Lvts-2015 - Nghiên Cứu Ổn Định Đê Biển Huyện Hải Hậu, Tỉnh Nam Định Trong Bối Cảnh Biến Đổi Khí Hậu.pdf

-

Nguyễn Mạnh Hiếu

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU, TỈNH NAM ĐỊNH TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

-

Nguyễn Mạnh Hiếu

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU, TỈNH NAM ĐỊNH TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội trong thời gian từ tháng 9 năm 2013 đến tháng 5 năm 2015

Tác giả xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS Đỗ Minh Đức là người trực tiếp hướng dẫn tác giả từ khi làm Khóa luận tốt nghiệp Đại học đến nay vì sự tận tình, định hướng và tạo điều kiện cho tác giả được tham gia nhiều đề tài nghiên cứu khoa học, các khoá đào tạo trong và ngoài nước

Tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm Khoa Địa chất đã tạo điều kiện về trang thiết bị thí nghiệm và cơ sở vật chất để tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả chân thành cảm ơn GS Nobuo Mimura và GS Kazuya Yasuhara đến

từ trường Đại học Ibaraki là những người chủ trì, điều hành Chương trình “Quan trắc tích hợp phục vụ chiến lược thích nghi cho bờ biển Việt Nam” đã tạo điều kiện

cho tác giả được tham gia vào Chương trình và tiếp cận nguồn tài liệu sử dụng trong luận văn này

Tác giả chân thành cảm ơn TS Dương Thị Toan đã có những góp ý về mặt chuyên môn, CN Đinh Thị Quỳnh đã góp ý về mặt hình thức để luận văn hoàn thành được tốt hơn

Sau cùng, tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình đã luôn theo sát và cổ vũ tinh thần để tác giả vượt qua mọi khó khăn trong suốt thời gian qua

Hà Nội, ngày 9 tháng 6 năm 2015

Nguyễn Mạnh Hiếu

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của nghiên cứu 1

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2

3 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ BIỂN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.1 Nghiên cứu ổn định của đê biển trên Thế giới 3

1.2 Các giải pháp bảo vệ đê biển trên thế giới 5

1.2.1 Các giải pháp bảo vệ mái đê phía biển 5

1.2.2 Các giải pháp bảo vệ mái đê phía đồng 7

1.2.3 Các giải pháp bảo vệ bãi phía trước đê 8

1.3 Nghiên cứu ổn định của đê biển tại Việt Nam 11

1.4 Phương pháp nghiên cứu 16

1.4.1 Các phương pháp khảo sát thực địa 16

1.4.2 Các phương pháp thí nghiệm trong phòng 21

1.4.3 Các phương pháp phân tích tính toán 22

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ - XÃ HỘI HUYỆN HẢI HẬU 28

2.1 Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu 28

2.2 Khí hậu 29

2.3 Thủy - Hải văn 29

2.4 Địa hình - Địa mạo 30

2.5 Đặc điểm địa chất khu vực ven biển tỉnh Nam Định 31

2.5.1 Thống Pleistocen 31

2.5.2 Thống Holocen 33

2.5.3 Đặc điểm địa kỹ thuật trầm tích Holocen phần đất liền huyện Hải Hậu 352.5.4 Đặc điểm địa chất công trình đất đắp đê biển huyện Hải Hậu 41

2.6 Dân cư 41

2.7 Kinh tế 42

2.8 Biến đổi khí hậu và kịch bản nước biển dâng 43

2.8.1 Các dấu hiệu biến đổi khí hậu ở Việt Nam 43

2.8.2 Các kịch bản nước biển dâng 44

CHƯƠNG 3 LỊCH SỬ VÀ HIỆN TRẠNG ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU 45

3.1 Lịch sử xói lở và biến động đường bờ huyện Hải Hậu 45

3.2 Lịch sử xây dựng đê biển huyện Hải Hậu qua các thời kỳ 47

3.3 Hiện trạng tuyến đê biển huyện Hải Hậu 49

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 52

4.1 Phân tích số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê 52

4.2 Phân tích ổn định trượt của mái đê 55

4.2.1 Các điều kiện biên sử dụng tính toán 55

4.2.2 Phân tích ổn định trượt của đê thời điểm hiện tại (năm 2014) 56

4.2.3 Ảnh hưởng của thủy triều đến ổn định trượt của đê 57

4.2.4 Dự báo ổn định trượt của đê theo các kịch bản nước biển dâng 59

4.2.5 Phân tích ổn định trượt của đê trong trường hợp mưa lớn kéo dài 61

4.3.2 Xói lở hạ thấp mặt bãi 63

4.4 Ảnh hưởng của bão đến ổn định đê biển 64

4.4.1 Ảnh hưởng của bão đến xói lở bờ 64

4.4.2 Ảnh hưởng của sóng tràn trong bão đến xói mòn mái đê phía đồng 65

CHƯƠNG 5 CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 69

5.1 Ứng dụng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp 70

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cơ chế phá hủy đê do sóng tràn (theo K W Pilarczyk, 2001) 4

Hình 1.2 Mái đê phía biển được bảo vệ bởi đá lát khan tại Hà Lan [59] 5

Hình 1.3 Bê tông tự chèn bảo vệ mái đê phía biển ở Anh [61] 5

Hình 1.4 Bảo vệ mái đê phía biển bằng nhựa Asphalt kết hợp đá đổ ở Hà Lan [56] 6 Hình 1.5 Mái đê phía biển được trồng cỏ tại Hà Lan [54] 6

Hình 1.6 Giải pháp trồng cỏ trong các ô lưới địa kỹ thuật tổng hợp [60] 7

Hình 1.7 Bể bê tông trên mái đê bẫy sóng tràn 7

Hình 1.8 Bể tiêu năng trên đỉnh đê 8

Hình 1.9 Geotube được sử dụng bảo vệ bờ biển tại Ấn Độ [53] 8

Hình 1.10 Kè mỏ hàn được sử dụng ở Mỹ [58] 9

Hình 1.11 Mô hình đê phá sóng ngầm bảo vệ bờ biển 9

Hình 1.12 Rừng ngập mặn bảo vệ bãi [57] 10

Hình 1.13 Giải pháp nuôi bãi chống xói lở [55] 10

Hình 1.14 Các loại hình mất ổn định đê biển ở Việt Nam 11

Hình 1.15 Sóng tràn gây vỡ đê biển ở Nam Định [3] 12

Hình 1.16 Khoan khảo sát 17

Hình 1.17 Lấy mẫu thủ công hiện trường 17

Hình 1.18 Khảo sát địa hình bãi 18

Hình 1.19 Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer) 18

Hình 1.20 Thiết kế của một lỗ khoan lắp đặt piezometer 19

Hình 1.21 Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê xã Hải Hòa 20

Hình 1.22 Lắp đặt và vận hành hệ thống quan trắc 20

Hình 1.24 Thiết bị và kết quả nghiên cứu tương quan giữa vận tốc dòng chảy với xói

lở [22] 27

Hình 2.1 Vị trí địa lý của huyện Hải Hậu 28

Hình 2.2 Thống kê các trận bão đổ bộ vào bờ biển Việt Nam (1961-2014) 43

Hình 2.3 Các kịch bản biển dâng theo báo cáo lần thứ năm của IPCC [34] 44

Hình 3.1 Vị trí đường bờ huyện Hải Hậu qua các năm [28] 46

Hình 3.2 Xói lở hạ thấp mặt bãi tại Thịnh Long 46

Hình 3.3 Các tuyến đê bị phá hủy trong bão số 7 năm 2005 48

Hình 3.4 Nguy cơ mất ổn định cục bộ mái đê biển tại Hải Hậu 49

Hình 3.5 Nguy cơ mất ổn định trượt mái đê phía đồng 49

Hình 3.6 Đê biển Hải Hậu theo thiết kế của PAM 50

Hình 3.7 Kè mỏ hàn chữ T được cấu tạo từ các khối tripod 51

Hình 3.8 Trồng rừng ngập mặn chống xói lở tại xã Hải Đông 51

Hình 4.1 Tương quan giữa mực thủy triều và áp lực nước lỗ rỗng 53

Hình 4.2 Tương quan giữa áp lực nước lỗ rỗng với mực thủy triều và lượng mưa năm 2014 54

Hình 4.3 Mặt cắt địa chất đê sử dụng tính ổn định trượt 55

Hình 4.4 Số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng tương ứng mực triều +1,98m 56

Hình 4.5 Kết quả theo số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 56

Hình 4.6 Kết quả theo phân tích bằng SEEP/W với mực triều +1,98 m 57

Hình 4.7 Điều kiện biên phân tích ảnh hưởng của mực thủy triều đến ổn định đê 58 Hình 4.8 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê khi mực thủy triều +1,98m 58

Hình 4.9 Thay đổi áp lực nước lỗ rỗng theo mực thủy triều trong ngày 59

Hình 4.10 Dự báo ổn định đê biển trong tương lai 60

Hình 4.11 Thay đổi hệ số ổn định của đê theo các kịch bản biển dâng 61

Hình 4.12 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê bão hòa nước 61

Hình 4.13 Hệ số ổn định của mái đê bão hòa nước 62

Hình 4.14 Dự báo tốc độ xói lở bãi theo các kịch bản nước biển dâng 63

Hình 4.15 Dự báo tốc độ hạ thấp mặt bãi tại Hải Hậu trong tương lai 64

Hình 4.16 Mặt cắt đê biển đại diện tại các xã huyện Hải Hậu 66

Hình 4.17 Tốc độ xói mái đê gây bởi sóng tràn trong bão 67

Hình 4.18 Dự báo tốc độ xói mái đê phía đồng theo kịch bản biển dâng tại Thịnh Long 68

Hình 5.1 Một số giải pháp chọn vật liệu địa phương đắp đê 70

Hình 5.2 Triển vọng sử dụng các loại rác thải tại địa phương 71

Hình 5.3 Kết cấu sử dụng kết hợp giải pháp gia cường và nâng cấp đê 71

Hình 5.4 Sử dụng vật liệu địa kỹ thuật kết hợp vật liệu địa phương đắp đê 72

Hình 5.5 Mô hình đê mềm Geotube 74

Hình 5.6 Giải pháp đa bảo vệ cho các đoạn bờ có mức độ xói lở khác nhau 75

Hình 5.7 Giải pháp rãnh thu nước kết hợp trồng cỏ 76

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn thực hiện 21

Bảng 1.2 Chiều cao sóng trong một số trận bão đổ bộ vào khu vực 26

Bảng 2.1 Tính chất cơ lý của trầm tích Holocen ở đới ven bờ tỉnh Nam Định [7] 40

Bảng 2.2 Tính chất cơ lý đất đắp đê biển Hải Hậu 41

Bảng 2.3 Diện tích, dân số và mật độ dân số các xã ven biển huyện Hải Hậu 42

Bảng 3.1 Tốc độ xói lở bờ biển Hải Hậu qua các thời kỳ 45

Bảng 4.1 Thông số địa kỹ thuật các lớp đất 56

Bảng 4.2 So sánh kết quả phân tích 57

Bảng 4.3 Tốc độ xói lở bờ tại khu vực Hải Hậu thời điểm hiện tại (2014) 62

Bảng 4.4 Tốc độ hạ thấp mặt bãi tại Hải Hậu thời điểm hiện tại (2014) 64

Bảng 4.5 Tốc độ xói lở do sóng trong bão 65

Bảng 4.6 Tốc độ xói mặt mái đê phía đồng gây bởi sóng tràn trong bão 67

Bảng 5.1 Các giải pháp mới gia cường đê biển [51] 69

Bảng 5.2 Các giải pháp chống xói lở kết hợp sử dụng vật liệu địa kỹ thuật [28] 72

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của nghiên cứu

Huyện Hải Hậu thuộc khu vực ven biển tỉnh Nam Định, đồng bằng Bắc Bộ Việt Nam Đây là vùng trọng điểm kinh tế của tỉnh, có mật độ dân cư cao Tỉnh Nam Định có 91,5 km đê biển, trong đó Hải Hậu chiếm 33,3 km và là nơi có tuyến đê xung yếu nhất Hiện tượng xói lở trong khu vực được ghi nhận từ đầu thế kỷ 20 (1905) Xói lở bờ biển đã gây ra những phá hủy nặng nề về cơ sở hạ tầng và thậm chí cả thiệt hại về người [28, 52] Trong tương lai gần, hiện tượng phá hủy hệ thống đê được dự báo sẽ xuất hiện hàng năm do sự hạn chế về nguồn kinh phí, thiếu hụt thông tin về thủy văn và các giải pháp thiết kế phù hợp [25]

Tại một số đoạn bờ đã được kiên cố hóa bằng hệ thống đê, hiện tượng xói theo phương ngang chuyển sang xói mòn theo phương thẳng đứng làm hạ thấp địa hình bãi biển, phá hủy chân đê Hiện tượng sóng tràn qua mặt đê trong bão cũng là một trong những nguyên nhân chính gây mất ổn định đê biển do mặt đê phía sau bị xói bởi sóng tràn Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, dưới ảnh hưởng của bão và dâng cao mực nước biển xói lở bờ biển trong khu vực đã trở nên nghiêm trọng hơn, đe dọa trực tiếp đến ổn định của hệ thống đê

Các kết quả nghiên cứu trước đây đã làm sáng tỏ được lịch sử và giải thích các nguyên nhân, cơ chế dẫn đến các quá trình xói lở và bồi tụ tại Hải Hậu Một số nghiên cứu đã phân tích các nguy cơ gây mất ổn định đê biển liên quan đến hiện tượng trượt mái đê, thấm qua thân đê, xói ngầm mới chỉ sử dụng các thông số hải văn như sóng và thủy triều chứ chưa dựa trên số liệu quan trắc thực tế áp lực nước lỗ rỗng

Với một số vấn đề còn tồn tại như trên tác giả đã quyết định chọn đề tài

nghiên cứu có tên “Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là phân tích ổn định của đê biển huyện Hải Hậu thời điểm hiện tại và dự báo mức độ mất ổn định của đê trong bối cảnh biến đổi khí hậu tính đến năm 2100 sử dụng số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê Bước đầu đề xuất giải pháp gia cường, bảo vệ đê sử dụng giải pháp truyền thống kết hợp giải pháp mới thân thiện môi trường

Để đạt được các mục tiêu này, các nội dung nghiên cứu bao gồm: Tổng quan các nghiên cứu ổn định đê biển trên Thế giới và Việt Nam Nghiên cứu đặc điểm địa chất - địa kỹ thuật, lịch sử và hiện trạng đê biển Hải Hậu Nghiên cứu những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sự mất ổn định của hệ thống đê biển Hải Hậu, cụ thể như sau: Xác định tốc độ lùi của đường bờ và hạ thấp mặt bãi gây bởi mực nước biển dâng và tốc độ xói lở bờ gây bởi sóng trong bão Xác định tốc độ xói mái đê phía đồng gây bởi sóng tràn Phân tích ổn định trượt của mái đê phía biển và phía đồng tại xã Hải Hòa sử dụng số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê

3 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn bao gồm các chương mục như sau:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phương pháp

nghiên cứu

Chương 2 Đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội huyện Hải Hậu Chương 3 Lịch sử và hiện trạng đê biển huyện Hải Hậu

đổi khí hậu

Chương 5 Các giải pháp gia cường ổn định hệ thống đê biển huyện Hải Hậu

ứng phó với biến đổi khí hậu

Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ BIỂN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1 Nghiên cứu ổn định của đê biển trên Thế giới

Nghiên cứu ổn định của đê biển có ý nghĩa to lớn trong bảo vệ đới bờ, vấn đề này đã được nhiều quốc gia quan tâm đặc biệt là các quốc gia phát triển như Hà Lan, Đức, Mỹ, Nhật Bản… Các vấn đề liên quan đến ổn định của hệ thống đê biển có thể kể đến bao gồm mất ổn định do sóng tràn, mất ổn định do xói lở bãi phía trước đê hay mất ổn định do sóng trong bão Đặc biệt trong thời gian gần đây vấn đề mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu đã đe dọa nghiêm trọng đến ổn định hệ thống đê của các khu vực ven biển trên thế giới Đến nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu liên quan đến các vấn đề nêu trên, tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này tác giả chỉ tổng quan một số các nghiên cứu điển hình được áp dụng phổ biến trên thế giới

De Waal và Van der Meer (1992) đã nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn không thấm Trong đó lưu lượng sóng tràn trung bình được quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lưu không đỉnh đê Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu này vẫn còn nhiều hạn chế như không xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái đê, ảnh hưởng của cơ đê và nhất là tính sóng tràn thông qua sóng leo [26] Van der Meer and Janssen (1995) đã nghiên cứu bổ sung và làm hạn chế các thiếu hụt trước đó bằng cách tính toán trực tiếp sóng tràn thông qua độ lưu không tương đối Sóng tràn còn phụ thuộc vào tính chất tương tác sóng với công trình thể hiện qua các sóng vỡ và sóng không vỡ Trong nghiên cứu này đã xây dựng được công thức tính toán sóng tràn có thể áp dụng cho đê có cơ ở phía biển và xem xét độ nhám của mái đê [8]

K.W.Pilarczyk (2001) đã nghiên cứu đưa ra cơ chế phá huỷ đê khi sóng tràn qua việc mô tả tác động của sóng tràn với mặt cắt đê biển (hình 1.1) Mái đê phía biển chịu trực tiếp tải trọng của sóng tác dụng Thân đê có thể bị phá hỏng ở phía

hoặc trượt tổng thể cả mái Như vậy khi sóng tràn, cả mái trong đồng và mái ngoài biển đều có thể bị phá hủy [38]

Hình 1.1 Cơ chế phá hủy đê do sóng tràn (theo K W Pilarczyk, 2001)

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, hàng năm bão ngày càng gia tăng cả về số lượng và độ mạnh Như là hệ quả, tốc độ xói lở mạnh mẽ có thể diễn ra dọc các đới ven bờ trong tương lai Kriebel và Dean (1993) đã nghiên cứu và đưa ra công thức dự báo tốc độ xói lở bờ biển gây bởi sóng trong bão [37]

Bên cạnh cơ chế phá hủy đê do sóng tràn, xói lở bờ biển là một nguyên nhân ảnh hưởng đến ổn định lâu dài của đê biển Mực nước biển dâng cao đã làm cường hóa xói lở bờ biển Để dự báo sự gia tăng mức độ xói lở do dâng cao mực nước biển, Bruun (1962) đã đưa ra quan hệ giữa mức độ gia tăng xói lở và lượng dâng cao mực nước [23]

Tại các đoạn bờ có đê, biển sẽ không tiếp tục lấn sâu vào đất liền và xói theo phương ngang chuyển sang xói theo phương thẳng đứng, làm hạ thấp địa hình bãi biển ở chân đê Xói lở làm hạ thấp địa hình bãi, phá huỷ chân khay đê biển đã được ghi nhận bằng các mô hình vật lý ở trong phòng thí nghiệm bởi Barnett và Wang (1988) Hiện tượng này được xác định chủ yếu là do sự hình thành các dòng chảy rối do sóng tương tác với đê biển gây ra Ngoài ra, sóng phản xạ từ đê cũng góp phần cường hoá hiện tượng này [20]

1.2 Các giải pháp bảo vệ đê biển trên thế giới

1.2.1 Các giải pháp bảo vệ mái đê phía biển

a) Đá lát khan, mảng bê tông, cấu kiện bê tông lắp ghép tự chèn

Hiện nay, giải pháp đá lát khan, mảng bê tông và cấu kiện bê tông lắp ghép tự chèn vẫn là lựa chọn phổ biến nhất để bảo vệ mái đê phía biển trên thế giới (hình 1.2) Cấu kiện bê tông tự chèn là dùng các cấu kiện bê tông có kích thước và trọng lượng đủ lớn đặt liên kết tạo thành mảng bảo vệ chống xói cho mái phía biển do tác động của sóng và dòng chảy (hình 1.3) Để gia tăng ổn định và giảm thiểu kích thước cấu kiện người ta không ngừng nghiên cứu cải tiến hình dạng cấu kiện và liên kết giữa các cấu kiện theo hình thức tự chèn [5]

Hình 1.2 Mái đê phía biển được bảo vệ bởi đá lát khan tại Hà Lan [59]

b) Gia cố mái đê bằng nhựa đường (Bituminous Revetment)

Vật liệu này thường dùng kết hợp với vật liệu khác để gia cường như nhựa đường - đá xếp, nhựa đường - bê tông khối, bê tông Asphalt được ứng dụng trong xây dựng công trình thủy lợi, đê biển của nhiều nước tiên tiến như Nauy, Hà Lan, Mĩ và một số nước khác (hình 1.4)

Hình 1.4 Bảo vệ mái đê phía biển bằng nhựa Asphalt kết hợp đá đổ ở Hà Lan [56]

d) Trồng cỏ bảo vệ

Trồng cỏ trên mái đê là một giải pháp rất thân thiện với môi trường và tạo cảnh quan đẹp Tuy nhiên giải pháp này chỉ có thể áp dụng tại những đoạn đê không chịu tác động trực tiếp của sóng biển, giải pháp này có thể làm giảm sự xói bề mặt của đê do tác động của mưa lớn

Hình 1.5 Mái đê phía biển được trồng cỏ tại Hà Lan [54]

1.2.2 Các giải pháp bảo vệ mái đê phía đồng

a) Trồng cỏ trên mái đê

Giải pháp trồng cỏ bảo vệ mái đê phía đồng được áp dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới Lớp cỏ này có thể được trồng trực tiếp trên mặt đê hoặc được trồng trong các ô chia bởi cấu kiện bê tông hay các ô làm từ vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp (geo-cell) (hình 1.6) Rễ cỏ có khả năng chống xói bề mặt do sóng tràn rất hiệu quả

Hình 1.6 Giải pháp trồng cỏ trong các ô lưới địa kỹ thuật tổng hợp [60]

c) Kết cấu thuỷ công giảm vận tốc xói do sóng tràn

Để làm giảm tác động của sóng tràn, bể bê tông chứa nước có thể được xây dựng trên mặt đê Các bể này được thiết kế có độ sâu đủ lớn để có thể lưu giữ lượng nước do sóng tràn gây ra (hình 1.7) Lượng nước này sau đó được xả ra mái phía đồng thông qua hệ ống thoát nước hoặc để chảy tràn nhưng trong trường hợp này năng lượng sóng tràn đã được giảm đáng kể khi đi qua các bể tiêu năng (hình 1.8) [4]

Hình 1.8 Bể tiêu năng trên đỉnh đê

1.2.3 Các giải pháp bảo vệ bãi phía trước đê

a) Công nghệ đê mềm geotube

Geotube (từ viết tắt của geotextile tube) là các túi vải địa kỹ thuật hình ống đƣợc bơm đầy cát bên trong, chúng có khả năng hoạt động nhƣ các đê mềm Trên thế giới hiện nay công nghệ Geotube đã đƣợc ứng dụng hiệu quả cho việc phục hồi bãi biển bị xói lở (hình 1.9)

Hình 1.9 Geotube đƣợc sử dụng bảo vệ bờ biển tại Ấn Độ [53]

Về cơ bản có ba kiểu công trình Geotube: 1- Geotube đặt nửa chìm, nửa lộ thiên vuông góc với bờ như kiểu mỏ hàn, nhằm hạn chế dòng ven bờ, tăng cường bồi tụ phù sa mà dòng chảy ven bờ mang theo, duy trì tại chỗ lượng phù sa theo cơ chế bồi tụ; 2- Geotube đặt ngầm và song song với bờ, có tác dụng làm giảm bớt năng lượng sóng lừng mạnh, nguy hiểm, tạo vùng sóng lừng nhỏ hơn, cho phép bùn cát lắng đọng trong vùng bị xói lở; 3- Geotube đặt sát chân và trực tiếp bảo vệ các đụn cát ven biển

b) Kè mỏ hàn

Kè mỏ hàn là một loại công trình được xây dựng nhằm bảo vệ bờ biển chúng có chức năng giảm lưu tốc dòng chảy, giảm vận chuyển bùn cát dọc bờ, tạo vùng nước tĩnh để giữ bùn cát bồi cho vùng bờ, bãi bị xói và có thể giảm lực xung kích của sóng tác dụng vào bờ

Hình 1.10 Kè mỏ hàn được sử dụng ở Mỹ [58]

c) Đê phá sóng ngầm từ xa

Đây là giải pháp hiệu quả được sử dụng nhằm triệt tiêu năng lượng sóng Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng năng lượng sóng có thể giảm từ 15 - 50% khi sử dụng các đê phá sóng ngầm này

d) Rừng ngập mặn

Rừng ngập mặn đóng vai trò rõ rệt trong việc giảm sóng Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chiều cao sóng giảm do rừng ngập mặn cao hơn từ 4 - 20 lần so với giảm sóng thuần túy bằng ma sát đáy Tuy nhiên rừng ngập mặn chỉ phát huy vai trò giảm sóng khi cây đã trưởng thành và chiều rộng rừng đủ rộng

Hình 1.12 Rừng ngập mặn bảo vệ bãi [57]

e) Nuôi bãi nhân tạo

Tại một số nước phát triển giải pháp nuôi bãi (beach nourishment) đối với các khu vực bờ bị xói lở mạnh cũng được áp dụng Phương pháp này thân thiện với môi trường tuy nhiên cần chi phí lớn và phải duy trì thường xuyên

1.3 Nghiên cứu ổn định của đê biển tại Việt Nam

Mai Văn Công và nnk (2009) đã chỉ ra các cơ chế phá hủy đê biển ở Việt Nam gồm các loại sau: Chảy tràn (overflow) do cao trình đỉnh đê thấp hơn mực nước biển, sóng tràn gây xói lở mái phía sau đê, sóng tràn gây mất ổn định trượt mái phía sau đê, xói lở gây hạ thấp mặt bãi phía biển đê dẫn đến phá hủy chân đê, mất ổn định trượt mái phía sau đê, mất ổn định trượt mái trước đê, mất ổn định cục bộ và xói ngầm do dòng thấm từ mái phía trước sang phía sau đê (piping) (hình 1.14) Trong các cơ chế phá hủy trên, sóng tràn gây phá hủy đê chiếm 45%; Xói lở hạ thấp mặt bãi phía trước đê và chân đê gây mất ổn định chiếm 28%; Phá hủy lớp bảo vệ mặt đê gây mất ổn định đê chiếm 22% Các cơ chế khác gây mất ổn định hệ thống đê như: xói ngầm, phá hủy nhỏ của mái và thân đê chiếm phần trăm nhỏ còn lại [25]

Hình 1.14 Các loại hình mất ổn định đê biển ở Việt Nam

Hình 1.15 Sóng tràn gây vỡ đê biển ở Nam Định [3]

Trong những năm qua, rất nhiều nghiên cứu đê biển đã được thực hiện như nghiên cứu công nghệ vật liệu xây dựng đê biển Nhiều thí nghiệm mô hình vật lý kết hợp với phân tích lý thuyết cho các kịch bản khác nhau, có điều kiện biên sát với thực tế của đê biển Việt Nam nhằm nghiên cứu sóng tràn đã được thực hiện Bên cạnh đó còn có các nghiên cứu mặt cắt đê biển và đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam và từ Quảng Ngãi đến Bà Rịa Vũng Tàu Hay các nghiên cứu về cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp khoa học công nghệ đảm bảo sự ổn định và độ bền của đê biển hiện có trong trường hợp sóng, triều cường tràn qua đê [18]

Hoàng Việt Hùng (2012) đã nghiên cứu cơ sở khoa học cho giải pháp neo xoắn tăng cường ổn định mảng gia cố hiện tại bảo vệ mái đê phía biển mà không cần bóc bỏ, thay thế bằng cấu kiện mới Trong nghiên cứu này tác giả đã chỉ ra giải pháp neo gia cố cho tấm lát mái là giải pháp mới, có tác dụng gia tăng ổn định và hạn chế chuyển vị, xô lệch của mảng gia cố mái đê phía biển dưới tác dụng của sóng Ngoài ra, tác giả cũng đề xuất sử dụng phụ gia CONSOLID để gia cường đất hàm lượng cát cao đắp vỏ bọc đê biển thay thế đất sét cũng là đề xuất khoa học công nghệ mới, có tính hiệu quả cao khi nguồn đất sét đắp vỏ bọc đê biển ngày càng

Nguyễn Văn Thìn (2014) đã nghiên cứu bản chất ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn và chứng minh được tính ưu việt của thềm trước thông qua việc đi sâu phân tích quá trình tương tác sóng - tường Xây dựng được công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho trường hợp sóng đều; Xây dựng được đường cong quan hệ tường minh giữa chiều cao sóng bắn với các tham số sóng và hình học tường; Xây dựng được một mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh có thềm trước hợp lý, hiệu quả, phù hợp với thực tiễn đê biển Bắc Bộ - Việt Nam [6]

Tại khu vực Hải Hậu có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề xói lở bờ và mất ổn định của hệ thống đê biển đã được thực hiện Sau đây là một số nghiên cứu đã được tác giả tổng hợp lại

a) Nghiên cứu dự báo, phòng chống sạt lở bờ biển Bắc Bộ từ Quảng Ninh tới Thanh Hóa, Trần Đức Thạnh và nnk (2000)

Mục tiêu của dự án là đánh giá hiện trạng, diễn biến, nguyên nhân và dự báo, cảnh báo xói lở bờ biển Bắc Bộ, trọng điểm là khu vực Cát Hải (Hải Phòng) và Hải Hậu (Nam Định) Trên cơ sở dó đề xuất các giải pháp phòng chống xói lở bờ tại hai khu vực trọng điểm này Các kết quả chính đạt được của nghiên cứu có thể tóm tắt lại như sau:

- Nguyên nhân gián tiếp gây xói lở bờ do quá trình tiến hóa tự nhiên của châu thổ Sông Hồng gây thiếu hụt cán cân bồi tích Trong đó sự suy tàn của cửa Hà Lạn (sông Sò) đã làm thiếu hụt nghiêm trọng lượng bồi tích cung cấp cho khu vực Hải Hậu

- Bên cạnh đó các nguyên nhân trực tiếp được xác định là hoạt động nhân sinh của con người như chặt phá rừng ngập mặn làm xói lở bãi triều, xây dựng các hệ thống đê kè, đập trên thượng nguồn hệ thống sông Hồng đã làm giảm một lượng lớn bồi tích cung cấp cho khu vực

Nghiên cứu đã đề xuất một số giải pháp phòng chống xói lở bờ khu vực Hải Hậu như quan trắc diễn biến xói lở để áp dụng hợp lý các giải pháp công trình, phi công trình Các tác giả đề xuất sử dụng kè mỏ hàn chữ T với mục đích nuôi bãi [16]

b) Biến động đường bờ khu vực châu thổ Sông Hồng, Pruszack và nnk (2002)

Nghiên cứu tập trung phân tích sự tiến hóa đường bờ khu vực Nam Định sử dụng mô hình UNIBEST Trong đó tập trung chủ yếu vào khu vực Hải Hậu nơi mà có sự biến động đường bờ mạnh mẽ nhất và dễ bị ảnh hưởng nhất Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng nguyên nhân gây ra xói lở bờ biển Hải Hậu đó là so sự biến đổi khí hậu và sự phức tạp của địa hình đã ảnh hưởng đến sự vận chuyển trầm tích các khu vực xung quanh Tuy nhiên, xói lở trong khu vực có thể được giảm bớt khi có các công trình thủy lợi bảo vệ bờ dọc theo bãi biển [42]

c) Xói lở bờ biển khu vực tập trung đông dân cư - Lấy ví dụ tỉnh Nam Định, đồng bằng châu thổ Sông Hồng, Việt Nam, Bas Wijdeven (2002)

Mục tiêu của nghiên cứu là xác định lịch sử biến động đường bờ Nam Định cũng như dự báo sự thay đổi của nó trong tương lai Nghiên cứu cũng đã mô phỏng lại đặc điểm đường bờ trong 100 năm qua và những tương tác của nó với công trình bảo vệ bờ Từ đó dự báo các vấn đề mất ổn định đê biển do xói lở và đề xuất các giải pháp phù hợp Mô hình vận chuyển trầm tích dọc bờ WATRON và UNIBEST đã được sử dụng kết hợp mô hình động biến đổi đường bờ (được phát triển bởi WL/Delft hydraulics) Một số kết quả đạt được như sau:

- Quá trình tiến hóa của cửa sông Hồng đã dẫn đến sự thay đổi có tính chu kỳ về cán cân bùn cát cung cấp cho khu vực

- Đập thủy điện Hòa Bình xây dựng trên sông Đà làm giảm 53% lượng bùn cát cung cấp cho hệ thống sông Hồng đây là nguyên nhân chính làm suy giảm lượng bùn cát cung cấp cho bờ biển [21]

d) Nghiên cứu sự hình thành và biến đổi quá trình bồi tụ và xói lở đới ven biển Thái Bình - Nam Định, Đỗ Minh Đức (2004)

Mục tiêu của luận án là làm sáng tỏ hiện trạng, cơ chế hình thành và dự báo sự biến đổi quá trình bồi tụ - xói lở ở đới ven bờ Thái Bình - Nam Định dưới ảnh hưởng của hoạt động nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh, trong đó chủ yếu là các tác động của sông, biển và hoạt động kinh tế - công trình Luận án đã đạt được các kết quả nghiên cứu như sau:

- Bồi tụ - xói lở ở Thái Bình - Nam Định là kết quả tương tác chủ yếu giữa đới ven biển với sông - biển, trong đó quá trình bồi tụ do hoạt động của sông chiếm ưu thế, còn xói lở do chịu tác động chính của biển được phân bố đan xen

- Hoạt động kinh tế - công trình ở đới ven bờ Thái Bình - Nam Định được đặc trưng bởi xây dựng đê lấn biển, trồng và khai thác rừng ngập mặn có ảnh hưởng cục bộ đến quá trình bồi tụ - xói lở

- Đới ven bờ Thái Bình - Nam Định được phân ra thành 2 khu vực là ven bờ và nước sâu ven bờ, trong đó khu vực ven bờ gồm 5 vùng có đặc điểm bồi tụ - xói lở khác nhau Diễn tiến quá trình bồi tụ - xói lở tại khu vực ven bờ luôn biến đổi theo không gian, thời gian, phụ thuộc vào các tác động ngoại sinh, nội sinh và là cơ sở quan trọng xác định hoạt động kinh tế - công trình thích hợp [4]

e) Đánh giá ổn định đê biển ở Việt Nam, lấy ví dụ tại tỉnh Nam Định, Mai Văn Công (2004)

Mục tiêu chính của nghiên cứu là:

- Phân tích các cơ chế có thể dẫn đến phá hủy đê biển trong điều kiện hiện tại - Đánh giá phương pháp thiết kế đê biển ở Hải Hậu, Nam Định So sánh mức độ ổn định đê biển Hải Hậu khi thiết kế bằng tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Hà Lan

Một số kết quả đạt được có thể tóm tắt như sau:

- Xói lở bờ dẫn đến hạ thấp mặt bãi phía trước đê hình thành các hố xói dẫn đến mất ổn định chân khay từ đó dẫn đến một loạt các loại mất ổn định cho kết cấu phía trên đê

- Hạ thấp mặt bãi dẫn đến tăng chiều cao sóng làm tăng áp lực sóng tác động trực tiếp vào mái đê phía biển gây ra mất ổn định của đê

- Nước dâng trong bão và sóng leo gây ra hiện tượng sóng tràn làm mất ổn định mái đê phía biển, mái đê phía đồng và mặt đê

- Bên cạnh đó luận văn cũng chỉ ra một số bất hợp lý trong tiêu chuẩn thiết kế đê biển ở Việt Nam như việc lựa chọn các thông số tính toán chưa rõ ràng hay các thiết kế chỉ dựa trên điều kiện thực tế mà chưa tính đến sự thay đổi các điều kiện biên trong tương lai khi mực nước biển dâng [24]

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện luận văn này ngoài việc tổng hợp và thu thập tài liệu từ các nghiên cứu trước đây, tác giả đã tiến hành tổ hợp phương pháp nghiên cứu bao gồm công tác thực địa và công tác trong phòng Tác giả đã tham gia khảo sát thực địa tại khu vực Hải Hậu 5 đợt tính đến năm 2014, mỗi đợt kéo dài 3 - 7 ngày

1.4.1 Các phương pháp khảo sát thực địa a) Phương pháp khoan và lấy mẫu

Công tác khoan khảo sát được tiến hành bằng thiết bị khoan thủ công, đường kính lỗ khoan 5cm, độ sâu khoan tối đa 5m; Và máy khoan XY - 1 có khả năng khoan sâu tối đa 100m Thiết bị khoan thủ công dùng để xác định địa tầng của các lớp trên mặt tại các xã từ Hải Đông đến thị trấn Thịnh Long (hình 1.16a) Máy khoan XY - 1 được dùng để khoan khảo sát địa tầng sâu hơn tại các vị trí lắp đặt các hệ thống quan trắc (hình 1.16b) Tại xã Hải Hòa và Hải Đông đã tiến hành khoan các lỗ khoan sâu đến 20m

Trong quá trình khoan khảo sát, mẫu đất được lấy ở hai dạng phá hủy và nguyên trạng tại các lớp đất khác nhau để xác định tính chất cơ lý trong phòng thí

nghiệm Bên cạnh đó, các mẫu bề mặt như cát trên bãi biển hay đất đắp thân đê được lấy thủ công trong các ống PVC đường kính 75mm (hình 1.17)

Hình 1.16 Khoan khảo sát (a) Khoan thủ công, (b) khoan máy

Mẫu được bao gói và bảo quản theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2683:2012) Tổng cộng có 15 lỗ khoan bao gồm cả khoan thủ công và khoan máy đã được thực hiện, 160 mẫu đất nguyên trạng và phá hủy được lấy và thí nghiệm

Hình 1.17 Lấy mẫu thủ công hiện trường

b) Phương pháp khảo sát địa hình

Các thông số trắc diện bãi, bờ biển được đo lặp qua các năm từ 2011 đến 2014 bằng máy toàn đạc điện tử (hình 1.18) Ngoài ra, các thông số hình học của đê

Hình 1.18 Khảo sát địa hình bãi

c) Phương pháp quan trắc áp lực nước lỗ rỗng hiện trường

Để đánh giá ổn định đê biển Hải Hậu, một hệ thống quan trắc áp lực nước lỗ rỗng đã được lắp đặt trong thân đê tại Km21 + 67, thuộc xã Hải Hòa Vị trí hệ thống quan trắc áp lực nước lỗ rỗng xem trên hình 2.1

Các piezometer đo áp lực nước lỗ rỗng loại dây rung được lắp đặt trong thân đê biển nhằm quan trắc áp lực thấm của nước biển qua nền và thân đê trong quá trình thủy triều lên xuống và trong các điều kiện sóng bão Giá trị đo áp lực nước lỗ rỗng có thể sử dụng đánh giá khả năng thấm qua thân đê hay ổn định trượt của mái đê Piezometer là loại dây rung do hãng Durham Geo Slope Indicator (DGSI) chế tạo tại Mỹ

Hình 1.19 Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer)

Hệ quan trắc gồm có 7 đầu đo áp lực nước lỗ rỗng đã được lắp đặt theo sơ đồ dưới đây:

Hình 1.21 Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê xã Hải Hòa

Cáp tín hiệu sẽ được dẫn về hộp kỹ thuật đấu nối cáp ghi đo số liệu được đặt ngay phía sau cách chân đê 2m Hộp kỹ thuật có kích thước 70 x 70cm dày từ 30 - 50cm là một hộp kim loại bảo vệ data logger (bộ ghi số liệu tự động) ở bên trong Hộp bảo vệ này được đặt trên hai cột kim loại đường kính 10cm, chiều cao 1,7m

- P: áp lực nước tác động lên màng cảm biến (kPa) - A, B, C: hệ số hiệu chuẩn thiết bị

Thời gian ghi đo số liệu có thể cài đặt theo mong muốn của người dùng Đối với hệ quan trắc tại đê biển Hải Hậu được cài đặt 10 phút lưu một số liệu Dữ liệu thu được sẽ được truyền về một server thông qua hệ thống tin nhắn 3G Số liệu quan trắc hiển thị ở dạng bảng và đồ thị có thể quan sát theo thời gian thực và tải xuống với định dạng file excel từ máy tính có kết nối với internet (hình 1.23)

Hình 1.23 Giao diện phần mềm quan trắc số liệu áp lực nước lỗ rỗng

1.4.2 Các phương pháp thí nghiệm trong phòng

Các thí nghiệm được thực hiện tại Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Địa chất, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Mẫu sau khi lấy ngoài hiện trường được thí nghiệm trong phòng xác định các tính chất cơ lý theo các tiêu chuẩn sau đây [9-15]:

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn thực hiện

Chỉ tiêu Tiêu chuẩn

1.4.3 Các phương pháp phân tích tính toán

a) Phương pháp phân tích ổn định trượt của mái đê biển

Luận văn tập trung phân tích ổn định trượt cho mái đê phía biển và mái đê phía đồng thời điểm hiện tại và dự báo độ mất ổn định trượt chúng trong tương lai theo các kịch bản nước biển dâng đến năm 2100 Các phân tích ổn định trượt của đê biển được thực hiện trên phần mềm thương mại Geostudio 2007

Đối với bài toán tính ổn định trượt mái đê biển rất cần thiết phải phân tích sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê do đê là công trình thường xuyên chịu tác động của mực thủy triều lên xuống trong ngày Các thay đổi của điều kiện biên như dao động mực nước biển, thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, tốc độ và gradient thấm sẽ được mô hình hóa trong môđun SEEP/W thuộc bộ phần mềm Geostudio 2007 Công thức cho dòng thấm hai chiều sử dụng trong phần mềm SEEP/W là [30]:

- kx: độ thấm thủy lực theo phương ngang - ky: độ thấm thủy lực theo phương thẳng đứng - Q: Lưu lượng biên tác dụng

-  : độ ẩm thể tích

- Hw: Chiều cao cột nước thấm - t: thời gian thấm

Ổn định trượt của đê sau đó được phân tích bằng môđun Slope/W trong bộ phần mềm Geostudio 2007 Ổn định trượt của mái đê được đánh giá thông qua hệ số ổn định (Factor of safety - FOS) Hiện nay phương pháp phân tích phổ biến nhất là phương pháp phân mảnh với giả định mặt trượt là cung tròn Đối với đê biển Hải Hậu, vật liệu đắp đê và đất nền là các loại vật liệu đồng nhất nên khi xảy ra trượt sẽ theo dạng cung tròn

Hệ số ổn định trượt theo phương pháp phân mảnh được tính theo công thức

Trong luận văn, tác giả sử dụng phương pháp tính ổn định của Mongenstern - Price, phương pháp này có xét đến lực tương tác giữa các mảnh và thỏa mãn cả hai điều kiện cân bằng về mômen và cân bằng lực

Về mặt lí thuyết, Fs > 1 là mái dốc ổn định, Fs = 1 là ở giới hạn an toàn và Fs < 1 thì mái mất ổn định Nhưng trong thực tế, nhà nghiên cứu phải thiết kế sao cho mái dốc có hệ số an toàn Fs lớn hơn 1,5 là đạt yêu cầu Những công trình quy mô vừa phải, người ta có thể lấy Fs = 1,2 Tuy nhiên, theo kinh nghiệm của các chuyên gia nghiên cứu ổn định đê biển, hệ số ổn định trượt được phân thành 3 nhóm:

- Fs < 1,2: ứng với trạng thái mất ổn định hoàn toàn - 1,2 < Fs < 1,5: ứng với trạng thái cân bằng giới hạn - Fs > 1,5: ứng với trạng thái ổn định bền

b) Phương pháp đánh giá tác động của mực nước biển dâng đến xói lở bờ

Để đánh giá mức độ gia tăng xói lở bờ tại Hải Hậu do dâng cao mực nước biển, công thức Bruun (1962) đã được sử dụng [23]

- R: mức độ gia tăng xói lở (m/năm) - S: mực nước biển dâng (mm/năm)

- L*: chiều rộng của trắc diện bị biến đổi (m) - h*: độ sâu cực đại so với mực biển trung bình (m) - B: chiều cao bờ trên mực biển trung bình (m)

c) Phương pháp đánh giá tốc độ hạ thấp mặt bãi

Ở các đoạn bờ có đê, biển sẽ không tiếp tục lấn sâu vào đất liền và xói lở theo phương ngang chuyển sang xói mòn theo phương thẳng đứng làm hạ thấp địa hình bãi biển Hiện tượng xói hạ thấp địa hình bãi, phá huỷ chân khay đê biển đã được ghi nhận bằng các mô hình vật lý ở trong phòng thí nghiệm bởi Barnett và Wang (1988) Hiện tượng này được xác định chủ yếu là do sự hình thành các dòng chảy rối do sóng tương tác với đê biển gây ra Ngoài ra, sóng phản xạ từ đê cũng góp phần cường hoá hiện tượng này Giả sử lượng bùn cát vận chuyển đi ở khu vực bờ có đê biển tương tự như khi không có đê biển Từ đó, mối quan hệ giữa tốc độ xói lở ngang và tốc độ hạ thấp địa hình bãi biển trước đê được tính gần đúng theo công thức [20]

h = 100Y x b / l (1.5) Trong đó:

- h: tốc độ hạ thấp địa hình bãi biển (cm/năm)

- Y: tốc độ xói lở ngang khi chưa có đê biển (m/năm)

- l: chiều rộng bãi tính từ đường bờ đến độ sâu bằng mực nước biển trung bình (m)

d) Phương pháp phân tích xói lở bờ do bão

Bờ biển Hải Hậu đã từng bị xói lở mạnh (xấp xỉ 100m) trong trận bão năm 1999 tại bờ biển Nghĩa Phúc [27] Dựa trên công thức của Kriebel và Dean (1993), khoảng lùi sâu của đường bờ có thể tính được như sau [38]:

e) Phương pháp phân tích xói mòn mái đê phía đồng do sóng tràn

Hiện nay đê biển Hải Hậu chỉ kè bê tông ở mái phía biển, mái phía đồng chưa được bảo vệ Trong mưa lớn, hoặc khi sóng leo vượt lên trên bề mặt đê, vật liệu là cát mịn ở mặt và sườn đê dễ dàng bị xói mòn Với thiết kế hiện nay đê biển Hải Hậu chỉ có thể chịu được bão cấp 10 (thang Beaufort) trong điều kiện mực triều trung bình Như vậy vấn đề mất ổn định đê biển Hải Hậu có thể đến từ sóng tràn qua mặt đê Hiện tượng này càng bị cường hóa do mực nước dâng trong bão (storm surge) Tại Hải Hậu, mực nước dâng trong bão có thể đạt 0,8 – 2,6m (bảng 1.2) Khi chiều cao sóng leo lớn hơn chiều cao tính từ mực nước biển trung bình đến đỉnh của

Bảng 1.2 Chiều cao sóng trong một số trận bão đổ bộ vào khu vực

Tên bão Thời gian

Để tính lượng sóng tràn qua thân đê trong điều kiện bão lớn và mực trều cao nhất, công thức của Van der Meer (1998) đã được sử dụng trong luận văn [50] - b: hệ số chiết giảm cơ đê - Rc: độ cao lưu không (m)

- f: hệ số chiết giảm đối với độ nhám của mái dốc - β: hệ số chiết giảm đối với sóng xiên góc với bờ - v: hệ số chiết giảm của tường đỉnh

- Sop: độ dốc của sóng

Sau khi đã xác định được lưu lượng sóng tràn qua đê tại các mặt cắt cụ thể, vận tốc dòng chảy nước tràn trên mái phía sau đê được tính dựa trên công thức của

- i: góc dốc mái phái sau đê

- n: hệ số nhám mái đê phía đồng, lấy bằng 0,016 [35] - b: chiều rộng dòng chảy trên mái đê phía đồng (m) - h: chiều cao dòng chảy trên mái đê phía đồng (m)

Briaud (2008) đã đưa ra các kết quả nghiên cứu về mối tương quan giữa tốc độ xói lở của các loại đất khác nhau với vận tốc dòng chảy (hình 1.24) Áp dụng kết quả nghiên cứu của Briaud (2008) tác giả đã tính tốc độ xói mái phía đồng của đê trong trường hợp sóng tràn tạo ra dòng chảy trên mặt mái đê tại các mặt cắt điển hình ở Hải Đông, Hải Chính, Hải Lý, Hải Triều, Hải Hòa và Thịnh Long

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ - XÃ HỘI HUYỆN HẢI HẬU

2.1 Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu

Nam Định là một tỉnh phía Nam đồng bằng Bắc Bộ, Việt Nam Nam Định tiếp giáp với các tỉnh Thái Bình ở phía Bắc, Ninh Bình ở phía Nam và Hà Nam ở phía Tây Bắc, phía Đông của tỉnh giáp vịnh Bắc Bộ (hình 2.1) Diện tích của tỉnh Nam Định là 1.669 km2 Vùng cửa sông ven biển tỉnh Nam Định thuộc địa phận 3 huyện Giao Thủy, Hải Hậu và Nghĩa Hưng, nằm giữa hai cửa sông lớn là Cửa Ba Lạt (sông Hồng) và Cửa Đáy (sông Đáy) với đường bờ biển dài khoảng 74 km, tổng diện tích vùng biển và ven biển vào khoảng 208 km2

Hải Hậu là huyện ven biển tỉnh Nam Định, hình thành cách đây hơn 5 thế kỷ Phía Đông Bắc giáp huyện Giao Thủy, từ Tây Bắc xuống Tây Nam huyện là sông Ninh Cơ, tiếp giáp với huyện Trực Ninh và Nghĩa Hưng, phía Bắc giáp huyện Xuân Trường, điểm cực Bắc là Trại Đập xã Hải Nam, phía Đông và Đông Nam là biển Đông Diện tích của Hải Hậu là 226 km2

2.2 Khí hậu

Mang tính chất chung của khí hậu đồng bằng Bắc Bộ, Nam Định có khí hậu nhiệt đới gió mùa với 4 mùa rõ rệt, mùa đông khí hậu khô do chịu tác động của gió mùa Đông Bắc

Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình hàng năm của vùng khoảng 23oC, trong đó có 8 tháng có nhiệt độ trung bình lớn hơn 20oC Mùa đông có nhiệt độ trung bình 18.9oC trong khi đó mùa hạ có nhiệt độ trung bình 27oC

Chế độ mưa: Lượng mưa trung bình trong năm từ 1.700 – 1.800 mm, phân

bố đồng đều trong toàn vùng Mùa mưa của vùng bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 10, chiếm 80% lượng mưa cả năm tập trung vào các tháng 7, 8 và 9 Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, lượng mưa chiếm 20% lượng mưa cả năm

Gió: Hướng gió thịnh hành thay đổi theo mùa, tốc độ gió trung bình cả năm

là 2 - 2,3 m/s Mùa đông, hướng gió thịnh hành là gió đông bắc với tần suất 60 - 70%, tốc độ gió trung bình 2,4 - 2,6 m/s, những tháng cuối mùa đông, gió có xu hướng chuyển dần về phía đông Mùa hè, hướng gió thịnh hành là gió đông nam, với tần suất 50 - 70%, tốc độ gió trung bình là 1,9 - 2,2 m/s, tốc độ gió cực đại (khi có bão) là 40 m/s

Bão: Do nằm trong vùng Vịnh Bắc Bộ, mùa bão tại Nam Định từ tháng 7

đến tháng 9, cực đại vào tháng 8 nên hàng năm thường chịu ảnh hưởng của bão hoặc áp thấp nhiệt đới, bình quân từ 4 - 6 cơn/năm

2.3 Thủy - Hải văn

Vùng ven biển tỉnh tỉnh Nam Định có 3 cửa sông lớn, đó là cửa sông Ba Lạt (sông Hồng), cửa sông Ninh Cơ và cửa sông Đáy Ngoài ra còn một số cửa sông nhỏ thuộc vùng ven biển huyện Hải Hậu như sông Sò, sông Hải Hậu và sông Cát (xã Hải Hà, huyện Hải Hậu) Tuy vậy, mật độ sông trong vùng không cao (0,33 km/km2) nên khi lũ xảy ra vẫn có hiện tượng ngập úng tạm thời tại một số vùng, đặc

Hệ thống sông Hồng có vai trò đặc biệt trong việc thành tạo châu thổ Sông Hồng nói chung và vùng ven biển tỉnh Nam Định nói riêng Tổng lượng nước sông Hồng đổ ra chiếm 39 - 40% tổng lưu lượng của hệ thống sông Hồng Lượng nước và phù sa sông Hồng vận chuyển chủ yếu qua cửa Ba Lạt và đây là nguồn vật liệu chính để bồi đắp cửa Ba Lạt tiến ra biển với tốc độ nhanh Sông Đáy chảy qua Nam Định có chiều dài 82km được coi là ranh giới phía Tây của tỉnh, lưu lượng dòng chảy đo được là 58,6 m3

/s Sông Ninh Cơ chảy qua các huyện phía nam tỉnh Nam Định và đổ ra biển tại cửa Lạch Giang Sông Ninh Cơ có chiều dài 52km, chiều rộng 400 - 500m

Chế độ sóng của khu vực thay đổi theo mùa Vào mùa lạnh, hướng sóng chính ở ngoài khơi là Đông Bắc (61%), Đông (15%), còn ở ven bờ là các hướng Đông (34%), Đông Bắc (13%) và Đông Nam (18%) Vào mùa nóng, các hướng sóng thịnh hành ngoài khơi là Nam, Tây Nam và Đông với tần suất dao động từ 40 - 75%, trong đó sóng hướng Nam chiếm tới 37% Chiều cao sóng từ 0,7 – 1,3m, có thể đạt 3,2m trong bão [7]

Thủy triều tại vùng biển Nam Định thuộc chế độ triều hỗn hợp, biên độ triều 2,5 - 3m, mực triều cao nhất có thể đạt đến 3,5m theo số liệu thống kê của Viện Khoa học thủy lợi (2002) [24] Số ngày nhật triều là 23 - 25 ngày, bán nhật triều là 5 - 7 ngày

Dòng chảy ven bờ của vùng chủ yếu là hướng Bắc - Nam Tuy nhiên, do sự

thay đổi địa hình đường bờ nên hướng dòng chảy ven bờ chủ yếu là Tây Nam tại

khu vực Hải Hậu

2.4 Địa hình - Địa mạo

Địa hình ven bờ Hải Hậu được chia thành 3 nhóm dựa trên quá trình tương tác sông - biển Nhóm chịu tác động mạnh mẽ của quá trình bờ (đới bãi), nhóm chịu ảnh hưởng mạnh của bồi tích sông (đới tiền châu thổ) và nhóm ít chịu ảnh hưởng của bồi tích sông hiện đại (đới biển nông ven bờ)