1 Vấn đề phản xạ sóng trong công trình biển dạng tường đứng
Nhờ những tiến bộ của khoa học- công nghệ, các công trình biển dạng tường đứng được xây dựng ngày càng nhiều để đáp ứng các chức năng tổng hợp. Công trình biển dạng tường đứng có thế được tạo ra bằng nhiều loại kết cấu, nhưng được quan tâm hơn cả là kết câu thùng chìm (caisson). Có nhiều công trình sử dụng loại kết cấu này như: cảng biển, công trình bảo vệ bờ, đặc biệt là đê chắn sóng được ứng dụng nhiều nhất [2].
Công trình biển sử dụng thùng chìm có nhiều ưu điểm trong chế tạo, lắp đặt, khai thác..., nhưng tồn tại đáng kể là phản xạ sóng trước công trình thường lớn dẫn đến áp lực sóng có thể ảnh hưởng đến hoạt động an toàn hành hải và ổn định của các công trình lân cận.
Hình ảnh ấn tượng về các cột sóng lớn xô vào tường đứng có thể thấy trong ảnh chụp cơn bão số 2 nãm 2005 ở bờ biển Đồ Sơn - Hải Phòng.
Đối với Công trình tường đứng dạng thùng chìm, đo áp lực sóng tác dụng vào công trình rất lớn nênyêu cầu kích thước thùng chìm lớn để đảm bảo về ổn định công trình dẫn đến phức tạp về thi công, về xử lý nền..., làm cho kinh phí đầu tư tăng. Vì vậy, các giải pháp để giảm phản xạ sóng, giảm áp lực sóng lên thùng chìm là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, đơn giản là đặt các lăng thể phá sóng trước tường, tạo góc vát nghiêng trên đỉnh tường...; phức tạp hơn là bố trí buồng tiêu sóng (BTS) ở mặt đón sóng của thùng chìm. BTS được đánh giá là có hiệu quả nhất và đã được ứng dụng ở một số nước tiên tiến trên thế giới, như: Nhật Bản Ý, Canada, Trung Quốc và đang được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện.
2. Vài nét về các dạng thùng chìm có buồng tiêu sóng trên thế giới
Ý tưởng về BTS được Jarlan (Canađa) đề xuất vào năm 1961. Từ năm 1969 ở Nhật Bản đã xây dựng một số công trình với kết cấu này. Ngoài việc tiêu năng lượng sóng, BTS trước thùng chìm còn kết hợp nuôi cá và làm nhà máy phát điện lợi dụng năng lượng sóng cho hiệu quả tốt. Dưới đây giới thiệu một số dạng thùng chìm có BTS điển hình được sử dụng:
Loại thùng chìm có BTS được sử dụng nhiều nhất là loại có BTS hình hộp, lỗ thông sóng tròn hoặc khe dọc, phần thân thùng phía sau BTS được gia trọng bằng cát đá hỗn hợp.
3. Một số kết quả nghiên cứu của tác giả nước ngoài về buồng tiêu sóng của thùng chìm.
Các kết quả nghiên cứu liên quan đến BTS chưa được công bố nhiều, phần lớn mới được giới thiệu thông qua những công trình đã ứngdụng mà không đưa ra giải thích về cách xác định các thông số kết cấu của buồng. Qua một số tài liệu tham khảo [3], [4], [51, có thể thấy các vấn đề cần quan tâm là:
a) Chiều rộng buồng tiêu sóng. Chiều rộng BTS (B) được so sánh tương đối với chiều dài sóng L, tức là tỷ số B/L. Hầu hết tài liệu của tác giả đều cho rằng có thể lấy trong khoảng B/L = 1/4 : 1/8, một công trình ở Trung Quốc đã sử dụng giá trị B/L = 1/2,8. Các trị số nàyrất khó ứng dụng trong điều kiện sóng có chiều dài lớn hơn 100m. Qua các công trình đã xây dựng có thể nhận thấy hầu hết BTS của thùng chìm có chiều rộng không quá 8,0m.b) Phạm vi mở lỗ thông sóng. vì 90% năng lượng của sóng phân bố tập trung ở khoảng từ mặt nước đến độ sâu bằng 2 : 3 lần chiều cao sóng (H), nêngiới hạn dưới của các lỗ thông sóng được bố trí ở độ sâu bằng 2H dưới mực nước thấp thiết kế, giới hạn trên cần đạt đến vị trí cao hơn mực nước cao 0,5H.
c) Tỷ lệ mở lỗ thông sóng. tỷ lệ mở lỗ thông sóng E được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm của tổng diện tích các lỗ thông sóng với diện tích tường đón sóng. Các tài liệu giới thiệu kết quả nghiên cứu khác nhau khá xa, E = 15% - 60% Nếu E = 60% thì diện tích lỗ quá lớn, khó khãn cho việc bố trí kết cấu tường đón sóng, chế tạo và lai dắt thùng. Tài liệu Quy trình kỹ thuật cảng Nhật Bản khuyến nghị E = 30%.
d) Hình dạng lỗ thông sóng. Các tài liệu không đưa ra những thông tin cụ thể về yếu tố này. Một số hình dạng lỗ thông sóng đã sử dụng như: tròn, vuông, khe dài nằm ngang hay khe dọc. Các tài liệu không đưa ra khuyến nghị về yếu tố này.
e) Ảnh hưởng của yếu tố sóng. về ảnh hưởng của độ dốc sóng H/L, chu kỳ sóng các kết quả nghiên cứu của Kodo (1986), Jianyi (1992), Allsop (1994) còn phân tán chưa thống nhất với nhau.
f )Hệ số phản xạ: hệ số phản xạ sóng Kr là tỷ số giữa chiều cao sóng phản xạ Hr và chiều cao sóng tới Hi. Các nghiên cứu cho rằng Kr có thể đạt đqợc trong khoảng giá trị tương đối rộng Kr = 0,15 : 0,8.
4. Nhận xét
Thùng chìm có BTS được sử dụng ngày càng nhiều trên thế giới ở Việt Nam, đã có gần chục công trình được xây dựng bằng thùng chìm bê tông cốt thép thông thường, như: tôn tạo đảo Đá Tây thuộc quần đảo Trường Sa, đê chắn sóng cảng trên đảo Bạch Long Vĩ(Hải Phòng), cảng Cái Lân (Quảng Ninh), đê chắn sóng cảng Tiên sa (Đà Nẵng)..., nhưng chưa có công trình nào sử dụng thùng chìm có BTS. Với kinh nghiệm và thiết bị sẵn có của các đơn vị, việc thi công với loại kết cấu này ở nước ta là hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên, để có thể sử dụng thùng chìm có BTS trong xây đựng công trình biển, cần có những nghiên cứu cụ thể về bố trí, kết cấu BTS phục vụ cho ông tác thiết kế.
Buồng tiêu sóng của thùng chìm cho phép khắc phục một số tồn tại của loại kết cấu này như giảm phản xạ sóng, giảm lượng sóng tràn qua công trình và giảm áp lực sóng lên thùng chìm, nhưng quan trọng hơn là giảm dao động mực nước trước công trình, tạo điều kiện thuận lợi cho các phương tiện hoạt động an toàn trong vùng nước lân cận.
Để nâng cao hiệu quả tiêu sóng cần phải chọn được chiều rộng tương đối (B/L) hợp lý của BTS, phù hợp với điều kiện sóng thiết kế. Ngoài ra, tỷ lệ mở lỗ thông sóng phải thích hợp: nếu tỷ lệ mở lỗ quá nhỏ, hiệu quả tiêu sóng bị hạn chế, sóng phản xạ sẽ giảm không đáng kể; nếu lỗ quá to để sóng trực tiếp đi vào BTS, sẽ làm tăng phản xạ và áp lực sóng lên tường ngăn. Hình dạng lỗ thông sóng về nguyên tắc cũng ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu sóng. Về những vấn đề trên, các kết quả nghiên cứu ban đầu của chúng tôi đã được trình bày trong tài liệu [1].
Trong điều kiện Việt Nam chúng ta hoàn toàn có thể ứng dụng loại kết cấu này trong công trình biển, nhưng cần đầu tư nghiên cứu thêm về kết cấu chế tạo và thi công.
Tài liệu tham khảo:
[1] NGUYỄN TRUNG ANH, LƯƠNG PHƯƠNG HẬU (2007), Nghiên cứu xác đinh các tham số thiết kế buồng tiêu sóng cho thùng chìm bê tông cốt thép công trình biển, Tạp chí Nông nghiệp & PTNT (Số 4/2007), Hà Nội.
[2]. LƯƠNG PHƯƠNG HẬU VÀ NNK (2003), Công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo. Nxb Xây dựng, Hà Nội.
[3]. JARLAN, G. E (1961), A perforated Vertical wall Breakwater, The dock and Habour Authority 42.
[4]. DR. lR. J. W. VAN DER MEEG, Pror. lR. J. LIGTERINGEN (1987), Breakwater design. lnternational lnstitut for lnfracstructural, hydraulic and Enviromental Engineering, IHE/ Delft.
[5]. TAKAHASHL (1996), Design of vertical breakwaters. Port and Harbout REASEACH lnstitute Ministry of Transport, Japan.
Theo Tạp chí Hàng Hải 9/2007