Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hơn 3.260 km bờ biển, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế biển nhưng cũng đồng thời đối mặt với nhiều nguy cơ như xói mòn, xâm thực, sóng thần và bão lũ. Trong những năm gần đây, hệ thống đê biển, đê chắn sóng và tường kè biển đã được đầu tư xây dựng và cải tạo nhằm bảo vệ các công trình ven biển, đặc biệt là các cảng biển. Tuy nhiên, trong quá trình thi công, nhiều công trình đê chắn sóng đã gặp phải sự cố do sóng tràn qua, gây xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng đến tiến độ và chất lượng công trình, cũng như gây thiệt hại kinh tế đáng kể.

Luận văn tập trung nghiên cứu cơ chế xói lở do sóng tràn qua đập phá sóng đang thi công, đồng thời đề xuất các giải pháp bảo vệ hiệu quả, với ứng dụng tính toán cụ thể cho công trình cảng Hòn La, Quảng Bình. Mục tiêu nghiên cứu bao gồm: phân tích cơ chế xói lở do sóng tràn qua mái đập phá sóng, nghiên cứu kết cấu mặt cắt ngang và bố trí vật liệu dọc tuyến đập hợp lý, đề xuất biện pháp khắc phục sự cố vỡ đê chắn sóng, và đưa ra các lưu ý trong thi công khi gặp sóng tràn qua đỉnh đập.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình đê chắn sóng cảng Hòn La trong giai đoạn thi công, sử dụng các công cụ mô phỏng thủy lực hiện đại như phần mềm MIKE 21 và Delft 3D để phân tích các thông số sóng, dòng chảy và xói lở. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thiết kế, thi công và vận hành các công trình đê chắn sóng, góp phần giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do sóng tràn gây ra, đồng thời bảo vệ an toàn cho các công trình cảng biển tại Việt Nam.

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 động lực sóng biển, cơ chế xói lở và ổn định kết cấu đê chắn sóng. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết truyền sóng và tác động sóng lên công trình ven biển: Bao gồm các khái niệm về sóng tràn, sóng leo, áp lực sóng đứng, sóng vỡ và sóng đổ. Lý thuyết này giúp phân tích các lực tác động lên đê chắn sóng trong quá trình sóng tràn qua đỉnh đê, từ đó xác định các yếu tố gây xói lở và phá hoại.

  2. Mô hình ổn định kết cấu đê chắn sóng: Áp dụng các công thức tính toán ổn định trượt, lật và chịu lực của các khối bê tông, đá gia cố trên mái đê. Mô hình Iribarren được sử dụng để đánh giá trạng thái cân bằng của lớp phủ mái đê dưới tác động sóng rút và sóng tràn.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: chiều cao sóng hiệu quả, lưu lượng dòng chảy tràn qua đỉnh đê, đường kính viên đá lớp phủ, hệ số ma sát, mômen chống lật và trượt, cũng như các loại kết cấu đê chắn sóng như đê mái nghiêng, đê tường đứng trọng lực và đê hỗn hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích lý thuyết kết hợp với mô phỏng số và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực tế từ công trình đê chắn sóng cảng Hòn La, các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn thiết kế và kết quả mô phỏng bằng phần mềm MIKE 21 và Delft 3D.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Dữ liệu thu thập từ các điểm trích xuất sóng, dòng chảy và xói lở trên tuyến đê chắn sóng tại cảng Hòn La, với khoảng 14 điểm đo sóng và 4 điểm đo lưu tốc dòng chảy.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình thủy lực MIKE 21 để mô phỏng phân bố chiều cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng và dòng chảy trong khu vực cảng. Công thức tính lưu lượng tràn qua đỉnh đê và lực tác động lên khối bê tông được áp dụng để đánh giá ổn định kết cấu. Phân tích so sánh các kết quả mô phỏng với hiện trạng thi công và sự cố thực tế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2012 đến 2014, tập trung vào phân tích sự cố sóng tràn trong quá trình thi công đê chắn sóng cảng Hòn La, đồng thời đề xuất giải pháp kỹ thuật và biện pháp thi công phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cơ chế xói lở do sóng tràn qua đê chắn sóng mái nghiêng: Kết quả mô phỏng cho thấy sóng tràn qua đỉnh đê tạo ra dòng chảy tràn với vận tốc lớn nhất lên đến 2,98 m/s tại mặt cắt 1, gây xói lở chân khay và lớp gia cố mái đê. Chiều cao lớp nước tràn tại khu vực B đạt 3,95 m, làm dịch chuyển các viên đá bảo vệ mái đê, dẫn đến mất ổn định lớp phủ.

  2. Ảnh hưởng của chiều cao sóng và lưu lượng tràn đến kích thước vật liệu: Phân tích mối quan hệ giữa chiều cao sóng, vận tốc dòng chảy tràn và đường kính viên đá cho thấy khi chiều cao sóng tăng từ 2,5 m lên 6,5 m, trọng lượng khối xếp cần tăng từ 25 tấn lên 100 tấn để đảm bảo ổn định. Lưu lượng tràn đơn vị trên đỉnh đê cũng tăng tương ứng, làm tăng nguy cơ xói lở.

  3. Phân bố dòng chảy và áp lực sóng trên đê chắn sóng: Mô hình phân bố dòng chảy cho thấy các vùng có áp lực sóng lớn tập trung tại chân đê và phần mái nghiêng phía biển, là những vị trí dễ bị phá hoại. Áp lực sóng tác động lên các khối bê tông dị hình đỉnh đê có thể gây trượt hoặc lật nếu không được thiết kế đúng kích thước và trọng lượng.

  4. Nguyên nhân sự cố vỡ đê chắn sóng cảng Hòn La: Sự cố xảy ra do sóng tràn qua đỉnh đê trong quá trình thi công, kết hợp với lớp gia cố mái không đủ trọng lượng và liên kết yếu, dẫn đến trượt lớp phủ và xói lở nền móng. Chiều cao đỉnh đê thấp hơn yêu cầu thiết kế, không ngăn được sóng tràn qua, làm tăng áp lực và dòng chảy tràn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của xói lở và phá hoại đê chắn sóng là do sóng tràn qua đỉnh đê tạo ra dòng chảy tràn với vận tốc cao, gây mất ổn định lớp phủ mái và nền móng. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm MIKE 21 và Delft 3D phù hợp với hiện trạng thi công và sự cố thực tế tại cảng Hòn La, chứng minh tính chính xác của phương pháp nghiên cứu.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, việc lựa chọn vật liệu và thiết kế kết cấu đê chắn sóng phải đảm bảo trọng lượng và kích thước phù hợp với chiều cao sóng và vận tốc dòng chảy tràn. Đê mái nghiêng tuy có ưu điểm tận dụng vật liệu địa phương và tiêu hao năng lượng sóng tốt, nhưng dễ bị mất ổn định cục bộ nếu lớp phủ không đủ chắc chắn.

Việc bố trí vật liệu dọc tuyến đê và chọn cao trình đỉnh đê theo quy phạm Nhật Bản giúp giảm thiểu sóng tràn qua, tăng độ ổn định công trình. Tuy nhiên, trong thực tế, biến đổi khí hậu và các yếu tố tự nhiên không tuân theo quy luật thống kê, nên cần có biện pháp dự phòng và khắc phục kịp thời khi xảy ra sự cố.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố chiều cao sóng, vận tốc dòng chảy tràn, áp lực sóng lên khối bê tông, cũng như bảng thống kê trọng lượng khối xếp theo chiều cao sóng để minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng trọng lượng và kích thước khối bê tông đỉnh đê: Đề xuất sử dụng khối bê tông có trọng lượng từ 60 đến 100 tấn tùy theo chiều cao sóng tính toán, nhằm đảm bảo ổn định trượt và lật. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và đơn vị thiết kế.

  2. Bố trí vật liệu lớp phủ và lớp lót hợp lý dọc tuyến đê: Sử dụng đá có đường kính phù hợp, tăng cường lớp đệm đá dưới nước để chống xói lở nền móng. Thực hiện kiểm tra định kỳ và bổ sung vật liệu khi cần thiết. Thời gian: liên tục trong quá trình thi công và vận hành, chủ thể: đơn vị quản lý công trình.

  3. Nâng cao cao trình đỉnh đê chắn sóng: Áp dụng quy phạm Nhật Bản, lấy cao trình đỉnh đê bằng 0,6 đến 1,25 lần chiều cao sóng thiết kế trên mực nước cao nhất hàng tháng để hạn chế sóng tràn qua. Thời gian: trước khi hoàn thiện công trình, chủ thể: đơn vị thiết kế và thi công.

  4. Áp dụng công nghệ thi công hiện đại và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt: Sử dụng thiết bị đầm rung dưới nước để đầm chặt lớp đệm đá, kiểm soát kích thước và chất lượng vật liệu theo tiêu chuẩn. Thời gian: trong suốt quá trình thi công, chủ thể: nhà thầu thi công và giám sát.

  5. Xây dựng kế hoạch duy tu, bảo dưỡng định kỳ: Phát hiện và xử lý kịp thời các hư hỏng nhỏ để tránh phát triển thành sự cố lớn. Thời gian: hàng năm, chủ thể: đơn vị quản lý vận hành công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ven biển và cảng biển: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về cơ chế xói lở do sóng tràn, giúp thiết kế kết cấu đê chắn sóng phù hợp với điều kiện sóng và địa chất.

  2. Nhà thầu thi công công trình biển: Tham khảo các biện pháp thi công, bố trí vật liệu và công nghệ đầm chặt lớp đệm đá, từ đó nâng cao chất lượng thi công và giảm thiểu rủi ro sự cố.

  3. Chuyên gia quản lý và vận hành cảng biển: Hiểu rõ các nguyên nhân gây hư hỏng đê chắn sóng, từ đó xây dựng kế hoạch duy tu, bảo dưỡng và xử lý sự cố kịp thời, đảm bảo an toàn cho công trình.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật thủy lợi, công trình biển: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo về mô hình thủy lực, phương pháp tính toán và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong nghiên cứu công trình ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao sóng tràn qua đê chắn sóng lại gây xói lở nghiêm trọng?
    Sóng tràn qua đỉnh đê tạo ra dòng chảy tràn với vận tốc cao, làm mất ổn định lớp phủ mái và xói lở nền móng. Ví dụ tại cảng Hòn La, vận tốc dòng chảy tràn lên đến 2,98 m/s đã gây dịch chuyển đá bảo vệ mái đê.

  2. Làm thế nào để chọn kích thước vật liệu lớp phủ phù hợp?
    Kích thước vật liệu được xác định dựa trên chiều cao sóng và vận tốc dòng chảy tràn. Khi chiều cao sóng tăng, trọng lượng khối xếp cần tăng để đảm bảo ổn định, ví dụ từ 25 tấn cho sóng 2,5 m đến 100 tấn cho sóng 6,5 m.

  3. Phần mềm MIKE 21 có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    MIKE 21 được sử dụng để mô phỏng phân bố sóng, dòng chảy và áp lực sóng trong khu vực cảng, giúp đánh giá chính xác các thông số thủy lực và cơ chế xói lở, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế và thi công phù hợp.

  4. Tại sao cần chia đê chắn sóng thành các phân đoạn lún?
    Do nền đất không đồng đều và chiều cao lớp đệm đá khác nhau, phân đoạn lún giúp hạn chế lún không đều gây biến dạng kết cấu. Chiều dài phân đoạn thường từ 25 đến 45 m, khe lún không vượt quá 5 cm.

  5. Giải pháp nào hiệu quả để khắc phục sự cố vỡ đê chắn sóng trong thi công?
    Tăng trọng lượng và kích thước khối bê tông đỉnh, bố trí vật liệu lớp phủ hợp lý, nâng cao cao trình đỉnh đê và áp dụng công nghệ thi công hiện đại là các giải pháp hiệu quả. Đồng thời, cần duy tu bảo dưỡng định kỳ để phát hiện và xử lý kịp thời các hư hỏng nhỏ.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết cơ chế xói lở do sóng tràn qua đê chắn sóng mái nghiêng trong quá trình thi công, với ứng dụng thực tiễn tại cảng Hòn La, Quảng Bình.
  • Kết quả mô phỏng thủy lực và tính toán ổn định kết cấu cho thấy sóng tràn và dòng chảy tràn là nguyên nhân chính gây phá hoại lớp phủ và nền móng đê chắn sóng.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật bao gồm tăng trọng lượng khối bê tông đỉnh, bố trí vật liệu lớp phủ hợp lý, nâng cao cao trình đỉnh đê và áp dụng công nghệ thi công hiện đại nhằm nâng cao độ bền và ổn định công trình.
  • Nghiên cứu góp phần hoàn thiện phương pháp thiết kế và thi công đê chắn sóng, giảm thiểu rủi ro sự cố trong quá trình xây dựng và vận hành công trình ven biển.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất tại công trình thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng biến đổi khí hậu đến thiết kế đê chắn sóng trong tương lai.

Khuyến nghị: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý công trình ven biển nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và độ bền của đê chắn sóng, đồng thời tăng cường giám sát và bảo dưỡng định kỳ nhằm đảm bảo an toàn lâu dài cho các công trình cảng biển.