Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài hơn 3.200 km, trải dài qua nhiều vùng có đặc điểm địa chất, địa mạo và chế độ thủy triều đa dạng. Khu vực ven biển, đặc biệt là huyện đảo Cát Hải thuộc thành phố Hải Phòng, có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng và an ninh. Tuy nhiên, khu vực này thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề của thiên tai như bão, lũ với tần suất trung bình từ 6 đến 8 trận bão mỗi năm, cùng với xu thế biến đổi khí hậu làm mực nước biển dâng cao, gây ra hiện tượng sóng biển mạnh, sóng tràn và xói lở bờ biển nghiêm trọng.

Hệ thống đê biển hiện tại tại Cát Hải, đặc biệt đoạn Gót - Gia Lộc dài khoảng 3 km, chủ yếu được xây dựng bằng đá hộc với kết cấu mái kè nhỏ, thường xuyên bị xói mòn và hư hỏng sau các đợt bão. Việc nâng cấp, cải tạo đê biển nhằm gia tăng ổn định và giảm sóng tràn là cấp thiết để bảo vệ an toàn tính mạng, tài sản người dân và phát triển kinh tế khu vực. Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất thiết kế mặt cắt ngang hợp lý cho đê đá đổ khu vực Cát Hải nhằm giảm thiểu tác động của sóng leo, sóng tràn, đồng thời gia tăng độ ổn định công trình trong điều kiện sóng bão và biến đổi khí hậu.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn đê biển Gót - Gia Lộc, huyện đảo Cát Hải, thành phố Hải Phòng, với dữ liệu thu thập từ các đợt khảo sát thực địa, mô hình toán và mô hình vật lý trong giai đoạn từ năm 2011 đến 2014. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả bảo vệ bờ biển, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai, đồng thời góp phần phát triển bền vững khu vực ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về tương tác sóng - công trình biển, bao gồm:

  • Mô hình toán IH2-VOF: Mô hình sóng số dựa trên hệ phương trình Navier-Stokes 2 chiều đứng (2DV-RANS) kết hợp phương trình vận chuyển thể tích (VOF) để mô phỏng tương tác sóng với công trình biển có cấu trúc xốp hoặc đặc. Mô hình này cho phép mô phỏng trường dòng chảy, áp lực sóng, sóng leo và sóng tràn qua đê biển với độ chính xác cao.

  • Hệ phương trình VARANS: Mô hình trung bình thể tích cổ thể xếp rỗng dùng để mô phỏng dòng chảy qua môi trường xốp như lõi đê đá đổ, kết cấu lăng thể Tetrapod.

  • Khái niệm sóng leo và sóng tràn: Sóng leo là hiện tượng sóng dâng cao trên mái đê, còn sóng tràn là sóng vượt qua đỉnh đê gây ngập lụt phía sau đê. Việc giảm thiểu hai hiện tượng này là mục tiêu chính trong thiết kế đê biển.

  • Giải pháp giảm tải trọng sóng: Bao gồm các biện pháp tôn tạo bãi biển, trồng rừng ngập mặn, xây dựng đê chắn sóng xa bờ, sử dụng lăng thể Tetrapod giảm sóng trước đê, và các kết cấu tiêu năng hấp thụ năng lượng sóng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp truyền thống và hiện đại:

  • Tổng hợp và phân tích tài liệu: Thu thập, tổng hợp các kết quả nghiên cứu trước đây về kỹ thuật biển, đê biển, sóng leo, sóng tràn và các giải pháp giảm tải trọng sóng.

  • Khảo sát thực địa: Thu thập số liệu địa hình, địa chất, thủy văn, khí tượng và hiện trạng đê biển đoạn Gót - Gia Lộc.

  • Mô hình toán IH2-VOF: Xây dựng mô hình số mô phỏng tương tác sóng với đê đá đổ và lăng thể Tetrapod, kiểm định và hiệu chỉnh mô hình dựa trên số liệu thí nghiệm vật lý tại Đại học Cantabria, Tây Ban Nha.

  • Thí nghiệm mô hình vật lý: Sử dụng mô hình sóng dài 24 m, rộng 0,6 m, sâu 0,8 m để kiểm tra hiệu quả các phương án thiết kế mặt cắt ngang đê và vị trí đặt lăng thể Tetrapod.

  • Phân tích số liệu: Đánh giá lưu lượng sóng tràn, vận tốc dòng chảy, áp lực sóng tác động lên công trình, so sánh các kịch bản thiết kế để lựa chọn phương án tối ưu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2011-2014, bao gồm khảo sát hiện trường, xây dựng mô hình, thí nghiệm vật lý, phân tích kết quả và đề xuất thiết kế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng đê biển đoạn Gót - Gia Lộc: Đoạn đê dài 3.100 m, kết cấu đá hộc với cao trình mặt đê từ +3,7 đến +4,5 m, thường xuyên bị xói mòn do kích thước đá nhỏ và tác động mạnh của sóng, triều cường. Sau bão số 2 năm 2013, nhiều đoạn đê bị hư hỏng nghiêm trọng, đặc biệt là các đoạn chưa được gia cố mái kè bằng cấu kiện Holhquader.

  2. Hiệu quả của lăng thể Tetrapod giảm sóng: Mô hình toán và thí nghiệm vật lý cho thấy vị trí đặt lăng thể Tetrapod cách chân đê từ 5 đến 10 m là tối ưu, giúp giảm lưu lượng sóng tràn qua đê xuống dưới 10 Vslm, đồng thời giảm vận tốc dòng chảy trên mái đê, tăng độ ổn định công trình.

  3. Đề xuất dạng mặt cắt ngang hợp lý: Sử dụng kết cấu đá hộc lớn, mái kè nghiêng với lớp bảo vệ bằng cỏ thân thiện môi trường, kết hợp lăng thể Tetrapod phía trước chân đê và tường đỉnh đê để giảm sóng tràn. Thiết kế này tận dụng hiện trạng đê hiện có, giảm khối lượng vật liệu xây dựng khoảng 15-20% so với phương án đắp mới hoàn toàn.

  4. Mô hình IH2-VOF có độ tin cậy cao: Sai số so với số liệu thực đo mực nước và phổ sóng dưới 9%, mô hình mô phỏng chính xác trường dòng chảy, áp lực sóng và lưu lượng sóng tràn qua đê, phù hợp để ứng dụng trong thiết kế đê biển khu vực Cát Hải.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp lăng thể Tetrapod giảm sóng phía trước đê và thiết kế mặt cắt ngang hợp lý là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu tác động của sóng leo và sóng tràn. So với các nghiên cứu trước đây về đê biển tại các vùng ven biển khác của Việt Nam, phương án này có ưu điểm là tận dụng được kết cấu hiện trạng, giảm chi phí xây dựng và thời gian thi công.

Việc sử dụng mô hình toán IH2-VOF kết hợp với thí nghiệm vật lý giúp đánh giá chính xác các thông số thủy lực và cơ học, từ đó tối ưu hóa thiết kế. Các biểu đồ lưu lượng sóng tràn theo vị trí lăng thể Tetrapod và áp lực sóng lên mái đê minh họa rõ hiệu quả giảm tải trọng sóng khi áp dụng giải pháp này.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra hạn chế về cao trình đỉnh đê hiện tại còn thấp so với điều kiện sóng thiết kế trong tương lai khi biến đổi khí hậu tiếp tục diễn ra, do đó cần có kế hoạch nâng cấp tiếp theo để đảm bảo an toàn lâu dài.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng lăng thể Tetrapod giảm sóng phía trước chân đê: Đặt lăng thể cách chân đê từ 5 đến 10 m để tối ưu hiệu quả giảm sóng tràn, giảm lưu lượng sóng tràn xuống dưới 10 Vslm. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hải Phòng phối hợp với Trung tâm Tư vấn và Chuyển giao Công nghệ Thủy lợi.

  2. Thiết kế và thi công mặt cắt ngang đê đá đổ hợp lý: Sử dụng đá hộc lớn, mái kè nghiêng với lớp bảo vệ bằng cỏ để giảm sóng leo và xói mòn, đồng thời tận dụng kết cấu hiện trạng để giảm chi phí. Thời gian thi công dự kiến 2 năm, chủ thể là Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng công trình thủy lợi Hải Phòng.

  3. Gia cố tường đỉnh đê và thềm trước tường: Xây dựng tường đỉnh đê cao từ +4,5 đến +5,0 m kết hợp thềm trước tường để hạn chế sóng tràn và tăng độ ổn định tổng thể. Thời gian thực hiện 1 năm, chủ thể là đơn vị thi công chuyên ngành.

  4. Theo dõi, bảo trì và nâng cấp định kỳ: Thiết lập hệ thống quan trắc sóng, mực nước và hiện trạng đê để kịp thời phát hiện hư hỏng, tổn thất sau bão, từ đó có kế hoạch bảo trì và nâng cấp phù hợp. Chủ thể là Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hải Phòng phối hợp với các đơn vị nghiên cứu.

  5. Nghiên cứu nâng cao cao trình đỉnh đê trong dài hạn: Để ứng phó với biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng, cần nghiên cứu nâng cao cao trình đỉnh đê lên mức phù hợp với bão cấp 12 trong vòng 10-15 năm tới. Chủ thể là các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý nhà nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Giúp hiểu rõ về các giải pháp kỹ thuật và hiệu quả kinh tế trong bảo vệ đê biển, từ đó xây dựng chính sách phát triển bền vững vùng ven biển.

  2. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi, đê biển: Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp thiết kế mặt cắt ngang đê biển hợp lý, ứng dụng mô hình toán hiện đại trong tính toán tương tác sóng - công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy lợi, kỹ thuật biển: Là tài liệu tham khảo về mô hình toán IH2-VOF, phương pháp mô phỏng sóng tràn và các giải pháp giảm tải trọng sóng.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và nhà tài trợ dự án phát triển bền vững ven biển: Hiểu rõ các giải pháp kỹ thuật thân thiện môi trường, hiệu quả kinh tế để hỗ trợ các dự án bảo vệ bờ biển và ứng phó biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần thiết kế mặt cắt ngang đê biển hợp lý?
    Mặt cắt ngang đê biển ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu sóng, sóng leo và sóng tràn. Thiết kế hợp lý giúp giảm thiểu tác động sóng, tăng độ ổn định công trình và giảm chi phí bảo trì. Ví dụ, sử dụng mái kè nghiêng và lăng thể Tetrapod giúp giảm sóng tràn hiệu quả.

  2. Mô hình IH2-VOF có ưu điểm gì trong nghiên cứu đê biển?
    Mô hình IH2-VOF mô phỏng chính xác tương tác sóng với công trình có cấu trúc xốp hoặc đặc, cho phép tính toán trường dòng chảy, áp lực sóng và lưu lượng sóng tràn. Sai số so với thực đo dưới 9%, phù hợp cho thiết kế kỹ thuật.

  3. Lăng thể Tetrapod hoạt động như thế nào trong giảm sóng?
    Lăng thể Tetrapod đặt trước chân đê làm tiêu tán năng lượng sóng, giảm vận tốc sóng leo và lưu lượng sóng tràn qua đê. Vị trí đặt cách chân đê 5-10 m được xác định là tối ưu qua mô hình toán và thí nghiệm vật lý.

  4. Giải pháp nào thân thiện với môi trường trong bảo vệ đê biển?
    Ngoài kết cấu đá hộc và bê tông, việc trồng cỏ trên mái đê và duy trì rừng ngập mặn ven biển giúp giảm sóng tự nhiên, hạn chế xói lở và tăng đa dạng sinh học. Ví dụ, rừng ngập mặn tại Cà Mau giúp giảm 60% năng lượng sóng.

  5. Làm thế nào để ứng phó với biến đổi khí hậu trong thiết kế đê biển?
    Cần nâng cao cao trình đỉnh đê, sử dụng vật liệu và kết cấu chịu lực tốt hơn, đồng thời áp dụng mô hình toán để dự báo tác động sóng trong điều kiện mực nước biển dâng. Kế hoạch nâng cấp định kỳ và quan trắc liên tục cũng rất quan trọng.

Kết luận

  • Đê biển đoạn Gót - Gia Lộc, Cát Hải hiện trạng đá hộc nhỏ, thường xuyên bị xói mòn và hư hỏng sau bão, cần cải tạo để tăng ổn định và giảm sóng tràn.
  • Giải pháp tối ưu là kết hợp mặt cắt ngang đê đá đổ hợp lý với lăng thể Tetrapod giảm sóng phía trước chân đê và tường đỉnh đê.
  • Mô hình toán IH2-VOF được kiểm định và hiệu chỉnh cho kết quả tin cậy, hỗ trợ thiết kế kỹ thuật chính xác.
  • Đề xuất các giải pháp thi công, bảo trì và nâng cấp phù hợp với điều kiện địa phương và biến đổi khí hậu.
  • Khuyến nghị các cơ quan quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu ứng dụng kết quả để phát triển bền vững hệ thống đê biển khu vực ven biển Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Triển khai xây dựng lăng thể Tetrapod và gia cố mặt cắt ngang đê theo đề xuất trong vòng 1-2 năm, đồng thời thiết lập hệ thống quan trắc và nghiên cứu nâng cao cao trình đê trong dài hạn.