Nghiên Cứu Vận Tốc Dòng Chảy Do Sóng Tại Chân Kè Nông Trong Thiết Kế Chân Kè Đá Đổ

Chân kè đê biển có nhiều dạng khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện địa chất, thủy văn và kinh tế. Các dạng phổ biến bao gồm chân kè nổi, chân kè nông, chân kè sâu, chân kè bằng thảm đá, chân kè bằng ống buy lồng đá, chân kè bằng cọc và bản bê tông cốt thép, chân kè bằng cừ bản thép hoặc bê tông, và chân kè đá hộc thả rối. Mỗi loại chân kè có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các điều kiện cụ thể. Việc lựa chọn loại chân kè phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo ổn định và tuổi thọ của đê biển. Theo tài liệu gốc, trong điều kiện kinh tế hiện nay, nhiều đoạn đê đã sử dụng chân kè bằng ống buy vì những ưu điểm trong thi công và quản lý, duy tu.

Việc tính toán kích thước viên đá bảo vệ chân kè theo TCVN 9901:2014 còn tồn tại một số hạn chế. Công thức Izobat chỉ xét đến một số yếu tố như chiều cao sóng, độ sâu nước và bước sóng, bỏ qua các yếu tố khác như hình dạng kết cấu, độ dốc mái, và ảnh hưởng của dòng chảy ven bờ. Ngoài ra, công thức này sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính, không phù hợp với điều kiện sóng thực tế phức tạp. Thực tế cho thấy đá hộc rải trên nền giáp chân kè bị di chuyển, hoặc bị đẩy lên mái, hoặc di động dọc bờ, hoặc rời ra phía biển. Nổi trội hiện nay là hiện tượng đá trượt lên mái, lúc lên, lúc xuống, ma sát giữa đá và mái kè đã gây mài mòn và làm hư hại kết cấu bảo vệ mái.

Xói lở chân kè và mài mòn mái đê do nhiều nguyên nhân gây ra. Tác động trực tiếp của sóng và dòng chảy là nguyên nhân chính. Sóng và dòng chảy tạo ra lực tác động lên chân kè và mái đê, gây di chuyển và phá hủy các cấu kiện bảo vệ. Ngoài ra, các yếu tố khác như địa chất yếu, mực nước biển dâng, và biến đổi khí hậu cũng góp phần vào quá trình xói lở và mài mòn. Theo tài liệu gốc, dưới tác động của sóng và dòng chảy trên mái kè, đá hộc được đưa lên, đưa xuống, chà xát và va đập vào kết cấu mái kè.

Hậu quả của xói lở chân kè và mài mòn mái đê là rất nghiêm trọng. Đê biển bị suy yếu, giảm khả năng chống chịu với sóng bão, tăng nguy cơ ngập lụt và thiệt hại về người và tài sản. Việc sửa chữa và nâng cấp đê biển đòi hỏi chi phí lớn, gây ảnh hưởng đến ngân sách nhà nước. Ngoài ra, xói lở và mài mòn còn gây ảnh hưởng đến môi trường, làm mất diện tích đất ven biển, và ảnh hưởng đến sinh kế của người dân địa phương.

Mô hình số có nhiều ưu điểm so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống. Mô hình số cho phép mô phỏng các quá trình phức tạp, phân tích ảnh hưởng của nhiều yếu tố cùng lúc, và dự đoán kết quả với độ chính xác cao. Mô hình số cũng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời cung cấp thông tin chi tiết về các quá trình mà thí nghiệm vật lý khó có thể đo đạc được. Theo tài liệu gốc, ứng dụng mô hình MSS-2D để mô tả vec-tơ vận tốc dòng chảy do sóng, phân tích ảnh hưởng của các tham số thủy lực và thông số công trình tới chế độ dòng chảy tại chân kè; hỗ trợ nội dung nghiên cứu mô hình vật lý.

Mô hình MSS-2D là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu dòng chảy tại chân kè. Mô hình này cho phép mô phỏng dòng chảy hai chiều, tính toán vận tốc và áp lực, và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như sóng, dòng chảy, hình dạng kết cấu, và độ dốc mái. Kết quả mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về cơ chế tác động của sóng và dòng chảy lên chân kè, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế và bảo trì hiệu quả.

Thiết kế và xây dựng mô hình vật lý thí nghiệm đòi hỏi sự cẩn trọng và chính xác. Mô hình phải đảm bảo tỷ lệ thu nhỏ phù hợp, mô phỏng đúng hình dạng và kích thước của chân kè, và sử dụng vật liệu tương tự như thực tế. Máng sóng phải có kích thước đủ lớn để tạo ra sóng có đặc tính tương tự như sóng ngoài biển. Các thiết bị đo đạc phải được hiệu chỉnh và kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác của kết quả thí nghiệm. Theo tài liệu gốc, nghiên cứu trên mô hình vật lý với máng sóng hiện đại, tỷ lệ thu nhỏ mô hình phù hợp để mô phỏng sóng tiến đến chân kè và làm sáng tỏ chế độ dòng chảy với sự ảnh hưởng của yếu tố hình học tại vùng chân kè khi có và không có mố nhám.

Quy trình thí nghiệm phải được thực hiện theo một trình tự chặt chẽ. Các thông số sóng như chiều cao, chu kỳ, và hướng sóng phải được kiểm soát và ghi lại. Vận tốc dòng chảy tại chân kè được đo bằng các thiết bị đo vận tốc chuyên dụng. Dữ liệu thu thập được xử lý và phân tích để xác định vận tốc dòng chảy lớn nhất và xây dựng công thức thực nghiệm.

Trước khi tính toán khối lượng đá bảo vệ, cần đánh giá hiện trạng của đê biển Cát Hải, xác định các thông số thiết kế như chiều cao sóng, độ sâu nước, độ dốc mái, và đặc tính của vật liệu. Các thông số này là cơ sở để tính toán vận tốc dòng chảy và khối lượng đá cần thiết.

Các giải pháp bảo vệ chân kè khác nhau được so sánh và lựa chọn dựa trên hiệu quả, chi phí, và tính khả thi. Giải pháp sử dụng đá hộc có kích thước phù hợp được đánh giá là một giải pháp hiệu quả và kinh tế. Việc kết hợp đá hộc với mố nhám cũng được xem xét để tăng cường khả năng bảo vệ chân kè.

Nghiên cứu đã đưa ra bức tranh tổng quát ảnh hưởng của yếu tố thủy động học và hình dạng kết cấu công trình đến vận tốc ngang lớn nhất tại chân kè (mà trước đây công thức sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế chưa đề cập tới). Luận án đã đề xuất công thức tính mới là một đóng góp mang tính khoa học.

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy ven bờ, biến đổi khí hậu, và hình dạng kết cấu phức tạp đến vận tốc dòng chảy tại chân kè. Ngoài ra, cần phát triển các mô hình số và thí nghiệm vật lý tiên tiến để mô phỏng các quá trình thủy động lực học phức tạp và dự đoán sự ổn định của đê biển trong điều kiện biến đổi khí hậu.