Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Hiện tượng xói lở bờ biển và sụt lún đang diễn ra nghiêm trọng tại các vùng đồng bằng trên thế giới và Việt Nam dưới tác động kép của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và sự sụt giảm nguồn bùn cát từ thượng nguồn do các đập thủy điện. Lượng bùn cát sau khi đắp đập trên thế giới bị suy giảm đáng kể: sông Danube giảm 60%, Mississippi giảm 69%, Rhône giảm 85%, Indus giảm 94% và sông Nile giảm 98%. Xói lở bờ biển nghiêm trọng đã ảnh hưởng đến khoảng 90% bờ biển thế giới.
Tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), hệ thống rừng ngập mặn phòng hộ suy thoái nghiêm trọng do áp lực khai thác và điều kiện tự nhiên bất lợi, dẫn đến khoảng 50% chiều dài bờ biển toàn vùng bị xói lở (khoảng 268 km trên tổng số 744 km bờ biển). Trong đó, tỷ lệ bờ biển xói lở toàn vùng chiếm 35,9% và xói lở đặc biệt nguy hiểm chiếm 11,34%. Các giải pháp bảo vệ bờ truyền thống như kè lát mái là giải pháp bị động, kém bền vững do xói lở bãi trước. Các giải pháp mềm như hàng rào tre chữ T của Tổ chức Hợp tác Phát triển Đức (GIZ) tuy thân thiện môi trường nhưng tuổi thọ ngắn (1–2 năm) và bị phá hủy khi chiều cao sóng vượt quá 0,8 m.
Giải pháp đê giảm sóng (ĐGS) kết cấu rỗng dạng hai hàng cọc bê tông ly tâm đổ đá hộc ở giữa (gọi tắt là đê cọc ly tâm) đã được thử nghiệm thực tế tại bờ biển Cà Mau và Bạc Liêu, mang lại khả năng tiêu tán năng lượng sóng, giữ bùn cát tạo bãi và ổn định trên nền đất yếu. Tuy nhiên, trước đây chưa có nghiên cứu toàn diện kết hợp cả mô hình vật lý (MHVL) và mô hình toán để xác định quy luật tiêu tán sóng, đánh giá ảnh hưởng của bề rộng đê và độ rỗng lớp đá bên trong, cũng như thiết lập công thức thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng $K_t$ chuyên biệt cho dạng kết cấu này.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định mục tiêu chính và 4 mục tiêu cụ thể:
- Mục tiêu chính: Đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm tại khu vực ĐBSCL bằng thí nghiệm mô hình vật lý và mô hình số, từ đó đề xuất kích thước hình học và vật liệu phù hợp.
- Mục tiêu cụ thể:
- Tổng quan các dạng ĐGS kết cấu rỗng trên thế giới, Việt Nam và hiệu quả giảm sóng của từng dạng công trình.
- Đánh giá hiện trạng các loại ĐGS kết cấu rỗng tại khu vực ĐBSCL.
- Đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm dựa trên kết quả thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng; xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số truyền sóng $K_t$.
- Kiểm định kết quả mô hình số từ số liệu mô hình vật lý; đề xuất khả năng áp dụng mô hình số thay thế thí nghiệm vật lý để xác định sơ bộ hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm tại ĐBSCL và các vùng có điều kiện tự nhiên tương tự.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hiệu quả giảm sóng, quá trình tương tác thủy động lực học sóng và hệ số truyền sóng $K_t$ của công trình đê giảm sóng kết cấu rỗng dạng hai hàng cọc ly tâm đổ đá hộc bên trong.
- Phạm vi không gian: Vùng biển ven bờ ĐBSCL thuộc Biển Đông và Biển Tây, trải dài 720 km từ Hà Tiên (Kiên Giang) qua mũi Cà Mau đến Gò Công (Tiền Giang), tập trung vào các khu vực xói lở trọng điểm tại Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Kiên Giang. Thí nghiệm vật lý chuyên sâu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Thủy động lực sông biển (Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam tại Bình Dương).
- Phạm vi thời gian: Thu thập và phân tích chuỗi số liệu diễn biến đường bờ giai đoạn 1990–2018; số liệu thống kê hiện trạng công trình bảo vệ bờ biển cập nhật đến tháng 6/2019; các số liệu thí nghiệm mô hình vật lý và mô phỏng số thực hiện hoàn thành năm 2024.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu quốc tế
Các nghiên cứu về ĐGS kết cấu rỗng trên thế giới trải qua nhiều giai đoạn phát triển:
- Giai đoạn trước năm 1980: Thí nghiệm chủ yếu với sóng đều trên kết cấu đơn giản. Johnson và cộng sự (1951) dựa trên lý thuyết dòng năng lượng sóng đã đề xuất công thức tính $K_t$ đầu tiên cho đê ngầm:
$$K_t = \sqrt{1 - \frac{\sinh[2k(h - R_c)] + 2k(h - R_c)}{\sinh(2kh) + 2kh}}$$
Goda và cộng sự (1967, 1969) thí nghiệm với sóng đều trên đê thùng chìm thẳng đứng và đê hỗn hợp, xác định $K_t$ phụ thuộc vào chiều cao lưu không tương đối $R_c/H_s$ trong phạm vi $0,14 \le h/L \le 0,5$ và chỉ ra quan hệ nghịch biến giữa $K_t$ với bề rộng đỉnh đê $B$.
- Giai đoạn từ năm 1980 đến 2005: Allsop (1983) mở rộng cho sóng ngẫu nhiên qua đê đá đổ. Ahrens (1987) thí nghiệm với sóng ngẫu nhiên qua đê đá đổ tiết diện hình thang, bổ sung ảnh hưởng diện tích tiết diện ngang $A$ và đường kính trung bình của viên đá $D_{50}$. Gómez Pina và Valdes (1990) xây dựng quan hệ giữa $K_t$ với $B/F$ và chỉ số sóng vỡ Iribarren $Ir$. Van der Meer và cộng sự (1990) thiết lập công thức thực nghiệm tuyến tính giữa $K_t$ và $R_c/H_s$ cho đê đỉnh hẹp ($B = 0,2\text{ m}$) chia theo 3 khoảng giá trị lưu không. Van der Meer và Daemen (1994) đưa tham số đường kính danh nghĩa $D_{n50}$ và độ dốc sóng $S_{0p}$ vào công thức. d’Angremond và cộng sự (1996) phân biệt đê thấm và không thấm với chỉ số Iribarren $\xi_{0p}$. Seabrook và Hall (1998) phân tích 663 thí nghiệm cho đê đỉnh rộng. Calabrese và cộng sự (2002) thí nghiệm tỷ lệ lớn, thay thế $D_{n50}$ bằng bề rộng đỉnh đê $B$. Dự án DELOS (1998–2002) với hơn 2.400 thí nghiệm được Briganti và cộng sự (2003) phân tích, phân chia ranh giới đê đỉnh hẹp ($B/H_s < 10$) và đê đỉnh rộng ($B/H_s > 10$). Van der Meer và cộng sự (2005) tái phân tích hơn 3.300 thí nghiệm để chuẩn hóa các công thức dự báo $K_t$.
- Các hướng nghiên cứu mô hình toán: Bao gồm hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) (Liu et al., 1999; Cheng et al., 2009; Higuera et al., 2014; Sasikumar et al., 2020); hệ phương trình phi tuyến nước nông (NLSW) (Cea et al., 2009; Mohamed, 2014); và hệ phương trình Boussinesq / Boussinesq mở rộng (Madsen et al., 1984; Liu và Wen, 1997; Vu et al., 2018, 2023).
Các hướng nghiên cứu trong nước
- Nguyễn Hữu Nhân (2015) ứng dụng Mike 21 FM chỉ ra đê giảm sóng giúp giảm 70–90% chiều cao sóng mùa gió Tây Nam và giảm vận tốc dòng chảy sau đê 20–70%.
- Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2018) nghiên cứu đê rỗng phi truyền thống mái nghiêng đỉnh hẹp qua thí nghiệm máng sóng.
- Nguyễn Anh Tiến và cộng sự (2018) nghiên cứu đê ngầm rỗng lắp ghép cấu kiện định hình.
- Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2020) đề xuất công thức $K_t$ cho đê hàng rào tre tường đứng xét đến độ rỗng $n$.
- Lê Xuân Tú và cộng sự (2020) nghiên cứu đê cọc ly tâm và đề xuất công thức $K_t = 1,67(R_c/H_{m0,i}) + 4,172S_0 - 0,634$, nhưng chưa xét đến biến thiên bề rộng đê và kích thước đá bên trong. Đỗ Văn Dương và cộng sự (2021) có xét bề rộng đê nhưng chưa làm rõ biến thiên độ rỗng qua thực nghiệm vật lý.
Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết
Luận án giải quyết khoảng trống về việc định lượng đồng thời ảnh hưởng của bề rộng đê ($B$), chiều cao lưu không đỉnh đê ($R_c/H_{m0,i}$), kích thước hạt/độ rỗng đá hộc ($D_{50}$, độ rỗng $n$) và độ dốc sóng ($S_{0p}, S_{0m}$) đối với kết cấu đê cọc ly tâm tường đứng rỗng. Đồng thời, luận án lấp đầy khoảng trống trong việc ứng dụng phương trình Boussinesq mở rộng cho môi trường hai lớp rỗng để mô phỏng tương tác sóng qua đê cọc ly tâm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và khái niệm cốt lõi
- Hệ số truyền sóng ($K_t$): Tỷ số giữa chiều cao sóng sau công trình ($H_{s,t}$) và chiều cao sóng tới trước công trình ($H_{s,i}$):
$$K_t = \frac{H_{s,t}}{H_{s,i}}$$
Tùy theo phương pháp phân tích thống kê hay phổ, $H_s$ tương ứng là chiều cao sóng có nghĩa $H_{1/3}$ hoặc chiều cao sóng mômen bậc không $H_{m0}$.
- Cân bằng năng lượng sóng: Tương tác sóng với kết cấu rỗng được biểu thị qua các hệ số: hệ số phản xạ ($K_r$), hệ số truyền sóng ($K_t$) và hệ số sóng tiêu tán ($K_d$ hoặc $E_d$), tuân theo định luật bảo toàn năng lượng $K_r^2 + K_t^2 + K_d^2 = 1$.
- Lý thuyết sóng Boussinesq mở rộng: Mô tả chuyển động sóng phi tuyến từ vùng nước sâu trung bình đến nước nông, tích phân hoặc lấy trung bình theo chiều sâu, tích hợp số hạng tiêu hao năng lượng trong môi trường hai lớp xốp/rỗng có độ rỗng khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp nghiên cứu thực nghiệm vật lý và mô hình số trị:
- Phương pháp phân tích đa tiêu chí (MCDA): Sử dụng hệ thống 4 nhóm tiêu chí (kỹ thuật, xã hội, môi trường, giá thành) với thang điểm 1-3-5 và trọng số xác định để so chọn kết cấu đê bảo vệ bờ phù hợp cho ĐBSCL.
- Phương pháp mô hình vật lý (MHVL):
- Thí nghiệm 2D trong máng sóng tại Phòng thí nghiệm Thủy động lực sông biển (Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam).
- Thiết lập mô hình theo định luật tương tự Froude với các tỷ lệ hình học $N_L$, thời gian $N_t$, vận tốc $N_v$, khối lượng $N_m$.
- Bố trí hệ thống 7 kim đo sóng (WG1 đến WG7) trước, tại thân và sau mô hình đê để tách sóng tới, sóng phản xạ và đo sóng truyền qua.
- Thực hiện tổng cộng 234 kịch bản thí nghiệm với sóng ngẫu nhiên (phổ JONSWAP/phổ đo đạc thực tế), thay đổi 3 cấp bề rộng đê mô hình ($B = 24\text{ cm}, 38\text{ cm}, 52\text{ cm}$, tương ứng nguyên hình $1,7\text{ m}, 2,7\text{ m}, 3,7\text{ m}$) và các cấp phối đá hộc ($D_{50} = 4\text{--}7\text{ cm}$, tương ứng nguyên hình $30\text{--}50\text{ cm}$, độ rỗng $n \approx 0,45$).
- Phương pháp phân tích hồi quy thực nghiệm: Phân tích thống kê đa biến trên tập dữ liệu 234 kịch bản MHVL để xây dựng công thức toán học xác định $K_t$ qua hai bước (dạng tổng quát lần 1 và dạng hiệu chỉnh theo độ dốc sóng lần 2), đánh giá độ tin cậy qua hệ số tương quan $R^2$.
- Phương pháp mô hình số trị:
- Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) giải hệ phương trình Boussinesq mở rộng cho sóng truyền qua hai lớp rỗng.
- Thiết lập lưới tính toán, điều kiện biên hấp thụ sóng, biên phát sóng nội vi, rời rạc hóa miền tính toán.
- Kiểm chứng mô hình số với lời giải giải tích và kiểm định chéo với dữ liệu thực nghiệm MHVL thông qua sai số toàn phương trung bình (RMSE) của $K_r$ và $K_d$.
Nguồn tư liệu và dữ liệu
- Số liệu khảo sát thực địa hiện trạng bờ biển, xói lở và hệ thống công trình bảo vệ bờ tại ĐBSCL của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam (2018, 2019).
- Dữ liệu viễn thám và GIS phân tích biến động đường bờ giai đoạn 1990–2018.
- Dữ liệu thực nghiệm 234 kịch bản đo đạc trực tiếp trên máng sóng phòng thí nghiệm.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan nghiên cứu về đê giảm sóng kết cấu rỗng trong chức năng bảo vệ bờ biển
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học về cơ chế phá hoại bờ biển tại ĐBSCL do tác động của chế độ gió mùa Đông Bắc và Tây Nam kết hợp suy giảm phù sa. Tác giả phân loại ĐGS kết cấu rỗng theo 4 tiêu chí: cao độ đỉnh đê (ngầm, nhô, bán ngập), kết cấu vật liệu, hình dạng mặt cắt ngang và bố trí mặt bằng.
Chương này tổng kết bức tranh ứng dụng ĐGS trên thế giới (Mỹ với dự án Venice 1905; Châu Âu với dự án DELOS; Nhật Bản xây dựng 873 km ĐGS rỗng trị giá 40,66 tỷ USD) và đánh giá chi tiết 6 dạng công trình ĐGS tại Việt Nam: hàng rào cọc tre/cừ tràm, đê đá đổ, đê Geotube, đê trụ rỗng, đê rỗng Busadco và đê cọc ly tâm. Đồng thời, chương 1 phân tích ưu nhược điểm của các công thức tính $K_t$ kinh điển trên thế giới (Ahrens, Van der Meer, d'Angremond, Seabrook & Hall, Briganti) và các nghiên cứu trong nước (Thiều Quang Tuấn, Nguyễn Anh Tiến, Lê Xuân Tú), chỉ rõ sự thiếu hụt công thức tính toán dành riêng cho đê cọc ly tâm tường đứng có xét biến thiên bề rộng và độ rỗng lớp đá.
Chương 2. Nghiên cứu đề xuất giải pháp đê giảm sóng kết cấu rỗng dạng cọc ly tâm
Chương 2 phân tích đặc điểm tự nhiên và diễn biến xói lở 720 km bờ biển ĐBSCL: đoạn Nhà Mát - Gành Hào (Bạc Liêu) xói lở trung bình 25 m/năm; cửa Bồ Đề, cửa Hố Gùi (Đông Cà Mau) xói lở 40 m/năm; bờ biển U Minh (Cà Mau) xói lở 20–40 m/năm.
Tác giả phân loại hệ thống bảo vệ bờ ĐBSCL thành 4 dạng:
- Dạng A: Đê, kè đối mặt trực diện với biển, không che chắn (chiếm 13,2%).
- Dạng B: Đê, kè kết hợp đai rừng ngập mặn phía trước (chiếm 81,9%).
- Dạng C: Đê, kè trực diện có ĐGS phía trước (chiếm 1,9%).
- Dạng D: Đê, kè ven bờ kết hợp ĐGS phía ngoài và đai rừng ngập mặn ở giữa (chiếm 3,1%).
Dưới đây là bảng thống kê hiện trạng các dạng bảo vệ bờ biển tại các tỉnh ĐBSCL tính đến tháng 6/2019:
| Địa phương |
Chiều dài bờ biển (km) |
Kè bảo vệ bờ (km) |
Chiều dài rừng ngập mặn (km) |
Dạng đê cọc ly tâm (km) |
Đê Geotube (km) |
Cấu kiện đúc sẵn (km) |
Hàng rào cọc tre, cừ tràm (km) |
| Tiền Giang |
32,0 |
21,3 |
8,5 |
24,4 |
0,0 |
0,0 |
1,9 |
| Bến Tre |
65,0 |
65,0 |
0,2 |
54,5 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
| Trà Vinh |
65,0 |
65,0 |
8,1 |
50,7 |
0,0 |
0,0 |
3,7 |
| Sóc Trăng |
72,0 |
72,0 |
2,2 |
78,0 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
| Bạc Liêu |
56,0 |
56,0 |
3,6 |
49,3 |
1,3 |
0,1 |
1,1 |
| Cà Mau |
254,0 |
97,0 |
5,6 |
225,1 |
20,5 |
3,4 |
0,0 |
| Kiên Giang |
200,0 |
169,0 |
15,3 |
129,5 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
| Tổng cộng |
744,0 |
545,3 |
43,5 |
611,5 |
21,8 |
3,5 |
6,7 |
Để lựa chọn kết cấu đê tối ưu, tác giả xây dựng bảng chỉ tiêu đánh giá đa tiêu chí với các thang điểm và trọng số quy định:
| Nhóm tiêu chí |
Tiêu chí đánh giá cụ thể |
Thang điểm 1 |
Thang điểm 3 |
Thang điểm 5 |
Trọng số |
| Kỹ thuật |
Tuổi thọ thiết kế |
< 2 năm |
5–40 năm |
> 40 năm |
0,5 |
|
Khả năng giảm sóng |
Thấp |
Trung bình |
Cao |
|
|
Khả năng gây bồi, tạo bãi |
Thấp |
Trung bình |
Cao |
|
|
Ổn định công trình |
Thấp |
Trung bình |
Cao |
|
|
Thích ứng với BĐKH |
Thấp |
Trung bình |
Cao |
|
|
Phương pháp xây dựng |
Phức tạp, cần máy móc chuyên dụng |
Khó khăn trung bình |
Đơn giản |
|
| Xã hội |
Sử dụng lao động địa phương |
Ít hoặc không |
Tương đối nhiều |
Nhiều nhân công |
0,1 |
|
Tận dụng vật liệu địa phương |
Không sử dụng |
Một phần |
Chủ yếu |
|
| Môi trường |
Tác động đa dạng sinh học |
Xấu |
Trung bình |
Cải thiện |
0,1 |
| Giá thành |
Chi phí vật liệu |
Cao |
Trung bình |
Thấp |
0,3 |
|
Chi phí thi công |
Cao |
Trung bình |
Thấp |
|
|
Chi phí bảo dưỡng |
Cao |
Trung bình |
Thấp |
|
Dựa trên kết quả đánh giá đa tiêu chí, đê cọc ly tâm đạt điểm tối ưu và được chọn để nghiên cứu chuyên sâu. Tác giả tiến hành thiết lập thí nghiệm MHVL 2D trong máng sóng, kiểm tra các thông số hình học đê và vật liệu đá hộc qua 234 kịch bản. Các thông số quy đổi giữa thực tế và mô hình được trình bày trong bảng sau:
| Ký hiệu mô hình |
Bề rộng mô hình $B$ (cm) |
Bề rộng nguyên hình $B$ (m) |
Chiều cao đê mô hình $H$ (cm) |
Chiều cao đê nguyên hình $H$ (m) |
Kích thước đá mô hình $D_{50}$ (cm) |
Kích thước đá nguyên hình $D_{50}$ (cm) |
Độ rỗng đê $n$ (%) |
| $B_{24}$ |
24 |
1,7 |
38 |
2,7 |
4–7 |
30–50 |
~45% |
| $B_{38}$ |
38 |
2,7 |
38 |
2,7 |
4–7 |
30–50 |
~45% |
| $B_{52}$ |
52 |
3,7 |
38 |
2,7 |
4–7 |
30–50 |
~45% |
Kết quả thực nghiệm xác nhận cấu hình đê có bề rộng $B = 2,7\text{ m}$ ($B_{38}$ trong mô hình), chiều cao $H = 2,7\text{ m}$ và đá hộc $D_{50} = 30\text{--}50\text{ cm}$ (độ rỗng khoảng 45%) đảm bảo hiệu quả tiêu tán năng lượng sóng cao nhất và tối ưu về mặt kinh tế kỹ thuật cho cả Biển Đông và Biển Tây ĐBSCL.
Chương 3. Xây dựng công thức thực nghiệm tính toán hệ số truyền sóng của đê cọc ly tâm
Chương 3 phân tích định lượng mối tương quan giữa các tham số phi thứ nguyên với hệ số truyền sóng $K_t$, hệ số phản xạ $K_r$ và hệ số tiêu tán $K_d$:
- Chiều cao lưu không tương đối đỉnh đê ($R_c/H_{m0,i}$): Khi $R_c/H_{m0,i}$ tăng (đỉnh đê nhô cao hơn mặt nước), $K_t$ giảm rõ rệt và năng lượng tiêu tán $E_d$ tăng lên.
- Bề rộng tương đối của đê ($B/H_{m0,i}$ và $B/D$): Bề rộng đê tăng làm tăng quãng đường sóng truyền qua môi trường rỗng, ma sát và xáo trộn gia tăng làm suy giảm $K_t$.
- Độ dốc sóng tới ($S_{0p} = H_{m0,i}/L_p$ và $S_{0m} = H_{m0,i}/L_m$): Ảnh hưởng trực tiếp đến dạng sóng vỡ và khả năng thâm nhập của sóng qua thân đê.
Từ 234 bộ số liệu đo đạc thực nghiệm, tác giả tiến hành phân tích hồi quy phi tuyến đa biến để xây dựng công thức thực nghiệm xác định $K_t$ dạng tổng quát qua hai bước (lần 1 và lần 2 có xét hiệu chỉnh độ dốc sóng $S_{0p}$), đạt hệ số xác định $R^2$ cao, cho phép tính toán nhanh hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm trong dải thông số thiết kế thực tế tại ĐBSCL.
Chương 4. Áp dụng mô hình số đánh giá hiệu quả giảm sóng của công trình đê cọc ly tâm
Chương 4 trình bày việc thiết lập và giải hệ phương trình Boussinesq mở rộng cho sóng truyền qua hai tầng môi trường rỗng có độ rỗng khác nhau bằng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM).
Mô hình số được kiểm chứng độ chính xác qua 2 bước:
- So sánh với nghiệm giải tích chuẩn về tương tác sóng - kết cấu rỗng.
- Kiểm chứng với 234 kịch bản thực nghiệm từ MHVL máng sóng.
Độ chính xác của mô hình số được định lượng thông qua chỉ số sai số toàn phương trung bình (RMSE) cho các hệ số phản xạ $K_r$ và tiêu tán $K_d$ trên 3 cấp bề rộng đê ($B_{24}, B_{38}, B_{52}$):
| Thông số đánh giá sai số |
Bề rộng đê $B = 24\text{ cm}$ |
Bề rộng đê $B = 38\text{ cm}$ |
Bề rộng đê $B = 52\text{ cm}$ |
| RMSE đối với hệ số phản xạ ($K_r$) |
Thấp, sai lệch nhỏ |
Thấp, sai lệch nhỏ |
Thấp, sai lệch nhỏ |
| RMSE đối với hệ số tiêu tán ($K_d$) |
Đạt độ tin cậy cao |
Đạt độ tin cậy cao |
Đạt độ tin cậy cao |
Kết quả mô phỏng số phản ánh đúng quy luật truyền sóng, sóng phản xạ và tiêu tán năng lượng qua đê cọc ly tâm, chứng minh mô hình số có thể thay thế hiệu quả cho các thí nghiệm MHVL đắt đỏ trong việc tính toán thiết kế sơ bộ.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Làm rõ quy luật thủy động lực học của đê cọc ly tâm: Định lượng hóa sự phụ thuộc của hệ số truyền sóng $K_t$, hệ số phản xạ $K_r$ và hệ số tiêu tán $K_d$ vào tổ hợp các yếu tố: chiều cao lưu không tương đối ($R_c/H_{m0,i}$), bề rộng tương đối ($B/H_{m0,i}, B/D$), độ dốc sóng tới ($S_{0p}, S_{0m}$) và độ rỗng lớp đá bên trong ($n$).
- Xây dựng công thức thực nghiệm chuyên biệt: Thiết lập công thức thực nghiệm mới tính toán hệ số truyền sóng $K_t$ cho đê giảm sóng kết cấu rỗng dạng cọc ly tâm đổ đá hộc, khắc phục khoảng trống của các công thức trước đây vốn chỉ áp dụng cho đê mái nghiêng đá đổ hoặc đê hàng rào cọc tre.
- Phát triển ứng dụng mô hình Boussinesq mở rộng: Ứng dụng thành công mô hình số Boussinesq mở rộng cho môi trường hai lớp rỗng để mô phỏng tương tác sóng qua đê cọc ly tâm, được kiểm chứng với lời giải giải tích và 234 kịch bản thực nghiệm máng sóng.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất
- Đề xuất thông số thiết kế tối ưu: Luận án đề xuất kích thước mặt cắt đê cọc ly tâm hợp lý áp dụng cho vùng bờ Biển Đông và Biển Tây khu vực ĐBSCL gồm: bề rộng đê $B = 2,7\text{ m}$, chiều cao đê $H = 2,7\text{ m}$, đường kính đá hộc đổ bên trong $D = 30\text{--}50\text{ cm}$ (độ rỗng đê khoảng 45%).
- Công cụ tính toán thiết kế thực hành: Cung cấp công thức thực nghiệm và mô hình số tin cậy giúp các cơ quan tư vấn, quản lý đê điều tính toán nhanh kích thước hình học đê theo yêu cầu giảm sóng của từng vị trí cụ thể mà không bắt buộc phải thực hiện thí nghiệm mô hình vật lý tốn kém.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Các thí nghiệm mô hình vật lý và mô phỏng số trị mới được thực hiện trong điều kiện phẳng hai chiều (2D trong máng sóng), với hướng sóng truyền vuông góc trực diện với tuyến đê.
- Chưa khảo sát chi tiết hiện tượng lan truyền sóng trong không gian ba chiều (3D), chưa xét đến góc sóng tới xiên, hiện tượng nhiễu xạ sóng qua đầu mút đê hoặc khe hở giữa các đoạn đê ngắt quãng.
- Nghiên cứu tập trung vào khía cạnh thủy động lực giảm sóng, chưa tích hợp mô hình biến hình lòng dẫn và động lực học bùn cát chi tiết theo thời gian dài sau đê.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Mở rộng thí nghiệm mô hình vật lý trong bể sóng ba chiều (3D) để đánh giá tác động của góc sóng tới xiên và hiệu ứng sóng truyền qua các khe hở của hệ thống đê ngắt quãng.
- Phát triển mô hình số 3D tích hợp tương tác sóng - dòng chảy - vận chuyển bùn cát để dự báo chính xác tiến trình bồi tụ bãi và tái sinh rừng ngập mặn phía sau đê.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng và lĩnh vực sau:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, Kỹ thuật công trình thủy, Công trình biển, Kỹ thuật bờ biển. Đáng tham khảo nhất là phương pháp luận thí nghiệm máng sóng 2D (234 kịch bản) và quy trình thiết lập mô hình toán Boussinesq mở rộng cho môi trường hai lớp rỗng.
- Kỹ sư thiết kế và các đơn vị tư vấn xây dựng thủy lợi - giao thông thủy: Tham khảo trực tiếp công thức thực nghiệm tính $K_t$ và bộ thông số kích thước hình học đê ($B = 2,7\text{ m}, H = 2,7\text{ m}, D_{50} = 30\text{--}50\text{ cm}$) để áp dụng vào tính toán thiết kế các dự án bảo vệ bờ biển tại ĐBSCL và các khu vực có điều kiện địa chất, thủy văn tương đồng.
- Cơ quan quản lý nhà nước và người làm chính sách: Các Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Ban Quản lý dự án công trình nông nghiệp & giao thông các tỉnh ven biển ĐBSCL sử dụng kết quả phân loại hệ thống bảo vệ bờ và phương pháp đánh giá đa tiêu chí (MCDA) để quy hoạch, phân kỳ đầu tư các tuyến đê giảm sóng gây bồi bảo vệ bờ biển.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án đề xuất kích thước mặt cắt ngang và vật liệu tối ưu nào cho đê cọc ly tâm tại ĐBSCL?
Luận án đề xuất kích thước mặt cắt ngang hợp lý gồm: bề rộng đê $B = 2,7\text{ m}$ (tương ứng $B = 38\text{ cm}$ trong mô hình vật lý), chiều cao đê $H = 2,7\text{ m}$ ($H = 38\text{ cm}$ trong mô hình), và đường kính viên đá hộc đổ bên trong đê từ $30\text{--}50\text{ cm}$ ($D_{50} = 4\text{--}7\text{ cm}$ trong mô hình), tương ứng với độ rỗng thân đê khoảng 45%. Cấu hình này phù hợp cho cả vùng Biển Đông và Biển Tây ĐBSCL.
2. Thí nghiệm mô hình vật lý của luận án được thực hiện ở đâu và với quy mô như thế nào?
Thí nghiệm mô hình vật lý được thực hiện trên máng sóng 2D tại Phòng thí nghiệm Thủy động lực sông biển thuộc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam (tại Bình Dương). Thí nghiệm thực hiện tổng cộng 234 kịch bản sóng ngẫu nhiên với các trường hợp có và không có công trình, khảo sát 3 cấp bề rộng đê ($B = 24\text{ cm}, 38\text{ cm}, 52\text{ cm}$) kết hợp với các cấp phối đá hộc khác nhau dưới nhiều điều kiện mực nước và phổ sóng.
3. Phương trình toán học nào được sử dụng trong mô hình số để đánh giá hiệu quả giảm sóng?
Luận án sử dụng hệ phương trình Boussinesq mở rộng (extended Boussinesq equations) mô tả sóng truyền qua hai lớp môi trường rỗng (lớp trên có thể là nước hoàn toàn hoặc lớp đá có độ rỗng khác với lớp dưới). Mô hình được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) và kiểm chứng với lời giải giải tích cùng số liệu thực nghiệm 234 kịch bản từ máng sóng.
4. Tại sao đê cọc ly tâm lại được đánh giá ưu việt hơn các dạng đê khác tại ĐBSCL qua phương pháp đa tiêu chí?
Qua phân tích đa tiêu chí (MCDA) trên 4 nhóm tiêu chuẩn (Kỹ thuật, Xã hội, Môi trường, Giá thành), đê cọc ly tâm đạt điểm tối ưu nhờ: kết cấu cọc ly tâm cắm sâu giúp ổn định vững chắc trên nền đất yếu; thân đê rỗng nhồi đá hộc vừa tiêu tán năng lượng sóng hiệu quả vừa cho phép nước và phù sa lưu thông để gây bồi tạo bãi; tuổi thọ công trình cao (>40 năm); và có thể tận dụng vật liệu đá, nhân công lắp dựng tại địa phương.
5. Hiện trạng các dạng bảo vệ bờ biển tại khu vực ĐBSCL theo điều tra của luận án như thế nào?
Tính đến tháng 6/2019, trên tổng số 744 km bờ biển ĐBSCL, hệ thống bảo vệ bờ gồm: dạng B (đê kết hợp đai rừng ngập mặn phía trước) chiếm tỷ lệ áp đảo 81,9%; dạng A (đê/kè trực diện không che chắn) chiếm 13,2%; dạng C (đê kè có ĐGS phía trước) chiếm 1,9%; và dạng D (đê kè kết hợp ĐGS phía ngoài và rừng ngập mặn ở giữa) chiếm 3,1%. Tổng chiều dài đê cọc ly tâm đã xây dựng đạt 21,8 km (tập trung chủ yếu tại Cà Mau 20,5 km và Bạc Liêu 1,3 km).
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Hải Dương đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu đề xuất giải pháp và đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê cọc ly tâm bảo vệ bờ biển ĐBSCL. Bằng việc thực hiện 234 kịch bản thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng kết hợp giải hệ phương trình Boussinesq mở rộng cho môi trường hai lớp rỗng, tác giả đã làm sáng tỏ cơ chế tiêu tán năng lượng sóng và xác lập công thức thực nghiệm tính toán hệ số truyền sóng $K_t$ tin cậy. Kết quả nghiên cứu đề xuất cấu hình đê chuẩn ($B = 2,7\text{ m}, H = 2,7\text{ m}, D_{50} = 30\text{--}50\text{ cm}$) mang giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng góp cơ sở kỹ thuật phục vụ công tác phòng chống xói lở và khôi phục hệ sinh thái rừng ngập mặn ven biển ĐBSCL.
