Nghiên cứu mô phỏng tính ổn định và hiệu quả của đê chắn sóng sử dụng kết cấu bê tông rỗng

Nghiên cứu mô phỏng tính ổn định và hiệu quả của đê chắn sóng sử dụng kết cấu bê tông rỗng Nghiên cứu mô phỏng tính ổn định và hiệu quả của đê chắn sóng sử dụng kết cấu bê tông rỗng Nghiên cứu mô phỏng tính ổn định và hiệu quả của đê chắn sóng sử dụng kết cấu bê tông rỗng

TỔNG QUAN

Giới thiệu

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam, với vị trí trong khu vực nhiệt đới gió mùa, thường xuyên phải đối mặt với các hiện tượng thiên nhiên như bão, biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn Việc tàn phá rừng phi lao và rừng ngập mặn ven bờ để xây dựng resort và nuôi trồng thủy hải sản đã làm thay đổi hình thái tự nhiên của bờ biển Sự kết hợp giữa các yếu tố này cùng với ảnh hưởng của mưa bão đã dẫn đến tình trạng sạt lở nghiêm trọng tại bờ biển miền Trung cho đến mũi Cà Mau.

Hình 1.1 Công trình dân sinh chịu ảnh hưởng trực tiếp của sóng [2]

Qua khảo sát và so sánh các bản đồ địa hình, đặc biệt là bản đồ UTM tỷ lệ 1/50.000 xuất bản năm 1965 với các ảnh viễn thám, cho thấy từ năm 1990 đến nay, một số đoạn bờ biển đang bị xói lở với tốc độ nhanh chóng và cường độ mạnh trong giai đoạn đầu.

Dựa vào bản đồ lịch sử từ tài liệu lưu trữ bờ biển quốc gia của Pháp (1904-1993), bản đồ phục vụ quân đội Mỹ (L7014, 1965-1993), hình ảnh vệ tinh (Landsat, 1988-2017) và định vị GPS, chúng ta có thể nhận thấy sự thay đổi rõ rệt của đường bờ biển đồng bằng sông Cửu Long trong giai đoạn từ năm 1903 đến 2017.

Hình 1.2: Đường hồi quy bờ biển trong giai đoạn từ năm 1904 đến năm 2014 [3]

Hệ thống công trình bảo vệ bờ biển, bao gồm đê biển, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho hàng chục triệu cư dân và đất đai ven biển Tuy nhiên, hiện nay, phần lớn các công trình bảo vệ chỉ là dạng kè hoặc kè kết hợp với đê biển, mang tính thụ động và chịu toàn bộ tải trọng sóng Vấn đề mất an toàn công trình và xâm thực từ biển đang gia tăng nghiêm trọng, đòi hỏi các giải pháp khắc phục hiệu quả Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng, việc nâng cấp và củng cố các công trình bảo vệ truyền thống để thích ứng với tải trọng sóng đang gặp nhiều khó khăn và tốn kém.

Hình 1.3: Các công trình bị hư hại cho chịu ảnh hưởng trực tiếp của sóng [4]

Trong những năm gần đây, đã có nhiều giải pháp được nghiên cứu và áp dụng nhằm ngăn chặn và giảm thiểu ảnh hưởng của sóng Nhiều công trình đê chắn sóng như kè cứng bê tông cốt thép, kè rọ đá và kè khối bê tông tiêu sóng đã được xây dựng Kết cấu đê chắn sóng rỗng bằng bê tông nổi bật với hiệu quả và độ ổn định cao, tuy nhiên, thiết kế của loại đê này còn phức tạp và thiếu tiêu chuẩn hiện hành Để đánh giá hiệu suất thủy động lực học của các đê chắn sóng rỗng, thường tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý hoặc công trình thực nghiệm, nhưng quy trình này phức tạp, tốn thời gian và chi phí cao.

Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới để đánh giá hiệu suất thủy động lực học của kết cấu đê chắn sóng rỗng, sử dụng công cụ mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) thay vì các mô hình thí nghiệm vật lý truyền thống.

1.1.2 Đê chắn sóng tại Việt Nam

Đê chắn sóng được phân loại thành hai loại chính: đê chắn sóng tự nhiên và đê chắn sóng nhân tạo Đê chắn sóng tự nhiên bao gồm các giải pháp như rừng ngập mặn, rừng phi lao, mũi đá và rặng san hô, nhưng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hoạt động của con người và biến đổi khí hậu, dẫn đến sạt lở bờ biển tại Việt Nam Ngược lại, đê chắn sóng nhân tạo là kết quả của nghiên cứu khoa học, giúp bảo vệ bờ biển khỏi xói mòn và sạt lở, đồng thời giảm năng lượng sóng và tốc độ dòng chảy Trong nhóm đê chắn sóng nhân tạo, có hai loại chính: cấu trúc cứng như tường bê tông và cấu trúc mềm như bao cát và ống địa kỹ thuật Geotube.

Rừng ngập mặn (RNM) là hệ sinh thái quan trọng nằm giữa hệ sinh thái cạn và sinh thái biển, thường xuất hiện ở các vùng bãi triều ven biển nhiệt đới và á nhiệt đới RNM được hình thành tại những khu vực bị ngập nước thường xuyên hoặc định kỳ bởi thủy triều, và chủ yếu phân bố ở những vùng có khí hậu ấm, với nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của chúng.

Nhiệt độ trung bình từ 20 độ C trở lên, lượng mưa vượt 1000mm/năm và độ mặn từ 15% đến 25% là những điều kiện quan trọng cho các rừng ngập mặn (RNM) ở vùng ven biển và cửa sông Các hệ sinh thái này đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ và phát triển đất bồi tụ, ngăn chặn xói lở và xâm thực bờ biển, đồng thời giảm thiểu tác động của sóng và dòng chảy ven bờ.

Rừng ngập mặn (RNM) đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tốc độ sóng và tạo điều kiện cho trầm tích bồi tụ nhanh chóng tại các vùng cửa sông ven biển nhờ vào hệ thống rễ chằng chịt của cây Tuy nhiên, diện tích rừng ngập mặn tại Việt Nam đang giảm mạnh, dẫn đến việc một số bờ biển không còn được bảo vệ, làm gia tăng tình trạng xói mòn Chính phủ đang khẩn trương đưa ra các giải pháp trồng rừng và cải thiện diện tích RNM, nhưng quá trình này cần thời gian và không thể giải quyết ngay lập tức vấn đề xói mòn bờ biển hiện nay.

1.1.2.2 Kè chắn sóng bằng cây gỗ địa phương (dừa, tràm,tre, bạch đằng…)

Biện pháp bảo vệ bờ biển tạm thời sử dụng cừ gỗ ken xít được đặt thành hàng có nẹp đầu, nhằm chắn tác động của sóng và các yếu tố gây xói lở Một phương án khác là tạo thành hai hàng nẹp đầu và thả thêm các bó thực vật như tre, tràm ở giữa để cản sóng trước khi tác động lên bờ Mặc dù đây là giải pháp đơn giản, nó chỉ mang tính chất khẩn cấp cho những khu vực bờ biển đang bị xói lở và chưa có biện pháp kiên cố để bảo vệ.

Kè chắn sóng bằng cừ tràm tại Cà Mau mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc sử dụng vật liệu sẵn có tại địa phương với giá thành thấp Thời gian thi công nhanh chóng, rất phù hợp cho các tình huống xử lý khẩn cấp tại những khu vực đang bị sạt lở nhanh chóng do các tác nhân tạm thời.

Nhược điểm của loại cừ thực vật là phạm vi ứng dụng hẹp, chỉ phù hợp với những vị trí bãi cạn do chiều dài hạn chế và khả năng chịu lực thấp Hơn nữa, tuổi thọ của công trình cũng ngắn do vật liệu này dễ bị phân hủy dưới tác động của môi trường.

1.1.2.3 Kè chắn sóng bằng hàng rào tre

Giải pháp do tổ chức GIZ của Đức và Viện sinh thái và bảo vệ môi trường triển khai thử nghiệm nhằm khôi phục các khoảng rừng ngập mặt bị rách ở các bãi nông có độ cao từ -0.2m trở lên Nghiên cứu về khả năng tiêu tán năng lượng sóng của giải pháp này đã được thực hiện, trong đó Thiều Quang Tuấn và Mai Trọng Luân đã nghiên cứu sóng truyền qua hàng rào tre bảo vệ rừng ngập mặt tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Hàng rào tre là giải pháp hiệu quả để bảo vệ vành đai rừng ngập mặn non tại Cà Mau Giải pháp này sử dụng vật liệu có sẵn tại địa phương, giúp tiết kiệm chi phí và mang lại hiệu quả kinh tế Đồng thời, hàng rào tre cũng phù hợp cho các biện pháp khẩn cấp nhằm bảo vệ các khu vực bị ảnh hưởng bởi xói mòn do sóng.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Hiệu quả của đê chắn sóng được đánh giá qua khả năng tiêu tán năng lượng sóng, hệ số truyền sóng và năng lượng sóng Nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng đã bắt đầu từ năm 1944 với Jeffeys, người tiên phong trong việc thực hiện các thí nghiệm đơn giản trên đê chìm hình chữ nhật Dalrymple và các cộng sự đã nghiên cứu tương tác của đê chắn sóng rỗng hình chữ nhật, trong khi cục cảng biển Nhật Bản đã xem xét một cấu trúc đê chắn sóng nổi Gần đây, khái niệm đê chắn sóng hình bán nguyệt đã thu hút sự chú ý, đặc biệt tại Nhật Bản và Trung Quốc, với phương pháp tính toán mới của Xie nhằm ước tính lực sóng tác động lên vùng ngập nước của đê chắn sóng hình bán nguyệt, được xác minh qua kết quả thực nghiệm.

Hee Min The và Vengatesan Venugopal đã tiến hành nghiên cứu về mô hình kết cấu đê chắn sóng hình bán nguyệt rỗng với các tỷ lệ phần trăm lỗ rỗng khác nhau Nghiên cứu cho thấy đê chắn sóng bán nguyệt đóng vai trò như một rào cản, giúp giảm thiểu năng lượng sóng phản xạ và bảo vệ các cơ sở hạ tầng ven biển Kết quả cho thấy, đê chắn sóng hình bán nguyệt với tỷ lệ lỗ rỗng 25% mang lại hiệu suất thủy động lực học cao nhất, hoạt động như một bộ tiêu tán năng lượng sóng thay vì một tường phản xạ.

G Dhinakaran và cộng sự [14] thực hiện các thí nghiệm thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chiều cao bố trí của đê chắn sóng và tỷ lệ lỗ rỗng trên thân của kết cấu đê chắn sóng hình bán nguyệt Nghiên cứu này được thực hiện với kết cấu đê chắn sóng hình bán nguyệt không đục lỗ, kết cấu đê bán nguyệt đục lỗ một mặt với các tỷ lệ lỗ rỗng khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số truyền sóng Kt gia tăng khi tỷ lệ lỗ rỗng trên thân đê chắn sóng gia tăng Hệ số sóng phản xạ trong các mô hình trong khoảng 0.01 đến 0.31

K Gunaydin và M.S Kabdash [15] sử dụng một máng tạo sóng thí nghiệm khả năng tiêu tán năng lượng sóng lên kết cấu đê chắn sóng chữ U đặc và có đục lỗ Nghiên cứu này đánh giá các đặc trưng về tính truyền sóng và tiêu tán năng lượng qua hai hệ số truyền sóng và hệ số tiêu tán năng lượng Kết quả cho thấy khả năng tiêu tán năng lượng của kết cấu tường chữ U cao hơn kết cấu tường đặc cùng loại Ana Gomes và cộng sự [16] đề xuất phương pháp sử dụng mô phỏng số động lực học chất lỏng (CFD) nghiên cứu sự ổn định của kết cấu đê chắn sóng trụ rỗng đặt trên nền đổ đá Nghiên cứu này chỉ ra sự phức tạp của các mô hình vật lý trong các thí nghiệm thực nghiêm về sóng có chi phí và thời gian chuẩn bị lâu và cần thời gian thí nghiệm dài, từ đó các tác giả đề xuất một mô hình toán bằng phương pháp mô phỏng số và so sánh kết quả với các kết quả thực nghiệm Qua so sánh với các kết quả thực nghiêm cho thấy kết quả của phương pháp mô phỏng số có mức độ xấp xỉ tốt và tương đồng, điều này cho hiệu quả của mô hình số trong việc giải quyết các vấn đề tương tác của cấu trúc đối với dòng chất lỏng phức tạp

Karim Badr Husein và M.I Ibrahim đã tiến hành nghiên cứu khảo sát khả năng tiêu tán năng lượng sóng của tường đôi có đục lỗ và không đục lỗ thông qua mô phỏng số và thực nghiệm Kết quả cho thấy hiệu suất thủy động lực học của tường có đục lỗ tốt hơn từ 10-15% so với tường đặc, trong khi áp lực sóng tác động lên tường đặc lại lớn hơn tường rỗng trong khoảng từ 10-15%.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây, việc tính toán và thiết kế tối ưu cho các kết cấu đê chắn sóng và đập chắn sóng đã thu hút sự quan tâm của nhiều tác giả trong nước Họ đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như mô phỏng số, thu thập dữ liệu thực tế, nghiên cứu thực nghiệm và thực hiện thí nghiệm Tuy nhiên, nghiên cứu về loại đê này trong nước vẫn còn hạn chế, với một số nghiên cứu gần đây đáng chú ý.

Lê Thanh Chương và Trần Bá Hoằng đã tiến hành nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ về giải pháp công nghệ chống xói lở bờ biển từ TP.Hồ Chí Minh đến Kiên Giang Nhóm tác giả đã khảo sát hiệu quả giảm sóng của các phương án bố trí đê chắn sóng xa bờ tại bờ biển Vĩnh Châu, Sóc Trăng, sử dụng bể sóng thí nghiệm tại SIWRR với sóng có chiều cao tối đa 15cm Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc xây dựng đê chắn sóng xa bờ không chỉ có tác dụng giảm sóng gây bồi và chống xói lở, mà còn có khả năng tái sinh rừng ngập mặn, mở ra triển vọng cho các công trình đặc biệt này.

Phạm Thế Anh đã áp dụng mô hình thủy động lực học hạt mịn SPH để nghiên cứu sự tương tác giữa sóng tràn và đê, chỉ ra rằng sóng tràn là nguyên nhân chính gây mất ổn định và phá hủy đê Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của lưu lượng sóng tràn đến đặc tính xói, cho thấy rằng lưu lượng sóng tăng làm quá trình xói diễn ra nhanh hơn Kết quả cũng chỉ ra rằng các thông số của phương pháp SPH có tác động lớn đến độ chính xác của mô phỏng.

Nguyễn Hải Hà và cộng sự đã nghiên cứu khả năng tiêu tán sóng của tường chắn sóng trụ rỗng nhằm bảo vệ bờ biển phía tây Cà Mau, Việt Nam Nghiên cứu đề xuất một cấu trúc chắn sóng hình trụ rỗng, cải tiến từ đê chắn sóng bán nguyệt truyền thống Phương pháp nghiên cứu bao gồm mô phỏng số và phân tích tĩnh bằng phương pháp phần tử hữu hạn Đặc biệt, một dự án thí điểm với 180m đê trụ rỗng đã được xây dựng tại Cà Mau để thu thập dữ liệu thực nghiệm trong thời gian dài, phục vụ so sánh với kết quả mô phỏng số.

Nguyễn Thành Trung đã thực hiện chuỗi thí nghiệm trong máng sóng và bể sóng để đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê chắn sóng tách rời bờ dạng mái nghiêng phủ Tetrapod và dạng đê bán nguyệt có lỗ tiêu sóng Nghiên cứu tập trung phân tích ảnh hưởng của vị trí đê, độ dốc bãi và cách bố trí không gian đến hiệu quả giảm sóng Tác giả đã đưa ra các sơ đồ mẫu bố trí công trình bảo vệ bờ biển cho từng vùng đặc trưng cùng những chỉ dẫn tính toán, thiết kế.

Doãn Tiến Hà [22] đã tiến hành nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê chắn sóng dạng mềm và cứng thông qua các thí nghiệm thực nghiệm Kết quả cho thấy, khi độ ngập nước của đê tăng lên, hiệu quả giảm sóng của đê mềm, sử dụng khối Tetrapod, tốt hơn so với đê BTCT hình bán nguyệt, với mức giảm sóng đạt từ 13-15% ở h/D = 0.8 và từ 3-5% ở h/D = 1.0.

Thiều Quang Tuấn và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê kết cấu rỗng tại phòng thí nghiệm thủy động lực học sông biển thuộc Viện khoa học Thủy Lợi miền Nam Máng sóng dài 35m, rộng 1.2m và cao 1.5m, được cung cấp bởi HR Wallingford, với hệ thống máy tạo sóng có khả năng hấp thụ sóng phản xạ và tạo ra sóng ngẫu nhiên hoặc sóng đều cao tới 0.3m Cấu kiện đê giảm sóng có hai mặt với 17.7% lỗ rỗng, được làm từ bê tông cốt sợi phi kim do BUSADCO phát triển Tổng cộng có 60 trường hợp thí nghiệm được thực hiện, cho thấy quá trình truyền sóng qua đê bị ảnh hưởng bởi chiều cao lương không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0 và chỉ số sóng vỡ trên mái công trình.

1.2.3 Khảo sát thực nghiệm về hiệu quả giảm sóng của BUSADCO Đề tài “Ứng dụng giải pháp bê tông cốt phi kim nhằm tăng tính bền vững cho các công trình chắn sóng ven biển ở khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long dưới tác động của biến đổi khí hậu” được chủ trì bởi Công ty cổ phần Khoa học Công nghệ Việt

Trong giai đoạn 2017-2020, Nam (BUSADCO) đã thực hiện nghiên cứu về tình hình sạt lở bờ biển, tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá các yếu tố liên quan Nghiên cứu này phân tích nguyên nhân và cơ chế gây ra sạt lở bờ biển trên toàn cầu cũng như tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL).

1 Khảo sát thực nghiệm hiện trường và đánh giá ảnh hưởng của môi trường nước vùng ĐBSCL đến độ bề của vật liệu chất kết dính, cốt sợi PP, GFRP và cốt thép với bê tông theo thời gian

2 Sản xuất thử nghiệm và đánh giá khả năng chịu lực thực tế của một số cấu kiện bê tông đúc sẵn

3 Xây dựng mô hình thí điểm tại một số loại cấu kiện tại hiện trường, đánh giá khả năng ổn định công trình, khả năng phá số, chống xói

4 Ứng dụng triển khai thi công cấu kiện bê tông cốt sợi hỗ hợp GFRP và sợi

PP đúc sẵn và công trình bảo về bờ biển tại ĐBSCL

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Tác giả nghiên cứu kết cấu đê giảm sóng gần bờ bằng vật liệu bê tông, được thiết kế song song với bờ biển để tiêu tán một phần năng lượng sóng, giúp giảm thiểu xói mòn bờ và thu hẹp diện tích bãi biển cùng rừng ngập mặn Hệ kết cấu này không chỉ có khả năng tiêu tán năng lượng sóng mà còn thúc đẩy quá trình bồi tụ và tái tạo các bãi cát, hoạt động theo cơ chế tiêu tán năng lượng mà không ngăn cản hoàn toàn sự di chuyển của sóng và phù sa.

Với những hạn chế về thời gian và kiến thức chuyên ngành, tác giả tập trung nghiên cứu ứng xử của kết cấu đê dưới tác động của năng lượng sóng đơn giản, cụ thể là sóng đều, thông qua phương pháp mô phỏng số Mục tiêu của luận văn là làm rõ các vấn đề liên quan đến ứng xử của kết cấu đê trong điều kiện này.

 Đánh giá mức độ tin cậy và các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả của mô phỏng

 Đánh giá hiệu quả giảm sóng, mức độ tiêu tán năng lượng sóng và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả giảm sóng

 Đánh giá ứng xử cũng như tính ổn định kết cấu của đê chắn sóng

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu trên luận văn đề ra phương pháp nghiên cứu sau:

Phương pháp kế thừa, tổng hợp và thống kê là quá trình tiếp thu các kết quả nghiên cứu, hình ảnh và tóm tắt từ các bài báo khoa học, đề tài và dự án liên quan đến vấn đề nghiên cứu Qua đó, dữ liệu được tổng hợp và trình bày dưới dạng bảng thống kê, phục vụ cho việc phân tích và nghiên cứu sâu hơn.

Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp ngăn ngừa xói mòn bờ biển và đê biển do tác động của sóng, dựa trên các cơ sở dữ liệu từ những nghiên cứu trước đây và các công trình đã được triển khai nhằm bảo vệ bờ biển.

Nghiên cứu năng lượng sóng và ứng xử của tường bê tông được thực hiện thông qua phương pháp mô phỏng số, nhằm phân tích dòng chất lỏng đi qua mặt cắt của tường bê tông chắn sóng.

Đánh giá khả năng tiêu tán năng lượng sóng của kết cấu tường chắn sóng là rất quan trọng để xác định hiệu quả và tính ổn định của nó Bằng cách so sánh với các thí nghiệm thực nghiệm, chúng ta có thể kiểm tra độ tin cậy của phương pháp số trong việc tính toán và mô phỏng khả năng tiêu tán năng lượng sóng.

Ý nghĩa của đề tài

Các công trình bảo vệ bờ biển, bao gồm đê và đê chắn sóng, đã chứng minh được nhiều ưu điểm và đóng góp quan trọng cho việc bảo vệ bờ biển và môi trường biển tại Việt Nam Tuy nhiên, bên cạnh những thành tựu đạt được, vẫn tồn tại những vấn đề về tối ưu kỹ thuật và kinh tế trong việc đầu tư xây dựng các công trình này Nghiên cứu hiện tại cho thấy cần tiếp tục phát triển và tối ưu hóa các giải pháp bảo vệ bờ biển để nâng cao hiệu quả và tính bền vững của các công trình.

Nghiên cứu này nhằm đề xuất một phương pháp mô phỏng mới để đánh giá hiệu quả của các mô hình kết cấu đê chắn sóng Phương pháp này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn giảm thiểu số lượng mô hình vật lý cần thực hiện.

Nghiên cứu này nhằm cung cấp kết quả từ mô phỏng, góp phần làm phong phú thêm các luận điểm và kiến thức mới trong lĩnh vực, đồng thời tạo ra nguồn dữ liệu quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sóng và các yếu tố chi phối đến sóng

Sóng là hiện tượng thay đổi mặt nước giữa các vị trí cao (đỉnh sóng) và thấp (bụng sóng), thường do gió hoặc các yếu tố khác như hoạt động địa chấn và thủy triều gây ra Việc mô phỏng chuyển động của mặt nước khi có sóng là rất phức tạp do sự tương tác giữa các sóng đơn Sóng truyền nhanh có thể đuổi kịp và kết hợp với sóng truyền chậm, dẫn đến sự thay đổi độ cao hoặc mất đi của sóng Khi sóng gió ra khỏi vùng gió, chúng sẽ dần ổn định và trở thành sóng đều hơn, hay còn gọi là sóng lừng.

Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sóng biển được tổng hợp trong (bảng 2.1):

Bảng 2-1 Các yêu tố ảnh hưởng đến sóng biển

Các yếu tố Ký hiệu Định nghĩa

Chu kỳ sóng T Thời gian một đỉnh và một bụng sóng đi qua một điểm Tần số sóng f f 1/T: số dao động trong 1 giây

Tốc độ truyền sóng (C) được tính bằng công thức C = L/T, trong đó L là chiều dài sóng, được xác định là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai bụng sóng liên tiếp, và T là chu kỳ sóng Biên độ sóng (a) là độ cao sóng (H), thể hiện khoảng cách giữa đỉnh và bụng sóng kế tiếp Độ sâu (d) là khoảng cách từ đáy biển đến mặt nước trung bình Mối liên hệ giữa tốc độ truyền sóng, chiều dài sóng và chu kỳ sóng rất quan trọng trong việc hiểu rõ các đặc điểm của sóng.

 gọi là số sóng (k) – số bước sóng trong một chu kỳ sóng

 gọi là tần số sóng – số chu kỳ sóng trong một chu trình sóng.

Năng lượng sóng

Năng lượng sóng được hình thành từ năng lượng gió, khi gió thổi làm mặt nước dao động tạo ra các gợn sóng với chiều cao và vận tốc khác nhau Tổng năng lượng sóng bao gồm hai thành phần chính: động năng và thế năng Động năng xuất phát từ tốc độ quỹ đạo của các hạt nước trong quá trình chuyển động sóng, được thể hiện qua một công thức cụ thể.

Giới hạn trên của tích phân bằng không không phù hợp với giả thuyết của lý thuyết sóng biên độ nhỏ Bằng cách thay thế các điều kiện vận tốc và thực hiện các phép toán rút gọn, ta có thể đạt được kết quả mong muốn.

Thế năng của sóng được xác định bởi độ cao của nước phía trên bụng sóng, trong khi theo lý thuyết sóng tuyến tính, thế năng tương ứng với mực nước trung bình khi sóng lặng Khi các sóng di chuyển theo một hướng, thành phần thế năng và động năng sẽ bằng nhau Năng lượng cho mỗi bước sóng trên mỗi đơn vị bề rộng của đỉnh sóng được tính toán dựa trên các yếu tố này.

Trong đó : E là năng lượng sóng;

E p là động năng của sóng;

E k là động năng của sóng;

Hình 2.1: Sơ đồ phân bố năng lượng sóng [24]

Lý thuyết sóng

Dạng sóng là hình dạng của mặt nước có sóng, và nó thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện như độ sâu của nước, loại nước (nước nông hay sâu), và tác động của gió Sóng có thể được phân loại thành sóng điều hòa và không điều hòa, với sóng tuyến tính, hay còn gọi là sóng Airy, là dạng sóng đơn giản nhất Sóng hình sin và sóng Stokes bậc một cũng là những loại sóng quan trọng, và các lý thuyết tính toán liên quan đến chúng vẫn được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu sóng hiện nay.

Mô hình sóng truyền thống và đơn giản nhất chính là mô hình sóng điều hòa, profile của sóng được biểu diễn bởi hàm số sau [25]:

Trong đó: r là biên độ sóng;

2 / k   là số chiều dài bước sóng, được đặt tại đoạn 2 mét;

2 / r   T là chiều dài bước sóng;

Sóng điều hòa, mặc dù là một mô hình toán học lý thuyết, thường không xuất hiện trong tự nhiên và chỉ là một trong những cách dự đoán sóng biển thực tế.

Hình 2.2: Hồ sơ sóng điều hòa

Các cơn sóng không điều hòa, hay còn gọi là sóng ngẫu nhiên, được hình thành từ sự biến đổi thất thường của gió và hướng gió Thực tế, sóng không điều hòa là sự tổng hợp của nhiều sóng điều hòa với chiều cao, tần số và phương lan truyền khác nhau Khi chỉ có một sóng điều hòa với hướng chính và đỉnh sóng kéo dài, ta sẽ có sóng điều hòa hai chiều Ngược lại, sóng không điều hòa ba chiều là sự kết hợp phức tạp của các sóng đơn giản và sóng điều hòa chính quy, với biên độ, tần số và hướng lan truyền đa dạng Sóng hai chiều không điều hòa có thể được biểu diễn bằng một biểu thức cụ thể.

Do chiều dài bước sóng rất nhỏ so với kích thước mặt biển, các số hạng đầu tiên có thể bị bỏ qua, dẫn đến việc thu được phổ tần số dày đặc Hơn nữa, khi xem xét sai số ngẫu nhiên trong các thông số sóng, phổ tần số có thể được coi là liên tục, cho phép chuyển đổi sang tích phân Fourier.

Sóng không điều hòa có đặc điểm là năng lượng sóng được xác định bởi các sóng điều hòa Theo lý thuyết thủy động lực học, năng lượng sóng trên mỗi đơn vị chiều rộng của sóng có thể được tính toán một cách chính xác.

Hình 2.3: Mô hình phổ sóng không điều hòa

Mô hình sóng này có tính chất phức tạp và phi tuyến ba chiều, vì vậy luận văn chỉ giới thiệu mà không thực hiện mô phỏng loại sóng này.

2.3.2 Lý thuyết sóng điều hòa

2.3.2.1 Các dạng sóng cơ bản và phạm vi áp dụng

Lịch sử nghiên cứu các lý thuyết mô phỏng tính toán sóng đã có từ lâu, với nhiều phương pháp khác nhau Phương pháp phổ biến nhất sử dụng các phương trình chuyển động cho chất lỏng không ma sát và áp dụng điều kiện biên thích hợp Hai lý thuyết cơ bản đánh dấu sự phát triển của nghiên cứu sóng là lý thuyết sóng Airy và lý thuyết sóng Stokes.

Lý thuyết sóng Cnoidal, được phát triển từ các phương trình kinh nghiệm của Kortweg và de Vries, đã được mô tả chi tiết bởi Svendsen và Isobe cùng cộng sự Trong khi đó, lý thuyết sóng đơn, phù hợp cho vùng nước nông, đã được Boussinesq và McCowan nghiên cứu và Munk phổ biến như một dạng sóng vỡ.

Hình 2.4: Vùng áp dụng các loại lý thuyết sóng [34]

2.3.2.2 Lý thuyết sóng tuyến tính

Lý thuyết sóng tuyến tính, còn được gọi là lý thuyết sóng biên độ nhỏ, là nền tảng của chuyển động sóng Nó tương đương với lý thuyết sóng Stokes bậc 1, trong khi các lý thuyết sóng Stokes bậc cao hơn được áp dụng cho vùng ven bờ khi biên độ sóng trở nên đáng kể so với độ dài và độ sâu Trong lý thuyết này, một số giả thuyết đã được áp dụng để phân tích và mô hình hóa hiện tượng sóng.

 Chất lỏng đồng nhất và không nén được, do vậy mật độ nước không đổi

 Bỏ qua sức căng mặt ngoài

 Bỏ qua tác động của lực Coriolis đối với môi trường sóng

 Áp suất trên mặt nước được coi là đồng nhất và không đổi

 Chất lỏng được coi là lý tưởng - không nhớt

 Sóng không tương tác với các chuyển động khác của chất lỏng Dòng chảy trong sóng không xoáy

Đáy biển được mô tả là phẳng theo phương ngang và có tính chất cố định, không thấm nước Điều này dẫn đến việc tốc độ thẳng đứng của các hạt nước trong quá trình chuyển động sóng tại đáy biển bị triệt tiêu.

 Biên độ sóng nhỏ và dạng sóng bất biến theo thời gian và không gian

 Trường sóng hai chiều – sóng có đỉnh dài vô tận

Giả định không có xoáy trong trường chuyển động sóng cho phép áp dụng hàm thế tốc độ  Hàm thế tốc độ là đại lượng vô hướng, trong khi gradient của nó theo trục x và z tại mọi điểm trong chất lỏng tạo thành vector tốc độ.

Với: U,W là các thành phần tốc độ của chất lỏng theo trục x và z

Giả định chất lỏng không nén được cho thấy có một hàm duy nhất  là hàm trục giao của hàm thế tốc độ Trong trường hợp này, các đường đẳng hàm thế và các đường hàm dòng vuông góc với nhau Do đó, nếu biết hàm , ta có thể tìm được hàm  và ngược lại, thông qua biểu thức: x z ; z x.

Biểu thức (2.12) gọi là điều kiện Cauchy-Riemann [35] Cả  và  thỏa mãn phương trình Laplace đối với dòng chảy trong chất lỏng lý tưởng

Dựa trên các giả định đã nêu, phương trình mô phỏng mặt sóng tuyến tính, cụ thể là sóng hình sin, có thể được biểu diễn dưới dạng hàm của thời gian t và khoảng cách truyền sóng x.

Với:  - biến độ cao của mặt nước so với mực nước tĩnh trung bình khi lặng sóng

Biểu thức (2.14) mô tả sự lan truyền của sóng tiến hình sin theo hướng trung với trục x Khi sóng di chuyển ngược lại, dấu trừ trong biểu thức pha sẽ được thay bằng dấu cộng Các giá trị pha sóng 0, π/2, 3π/2 tương ứng với các giá trị mặt nước η là H/2, -H/2 và 0 Đối với các lý thuyết sóng bậc cao, phương trình mô phỏng tổng quát mặt sóng có dạng khác.

Với: a = H/2 đối với sóng bậc 1 và 2; a < H/2 với các sóng bậc cao hơn 2

B 2 , B 3 – các hàm phụ thuộc vào độ dài sóng và độ sâu

Lý thuyết sóng ngắn được áp dụng đối với các sóng Stokes bậc cao Phương trình mặt nước có sóng Stokes bậc hai được viết dưới dạng:

H kH kx t kh kh kx t

Hình 2.5 đưa ra hai dạng sóng tuyến tính (Stoke bậc 1) và sóng ngắn (Stokes bậc

Chúng tôi nhận thấy sự khác biệt rõ rệt giữa đỉnh sóng và bụng sóng của hai loại sóng Sóng ngắn thường được quan sát trên biển khi sóng truyền vào vùng ven bờ có độ sâu nhỏ hoặc khi bị ảnh hưởng bởi gió mạnh.

Hình 2.5: So sánh sóng Stokes bậc 1 (tuyến tính) và sóng Stokes bậc 2

Hiệu quả giảm sóng

Khi đánh giá hiệu quả giảm sóng của kết cấu, cần xem xét sự tiêu hao năng lượng sóng qua đê và hiệu quả chắn sóng Điều này được xác định thông qua các tham số hình học cơ bản như kích thước đê, độ sâu ngập nước và tính chất tương tác giữa sóng và đê Ngoài ra, cần chú ý đến sự biến đổi chiều cao sóng khi sóng đi vào khu vực bãi nông ven bờ phía trước đê chắn sóng.

Hình 2.9: Phác họa sóng truyền qua đê giảm sóng [40]

(2.37) Với: K T là hệ số truyền sóng qua đê (K T