Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài hơn 3.200 km, trải qua nhiều vùng có đặc điểm địa chất, địa mạo và chế độ thủy triều đa dạng. Khu vực ven biển, đặc biệt là huyện đảo Cát Hải thuộc thành phố Hải Phòng, có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội với mật độ dân cư cao và nhiều cơ sở hạ tầng kinh tế trọng điểm. Tuy nhiên, khu vực này thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề của thiên tai như bão và lũ, với tần suất trung bình từ 6 đến 8 trận bão mỗi năm, cùng với xu thế biến đổi khí hậu làm mực nước biển dâng cao, gây ra sóng lớn và sóng tràn nguy hiểm.

Hệ thống đê biển hiện tại tại Cát Hải, đặc biệt đoạn Gót - Gia Lộc dài khoảng 3 km, chủ yếu được xây dựng bằng đá hộc với kết cấu mái kè nhỏ, thường xuyên bị xói mòn và hư hỏng sau các đợt bão. Việc gia cố và nâng cấp đê biển nhằm tăng cường ổn định, giảm sóng tràn và bảo vệ an toàn cho khu vực là cấp thiết. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất và thiết kế mặt cắt ngang hợp lý cho đê đá đổ khu vực Cát Hải nhằm gia tăng ổn định và giảm sóng tràn, phù hợp với điều kiện tự nhiên và xã hội đặc thù của khu vực.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn đê biển Gót - Gia Lộc, với các phân tích về điều kiện địa hình, thủy văn, khí tượng và tác động sóng biển trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2014. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả bảo vệ bờ biển, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai, đồng thời góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội khu vực ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về tương tác sóng và công trình đê biển, bao gồm:

  • Mô hình toán IH2-VOF: Mô hình sóng số dựa trên hệ phương trình Navier-Stokes 2 chiều đứng (2DV-RANS) kết hợp với phương trình VOF (Volume of Fluid) để mô phỏng tương tác sóng với công trình biển có cấu trúc xốp hoặc đặc. Mô hình này cho phép mô phỏng trường dòng chảy, áp lực sóng, sóng leo và sóng tràn qua đê biển với độ chính xác cao.

  • Lý thuyết giảm tải trọng sóng tác động lên công trình: Phân chia các giải pháp giảm tải trọng sóng thành hai nhóm chính: (1) giải pháp tôn tạo và giữ bãi/thềm trước đê như nuôi dưỡng bãi, trồng rừng ngập mặn; (2) giải pháp công trình nhằm giảm sóng như đê ngầm, lăng thể Tetrapod, kè tiêu năng.

  • Khái niệm mặt cắt ngang đê biển hợp lý: Bao gồm các tiêu chí về giảm sóng leo, sóng tràn, lưu lượng sóng tràn qua đê, khối lượng vật liệu xây dựng, không gian chiếm đất và tính ổn định tổng thể của công trình.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp số liệu thực địa về địa hình, địa chất, thủy văn, khí tượng khu vực Cát Hải; số liệu sóng biển và bão từ các trạm quan trắc; kết quả thí nghiệm mô hình vật lý tại Đại học Cantabria (Tây Ban Nha); dữ liệu mô phỏng bằng mô hình toán IH2-VOF.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình toán IH2-VOF để mô phỏng tương tác sóng với đê biển và lăng thể Tetrapod, đánh giá lưu lượng sóng tràn qua đê ở các vị trí bố trí lăng thể khác nhau. Phân tích so sánh hiệu quả các phương án mặt cắt ngang đê biển dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kinh tế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2012-2014, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình toán, kiểm định mô hình với thí nghiệm vật lý, mô phỏng các kịch bản sóng và thiết kế mặt cắt ngang đê biển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng đê biển Cát Hải đoạn Gót - Gia Lộc: Đoạn đê dài 3.100 m, kết cấu đá hộc với cao trình mặt đê từ +3,7 đến +4,5 m, thường xuyên bị xói mòn do kích thước đá nhỏ và tác động mạnh của sóng, triều cường. Sau bão số 2 năm 2013, nhiều đoạn đê bị hư hỏng nghiêm trọng, đặc biệt là mái kè phía biển.

  2. Hiệu quả của lăng thể Tetrapod giảm sóng: Mô hình toán IH2-VOF cho thấy vị trí bố trí lăng thể Tetrapod cách chân đê từ 0 đến 20 m ảnh hưởng đáng kể đến lưu lượng sóng tràn qua đê. Vị trí cách chân đê khoảng 10 m được xác định là tối ưu, giảm lưu lượng sóng tràn qua đê xuống dưới 10% so với trường hợp không có lăng thể.

  3. Đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý: Hai dạng mặt cắt ngang được đề xuất, tận dụng kết cấu đá hộc hiện có kết hợp với lăng thể Tetrapod phía trước chân đê và tường đỉnh đê nhằm giảm sóng leo và sóng tràn. Mặt cắt có khối lượng vật liệu xây dựng nhỏ, không mở rộng quá lớn để hạn chế chiếm đất, phù hợp với điều kiện địa hình và xã hội của đảo Cát Hải.

  4. Kết quả mô phỏng lưu lượng sóng tràn: Lưu lượng sóng tràn qua đê trong các kịch bản có lăng thể Tetrapod giảm từ khoảng 15% xuống còn dưới 5% so với trường hợp không có lăng thể, đảm bảo an toàn cho khu vực phía sau đê, phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển cấp IV.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện trạng xói mòn và hư hỏng đê biển là do kích thước đá hộc nhỏ, cao trình đê thấp và tác động mạnh của sóng, triều cường trong bão. Việc bố trí lăng thể Tetrapod phía trước đê giúp giảm đáng kể năng lượng sóng tác động trực tiếp lên mái đê, từ đó giảm sóng leo và sóng tràn.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, giải pháp sử dụng lăng thể Tetrapod kết hợp với tường đỉnh đê và mái kè đá hộc được đánh giá là phù hợp với điều kiện địa phương, vừa đảm bảo kỹ thuật vừa tiết kiệm chi phí. Mô hình toán IH2-VOF được kiểm định với thí nghiệm vật lý cho thấy độ tin cậy cao trong mô phỏng tương tác sóng - công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng sóng tràn theo vị trí bố trí lăng thể, bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của các phương án mặt cắt ngang, và hình ảnh mô phỏng trường dòng chảy, áp lực sóng trên mái đê.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng lăng thể Tetrapod phía trước chân đê: Bố trí lăng thể cách chân đê khoảng 10 m để giảm lưu lượng sóng tràn qua đê xuống dưới 10%, nâng cao độ ổn định công trình. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị thi công.

  2. Gia cố mái kè đá hộc bằng cấu kiện Holhquader: Ứng dụng cấu kiện bê tông cốt thép Holhquader để gia cố các đoạn mái kè bị xói mòn nghiêm trọng, tăng khả năng chống chịu sóng và triều cường. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hải Phòng.

  3. Thiết kế và xây dựng tường đỉnh đê hợp lý: Tường đỉnh đê cần được thiết kế để hạn chế lưu lượng sóng tràn qua, đảm bảo an toàn giao thông và sinh hoạt phía sau đê. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Tư vấn và Chuyển giao Công nghệ Thủy lợi.

  4. Theo dõi, bảo trì và kiểm tra định kỳ: Thiết lập hệ thống quan trắc sóng, triều và kiểm tra hiện trạng đê biển định kỳ để phát hiện và xử lý kịp thời các hư hỏng, đảm bảo hiệu quả lâu dài của công trình. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý đê biển địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách về đê biển: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng chính sách nâng cấp, bảo vệ đê biển phù hợp với điều kiện địa phương và biến đổi khí hậu.

  2. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi, đê biển: Cung cấp phương pháp thiết kế mặt cắt ngang đê biển hợp lý, ứng dụng mô hình toán hiện đại trong tính toán tương tác sóng - công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật thủy lợi, kỹ thuật biển: Tài liệu tham khảo về mô hình toán IH2-VOF, phương pháp mô phỏng sóng tràn và các giải pháp giảm tải trọng sóng tác động lên công trình.

  4. Cơ quan quản lý thiên tai và phòng chống bão lũ: Tham khảo các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu thiệt hại do sóng tràn, bão và lũ gây ra tại khu vực ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần thiết kế mặt cắt ngang đê biển hợp lý?
    Mặt cắt ngang đê biển hợp lý giúp giảm sóng leo, sóng tràn và lưu lượng sóng tràn qua đê, tăng độ ổn định công trình, giảm chi phí xây dựng và bảo trì. Ví dụ, tại Cát Hải, mặt cắt ngang hợp lý kết hợp lăng thể Tetrapod đã giảm lưu lượng sóng tràn xuống dưới 10%.

  2. Mô hình toán IH2-VOF có ưu điểm gì trong nghiên cứu đê biển?
    IH2-VOF mô phỏng chính xác tương tác sóng với công trình có cấu trúc xốp hoặc đặc, cho phép tính toán trường dòng chảy, áp lực sóng và sóng tràn với sai số dưới 10% so với thực đo, hỗ trợ thiết kế và đánh giá hiệu quả công trình.

  3. Lăng thể Tetrapod hoạt động như thế nào trong giảm sóng?
    Lăng thể Tetrapod đặt trước chân đê làm tiêu tán năng lượng sóng, giảm vận tốc sóng leo trên mái đê và lưu lượng sóng tràn qua đê, từ đó tăng độ ổn định và tuổi thọ công trình.

  4. Giải pháp gia cố mái kè đá hộc bằng Holhquader có hiệu quả ra sao?
    Gia cố bằng cấu kiện Holhquader giúp tăng cường khả năng chống xói mòn, giảm hư hỏng sau bão, đã được áp dụng thành công tại đoạn mái kè Cát Hải sau bão số 2 năm 2013, đảm bảo ổn định công trình.

  5. Làm thế nào để duy trì hiệu quả lâu dài của đê biển?
    Cần thiết lập hệ thống quan trắc, kiểm tra và bảo trì định kỳ, xử lý kịp thời các hư hỏng, đồng thời áp dụng các giải pháp kỹ thuật phù hợp như lăng thể Tetrapod và tường đỉnh đê để giảm tác động sóng.

Kết luận

  • Đê biển Cát Hải đoạn Gót - Gia Lộc hiện trạng đá hộc nhỏ, cao trình thấp, thường xuyên bị xói mòn và hư hỏng do sóng, triều cường và bão.
  • Giải pháp sử dụng lăng thể Tetrapod phía trước chân đê cách 10 m giúp giảm lưu lượng sóng tràn qua đê xuống dưới 10%, nâng cao độ ổn định công trình.
  • Hai dạng mặt cắt ngang đê biển được đề xuất tận dụng kết cấu hiện có, kết hợp lăng thể Tetrapod và tường đỉnh đê, phù hợp với điều kiện địa hình và xã hội địa phương.
  • Mô hình toán IH2-VOF được kiểm định với thí nghiệm vật lý, cho kết quả mô phỏng chính xác, là công cụ hữu ích trong thiết kế và đánh giá công trình đê biển.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai xây dựng lăng thể Tetrapod, gia cố mái kè, thiết kế tường đỉnh đê và thiết lập hệ thống quan trắc, bảo trì định kỳ nhằm đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Kêu gọi hành động: Các cơ quan quản lý, kỹ sư thiết kế và nhà nghiên cứu nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả bảo vệ đê biển, góp phần phát triển bền vững khu vực ven biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.