Luận văn thạc sĩ: Mô phỏng ứng xử cơ học kè chắn bảo vệ mái đê biển Gò Công

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng ứng xử cơ học của kè chắn bảo vệ mái đê biển Gò Công dưới tác động của sóng biển bằng phương pháp số.

• Tác giả: Lê Hồng Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Tích Thiện
• Trường học: Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Mô phỏng ứng xử cơ học kè chắn bảo vệ mái đê biển Gò Công dưới tác động sóng biển
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Long An

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: Giới thiệu đề tài
• 1.1. Các phương pháp chống xói lở bờ biển
• 1.1.1. Rừng phòng hộ ven biển
• 1.1.2. Xây dựng đê/kè biển
• 1.2. Tình hình xói lở ở bờ sông, bờ biển gò Công – Tân Thành, Tiền Giang
• 1.3. Tình hình nghiên cứu
• 1.3.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.3.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.4. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.5. Ý nghĩa của đề tài
• 1.6. Mục tiêu của đề tài
• 1.7. Động học lưu chất (Computer Fluid Dynamic – CFD)
• 1.7.1. Giải thuật của CFD
• 1.8. Cơ sở tính toán tác động của sóng biển lên kết cấu
• 1.8.1. Phân loại sóng
• 1.9. Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method)
• 1.10. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 1.10.1. Ưu nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn-PPPTHH
• 1.11. Phân tích tương tác rắn lỏng (Fluid–structure interaction)
• 1.11.1. Phân loại bài toán tương tác rắn lỏng
• 1.11.2. Ưu, nhược điểm của phân tích tương tác rắn lỏng
• 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
• 2.1. Kết cấu công trình
• 2.1.1. Cấu kiện tự chèn
• 2.1.2. Phần đỉnh kè
• 2.1.3. Phần chân kè
• 2.2. Đặc tính của sóng biển ở bờ biển Gò Công
• 2.3. Xác định độ cứng đối với nền đất đàn hồi
• 2.4. Thiết lập mô hình mô phỏng
• 2.4.1. Mô tả bài toán
• 2.4.2. Xây dựng mô hình CAD
• 2.4.3. Giải bài toán lưu chất
• 2.4.4. Giải bài toán kết cấu quá độ (transient)
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng ứng xử cơ học kè chắn biển Gò Công

Mô phỏng ứng xử cơ học kè chắn bảo vệ mái đê biển Gò Công là một chủ đề quan trọng trong nghiên cứu kỹ thuật xây dựng. Kè chắn sóng đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ bờ biển khỏi tác động của sóng biển. Việc áp dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại giúp đánh giá hiệu quả của các kết cấu này dưới tác động của sóng biển, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc bảo vệ bờ biển.

1.1. Khái niệm về mô phỏng sóng biển

Mô phỏng sóng biển là quá trình sử dụng các mô hình toán học để tái tạo hành vi của sóng dưới các điều kiện khác nhau. Phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về tác động của sóng đến các công trình ven biển.

1.2. Tầm quan trọng của kè chắn sóng

Kè chắn sóng không chỉ bảo vệ bờ biển mà còn góp phần duy trì hệ sinh thái ven biển. Việc nghiên cứu và cải tiến các kết cấu này là cần thiết để giảm thiểu thiệt hại do xói lở.

II. Vấn đề xói lở bờ biển Gò Công và thách thức hiện tại

Xói lở bờ biển Gò Công đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đời sống của người dân và hệ sinh thái. Các yếu tố như sóng biển, thủy triều và hoạt động của con người đều góp phần làm gia tăng tình trạng này. Việc tìm ra giải pháp hiệu quả để bảo vệ bờ biển là một thách thức lớn.

2.1. Nguyên nhân gây xói lở bờ biển

Các nguyên nhân chính gây xói lở bao gồm tác động của sóng, dòng chảy và hoạt động khai thác của con người. Những yếu tố này làm giảm khả năng tự phục hồi của bờ biển.

2.2. Hệ quả của xói lở bờ biển

Xói lở bờ biển không chỉ gây thiệt hại về tài sản mà còn ảnh hưởng đến môi trường sống của nhiều loài sinh vật. Điều này đe dọa đến sự phát triển bền vững của khu vực.

III. Phương pháp mô phỏng ứng xử cơ học kè chắn sóng

Phương pháp mô phỏng ứng xử cơ học kè chắn sóng sử dụng các công nghệ hiện đại như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp thể tích hữu hạn (FVM). Những phương pháp này cho phép phân tích chi tiết tác động của sóng đến kết cấu kè, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu.

3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn FEM

FEM là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong mô phỏng cơ học. Nó cho phép phân tích ứng suất và biến dạng của kè chắn dưới tác động của sóng biển.

3.2. Phân tích tương tác rắn lỏng FSI

Phân tích tương tác rắn lỏng giúp mô phỏng sự tương tác giữa sóng và kết cấu kè. Phương pháp này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách sóng tác động lên kè chắn.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ mô phỏng cho thấy các kè chắn sóng có khả năng chịu đựng tốt dưới tác động của sóng biển. Việc áp dụng các kết quả này vào thực tiễn sẽ giúp cải thiện thiết kế và thi công các công trình bảo vệ bờ biển, giảm thiểu thiệt hại do xói lở.

4.1. Phân tích kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy biến dạng và ứng suất trên kè chắn dưới tác động của sóng biển. Những thông tin này rất quan trọng cho việc thiết kế kè chắn hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để cải tiến các công trình kè chắn hiện có, từ đó nâng cao khả năng bảo vệ bờ biển trước tác động của sóng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Mô phỏng ứng xử cơ học kè chắn bảo vệ mái đê biển Gò Công là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Việc áp dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn mở ra hướng đi mới cho việc bảo vệ bờ biển. Tương lai cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp bền vững hơn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu mô phỏng

Nghiên cứu mô phỏng sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc bảo vệ bờ biển.

5.2. Đề xuất giải pháp bảo vệ bờ biển

Cần có các giải pháp tổng thể và bền vững để bảo vệ bờ biển, bao gồm việc kết hợp giữa kè chắn và các biện pháp tự nhiên như trồng rừng ngập mặn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực bờ biển huyện Gò Công Đông thuộc tỉnh Tiền Giang sở hữu chiều dài bờ biển 32 km kéo dài từ cửa Soài Rạp đến cửa Tiểu, giữ vai trò chiến lược với 2.065 ha rừng phòng hộ ven biển bảo vệ sinh kế và hệ sinh thái thủy sản. Tuy nhiên, tình trạng xói lở và xâm thực bờ biển tại bãi biển Tân Thành diễn ra hết sức nghiêm trọng. Thống kê giai đoạn từ năm 1989 đến năm 2010 cho thấy chiều dày dải rừng ngập mặn suy giảm tới 250 m, tốc độ xói lở trung bình đạt 12 m/năm. Mặc dù địa phương đã nỗ lực trồng thêm 177 ha rừng phòng hộ nhưng thực tế vẫn có hơn 200 ha rừng bị sóng biển cuốn trôi hoàn toàn. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp bách phải xây dựng hệ thống kè kiên cố bảo vệ mái đê biển trước tác động khắc nghiệt của sóng gió.

Nghiên cứu của tác giả Lê Hồng Hiếu thực hiện năm 2019 hướng tới giải quyết bài toán mô phỏng ứng xử cơ học của kè chắn mái nghiêng sử dụng cấu kiện bê tông tự chèn D27CM dưới tác động trực tiếp của sóng biển Gò Công. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng mô hình số 2 chiều tương đương, ứng dụng kỹ thuật phân tích tương tác rắn lỏng một chiều để xác định phân bố áp suất sóng thủy động theo thời gian, từ đó tính toán chuyển vị và kiểm tra độ bền ứng suất tương đương von-Mises trên nền đất đàn hồi.

Về mặt ý nghĩa thực tiễn, việc ứng dụng công nghệ mô phỏng số giúp thay thế các thử nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ tốn kém, cắt giảm từ 50% đến 70% chi phí thử nghiệm và rút ngắn đáng kể thời gian thiết kế công trình. Kết quả nghiên cứu là luận cứ khoa học quan trọng giúp nâng cao hệ số an toàn đê biển lên trên 1,8, bảo vệ an toàn tuyến đê xung yếu trước mùa gió bão.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu kết hợp hai trụ cột lý thuyết cốt lõi trong cơ học hiện đại gồm Động lực học lưu chất tính toán và Cơ học kết cấu biến dạng thông qua bài toán phân tích tương tác rắn lỏng một chiều. Phương pháp thể tích hữu hạn được áp dụng để giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình động lượng Navier-Stokes mô tả chuyển động của sóng biển trong kênh hở. Trường dòng chảy được phân loại dựa trên chỉ số Reynolds, với điều kiện dòng chảy rối đạt Re từ 10.000 trở lên khi sóng va đập vào bờ kè.

Ở phần kết cấu công trình, phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên nguyên lý công ảo được sử dụng để giải phương trình cân bằng động lực học. Tiêu chuẩn bền von-Mises được lựa chọn để đánh giá trạng thái ứng suất tổng hợp của vật liệu bê tông cốt thép mác M250 có mô đun đàn hồi E bằng 30 GPa, hệ số Poisson 0,2 và khối lượng riêng 2.300 kg/m3.

Khái niệm cấu kiện bê tông tự chèn D27CM giữ vai trò trung tâm trong thiết kế mái kè, với cơ chế ngàm khóa mềm 3 chiều giúp triệt tiêu hoàn toàn chuyển vị xoay và trượt ngang giữa các khối bê tông. Nền đất dưới mái kè được mô hình hóa theo lý thuyết nền đàn hồi với các hệ số nền đặc trưng, kết hợp lớp vải địa kỹ thuật TS 65 và lớp đệm đá dăm 1x2 dày 15 cm nhằm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu hình học và kết cấu công trình được trích xuất từ hồ sơ thiết kế kỹ thuật của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Tiền Giang. Dữ liệu khí tượng hải văn lấy theo các khảo sát thực tế tại Gò Công Đông, xác định điều kiện gió mùa Đông Bắc cấp 7 gây ra chiều cao sóng ven bờ trung bình từ 0,7 m đến 0,8 m, đỉnh sóng cực đại vượt mức 1,2 m với chu kỳ sóng dao động 4 đến 6 giây.

Mô hình mặt cắt đại diện 2 chiều được xây dựng với quy mô 44 cấu kiện tự chèn D27CM ghép nối liên tục trên mái dốc m = 4, trải dài từ cao trình +3,5 m xuống -0,8 m và liên kết với chân khay bệ chìm sâu đến cao trình -2,45 m. Quá trình chia lưới không cấu trúc được tinh chỉnh cục bộ tại bề mặt tiếp xúc rắn lỏng với kích thước phần tử 0,05 m nhằm đảm bảo độ hội tụ cao.

Lý do lựa chọn phương pháp tương tác rắn lỏng một chiều trên nền tảng phần mềm ANSYS Workbench là do độ cứng của kết cấu bê tông rất lớn, biến dạng đàn hồi nhỏ không làm thay đổi ngược lại trường dòng chảy của sóng. Quy trình thực hiện gồm hai giai đoạn liên hoàn: mô đun Fluent tính toán trường áp suất thủy động theo thời gian từ 0,05 giây đến 2,0 giây, sau đó dữ liệu áp lực bề mặt được chuyển trực tiếp sang mô đun Mechanical Transient Structural để phân tích động học kết cấu trong năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu mô phỏng thủy động lực học cho thấy áp suất sóng biển tác động lên mặt kè biến thiên mạnh mẽ theo các mốc thời gian t từ 0,05 giây đến 2,0 giây. Giá trị áp lực thủy động đạt đỉnh cực đại tại thời điểm t = 1,45 giây đến 1,50 giây khi mũi sóng đánh trực tiếp vào phần giữa mái dốc, tạo ra áp suất va đập lên tới 45 kPa. Tại các vị trí đỉnh tường kè ở cao trình +4,0 m, áp suất sóng giảm mạnh hơn 60% so với khu vực chân mái kè do năng lượng sóng đã tiêu hao đáng kể trong quá trình leo dốc.

Về phản ứng chuyển vị, toàn bộ 44 cấu kiện bê tông tự chèn D27CM làm việc đồng bộ và ổn định. Chuyển vị lớn nhất của kết cấu tập trung tại khu vực tiếp giáp giữa mái nghiêng và chân khay ống buy, với độ võng đàn hồi tối đa ghi nhận chỉ đạt 2,8 mm ở thời điểm 1,5 giây. Nhờ cấu tạo ngàm tự chèn 3 chiều, hiện tượng xô lệch hoặc bật trượt cục bộ giữa các viên bê tông đã giảm hơn 42% so với kết cấu tấm lát bê tông phẳng thông thường.

Trường ứng suất tương đương von-Mises phân bố tập trung chủ yếu tại các điểm tỳ ngàm cấu kiện và khối chân khay bệ chìm, đạt giá trị ứng suất cực đại 12,4 MPa. Giá trị này thấp hơn nhiều so với cường độ chịu nén tính toán 25 MPa của bê tông mác M250, mang lại hệ số an toàn kết cấu đạt 1,85. Hiệu suất tiêu giảm sóng phản xạ của mái nghiêng D27CM đạt trên 35%, giúp hạn chế tối đa nguy cơ xói chân công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp kết cấu kè mái nghiêng Tân Thành duy trì độ ổn định cao dưới tác động của sóng cấp 7 nằm ở cơ chế truyền lực linh hoạt của cấu kiện D27CM. Khi nền đất xuất hiện hiện tượng lún không đều, ngàm khóa mềm cho phép các cấu kiện võng nhẹ theo mặt nền mà không phá vỡ liên kết mảng, triệt tiêu hoàn toàn khe hở tiếp giáp. Đồng thời, tầng đệm đá dăm 1x2 dày 15 cm cùng vải lọc TS 65 phát huy tối đa khả năng thoát nước ngược, ngăn chặn hiện tượng áp lực đẩy nổi phá hoại mảng kè.

So sánh với các nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý của Nguyễn Viết Tiến và cộng sự năm 2013 hoặc công trình đê trụ rỗng Cà Mau của Viện Thủy công, phương pháp mô phỏng số FSI cho thấy mức độ tương đồng kết quả biến dạng và ứng suất với sai số dưới 5%. Khi trình bày trên đồ thị phân bố áp suất theo chuỗi thời gian 5 mốc quan sát và biểu đồ đường đẳng mức ứng suất von-Mises, kỹ sư có thể nhận diện trực quan vị trí xung yếu nhất tại cao trình -0,8 m để gia cường cục bộ, khắc phục nhược điểm tính toán tĩnh truyền thống vốn bỏ qua lực quán tính quá độ của sóng.

Đề xuất và khuyến nghị

Áp dụng phương pháp mô phỏng số tương tác rắn lỏng một chiều vào quy trình lập dự án và thẩm định thiết kế các tuyến kè bảo vệ đê biển xung yếu tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Mục tiêu cần đạt là rút ngắn 40% thời gian tính toán thủy lực và kiểm soát chính xác tải trọng va đập của sóng. Kế hoạch triển khai thực hiện trong giai đoạn từ năm 2020 đến năm 2022 do Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Công trình Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn các tỉnh ven biển chủ trì.

Chuẩn hóa quy trình sản xuất và thi công lắp ghép khối bê tông tự chèn D27CM mác M250 kết hợp hệ thống vải địa kỹ thuật TS 65 và lớp đệm đá dăm dày 15 cm. Target metric đặt ra là đảm bảo độ sai lệch lắp ghép bề mặt dưới 3 mm, nâng cao độ bền công trình lên trên 30 năm trước môi trường xâm thực mặn. Đơn vị thi công và tư vấn giám sát cần hoàn thiện quy trình kiểm tra chất lượng định kỳ 6 tháng một lần bắt đầu từ năm 2021.

Xây dựng mạng lưới trạm quan trắc tự động theo dõi chuyển vị và áp lực sóng tại 5 phân đoạn kè trọng điểm dọc 32 km bờ biển Gò Công Đông. Mục tiêu là phát hiện sớm 100% hiện tượng sụt lún nền móng hoặc xói ngầm trước mùa gió Đông Bắc hàng năm. Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Tiền Giang cần phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành hoàn thành lắp đặt thiết bị trong giai đoạn 2022-2024.

Tối ưu hóa kết cấu chân kè bệ chìm sử dụng hàng ống buy bát giác đường kính 150 cm kết hợp lăng thể đá đổ ngoài mép nước nhằm nâng cao hệ số ổn định trượt tổng thể lên trên 2,0. Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam cùng các doanh nghiệp tư vấn xây dựng công trình thủy cần hoàn thiện bộ bản vẽ thiết kế điển hình vào quý 4 năm 2023.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và công trình ven biển là nhóm thụ hưởng trực tiếp. Họ có thể khai thác toàn bộ quy trình thiết lập bài toán tương tác rắn lỏng FSI trên phần mềm ANSYS Workbench để tính toán tải trọng sóng động và ứng suất kết cấu cho các dự án kè biển tương tự.

Cán bộ quản lý đê điều và phòng chống thiên tai tại các địa phương ven biển, đặc biệt là khu vực Tiền Giang, Bến Tre và Cà Mau. Luận văn cung cấp bức tranh chi tiết về cơ chế tác động của gió mùa Đông Bắc cấp 7 và diễn biến xói lở, hỗ trợ lập phương án phân bổ ngân sách duy tu và gia cố đê điều hiệu quả.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Cơ học kỹ thuật và Kỹ thuật tài nguyên nước. Tài liệu đóng vai trò là một case study mẫu mực về ứng dụng tích hợp phương pháp thể tích hữu hạn FVM và phương pháp phần tử hữu hạn FEM trong việc giải quyết các bài toán biên phức tạp.

Doanh nghiệp sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn và nhà thầu xây lắp công trình thủy lợi. Các thông số kích thước hình học, độ bền uốn nén của cấu kiện D27CM và biện pháp thi công chân khay bệ chìm trong luận văn là cơ sở quan trọng để tối ưu hóa dây chuyền đúc khuôn và biện pháp tổ chức thi công ngoài hiện trường.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn mô hình tương tác rắn lỏng 1 chiều thay vì 2 chiều? Kết cấu kè bê tông tự chèn D27CM có độ cứng vật liệu rất cao với mô đun đàn hồi 30 GPa, chuyển vị tối đa đo được chỉ 2,8 mm nên không làm biến dạng đáng kể miền lưu chất của sóng biển. Lựa chọn mô hình 1 chiều giúp tiết kiệm hơn 60% thời gian tính toán trên máy tính mà vẫn duy trì độ chính xác đạt trên 95% so với mô hình thực tế.

Cấu kiện bê tông tự chèn D27CM có ưu điểm gì vượt trội so với tấm bê tông phẳng truyền thống? Khối bê tông D27CM dày 27 cm nặng 95,5 kg được thiết kế ngàm liên kết 3 chiều tạo thành mảng khóa mềm tự thích ứng với độ lún của nền đất. Khi chịu sóng va đập 45 kPa, cấu kiện không bị trượt hay xoay lật, triệt tiêu khe hở mặt tiếp giáp và giảm thiểu trên 80% nguy cơ xói ngầm lớp đất đắp bên dưới.

Đặc tính sóng biển tại Gò Công trong mùa gió Đông Bắc nguy hiểm như thế nào? Theo số liệu quan trắc khí hậu, gió mùa Đông Bắc cấp 7 tác động trực tiếp vào bờ biển hướng Bắc Nam của Gò Công Đông, tạo ra sóng ven bờ cao từ 0,7 m đến 1,2 m. Áp lực va đập của đợt sóng này lớn gấp 3 lần so với sóng mùa gió Tây Nam, là nguyên nhân chính gây mất 250 m rừng phòng hộ trong 21 năm.

Lớp đệm đá dăm 15 cm và vải địa kỹ thuật TS 65 đóng vai trò gì dưới mái kè? Lớp đá dăm 1x2 dày 15 cm kết hợp vải lọc TS 65 đóng vai trò tầng lọc ngược tiêu tán áp lực nước kẽ rỗng sau mỗi đợt sóng rút. Hệ thống này giữ lại toàn bộ hạt đất sét mịn của thân đê, ngăn ngừa hiện tượng rửa trôi cơ học và tăng độ ổn định động học cho toàn bộ mái dốc m = 4.

Làm thế nào để ứng dụng mô hình số này cho các vùng bờ biển có điều kiện địa chất khác? Các kỹ sư chỉ cần thay đổi thông số đầu vào trong mô đun ANSYS gồm vận tốc sóng, chiều cao sóng thiết kế từ 0,5 m đến 1,5 m và hệ số nền đất đặc trưng của từng địa phương như Bến Tre hay Trà Vinh. Quy trình chia lưới 0,05 m và thuật toán truyền dữ liệu FSI hoàn toàn có thể tái sử dụng nguyên vẹn.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình số 2 chiều mô phỏng chính xác tương tác rắn lỏng giữa sóng biển và kè bảo vệ mái đê biển Tân Thành, huyện Gò Công Đông.
• Xác định trường áp suất sóng cực đại đạt 45 kPa tại thời điểm 1,45 giây dưới điều kiện gió mùa Đông Bắc cấp 7 với chiều cao sóng ven bờ từ 0,7 m đến 1,2 m.
• Chứng minh tính ổn định vượt trội của 44 cấu kiện tự chèn D27CM với chuyển vị đàn hồi cực đại chỉ 2,8 mm và ứng suất von-Mises tối đa 12,4 MPa, đảm bảo hệ số an toàn 1,85.
• Khẳng định giải pháp kết cấu chân khay bệ chìm đặt ở cao trình từ -0,8 m đến -2,45 m kết hợp hàng ống buy 150 cm tạo điểm tựa vững chắc cho toàn bộ mái dốc m = 4.
• Đóng góp quy trình tính toán số hóa tiên tiến, giúp tiết kiệm trên 50% chi phí thử nghiệm thực nghiệm và mở ra hướng ứng dụng rộng rãi cho công trình đê kè biển Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2025-2030 là mở rộng bài toán mô phỏng 3 chiều toàn diện có xét đến kịch bản nước biển dâng do biến đổi khí hậu toàn cầu. Quý bạn đọc, kỹ sư và nhà quản lý hãy áp dụng ngay các giải pháp mô phỏng số chuyên sâu này để nâng cao chất lượng thiết kế và bảo vệ vững chắc hệ thống đê biển trước thiên tai!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Giới thiệu đề tài Trong hàng chục năm trở lại đây, trên khắp thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng, hiện tượng xói lở bờ biển đã trở thành vấn đề rất nghiêm trọng và cấp thiết hơn hẳn so với bồi tụ và được nhiều tổ chức khoa học và các nhà khoa học quan tâm. Xói lở bờ biển đã trở thành một trong những hiện tưọng thiên nhiên đe dọa khủng khiếp đến các cộng đồng dân cư và các hệ sinh thái ven bờ (đất ngập nước ven biển, cỏ biển, rạn san hô, rừng ngập mặn, v. Hiện nay, xói lở bờ biển đã và đang xảy ra trên hầu hết các đoạn bờ biển cấu tạo do trầm tích bở rời, chưa được gắn kết như: cuội, sỏi, cát, bột-sét.

Lở đất tử thần ngày 22/3/2014 ở tiểu bang Oso, Mỹ làm 43 người chết, 10 người bị thương, hơn 50 ngôi nhà bị phá hủy. Các phương pháp chống xói lở bờ biển 1. Rừng phòng hộ ven biển Rừng phòng hộ ven biển được xây dựng và phát triển phục vụ mục đích ngăn cản sóng, chống sạt lở, bảo vệ các công trình ven biển, tăng độ bồi tụ phù sa, mở rộng diện 2 tích bãi bồi ra biển, hạn chế xâm nhập mặn, bảo vệ và phát triển nguồn lợi thủy sản. Trên thế giới và ở Việt Nam, rừng phòng hộ ven biển phần lớn là rừng ngập mặn.Rừng phòng hộ ở bãi biển Tân Thành – Gò Công (Tiền Giang).

Xây dựng đê/kè biển 1. Đê biển Đê biển là rào cản hoặc tường vuông góc với bờ biển, thường được làm bằng bê tông, đá hoặc gỗ. Vật liệu được xây dựng trên phần hạ lưu, nơi mà sự dao động bờ biển chủ yếu theo một hướng, tạo ra bãi biển rộng và dồi dào hơn, do đó bảo vệ bờ biển. Đê biển không bảo vệ bãi biển chống lại các đợt sóng gây ra bởi bão và nếu đặt quá gần nhau tạo ra dòng chảy mang vật liệu ngoài khơi.

Đê biển mang lại hiệu quả về chi phí, đòi hỏi ít bảo trì và là một trong những biện pháp phòng chống bờ biển phổ biến nhất. Đê biển khổng lồ ở Hà Lan. Một đoạn đê chắn biển ở bờ biển Tân Thành – Tiền Giang. Kè mềm (Soft Rock) Hình 1.5 Một đoạn kè mềm.

[nguồn: internet] Kết cấu chính của hệ thống kè mềm là các bao địa kỹ thuật Soft Rock tạo thành từ các lớp vải địa kỹ thuật không dệt Terrafix hoặc Secutex được sản xuất tại Đức. Độ bền đặc biệt của các lớp vải không dệt giúp bao địa kỹ thuật Soft Rock có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt bên ngoài như địa hình không bằng phẳng, thủy triều, các loại tải trọng va đập. Với việc bổ sung thêm lớp bảo vệ, Soft Rock RS tăng cường khả năng kháng tia UV, tăng tính bền chắc của bao. Hệ lưới sợi được sản xuất theo phương thức dệt xuyên kim 3 phương, các sợi đan xen giúp giữ lại các hạt cốt liệu, đảm bảo hiệu suất lọc.

Ngoài ra, khả năng chống xói mòn sẽ tăng lên sau khi thảm thực vật được tạo thành trên bề mặt bao. Hình vẽ các loại kè mềm. [nguồn: internet] Công tác thi công kè mềm không quá phức tạp, vật liệu lấp đầy bao địa kỹ thuật Soft Rock có thể tận dụng nguồn đất cát có sẵn tại hiện trường. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí vận chuyển, chi phí vận liệụ, chi phí thi công, qua đó mang lại hiệu quả kinh tế cao cho toàn bộ công trình.

Kè bảo vệ mái nghiêng Để giảm thiểu nguy cơ xói lở, trong xây dựng người ta sử dụng kết cấu bảo vệ mái nghiêng được gọi là kè bảo vệ mái nghiêng (KBVMN). Kè có hai bộ phận chính chịu tác động trực tiếp của sóng và dòng chảy là thân kè và chân kè. Trong nhiều năm nay Việt Nam đã sử dụng công nghệ truyền thống, nghiên cứu sáng chế và ứng dụng nhiều công nghệ nước ngoài nên hiện nay kết cấu kè này tồn tại ở nước ta tương đối phong phú và đa dạng. Mặt cắt ngang kè.

[nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và PTNT Tiền Giang] Độ dốc phía biển thông thường có hệ số mái nghiêng m = cotg 𝛼> 1. Thân kè chủ yếu được đắp bằng đất, trên nó có lớp gia cố. Lớp gia cố có rất nhiều loại: đá lát khan, đá xây, đá đổ, tấm bê tông đúc sẵn, xi măng,… Ngoài ra kè chắn sóng mái nghiêng còn ứng dụng nhiều cấu kiện tự chèn liên kết chặt chẽ nhằm tiêu hao năng lượng sóng và giảm ứng suất trên kè.  Ưu điểm: Đặc điểm của kè mái nghiêng là độ dốc mái phía biển tương đối thoải, tính ổn định tốt, phản xạ sóng trước đê ít, đáy đê rộng, ứng suất phân bố đều trên đất nền.

Trong quá trình xây dựng có thể tận dụng được vật liệu dễ kiếm tại địa phương. Do kích thước lớn nên độ ổn định của công trình tốt, có thể thích ứng với hầu hết các địa hình.  Nhược điểm: Tốn nhiều vật liệu, thời gian trong quá trình xây dựng và không thể tận dụng mép ngoài bờ kè để neo đậu tàu. Cấu kiện tự chèn Cấu kiện bê tông tự chèn gia cố nền công trình kè luôn được che kín chống lại mọi tác động xâm thực gây mất ổn định cho công trình, hấp thụ năng lượng sóng, giảm tải trọng tác động lên kè.

Các kích thước hình học được tham khảo trong bản thiết kếLiên tiếp hai năm 2005 và 2006, bão đã đổ bộ trực tiếp vào Thanh Hóa và Nam Định với cấp độ lớn hơn cấp độ thiết kế, đê biển bị tràn, kè bảo vệ mái nghiêng bị hư 7 hỏng, có kè bị phá hủy hoàn toàn. Trên cùng đoạn đê được sử dụng nhiều loại kết cấu thì kết cấu kè bằng các cấu kiện bê tông tự chèn có mức độ hư hỏng ít hơn so với các hình thức kết cấu khác. Chi tiết cấu kiện BT tự chèn D27CM. [nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và PTNT Tiền Giang] Nhờ kiểu dáng và khả năng tạo liên kết của ngàm cấu kiện, chân cấu kiện sau khi gài hoàn toàn vào trong ngàm cấu kiện thì ngoài khả năng tạo ra liên kết gài tự chèn ba chiều trong mảng bê tông, ngàm cấu kiện còn có tác dụng như một khóa mềm khóa chân cấu kiện, triệt tiêu hoàn toàn chuyển vị đứng gây trượt theo các mặt bên và chuyển vị xoay của cấu kiện, hướng chuyển vị tự do duy nhất của cấu kiện là hướng về phía mặt phẳng nền công trình.

Vì vậy, khi nền công trình bị lún hay biến dạng cục bộ võng xuống thì các cấu kiện cũng chuyển vị theo và mảng bê tông lắp ghép cũng biến dạng mềm tương ứng theo mặt nền, hiện tượng trượt và xoay theo mặt bên của cấu kiện tạo ra khe hở tại các mặt bên tiếp giáp bị triệt tiêu hoàn toàn, nói cách khác là liên kết gài tự chèn ba chiều trong mảng bê tông lắp ghép không bị phá hủy, nền công trình luôn được che kín chống lại mọi tác động xâm thực gây mất ổn định cho công trình. 8 Hình 1Error! No text of specified style in document. Chi tiết lắp ghép. Mặt trên của lớp cấu kiện.

Tình hình xói lở ở bờ sông, bờ biển gò Công – Tân Thành, Tiền Giang Bờ sông, bờ biển là những khu vực thường xuyên chịu tác động của dòng chảy, sóng biển, các cơn bão. Chính những yếu tố thiên nhiên này là nguyên nhân chính gây ra xói lở và dẫn đến thảm hoạ cho người dân sống ven bờ. Trong những năm gần đây, 9 tình trạng xói lở bờ ở các khu vực bờ biển Việt Nam, đặc biệt là các tỉnh miền Tây Nam Bộ, rất lớn và ngày càng gia tăng. Điều này dẫn đến sự phá hủy và làm mất dần các cồn cát ven biển, diện tích rừng phòng hộ.

Các khu vực thấp bên trong bị biển lấn sâu vào gây ra tình trạng lũ lụt đe doạ an toàn các công trình hạ tầng cơ sở và ảnh hưởng đến đời sống xã hội của người dân. Hàng năm nhà nước phải bỏ ra một khoản kinh phí vô cùng lớn để khắc phục hậu quả do xói lở cũng như nâng cấp hệ thống đê biển, nhằm tăng khả năng chịu đựng được những tác động của sóng biển và gió bão ngày một gia tăng. Xói lở ở bờ biển Việt Nam. [nguồn: internet] Gò Công Đông là một huyện duyên hải phía Đông tỉnh Tiền Giang, với đường bờ biển dài 32km tính từ cửa Soài Rạp đến cửa Tiểu.

Và rừng ngập mặn ven biển là yếu tố quan trọngcủa huyện, với 2065 ha rừng phòng hộ là nguồn dự trữ sinh quyển cũng như là nơi trú ẩn, sinh sôi của hơn 300 giống loài thủy sản, cũng là tuyến bảo vệ sản xuất và cuộc sốngnhân dân địa phương. Tuy nhiên, nhiều năm qua tình trạng rừng ngập mặn chết và bị xâm thực mãnh liệt tại bờ biển Gò Công Đông diễn ra ngày một nghiêm trọng bởi nhiều lý do, như: hậu quả tàn phá do chất độc dioxin trong chiến tranh (1969-1972); chặt phá rừng phục vụ cho nông nghiệp, nuôi trồng thuỷ sản, hoạt động kinh tế của người dân. Bờ biển gò Công Đông – Tân Thành. Bờ biển Gò Công Đông có hướng Bắc Nam, nên hàng năm phải đón chịu những thiệt hại của sóng gió.

Hậu quả là rừng ngập mặn phòng hộ ven biển nơi đây ngày càng mỏng dần, và có thể biến mất hoàn toàn, đe doạ đến sự sống của con người và các loài thuỷ sinh. Chính quyền địa phương đã có chiến lược trồng lại rừng nhưng vẫn không thành công. Yếu tố gây xói lở:  Vật liệu cấu tạo bờ và hướng bờ.  Hoạt động của sóng.

 Hoạt động của thủy triều  Hoạt động của người dân. Từ năm 1998 đến nay rừng phòng hộ ven biển Gò Công được phục hồi, tuy nhiên diện tích rừng vẫn giảm. Trong những năm qua, mặc dù tỉnh đã trồng thên 177 ha rừng nhưng lại có 200 ha rừng “biến mất”, rừng phòng hộ cũng đang bị đe dọa và có nguy cơ bị phá hủy nếu không có những biện pháp hữu hiệu trong tương lai. Tại vị trí làm kè mới, rừng phòng hộ bị suy giảm nghiêm trọng; chỉ trong thời gian 21 năm (từ 1989 – 2010) chiều dày rừng giảm 250 m, trung bình 12m/năm, chiều ngang rừng còn lại lớn nhất là 120 m, nhiều đoạn mất rừng phòng hộ.

Vì vậy xây dựng kè để bảo vệ đê biển là hết sức cần thiết và cấp bách để đối phó với sự xâm thực bờ 11 biển và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Trước khi triển khai các phương án xây dựng thì việc tiến hành thử nghiệm là không thể thiếu. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến kinh phí cao và thời gian thực hiện lâu.