phòng thí nghiệm
thủy lực tổng hợp, Trường Đại học Thủy Lợi. Máng được trang bị công nghệ hiện
đại tiên tiến của Hà Lan, có tổng chiều dài trên 45m, rộng 1m, cao 1,2 với máy tạo
sóng Piston và hệ thống hấp thụ sóng phản xạ tự động và có thể tạo sóng với độ
chính xác cao.
3.1.2. Nội dung thí nghiệm
* Sơ đồ thí nghiệm


Hình 3.1: Sơ họa mặt cắt mô hình vật lý
* Đặc điểm mô hình:
- Đê có dạng mặt cắt hình thang mái nhẵn
- Đê được xây dựng trên bãi biển có độc dốc tiêu biểu là 1/100
- Tỷ lệ mô hình hóa về chiều dài N
R
L
R = 15 -20 và thời gian là NR
t
R = 3,5 – 4,5.
- Thí nghiệm sóng trong bão theo phổ Jonswap

- Bố trí thiết bị đo trường sóng tại các vị trí nghiên cứu trước và sau công trình.
* Lựa chọn bộ số liệu đê hiệu chỉnh kiểm định
Thí nghiệm mô hình vật lý đã mô phỏng nhiều trường hợp khác nhau, ta sẽ chọn lấy
một số bộ số liệu để làm công tác hiệu chỉnh kiểm định mô hình toán PCoulwave.
Với mỗi trường hợp đều có số liệu sóng thực đo trước và sau chân công trình.
- Độ chìm đê (S
R
tk
R): 0,2m, 0,1m,
- Bề rộng đỉnh đê lần lượt (cm): 40cm


24
- Sóng có chiều cao H=0.2m; chu kì 2.0 giây ( kí hiệu:H20T20); sóng H15T20;
sóng H20T25.
Dưới đây là một số hình ảnh trong thí nghiệm mô hình vật lý đê ngầm trong
máng sóng Hà Lan
Hình 3.2: Một số hình ảnh đê ngầm trong thí nghiệm

3.2. SÓNG VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM
3.2.1. Khái niệm phổ sóng
Giả thiết mặt sóng là một chồng chất tuyến tính của một số vô hạn các sóng
lan truyền theo các hướng khác nhau và có biên độ thay đổi liên tục theo tần số và
hướng truyền. Các hàm biểu thị sự phân bố của năng lượng và pha của các sóng
thành phần theo tần số được gọi là các phổ (tần số) được kí hiệu là E = E(f). Phổ
năng lượng sóng không cho biết gì về pha của các thành phần phổ, vì vậy không thể
dùng phổ này để tạo ra bản ghi chép mà ta đã dùng nó để xác định phổ.

25
* Chiều cao sóng mô men:
Chiều cao sóng H
R
mo
R có giá trị xấp xỉ chiều cao sóng ý nghĩa HR
s
R và được xác
định từ mô men 0 của phổ mật độ năng lượng sóng

( )
2
n
Ef g
ρσ
=
(3.1)

max
min
4,004 4,004 ( )
f
s mo o
f
H H m S f df
= = =
∫
(3.2)
Moment bậc không chỉ là diện tích phía dưới đường cong phổ, hay là năng
lượng của quá trình; S(f) là giá trị mật độ năng lượng của phổ sóng tương ứng với

tần số f, m
R
o
R là giá trị mô men bậc 0 của phổ sóng. Trong thí nghiệm HR
mo
R được xác
định tại các vị trí trước và sau đê. Trong luận văn này nghiên cứu sóng theo phổ
Jonswap ( Joint north sea wave project, 1073)

Hình 3.3: Hình dạng phổ sóng

3.2.2. Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm
Mức độ giảm chiều cao sóng hay nói cách khác là hiệu quả giảm sóng của đê
ngầm được đánh giá qua tỷ số giữa chiều cao sóng phía sau đê so với chiều cao
sóng đến trước đê (xem hình 3.4)

'
100%
s
t
s
H
k
H
=
(3.3)

'
1 100%
s

s
H
H
ε

= −


(3.4)