Nghiên Cứu Sóng Tràn Qua Đê Biển Có Tường Đỉnh Ở Bắc Bộ

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh ở bắc bộ compressed, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Văn Thìn
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Bá Quỳ
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Sóng Tràn Qua Đê Biển Có Tường Đỉnh Ở Bắc Bộ
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Sóng Tràn Qua Đê Biển Có Tường Đỉnh

Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh là một lĩnh vực quan trọng trong quản lý đê điều ở Việt Nam, đặc biệt là ở Bắc Bộ. Với bờ biển dài và thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai, việc hiểu rõ về sóng tràn và tác động của nó đến đê biển là cần thiết. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng sóng tràn có thể gây ra hư hại nghiêm trọng cho đê, ảnh hưởng đến tính mạng và tài sản của người dân. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp giảm thiểu sóng tràn là rất quan trọng.

1.1. Tình Hình Nghiên Cứu Sóng Tràn Trên Thế Giới

Nhiều quốc gia trên thế giới đã thực hiện các nghiên cứu sâu rộng về sóng tràn qua đê biển. Các nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn bao gồm các thí nghiệm thực tế để đánh giá tác động của sóng đến các công trình đê biển. Các kết quả từ những nghiên cứu này đã được áp dụng vào thực tiễn xây dựng đê biển ở nhiều quốc gia.

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu Sóng Tràn Ở Việt Nam

Việt Nam có một hệ thống đê biển dài và quan trọng, nhưng nghiên cứu về sóng tràn qua đê biển vẫn còn hạn chế. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sóng tràn và đề xuất các giải pháp kỹ thuật để giảm thiểu tác động của sóng đến đê biển.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Sóng Tràn

Sóng tràn qua đê biển gây ra nhiều thách thức cho việc quản lý và bảo vệ bờ biển. Các yếu tố như biến đổi khí hậu, nước biển dâng và tần suất thiên tai ngày càng gia tăng đã làm cho tình hình trở nên nghiêm trọng hơn. Việc thiết kế đê biển với chiều cao và độ bền phù hợp là một thách thức lớn, đặc biệt là trong bối cảnh ngân sách hạn chế.

2.1. Nguyên Nhân Gây Hư Hỏng Đê Biển

Các nguyên nhân chính gây hư hỏng đê biển bao gồm sóng tràn, bão và triều cường. Sóng tràn có thể làm giảm độ bền của đê, dẫn đến nguy cơ vỡ đê và gây thiệt hại lớn cho các khu vực ven biển.

2.2. Tác Động Của Biến Đổi Khí Hậu

Biến đổi khí hậu đã làm tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan, như bão và triều cường. Điều này đã làm gia tăng nguy cơ sóng tràn qua đê biển, đe dọa đến an toàn của các công trình và cộng đồng ven biển.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Sóng Tràn Qua Đê Biển

Để nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh, các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa được áp dụng. Các thí nghiệm sóng tràn được thực hiện trong các điều kiện khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn và tính chất dòng chảy.

3.1. Mô Hình Vật Lý Nghiên Cứu Sóng Tràn

Mô hình vật lý được sử dụng để mô phỏng các điều kiện thực tế của sóng tràn qua đê biển. Các thí nghiệm này giúp xác định các tham số quan trọng như lưu lượng sóng tràn và chiều cao sóng bắn.

3.2. Phân Tích Kết Quả Thí Nghiệm

Kết quả từ các thí nghiệm sóng tràn sẽ được phân tích để xác định mối quan hệ giữa các yếu tố như chiều cao tường đỉnh và lưu lượng sóng tràn. Điều này giúp đưa ra các khuyến nghị cho thiết kế đê biển hiệu quả hơn.

IV. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Vào Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh sẽ được áp dụng vào thực tiễn xây dựng và quản lý đê biển. Việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật hiệu quả sẽ giúp giảm thiểu tác động của sóng tràn và bảo vệ an toàn cho các khu vực ven biển.

4.1. Tính Toán Sóng Tràn Qua Đê Biển Giao Thủy

Nghiên cứu sẽ áp dụng các phương pháp tính toán sóng tràn để đánh giá tình hình cụ thể tại đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định. Kết quả sẽ giúp đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý cho đê biển.

4.2. Đề Xuất Mặt Cắt Ngang Đê Biển

Dựa trên kết quả nghiên cứu, mặt cắt ngang đê biển sẽ được đề xuất để đảm bảo tính bền vững và khả năng chống chịu với sóng tràn. Điều này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả bảo vệ bờ biển.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay. Các kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp vào việc cải thiện thiết kế và quản lý đê biển, đồng thời bảo vệ an toàn cho cộng đồng ven biển.

5.1. Những Đóng Góp Mới Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn và đề xuất các giải pháp kỹ thuật mới cho thiết kế đê biển. Những đóng góp này sẽ giúp nâng cao độ tin cậy trong tính toán sóng tràn.

5.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về tương tác giữa sóng và tường đỉnh, cũng như phát triển các công nghệ mới để giảm thiểu tác động của sóng tràn. Điều này sẽ góp phần bảo vệ bờ biển và phát triển bền vững cho các khu vực ven biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí nghiệm sóng đơn [44]. Cho đến nay, đã có hàng vạn các thí nghiệm đang được tiến hành ở nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, chủ yếu là ở Châu Âu nghiên cứu thực nghiệm của sóng leo và sóng tràn qua các kết cấu công trình biển. Các thí nghiệm sau này được thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với các điều kiện tự nhiên hơn như: sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, kết cấu công trình đa dang. [9]; Owen (1980) dựa trên số lượng hàng ngàn thí nghiệm mô hình sóng ngẫu nhiên, bước đầu đã xây dựng được công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình mái nhẵn.

Các nghiên cứu sau đó của Owen cũng đã xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê [40]; De Waal and Van der Meer (1992) đã tiếp tục 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. Các kết quả nghiên cứu này vẫn 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%[17]; Van der Meer and Janssen (1995) đã cải tiến các công thức tính toán trước đó, sóng tràn tính toán trực tiếp thông qua độ lưu không tương đối Rc/Hs. Sóng tràn còn phụ thuộc vào tính chất tương tác sóng với công trình thể hiện qua các sóng vỡ và sóng không vỡ.

Trong nghiên cứu này đã xây dựng được công thức tính toán sóng tràn có thể áp dụng cho đê có cơ ở phía biển và xem xét độ nhám của mái đê [59]; TAW (2002), EurOtop (2007) đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua đê 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 được sử dụng phổ biến [50][19]. Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam Nước ta có hơn 3260km bờ biển, 89 cửa sông và hơn 3000 hòn đảo, dọc theo bờ biển là 29 tỉnh và các thành phố, hải cảng, khu công nghiệp, dầu khí, khu đánh bắt và nuôi trồng thủy sản. Vì thế, nước ta có một tiềm năng to lớn trong phát triển kinh tế biển và vùng 6 ven biển.

Hệ thống đê biển, đê cửa sông được xây dựng và phát triển theo thời gian do nhiều thế hệ người Việt Nam xây đắp [1]. Đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh tương đối thấp, nên khi có bão, triều cường và nước biển dâng thì hệ thống đê biển quan trọng này luôn bị đe dọa tràn nước dẫn đến vỡ đê. Khi thiết kế dù đã tuân theo các quy phạm hiện hành, nhưng do những biến động lớn về môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu, tần suất và cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, đặc biệt là: bão, triều cường và nước biển dâng làm cho nguy cơ tràn nước qua đê gây ra những thảm họa lớn về người, tài sản và môi trường sinh thái ở các vùng ven biển. Do đó, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở Việt Nam vẫn là vấn đề thời sự.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1] Để nâng cao trình độ về kỹ thuật, công nghệ thiết kế thi công đê biển dần tiếp cận với trình độ khu vực và thế giới.

Trong những năm qua, nhà nước đã đầu tư khá mạnh cho việc nghiên cứu đê biển như: nghiên cứu xác định mặt cắt ngang hợp lý, nghiên cứu công nghệ vật liệu xây dựng đê biển. Tuy nhiên, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển vẫn còn khá khiêm tốn và chưa thật đầy đủ. Trong phạm vi nghiên cứu này tác giả chỉ giới thiệu các nghiên cứu trong nước liên quan mật thiết đến mục tiêu của luận án: Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2006, 2009, 2010, 2013) đã tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý kết hợp với phân tích lý thuyết cho các kịch bản khác nhau, có điều kiện biên 7 sát với thực tế của đê biển Việt Nam. Các nghiên cứu này đã đánh giá độ tin cậy của TAW (2002) và xây dựng được các cơ sở khoa học quan trọng cho việc tính toán sóng tràn qua đê biển ở Việt Nam [55][56][57][58]; Vũ Minh Cát và cộng sự (2008) Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam [1]; Ngô Trí Viềng và cộng sự (2010) Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp khoa học công nghệ đảm bảo sự ổn định và độ bền của đê biển hiện có trong trường hợp sóng, triều cường tràn qua đê [10]; Phạm Ngọc Quý và cộng sự (2012) Nghiên cứu mặt cắt đê biển hợp lý từ Quảng Ngãi đến Bà Rịa Vũng tàu [6].

Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu Nguyên nhân hư hỏng đê biển Có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng đê biển như: do lũ sông, từ phía biển, từ thiết kế, từ thi công, từ quản lý. Trong các nguyên nhân gây hư hỏng đê biển, nguyên nhân từ phía biển được xem là nguy hiểm nhất, bao gồm: bão, triều cường và nước biển dâng gây sóng tràn đê dẫn đến phá hoại đê [1][8]. Hệ thống đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh đê khá thấp, phổ biến từ 4.5m, lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê khi có bão là tương đối lớn, tùy từng vùng lưu lượng sóng tràn trung bình có thể lên đến hàng trăm l/s/m. Sóng tràn gây xói mái trong dẫn đến vỡ đê là nguyên nhân phổ biến [9].

Theo thống kê, chiều cao sóng trong bão tại chân đê biển đạt khoảng 1. Nhưng nước dâng trong bão có thể lên tới 2.0m, làm độ sâu nước tại chân đê tăng lên đáng kể. Đây là nguyên nhân khuếch đại chiều cao sóng tràn, sóng leo lên mái công trình [1]. Tải trọng sóng tỉ lệ với chiều cao, hướng truyền sóng và xu thế tăng lên đáng kể sẽ là nguyên nhân gây phá hoại đê [1].

Khi sóng tràn qua mặt đê, nước sẽ chảy trên mái vào phía đồng với vận tốc khá lớn 3.0m/s gây xói mặt đê, phá hỏng lớp bảo vệ mái và đẩy vật liệu thân đê xuống chân. Mặt khác, khi sóng tràn trên mái sẽ thấm vào thân gây quá trình bão hoà vật liệu trong thân đê. Quá trình thấm sẽ làm cho các vật liệu 8 trong thân đê bị kéo theo các khe nứt, lỗ hổng ra ngoài gây lún đê và phá hỏng các kết cấu bảo vệ, dẫn tới phá hỏng toàn bộ mặt cắt đê. Hai yếu tố tác động trên được xảy ra đồng thời nên khi có sóng tràn qua đê thì tốc độ phá hoại đê diễn ra rất nhanh [9][1].

Tóm lại, nguyên nhân gây hư hỏng đê biển thì có nhiều, nhưng theo số liệu thống kê từ các sự cố vỡ đê thì sóng tràn gây phá hoại mặt đê, mái đê phía đồng là tác nhân chủ yếu, là mối hiểm họa mà các nhà thiết kế, thi công và quản lý đặc biệt quan tâm. Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn Khi sóng tràn qua đê làm mái trong bị xói. Quá trình xói này có thái phức tạp chịu chi phối của nhiều yếu tố từ thủy động lực học, hình thái sóng tràn đến các tính chất cơ lý của vật liệu gia cố mái đê. Khi đê biển có tường đỉnh thấp, sóng tràn đập vào mái đê do năng lượng sóng leo lớn nên khi lưỡi sóng va vào tường đỉnh sẽ tạo ra sóng bắn lên cao, kèm theo đó là gió bão từ ngoài biển thổi vào với vận tốc gió khá lớn, khối nước tạo ra từ sóng bắn sẽ dội trực tiếp vào mặt đê với một động năng lớn làm hỏng mặt đê và dẫn đến vỡ đê.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1] Chưa dừng lại ở đó, khi sóng tràn đê, đê bị bão hòa do thẩm thấu của dòng chảy sóng tràn.

Cơ chế này thường xảy ra với mái đê có độ dốc lớn (dốc hơn 1/2) hoặc khi đất đắp đê có cường độ yếu. Trong nhiều trường hợp, hư hỏng mái đê thường là hậu quả kết hợp 9 của cả nhiều cơ chế và bắt đầu bằng quá trình xói mái đê, tức là khi mái đê bị xói đến mức độ nào đó thì sẽ gây ra mất ổn định đê. Cơ chế phá hoại đê do sóng tràn, dòng chảy tràn được tác giả tiếp tục thực hiện nghiên cứu thực nghiệm ở trường Đại học TU Braunshweig - CHLB Đức; tại phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia - Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam và các chương trình trao đổi nghiên cứu ở trường Đại học Kyushu - Nhật Bản, trường Đại học NTU Singapore và ở Trung Quốc. Một lần nữa khẳng định rằng: sóng tràn, dòng chảy tràn gây phá hoại đê vẫn là cơ chế nổi trội nhất và khi lưu lượng tràn càng lớn thì khả năng phá hoại càng cao.

Mức độ phá hoại còn phụ thuộc vào kỹ thuật xây dựng thông qua hệ số đầm chặt, loại đất đá, độ ẩm ban đầu của đất lõi đê và chiều cao của đê.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam 10 Tóm lại, cơ chế phá hoại đê biển có nhiều, từ phá hoại cục bộ đến phá hoại tổng thể; các nguyên nhân, yếu tố tác động, hệ quả. cũng rất đa dạng. Qua phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các báo cáo, các sự cố vỡ đê ở Bắc bộ và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả thấy rằng: cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn, dòng chảy tràn là cơ chế trội nhất.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005 Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1] 11 Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ Hiện nay, có khá nhiều giải pháp để giảm thiểu sóng tràn qua đê, các giải pháp công trình và phi công trình phổ biến như: làm đê ngầm phá sóng ở phía trước đê, dùng các cấu kiện khác nhau đặt trước đê để phá sóng, làm cơ đê phía biển một bậc hoặc nhiều bậc, trồng rừng ngập mặn phía trước đê, nâng cao cao trình đỉnh đê… Hình 1.