Nghiên cứu đặc tính phản xạ của kết cấu tiêu sóng đặt tại đỉnh đê biển trên mô hình vật lý

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHẢN XẠ CỦA KẾT CẤU TIÊU SÓNG ĐẶT

TẠI ĐỈNH ĐÊ BIỂN TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ

Phan Đình Tuấn

Viện khoa học thủy lợi Việt Nam

Tóm tắt: Cấu kiện tiêu sóng đỉnh hình trụ rỗng đặt tại đỉnh đê được đề xuất nghiên cứu ứng dụng

cho các mặt cắt đê biển ở những vùng khan hiếm đất đắp đê hoặc đê trên trên nền đất yếu khu vực

Đồng bằng sông Cửu Long. Kết cấu có dạng ¼ hình tròn, rỗng, trọng lượng nhẹ, bề mặt có đục lỗ

để hấp thụ năng lượng sóng đến, giảm năng lượng sóng phản xạ và sóng tràn. Bài báo trình bày

kết quả nghiên cứu đặc tính phản xạ sóng của kết cấu tiêu sóng đỉnh bằng mô hình vật lý. Kết quả

cho thấy hệ số phản xạ sóng K_rgiảm khi độ sâu nước tăng lên và tỷ lệ diện tích lỗ rỗng trên bề

mặt cấu kiện tăng lên. Với độ rỗng bề mặt cấu kiện là 10%, hệ số phản xạ sóng lớn nhất là 0,63

trong khi hệ số phản xạ nhỏ nhất đạt được là 0,37 khi độ rỗng bề mặt cấu kiện là 20% với tất cả

các kịch bản thông số sóng được thí nghiệm.

Từ khóa: Cấu kiện tiêu sóng đỉnh, hiệu quả giảm sóng, hệ số phản xạ

Summary: The Hollow Cylindrical Breakwater,which is located on the top of the sea dike, is a

new structure proposed to apply to sea dykes in areas where soil is scarce or to be built on soft

ground in Mekong Delta. The structure is in quater-circular shape, with perforated surface to

absorb incoming wave energy, reduce reflected wave energy and overtopping wave energy. This

paper presents some results of wave reflection characteristics of this structure on the physical

model. The results show that the wave reflection coefficient (Kr) decreases as the water depth

increases and the pore area on the surface of the structure increases. In case of 10% perforated

surface, Kr max = 0.63 while Kr min = 0.37 with surface porosity is 20% in all experimental

scenarios.

Keywords: Hollow Cylindrical Crest Breakwater, Wave Reduction Efficiency, Reflection

Coefficient

1. ĐẶT VẤN ĐỀ ^*

biển có kết cấu hình trụ rỗng tại đỉnh với mục

tiêu thay thế tường đỉnh đê có hệ số phản xạ

sóng lớn bằng kết cấu có chức năng hấp thụ

năng lượng sóng và giảm sóng phản xạ, giảm

chiều cao đắp đê. Đây là ý tưởng đề xuất quan

trọng trong điều kiện khan hiếm đất đắp đê, nền

đất yếu tại các khu vực đồng bằng sông Cửu

Long.

Đồng bằng sông Cửu Long được xác định là

vùng chịu ảnh hưởng lớn của biến đổi khí hậu

toàn cầu, tình trạng sạt lở bờ biển, mất rừng

phòng hộ xảy ra ngày càng nghiêm trọng. Các

công trình bảo vệ như đê biển đã xây dựng

thường có dạng mái nghiêng hoặc mái nghiêng

kết hợp tường đỉnh để giảm sóng tràn. Tuy

nhiên, kết cấu tường đỉnh cao tạo ra sóng phản Cấu kiện tiêu sóng đỉnh có dạng ¼ hình tròn

xạ lớn, lực tác động vào tường và phần mái dạng rỗng, trên bề mặt có đục lỗ rỗng để hấp thụ

nghiêng lớn. Trước thực tế đó, tác giả và nhóm và tiêu hao năng lượng sóng. Các cấu kiện được

nghiên cứu Viện Thủy công đề xuất mặt cắt đê chế tạo thành các đơn nguyên lắp ghép với nhau

Ngày nhận bài: 01/3/2021

Ngày duyệt đăng: 06/4/2021

Ngày thông qua phản biện: 30/3/2021

1

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

thành công trình dạng tuyến nằm ngay trên đỉnh cấu kiện…Bằng các kết quả đo đạc thí nghiệm

đê.

và phân tích trên mô hình vật lý, bài báo này

làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố nói trên đến

đặc tính phản xạ sóng của cấu kiện tiêu sóng đã

đề xuất.

Hệ số phản xạ sóng của cấu kiện tiêu sóng đỉnh

phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Chiều cao

sóng, độ sâu nước, độ cao lưu không trên đỉnh

Hình 1: Mặt cắt đê biển có cấu kiện hì trụ rỗng tại đỉnh

2. THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ

2.1. Kết cấu cấu kiện tiêu sóng đỉnh nghiên cứu

c¾t ngang

chÝnh diÖn

15

29

22

50

60

50

30

60

30

10

250

10

180

Hình 2: Kết cấu cấu kiện tiêu sóng đỉnh nghiên cứu

2

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

Kết cấu cấu kiện tiêu sóng đỉnh có dạng ¼ hình là máng sóng Flander có chiều dài làm việc hiệu

tròn có đục lỗ rỗng trên bề mặt với các tỷ lệ khác quả 30m, chiều cao 1,8m, chiều rộng 2m. Máy

nhau để đánh giá đặc tính phản xạ của sóng khi tạo sóng có thể tạo ra sóng đều, sóng ngẫu nhiên

tương tác với công trỉnh. Bán kính ngoài cấu theo một dạng phổ Jonwap, Jonwap Par,

kiện thí nghiệm R=0,235m, đường kính lỗ rỗng Moskowitz,

trên mặt cong của cấu kiện thay đổi từ 0,025m

Moskowitz Par và Sin. Chiều cao sóng lớn nhất

đến 0,029m, độ dày tường cấu kiện thí nghiệm

có thể tạo trong máng là Hmax=0.4m và chu kỳ

là 0,015m Chiều cao đơn nguyên cấu kiện trên

từ Tp=0.5s ÷5.0s.

mô hình thí nghiệm là 0,255m, bề rộng cấu kiện

Việc nghiên cứu hiệu quả làm việc của công

trình được mô phỏng trên mô hình vật lý chính

thái và tương tự theo tiêu chuẩn Froude. Trên

là 0,25m, mỗi đơn nguyên dài 0,18m.

2.2. Sơ đồ và kịch bản thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành trên máng sóng của cơ sở phạm vi không gian mô hình, khả năng

Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động tạo sóng của hệ thống máy tạo sóng, để đáp ứng

lực học sông biển – Viện Khoa học Thủy lợi được mục tiêu và nội dung nghiên cứu, tỷ lệ mô

Việt Nam. Máng sóng sử dụng cho thí nghiệm hình được chọn 1/10.

Mặt ngang máng

Mặt bằng máng

Hình 3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm

3 đầu đo W₂,W₃, W₄được bố trí để xác định Mansard và Funke (1980), đầu đo W₄đo sóng

sóng phản xạ tuân thủ theo lý thuyết của phía sau đê. Các yêu cầu về khoảng cách đầu đo

3

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

sau đây phải được thực hiện để loại bỏ giá trị chuẩn (tạo ra bởi máy tạo sóng) dùng cho thí

bất thường trong phép đo.

nghiệm có chiều cao biến đổi từ Hs= 0,1m đến

0,15m và chu kỳ đỉnh phổ Tp= 1,3s-:-2,1s, độ

sâu nước d trước cấu kiện cũng được biến đổi

với 4 cấp độ 0,15 m; 0,20m; 0,25 và 0,3m. Thời

gian của mỗi một thí nghiệm được lấy ít nhất

1000.Tp (1000 con sóng) để đảm bảo dải tần số

(chu kỳ) cơ bản của phổ sóng yêu cầu được tạo

ra một cách hoàn chỉnh.

X₂₃= L/10; Với L: Chiều dài sóng nước sâu;

L/6 < X₂₄< L/3 và X₂₄≠ L/5 và X₂₄≠ 3L/10

X₂₃≠ n.Lp/2, với n=1,2…;

X₂₄≠ X₂₃, với n=1,2…;

Sóng ngẫu nhiên có phổ JONSWAP dạng

Bảng 1: Các thông số thí nghiệm

Các thông số sóng Độ cao Chiều cao Hệ số

lưu không kết cấu h_w

Mặt

cắt thí

nghiệm

Mái dốc

đê phía

biển

Độ dốc

rỗng

bãi

H_m0(m)

T (s)

R_c(m)

(cm)

(%)

0.10

0.15

0.20

0.25

Kết cấu

hình trụ

rỗng tại

đỉnh

0.10

0.125

0.15

1,3

1,7

2,1

10

15

20

25,5

1/3

1/250

Điều này có thể giải thích như sau: Ở độ sâu

nước thấp, tương tác sóng với công trình chủ

yếu diễn ra mạnh ở phần mái đê, năng lượng

sóng đến chủ yếu bị suy giảm 1 phần so sóng

vỡ trên mái, phần năng lượng còn lại gây ra

sóng phản xạ lớn nên hệ số phản xạ lớn. Khi độ

sâu nước lớn, sóng đến ngoài tương tác trên mái

đê còn được hấp thụ bởi kết cấu tiêu sóng đỉnh

thông qua các lỗ rỗng trên bề mặt, do đó năng

lượng gây ra sóng phản xạ nhỏ hơn.

3. KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH

3.1. Phân tích đánh giá kết quả

Ảnhhưởngcủađộsâunướcđếnhệsốphảnxạsóng

Khi độ sâu nước tăng lên, hệ số phản xạ sóng

có xu hướng giảm xuống trong tất cả trường

hợp chiều cao sóng được thí nghiệm. Trường

hợp độ rỗng bề mặt là 10%, hệ số phản xạ Kr

giảm từ 0,656 đến 0,515 khi độ sâu nước thay

đổi từ 0,15m đến 0,30m. Hệ số Kr lớn nhất

(Kr=0,656) khi d/gT²= 0,0028 và nhỏ nhất khi

d/gT²= 0,0218 (Kr=0,515).

Trường hợp độ rỗng bề mặt là 15%, hệ số phản

xạ Kr giảm từ 0,638 đến 0,414 khi độ sâu nước

thay đổi từ 0,15m đến 0,30m. Hệ số Kr lớn nhất

(Kr=0,638) khi d/gT²= 0,0028 và nhỏ nhất khi

d/gT²=0,0168 (Kr=0,414).

Xu hướng tương tự, với độ rỗng bề mặt là 20%,

hệ số phản xạ Kr giảm từ 0,635 đến 0,371 khi

độ sâu nước thay đổi từ 0,15m đến 0,30m. Hệ

số Kr lớn nhất (Kr=0,635) khi d/gT²= 0,0059

và nhỏ nhất khi d/gT²=0,0168 (Kr=0,371).

Hình 4: Quan hệ giữa Kr với d/gT²,

trường hợp độ rỗng 10%

4

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

và nhỏ nhất khi Rc/Hi = 1,095 (Kr=0,414).

Xu hướng tương tự, với độ rỗng bề mặt là 20%,

hệ số phản xạ Kr tăng từ 0,371 đến 0,635 khi

chiều cao sóng thí nghiệm thay đối từ 0,1m đến

0,15m. Hệ số Kr lớn nhất (Kr=0,635) khi Rc/Hi

= 2,489 và nhỏ nhất khi Rc/Hi =1,062

(Kr=0,371).

Hình 5: Quan hệ giữa Kr với d/gT²,

trường hợp độ rỗng 15%

Hình 7: Quan hệ giữa Kr với Rc/Hi,

trường hợp độ rỗng 10%

Hình 6: Quan hệ giữa Kr với d/gT²,

trường hợp độ rỗng 20%

Ảnh hưởng của độ lưu không đỉnh đê (Rc) đến

hệ số phản xạ sóng:

Độ lưu không đỉnh đê Rc (là khoảng cách tính

từ mực nước đến đỉnh cấu kiện). Kết quả thí

nghiệm cho thấy hệ số phản xạ có xu hướng

tăng khi độ lưu không đỉnh đê tăng với các kịch

bản chiều cao sóng và độ rỗng bề mặt cấu kiện

khác nhau.

Hình 8: Quan hệ giữa Kr với Rc/Hi,

trường hợp độ rỗng 15%

Trường hợp độ rỗng bề mặt là 10%, hệ số phản

xạ Kr tăng từ 0,515 đến 0,656 khi chiều cao sóng

thí nghiệm thay đối từ 0,1m đến 0,15m. Hệ số Kr

lớn nhất (Kr=0,656) khi Rc/Hi = 2,44 và nhỏ nhất

khi Rc/Hi = 1,137 (Kr=0,515).

Trường hợp độ rỗng bề mặt là 15%, hệ số phản

xạ Kr tăng từ 0,414 đến 0,638 khi chiều cao

sóng thí nghiệm thay đối từ 0,1m đến 0,15m.

Hệ số Kr lớn nhất (Kr=0,638) khi Rc/Hi = 2,568

Hình 9: Quan hệ giữa Kr với Rc/Hi,

trường hợp độ rỗng 20%

Ảnh hưởng của chiều cao sóng đến hệ số phản

5

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021

KHOA HỌC

xạ sóng:

CÔNG NGHỆ

số phản xạ nhỏ nhất Kr = 0,378. Hệ số phản xạ

lớn nhất đo đạc được Kr = 0,638 tại độ sâu nước

nước d=0,15m và độ dốc sóng Hi/gT²= 0,004.

Hệ số phản xạ sóng giảm dần trong các kịch bản

được thí nghiệm khi chiều cao sóng đến tăng

lên. Trường hợp độ rỗng bề mặt 10%, tại độ sâu

nước d=0,3m, độ dốc sóng Hi/gT²=0,0063 cho

hệ số phản xạ Kr = 0,515. Tại độ sâu nước

d=0,15m, độ dốc sóng Hi/gT²= 0,0019, hệ số

phản xạ Kr = 0,656.

Trường hợp độ rỗng bề mặt 15%, hệ số phản xạ

Kr = 0,414 tại độ sâu nước d=0,3m và độ dốc

sóng Hi/gT²= 0,0051. Tại độ sâu nước

d=0,15m, độ dốc sóng Hi/gT²= 0,0019, hệ số

phản xạ Kr = 0,638.

Hình 10: Quan hệ giữa Kr với Hi/gT²,

Khi độ rỗng bề mặt cấu kiện là 20%, tại độ sâu

nước d=0,3m, độ dốc sóng Hi/gT²=0,0052, hệ

trường hợp độ rỗng 10%

Hình 12: Quan hệ giữa Kr với Hi/gT²,

trường hợp độ rỗng 15%

Hình 11: Quan hệ giữa Kr với Hi/gT²,

trường hợp độ rỗng 20%

Ảnh hưởng của độ rỗng bề mặt cấu kiện đến hệ d=0,3m và chiều cao sóng thí nghiệm

số phản xạ sóng

Hs=0,1m.

Trong các thí nghiệm với các kịch bản độ sâu

nước, chiều cao sóng được tiến hành, kết quả

đo đạc tính toán cho thấy hệ số phản xạ sóng

có xu hướng giảm dần khi tỷ lệ diện tích lỗ

rỗng bề mặt cấu kiện tăng lên. Hệ số phản xạ

lớn nhất Kr=0,634 khi diện tích lỗ rỗng bề mặt

cấu kiện là 10%, tại độ sâu nước d=0,2m với

chiều cao sóng thí nghiệm là Hs=0,1m.

Ngược lại, khi tăng tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề

mặt cấu kiện lên 20%, hệ số phản xạ sóng đo

được là nhỏ nhất, Kr=0,371 tại độ sâu nước

Ngoài ra có thể nhận thấy rằng, ở độ sâu nước

thấp d=0,2m, hệ số phản xạ không bị ảnh hưởng

nhiều bởi tỷ lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện,

khi tăng diện tích lỗ rỗng từ 10% lên 20%, hệ

số phản xạ chỉ giảm được không đáng kể từ 5%

đến 10%.

Tuy nhiên độ rỗng ảnh hưởng rõ nét đến hệ số

phản xạ sóng ở độ sâu nước lớn hơn. Kết quả

thí nghiệm cho thấy, tại độ sâu nước d=0,25m,

hệ số phản xạ giảm từ 6% đến 13% khi tăng

6

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

tỷ lệ lỗ rỗng từ e=10% lên e=15% và từ 10%

đến 20% khi tăng tỷ lệ lỗ rỗng lên gấp đôi (từ

e=10% lên e=20%). Đặc biệt tại độ sâu nước

d=0,3m, tỷ lệ lỗ rỗng là 15%, hệ số phản xạ

Kr = 0,414 (giảm 22%) so với giá trị Kr

=0,514 đo được khi tỷ lệ độ rỗng là 10%. Khi

tỷ lệ lỗ rỗng tăng lên 20%, giá trị Kr min =

0,371, giảm 28% so với hệ số phản xạ trường

hợp tỷ lệ độ rỗng là 10%.

Hình 13: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỗ rỗng e

đến hệ số Kr, trường hợp d=0,2m

Hình 15: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỗ rỗng e đến

hệ số Kr, trường hợp d=0,25m

Hình 14: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỗ rỗng e đến

hệ số Kr, trường hợp d=0,3m

Hệ số phản xạ sóng có xu hướng tăng lên khi độ

lưu không tương đối đỉnh đê (Rc/Hi) tăng lên

trong tất cả các trường hợp chiều cao và độ rỗng

bề mặt cấu kiện được thí nghiệm. Hệ số phản xạ

Kr nhỏ nhất khi Rc/Hi = 1,1 và Kr lớn nhất khi

Rc/Hi = 2,5.

4. KẾT LUẬN

Bằng thí nghiệm trên mô hình vật lý máng sóng,

phân tích kết quả đo đạc tính toán hệ số phản

xạ, một số nhận xét về các yếu tố ảnh hưởng

đến đặc tính phản xạ sóng của cấu kiện tiêu

sóng đỉnh như sau:

Ngoài ra, các kết quả đo đạc cũng cho thấy khi

tăng tỷ lệ diện tích lỗ rỗng trên bề mặt cấu kiện

tiêu sóng, hệ số phản xạ có xu hướng giảm. Tuy

nhiên mức độ giảm sóng phản xạ chỉ rõ ràng ở

độ sâu nước lớn d=0,3m (Kr giảm từ 22% -28%

khi tỷ lệ diện tích lỗ rỗng tăng từ 10% lên 15%

và 20% tương ứng). Ở độ sâu nước thấp hơn

(d=0,2m) mức độ giảm hệ số phản xạ không

đáng kể, từ 6% đến13% khi tỷ lệ diện tích lỗ

rỗng bề mặt cấu kiện tăng từ 10% lên 20%.

Khi độ sâu nước tăng lên, hệ số phản xạ sóng

có xu hướng giảm đi. Hệ số phản xạ Kr giảm từ

0,634-:- 0,515 khi d/gT²tăng từ 0,0057-:-

0,0218, từ 0,597-:- 0,414 khi d/gT²tăng từ

0,0061-:- 0,0168 và từ 0,578-:- 0,371 khi d/gT²

tăng từ 0,0059-:- 0,0168 tương ứng với các tỷ

lệ diện tích lỗ rỗng bề mặt cấu kiện lần lượt là

10%;15% và 20%.

7

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Mansard, E, P, D,, and Funke, E, R, (1980), The Measurement of Incident and Reflected

Spectra Using a Least Square Method, Proc, 17th Coastal Eng, Conf,, Sydney, Australia,

vol, 1, pp, 154-172;

[2] Hanbin Gu, Xuelian Jiang and Yanbao Li (2008), Research On Hydraulic Performances 0f

Quarter Circular Breakwater, Chinese-German Joint Symposium on Hydraulic and Ocean

Engineering, August 24-30, 2008, Darmstadt.

[3] Balakrishna K, Arkal Vittal Hegde, Binumol S (2015), Reflection and Dissipation

Characteristics of Non-overtopping Quarter Circle Breakwater with Low-mound Rubble

Base, Journal of Advanced Research in Ocean Engineering 1(1) (2015) 044-054.

[4] ArkalVittal Hegde, Sharhabeel P.S. and Sooraj Mohan (2015), Stability of a Perforated

Quarter Circle Breakwater, International Journal of Ocean and Climate Systems, Volume 6,

Number 4 - 2015

8

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021