Nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê kết cấu rỗng trên mô hình máng sóng

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 1
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ KẾT CẤU RỖNG 
TRÊN MÔ HÌNH MÁNG SÓNG 
Thiều Quang Tuấn 
 Trường Đại học Thủy Lợi 
Đinh Công Sản, Lê Xuân Tú, Đỗ Văn Dương 
Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam 
Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng công thức đánh giá khả năng khả 
năng triết giảm sóng của đê giảm sóng kết cấu rỗng và phân tích sự biến đổi hình dạng phổ sóng 
trước và sau công trình tại khu vực nước nông của rừng ngập mặn dựa trên thí nghiệm mô hình 
vật lý 2D trong máng sóng. 
Từ khóa: Đê giảm sóng kết cấu rỗng, hệ số truyền sóng, sóng phản xạ, mô hình vật lý 2D 
Summary: In this paper presents the result of establishing a new empirical formula of wave 
transmission at this type of porous breakwater and analysis wave energy spectra transformation 
before and after this structure in the shallow water base on the 2D physical model experiment in 
the wave flume. 
Keywords: porous breakwater, wave transmission, wave reflection, 2D physical model 
1 ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Trong những năm gần đây quá trình sạt lở bờ 
biển đang diễn ra hết sức nghiêm trọng ở dải 
ven biển đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) 
làm suy thoái rừng ngập mặn, theo nghiên cứu 
của Viện khoa học Thủy lợi miền Nam 
(SIWRR) xói lở bờ biển đã xảy ra trên 280/774 
km đường bờ với tốc độ xói lở từ 1-20m/năm. 
Có nhiều giải pháp bảo vệ bờ biển và phát triển 
rừng ngập mặn một cách tự nhiên ở đồng bằng 
sông Cửu Long, trong đó với dạng công trình 
cứng thì đê giảm sóng xa bờ có kết cấu rỗng 
đang là một trong những giải pháp được nghiên 
cứu và ứng dụng bởi khả năng trao đổi trầm tích 
và bẫy bùn cát. Đặc điểm của đê giảm sóng xa 
bờ kết cấu rỗng là cho sóng có thể truyền qua 
với mức độ nhất định với mục đích trao đổi trầm 
tích bùn cát, gây bồi tụ giúp phát triển rừng 
ngập mặn. Do đó, việc xác định các thông số 
khi thiết kế công trình như hiệu quả giảm sóng, 
sóng phản xạ trước công trình và tối ưu hệ số 
Ngày nhận bài: 05/6/2018 
Ngày thông qua phản biện: 22/7/2018 
tiêu tán năng lượng sóng cần thiết phải nghiên 
cứu để đánh giá tương tác giữa sóng và công 
trình, cũng như xem xét khả năng làm việc của 
công trình trong các điều kiện thủy động lực học 
biến đổi khác nhau. Trong nghiên cứu này, công 
thức xác định hệ số truyền sóng của đê giảm 
sóng kết cấu rỗng được xây dựng dựa trên phân 
tích dữ liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm Thủy 
động lực sông biển- Viện Khoa học Thủy lợi 
Miền nam và các nghiên cứu trước đây về công 
trình đê giảm sóng đỉnh thấp (LCS) của Van der 
Meer et al. 2005; Chen et al. 2008; Li and Xie 
2008, công trình đê giảm sóng dạng cọc có dầm 
mũ của Luth et al. 1994; van der Meer et al. 
2005; Christou et al. 2008; Su-xiang ZHANG 
and Xi LI 2014. Kết quả của nghiên cứu được 
sử dụng cho việc tính toán thiết kế và đánh giá 
hiệu quả làm việc và công trình đê giảm sóng 
với cấu kiện rỗng được sử dụng trong nghiên 
cứu này. 
2 MÔ HÌNH VẬT LÝ 
Ngày duyệt đăng: 12/10/2018 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 2
2.1 Cơ sở thí nghiệm 
Thí nghiệm được thực hiện trong máng sóng 
của phòng thí nghiệm thủy động lực sông biển- 
Viện Khoa học Thủy lợi Miền nam (Hình 1). 
Các cơ sở thiết bị máy móc được cung cấp bởi 
HR Wallingford. Chiều dài máng sóng là 35m, 
chiều rộng 1.2m và cao 1.5m. Hệ thống máy tạo 
sóng được trang bị khả năng hấp thụ sóng phản 
xạ (Active Reflection Compensation), có thể 
tạo ra sóng ngẫu nhiên hoặc sóng đều với chiều 
cao lên đến 0.30m và chu kỳ đỉnh 3.0s, sóng 
được đo với tần số 100Hz (độ chính xác 
±0.1mm). 
Hình 1. Máng sóng thí nghiệm Viện Khoa học 
Thủy lợi miền Nam 
2.2 Mô hình thí nghiệm 
Cấu kiện đê giảm sóng dùng để thí nghiệm gồm 
hai mặt với các lỗ tròn được bố trí hai hàng có 
kích thước bằng nhau và phần trăm lỗ rỗng bề 
mặt của cấu kiện là 17.7%. Vật liệu làm cấu 
kiện là bê tông cốt sợi phi kim được cung cấp 
và phát triển bởi công ty Busadco. Mô hình thiết 
lập thí nghiệm (hình 2), với chiều cao của đê 
giảm sóng là 0.40m, bãi nông rừng ngập mặn 
được mô phỏng với độ dốc 1/500, mái chuyển 
tiếp giữa khu vực nước sâu và nước nông được 
thiết kế với độ dốc 1/25. Sóng đến trước công 
trình hầu hết bị vỡ ở mái chuyển tiếp này nhằm 
tạo tính chất sóng tương tự như thực tế. Mái hấp 
thụ sóng được thiết kế bằng đá đổ với độ dốc ¼, 
hệ số sóng phản xạ luôn nhỏ hơn 10% khi 
không có công trình. 
Hình 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Hình 3. Thiết lập thí nghiệm truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng 
Tổng số kịch bản thí nghiệm là 60 kịch bản 
được tổng hợp trong Bảng 1 (bao gồm 30 kịch 
bản không có công trình). Tổ hợp các kịch bản 
từ 6 điều kiện sóng đặc trưng và 5 mực nước (cả 
ngập và không ngập công trình) từ điều kiện 
thủy lực đặc trưng cho khu vực ĐBSCL. Quan 
hệ giữa chiều cao và chu kỳ sóng được tính toán 
theo Linh and Tuấn (2015). Điều kiện biên 
thông số sóng được mô phỏng bằng dạng phổ 
JONSWAP với γ=3.30. Mỗi thí nghiệm được 
thực hiện ít nhất trong khoảng thời gian 500Tp 
(s). Tỷ lệ mô hình được lựa chọn dựa trên năng 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 3
lực máng sóng và thông số điều kiện biên: 
NL=10 (tỷ lệ dài), Nt=3.16 (tỷ lệ thời gian). 
Tổng số kịch bản thí nghiệm là 60 kịch bản 
được tổng hợp trong Bảng 1. 
Bảng 1. Kịch bản thí nghiệm 
Trường hợp 
Tham số sóng Chiều cao lưu 
không Rc / Độ 
sâu nước D (m) 
Kịch bản 
Hm0 (m) Tp (s) 
WP6-BW-JSW1 
WP6-BW-JSW2 
WP6-BW-JSW3 
WP6-BW-JSW4 
WP6-BW-JSW5 
WP6-BW-JSW6 
0.10 
0.12 
0.15 
0.17 
0.20 
0.22 
1.79 
1.88 
2.00 
2.07 
2.16 
2.20 
0.20/0.20 
0.10/0.30 
0.00/0.40 
-0.10/0.50 
-0.15/0.55 
Không công trình 
Có công trình 
3 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 
3.1 Ảnh hưởng của các thông số lên quá 
trình truyền sóng 
Giống như các đê giảm sóng truyền thống trước 
đây, sóng truyền qua đê giảm sóng kết cấu rỗng 
phụ thuộc vào hàm của tổ hợp chiều cao lưu 
không đỉnh đê, bề rộng đỉnh đê, độ dốc mái 
công trình, độ rỗng bề mặt cấu kiện và tính chất 
sóng. Để xác định công thức truyền sóng qua đê 
giảm sóng có hai yếu quan trọng ảnh hưởng là 
của chiều cao lưu không đỉnh đê và chỉ số tương 
tự sóng vỡ Iribarren được phân tích dựa trên số 
liệu thí nghiệm thực đo. Bên cạnh hai yêu tố kể 
trên thì các yếu tố như độ rỗng cấu kiện hay bề 
rộng đỉnh cấu kiện là các hằng số không đổi thể 
hiện đặc trưng của cấu kiện nên không được 
phân tích trong nghiên cứu này. 
Sự biến đổi phổ sóng trong khu vực nước 
nông 
Phổ sóng tại khu vực nước nông phía sau công 
trình được thể hiện trong Hình (WG6) xuất hiện 
nhiều đỉnh và giá trị mật độ năng lượng của các 
đỉnh phổ không có sự chênh lệch lớn. Hình dạng 
phổ sóng tại khu vực này tương tự như phổ sóng 
sau khi trải qua quá trình sóng vỡ nhiều lần. 
Đáng chú ý là sự xuất hiện của sóng với tần số 
thấp hay gọi là sóng trọng lực - infragravity 
waves (IG) chu kỳ đỉnh khoảng 25s được tạo ra 
trong quá trình sóng vỡ trên mái chuyển tiếp và 
trong vùng nước nông (Baldock, 2012). Ngoài 
ra, sóng dài được tạo ra từ các nhóm sóng cũng 
giống như sóng trọng lực tự do ở các điểm sóng 
vỡ của sóng IG. Sóng IG tồn tại trong khu vực 
bãi biển nông rừng ngập mặn hay rạn san hô. 
Trong quá trình truyền sóng vào khu vực bãi 
nông của rừng ngập mặn, các con sóng ngắn bị 
vỡ làm cho tầm quan trọng của sóng IG bắt đầu 
tăng lên. Do đó, năng lượng sóng dài chiếm 
một phần lớn trong tổng năng lương sóng tại 
khu vực này (Horstma et al, 2012; Phan et al, 
2014). Quá trình này cũng được áp dụng cho 
việc thiết lập, tính toán điều kiện biên và quá 
trình truyền sóng trong thí nghiệm này. Hình 
thể hiện sự biến đổi phổ sóng sau khi truyền 
qua công trình ứng với trường hợp cao trình 
đỉnh đê lớn, có thể thấy năng lượng của các 
con sóng ngắn phần lớn bị tiêu tán, trong khi 
năng lượng sóng dài vẫn còn khá lớn. 
Những phân tích trên về sự biến đổi phổ sóng 
là cơ sở để khẳng định sóng dài có ý nghĩa quan 
trọng trong quá trình nghiên cứu truyền sóng 
qua đê giảm sóng kết cấu rỗng tại vùng rừng 
ngập mặn ven biển. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 4
Hình 4. Phổ năng lượng sóng khi truyền qua 
cấu kiện 
Hình 5. Kết quả phổ sóng đo đạc từ thí nghiệm 
ứng với các độ sâu D=0.4;0.3;0.2m 
Ảnh hưởng của chiều cao lưu không đỉnh đê 
Rc/Hm0 
Sự phụ thuộc mạnh mẽ của hệ số truyền sóng 
Kt vào chiều cao lưu không đỉnh đê được thể 
hiện trong hình 6. Khi Rc/Hm0 > 0.50 thì hệ số 
truyền sóng gần như là không đổi (Kt ~ 0.30), 
trong trường hợp cao trình đỉnh đê lớn thì sóng 
truyền qua công trình rất nhỏ qua lỗ rỗng. Mặt 
khác, khi độ ngập lớn thì khả năng giảm sóng 
của công trình là khá nhỏ (Kt=0.75-0.80 khi 
Rc/Hm0 < -0.50). 
Hình 6. Ảnh hưởng của chiều cao lưu không 
đến hệ số truyền sóng 
Chỉ số tương tự sóng vỡ Iribarren ξ0 
Hệ số truyền sóng qua đê giảm sóng cũng phụ 
thuộc vào hiện tượng sóng vỡ trên mái của công 
trình, tương tác này được thể hiện qua chỉ số 
Iribarren ξ0. Hình 7 mô tả sự phụ thuộc của chỉ 
số Iribarren ξ0 từ dữ liệu thí nghiệm với chu kỳ 
đỉnh Tp (ξ0p) và chu kỳ phổ Tm-1,0 (ξ0m-1,0). Nhìn 
chung, sự phụ thuộc của ξ0 theo xu hướng phi 
tuyến tính và sự phụ thuộc này khá nhỏ trong cả 
trường hợp Rc/Hm0 lớn và nhỏ. Rõ ràng khi sử 
dụng Tm-1,0 thì sự tương quan xuất hiện tốt hơn 
so với sử dụng Tp. 
Hình 7. Ảnh hưởng của chỉ số Iribarren 
đến hệ số truyền sóng 
Sóng phản xạ 
Sóng phản xạ phía trước công trình được tạo 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 5
thành từ tương tác giữa sóng và công trình. Nó 
không được mô tả chi tiết trong quá trình truyền 
sóng, tuy nhiên thông qua việc xác định hệ số 
sóng phản xạ cho phép xác định khả năng tiêu 
tán năng lượng sóng của công trình. 
Hình 8. Tương quan giữa hệ số sóng phản xạ 
và Rc/Hm0 
Hình 8 thể hiện tương quan giữa hệ số sóng 
phản xạ và chiều cao lưu không tương đối của 
đỉnh đê. Cho thấy dạng công trình đê giảm sóng 
kết cấu rỗng này có hệ số sóng phản xạ khá cao 
trong trường hợp đê nhô (Kr = 0.40~0.50). 
Nhìn chung khi Rc/Hm0 tăng thì sóng phản xạ 
cũng tăng theo, điều này do công trình chưa đủ 
độ rỗng để hấp thụ năng lượng sóng (độ rỗng 
bề mặt của cấu kiện 17.7%) hay bố trí lỗ rỗng 
chưa hợp lý. Trong trường hợp đê nhô cao, hầu 
hết năng lượng sóng phía sau công trình là do 
sự truyền qua của sóng IG và sóng tràn. Việc 
nhận biết và tính toán sóng phản xạ rất cần 
thiết trong quá trình thiết kế đê giảm sóng kết 
cấu rỗng, đặc biệt cho việc thiết kế giải phải 
bảo vệ chân chống xói cho công trình. 
3.2 Công thức thực nghiệm cho quá trình 
truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu rỗng 
Các phân tích về các thông số ảnh hưởng nhiều 
nhất đến quá trình truyền sóng ở trên là cơ sở 
cho việc xây dựng công thức thực nghiệm. 
Công thức thực nghiệm ở đây được xây dựng 
dựa trên công thức có sẵn của Angremond et al 
(1996). Hai thông số chính được xem xét cho 
xây dựng công thức là độ ngập tương đối đỉnh 
đê Rc/Hm0 và chỉ số tương tự sóng vỡ Iribarren 
ξ0. Công thức tổng quát cho hệ số truyền sóng 
qua đê giảm sóng kết cấu rỗng: 
Với a, b và c là các hằng số thực nghiệm được 
xác định thông qua phương pháp phân tích hồi 
quy với dữ liệu có được từ kết quả thí nghiệm. 
So với công thức Angremond et al. (1996) bề 
rộng đỉnh đê không được xem xét ở đây, dạng 
công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng được coi 
là dạng công trình có kết cấu hẹp. Chỉ số tương 
tự sóng vỡ Iribarren ξ0 có thể được tính toán 
theo hai tham số là Tp hoặc Tm-1,0, tùy thuộc vào 
dữ liệu có sẵn. Phân tích hồi quy với những kết 
quả của dữ liệu thí nghiệm theo 2 tham số Tp và 
Tm-1,0, kết quả của phương pháp phân tích cho 
ra hai công thức tương ứng: 
 (1) 
 (2) 
Khoảng áp dụng của công thức: 
Hình 32 và hình 33 so sánh kết quả hệ số truyền 
sóng Kt theo công thức (1) và (2) với dữ liệu đo 
đạc tương ứng. Cả hai trường hợp đều cho kết 
quả tương quan tốt, tuy nhiên có thể thấy khi sử 
dụng Tm-1,0 cho hệ số tương quan tốt hơn so với 
sử dụng Tp. 
So sánh giữa công thức nghiên cứu hiện tại với 
các nghiên cứu trước đây của d’Angremond et 
al. (1996), van der Meer et al. (2005) cho loại 
đê chắn sóng truyền thống và đê giảm sóng 
dạng cọc, dạng đê ngầm và Van der Meer and 
Daemen (1994) cho loại đê chắn sóng đỉnh hẹp, 
truyền thống và cả cho dạng đê ngầm, dạng cọc. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 6
Cho thấy dữ liệu trong nghiên cứu hiện tại có 
kết quả tương đồng nhất với kết quả của nghiên 
cứu Van deer Meer et al. (1993) cho loại đê 
giảm sóng đỉnh hẹp cho sóng truyền qua. 
Hình 9. Dữ liệu hồi quy với ξ0m-1,0 
Hình 10. Dữ liệu hồi quy với ξ0p 
Hình 11. So sánh công thức thiết lập với công 
thức của đê giảm sóng dạng trơn và dạng cho 
sóng truyền qua (Angremond et al. 1996, Van 
der Meer et al. 2005) 
Hình 12. So sánh với công thức của để chắn 
sóng truyền thống và dạng cho sóng truyền 
qua (DELOS- Van der Meer et al. 2005) 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 7
Hình 13. So sánh với công thức của đê giảm 
sóng đỉnh hẹp (Van der Meer and Daemen, 1994) 
4 KẾT LUẬN 
Để xây dựng công thức truyền sóng qua đê giảm 
sóng kết cấu rỗng, một chuỗi thí nghiệm bao 
gồm 60 kịch bản truyền sóng đã được thực hiện. 
Quá trình biến đổi phổ sóng trong khu vực bãi 
nông của rừng ngập mặn và qua đê giảm sóng 
cho thấy tầm quan trọng của năng lượng sóng 
dài trong quá trình truyền sóng. Năng lượng 
sóng ngắn hầu hết bị tiêu tán hoặc phản xạ, sóng 
phía sau công trình phần lớn là năng lượng sóng 
dài. 
Quá trình truyền sóng qua đê giảm sóng kết cấu 
rỗng bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố quan trọng là 
chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê Rc/Hm0 
và chỉ số sóng vỡ trên mái công trình Iribarren 
ξ0. Kết quả của quá trình phân tích cho thấy chu 
kỳ phổ Tm-1,0 nên được sử dụng để thay thế cho 
chu kỳ đỉnh Tp nhằm thể hiện rõ tầm ảnh hưởng 
của sóng dài trong khu vực nước nông. 
Công thức thực nghiệm áp dụng cho để giảm 
sóng kết cấu rỗng trên bãi nông của rừng ngập 
mặn đã được xây dựng với độ tin cậy cao dựa 
trên các so sánh với các công thức hiện có được 
đưa ra để tăng độ tin cậy cho kết quả thực 
nghiệm như d’Angremond et al.(1996), Van der 
Meer et al (2005) hay Van der Meer and 
Daemen (1994), kết quả của nghiên cứu này 
khá phù hợp với các kết quả ngiên cứu trước 
đây đặc biệt với nghiên cứu về dạng đê giảm 
sóng đỉnh hẹp của Van der Meer et al. (1993). 
Trong quá trình thiết kế đê giảm sóng kết cấu 
rỗng cần lưu ý: 
- Cao trình đỉnh đê giảm sóng nên cao hơn 
mực nước triều (đê nhô) để tăng hiệu quả giảm 
sóng, hầu hết sóng bị chặn khi Rc/Hm0 > 0.50. 
- Giải pháp bảo vệ chân công trình nên được 
xem xét một cách kỹ lưỡng trong quá trình thiết 
kế đê giảm sóng kết cấu rỗng. 
Trong nghiên cứu tới các yếu tố về phần trăm 
độ rỗng của đê và chiều rộng đỉnh của cấu kiện 
đê giảm sóng rỗng đến hiệu quả giảm sóng sẽ 
được trình bày. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Angremond, K., Van der Meer, J.W. and de Jong, R.J., 1996. Wave transmission at 
low-crested structures. Proc. 25th ICCE, ASCE, Orlando, USA. 
[2] Implications for the concept of “bound” wave release at short wave breaking. 
Coastal Engineering, 60, pp. 276-285. 
[3] Đặng Thị Linh và Thiều Quang Tuấn, 2015. Xây dựng quan hệ chu kỳ và chiều cao 
của sóng gió cho mùa vùng biển Bắc và Bắc Trung Bộ nước ta. Hội nghị khoa học 
thường niên năm 2015, Đại học Thủy lợi, Hà Nội, 407 – 409. 
[4] Horstman, E., Dohmen-Janssen, M., Narra, P., van den Berg, NJ., Siemerink, M., 
Balke, T., Bouma, T., and Hulscher, S., 2012. Wave attenuation in mangrove 
forests; field data obtained in Trang, Thailand. Proc. 33nd Int. Conf. Coastal Eng., 
CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 8
ASCE , pp. 40. 
[5] Hughes, A.S., 1993. Physical models and laboratory techniques in coastal 
engineering, World Scientific, Singapore, 568 pp. 
[6] Phan, L.K., van Thiel de Vries, J.S.M., and Stive, M.J.F., 2014. Coastal mangrove 
squeeze in the Mekong Delta. Journal of Coastal Research, 31, 2, pp. 233 – 243. 
[7] Tuan, T.Q., Tien, N.V. and Verhagen, H.J., 2016. Wave transmission over 
submerged, smooth and impermeable breakwaters on a gentle and shallow 
foreshore. In: Proc. 9th PIANC-COPEDEC, pp. 897-905, Rio de Janeiro, BRAZIL. 
[8] Van der Meer, J.W., Daemen, I.F.R., 1994. Stability and wave transmission at low 
crested rubble mound structures. Journal of Waterway, Port Coastal and Ocean 
Engineering, 1, 1-19. 
[9] Van der Meer, J. W., Briganti, R., Zanuttigh, B. and Wang, B., 2005. Wave 
transmission and reflection at low-crested structures: Design formulae, oblique 
wave attack and spectral change. Coastal Engineering, 52, 915 - 929. 
[10] Zelt, J.A. and Skjelbreia, J.E., 1992. Estimating incident and reflected wave fields 
using an arbitrary number of wave gauges. Proc. 23rd Int. Conf. Coastal Eng., ASCE, 
pp. 777-789.