nghiên cứu về công trình nuôi bi nhân tạo để tôn tạo bi biển ThS. Nguyễn Viết thanh Trờng Đại học Giao thông Vận tải GS. ts. lơng phơng hậu Trờng Đại học Xây dựng Tóm tắt: Trên thế giới cũng nh ở nớc ta đã v đang nghiên cứu các công trình bảo vệ bờ biển để giảm nhẹ thiệt hại thiên tai gây ra một cách có hiệu quả nhất. Hiệu quả m công trình hớng đến phải xét ton diện về kỹ thuật, kinh tế v môi trờng. Phơng pháp truyền thống l dùng các công trình có kết cấu khối lớn bằng bê tông, bê tông cốt thép, đá hộc, để khống chế các biến động bờ biển. Các thập niên gần đây, ngời ta đã v đang hớng đến phơng án bảo vệ bờ biển dới dạng công trình mềm, có tính chất thân thiện với môi trờng v đời sống con ngời. Bi báo ny giới thiệu về thiết kế công trình nuôi bãi nhân tạo để chống sạt lở bờ biển, tôn tạo các bãi tắm. Summary: In the world and also in Vietnam we have been studying shore protection project to reduce the most disastrous damage. The effectiveness of project has to consider technology, economy and environment. The traditional method is to use the structures made of concrete, reinfored concrete, and stone to protect shore from morphology dynamic. In the near decades, we have been directing toward shore protection project as soft structure, which friendly with environment and people living. This article introduce about beach nourishment design to protect shore from erosion, and regenerate beach. CT 2 I. Giới thiệu chung Công trình nuôi bãi nhân tạo (CTNBNT) là loại công trình dùng phơng pháp nhân tạo đem cát từ nơi khác đến bù lấp vào số cát bị cuốn đi ở đoạn bờ cần bảo vệ, phục hồi trạng thái tự nhiên của cảnh quan. Công trình đợc sử dụng đầu tiên tại đảo Coney của Mỹ năm 1922. Kể từ đó có rất nhiều CTNBNT từ nhỏ đến lớn đã đợc xây dựng ở nhiều nớc trên thế giới và đã thu đợc cơ bản những kinh nghiệm phong phú về CTNBNT. Việc thiết kế, xây dựng các CTNBNT ngày càng thu đợc nhiều thành công lớn ở Đan Mạch, Hà Lan, và nhất là Nhật Bản. ở Việt Nam, CTNBNT sơ khai là những thử nghiệm về tôn tạo bãi tắm ở Bãi Cháy, Tuần Châu, Cát Bà, nhng cha ứng dụng cho trờng hợp chống sạt lở bờ biển. II. Trình tự thiết kế Khái quát chung quá trình của công trình NBNT từ lúc bắt đầu đề ta ý tởng đến quá trình thực hiện tái nuôi bãi trong tơng lai đợc USACE (1995) đề xuất thể hiện trên hình 1. Mục tiêu của dự án và Các tiêu chuẩn thực thi Phân tích, đánh giá để lựa chọn các phơng án X em xét vấn đề kinh tế của dự án X em xét, đánh giá vấn đề về môi trờng X em xét vấn đề kinh tế của địa phơng/nhà nớc Theo dõi, giám sát, duy tu bảo dỡng và tái nuôi bi Lựa chọn phơng án tối u Thiết kế cuối cùng và tiến hành xây dựng Hiệu quả của công trình đem lại cho địa phơng CT 2 Hình 1. Các bớc thiết kế công trình NBNT III. Các thông số cơ bản của công trình NBNT Một công trình NBNT gồm các thông số cơ bản cần xác định nh dới đây: c Độ sâu kết thúc; d Hình dạng mặt cắt ngang; e Cao độ và mái dốc đụn cát; f Cao độ, chiều rộng, mái dốc thềm cơ bãi; g Mái dốc công trình nuôi bãi; h Khối lợng vật liệu nuôi bãi. 0 100 200 300 400 500 600 -6 -4 -2 0 2 4 6 Đờng địa hình tự nhiên Mặt cắt thiết kế Mặt cắt thiết kế + nuôi bãi tăng cờng Mực nớc Cao độ thềm cơ Cao độ đụn cát m Hình 2. Các thông số cơ bản của một công trình NBNT IV. Cơ sở thiết kế hình dạng mặt cắt ngang công trình nuôi bãi Cơ sở xác định độ sâu kết thúc Công thức Hallermeier (1978, 1981) tính toán độ sâu kết thúc nh sau: = 2 e 2 e eC gT H 5,68H28,2D (1) CT 2 trong đó: H e - chiều cao sóng hữu hiệu (m); T e - chu kỳ sóng hữu hiệu (s); g - gia tốc trọng trờng (m/s 2 ). Cơ sở để xác định hình dạng mặt cắt ngang Hình dạng của mặt cắt thiết kế là cơ sở để tính toán lợng vật liệu nuôi bãi yêu cầu và là dữ liệu đầu vào mô hình để phân tích, đánh giá kích thớc của thềm cơ bãi và đụn cát. Với mục đích đạt đợc đụn cát và thềm cơ bãi thiết kế, vật liệu nuôi bãi phải bảo đảm thích hợp với toàn bộ bãi đến phía ngoài độ sâu kết thúc. Cơ sở tính toán khối lợng vật liệu nuôi bãi cần thiết trên mặt cắt ngang Khối lợng vật liệu nuôi bãi là khối lợng cát cần thiết để đạt đợc mặt cắt ngang nh mong muốn của ngời thiết kế. Mối quan hệ giữa việc sử dụng vật liệu với các đặc trng đờng kính hạt khác nhau, đợc thể hiện trong 3 loại mặt cắt nuôi bãi (hình 3) do Dean đề xuất năm 1991: + Mặt cắt giao nhau + Mặt cắt không giao nhau + Mặt cắt ngập Dean (1991) đa ra tiêu chuẩn để phân biệt mặt cắt giao nhau hay không giao nhau theo bất đẳng thức sau: 1 A A D A WnhaugiaongôkhtắcMặt 1 A A D A WnhaugiaotắcMặt 2/3 F N 2/3 C N 2/3 F N 2/3 C N > + < + D C D C B c) Mặt cắt ngập b) Mặt cắt không giao nhau a) Mặt cắt giao nhau B B D C W W Hình 3. Ba loại mặt cắt công trình nuôi bãi cơ bản CT 2 Tơng ứng với mỗi loại mặt cắt trên ta xác định đợc khối lợng nuôi bãi tơng ứng. Khối lợng tính toán ứng với các công thức trên là khối lợng cát nuôi bãi trên 1 mét dài công trình. Khối lợng nuôi bãi của cả công trình bằng khối lợng trên 1 mét dài nhân với chiều dài công trình. V. Lựa chọn vật liệu nuôi bãi Bằng các nghiên cứu tại hiện trờng USACE (1995) cho thấy: - Với vật liệu tự nhiên của bãi có D 50 > 0.2 mm, vật liệu nuôi bãi có D 50 trong khoảng 0.02 mm, so với D 50 vật liệu tự nhiên đợc xem xét là phù hợp; - Với vật liệu tự nhiên có D 50 = 0.15 ữ 0.2 mm, vật liệu nuôi bãi có thể đợc coi là phù hợp nếu D 50 trong khoảng 0.01 mm so với vật liệu tự nhiên. - Với vật liệu tự nhiên có D 50 < 0.15 mm, vật liệu đợc đề nghị sử dụng ít nhất bằng vật liệu tự nhiên. VI. Đánh giá tuổi thọ của công trình nuôi bãi Tuổi thọ công trình NBNT là đại lợng đợc xác định bởi mức độ của khối lợng vật liệu nuôi bãi đa vào để thế chỗ khối lợng bùn cát thiếu hụt của mặt cắt trớc đó và tỷ lệ vật liệu nuôi bãi phân tán ra ngoài hai biên của phạm vi công trình theo hớng dọc bờ biển, nghĩa là mất mát do phân tán ra khỏi phạm vi công trình. Sự truyền sóng tạo ra vận chuyển bùn cát dọc bờ là nguyên nhân chính gây ra phân tán ra ngoài phạm vi công trình. Tuổi thọ công trình đợc lấy giá trị nhỏ nhất trong 3 phơng pháp dới đây. Đánh giá tuổi thọ công trình theo chiều di công trình nuôi bãi () = a t 1tp (7) trong đó: a - một nửa chiều dài công trình nuôi bãi; t - thời gian. + = cBs gb 2 b dd 1 n1 1 8 CKH (8) ở đây: d B - chiều cao cơ bãi trên mực nớc tĩnh; d c - độ sâu kết thúc; CT 2 H b - chiều cao sóng vỡ; C gb - vận tốc nhóm sóng tại đờng sóng vỡ; K - hệ số tỷ lệ theo kinh nghiệm; n - hệ số rỗng của bùn cát; , - trọng lợng riêng của hạt bùn cát và của nớc. s Đánh giá tuổi thọ công trình theo điều kiện sóng Dean và Yoo (1992) đề xuất công thức sau đây để tính toán chiều cao sóng hữu hiệu: () ( ) () = = = N 1n n * 2.1 n go N 1n n * 2.1 n go 4.2 n S S eff C C N 1 C C HK N 1 H (9) trong đó: K S - hệ số giữa tỷ lệ chiều cao sóng có ý nghĩa ở vùng nớc sâu với chiều cao sóng hữu hiệu ở vùng nớc sâu (K S = 0,735); n S H - chiều cao sóng có ý nghĩa trong số n con sóng quan trắc đợc; n * C - tốc độ sóng vỡ; n - số con sóng quan trắc đợc. Đánh giá tuổi thọ công trình theo điều kiện xói cơ sở của khu vực công trình Biểu thức xác định thời gian ứng với bùn cát nuôi bãi còn lại p%: l l 2 n4m-m- t 2 p = với 0.1 a t < (10) trong đó: 0 y E =l ; n = (1 - p) 2 ; ( ) 2 0 a y 1pE2 m = VII. ứng dụng tính toán cho CTNBNT ở Cảnh Dơng - Quảng Bình Bờ biển Cảnh Dơng - Quảng Bình trong những năm qua đã xảy ra hiện tợng xói lở khá nghiêm trọng. CTNBNT dùng để ổn định bờ biển Cảnh Dơng là một giải pháp có tính chất thân thiện với môi trờng. Căn cứ vào các số liệu khảo sát lựa chọn các thông số cơ bản của công trình nh sau: - Lợng bùn cát bồi đắp V = 732.324 m 3 , với loại bùn cát có đờng kính trung bình D 50 = 0,30 mm. CT 2 - Khu vực bồi đắp có chiều dài 1.400 m, chiều rộng 323 m, chiều rộng thềm bãi 60,0 m, cao trình thềm bãi +2,0 m (Hệ cao độ HN-72); - Tuổi thọ công trình ứng với khối lợng bồi đắp còn lại p(t) = 50% nếu không duy tu hằng năm là t 50% = 9,12 năm. VIII. Kết luận v kiến nghị Công trình NBNT là một giải pháp công trình thân thiện với môi trờng đang đợc thế giới đánh giá cao hiệu quả tổng thể của nó. Tuy vậy, đây là loại công trình thụ động, đòi hỏi phải duy tu bảo dỡng thờng xuyên nên còn chịu sự hạn chế sử dụng ở những nơi cha có điều kiện kinh tế và công nghệ cao nh ở nớc ta. Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Viết Thanh (2006). Nghiên cứu về mặt cắt cân bằng bãi biển và giải pháp nuôi bãi nhân tạo để ổn định bờ biển, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật. [2]. U.S Army Corps of Engineers (USACE). EM1100-2-1100 Coastal Engineering ManualĂ . dới dạng công trình mềm, có tính chất thân thiện với môi trờng v đời sống con ngời. Bi báo ny giới thiệu về thiết kế công trình nuôi bãi nhân tạo để chống sạt lở bờ biển, tôn tạo các bãi tắm trên 1 mét dài công trình. Khối lợng nuôi bãi của cả công trình bằng khối lợng trên 1 mét dài nhân với chiều dài công trình. V. Lựa chọn vật liệu nuôi bãi Bằng các nghiên cứu tại hiện trờng. nhân chính gây ra phân tán ra ngoài phạm vi công trình. Tuổi thọ công trình đợc lấy giá trị nhỏ nhất trong 3 phơng pháp dới đây. Đánh giá tuổi thọ công trình theo chiều di công trình nuôi bãi