Nghiên cứu hiệu quả của đê ngầm đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng tác động vào bờ biển Việt Nam

Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu Hs,i-max m Chiều cao sóng lớn nhất trước đê ngầm – dùng trong thiết kế kích thước hình học đê Hs,0 m Chiều cao sóng nước sâu Hs,t m Chiều cao sóng sau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VIẾT TIẾN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH TIÊU HAO NĂNG LƯỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN

VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VIẾT TIẾN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN QUÁ TRÌNH TIÊU HAO NĂNG LƯỢNG SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN

VIỆT NAM

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 62 58 40 01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS.TS Thiều Quang Tuấn

2 GS.TS Lê Kim Truyền

HÀ NỘI, NĂM 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất

kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Viết Tiến

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ này được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Thiều Quang Tuấn và GS.TS Lê Kim Truyền Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành cuốn luận án này Tác giả xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả của các công trình nghiên cứu đã công bố mà tác giả đã trích dẫn trong luận án, cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô Khoa Công trình, Khoa Kỹ thuật Biển – trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh được thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, đặc biệt là nhóm cộng tác nghiên cứu vì đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi, hỗ trợ thực hiện việc quan trắc thu thập dữ liệu thí nghiệm, triển khai nghiên cứu tại phòng thí nghiệm

Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình và những người bạn thân thiết vì đã động viên để nghiên cứu sinh duy trì nghị lực, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh của cuộc sống trong cả quá trình để hoàn thành luận án

Tác giả luận án

Nguyễn Viết Tiến

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN xii

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2.Mục tiêu nghiên cứu của luận án 3

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4.Nội dung nghiên cứu 3

5.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM 6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.1.1 Đê ngầm và ứng dụng đê ngầm 6

1.1.2 Điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nước ta 10

1.1.3 Khả năng ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam 16

1.1.4 Khái niệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm và bãi trước 17

1.2 Tình hình nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trên thế giới 19

1.3 Tình hình nghiên cứu về đê ngầm ở Việt Nam 25

1.4 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ HÌNH TOÁN VỀ XU THẾ VÀ MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI ĐẾN HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM 28

2.1 Mục tiêu nghiên cứu mô hình toán 28

2.2 Các quá trình vật lý ảnh hưởng tới sự tiêu hao năng lượng sóng khi đi qua đê ngầm và xác định các tham số chi phối 28

2.3 Nghiên cứu mô hình toán nhằm đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu

tố chi phối tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 32

2.3.1 Lựa chọn mô hình toán mô phỏng lan truyền sóng qua đê ngầm 32

2.3.2 Mô hình P-COULWAVE 32

2.3.3 Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình 35

2.3.4 Kịch bản mở rộng đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 40

2.4 Kết luận Chương 2 46

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VỀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA ĐÊ NGẦM 48

3.1 Mục tiêu thí nghiệm 48

3.2 Lý thuyết tương tự và tỷ lệ mô hình 48

3.3 Ứng dụng phương pháp phân tích thứ nguyên để thiết lập các phương trình tổng quát thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 49

3.4 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm 52

3.4.1 Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc 52

3.4.2 Mô hình đê và bãi trước 53

3.4.3 Bố trí mô hình 53

3.5 Chương trình thí nghiệm 54

3.5.1 Kịch bản thí nghiệm 54

3.5.2 Trình tự thí nghiệm và số liệu đo đạc 55

3.6 Xây dựng công thức tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 57

3.6.1 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố chi phối 57

3.6.2 Xây dựng công thức thực nghiệm 60

3.6.3 So sánh mức độ tin cậy với các nghiên cứu trước 64

3.6.4 Phạm vi ứng dụng của các công thức thực nghiệm của luận án 68

3.7 Kết luận Chương 3 69

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH MẶT CẮT NGANG THIẾT KẾ CỦA ĐÊ NGẦM THEO CHỨC NĂNG - ÁP DỤNG CHO THIẾT KẾ ĐÊ NGẦM TẠI PHÚ THUẬN, THỪA THIÊN

HUẾ 71

4.1 Giới thiệu chung 71

4.2 Xác định chức năng thiết kế của đê ngầm 71

4.2.1 Đê ngầm giảm sóng bão 72

4.2.2 Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thường 73

4.3 Đề xuất phương pháp xác định kích thước mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng thiết kế 74

4.3.1 Bề rộng đỉnh đê 74

4.3.2 Xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức năng giảm sóng bão 74

4.3.3 Xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thường 77

4.4 Áp dụng tính toán lựa chọn kích thước mặt cắt ngang đê ngầm Phú Thuận – Thừa Thiên Huế 79

4.4.1 Hiện trạng khu vực công trình 79

4.4.2 Nguyên nhân gây xói lở và đề xuất giải pháp 80

4.4.3 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng trong bão 81

4.4.4 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng thường 84

4.5 Kết luận chương 4 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

I Kết quả đạt được của luận án 91

1 Nghiên cứu tổng quan 91

2 Nghiên cứu bằng mô hình toán 91

3 Nghiên cứu thực nghiệm 92

4 Nghiên cứu ứng dụng 93

II Những đóng góp mới của luận án 93

III Tồn tại và hướng phát triển 94

1 Những tồn tại 94

2 Hướng phát triển 94

IV Kiến nghị 94

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 101

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 Tác động của sóng bão đối với công trình đê kè ở Hải Phòng (bão số 2 6/2013)

2

Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014 2

Hình 3 Sạt lở bờ biển Cà Mau 2

Hình 1.1 Bố trí công trình đê ngầm giảm sóng [1] 6

Hình 1.2 Một số ví dụ về công trình đê ngầm trên thế giới (nguồn Internet) 8

Hình 1.3 Hình ảnh một số đê ngầm đã xây dựng ở Việt Nam 9

Hình 1.4 Đường đi của 50 cơn bão và áp thấp nhiệt đới điển hình đổ bộ vào khu vực miền Trung, Việt Nam (1959 – 2009) [9] 13

Hình 1.5 Đặc trưng sóng khí hậu tại vùng bờ biển Trung Bộ và Bắc Trung Bộ nước ta dựa trên số liệu quan trắc nhiều năm của NOAA (1997 - 2009) [11] 15

Hình 1.6 Sơ đồ khái niệm xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 17

Hình 1.7 Tương quan của chỉ số sóng vỡ và hệ số truyền sóng [20] 21

Hình 1.8 Hệ số truyền sóng qua đê đỉnh hẹp bởi Van der Meer (1991) [23] 22

Hình 1.9 Hệ số truyền sóng qua đê: so sánh kết quả giữa đo đạc (cơ sở dữ liệu) và tính toán (các công thức (1.10) và (1.11)) [26] [24] 24

Hình 2.1 Các quá trình vật lý tiêu hao năng lượng sóng khi qua đê ngầm 29

Hình 2.2 Sự thay đổi hình dạng phổ sóng do ảnh hưởng của bãi nông [15] 30

Hình 2.3 Tiêu năng trong sóng vỡ tương tự như nước nhảy [33] 31

Hình 2.4 Không gian tính toán và các biên của mô hình 35

Hình 2.5 Cơ chế hấp thụ của lớp hấp thụ sóng số Sponge 35

Hình 2.6 Ví dụ về biểu diễn kết quả quá trình lan truyền sóng qua đê ngầm 35

Hình 2.7 Mô hình đê ngầm trong mô hình toán 36

Hình 2.8 Độ nhạy của các tham số đối với kết quả tính toán (KD-H15T20) 37

Hình 2.9 So sánh chiều cao sóng Hm0 giữa đo đạc và tính toán bằng mô hình 38

Hình 2.10 So sánh đường quá trình sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mô hình vật lý và mô hình toán (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20 39

Hình 2.11 So sánh phổ sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mô hình vật lý và mô hình toán (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20 39

Hình 2.12 Ảnh hưởng của độ ngập tương đối S/Hm0 đến hiệu quả giảm sóng của đê 41

Hình 2.13 Mặt cắt tính toán trong trường hợp bề rộng đỉnh đê thay đổi 42

Hình 2.14 Ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê tương đối B/LP đến hiệu quả giảm sóng của đê 42

Hình 2.15 Mặt cắt tính toán trong khi hệ số mái đê thay đổi 43

Hình 2.16 Ảnh hưởng của hệ số mái đê đến hiệu quả giảm sóng 44

Hình 2 17 Mặt cắt tính toán khi thay đổi độ dốc bãi trước 44

Hình 2.18 Hiệu quả giảm sóng của đê khi độ dốc bãi trước thay đổi 45

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí nghiệm đê ngầm giảm sóng trên bãi trước 54

Hình 3.2 Hình ảnh thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 55

Hình 3.3 Quan hệ ( ~ S/Hm0) của đê ngầm ứng với các bề rộng đỉnh đê khác nhau 58

Hình 3.4 Quan hệ ( ~ B/LP) của đê ngầm ứng với các độ ngập nước S khác nhau 59

Hình 3.5 Quan hệ ( ~ 0m) của đê ngầm ứng với các trường hợp bề rộng đỉnh đê và độ ngập nước S khác nhau: (a) B = 0,40 m (b) B = 0,80 m (c) B = 1,20 m 60

Hình 3.6 Xác định n1 và n2 bằng phương pháp phân tích mức độ hồi quy 61

Hình 3.7 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 62

Hình 3.8 Xác định hệ số mũ c2 trong phương trình (3.17) 63

Hình 3.9 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm (đo đạc và tính toán) 64

Hình 3.10 So sánh mức độ tin cậy giữa hai phương pháp tính toán hiệu quả giảm sóng của đê ngầm của luận án 65

Hình 3.11 So sánh mức độ tin cậy với phương pháp của Van der Meer (1991) 65

Hình 3.12 So sánh mức độ tin cậy với phương pháp của d'Angremond và nnk (1996) và Van der Meer và nnk(2005) (DELOS) trường hợp đê không thấm, mái nhẵn 66

Hình 3.13 So sánh với phương pháp của Van der Meer và nnk (2005) cho đê đá đổ 67

Hình 3 14 So sánh với phương pháp của Viện KHTL Nam Kinh (2001) cho đê đá đổ 68

Hình 4.1 Chu trình thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm 72

Hình 4.2 Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng bão 73

Hình 4.3 Làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng trong điều kiện thường 73

Hình 4.4 Hiện trạng sạt lở bờ biển cồn cát khu vực thôn An Dương - Phú Thuận 80 Hình 4.5 Đê ngầm giảm sóng bão (a) Vị trí xây dựng đê ngầm trên mặt cắt ngang bãi

biển (b) Phân bố chiều cao sóng ngang bờ tới trước đê 82 Hình 4.6 Các quan hệ về kích thước mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A 83 Hình 4.7 Quan hệ giữa độ ngập và bề rộng đỉnh đê tối thiểu theo cấu tạo (S ~ Bmin) 83 Hình 4.8 Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng thường trên mặt cắt ngang bãi biển 85 Hình 4.9 Đường tần suất lũy tích mực nước triều tại khu vực công trình (Ztr ~ p) [44]85 Hình 4.10 Vị trí hoa sóng khí hậu nước sâu ngoài khơi Phú Thuận [9] 85 Hình 4.11 Phân bố chiều cao sóng bão ngang bờ tới trước đê ngầm giảm sóng thường 86 Hình 4.12 Các quan hệ về kích thước mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A (c) (S ~ Bmin) theo điều kiện sóng bão 89

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Độ dốc bãi biển ở các vùng bờ biển của Việt Nam [12] 12

Bảng 1 2 Tần suất mực nước dâng ở vùng biển Bắc vĩ tuyến 160N (P%) [10] 14

Bảng 2.1 Các kịch bản thí nghiệm dùng cho kiểm định và hiệu chỉnh mô hình toán 36

Bảng 2.2 Kết quả kiểm định chiều cao sóng Hm0 tại các vị trí WG1 và WG2 38

Bảng 2.3 Các trường hợp tính toán mở rộng 40

Bảng 2.4 Hiệu quả giảm sóng tương ứng với các độ ngập tương đối khác nhau 41

Bảng 2.5 Ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 42

Bảng 3.1 Tương quan tỷ lệ của một số đại lượng vật lý cơ bản theo luật Froude [38] 48 Bảng 3.2 Chương trình thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 54

Bảng 3.3 Các bước thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm 56

Bảng 4 1 Các tham số thiết kế đê ngầm giảm sóng bão Phú Thuận - Huế 82

Bảng 4 2 Điều kiện sóng tới khí hậu nhiều năm tại vị trí xây dựng đê ngầm tính toán từ NOAA [9] 87

Bảng 4 3 Các tham số đầu vào thiết kế đê ngầm giảm sóng thường Phú Thuận - Huế 88

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

FVM (Finite Volume Method): Phương pháp phần tử khối

Hướng S, N, E, W: Hướng Nam, Bắc, Đông, Tây

JONSWAP (Joint North Sea Wave Project): Dự án nghiên cứu sóng biển Bắc

NLSW: Non-linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông

CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

At m2 Diện tích mặt cắt cắt ngang đê ngầm

D m Độ sâu nước tại vị trí đê ngầm

D’ m Độ sâu nước tại vị trí đê ngầm có kể đến nước dềnh

Hi m Chiều cao sóng tới trước đê (Hi = Hs,i)

Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu

Hs,i-max m Chiều cao sóng lớn nhất trước đê ngầm – dùng

trong thiết kế kích thước hình học đê

Hs,0 m Chiều cao sóng nước sâu

Hs,t m Chiều cao sóng sau đê ngầm

 H s E m Chiều cao sóng bão tối đa cho phép để đảm bảo an

toàn cho các công trình bảo vệ bờ phía sau đê ngầm

m Chiều cao sóng tối đa cho phép phía sau đê theo

chức năng thiết kế của đê

Kt - Hệ số truyền sóng qua đê ngầm

K - Hệ số xếp lớp phụ thuộc loại khối phủ và phương

pháp thi công

Lm m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ trung bình

L0 m Chiều dài sóng nước sâu

LP m Chiều dài sóng tính theo chu kỳ phổ

pi % Tần suất xuất hiện của từng lớp sóng tới

% Tần suất xuất hiện chiều cao sóng tới không lớn

hơn chiều cao sóng tới tính toán

% Tần suất xuất hiện chiều cao sóng sau đê không lớn

hơn chiều cao sóng cho phép

Ký hiệu Đơn vị Tên gọi của ký hiệu

% Tần suất mức bảo đảm mực nước triều không lớn

hơn mực nước triều thiết kế đê ngầm

% Tần suất mức bảo đảm chiều cao sóng sau đê không

lớn hơn chiều cao sóng cho phép

Rc m Chiều cao lưu không phía trên mực nước tính toán

của đê chắn sóng (đê nhô Rc> 0, đê ngầm Rc< 0)

S/HS - Độ ngập tương đối của đê ngầm

B/Lm - Bề rộng tương đối của đỉnh đê

,

( t r tr tk)

p Z Z

 P a

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống công trình bảo vệ bờ ở nước ta trong đó có đê biển đang đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho hàng chục triệu dân cư cùng với đất đai vùng ven biển Tuy nhiên, các công trình bảo vệ bờ hiện nay phần lớn vẫn chỉ là dạng công trình

kè hoặc kè kết hợp với đê biển Đây là dạng công trình bảo vệ truyền thống mang tính thụ động với tải trọng, trong khi đó vấn đề mất an toàn công trình đê điều và xâm thực

từ phía biển đang ngày gia tăng với mức độ nghiêm trọng ở nhiều địa phương đòi hỏi chúng ta cần có những giải pháp khắc chế hiệu quả Ngoài ra, trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng như hiện nay thì việc nâng cấp và củng cố dạng các công trình bảo vệ truyền thống nhằm thích ứng với điều kiện tải trọng mới cũng đang gặp nhiều trở ngại và tốn kém

Một số ví dụ điển hình về các hư hỏng đối với công trình đê điều do bão số 7 năm

2005 ở Nam Định hay do bão số 2 năm 2013 gây ra ở Hải Phòng (xem Hình 1),… Trong những năm gần đây, bờ biển Cửa Đại, thị xã Hội An đã bị sóng biển xâm thực sâu vào đất liền cuốn theo nhiều công trình bảo vệ bờ cùng với cơ sở hạ tầng xuống biển (riêng năm 2014 biển đã lấn sâu vào khoảng 30 m, kéo dài hơn 700 m từ bãi tắm Cửa Đại đến khách sạn Victoria)(xem Hình 2) Tại Cà Mau, sạt lở bờ biển cũng xảy ra nghiêm trọng liên tục trong nhiều năm nay, toàn tỉnh hiện có khoảng 80% chiều dài bờ biển phía Đông và biển Tây bị sạt lở; trong đó có 41 km sạt lở ở mức nghiêm trọng, bốn đoạn sạt lở đặc biệt nghiêm trọng với tổng chiều dài 17 km (xem Hình 3)

Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau cơn bão số 7 năm 2005, nhiều địa phương (đặc biệt là Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ) đã mạnh dạn hơn trong việc ứng dụng các giải pháp như công trình đê ngầm giảm sóng bảo vệ đê biển, mỏ hàn gây bồi chống xói lở

bờ biển Các tỉnh ở khu vực Nam Bộ đã thử nghiệm xây dựng một số công trình đê ngầm nhằm giảm sóng, gây bồi, bảo vệ rừng ngập mặn bằng những kết cấu và vật liệu khác nhau như cọc ống bê tông ly tâm chèn đá hộc (Cà Mau), kè mềm bằng túi vải địa

kỹ thuật (Bạc Liêu), cọc tràm kết hợp bó cành cây (Sóc Trăng)… Các công trình thử nghiệm này đã đạt được những kết quả ban đầu đáng khích lệ, nhưng vẫn còn rất hạn chế do chưa được dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng và lý luận thiết kế xây dựng một

cách đầy đủ

(a) Sóng tràn qua đỉnh đê Cát Hải (b) Tường kè Đồ Sơn bị phá hỏng

Hình 1 Tác động của sóng bão đối với công trình đê kè ở Hải Phòng (bão số 2 6/2013)

Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014

a) Sạt lở ở Biển Tây b) Sạt lở ở đất mũi Cà Mau

khí hậu và nước biển dâng đang gia tăng trên toàn cầu

Thực tế, áp dụng các công trình dạng đê ngầm thử nghiệm ở một số địa phương đã cho thấy hiệu quả và khả năng ứng dụng không thể phủ nhận của dạng công trình này ở nước ta Tuy nhiên, để có thể áp dụng một cách hiệu quả theo chức năng thiết kế của dạng công trình này thì cần phải có nghiên cứu đánh giá một cách đầy đủ hiệu quả giảm sóng của chúng Cho đến nay, mới chỉ có một vài nghiên cứu áp dụng thử nghiệm ở một số dự án, tuy nhiên chưa có một nghiên cứu tổng thể với mục đích nêu trên có gắn với điều kiện tự nhiên đặc thù của nước ta

Vì vậy, đề tài luận án với nội dung nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trong điều kiện Việt Nam để có thể áp dụng giải pháp này một cách hiệu quả cho mục đích bảo vệ bờ biển do vậy rất có ý nghĩa thực tiễn và mang tính cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu cơ sở khoa học về cơ chế giảm sóng của đê ngầm trong chức năng bảo vệ

bờ biển, đề xuất được phương pháp đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phù hợp với điều kiện tự nhiên bờ biển Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Đê ngầm và hiệu quả giảm sóng của nó

- Phạm vi nghiên cứu: Đê ngầm có dạng mặt cắt thực dụng hình thang, kết cấu không (hoặc ít) thấm, xây dựng trên bãi ở khu vực nước nông ven bờ thuộc vùng biển Bắc Bộ

và Bắc Trung Bộ

4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu cơ bản sau đây:

- Nghiên cứu tổng quan về các thành tựu nghiên cứu trong nước và trên thế giới về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, phân tích các tồn tại và đặt vấn đề nghiên cứu cho luận án;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đánh giá các điều kiện tự nhiên đặc thù vùng bờ biển khu vực nghiên cứu ở nước ta;

- Sử dụng mô hình toán được kiểm định để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;

- Thiết kế và xây dựng mô hình, xây dựng kịch bản và thực hiện các thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;

- Xây dựng công thức thực nghiệm về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm có gắn với điều kiện tự nhiên vùng bờ biển khu vực nghiên cứu;

- Vận dụng kết quả nghiên cứu để đề xuất chu trình và phương pháp tính toán xác định kích thước hình học mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng thiết kế Áp dụng thiết kế

đê ngầm bảo vệ bờ biển chống sạt lở tại khu vực An Dương, Phú Thuận, Thừa Thiên Huế

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.2 Các phương pháp sử dụng trong luận án

- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài

liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết đến luận án, từ đó tìm ra những vấn đề mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ;

- Phương pháp mô hình toán: Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình toán với một số kết

quả thí nghiệm mô hình vật lý Sử dụng mô hình đã kiểm định để tính toán cho các kịch bản mở rộng để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm trên mô hình vật lý để xác định

mối quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản Xử lý số liệu để thiết lập công thức thực nghiệm và xác định các thông số cần thiết;

- Phương pháp chuyên gia: Sử dụng phương pháp chuyên gia để xin ý kiến, góp ý cho

quá trình và kết quả nghiên cứu liên quan đến luận án;

- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Vận dụng các kết quả nghiên cứu để đề xuất

chu trình và phương pháp tính toán xác định kích thước hình học mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng Áp dụng cho đê ngầm tại An Dương - Phú Thuận - Thừa Thiên Huế

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của các tham số chính chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, đặc biệt là các yếu tố mang tính đặc thù về điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nước ta Vận dụng sáng tạo kết quả nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, lần đầu tiên một chu trình và phương pháp tính toán xác định kích thước mặt cắt ngang phù hợp với chức năng thiết kế của công trình đã được xây dựng, giải quyết được một vấn đề thực tiễn còn nhiều vướng mắc trong chỉ dẫn thiết kế công trình đê ngầm

Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể được dùng để tham khảo trong đánh giá hiệu quả giảm sóng, tính toán thiết kế đê ngầm theo chức năng, góp phần nâng cao

hiệu quả áp dụng dạng công trình này ở nước ta

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong bốn chương bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về đê ngầm và hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;

Chương 2: Nghiên cứu bằng mô hình toán về xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu

tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;

Chương 3: Nghiên cứu trên mô hình vật lý về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;

Chương 4:Nghiên cứu đề xuất chu trình tính toán và phương pháp tính toán xác định mặt cắt ngang thiết kế của đê ngầm theo chức năng - Áp dụng cho thiết kế đê ngầm tại Phú Thuận, Thừa Thiên Huế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG

CỦA ĐÊ NGẦM

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Đê ngầm và ứng dụng đê ngầm

1.1.1.1.Khái niệm đê ngầm giảm sóng

Đê ngầm là thuật ngữ dịch từ tên tiếng Anh Submerged Breakwater, dùng để chỉ dạng

công trình đê chắn sóng có đỉnh ngập dưới mực nước thiết kế theo chức năng Đê ngầm có tác dụng tiêu hao một phần năng lượng sóng khi truyền qua đê và do vậy có thể được thiết kế làm giảm chiều cao sóng tới trước mục tiêu bảo vệ, làm giảm tốc độ dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ dẫn tới giảm khả năng xói bờ, gây bồi, tạo bãi Cao trình đỉnh đê được xác định tùy theo chức năng và mức độ giảm sóng yêu cầu

Đê ngầm thường được bố trí song song với đoạn bờ biển được bảo vệ và có thể làm việc độc lập (một đê) hoặc theo nhóm (nhiều đê cách quãng) hoặc kết hợp với các dạng công trình bảo vệ bờ khác tạo thành một hệ thống để đạt được mục tiêu xây dựng (xem Hình 1.1) Trên mặt bằng loại công trình này được bố trí cách bờ với một khoảng cách nhất định tùy theo chức năng yêu cầu, nên còn được gọi và xếp loại theo nhóm

Detached Breakwater hoặc Offshore Breakwaters

Hình 1.1 Bố trí công trình đê ngầm giảm sóng[1]

Ở nước ta, trong tiêu chuẩn ngành 14 TCN 130-2002 dạng công trình này được gọi chung là đê giảm sóng[2] Đây cũng chính là loại đê ngầm mà luận án lấy làm đối

tượng chủ yếu để nghiên cứu

Đê ngầm trong quá trình vận hành có thể chịu tác động của sóng trong nhiều điều kiện khác nhau (thường, bão, hoặc gió mùa) Tùy theo chức năng yêu cầu mà đê ngầm có thể được thiết kế ngập nước hoàn toàn hoặc chỉ ngập trong một khoảng thời gian nhất định tùy theo dao động của mực nước (triều, nước dâng)

1.1.1.2 Thực tiễn sử dụng đê ngầm trên thế giới

Theo thống kê của chương trình nghiên cứu xây dựng công trình đỉnh thấp của liên minh Châu Âu (DELOS từ 1998 đến năm 2002) [3] , tại Châu Âu số lượng đê ngầm đã xây dựng chiếm tới 66% dạng công trình chủ động bảo vệ bờ biển [4] Các công trình đê ngầm được xây dựng nhiều nhất là ở Anh, Ý và Tây Ban Nha Tại Mỹ, đê ngầm đã được xây dựng 235 chiếc trong 24 công trình tôn tạo bãi tắm biển Tại Nhật Bản, năm

1960 bắt đầu xây dựng các đê ngầm đầu tiên và cho thấy hiệu quả bảo vệ bờ rất rõ rệt Cho đến năm 1996, Nhật Bản đã có 7371 đê ngầm, Srilanka cũng là một quốc gia sử dụng nhiều đê ngầm để bảo vệ bờ biển với 9 hệ thống, 46 đê Ngoài ra một số quốc gia khác cũng đã áp dụng loại công trình này khá sớm như Trung Quốc, Ấn Độ, Singapore

…[4] Hình 1.2 là một số hình ảnh minh họa về công trình đê ngầm bảo vệ bờ biển đã được xây dựng ở một số quốc gia trên thế giới

1.1.1.3 Thực tiễn ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam

Ở nước ta trong một số năm gần đây, công trình dạng đê ngầm đã bước đầu được đưa vào sử dụng dưới dạng một số hình thức kết cấu và công năng khác nhau Tính từ Bắc vào Nam đến nay đã xây dựng được một số công trình điển hình sau đây:

+ Năm 2013, hai đoạn đê ngầm dài 100 m bằng khối Tetrapod đã được xây dựng để bảo vệ, gia tăng an toàn cho đê biển khu vực thị trấn Cát Hải, thành phố Hải Phòng (Hình 1.3a);

+ Năm 2007, hệ thống công trình đê chắn sóng chữ T ở huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định được xây dựng nhằm gây bồi, giữ bãi và chân đê biển ( Hình 1.3 b);

+ Năm 2010, đê ngầm dài 300 m được xây dựng ở xã Khánh Tiến, huyện U Minh, tỉnh

Cà Mau với mục đích bảo vệ chống xói cho rừng ngập mặn Đê có kết cấu cọc bê tông cốt thép ly tâm, ở giữa xếp rọ đá Từ đó đến nay loại công trình này đã được nhân rộng

ở nhiều nơi, tổng chiều dài lên đến 6 km (Hình 1.3 c và d);

+ Năm 2012, đê ngầm bằng ống địa kỹ thuật dài 1056 m được xây dựng ở Bạc Liêu cũng nhằm bảo vệ chống xói cho rừng ngập mặn ( Hình 1.3 e);

+ Năm 2012, dưới sự hỗ trợ của chính phủ Đức các đê ngầm giảm sóng gây bồi bằng cọc tre , cọc tràm đã được xây dựng ở Trung Bình (Sóc Trăng) và Tân Thành (Tiền Giang) (Hình 1.3 f)

a) Hiệu quả giảm sóng bão của đê ngầm

a) Đê ngầm Tetrapod ở Cát Hải, Hải

dựng năm 2010

đ) Đê ngầm ống địa kỹ thuật ở Nhà

Mát, Bạc Liêu, xây dựng năm 2012

e) Đê ngầm bằng cọc tre ở Sóc Trăng

xây dựng năm 2012

Hình 1.3 Hình ảnh một số đê ngầm đã xây dựng ở Việt Nam

Có thể thấy rằng mặc dù đây mới chỉ là những công trình thử nghiệm nhưng đã đem lại những kết quả ban đầu không thể phủ nhận về tính hiệu quả và khả năng ứng dụng dạng công trình này ở nước ta

1.1.1.4 Các vấn đề nghiên cứu về đê ngầm

Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới về đê ngầm nhằm nâng cao chất lượng công tác

xây dựng, phát huy được hiệu quả và công năng thiết kế của dạng công trình này Các nghiên cứu về đê ngầm đã kế thừa rất nhiều thành quả nghiên cứu về công trình đê chắn sóng nói chung với ba hướng nghiên cứu cơ bản sau đây:

a) Nguyên lý làm việc và bố trí không gian của đê ngầm

Các nghiên cứu theo hướng này nhằm phát hiện ra các quy luật, hiện tượng vật lý liên quan đến các quá trình thủy động lực hình thái,…xảy ra do sự có mặt của công trình đê ngầm làm nền tảng cơ sở cho việc nghiên cứu đánh giá hiệu quả giảm sóng, bố trí không gian đê ngầm

b) Kết cấu của đê ngầm

Về kết cấu của đê ngầm không có nhiều nghiên cứu riêng biệt do phần lớn là kế thừa dạng kết của đê chắn sóng Đê ngầm dạng đá đổ mái nghiêng là loại kết cấu truyền thống được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới Các nghiên cứu gần đây chủ yếu đề cập đến việc sử dụng những dạng kết cấu mới, phi truyền thống, thân thiện hơn với môi trường sinh thái như Geotube, cấu kiện bán nguyệt có lỗ tiêu sóng, hay rạn dải ngầm nhân tạo (Artificial Reefball), kết cấu gờ ngầm WaveBlockTM

, kết cấu gờ ngầm BeachSaverTM, dạng có mố đỉnh kép,dạng có tấm phủ cho nước xuyên qua, dạng “ Trap doublreep”… Nhìn chung,có thể phân chia kết cấu đê ngầm thành hai loại cơ bản là đê mái nhẵn ít hoặc không thấm và đê mái nhám có độ thấm cao

c) Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của đê ngầm

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả kỹ thuật của đê ngầm bao gồm hiệu quả giảm sóng và hiệu quả gây bồi của công trình (hiệu quả gây bồi thực chất là hệ quả của hiệu quả giảm sóng) Trong đó, hiệu quả giảm sóng của công trình đê ngầm đã và đang thu hút được mối quan tâm của nhiều nghiên cứu vì đây là yếu tố mang tính chi phối quyết định đến công năng thiết kế của dạng công trình này Đây cũng là nội dung nghiên cứu trọng tâm của luận án

1.1.2 Điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nước ta

1.1.2.1 Địa hình vùng ven bờ [8]

Qua tìm hiểu các tài liệu khảo sát thiết kế xây dựng đê biển thuộc khu vực nghiên cứu

đã thực hiện trong những năm gần đây có thể thấy rằng địa hình bãi ven bờ ở phía

trước đê biển nhìn chung thuộc dạng bãi ở khu vực nước nông có đáy tương đối thoải Tuy bãi có sự đa dạng về mặt đặc điểm hình thái nhưng có thể khái quát thành hai dạng cơ bản:

a) Bãi nơi xung yếu: tại những nơi bờ biển đang bị xâm thực hoặc trực diện với biển

không có che chắn hoặc bảo vệ bởi rừng ngập mặn Ở những nơi này thì bãi trước đê khá sâu và hẹp với độ sâu trung bình vào khoảng 4 ~ 6 m ứng với mực nước triều cao trung bình;

b) Bãi đê nơi biển bồi hoặc được che chắn bởi rừng ngập mặn: bãi trước đê khá thoải

và rộng, có độ sâu từ nông đến rất nông (chỉ khoảng một vài mét vào lúc triều cao trung bình) Độ sâu bãi tăng mạnh cục bộ ở những nơi đang có hiện tượng biển lấn do dòng ven sóng hoặc sóng bão

Độ dốc bãi ở một khu vực nào đó tuân theo quy luật ổn định tự nhiên tức là chịu ảnh hưởng chi phối bởi kích cỡ hạt bùn cát và chế độ sóng ở đó (sóng càng lớn và đường kính hạt bùn cát càng nhỏ thì độ dốc bãi càng nhỏ và ngược lại).Nhìn chung, độ dốc bãi biển (bãi cát) ở nước ta là tương đối nhỏ(dao động từ 1/100 ~ 1/250), cá biệt ở một

số nơi như các tỉnh duyên hải miền Trung bãi biển có độ dốc lớn hơn (dao động từ 1/50 ~1/150)

Có thể nhận định rằng bãi trước đê ở những vị trí xung yếu, nơi cần có giải pháp công trình bảo vệ thuộc khu vực nghiên cứu (chẳng hạn đê ngầm giảm sóng như đang xem xét) có độ sâu so với mực nước biển trung bình vào khoảng từ 4 ~6 m, độ dốc bãi dao động phổ biến từ 1/50 đến 1/200 ( xem bảng 1.1) Bảng 1.1 thống kê độ dốc trung bình bãi biển của các tỉnh ven biển từ Hải Phòng đến Bà Rịa Vũng Tàu dựa trên các số liệu địa hình mặt cắt ngang bãi từ ở Phụ lục B của Tiêu chuẩn kỹ thuật Thiết kế đê biển (Ban hành kèm theo Quyết định số 1613/QĐ-BNN-KHCN ngày 09/7/2012 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn)

Bảng 1 1 Độ dốc bãi biển ở các vùng bờ biển của Việt Nam [12]

1.1.2.2 Đặc điểm thủy, hải văn

a) Thủy triều

Thuỷ triều dọc theo bờ biển nước ta từ Bắc vào Nam có sự diễn biến khá đa dạng cả về tính chất lẫn biên độ Có đầy đủ cả bốn loại triều đó là: nhật triều, nhật triều không đều, bán nhật triều và bán nhật triều không đều phân bố xen kẽ, trong đó tính chất nhật triều chiếm ưu thế Tính chất thuỷ triều biến đổi từ nhật triều đều (Hòn Dấu), bán nhật triều đều (Thuận An), nhật triều không đều (Quy Nhơn), bán nhật triều không đều (Vũng Tàu), nhật triều không đều tại Rạch Giá - Hà Tiên Cao độ mực nước triều dọc theo bờ biển nước ta cũng có sự biến đổi phức tạp, dao động với hai đỉnh cực đại tại Hòn Dấu và Vũng Tàu (độ lớn triều có thể lên tới 3~4 m) và hai đỉnh cực tiểu tại Thuận An và Rạch Giá (độ lớn triều chỉ đạt khoảng 0,5m) Như vậy, nhìn chung độ lớn thủy triều ở khu vực nghiên cứu dao động trong khoảng từ 0,5~3,5 m [8]

b) Bão và nước dâng

Theo số liệu thống kê, trong 2 thập kỷ qua có khoảng 80 cơn bão xuất hiện trên biển Đông (63 cơn ảnh hưởng trực tiếp và 17 cơn ảnh hưởng gián tiếp) và 26 cơn áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng (có 9 cơn áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp và 17 cơn áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng gián tiếp) Trong số 63 cơn bão ảnh hưởng trực tiếp có đến 38 cơn hình thành từ biển Đông Trung bình hàng năm có khoảng 5 ~ 6 cơn bão, áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến Việt Nam, trong đó khu vực miền Trung nước ta chịu ảnh hưởng nặng nề nhất (xem Hình 1.4)

Hình 1.4 Đường đi của 50 cơn bão và áp thấp nhiệt đới điển hình đổ bộ vào khu vực

miền Trung, Việt Nam (1959 – 2009) [9]

Hoạt động của bão và áp thấp cũng đồng thời gây ra nước dâng cao dọc theo bờ biển nước ta Tùy theo điều kiện địa hình, địa mạo ven bờ và tính chất hoạt động của bão

mà chiều cao nước dâng có thể được phân chia thành các vùng đặc trưng khác nhau như thống kê ở Bảng 1.2

Bảng 1 2 Tần suất mực nước dâng ở vùng biển Bắc vĩ tuyến 160N (P%) [10]

Vĩ tuyến Đoạn bờ biển Chiều cao nước dâng (m)

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 >2,5

210N~200N Cửa Ông – Cửa Đáy 35 38 17 8 3 0

200N~190N Cửa Đáy – Cửa Vạn 41 34 15 9 1 1

190N~180N Cửa Vạn – Đèo Ngang 46 37 10 5 2 1

180N~170N Đèo Ngang- Cửa Tùng 71 19 8 2 1 0

c) Chế độ sóng

Đặc trưng của sóng biển có ảnh hưởng rất lớn đến công trình bảo vệ bờ biển nói chung

và công trình đê ngầm nói riêng Các vùng biển nước ta chịu ảnh hưởng chi phối của

cả sóng bão và sóng khí hậu (sóng gió mùa) Ở một số vùng biển hở còn có thể chịu thêm ảnh hưởng của sóng lừng truyền tới từ Thái Bình Dương

- Sóng khí hậu :

Vì biển Đông của nước ta là một vùng biển khá kín nên sóng tới bờ biển nước ta chủ yếu là sóng do gió tạo thành trong nội tại biển Đông Với kích thước khá nhỏ của biển Đông, quãng đường lan truyền của sóng gió trước khi chuyển thành sóng lừng khá ngắn Như vậy, sóng gió bị biến đổi rất ít khi lan truyền từ vùng tạo sóng tới bờ Vì những lý do trên, chu kỳ của sóng tới bờ biển nước ta nói chung nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ sóng tới các bờ biển đối diện với đại dương như bờ biển phía đông của Nhật Bản, bờ biển nước Mỹ, Úc hay Ấn Độ

Sóng khí hậu nước ta chịu sự chi phối trực tiếp của các hoạt động gió mùa với các hướng tới chủ đạo là Bắc Đông Bắc (BĐB), Đông Đông Bắc (ĐĐB) và Đông Nam (ĐN) như minh họa trên Hình 1.5 [9]

Hình 1.5 Đặc trưng sóng khí hậu tại vùng bờ biển Trung Bộ và Bắc Trung Bộ nước ta

dựa trên số liệu quan trắc nhiều năm của NOAA (1997 - 2009) [9]

Do cường độ gió mùa ĐB mạnh nên chiều cao sóng gió mùa theo hướng này khá lớn

có thể lên tới trên 5,0 m ở khu vực nước sâu; sóng khá dốc (chu kỳ ngắn, phổ biến là

từ 4 ~ 7 s, độ dốc sóng s = 0,03 ~ 0,04) Sóng từ hướng Đông, ĐĐB có đà gió mở rộng hơn nhưng cường độ gió yếu hơn nên sóng có chu kỳ khá lớn (độ dốc sóng s  0,02), chiều cao sóng ít vượt quá 2,0 m ở nước sâu Sóng từ hướng ĐN thường là sóng dài (có thể bao gồm cả sóng lừng), chiều cao sóng nhỏ hơn 1,0 m

- Sóng bão:

Ở nước ta chưa có hệ thống quan trắc thu thập số liệu sóng trong bão quốc gia mà phần lớn là thông qua những dự án cụ thể Số liệu sóng được thu thập chủ yếu theo phương pháp dự báo lại (hindcast) có kiểm định và hiệu chỉnh với số liệu đo đạc sóng hiện trường khu vực dự án Kết quả của một số dự án, đề tài nghiên cứu sau đây cũng

đã cho thấy khá đầy đủ tính chất của sóng bão dọc theo các vùng bờ biển nước ta, đặc biệt là khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ

Nghiên cứu về sóng bão phục vụ cho xây dựng đê biển trong khuôn khổ chương trình củng cố và nâng cấp đê biển quốc gia đã sử dụng tài liệu thống kê các cơn bão lịch sử của 62 năm (1945 ~ 2007) để tính toán sóng cho các chu kỳ lặp từ 10 đến 200 năm cho

10 vùng biển trong cả nước Khu vực Bắc Bộ từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa có chiều cao sóng nước sâu với các chu kỳ lặp tương ứng nằm trong khoảng từ 8,0 ~12,0 m và khoảng từ 10 ~14 m ở vùng biển các tỉnh Miền Trung ([12] [13])

Nghiên cứu điều kiện biên thủy hải văn phục vụ cho các dự án xây dựng các cảng biển

ở Miền Trung cũng đã cho thấy một bức tranh về chế sóng bão ở khu vực này Điển hình là nghiên cứu đánh giá chế độ sóng bão ở khu vực Miền Trung do Tổ chức hợp tác quốc tế Nhật Bản (JICA) thực hiện [11] đã dự báo lại sóng nước sâu của các cơn bão lịch sử ảnh hưởng đến khu vực trong vòng 37 năm (1961 - 1997) để từ đó xây dựng biểu đồ đường tần suất sóng cực trị nước sâu Sóng bão lớn nhất đã xuất hiện trong thời đoạn nghiên cứu là H1/3 = 10,6 m và T1/3 = 12,9 s Sóng với chu kỳ lặp 50 năm có chiều cao H1/3 = 9,7 m Nghiên cứu của Broersen (2010) về chế độ sóng phục

vụ cho việc xây dựng cảng Đồng Lâm (Huế) cũng đã đưa ra những kết quả tương đồng[9]

Từ kết quả của những nghiên cứu nêu trên chúng ta có thể thấy rằng sóng bão ngoài khơi các vùng biển của nước ta có chiều cao lớn và khá dốc (sóng có chu kỳ tương đối ngắn) Tuy nhiên, địa hình vùng ven bờ lại có dạng bãi khá thoải và rộng, nước không sâu nên chiều cao sóng gần bờ không cao (do sóng đã bị vỡ ít nhiều) Tại độ vị trí sâu nước 10 m trở vào, chiều cao sóng bão gần bờ chỉ còn lại từ 4,0 đến 5,0 m ([9][11] ) Ngoài ra các nghiên cứu về sóng cũng đã chỉ ra rằng do bị hạn chế về đà gió ở khu vực biển đông, dạng phổ JONSWAP là một dạng phổ phù hợp cho việc mô phỏng các đặc trưng sóng ở khu vực biển này ([9][14] )

1.1.3 Khả năng ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam

Trước thực trạng bờ biển ở nước ta đang bị xâm thực ở nhiều nơi và an toàn của các công trình bảo vệ bờ biển đang bị đe dọa ngày một nghiêm trọng trong mùa mưa bão, rất cần thiết phải có thêm những giải pháp công trình làm giảm thiểu tác động của sóng một cách chủ động và hiệu quả, qua đó có thể giảm xói lở, gây bồi tạo bãi và gia tăng ổn định cho các công trình bảo vệ bờ hiện có

Đê ngầm giảm sóng, với hiệu quả giảm sóng và gây bồi đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu và công trình thực tiễn ở nhiều nước trên thế giới, hoàn toàn phù hợp

để có thể áp dụng cho mục tiêu giảm sóng chủ động, bảo vệ bờ biển nước ta Với chiều sâu nước và chiều cao sóng bão vùng ven bờ không quá lớn, phù hợp với công năng kỹ thuật và thuận lợi về điều kiện xây dựng, công trình đê ngầm sẽ đem lại hiệu quả kinh

tế và kỹ thuật cao và còn không làm phá vỡ cảnh quan du lịch ở các vùng biển Đê ngầm cũng được xem là một trong những giải pháp ứng phó với sự gia tăng về cường

độ tải trọng trong điều kiện biến đổi khí hậu như hiện nay

Tuy nhiên, để có cơ sở cho việc áp dụng đê ngầm ở nước ta đạt được hiệu quả cao: cần

có những nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả giảm sóng của dạng công trình này một cách đầy đủ gắn trong điều kiện tự nhiên ở nước ta (đặc biệt là chế độ sóng và điều kiện địa hình bãi ven bờ,…)

1.1.4 Khái niệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm và bãi trước

Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm là khái niệm dùng để chỉ mức độ suy giảm chiều cao sóng trước và sau khi đi qua đê ngầm Như vậy,hiệu quả giảm sóng của đê ngầm được đánh giá thông qua tỷ số giữa chiều cao sóng phía sau đê so với chiều cao sóng đến trước đê (Hình 1.6):

Phía biển Phía bờ

Hình 1.6 Sơ đồ khái niệm xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm

s i

H K H

H

     

ngầm ( 1,0), đê ngầm có hiệu quả giảm sóng càng tốt khi giá trị của hệ số K t càng bé hay  càng cao, H s,i và H s,t lần lượt là chiều cao sóng tới trước và sau đê ngầm được

xác định cách đê một khoảng từ một nửa đến một lần chiều dài sóng L ở vị trí công

trình (Hình 1.6)

Lưu ý: H s trong công thức (1.1) và (1.2) dùng để biểu thị chiều cao sóng nói chung, trên thực tế tùy theo phương pháp phân tích sóng mà có thể sử dụng H1/3 (phân tích thống kê) hoặc Hm0 (phân tích phổ) Do được xét tại cùng một vị trí nên việc sử dụng một trong những chiều cao sóng này không làm ảnh hưởng đến việc xác định giá trị

của hệ số hiệu quả giảm sóng (tức là H 1/3,t /H 1/3,i = H m0,t /H m0,i) Tuy nhiên, hiện nay việc

sử dụng H m0 trong các tính toán được ưa chuộng hơn do nó phản ánh tốt hơn tính chất sóng tại vị trí xem xét

Ngoài ra, do năng lượng sóng E tỷ lệ với bình phương chiều cao sóng Hs của nó ( ) nên biểu thức (1.1) hoặc (1.2) cũng chính là thể hiện mối liên hệ về sự tiêu hao năng lượng sóng tới trước và sau khi đi qua đê ngầm:

(1.3)

với E i và E t lần lượt là năng lượng sóng tới trước và sau đê ngầm, K E là hệ số truyền năng lượng sóng qua đê

Như vậy, có thể thấy rằng, hệ số truyền năng lượng sóng K E tỷ lệ với bình phương hệ

số truyền sóng K t, hay nói một cách khác, hiệu quả giảm sóng cũng chính là biểu thị cho mức độ tiêu hao năng lượng sóng Trên thực tế, chúng ta thường sử dụng trực tiếp

hệ số hiệu quả giảm sóng  hoặc hệ số truyền sóng K tvì lý do đơn giản cho quá trình tính toán

Trong trường hợp đê ngầm được xây dựng trên bãi trước vùng ven bờ thì bãi trước được sử dụng ở đây cũng theo khái niệm chung được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật công trình biển (ví dụ xem TAW-2002 [15] ) đó là: là một phần của bờ biển ở phía trước công trình bảo vệ, là dạng bãi phẳng (không có dải ngầm), có độ dốc thoải hơn 1/10 và có bề rộng tối thiểu bằng 02 lần chiều dài sóng trong trường hợp xem xét

s t t

H E

Theo khái niệm này thì các yếu tố cơ bản đặc trưng cho ảnh hưởng của bãi đến quá

trình lan truyền sóng sẽ bao gồm độ dốc và độ sâu nước của bãi (không kể đến các đặc

điểm hình thái khác của bãi như dải cát ngầm,…)

1.2 Tình hình nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trên thế giới

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm chủ yếu

được thực hiện thông qua các thí nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ trong máng sóng Sau

đây nghiên cứu của luận án sẽ tổng quan một số nghiên cứu điển hình nhất, với sự tập

trung chủ yếu cho các nghiên cứu với dạng mặt cắt ngang đê thực tế (hình thang) và

với sóng ngẫu nhiên

1.2.1 Nghiên cứu của Johnson & nnk (1951)

Là các tác giả tiên phong đã đề xuất công thức tính hệ số truyền sóng qua dải ngầm

dựa vào kết quả các thí nghiệm trên mô hình vật lý và lý thuyết dòng năng lượng sóng

trong đó k là số sóng, D là độ sâu nước tại dải ngầm, S là độ ngập của đỉnh dải ngầm

so với mực nước và h là chiều cao của dải ngầm

Đây có thể xem là công trình nghiên cứu đầu tiên về hệ số truyền sóng qua đê ngầm,

tuy nhiên chỉ áp dụng cho sóng đều

1.2.2 Nghiên cứu của Goda& nnk (1969):

Các tác giả đã phân tích kết quả của một loạt các thí nghiệm trong máng sóng với sóng

đều để xây dựng các công thức tính toán hệ số truyền sóng qua đê chắn sóng dạng

thùng chìm thẳng đứng và đê hỗn hợp đứng [17] Kết quả nghiên cứu đã cho thấy

chiều cao lưu không tương đối của đỉnh đê là tham số ảnh hưởng chủ yếu đến hệ số

truyền sóng qua đê, điền hình như đối với trường hợp đê thùng chìm thẳng đứng:

với  = 2,2 và  = 0,5, S là chiều cao lưu không của đỉnh phía trên mực nước tính toán

và Hi là chiều cao sóng tới trước đê Công thức áp dụng cho đê xây dựng ở khu vực nước vùng nước chuyển tiếp có độ sâu lớn 0,14 D/L 0,5

Tiếp theo nghiên cứu của Goda (1969) đã có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm khác như của Seelig (1980)[18] [19] với cả sóng đều lẫn sóng ngẫu nhiên cho đê không thấm Allsop (1983)[20] thực hiện thí nghiệm với sóng ngẫu nhiên cho đê ngầm đá đổ đồng nhất (thấm nước) dạng mặt cắt hình thang và đưa ra công thức tính toán có dạng tương đồng với Goda (1969)

1.2.3 Nghiên cứu của Ahren& nnk (1987)

Ahren& nnk (1987) cũng đã thí nghiệm với sóng ngẫu nhiên cho đê ngầm đá đổ dạng

mặt cắt hình thang và rút ra công thức thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng phụ thuộc phức tạp vào nhiều tham số, trong đó có xét thêm ảnh hưởng của độ thấm của đê

thể hiện qua kích cỡ của viên đá đổ[21] :

với (1.6)

trong đó c là các hằng số thực nghiệm (c1 = 1,188, c3 =  0,592 và c4 = 0,00551), A là diện tích mặt cắt cắt ngang của đê chắn sóng, h là chiều cao đê ngầm, D50 là đường kính

trung bình của đá đổ thân đê, L p là chiều dài sóng tương ứng với chu kỳ đỉnh sóng T p Ahren (1987) đã đề cập đến ảnh hưởng của nhiều tham số tuy nhiên lại không kể đến ảnh hưởng trực tiếp của bề rộng đê Ngoài ra có thể thấy rằng độ thấm của đê (thông qua cỡ đá D50) có ảnh hưởng không quan trọng đến hiệu quả giảm sóng của đê (do giá

trị hệ số mũ c4 rất nhỏ)

1.2.4 Nghiên cứu của Viện Khoa học Thủy lợi Nam Kinh-Trung Quốc (2001)

Dựa trên kết quả thí nghiệm mô hình đã đề xuất công thức tính toán hệ số truyền sóng qua đê ngầm đá đổ hình thang, trong đó trực tiếp kể đến ảnh hưởng của bề rộng đê

tương đối B/Hs và độ sâu nước tương đối D/Hs[20] :

(1.7)

với B là bề rộng đỉnh đê, K b và K d lần lượt là các hệ số kể đến ảnh hưởng của bề rộng

đỉnh đê và độ sâu nước Công thức có phạm vi ứng dụng cho đê đỉnh hẹp B/H s< 3,0

1.2.5 Nghiên cứu của Gomez Pina và Valdes (1990)

Gomez Pina và Valdes (1990) tuy không xây dựng được công thức xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm nhưng thông qua kết quả thí nghiệm sóng đều cho đê ngầm đá

đổ đã xây dựng được biểu đồ tương quan giữa hệ số truyền sóng với hai tham số có ảnh hưởng quan trọng đó là bề rộng tương đối của đê B/L0 và chỉ số sóng vỡ Iribarren

 (Hình 1.7) [20]

Hình 1.7Tương quan của chỉ số sóng vỡ và hệ số truyền sóng [20]

1.2.6 Nghiên cứu của Van der Meer& nnk (1991)

Dựa trên các số liệu thực nghiệm của nhiều nghiên cứu để xây dựng công thức xác định hệ số truyền sóng của sóng ngẫu nhiên qua đê ngầm bằng đá đổ dạng hình thang

có bề rộng nhỏ Chính vì đê đỉnh hẹp nên tác giả khẳng định sự phụ thuộc duy nhất theo quan hệ tuyến tính của chiều cao lưu không (hoặc độ ngập) tương đối đến hệ số truyền sóng (xem [20] [22], [23] và Hình 1.8):

H D K

Hình 1.8Hệ số truyền sóng qua đê đỉnh hẹp bởi Van der Meer (1991) [23]

(1.8)

với R c là chiều cao lưu không (giá trị dương) hoặc độ ngập (giá trị âm) của đỉnh đê so với mực nước tính toán

1.2.7 Nghiên cứu của Van der Meer & Daemen (1994)

Tiếp tục nghiên cứu sóng ngẫu nhiên truyền đê ngầm đá đổ hình thang và khắc phục nhược điểm của Ahren (1987) khi cho rằng ảnh hưởng của độ thấm của đê cần được

phản ánh thông qua đại lượng phi thứ nguyên H s /D n50 và ảnh hưởng của chiều cao lưu

không được phản ánh qua R c /D n50 để từ đó đưa ra công thức sau [24] :

0, 031 0, 24

5, 42 0, 0323 0, 017 0,51

c t

n

s

n

s p

R

D H a

Một lưu ý về sự khác biệt trong nghiên cứu của Van der Meer và Daemen (1994) và các nghiên cứu sau này so với những nghiên cứu trước là đã không kể đến độ sâu nước

D một cách trực tiếp trong các công thức tính toán Thực ra việc sử dụng chiều cao

sóng phổ H m0 (và có thể là cả chu kỳ phổ) trong các công thức tính toán về sau này là

đã ngầm kể đến ảnh hưởng (một cách gián tiếp) của độ sâu nước

1.2.8 Nghiên cứu của d’ Angremond& nnk (1996)

Đã phân tích lại các kết quả thí nghiệm của nhiều nghiên cứu đi trước như của Seelig (1980), Allsop (1983), Daemrich và Kahle (1985), Powel và Allsop (1985), Van der Meer (1991) và Daemen (1991) và nhận định rằng đê đá đổ và đê mái nhẵn ít khác biệt nhau về hiệu quả giảm sóng, do vậy chỉ cần phân biệt hai trường hợp đê thấm và

đê không thấm Các tác giả đã xây dựng công thức tính toán hệ số truyền sóng cho hai trường hợp đê thấm và không thấm nước với đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng là độ ngập nước của đê, bề rộng đỉnh đê và đặc biệt là số Iribarren  đặc trưng cho tương tác giữa sóng và mái đê lần đầu tiên đã được kể đến [25]

với a = 0,64 cho đê thấm nước và a = 0,8 cho đê không thấm nước, 0p là số Iribarren

ứng với chu kỳ đỉnh phổ T p

Phương pháp của d' Angremond và nnk (1996) được đánh giá là có độ tin cậy cao vì

đã được xây dựng dựa trên nhiều bộ số liệu thí nghiệm nhất Công thức có giới hạn bề

rộng đỉnh đê trong khoảng B/H s < 8,0 và hệ số truyền sóng 0,075 <K t< 0,80

1.2.9 Nghiên cứu của Van der Meer & nnk (2005)

Trong khuôn khổ dự án DELOS của liên minh Châu Âu về công trình đỉnh thấp (xem [3] ), Van der Meer và nnk (2005) cũng đã tiến hành các thí nghiệm bổ sung và tập hợp các số liệu của các nghiên cứu trước đây để xây dựng một cơ sở dữ liệu về sóng truyền qua công trình đỉnh thấp Kết quả nghiên cứu đã khẳng định rằng phương pháp của d' Angremond và nnk (1996) cho đê đá đổ chỉ tin cậy trong trường hợp bề rộng đỉnh đê nằm trong phạm vi B/Hs< 8 Vì vậy các tác giả đã điều chỉnh công thức của

d'Angremond và nnk (1996) cho trường hợp đê có bề rộng B/H s> 12 với các hằng số thực nghiệm được kiểm định lại cho trường hợp đỉnh rộng:

0,31 0,5

(1.11)

Với trường hợp đê có bề rộng đỉnh nằm trong khoảng 8 <B/H s< 12, Van der Meer và nnk (2005) đề xuất nội suy giữa (1.11) và công thức của d' Angremond và nnk (1996) (1.10) Các công thức (1.10) và (1.11) có độ tin cậy tốt khi so sánh với cơ sở dữ liệu sóng truyền qua đê (xem Hình 1.9)

Hình 1.9 Hệ số truyền sóng qua đê: so sánh kết quả giữa đo đạc (cơ sở dữ liệu) và tính

s i

R

H K



