Nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý về sóng tràn đê và cơ chế phá hoại đê do sóng tràn

MỤC LỤC

1


I.

ĐẶT VẤN ĐỀ

1. Tổng quan về nghiên cứu xói mái cỏ
Đê biển chịu sóng tràn với mái trong chống xói bằng cỏ đang được xem là một
giải pháp khả thi chiếm nhiều ưu thế. Đánh giá sức chịu tải của mái cỏ dưới tác động
xói của sóng tràn do vậy rất bức thiết trong công tác thiết kế và trong đánh giá mức độ
an toàn của đê biển.
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng như hiện nay, sóng tràn đã
và đang trở thành một dạng tải trọng đặc biệt trong thiết kế đê biển. Các giải pháp
cơng trình cho đê chịu sóng tràn do đó đang giành được một mối quan tâm đặc biệt.
Trong khuôn khổ một số dự án nghiên cứu của Liên minh Châu Âu gần đây như
COMCOAST và EUROGRASS, đê biển mái cỏ được đánh giá là một trong những
giải pháp có tính khả thi nhất cho đê chịu sóng tràn. Các thí nghiệm hiện trường máy
xả sóng trên một số tuyến đê biển ở Hà Lan (xem Akkerman và cộng sự, 2007) đối với
một số dạng mái cỏ cho thấy mái cỏ nếu được trồng và chăm sóc tốt có thể đem lại sức
chống xói đáng ngạc nhiên (lưu lượng sóng tràn trung bình đơn vị q = 100 l/s/m với
lưu tốc lớn nhất Vmax = 4 ~ 6 m/s trong vòng 6 giờ chưa thể gây hư hỏng đáng kể nào
cho mái cỏ chất lượng trung bình khơng có lớp gia cường). Điều này trái ngược hẳn
với tiêu chuẩn sóng tràn hiện nay quy định lượng tràn cho phép đối với trong đê biển
mái cỏ chỉ 0,1 ~ 1,0 l/s/m (xem CEM-2002). Kết quả này cho thấy hiểu biết của chúng
ta về sức chịu xói của cỏ cịn q hạn chế và cần nhiều nghiên cứu hơn nữa trong lĩnh
vực này. Với lưu lượng tràn cho phép có thể lên tới hàng trăm l/s/m thì đê mái cỏ thực
sự là giải pháp kỹ thuật tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh
ứng phó với nước biển dâng như hiện nay.

Đê biển ở nước ta đa số có cao trình đỉnh thấp nhưng kết cấu mái trong chưa
được gia cố đảm bảo do vậy sóng tràn là một trong những nguyên nhân chính gây hư
hỏng đê biển trong bão. Tuy nhiên, vai trò quan trọng của sóng tràn trong tính tốn
thiết kế vẫn chưa được thể hiện trong hướng dẫn thiết kế đê biển hiện hành. Ở các
nước tiên tiến đặc biệt là ở châu Âu và Mỹ thì cao trình đỉnh đê và kết cấu đỉnh và mái
trong đê biển được thiết kế dựa trên mối liên hệ với lượng sóng tràn cho phép qua đê
(xem EurOtop-2007, TAW-2002, CEM-2002).

2


Hình 1. Thí nghiệm máy xả sóng (Akkerman và cộng sự, 2007)
2. Các giải pháp ổn định mái dốc bằng thực vật ở Việt Nam
Sử dụng thực vật như là một kỹ thuật sinh học để cải tạo đất, hạn chế xói mịn
và ổn định mái dốc đã được biết đến từ hàng trăm năm nay và đang trở nên ngày càng
phổ biến trong một vài thập kỷ gần đây. Đó là vì người ta ngày càng hiểu biết hơn và
có nhiều thơng tin hơn về các lồi thực vật có thể sử dụng được trong thiết kế cơng
trình, nhưng mặt khác cịn do tính hiệu quả và thân thiện với môi trường mà cách tiếp
cận “mềm mại” này mang lại.
Ổn định mái dốc bằng các giải pháp sử dụng thực vật cũng đã và đang được áp
dụng phổ biến ở Việt Nam. Trong giảm nhẹ xói lở bờ sơng, biện pháp kỹ thuật sinh
học phổ biến nhất có lẽ là trồng tre. Để giảm nhẹ xói lở bờ biển, người ta trồng bần,
đước, phi lao, dứa dại v.v.
Tuy nhiên những biện pháp này cịn có một số nhược điểm như:
• Tre mọc thành bụi, khơng tạo được hàng rào kín. Nước lũ vẫn có thể len qua,
và tập trung ở khoảng trống giữa các bụi, vì thế sức phá hủy cịn lớn hơn, gây xói lở
nghiêm trọng hơn. Tre có rễ chùm, nơng, chỉ xuống tới độ sâu khoảng 1,0 - 1,5m,
không cân bằng với phần thân ngọn cao, nặng. Do vậy các bụi tre thường chỉ làm bờ
sông nặng thêm chứ khơng góp phần ổn định bờ. Với rễ chùm nông như vậy, nhiều
trường hợp thấy bờ sông bị xói hàm ếch, tạo điều kiện để xảy ra trượt lở quy mơ lớn

hơn.
• Đước, ở những nơi chúng mọc được, có thể tạo nên đới đệm giúp giảm bớt
3


năng lượng sóng và các dịng chảy ven biển, giảm nhẹ xói lở bờ biển rất tốt. Tuy
nhiên, đước lại khó mọc vì cây con hay bị chuột ăn mất ngọn và không tiếp tục lớn
được nữa. Thực tế này đã từng thấy ở ven biển Hà Tĩnh và một số nơi khác.
• Phi lao từ lâu đã và đang được trồng trên hàng ngàn hecta cồn cát ven biển
Miền Trung. Tương tự như vậy, dứa dại cũng được trồng dọc các bờ sông, suối cũng
như ven các cồn cát. Tuy nhiên chúng thường chỉ có tác dụng chắn gió, tức là hạn chế
cát bay, chứ không tạo được hàng rào kín và bộ rễ cũng khơng ăn đủ sâu để giảm nhẹ
cát chảy. Ở một số nơi đã đắp đê cát dọc các dịng chảy, phía trên trồng phi lao, dứa
dại nhằm hạn chế cát chảy nhưng không thành công. Các lưỡi cát vẫn tiếp tục xâm lấn
đồng ruộng, nhất là về mùa mưa. Ngoài ra, phi lao con khi mới trồng nếu gặp thời tiết
quá lạnh (dưới 10oC) cũng có thể bị chết, trong khi dứa dại cũng có thể khơ héo khi
thời tiết q khơ nóng v.v.
3. Các nghiên Mơ hình vật lý về khả năng chịu xói của mái đê phía đồng dưới
tác dụng của sóng tràn ở Việt Nam
Ở Việt Nam trong khuôn khổ dự án phối hợp nâng cao năng lực đào tạo ngành
Kỹ thuật Biển ở Trường Đại học Thủy Lợi, một máy xả sóng đã được Hà Lan thiết kế
và chế tạo tại Việt Nam. Từ năm 2008 cho đến nay đã có 02 đợt thực nghiệm hiện
trường máy xả sóng với các đê biển ở các tỉnh Hải Phòng (2008) và Nam Định (2010)
và tập trung ở một số dạng mặt cắt ngang đê biển điển hình.
Ở các thí nghiệm đầu tiên ở Hải Phịng (Hình 2-10) chỉ mang tính chất vận hành
thử hoạt động của máy xả sóng do vậy chưa có nhiều kết luận mang tính định tính từ
đợt thử nghiệm này. Sau này với cá đê biển ở Nam Định thì nghiên cứu tập trung
nhiều hơn vào đê mái cỏ bản địa. Các chỉ tiêu cơ lý của đất và cỏ kể cả đặc điểm thực
vật của cỏ đã được thu thập tại nhiều vị trí trên mái đê phục vụ cho phân tích kết quả
sau này.

Kết quả thí nghiệm hiện trường ở Việt Nam cũng cho thấy một số điểm tương
đồng so với ở Hà Lan đó là: sức chịu tải của mái cỏ tốt đến ngạc nhiên và vị trí xung
yếu nhất vẫn thường là ở chân đê phía đồng nơi có sự chuyển tiếp địa hình từ mái dốc
sang phương ngang. Ở hình (2-11) cho thấy sự phát triển của một hố xói trên mái đê
cỏ Gà, khi trên đê có một điểm yếu tại chỗ có cây thực vật rễ lớn mọc qua. Ở trong
nhiều trường hợp mái đê cỏ Gà (được đánh giá là có chất lượng từ xấu đến vừa) đã có
thể chịu được sóng với lưu lượng tràn trung bình lên đến 40 l/s/m.

4


Hình 2: Thí nghiệm máy xả sóng cho đê Cửa sơng Trà l ý - Thái Bình
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

II.
1.

Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu một cách tổng thể cơ chế xói mái đê phía đồng do sóng tràn, từng

bước tiếp cận với việc mơ hình hố sóng tràn qua đê, đặc biệt là đối với đê biển.
Nghiên cứu các giải pháp gia cố bảo vệ mái đê bằng thực vật trên thế giới và ở Việt
Nam. Kết quả tính tốn góp phần định hướng cho người thiết kế trong việc lựa chọn
mơ hình tính tốn, phần mềm tính tốn, q trình tính tốn và lựa chọn giải pháp gia
cố bảo vệ mái đê.
2.

Mục tiêu cụ thể
•

Nghiên cứu khả năng chóng xói của mái đê ở phía đồng khi có sóng tràn qua
với trường hợp mái đê phía đồng được gia cố bằng trồng cỏ bình thường, và
trường hợp trồng cỏ có gia cường Geocell, Geogrid.

•

Phát triển một mơ hình số trị mơ phỏng q trình xói mái trong đê biển mái cỏ
gây ra bởi sóng tràn.
5


•

Giúp NCS Nguyễn Văn Thìn có kết quả nghiên cứu thực tiễn để hồn thiện luận
án tiến sĩ của mình với đề tài Nghiên cứu cơ chế phá hoại đê biển khi có bão và
triều cường.

III.

CÁCH TIẾP CẬN
Dựa trên các tài liệu khoa học sưu tầm được từ trong nước và quốc tế làm cơ sở

cho việc phân tích hiện tượng xói lở ở mái đê phía đồng do sóng tràn cũng như khả
năng ứng dụng gia cố bảo vệ mái đê bằng thực vật trên thế giới và ở Việt Nam. Bên
cạnh đó, các tài liệu này cịn giúp đề tài có các định hướng hợp lý cho quá trình nghiên
cứu.
Sử dụng mơ hình BREID (Breaching of inhomogeneousv seadike) là mơ hình
thủy động lực học hình thái, mơ phỏng diễn biến q trình xói mái cỏ đê biển do sóng
tràn gây ra trong bão. Trong đó ở biên đầu vào là q trình sóng theo thời gian, có thể
lấy từ tài liệu thực đo hoặc tạo ra bằng phương pháp số. Chương trình gồm có hai

module chính là mơ hình hóa sóng tràn và mơ hình hóa q trình xói mái cỏ.
Q trình nghiên cứu của đề tài được kiểm chứng bằng việc tính tốn phân tích
cơ chế xói mái đê phía đồng ở Giao Thuỷ - Nam Định.
IV.
1.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Báo cáo các kết quả thí nghiệm của NCS Nguyễn Văn Thìn tại Viện LWI –

Trường đại học TU BRAUSHWEIG – CHLB ĐỨC
a) Đặt vấn đề
Các thí nghiệm xác định khả năng chịu xói của mái cỏ với các cấp lưu lượng
khác nhau, trường hợp này được thí nghiệm trên máng tràn ở viện LWI (LeichtweißInstitut für Wasserbau) Trường đại học TU Braunshweig – CHLB Đức. Nghiên cứu
này tập trung vào khả năng chịu xói của mái cỏ có gia cố và khơng có gia cố dưới tải
trọng sóng tràn.
Hệ thống Geocell/Geogrid, được làm bằng nhựa tổng hợp, đã được ứng dụng

rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là cho cơng tác phịng chống xói mịn và ổn định
mái dốc. Trong các ứng dụng ven biển, hệ thống này gần đây đã được coi như là một

giải pháp hữu hiệu, thay thế thay thế một số giải pháp khác trong việc bảo vệ
mái đê biển phía đồng dưới tải trọng sóng tràn. Tuy nhiên hiện nay chưa có
nghiên cứu nào rõ ràng về cơ chế phá hoại mái đê phía đồng được bảo vệ bằng hệ

thống Geocell/Geogrid dưới tải trọng sóng tràn. Hơn nữa chưa có thí nghiệm cụ thể
6


nào cho mái đê biển phía đồng được gia cố bởi hệ thống này nên còn thiếu kinh

nghiệm về cách sử dụng Geocell/Geogrid để gia cố mái bên trong của đê biển bị sóng
tràn qua đỉnh, các cơng thức thực nghiệm và mơ hình tốn dự báo khả năng xói của
mái đê được gia cố bởi thống này cũng chưa có.

Trong khi đó, phương pháp bảo vệ mái đê bằng giải pháp trồng cỏ được thế giới

xem là một giải pháp hữu hiệu là giải pháp xanh và bền vững có tính phù hợp cao
trong bối cảnh biến đổi khí hậu như hiện nay. Mục tiêu của thí nghiệm này là (i) để
nghiên cứu các cơ chế phá hoại xảy ra của từng loại gia cố mái đê với một loại cỏ, (ii)
để định lượng được khả năng chống xói của các thảm cỏ và để xác định các thông số
ảnh hưởng có liên quan nhất (hình dạng, độ cứng, quy cách gia cố, độ sâu, vv); (iii) để
đề xuất phương pháp để gia cố; (iv) cung cấp dữ liệu hợp lý cho việc xác định các mơ
hình số hiện có và mở rộng mơ hình; (v) để so sánh hiệu suất của hệ thống Geocell và
Geogrid; (vi) phát triển một cơng thức thực nghiệm cho những dự đốn về phá hoại
mái cỏ.
b) Kết quả thí nghiệm
−

Đối với cỏ khơng có gia cường: Vị trí phá hoại đầu tiên tại A xảy ra sau 30

con sóng có kích thước 20x17x5cm (dài x rộng x sâu). Vùng phá hoại được mở
rộng dần (chiều rộng, chiều dài, chiều sâu) theo thời gian. Vùng phá hoại hoàn
toàn được xác định sau 18 giờ thí nghiệm.

7


50c

35c

Hình 3: Hố xói xuất hiện ở chân mái cỏ sau 18 giờ thí nghiệm

Hình 4: Sự phát triển của độ sâu hố xói theo thời gian đối với mái cỏ khơng có gia cố
−

Mái cỏ được gia cố bằng geogrid (6,5x6,5)cm
Trong sêri thí nghiệm này, thảm cỏ được gia cố bằng geogrid (6.5x6.5)cm.

Có hai vị trí xuất hiện xuất hiện phá hoại mái cỏ GA1 và GA2 sau 30 con sóng,
sự mở rộng phạm vi hố xói theo thời gian ở vị trí GA1 và vị trí GA2 được mơ tả
trên (Hình 6).
8


GA1

GA2

Hình 5: Vị trí xuất hiện xói trên thảm cỏ được gia cố bằng geogrid (6.5x6.5cm)

9


after 30 waves
after 6h
after 12h
after 18h
after 24h
10cm

after 30 waves
after 6h
after 12h
after 18h
after 24h
10cm

Hình 6: Hư hỏng tại vị trí (GA1) và (GA2) theo thời gian

Hình 7: Đường bao đáy hố xói tại vị trí GA1 và GA2
10


−

Thảm cỏ được gia cố bằng geogrid (3.9x3.9)cm
Trong sêri thí nghiệm này thảm mái cỏ được gia cố bằng hệ thống geogrid

(3.9x3.9)cm. Tại điểm GB xuất hiện phá hoại sau 30 con sóng . Vị trí phá hoại
được mở rộng dần, phạm vi mở rộng hố xói theo thời gian được phân tích ở
(Hình 1-37).

GB

Hình 8: Vị trí sẽ xuất hiện xói ở thảm cỏ được gia cố bởi hệ thống geogrid
(3.9x3.9cm) đặt ở độ sâu dưới thảm cỏ 5cm

after 30 waves
after 6h

after 12h
after 18h
after 24h
10cm

11


Hình 9:Hư hỏng tại vị trí GB theo thời gian

Hình 10: Đường bao đáy hố xói tại vị trí GB theo thời gian
−

Thảm cỏ được gia cố bằng geocell
Thí nghiệm cuối cùng này được thí nghiệm với mái cỏ được gia cố bởi hệ

thống Geocell, hệ thống này được lắp đặt ở độ sâu 9cm kể từ mặt cỏ. Điểm xuất
hiện phá hoại sau 30 con sóng là GC, hố xói tại GC được mở rộng theo thời
gian và được mơ phỏng trên Hình 1-41, đường bao đáy hố xói theo thời gian
được mơ phỏng ở (Hình 1-45).

Hình 11: Đường bao đáy hố xói tại vị trí GC theo thời gian
12


13


Bảng 1: Tổng hợp các kết quả thí nghiệm
Grass without reinforced

After - 30
waves
after 6h
after 12h
after 18h
after 24h

0

length
(cm)
17.0

width
(cm)
20.0

Depth
(cm)
5.1

20.0
37.0
50.0

35.0
35.0
35.0

9.8
14.9
20.0

5

10 time (h) 15

10.0

Width (cm)

length (cm)

90.0
100.0

0

5

34.2
39.3
39.9
74.0

10

7.5
10.6

12.4
12.4

time (h) 15

20.1
22.0
30.5
54.0

20

13.8
29.0
30.5
68.0

40.0

Grass without
reinforcement
Grass reinforced with
geocell GC
Grass reinforced with
geogrid 6.5x6.5cm GA2
Grass reinforced with
geogrid 3.9x3.9cm GB

50.0
60.0

70.0
80.0

5.4
6.5
7.4
8.0

0

25

Grass reinforced geocell
GC
length
width
depth
(cm)
(cm)
(cm)
8.1
7.2
2.4
10.7
19.0
28.0

5

10

11.8
19.0
29.0

time (h) 15

After 30 waves
5.0

10.0

After 30 waves
Grass without
reinforcement
Grass reinforced with
geocell GC
Grass reinforced with
geogrid 6.5x6.5cm GA2
Grass reinforced with
geogrid 3.9x3.9cm GB

(a)

(b)

15.0

20.0

25.0

Grass without
reinforcement
Grass reinforced with
geocell GC
Grass reinforced with
geogrid 6.5x6.5cm GA2
Grass reinforced with
geogrid 3.9x3.9cm GB

(c)

Hình 12: So sánh phạm phi mở rộng hố xói theo thời gian (a) length~time; (b) width ~ time; (c) depth ~ time
14

4.2
10.0
20

20

0.0

30.0

After 30 waves

50.0

80.0

17.8
20.8
23.2
88.0

20.0

30.0

70.0

25

7.5
9.7
11.6
13.3

Grass reinforced with
geogrid 3.9x3.9cm GB
length width
depth
(cm)
(cm)
(cm)
14.7
5.3
3.4

10.0

20.0

60.0

20

11.2
14.5
23.9
29.4

0.0

0.0

40.0

19.6
20.4
40.0
47.9

Grass reinforced with
geogrid 6.5x6.5cm GA2
length width
depth
(cm)

(cm)
(cm)
5.8
16.2
4.6

depth(cm)

Time

Grass reinforced with
geogrid 6.5x6.5cm GA1
length
width depth
(cm)
(cm)
(cm)
10.4
7.4
5.2

25


Qua kết quả thí nghiệm trên tác giả thấy rằng, khả năng chịu xói của mái cỏ
được tăng lên đáng kể khi chúng ta bố trí gia cố Geogrid/Geocell, đặc biệt là từ độ sâu
lắp đặt hệ thống gia cố thì dường như hố xói phát triển theo chiều sâu rất chậm. Quan
các kết quả phân tích ở (Hình 1-39) từ bề mặt cho đến vị trí đặt hệ thống gia cố (0 –
5)cm đối với hệ thống geogrid và (0-9)cm đối với hệ thống Geocell, thì việc tăng khả
năng chịu xói của hệ thống gia cố được sắp xếp theo thứ tự:

1. Geocell
2. Geogrid (3.9 x 3.9)cm
3. Geogrid (6.5 x 6.5)cm
4. Cỏ khơng có gia cố
Tuy nhiên khi hố xói phát triển đến vị trí đặt hệ thống gia cố, thì việc tăng khả
năng chịu xói của hệ thống gia cố được sắp xếp theo thứ tự
1. Geogrid (3.9 x 3.9)cm
2. Geogrid (6.5 x 6.5)cm
3. Geocell
4. Cỏ khơng có gia cố

15


2.

Một số kết quả thí nghiệm ở trong nước
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thí nghiệm tương tác của sóng lên đê biển

trên mơ hình vật lý, xác định cơ chế sạt lở bãi và đê biển có kết cấu phủ đề xuất là
bêtơng khối vng, mái phía đồng gia cố bằng bê tông kết hợp trồng ô cỏ.
Mơ hình được chế tạo theo số liệu địa hình được thu thập từ thực tế. Mặt cắt và
kết cấu đê, bãi: chiều cao đê, độ dốc mái đê, kết cấu lớp phủ được chế tạo theo mặt cắt
đê điển hình hiện nay ở Hải Hậu Nam Định. Căn cứ vào khả năng đáp ứng của hệ
thống thí nghiệm và u cầu nghiên cứu, tỉ lệ mơ hình được lựa chọn là 1/20.
Bảng 2: Tham số bãi, đê biển
Ngun hình

Mơ hình

Cao trình đỉnh đê

+5.5m

+0.275m

Chiều rộng đỉnh đê

5.0m

0.25m

Chiều rộng chân đê

32m

1.6m

M biển = 4

M biển = 4

M đồng = 2,5

M đồng = 2,5

Chiều dài tuyến đê nc

20m

1m

Chiều rộng bãi

400m

20m

Độ dốc mái đê

Seri thí nghiệm cuối với mực nước 21,45cm (4,29m thực địa) và phổ sóng
Jonswap chiều cao h s = 0,135m (2,7m thực địa), chiều cao sóng tại chân đê là 0,152m
(3,04m thực địa) lưu lượng nước do sóng tràn qua đê Q max là 271.8 l/s/m, V s max =
6.2m/s thực địa, mái đê phía đồng bị xói một ít cát, đê an toàn.
Bảng 3: Q tràn và vận tốc sóng tại mái đê

File name

17h06-160-

Mực
nước

H s chân

V sóng (m/s)

đê

Q tràn

(m)

MH/TT
(m)

(l/s/m)

3.2

0.079/1.58

16

Vị trí

MB

MD

1

2.82

2.03


J00715

17h17-160-J01

17h27-160-

3.2

J0135

17h43-2145-

4.29

J00715

17h54-2145-J01

18h22-2145J0135

3.

3.2

4.29

4.29

0.113/2.26

8.77

0.12/2.4

105.2

0.082/1.64

21.7

0.11/2.2

111.8

0.152/3.04

271.8

2

2.71

2.16

3

2.46

1.83

1

3.04

2.41

2

3.39

2.57

3

2.71

2.16

1

2.93

1.74

2

3.39

2.26

3

2.48

1.12

1

2.03

1.36

2

2.26

1.63

3

1.86

1.26

1

2.96

1.55

2

3.16

1.69

3

2.71

1.36

1

5.55

1.97

2

6.21

2.26

3

4.97

1.65

Ứng dụng mơ hình tốn phân tích cơ chế xói mái đê phía đồng ở Giao Thuỷ

- Nam Định

a) Quá trình tính tốn theo Chương trình BREID
−

Tiến hành nghiên cứu q trình xói mái hạ lưu với chương trình BREID,

với các giả thiết điều kiện biên đầu vào như sau:
+

Cao trình đỉnh đê là +4,29m

+

Hệ số mái phía biển m = 4, hệ số mái phái đồng m’ = 3.0

+

Đê khơng có cơ và tường đỉnh

+

Đặc điểm mái đê phía đông: Cấu tạo gồm các lớp như sau

+

Lớp cỏ được sử dụng ở đây là cỏ gà mọc tự nhiên, chiều sâu ảnh hưởng

của rễ là 30cm, mọc trên tầng đất sét.
+

Lớp sét: lớp này dày 50cm

17


+

Lớp đất đắp lõi đê trong cùng

Hình 13: Cấu tạo hình học và lớp phủ mái đê
−

Giả thiết với giá trị lưu lượng tràn đơn vị là 40 (l/s/m). Với mặt cắt hình học

và điều kiện biên thủy lực như trên, chạy mơ hình cho module sóng tràn theo phương
pháp ngược (thử dần) để xác định mức nước thiết kế. Việc làm này nhằm mục đích tạo
ra được lưu lượng tràn theo thiết kế.
b) Kết quả tính tốn
Bảng 4: Kết quả tính tốn xói mái cỏ (đoạn trên mái)
Chiều sâu xói (cm)
Các TH

Đặc đểm

Cỏ loại 1

Cỏ loại 2

TH1

Mái cỏ tự nhiên

8

8

TH2

Mái cỏ bị hư hỏng nhân tạo

14

40

TH3

Mái cỏ không đồng đều

12

TH4

Mái có lớp sét bị yếu

8

18


Với trường hợp mái đê tiêu chuẩn, lớp cỏ và lớp đất sét phân bố đồng đều thì
thời gian sóng tràn qua đỉnh đê trong 3,5h, lưu lượng 40l/s/m sẽ làm cho mái đê bị xói
đi một lớp đất phía trên mặt khoảng 14cm.

Cũng với các thơng số sóng tràn như trên, với chất lượng cỏ loại tốt và tồn tại
một hư hỏng nhân tạo ban đầu với độ sâu 5cm, rộng 1m thì trong thời gian 4h, mái đê
bị xói 40cm, xói gần hết phần rễ cỏ nằm trong lớp đất sét, nếu tiếp tục cho sóng tràn
qua trong trường hợp này thì đê biển rất dễ bị phá hủy nghiêm trọng do khả năng làm
việc của rễ cỏ đã đạt tới mức giới hạn và lớp lõi cát của đê đã gần lộ ra.
Từ kết quả cho thấy xói diễn ra trên tồn bộ phần mái cỏ, kể từ đỉnh cho đến
chân đê. Tuy nhiên phần chân mái đê là có khả năng bị xói nhiều nhất. Trong trường
hợp mái cỏ có vết hư hỏng nhân tạo sâu và với chất lượng cỏ trung bình thì chiều sâu
xói tại vị trí hư hỏng ban đầu đó là khá lớn.
Như vậy, có thể dễ dàng nhận thấy chất lượng cỏ có ảnh hưởng rất lớn sức bền
của mái đê. Cỏ có chất lượng tốt và đồng đều thì sẽ chịu được xói rất tốt mà khơng làm
ảnh hưởng đến các lớp đất bên trong lõi đê. Ngược lại, cỏ khơng được chăm sóc tốt
(chất lượng trung bình và khơng đồng đều) thì sức chống xói giảm đi rõ rệt.
Chiều sâu xói lở đối với cỏ chất lượng tốt (loại 1):

Hình 14: Xói với mái tiêu chuẩn

19


Hình 15: Xói do mái cỏ hư hỏng

Hình 16: Xói tại vị trí lớp cỏ mỏng

20


Hình 17: Xói do lớp đất sét khơng đều
V.

KẾT LUẬN
Qua thực tế các nghiên cứu đánh giá sức chịu tải của mái cỏ đê biển chúng ta có

thể rút ra những kết luận sau:
•

Mái cỏ có sức chịu tải khá tốt và vượt xa những giới hạn được quy định

trong những tiêu chuẩn hoặc hướng dẫn an toàn về khả năng chịu xói của mái
cỏ do sóng tràn hiện hành.
•

Các kết luận từ các nghiên cứu đã gợi mở ra một tiềm năng lớn vể việc ứng

dụng giải pháp mái cỏ cho đê biển chịu sóng tràn. Đây là một giải pháp khả thi
về kinh tế lẫn kỹ thuật phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới đặc biệt là kinh
tế ở nước ta. Ngoài ra đê biển mái cỏ là giải pháp xanh và bền vững có tính phù
hợp cao rong bối cảnh biến đổi khí hậu như hiện nay.
•

Cần có những nghiên cứu tổng quan đánh giá lại tiềm năng của các loại cỏ

bản địa lẫn ngoại lai trong việc áp dụng cho bảo vệ gia cường chống xói cho
mái đê biển ở nước ta. Để phát huy hiệu quả tốt, công tác nghiên cứu này cần có
sự tham gia tích cực của các nhà khoa học về nông nghiệp trồng trọt và thực vật
học.
21


•

Ngoài các mái cỏ tự nhiên, các giải pháp gia cường mái cỏ bằng một số hệ

thống kết cấu địa kỹ thuật bổ sung có thể được áp dụng nhằm tăng thêm khả
năng chịu xói của mái cỏ cho một số trường hợp yêu cầu chịu xói cao hay mức
độ chịu sóng tràn lớn.
•

Việc ứng dụng các mơ hình tính tốn hiện đại bên cạnh các thí nghiệm hiện

trường có thể trợ giúp trong phân tích, đánh giá cơ chế hư hỏng của mái cỏ đê
biển, nâng cao chất lượng thiết kế.

22


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Thiều Quang Tuấn – Hocine oumeraci. Mơ hình số trị xói mái cỏ phía trong của đê biển
do sóng tràn. Tuyển tập báo cáo khoa học Trường Đại học Thuỷ lợi tháng 11 năm 2009;
2. Báo cáo khoa hội thảo khoa học công nghệ lần thứ nhất, chương trình khoa học cơng nghệ
bảo vệ mơi trường và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên. Nhóm tác giả Ngơ Trí Viềng,
Nguyễn Bá Quỳ, Nguyễn Văn Thìn;
3. Báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu đề tài xác định mặt cắt đê biển hợp lý từ Quảng
Ninh đến Quảng Nam, PGS.TS. Vũ Minh Cát và nhóm nghiên cứu;
4. Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài cấp nhà nước “ Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất
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 đê” Mã số KC08.15/06-10, GS.TS. Ngơ Trí Viềng và
nhóm nghiên cứu;
5. Hội thảo thiết kế đê biển cho các tỉnh duyên hải Miền Trung;
6. Hướng dẫn thiết kế đê biển -14TCN 130- 2002;

7. Các tuyển tập báo cáo tại các Hội thảo xác định mặt cắt đê biển hợp lý từ Quảng Ngãi đến
Bà Rịa Vũng tàu, GS.TS.Phạm Ngọc Quý và nhóm nghiên cứu.
8. Ahrens, J.P., Heimbaugh, M.S., Davidson, D.D., 1986. Irregular wave overtopping of
seawall/revetment configurations, Roughans Point, Massachusetts, USA, final report of
experimental model investigation, Coastal Engineering Research Centre, Department of
the Army, Mississippi.
9. Tuan, T.Q., Verhagen, H.J, Visser, P.J. and Stive, M.J.F., 2006. Wave overwash at lowcrested beach barriers, Coastal Engineering Journal, World Scientific and JSCE, 48, 4, pp.
371-393.
10. CEM-US, 2002. Coastal Engineering Manual, U.S. Army Corps of Engineers, Engineer
Manual 1110-2-1100, Washington D.C., USA.

23


BÁO CÁO TỔNG KẾT
I.

ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Tổng quan về nghiên cứu xói mái cỏ
Đê biển chịu sóng tràn với mái trong chống xói bằng cỏ đang được xem là một

giải pháp khả thi chiếm nhiều ưu thế. Đánh giá sức chịu tải của mái cỏ dưới tác động
xói của sóng tràn do vậy rất bức thiết trong công tác thiết kế và trong đánh giá mức độ
an toàn của đê biển.
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng như hiện nay, sóng tràn đã
và đang trở thành một dạng tải trọng đặc biệt trong thiết kế đê biển. Các giải pháp
cơng trình cho đê chịu sóng tràn do đó đang giành được một mối quan tâm đặc biệt.
Trong khuôn khổ một số dự án nghiên cứu của Liên minh Châu Âu gần đây như
COMCOAST và EUROGRASS, đê biển mái cỏ được đánh giá là một trong những
giải pháp có tính khả thi nhất cho đê chịu sóng tràn. Các thí nghiệm hiện trường máy

xả sóng trên một số tuyến đê biển ở Hà Lan (xem Akkerman và cộng sự, 2007) đối với
một số dạng mái cỏ cho thấy mái cỏ nếu được trồng và chăm sóc tốt có thể đem lại sức
chống xói đáng ngạc nhiên (lưu lượng sóng tràn trung bình đơn vị q = 100 l/s/m với
lưu tốc lớn nhất Vmax = 4 ~ 6 m/s trong vòng 6 giờ chưa thể gây hư hỏng đáng kể nào
cho mái cỏ chất lượng trung bình khơng có lớp gia cường). Điều này trái ngược hẳn
với tiêu chuẩn sóng tràn hiện nay quy định lượng tràn cho phép đối với trong đê biển
mái cỏ chỉ 0,1 ~ 1,0 l/s/m (xem CEM-2002). Kết quả này cho thấy hiểu biết của chúng
ta về sức chịu xói của cỏ cịn quá hạn chế và cần nhiều nghiên cứu hơn nữa trong lĩnh
vực này. Với lưu lượng tràn cho phép có thể lên tới hàng trăm l/s/m thì đê mái cỏ thực
sự là giải pháp kỹ thuật tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh
ứng phó với nước biển dâng như hiện nay.
Đê biển ở nước ta đa số có cao trình đỉnh thấp nhưng kết cấu mái trong chưa
được gia cố đảm bảo do vậy sóng tràn là một trong những ngun nhân chính gây hư
hỏng đê biển trong bão. Tuy nhiên, vai trò quan trọng của sóng tràn trong tính tốn
thiết kế vẫn chưa được thể hiện trong hướng dẫn thiết kế đê biển hiện hành. Ở các
nước tiên tiến đặc biệt là ở châu Âu và Mỹ thì cao trình đỉnh đê và kết cấu đỉnh và mái
trong đê biển được thiết kế dựa trên mối liên hệ với lượng sóng tràn cho phép qua đê
(xem EurOtop-2007, TAW-2002, CEM-2002).


Hình 1. Thí nghiệm máy xả sóng (Akkerman và cộng sự, 2007)
2. Các giải pháp ổn định mái dốc bằng thực vật ở Việt Nam
Sử dụng thực vật như là một kỹ thuật sinh học để cải tạo đất, hạn chế xói mịn
và ổn định mái dốc đã được biết đến từ hàng trăm năm nay và đang trở nên ngày càng
phổ biến trong một vài thập kỷ gần đây. Đó là vì người ta ngày càng hiểu biết hơn và
có nhiều thơng tin hơn về các lồi thực vật có thể sử dụng được trong thiết kế cơng
trình, nhưng mặt khác cịn do tính hiệu quả và thân thiện với môi trường mà cách tiếp
cận “mềm mại” này mang lại.
Ổn định mái dốc bằng các giải pháp sử dụng thực vật cũng đã và đang được áp
dụng phổ biến ở Việt Nam. Trong giảm nhẹ xói lở bờ sơng, biện pháp kỹ thuật sinh

học phổ biến nhất có lẽ là trồng tre. Để giảm nhẹ xói lở bờ biển, người ta trồng bần,
đước, phi lao, dứa dại v.v.
Tuy nhiên những biện pháp này cịn có một số nhược điểm như:
• Tre mọc thành bụi, khơng tạo được hàng rào kín. Nước lũ vẫn có thể len qua,
và tập trung ở khoảng trống giữa các bụi, vì thế sức phá hủy cịn lớn hơn, gây xói lở
nghiêm trọng hơn. Tre có rễ chùm, nơng, chỉ xuống tới độ sâu khoảng 1,0 - 1,5m,
không cân bằng với phần thân ngọn cao, nặng. Do vậy các bụi tre thường chỉ làm bờ
sông nặng thêm chứ khơng góp phần ổn định bờ. Với rễ chùm nông như vậy, nhiều
trường hợp thấy bờ sông bị xói hàm ếch, tạo điều kiện để xảy ra trượt lở quy mơ lớn
hơn.
• Đước, ở những nơi chúng mọc được, có thể tạo nên đới đệm giúp giảm bớt