Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài khoảng 3.200 km trải rộng trên địa bàn 29 tỉnh, thành phố ven biển, với 89 cửa sông lớn nhỏ và vùng đặc quyền kinh tế rộng trên 1 triệu km2. Vùng ven bờ đóng vai trò trung tâm trong chiến lược phát triển kinh tế biển, quy tụ hàng loạt khu công nghiệp, đô thị ven biển và bảo đảm sinh kế cho hàng chục triệu người dân. Tuy nhiên, trước tác động ngày càng khốc liệt của biến đổi khí hậu và nước biển dâng, vùng bờ biển nước ta thường xuyên chịu tổn thất nặng nề do bão lũ, triều cường và xói lở bờ biển. Tại tỉnh Thanh Hóa, với 102 km bờ biển đi qua 6 huyện, thị xã cùng diện tích tự nhiên vùng ven biển lên tới 121.950 ha và hơn 1,1 triệu dân, trung bình mỗi năm phải hứng chịu trực tiếp từ 1 đến 3 cơn bão nhiệt đới. Hệ thống đê biển huyện Tĩnh Gia – cửa ngõ kinh tế phía Nam của tỉnh – đang đối mặt với nguy cơ sạt lở nghiêm trọng do phần lớn thân đê được đắp bằng đất cát pha, chỉ được bọc ngoài bằng lớp đất sét mỏng từ 0,3 m đến 0,5 m. Nghiên cứu này tập trung đánh giá toàn diện cơ chế phá hoại các tuyến đê biển miền Bắc và Bắc Trung Bộ, từ đó đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bờ và mặt cắt đê biển tối ưu cho đoạn đê biển xung yếu tại huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc nâng cao hệ số an toàn chống trượt của mái đê lên trên 1,25, giảm thiểu hơn 75% nguy cơ vỡ đê do sóng tràn, trực tiếp bảo vệ an toàn tính mạng cho cộng đồng dân cư địa phương và bảo vệ bền vững 60.813 ha đất sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản trên địa bàn ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết động lực học vùng ven bờ và cơ học đất công trình thủy. Về thủy hải văn, tác giả vận dụng lý thuyết sóng vỡ lan truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông, mô hình tương tác thủy động lực học giữa sóng và kết cấu mái dốc, cùng lý thuyết biến dạng bờ cát của Bruun – chỉ ra rằng mực nước biển dâng cao 1 m có thể gây xói lùi bờ cát tự nhiên lên tới 60 m trong điều kiện bão kết hợp triều cường. Về địa kỹ thuật, nghiên cứu áp dụng lý thuyết cân bằng giới hạn xác định mặt trượt trụ tròn theo Bishop và Janbu để phân tích ổn định mái đê, kết hợp định luật Darcy mô phỏng trường thấm bão hòa và không bão hòa trong thân đê. Năm khái niệm then chốt được chuẩn hóa và xuyên suốt trong toàn bộ luận văn gồm: sóng tràn qua đỉnh đê, áp lực sóng âm gây bốc dỡ tấm lát bảo vệ, quá trình hóa lỏng cốt đất thân đê, dòng thấm ngược khi triều rút nhanh, và cơ chế lọc ngược địa kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích, khảo sát chi tiết trên cỡ mẫu gồm 3 mặt cắt ngang điển hình (mặt cắt 3, mặt cắt 22, mặt cắt 44) đại diện cho các điều kiện địa hình, địa chất nền đất yếu và chế độ thủy động lực bất lợi nhất dọc theo tuyến đê biển Tĩnh Gia, kết hợp đối chiếu dữ liệu hiện trạng trên 102 km bờ biển Thanh Hóa và 484 km đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam. Lý do lựa chọn 3 mặt cắt đặc trưng này xuất phát từ sự khác biệt rõ nét về chiều sâu bãi trước đê, độ dốc đáy biển (nhỏ hơn 1/100) và mức độ chịu tải trọng sóng trực diện. Nguồn dữ liệu sơ cấp và thứ cấp được thu thập từ Trung tâm Phòng tránh và Giảm nhẹ thiên tai, hồ sơ hoàn công các dự án nâng cấp đê PAM 5325, PAM 4617 và số liệu đo đạc khí tượng thủy hải văn với thông số bão cấp 9 đến cấp 10, triều tần suất 5%. Nghiên cứu lựa chọn bộ công cụ phần mềm chuyên dụng Geo-Slope (với hai mô đun chính là SEEP/W tính toán thấm và SLOPE/W phân tích ổn định trượt) kết hợp tính toán giải tích theo tiêu chuẩn ngành 14TCN 130-2002 và tiêu chuẩn thiết kế đê biển hiện hành. Lý do lựa chọn mô hình số Geo-Slope là khả năng giải quyết chính xác bài toán thấm phi tĩnh khi mực nước triều ngoài biển dao động mạnh và tự động tìm kiếm mặt trượt nguy hiểm nhất qua cả thân đê lẫn nền đất yếu. Toàn bộ quá trình khảo sát, thu thập số liệu và mô phỏng số được tiến hành đồng bộ trong khung thời gian từ năm 2013 đến năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chỉ ra rằng cơ chế phá hoại đê biển nguy hiểm nhất là sự kết hợp giữa sóng tràn và áp lực sóng động cục bộ. Khi sóng tràn qua đỉnh với lưu tốc dòng chảy lên tới 4 m/s đến 5 m/s, lớp đất sét bọc ngoài dày 0,3 m đến 0,5 m bị bóc tróc hoàn toàn, làm nước thấm bão hòa nhanh và gây vỡ đê từ phía đồng ra ngoài. Đồng thời, có tới 60% đến 80% tổng năng lượng sóng vỡ tập trung tác động trực tiếp vào vùng chân kè, gây ra các hố xói sâu và làm sập đổ toàn bộ phần thân kè bên trên.

Thứ hai, thống kê hiện trạng 484 km đê biển miền Bắc cho thấy có tới 53,2% (tương ứng 257,5 km) chưa bảo đảm cao trình thiết kế ngăn bão, 81,4% chiều dài tuyến chưa có kè gia cố mái kiên cố (mới chỉ hoàn thành gần 90 km kè lát mái), và trên 85% chiều dài mặt đê chỉ rộng dưới 4,5 m gây tắc nghẽn giao thông cứu hộ trong bão.

Thứ ba, kết quả mô phỏng trên phần mềm Geo-Slope đối với hiện trạng mặt cắt đê biển Tĩnh Gia cho thấy trong kịch bản triều rút nhanh kết hợp bão, hệ số an toàn ổn định trượt mái đê K bị suy giảm xuống mức 0,85 đến 0,95 (thấp hơn nhiều so với hệ số an toàn cho phép là 1,20), khiến cung trượt sâu xuyên qua thân đê và tầng đất yếu dưới nền. Khi áp dụng giải pháp thiết kế mới với mặt cắt bảo vệ ba mặt và cấu kiện bê tông tự chèn, hệ số an toàn K tăng mạnh lên 1,32 đến 1,48 (tăng từ 40% đến 55%), triệt tiêu hoàn toàn khả năng xói ngầm và trượt trồi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây sạt lở nghiêm trọng các tuyến đê biển hiện nay bắt nguồn từ sự kết hợp của tải trọng động lực học sóng biển và cấu tạo thân đê bằng đất cát pha kém đầm chặt. Khi sóng rút, áp lực sóng âm tạo lực hút kéo cốt đất ra ngoài qua các khe hở của lớp đá lát khan, dẫn đến rỗng ruột thân đê. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu thực tế tại đê biển Hải Hậu (Nam Định) sau cơn bão số 7 năm 2005, nơi hố xói chân kè sâu từ 5 m đến 6 m đã làm hạ thấp mặt bãi tự nhiên tới 2 m và phá sập toàn bộ hệ thống ống buy bảo vệ chân đê. Bên cạnh tác động cơ học, nghiên cứu còn chứng minh tác động hóa học của môi trường biển với độ mặn 34‰ đến 35‰ và nồng độ ion Cl-, SO4 2- cao kết hợp sinh vật hà bám đã làm suy giảm 30% tuổi thọ của các công trình bê tông cốt thép dưới chân đê. Để minh họa trực quan các kết luận này, toàn bộ phân tích ổn định được trực quan hóa thông qua biểu đồ phân bố đường bão hòa thấm SEEP/W, đồ thị biến thiên hệ số an toàn chống trượt theo thời gian triều rút, và bảng tổng hợp so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật giữa giải pháp đá lát khan truyền thống với giải pháp tấm lát bê tông tự chèn đa diện kết hợp thảm lọc vải địa kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

Nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý đồng bộ nhằm bảo vệ bền vững đê biển huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa:

Thứ nhất, tái cấu trúc hình học mặt cắt ngang đê và cứng hóa toàn diện. Thực hiện mở rộng chiều rộng mặt đê đạt tối thiểu 5,0 m để phục vụ công tác cứu hộ cơ giới, thiết kế mái đê phía biển có độ dốc từ 1:3 đến 1:4 kết hợp bố trí tường đỉnh chắn sóng dạng cong hắt sóng cao từ 0,8 m đến 1,0 m nhằm triệt tiêu hoàn toàn lưu lượng sóng tràn. Mục tiêu duy trì ổn định đê trước bão cấp 10 và triều tần suất 5%, triển khai trong giai đoạn 2024 đến 2026 do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Thanh Hóa chủ trì.

Thứ hai, đổi mới kết cấu bảo vệ mái và gia cố chân khay chống xói sâu. Thay thế toàn bộ đá lát khan bằng các khối bê tông đúc sẵn tự chèn đa diện trọng lượng cao, lót bên dưới bằng tầng lọc ngược gồm vải địa kỹ thuật không dệt và lớp đá dăm đệm dày 15 cm đến 20 cm. Đồng thời, thi công chân khay ngàm sâu dưới đáy bãi tối thiểu 1,5 m đến 2,0 m kết hợp thảm đá rọ thép chống xói cục bộ nhằm giảm 90% nguy cơ bốc dỡ tấm lát và hạ thấp bãi, thực hiện từ năm 2024 đến năm 2027 do Ban Quản lý dự án Đầu tư xây dựng các công trình Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Thanh Hóa điều hành.

Thứ ba, khôi phục dải rừng ngập mặn cây chắn sóng sinh thái phía trước đê. Trồng mới và phục hồi các dải cây sú, vẹt, mắm với chiều rộng đai rừng tối thiểu từ 100 m đến 200 m nhằm hấp thụ và triệt giảm từ 50% đến 60% năng lượng sóng biển trước khi tiếp cận chân công trình, thực hiện liên tục từ năm 2024 đến năm 2028 dưới sự phối hợp giữa Chi cục Kiểm lâm và Ủy ban nhân dân huyện Tĩnh Gia.

Thứ tư, thiết lập hệ thống quan trắc đường bờ tự động và kiểm soát nghiêm ngặt tài nguyên cát. Lắp đặt các mốc trắc đạc định kỳ theo dõi diễn biến bồi xói đáy biển và ban hành quy định cấm tuyệt đối hoạt động khai thác cát sỏi, khoáng sản ven bờ nhằm ngăn chặn hiện tượng mất bùn cát làm hạ thấp đáy biển từ 1 m đến 2 m, duy trì thực hiện định kỳ hàng quý từ năm 2024 bởi Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thanh Hóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

  1. Kỹ sư tư vấn và chuyên gia thiết kế công trình thủy: Ứng dụng quy trình mô phỏng số Geo-Slope để tính toán ổn định thấm và trượt mái dốc, tối ưu hóa kích thước hình học mặt cắt đê kè biển và chân khay chống xói trong các dự án công trình ven biển.
  2. Cán bộ quản lý đê điều và cơ quan phòng chống thiên tai cấp tỉnh, huyện: Vận dụng các đánh giá tổng kết về cơ chế phá hoại để xây dựng phương án hộ đê, lập kế hoạch đầu tư nâng cấp 102 km tuyến đê biển Thanh Hóa và hệ thống đê biển các tỉnh duyên hải miền Trung bảo đảm tính đồng bộ.
  3. Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Thủy lợi - Thủy điện và Công trình Biển: Khai thác làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về động lực học bờ biển, tương tác sóng - kết cấu và cơ chế xói lở do biến đổi khí hậu.
  4. Các doanh nghiệp xây lắp và nhà thầu thi công hạ tầng thủy lợi ven bờ: Nắm vững quy trình kỹ thuật thi công lớp đệm lọc ngược, vải địa kỹ thuật, đầm chặt thân đê đất cát pha và lắp đặt cấu kiện bê tông tự chèn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm bảo đảm chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đê biển đắp bằng đất cát pha lại dễ bị phá hủy từ phía mái đồng khi xảy ra sóng tràn? Thân đê cát pha thường chỉ được bọc một lớp đất sét mỏng dày 0,3 m đến 0,5 m. Khi sóng tràn qua đỉnh với vận tốc 4 m/s đến 5 m/s, dòng chảy xiết nhanh chóng cuốn trôi lớp phủ bảo vệ, nước bão hòa thân đê gây hóa lỏng cốt cát và tạo dòng thấm lớn kéo theo hạt mịn, dẫn đến hiện tượng trượt sạt mái trong và vỡ đê từ trong ra ngoài như thực tế cơn bão số 7 năm 2005 tại Nam Định.

Phần mềm Geo-Slope hỗ trợ giải quyết bài toán kỹ thuật nào trong thiết kế đê biển Tĩnh Gia? Geo-Slope mô phỏng chính xác quá trình thấm không dừng qua mô đun SEEP/W và phân tích ổn định trượt qua mô đun SLOPE/W theo phương pháp Bishop. Phần mềm giúp tính toán chính xác hệ số an toàn K cho 3 mặt cắt đặc trưng dưới các tổ hợp tải trọng khắc nghiệt nhất gồm triều rút nhanh, bão cấp 10 và dòng thấm bão hòa, bảo đảm hệ số K đạt trên 1,30.

Yếu tố kỹ thuật nào mang tính quyết định để ngăn ngừa hiện tượng lún sập và xói chân kè biển? Việc xác định chính xác chiều sâu hố xói cục bộ để thiết kế cao trình đáy chân khay ngàm sâu tối thiểu 1,5 m đến 2,0 m dưới mặt bãi kết hợp thảm đá chống xói là yếu tố quyết định. Do 60% đến 80% năng lượng sóng vỡ tập trung tại chân công trình, chân khay kiên cố sẽ ngăn chặn quá trình hạ thấp mặt bãi và giữ ổn định cho toàn bộ mái kè.

Môi trường nước mặn ảnh hưởng như thế nào đến độ bền của các công trình bảo vệ bờ biển? Nước biển có độ mặn trung bình 34‰ đến 35‰ chứa hàm lượng lớn ion Cl- và SO4 2- gây ăn mòn điện hóa mạnh đối với cốt thép và phá hủy liên kết xi măng trong bê tông. Vùng chịu ảnh hưởng dao động của thủy triều có tốc độ ăn mòn cao gấp 2 đến 3 lần so với phần ngập nước hoàn toàn, kết hợp sinh vật hà bám làm giảm 30% cường độ chịu lực của kết cấu cống và tường kè.

Dải cây chắn sóng ngập mặn trước đê mang lại hiệu quả giảm tải thủy lực như thế nào? Đai rừng ngập mặn sú, vẹt với bề rộng từ 100 m đến 200 m đóng vai trò như một bộ tiêu hao năng lượng tự nhiên, giúp triệt tiêu từ 50% đến 60% chiều cao và năng lượng sóng trước khi sóng đánh vào chân kè. Điều này làm giảm đáng kể chiều cao sóng leo và lưu lượng sóng tràn, cho phép giảm cao trình đỉnh đê thiết kế và tiết kiệm chi phí xây dựng.

Kết luận

  • Luận văn đã tổng kết toàn diện thực trạng và làm sáng tỏ các cơ chế phá hoại cốt lõi của 484 km đê biển miền Bắc và Bắc Trung Bộ dưới tác động của sóng, triều cường và xói ngầm.
  • Phân tích thực chứng trên 102 km bờ biển Thanh Hóa chỉ ra những hạn chế nghiêm trọng về cao trình thiết kế, bề rộng mặt đê và cấu tạo vật liệu đắp đê cát pha.
  • Ứng dụng thành công phần mềm Geo-Slope mô phỏng 3 mặt cắt đặc trưng tại đê biển Tĩnh Gia, tối ưu hóa hệ số an toàn ổn định trượt đạt từ 1,32 đến 1,48.
  • Đề xuất giải pháp mặt cắt bảo vệ ba mặt, kết cấu bê tông đúc sẵn tự chèn kết hợp tầng lọc ngược vải địa kỹ thuật mang lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế vượt trội.
  • Khẳng định tính cấp thiết của việc kết hợp hài hòa giữa giải pháp công trình cứng kiên cố và giải pháp công trình mềm bảo vệ rừng ngập mặn chắn sóng.

Các cơ quan quản lý và địa phương cần khẩn trương đưa phương án thiết kế mặt cắt tối ưu vào kế hoạch củng cố, nâng cấp hệ thống đê biển huyện Tĩnh Gia trong giai đoạn 2024 đến 2026. Hãy liên hệ các chuyên gia công trình thủy và cơ quan chuyên môn để tiếp nhận chuyển giao quy trình tính toán ổn định, góp phần xây dựng lá chắn ven biển an toàn, bền vững trước thách thức biến đổi khí hậu toàn cầu.