Luận văn ThS: Ảnh hưởng dòng ven bờ tới ổn định đá hộc chân kè đê Cát Hải, Hải Phòng

Nghiên cứu tác động của dòng chảy ven bờ đến sự ổn định của kết cấu đá hộc chân kè tại khu vực Cát Hải. Phân tích cơ chế gây xói lở và các giải pháp bảo vệ.

• Tác giả: Bùi Đức Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Xuân Roanh
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Thủy lợi
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng ven bờ tới ổn định của vật liệu đá hộc trong bảo vệ chân kè, ứng dụng cho công trình đê Cát Hải-Hải Phòng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá Ảnh hưởng Dòng ven Bờ Tại sao Ổn định Đá Hộc Chân Kè Cát Hải lại Quan trọng

Việt Nam, với bờ biển dài và địa hình phức tạp, thường xuyên phải đối mặt với các hiện tượng xói lở do tác động của sóng và dòng chảy. Trong bối cảnh đó, các công trình đê biển và kè bảo vệ bờ đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ tính mạng, tài sản của người dân và hạ tầng kinh tế. Tuy nhiên, sự ổn định của các công trình này, đặc biệt là phần chân kè, luôn là một thách thức lớn. Nghiên cứu về ảnh hưởng dòng ven bờ đến ổn định đá hộc chân kè Cát Hải trở nên cấp thiết, không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế xói lở mà còn đề xuất các giải pháp kỹ thuật hiệu quả nhằm tăng cường khả năng chống chịu của hệ thống bảo vệ. Đá hộc là vật liệu truyền thống và phổ biến trong xây dựng chân kè, nhưng sự ổn định của chúng trước dòng chảy ven bờ phức tạp vẫn là vấn đề cần được phân tích kỹ lưỡng. Công trình đê Cát Hải – Hải Phòng là một ví dụ điển hình về tầm quan trọng của việc đảm bảo ổn định chân kè trong điều kiện tự nhiên khắc nghiệt. Việc mất ổn định chân kè không chỉ dẫn đến hư hỏng cục bộ mà còn có nguy cơ gây sụp đổ toàn bộ kết cấu, gây thiệt hại nghiêm trọng. Do đó, việc nắm bắt và đánh giá chính xác tác động của dòng chảy gần bờ là yếu tố tiên quyết để thiết kế và duy trì các công trình bảo vệ bờ bền vững.

1.1. Thực trạng hư hỏng công trình đê biển và nhu cầu nghiên cứu ổn định chân kè Cát Hải

Các công trình đê biển ở Việt Nam, đặc biệt là khu vực Cát Hải, thường xuyên đối mặt với tình trạng hư hỏng do tác động kết hợp của sóng, gió bão và dòng chảy ven bờ. Thực tế cho thấy, nhiều công trình kè bảo vệ đã bộc lộ rõ ưu nhược điểm sau những đợt bão lũ, với phần chân kè là bộ phận dễ bị tổn thương nhất. Theo tài liệu, "Phần lớn các dự án tính toán theo tiêu chuẩn kỹ thuật mới chỉ làm việc đến bão cấp 9 cấp 10. Liên tiếp hai năm 2005 và 2006 bão đã đổ bộ trực tiếp" gây ra những thiệt hại nặng nề. Sự xói lở tại chân kè Cát Hải không chỉ làm suy yếu nền móng mà còn dẫn đến sạt trượt mái kè, đe dọa trực tiếp đến an toàn của tuyến đê. Do đó, việc nghiên cứu chuyên sâu về ổn định đá hộc tại chân kè, đặc biệt là dưới tác động của các yếu tố thủy động lực, là cực kỳ cần thiết để tìm ra các giải pháp phòng ngừa và khắc phục hiệu quả, đảm bảo tính bền vững lâu dài cho các công trình đê biển.

1.2. Tổng quan về dòng chảy ven bờ và tác động đến cấu trúc bảo vệ chân kè

Dòng chảy ven bờ là một hệ thống dòng chảy phức tạp hình thành do sóng tác dụng theo hướng xiên góc với đường bờ, cùng với các yếu tố như thủy triều và địa hình đáy biển. Các dòng chảy này bao gồm dòng chảy dọc bờ, dòng tiêu (rip currents) và dòng tuần hoàn, tất cả đều có khả năng gây ra sự biến đổi đáng kể cho bãi biển và nền móng công trình. Đối với các kết cấu bảo vệ chân kè như đá hộc, dòng chảy ven bờ tạo ra lực kéo và lực nâng, có thể làm dịch chuyển hoặc cuốn trôi vật liệu, dẫn đến hiện tượng xói lở chân kè. Tài liệu gốc nhấn mạnh, "Cấu trúc bảo vệ chân cần được xem xét đặc biệt vì nó là đối tượng của hai dạng tác động chính bao gồm chế độ thủy động lực và sự biến đổi của bãi biển ngay trước chân kè." Việc hiểu rõ cơ chế hình thành và cường độ của dòng chảy ven bờ là nền tảng để đánh giá chính xác mức độ ảnh hưởng dòng ven bờ đến ổn định đá hộc chân kè Cát Hải và đề xuất các biện pháp bảo vệ phù hợp.

II. Phân tích Nguyên nhân Mất Ổn định Đá Hộc Chân Kè Cát Hải Từ Dòng Ven Bờ đến Xói Lở

Sự mất ổn định đá hộc chân kè Cát Hải là một vấn đề đa chiều, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Trong đó, dòng chảy ven bờ đóng vai trò chủ đạo trong việc gây ra hiện tượng xói lở và phá hoại cấu trúc. Nắm bắt được các nguyên nhân này không chỉ giúp dự đoán rủi ro mà còn là cơ sở để phát triển các giải pháp kỹ thuật kè hiệu quả. Sự tương tác giữa sóng, dòng chảy và địa chất đáy biển tạo ra một môi trường năng động, liên tục thay đổi hình thái bờ biển và gây áp lực lên các vật liệu bảo vệ. Bên cạnh đó, các yếu tố về đặc điểm địa hình, đặc tính vật liệu và phương pháp thi công cũng góp phần vào mức độ tổn thương của chân kè. Việc phân tích sâu rộng các nguyên nhân này là bước đầu tiên và quan trọng nhất để xây dựng một hệ thống bảo vệ công trình đê biển vững chắc và bền vững trước các thách thức của biến đổi khí hậu và điều kiện tự nhiên khắc nghiệt. Nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng, ngay cả những thay đổi nhỏ trong cường độ dòng chảy cũng có thể gây ra những hậu quả đáng kể đến ổn định chân kè, đòi hỏi sự đánh giá liên tục và điều chỉnh trong thiết kế.

2.1. Khái niệm và cơ chế hình thành xói lở chân kè do dòng chảy ven bờ

Xói lở chân kè là quá trình vật liệu nền móng hoặc vật liệu bảo vệ chân kè bị cuốn trôi do tác động của sóng và dòng chảy ven bờ. Dòng chảy này, được hình thành bởi sự truyền năng lượng của sóng vào vùng gần bờ theo hướng xiên góc, tạo ra lực kéo và lực nâng mạnh mẽ lên các viên đá hộc. Cơ chế xói lở bao gồm sự dịch chuyển của các hạt trầm tích nhỏ, làm lộ ra các viên đá lớn hơn, sau đó là sự di chuyển và cuốn trôi các viên đá hộc khi lực tác động vượt quá trọng lượng và ma sát của chúng. Tài liệu chỉ ra rằng "Khái niệm về xói chân kè" là yếu tố quan trọng, và "Ổn định chân có vai trò đặc biệt quan trọng vì sự mất ổn định của chân kè sẽ dẫn đến sự sụp đổ của toàn bộ cấu trúc." Quá trình này diễn ra từ từ hoặc đột ngột tùy thuộc vào cường độ dòng chảy và đặc tính vật liệu, gây ra các hố xói sâu và rộng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến ổn định chân kè và toàn bộ công trình đê biển.

2.2. Các yếu tố thủy động lực và địa chất ảnh hưởng đến ổn định đá hộc

Ngoài dòng chảy ven bờ, nhiều yếu tố khác cũng tác động đáng kể đến ổn định đá hộc tại chân kè Cát Hải. Các yếu tố thủy động lực bao gồm chiều cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng tới, mực nước triều và tốc độ dòng chảy cục bộ. Sóng lớn có thể tạo ra áp lực thủy tĩnh và động đáng kể, trong khi dòng chảy ven bờ gây ra lực cắt đáy và lực kéo vật liệu. "Đối với hầu hết công trình đê kè, sóng và dòng chảy sóng gây ra sẽ là yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế giải pháp bảo vệ chân." Yếu tố địa chất như loại đất nền, độ dốc mái bờ, kích thước và hình dạng của đá hộc cũng đóng vai trò quan trọng. Đá có kích thước không đồng đều hoặc hình dạng không tối ưu sẽ dễ bị dịch chuyển hơn. Ngoài ra, sự thay đổi bất thường của khí hậu, các sự kiện bão lũ cường độ cao cũng làm gia tăng rủi ro mất ổn định chân kè, đòi hỏi phải có giải pháp kỹ thuật kè thích ứng.

III. Hướng dẫn Phương pháp Đánh giá Ổn định Đá Hộc Chân Kè Cát Hải trước Dòng Ven Bờ

Để đảm bảo an toàn và bền vững cho chân kè Cát Hải, việc áp dụng các phương pháp đánh giá ổn định đá hộc trước tác động của dòng chảy ven bờ là điều cực kỳ quan trọng. Các phương pháp này bao gồm cả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm mô hình và phân tích dữ liệu thực địa. Mục tiêu là xác định được các thông số thiết kế cần thiết, dự báo phạm vi và mức độ xói lở chân kè, từ đó đưa ra giải pháp kỹ thuật kè tối ưu. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào quy mô dự án, điều kiện tự nhiên cụ thể và nguồn lực sẵn có. Các nhà khoa học và kỹ sư thường kết hợp nhiều phương pháp để có cái nhìn toàn diện và chính xác nhất về ảnh hưởng dòng ven bờ đến ổn định đá hộc chân kè Cát Hải. Đặc biệt, các mô hình toán học và thí nghiệm vật lý trong phòng thí nghiệm đóng vai trò then chốt trong việc tái tạo và phân tích các điều kiện thủy động lực phức tạp, giúp đánh giá hiệu quả của các thiết kế bảo vệ trước khi triển khai ngoài thực địa. "Các nghiên cứu trong và ngoài nước về bảo vệ chân kè" đã cung cấp nhiều kinh nghiệm quý báu cho việc này.

3.1. Lý thuyết nghiên cứu ổn định chân kè và xác định trọng lượng đá bảo vệ

Lý thuyết nghiên cứu ổn định chân kè tập trung vào việc định lượng khả năng chống chịu của vật liệu đá hộc trước các lực tác động từ sóng và dòng chảy ven bờ. Các phương pháp phổ biến bao gồm việc sử dụng các công thức thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm để tính toán trọng lượng tối thiểu của viên đá cần thiết để duy trì sự ổn định. Tài liệu đã đề cập đến công thức sau để dự đoán trọng lượng tối thiểu của vật liệu đá bảo vệ chân: Wmin = γr * H^3 / (Ns^3 * (γr/γw - 1)) (2.14), trong đó Ns là thông số ổn định thiết kế được chỉ ra trong SPM (Shore Protection Manual). Đối với trường hợp chân kè chịu ảnh hưởng mạnh bởi sóng, có thể tham khảo thêm công thức: W = γr * H^3 / (KD * (γr/γw - 1)^3 * cotθ) (2.15). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng công thức thứ nhất dự đoán trọng lượng tối thiểu, còn công thức thứ hai dự đoán trọng lượng trung bình của viên đá. Việc áp dụng chính xác các công thức này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các thông số thủy động lực và vật liệu để đảm bảo ổn định đá hộc chân kè Cát Hải.

3.2. Vai trò của mô hình thủy lực và thí nghiệm trong đánh giá ảnh hưởng dòng ven bờ

Mô hình thủy lực và các thí nghiệm vật lý đóng vai trò không thể thiếu trong việc đánh giá ảnh hưởng dòng ven bờ đến ổn định đá hộc chân kè Cát Hải. Thông qua việc tái tạo các điều kiện sóng và dòng chảy ven bờ trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu có thể quan sát trực tiếp diễn biến xói lở chân kè và thử nghiệm hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật kè. Mô hình máng sóng (như "Mặt cắt thí nghiệm trong mô hình máng sóng (tác giả stephan baart & nnk)") cho phép kiểm soát các yếu tố đầu vào một cách chính xác, từ đó thu thập dữ liệu về sự dịch chuyển của đá hộc, độ sâu hố xói và phạm vi xói lở. Các kết quả từ thí nghiệm mô hình giúp hiệu chỉnh các công thức tính toán lý thuyết và cung cấp thông tin quý giá cho việc thiết kế thực tế, đặc biệt là trong việc xác định kích thước và cách bố trí vật liệu nhằm tối ưu hóa bảo vệ chân kè trước các tác động khắc nghiệt của biển.

IV. Đề xuất Giải pháp Kỹ thuật Tăng cường Ổn định Đá Hộc Chân Kè Cát Hải Hiệu quả

Từ những phân tích về ảnh hưởng dòng ven bờ đến ổn định đá hộc chân kè Cát Hải và các nguyên nhân gây mất ổn định, việc đề xuất các giải pháp kỹ thuật kè hiệu quả là bước cuối cùng và quan trọng nhất. Các giải pháp này không chỉ tập trung vào việc gia cố cấu trúc hiện có mà còn hướng tới các thiết kế bền vững, thích ứng với điều kiện tự nhiên phức tạp. Mục tiêu là tăng cường khả năng chống chịu của đá hộc và toàn bộ chân kè trước các tác động của sóng, dòng chảy ven bờ và các yếu tố thủy động lực khác. Việc lựa chọn giải pháp cần dựa trên đánh giá tổng thể về hiệu quả kỹ thuật, kinh tế và môi trường. Các nghiên cứu đã cho thấy sự đa dạng của các loại kết cấu bảo vệ chân kè, từ truyền thống đến hiện đại, mỗi loại đều có những ưu nhược điểm riêng. Do đó, việc áp dụng cần linh hoạt và phù hợp với đặc điểm cụ thể của công trình đê biển tại Cát Hải, đồng thời xem xét đến khả năng bảo trì và tuổi thọ của công trình. Sự kết hợp giữa vật liệu truyền thống và công nghệ mới là xu hướng để đạt được sự ổn định chân kè bền vững.

4.1. Các loại kết cấu bảo vệ chân kè và ưu nhược điểm áp dụng tại Cát Hải

Việt Nam đã áp dụng nhiều loại kết cấu bảo vệ chân kè, từ truyền thống đến hiện đại. Tài liệu gốc phân loại chân kè thành nhiều dạng: khối đá xếp, khối bê tông xếp; kết cấu cứng như tường đá xây, bê tông; và các ống bê tông đúc sẵn chứa đá hộc. Mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng khi áp dụng tại chân kè Cát Hải. Kết cấu đá hộc có ưu điểm về tính linh hoạt, khả năng thoát nước tốt và chi phí tương đối thấp, nhưng dễ bị xói lở chân kè nếu kích thước đá không đủ lớn hoặc không được liên kết chặt chẽ. Các kết cấu cứng như tường bê tông cung cấp độ bền cao hơn nhưng kém linh hoạt và có thể gây phản xạ sóng mạnh, làm gia tăng xói lở phía trước. Việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật kè phải cân nhắc kỹ lưỡng đặc điểm địa chất, thủy động lực của khu vực Cát Hải, cũng như tính toán đến ảnh hưởng dòng ven bờ để đảm bảo hiệu quả ổn định đá hộc tối đa.

4.2. Đề xuất giải pháp tăng cường ổn định đá hộc và giảm thiểu xói lở chân kè

Để tăng cường ổn định đá hộc chân kè Cát Hải và giảm thiểu xói lở chân kè, có thể áp dụng một số giải pháp kỹ thuật kè kết hợp. Thứ nhất, tối ưu hóa kích thước và trọng lượng đá hộc dựa trên các công thức tính toán và kết quả từ mô hình thủy lực, đảm bảo đá đủ lớn để chống lại lực kéo của dòng chảy ven bờ và sóng. Thứ hai, sử dụng lưới địa kỹ thuật hoặc các tấm vải địa kỹ thuật dưới lớp đá để ngăn ngừa sự trôi lở của các hạt trầm tích nền, đồng thời tăng cường khả năng chịu tải của chân kè. Thứ ba, áp dụng các biện pháp liên kết đá hộc như đổ vữa xi măng không liên tục hoặc sử dụng các cấu kiện bê tông tự chèn để tạo thành một lớp bảo vệ vững chắc hơn. Thứ tư, thiết kế các cấu trúc giảm sóng và dòng chảy như mỏ hàn, đê phá sóng ngầm ở phía ngoài chân kè để làm suy yếu năng lượng của dòng chảy ven bờ trước khi nó tác động trực tiếp lên chân kè. Theo EM 1110-2-1601, "những tác động xói của thủy triều hay dòng chảy sông là một thành phần phụ một khi đã xem xét dòng chảy trong điều kiện sóng bão", cho thấy tầm quan trọng của việc xem xét toàn diện các yếu tố tác động để đạt được bảo vệ chân kè hiệu quả.

V. Kết luận về Ảnh hưởng Dòng Ven Bờ và Hướng Phát triển Bảo vệ Chân Kè Cát Hải

Nghiên cứu về ảnh hưởng dòng ven bờ đến ổn định đá hộc chân kè Cát Hải đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về một vấn đề kỹ thuật phức tạp và quan trọng. Rõ ràng, dòng chảy ven bờ cùng với sóng và các yếu tố thủy động lực khác đóng vai trò then chốt trong việc gây ra xói lở chân kè và đe dọa sự ổn định đá hộc. Việc hiểu rõ các cơ chế này, từ việc hình thành dòng chảy đến việc tính toán trọng lượng đá cần thiết, là nền tảng để thiết kế và triển khai các giải pháp kỹ thuật kè bền vững. Các công trình đê biển tại Cát Hải, cũng như nhiều khu vực ven biển khác, cần được xem xét đặc biệt với sự kết hợp của lý thuyết, thực nghiệm và kinh nghiệm thực tiễn. Tương lai của bảo vệ chân kè đòi hỏi sự đổi mới liên tục trong vật liệu và phương pháp, hướng tới các giải pháp thân thiện với môi trường và có khả năng chống chịu cao hơn trước các kịch bản biến đổi khí hậu ngày càng khắc nghiệt. Chỉ khi đó, công trình đê biển mới có thể thực sự phát huy hiệu quả bảo vệ, góp phần vào sự phát triển bền vững của khu vực ven biển.

5.1. Tổng kết những phát hiện chính về ảnh hưởng dòng ven bờ và ổn định đá hộc

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng dòng chảy ven bờ là một trong những yếu tố chủ yếu gây mất ổn định đá hộc chân kè Cát Hải. Các dòng chảy này tạo ra lực kéo và lực nâng đáng kể, dẫn đến sự dịch chuyển và cuốn trôi vật liệu, hình thành các hố xói lở chân kè. Mức độ ảnh hưởng dòng ven bờ phụ thuộc vào cường độ dòng chảy, đặc điểm sóng, và các yếu tố địa chất, cũng như kích thước và trọng lượng của đá hộc. Lý thuyết và các công thức thực nghiệm, như công thức xác định Wmin từ SPM, là công cụ thiết yếu để tính toán và thiết kế bảo vệ chân kè. Thí nghiệm mô hình thủy lực đã chứng minh hiệu quả trong việc tái tạo và đánh giá các kịch bản xói lở, từ đó cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc phát triển các giải pháp kỹ thuật kè tối ưu. Việc kết hợp chặt chẽ giữa các yếu tố này là chìa khóa để đảm bảo sự ổn định chân kè lâu dài.

5.2. Hướng nghiên cứu và ứng dụng tương lai cho công trình đê biển Cát Hải

Trong tương lai, các nghiên cứu về ảnh hưởng dòng ven bờ đến ổn định đá hộc chân kè Cát Hải cần tiếp tục được đẩy mạnh. Hướng nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình số 3D tiên tiến để mô phỏng chính xác hơn tương tác sóng-dòng-đáy, cũng như hành vi của đá hộc dưới tác động của các điều kiện thủy động lực cực đoan. Ứng dụng công nghệ vật liệu mới, chẳng hạn như cấu kiện bê tông cường độ cao hoặc các giải pháp kết hợp sinh thái (bio-engineering), cũng là một hướng đi hứa hẹn để tăng cường bảo vệ chân kè và giảm thiểu xói lở chân kè. Việc tích hợp dữ liệu giám sát thực tế từ các công trình đê biển hiện có với kết quả mô hình và thí nghiệm sẽ giúp liên tục cải thiện độ chính xác của các dự báo và hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật kè. Mục tiêu cuối cùng là xây dựng các hệ thống chân kè Cát Hải không chỉ bền vững về mặt kỹ thuật mà còn thân thiện với môi trường, góp phần vào sự phát triển bền vững của khu vực.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực bờ biển đảo Cát Hải thuộc thành phố Hải Phòng sở hữu tuyến đê bao dài 20,6 km giữ vai trò huyết mạch bảo vệ an toàn dân sinh và cơ sở hạ tầng kinh tế xã hội. Tuy nhiên, toàn bộ hệ thống công trình này được xây dựng trên nền trầm tích trẻ mềm yếu, thường xuyên chịu tác động khắc nghiệt từ sóng biển, triều cường và nước dâng do bão. Thực tế lịch sử ghi nhận cơn bão năm 2005 đã tàn phá nghiêm trọng, làm biến dạng mặt cắt đê đoạn Bến Gót - Gia Lộc dài 3.100 m với cao trình đỉnh từ +4,0 m đến +4,5 m. Tiếp đó, vào năm 2011, hai cơn bão liên tiếp là bão Haima và bão Nock-ten với sức gió đo được tại trạm Hòn Dấu đạt cấp 7 đến cấp 8, giật cấp 9 lúc triều cường đã gây xô sạt nặng nề toàn bộ hệ thống mái kè và chân khay bảo vệ.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi là hiện tượng xói lở chân kè diễn ra liên tục do tác động tương hỗ phức tạp giữa trường sóng vỡ và dòng chảy ven bờ. Vật liệu đá hộc truyền thống được bố trí tại chân kè bị cuốn trôi, đẩy dịch chuyển khỏi vị trí thiết kế ban đầu, kéo theo sự sạt trượt của toàn bộ mái đê phía biển. Luận văn tập trung giải quyết bài toán cấp bách: Nghiên cứu định lượng ảnh hưởng của dòng ven bờ tới sự ổn định của vật liệu đá hộc bảo vệ chân kè, từ đó xác lập cơ sở khoa học để tính toán kích thước, trọng lượng đá và giải pháp kết cấu gia cố tối ưu cho đê biển Cát Hải.

Phạm vi nghiên cứu bao quát dải ven bờ đảo Cát Hải, đặc biệt là các đoạn xung yếu từ Bến Gót đến Hoàng Châu dài khoảng 1.500 m. Việc nghiên cứu có ý nghĩa quyết định trong việc nâng cao hệ số ổn định trượt của thân đê, giảm thiểu nguy cơ vỡ đê trong các điều kiện thời tiết cực đoan, đồng thời tiết kiệm hơn 40% kinh phí duy tu, sửa chữa khẩn cấp hàng năm cho ngân sách địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết thủy động lực học ven bờ hiện đại, khởi đầu từ lý thuyết ứng suất tỏa (Radiation Stress) của Longuet-Higgins và Stewart (1964) kết hợp với các phân tích của Bowen (1969). Khi sóng truyền xiên góc vào vùng nước nông và vỡ bờ, gradient của thành phần ứng suất tỏa đóng vai trò lực đẩy thủy động lực học chính hình thành nên dòng chảy dọc bờ có năng lượng lớn.

Độ ổn định của hạt vật liệu dưới tác động của dòng chảy rối sát đáy được xây dựng dựa trên định luật Shields (1936) về ứng suất tiếp giới hạn và công thức kinh nghiệm của Izbash (1930) xác định quan hệ giữa vận tốc dòng chảy tới hạn và đường kính hạt đá. Để đánh giá sự làm việc của đá hộc tại kết cấu chân khay chịu tác động đồng thời của sóng và dòng chảy, luận văn tích hợp lý thuyết ổn định của Van der Meer (1998) và Gerding (1993). Các công thức này thiết lập mối quan hệ chặt chẽ giữa chiều cao sóng có nghĩa, số khối dịch chuyển cho phép, độ sâu tương đối tại chân kè trong dải từ 0,4 đến 0,9 và đường kính danh định của khối đá.

Bên cạnh đó, các khái niệm trọng tâm bao gồm: dòng tiêu (rip current), dòng tuần hoàn ven bờ, đường kính tương đương danh định của viên đá hình khối lập phương (thường nhỏ hơn khoảng 20% so với đường kính sàng thực tế), và góc nghiêng mái dốc công trình trong khoảng từ 30 độ đến 90 độ theo mô hình xói Sumer và Fredsoe.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn tiếp cận vấn đề thông qua sự kết hợp giữa phân tích số liệu thực đo lịch sử và công cụ mô phỏng số học mô hình toán thủy lực hai chiều Delft 3D kết hợp mô-đun sóng. Nguồn cơ sở dữ liệu đầu vào bao gồm:

• Chuỗi số liệu hoa gió và tốc độ gió quan trắc 20 năm (1976-1995) và 12 năm (2000-2011) tại trạm khí tượng Hòn Dấu và Bạch Long Vĩ.
• Chuỗi quan trắc mực nước biển liên tục 20 năm tại trạm Hòn Dấu (1988-2007) và trạm Cửa Ông (1986-2007).
• Dữ liệu lưu lượng dòng chảy các sông chính khu vực Hải Phòng năm 2009.
• Dữ liệu hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy động lực học được đo đạc thực tế tại 2 vị trí trọng điểm là Bến Gót và trạm kiểm tra KT1 trong tháng 3 và tháng 8 năm 2009.

Lý do lựa chọn bộ phần mềm Delft 3D là nhờ khả năng mô phỏng phi tuyến xuất sắc các quá trình tương tác phức tạp giữa chế độ triều, trường sóng ngẫu nhiên và biến dạng dòng chảy cục bộ quanh các mũi đảo ven bờ. Quá trình tính toán mô phỏng được thực hiện trên hệ thống lưới tính toán chi tiết, trích xuất dữ liệu vận tốc dòng chảy và thông số sóng tại 5 vị trí đại diện gồm Hòn Dấu, Đình Vũ, Cát Hải, Bạch Đằng và Lạch Huyện. Các kịch bản tính toán bao quát 2 mùa khí hậu đặc trưng (mùa khô tháng 1 và mùa mưa tháng 7) cùng 3 kịch bản cực trị sóng bão tương ứng với các tần suất xuất hiện 1%, 2% và 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng số trị kết hợp phân tích lý thuyết đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, trường dòng chảy ven bờ tại khu vực phía Nam đảo Cát Hải chịu sự chi phối mạnh mẽ của dòng chảy do sóng vỡ theo hướng xiên góc kết hợp với triều rút. Vận tốc dòng chảy ven bờ trung bình mùa mưa dao động từ 0,8 m/s đến 1,2 m/s, nhưng trong các kịch bản bão cực trị với tần suất xuất hiện 1%, vận tốc dòng chảy tổng hợp tại vùng chân kè tăng vọt lên mức từ 1,85 m/s đến 2,45 m/s.

Thứ hai, kết cấu chân kè hiện trạng sử dụng đá hộc truyền thống có đường kính từ 0,30 m đến 0,35 m hoàn toàn không đảm bảo khả năng tự ổn định. Khi vận tốc dòng chảy vượt quá 1,50 m/s, tỷ lệ thể tích đá bị dịch chuyển và cuốn trôi tăng vọt hơn 65% so với ngưỡng giới hạn an toàn theo tiêu chuẩn thiết kế.

Thứ ba, sự tương tác giữa chiều sâu nước trước chân kè và chiều cao sóng có ý nghĩa quyết định tới mức độ khoét sâu hố xói. Khi độ sâu tương đối nằm trong khoảng từ 0,45 đến 0,65, biên độ dao động áp lực đáy đạt cực đại, làm giảm 35% lực kháng cắt ma sát giữa các viên đá hộc trong lăng thể bảo vệ.

Thứ tư, nghiên cứu đã lượng hóa được kích thước đá hộc tối thiểu cần thiết để giữ ổn định chân khay. Đối với kịch bản gió bão tần suất 1% kết hợp triều cường, đường kính danh định của đá hộc bảo vệ phải đạt từ 0,55 m đến 0,70 m, tương đương với trọng lượng mỗi viên đá từ 350 kg đến trên 600 kg.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phá hoại chân kè đê biển Cát Hải bắt nguồn từ sự hình thành hố xói sâu cục bộ phía trước lăng thể đá. Khi các cơn sóng lớn vỡ xiên góc dồn dập, ứng suất tỏa sinh ra một dòng xoáy dọc bờ với lưu tốc đáy vượt xa ngưỡng vận tốc xói tới hạn tính theo công thức Izbash. Dòng chảy này cuốn trôi các lớp cát mịn và đá dăm đệm lót, khiến các khối đá hộc lớn hơn mất điểm tựa trọng lực và lăn dần xuống hố xói.

Khi so sánh kết quả tính toán của luận văn với các chỉ dẫn thiết kế trong Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9901-2014 và Tiêu chuẩn Ngành 14TCN130-2002, công thức kinh nghiệm truyền thống thường đánh giá thấp hơn khoảng 25% giá trị vận tốc dòng chảy cục bộ do chưa xét hết tác động cộng hưởng của sóng vỡ vùng bãi cạn. Kết quả thu được từ mô hình Delft 3D cho thấy sự tương thích rất cao với mô hình phân tích ổn định của Van der Meer và các thực nghiệm máng sóng quốc tế.

Để phục vụ công tác thiết kế trực quan, toàn bộ tập dữ liệu nghiên cứu có thể được biểu diễn thông qua biểu đồ tương quan phi tuyến giữa lưu tốc dòng chảy và đường kính đá danh định, kết hợp đồ thị đường cong phân bố lưu tốc dọc bờ qua dải sóng vỡ và bảng tra cứu đa thông số ứng với các cấp sóng bão từ tần suất 1% đến 5%.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận khoa học, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm bảo vệ vững chắc chân kè đê biển Cát Hải:

Thứ nhất, cải tạo và nâng cấp quy cách vật liệu lăng thể đá hộc chân khay. Tiến hành thay thế lớp đá hộc nhỏ hiện hữu bằng loại đá hộc tuyển chọn có đường kính danh định từ 0,60 m trở lên, trọng lượng tối thiểu đạt trên 450 kg mỗi viên. Mở rộng bề rộng mặt cắt lăng thể chân khay từ 2,0 m lên tối thiểu 3,5 m đến 4,0 m, đặt cao trình đỉnh chân khay chìm dưới mực nước triều kiệt trung bình. Giải pháp này đặt mục tiêu giảm thiểu trên 90% hiện tượng trôi dạt đá khi gặp bão cấp 9 đến cấp 10, hoàn thành thiết kế và thi công trong giai đoạn 2026-2027 do Ban Quản lý Dự án Nông nghiệp và Thủy lợi Hải Phòng chủ trì thực hiện.

Thứ hai, đổi mới kết cấu nối tiếp giữa mái kè và chân khay. Áp dụng kết cấu mảng mềm bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn tự chèn liên kết linh hoạt, phía chân khay sử dụng hệ thống ống buy bê tông cốt thép cải tiến nhồi đá hộc cấp phối chặt kết hợp trải thảm rọ đá gia cường phía ngoài. Thời gian thực hiện thí điểm trên 1.500 m đoạn xung yếu Bến Gót - Gia Lộc trong vòng 12 tháng bởi Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Hải Phòng, hướng tới nâng hệ số ổn định trượt tổng thể của mái kè đạt trên 1,35.

Thứ ba, xây dựng hệ thống giám sát thủy động lực học và dự báo xói lở định kỳ. Ứng dụng mô hình số trị Delft 3D đã được hiệu chỉnh để cập nhật dữ liệu diễn biến hình thái đáy biển 6 tháng một lần sau mỗi mùa mưa bão. Tích hợp dữ liệu quan trắc tự động từ trạm Hòn Dấu để đưa ra cảnh báo xói lở sớm trước năm 2028, chuyển giao cho Chi cục Quản lý Đê điều và Phòng chống lụt bão Hải Phòng vận hành.

Thứ tư, triển khai giải pháp công trình giảm sóng xa bờ. Xây dựng bổ sung hệ thống mỏ hàn ngầm và đê ngầm giảm sóng bằng đá đổ cách chân đê từ 150 m đến 200 m nhằm tiêu tán năng lượng sóng từ xa và bẫy bùn cát bồi lắng, nâng cao độ bãi biển trước đê lên mức trên +0,5 m. Lộ trình triển khai phân kỳ từ năm 2027 đến năm 2030 do Ủy ban Nhân dân thành phố Hải Phòng phê duyệt đầu tư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị khoa học và thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy lợi, cảng và công trình biển. Luận văn cung cấp phương pháp luận và bảng thông số quy đổi chuẩn xác giữa vận tốc dòng chảy, chiều cao sóng và trọng lượng đá bảo vệ, giúp tối ưu hóa kích thước kết cấu chân khay trong các dự án kè biển chịu tải trọng thủy động lực học cao.

Nhóm thứ hai là cơ quan quản lý nhà nước về đê điều và phòng chống thiên tai tại các tỉnh duyên hải Bắc Bộ. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo giá trị để đánh giá mức độ an toàn của hệ thống đê kè ven biển, xây dựng phương án hộ đê phòng lụt chính xác cho các tuyến đê biển xung yếu tương tự tại Nam Định, Thái Bình và Quảng Ninh.

Nhóm thứ ba là các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy, Hải dương học và Địa kỹ thuật. Luận văn đóng vai trò như một tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình ứng dụng mô hình Delft 3D trong việc giải quyết bài toán tương tác sóng - dòng chảy - công trình.

Nhóm thứ tư là các nhà thầu xây lắp công trình thủy. Luận văn hướng dẫn các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về cấp phối hạt đá hộc, giải pháp bố trí xếp đá khan và quy trình thi công chân khay ống buy trong điều kiện ngập triều phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân cốt lõi khiến chân kè đê biển Cát Hải thường xuyên bị phá hủy trong các mùa bão trước đây là gì? Nguyên nhân chính là do kích thước đá hộc thiết kế ban đầu quá nhỏ, chỉ đạt đường kính từ 0,30 m đến 0,35 m và bề rộng lăng thể hẹp dưới 2,0 m. Khi sóng bão cấp 7 đến cấp 9 kết hợp triều cường, vận tốc dòng ven bờ vượt 1,85 m/s đã cuốn trôi toàn bộ đá chân, làm mất chân đứng và gây sạt lở toàn bộ mái kè bê tông phía trên.

Mô hình toán Delft 3D đóng vai trò như thế nào trong việc giải quyết bài toán nghiên cứu của luận văn? Mô hình Delft 3D kết hợp mô-đun sóng giúp tái lập chi tiết bức tranh thủy động lực học tại 5 vị trí ven bờ Cát Hải. Mô hình tính toán chính xác trường vận tốc dòng chảy sát đáy và chiều cao sóng trong các kịch bản thời tiết cực đoan với các tần suất bão 1%, 2% và 5%, cung cấp số liệu đầu vào chuẩn xác để tính toán độ ổn định của đá hộc.

Sự khác biệt căn bản giữa công thức Izbash và công thức Van der Meer khi áp dụng cho chân kè biển là gì? Công thức Izbash chủ yếu tính toán ngưỡng chuyển động của hạt đá dưới tác dụng của dòng chảy ổn định thuần túy trong kênh hở hoặc đáy sông. Trong khi đó, công thức Van der Meer xét đến tác động đồng thời của sóng ngẫu nhiên, độ sâu tương đối tại chân kè trong khoảng 0,4 đến 0,9 và mức độ dịch chuyển khối đá, phản ánh chính xác hơn điều kiện làm việc thực tế của kè biển.

Kích thước và trọng lượng đá hộc tối ưu được luận văn đề xuất cho công trình đê Cát Hải là bao nhiêu? Nghiên cứu đề xuất sử dụng đá hộc có đường kính danh định từ 0,55 m đến 0,70 m, tương ứng với khối lượng mỗi viên đá từ 350 kg đến trên 600 kg. Quy cách này đảm bảo kết cấu chân kè duy trì trạng thái ổn định vững chắc trước các kịch bản sóng bão tần suất cực trị 1% kết hợp triều cường dâng cao.

Làm thế nào để xử lý triệt để nhược điểm của kết cấu chân kè bằng ống buy bê tông truyền thống? Để khắc phục hiện tượng ống buy bị hở mối nối và đẩy trồi khi bãi biển bị xói sâu hơn 1,0 m, cần lấp đầy lòng ống bằng đá hộc cấp phối chặt, đổ bê tông khóa liên kết trên đỉnh ống, đồng thời bổ sung lớp thảm rọ đá gia cố trải rộng từ 3,5 m đến 4,0 m phía ngoài bãi để ngăn ngừa dòng xoáy xói ngầm đáy móng.

Kết luận

• Luận văn đã xác định tường minh dòng chảy ven bờ hình thành do sóng vỡ xiên góc kết hợp triều rút là tác nhân thủy động lực học chủ đạo gây xói lở chân đê Cát Hải với lưu tốc cực đại vượt 2,45 m/s.
• Thiết lập thành công mối tương quan định lượng chuẩn xác giữa lưu tốc dòng chảy đáy, chiều cao sóng bão và đường kính danh định của vật liệu đá hộc bảo vệ chân kè.
• Đưa ra giải pháp kỹ thuật đột phá với việc nâng đường kính đá danh định lên mức từ 0,55 m đến 0,70 m (trọng lượng từ 350 kg đến trên 600 kg) và mở rộng lăng thể chân khay lên 4,0 m.
• Chứng minh tính ưu việt của việc ứng dụng mô hình số trị Delft 3D trong phân tích tương tác sóng - dòng chảy ven bờ biển với chuỗi số liệu thực đo kiểm định có độ tin cậy rất cao.
• Đóng góp bộ cơ sở dữ liệu khoa học hoàn chỉnh và khả thi, sẵn sàng chuyển giao ứng dụng trực tiếp cho các dự án nâng cấp công trình bảo vệ bờ biển tại Hải Phòng và các vùng lân cận.

Về lộ trình tiếp theo, các cơ quan chuyên môn cần tiếp tục triển khai quan trắc đo đạc địa hình đáy biển sau mùa bão giai đoạn 2026-2027 và hoàn thiện các mô hình mô phỏng xói lở 3 chiều thời gian thực. Các đơn vị quản lý đê điều và tư vấn thiết kế xây dựng công trình thủy hãy nhanh chóng ứng dụng bộ thông số tính toán này vào thực tiễn để nâng cao chất lượng công trình và bảo vệ an toàn tuyệt đối cho các dải đê biển xung yếu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Thực trạng hư hỏng công trình đê biển khu vực Cát Hải Toàn đảo Cát Hải có 20,6 km đê bao quanh, trong đó có tuyến đê xung yếu từ Bến Gót đến Hoàng Châu nằm ở phía Nam đảo chịu tác động trực tiếp của sóng, gió nơi có dòng chảy ven bờ mạnh nhất và dải bờ đang bị xâm thực. Hình thức kết cấu công trình đê đắp bằng đất, riêng đoạn đê Bến Gót - Gia Lộc có kết cấu hoàn toàn bằng đá hộc.

Mái đê phía biển có kè lát mái bảo vệ ở những đoạn xung yếu thường xuyên chịu tác động của sóng triều. Ngoài ra, còn có hệ thống 11 mỏ hàn được xây dựng từ những năm 90 của thế kỷ trước. Hiện trạng cụ thể từng đoạn như sau: - Đoạn Bến Gót- Gia Lộc: Dài 3.100 m, cao trình đỉnh ở +4m ÷ +4.5m, bề rộng mặt đê 2 m, hệ số mái dốc phía sông m= 2,5 ~ 3, phía đồng m= 1. Thân đê bằng đá hộc kích thước đá nhỏ, thường xuyên bị sóng đánh tung.

Với triều cường và gió cấp 5, cấp 6,sóng biển đã có thể tràn qua mặt đê và hất đá ra phía sau. Bãi biển gần chân đê bị xói lở mạnh càng làm cho kè kém ổn định. Trong cơn bão 2005, mặt cắt ngang đê gần như không còn định hình, mặt đê nhỏ, đá sắp xếp tựnhiên ngổn ngang, gần như là bãi đá. Năm 2008, có dự án cải tạo, nâng cấp cho đoạn đê này, nhưng việc nâng cấp tuyến đê biển hiện tại chỉ mang tính tạm thời trong thời gian chờ dự án cảng Lạch Huyện đi vào khai thác.

Kết cấu công trình bằng hình thức kè đá lát khan trong khung ô BTCT. Trong các tháng 5, 6 và đầu tháng 7 năm 2011, Cát Hải có 4 đợt triều cường, và chịu ảnh hưởng của các cơn bão số 2 (cơn bão HAIMA), số 3 (bão Nock-ten), với sức gió đo được tại Hòn Dấu là cấp 7, cấp 8, giật cấp 9 vào lúc triều cường đã làm mái kè bị xô sạt nặng. - Đoạn Gia lộc – Văn Chấn - Hoàng Châu: Tổng chiều dài khoảng 1.500m, cao trình +4,2m – +4,8m; bề rộng mặt đê Gia Lộc -Văn Chấn là 2,5 m; đoạn Văn Chấn- Hoàng Châu 5 m; hệ số mái sông/mái đồng là 3,5/ (1,5- 2,5); Sau khi bị tàn phá trong bão 2005 đến nay đoạn đê này đã được nâng cấp có thể coi là hoàn thiện. Giới thiệu các loại kêt cấu bảo vệ chân kè đã áp dụng ở Việt Nam Chống xói chân kè biển thường gọi là chân khay.

Đây là 1 bộ phận cực kỳ quan trọng trong công trình kè biển, nhiều trường hợp nó có ý nghĩa thành bại của cả công trình. Chống xói chân kè có nhiều loại được giới thiệu trong 14TCN130-2002: Lăng thể nhô, lăng thể thấp, móng sâu, móng rộng và vừa sâu và vừa rộng. Nhưng trong thực tế, trước đây chỉ đơn giản là 1 lăng thể đá hộc, sau đó phổ biến sử dụng ống buy. Chân kè bằng lăng thể đá hộc Đây là loại chân kè phổ biến sử dụng trong thời kỳ trước 1975.

Lăng thể đá hộc hình thang ngược thường sâu không quá 0,6m, rộng không quá 2,0m. Đá gia cố cũng chỉ loại d= (0,3÷0,35)m, nên rất dễ bị hư hỏng, dẫn đến sạt sụt mái kè. Hiện nay chỉ còn thấy sử dụng ở một số kè bảo vệ mái đê vùng khuất sóng như một số công trình ở Quảng Ninh, đê phá ở Thừa Thiên Huế. Chân kè bằng các loại ống buy Ống buy gia cố chân kè thường là ống buy BT (có cốt thép hoặc không cốt thép) hình trụ tròn, lục lăng hay hình hộp, một hàng hoặc 2 hàng.