CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 1.1 Tổng quan về đê biển có tường đỉnh Tường chống tràn trên đỉnh đê (gọi tắt là tường đỉnh) có chức năng bảo vệ và ổn định đường bờ, bảo vệ toàn bộ phần đất phía sau trước tác động của sóng, nước dâng và các tác động bất lợi khác từ biển. Xây dựng tường đỉnh trên đê được coi là giải pháp đơn giản, hiệu quả để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê và thường được sử dụng ở những nơi mà không còn quỹ đất để nâng cao đỉnh đê, hoặc điều kiện kinh tế không cho phép xây đê cao. Tường đỉnh có mặt cắt ngang khá phong phú, có thể là tường đứng, tường nghiêng, tường cong và tường có mũi hắt sóng…Tương ứng với những dạng mặt cắt ngang khác nhau, tường đỉnh có thể được xây dựng bằng nhiều loại vật liệu, thông dụng nhất là bê tông cốt thép, bê tông, đá xây và gạch xây (Hình 1.1 Một số dạng điển hình về kết cấu tường đỉnh đê biển 5 Hiện nay, đê biển có tường đỉnh đang là giải pháp được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả giới thiệu đê có tường đỉnh của một số địa phương sau đây cũng không làm mất tính tổng quát của vấn đề nghiên cứu.1 Đê có tường đỉnh ở Hà Tĩnh Hà Tĩnh có khoảng 211.0km đê biển, đê cửa sông thuộc thành phố Hà Tĩnh và các huyện: Kỳ Anh, Cẩm Xuyên, Nghi Xuân, Thạch Hà, Lộc Hà.4km đê trực tiếp biển (chiếm 46%) và 105.16km được xây dựng tường đỉnh trên đê (chiếm 50%) để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn qua đê.
Chiều cao tường đỉnh phổ biến là (0.0m), tường đỉnh có mũi hắt sóng khoảng 47km (chiếm 44%) và hầu hết không có thềm trước tường [5].2 Đê biển Thiên Cầm, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh Hình 1.3 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh 6 1.2 Đê biển có tường đỉnh ở Thanh Hóa Thanh Hóa có khoảng 70.4km đê biển thuộc các huyện Nga Sơn, Hậu Lộc, Hoàng Hóa, Tĩnh Gia. Hiện nay, hầu hết các tuyến đê biển ở Thanh Hóa đều đã được kiên cố hóa với tường đỉnh trên đê. Trong đó, đê có mũi hắt sóng khoảng 32. Điển hình là tuyến đê biển Hậu Lộc (đoạn đê biển Y Vích dài 5.5km), cao trình đỉnh đê +4.5m; chiều rộng mặt đê B = 3m; mái đê phía biển m1 = 4.0; cao trình đỉnh tường là +5.5m; chiều cao tường W = 1.
Đây là tuyến đê bảo vệ trực tiếp khu dân cư đông đúc cho 5 xã: Hải Lộc, Minh Lộc, Ngư Lộc, Đa Lộc, Hưng Lộc với diện tích 2165ha và dân số khoảng 60 ngàn người [6].4 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa 1.3 Đê biển có tường đỉnh ở Nam Định Nam Định có 91.0km đê biển thuộc 3 huyện (Hải Hậu 33km, Giao Thủy 32km, Nghĩa Hưng 26km), trong đó có 45km trực diện với biển (chiếm 49. Toàn tỉnh hiện có gần 50km đê biển được xây dựng tường đỉnh trên đê (chiếm 55%) [7]. Hầu hết tường đỉnh trên đê là thẳng đứng, không có thềm trước tường, tường được làm bằng bê tông cốt thép hoặc đá xây. Cao trình đỉnh tường phổ biến (+5.5m), chiều cao tường đỉnh phổ biến (0.
Một số nơi có mặt đê tương đối rộng như đê biển thị trấn Quất Lâm, có thềm trước khoảng 0.5 Đê biển Giao Thủy, Nam Định Hình 1.6 Đê biển Quất Lâm, Nam Định 1.4 Đê biển có tường đỉnh ở Hải Phòng Hải phòng có khoảng 46.9km đê biển, chiều rộng mặt đê B = 5.0m, cao trình đỉnh tường (4.5m), đê có tường đỉnh với mũi hắt sóng chiếm khoảng 50% [8]. Tuyến đê Cát Hải là tuyến đê khép kín bảo vệ khu dân cư, sau sự cố vỡ đê do bão số 7 năm 2005, tuyến đê quan trọng này đã được đầu tư xây dựng khá kiên cố với cao trình mặt đê +5.0m; trên mặt đê có bố trí tường đỉnh cao 0.5m; bề rộng thềm trước tường 0.7 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng 1.2 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển luôn nhận được quan tâm của nhiều quốc gia đặc biệt là những quốc gia có biển. Sự phát triển khoa học và kỹ thuật về đê biển ở các nước này gắn liền với lịch sử phát triển của đất nước. Nghiên cứu về sóng tràn ở trên thế giới đã có từ lâu, nhiều nước đã có những nghiên cứu khá toàn diện như: Mỹ, Hà Lan, CHLB Đức, Nhật Bản… Các thành tựu nghiên cứu về khoa học và công nghệ đê biển trên thế giới đã được tổng kết, đánh giá đưa vào sổ tay, quy trình, quy phạm [1], [9].
Hiện nay, hệ thống đê biển của các nước phát triển được xây dựng kiên cố, khá hiện đại, kết hợp với hệ thống đường cao tốc (Hình 1.8 Đê biển Afsluitdijk Hà Lan (nguồn Internet) 9 Nhưng do những biến động lớn về môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu toàn cầu, tần suất và cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, đặc biệt là bão, triều cường kết hợp với nước dâng làm cho nguy cơ sóng tràn qua đê chưa được loại bỏ vẫn là mối hiểm họa phổ biến (Hình 1.9 Sóng tràn gây vỡ đê biển Hậu lộc, Thanh Hóa (bão số 7/2005) [1] Những nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển tiêu biểu trên thế giới có thể kể đến: Saville (1955) là người đầu tiên đặt nền móng cho nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí nghiệm sóng đơn [10]. Cho đến nay, đã có hàng vạn thí nghiệm đã và đang được tiến hành tại nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, chủ yếu là ở các nước châu Âu, trong đó gần một nửa đã được thực hiện gần đây (năm 2000 – 2004) [11]. Các thí nghiệm sau này được thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với điều kiện tự nhiên hơn như: sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, cấu tạo hình học và dạng kết cấu công trình đa dạng…[12]; Sau sự khởi xướng của Saville (1955), năm 1980 Owen dựa trên kết quả của 500 thí nghiệm mô hình với sóng ngẫu nhiên đã công bố công thức công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình mái nhẵn như sau [13]: 𝑞 𝑅𝑐 = 𝑎.1) 𝑔𝐻𝑠 𝑇𝑚 𝑇𝑚 √𝑔𝐻𝑠 trong đó Tm là chu kỳ sóng trung bình (s), Hs là chiều cao sóng ý nghĩa (m), Rc là độ cao lưu không của đỉnh đê (m). Owen (1980) chủ yếu đã sử dụng mô hình mái đê nhẵn dạng 10 đơn giản, chỉ một số ít thí nghiệm có cơ đê phía trước.
Các hệ số thực nghiệm a và b được Owen lập cho các độ dốc mái đê khác nhau như thống kê ở Bảng 1. Owen (1980) cũng đã xét đến ảnh hưởng giảm sóng tràn của độ nhám mái đê thông qua hệ số chiết giảm γr : 𝑞 𝑅𝑐 1 = 𝑎.2) 𝑔𝐻𝑠 𝑇𝑚 𝑇𝑚 √𝑔𝐻𝑠 𝛾𝑟 trong đó: γr là hệ số chiết giảm sóng tràn.1 Các hệ số thực nghiệm trong công thức Owen (1980) [13] Độ dốc mái đê tanα a B 1/1. De Waal and Van der Meer (1992) cũng có nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn không thấm tương tự như Owen (1980). Tuy nhiên lưu lượng sóng tràn trung bình được quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lưu không đỉnh đê (Ru2% - Rc)/Hs [14]: 𝑞 𝑅𝑢2% − 𝑅𝑐 = 8.3) √𝑔𝐻𝑠3 𝐻𝑠 Trong đó Ru2% là chiều cao sóng leo 2% (ứng với 2% con sóng vượt qua mức này ở trên mái đê không tràn).
Có thể thấy rằng phạm vi ứng dụng của công thức (1.3) còn nhiều hạn chế như: không xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái đê, ảnh hưởng của cơ đê và nhất là tính sóng tràn thông qua sóng leo Ru2% [14]. Vì vậy sau này Van deer Meer (1993) đã cải tiến công 11 thức trên bằng cách biểu diễn sóng tràn trực tiếp thông qua chiều cao lưu không tương đối của đỉnh đê Rc/Hs và sử dụng cả các kết quả nghiên cứu của Owen (1980) [15]. Ngoài ra, Van deer Meer (1993) còn cho rằng sóng tràn còn phụ thuộc vào tính chất tương tác của sóng với công trình (tức là giữa sóng vỡ và sóng không vỡ) [15]. Van deer Meer và Janssen (1995) đã đề xuất công thức tính toán sóng tràn có thể ứng dụng cho cả trường hợp đê có cơ (phía biển) và mái đê có độ nhám [16].
TAW (2002), EurOtop (2007) đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua đê biển khá hoàn chỉnh, với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho đa dạng các kết cấu hình học đê và có xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến sóng tràn qua đê. Hiện nay kết quả nghiên cứu này đang được sử dụng phổ biến [17], [18].3 Ảnh hưởng của tường đỉnh trên đê Trong những thập kỷ qua, nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển trên thế giới và Việt Nam đã có những bước tiến khá xa, cơ sở dữ liệu sóng tràn khá đầy đủ cho các dạng kết cấu hình học và điều kiện thủy lực khác nhau. Nghiên cứu điển hình và phổ biến nhất hiện nay về ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn qua đê biển là TAW (2002) sau này đưa vào EurOtop (2007), Koen Van Doorslear và nnk (2015), Thiều Quang Tuấn (2013) và Nguyễn Văn Thìn (2014).1 Nghiên cứu của TAW (2002) Trong TAW (2002) có xét đến hệ số chiết giảm của tường đỉnh cho trường hợp kết cấu hình học của tường đỉnh và đê thỏa mãn các điều kiện sau: độ dốc mái đê trong phạm vi dưới chân tường đỉnh đến biên 1.5Hm0 phía dưới mực nước thiết kế nằm trong khoảng từ 1/2.5; tổng bề rộng cơ không quá 3Hm0, vị trí chân tường nằm trong khoảng ±1.2Hm0 so với mực nước thiết kế, chiều cao tường nhỏ nhất (khi chân tường nằm ở vị trí cao) là 0.5Hm0; và lớn nhất (khi chân tường nằm ở vị trí thấp) là 3Hm0 (Hình 1. Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình được phản ánh thông qua hệ số chiết giảm tường đỉnh γv.
Với tường đỉnh thỏa mãn các điều kiện nêu trên thì có thể xác định γv như sau: - Xác định hệ số mái dốc quy đổi trong trường hợp có tường đỉnh và tường đỉnh được thay thế bằng mái dốc có độ dốc 1:1.10): 12 Khi đó độ dốc quy đổi được tính theo công thức (1.