Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khu vực cửa Thuận An thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế nằm ở tọa độ địa lý từ 16°34' đến 16°34'20'' vĩ độ Bắc và từ 107°37' đến 107°37'20'' kinh độ Đông, trải dài giữa hai xã Thuận An (huyện Phú Vang) và xã Hải Dương (huyện Hương Trà), cách trung tâm thành phố Huế khoảng 15 km. Cửa Thuận An giữ vai trò xung yếu trong mạng lưới giao thông thủy, là cửa ngõ duy nhất kết nối Cảng Thuận An với Biển Đông, đồng thời là trục thoát lũ chính của lưu vực sông Hương và giữ vai trò điều tiết cán cân sinh thái của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai.

Giai đoạn 1999 – 2001, các đợt bão lũ nghiêm trọng (đặc biệt là đợt lũ lịch sử tháng 10 và 11 năm 1999) kết hợp với sóng lớn và triều cường đã gây ra hiện tượng xói lở bờ biển và bồi lấp luồng tàu đặc biệt gay gắt tại khu vực cửa Thuận An:

  • Khu vực bờ biển xã Hải Dương: Giai đoạn từ lũ tháng 9/1999 đến tháng 7/2000, bờ biển bị sạt lở trên chiều dài gần 2,6 km, diện tích đất bị cuốn trôi khoảng 12,25 ha, chiều rộng xói lở trung bình 47 m (nơi lớn nhất lên đến 90 m). Sau tháng 7/2000, xói lở tiếp tục làm sập ngọn hải đăng (khoét sâu 22 m) và làm trôi hơn 20 nhà dân ven biển, làm mất thêm 5,57 ha đất dọc 2,0 km bờ biển với chiều rộng xói trung bình 30 m (lớn nhất 60 m).
  • Khu vực Thuận An – Hòa Duẩn: Đợt lũ tháng 11/1999 đã mở toang cửa biển mới tại Hòa Duẩn với chiều rộng 600 – 700 m, làm cắt đứt tuyến Quốc lộ 49B. Đoạn bờ biển từ Cửa Thuận An đến Hòa Duẩn (dài 6,6 km) bị xói lở trung bình 35 m (vị trí lớn nhất 60 m), tốc độ xói lở đạt 40 m/năm, tổng diện tích đất bị xói mất khoảng 44,7 ha. Dù đập bịt cửa Hòa Duẩn đã được xây dựng để khôi phục Quốc lộ 49B, đường bờ vẫn lùi sâu thành hình cánh cung lõm, bãi cát bị cuốn trôi để lại bờ dốc đứng.

Bên cạnh tình trạng sạt lở bờ, luồng tàu vào Cảng Thuận An thường xuyên bị sa bồi nghiêm trọng, đặc biệt tại bãi cạn ngoài cửa biển (ngưỡng cạn có cao độ chỉ từ -3 m đến -4 m), cản trở mục tiêu nâng cấp cảng để tiếp nhận tàu trọng tải từ 1.000 DWT đến 2.000 DWT. Xuất phát từ thực trạng đó, đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật công trình: thiết kế đê chắn bùn cát nhằm chống bồi lắng luồng tàu và giảm thiểu xói lở bờ biển khu vực cửa Thuận An.

Đồ án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Thu thập, điều tra và xử lý số liệu địa hình, khí tượng, thủy hải văn, địa chất và điều kiện dân sinh – kinh tế trong phạm vi khu vực nghiên cứu.
  2. Xác định sự cần thiết và luận chứng quy mô của công trình đê chắn bùn cát đối với luồng tàu vào Cảng Thuận An và bờ biển hai bên cửa.
  3. Xử lý các chuỗi số liệu để tính toán điều kiện biên (sóng, gió bão, mực nước, nước dâng, vận chuyển bùn cát) phục vụ lựa chọn mặt bằng tuyến, kết cấu và biện pháp thi công.
  4. Tính toán kết cấu, khối lượng vật liệu xây dựng và dự toán mức đầu tư cần thiết cho công trình.
  5. Phân tích, đánh giá hiệu quả kỹ thuật của công trình đê chắn bùn cát sau khi hoàn thành.
  6. Đánh giá sơ bộ tác động của công trình đối với môi trường và chế độ thủy động lực học khu vực lân cận.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Đoạn luồng tàu chạy qua cửa Thuận An và khu vực bờ biển kề hai bên cửa.
  • Phạm vi không gian: Khu vực cửa biển Thuận An, có xét đến ảnh hưởng tương hỗ với bờ biển xã Hải Dương ở phía Bắc và dải bờ biển Thuận An – Hòa Duẩn ở phía Nam trên chiều dài luồng tàu khoảng 5 km (2,5 km trong đầm phá và 2,5 km ngoài biển).
  • Phạm vi thời gian và số liệu: Sử dụng chuỗi quan trắc khí tượng hải văn trạm Cồn Cỏ (1961 – 1997), trạm Thuận An (1959 – 1995, 1988, 1989), cùng tài liệu khảo sát địa chất công trình năm 1999 và 2002.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được thực hiện dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành công trình thủy và công trình biển, kết hợp các mô hình toán và phần mềm thủy lực chuyên dụng:

1. Hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn áp dụng

  • 22 TCN 222-95: Tiêu chuẩn quy phạm tính toán tải trọng và tác động lên công trình thủy công (tác động của sóng, gió, phân cấp công trình bến cảng, luồng tàu và đê chắn sóng).
  • 14 TCN 130-2002: Hướng dẫn thiết kế đê biển (tính toán mực nước thiết kế, nước dâng do bão và sóng tràn).
  • BS 6349 Part 1 (2000): Tiêu chuẩn Anh về thiết kế công trình hàng hải (Maritime structures – Code of practice for general criteria), sử dụng để tra cứu biểu đồ hệ số nhiễu xạ sóng qua hai đê chắn.

2. Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Lý thuyết xác suất thống kê Weibull: Sử dụng hàm phân bố tích lũy Weibull để xử lý chuỗi số liệu cực trị gió bão và chiều cao sóng lớn nhất theo các chu kỳ lặp $T_r = 20$ năm và $T_r = 25$ năm.
  • Mô hình Bretschneider: Tính toán chiều cao nước dâng do bão ($S$) dựa trên vận tốc gió thiết kế, đà gió hữu hiệu và độ sâu bình quân trước công trình.
  • Lý thuyết sóng vỡ và công thức CERC: Xác định vị trí, chiều sâu đới sóng vỡ ($h_v/h = 0,73 \div 1,03$) và tính toán lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ theo mùa.
  • Lý thuyết Goda: Tính toán phân bố áp lực sóng va và tải trọng sóng cực đại ($p_1, p_2, p_3$) tác dụng lên kết cấu đê trọng lực tường đứng thùng chìm.

3. Công cụ phần mềm và phương pháp xử lý dữ liệu

  • Phần mềm CRESS: Tính toán khúc xạ sóng, xác định hệ số khúc xạ $K_r$ và hệ số biến hình $K_s$ cho các chùm tia sóng; tính toán sóng nhiễu xạ sau đê chắn đơn; tính toán lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ theo công thức CERC và áp lực sóng Goda.
  • Phần mềm TIDE: Phân tích điều hòa các hằng số triều từ chuỗi số liệu thực đo tại trạm nghiệm triều Thuận An để quy đổi hệ cao độ.
  • Phần mềm Wadibea: Hỗ trợ tính toán kích thước, trọng lượng khối phủ bảo vệ mái nghiêng (khối Tetrapod).

4. Nguồn dữ liệu khảo sát

  • Số liệu khí tượng - hải văn: Chuỗi quan trắc vận tốc gió cực đại (1959 – 1995), gió bão (1884 – 1977), sóng trạm Cồn Cỏ (1961 – 1997, 1993 – 1994) và số liệu đo đạc chi tiết tại cửa Thuận An năm 1988, 1989.
  • Số liệu địa chất công trình: Báo cáo khảo sát của Trung tâm Động lực học Cửa sông Ven biển và Hải đảo (tháng 6/1999) và Công ty Tư vấn Xây dựng Cảng – Đường thủy (tháng 10/2002).

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công trình

Trên cơ sở phân tích chế độ động lực học và các yếu tố biên, tác giả xây dựng và so sánh hai phương án bố trí mặt bằng tuyến đê chắn bùn cát bảo vệ cửa luồng Thuận An.

Thông số kỹ thuật / Tiêu chí Phương án I (Phương án lựa chọn) Phương án II
Bố trí đê bờ Bắc (đê AI - Hải Dương) Dài 810 m; vươn đến cao độ đáy biển -6,0 m; góc hợp với phương Bắc là 53°. Gốc đê đặt tại điểm BI (cách cửa 350 m). Tương tự Phương án I (dài 810 m, vươn ra cao độ -6,0 m, góc 53°).
Bố trí đê bờ Nam (đê AII / BII - Thuận An) Tuyến đê AII dài 900 m; từ cao trình tự nhiên +3,9 m ra đến cao độ -6,0 m; góc hợp với phương Bắc là 30°. Tuyến đê BII dài 1.050 m; từ cao trình +3,9 m ra đến đường đẳng sâu -5,0 m; góc hợp với phương Bắc là 19°.
Độ rộng cửa vào luồng ($b$) $b = 182\text{ m}$ (khoảng cách giữa hai đầu đê AI và AII). Tuyến đê BII bố trí sát luồng hơn, cửa vào hẹp hơn.
Ưu điểm chính Ngăn chặn hiệu quả bùn cát dọc bờ từ cả hai phía Bắc và Nam; định hướng dòng chảy thoát lũ theo luồng thiết kế (hướng Đông Bắc); tạo bồi lắng giảm sóng bảo vệ bờ biển Hải Dương. Bố trí đê BII sát tuyến luồng giúp tăng hiệu quả che chắn bùn cát trực tiếp cho luồng tàu.
Nhược điểm Đê AII nằm cách xa tim luồng hơn so với đê BII, khoảng nước che chắn rộng hơn. Chiều dài đê lớn hơn (1.050 m so với 900 m) làm tăng khối lượng và chi phí xây dựng; đê vươn qua vùng nước sâu chịu tải trọng sóng lớn hơn.

Lựa chọn giải pháp: Tác giả chọn Phương án I vì tối ưu hóa chiều dài công trình, đảm bảo điều kiện thoát lũ an toàn trong mùa mưa bão và tận dụng hiệu quả sự phân tán năng lượng sóng.

Giải pháp kết cấu đê:

  • Đoạn đê mái nghiêng: Thân đê đổ đá hộc, lớp phủ bảo vệ ngoài bằng khối bê tông tự chèn Tetrapod, chân khay đặt trên thềm đá chống xói với đường kính hạt $D_{n50}$ và trọng lượng $W_{50}$ được tính toán nghiêm ngặt.
  • Đoạn đê đầu đê / nước sâu: Kết cấu đê trọng lực tường đứng bằng thùng chìm bê tông cốt thép (caisson), đặt trên lớp đệm đá nhằm tăng cường khả năng chịu sóng vỡ trực tiếp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu khu vực nghiên cứu

Chương này tổng kết vị trí địa lý, tầm quan trọng kinh tế – xã hội của cửa Thuận An đối với tỉnh Thừa Thiên Huế và vùng đầm phá Tam Giang – Cầu Hai. Tác giả trình bày chi tiết thực trạng bồi xói bờ biển qua các mốc thời gian:

  • Đợt lũ lịch sử tháng 9/1999 và tháng 11/1999 mở toang cửa biển mới Hòa Duẩn rộng 600 – 700 m, làm biến đổi căn bản chế độ động lực ven bờ.
  • Thống kê diện tích sạt lở: xã Hải Dương mất 12,25 ha đất (giai đoạn 9/1999 – 7/2000) và 5,57 ha (sau 7/2000); dải bờ Thuận An – Hòa Duẩn mất 44,7 ha đất với tốc độ xói lở trung bình 40 m/năm.
  • Xác định mục tiêu thiết kế công trình chỉnh trị nhằm vừa đảm bảo tuyến luồng ổn định cho tàu 2.000 DWT, vừa chống xói lở bảo vệ đất đai dân sinh.

Chương II: Điều kiện địa lý tự nhiên

Nội dung chương II tập hợp các số liệu điều kiện tự nhiên phục vụ tính toán công trình thủy:

  • Địa hình - Địa mạo: Dải cồn cát ven biển cao 5 – 30 m ngăn cách biển với hệ đầm phá; cửa Thuận An rộng khoảng 380 m, cao độ biến đổi từ -1,0 m đến -4,0 m. Tuyến luồng dài 5 km (đoạn trong phá 2,5 km ổn định; đoạn ngoài biển 2,5 km biến động mạnh, có ngưỡng cạn -3 m đến -4 m tại vị trí cách cửa 1,5 km).
  • Khí hậu: Gió mùa hè (tháng 5 – 9) thịnh hành hướng S, SW (vận tốc trung bình 3 – 4 m/s, lớn nhất 20 – 25 m/s); gió mùa đông (tháng 10 – 3) thịnh hành hướng NE, E (vận tốc trung bình 4 – 5 m/s, lớn nhất 15 – 20 m/s). Mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12 với lượng mưa bình quân năm trên 2.500 mm (có nơi vượt 4.000 mm). Thống kê 71 cơn bão (1884 – 1977), bão tập trung nhiều nhất vào tháng 9 (chiếm 33% – 54%), sức gió cực đại đạt cấp 12 trở lên (36 – 40 m/s).
  • Thủy hải văn: Khu vực thuộc chế độ bán nhật triều đều với biên độ triều nhỏ nhất nước (30 – 50 cm tại Thuận An, tăng lên 55 – 100 cm tại Tư Hiền và 70 – 145 cm tại Chân Mây). Mực nước triều cường đạt +1,5 m, triều kiệt đạt -0,7 m. Sóng mùa đông có hướng NE chiếm ưu thế tuyệt đối (99% tại Thuận An), chiều cao sóng có nghĩa $H_{1/3} = 4 \div 5\text{ m}$ (cực đại 6 m, trong bão đạt 7 – 8 m); sóng mùa hè hướng E và SE ($H_{1/3} = 3 \div 4\text{ m}$). Dòng chảy ven do sóng đạt vận tốc 30 – 100 cm/s.
  • Địa chất công trình: Khu vực khảo sát gồm 4 lớp đất chính từ trên xuống dưới:
    1. Lớp 1: Cát hạt trung đến thô, màu xám trắng/xám vàng, bão hòa nước, độ dày lớn từ 10,7 m (LK5) đến 18,0 m (LK4); khả năng chịu tải tốt nhưng rời rạc, dễ bị xói trôi dưới tác động của sóng.
    2. Lớp 2: Sét, sét pha xen kẹp bùn sét màu xám xanh/xám đen lẫn tàn tích thực vật, trạng thái dẻo chảy đến chảy, bề dày 4,0 – 6,0 m; khả năng chịu tải thấp, biến dạng mạnh, kém ổn định.
    3. Lớp 3: Cát pha màu xám tro/xám ghi lẫn vỏ sò hến, trạng thái dẻo đến chảy, bề dày 3,4 – 4,0 m; chịu tải tương đối tốt, biến dạng nhỏ.
    4. Lớp 4: Sét và sét pha màu xám xanh/xám đen dẻo chảy đến chảy, bề dày lớn (> 9,0 m); sức chịu tải thấp.

Chương III: Phân tích và xử lý điều kiện biên

Chương này thực hiện các bước tính toán thủy lực và động lực học phục vụ thiết kế:

  • Phân cấp công trình: Theo Tiêu chuẩn 22 TCN 222-95 và cấp luồng hàng hải cho cỡ tàu 2.000 DWT, công trình đê chắn bùn cát cửa Thuận An được xác định thuộc Cấp IV.
  • Mực nước và nước dâng thiết kế:
    • Mực nước triều cực trị thiên văn tại trạm Thuận An là 76,4 cm. Qua phân tích điều hòa bằng phần mềm TIDE, độ chênh quy đổi so với "0" Hải đồ là +124,7 cm và so với "0" Lục địa là -61,3 cm. Kết quả: Mực nước triều cực trị quy về "0" Hải đồ là 204,1 cm; quy về "0" Lục địa là 15,1 cm.
    • Chiều cao nước dâng do bão tính theo công thức Bretschneider: với hướng Đông Bắc $S_{NE} = 2,20\text{ m}$ (220 cm); với hướng Đông $S_E = 1,45\text{ m}$ (145 cm).
    • Mực nước thiết kế tổng hợp:
      • Hướng Đông Bắc (NE): Quy về "0" Hải đồ là $424,1\text{ cm}$; quy về "0" Lục địa là $371,0\text{ cm}$.
      • Hướng Đông (E): Quy về "0" Hải đồ là $349,1\text{ cm}$; quy về "0" Lục địa là $296,0\text{ cm}$.
  • Vận tốc gió và sóng thiết kế:
    • Xử lý phân bố Weibull chuỗi gió bão với chu kỳ lặp $T_r = 25$ năm (tần suất 4% cho công trình cấp IV) thu được vận tốc gió tính toán $V_w = 37,84\text{ m/s}$, đà gió hữu hiệu $L_m = 152,67\text{ km} < L_{max} = 200\text{ km}$.
    • Chiều cao sóng khởi điểm ngoài khơi ứng với chu kỳ lặp 20 năm ($P = 5%$) đạt $h_{s5%} = 8,5\text{ m}$, chu kỳ đỉnh phổ $T_p = 3,94\sqrt{h_s} \approx 11,5\text{ s}$.
  • Tính toán khúc xạ, sóng vỡ và bùn cát:
    • Sử dụng phần mềm CRESS tính toán hệ số khúc xạ $K_r$ và biến hình $K_s$ cho 6 tia sóng hướng Đông Bắc và 3 tia sóng hướng Đông tác động vào các vị trí gốc đê, thân đê và đầu đê.
    • Vị trí sóng vỡ được xác định tại độ sâu $d = 6,0\text{ m}$ với tỷ lệ $h_v/h \approx 0,73$, chiều cao sóng vỡ đạt $h_v = 10,24\text{ m}$.
    • Tính toán lưu lượng bùn cát dọc bờ bằng phần mềm CRESS (công thức CERC):
Thời đoạn tính toán Chiều vận chuyển quy ước Lưu lượng vận chuyển bùn cát ($m^3/\text{năm}$)
Mùa Đông Hướng từ Nam ra Bắc (dấu "-") -717.983
Mùa Hè Hướng từ Bắc xuống Nam (dấu "+") +60.621
Tổng lượng chuyển dịch ròng cả năm Thiên về hướng Nam ra Bắc -657.362 (Tổng trị tuyệt đối: 778.595)

Chương IV: Phân tích nguyên nhân và chọn giải pháp công trình

  • Cơ chế xói bồi: Làm rõ cơ chế sạt lở do hiện tượng moi rỗng chân cát kết hợp sóng đánh trực diện vuông góc lúc triều thấp, sóng tràn đỉnh bờ lúc triều cao và dòng lũ đột phá từ đầm phá; cơ chế bồi tụ do bùn cát di chuyển dọc bờ gặp góc ngoặt hoặc công trình chắn ngang.
  • Lựa chọn tuyến đê: Luận chứng chi tiết việc lựa chọn Phương án I (đê AI dài 810 m, đê AII dài 900 m, cửa vào rộng $b = 182\text{ m}$).
  • Tính toán sóng nhiễu xạ sau công trình:
    • Sóng hướng Đông Bắc (NE): Tính toán nhiễu xạ qua hai đê AI và AII theo tiêu chuẩn BS 6349 Part 1 (2000) với góc sóng tới $\approx 45^\circ$ và tỷ lệ $b/L \approx 2,0$, lập lưới tọa độ kiểm tra các vị trí $x = (-1,5b \div 1,5b)$ và $y = (0,5b \div 1,5b)$.
    • Sóng hướng Đông (E): Tính toán nhiễu xạ qua một đê (đê AII che chắn cho đê AI) bằng phần mềm CRESS.
    • Dự báo chiều dày lớp sa bồi luồng tàu do sóng gây ra trên từng phân đoạn tuyến luồng.

Chương V: Tính toán kết cấu, ổn định và sức chịu tải của nền đất

Chương V trình bày chi tiết các nội dung thiết kế kỹ thuật công trình:

  • Tính toán ổn định mái dốc và kích thước, trọng lượng khối Tetrapod bảo vệ mái nghiêng phía ngoài và phía trong đê bằng phần mềm Wadibea; xác định chiều dày lớp phủ và các lớp đá lót.
  • Tính toán cấu tạo và kích thước mở rộng đầu đê; thiết kế chân khay chống trượt và thềm đá chống xói chân đê (xác định đường kính hạt danh định $D_{n50}$, trọng lượng đá $W_{50}$ và chiều dày thềm đá $t$).
  • Tính toán tải trọng sóng va tác dụng lên kết cấu thùng chìm trọng lực tường đứng theo phương pháp Goda ($p_1, p_2, p_3$) bằng mô hình CRESS.
  • Kiểm tra ổn định thùng chìm khi nổi kéo và khi đặt trên nền: mớn nước, trọng tâm $G$, tâm nổi $W$, chiều cao tâm nghiêng $\rho$, bán kính quán tính $m$.
  • Kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền dưới tác dụng của tải trọng công trình và tải trọng sóng; tính toán độ lún từng lớp của nền đất cát và bùn sét.

Chương VI: Biện pháp thi công lắp đặt và kiểm tra khúc xạ sóng

  • Trình bày quy trình và biện pháp công nghệ đúc, vận chuyển, cẩu lắp định vị các khối Tetrapod và đánh chìm thùng caisson tại hiện trường.
  • Tổng hợp các bảng kết quả tính toán hệ số khúc xạ $K_r$ và biến hình $K_s$ chi tiết cho 9 tia sóng thuộc hai hướng gió chủ đạo (Đông Bắc và Đông) kiểm chứng độ ổn định thủy lực dọc toàn tuyến đê.

Kết quả và đóng góp

1. Các kết quả kỹ thuật định lượng chính

Đồ án đã xác lập đầy đủ hệ thống thông số kỹ thuật phục vụ xây dựng công trình chỉnh trị cửa Thuận An:

Hạng mục / Thông số Giá trị tính toán trong đồ án Tiêu chuẩn / Phương pháp áp dụng
Cấp công trình Cấp IV (phục vụ tàu đến 2.000 DWT) 22 TCN 222-95
Vận tốc gió bão tính toán ($V_w$) $37,84\text{ m/s}$ ($T_r = 25\text{ năm}$, tần suất 4%) Phân bố xác suất Weibull
Mực nước dâng do bão ($S$) $S_{NE} = 2,20\text{ m}$; $S_E = 1,45\text{ m}$ Công thức Bretschneider
Mực nước thiết kế (Hệ "0" Hải đồ) Hướng NE: $424,1\text{ cm}$; Hướng E: $349,1\text{ cm}$ TIDE + 14 TCN 130-2002
Chiều cao sóng khởi điểm ngoài khơi ($h_s$) $h_{s5%} = 8,5\text{ m}$ ($T_r = 20\text{ năm}$) Phân bố Weibull trạm Cồn Cỏ
Độ sâu và chiều cao sóng đổ ($d, h_v$) $d = 6,0\text{ m}$; $h_v = 10,24\text{ m}$ ($h_v/h \approx 0,73$) Lý thuyết sóng vỡ nông
Lưu lượng bùn cát dọc bờ ròng $-657.362\text{ m}^3/\text{năm}$ (hướng từ Nam ra Bắc) Phần mềm CRESS (Công thức CERC)
Quy mô tuyến đê AI (bờ Bắc) Dài $810\text{ m}$, sâu $-6,0\text{ m}$, góc lệch $53^\circ$ Mặt bằng Phương án I
Quy mô tuyến đê AII (bờ Nam) Dài $900\text{ m}$, sâu $-6,0\text{ m}$, góc lệch $30^\circ$ Mặt bằng Phương án I
Độ mở cửa luồng vào ($b$) $b = 182\text{ m}$ Đảm bảo an toàn hàng hải

2. Giải pháp và kiến nghị đề xuất

  • Đề xuất áp dụng tuyến đê đôi hỗn hợp: đê AI (810 m) kết hợp đê AII (900 m) với kết cấu mái nghiêng phủ khối bê tông Tetrapod liên kết đê trọng lực thùng chìm ở vùng nước sâu.
  • Bố trí hệ thống thềm đá và chân khay gia cố chống xói cục bộ tại chân công trình nhằm khắc phục triệt để hiện tượng moi rỗng lớp cát bề mặt (lớp 1).
  • Kiến nghị quy trình nạo vét duy tu luồng định kỳ kết hợp tận dụng lượng bùn cát bồi lắng phía ngoài đê để nuôi bãi nhân tạo, tái tạo bãi tắm Thuận An.

3. Đóng góp của đồ án

  • Xây dựng quy trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa các tiêu chuẩn trong nước (22 TCN 222-95, 14 TCN 130-2002) và quốc tế (BS 6349 Part 1) với các phần mềm chuyên ngành hiện đại (CRESS, TIDE, Wadibea).
  • Cung cấp luận cứ khoa học và số liệu định lượng về cân bằng bùn cát tại cửa Thuận An, khẳng định tính ưu việt của giải pháp công trình đê chắn bùn cát trong việc giải quyết đồng thời hai bài toán: ổn định luồng chạy tàu 2.000 DWT và ngăn ngừa hiểm họa sạt lở bờ biển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Chuỗi số liệu địa chất và sóng ngầm dựa trên các tài liệu khảo sát lịch sử đơn lẻ (các lỗ khoan khảo sát năm 1999 và 2002), chưa phản ánh hết tính biến động cơ lý của các thấu kính sét pha trong điều kiện chịu tải trọng động đất và sóng lặp kéo dài.
    • Mô hình tính toán nhiễu xạ và vận chuyển bùn cát trong CRESS chủ yếu dựa trên các giả thiết bán thực nghiệm và sơ đồ tính phẳng (2D), chưa mô phỏng chi tiết trường dòng chảy ba chiều (3D) tương tác phức tạp giữa dòng triều, dòng sóng ven và dòng lũ sông Hương.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Ứng dụng các mô hình thủy động lực và biến hình lòng dẫn số trị 3D (như Delft3D, MIKE 21/3) để mô phỏng tương tác bùn cát chi tiết sau khi có sự hiện diện của đê chắn.
    • Thiết lập mạng lưới quan trắc biến hình đáy biển và theo dõi lún lệch thực tế của các khối thùng chìm sau khi thi công nhằm hiệu chỉnh các thông số thiết kế kết cấu.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu chuyên môn hữu ích cho:

  • Kỹ sư và sinh viên ngành Kỹ thuật Công trình biển, Kỹ thuật Công trình thủy, Xây dựng Cảng – Đường thủy: Tham khảo phương pháp luận và các bước tính toán điều kiện biên khí tượng hải văn (xử lý gió bão Weibull, nước dâng Bretschneider, sóng đổ và sóng nhiễu xạ).
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình hàng hải miền Trung: Tham khảo mô hình bố trí mặt bằng đê chỉnh trị cửa sông ven biển, giải pháp kết cấu đê mái nghiêng phủ Tetrapod kết hợp thùng chìm trên nền địa chất phức tạp xen kẹp bùn sét yếu.
  • Các nhà nghiên cứu về xói lở bờ biển Thừa Thiên Huế: Khai thác dữ liệu lịch sử xói lở dải bờ Hải Dương – Thuận An – Hòa Duẩn giai đoạn sau đợt lũ 1999 và số liệu cân bằng bùn cát ven bờ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tuyến đê chắn bùn cát cửa Thuận An được xác định thuộc cấp công trình nào và dựa trên cơ sở nào?

Công trình được xác định thuộc Cấp IV. Căn cứ theo Tiêu chuẩn 22 TCN 222-95 và quy chuẩn phân cấp tuyến luồng của Cục Hàng hải Việt Nam/Bộ Giao thông Vận tải, cấp công trình được xác lập dựa trên thông số kỹ thuật của luồng đón nhận tàu thiết kế trọng tải 2.000 DWT và tổng công suất hàng hóa thông qua cảng.

2. Các thông số mực nước thiết kế quy đổi theo hệ "0" Hải đồ và "0" Lục địa có giá trị cụ thể là bao nhiêu?

Theo tính toán từ mô hình TIDE kết hợp công thức Bretschneider (nước dâng $S_{NE} = 2,20\text{ m}$; $S_E = 1,45\text{ m}$):

  • Với hướng Đông Bắc (NE): Mực nước thiết kế quy về "0" Hải đồ là $424,1\text{ cm}$ (4,241 m); quy về "0" Lục địa là $371,0\text{ cm}$ (3,71 m).
  • Với hướng Đông (E): Mực nước thiết kế quy về "0" Hải đồ là $349,1\text{ cm}$ (3,491 m); quy về "0" Lục địa là $296,0\text{ cm}$ (2,96 m).

3. Vì sao tác giả lựa chọn Phương án I cho mặt bằng tuyến đê thay vì Phương án II?

Mặc dù Phương án II có đê BII nằm sát luồng hơn giúp che chắn bùn cát trực tiếp tốt hơn, tác giả lựa chọn Phương án I (đê AI dài 810 m, đê AII dài 900 m) vì: tổng chiều dài tuyến đê ngắn hơn (đê BII của Phương án II dài tới 1.050 m), giúp tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng; đê không phải vươn ra vùng nước quá sâu chịu tải trọng sóng lớn; đồng thời hướng mở của đê AII tạo điều kiện thuận lợi nhất để hướng dòng chảy thoát lũ sông Hương ra biển mà không gây bồi lắng ngược vào luồng.

4. Địa tầng khu vực xây dựng công trình gồm những lớp nào và lớp nào gây bất lợi nhất cho ổn định đê?

Địa tầng gồm 4 lớp: Lớp 1 (cát hạt trung đến thô dày 10,7 – 18 m); Lớp 2 (sét/sét pha xen kẹp bùn sét dẻo chảy đến chảy dày 4 – 6 m); Lớp 3 (cát pha dẻo đến chảy dày 3,4 – 4 m); Lớp 4 (sét/sét pha dẻo chảy đến chảy dày > 9 m). Hai lớp bất lợi nhất là Lớp 2 và Lớp 4 do có cường độ chịu tải thấp, biến dạng lún lớn và mức độ ổn định kém, đòi hỏi phải tính toán lún từng lớp và kiểm tra nghiêm ngặt sức chịu tải giới hạn của nền.

5. Kết quả tính toán lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ tại cửa Thuận An cho thấy xu thế chuyển dịch như thế nào?

Tính toán bằng phần mềm CRESS theo công thức CERC cho thấy: vào mùa Đông bùn cát vận chuyển từ Nam ra Bắc với lưu lượng $-717.983\text{ m}^3/\text{năm}$; vào mùa Hè bùn cát vận chuyển từ Bắc xuống Nam với lưu lượng $+60.621\text{ m}^3/\text{năm}$. Như vậy, xu thế chuyển dịch bùn cát dọc bờ ròng trong năm tại cửa Thuận An diễn ra chủ đạo theo hướng từ Nam ra Bắc với tổng lưu lượng tuyệt đối đạt $778.595\text{ m}^3/\text{năm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế kỹ thuật công trình đê chắn bùn cát cửa Thuận An (Thừa Thiên Huế) nhằm bảo vệ ổn định luồng tàu 2.000 DWT và ngăn ngừa xói lở dải bờ biển Hải Dương – Thuận An. Thông qua việc tích hợp các tiêu chuẩn hiện hành (22 TCN 222-95, 14 TCN 130-2002, BS 6349) và các công cụ tính toán số trị (CRESS, TIDE, Wadibea), tác giả đã xác lập hệ thống thông số điều kiện biên tin cậy và lựa chọn phương án mặt bằng đê đôi hợp lý (đê AI 810 m, đê AII 900 m). Kết cấu đê mái nghiêng phủ khối Tetrapod kết hợp thùng chìm trọng lực được kiểm toán đầy đủ về độ ổn định thủy lực, sức chịu tải đất nền và khả năng chống sa bồi, cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cao cho công tác chỉnh trị bờ biển miền Trung.