nghiên cứu lựa chọn giải pháp và công nghệ thi công công trình bảo vệ bờ biển tỉnh bà rịa vũng tàu

Kết quả dự kiến đạt được Đưa ra giải pháp hợp lý cho công trình bảo vệ bờ biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu để đảm bảo tính kinh tế của công trình và sự an toàn của công trình trước tác động củ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU………1

1 Tính cấp thiết của Đề tài 1

2 Mục đích của Đề tài 1

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1

4 Kết quả dự kiến đạt được 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN 3

1.1 Sự hình thành sóng biển và tác động của nó đến công trình bảo vệ bờ biển

3

1.1.1 Đặc trưng hình thành và sự phát triển của sóng biển 3

1.1.2 Phân loại sóng biển 6

1.1.3 Các thông số đặc trưng của sóng biển 8

1.2 Các công trình bảo vệ bờ biển 9

1.2.1 Công trình đê chắn cát giảm sóng bảo vệ bờ biển 9

1.2.2 Công trình kè bảo vệ bờ biển 11

1.2.2.1 Chức năng 11

1.2.2.2 Kết cấu gia cố bờ 11

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở nước ta 11

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ta 19

1.4 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ THI CÔNG ĐÊ BIỂN 23

2.1 Mặt cắt kết cấu các công trình bảo vệ bờ biển thường sử dụng ở Việt Nam

23

2.1.1 Các tiêu chuẩn thiết kế đê biển 23

2.1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế đê biển 23

2.1.1.2 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thiết kế đê biển ở Việt Nam hiện nay 25

2.1.2 Xác định các thông số, điều kiện thiết kế 26

2.1.2.1 Tài liệu địa hình 26

2 1.2.2 Tài liệu địa chất 27

2.1.2.3 Tài liệu khí tượng, thủy, hải văn 28

2.1.2.4 Tài liệu dân sinh, kinh tế và môi trường 29

2.1.2.5 Cấp công trình của đê 29

2.1.3 Các bước thiết kế công trình bảo vệ bờ biển 29

2.1.3.1 Xác định cao trình đỉnh đê 30

2.1.3.2 Phương pháp tính toán lưu lượng tràn 35

2.1.3.3 Đỉnh đê 39

2.1.3.4 Mái đê 42

2.1.3.5 Thân đê 43

2.1.4 Tính ổn định 45

2.1.4.1 Nội dung tính toán 45

2.1.4.2 Tính toán ổn định chống trượt mái đê 45

2.1.4.3 Tính toán ổn định đê biển dạng tường đứng 47

2.1.5 Tính toán lún 51 2.1.6 Những hình thức bảo vệ bờ biển đã được ứng dụng ở Việt Nam 53

2.1.6.1 Các hình thức kè bờ biển 53

2.1.6.2 Các hình thức đê chắn sóng 57

2.2 Đặc điểm khi thi công đê biển 59

2.2.1 Thi công ở nơi nước sâu 59

2.2.2 Thi công xây dựng ở nơi sóng gió 59

2.2.3 Thi công trong các điều kiện khác 60

2.3 Công nghệ thi công đê biển 60

2.3.1 Công nghệ vật liệu dùng cho công trình bảo vệ bờ biển 60

2.3.1.1 Thảm bê tông FS 60

2.3.1.2 Thảm bê tông tự chèn lưới thép - thảm P.Đ.TAC-M 61

2.3.1.3 Vải địa kỹ thuật 61

2.3.1.4 Cừ bản BTCT ứng suất trước 61

2.3.1.5 Khối Tetrapod 62

2.3.1.6 Công nghệ thi công thả thảm đá dưới nước 62

2.3.1.7 Công nghệ thi công đóng cọc chiều dài lớn 63

2.3.1.8 Xử lý chống xói lở bờ biển bằng công nghệ STABIPLAGE 63

2.3.2 Đê chắn sóng: 64

2.3.2.1 Đê chắn sóng mái nghiêng (đê dạng khối đổ) 64

2.3.2.2 Đê chắn sóng tường đứng 65

2.3.2.3 Đê chắn sóng có kết cấu đặc biệt khác nhau (đê kiểu phao, đê rỗng, đê thuỷ khí…) 66

2.4 Kết luận chương 2 66

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ BIỂN TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU 68

3.1 Các đặc điểm điều kiện tự nhiên của bờ biển Bà Rịa Vũng Tàu 68

3.1 1 Đặc điểm địa hình 69

3.1 2 Đặc điểm địa mạo 72

3.1.2.1 Địa hình nguồn gốc núi lửa 72

3.1.2.2 Đặc điểm độ sâu đáy biển 73

3.1.2.3 Đặc điểm địa mạo đáy biển 73

3.1.2.4 Đặc điểm sóng biển, các thông số sóng 76

3.2 Những chỉ tiêu thiết kế 76

3.2.1 Xác định tiêu chuẩn an toàn 76

3.2.2 Xác định cấp đê 77

3.2.3 Thiết kế tuyến đê 78

3.3 Lựa chọn giải pháp hợp lý bảo vệ bờ biển Bà Rịa Vũng Tàu 79

3.4 Xác định mặt cắt đê biển Bà Rịa Vũng Tàu 80

3.4.1 Chọn tuyến đê 80

3.4.2 Tính chọn kích thước cơ bản của mặt cắt ngang ĐCS mái nghiêng 81

3.4.2.1 Cao trình đỉnh đê 81

3.4.2.2 Chiều rộng đỉnh đê 83

3.4.2.3 Chọn mái dốc m 83

3.4.2.4 Tính toán chọn loại khối phủ phù hợp với ĐCS 84

3.4.3 Tính toán ổn định trượt sâu ĐCS 85

3.4.4 Tính toán ổn định trượt ngang ĐCS 88

3.5 Giải pháp thi công công trình đê biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu 91

3.5.1 Thi công khối dị hình tetrapod 91

3.5.1.1 Yêu cầu vật liệu đầu vào 91

3.5.1.2 Thi công đúc các khối phá sóng 92

3.5.2 Thi công đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực mũi Hồ Tràm 95

3.5.2.1 Thi công nạo vét đáy biển 95

3.5.2.2 Thi công đá đổ lõi đê và lớp đệm đá 97

3.5.2.3 Thi công lớp lót đê 101

3.5.2.4 Thi công lớp phủ ngoài 102

3.5.3 Một số lưu ý trong quá trình thi công 103

3.5.4 Tiến độ thi công 104

3.5.5 Các yêu cầu về bảo vệ môi trường, an toàn, phòng chống cháy nổ trong quá trình thi công 104

3.6 Kết luận chương III 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

1 Kết luận 106

2 Tồn tại và kiến nghị 107

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1- 1: Sơ đồ chuyển động của các hạt nước trong sóng đứng (a) và sóng tiến

(b) và biến đổi của hình dạng sóng với thời gian 7

Hình 1- 2: Profin sóng và các yếu tố sóng. 8

Hình 1- 3: Các giải pháp bảo vệ đê biển bằng công trình ngăn cát giảm sóng. 10

Hình 1- 4: Đê biển chịu sóng tràn và vùng đệm đa chức năng theo cách tiếp cận hệ thống của ComCoast. 13

Hình 1- 5: Quan điểm xây dựng đê biển lợi dụng tổng hợp và thân thiện với môi trường sinh thái của Hà Lan. 15

Hình 1- 6: Đê sông an toàn cao ở Nhật Bản: (a) Dạng mặt cắt ngang đê an toàn cao trước và sau khi xây dựng (Stalenberg, 2007) (b) Đê an toàn cao ở Edogawa – Tokyo, Nhật Bản. 16

Hình 1- 7: Dải ngầm giảm sóng xa bờ. 18

Hình 2- 1: Độ dốc quy đổi tính sóng leo. 31

Hình 2- 2: Các thông số xác định cơ đê. 32

Hình 2- 3: Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh. 36

Hình 2- 4: Mũi hắt sóng của tường đỉnh trên đê. 37

Hình 2- 5: Mặt cắt đê bảo vệ ba mặt. 39

Hình 2- 6 : Các dạng kết cấu tường đỉnh đê biển. 41

Hình 2- 7: Đá hộc lát khan không có tường đỉnh. 53

Hình 2- 8: Bê tông mảng mềm, đá lát khan phần trên, có tường đỉnh. 54

Hình 2- 9: Bê tông mảng mềm, tường đỉnh, thềm giảm sóng. 54

Hình 2-10: Mái kè đá lát khan trên đê đá. 54

Hình 2-11: Mái kè đá lát khan trên đê đất. 54

Hình 2-12: Mái kè tấm bê tông và đá hộc lát khan phần trên. 55

Hình 2-13: Mái kè tấm bê tông và đá hộc lát khan phần trên. 55

Hình 2- 14: Mái kè bê tông kích thước lớn liên kết mềm và đá hộc lát khan trong khung xây phần trên. 55

Hình 2- 15: Mái kè tấm bê tông liên kết mềm và đá hộc lát khan trong khung xây phần trên. 56

Hình 2- 16: Kè bờ biển Nghĩa Phúc – Nam Định. 56

Hình 2- 17: Kè bờ biển Ninh Thuận. 57

Hình 2- 18: Đê chắn sóng kết cấu mái nghiêng bằng đá tại Dung Quất. 57

Hình 2- 19: Đê chắn sóng bảo vệ bờ kết cấu bằng khối Tetrapod 58

tại đảo Cồn Cỏ. 58

Hình 2- 20: Đê chắn sóng bảo vệ bờ kết cấu bằng khối Tetrapod 58

tại đảo Cô Tô. 58

Hình 2- 21: Thảm bê tông FS. 61

Hình 2- 22: Thảm bê tông tự chèn lưới thép. 61

Hình 2- 23: Cừ bản BTCT ứng suất trước. 62

Hình 2- 24: Khối Tetrapod. 62

Hình 2- 25: Thi công thả thảm đá dưới nước. 63

Hình 2-26: STABIPLAGE. 64

Hình 2- 27: Đê chắn sóng mái nghiêng thông thường. 65

Hình 2- 28: Đê chắn sóng mái nghiêng dùng khối tetrapod bảo vệ mái. 65

Hình 2- 29: Đê chắn sóng tường đứng kết cấu thùng chìm. 66

Hình 3- 1: Bản đồ khu vực nghiên cứu. 69

Hình 3.2: Mặt bằng bố trí tuyến đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực 81

mũi Hồ Tràm 81

Hình 3.3: Mặt cắt điển hình ĐCS khu vực bãi biển Hồ Tràm 84

Hình 3- 4: Phương pháp Janbu K=1.419 86

Hình 3- 5: Phương pháp Bishop K=1.491 86

Hình 3- 6: Phương pháp Janbu K=1.421 87

Hình 3- 7: Phương pháp Bishop K=1.527 87

Hình 3.8: Sơ đồ tính áp lực sóng. 89

Hình 3.9: Sơ đồ tính ổn định trượt ngang 91

3.5.1 Thi công khối dị hình tetrapod 91

Hình 3- 10: Một mảnh ván khuôn khối tetrapod 93

Hình 3.11: Đổ bê tông vào khối bằng băng truyền. 94

Hình 3.12 : Vận chuyển các khối bằng cẩn cẩu và ô tô. 95

3.5.2 Thi công đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực mũi Hồ Tràm 95

Hình 3-13: Phao thi công. 96

Hình 3- 14: Tầu hút xén thổi nạo vét đáy biển. 97

Hình 3- 15: Xà lan mở đáy. 99

Hình 3- 16: Thiết bị định vị GPS trên xà lan. 99

Hình 3- 17: Xà lan mở mạn. 99

Hình 3- 18: Ô tô vận chuyển đá. 100

Hình 3- 19: Chỉnh sử mái dốc bằng máy đào có hệ thống định vị GPS 100

Hình 3- 20: Vận chuyển đá bằng xà lan kết hợp với ô tô. 101

Hình 3- 21: Cần cẩu phục vụ xếp đá. 102

Hình 3- 22: Vận chuyển khối phá sóng bằng ô tô. 102

Hình 3- 23: Thi công lắp đặt khối phá sóng. 103

Hình 3- 24: Thợ lặn thi công lắp ghép các khối phá sóng. 103

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng phân cấp đê biển theo chu kỳ lặp 24

Bảng 2.2: Cấp công trình của đê biển 29

Bảng 2.3: Hệ số nhám trên mái dốc 33

Bảng 2.4: Tiêu chuẩn sóng tràn (Eurotop, 2007) 37

Bảng2.5: Chiều rộng đỉnh đê theo cấp công trình 39

B ảng 2.6: Hệ số an toàn ổn định chống lật (k) của đê thành đứng 41

B ảng 2.7: Hệ số an toàn ổn định chống trượt (k) của công trình thành đứng 42

Bảng 2.8: Quy định độ nén chặt thân đê bằng đất 44

Bảng 2.9: Hệ số an toàn ổn định chống trượt cho mái đê 46

Bảng2.10: Hệ số an toàn ổn định chống truợt trên nền phi nham thạch 46

Bảng 2.11: Hệ số an toàn ổn định chống trượt trên nền nham thạch 46

Bảng 2.12: Hệ số an toàn ổn định chống lật 47

Bảng 2.13: Hệ số ma sát 49

Bảng 2.14: Hệ số ảnh hưởng 52

Bảng 3.1: Tiêu chuẩn an toàn 76

Bảng 3.2: Tiêu chí phân cấp đê 77

Bảng 3.3: Các thông số của khối Tetrapod 85

Bảng 3.4: Các thông số của lớp phủ mái Tetrapod 85

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Bờ biển nước ta có chiều dài hơn 3260km, hàng ngày đang chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố như sóng, gió, thủy triều… và trung bình có từ 6 đến 8 cơn bão đổ bộ vào bờ biển hàng năm Đặc biệt năm 1978 và năm 1989 có tới 12 cơn bão

đổ bộ vào, có nhiều cơn bão trên cấp 12, 13 gây thiệt hại rất lớn về người và kinh tế

ở những vùng ven biển

Đê biển nước ta được xây dựng qua nhiều thời kỳ, chất lượng khác nhau, mức

độ an toàn thấp, nhiều nơi còn phải gia cố sửa chữa hoặc xây dựng mới Trong điều kiện biến đổi khí hậu, đặc biển với xu thế nước biển dâng, việc đảm bảo an toàn cho

hệ thống đê biển là vấn đề cần đặc biệt quan tâm bởi vì hầu hết các khu dân cư, khu công nghiệp, khu kinh tế trọng điểm của Vùng, của đất nước đều nằm gần hoặc sát

bờ biển Đặc biệt tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu là một trong những vùng kinh tế sôi động, trọng điểm phát triển nhanh của nước ta Vì vậy nếu để xảy ra một sự cố do thiên tai thì thiệt hại mà đất nước gánh chịu thật khó lường Do vậy đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp và công nghệ thi công công trình bảo vệ bờ biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu” có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn

2 Mục đích của Đề tài

Nghiên cứu lựa chọn công trình bảo vệ bờ và giải pháp thi công đê biển tỉnh

Bà Rịa Vũng Tàu

Phạm vi nghiên cứu: Vùng đê biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

* Cách tiếp cận

Thông qua các tài liệu thiết kế và tài liệu nghiên cứu liên quan đến vấn đề bảo

vệ bờ biển để nắm được các giải pháp bảo vệ bờ biển

Nghiên cứu thông qua các công trình bảo vệ bờ biển đã được áp dụng xây dựng trong thực tế

* Phương pháp nghiên cứu

2

- Phương pháp khảo sát đánh giá hiện trạng

- Phương pháp phân tích tổ hợp

- Phương pháp chuyên gia

- Phương pháp kế thừa kết hợp nghiên cứu và tài liệu đã công bố

4 Kết quả dự kiến đạt được

Đưa ra giải pháp hợp lý cho công trình bảo vệ bờ biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu

để đảm bảo tính kinh tế của công trình và sự an toàn của công trình trước tác động

của các yếu tố tự nhiên bất lợi

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP

CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN 1.1 Sự hình thành sóng biển và tác động của nó đến công trình bảo vệ

bờ biển

1.1.1 Đặc trưng hình thành và sự phát triển của sóng biển

Sóng biển là hiện tượng vật lý xảy ra ở lớp nước gần bề mặt biển Sóng được hình thành do gió và những hiệu ứng địa chất, và có thể di chuyển hàng nghìn km trước khi đến đất liền Sóng biến đổi từ những gợn sóng lăn tăn đến những cơn sóng thần cực lớn Ngoài dao động thẳng đứng, các hạt nước trong sóng biển có một chút chuyển động theo phương ngang

Nguyên nhân chủ yếu cho sự hình thành của sóng là gió, có 3 yếu tố của gió ảnh hưởng đến sóng:

- Tốc độ gió

- Độ dài mặt mà trong đó nước chịu ảnh hưởng của gió

- Thời gian nước bị gió thổi

Tất cả những yếu tố trên góp phần tạo nên sóng với kích thước và hình dạng khác nhau Giá trị của từng yếu tố càng lớn đều làm cho sóng lớn hơn Sóng được

đo bởi:

Độ cao (từ đỉnh đến chỗ lõm)

Bước sóng (khoảng cách giữa các đỉnh)

Chu kì sóng (khoảng thời gian giữa các ngọn sóng liên tiếp ở một điểm cố định

Sóng biển có kích thước lớn, hình thành dưới tác dụng kéo dài của gió Và tồn tại khá lâu sau khi gió kết thúc Lực khôi phục sóng này là lực hấp dẫn Ta thường nhìn thấy sóng biển vỡ tan thành bọt khi vào bờ Đó là khi chân sóng không thể đỡ được ngọn sóng Hiện tượng này xảy ra mỗi khi sóng đi vào vòng nước nông hơn, hoặc khi 2 ngọn sóng đâm vào nhau

4 Khái niệm về sóng biển theo quan điểm vật lý thì sóng biển là sóng cơ học lan truyền giữa mặt phân cách của nước và không khí, lực khôi phục của dao động này

là lực hấp dẫn Khi gió thổi, áp suất và ma sát làm xáo động bề mặt Trong trường hợp sóng biển, các hạt ở gần mặt nước chuyển động theo một đường tròn, do đó sóng này là sự kết hợp của sóng dọc và sóng ngang Khi sóng lan truyền trong vùng nước nông (độ sâu nhỏ hơn nửa bước sóng), quỹ đạo của các hạt nước bị nén thành dạng elip Khi biên độ sóng tăng lên, quỹ đạo của hạt nước không còn là đường kín nữa mà sau mỗi chu kì chúng bị dịch về phía trước một ít, hiện tượng này gọi là dịch chuyển Stokes

Đường kính quỹ đạo các hạt giảm khi độ sâu ngày càng tăng và ở độ sâu cỡ nửa bước sóng, quỹ đạo này co lại gần như một điểm Vận tốc pha của sóng phụ thuộc vào bước sóng Khi sóng đi vào vùng nước nông, do ma sát, phần nước càng thấp di chuyển càng chậm dẫn tới các lớp nước lướt trên nhau, sóng bị vỡ, với những con sóng lớn ta có thể thấy sóng đổ xuống rất đẹp

Ngoài những sóng thông thường trên, sóng thần là một con quái vật của tự nhiên, nó có thể cao đến 30 m Sóng thần hình thành do động đất, những vụ nổ trong lòng đại dương hoặc một vụ va chạm với thiên thạch

Một cách định tính, có thể giải thích sự phát sinh sóng gió như sau Khi gió bắt đầu thổi trên mặt nước yên tĩnh, những cuộn xoáy có mặt trong dòng gió sẽ tác động lên mặt nước dưới dạng các xung áp suất, làm xuất hiện các sóng lăn tăn (sóng mao dẫn) có thể nhìn thấy bằng mắt (gió khoảng 0,7 m/s có thể làm xuất hiện các sóng cao 3-4 mm, bước sóng 40-50 mm) Nếu gió tiếp tục tác động thì sẽ làm tăng biên độ sóng và sóng mao dẫn biến thành sóng trọng lực

Về cơ chế truyền năng lượng từ gió cho sóng, một số nhà nghiên cứu cho rằng ứng suất tiếp tuyến của gió đóng vai trò chủ yếu Thí dụ, Makaveev đã xác định năng lượng mà sóng nhận từ gió bằng tích của ứng suất tiếp tuyến và vận tốc quỹ đạo của các hạt trong sóng dưới dạng biểu thức sau:

M = Aρ ′w2δC (1.1)

Trong đó:

5

M – Năng lượng sóng nhận từ gió (W/m2)

A − hệ số xác định từ thực nghiệm; ρ ′ − mật độ không khí;

w − vận tốc gió; δ= h / λ − độ dốc sóng; C − vận tốc pha của sóng

Những nhà nghiên cứu khác cho rằng có sự truyền năng lượng từ gió cho sóng là do

có sự chênh lệch áp suất giữa sườn đón gió và sườn khuất gió của sóng Thí dụ, Suleikin giải thích rằng các hạt nước trên sườn đón gió, khi chuyển động theo quỹ đạo, được tác động bằng một áp suất trùng với hướng chuyển động nên cường độ chuyển động được gia tăng, còn các hạt trên sườn khuất gió chuyển động trên đoạn

đi lên của quỹ đạo, bị áp suất hãm lại Nhờ tính chất bất đối xứng của áp suất trên profin sóng, nên sau một vòng quay theo quỹ đạo, hiệu số áp suất có giá trị dương,

P − năng lượng do áp suất pháp tuyến của gió trên một đơn vị diện tích mặt

nổi sóng Được tiếp sức bởi những dòng năng lượng này, sóng xuất hiện trong gió sẽ phát triển, tăng cả độ cao và bước sóng của nó

Qua công thức (1.1) và (1.2) ta thấy gió là yếu tố cơ bản tạo nên đặc trưng của sóng biển; cho nên khi nghiên cứu các công trình bảo vệ bờ cần phải nghiên cứu hướng gió thổi, thời gian gió thổi và quá trình hình thành sóng biển cũng như đặc trưng của sóng biển tác động vào công trình

6

1.1.2 Phân loại sóng biển

Chế độ sóng, đặc trưng các yếu tố sóng, sự tác động của sóng lên bờ và những đối tượng khác phụ thuộc rất nhiều vào loại sóng

Theo lực gây nên sóng, người ta phân thành các loại sóng sau:

Sóng gió được gây nên bởi gió và chịu tác động của gió; những sóng do gió gây nên nhưng còn duy trì được sau khi gió ngừng tác động hoặc đổi hướng được

gọi là sóng lừng Cũng gọi là sóng lừng khi mà sóng đi từ nơi chúng được gió gây

nên tới vùng đang xét đang hoàn toàn lặng gió

Sóng áp xuất hiện do tác động của áp suất khí quyển hoặc gió làm mặt nước lệch khỏi vị trí cân bằng

Sóng txunami xuất hiện do các hiện tượng động đất, núi lửa dưới nước hoặc ven bờ

Sóng tàu gây bởi chuyển động của tàu

Sóng thủy triều biểu hiện ở sự dao động tuần hoàn của mực nước biển, gây bởi

tác động của các lực tạo triều của Mặt Trăng và Mặt Trời

Theo đặc điểm tác động của lực sau khi xuất hiện sóng, người ta chia các sóng thành sóng cưỡng bức, nếu lực vẫn tiếp tục tác động lên sóng và sóng tự do,

nếu lực ngừng tác dụng sau khi tạo sóng

Theo các lực kéo hạt nước trong sóng trở về vị trí cân bằng, người ta còn chia thành sóng mao dẫn và sóng trọng lực Trong trường hợp sóng mao dẫn, lực phục

hồi là sức căng mặt ngoài, trong trường hợp thứ hai là trọng lực

Theo biến động của các yếu tố sóng với thời gian, người ta chia ra thành sóng

ổn định với các yếu tố sóng không biến đổi theo thời gian, sóng không ổn định là

sóng đang phát triển, hoặc bắt đầu tắt dần, với các yếu tố biến đổi theo thời gian

7

Theo sự dịch chuyển của dạng sóng, người ta chia ra sóng tiến có dạng dịch

chuyển nhìn thấy được trong không gian và sóng đứng có dạng nhìn thấy không

dịch chuyển trong không gian Sóng đứng thể hiện dưới dạng dao động cực đại ở các điểm bụng và cực tiểu ở các điểm nút Các hạt nước trong sóng dịch chuyển

theo đường thẳng đứng ở các điểm bụng và theo đường nằm ngang ở các điểm nút

Ở khoảng cách giữa hai điểm đó các hạt nước dao động trên những mặt phẳng làm thành những góc khác nhau với mặt nằm ngang (hình 1-1.a)

Trong sóng tiến, các hạt nước chuyển động theo những quỹ đạo gần giống đường tròn hoặc ellip kín Dọc theo hướng truyền sóng, các hạt nước nằm trên cùng một mặt phẳng tham gia vào chuyển động không đồng thời Trên hình 1-1.b thấy rằng nếu xung lực bắt đầu tác động từ phía trái, thì đầu tiên đi vào chuyển động là hạt nước 1, sau đó các hạt nước 2, 3, , mỗi hạt sau chậm so với hạt trước một pha (một góc quay) Vị trí các hạt vào thời điểm đầu được biểu diễn bằng đường cong liền

Hình 1-1: Sơ đồ chuyển động của các hạt nước trong sóng đứng (a)

và sóng tiến (b) và biến đổi của hình dạng sóng với thời gian

Như vậy là do chuyển động đều đặn của các hạt nước theo những quỹ đạo kín

đã diễn ra sự di chuyển tịnh tiến của profin của sóng theo hướng tác động của lực, trong đó độ cao sóng tương ứng với đường kính của quỹ đạo Bản thân các hạt nước, giống như các vật nổi trên sóng, trong khi chuyển động quay, không tham gia

8 vào dịch chuyển tịnh tiến mà dừng ở một chỗ Khi nghiên cứu sóng biển người ta còn phân biệt sóng hai chiều (sóng phẳng) và sóng ba chiều Trong sóng hai chiều, trên tuyến frôn sóng không có sự chênh lệch độ cao của mực, các ngọn sóng kéo dài mãi như những luống nước và truyền đi theo hướng truyền sóng

Trong sóng ba chiều, người ta quan trắc thấy có sự chênh lệch độ cao mực dọc theo fron sóng Đối với loại sóng này, người ta đưa thêm khái niệm chiều dài ngọn sóng - độ kéo dài của ngọn sóng theo hướng fron của gió và độ cao sóng ba chiều là hiệu giữa mực cao nhất của đỉnh và mực thấp nhất của chân sóng

1.1.3 Các thông số đặc trưng của sóng biển

Dưới tác dụng của những lực khác nhau, trên mặt phân cách nước – không khí

ở biển luôn luôn tồn tại các sóng Nếu cắt mặt biển nổi sóng bằng một mặt phẳng thẳng đứng theo một hướng nào đó (thường theo hướng truyền sóng chính), thì giao tuyến của mặt biển với mặt phẳng đó có dạng đường cong phức tạp gồm nhiều sóng gọi là profin sóng (hình 1-2) Nếu quan trắc dao động của mặt biển tại một điểm cố định nào đó (ghi bằng máy ghi sóng), thì biến đổi của vị trí mặt nước theo thời gian cũng có hình dạng phức tạp Trên profin sóng, mỗi một sóng bao gồm phần cao hơn mực sóng trung bình gọi là ngọn sóng và phần thấp hơn mực sóng trung bình gọi là đáy sóng Điểm cao nhất của ngọn sóng là đỉnh sóng Điểm thấp nhất của đáy sóng

9 sóng dọc hướng truyền của sóng

Bước sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng kế cận nhau trên profin sóng dọc theo hướng truyền của sóng

Chu kỳ sóng τ là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kế cận nhau đi qua một đường thẳng đứng cố định

Vận tốc truyền sóng hay vận tốc pha là vận tốc di chuyển ngọn sóng theo hướng truyền Khái niệm về vận tốc truyền sóng chỉ áp dụng với sóng tiến Ta có công thức:

c λ

τ

= (1.3) c: Vận tốc truyền sóng

Tỷ số độ cao sóng và bước sóng h /λ gọi là độ dốc của sóng

Phần sóng từ chân sóng đến đỉnh sóng hướng về phía gió thổi tới tạo thành sườn đón gió của sóng, phần ngược lại từ đỉnh đến chân sóng khuất gió gọi là sườn khuất gió của sóng

Hướng truyền sóng trong biển được tính từ hướng bắc đến hướng chuyển động của sóng

Prôn sóng là đường nối các đỉnh sóng xác định trên nhiều profin sóng hướng theo hướng truyền chính của sóng

Tia sóng - đường thẳng vuông góc với frôn sóng tại điểm đang xét

1.2 Các công trình bảo vệ bờ biển

1.2.1 Công trình đê chắn cát giảm sóng bảo vệ bờ biển

Loại công trình giảm sóng ngăn cát, xây dựng trên vùng bãi trước mục tiêu bảo vệ Thuộc loại này bao gồm các rừng cây ngập mặn, các hệ thống tường ngăn

cát, giảm sóng (hình 1-3)

- Các rừng cây ngập mặn chống sóng Đây là một giải pháp bảo vệ bờ rất hữu hiệu, tạo ra hiệu quả tổng hợp về ngăn sóng và tăng khả năng lắng đọng phù

10

sa, hình thành các bãi bồi ven biển Tuy nhiên nó chỉ thích hợp với những vùng gần cửa sông, có bãi thoải và nguồn phù sa tương đối dồi dào

Hình 1-3 : Các giải pháp bảo vệ đê biển bằng công trình ngăn cát giảm sóng

- Đê mỏ hàn có chức năng ngăn chặn dòng bùn cát ven bờ, giữ bùn cát lại gây bồi cho vùng bãi đang bị xâm thực, điều chỉnh vùng bờ biển làm cho phương của dòng gần bờ thích ứng với phương truyền sóng, giảm nhỏ lượng bùn cát trôi, che chắn cho bờ khi bị sóng xiên góc truyền tới, tạo ra các vùng nước yên tĩnh làm cho bùn cát trôi bồi lắng lại, hướng dòng chảy ven bờ đi ra vùng xa bờ, giảm yếu dòng ven bờ

- Đê dọc đứt khúc xa bờ có chức năng sau: Che chắn sóng cho vùng sau đê, giảm yếu tố tác dụng của sóng vào vùng bờ bãi, chống xâm thực, thu gom bùn cát trôi để hình thành dải bồi tích giữa đê và bờ, từ đó làm giảm dòng ven

- Đê mỏ hàn dạng chữ T chữ Y: kết hợp cả hai loại trên để tăng hiệu quả cản sóng và bảo vệ bờ

Đối với gia cố bờ biển thì nguyên nhân gây xâm thực mạnh nhất với bờ biển

là sóng sau đó là dòng chảy Các vật liệu gia cố phải chịu được tải trọng sóng, thường các vật liệu này chịu được tải trọng dòng chảy

- Phần gia cố là phần chính bảo vệ bờ đất được làm bằng các vật liệu khác nhau để đảm bảo chống xâm thực cho bề mặt dưới tác dụng của sóng và dòng chảy;

- Chân khay bảo vệ chân phần gia cố khỏi bị xói và bị trượt

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở nước ta

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Đê biển và các hạng mục công trình phụ trợ khác hình thành nên một hệ thống công trình phòng chống, bảo vệ vùng nội địa khỏi bị lũ lụt và thiên tai khác từ phía biển Vì tính chất quan trọng của nó mà công tác nghiên cứu thiết kế, xây dựng đê biển ở trên thế giới, đặc biệt là ở các quốc gia có biển, đã có một lịch sử phát triển rất lâu đời Tuy nhiên, tùy thuộc vào các điều kiện tự nhiên và trình độ phát triển của mỗi quốc gia mà các hệ thống đê biển đã được phát triển ở những mức độ khác nhau

12

Ở các nước châu Âu phát triển như Hà Lan, Đức, Đan Mạch, đê biển đã được xây dựng rất kiên cố nhằm chống được lũ biển (triều cường kết hợp với nước dâng) với tần suất hiếm Khoảng vài thập niên trước đây quan điểm thiết kế đê biển truyền thống ở các nước châu Âu là hạn chế tối đa sóng tràn qua do vậy cao trình đỉnh đê rất cao Nhưng vì lượng sóng tràn qua là rất ít nên mái phía trong đê thường được bảo vệ rất đơn giản như chỉ trồng cỏ bản địa, phù hợp cảnh quan với môi trường Theo tài liệu mà tác giả thu thập được thì nhìn chung mặt cắt ngang đê điển hình rất rộng, mái thoải (phổ biến là 1/6 hoặc thoải hơn), có cơ mái ngoài và trong kết hợp làm đường giao thông dân sinh và bảo dưỡng cứu hộ đê Ngoài ra, cơ đê phía ngoài còn đảm nhận nhiệm vụ quan trọng là giảm sóng leo sóng tràn qua đê, góp phần hạ thấp cao trình đỉnh đê thiết kế

Trong những năm gần đây, trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng hiện nay tư duy và phương pháp luận thiết kế đê biển ở các nước phát triển đã và đang có sự biến chuyển rõ rệt Giải pháp kết cấu, chức năng và điều kiện làm việc của đê biển được đưa ra xem xét một cách chỉnh thể hơn theo quan điểm hệ thống, lợi dụng tổng hợp, bền vững và hài hòa với môi trường

An toàn của đê biển đã được xem xét trong một hệ thống chỉnh thế, trong đó nổi bật lên hai nhân tố ảnh hưởng chủ yếu sau:

- Bản thân cấu tạo hình học và kết cấu của đê

- Điều kiện làm việc và và tương tác giữa tải trọng với công trình

Vì vậy theo quan điểm của tác giả thì các nỗ lực nhằm nâng cao mức độ an toàn của đê biển đều tập trung vào cải thiện hai nhân tố này Sau đây tác giả sẽ lần lượt điểm qua một số tiến bộ nổi bật đã đạt được gần đây có liên quan đến hai nhân tố trên

- Vấn đề thứ nhất là về cấu tạo hình học và kết cấu đê: Cùng với sự phát triển

mạnh mẽ kinh tế vùng ven biển và bối cảnh biến đổi khí hậu thì biện pháp ứng phó bằng cách tiếp tục tôn cao đê như đã làm không phải là bền vững, lâu dài trong bối cảnh hiện nay Qua thực tiễn thiên tai bão lũ ở nhiều nước, đa số đê biển không phải

có thể bị vỡ dẫn tới thiệt hại khôn lường thì đê cũng có thể xây dựng để chịu được sóng tràn qua đê, nhưng không thể bị vỡ Tất nhiên khi chấp nhận sóng tràn qua đê

cũng có nghĩa là chấp nhận một số thiệt hại nhất định ở vùng phía sau được đê bảo

vệ, tuy nhiên so với trường hợp vỡ đê thì thiệt hại trong trường hợp này là không đáng kể Đặc biệt là nếu như một khoảng không gian nhất định phía sau đê được quy hoạch thành vùng đệm đa chức năng thích nghi với điều kiện bị ngập ở một mức độ và tần suất nhất định Đây chính là cách tiếp cận theo quan điểm hệ thống, lợi dụng tổng hợp, và bền vững vùng bảo vệ bờ ComCoast (Combining Functions in Coastal Defence Zone, xem www.ComCoast.org) của liên minh Châu Âu (Hình 1-

4) Như vậy thay vì một con đê biển như một dải chắn nhỏ thì chúng ta sử dụng cả một vùng bảo vệ ven biển mà có thể sử dụng tổng hợp

Hình 1-4: Đê biển chịu sóng tràn và vùng đệm đa chức năng theo cách tiếp cận hệ

thống của ComCoast

Bởi vậy đê chịu sóng tràn (ORD - Wave Overtopping Resistant Dikes) hay đê không thể phá hủy (unbreachable/indestructible dikes) đã giành được một mối quan tâm đặc biệt và đã được đưa vào áp dụng trong quan điểm thiết kế đê biển hiện nay

ở châu Âu Cùng với nó, sóng tràn đã và đang trở thành một dạng tải trọng đặc biệt

14 không thể bỏ qua trong thiết kế đê biển Nghiên cứu quá trình động lực học sóng tràn qua đê biển do vậy cũng đang nhận được một sự quan tâm đặc biệt

Để đê có thể chịu được sóng tràn thì đỉnh và mái phía trong đê cần được bảo vệ chống xói đủ tốt Gia cố chống xói mái đê theo phương pháp truyền thống với đá lát hoặc cấu kiện bê tông được đánh giá là không bền vững và không thân thiện với môi trường Vì vậy các giải pháp xanh, bền vững và thân thiện hơn với môi trường

đã và đang được khám phá Trong khuôn khổ một số dự án nghiên cứu của Liên minh Châu Âu gần đây như ComCoast, Floodsite, và EuroGras, đê biển với mái trong trồng cỏ đã được đánh giá là một trong những giải pháp có tính khả thi và bền vững nhất cho đê chịu sóng tràn Các thí nghiệm hiện trường sóng tràn với máy xả sóng trên một số tuyến đê biển ở Hà Lan đối với một số dạng mái cỏ cho thấy mái

cỏ nếu được trồng và chăm sóc tốt có thể đem lại sức chống xói đáng ngạc nhiên (lưu lượng sóng tràn trung bình đơn vị q = 50 l/s/m với lưu tốc lớn nhất Vmax = 4 - 6 m/s trong vòng 6 giờ chưa thể gây hư hỏng đáng kể nào cho mái cỏ chất lượng trung bình không có lớp gia cường) Điều này trái ngược hẳn với tiêu chuẩn sóng tràn hiện nay quy định lượng tràn cho phép đối với trong đê biển mái cỏ chỉ 0,1 ~ 1,0 l/s/m Với mái cỏ được gia cố thêm với hệ thống lưới địa kỹ thuật (Geogrids/Geocells) thì khả năng chịu sóng tràn có thể lên tới trên 100 l/s/m Như vậy nếu được trồng và chăm sóc cẩn thận đê mái cỏ thực sự là giải pháp kỹ thuật bền vững và mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh ứng phó với nước biển dâng như hiện nay Đánh giá sức chịu tải của mái cỏ dưới tác động xói của sóng tràn phục vụ cho công tác thiết kế và đánh giá mức độ an toàn của đê biển

do vậy đang được đẩy mạnh nghiên cứu ở các nước liên minh châu Âu

Như vậy trên quan điểm xây dựng đê mái cỏ chịu sóng tràn kết hợp với việc trồng rừng ngập mặn phía biển, và quy hoạch tốt không gian đê và vùng đệm sau

đê, công trình đê sẽ trở nên rất thân thiện với môi trường sinh thái, lý tưởng cho mục đích lợi dụng tổng hợp vùng bảo vệ ven biển (xem Hình 1-5 về ví dụ đê biển thân thiện với môi trường ở Hà Lan)

15

Hình 1-5: Quan điểm xây dựng đê biển lợi dụng tổng hợp và thân thiện với môi

trường sinh thái của Hà Lan

Bên cạnh các giải pháp về mặt kết cấu chống sóng tràn thì cấu tạo hình dạng mặt cắt ngang đê đóng vai trò quan trọng đối với đê an toàn cao trong việc đảm bảo ổn định

đê, tăng cường khả năng chống xói do dòng chảy (sóng tràn, nước tràn), và đặc biệt

là kiến tạo không gian cho các mục đích lợi dụng tổng hợp của đê và vùng đệm phía sau đê

vỡ đê và hậu quả của nó” Về thực chất là mở rộng chân đê và làm mái đê phía trong rất thoải để tạo ra một vùng bảo vệ rộng thay vì một con đê như là một dải chắn hẹp (xem minh họa trên Hình 1-6)

Chân đê phía trong có thể mở rộng ra tới 20 đến 30 lần chiều cao đê (tương đương hệ số mái dốc 1/30 đến 1/20) Đê sông an toàn cao làm giảm nguy cơ vỡ đê

và mất ổn định mái trong do dòng thấm Ngay cả khi bị nước lũ tràn qua thì dòng chảy cũng bị chậm lại dọc theo mái đê, giảm khả năng gây xói và vỡ đê Với mặt cắt ngang rộng và mái thoải thì cơ sở hạ tầng và đường giao thông phục vụ dân sinh

có thể kết hợp xây dựng trên đỉnh đê và dọc theo mái trong của đê Tuy nhiên thân

17

đê và nền đê phải được gia cố và xử lý tốt để có đảm bảo ổn định ngay cả trong điều kiện bị nước lũ tràn qua Như vậy dạng mặt cắt ngang đê sông an toàn cao ở Nhật Bản hoàn toàn có thể nghiên cứu và ứng dụng cho thích hợp cho đê biển an toàn cao

ở Việt Nam

Song song với gia cố chống sóng tràn cho mái đê phía trong thì các giải pháp cho mái kè phía biển nhằm đảm bảo an toàn của đê biển dưới tác động của sóng bão cũng rất quan trọng Hàng loạt các dạng kết cấu mái kè phía biển có khả năng ổn định trong điều kiện sóng lớn nhưng thân thiện với môi trường sinh thái đã được nghiên cứu áp dụng với sự đẩy mạnh ứng dụng kết hợp công nghệ vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp Xu thế chung hiện nay các dạng cấu kiện khối phủ không liên kết có dạng hình cột trụ đang được áp dụng rộng rãi cho mái kè Ưu điểm nổi bật đã được chứng minh của dạng cấu kiện này là có hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao hơn so với các dạng kết cấu truyền thống khác như liên kết mảng hoặc tấm mỏng thể hiện qua các mặt như mức độ ổn định cao, tính năng bảo vệ linh động với biến dạng nền, dễ thi công và bảo dưỡng, và khả năng thân thiện tốt với môi trường

Vấn đề thứ hai là về điều kiện làm việc và tương tác giữa tải trọng với công trình Đây chính là những giải pháp nhằm giảm thiểu các tác động của tải trọng lên công trình, đặc biệt là của sóng Có thể phân chia các giải pháp này thành hai nhóm chính: một là tôn tạo và giữ bãi/thềm trước đê và hai là giải pháp công trình nhằm giảm sóng hoặc cải thiện điều kiện tương tác sóng và công trình Nhóm giải pháp thứ nhất, chủ yếu tập trung vào giảm thiểu các tác động của sóng trong điều kiện bình thường, có thể là các giải pháp mềm thân thiện với môi trường như nuôi dưỡng bãi (chống xói giữ bãi đê, chân đê), trồng rừng ngập mặn (giảm sóng tăng bồi lắng), hoặc giải pháp cứng như áp dụng hệ thống kè mỏ hàn, hoặc đê chắn sóng xa bờ để giữ bãi Tuy vậy các giải pháp này không thể áp dụng rộng rãi mà còn phụ thuộc điều kiện cụ thể ở từng vùng Ở nhóm giải pháp thứ hai, các biện công trình được được áp dụng với mục đích giảm sóng trong bão từ xa (offshore wave damping barriers, làm sóng vỡ một phần trước khi tới đê) hoặc cản sóng bão trên bờ (onshore wave damping barriers - OWDB) nhằm thay đổi tính chất tương tác giữa sóng với

18 công trình theo hướng giảm tác động bất lợi lên công trình Hình 1-7 và hình 1-8 lần lượt minh họa các giải pháp giảm sóng xa bờ và trên bờ thuộc nhóm giải pháp thứ hai nhằm cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao mức độ an toàn của đê biển

do đó đem lại sự an toàn, bền vững và thân thiện hơn với môi trường, và đặc biệt là

có thể lợi dụng tổng hợp

19

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ta

Việt Nam là một quốc gia nằm trong khu vực ổ bão tây bắc Thái Bình Dương với đường bờ biển dài, tỷ lệ giữa đường bờ biển so với diện tích lục địa là rất lớn

Do vậy hệ thống đê biển của nước ta cũng đã được hình thành từ rất sớm, là minh chứng cho quá trình chống chọi với thiên nhiên không ngừng của người Việt Nam

Hệ thống đê biển đã được xây dựng, bồi trúc và phát triển qua nhiều thế hệ với vật liệu chủ yếu là đất và đá lấy tại chỗ do người địa phương tự đắp bằng phương pháp thủ công

Được sự quan tâm của nhà nước hệ thống đê biển nước ta đã được đầu tư khôi phục và nâng cấp nhiều lần thông qua các dự án PAM 4617, OXFAM, EC, CARE, ADB, và các chương trình đê biển quốc gia, tuy nhiên các tuyến đê biển nhìn chung vẫn còn thấp và nhỏ Đê biển miền bắc thuộc loại lớn nhất cả nước tập trung chủ yếu ở các tỉnh Hải Phòng, Thái Bình và Nam Định Một số tuyến đê biển đã được nâng cấp hiện nay có cao trình đỉnh phổ biến ở mức + 5,5 m (kể cả tường đỉnh) Mặt đê được bê tông hóa 1 phần, nhưng chủ yếu vẫn là đê đất, sình lầy trong mùa mưa bão và dễ bị xói mặt

Mặc dầu có lịch sử lâu đời về xây dựng đê biển nhưng phương pháp luận và

cơ sở khoa học cho thiết kế đê biển ở nước ta còn lạc hậu, chưa bắt kịp với những tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới Bên cạnh đó phương pháp và công nghệ thi công đê biển còn chậm tiến bộ, ít cơ giới hóa Gần đây trong khuôn khổ các đề tài thuộc “Chương trình khoa học công nghệ phục vụ xây dựng đê biển và công trình thủy lợi vùng cửa sông ven biển” (Giai đoạn I từ Quảng Ninh đến Quảng Nam) thực hiện năm 2008-2009, các tiến bộ mới trong kỹ thuật thiết kế và xây dựng đê biển ở trên thế giới đã được nghiên cứu áp dụng với điều kiện cụ thể của nước ta Trong đó đặc biệt là khái niệm sóng tràn lần đầu tiên được xem xét là một tải trọng quan trọng nhất trong tính toán thiết kế đê biển và đã được đưa vào Hướng dẫn thiết kế

đê biển mới thay cho tiêu chuẩn ngành 14TCN-130-2002 Trong phạm vi đề tài nhánh “Nghiên cứu, đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với từng loại đê và phù

20 hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam”, các thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trên mô hình vật lý máng sóng ở Trường ĐH Thủy Lợi đã chứng tỏ việc áp dụng các phương pháp tính toán sóng tràn tiên tiến đang được áp dụng phổ biến hiện nay trên thế giới như TAW (2002) cho điều kiện ở Việt Nam là hoàn toàn phù hợp Đề tài cũng đã đề xuất được phương pháp tính toán thiết kế cùng với các dạng mặt cắt đê biển điển hình phù hợp cho từng vùng địa phương trong khu vực nghiên cứu

Bên cạnh đó, được sự giúp đỡ của các chuyên gia Hà Lan trong khuôn khổ dự

án phối hợp nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật Biển ở Trường Đại học Thủy Lợi, lần đầu tiên một máy xả sóng đã được chế tạo tại Việt Nam với mục tiêu thử nghiệm đánh giá khả năng chịu sóng tràn của đê biển nước ta Từ năm 2008 cho đến nay đã có 02 đợt thực nghiệm hiện trường máy xả sóng với một số đê biển ở các tỉnh Hải Phòng (2008) và Nam Định (2010) và tập trung ở một số dạng mặt cắt ngang đê biển điển hình, đặc biệt là với đê biển có mái trong trồng cỏ Kết quả thí nghiệm cho thấy một số loại cỏ bản địa mọc trên đê biển ở nước ta (Nam Định) mặc

dù không được nôi trồng chăm sóc nhưng vẫn có sức kháng chống xói đến ngạc nhiên (mái cỏ Gà mọc tự nhiên có chất lượng từ xấu đến vừa vẫn có thể chịu được lưu lượng sóng tràn trung bình lên đến 40 l/s/m trong 6 giờ) Sức kháng này tương đương với mái đê phía đồng lát bê tông kết hợp trồng cỏ Vetiver đã thí nghiệm ở Hải Phòng Tương tự như các kết quả thí nghiệm hiện trường ở Hà Lan, vị trí xung yếu nhất vẫn là ở chân đê phía đồng nơi có sự chuyển tiếp địa hình từ mái dốc sang phương ngang

Gần đây việc nghiên cứu áp dụng một số công nghệ vật liệu mới như Consolid, kết cấu neo địa kỹ thuật, nhằm gia tăng ổn định của đê biển hiện có cũng

đã được đề cập đến ở một số đề tài nghiên cứu cấp bộ và nhà nước, điển hình như KC.08 15/06-10 “Nghiên cứu 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”

21 Mặc dù vậy khái niệm đê an toàn cao thân thiện với môi trường vẫn còn khá mới mẻ ở nước ta và chưa có công trình nghiên cứu áp dụng

Như vậy có thể thấy rằng tuy là muộn nhưng việc áp dụng và cập nhật các tiến

bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới vào công tác xây dựng đê biển ở nước ta đã có những bước tiến đáng khích lệ Tuy nhiên cần phải đẩy mạnh hơn nữa những công trình nghiên cứu khoa học để áp dụng một cách hiệu quả các thành tựu này vào trong điều kiện thực tiễn đặc thù của hệ thống đê biển nước ta

Qua phần đánh giá tổng quan, với mục tiêu xây dựng đê biển theo hướng hài hòa với môi trường, công tác xây dựng đê biển ở nước ta còn có một số mặt bất cập như sau:

• Cơ sở khoa học và lý luận thiết kế đê biển vẫn chưa rõ ràng và chưa mang tính hệ thống: bên cạnh các giải pháp về mặt cắt kết cấu đê thì an toàn của công trình cần được xem xét ở mức độ tổng thể hơn cùng với điều kiện làm việc và tương tác giữa tải trọng với công trình Để đảm bảo tính bền vững lâu dài trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng như hiện nay thì đê biển cần được xây dựng trên quan điểm chống đỡ mềm dẻo linh hoạt, ví dụ như chuyển sang nghiên cứu xây dựng đê chịu sóng tràn (đê không thể vỡ) thay vì đê chống sóng tràn (đê có thể bị vỡ), chú ý nhiều hơn nữa đến các giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của tải trọng, tôn tạo giữ bãi đê và đặc biệt là cải thiện tương tác sóng với công trình

• Mặt cắt ngang và kết cấu công trình còn chưa phù hợp: còn nặng về bê tông hóa, ít tính mềm dẻo, khó thi công và bảo dưỡng công trình, ít không gian cho mục tiêu lợi dụng tổng hợp, không thân thiện với môi trường do vậy mức độ bền vững không cao

• Tính lợi dụng tổng hợp của đê biển và vùng đệm thích nghi đa chức năng sau

đê còn chưa được quan tâm đúng mức cho từng vùng

• Công nghệ thi công vẫn còn hạn chế, vẫn nặng thủ công

22

1.4 Kết luận chương 1

Công trình bảo vệ bờ biển được nghiên cứu và xây dựng từ lâu trên thế giới, hình thức kết cấu rất đa dạng và đóng một vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng công trình biển, phục vụ cho việc phát triển kinh tế biển

Công trình bảo vệ bờ biển có rất nhiều dạng, loại khác nhau Mỗi loại có những ưu nhược điểm như nội dung tác giả đã trình bày trong chương I Nó chịu tác động mạnh của môi trường biển, tác động mạnh nhất là sóng biển đặc biệt là khi biển động Tác động của sóng biển lên công trình bảo vệ bờ biển là quá trình thường xuyên liên tục và lâu dài, ngoài ra còn các yếu tố khác tác động lên công trình bảo vệ bờ biển như tác động xâm thực, lực do sóng tàu thuyền gây ra… Trong những cơn bão hoặc thủy triều sẽ gây ra những cơn sóng lớn tác động lên công trình bảo vệ bờ Đó chính là tác nhân chính gây nên những thiệt hại cho bản thân công trình bảo vệ bờ và khu vực được bảo vệ

Lựa chọn giải pháp nào để bảo vệ bờ biển đạt hiệu quả cần phải nghiên cứu các đặc trưng sóng biển để lựa chọn mặt cắt đê biển hợp lý cho từng vùng biển nước

ta Có mặt cắt hợp lý cần phải có công nghệ thi công hợp lý mới có khả năng hiện thực hóa và đạt hiệu quả kinh tế cao đó là những vấn đề cần thiết để tác giả nghiên cứu trong các chương tiếp theo

Qua chương 1, tác giả đã nêu ra cái nhìn tổng quan về sóng biển, sự hình thành của sóng biển và tác động của nó đến công trình Chương 1 đã nêu ra được các dạng mặt cắt công trình bảo vệ bờ biển đã và đang áp dụng tại Việt Nam và trên thế giới Tình hình nghiên cứu khoa học kỹ thuật về các dạng công trình bảo vệ bờ biển của Việt Nam và trên thế giới

23

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ THI CÔNG ĐÊ BIỂN 2.1 Mặt cắt kết cấu các công trình bảo vệ bờ biển thường sử dụng ở Việt Nam

2.1.1 Các tiêu chuẩn thiết kế đê biển

2.1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế đê biển

Tiêu chuẩn thiết kế đê biển là tiêu chuẩn tổ hợp tải trọng triều, sóng mà công trình ddee có thể chịu đựng được một cách an toàn và dựa vào đố để thiết kế đê Việc xác định tiêu chuẩn thiết kế đê biển , trước hết cần căn cứ vào tầm quan trọng của đối tượng bảo vệ, số nhân khẩu và diện tích đất đai được bảo vệ, chia đê biển ra thành các cấp khác nhau, quy định các tiêu chuẩn phòng chống cho các cấp đê, sau

đó tính toán xác định các tần suất lũy tích và chu kỳ lặp của mực nước triều và yếu

tố sóng tương ứng với tiêu chuẩn phòng chống đề ra

Hiện nay ở nước ta tiêu chuẩn dùng để thiết kế đê biển là tiêu chuẩn ngành 14 TCN 130-2002: Hướng dẫn thiết kế đê biển Ban hành ngày 13/8/2002 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

Khi xác định tiêu chuẩn thiết kế đê biển cần sử dụng phương pháp thống kê tần suất năm đối với mực nước biển Ở những nơi có số liệu mực nước triều liên tục trong 20 năm trở lên, dùng trị số mực nước cao nhất năm để tiến hành phân tích tần suất, tìm ra mực nước triều cao với các chu kỳ lặp khác nhau để làm mực nước triều cao thiết kế Như vậy có thể đưa số liệu của các năm quan trắc khác nhau thống nhất vào trong cùng 1 tiêu chuẩn Từ đó, mực nước triều tính ra có một hàm nghĩa thống kê rõ rệt

Sóng thiết kế trong tiêu chuẩn thiết kế bao gồm 2 phương diện:

- Một là, tiêu chuẩn về chu kỳ lặp của sóng thiết kế có nghĩa là con sóng của 1

liệt sóng quy định nào đó, trung bình bao nhiêu năm xuất hiện một lần, đại biểu cho quy luật phân bố thống kê dài kỳ của các yếu tố sóng

- Hai là, tiêu chuẩn về tần suất lũy tích liệt sóng của sóng thiết kế Điều này có

nghĩa là tần suất xuất hiện của một yếu tố sóng nào đó trong liệt sóng bất quy tắc

24 trên mặt biển thực tế, nó đại biểu cho quy luật phân bố thông kê đoản kỳ của yếu tố sóng

Ví dụ: Tiêu chuẩn thiết kế đê biển tỉnh Triết Giang (Trung Quốc) đã quy định chu kỳ lặp của mực nước triều và sóng thiết kế như sau:

Bảng 2.1: Bảng phân cấp đê biển theo chu kỳ lặp

Cấp đê

biển Phạm vi bảo vệ và mức độ quan trọng

Chu kỳ lặp (Năm)

I

- Phạm vi bảo vệ rất lớn, nếu vỡ đê sẽ ảnh hưởng nghiêm

trọng đến nền kinh tế quốc dân

- Phạm vi bảo vệ nhỏ nhưng trong đó có khu công nghiệp

Khi xác định tiêu chuẩn thiết kế cho đê biển cần xét đến các yếu tố sau:

25

- Trong xây dựng đê biển có hiện tượng là sau ít năm, bãi ngoài được bồi cao

và đê biển cũ trở thành tuyến sau, hoặc làm cho điều kiện ở vị trí đê cũ biến đổi lớn Loại đê biển đó có tính chất quá độ Hiển nhiên, so với đê biển vĩnh cửu ở vùng biển ít biến đổi, thì loại đê biển quá độ nên có tiêu chuẩn thiết kế thấp hơn Sự khác nhau về chu kỳ lặp phản ánh sự sai khác về 2 loại đê đó

- Đối với các loại đê có độ nhạy cảm khác nhau đối với tác động phá hoại của sóng tràn qua đỉnh, cũng nên sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau

Đối với loại đê mái nghiêng, đất đắp, mỗi khi sóng tràn qua đỉnh dễ gây xói thân đê, gây ra vỡ đê, chứng tỏ khả năng chống sóng tràn kém Đối với loại đê biển

có phần chính là tường đứng bằng đá xây, cho dù khối nước vượt qua đỉnh có làm cho phần đất đắp trên đỉnh mất hết, phần đê đá vẫn còn duy trì được tính ổn định, không gây ra vỡ đê hoàn toàn Hai loại đê biển có vật liệu và kết cấu khác nhau, cần dùng tần suất lũy tích sóng khác nhau để phản ánh sự khác nhau của chúng

- Thười gian duy trì tác dụng của sóng thiết kế lên đê biển khác nhau cũng tương ứng cho tiêu chuẩn khác nhau Thời gian duy trì tác dụng có nghĩa là thời gian duy trì tốc độ gió trung bình từ cấp 6 trở lên đã xuất hiện hoặc có khả năng xuất hiện trong chu kỳ lặp thiết kế Hơn nữa, trong mỗi quá trình triều cao, mực nước vượt quá mực nước triều báo động và duy trì từ 2 giờ trở lên Do thời gian duy trì tác dụng của sóng thiết kế phản ánh thời gian và lượng nước của sóng có thể vượt qua đỉnh đê, cho nên cũng dùng tần suất khác nhau của lũy tích liệt sóng để phản ánh sự khác nhau về tiêu chuẩn thiết kế

2.1.1.2 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thiết kế đê biển ở Việt Nam hiện nay

- Thành phần, khối lượng khảo sát địa hình phục vụ cho thiết kế đê biển áp dụng tiêu chuẩn ngành 14 TCN 165- 2006 quy định thành phần, khối lượng khảo sát địa hình đối với công trình đê điều

- Thành phần hồ sơ khảo sát địa chất phục vụ cho thiết kế đê biển áp dụng tiêu chuẩn ngành 14 TCN 195-2006 quy định thành phần, khối lượng khảo sát địa chất đối với công trình đê điều

- 14TCN 157 - 2005 Tiêu chuẩn thiết kế đập đất đầm nén

- 14TCN 183 - 2006 Đá xây dựng công trình thuỷ lợi

- 14TCN 4 - 2003 Thành phần, nội dung,khối lượng điều tra khảo sát và tính toán khí tượng thuỷ văn các giai đoạn lập dự án và thiết kế CTTL

- 22TCN 222 - 1995 Tải trọng và tác động (do sóng và do tàu) lên công trình thủy

- 14TCN 118 - 2002 Thành phần, nội dung và khối lượng lập các dự án đầu tư thuỷ lợi

- 14TCN 119 - 2002 Thành phần,nội dung và khối lượng lập thiết kế công trình thuỷ lợi

- 14TCN 142 - 2004 Kết cấu bêtông và bêtông cốt thép công trình thủy lợi vùng ven biển

- Các quy định chủ yếu về thiết kế - vật liệu - thi công và vận hành công trình

2 1.2 Xác định các thông số, điều kiện thiết kế

2.1.2.1 Tài liệu địa hình

- Phải thu thập hoặc đo đạc bình đồ tổng thể toàn khu vực dự án tỷ lệ 1/1000 với độ chênh lệch các đường đồng mức 1÷2m với thời gian đo không trên 5 năm đối với vùng bãi trước đê ổn định và không trên 1 năm đối với vùng bãi đang bồi hoặc xói Phạm vi đo đạc ít nhất 100m về hai phía biển và phía đồng;

- Phải thu thập hoặc đo đạc mặt cắt ngang theo tuyến đê dự kiến tỷ lệ đứng 1/200 ÷ 1/500 và ngang 1/1000 ÷ 1/2000 Với khoảng cách 100m một mặt cắt đối với địa hình bằng phẳng và 20 ÷ 50m đối với địa hình thay đổi và chiều rộng trong

27 phạm vi từ điểm cách chân đê dự kiến về phía biển 200m đến điểm cách chân đê phia đồng 50m

- Đối với vùng bờ biển thường xuyên bị xói lở, cần thu thập các tài liệu lịch sử

về diễn biến của đường bờ ít nhất là 20 năm so với thời điểm lập dự án;

- Đối với vùng đất yếu phải đo đạc lập được bình đồ tỷ lệ 1/500 ÷ 1/1000 với chênh lệch các đường đồng mức 0,50m dọc theo các phương án tuyến qua vùng đất yếu Trường hợp vùng đất yếu phân bố rộng lớn (như vùng đầm lầy ) thì cũng có thể sử dụng phương pháp đo đạc hàng không để biết được địa hình, địa mạo của cả khu vực Trong giai đoạn này, các mặt cắt dọc và mặt cắt ngang phục vụ cho việc thiết kế tính toán đê đắp trên đất yếu có thể được xác định dựa trên bình đồ địa hình

2.1.2.2 Tài liệu địa chất

- Phải tiến hành khoan địa chất và lấy được mẫu đất ở gần chân mái, giữa mái

và trên đỉnh mái Các chỉ tiêu cơ lý cần có:

28 Với tài liệu địa chất đã biết giúp cho người thiết kế chọn hệ số mái bảo vệ mái một cách hợp lý, đồng thời xét được tính chất thấm nước từ thân bờ thoát nước lọc ngược hay không, kết hợp với tài liệu diễn biến nước ngầm để xác định khả năng nước thấm thoát ra

- Phương pháp khảo sát phải kết hợp thăm dò không lấy mẫu (bằng các thiết

bị khoan xoắn, xuyên tĩnh hoặc cắt cánh tại hiện trường) và thăm dò có lấy mẫu (băng thiết bị khoan lấy mẫu nguyên dạng đem về thí nghiệm trong phòng) sao cho tiết kiệm nhất Với diện thăm dò rộng trong giai đoạn lập dự án đầu tư nên tận dụng tối đa các biện pháp thăm dò không lấy mẫu thí nghiệm ở mức độ tối thiểu Trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật và thiết kế chi tiết lập bản vẽ thi công phải bổ sung bằng biện pháp khoan lấy mẫu,chỉ bổ sung thăm dò không lấy mẫu khi thật cần thiết Vị trí và số lượng các điểm thăm dò phải do chủ nhiệm dự án quyết định sau khi có dự kiến các phương án thiết kế

- Khảo sát đia chất nhằm để làm rõ các vấn đề sau: Loại đất và độ sâu phân bố các lớp đất yếu (như cát pha, sét pha và than bùn), các lớp đất cứng (như cát, sét cứng), rất cứng (như cát kết thạch anh, đá gốc); Các tính chất cơ học có liên quan đến tính toán cường độ và biến dạng; Trạng thái nước ngầm; Khuyến cáo cơ chế hư hỏng

2.1 2.3 Tài liệu khí tượng, thủy, hải văn

- Mực nước kiệt nhất bình quân nhiều năm, mực nước lũ cao nhất, chiều cao sóng lớn nhất, lưu tốc dòng chảy bình quân mùa kiệt, lưu tốc dòng chảy lớn nhất mùa lũ

- Tài liệu thu thập, thống kê tình hình ảnh hưởng của bão và các thiên tai ở vùng biển thuộc khu vực dự án;

- Dự báo tình hình thiên tai;

- Tài liệu về thủy triều, dòng ven, vận chuyển bùn cát, nước dâng, sóng, dòng

lũ (bao gồm cả tài liệu thu thập và đo mới)

29

2.1 2.4 Tài liệu dân sinh, kinh tế và môi trường

- Thu thập, thống kê tài liệu về dân số hiện có và xu thế phát triển, tình hình kinh tế hiện trạng và phương hướng phát triển, tình hình môi trường và đánh giá mức độ ảnh hưởng trong tương lai

- Yêu cầu và sự cấp thiết xây dựng công trình

2.1 2.5 Cấp công trình của đê

Căn cứ vào dân số và diện tích vùng được bảo vệ, đê biển được chia thành 5 cấp theo bảng sau:

Bảng 2.2: Cấp công trình của đê biển

Lớn hơn hoặc bằng 10.000 ha

Từ 5.000 đến dưới 10.000 Từ 3.000 đến dưới 5.000 Nhỏ hơn 3.000

Từ cấp công trình của đê, khi thiết kế tra theo TCVN 285-2002 sẽ có được các

hệ số thiết kế tương ứng với cấp công trình của đê

2.1.3 Các bước thiết kế công trình bảo vệ bờ biển

- Xác định thông số đầu vào phục vụ thiết kế bao gồm số liệu gió (tốc độ gió, hướng gió, đà gió, cao độ gió trên mực nước biển), mực nước thiết kế và chiều cao sóng thiết kế cùng chu kì sóng Tmứng với hoàn kỳ nhất định TR

- Tính toán sóng tràn qua đỉnh công trình

- Tính toán xói chân công trình

- Xác định kích thước khối bảo vệ mái các loại (đá, khối bê tông, đệm mềm bê tông, asphalt…)

- Tính toán chiều dày các lớp bảo vệ mái

Zđ - cao trình đỉnh đê thiết kế, m;

Ztk - cao trình mực nước thiết kế là cao trình mực nước biển ứng với tần suất thiết kế (tổ hợp của tần suất mực nước triều và tần suất nước dâng do bão gây ra)

Mực nước thiết kế được tính sẵn thể hiện bằng các đường tần suất tại các vị trí dọc bờ biển Khi sử dụng tra cứu từ các biểu đồ này,người sử dung cần lưu ý:

- Sử dụng biểu đồ ở vị trí gần nhất so với vị trí thiết kế để tra cứu theo phương pháp nội dung giữa 2 vị trí liền kề

- Trong một tuyến đê thiết kế, nếu có nhiều vị trí tra cứu thì lấy mực nước cao nhất làm mực nước thiết kế;

- Cần so sánh với mực nước thực tế ở khu vực thiết kế để quyết định

Phương pháp xác định mực nước thiết kế được thể hiện ở phụ lục A

Rsl - chiều cao sóng leo thiết kế (m)

s

α

α: Góc của mái đê

Trong trường hợp mái đê có hai hệ số mái khác nhau, tính quy đổi theo công thức:

L, B là chiều dài được xác định theo hình 2-1

Hình 2-1 : Độ dốc quy đổi tính sóng leo

H s