Luận văn nghiên cứu quy mô và cấu trúc hệ thống đê biển tỉnh Nam Định trước BĐKH

Tìm hiểu quy mô, cấu trúc và quản lý hệ thống đê biển Nam Định. Nghiên cứu công trình bảo vệ bờ biển, kỹ thuật xây dựng và giải pháp phòng chống lũ lụt.

• Tác giả: Đỗ Văn Hiệp
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Việt Hòa
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Quy hoạch và Quản lý Tài nguyên nước
• Đề tài: Nghiên cứu xác định quy mô và cấu trúc hợp lý của hệ thống đê biển tỉnh Nam Định có xét đến biến đổi khí hậu và nước biển dâng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đê biển tỉnh Nam Định

Nam Định là tỉnh ven biển thuộc Đồng bằng sông Hồng. Hệ thống đê biển tỉnh Nam Định đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sản xuất và đời sống nhân dân. Hệ thống đê bao gồm đê biển trực diện với biển và đê không trực diện với biển. Đê trực diện chịu tác động mạnh từ sóng và dòng chảy ven bờ. Đê không trực diện nằm khu vực bãi bồi, có rừng ngập mặn bảo vệ. Tổng chiều dài đê cửa sông Giao Thủy đạt 4,561 km. Đoạn đê cửa sông Hồng từ K0 đến K4 đang được nâng cấp. Mặt đê rộng 5 m, gia cố bằng bê tông M250 dày 20 cm. Đoạn đê cửa sông Hà Lạn chưa được nâng cấp. Phía trước có bãi rộng trồng cây chắn sóng. Chiều dài đê không trực diện đạt 15,132 km. Đoạn đê từ K4 đến K15+132 có bãi bồi cồn Lu và cồn Ngạn bảo vệ. Vùng nuôi trồng thủy sản và rừng quốc gia Giao Thủy rộng hàng chục km.

1.1. Phân loại đê biển theo vị trí địa lý

Đê biển tỉnh Nam Định được phân thành hai loại chính. Loại thứ nhất là đê biển trực diện với biển. Đây là khu vực bãi thoái, biển tiến, đường bờ biến đổi mạnh. Đê kè chịu tác động trực tiếp của sóng và dòng chảy ven. Loại thứ hai là đê biển không trực diện với biển. Đê nằm khu vực bãi bồi biển thoái. Cao độ bãi cao hoặc có rừng ngập mặn bảo vệ phía biển. Mỗi loại đê có đặc điểm kỹ thuật và yêu cầu bảo vệ khác nhau.

1.2. Đặc điểm kỹ thuật hiện trạng đê biển

Đoạn đê cửa sông Hồng từ K0 đến K4 đang được đầu tư nâng cấp kiên cố hóa. Theo thiết kế, mặt đê rộng 5 m, gia cố bằng bê tông M250 dày 20 cm. Đoạn đê cửa sông Hà Lạn từ K30+600 đến K31+161 chưa được nâng cấp. Đê không trực diện từ K4 đến K15+132 mặt đê rộng 5 đến 6,5 m. Cao trình đỉnh đê từ +3,6 đến +4,2 m. Mái phía ngoài hệ số m=3, mái phía đồng hệ số m=2. Hiện tại chưa có kè bảo vệ hai mái.

II. Phân tích tác động biến đổi khí hậu đến đê biển

Biến đổi khí hậu đặt ra thách thức lớn cho hệ thống đê biển Nam Định. Theo báo cáo IPCC, nhiệt độ trung bình bề mặt địa cầu tăng gần 1°C trong 80 năm từ 1920 đến 2005. Tốc độ tăng nhiệt rất nhanh trong 25 năm gần đây. Báo cáo Stern dự báo nhiệt độ tăng thêm 2°C đến năm 2035 nếu không giảm khí thải nhà kính. Hệ quả trực tiếp là sự tan chảy băng ở hai cực và đỉnh núi cao. Tháng 3/2002, khối băng 500 tỷ tấn ở Nam Cực tan rã thành hàng nghìn mảnh. Mùa hè 2002, lượng băng tan ở Greenland gấp đôi so với năm 1992. Diện tích băng tan lên tới 655 km². Hơn 110 sông băng ở bang Montana biến mất trong 100 năm qua. Sông băng dãy Alpes dự kiến biến mất vào năm 2050. Mực nước biển dâng đe dọa trực tiếp hệ thống đê biển. Tần suất và cường độ bão tăng mạnh. Xói lở bờ biển diễn ra phức tạp hơn.

2.1. Hiện trạng nước biển dâng và xói lở bờ

2.2. Đánh giá rủi ro và tính dễ bị tổn thương

III. Phương pháp xác định quy mô và cấu trúc hợp lý

Nghiên cứu áp dụng nhiều phương pháp khoa học để xác định quy mô đê hợp lý. Phương pháp thủy văn phân tích tần suất lũ và triều cường. Phương pháp thủy động lực mô phỏng dòng chảy và sóng biển. Mô hình số đánh giá tác động nước biển dâng theo kịch bản IPCC. Phân tích kinh tế kỹ thuật so sánh các phương án quy mô đê. Xác định cao trình đỉnh đê phù hợp với kịch bản biến đổi khí hậu. Thiết kế cấu trúc đê đảm bảo ổn định và bền vững. Tính toán mái đê, hệ số mái phù hợp với điều kiện địa chất. Đánh giá khả năng chống xói lở và bảo vệ mái đê. Lựa chọn vật liệu xây dựng phù hợp với điều kiện địa phương. Phương pháp quy hoạch tổng thể hệ thống đê biển. Đảm bảo tính liên kết giữa các đoạn đê. Phân đoạn đê theo mức độ rủi ro và ưu tiên đầu tư.

3.1. Mô hình tính toán thủy văn và thủy động lực

3.2. Thiết kế cấu trúc đê phù hợp biến đổi khí hậu

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn cho đê biển

Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho quy hoạch đê biển Nam Định. Quy mô đê phải đáp ứng yêu cầu bảo vệ trong điều kiện biến đổi khí hậu. Cấu trúc đê cần thiết kế linh hoạt, dễ nâng cấp khi cần. Hệ thống đê biển phải đảm bảo an toàn trước kịch bản nước biển dâng. Kết quả nghiên cứu áp dụng cho quy hoạch tổng thể hệ thống đê. Đề xuất lộ trình đầu tư theo giai đoạn ưu tiên. Đoạn đê trực diện với biển cần được nâng cấp trước. Đoạn đê không trực diện cần theo dõi diễn biến bờ biển. Kết hợp giải pháp công trình và phi công trình. Trồng rừng ngập mặn tăng cường bảo vệ tự nhiên. Nâng cao năng lực dự báo và cảnh báo sớm. Đào tạo nhân lực quản lý đê biển chuyên nghiệp. Nghiên cứu là tài liệu tham khảo quan trọng cho các tỉnh ven biển khác.

4.1. Đề xuất quy hoạch và lộ trình đầu tư

4.2. Ứng dụng cho các tỉnh ven biển Đồng bằng sông Hồng

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Nam Định sở hữu hệ thống công trình thủy lợi và đê điều quy mô lớn tại khu vực đồng bằng Bắc Bộ với tổng chiều dài khoảng 663 km, bao gồm 91,981 km đê biển và 274 km đê sông cùng hơn 100 km kè bảo vệ. Hệ thống công trình này giữ vai trò huyết mạch trong việc bảo vệ trực tiếp trên 38.300 ha đất tự nhiên, trong đó có 23.850 ha đất canh tác nông nghiệp màu mỡ, bảo đảm an toàn tính mạng và tài sản cho 536.200 cư dân sinh sống tại vùng duyên hải. Địa bàn bờ biển Nam Định có đặc thù phức tạp khi có tới 51 km đê xây dựng trên nền cát và 45 km đê tiếp giáp trực diện với biển, thường xuyên đối mặt với hiện tượng biển tiến bãi thoái khốc liệt. Điển hình tại khu vực Giao Phong thuộc huyện Giao Thủy, tốc độ xói lở bãi biển đo đạc được lên tới 40 m/năm.

Tính cấp thiết của nghiên cứu xuất phát từ thực tiễn thiên tai diễn biến ngày càng cực đoan. Cơn bão số 7 lịch sử năm 2005 với sức gió giật trên cấp 12 kết hợp triều cường đã làm sạt lở hơn 54 km đê biển Bắc Bộ và gây vỡ 1.465 m đê tại các đoạn xung yếu thuộc Nam Định và Hải Phòng, nhấn chìm hàng trăm héc-ta đất nông nghiệp. Luận văn hướng tới mục tiêu xác định cơ sở khoa học để lựa chọn quy mô tuyến và cấu trúc mặt cắt ngang hợp lý cho hệ thống đê biển Nam Định, thích ứng chủ động với kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ 91,981 km đê biển qua 3 huyện trọng điểm Giao Thủy (31,161 km), Hải Hậu (33,180 km) và Nghĩa Hưng (26,325 km). Kết quả nghiên cứu đóng góp nền tảng kỹ thuật quan trọng nhằm chuẩn hóa công nghệ kè mái, bảo vệ an toàn cho các dự án nâng cấp đê với tổng mức đầu tư phê duyệt lên tới 2.553,134 tỷ đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp nhiều lý thuyết chuyên sâu thuộc ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước và Công trình ven biển. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm:

• Lý thuyết thủy lực dòng chảy một chiều không ổn định trong hệ thống sông và vùng cửa triều, dựa trên việc giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng Saint-Venant để tính toán diễn toán mực nước và lưu lượng.
• Lý thuyết lan truyền sóng nước nông và cơ chế tương tác sóng - công trình biển theo tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế Coastal Engineering Manual, cho phép phân tích sóng leo, sóng vỡ và lưu lượng sóng tràn qua đỉnh đê với giới hạn cho phép đạt 30 l/s/m.
• Lý thuyết cơ học đất và thấm bão hòa trong môi trường rỗng xốp, áp dụng phương pháp cân bằng giới hạn lát cắt Bishop cải tiến và Fellenius để đánh giá độ ổn định mái đê dưới tác động của mực nước rút nhanh và áp lực kẽ rỗng.
• Hệ thống các khái niệm cốt lõi bao gồm: cao trình đỉnh đê phòng chống sóng tràn, mấu giảm sóng tiêu hao năng lượng, hệ số nhám mái dốc, vùng biển tiến bãi thoái và hệ thống đê dự phòng phân lũ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được kế thừa và thu thập đồng bộ từ các trạm quan trắc quốc gia và cơ quan khí tượng thủy văn. Chuỗi số liệu khí hậu tại trạm Văn Lý cho thấy nhiệt độ trung bình nhiều năm dao động 25 - 26°C, lượng bốc hơi bình quân 900 - 1000 mm/năm và mực nước biển cao nhất từng ghi nhận đạt 331 cm. Dữ liệu kịch bản biến đổi khí hậu dựa trên công bố chính thức năm 2012 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, xác định mực nước biển dâng tại dải ven biển Nam Định ở kịch bản trung bình B2 tăng 25 - 32 cm vào năm 2050 và 49 - 65 cm vào năm 2100.

Phương pháp phân tích mô hình toán được lựa chọn với các công cụ chuyên dụng hiện đại:

• Mô hình sóng SWAN-ONE được ứng dụng để mô phỏng chính xác quá trình lan truyền, khúc xạ và tiêu hao năng lượng sóng từ ngoài khơi vào vùng nước nông ven bờ Nam Định.
• Bộ phần mềm phần tử hữu hạn GeoStudio với hai module chính: SEEP dùng để mô phỏng mạng thấm và đường viền áp lực bão hòa qua thân đê đất pha cát; SLOPE dùng để kiểm tra hệ số ổn định trượt mái đê phía biển và phía đồng trong các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất.

Nghiên cứu tiến hành khảo sát toàn diện 100% hiện trạng các tuyến đê trên địa bàn 3 huyện duyên hải, thống kê chi tiết 56,768 km đê đã hoàn thành nâng cấp, 8 cống tiêu lớn và 50 kè mỏ hàn giảm sóng. Timeline nghiên cứu tập hợp chuỗi dữ liệu bão lũ lịch sử trong hơn 100 năm và cập nhật hiện trạng kỹ thuật đến giai đoạn 2012 - 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực trạng và mô phỏng tính toán cơ học đê điều đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

• Sự thiếu đồng bộ trong quy hoạch mặt cắt đê biển: Trên tổng số 91,981 km đê toàn tỉnh, có khoảng 44,422 km đê được đầu tư theo các tiêu chuẩn cũ nhưng thiếu sự phân hóa theo điều kiện bãi biển. Nhiều đoạn đê nằm sâu trong khu dân cư hoặc được che chắn bởi dải rừng ngập mặn dày 500 - 1000 m vẫn áp dụng mặt cắt đê nặng tương tự như đoạn đê trực diện với biển, gây lãng phí từ 15% đến 20% tổng mức đầu tư xây lắp.
• Hiệu quả giảm sóng vượt trội của cấu kiện tự chèn: So sánh các giải pháp kè mái cho thấy cấu kiện bê tông tự chèn TSC-178 và khối bê tông liên kết ngang có mấu giảm sóng diện tích 1/9 có khả năng làm tiêu hao từ 25% đến 35% năng lượng sóng leo. Giải pháp này giúp công trình ổn định an toàn trước bão cấp 12 với chiều cao sóng thiết kế Hs đạt 3,5 - 4,5 m, vượt trội hoàn toàn so với đá lát khan truyền thống vốn dễ bị dòng ven bóc trôi.
• Suy giảm hệ số an toàn đê theo kịch bản nước biển dâng: Khi mực nước biển dâng thêm 30 cm vào năm 2050 kết hợp triều cường và bão lớn, chiều cao sóng trước chân đê tăng thêm khoảng 18% đến 22%. Nếu giữ nguyên cao độ đỉnh đê hiện tại, lưu lượng sóng tràn sẽ vượt mức giới hạn an toàn 30 l/s/m, kéo hệ số ổn định trượt mái đê giảm từ mức 1,35 xuống dưới 1,05, gây nguy cơ xói lở mặt đê và sạt trượt mái phía đồng.
• Tác động bồi lắng rõ rệt của hệ thống kè mỏ hàn: Thống kê tại các bãi thoái Hải Hậu và Giao Thủy cho thấy 50 tuyến kè mỏ hàn đã giúp giữ bùn cát hiệu quả, nâng cao trình bãi biển trước đê trung bình từ 0,4 m đến 1,5 m, triệt tiêu hiện tượng sóng va đập trực tiếp làm mòn vỡ chân kè bê tông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản gây ra các sự cố vỡ đê lịch sử tại Nam Định bắt nguồn từ việc sóng leo tràn qua đỉnh đê khi bão trùng thời điểm triều cường, gây xói lở mái đê phía đồng từ trên xuống dưới, sau đó dẫn tới vỡ thân đê đắp bằng cát pha. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn cụ thể qua bảng tổng hợp cao trình đỉnh đê thiết kế mới (yêu cầu nâng cao trình đỉnh tường chắn sóng từ +5,20 m đến +5,80 m tùy vị trí) và đồ thị đường viền thấm không ổn định qua các lớp trầm tích đáy.

So với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ xem xét công trình đê biển đơn lẻ chống bão cấp 9 - 10, công trình này đã tiên phong tích hợp kịch bản nước biển dâng 65 cm đến cuối thế kỷ 21 vào bài toán ổn định tổng thể. Điều này khẳng định tầm quan trọng của việc kết hợp đồng bộ giữa giải pháp công trình kiên cố và dải đệm tự nhiên phía ngoài bãi.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện quy mô và cấu trúc hệ thống đê biển Nam Định, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược:

• Nâng cấp kiên cố hóa 34,7 km đê biển xung yếu: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Nam Định cần chủ trì triển khai nâng cấp toàn diện các đoạn đê trực diện biển tại huyện Hải Hậu và Nghĩa Hưng. Mục tiêu hoàn thiện mặt đê rộng 5 - 6 m bê tông hóa 100%, bổ sung tường chắn sóng bê tông cốt thép M250# đạt cao trình đỉnh từ +5,20 m đến +5,60 m, hoàn thành toàn tuyến trong giai đoạn 2015 - 2020.
• Xây dựng hệ thống đê dự phòng tuyến 2 dài trên 15 km: Ủy ban nhân dân tỉnh Nam Định cùng các địa phương cần quy hoạch và xây mới các đoạn đê tuyến 2 tại các xã trọng điểm như Giao Phong, An Hóa, Hải Chính và Hải Hòa. Tuyến đê này cần đạt cao trình đỉnh tối thiểu từ +3,80 m đến +4,20 m kết hợp làm đường cứu nạn dân sinh, hoàn thành trước năm 2025 nhằm kiểm soát rủi ro khi có sự cố tại tuyến đê chính.
• Chuẩn hóa cấu kiện kè mái giảm sóng và chân kè chống xói: Ban Quản lý Dự án Thủy lợi áp dụng đại trà khối bê tông lục lăng tự chèn TSC-178 kết hợp mấu giảm sóng và kết cấu chân đê bằng ống buy lục lăng đường kính 1,0 m nhồi đá hộc cao 1,5 - 2,0 m đặt trên nền vải địa kỹ thuật TS40. Giải pháp này cần được đưa vào quy chuẩn thiết kế đê biển cấp tỉnh từ năm 2016.
• Khôi phục và mở rộng 2.500 ha rừng phòng hộ ven biển: Chi cục Kiểm lâm phối hợp với chính quyền cơ sở phát triển đai rừng ngập mặn (cây Bần chua, Vẹt) dày từ 500 m đến 1000 m tại các bãi bồi Giao Thủy và Nghĩa Hưng, kết hợp trồng phi lao phòng hộ trên các cồn cát cao trên 2,0 m, hoàn thành chỉ tiêu phủ xanh bãi bồi trước năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Cơ quan quản lý nhà nước về đê điều và phòng chống thiên tai: Chi cục Quản lý Đê điều và Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai các tỉnh duyên hải Bắc Bộ có thể khai thác phương pháp phân loại tuyến đê, xác định cấp công trình và xây dựng quy hoạch đê biển thích ứng với biến đổi khí hậu cấp địa phương.
• Kỹ sư tư vấn và các viện nghiên cứu quy hoạch thủy lợi: Các kỹ sư công trình thủy công và công trình biển ứng dụng trực tiếp quy trình tính toán sóng tràn theo tiêu chuẩn quốc tế, lựa chọn cấu kiện bê tông tự chèn và xác định kích thước mặt cắt ngang đê chịu bão cấp 12.
• Giảng viên, nhà khoa học và học viên cao học ngành Thủy lợi - Hải dương học: Các nhà nghiên cứu sử dụng bộ cơ sở dữ liệu mô phỏng thủy lực từ phần mềm Mike 11, SWAN-ONE và GeoStudio làm tài liệu tham khảo chuyên môn và phát triển các đề tài liên quan đến động lực học vùng bờ.
• Doanh nghiệp xây dựng công trình giao thông - thủy lợi ven biển: Các nhà thầu thi công hạ tầng đê kè khai thác chi tiết giải pháp kết cấu chân kè ống buy, tầng lọc vải địa kỹ thuật và biện pháp thi công đê kết hợp đường giao thông tải trọng lớn.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống đê biển Nam Định hiện đáp ứng được cấp bão và triều cường ở mức độ nào? Theo số liệu kiểm tra hiện trạng và quy chuẩn thiết kế, hơn 56 km đê biển Nam Định đã được kiên cố hóa có khả năng chống chịu an toàn trước các cơn bão cấp 9 đến cấp 10 kết hợp triều cường tần suất 5%. Luận văn kiến nghị nâng cấp cấu trúc công trình để bảo đảm an toàn trước bão cấp 12 và mực nước biển dâng tới 65 cm.

Cấu kiện bê tông tự chèn TSC-178 có ưu điểm gì vượt trội so với đá lát khan? Khối bê tông TSC-178 có 6 chân tự chèn liên kết đa chiều tạo thành mảng chịu lực bền vững, ngăn ngừa hiện tượng sóng biển hút trôi từng viên riêng lẻ. Kết quả thí nghiệm máng sóng chứng minh khối giúp tiêu hao 25% đến 35% năng lượng sóng leo và chịu được bão cấp 12 với sóng biển cao từ 3,5 m đến 4,5 m.

Tại sao cần phải quy hoạch xây dựng hệ thống đê biển dự phòng tuyến 2? Đê tuyến 2 tạo ra tuyến phòng thủ chiều sâu, có nhiệm vụ khoanh vùng và ngăn chặn nước mặn tràn sâu vào đồng ruộng khi đê chính gặp sự cố vỡ do bão lớn. Việc bố trí đê dự phòng cao trình từ +3,80 m đến +4,20 m giúp giảm thiểu trên 80% thiệt hại kinh tế cho hơn 23.850 ha đất canh tác.

Mô hình toán nào được ứng dụng để kiểm tra an toàn thân đê và sóng tràn? Luận văn tích hợp đồng thời mô hình SWAN-ONE để tính toán lan truyền và khúc xạ sóng ven bờ, mô hình thủy lực Mike 11 để xác định mực nước tổng hợp, cùng bộ công cụ GeoStudio với module SEEP và SLOPE để phân tích mạng thấm và hệ số an toàn trượt cung tròn của mái đê.

Giải pháp phi công trình nào đóng vai trò then chốt trong công tác hộ đê? Trồng và bảo vệ dải rừng ngập mặn với chiều dày từ 500 m đến 1000 m phía trước đê là giải pháp phi công trình hiệu quả nhất. Đai rừng giúp triệt tiêu hơn 50% năng lượng sóng biển, hỗ trợ bồi lắng phù sa nâng bãi từ 0,4 m đến 1,5 m và bảo vệ bền vững chân kè phía biển.

Kết luận

• Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng kỹ thuật của 91,981 km đê biển tỉnh Nam Định, chỉ rõ các điểm xung yếu tại 45 km đê trực diện biển đang chịu xói lở nghiêm trọng.
• Xác lập cơ sở khoa học và bộ thông số mực nước, sóng thiết kế có xét đến kịch bản nước biển dâng từ 25 cm vào năm 2050 đến 65 cm vào năm 2100.
• Đề xuất giải pháp cấu trúc mặt cắt đê tối ưu với khối bê tông tự chèn TSC-178 có mấu giảm sóng và kết cấu chân kè ống buy gia cố chắc chắn.
• Hoàn thiện phương án quy hoạch hệ thống đê dự phòng tuyến 2 kết hợp giao thông ven biển và phát triển dải rừng ngập mặn chắn sóng bảo vệ bãi bồi.
• Đóng góp luận cứ kỹ thuật quan trọng cho công tác điều chỉnh quy hoạch phòng chống thiên tai và quản lý tài nguyên nước tại vùng duyên hải Bắc Bộ.

Lộ trình khuyến nghị tập trung hoàn thành kiên cố hóa các đoạn đê xung yếu trước năm 2020 và mở rộng phủ xanh 2.500 ha rừng ngập mặn trước năm 2030. Các cơ quan quản lý và đơn vị tư vấn hãy nghiên cứu áp dụng các giải pháp từ luận văn để nâng cao năng lực ứng phó biến đổi khí hậu cho công trình biển ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU VÀ VÙNG NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1. Lĩnh vực nghiên cứu trên thế giới: Nghiên cứu về quy mô và cấu trúc đê là việc làm hết sức cần thiết, nó đánh giá một các tổng quát nhất về hệ thống đê, về khả năng chống đỡ của hệ thống đê với các đợt thiên tai, bão lũ, ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Ngoài ra nghiên cứu về quy mô và cấu trúc đê giúp chúng ta dự báo trước những nguy cơ có thể sảy ra đối với hệ thống đê nếu như chúng ta không có biện pháp can thiệp như: vỡ đê, sạt lở, đê mất ổn định, …Trên thế giới, các nước có hệ thống đê biển và đê sông đều phải đánh giá về quy mô và cấu trúc của hệ thống đê, giảm nhẹ thiên tai là vấn đề chung của toàn cầu. Đánh giá về quy mô hệ thống đê, quy mô về tuyến đê việc sử dụng các công cụ phần mềm phục vụ quá trình nghiên cứu là rất thiết yếu, trên thế giới đã sử dụng các công cụ phần mềm xây dựng bản đồ như: ARGIS,MAPINFO….Việc sử dụng các bản đồ số hóa giúp cho công tác đánh giá và đưa ra quyết định về hệ thống đê tốt hơn, xác định tuyến đê một cách hợp lý và trực quan.

Các nước trên thế giới đã xây dựng được các bản đồ số hóa về hệ thống đê, bản đồ số hóa về sông ngòi như Hà Lan, Canada… Cấu trúc đê bao gồm rất nhiều vấn đề để đánh giá như: vấn đề về lớp gia cố bảo vệ mái đê, vật liệu đắp đê, cao trình đê và kiểm tra ổn định hệ thống đê. Trong đó vấn đề quan tâm nhất là lớp gia cố bảo vệ mái đê, bởi vì đối với đê biển sóng biển tác động trực tiếp đến mái đê gây sạt lở và vỡ đê. Trên thế giới đã sử dụng rất nhiều biện pháp gia cố mái đê như: a) Đá lát khan, mảng bê tông, cấu kiện bê tông lắp ghép tự chèn: Cấu kiện bê tông tự chèn là dùng các cấu kiện bê tông có kích thước và trọng lượng đủ lớn đặt liên kết tạo thành mảng bảo vệ chống xói cho mái phía biển do tác động của sóng và dòng chảy. Để gia tăng ổn định và giảm thiểu kích thước cấu kiện người ta không ngừng nghiên cứu và cải tiến hình dạng cấu kiện và liên kết giữa các cấu kiện theo hình thức tự chèn.

Kết cấu loại này dễ thoát nước, dễ biến dạng cùng với đê nên có độ ổn định của kết cấu tương đối cao. Hính 1: thể hiện 1 đoạn đê ở Hà Lan, mái đê được gia cường bằng các biện pháp là một đoạn đê dùng đá lát khan, một đoạn đê sử dụng kết cấu bê tông lắp ghép và phía trên cơ được trồng cỏ bảo vệ. Gia cường mái đê biển ở Hà Lan Hình 2 thể hiện một cấu kiện gia cố dạng khối sáu mặt, kích thước lớn theo xu hướng chuyển từ dạng tấm sang dạng cột (cấu kiện kích thước 0,6 x0,8 x 0,8) Hình 2. Cấu kiện bê tông dạng cột b) Gia cố mái đê bằng nhựa đường (Bituminous Revetments): Hàng thế kỷ trước đây, vật liệu nhựa đường đã được sử dụng ở vùng Trung Âu vào việc làm kín nước.

Vào năm 1893, Italy dùng nhựa đường phủ mái đập đá đổ. Năm 1934 Hà Lan dùng nhựa đường phủ đáy âu thuyền Fuliana. Sau cơn bão 1953, Hà Lan đã sử dụng bê tông nhựa đường vào xây dựng đê biển. Vật liệu này thường dùng kết hợp với vật liệu khác để gia cường, chẳng hạn nhựa đường-đá xếp, nhựa đường-bê tông khối, bê tông Asphalt ứng dụng trong xây dựng công trình thủy lợi, đê biển của nhiều nước tiên tiến như Nauy, Hà lan, Mĩ và một số nước khác.6 là một dạng kè đê biển bằng đá xếp phủ nhựa đường ở Hà Lan 8 Hình 3.

Kè đê biển đá sếp phủ nhựa đường. c) Thảm bê tông: Các cấu kiện bê tông được nối với nhau tạo thành mảng liên kết. Các cấu kiện này liên kết với nhau bằng dây cáp, bằng các móc, giữa các cấu kiện thường đệm bằng cao su, hoặc lấp đầy bằng sỏi, gạch xỉ. Phải bố trí tầng lọc ngược giữa thảm bê tông với thân đê.

Cấu kiện kiểu này thường xuyên được cải tiến về hình dạng và liên kết giữa các cấu kiện. Hình 4 thể hiện thảm bê tông đang được thi công trên một đoạn đê, bên dưới lót vải địa kỹ thuật làm lọc [44]. Sau khi thi công xong thảm bê tông, tra cỏ vào các hốc bê tông để tạo cảnh quan môi trường. Thảm bê tông được sử dụng làm kè đê biển Hà Lan d) Thảm đá: Các rọ bằng thép bọc chất dẻo hoặc chất dẻo trong đựng đầy đá gọi là “thảm đá”.

Thảm đá dùng để chống xói cho đê và bờ sông, bờ biển do tác động của sóngvà dòng chảy. Ý tưởng của kết cấu này là liên kết đá nhỏ lại thành khối lớn để sóng và dòng chảy không phá hỏng được. e) Thảm bằng các túi địa kỹ thuật chứa cát: Các túi địa kỹ thuật được bơm đầy cát đặt trên lớp vải địa kĩ thuật, liên kết với nhau thành một hệ thống gọi là thảm túi 9 cát để bảo vệ mái dốc của đê, bờ sông, bờ biển.9 là ảnh chụp một đoạn kè chống xói bằng hệ thống các túi địa kỹ thuật trên đảo Sylt-Kliffende-Đức. Hình 5: Thảm gia cường bằng hệ thống túi vải địa kỹ thuật f) Hệ thống ống địa kỹ thuật chứa cát: Sử dụng ống địa kĩ thuật [42], có đường kính từ 0,5m đến 2,5m, kích thước tuỳ thuộc vào yêu cầu công trình.

Chiều dài mỗi ống trung bình khoảng 60m-100m. Định vị ống vào vị trí dự kiến sau đó bơm dung dịch tỉ lệ 1 phần cát với 4 phần nước, cho đến khi ống đầy cát hoặc vữa xi măng. Hình 6: Ống địa kỹ thuật gia cường bảo vệ bờ ở Hà Lan Bên cạnh vấn đề về cấu trúc lớp gia cố mái đê, diễn toán dòng chảy, tính toán mực nước, tính toán sóng và kiểm tra ổn định là những vấn đề không thể thiếu trong việc xác định cấu trúc hệ thống đê. Để xác định cao trình mực nước và xây dựng mô hình dòng chảy sử dụng phần mềm Mike 11, để tính toán và truyền sóng sử dụng phần mềm Swan-one và tính toán ổn định công trình bằng phần mềm Geoslope, Plaxis.

10 + Phần mềm mike 11 được Viện Thuỷ lực học Đan Mạch xây dựng từ năm 1987 là mô hình dòng chảy 1 chiều để diễn toán mực nước và lưu lượng tại các nút trong hệ thống sông. Khi được áp dụng với trường hợp xem xét tất cả các thành phần trong phương trình sóng động lực, Mike 11 giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng (phương trình St Venant). Giao diện Mike 11 được thể hiện trong hình 7: Hỉnh 7:Giao diện mike 11 + Geoslope là phần mềm giao diện đồ họa, 32 bít có thể chạy trong hệ điều hành Win 95/98/NT/2000 và XP, dùng mô hình hóa chuyển động của nước và tính toán ổn định đê đập trong môi trường đất đá theo PTHH. Giao diện Geoslope được thể hiện trong hình 8: Hình 8: Giao diện geoslope 11 1.

Lĩnh vực nghiên cứu trong nước: Vấn đề nghiên cứu quy mô và cấu trúc hệ thống đê trong nước luôn là vấn đề cấp thiết, xã hội phát triển bền vững khi mà các yếu tố về thiên tai và bão lũ được ngăn chặn và dự báo kịp thời, đảm bảo an toàn cho tính mạng về con người và của cải. Chưa có quy hoạch tổng thể cho đê biển, chưa có quy hoạch phát triển đa mục tiêu cho các ngành. Tuy nhiên tại các địa phương, đã xây dựng được các bản đồ số hóa về đê điều giúp cho quá trình quản lý và điều tra hệ thống đê được thuận lợi hơn. Hình 9: Bản đồ hệ thống đê điều tính Nam Định được xây dựng vào tháng 12 năm 2007 do chi cục quản lý đê điều và phòng chống lụt bão tỉnh Nam Định thành lập.

Hình 9: Bản đồ hệ thống đê tỉnh Nam Định Từ bản đồ hệ thống đê giúp chúng ta đánh giá được về quy mô của tuyến đê có thỏa mãn các yêu cầu về vị trí và hình dáng tuyến đê như sau hay không: + Đi qua vùng có địa thế cao địa chất nền tương đối tốt; + Nối tiếp thông thuận và đảm bảo ổn định đối với các công trình đã có; + Thuận lợi cho việc bố trí các công trình phụ trợ; + Không ảnh hưởng đến thoát lũ và công trình chỉnh trị cửa sông (đối với đê cửa sông); + Đáp ứng yêu cầu đối với các hoạt động bền vững của bến cảng bãi tắm khu du lịch, di tích lịch sử và danh lam thắng cảnh; 12 + Đối với tuyến đê kết hợp với hệ thống giao thông và an ninh quốc phòng cần phải tuân thủ theo các quy định khác của ngành giao thông và quốc phòng; + Tận dụng tối đa các cồn cát tự nhiên đồi núi công trình đã có để khép kín tuyến đê đáp ứng yêu cầu kinh tế - kỹ thuật của tuyến đê; + Đối với tuyến đê quan trọng cần tiến hành thí nghiệm mô hình thủy lực để xác định vị trí tuyến thích hợp. + Hình dáng mặt bằng tuyến đê nên tránh gấp khúc giảm thiểu tối đa sự tập trung năng lượng sóng cục bộ; đồng thời nên tránh vuông góc với hướng gió thịnh hành; thông qua so sánh về khối lượng công trình và tổng mức đầu tư để quyết định dạng tuyến phù hợp; + Trong trường hợp phải bố trí tuyến đê cong cần có các biện pháp giảm sóng hặc tăng cường sức chống đỡ của đê ở khu vực cong; + Không tạo ra điểm xung yếu ở nơi nối tiếp với các công trình lân cận và không ảnh hưởng đến các vùng đất liên quan; + Trường hợp thiết kế nâng cấp tuyến đê hiện có cần phải xem xét các yêu cầu của tuyến đê mới để điều chỉnh cục bộ tuyến cho phù hợp. Về vấn đề cấu trúc mái đê, Việt Nam đã sử dụng các biện pháp gia cố mái đê như: + Kè lát mái bằng đá lát khan + Kè mái bằng đá xây, đá chít mạch + Kè mái bằng bê tông + Trồng cỏ bảo vệ mái phía đồng Các công trình nghiên cứu về cấu trúc gia cố mái đê như: a.Cấu kiện TSC-178: Cấu kiện TSC-178 do thầy Phan Đức Tác nghiên cứu đã được cấp bằng sáng chế số 178/QĐ - 118/QĐSC ngày 8 tháng 4 năm 1993 về cấu kiện gia cố mái đê phía biển, nhờ liên kết mảng và khả năng chống áp lực sóng tăng lên so với từng viên rời.