Chương 1 là tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới đê ngăn cát giảm sóng và đê dạng bản nghiêng trên nền cọc. Chương 2 luận án tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý thông qua các chỉ số tương tự mô hình, thảo luận các phương pháp đo đạc sóng phản xạ, phân tích cơ sở lựa chọn sóng thí nghiệm từ đó làm cơ sở xây dựng kịch bản nghiên cứu tương tác giữa sóng và đê bản nghiêng trên nền cọc trên mô hình vật lý máng sóng. Chương 3 luận án thảo luận chi tiết các đặc trưng về truyền sóng, phản xạ sóng, tiêu tán năng lượng sóng của đê bản nghiêng. Ngoài ra, luận án cũng đã thảo luận phân bố áp lực sóng trên bề mặt bản nghiêng và phân bố vận tốc cực đại do sóng gây ra ở khoảng hở giữa đê và đáy khi tương tác với đê.
Chương 4 luận án đã ứng dụng kết quả nghiên cứu ở chương 3 để đề xuất 2 dạng kết cấu đê bản nghiêng trên nền cọc dùng trong bảo vệ bể cảng, và công trình ổn định và bảo vệ bờ biển. Đã thiết kế cho một công trình ổn định và bảo vệ bờ biển ở xã Cảnh Dương, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ KẾT CẤU VÀ TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG VỚI CÔNG TRÌNH ĐÊ NGĂN CÁT GIẢM SÓNG 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về các giải pháp bảo vệ bờ biển 1.1 Giới thiệu chung Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nhiều nghiên cứu mới ứng dụng các thành tự khoa học công nghệ tiên tiến trong các ngành vật liệu, kết cấu để tăng cường hiệu quả bảo vệ bờ biển đã được tiến hành, thử nghiệm và đưa vào sử dụng rộng rãi, thay thế, bổ sung cho các giải pháp truyền thống. Một số ít trong đó đã được ứng dụng thử nghiệm ở Việt Nam.
Vì vậy việc nghiên cứu cập nhật, ứng dụng các công nghệ mới trong công trình bảo vệ bờ biển vào điều kiện thực tế ở Việt Nam là một yêu cầu cấp bách và có ý nghĩa thực tiễn cao. Các giải pháp công trình ngăn cát, giảm sóng thường dùng trong công trình bảo vệ bờ biển bao gồm (Hình 1.1): - Rừng cây ngập mặn; - Nuôi bãi nhân tạo; - Hệ thống mỏ hàn; - Hệ thống tường giảm sóng gần bờ (ngầm hoặc ngập); - Kết hợp nhiều giải pháp.1: Các loại dạng bố trí các tuyến đê ngăn cát giảm chắn sóng trong công trình bảo vệ bờ [1] 5 1.2 Kết cấu công trình bảo vệ bờ biển Phân loại theo kết cấu có các loại dưới đây: a. Kết cấu dạng mái nghiêng Kết cấu dạng mái nghiêng có cấu tạo gồm nhiều lớp, vật liệu lõi đê là đá hộc hỗn hợp, các lớp đệm phía dưới lớp phủ bằng đá hộc tuyển chọn, ngoài cùng là lớp phủ có chức năng phá sóng. Lớp phủ có thể là đá hộc tuyển chọn, các khối phá sóng như khối chữ nhật, haro, accropod, tetrapode, dolos, x-blox, core-loc,.
Đê dạng mái nghiêng có thể là mỏ hàn hoặc tường giảm sóng gần bờ, các loại kết cấu này đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở nước ta.2: Cấu tạo đê mái nghiêng Đê mái nghiêng có các ưu điểm sau: - Tận dụng được vật liệu địa phương; - Tiêu hao năng lượng sóng tốt, sóng phản xạ ít, nhất là khi mái nghiêng có độ nhám cao; 6 - Thế ổn định tổng thể khá vững chắc vì là các vật liệu rời. Nếu xảy ra mất ổn định cục bộ. Do đó đê mái nghiêng thích hợp với hầu hết các loại nền đất. - Cao trình đỉnh đê mái nghiêng thấp hơn so với đê tường đứng; - Công tác điều tra cơ bản nền đất ít tốn kém hơn (lỗ khoan thưa và nông); - Công nghệ thi công đơn giản có thể kết hợp hiện đại và thủ công.
Đê mái nghiêng có các nhược điểm sau: - Tốn vật liệu gấp hai, ba lần so với tường đứng ở cùng một độ sâu; - Tốc độ thi công chậm so với tường đứng ở cùng độ sâu. Mặc dù có các nhược điểm trên, đê chắn sóng mái nghiêng vẫn là giải pháp kết cấu thông dụng cho tất cả các nước. Ở Việt nam, kết cấu mái nghiêng có mặt tại rất nhiều công trình bảo vệ bờ. b) Kết cấu dạng tường đứng Kết cấu dạng tường đứng gồm 2 bộ phận cơ bản: kết cấu tường đứng và lớp đệm đá.
Kết cấu tường đứng là thùng chìm kích thước nhỏ (Hình 1.3) hoặc khối xếp (Hình 1.3: Kết cấu đê ngăn cát giảm sóng dạng thùng chìm kích thước nhỏ 7 Hình 1.4: Kết cấu đê khối xếp c. Kết cấu đê chắn sóng dạng bán nguyệt Đê bán nguyệt được phát triển đầu tiên ở Nhật Bản vào những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20 theo báo cáo của Tanimoto và Takahashi (1994). Đê bán nguyệt được thử nghiệm với chiều dài 36m ở cảng Miyazaki từ năm 1992-1993. Loại kết cấu đê bán nguyệt mới này gồm một kết cấu hình vòm bán nguyệt liên kết với bản đáy được đúc sẵn bằng bê tông cốt thép.
Kết cấu đê bán nguyệt được đặt trên nền đá đệm dạng mái nghiêng. Kết cấu đê có thể là khối đặc không thấm nước hoặc có lỗ tiêu sóng hoặc đê bán nguyệt trọng lực kết hợp thùng chìm phía dưới để có thể đổ cát vào bên trong [2, 3, 28, 29]. Để giảm năng lượng sóng tác dụng lên đê và giảm chiều cao sóng sau đê, các lỗ tiêu sóng được bố trí trên mặt bán nguyệt (Hình 1. Một dạng khác của đê bán nguyệt ở nước ta gọi là đê trụ rỗng đã được xây dựng ở Cà Mau, Bạc Liêu tuy nhiên hiệu quả chưa được như mong muốn đặc biệt là lún không đều xảy ra khá lớn.5: Mặt cắt ngang đê bán nguyệt có lỗ tiêu sóng d.
Đê giảm sóng bằng tường cọc ly tâm Đê giảm sóng bằng tường cọc ly tâm gồm 2 hàng cọc ly tâm bê tông cốt thép (BTCT), giữa 2 hàng cọc đổ đá hoặc cành cây, tre nứa,… (Hình 1. Hiện nay loại đê này đã được sử dụng khá nhiều ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL)… So với tất cả các giải pháp hiện đang sử dụng để bảo vệ chống sạt lở bờ biển ĐBSCL thì giải pháp đê giảm sóng bằng cọc ly tâm hiện đang là giải pháp tốt nhất về hiệu quả kỹ thuật (giảm sóng, gây bồi, tạo bãi). Tuy nhiên, công tác thi công cọc, dầm giằng, thả đá hộc phải tiến hành tại chỗ, quy trình thi công theo từng bước nối tiếp nên thời gian kéo dài, phụ thuộc vào thời tiết, bê tông dễ bị xâm thực [10].6: Đê giảm sóng tường cọc ly tâm 9 e. Đê giảm sóng bằng cấu kiện Busadco Năm 2018 công ty Busadco đã ứng dụng giải pháp đê giảm sóng cấu kiện rỗng dạng tam giác tại bờ biển Tây Cà Mau từ Vàm Đá Bạc đến Vàm Kênh Mới thuộc xã Khánh Bình Tây, huyện Trần Văn Thời với chiều dài 1.2km, cách bờ 300m (Hình 1.7: Đê giảm sóng bằng cấu kiện Busadco Năm 2019 công ty Busadco đã ứng dụng giải pháp đê giảm sóng cấu kiện rỗng dạng tường đứng có lỗ rỗng tại bờ biển Đông khu vực cửa biển Rạch Gốc Xã Tân Ân,Thị trấn Rạch Gốc, huyện Ngọc Hiển, Tỉnh Cà Mau với chiều dài 1400m (Hình 1.
Rất tiếc, cơn bão số 3 xảy ra tháng 8/2019 đã làm hư hỏng 800m đê [4]. Đê giảm sóng bằng cấu kiện rỗng chữ A và chóp cụt Mỏ hàn chữ T bằng cấu kiện rỗng chữ A và chóp cụt được các nhà khoa học Viện Khoa học thủy lợi Miền Nam đề xuất.9 là kết cấu đê mỏ hàn chữ T với thân mỏ hàn bằng cấu kiện chữ A và cánh mỏ hàn bằng 2 cấu kiện hình chóp. Đây là loại kết cấu gần như kiểu Busadco, nhưng đã được thiết kế trên cơ sở nghiên cứu khoa học bằng mô hình toán và mô hình vật lý máng sóng. Với cấu kiện rỗng và nhiều lỗ ở cả 2 phía (phía biển và phía bờ), với cao trỉnh đỉnh cho phép sóng tràn mà chiểu rộng rất bé, có thể dự đoán là hiệu quả giảm sóng sẽ 10 không cao, so với loại đê đặc và đê nhô.
Công trình vừa mới xây dựng năm 2020- 2021, chưa trải qua thử thách với các điều kiện sóng gió lớn, triều thiết kế [4].8: Đê giảm sóng bằng cấu kiện Busaco Hình 1.9: Mỏ hàn chữ T bằng cấu kiện chữ A và hình chóp Có thể thấy các dạng kết cấu công trình bảo vệ bờ biển đã được xây dựng ở nước ta rất phong phú. Một số giải pháp đã có hiệu quả ban đầu khá khả 11 quan nhưng hầu hết chưa trải qua các điều kiện thời tiết khắc nghiệt nên chưa thực sự đánh giá được hiệu quả. Mặt khác với điều kiện nền địa chất yếu các giải pháp trọng lực đều xuất hiện lún không đều, nghiêng lệch làm cho kết cấu bị nứt vỡ dẫn tới khó chống chọi với môi trường biển. Như vậy, ở nước ta đã ứng dụng khá nhiều loại hình kết cấu đê để xây dựng công trình bảo vệ bờ biển.
Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào về kết cấu đê chắn sóng dạng bản nghiêng trên nền cọc. Do kết cấu bản nghiên được đặt trên nền cọc nên phạm vi ứng dụng rộng rãi cho cả khu vực có địa chất đất yếu như các vùng ven biển nước ta. Đây hướng nghiên cứu của đề tài có tính thực tiễn rất cao.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến hướng nghiên cứu của luận án 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới Đê chắn sóng dạng bản phẳng ngập đã được nghiên cứu đề xuất ứng dụng để bảo vệ bờ biển từ những năm 70 của thế kỷ 20. Loại kết cấu này kinh tế hơn nhiều so với các loại kết cấu truyền thống như sử dụng vật liệu ít hơn, mặt cắt ngang đơn giản, dễ thi công [29].
Murakami và cộng sự (1994) đã nghiên cứu tương tác giữa sóng với đê bản nghiêng thuận và ngược, dựa trên các thí nghiệm giới hạn về sóng ngắn và độ dốc lớn (Hi/L = 0. Họ đã thực hiện nghiên cứu chuyển động của các hạt nước gần đê bản nghiêng bằng đầu đo Laze Doppler để làm rõ được đặc tính của trường dòng chảy và trao đổi nước theo không gian và thời gian trong thí nghiệm. Kết quả cho thấy bản nghiêng thuận (nghiêng về phía trước) có hiệu quả tiêu tán năng lượng sóng tốt hơn so với bản nghiêng ngược [30].10: Sơ đồ thí nghiệm của Murakami et al., [30] 12 Nallayarasu và cộng sự (1994) đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM để mô phỏng sóng nhiễu xạ do một bản nghiêng ngập hoàn toàn gây ra (Hình 1.