Giải pháp mới giảm cao trình đỉnh đê bảo vệ bờ biển

Bài viết đề xuất giải pháp mới, cho phép giảm chiều cao sóng sau khi tác động vào công trình, là nhân tố quyết định đến việc lựa chọn cao trình đỉnh đê biển.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY GIẢI PHÁP MỚI GIẢM CAO TRÌNH ĐỈNH ĐÊ BẢO VỆ BỜ BIỂN THE NEW SOLUTION TO REDUCING CREST ELEVATION OF COASTAL DEFENCE STRUCTURES NGUYỄN HOÀNG*, NGUYỄN VĂN NGỌC, NGUYỄN TRỌNG KH Khoa Cơng trình, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: nguyenhoang.ctt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Cao trình đê biển yếu tố định kinh tế - kỹ thuật xây dựng cơng trình bảo vệ bờ biển, việc nghiên cứu giảm cao trình đê có ý nghĩa lớn khoa học thực tiễn Bài báo đề xuất giải pháp mới, cho phép giảm chiều cao sóng sau tác động vào cơng trình, nhân tố định đến việc lựa chọn cao trình đỉnh đê biển Nội dung giải Từ khóa: Cao trình đỉnh đê, đê biển, cơng trình 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chiều cao sóng leo bảo vệ bờ biển Theo (1), độ cao lưu khơng đỉnh đê MNTK tính theo sóng leo thiết kế, m: Abstract Sea dyke elevation is a determination economic technical factor for designing and constructing coastal protection structures Therefore, research on reducing dyke elevation is not only a great scientist but also practical significance The paper proposes a new solution, which allows reducing the wave run-up height, which is a decisive factor for selecting sea dike crest Keywords: Crest elevation, sea dyke, coastal H sl H st H sl H st  1, 75   b  f o Khi 0,5 < γbξo < 1,8  1,     f  4,   o  (2)   Khi 1,8< γbξo < 8÷10 (3)   Trong đó: Hst - chiều cao sóng tới tính tốn chân cơng trình, ứng với tần suất thiết kế, phụ thuộc cấp cơng trình, m; defence structures Đặt vấn đề Theo [2] cao trình đỉnh đê bảo vệ bờ biển (Hình 1) xác định theo công thức: CTĐĐ = MNTK + Hsl + a Hình Sơ đồ tính cao trình đỉnh đê bảo vệ bờ biển (1) Trong đó: CTĐĐ - cao trình đỉnh đê, m; MNTK - cao trình mực nước thiết kế, mực nước triều tính tốn ứng với tần suất quy định theo cấp cơng trình tần suất nước dâng bão, m; Hsl - chiều cao sóng leo, chiều cao sóng sau sóng tới tương tác với cơng trình đê, m; a - chiều cao an tồn phụ thuộc cấp cơng trình, m Theo (1) yếu tố định cao trình đê, có chiều cao sóng leo yếu tố nghiên cứu thay đổi; yếu tố khác coi bất biến phải tuân thủ theo tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển ξo - số tương tự sóng vỡ; γβ - hệ số giảm chiều cao sóng leo sóng tới xiên góc với đường bờ bố trí đê biển; γb - hệ số giảm chiều cao sóng leo có đê; γf - hệ số giảm chiều cao sóng leo độ nhám mái dốc phụ thuộc kết cấu bảo vệ mặt đê Từ (2), (3) ta thấy yếu tố ảnh hưởng đến chiều cao sóng leo sau: a) Mái dốc đê Ảnh hưởng mái dốc đê thông qua số tương tự sóng vỡ: - Trường hợp độ dốc: o  tg (4) So - Trường hợp hai độ dốc: SỐ 63 (8-2020) 63 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY c) Độ nhám kết cấu bảo vệ mặt đê 1, 5H st  H sl tg  L B (5) Ảnh hưởng độ nhám kết cấu bảo vệ mặt đê, thông qua hệ số γf tra bảng theo tài liệu [1], [2] Ví dụ: Hình thể mái đê sử dụng khối phủ (Tetrapod) có độ nhám lớn (6) d) Cơ đê Trong đó: 2 H st So  gTm2 1,0 Ảnh hưởng đê đến chiều cao sóng leo thông qua công thức: Tm-1,0 - chu kỳ phổ sóng, tính theo cơng thức: Tm 1,0  Tp (7)  b   B Lb   d  0,  0, cos   h     x   (10) Với 0,6 ≤ γb < 1,0 Với α = 1,10 ÷ 1,20; Trong đó: Tp - chu kỳ phổ sóng; α - góc mái đê đường nằm ngang, định mái dốc đê m = ctgα; x - xác định sau (Hình 5): x = Hsl Hsl > dh > (cơ nằm MNTK); x = 2Hst 2Hst > dh ≥ (cơ nằm MNTK); L, B xác định theo Hình Bề rộng đê tối ưu B = 0,4Lb, đê bố trí MNTK hiệu giảm sóng leo tối đa ứng với: γb = 0,60   Hình Xác định độ dốc quy đổi tính sóng leo b) Ảnh hưởng sóng tới xiên góc với bờ γb = - 0,022|β| (0o ≤ |β| ≤ 80o) (8) γb = - 0,022.80 (|β| > 80o) (9) β - Góc hợp hướng sóng đường vng góc với bờ (trong thiết kế thường coi β = 0o)  Hình Xác định hướng sóng tới so với đường bờ Hình Các thơng số xác định đê Ví dụ: Hình thể đê có hai độ dốc đê 2.2 Đề xuất giải pháp giảm chiều cao sóng leo tác dụng lên đê bảo vệ bờ biển Đê biển nói chung đắp đất, đá thường mái nghiêng độ dốc, nhiều độ dốc; tiếp nối độ dốc khác đê Về nguyên tắc, độ dốc (m) thoải cơng trình ổn định, song diện tích mặt cắt ngang đê lớn, tốn nhiều vật liệu Một giải pháp mới, thiết kế mặt cắt ngang đê dạng bậc thang Giải pháp thực sở ứng dụng giải pháp kết cấu rỗng PGS TS Nguyễn Văn Ngọc đề xuất Hình Mặt cắt ngang đê bảo vệ cảng Lạch Huyện sử dụng khối phủ Tetrapod bảo vệ mặt đê SỐ 63 (8-2020) 64 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Hình Mặt cắt ngang đê đề xuất so sánh xây dựng đê Tiên Lãng có hai mái dốc đê Hình Mặt cắt ngang đê hình bậc thang đề xuất cho đê Tiên Lãng Hình Mặt cắt ngang đê hình bậc thang đề xuất cho đê bảo vệ khu đất sau cảng Lạch Huyện Hình Mặt cắt ngang đê biển Hải Hậu, mái đê sử dụng bê tông đúc sẵn nghiên cứu xây dựng đê biển Tiên Lãng (Hình 7), đê biển sau cảng Lạch Huyện (Hình 8) Tài liệu [3], [11] khẳng định ưu điểm trội giải pháp kết cấu so với giải pháp cơng trình bảo vệ bờ biển biết (đặc biệt kinh tế giảm lên tới 65%); nhiên nghiên cứu hiệu giảm sóng leo so với cơng trình biết chưa cơng bố, nội dung báo SỐ 63 (8-2020) Ứng dụng mơ hình số xác định giải pháp giảm sóng leo “tối ưu” 3.1 Các trường hợp tính tốn Nhằm xác định giải pháp giảm chiều cao sóng leo “tối ưu”, nhóm tác giả sử dụng phần mềm chuyên dụng Anys - CFX, tính toán cho trường hợp: - Trường hợp 1: Mái đê biển có độ dốc, sử dụng bê tơng lát mặt (Hình 9); 65 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ - Trường hợp 2: Mái đê biển có hai độ dốc đê (Hình 6); - Trường hợp 3: Mái đê biển sử dụng khối bê tơng Tetrapod bảo vệ (Hình 4); - Trường hợp 4: Đê biển có mái đê hình bậc thang có bậc (Hình 7), [3], [5], [7], [8]; - Trường hợp 5: Đê biển có mái đê hình bậc thang có bậc (Hình 8), [11] Trong đó: Trường hợp 1: có yếu tố (mái dốc) giảm chiều cao sóng leo; trường hợp 2: có hai yếu tố (mái dốc, đê); trường hợp 3: có ba yếu tố (mái dốc, đê, độ nhám); trường hợp 4, 5: xét ảnh hưởng bậc thang 3.2 Số liệu đầu vào - Số liệu mực nước: tham khảo số liệu tính tốn cảng Lạch Huyện [12] ứng với trường hợp mực nước cao thiết kế (MNCTK = 4,43m Hệ hải đồ); ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY - Số liệu sóng nước sâu: kết tính sóng nước sâu theo tài liệu [12], thơng số sóng nước sâu sử dụng làm điều kiện biên cho toán bao gồm: + Ho = 5,78m; To = 13,3s; Lo = 278,6m; - Thời gian chạy mơ hình: t = 500s 3.3 Thực thí nghiệm Các bước thực mơ hình tốn bao gồm: tạo mơ hình kết cấu phần mềm Ansys- CFX, chia lưới mơ hình, gắn điều kiện biên cho mơ hình, mơ cho sóng tương tác với cơng trình Vì khn khổ báo, tác giả trình bày bước tạo mơ hình kết cấu mơ sóng tương tác với cơng trình trường hợp Kiểm chứng mơ hình tốn cho trường hợp 1, 2, theo [2], tổng hợp kết tính tốn thể Bảng Hình 10 Mơ hình kết cấu mái đê biển trường hợp Hình 13 Sóng tương tác với cơng trình trường hợp Hình 11 Sóng tương tác với cơng trình trường hợp Hình 14 Mơ hình kết cấu mái đê biển trường hợp Hình 12 Mơ hình kết cấu mái đê biển trường hợp Hình 15 Sóng tương tác với cơng trình trường hợp 66 SỐ 63 (8-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình 16 Mơ hình kết cấu mái đê biển trường hợp Hình 17 Sóng tương tác với cơng trình trường hợp Hình 18 Mơ hình kết cấu mái đê biển trường hợp Hình 19 Sóng tương tác với cơng trình trường hợp Nhận xét: - So sánh kết mơ tốn tính theo [2] sai số 2,57%; 6,22%, 22,15% Điều cho thấy kết tính có sai số tăng dần theo yếu tố ảnh hưởng phù hợp với thực tế; Hình 20 So sánh chiều cao sóng leo cơng trình truyền thống KCR hình bậc thang - Với kết cấu truyền thống, muốn giảm chiều cao sóng leo cần sử dụng ba yếu tố ảnh hưởng đến chiều cao sóng leo mái dốc đê (m), đê (γb) độ nhám (γf) Đối với đê bậc thang so sánh điều kiện đê Tiên Lãng, bậc thang giảm đê truyền thống 77,76%; đê sau cảng Lạch Huyện bậc thang giảm so với đê truyền thống 43,91% Giảm chiều cao sóng leo cho phép giảm cao trình đê biển tới mức thấp nhất, mục tiêu báo đặt Bảng Bảng tổng hợp kết tính tốn kiểm chứng mơ Phương án kết cấu STT Mái đê biển có độ dốc, sử dụng lát bê tơng mặt (nhẵn), đê Hải Hậu Mái đê biển có hai độ dốc, có đê sử dụng bê tơng lát mặt (nhẵn), đê Tiên Lãng Mái đê biển có hai độ dốc, sử dụng khối Tetrapod bảo vệ (độ nhám cao), đê sau cảng Lạch Huyện Mái đê biển hình bậc thang có bậc, đê Tiên Lãng Mái đê biển hình bậc thang có bậc, đê sau cảng Lạch Huyện SỐ 63 (8-2020) Hst (m) Hsl theo mơ hình tốn (m) Hsl tính tốn theo [2] (m) Sai số (%) 2,1 6,68 6,86 2,57 2,1 6,52 6,95 6,22 2,1 2,3 2,95 22,15 2,1 1,45 - - 2,1 1,29 - - 67 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Kết luận Các kết nghiên cứu cơng bố tài liệu [3] ÷ [11] khẳng định ưu điểm vượt trội giải pháp kết cấu rỗng (KCR) so với giải pháp kết cấu biết kinh tế - kỹ thuật - môi trường - xã hội Với kết nghiên cứu báo khẳng định khả cạnh tranh giải pháp KCR với giải pháp kết cấu sử dụng xây dựng công trình bảo vệ bờ biển nói riêng cơng trình giảm sóng, chắn sóng, bảo vệ bờ nói chung; ứng dụng rộng rãi chắn tiết kiệm vốn ngân sách Nhà nước hàng nghìn tỷ đồng Lời cảm ơn Nghiên cứu sản phẩm đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường năm học 2019-2020, tên đề tài: “Nghiên cứu đề xuất giải pháp giảm sóng hợp lý mơ hình số cơng trình bảo vệ bờ biển Việt Nam”, hỗ trợ kinh phí Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn, Hướng dẫn thiết kế đê biển - Tiêu chuẩn ngành 14TCN 130-2002, 2002 [2] Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn, Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho cơng trình củng cố, bảo vệ nâng cấp đê biển, 2010 [3] Nguyễn Văn Ngọc, Giải pháp kết cấu cơng trình đê biển vùng địa chất yếu, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 48, tr 31÷ 35, 2016 [4] Nguyễn Văn Ngọc, Giải pháp kết cấu đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 52, tr 46÷ 49, 2017 [5] Ngoc Nguyen Van, Huong Giang Le Thi, The New Structural Solution for Sea Dike in Soft Soil Area, International Journal of Structural and Civil Engineering Research (ICOCE), Volume 7, No 4, pp 364 ÷ 367, 2018 [6] Ngoc Nguyen Van, Huong Giang Le Thi, New Structural Solution for Port Protective Works: Rubble Mound Breakwater Slope, The 1st Vietnam Symposium on Advances in Offshore Engineering (VSOE 2018), Springer Nature Singapore, Volume 18, pp 566 ÷ 571, 2019 68 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [7] Nguyễn Văn Ngọc, Trần Thị Chang, Nguyễn Xuân Trường, Đề xuất giải pháp kết cấu chống xói lở bờ sơng, bờ biển ứng phó với biến đổi khí hậu nước biển dâng Việt Nam, Kỷ yếu diễn đàn Khoa học Cơng nghệ phục vụ ứng phó thiên tai Việt Nam, tr 199 ÷ 212, 2018 [8] Nguyễn Văn Ngọc, Trần Thị Chang, Nguyễn Xuân Trường, Ứng dụng giải pháp kết cấu xây dựng công trình chống xói lở bờ sơng, bờ biển đê chắn sóng, ứng phó với biến đổi khí hậu nước biển dâng, Kỷ yếu Hội thảo CLB KH&CN trường Đại học kỹ thuật lần thứ 53, tr 316 ÷ 334, 2018 [9] Nguyễn Văn Ngọc, Trần Thị Chang, Nghiên cứu, đề xuất giải pháp chống xói lở bờ biển Cà Mau, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 58, tr 59 ÷ 64, 2019 [10] Nguyễn Văn Ngọc, Nguyễn Hoàng, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Văn Ninh, Nghiên cứu khả tiêu giảm sóng kết cấu rỗng phục vụ xây dựng cơng trình chống xói lở bờ biển ứng phó với biến đổi khí hậu nước biển dâng, Báo cáo Hội nghị Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 22 tổ chức Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, ngày 25/07/2019 [11] Nguyễn Văn Ngọc, Nguyễn Văn Ninh, Nghiên cứu sử dụng vật liệu tre cho giải pháp kết cấu rỗng xây dựng cơng trình giảm sóng, chắn sóng, bảo vệ bờ biển, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 61, tr 39 ÷ 44, 2020 [12] Oriental Consultants, Nippon Koei, Padeco, Japan Bridge & Structure Institute, Nghiên cứu thiết kế chi tiết dự án xây dựng hạ tầng cảng Lạch Huyện, Báo cáo cuối kỳ hợp phần Cảng, Gói thầu -10, 06/2012 Ngày nhận bài: 14/3/2020 Ngày nhận sửa: 27/3/2020 Ngày duyệt đăng: 15/4/2020 SỐ 63 (8-2020) ... đê lớn, tốn nhiều vật liệu Một giải pháp mới, thiết kế mặt cắt ngang đê dạng bậc thang Giải pháp thực sở ứng dụng giải pháp kết cấu rỗng PGS TS Nguyễn Văn Ngọc đề xuất Hình Mặt cắt ngang đê bảo. .. đê bậc thang so sánh điều kiện đê Tiên Lãng, bậc thang giảm đê truyền thống 77,76%; đê sau cảng Lạch Huyện bậc thang giảm so với đê truyền thống 43,91% Giảm chiều cao sóng leo cho phép giảm cao. .. Hậu Mái đê biển có hai độ dốc, có đê sử dụng bê tông lát mặt (nhẵn), đê Tiên Lãng Mái đê biển có hai độ dốc, sử dụng khối Tetrapod bảo vệ (độ nhám cao) , đê sau cảng Lạch Huyện Mái đê biển hình