MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHÂN KÈ BẢO VỆ BỜ SÔNG, BỜ BIỂN GS TS NGUYỄN VĂN MẠO, PGS TS PHẠM NGỌC QUÝ, THS NGUYỄN HOÀNG HÀ Tóm tắt: Bài báo giới thiệu số kết nghiên cứu giải pháp kết cấu chân kè xây dựng nước ta số kết thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng Điều kiện áp dụng loại hình chân kè phù hợp đề xuất dựa việc phân tích nguyên nhân gây hư hỏng chân kè Các kết thí nghiệm giải thích nguyên nhân gây hư hỏng chân kè tác động sóng kiến nghị cách tính kích thước cấu kiện dùng để bảo vệ bãi trước chân kè Để cho việc thiết kế chân kè ngày hoàn thiện đáp ứng yêu cầu bảo vệ bờ sông, bờ biển nước ta, nghiên cứu làm sáng tỏ sở khoa học hoàn thiện công nghệ sử dụng ống buy làm kết cấu chân kè cần tiếp tục tổ chức nghiên cứu; nghiên cứu sử dụng mô hình toán kết hợp với thí nghiệm mô hình vật lý đo đạc thực địa cần thiết I MỞ ĐẦU Chân kè đê sông, đê biển hạng mục công trình sử dụng để làm chỗ dựa cho lớp bảo vệ mái khỏi bị ổn định Cấu tạo chân kè không hợp lý dẫn tới không ổn định chân kè mà gây ổn định lớp bảo vệ mái dẫn tới ổn định tổng thể công trình gây hậu to lớn Nguyên nhân ổn định kích thước cấu kiện tạo thành chân kè nhỏ bị sóng biển, dòng ven bờ hai tác động trôi; chân kè bị lún sụt bị trượt địa chất yếu bãi phía bị sóng bào mòn; ổn định thấm cấu tạo lọc ngược khối đá đổ cấu tạo chân kè không hợp lý Tuy nhiên, việc thiết kế, xây dựng đê biển nói chung chân kè nói riêng thời gian gần nước ta chưa dựa tảng công nghệ tiên tiến Vẫn nhiều công trình thiết kế, xây dựng dựa kinh nghiệm người thiết kế dựa theo thiết kế công trình khác xây dựng Do đó, việc nghiên cứu giải pháp chân kè đê sông, đê biển để lựa chọn hình thức chân kè hợp lý đảm bảo công trình làm việc bình thường tác động biển, tuổi thọ cao, giá thành hạ, thuận lợi cho việc xây dựng quản lý vấn đề cần thiết Bài báo giới thiệu số kết nghiên cứu từ “Tổng kết đánh giá kết cấu bảo vệ chân mái đê biển nghiên cứu đề xuất loại hình phù hợp” “Một nghiên cứu bảo vệ chân kè đê biển Việt Nam thí nghiệm mô hình vật lý” II NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHÂN KÈ ĐÊ BIỂN VIỆT NAM [1] Hiện trạng chân kè đê biển Hình thức chân kè nước ta phong phú đa dạng (Hình 1) Theo thống kê chân kè số tỉnh Việt nam, phân loại chân kè theo mái kè, theo hình thức xử lý chân kè hay theo hình thức kết cấu Phân loại chân kè theo mái kè có chân kè mái nghiêng, chân kè tường trọng lực chân kè hỗn hợp mái nghiêng với tường trọng lực Phân loại chân kè theo hình thức xử lý chân kè có chân kè có cọc xử lý chân kè cọc xử lý Phân loại chân kè theo hình thức kết cấu có chân kè đá hộc xây, chân kè xếp đá hộc, chân kè xếp rọ đá, chân kè cừ (cừ thép cừ bê tông), chân kè đá đổ, chân kè đá xếp cấu kiện bê tông lát mặt, chân kè ống buy bê tông, chân kè có cọc chân kè hỗn hợp Hình Một số dạng chân kè nước ta Theo kết nghiên cứu đề tài “Tổng kết đánh giá kết cấu bảo vệ chân mái đê biển nghiên cứu đề xuất loại hình phù hợp” trường Đại học Thủy lợi thực năm 1999, khối lượng chân kè so với toàn kè nằm khoảng từ 20% đến 40% Trong số kè có chân kè làm việc ổn định (tốt) khối lượng chân kè thường chiếm từ 35% đến 40% khối lượng toàn kè Những kè có bề rộng chân kè lớn làm việc tương đối tốt chưa thấy biểu hư hỏng Điều kiện địa chất nền, kiểu đường bờ có liên quan trực tiếp tới hư hỏng chân kè Nền đất bở rời tạo nên trầm tích bở rời thuộc hệ đệ tứ, chủ yếu cát, bùn, bọt sét, cuội sạn sỏi phân bố vùng cửa sông, đồng ven biển chiếm khoảng 80% chiều dài bờ biển nước ta Nhìn chung, khả chịu lực loại không lớn, dễ bị bào mòn sóng ảnh hưởng tới ổn định chân kè Kiểu đường bờ đa dạng làm thay đổi chế độ sóng, dòng ven bờ ảnh hưởng tới bãi làm việc chân kè Tác động mạnh mẽ ảnh hưởng tới ổn định chân kè tác động sóng, dòng ven bờ thuỷ triều Trong mùa mưa bão, sóng lớn kết hợp với triều cường tác động làm bãi trước kè bị xói, cấu kiện làm chân kè ổn định dẫn tới chân kè bị sụt, trượt dẫn tới mái kè bị trượt Dòng ven bờ sóng, gió thủy triều gây có khả bào mòn bãi trước kè ảnh hưởng tới ổn định công trình Ngoài nguyên nhân gây hư hỏng chân kè kể trên, có nhiều nguyên nhân khác tác động tới làm việc an toàn chân kè Đó việc lựa chọn kiểu kết cấu mái kè không hợp lý kết cấu tầng lọc chân kè không tốt dẫn tới mái kè bị hư hỏng, chất lượng thi công chân kè ý thức giữ gìn của người công tác tu bảo dưỡng người quản lý chưa tốt… Sử dụng ống buy làm kết cấu chân kè Trong nhiều năm qua, số nơi nước ta dùng ống buy để xây dựng chân kè đê biển Bên ống buy có bỏ đá hộc cỡ tạo thành cấu kiện độc lập có trọng lượng lớn trì ổn định chân kè tác động sóng Nhờ có đá đổ, loại kết cấu tơi rời bên trong, nên cấu kiện có khả linh hoạt điều chỉnh giữ vị trí khối kè Ngoài ra, ma sát đá hộc bên ống nhỏ ma sát ống nên ống buy bị lún so với đá hộc bên (đặc biệt vùng có điều kiện địa chất mềm yếu) kết cấu khối kè bị biến dạng Đây ưu điểm trội so với cấu kiện đúc liền khối khối xây Sử dụng ống buy làm kết cấu chân kè áp dụng phương pháp thi công kiểu giếng chìm thủ công (hoặc kết hợp giới) khắc phục số khó khăn thi công điều kiện ngập nước gây Chân kè sử dụng ống buy tròn ứng dụng vào dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến - Mũi Né - tỉnh Bình Thuận Kể từ xây dựng (8/1998) đến nay, chân kè biểu hư hỏng Để cải thiện nâng cao tính chỉnh thể (cứng) khối chân kè, hình dạng ống buy tròn thay đổi thành ống buy có mặt cắt hình lục lăng Do diện tích tiếp giáp ống tăng nên tượng trôi cát dòng rút sóng biển hạn chế; đồng thời ma sát thành ống tăng làm việc ống với chặt chẽ Qua thực tế so sánh, dự án thử nghiệm sử dụng ống buy hình lục lăng làm việc tốt so với sử dụng ống buy tròn Một số kiến nghị Qua nghiên cứu kè xây dựng nước ta cho thấy cần có nghiên cứu lựa chọn kiểu kết cấu, tiêu phương pháp tính để nâng cao chất lượng thiết kế, nghiên cứu công nghệ thi công đảm bảo chất lượng công tác quản lý, tu bảo dưỡng cần thường xuyên Hiện nay, đồ án thiết kế chân kè thường dùng mực nước triều thiết kế thấp để tính toán Nhưng ảnh hưởng sóng, gió nên mực nước chưa phải trường hợp bất lợi Trường hợp bất lợi trường hợp mực nước thấp trì lâu thời gian dài có sóng đổ chân kè Do đó, chân kè nên thiết kế với mực nước triều thấp nhất, sau kiểm tra với trường hợp mực nước thấp với tác động sóng có ứng với mực nước Ngoài ra, cao trình đáy chân kè (hoặc đáy chân khay) phải thấp cao độ hố xói sóng gây bao gồm xói cục chân xói bãi giá trị độ sâu dự phòng xói Việc áp dụng loại hình chân kè cần cân nhắc lựa chọn dựa đặc điểm riêng loại hình chân kè điều kiện địa hình đường bờ, địa chất tác động biển… Qua thực tế nghiên cứu làm việc thực tế chân kè, kiến nghị điều kiện áp dụng số loại chân kè sau: Chân kè đá xếp, phía có (hoặc không) bảo vệ bê tông: chân đê có bãi, đất yếu (hoặc trung bình), xói không lớn, dòng ven nhỏ, sử dụng vật liệu địa phương, thi công thủ công điều kiện khô ngập nước Chân kè có cọc đá hộc xếp: bờ bãi biến đổi đột ngột (có bậc thụt), đất mềm yếu, xói không lớn, dòng ven nhỏ, sử dụng vật liệu địa phương, thi công thủ công điều kiện khô ngập nước Kích thước khối đá xếp phụ thuộc vào độ lớn dòng ven Chân kè hàng (hoặc hai hàng) ống buy: địa hình có bậc thụt, đất cát mềm yếu, xói chân mạnh, dòng ven lớn, kết hợp sử dụng bê tông vật liệu địa phương, thi công thủ công giới điều kiện khô ngập nước Chân kè dạng tường đứng có đá hộc xếp bảo vệ: địa hình có bậc thụt, cát tốt, xói chân mạnh, dòng ven lớn, kết hợp sử dụng bê tông vật liệu địa phương, thi công điều kiện khô III MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ 3.1 Kết thí nghiệm trường Đại học công nghệ Delft – Hà Lan [ ] Một số thí nghiệm mô hình vật lý bảo vệ chân kè đê biển Việt Nam thực phòng thí nghiệm học chất lỏng trường Đại học công nghệ Delft (Delft University of Technology) – Hà Lan Các thí nghiệm tiến hành máng sóng có kích thước 11.0 m chiều dài, 75 cm chiều cao 50 cm chiều rộng Máy tạo sóng có khả tạo sóng có chiều cao sóng tới lớn H = 15 cm; chu kỳ sóng lớn T = giây Các thiết bị đo sử dụng gồm hai máy đo sóng máy đo lưu tốc điện tử chiều Tất thiết bị đo kết nối với khuyếch đại, thu nhận tín hiệu máy tính, số liệu đo đạc lưu trữ dạng file số liệu Các thí nghiệm tiến hành mô hình (Hình 2) Mô hình thứ mô chân kè chế độ làm việc bình thường bãi chưa bị xói để xác định nguyên nhân gây xói bãi Mô hình thứ hai mô chân kè làm việc chế độ bãi bị xói tác động sóng để xác định khả ổn định bãi Mô hình thứ ba xác định kích thước viên đá dùng để chống xói bảo vệ bãi Các thông số thay đổi thí nghiệm độ dốc mái, chiều sâu mực nước, chiều cao sóng chu kỳ sóng Các giá trị chọn dựa luật thí nghiệm mô hình số liệu thực tế Việt Nam H, T, H, T, L (a) - mô hình bãi chưa bị xói (b) - mô hình bãi bị xói H, T, L Hình Các mô hình thí nghiệm (c) - mô hình dùng đá bảo vệ bãi Các kết thí nghiệm tính toán, phân tích kết luận dựa sở lý thuyết kinh điển Ngoài ra, hai khái niệm đề xuất sử dụng nghiên cứu Khái niệm “Cường độ lượng rối tương đối” (relative turbulent energy intensity) sử dụng để so sánh đánh giá mức độ rối điểm Khái niệm “Con sóng tương đương” (an equivalent wave) sử dụng để đánh giá, tính toán kích thước viên đá bảo vệ bãi tác động nhiễu loạn sóng “Cường độ lượng rối tương đối” điểm xác định tỷ số lượng rối lượng trung bình chất lỏng chuyển động gây Giá trị đại lượng xác định thông qua mạch động lưu tốc lưu tốc trung bình (biểu thức 3.1) Khái niệm khác với khái niệm “cường độ nhiễu loạn tương đối” (relative fluctuation intensity), khái niệm sử dụng để đánh giá mức độ nhiễu loạn (rối) theo phương độc lập với (biểu thức 3.2) re = (u’2+v’2+w’2)/ (utb2+vtb2+wtb2) ru = (u '2 ) tb /utb ; rv = ( v'2 ) tb /vtb ; rw = (3.1) ( w '2 ) tb /wtb ; (3.2) “Con sóng tương đương” - sóng lý tưởng hình sin - gọi “tương đương” với nhiễu loạn sóng thực lượng sóng sinh lượng nhiễu loạn sóng thực sinh Các mô hình thí nghiệm với sóng đặn nên chu kỳ sóng tương đương chu kỳ sóng thí nghiệm Chiều cao sóng tương đương xác định dựa kết thí nghiệm Sau số nhận xét kết luận rút từ kết thí nghiệm quan sát: Phân bố lượng sóng phụ thuộc vào chế độ sóng độ dốc mái Trong trường hợp sóng nước sâu, lượng sóng phân bố chủ yếu phía mặt nước, lượng sóng vị trí sát đáy nhỏ Trong trường hợp sóng nước nông, lượng sóng phía mặt vị trí sát đáy lớn; khoảng cách khu vực có lượng sóng lớn (hoặc nhỏ) 0.5 lần chiều dài bước sóng Vị trí khu vực có lượng sóng lớn thay đổi thay đổi chiều sâu mực nước hay độ dốc mái Dòng sát đáy sóng sinh ra, trường hợp đáy bãi phẳng sóng không bị vỡ, vị trí khác có chiều khác Có chỗ, dòng sát đáy có chiều hướng phía “biển”; có chỗ, dòng sát đáy hướng vào phía “đất liền” Nếu bãi (cát) bị ổn định, dòng sát đáy vận chuyển cát từ chỗ sang chỗ khác làm bề mặt bãi thay đổi (xói) Mức độ rối vị trí chân kè bãi bị xói lớn so với bãi chưa bị xói Trong hai trường hợp trên, mức độ rối vị trí chân kè lớn nhiều so với vị trí khác, bãi (cát) bị ổn định bị dòng sát đáy sóng sinh mang nơi khác Việc bãi trước kè bị xói hạ thấp cao trình ảnh hưởng nhiều tới khả ổn định kết cấu chân kè ổn định tổng thể mái kè Độ dốc mái kết cấu chân kè ảnh hưởng tới hệ số sóng phản xạ KR vị trí khu vực có lượng sóng lớn Hệ số sóng phản xạ lớn mái dốc Vị trí khu vực có lượng sóng lớn thay đổi độ dốc mái thềm sau chân kè thay đổi Nếu thiết kế hợp lý, khu vực có lượng sóng lớn cách xa chân kè (điều mong muốn nhà thiết kế) Chiều cao sóng tương đương chiều cao sóng lớn Hmax với Hmax = (1+KR) H Kích thước viên đá bảo vệ bãi thiết kế sơ xác định theo sóng tương đương Tham gia Phòng thí nghiệm thuỷ lực tổng hợp - trường Đại học Thủy lợi vào nghiên cứu công trình bảo vệ bờ Ngoài thí nghiệm thuỷ lực nâng cao phục vụ công tác đào tạo, có nhiều thí nghiệm mô hình phục vụ cho công tác nghiên cứu thiết kế thực Phòng thí nghiệm thuỷ lực tổng hợp trường Đại học Thuỷ lợi Các thiết bị đo mới, đại đồng hỗ trợ công tác thí nghiệm thực cách nhanh chóng xác Đặc biệt, máng thí nghiệm sóng phòng thí nghiệm hoàn toàn đáp ứng số thí nghiệm chuyên ngành kỹ thuật bờ biển Máng sóng có kích thước 18.0 m chiều dài, 75 cm chiều cao 60 cm chiều rộng Máy tạo sóng có khả tạo sóng có chiều cao sóng tới lớn H = 15 cm; chu kỳ sóng lớn T = giây Các thiết bị đo phục vụ công tác đo đạc gồm có máy đo sóng, máy đo lưu tốc điện tử chiều, máy đo áp lực, máy đo biến dạng bề mặt đáy máy đo hàm lượng bùn cát Nói tóm lại, máng sóng thí nghiệm tương tự máng sóng thí nghiệm trường Đại học công nghệ Delft – Hà Lan thực thí nghiệm chuyên ngành kỹ thuật bờ biển thí nghiệm xác định ảnh hưởng hình dạng mái kè tới ổn định chân kè, thí nghiệm xác định chiều sâu hố xói thí nghiệm xác định kích thước trọng lượng cấu kiện bảo vệ bãi mái IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sự an toàn kết cấu chân kè đóng vai trò quan trọng tới ổn định công trình đê kè biển Nhận thức tầm quan trọng tìm hiểu, phân tích đề xuất giải pháp khắc phục nguyên nhân gây hư hỏng chân kè cần thiết cấp bách Mặc dù giải pháp dùng ống buy làm kết cấu chân kè có ưu điểm so với số giải pháp khác, song nghiên cứu loại kết cấu cần tiếp tục nghiên cứu để đúc kết kinh nghiệm kết luận cụ thể cho loại hình kết cấu Ngoài nhận xét kết luận rút từ thực tế, cần có nhận xét kết luận (định lượng) rút từ nghiên cứu chuyên sâu mô hình toán kết hợp với thí nghiệm mô hình vật lý số liệu đo đạc thực địa… giúp cho việc thiết kế chân kè ngày hoàn thiện đáp ứng yêu cầu bảo vệ bờ sông, bờ biển nước ta TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Mạo nnk Tổng kết đánh giá kết cấu bảo vệ chân mái đê biển nghiên cứu đề xuất loại hình phù hợp Đề tài nghiên cứu cấp Bộ Bộ Nông nghiệp PTNT, Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội 1999 [2] Nguyễn Hoàng Hà A physical model study on toe protection for sea dikes and revetments in Vietnam MSc Thesis IHE Delft 2003 ABSTRACT SOME RESULTS FROM RESEARCH ON TOE CONSTRUCTIONS OF DIKES AND REVETMENTS PROF DR NGUYEN VAN MAO, ASSOCIATE PROF DR PHAM NGOC QUY, MSC NGUYEN HOANG HA - Water Resources University The paper presents some results from research on toe construction in Vietnam and from physical model study with a wave flume Based on analysis of the cause, which damaged the toe construction, suitably applicable condition of toe construction types was proposed Based on results from the experiments, damage of toe under wave’s attack was explained, the way to determine stone size for bottom protection was proposed For the safety of dikes and revetments, research on technology using concrete cylinder as a toe construction should be continued; research based on combination of mathematical model, physical model and field measurement, etc is really necessary