Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

NGHIÊN CỨU DÒNG PHẢN HỒI
TRƯỚC CHÂN ĐÊ BIỂN BẰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ
Nguyễn Thị Phương Thảo
Khoa Kĩ thuật biển - Trường Đại học Thủy lợi, email:

GIỚI THIỆU CHUNG

Dòng phản hồi (undertow) được hiểu là
dịng chảy vng góc với bờ hướng ra phía
biển ở dưới chân sóng. Chính dịng phản hồi
này là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện của
các bar ngầm ở bãi trước và xói chân cơng
trình như đê kè, đặc biệt là trong thời kỳ bão
mực nước dâng cao, sóng lớn.
Dịng phản hồi được tạo ra do sự chênh
lệch cục bộ giữa ứng suất bức xạ gây ra bởi
sóng và gradient áp suất tạo ra độ dốc bề mặt
nước (Svendsen I. , 1984) hoặc do sự mất cân
bằng lực giữa thơng lượng động lượng sóng
và nước dềnh do sóng (Stive, 1986). Sự mất
cân bằng lực này trở nên quan trọng ở vùng
sóng vỡ và nó gây ra lực tạo thành hoàn lưu
theo phương thẳng đứng. Các mơ hình mơ
phỏng dịng phản hồi dựa trên các phương
trình cơ bản mơ phỏng các phần tử nước
trong vùng sóng vỡ được thực hiện bởi
(Svendsen I.A, 1984), (Svendsen I A and J.
Buhr Hansen, 1988), (Stive M.J.F and Wind
H.G, 1986), (Okayasu, 1989) (Dano J.A.R

and Stive M., 1989), (H.J.Steetzel, 1993),
(Yoshiaki, 2000), (Grasmeijer & B.G, 2003),
(Nam, 2013)… Các mơ hình này cũng chỉ ra
rằng việc tính tốn cuộn sóng vỡ (roller) cũng
đóng góp phần quan trọng trong tính tốn cân
bằng thơng lượng động lượng tổng cộng ở
phía trên mực nước chân sóng, làm cho kết
quả tính tốn dịng phản hồi phù hợp hơn với
số liệu đo đạc. Sự khác biệt giữa các mô hình
này là mơ hình hóa dịng phản hồi với kỹ
thuật mơ hình hóa để tính tốn các khía cạnh
của q trình vật lý khi giải các phương trình
như các giả thiết, lựa chọn điều kiện biên,
đặc trưng độ nhớt, xử lý lớp biên dưới đáy,

loại lý thuyết sóng (Guannel, 2014). Hầu hết
các mơ hình này đều được kiểm nghiệm bằng
số liệu thực hiện trong phịng thí nghiệm, bởi
việc đo đạc hiện trường khá khó khăn.
Vấn đề tương tác giữa sóng và cơng trình
đê biển có ảnh hưởng như thế nào đến dòng
phản hồi còn chưa được xem xét kỹ lưỡng
trong các mơ hình hiện có. Các thí nghiệm
nghiên cứu dịng phản hồi đã thực hiện mới
chỉ xem xét ứng mái đê biển ứng với trường
hợp khơng có sóng tràn và đặc biệt chưa có
nghiên cứu nào thực hiện nghiên cứu ảnh
hưởng của kết cấu đê biển có tường đỉnh và
sóng tràn. Chính vì thế bài viết này sẽ trình
bày ảnh hưởng của sự tương tác giữa sóng

với kết cấu cơng trình đê biển đến dịng phản
hồi trong trường hợp có sóng tràn, dựa trên
mơ hình vật lý trên máng sóng.
THIẾT KẾ MƠ HÌNH

Việc lựa chọn tỷ lệ mơ hình dựa trên sự
phân tích về điều kiện nguyên mẫu về đặc
điểm địa hình, thủy động lực học, đặc điểm
hệ thống đê điều ở vùng ven biển phía bắc
Việt Nam (Viện KH Thủy lợi VN, 2012)
(Thao NTP, 2019) và sự đáp ứng của điều
kiện trang thiết bị thí nghiệm máng sóng Hà
Lan tại trường đại học Thủy lợi. Tỉ lệ mơ
hình theo chiều dài và thời gian được chọn
như sau: NL = 10, NT = 3.16.
Mơ hình lịng cứng nghiên cứu dịng phản
hồi được thiết kế bố trí như (hình 1). Trong
đó bãi trước đê có độ dốc 1:40, mơ hình đê
có mái đê m = 3 được thiết kế cho 3 kịch bản
kết cấu đê gồm trường hợp đê thấp có tràn có
tường đỉnh (1) với chiều cao đê là 80cm,
tường đỉnh 10cm, bề rộng đỉnh đê là 40cm;
trường hợp đê có tràn khơng tường đỉnh (2)

549


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

có chiều cao đê là 90cm và trường hợp đê cao

khơng tràn (3). Với trường hợp có sóng tràn,
phía trong đỉnh đê có bố trí máng thu nước để

đo lượng nước tràn, đồng thời cũng có máy
bơm bổ sung nước ở để đảm bảo mực nước
ổn định tốt nhất trong thời gian mơ phỏng.

Hình 1. Thiết lập mơ hình thí nghiệm
Các đầu đo được bố trí trong thí nghiệm
như sau:
- 6 đầu đo sóng (WG): gồm 4 đầu đo dao
động mặt nước MHM cách chân đê khoảng
một lần chiều dài sóng, 1 đầu đo giữa bãi và
một đầu đo gần máy tạo sóng. Khi đo đạc
dịng chảy tại các vị trí khác nhau cũng đồng
thời đo sóng tại các vị trí đó.
- Đầu đo dịng chảy (CG): 9 vị trí trước
chân đê được định sẵn để đo dịng chảy, mỗi
vị trí đó lại được đo ở 5 đến 10 điểm cao độ
khác nhau để xét sự phân bố dòng chảy theo
phương thẳng đứng.
- Đo lượng nước tràn qua đê: Nước tràn
qua đê được thu vào thùng chứa để đo thể
tích trong q trình thực hiện thí nghiệm
Kịch bản thí nghiệm được thực hiện ứng
với mỗi mơ hình đê sẽ bao gồm 2 điều kiện về
mực nước và 2 đặc trưng sóng khác nhau như
bảng 1. Tổng cộng có 12 kịch bản thí nghiệm
được thực hiện. Mỗi kịch bản sẽ đo đặc trưng
sóng, phân bố dịng chảy và lượng nước tràn.


KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Dòng phản hồi được xác định là dịng chảy
trung bình theo thời gian nên thời lượng mô
phỏng trong các kịch bản được lựa chọn theo
sự kiểm nghiệm thực tế mô phỏng trên máng
sao cho kết quả tính dịng phản hồi ổn định.
Sau khi kiểm nghiệm, thời gian mô phỏng
cho các kịch bản được chọn bằng 350*TP.
Kết quả thí nghiệm đo đạc phân bố dịng
phản hồi trên mặt cắt với các kịch bản độ sâu
nước d = 65cm, H = 0.15m, T = 1.9s tương
ứng với 3 kịch bản kết cấu của đê gồm đê cao
không tràn, đê thấp có tràn khơng tường đỉnh
và có tường đỉnh được trình bày trên (hình 2).

Bảng 1. Kịch bản thí nghiệm

Do mỗi lần tạo sóng để đo dịng chảy chỉ
đo được tại một điểm nhất định, nên thì mỗi
kịch bản mực nước và sóng sẽ phải nhắc lại
khoảng 75 lần để có được phân bố dịng phản
hồi trên mặt cắt trước đê.
550

Hình 2. Kết quả đo đạc dịng phản hồi ứng
với kịch bản d=0.65m, H=0.15m, TP=1.9s



Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

Độ lớn của dòng phản hồi ở cả ba kịch bản
đều lớn hơn ở vị trí cách chân đê từ 0.5m đến
1.5m (biến đổi từ 3.5-5cm/s), giảm dần về cả
phía đê và phía biển. Nhìn chung trường hợp
đê cao cho giá trị dòng phản hồi lớn hơn so với
đê thấp. Kịch bản có tường đỉnh cho giá trị nhỏ
nhất so với hai kịch bản kia, đặc biệt tại vị trí
chân đê của kịch bản đê thấp cịn có xuất hiện
dòng hướng ngược lại với dòng phản hồi ở lớp
sát đáy. Do ảnh hưởng của tường đỉnh, sóng bị
phản xạ trở lại nhiều hơn, làm cho dòng chảy
đến bờ do sóng bị chậm lại tạo ra dịng phản
hồi nhỏ hơn. Tuy nhiên khi vực này lại bị tạo
ra rất nhiều chuyển động rối do sự tương tác
giữa sóng đến và sóng phản xạ. (Hình 3) trình
bày kết quả tổng hợp sự biến đổi của dòng
phản hồi tương ứng với 12 kịch tại các vị trí
dọc theo mặt cắt ngang đê. Kết quả cho thấy
biên độ dao động của dòng phản hồi lớn hơn ở
khu vực cách chân đê từ 0.25m ÷2.0m. Đặc
biệt là kịch bản kết cấu tường đỉnh, biên độ dao
động của dòng phản hồi lớn nhất ở vị trí cách
chân đê 0.5 ÷ 1.0m. Điều này có nghĩa là sự
tương tác giữa sóng với các loại kết cấu đê, đặc
biệt là kết cầu tường đỉnh có ảnh hưởng rõ rệt

đến biên độ dao động về độ lớn của dịng phản
hồi ở phía trước chân đê biển.

KẾT LUẬN

Từ những kết quả nghiên cứu trên thí
nghiệm máng sóng có thể đưa ra một vài kết
luận chính như sau:
+ Dịng phản hồi là kết quả của sự tương
tác giữa sóng với kết cấu cơng trình đê tương
ứng với điều kiện mực nước khác nhau. Độ
lớn dòng phản hồi lớn nhất cách chân đê
khoảng 0.5 -1m đối với đê có tường đỉnh, 11.5m đối với đê có tràn khơng tường đỉnh và
1-2m đối với đê khơng tràn.
+ Sự tương tác giữa sóng đến và sóng phản
xạ làm cho biên độ giao động dòng phản hồi
ở các kịch bản mực nước khác nhau lớn hơn
so với các kết cấu đê khác.
+ Việc đo đạc dịng phản hồi ngồi thực tế
hiện trường vơ cùng khó khăn nên kết quả thực
hiện thí nghiệm trong máng sóng là giải pháp
hữu hiệu cho thấy sự phân bố, cấu trúc dòng
phản hồi ứng với các điều kiện khác nhau.

Hình 3. Kết quả tổng hợp của dịng phản hồi ứng với kết cấu đê khác khác
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Dano J.A.R and Stive M. (1989). Bargenerating cross-shore flow mechanisms on
a beach. Journal of Geophysical Research
Atmospheres, 94(C4):4785-4800.
[2] Svendsen, I. (1984). Mass flux and
undertow in a surf zone. Coastal
Engineering, 8, 347-365.


[3] Grasmeijer, B., & B.G, R. (2003). Modeling
of waves and currents in the nearshore
parametric vs. probabilistic approach. Coastal
engineering 49, 49 P(185–207), 185-207.
[4] Nam, P. T. (2013). Modelling undertow due to
random waves. Coastal dynamics, 1655-1666.
[5] Stive M.J.F and Wind H.G. (1986). Crossshore mean flow in the surf zone. Coastal
engineering 10, 325-340.

551