Luận văn thạc sĩ về ổn định mái hạ lưu đê biển khi có sóng và triều cường

• Tác giả: Phạm Văn Tuấn
• Người hướng dẫn: GS. Ngô Tri Viêng
• Trường học: Đại học Thủy Lợi
• Đề tài: Nghiên cứu ổn định mái hạ lưu đê biển bằng cỏ gia cố trước sóng và triều cường
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM KẾT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HÌNH THỨC VÀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI HẠ LƯU ĐÊ BIỂN KHI CÓ NƯỚC TRÀN QUA
• 1.1. Tổng quan các đê biển thường có nước biển tràn qua
• 1.1.1. Đê biển Bắc Bộ (từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa)
• 1.1.2. Đê biển Trung Bộ (từ Thanh Hóa đến Thuận Hải)
• 1.1.3. Đê biển Nam Bộ (từ Đồng Nai đến Kiên Giang)
• 1.1.4. Các giải pháp bảo vệ mái đê đã được áp dụng
• 1.1.4.1. Bảo vệ bằng kè lát mái
• 1.1.4.2. Bảo vệ mái bằng thực vật
• 1.1.4.3. Một số kết cấu bảo vệ mái khác
• 1.2. Đặc điểm và điều kiện tìm việc
• 1.3. Đánh giá nguyên nhân hư hỏng mái
• 1.3.1. Nguyên nhân hư hỏng do lũ sông
• 1.3.2. Nguyên nhân từ phá biến
• 1.3.3. Nguyên nhân do thiết kế
• 1.3.4. Nguyên nhân do thi công công trình
• 1.3.5. Nguyên nhân do quản lý
• 1.4. Nhận xét và kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC
• 2.1. Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn
• 2.1.1. Khái niệm cơ bản
• 2.1.2. Lưu lượng sóng tràn qua đê
• 2.1.3. Dòng chảy sóng tràn trên đê
• 2.2. Tổng quan về nghiên cứu xói mái hạ lưu đê biển khi có sóng tràn qua
• 2.2.1. Mô hình vật lý về khả năng chịu xói của mái đê phía đồng dưới tác dụng của sóng tràn
• 2.2.2. Mô hình hóa xói mái trong đê biển mái cỏ
• 2.2.3. Nhận xét
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO MỘT ĐOẠN ĐÊ KHI CÓ SÓNG TRÀN QUA
• 3.1. Giới thiệu chương trình
• 3.2. Giới thiệu về chương trình BREID và các bước thực hiện
• 3.3. Các điều kiện đầu vào
• 3.4. Kết quả tính toán
• 3.5. Nhận xét kết quả tính toán
• 3.6. Giới thiệu về công nghệ lưới địa kỹ thuật (Geogrid) và ô địa kỹ thuật (Geocell) trong gia cố ổn định nền và mái dốc
• 3.6.1. Lưới địa kỹ thuật (Geogrid)
• 3.6.2. Ô địa kỹ thuật (Geocell)
• 3.6.3. Một số kết quả thí nghiệm xác định khả năng chịu xói của mái cỏ có gia cố
• 3.6.3.1. Đối với cỏ không gia cố
• 3.6.3.2. Đối với mái cỏ được gia cố bằng Geogrid 6,5x6,5cm
• 3.6.3.3. Đối với mái cỏ được gia cố bằng Geogrid
• 3.6.3.4. Đối với mái có gia cố bằng Geocell
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Những kết quả đạt được
• 4.2. Tồn tại và kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về mái hạ lưu đê biển

Mái hạ lưu của đê biển đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các công trình và khu vực ven biển trước tác động của sóng và triều cường. Đê biển Việt Nam có chiều dài lớn và được xây dựng từ rất sớm, nhưng hiện nay vẫn chưa ổn định hoàn toàn do thiết kế chỉ đáp ứng được các điều kiện thời tiết bình thường. Khi có sóng lớn và triều cường, mái hạ lưu thường bị xói mòn, dẫn đến nguy cơ vỡ đê. Việc nghiên cứu các giải pháp bảo vệ mái hạ lưu là rất cần thiết nhằm đảm bảo an toàn cho các công trình ven biển và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

1.1. Các loại đê biển và đặc điểm

Việt Nam có ba vùng biển chính: Bắc Bộ, Trung Bộ và Nam Bộ, mỗi vùng có đặc điểm riêng về cấu trúc và chức năng của đê biển. Đê biển Bắc Bộ thường có biên độ triều cao và chịu tác động mạnh từ sóng. Đê biển Trung Bộ lại có nhiều cổng thoát nước, nhưng cũng dễ bị hư hỏng do mưa lớn và bão. Đê biển Nam Bộ có chiều dài ngắn hơn nhưng cũng gặp khó khăn trong việc quản lý nước, đặc biệt trong mùa mưa. Việc hiểu rõ đặc điểm của từng vùng sẽ giúp đưa ra giải pháp bảo vệ mái hạ lưu hiệu quả hơn.

II. Cơ chế phá hoại mái hạ lưu

Cơ chế phá hoại mái hạ lưu do tác động của sóng và triều cường rất phức tạp. Sóng lớn có thể gây ra xói mòn mạnh ở chân mái, trong khi triều cường làm tăng áp lực lên mái hạ lưu. Việc nghiên cứu các yếu tố như tốc độ sóng, chiều cao sóng và đặc điểm vật liệu mái hạ lưu là cần thiết để xác định mức độ an toàn của đê. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc gia cố mái bằng cỏ có thể làm giảm đáng kể mức độ xói mòn, nhờ vào khả năng giữ đất và tạo ra lớp bảo vệ tự nhiên. Đây là một giải pháp tiềm năng cho việc bảo vệ đê biển.

2.1. Tác động của sóng

Sóng biển có thể gây ra xói mòn mạnh mẽ ở mái hạ lưu đê biển. Khi sóng tràn qua đỉnh đê, áp lực tác động lên mái hạ lưu tăng lên, làm cho đất bị cuốn trôi. Các mô hình toán học và thực nghiệm cho thấy rằng việc thiết kế mái hạ lưu với độ dốc phù hợp và vật liệu gia cố có thể giảm thiểu tác động xói mòn. Một nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng mái cỏ gia cố có thể làm giảm đáng kể xói mòn do sóng, nhờ vào khả năng giữ nước và giảm tốc độ dòng chảy.

III. Giải pháp bảo vệ mái hạ lưu bằng cỏ gia cố

Giải pháp bảo vệ mái hạ lưu bằng cỏ gia cố đã được nghiên cứu và áp dụng tại nhiều địa phương. Cỏ không chỉ có khả năng giữ đất mà còn tạo ra một lớp bảo vệ tự nhiên, giúp giảm thiểu xói mòn do sóng và triều cường. Việc lựa chọn loại cỏ phù hợp và cách trồng cỏ cũng rất quan trọng để đạt được hiệu quả bảo vệ tối ưu. Nghiên cứu cho thấy rằng cỏ Vetiver là một trong những loại cỏ hiệu quả nhất trong việc bảo vệ mái hạ lưu. Đặc điểm rễ sâu và khả năng chịu mặn của cỏ Vetiver giúp tăng cường độ ổn định cho mái hạ lưu.

3.1. Tính hiệu quả của cỏ gia cố

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng mái hạ lưu được gia cố bằng cỏ có khả năng chịu lực tốt hơn so với mái hạ lưu thông thường. Cỏ gia cố giúp làm giảm tốc độ dòng chảy và giữ nước trên mái, từ đó giảm thiểu xói mòn. Kết quả từ các mô hình thử nghiệm cho thấy mái hạ lưu gia cố bằng cỏ có thể chịu được sóng lớn hơn và triều cường cao hơn mà không bị hư hỏng. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng cỏ gia cố là một giải pháp bền vững và hiệu quả cho việc bảo vệ đê biển.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Việc nghiên cứu ổn định mái hạ lưu đê biển bằng cỏ gia cố trước sóng và triều cường là rất cần thiết trong bối cảnh biến đổi khí hậu và gia tăng tần suất bão lũ. Các giải pháp bảo vệ mái hạ lưu cần được áp dụng rộng rãi hơn để đảm bảo an toàn cho các công trình ven biển. Cần có các nghiên cứu tiếp theo để đánh giá hiệu quả lâu dài của cỏ gia cố trong điều kiện thực tế. Khuyến nghị các cơ quan chức năng nên xem xét áp dụng các giải pháp này trong quy hoạch và xây dựng các công trình ven biển, nhằm đảm bảo an toàn cho cộng đồng và tài sản.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu về các loại cỏ khác nhau và phương pháp trồng cỏ hiệu quả nhất cho từng loại mái hạ lưu. Việc kết hợp giữa cỏ gia cố và các biện pháp bảo vệ khác như lưới địa kỹ thuật cũng cần được xem xét để tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ. Các nghiên cứu này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc ứng phó với các thách thức từ thiên nhiên.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài khoảng 3.260 km, với 89 cửa sông và hơn 3.000 hòn đảo, tạo nên tiềm năng to lớn cho phát triển kinh tế biển và vùng cửa sông ven biển. Hệ thống đê biển đóng vai trò lá chắn quan trọng bảo vệ an toàn dân cư và các công trình hạ tầng ven biển. Tuy nhiên, hiện trạng đê biển Việt Nam còn nhiều hạn chế, đặc biệt là khả năng chịu sóng tràn và triều cường còn thấp, chỉ thiết kế chống được bão cấp 10 trở xuống trong khi thực tế đã xuất hiện bão cấp 11, 12 gây thiệt hại nghiêm trọng. Nước tràn qua đê, đặc biệt là sóng tràn, là nguyên nhân chính gây xói lở mái hạ lưu và vỡ đê, làm ngập lụt và thiệt hại lớn cho vùng ven biển.

Luận văn tập trung nghiên cứu cơ chế phá hoại mái hạ lưu đê biển khi có sóng và triều cường tràn qua, đồng thời đề xuất giải pháp khắc phục bằng biện pháp gia cố mái đê bằng cỏ có gia cố. Mục tiêu cụ thể là đánh giá các biện pháp gia cố mái hạ lưu, đi sâu vào giải pháp trồng cỏ gia cố, kết hợp mô hình toán và thực nghiệm để tìm ra giải pháp tối ưu, áp dụng tính toán cho một đoạn đê thực tế. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các vùng đê biển miền Bắc, Trung và Nam Việt Nam, với dữ liệu thu thập từ các dự án đầu tư, thí nghiệm mô hình và quan trắc thực tế trong khoảng thời gian gần đây.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, góp phần nâng cao độ bền vững của hệ thống đê biển, giảm thiểu thiệt hại do sóng tràn và triều cường, đồng thời cung cấp cơ sở thiết kế và quản lý đê biển hiệu quả hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn, bao gồm:

• Lý thuyết sóng tràn qua đê (Wave Overtopping Theory): Mô tả hiện tượng sóng vượt qua đỉnh đê, tạo ra dòng chảy trên mái đê phía trong, gây xói lở và phá hoại kết cấu. Lượng sóng tràn được xác định qua các tham số như độ lưu không của đỉnh đê, chiều cao sóng leo, và hệ số sóng vỡ (Eurotop, 2007).

• Mô hình dòng chảy sóng tràn trên đỉnh đê và mái trong: Phân tích vận tốc, độ sâu dòng chảy sóng tràn, ảnh hưởng đến khả năng xói lở và ổn định mái đê (Schitrumpf và Oumeraci, 2005).

• Khái niệm gia cố mái đê bằng thực vật và vật liệu địa kỹ thuật: Bao gồm các khái niệm về tác dụng gia cố của bộ rễ cỏ Vetiver, lưới địa kỹ thuật Geogrid và Geocell trong tăng cường sức chịu tải và chống xói mái đê.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: sóng tràn, lưu lượng sóng tràn, độ lưu không đỉnh đê, mái hạ lưu đê biển, gia cố mái bằng cỏ có gia cố, và vật liệu địa kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

• Dữ liệu quan trắc sóng, triều cường và mực nước tại các trạm ven biển và cửa sông.

• Kết quả thí nghiệm mô hình sóng tràn trên máng sóng tỷ lệ nhỏ và lớn tại Đại học Thủy Lợi.

• Thí nghiệm kiểm định khả năng chịu xói của mái đê bằng cỏ và các vật liệu gia cố địa kỹ thuật.

• Dữ liệu thực tế từ các dự án đầu tư, củng cố đê biển tại các tỉnh miền Bắc, Trung và Nam.

Phương pháp phân tích kết hợp mô hình toán học tính toán lượng sóng tràn, dòng chảy sóng tràn trên đỉnh đê và mái trong, cùng với phân tích thực nghiệm để đánh giá hiệu quả các biện pháp gia cố mái đê. Cỡ mẫu thí nghiệm mô hình bao gồm nhiều hệ số mái đê và điều kiện sóng khác nhau, được chọn lựa dựa trên đặc điểm khí tượng thủy văn vùng nghiên cứu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2-3 năm, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, thí nghiệm mô hình, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Sóng tràn qua đê là nguyên nhân chính gây phá hoại mái hạ lưu: Lưu lượng sóng tràn qua đỉnh đê có thể lên tới hàng trăm lít trên giây trên một mét chiều dài đê, với vận tốc dòng chảy trên mái đê phía trong có thể vượt 4 m/s, gây xói lở nghiêm trọng. Tỷ lệ sóng tràn tăng khi độ lưu không đỉnh đê giảm, đặc biệt khi mực nước triều và sóng leo cao.

2. Gia cố mái đê bằng cỏ Vetiver có hiệu quả cao: Cỏ Vetiver với bộ rễ ăn sâu và khả năng mọc nhanh tạo thành hàng rào kín, tăng sức kháng thủy lực, giảm vận tốc dòng chảy và giữ đất không bị cuốn trôi. Thí nghiệm cho thấy mái đê có gia cố cỏ Vetiver chịu được lưu lượng sóng tràn cao hơn khoảng 50% so với mái đê chỉ trồng cỏ thông thường.

3. Vật liệu địa kỹ thuật Geogrid và Geocell gia cố mái đê tăng khả năng chống xói: Thí nghiệm mô hình cho thấy mái đê được gia cố bằng Geogrid 6,5x6,5 cm giảm sâu xói lở sau 30 con sóng thử nghiệm đáng kể so với mái không gia cố. Geocell cũng giúp phân bố tải trọng đều, tăng độ ổn định mái đê.

4. Thiết kế đê biển hiện tại chưa tính đến sóng tràn đầy đủ: Cao trình đỉnh đê thiết kế thấp hơn thực tế ít nhất 20%, dẫn đến hiện tượng sóng và nước tràn qua đê thường xuyên, gây hư hỏng mái đê. Các công thức tính sóng leo và nước dâng còn mang tính kinh nghiệm, chưa phản ánh chính xác cơ chế phá hoại thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sóng tràn phá hoại mái đê chủ yếu do thiết kế đê chưa tính toán đầy đủ các yếu tố sóng leo, nước dâng và triều cường kết hợp. So với các nghiên cứu quốc tế, Việt Nam còn thiếu các tiêu chuẩn sóng tràn cụ thể, dẫn đến việc bảo vệ mái đê chưa hiệu quả. Việc áp dụng biện pháp gia cố mái đê bằng cỏ Vetiver và vật liệu địa kỹ thuật là giải pháp thân thiện môi trường, chi phí thấp và có hiệu quả cao trong việc tăng cường ổn định mái đê.

Dữ liệu mô hình và thực nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng sóng tràn theo độ lưu không đỉnh đê, bảng so sánh độ sâu xói lở mái đê với và không gia cố, cũng như hình ảnh mô phỏng dòng chảy sóng tràn trên mái đê. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong khu vực và quốc tế, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc cập nhật tiêu chuẩn thiết kế đê biển Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cao trình đỉnh đê thiết kế: Điều chỉnh cao trình đỉnh đê tối thiểu cao hơn mực nước triều kết hợp sóng leo và triều cường, nhằm giảm thiểu sóng tràn qua đê. Thời gian thực hiện trong 3-5 năm, chủ thể thực hiện là Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp với các địa phương.

2. Áp dụng biện pháp gia cố mái đê bằng cỏ Vetiver có gia cố: Triển khai trồng cỏ Vetiver kết hợp với lưới địa kỹ thuật Geogrid hoặc Geocell trên mái hạ lưu đê biển để tăng cường khả năng chống xói. Thời gian thực hiện 1-2 năm cho các đoạn đê trọng điểm, chủ thể là các đơn vị quản lý đê và nhà thầu thi công.

3. Cập nhật và hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế đê biển: Xây dựng tiêu chuẩn sóng tràn, lưu lượng sóng tràn cho phép phù hợp với điều kiện khí tượng thủy văn Việt Nam, làm cơ sở thiết kế và đánh giá an toàn đê biển. Chủ thể là Viện Khoa học Thủy lợi và Bộ Xây dựng, thời gian 2-3 năm.

4. Tăng cường quản lý, giám sát và bảo dưỡng đê biển: Thiết lập hệ thống giám sát thường xuyên, kiểm tra chất lượng vật liệu, quy trình thi công và bảo dưỡng mái đê, đặc biệt là các vị trí chuyển tiếp và chân đê. Chủ thể là các cơ quan quản lý đê điều các cấp, thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách về đê biển: Giúp hiểu rõ cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn, từ đó xây dựng chính sách đầu tư, bảo trì và nâng cấp hệ thống đê biển hiệu quả.

2. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi, đê biển: Cung cấp kiến thức về các phương pháp gia cố mái đê bằng cỏ và vật liệu địa kỹ thuật, áp dụng mô hình toán và thực nghiệm trong thiết kế.

3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy lợi, kỹ thuật xây dựng: Là tài liệu tham khảo khoa học về cơ chế sóng tràn, mô hình dòng chảy sóng tràn và giải pháp gia cố mái đê thân thiện môi trường.

4. Các đơn vị quản lý và vận hành đê biển: Hỗ trợ trong công tác giám sát, bảo dưỡng và đánh giá an toàn đê biển, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý và phòng chống thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

1. Sóng tràn là gì và tại sao nó gây hư hỏng đê biển?
   Sóng tràn là hiện tượng sóng vượt qua đỉnh đê khi mực nước biển kết hợp sóng leo cao hơn cao trình đỉnh đê. Lưu lượng sóng tràn lớn gây dòng chảy mạnh trên mái đê phía trong, làm xói lở lớp bảo vệ và gây trượt mái đê, dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng.

2. Tại sao mái đê được gia cố bằng cỏ Vetiver lại hiệu quả?
   Cỏ Vetiver có bộ rễ sâu, mọc nhanh, tạo thành hàng rào kín giúp liên kết các hạt đất, tăng sức kháng thủy lực, giảm vận tốc dòng chảy và giữ đất không bị cuốn trôi. Thí nghiệm cho thấy mái đê có cỏ Vetiver chịu được lưu lượng sóng tràn cao hơn khoảng 50% so với mái đê không gia cố.

3. Vật liệu địa kỹ thuật Geogrid và Geocell có vai trò gì trong gia cố mái đê?
   Geogrid và Geocell giúp phân bố đều tải trọng, tăng cường liên kết đất, giảm xói lở và tăng độ ổn định mái đê. Thí nghiệm mô hình cho thấy các vật liệu này làm giảm sâu xói lở đáng kể sau các đợt sóng thử nghiệm.

4. Hiện trạng thiết kế đê biển Việt Nam có điểm gì cần cải thiện?
   Cao trình đỉnh đê thiết kế thấp hơn thực tế ít nhất 20%, chưa tính đầy đủ sóng tràn và triều cường kết hợp, dẫn đến sóng và nước tràn qua đê thường xuyên, gây hư hỏng mái đê. Tiêu chuẩn sóng tràn chưa được cập nhật phù hợp với điều kiện khí tượng thủy văn hiện nay.

5. Làm thế nào để quản lý và bảo dưỡng đê biển hiệu quả hơn?
   Cần thiết lập hệ thống giám sát thường xuyên, kiểm tra chất lượng vật liệu và thi công, bảo dưỡng kịp thời các vị trí hư hỏng nhỏ để tránh lan rộng. Đồng thời, quản lý khai thác cát, bảo vệ rừng ngập mặn và tuân thủ quy định về sử dụng đê biển.

Kết luận

• Sóng tràn và triều cường là nguyên nhân chính gây phá hoại mái hạ lưu đê biển, với lưu lượng sóng tràn có thể lên tới hàng trăm lít trên giây trên một mét chiều dài đê.
• Gia cố mái đê bằng cỏ Vetiver kết hợp vật liệu địa kỹ thuật như Geogrid, Geocell là giải pháp hiệu quả, thân thiện môi trường và chi phí hợp lý.
• Thiết kế đê biển hiện tại cần được cập nhật để tính toán đầy đủ sóng tràn và triều cường, nâng cao cao trình đỉnh đê và tiêu chuẩn bảo vệ mái đê.
• Quản lý, giám sát và bảo dưỡng đê biển cần được tăng cường để đảm bảo an toàn và bền vững công trình.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế, thi công và quản lý đê biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

Next steps: Triển khai áp dụng giải pháp gia cố mái đê bằng cỏ có gia cố tại các đoạn đê trọng điểm, đồng thời phối hợp xây dựng tiêu chuẩn sóng tràn mới phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Call to action: Các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu cần phối hợp chặt chẽ để cập nhật tiêu chuẩn, áp dụng công nghệ mới và nâng cao hiệu quả bảo vệ đê biển, góp phần phát triển kinh tế biển bền vững.