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.