Thiết kế chức năng cho công trình giảm sóng, gây bồi để trồng rừng ngập mặn ở đồng bằng sông Cửu Long

Bài viết Thiết kế chức năng cho công trình giảm sóng, gây bồi để trồng rừng ngập mặn ở đồng bằng sông Cửu Long phân tích quá trình tương tác sóng - công trình phản ánh qua sự cân bằng về năng lượng sóng truyền qua công trình để từ đó rút ra những gợi ý trong thiết kế chức năng đối với ĐGS cần thiết cho việc hỗ trợ trồng rừng ngập mặn.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 THIẾT KẾ CHỨC NĂNG CHO CƠNG TRÌNH GIẢM SÓNG, GÂY BỒI ĐỂ TRỒNG RỪNG NGẬP MẶN Ở ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG Thiều Quang Tuấn Khoa Cơng trình - Trường Đại học Thủy lợi, email: tuan.T.Q@tlu.edu.vn MỞ ĐẦU Cơng trình đê giảm sóng gây bồi (ĐGS) bãi trước rừng với mong muốn hỗ trợ cho việc trồng rừng, mặt phải có kết cấu rỗng phù hợp mặt khác lại cần có khả hấp thụ lượng sóng hiệu quả, qua giảm sóng phản xạ đồng thời thúc đẩy q trình trao đổi bùn cát hạt mịn qua cơng trình Hiện vùng biển ĐBSCL áp dụng thử nghiệm số giải pháp ĐGS dạng kết cấu rỗng bố trí song song với bờ nhằm giảm sóng, gây bồi tạo bãi Nhìn chung giải pháp có hiệu giảm sóng gây bồi tốt Tuy nhiên với mục đích hỗ trợ trồng rừng giải pháp chưa đem lại hiệu quả, chí đơi cịn gây bất lợi cho sinh trưởng rừng Trong nỗ lực nghiên cứu tìm kiếm giải pháp ĐGS phù hợp, báo phân tích q trình tương tác sóng - cơng trình phản ánh qua cân lượng sóng truyền qua cơng trình để từ rút gợi ý thiết kế chức ĐGS cần thiết cho việc hỗ trợ trồng rừng ngập mặn YÊU CẦU GIẢM SÓNG Trước tiên bắt đầu với yêu cầu giảm sóng (YCGS) cơng trình dạng Các tham số hình học kết cấu cơng trình ĐGS (chiều cao, bề rộng, độ rỗng,…) thường xác định theo yêu cầu chức giảm sóng, tức chiều cao sóng truyền phía sau đê khống chế mức độ phù hợp cho sinh trưởng non trồng bãi rừng phía sau: H s ,t  [ H s ] (1) Trong Hs,t - chiều cao sóng truyền phía sau đê, [Hs] (= 0.30m - 0.40m) chiều cao sóng cho phép khơng gây hại tới non Hình Hiệu gây bồi ĐGS cọc bê tông ly tâm đá đổ Lưu ý YCGS theo CT (1) đơn giản bao hàm vấn đề khác trao đổi môi trường cần thiết cho sinh trưởng trao đổi bùn dưỡng chất (vào, ra) qua cơng trình, lượng sóng tối thiểu để trì vận chuyển nồng độ bùn lơ lửng (SSC) qua khoảng cách định phía sau Thậm chí cơng trình với mức độ che chắn lớn dẫn tới Hs,t  0, thỏa mãn YCGS gây bồi nhanh lại ngăn cản trình trao đổi mơi trường gây hại cho sinh trưởng (ví dụ xem hình 1) Như thiết kế chức cơng trình ĐGS YCGS không chưa đủ TƯƠNG TÁC SĨNG - CƠNG TRÌNH Để phân tích sâu yêu cầu ĐGS, xem xét phương 183 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 trình cân lượng sóng truyền qua ĐGS bỏ qua ma sát đáy [1]: K R2  Kt2   D  (2) với Kt KR hệ số truyền sóng phản xạ tổng hợp trước đê, D hiệu suất tiêu hao hay hấp thu lượng sóng thân cơng trình (so với tổng lượng sóng tới) Từ PT (2) thấy đạt YCGS (Kt) tùy vào đặc điểm kết cấu (rỗng hay xốp rỗng) hình học (rộng, cao) ĐGS mà tính chất tương tác sóng-cơng trình kéo theo chế độ thủy động lực sóng phản ánh qua tương quan tham số Kt, KR D khác Với dạng ĐGS kết cấu thân rỗng (hollow structures), đê trụ rỗng hay đê thành mỏng BUDSACO, D nhỏ dạng cơng trình làm việc theo ngun lý che chắn sóng, khơng cho phép sóng qua nên khơng có khả hấp thụ, tiêu hao lượng sóng mà phần lớn lượng sóng phản xạ lại phía biển (tức KR lớn) Dạng kết cấu có khả giảm sóng gây bồi hiệu khơng thực phù hợp cho mục đích trồng tái sinh rừng lý nêu Trái lại, với dạng ĐGS kết cấu thân xốp rỗng (porous structures), đê cọc bê tông ly tâm đá đổ hay đê cấu thành từ cấu kiện xếp rời rạc, có D lớn lượng sóng bị tiêu hao nhiều môi trường xốp rỗng thân đê kéo theo KR nhỏ Hình thể kết phân tích tương quan đại lượng Kt, KR D PT (2) với chiều cao lưu không tương đối đặc trưng đỉnh đê  cho đê kết cấu thân xốp rỗng rào tre giảm sóng (hình 2), đê cọc bê tông ly tâm đá đổ (LT) đê kết cấu khối xếp rời rạc CASTLE (XE) (hình 3) Đây kết từ số liệu thí nghiệm trường thực với rào tre Bạc Liêu Sóc Trăng giai đoạn 2012 2017 (xem [1]) mơ hình vật lý máng sóng khuôn khổ đề tài WIWAT (với LT XE, xem [2]) Độ rỗng khối (tính theo tỷ lệ thể tích) rào tre n = 0.50 cho rào GIZ n = 0.70 cho rào WIP Với ĐGS kết cấu cứng n = 0.40 cho đê cọc ly tâm đá đổ n = 0.62 cho đê khối xếp CASTLE Hình Cân lượng truyền sóng qua rào tre: WIP - rào Viện ST, GIZ - rào GIZ [1] Hình Cân lượng truyền sóng qua ĐGS: LT - đê cọc ly tâm đá đổ, XE - đê khối xếp rời rạc CASTLE [2] Có thể thấy độ rỗng thân đê có ảnh hưởng quan trọng đến q trình tương tác sóng - cơng trình cân lượng sóng truyền qua đê Đây tham số cần xét tới thiết kế loại cơng trình ĐGS Thân đê xốp rỗng với độ rỗng n nhỏ làm tăng hiệu hấp thụ lượng sóng D, tăng KR giảm Kt (so sánh hai 184 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 loại rào GIZ WIP hình hai loại ĐGS LT XE hình 3) Tuy nhiên, n nhỏ làm sóng phản xạ trở nên lớn (KR2 > 0.50 hay KR > 0.70), tượng sóng đứng trước cơng trình xuất (một phần toàn phần) làm giảm khả trao đổi bùn qua ĐGS Do độ rỗng thân đê nhỏ gây bất lợi trao đổi môi trường bùn cát trải nghiệm thực tiễn với đê cọc ly tâm đá đổ (n  0.40) Mặt khác n lớn làm giảm hiệu giảm sóng ĐGS (Kt lớn), làm tăng kích thước cơng trình kéo theo tăng chi phí đầu tư muốn đáp ứng YCSGS Việc lựa chọn độ rỗng tối ưu, đáp ứng YCGS lẫn vấn đề trao đổi môi trường cho trồng cây, cần vào đặc điểm hình học kết cấu cụ thể loại ĐGS để lựa chọn Từ kết điều tra trường thí nghiệm ([1], [2]) giá trị độ rỗng n = 0.5 - 0.60 phù hợp cho thiết kế ĐGS dạng Trong trường hợp buộc phải sử dụng kết cấu đê có độ rỗng nhỏ thấm cải thiện chế độ thủy động lực sóng qua cơng trình cách hạ thấp đỉnh ĐGS Với đê đỉnh thấp đê ngầm nhìn chung KR D giảm cịn Kt tăng (hình 2,  < 0) Để đảm bảo YCGS cần tăng bề rộng ĐGS, tất nhiên làm tăng chi phí xây dựng VAI TRỊ CỦA SĨNG DÀI Các q trình sóng vỡ xảy mạnh mẽ bãi thoải nơng trước rừng, sóng dài hay sóng dải tần số ngoại trọng lực (infra-gravity) chiếm tỷ trọng đáng kể tổng lượng sóng tới trước ĐGS (có thể lên tới 20-30%) Sau truyền qua ĐGS phần lớn lượng sóng ngắn bị tiêu hao, lại chủ yếu lượng sóng dài (hình 4) chiếm tới 50-70% Về mặt lý thuyết sóng dài động lực việc vận chuyển bùn cát hạt mịn theo sóng [1], xem thiết yếu vấn đề trao đổi bùn qua ĐGS tiềm lắng đọng bùn bãi rừng phía sau Các số liệu khảo sát trường đánh giá phịng thí nghiệm [1, 2] cho thấy sóng dài phía sau ĐGS chịu ảnh hưởng chủ yếu độ rỗng n cơng trình (hình 2) Để đảm bảo khả trao đổi bùn qua ĐGS gây bồi bùn hiệu bãi sau, tốt nên trì chiều cao sóng dài phía sau ĐGS vào khoảng 10 - 20 cm hệ số truyền sóng Kt sóng dài vào khoảng 0.50 - 0.60 Hình Biến đổi phổ sóng qua rào tre [1] KẾT LUẬN Bên cạnh YCGS theo CT (1), lưu ý sau thiết kế ĐGS cần thiết cho việc hỗ trợ trồng rừng rút ra: - Kết cấu ĐGS nên có cấu tạo thân xốp rỗng thay thân rỗng - Độ rỗng khối thân đê xốp rỗng tham số thiết kế quan trọng cần phải đủ lớn Sơ lựa chọn vào khoảng n = 0.50 0.60 Nếu thân đê có độ rỗng nhỏ (n  0.40) nên sử dụng dạng đê đỉnh thấp đê ngầm - Giảm thiểu sóng phản xạ trước đê, khuyến nghị hệ số phản xạ KR