Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài 3.260 km trải dài qua 29 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương cùng 89 cửa sông đổ ra biển Đông. Trong đó, dải ven biển tỉnh Quảng Trị có chiều dài 75 km giữ vị trí địa kinh tế và quốc phòng đặc biệt quan trọng với hai trục cửa sông chính là Cửa Việt thuộc hệ thống sông Thạch Hãn và Cửa Tùng thuộc hệ thống sông Bến Hải. Tuy nhiên, dưới tác động ngày càng gia tăng của biến đổi khí hậu toàn cầu, hiện tượng thời tiết cực đoan, triều cường và bão gió liên tục tàn phá các công trình bảo vệ bờ. Hiện trạng hơn 48,5 km đê cát và đê phân thủy tại địa phương chủ yếu được đắp bằng vật liệu địa phương, mặt cắt nhỏ, cao trình thấp, từng bị sạt lở nghiêm trọng trong trận lũ lịch sử năm 1999 và đợt mưa lũ kéo dài năm 2010.

Nhằm khắc phục những tồn tại của quy chuẩn hiện hành theo Quyết định số 58/2006/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về chương trình nâng cấp đê biển, luận văn thạc sĩ tập trung nghiên cứu cơ sở khoa học về tác động của các yếu tố biến đổi khí hậu, trọng tâm là tải trọng sóng biển và mực nước biển dâng. Từ đó, tác giả đề xuất giải pháp mặt cắt và kết cấu công trình bảo vệ bờ hợp lý, thích ứng lâu dài cho vùng ven biển tỉnh Quảng Trị và ứng dụng tính toán cụ thể cho tuyến kè Bắc Cửa Việt. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc bảo vệ an toàn cho hơn 15.000 hộ dân ven biển, giảm thiểu trên 80% rủi ro xâm thực bờ và tiết kiệm khoảng 15% đến 20% kinh phí duy tu, cứu hộ hàng năm cho ngân sách địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết thủy động lực học công trình ven biển và lý thuyết lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nông theo mô hình Kestheney để xác định quá trình biến dạng sóng, sóng vỡ và sóng leo. Bài toán áp lực sóng xô tác dụng lên công trình tường đứng và mái dốc được thiết lập dựa trên nguyên lý tương tác thủy động theo sổ tay bảo vệ bờ SPM kết hợp công thức thực nghiệm của Gaillard với hệ số 3,6 và Treniuchin với hệ số 3,92. Cơ sở dự báo khí hậu dựa trên Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012, trọng tâm là kịch bản phát thải trung bình B2 với mức tăng nhiệt độ từ 1,4°C đến 1,8°C và mực nước biển dâng từ 26 cm đến 29 cm vào giữa thế kỷ 21. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: áp lực sóng xô động lực, lưu lượng sóng tràn, cao trình đỉnh đê an toàn, tầng lọc ngược địa kỹ thuật và độ ổn định kết cấu áo kè.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn thu thập chuỗi số liệu khí tượng thủy văn, thủy hải văn và địa chất công trình thực đo trong hơn 20 năm tại 3 phân khu bờ biển trọng yếu của tỉnh Quảng Trị, bao gồm tuyến đê biển Vĩnh Thái dài 7 km, hệ thống 3 tuyến đê cát dài 29,65 km và 3 tuyến đê phân thủy dài 18,93 km kéo dài qua các huyện Gio Linh, Triệu Phong và Hải Lăng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 6 tuyến công trình xung yếu với hàng chục mặt cắt địa hình thực địa và các hố khoan địa chất tầng cát dày từ 3m đến 5m. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích kết hợp phân tầng theo địa mạo cửa sông và cồn cát ven bờ nhằm đại diện chính xác cho các khu vực chịu tải trọng động lực biển khắc nghiệt nhất.

Phương pháp phân tích được lựa chọn là phương pháp giải tích kết hợp mô hình phân tích tối ưu hóa kỹ thuật - kinh tế đa tiêu chuẩn theo Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển năm 2012 với tần suất tính toán thiết kế P = 2% và P = 5%. Lý do lựa chọn phương pháp này là khả năng lượng hóa chính xác mối quan hệ phi tuyến giữa các yếu tố khí hậu cực đoan với sức bền kết cấu, đồng thời xử lý triệt để bài toán ổn định công trình khi chịu tác động đồng thời của gió bão cấp 9 đến cấp 10 và mực nước biển dâng. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và xử lý dữ liệu được tiến hành liên tục trong giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả kiểm toán hiện trạng cho thấy hơn 75% chiều dài hệ thống đê kè ven biển tỉnh Quảng Trị chưa đảm bảo an toàn trước bão gió từ cấp 9 trở lên; cao trình đỉnh đê thực tế thiếu hụt từ 0,5m đến 1,0m so với yêu cầu kỹ thuật phòng chống triều cường thiết kế ở tần suất P = 5%.

Thứ hai, khi tích hợp mực nước biển dâng từ 26 cm đến 29 cm theo kịch bản B2 vào mô hình tính toán với tần suất bão P = 2%, tổng áp lực sóng xô tác dụng lên thân kè gia tăng từ 18,5% đến 24,2%, làm tăng nguy cơ sóng tràn vượt mức cho phép nếu không có tường đỉnh chắn sóng phù hợp.

Thứ ba, nghiên cứu chứng minh rằng kết cấu kè mặt cắt hỗn hợp kết hợp giữa tường đứng phía trên và mái nghiêng bệ đá đổ m = 3 đến 4 phía dưới giúp tiêu tán trên 35% năng lượng sóng vỗ bờ, giảm chiều cao sóng leo khoảng 30% và tiết kiệm tới 22% thể tích vật liệu đắp so với phương án mái nghiêng đơn thuần.

Thứ tư, việc sử dụng các cấu kiện bê tông đúc sẵn tự chèn ba chiều TSC-178 hoặc khối Tetrapod có trọng lượng từ 5 tấn đến 7 tấn cho lớp áo kè giúp tăng hệ số ổn định của lớp phủ mái lên gấp 1,5 lần so với giải pháp lát đá khan hoặc đá đổ truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự cố xói lở đê kè tại Quảng Trị là do nền địa chất chủ yếu gồm tầng cát mịn dày 3m đến 5m có sức chịu tải yếu, dễ bị xói ngầm khi có dòng chảy ven bờ mạnh kết hợp sóng rút, trong khi các công trình cũ chưa được bố trí tầng lọc ngược bằng vải địa kỹ thuật đạt chuẩn. So sánh với các mô hình bảo vệ bờ tại Hà Lan và Nhật Bản, giải pháp công trình hỗn hợp do luận văn đề xuất hoàn toàn tương đồng về nguyên lý tiêu hao năng lượng sóng từ xa, nhưng được tối ưu hóa để tận dụng nguồn vật liệu đá hộc địa phương nhằm giảm giá thành xây dựng.

Dữ liệu tính toán ổn định trượt lật, áp lực sóng và chiều dày lớp áo kè có thể được mô tả trực quan qua các bảng tổng hợp tham số sóng ứng với hai trường hợp có xét và không xét đến mực nước dâng, kết hợp với các biểu đồ phân bố áp lực thủy động học lên tường chắn sóng và đồ thị tối ưu hóa chi phí đầu tư cho từng phân đoạn bờ biển Bắc Cửa Việt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cải tạo và nâng cấp mặt cắt kè bờ Bắc Cửa Việt sang dạng kết cấu hỗn hợp có tường chắn sóng đỉnh bằng bê tông cốt thép cao từ 0,8m đến 1,0m, đảm bảo an toàn chịu sóng bão cấp 10 và mực nước dâng 30 cm, mục tiêu hoàn thành trong giai đoạn 2024 - 2026 do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Quảng Trị làm chủ đầu tư.
  2. Gia cố vững chắc hệ thống chân khay bảo vệ kè bằng cọc ống bê tông cắm sâu trên 1,0m kết hợp thảm rọ đá và lăng thể đá hộc rộng từ 3m đến 4,5m, giúp khống chế độ sâu hố xói chân móng dưới 5%, triển khai bảo trì định kỳ hàng năm bởi Ban Quản lý Dự án Thiên tai tỉnh Quảng Trị.
  3. Ứng dụng đồng bộ cấu kiện bê tông đúc sẵn có ngàm tự chèn ba chiều TSC-178 hoặc Tetrapod trọng lượng từ 5 tấn đến 7 tấn cho lớp áo kè, kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường để nâng hệ số ổn định mái dốc đạt K >= 1,25 trong giai đoạn 2025 - 2030, do các đơn vị tư vấn xây lắp chuyên ngành thủy lợi thi công.
  4. Thiết lập dải đệm sinh thái bảo vệ bờ bằng cách trồng cây chắn sóng ngập mặn kết hợp phủ cỏ Vetiver với mật độ che phủ trên 85% dọc theo 29,65 km các tuyến đê cát, thực hiện trong giai đoạn 2024 - 2028 dưới sự chủ trì của Chi cục Thủy lợi phối hợp cùng chính quyền các huyện ven biển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và Ban quản lý dự án thủy nông (Sở Nông nghiệp và PTNT, Ban Quản lý Đầu tư Xây dựng Thủy lợi): Nắm bắt cơ sở dữ liệu khoa học và các chỉ số thủy thạch động lực để hoàn thiện quy hoạch tổng thể hệ thống đê kè 75 km bờ biển, tối ưu hóa nguồn vốn đầu tư công thích ứng biến đổi khí hậu.
  2. Các kỹ sư thiết kế và doanh nghiệp thi công công trình thủy: Khai thác quy trình tính toán áp lực sóng, biểu đồ thủy động lực và thông số định cỡ cấu kiện đúc sẵn TSC-178, Tetrapod để ứng dụng trực tiếp vào hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công các tuyến kè duyên hải miền Trung.
  3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công trình Thủy và Hải dương học: Sử dụng công trình làm tài liệu tham khảo giảng dạy chuyên sâu về phương pháp tính toán tương tác sóng - công trình và mô hình hóa tác động của nước biển dâng.
  4. Các tổ chức phi chính phủ và chuyên gia môi trường: Tham khảo mô hình phân tích rủi ro xói lở ven bờ để xây dựng các chương trình tài trợ phát triển bền vững và quản lý tổng hợp dải ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao hệ thống đê kè ven biển tỉnh Quảng Trị dễ bị sạt lở trước biến đổi khí hậu? Do địa chất bờ biển địa phương chủ yếu là cát mịn dày từ 3m đến 5m rất dễ bị xói ngầm. Khi bão lớn kết hợp triều cường làm mực nước dâng từ 26 cm đến 29 cm, vận tốc dòng chảy đáy và áp lực sóng xô tăng trên 20%, nhanh chóng gây xói lở chân khay và làm trượt đổ mái kè đắp đất thô sơ.

  • Kết cấu kè mặt cắt hỗn hợp mang lại ưu thế kỹ thuật vượt trội nào? Kết cấu kè hỗn hợp kết hợp mái nghiêng tiêu năng phía dưới và tường đứng ngăn triều phía trên giúp giảm trên 35% năng lượng sóng tác động trực tiếp. Mô hình này giúp giảm chiều cao sóng leo khoảng 30% và tiết kiệm tới 22% khối lượng đất đá đắp so với mặt cắt mái nghiêng thông thường.

  • Luận văn áp dụng kịch bản biến đổi khí hậu nào trong quá trình tính toán thiết kế? Tác giả áp dụng kịch bản phát thải trung bình B2 do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành năm 2012. Kịch bản này dự báo vào giữa thế kỷ 21, nhiệt độ trung bình tại Việt Nam tăng từ 1,4°C đến 1,8°C và mực nước biển dâng trung bình từ 26 cm đến 29 cm so với mốc 1980 - 1999.

  • Chân khay sâu đóng vai trò quan trọng như thế nào đối với sự ổn định của kè biển? Chân khay sâu có độ cắm ngập vào nền cát không nhỏ hơn 1,0m kết hợp với lăng thể đá đổ có chức năng giữ chặt chân mái kè và triệt tiêu xoáy cuộn của sóng rút. Nhờ đó, công trình loại bỏ trên 90% nguy cơ trôi cát nền và chống biến dạng sụt lún mái kè khi biển động mạnh.

  • Cấu kiện bê tông tự chèn ba chiều TSC-178 có ưu điểm gì so với đá lát truyền thống? Cấu kiện TSC-178 sở hữu các khớp ngàm liên kết đa chiều linh hoạt, vừa tạo độ nhám bề mặt để tiêu giảm sóng leo vừa có khả năng tự điều chỉnh theo biến dạng lún của thân đê. Cấu kiện này nâng cao độ ổn định tổng thể của lớp áo kè lên trên 50% trước tác động của sóng bão cấp 9 đến cấp 10.

Kết luận

  • Đã phân tích toàn diện hiện trạng kỹ thuật và nguyên nhân hư hỏng của hệ thống đê kè dọc 75 km bờ biển tỉnh Quảng Trị.
  • Thiết lập khung tính toán thủy động lực học sóng bão có xét đến mực nước biển dâng từ 26 cm đến 29 cm theo kịch bản B2.
  • Đề xuất thành công dạng mặt cắt kè hỗn hợp tối ưu giúp tiêu hao trên 35% năng lượng sóng và tiết kiệm 22% khối lượng vật liệu.
  • Hoàn thiện phương án thiết kế kỹ thuật chi tiết cho kè Bắc Cửa Việt sử dụng cấu kiện tự chèn TSC-178 và chân khay sâu trên 1,0m.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho việc ban hành và hoàn thiện quy chuẩn thiết kế đê kè biển đa mục tiêu tại miền Trung.

Lộ trình tiếp theo cần tập trung thí nghiệm mô hình vật lý thủy lực trong giai đoạn 2024 - 2025 và triển khai thi công mở rộng trước năm 2026. Hãy liên hệ và tham khảo ngay toàn văn luận văn thạc sĩ để ứng dụng các giải pháp công trình đê kè biển thích ứng bền vững vào thực tiễn dự án!