Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, thường xuyên chịu ảnh hưởng của các cơn bão, biến đổi khí hậu, xâm nhập mặn… Các rừng phi lao, rừng ngập mặn ven bờ bị tàn phá để xây dựng resort, nuôi trồng thủy hải sản đã làm thay đổi hình thái tự nhiên của bờ biển, kết hợp với sự biến đổi khí hậu, ảnh hưởng của mưa bão đã làm sạt lở nghiêm trọng bờ biển khu vực miền Trung cho đến mũi Cà Mau.1 Công trình dân sinh chịu ảnh hưởng trực tiếp của sóng [2] Qua khảo sát thực tế và so sánh thực tế và so sánh các bản đồ địa hình xuất bản vào những năm khác nhau, trong đó đáng chú ý là bản đồ UTM tỷ lệ 1/50.000 xuất bản năm 1965 và các loại ảnh viễn thám thấy rằng, khoảng từ năm 1990 đến nay một số đoạn bờ biển đang bị xói lở tăng lên nhanh chóng và thường với cường độ khá mạnh trong khoảng thời gian đầu. Dựa trên bản đồ lịch sử từ tài liệu lưu trữ bờ biển quốc gia của Pháp (1904-1993), bản đồ phục vụ quân đội Mỹ ( Bản đồ số L7014, 1965-1993), quan sát hình ảnh vệ 1 tinh (Landsat, 1988-2017) và định vị GPS. Với những thu thập trên, ta có thể nhận thấy sự thay đổi rõ rệt đường bờ biển của đồng bằng sông Cửu Long trong giai đoạn từ năm 1903 đến năm 2017.2: Đường hồi quy bờ biển trong giai đoạn từ năm 1904 đến năm 2014 [3] Hệ thống công trình bảo vệ bở biển ở nước ta trong đó có đê biển đang đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho hàng chục triệu dân cư cùng với đất đai vùng ven biển. Tuy nhiên, các công trình bảo vệ bờ biển hiện nay phần lớn chỉ là dạng công trình kè hoặc kè kết hợp với đê biển.
Đây là dạng công trình bảo vệ truyền thống mang tính thụ động với tải trọng, và chịu toàn bộ tải trọng sóng, trong khi đó vấn đề mất an toàn công trình đê điều và xâm thực từ phía biển đang ngày gia tăng với mức độ nghiêm trọng hơn ở nhiều địa phương đòi hỏi chúng ta phải có những giải pháp khắc chế hiệu quả. Ngoài ra, trong điều kiện biến đổi khó hậu và nước biển dâng như hiện nay thì việc nâng cấp và củng cố dạng các công trình bảo vệ truyền thống nhằm thích ứng với điều kiện tải trọng sóng cũng đang gặp nhiều trở ngại và tốn kém.3: Các công trình bị hư hại cho chịu ảnh hưởng trực tiếp của sóng [4] Từ thực trạng trên, các giải pháp chủ động ngăn chặn và giảm thiểu bớt ảnh hưởng của sóng đã được nghiên cứu đề xuất và ứng dụng trong những năm trở lại đây. Một số công trình đê chắn sóng đã được xây dựng và đưa vào sử dụng như kết cấu kè cứng bê tông cốt thép, kè rọ đá, kè khối bê tông tiêu sóng, kết cấu kè sử dụng túi vật liệu rời… Trong đó, ưu điểm nhất là kết cấu đê chắn sóng rỗng bằng bê tông đang có rất nhiều ưu điểm về tính hiệu quả và sự ổn định. Tuy nhiên, dạng kết cấu của loại đê chắn sóng này rất phức tạp và chưa có tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.
Để đánh giá hiệu suất thủy động lực học của các loại đê chăn sóng rỗng hiện nay, người ta thường thường thực hiện các thí nghiêm trên mô hình thí nghiệm vật lý hoặc các công trình thực nghiệm, tuy nhiên việc thực hiện các mô hình vật lý này rất phức tạp và mất thời gian, cũng như vấn đề chi phí cao và số lượng mô hình thí nghiệm lớn. Từ thực tế đó, đề tài nghiên cứu này đề xuất một phương pháp thay thế để nghiên cứu hiệu suất thủy động lực học của kết cấu đê chắn sóng rỗng bằng công cụ mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) thay cho các mô hình thí nghiệm vật lý trước đó.2 Đê chắn sóng tại Việt Nam Dựa vào cấu tạo, vật liệu sử dụng, phạm vi bố trí và chức năng hoạt động của các loại tường chắn sóng mà chia thành rất nhiều loại đê chắn sóng chủ động bao gồm đê chắn sóng tự nhiên và đê chắn sóng nhân tạo. 3 Đê chắn sóng tự nhiên: Là những giải pháp chắn sóng có sẵn trong tự nhiên như rừng ngập mặn, rừng phi lao, các mũi đá và các rặng san hô ngầm. Tuy nhiên, do quá tác động của con người đã làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến bờ biển Việt Nam.
Các rừng phi lao, rừng ngập mặn ven bờ bị tàn phá để xây dựng resort, nuôi trồng thủy sản đã làm thay đổi hình thái tự nhiên của bờ biển, kết hợp với sự biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường do chất thải công nghiệp đã làm hệ sinh thái biển bị thay đổi, các rặng san hô dần mất đi, ảnh hưởng của mưa bão đã làm sạt lở nghiêm trọng bờ biển khu vực miền Trung cho đến mũi Cà Mau. Đê chắn sóng nhân tạo: Là các sản phẩm của thành tựu nghiên cứu khoa học con người người nhằm ứng phó với tình trạng biến đổi khí hậu gây ra các ảnh hưởng xấu như xói mòn, sạt lở và thu hẹp diện tích bờ biển. Đây là loại công trình bảo vệ bờ biển chủ động, có tác dụng ngăn chặn trực tiếp sóng biển và làm suy giảm năng lượng sóng trước khi sóng tiến vào đới liên bờ, đồng thời làm giảm tốc độ của dòng chảy vận chuyển bùn cát dọc bờ, gây bồi lắng và nuôi dưỡng những bãi cát và rừng ngập mặn phía sau công trình [5]. Trong nhóm này các loại đê chắn sóng được chia làm hai nhóm chính bao gồm đê chắn sóng kết cấu cứng như ( Tường bê tông, Tường bê tông đổ đá hộc, kè bê tông bằng cọc bê tông, các đống đá, cấu kiện Tetrapod…) và các loại đê chắn sóng kết cấu mềm mềm như các bao cát, ống địa kỹ thuật Geotube, Stabiplage.1 Rừng ngập mặn (RNM) Rừng ngập mặn (RNM) nằm ở vị trí tiếp giáp giữa hệ sinh thái cạn và sinh thái biển.
RNM là hệ sinh thái đặc trưng phân bố ở những vùng bãi triều ven biển nhiệt đới và á nhiệt đới bị ngấp nước thường xuyên hoặc định kì bởi thủy triều.Theo Larsson và cộng sự [6], RNM phân bố chủ yếu ở vùng có khí hậu ấm, nhiệt độ từ 20oC trở lên, mưa trên 1000mm/năm, độ mặn trung bình từ 15% đến 25%.Các giải RNM vùng ven biển, vùng cửa song đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc bảo vệ và phát triển đất bồi tụ, hạn chế xói lở và các quá trình xâm thực bờ biển, giảm sóng và dòng ven bờ.4: Cấu trúc RNM – Các yếu tố ảnh hưởng đến suy giảm sóng [7] Ưu điểm của RNM là rễ các loại cây ngập mặn chằng chịt, đặc biệt là những quần thể thực vật tiên phòng mọc dày đặc có tác dụng làm giảm lưu tốc, tạo điều kiện cho trầm tích bồi tụ nhanh hơn trong các vùng cửa sông ven biển. Chúng vừa ngăn chặn có hiệu quả trong hoạt động công phá bờ biển của sóng, đồng thời cũng là hệ thống cảm trở trầm tích hao hụt làm tăng cường quá trình bồi tụ trầm tích và lắng đọng. Tuy nhiên, theo các nghiên cứu hiện nay, diện tích rừng ngập mặn của Việt Nam đang giảm đáng kể, một số bờ biển đã không còn được bảo vệ bởi RNM, các giải pháp trồng rừng và cải thiện diện tích RNM đang được chính phủ đặt ra cấp bách. Đây là một quá trình cần nhiều thời gian và mang tính tương lai, chưa thể giải quyết được vấn đề xói mòn bờ biển đang diễn ra tức thời và ngày một gia tăng hiện nay.2 Kè chắn sóng bằng cây gỗ địa phương (dừa, tràm,tre, bạch đằng…) Biện pháp này sử dụng các loại cừ bằng cây gỗ ken xít thành một hàng có nẹp đầu chắn ngay trước vị trí đang chịu tác động của các tác nhân gây sát lở.
Phương án khác có thể đóng thành hai hàng nẹp đầu, ở giữa thả thêm các bó thực vật như tre, tràm có tác dụng cản chắn sóng trước khi tác động trực tiếp lên bờ phía sau. Đây là một giải pháp xử lý khá đơn giản nhưng chỉ là giải pháp tạm thời bảo vệ bờ biển trước những đợt sóng bất thường, biện pháp này chỉ sử dụng để xử lý khẩn cấp đối với những vị trí bờ biển bị xói lở và chưa kịp thi công các biện pháp kiên cố để bảo vệ.5: Kè chắn sóng bằng cừ tràm tại Cà Mau [3] Ưu điểm: Sử dụng vật liệu có sẵn tại địa phương, giá thành rẻ. Thời gian thi công nhanh, phù hợp trong trường hợp xử lý khẩn cấp những vị trí đang có diễn tiến sạt lở nhanh trước các tác nhân nhất thời. Nhược điểm: Phạm vi ứng dụng hẹp chỉ khả quan với nhứng vị trí bãi cạn do chiều dài hạn chế cũng như khả năng chịu lực của loại cừ thực vật này khá thấp.
Tuổi thọ công tình ngắn do phân hủy dưới tác động của môi trường 1.3 Kè chắn sóng bằng hàng rào tre Giải pháp này đã được tổ chức GIZ của Đức (German Agency for International Cooperation), Viện sinh thái và bảo vệ môi trường triển khai thử nghiệm ở các bãi nông có cao độ -0.2m trở lên để vá các khoảng rừng ngập mặt bị rách. Nhiều nghiên cứu về khả năng tiêu tán năng lượng sóng của giải pháp này được nghiên cứu, gần đây nhất Thiều Quang Tuấn và Mai Trọng Luân [8], nghiên cứu sóng truyền qua hàng rào tre bảo vệ rừng ngập mặt tại Đồng bằng sông Cửu Long.6: Hàng rào tre bảo vệ vành đai rừng ngập mặn non tại Cà Mau [8] Ưu điểm: Tương tự giải pháp kè chắn sóng bằng cừ tràm, giải pháp này sử dụng các vật liệu có sẵn tại địa phương, tiết kiệm chi phí, đem lại hiệu quả về kinh tế, cũng như thích hợp cho các biện pháp khẩn cấp nhằm bảo vệ các khu vực chịu ảnh hưởng xói mòn của sóng. Nhược điểm: Loại kè này không đứng vững ở độ sâu dưới 0.2m, càng không có khả năng thực thi tại bãi có cao độ -1.0m, tuổi thọ cả hàng rào tre này khoảng 2 năm.4 Đê chắn sóng cọc bê tông ly tâm Đê chắn sóng này được đóng 2 hàng cọc bê tông ly tâm cách nhau 2m, cây này cách cây kia 0.15m sau đó được thả đá hộc vào bên trong (để cho đá khỏi rơi ra ngoài) với cao trình từ +1.