Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống đê biển tỉnh Nam Định trải dài 91,5 km, trong đó tuyến đê thuộc huyện Hải Hậu chiếm 33,3 km và là đoạn bờ xung yếu chịu tác động dữ dội nhất của biển Đông. Kể từ năm 1905 khi các ghi chép đầu tiên về xói lở được thiết lập, dải bờ biển Hải Hậu liên tục biến động mạnh, gây xói lùi bờ từ vài mét đến hàng chục mét mỗi năm. Điển hình, trận bão lịch sử năm 1999 tại Nghĩa Phúc đã làm sạt lở lùi sâu bờ biển xấp xỉ 100 m. Nguy cơ mất an toàn đê điều trực tiếp đe dọa đời sống của hơn 260.000 cư dân và không gian kinh tế rộng 226 km2 của toàn huyện.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự suy giảm khả năng chịu lực của đê biển trước tác động kép từ biến đổi khí hậu, nước biển dâng và các cơn bão mạnh kèm nước dâng cao từ 0,8 m đến 2,6 m. Khi đường bờ bị kiên cố hóa, hiện tượng xói lở chuyển dịch từ phương ngang sang phương thẳng đứng, làm hạ thấp mặt bãi trước chân đê từ 15 cm đến 35 cm mỗi năm, phá hủy tầng chân khay bảo vệ. Đồng thời, hiện tượng sóng tràn qua đỉnh đê trong bão gây xói lở mặt mái phía đồng – nguyên nhân chiếm tới 45% các vụ vỡ đê biển tại Việt Nam.

Nghiên cứu được triển khai với mục tiêu đánh giá toàn diện độ ổn định trượt của thân đê thời điểm năm 2014 và dự báo mức độ suy giảm an toàn đến năm 2100 theo các kịch bản nước biển dâng của Ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu. Phạm vi nghiên cứu tập trung dọc dải ven biển Hải Hậu qua các xã Hải Đông, Hải Hòa, Hải Triều, Hải Lý, Hải Chính và thị trấn Thịnh Long. Ý nghĩa của luận văn thể hiện qua việc ứng dụng số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng thực tế để định lượng chính xác hệ số ổn định trượt, tạo luận cứ khoa học tin cậy nhằm bảo vệ nguồn vốn đầu tư công trình trị giá hàng trăm tỷ đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu tích hợp hệ thống lý thuyết thủy văn, động lực học bờ biển và cơ học đất hiện đại. Mô hình nguyên lý Bruun năm 1962 được áp dụng để xác định quy luật xói lùi đường bờ dưới ảnh hưởng của dâng cao mực nước biển. Lý thuyết xói lở do sóng bão của Kriebel và Dean năm 1993 kết hợp với công thức tính toán sóng tràn của Van der Meer năm 1998 cho phép lượng hóa lưu lượng sóng vượt qua đỉnh công trình. Sự phá hủy mái đê phía đồng do dòng chảy tràn được phân tích thông qua công thức Chezy và mô hình quan hệ vận tốc - tốc độ xói của Briaud năm 2008. Độ ổn định trượt tổng thể được thẩm định bằng phương pháp cân bằng giới hạn Morgenstern - Price.

Bốn khái niệm then chốt cấu thành khung phân tích gồm:

  • Áp lực nước lỗ rỗng: Đại lượng đo áp lực thủy tĩnh của nước tồn tại trong các lỗ rỗng của đất thân và nền đê, làm thay đổi ứng suất hữu hiệu và sức chống cắt của đất.
  • Hệ số an toàn ổn định trượt: Tỷ số giữa tổng mômen chống trượt và tổng mômen gây trượt theo mặt trượt cung tròn; công trình đạt trạng thái bền vững khi hệ số này lớn hơn 1,5 và rơi vào tình trạng mất ổn định khi nhỏ hơn 1,2.
  • Xói lở hạ thấp mặt bãi: Quá trình xói mòn thẳng đứng làm sâu thêm đáy biển sát chân đê do sóng phản xạ và dòng chảy rối cục bộ.
  • Sóng tràn đỉnh đê: Lượng nước sóng biển vượt qua cao trình đỉnh đê khi chiều cao sóng leo lớn hơn độ lưu không của công trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập thông qua 5 đợt khảo sát thực địa chuyên sâu trong giai đoạn từ tháng 9 năm 2013 đến tháng 5 năm 2015. Tổng cộng có 15 lỗ khoan địa chất được thực hiện, bao gồm các lỗ khoan tay sâu 5 m và các lỗ khoan máy XY-1 sâu tới 20 m tại xã Hải Hòa và Hải Đông. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 160 mẫu đất nguyên trạng và phá hủy, được thí nghiệm cơ lý trong phòng theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN và ASTM (như TCVN 4197-2012 xác định giới hạn Atterberg, TCVN 4199-2012 và ASTM D3080 xác định sức chống cắt).

Điểm nổi bật của phương pháp nghiên cứu là hệ thống quan trắc áp lực nước lỗ rỗng tự động gồm 7 đầu đo piezometer dây rung do hãng DGSI của Mỹ sản xuất, lắp đặt tại mặt cắt đê Km21+67 xã Hải Hòa. Dữ liệu được ghi nhận tự động 10 phút một lần và truyền về trung tâm máy chủ qua mạng 3G. Về phương pháp phân tích, phần mềm Geostudio 2007 được chọn lựa nhờ khả năng tích hợp hai mô-đun: SEEP/W mô phỏng quá trình thấm không dừng theo chu kỳ thủy triều dao động từ 2,5 m đến 3,5 m; sau đó kết quả trường áp lực thấm được chuyển trực tiếp sang SLOPE/W để tính toán hệ số an toàn trượt. Việc sử dụng số liệu áp lực nước lỗ rỗng thực tế giúp loại bỏ hoàn toàn các sai số giả định trong mô hình thủy tĩnh kinh nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Số liệu quan trắc hiện trường chứng minh áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê phản ứng nhạy bén theo chu kỳ triều lên xuống. Khi mực nước triều đạt đỉnh cộng 1,98 m, áp lực nước lỗ rỗng tại các điểm đo ở phần đáy thân đê tăng vọt, hình thành đường bão hòa dâng cao và tạo gradient thấm hướng ra mái đê phía đồng. Kết quả đối sánh giữa số liệu thực đo từ 7 đầu cảm biến và mô hình SEEP/W đạt mức tương thích trên 90%.

Phân tích ổn định trượt cho thấy ở điều kiện hiện trạng năm 2014 với triều trung bình, mái đê phía biển có hệ số an toàn đạt 1,52 (đảm bảo an toàn bền vững). Tuy nhiên, khi xét các kịch bản nước biển dâng kết hợp với mưa lớn kéo dài làm bão hòa toàn bộ thân đê, hệ số an toàn mái đê phía đồng sụt giảm mạnh xuống mức 1,18 (giảm 22,3% so với trạng thái ổn định), đẩy mái đê vào trạng thái mất cân bằng giới hạn cực kỳ nguy hiểm.

Tốc độ xói lở hạ thấp mặt bãi trước đê tại Hải Hòa và Thịnh Long được xác định từ 15 cm đến 35 cm mỗi năm, làm hẫng chân khay bảo vệ. Trong điều kiện bão cấp 10 đến 12 kết hợp triều cường, lưu lượng sóng tràn qua đê đạt trên 0,05 m3/s trên mỗi mét dài, tạo nên dòng chảy tràn có vận tốc từ 2,5 m/s đến 4,2 m/s dọc theo mái phía đồng. Vận tốc này cao gấp 3 đến 5 lần giới hạn xói cho phép của nền đất cát mịn, làm sáng tỏ nguyên nhân tại sao 45% sự cố vỡ đê xảy ra do xói mòn sạt lở từ phía sau thân đê.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sâu xa của hiện tượng mất ổn định tuyến đê biển Hải Hậu bắt nguồn từ sự thiếu hụt bùn cát nghiêm trọng trong cán cân trầm tích ven bờ. Việc vận hành hồ thủy điện Hòa Bình trên sông Đà đã giữ lại khoảng 53% tổng lượng phù sa của hệ thống sông Hồng, kết hợp với sự thoái hóa của cửa sông Hà Lạn khiến nguồn bồi tích tự nhiên bổ cập cho Hải Hậu bị cắt đứt. Cấu trúc địa tầng nền đê chủ yếu là trầm tích Holocen muộn hệ tầng Thái Bình gồm các lớp cát pha sét và cát mịn có sức chịu tải quy ước rất thấp, chỉ từ 0,6 đến 1,3 kG/cm2.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ xem xét tác động ngoại lực của sóng tác động vào mặt ngoài đê, kết quả của luận văn đã chứng minh rằng nguy cơ phá hủy nội tại do áp lực thấm và xói mòn mặt sau đê mới là yếu tố quyết định. Trên các biểu đồ phân bố lưới thấm và đồ thị suy giảm hệ số an toàn theo thời gian, sự suy giảm diễn ra nhanh nhất ở giai đoạn triều rút nhanh do áp lực nước lỗ rỗng chưa kịp tiêu tán. Điều này lý giải thực tế nhiều đoạn đê biển không bị vỡ trong lúc đỉnh bão mà lại sạt lở nghiêm trọng ngay sau khi triều rút.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao năng lực chống chịu của tuyến đê biển Hải Hậu trong bối cảnh biến đổi khí hậu giai đoạn 2025 - 2035, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  • Gia cố chống xói mái đê phía đồng bằng thảm ô ngăn địa kỹ thuật kết hợp trồng cỏ: Bọc toàn bộ 33,3 km mái đê phía đồng bằng vật liệu geocells và phủ cỏ rễ sâu bản địa nhằm giảm 75% tốc độ xói bề mặt do dòng chảy tràn. Chủ thể thực hiện: Chi cục Thủy lợi Nam Định và Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hoàn thành trước năm 2028.
  • Xây dựng tuyến đê mềm Geotube ngầm và kè mỏ hàn giảm sóng: Lắp đặt hệ thống ống địa kỹ thuật Geotube ngầm đặt song song cách bờ 150 m kết hợp kè mỏ hàn chữ T tại các xã Hải Hòa và thị trấn Thịnh Long, mục tiêu tiêu tán từ 30% đến 50% năng lượng sóng ngoài khơi và giữ cát nuôi bãi. Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2025 - 2027 do Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng tỉnh làm chủ đầu tư.
  • Khôi phục và mở rộng dải rừng ngập mặn phòng hộ: Trồng mới từ 50 đến 100 hecta rừng cây trang, vẹt tại các bãi bồi ven biển xã Hải Đông nhằm giảm chiều cao sóng từ 4 đến 20 lần trước khi tiếp cận thân đê. Đơn vị chủ trì: Ủy ban nhân dân huyện Hải Hậu phối hợp cùng các tổ chức tài trợ môi trường trong giai đoạn 2026 - 2030.
  • Cải tạo kết cấu đỉnh đê và xây dựng bể tiêu năng bẫy sóng: Xây dựng tường đỉnh cong cao 0,6 m kết hợp rãnh thu nước đỉnh đê để triệt tiêu 100% dòng nước tràn cục bộ, đồng thời nâng cấp mạng lưới trạm quan trắc áp lực nước lỗ rỗng tự động với tần suất truyền tin 10 phút một lần nhằm phục vụ cảnh báo thiên tai tức thời.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước về phòng chống thiên tai và thủy lợi: Điển hình là Cục Quản lý Đê điều và Phòng chống Thiên tai, Chi cục Thủy lợi các tỉnh ven biển Đồng bằng Bắc Bộ; ứng dụng các số liệu dự báo xói lở và kịch bản ngập lụt để lập quy hoạch hành lang bảo vệ đê điều và phân bổ ngân sách đầu tư công hiệu quả.
  • Đơn vị tư vấn, thiết kế và thi công công trình ven biển: Các kỹ sư công trình thủy lợi có thể sử dụng quy trình tính toán sóng tràn theo Van der Meer và phương pháp mô phỏng số thấm - trượt trên phần mềm Geostudio làm tài liệu chuẩn mực khi lập hồ sơ thiết kế nâng cấp đê biển.
  • Viện nghiên cứu, trường đại học và học viên sau đại học: Các nhà khoa học thuộc chuyên ngành Địa kỹ thuật, Địa chất công trình, Kỹ thuật bờ biển có thể khai thác bộ dữ liệu thực nghiệm 160 mẫu cơ lý và chuỗi số liệu quan trắc piezometer tự động làm tài liệu tham khảo giá trị cho các công trình nghiên cứu mở rộng.
  • Các tổ chức quốc tế và tổ chức phi chính phủ về biến đổi khí hậu: Nhóm chuyên gia đánh giá rủi ro thiên tai có thể sử dụng các chỉ số định lượng về tốc độ mất ổn định đê và hạ thấp mặt bãi làm cơ sở xây dựng các dự án viện trợ hạ tầng thích ứng và bảo tồn sinh thái đới bờ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đê biển huyện Hải Hậu là trọng điểm xung yếu nhất của tỉnh Nam Định? Tuyến đê Hải Hậu dài 33,3 km trong tổng số 91,5 km đê biển toàn tỉnh nhưng nằm ở vị trí doi bờ nhô ra biển Đông, hứng chịu trực tiếp sóng bão mạnh có chiều cao lên đến 3,2 m. Thêm vào đó, việc suy giảm 53% lượng phù sa thượng lưu khiến vùng bờ này chịu áp lực xói lở liên tục suốt từ năm 1905 đến nay.

Sóng tràn qua đỉnh đê gây phá hủy công trình theo cơ chế nào? Khi triều cường và nước dâng trong bão cao từ 0,8 m đến 2,6 m vượt quá độ cao lưu không của đê, sóng tràn qua đỉnh tạo dòng chảy với vận tốc từ 2,5 m/s đến 4,2 m/s dọc mái phía đồng. Dòng nước này bóc mòn lớp đất cát mịn của thân đê, khoét sâu thành rãnh xói và dẫn đến trượt lở phá hủy toàn bộ công trình từ phía sau.

Số liệu áp lực nước lỗ rỗng thực đo mang lại giá trị gì trong tính toán ổn định đê? Bảy đầu đo piezometer tự động truyền dữ liệu 10 phút một lần giúp xác định chính xác sự hình thành và tiêu tán của áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê theo biên độ triều từ 2,5 m đến 3,5 m. Việc này giúp mô phỏng đúng trường thấm thực tế thay vì sử dụng giả định thủy tĩnh tĩnh bức, nâng cao độ tin cậy của hệ số an toàn trượt Fs.

Giải pháp đê mềm Geotube đóng vai trò gì trong việc bảo vệ bãi biển Hải Hậu? Geotube là ống vải địa kỹ thuật chứa đầy cát đặt chìm ngoài biển, có chức năng như một đê phá sóng ngầm giúp tiêu giảm từ 15% đến 50% năng lượng sóng trước khi vào bờ. Công trình tạo ra vùng nước tĩnh để giữ lại bùn cát, ngăn chặn tốc độ hạ thấp mặt bãi vốn đang ở mức 15 cm đến 35 cm mỗi năm.

Sự xây dựng hồ chứa thủy điện Hòa Bình ảnh hưởng thế nào đến ổn định bờ biển Hải Hậu? Hồ chứa thủy điện Hòa Bình khi đi vào vận hành đã giữ lại 53% lượng bùn cát mịn của hệ thống sông Hồng. Sự suy giảm nguồn bồi tích kết hợp với việc cửa sông Hà Lạn bị bồi tắc đã làm cán cân trầm tích ven bờ Hải Hậu bị âm nghiêm trọng, biến khu vực này thành điểm nóng xói lở bờ biển.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện mức độ ổn định của tuyến đê biển Hải Hậu dài 33,3 km, dự báo hệ số an toàn trượt sẽ suy giảm nghiêm trọng xuống dưới 1,18 vào năm 2100 dưới tác động của biến đổi khí hậu.
  • Đóng góp khoa học then chốt là việc tích hợp thành công chuỗi dữ liệu thực đo từ 7 đầu đo áp lực nước lỗ rỗng tự động vào mô hình số Geostudio để mô phỏng chính xác trường thấm phi dừng trong thân đê.
  • Nghiên cứu đã làm rõ hai cơ chế phá hủy đê nguy hiểm nhất là sóng tràn gây xói lở mái phía đồng (chiếm 45%) và xói ngầm hạ thấp mặt bãi làm mất chân khay (chiếm 28%).
  • Đề xuất hoàn chỉnh lộ trình giải pháp kỹ thuật đa tầng giai đoạn 2025 - 2035, kết hợp giữa đê mềm Geotube, phủ cỏ ô ngăn geocells và phục hồi 50 đến 100 hecta rừng ngập mặn phòng hộ.
  • Khuyến nghị các cơ quan ban ngành nhanh chóng triển khai hệ thống quan trắc áp lực thấm tự động trên toàn tuyến và cập nhật tiêu chuẩn thiết kế đê biển thích ứng với các kịch bản nước biển dâng cực đoan.