Nghiên cứu xác định mặt cắt đê biển huyện Tiền Hải tỉnh Thái Bình theo tiêu chuẩn sóng tràn trong điều kiện nước biển dâng

Bài viết Nghiên cứu xác định mặt cắt đê biển huyện Tiền Hải tỉnh Thái Bình theo tiêu chuẩn sóng tràn trong điều kiện nước biển dâng trình bày một số giải pháp trong thiết kế và xây dựng đê biển nhằm đảm bảo an toàn cho tuyến đê biển huyện Tiền Hải tỉnh Thái Bình, thích ứng với điều kiện nước biển dâng theo các kịch bản khác nhau. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

NGHIÊN CứU XáC ĐịNH MặT CắT ĐÊ BIểN HUYệN TIềN HảI TỉNH THáI BìNH THEO TIÊU CHUẩN SóNG TRàN TRONG ĐIềU KIệN NƯớC BIểN DÂNG PGS.TS H Vit Hựng - Đại học thủy lợi KS Hoàng Văn Thành - UBND tỉnh Thái Bình ThS Nguyễn Bảo Khương - Chi cục ĐĐ & PCLB Thái Bình Tóm tắt: Tiền Hải có hệ thống đê biển đê cửa sông dài 54 km cao trình từ +5,00m đến +5,50m so với mực nước biển nên bão vào đất liền xảy tượng sóng tràn qua đê Cùng với biến đổi khí hậu nước biển dâng, sóng tràn ngày trở nên phổ biến hơn, gây ảnh hướng xấu tới đê biển Bài báo trình bày số giải pháp thiết kế xây dựng đê biển nhằm đảm bảo an toàn cho tuyến đê biển huyện Tiền Hải tỉnh Thái Bình, thích ứng với điều kiện nước biển dâng theo kịch khác Mở đầu Hệ thống đê biển huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình gồm hai tuyến: tuyến đê biển số tuyến đê biển số Tuyến đê biển số xuất phát từ Cống An Tứ (thôn An Tứ xã Nam Hải, huyện Tiền Hải) kéo dài lên đến K197 + 400 đê tả Hồng Hà II khu vực đền Đức Tranh (xã Bình Định huyện Kiến Xương) dài km kết thúc Cống Lân (xã Nam Cường), tổng chiều dài 26 km Trong đó, đoạn đê trực diện với biển dài 10 km từ K16  K26 Tuyến đê biển số xuất phát từ K42 (đê tả Trà Lý) thuộc địa phận xã Trà Giang, huyện Kiến Xương kết thúc Cống Lân 1, dài 39 km Đoạn đê trực diện với biển dài 22 km, từ K17  K39 Theo kế hoạch, đến năm 2020 toàn đê biển trực diện với biển trồng rừng ngập mặn điều kiện thổ nhưỡng cho phép Trong năm qua, có bão đổ vào Thái Bình xảy tượng sóng tràn qua đê, gây thiệt hại mức độ khác Phần lớn đoạn đê biển Việt Nam nói chung đê biển Tiền Hải nói riêng khơng thiết kế dựa tiêu chuẩn chảy tràn qua đỉnh Trong điều kiện biến đổi khí hậu mực nước biển tăng, giải pháp cho phép nước tràn qua mặt đê có bão chấp nhận Lượng sóng tràn cho phép qua đê mang tính định đến quy mơ kích thước, giá thành xây dựng đê mức độ đảm bảo an tồn cơng trình Hiện nghiên cứu sóng tràn giới có bước tiến xa Cơ sở liệu sóng tràn đầy đủ đa dạng, với loại kết cấu cơng trình điều kiện thuỷ lực khác Vì vậy, áp dụng thành tựu có giới việc tính tốn sóng tràn phù hợp với điều kiện Việt Nam mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng thiết kế, xây dựng đê biển nước ta Bài báo trình bày giải pháp bảo vệ đê biển huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình sở tiêu chuẩn sóng tràn, phù hợp với điều kiện đê biển Việt Nam Cơ sở khoa học để xác định mặt cắt đê biển theo tiêu chuẩn chảy tràn Mặt cắt đê biển xác định theo điều kiện biên như: lưu lượng tràn cho phép, cao trình mực nước biển thiết kế, điều kiện bãi phía biển có rừng ngập mặn hay khơng, tầm quan trọng khu vực bảo vệ, điều kiện địa hình, địa chất 2.1 Sóng tràn lưu lượng tràn trung bình Sóng tràn có liên hệ mật thiết với sóng leo, sóng leo vượt q đỉnh đê sinh sóng tràn Ngồi ra, lưu lượng tràn qua đê bổ sung lượng nước rơi từ xuống dòng bắn tóe sóng va chạm với mái đê đơi tác dụng hỗ trợ gió bão Lưu lượng tràn trung bình thời gian (q) thường lấy mét chiều dài đê (lưu lượng tràn trung bình đơn vị), tính chất ngẫu nhiên q trình sóng tràn nên thời gian tính lưu lượng trung bình phải đủ dài Qua quan sát 67 người ta thấy lưu lượng tràn trung bình đạt đến giá trị ổn định ứng với thời gian khoảng 1.000 sóng Đây tham số quan trọng việc thiết kế đê biển dùng phổ biến 2.2 Lưu lượng tràn cho phép Trong trình thiết kế đê biển cần ý đến lượng sóng tràn cho phép hay gọi tiêu chuẩn sóng tràn Tiêu chuẩn xác định thơng qua phân tích, đánh giá kinh tế, trị xã hội Nếu lưu lượng tràn cho phép mà nhỏ đê cao, giá thành xây dựng lớn ngược lại Với khu vực có giá trị kinh tế, xã hội cao (đơng dân cư, thành phố, khu công nghiệp, du lịch ) cần xác định lưu lượng tràn cho phép phù hợp để đảm bảo hoạt động kinh tế, xã hội diễn tương đối bình thường, thiệt hại Tại nơi dân cư thưa, đất đai có giá trị kinh tế thấp chọn lưu lượng tràn cho phép lớn Như vậy, việc đưa tiêu chuẩn sóng tràn cần thiết, nhằm mục đích đảm bảo an tồn thiết kế đê biển Bảng ví dụ tham khảo tiêu chuẩn sóng tràn sở đảm bảo an tồn cho cơng trình Bảng 1: Tiêu chuẩn sóng tràn Chất lượng mái phía Lượng tràn cho phép q (l/s/m) Mái chất lượng không xác định, không bảo vệ Mái cỏ mọc tốt đất sét < 1,0 – 10,0 Mái chất lượng tốt < 50,0 – 200,0 2.3 Các cơng thức tính tốn sóng tràn Van der Meer (1993) Janssen đưa cơng thức tính tốn sóng tràn qua đê với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại kết cấu hình học đê có xét đến nhiều yếu tố ảnh hưởng khác - Cho sóng nhảy vỡ (b0  cr  2,0): q gHm3    (1) R 0,67  b0 exp  4,3 c p   Hm0 0 b f    v  tan   - Cho sóng dâng vỡ, khơng vỡ (b0m > cr  2.0): q gH m0  Rc p  0, 2.exp  2,  Hm0  f       (2) - Cho sóng vỡ nhiều bãi nông (0  7.0): q gH m0   (3) Rc p  0,21.exp      H  0,33  0,022.     f  m0 Trong đó: q - lưu lượng sóng tràn trung bình (l/m/s); R cp - chiều cao lưu khơng mực nước tính 68 < 0,1 tốn (m); o - Hệ số sóng vỡ; f - hệ số chiết giảm độ nhám mái đê;  b - hệ số chiết giảm cơ; β: hệ số chiết giảm góc sóng tới khơng thẳng góc với trục đê; ν - hệ số chiết giảm tường đứng mái dốc; H mo chiều cao sóng tính tốn trước chân cơng trình (m) Theo kết tính tốn sóng chương trình đê biển, bờ biển xã Nam Thịnh, huyện Tiền Hải (mặt cắt 12) với tần suất p=5%, chiều cao sóng tính tốn trước chân cơng trình H mo = 1,73 m, chu kỳ sóng Tp = 10,89 s 2.4 Mực nước biển thiết kế (mực nước tổng hợp) Mực nước biển thiết kế xác định tổng số điều hòa thủy triều mực nước dâng bão ứng với tần suất thiết kế, mực nước biển thiết kế mà sóng thiết kế chạy Dưới kết tính tốn cho bờ biển huyện Tiền Hải theo Dự thảo hướng dẫn thiết kế đê biển Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn P mực nước tổng hợp, Mặt cắt 12 H (cm) 100 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 11 50 25 20 10 2 10 10 20 50 100 100 P (%) : Tr (nam) : 100 H (cm) : 376.8 50 317.1 20 250.1 10 10 207.2 20 170.0 50 128.2 0.5 P(%) Tr (Năm) 200 Tr(năm) 100 96.6 Hình Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm MC12 (106°37', 20°21') Nam Thịnh, Tiền Hải, Thái Bình Ứng với tần suất thiết kế p = 5%, mực nước biển thiết kế H = 2,501 m Theo kịch nước biển dâng, vào kỷ 21 mực nước biển dâng thêm 28cm, 30cm 33cm (năm 2100 mực nước biển dâng thêm 65cm, 75cm 100cm) tương ứng với kịch mực nước thấp, trung bình cao Giả thiết bỏ qua yếu tố khác coi chiều cao sóng khơng thay đổi, mực nước biển thiết kế dâng thêm tương ứng với mức trên, có mực nước biển thiết kế sau: - Kịch mực nước biển thấp vào kỷ 21 H = 2,78 m (năm 2100, H = 3,15 m); - Kịch mực nước biển trung bình: H = 2,8 m (năm 2100, H = 3,25 m); - Kịch mực nước biển cao: H = 2,83 m (năm 2100, H = 3,50 m) 2.5 Mặt cắt định hình Mặt cắt định hình đê biển huyện Tiền Hải thiết kế sau: mái phía biển mái phía biển có độ dốc m = bảo vệ đá lát bê tông đúc sẵn, mái phía đồng có m = bảo vệ trồng cỏ, cao trình đỉnh đê xác định theo tiêu chuẩn sóng tràn, đỉnh đê bảo vệ bê tông, kết hợp giao thông 2.6 Cao trình đỉnh đê theo tiêu chuẩn sóng tràn Phần mềm CRESS242 ứng dụng để tính tốn sóng tràn qua đê biển Tiền Hải Sau tính tốn cao trình đỉnh đê theo số tiêu chuẩn giới, với mực nước biển tính tốn 2,501 m, chiều cao sóng tính tốn Hmo = 1,73 m, phía biển chưa có rừng ngập mặn, kết cho thấy: lấy lưu lượng tràn đơn vị cho phép q= 10 l/s/m cao trình đỉnh đê 5,67m; cao trình đỉnh đê cao mực nước biển tính tốn chiều cao sóng leo ứng với tần suất 2% (Ru2%) (trường hợp coi đê khơng bị tràn) cao trình đỉnh đê lên tới 7,35m dẫn tới chi phí đầu tư lớn Qua kết tính tốn, vào điều kiện kinh tế xã hội tỉnh Thái Bình nói riêng, Việt Nam nói chung, đề nghị lấy lưu lượng tràn đơn vị cho phép q = 10 l/m/s làm tiêu chuẩn thiết kế xây dựng mặt cắt đê biển, trừ số trường hợp với vùng bảo vệ quan trọng lấy lưu lượng tràn cho phép nhỏ Các giải pháp bảo vệ đê biển huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình theo tiêu chuẩn sóng tràn 3.1 Giai đoạn từ đến năm 2050 Củng cố đê biển tại, toàn tuyến đê biển số số thiết kế với cao trình mặt đê +5,50 m, mái phía biển có m = bảo vệ cấu kiện bê tông đúc sẵn đá lát khan, mái phía đồng có m = 2, bảo vệ trồng cỏ đất sét Cùng với giải pháp cơng trình áp dụng giải pháp phi cơng trình cách phát triển rừng ngập mặn tồn chiều dài đê trực diện với biển (theo nghiên cứu mơ hình vật lý Vũ Thanh Te tác dụng giảm chiều cao sóng rừng ngập mặn trung bình 26%) Hình Tính tốn sóng tràn CRESS242 với chiều cao sóng giảm 26% 69 Hình Mặt cắt đê biển huyện Tiền Hải đến năm 2050 Kết tính tốn cho thấy: đến năm 2050 cao trình đỉnh đê biển +5,50 m, với điều kiện toàn đê trực diện với biển trồng rừng ngập mặn ứng với kịch nước biển dâng cao lưu lượng tràn đơn vị đảm bảo q < 10 l/s/m 3.2 Giai đoạn từ năm 2050 đến năm 2100 Hình Lưu lượng tràn đơn vị trường hợp nước biển dâng với Hmo giảm 26% Hình Mặt cắt đê biển huyện Tiền Hải đến năm 2100 Để khối lượng chi phí khơng lớn, tiếp tục củng cố hệ thống đê biển biện pháp giữ đỉnh đê cao trình +5,50 m bổ sung thêm phần đê phía biển rộng 5m, mái kè phía biển đá đổ lớp, cao trình đỉnh đê phía biển dự kiến đặt cao độ +3,00 m Theo tính tốn, có bão đổ vào lưu lượng tràn đơn vị đảm bảo điều kiện q < 10 l/s/m (q = 5,32 l/s/m) Như vậy, mực nước biển dâng theo kịch cao, phần đê phía biển với tác dụng rừng ngập mặn trồng giai đoạn trước đảm bảo an tồn cho đê biển Trong trường hợp phía biển khơng có rừng ngập mặn, với mặt cắt đê biển lưu lượng tràn đơn vị q = 27,2 l/s/m Như lưu lượng tràn đơn vị tăng lên lớn Kết luận kiến nghị Do điều kiện Việt Nam xây đê cao, thiết kế xây dựng đê biển cần triệt để áp dụng biện pháp cơng trình với phi cơng trình nhằm đảm bảo điều kiện kinh tế, kỹ thuật Đối với đê biển huyện Tiền Hải nói riêng, đê biển Việt Nam nói chung hồn tồn áp dụng tiêu chuẩn sóng tràn thiết kế Trong điều kiện nước ta, nên chọn lưu lượng tràn đơn vị cho phép q = 10 l/m/s Với việc phân giai đoạn đầu tư, hệ thống đê biển huyện Tiền Hải thích ứng với kịch nước biển dâng, đồng thời tránh đầu tư lớn mà đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội tỉnh Thái Bình Trong phạm vi báo này, mực nước biển dâng, đặc trưng sóng coi khơng thay đổi, xây dựng đê biển huyện Tiền Hải nghiên cứu sau cần xem xét đầy đủ yếu tố nêu để có kết xác thực Tài liệu tham khảo Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn, (2009), Dự thảo hướng dẫn thiết kế đê biển lần thứ 11 Bộ Tài nguyên Môi trường, (2009), kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam 70 Nguyễn Bảo Khương, (2010), Nghiên cứu sở khoa học xây dựng tuyến đê biển Việt Nam, luận văn thạc sĩ kĩ thuât Vũ Thanh Te, (2008), Nghiên cứu giải pháp khoa học công nghệ để xây dựng đê biển chống bão triều cường tần suất thiết kế CEM (2002) Coastal Engineering Manual, U.S, Army Corps of Engineers, Engineer Manual 1110-2-1100, Washington D.C., USA TAW ( 2002) Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes, Delft Abstract SECTIONAL DETERMINED RESEARCH OF SEA DIKE IN TIEN HAI DISTRICT, THAI BINH PROVINCE ACCORDING TO WAVE OVERTOPPING STANDARD IN SEA LEVEL RISE CONDITION Tien Hai district has more than 54 km of sea dike and estuary system with crest level from +5.00 (m) to +5.50 (m) above MSL so when storm comes, it will happen wave overtopping The wave overtopping occurs frequently when storm comes With the changable climate and the sea level rises, wave overtopping becomes more and more popular and it affects on the sea dike badly This report shows some solutions in designing and building the sea dike to be safe for the sea dike of Tien Hai district Thai Binh province to adapt the condition when the sea level rises 71 ... đỉnh đê xác định theo tiêu chuẩn sóng tràn, đỉnh đê bảo vệ bê tông, kết hợp giao thơng 2.6 Cao trình đỉnh đê theo tiêu chuẩn sóng tràn Phần mềm CRESS242 ứng dụng để tính tốn sóng tràn qua đê biển. .. làm tiêu chuẩn thiết kế xây dựng mặt cắt đê biển, trừ số trường hợp với vùng bảo vệ quan trọng lấy lưu lượng tràn cho phép nhỏ Các giải pháp bảo vệ đê biển huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình theo tiêu. .. tế, kỹ thuật Đối với đê biển huyện Tiền Hải nói riêng, đê biển Việt Nam nói chung hồn tồn áp dụng tiêu chuẩn sóng tràn thiết kế Trong điều kiện nước ta, nên chọn lưu lượng tràn đơn vị cho phép