Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài hơn 3.200 km, nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp của ổ bão Tây Bắc Thái Bình Dương với tần suất trung bình từ 6 đến 8 cơn bão mỗi năm. Huyện đảo Cát Hải thuộc thành phố Hải Phòng có diện tích tự nhiên gần 30 km2 và quy mô dân số hơn 13.000 người, giữ vị trí chiến lược về kinh tế biển và an ninh quốc phòng. Toàn đảo được bao bọc bởi 20,6 km đê biển, trong đó đoạn đê Gót – Gia Lộc dài 3.094 m (từ K0+000 đến K3+094) là tuyến xung yếu nhất do nằm ở phía nam đảo và trực diện đón sóng lớn từ vịnh Bắc Bộ. Hiện trạng tuyến đê có kết cấu đá hộc với cao trình đỉnh chỉ từ +3,7 m đến +4,5 m, bãi trước đê sâu từ -1,2 m đến +0,8 m. Dưới tác động của triều cường kết hợp gió cấp 5, cấp 6, sóng biển thường xuyên tràn qua mặt đê. Điển hình vào tháng 6/2013, bão số 2 đã tàn phá nghiêm trọng, làm gãy 15 dầm bê tông chia ô và gây sạt lở diện rộng thân đê.

Vấn đề nghiên cứu then chốt xuất phát từ tính bất khả thi của giải pháp tôn cao thân đê truyền thống do sự khan hiếm nguồn đất đắp trên đảo và không gian phía sau đê bị giới hạn bởi khu dân cư cùng hệ thống giao thông huyết mạch. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, đề xuất và thiết kế mặt cắt ngang hợp lý cho đê biển Cát Hải đoạn Gót – Gia Lộc nhằm gia tăng độ ổn định công trình, giảm vận tốc sóng leo và khống chế lưu lượng sóng tràn qua đỉnh đê dưới mức cho phép q < 10 l/s/m theo tiêu chuẩn thiết kế đê biển cấp IV (tần suất bảo đảm 30 năm theo Quyết định 1613/QĐ-BNN-KHCN và chống bão cấp 10, triều dâng 5% theo Quyết định 58/2006/QĐ-TTg). Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc bảo vệ an toàn tính mạng cho 13.000 cư dân, tạo nền tảng vững chắc cho hạ tầng Cảng cửa ngõ quốc tế Lạch Huyện và tiết kiệm hàng tỷ đồng ngân sách duy tu hàng năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thủy lực bờ biển hiện đại và cơ học chất lỏng phi tuyến, tập trung vào bài toán tương tác động lực giữa sóng ngẫu nhiên và công trình có cấu trúc xốp rỗng:

  1. Hệ phương trình VARANS 2DV (Volume-Averaged Reynolds-Averaged Navier-Stokes 2 chiều đứng): Đây là hệ phương trình vi phân trung bình hóa thể tích mô tả chính xác trường dòng chảy biến đổi liên tục trong môi trường rỗng (lõi đá đổ, lăng thể giảm sóng) và môi trường chất lỏng tự do.
  2. Mô hình vận chuyển rối hai phương trình k - ε: Khép kín hệ phương trình dòng chảy thông qua việc liên kết chuyển động mạnh động lưu tốc với động năng rối k và mức độ tiêu tán động năng rối ε, sử dụng các hệ số thực nghiệm chuẩn như hệ số nhớt xoáy Cd = 0,99 và hằng số khuếch tán sigma k = 1,0.
  3. Mô hình theo dõi mặt thoáng tự do VOF (Volume of Fluid): Xác định ranh giới pha mặt thoáng chất lỏng thông qua hàm mật độ thể tích F, trong đó F = 0 đại diện cho pha khí, F = 1 đại diện cho pha lỏng và 0 < F < 1 xác định mặt thoáng sóng ngẫu nhiên.
  4. Lý thuyết tiêu tán năng lượng sóng qua môi trường cản xốp: Mô hình hóa lực cản ma sát tuyến tính qua hệ số alpha và lực cản phi tuyến qua hệ số beta theo định luật Forchheimer mở rộng, giải thích cơ chế suy giảm năng lượng sóng khi truyền qua khối dị hình rỗng Tetrapod và tấm lát Holhquader.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp kế thừa số liệu thực địa và mô phỏng số động lực học chất lỏng chuyên sâu:

  • Nguồn dữ liệu đầu vào: Sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn nhiều năm tại trạm Hòn Dấu (giai đoạn 1984 – 1993 và 1988 – 2007), trạm Cửa Ông (1986 – 2007) và tài liệu khảo sát địa hình mặt cắt thực tế ven bờ Cát Hải với độ dốc đáy bãi thoải i = 1/67.
  • Phương pháp phân tích: Ứng dụng mô hình máng sóng số thủy lực IH2-VOF (phát triển từ họ mô hình COBRAS-UC bởi Đại học Cantabria và Đại học Cornell). Mô hình tích hợp phổ sóng ngẫu nhiên JONSWAP với hệ số đỉnh phổ gamma = 3,3 và thuật toán hấp thụ sóng phản xạ chủ động tại biên sóng vào.
  • Thiết lập lưới và mẫu tính toán: Miền tính toán có kích thước không gian 310 m chiều dài và 14 m chiều cao, được rời rạc hóa thành 440 × 40 ô lưới chữ nhật không đều. Kích thước ô lưới mịn nhất đạt 0,70 m theo phương ngang và 0,35 m theo phương đứng tại khu vực chân đê và lăng thể để nắm bắt chính xác hiện tượng sóng vỡ. Mỗi kịch bản sóng 30 phút đòi hỏi thời gian xử lý khoảng 12 giờ máy tính liên tục.
  • Kiểm định mô hình: Dữ liệu mô phỏng được kiểm chứng thông qua kết quả thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng dài 24 m, rộng 0,6 m và sâu 0,8 m của Đại học Cantabria với đê ngầm rỗng (Hs = 10 cm, chu kỳ Tp = 2,4 s và 3,2 s), cho sai số quân phương giữa số liệu tính toán và thực đo chỉ từ 8% đến 9%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng số trên mô hình máng sóng số IH2-VOF với 4 kịch bản khoảng cách đặt lăng thể Tetrapod (X = 0 m, 5 m, 10 m và 20 m tính từ chân đê) mang lại những phát hiện then chốt sau:

  • Phát hiện 1: Lăng thể Tetrapod đặt trước đê đóng vai trò như một đê ngầm tiêu năng, kích thích sóng vỡ sớm từ xa và làm giảm từ 45% đến 60% năng lượng xung kích của sóng tác động trực tiếp lên thân đê chính.
  • Phát hiện 2: Vị trí đặt lăng thể Tetrapod có tính quyết định đến lưu lượng sóng tràn. Khi cự ly X nằm trong khoảng 5 m đến 10 m, hiệu quả giảm sóng đạt mức tối ưu, giúp kéo giảm lưu lượng sóng tràn q từ trên 35 l/s/m (trường hợp đê thông thường không có lăng thể) xuống còn khoảng 3,8 đến 6,5 l/s/m, đáp ứng hoàn hảo ngưỡng an toàn q < 10 l/s/m.
  • Phát hiện 3: Sự kết hợp giữa lõi đá đổ rỗng thoát nước, mái kè lát cấu kiện Holhquader có gờ nhám và thềm tiêu năng trước tường đỉnh cao trình +5,0 m làm giảm vận tốc dòng chảy sóng leo trên mặt đê hơn 55% so với mặt cắt đê mái láng truyền thống.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý của sự suy giảm năng lượng sóng bắt nguồn từ hiện tượng xoáy rối cục bộ và sự chuyển hóa động năng thành nhiệt năng khi sóng xuyên qua các khe rỗng của khối cấu kiện Tetrapod và tấm Holhquader. Khi sóng truyền qua lăng thể, đỉnh sóng bị bẻ gãy, pha sóng bị phân tán làm giảm chiều cao sóng tới chân đê.

So sánh với các phương pháp tính toán kinh nghiệm truyền thống như TAW-2002 hay EurOtop 2007, các công thức giải tích cổ điển hoàn toàn không thể mô tả chính xác tương tác dòng chảy qua kết cấu đa lớp phức tạp (lăng thể ngầm rỗng, mái kè tự chèn và tường đỉnh có thềm). Mô hình IH2-VOF đã giải quyết triệt để hạn chế này, phản ánh trung thực trường áp lực và phân bố vận tốc dòng chảy.

Dữ liệu tính toán từ luận văn được biểu diễn trực quan qua biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng sóng tràn q và khoảng cách bố trí lăng thể X. Biểu đồ chỉ ra rằng nếu đặt lăng thể quá sát chân đê (X = 0 m), sóng phản xạ từ mái kè sẽ giao thoa làm giảm hiệu quả tiêu sóng; ngược lại nếu đặt quá xa (X = 20 m), sóng sau khi qua lăng thể có đủ quãng đường để tái tạo lại năng lượng. Bảng tổng hợp trường lưu tốc dòng chảy khẳng định cấu tạo thềm trước tường đỉnh rộng 1,5 m giúp hạ thấp chiều cao tia sóng bắn và triệt tiêu thành phần sóng tràn do gió bão thổi qua đỉnh.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện giải pháp kỹ thuật nâng cấp đê biển Cát Hải đảm bảo tuổi thọ công trình trên 30 năm, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể:

  • Xây dựng lăng thể Tetrapod tiêu giảm sóng trước chân đê: Ban Quản lý Dự án Công trình Thủy lợi Hải Phòng cần chỉ đạo thi công lăng thể bằng khối Tetrapod đúc sẵn trọng lượng từ 2 tấn đến 4 tấn, bố trí tại cự ly cách chân đê từ 5 m đến 10 m, cao trình đỉnh lăng thể đạt mức triều thiết kế để triệt tiêu ít nhất 50% năng lượng sóng bão trước mùa mưa bão năm 2025.
  • Cải tạo đồng bộ mái kè bằng cấu kiện tự chèn Holhquader: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hải Phòng tiến hành thay thế toàn bộ lớp đá hộc lát khan dễ xô sạt bằng tấm bê tông Holhquader cường độ cao đặt trong khung dầm bê tông cốt thép cho 3.094 m tuyến đê Gót – Gia Lộc, tận dụng 100% phần lõi đá đổ hiện hữu nhằm tiết kiệm chi phí xây lắp.
  • Bố trí tường đỉnh kết hợp thềm giảm sóng: Đơn vị tư vấn thiết kế cần áp dụng tường đỉnh bê tông cốt thép đạt cao trình đỉnh +5,0 m, kết hợp thềm tiêu năng phía trước tường rộng từ 1,5 m đến 2,0 m tại cao trình +4,5 m nhằm khống chế lưu lượng sóng tràn dưới 10 l/s/m trong điều kiện bão cấp 10 và nước dâng triều cường 5%.
  • Ban hành quy chuẩn tính toán máng sóng số trong thiết kế đê biển: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cần bổ sung mô hình số thủy lực họ RANS-VOF (như IH2-VOF) vào quy trình thẩm định thiết kế các tuyến đê biển cấp III, cấp IV toàn quốc trong giai đoạn 2024 – 2026, thay thế dần các công thức kinh nghiệm giản lược khi tính toán mặt cắt đê phức tạp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn công trình thủy lực bờ biển: Khai thác chi tiết phương pháp tính toán tương tác sóng – công trình và cấu tạo mặt cắt hỗn hợp lăng thể Tetrapod kết hợp tấm Holhquader để áp dụng cho hơn 20 km đê xung yếu tại khu vực ven biển miền Bắc.
  • Ban quản lý dự án và các cơ quan quản lý đê điều địa phương: Sử dụng các căn cứ kinh tế – kỹ thuật trong luận văn để lập báo cáo khả thi nâng cấp đê cấp IV, giúp tiết kiệm từ 20% đến 30% tổng mức đầu tư nhờ giải pháp tận dụng thân đê đá cũ thay vì mở rộng diện tích chiếm đất.
  • Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Xây dựng Công trình Thủy: Tiếp cận tài liệu chuẩn mực về việc ứng dụng hệ phương trình VARANS 2DV và mô hình số IH2-VOF trong mô phỏng máng sóng số với độ chính xác đạt trên 91%.
  • Doanh nghiệp xây lắp công trình thủy lợi – giao thông thủy: Tham khảo quy trình đúc, vận chuyển và định vị khối cấu kiện Tetrapod, tấm Holhquader trong điều kiện thi công đảo xa với chế độ nhật triều phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao phương án đắp tôn cao đê truyền thống không khả thi tại khu vực đê biển Cát Hải? Phương án tôn cao thân đê không khả thi do huyện đảo Cát Hải có diện tích hẹp gần 30 km2, nguồn đất đắp tại chỗ khan hiếm, chi phí vận chuyển vật liệu từ đất liền rất cao. Bên cạnh đó, không gian phía sau 3.094 m đê giáp sát đường giao thông và nhà dân nên không thể mở rộng chân đê.

  • Mô hình máng sóng số IH2-VOF có ưu thế vượt trội gì so với các công thức kinh nghiệm như EurOtop? Mô hình IH2-VOF giải trực tiếp hệ phương trình VARANS 2DV kết hợp mô hình rối k - ε, cho phép mô phỏng chính xác chuyển động thấm qua vật liệu xốp rỗng của lăng thể Tetrapod và mái đê Holhquader, đạt sai số quân phương dưới 9%, trong khi các công thức EurOtop chỉ áp dụng cho mặt cắt mái nghiêng hoặc tường đứng đồng nhất.

  • Vị trí đặt lăng thể Tetrapod tối ưu được xác định như thế nào trong nghiên cứu? Nghiên cứu đã mô phỏng 4 kịch bản vị trí X = 0 m, 5 m, 10 m và 20 m tính từ chân đê. Kết quả tính toán khẳng định khoảng cách X từ 5 m đến 10 m mang lại hiệu quả giảm lưu lượng sóng tràn cao nhất, duy trì q ở mức 3,8 đến 6,5 l/s/m, tránh được hiện tượng cộng hưởng sóng phản xạ khi đặt sát đê.

  • Cấu kiện Holhquader đóng vai trò gì trong việc gia tăng ổn định mái đê? Tấm bê tông Holhquader có lỗ rỗng ở giữa được lắp ghép trong khung dầm bê tông cốt thép, giúp tăng độ nhám mặt ngoài để giảm sóng leo hơn 30%, đồng thời giải thoát nhanh áp lực nước ngầm thấm ngược từ thân đê, ngăn ngừa hiện tượng bốc xô từng mảng đá lát khi bão đổ bộ.

  • Tuyến đê biển Cát Hải đoạn Gót – Gia Lộc được thiết kế theo tiêu chuẩn kỹ thuật nào? Tuyến đê được thiết kế đạt tiêu chuẩn đê cấp IV theo Quyết định 1613/QĐ-BNN-KHCN với chu kỳ lặp 30 năm, tuân thủ chỉ tiêu phòng chống bão cấp 10 kết hợp mực nước triều dâng tần suất 5% theo Quyết định 58/2006/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, khống chế lưu lượng sóng tràn q < 10 l/s/m.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết thành công bài toán bảo vệ tuyến đê biển xung yếu Cát Hải dài 3.094 m bằng giải pháp công trình tiêu sóng chủ động, thích ứng hoàn hảo với điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng.
  • Thiết lập quy trình ứng dụng thành công máng sóng số IH2-VOF giải hệ phương trình VARANS 2DV, đạt độ tin cậy cao với sai số kiểm định thực nghiệm dưới 9%.
  • Đề xuất mặt cắt ngang đê tối ưu gồm lăng thể Tetrapod đặt cách chân đê từ 5 m đến 10 m, mái kè phủ tấm rỗng Holhquader và tường đỉnh cao trình +5,0 m có thềm giảm sóng, khống chế lưu lượng tràn q luôn dưới 10 l/s/m.
  • Đạt hiệu quả kinh tế – kỹ thuật vượt trội nhờ tận dụng 100% khối lượng đá đổ hiện trạng, không phải giải phóng mặt bằng khu dân cư ven biển và tiết kiệm chi phí xây dựng trên huyện đảo.
  • Lộ trình 2024 – 2026 cần khẩn trương đưa giải pháp mặt cắt này vào thi công thực tế tại Cát Hải, đồng thời nhân rộng mô hình cho các hệ thống đê biển xung yếu trên toàn quốc. Các đơn vị quản lý và tư vấn thiết kế hãy liên hệ ngay với tác giả và cơ sở đào tạo để tiếp nhận chuyển giao công nghệ mô phỏng tiên tiến này.