I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vận Tốc Dòng Chảy Tại Chân Kè Nông
Đê biển Việt Nam thường xuyên chịu tác động của bão, gây ảnh hưởng lớn đến kết cấu và kinh phí tu bổ. Chân kè, bộ phận quan trọng bảo vệ đê, có nhiều dạng như chân kè nổi, chân kè nông, chân kè sâu, sử dụng vật liệu khác nhau như thảm đá, ống buy, cọc bê tông cốt thép, cừ bản thép. Trong đó, chân kè nông bằng đá hộc phổ biến. Tính toán kích thước đá hộc theo TCVN 9901:2014 dựa trên công thức Izobat, mới chỉ xét đến chiều cao sóng, độ sâu nước và bước sóng, sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính. Thực tế cho thấy đá hộc bị di chuyển, gây mài mòn và hư hại mái kè. Nghiên cứu vận tốc dòng chảy tại chân kè nông là cần thiết để xác định khối lượng đá phù hợp, đảm bảo an toàn cho đê biển. Luận án này tập trung nghiên cứu vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông, áp dụng cho đê biển Cát Hải, Hải Phòng.
1.1. Các Dạng Kết Cấu Chân Kè Đê Biển Phổ Biến Hiện Nay
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.
1.2. Tồn Tại Trong Tính Toán Kích Thước Đá Bảo Vệ Chân Kè
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.
II. Thách Thức Xói Lở Chân Kè và Mài Mòn Mái Đê Biển
Hiện tượng xói lở chân kè và mài mòn mái đê biển là một thách thức lớn đối với các công trình đê biển ở Việt Nam. Dưới tác động của sóng và dòng chảy, đá hộc bảo vệ chân kè bị di chuyển, gây mất ổn định cho công trình. Đá hộc bị sóng đánh bật khỏi vị trí ban đầu, trượt lên mái kè, gây mài mòn và hư hại kết cấu bảo vệ mái. Theo thời gian, kết cấu bảo vệ mái kè bị bào mòn, thủng và bị phá hủy. Các hàng tấm lát mái dưới chân bị phá hủy trước. Điều này làm giảm khả năng chống chịu của đê biển, tăng nguy cơ ngập lụt và thiệt hại về kinh tế và xã hội. Cần có các giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này.
2.1. Nguyên Nhân Gây Xói Lở Chân Kè và Mài Mòn Mái Đê
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.
2.2. Hậu Quả Của Xói Lở và Mài Mòn Đối Với Đê Biển
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.
III. Phương Pháp Mô Hình Số Nghiên Cứu Dòng Chảy Chân Kè Nông
Mô hình số là một công cụ hiệu quả để nghiên cứu dòng chảy tại chân kè nông. Mô hình số cho phép mô phỏng các quá trình thủy động lực học phức tạp, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến dòng chảy, và dự đoán sự ổn định của chân kè. Luận án sử 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. Mô hình số giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với thí nghiệm vật lý, đồng thời cung cấp thông tin chi tiết về dòng chảy mà thí nghiệm vật lý khó có thể đo đạc được.
3.1. Ưu Điểm Của Mô Hình Số Trong Nghiên Cứu Thủy Lực
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.
3.2. Ứng Dụng Mô Hình MSS 2D Nghiên Cứu Dòng Chảy Chân Kè
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.
IV. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Vận Tốc Dòng Chảy Bằng Mô Hình Vật Lý
Nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình vật lý là một phương pháp quan trọng để xác định vận tốc dòng chảy tại chân kè nông. Thí nghiệm được thực hiện trong máng sóng, sử dụng tỷ lệ thu nhỏ phù hợp để mô phỏng sóng tiến đến chân kè và làm sáng tỏ chế độ dòng chảy. Mô hình vật lý cho phép quan sát trực tiếp các hiện tượng thủy động lực học, đo đạc vận tốc và áp lực, và kiểm chứng kết quả mô phỏng số. Kết quả thí nghiệm là cơ sở để xây dựng công thức thực nghiệm tính toán vận tốc dòng chảy lớn nhất tại chân kè.
4.1. Thiết Kế và Xây Dựng Mô Hình Vật Lý Thí Nghiệm
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.
4.2. Quy Trình Thí Nghiệm và Thu Thập Dữ Liệu Vận Tốc
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.
V. Ứng Dụng Tính Toán Khối Lượng Đá Bảo Vệ Đê Biển Cát Hải
Kết quả nghiên cứu được ứng dụng để tính toán khối lượng đá bảo vệ chân kè đê biển Cát Hải, Hải Phòng. Vận tốc dòng chảy lớn nhất tại chân kè được xác định dựa trên công thức thực nghiệm, từ đó tính toán khối lượng đá cần thiết để đảm bảo ổn định cho chân kè. Giải pháp thiết kế kết cấu kiện bảo vệ chân kè đá đổ khi có và không có mố nhám được đề xuất. Việc áp dụng kết quả nghiên cứu giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và bảo trì đê biển, giảm thiểu nguy cơ xói lở và hư hại.
5.1. Đánh Giá Hiện Trạng và Xác Định Thông Số Thiết Kế
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.
5.2. So Sánh và Lựa Chọn Giải Pháp Bảo Vệ Chân Kè
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.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Vận Tốc Dòng Chảy
Luận án đã nghiên cứu thành công vận tốc dòng chảy do sóng tại chân kè nông, đề xuất công thức tính toán vận tốc dòng chảy lớn nhất, và ứng dụng kết quả để tính toán khối lượng đá bảo vệ đê biển Cát Hải. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và bảo trì đê biển. Hướng phát triển của nghiên cứu là tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như dòng chảy ven bờ, biến đổi khí hậu, và hình dạng kết cấu phức tạp đến vận tốc dòng chảy tại chân kè.
6.1. Đóng Góp Mới Của Nghiên Cứu Về Dòng Chảy 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.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Ổn Định Đê Biển
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.
