Kỹ thuật tạo bãi nhân tạo xác lập quy trình tính toán và đánh giá khả năng áp dụng tại việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

FƯG

VŨ VĂN NGHI

KỸ THUẬT TẠO BÃI NHÂN TẠO
XÁC LẬP QUY TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH
GIÁ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành : Cảng và công trình thềm lục địa
Mã số ngành

: 2.14.14

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. TRẦN THU TÂM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:

Cán bộ chấm nhận xét 1: …………………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 2: …………………………………………………………

Luận văn thạc só được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày …… tháng …… năm …….


Lời cám ơn.
Sau chín tháng thực hiện, luận văn tốt nghiệp
Thạc só đã hoàn thành đúng hạn. Đó là kết quả của
một quá trình học tập nghiêm túc của bản thân và sự
giúp đỡ động viên hết lòng của các thầy cô, gia đình,
bạn bè và đồng nghiệp.
Trước tiên tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất
tới Tiến só Trần Thu Tâm đã trực tiếp hướng dẫn tôi
thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô trong bộ
môn Cảng và Công trình thềm lục địa, các thầy cô đã
trực tiếp giảng dạy và các cán bộ phòng Đào tạo sau
đại học Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã
giúp đỡ tôi trong thời gian học tập tại trường.
Tôi xin chân thành cám ơn gia đình, bạn bè và các
đồng nghiệp trong Khoa Công trình Trường Đại học
Giao thông Vận tải Tp HCM đã động viên và tạo
những điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành tốt
luận văn này.
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2005.

Vũ Văn Nghi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
===o0o===

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
===o0o===

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 07 tháng 7 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

VŨ VĂN NGHI

Phái:

Nam.

Ngày sinh:

10-10-1979

Nơi sinh:

Thái Bình.

Chuyên ngành:

Cảng và công trình TLĐ

MSHV:

00204044

I - ĐỀ TÀI:
KỸ THUẬT TẠO BÃI NHÂN TẠO. XÁC LẬP QUY TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG TẠI VIỆT NAM
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1.
2.
3.
4.
5.

Thu thập và tổng hợp các tài liệu liên quan đến kỹ thuật và lý thuyết tính toán
để tạo bãi nhân tạo.
Tìm hiểu các số liệu đầu vào và nghiên cứu các phương pháp đơn giản để xác
định các thông số đầu vào cần thiết như sóng, gió, mực nước.
Tìm hiểu các thông số cơ bản của một bãi biển nhân tạo. Nghiên cứu các điều
kiện và các phương pháp đơn giản để xác định các thông số đó.
Tổng hợp và thiết lập trình tự tính toán khi thiết kế bãi biển nhân tạo.
Ví dụ tính toán cụ thể. Phân tích đánh giá kết quả và kết luận.

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/7/2005
IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2005
V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. TRẦN THU TÂM

TS. TRẦN THU TÂM.
BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. NGÔ NHẬT HƯNG

Nội dung và đề cương Luận văn đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày …… tháng ……… năm 20……
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


TÓM TẮT
Bãi biển nhân tạo là loại công trình tạo nên một đệm “mềm” để bảo vệ
bờ, bảo vệ chân kè biển chống xói, chống ngập ven bờ, đặc biệt hơn là tạo ra
một bãi tắm để phục vụ du lịch ở những vùng không có bãi tự nhiên hay bãi tự
nhiên không đạt yêâu cầu vui chơi, giải trí… Trên thế giới đã có rất nhiều công
trình dạng này cho hiệu quả về kinh tế và kó thuật rất tốt. Tại Việt Nam gần đây
đã xuất hiện một số công trình dạng này tuy nhiên chưa thấy có những tính toán
về mặt kó thuật.
Luận văn phân tích các yếu tố liên quan tới thiết kế bãi biển nhân tạo.
Với các lời giải giải tích tính toán một bãi biển nhân tạo ở một vùng biển Việt
Nam từ đó phân tích và đánh giá khả năng áp dụng kó thuật tạo bãi nhân tạo tại
Việt Nam. Với giới hạn trên, luận văn bao gồm những nội dung sau:
Chương 1: Giới thiệu chung về bãi biển nhân tạo, sự phát triển của bãi
biển nhân tạo trên thế giới và ở Việt Nam. Trình bày cấu tạo

chung của bãi nhân tạo và các nguồn cung cấp bùn cát có
thể sử dụng để tạo bãi.
Chương 2: Trình bày cơ sở lý luận cho tính toán tạo bãi, các khái niệm
về độ sâu giới hạn bồi xói, đặc trưng bùn cát cũng như mô
hình vận chuyển bùn cát dọc bờ và ngang bờ.
Chương 3: Xác định các yếu tố khí tượng thủy văn phục vụ thiết kế bãi
nhân tạo. Đó là các yếu tố nước dâng do bão, sóng leo, thời
gian bão, dự báo sóng và tính toán truyền sóng.
Chương 4: Từ các yếu tố đó tiến hành thiết kế mặt cắt ngang bãi và
đưa ra được hình dạng mặt cắt ngang dưới nước theo một số
phương pháp.
Chương 5: Phân tích các phương pháp tính toán khối lượng vật liệu cần
thiết tạo bãi, các lời giải giải tích xác định khả năng đáp ứng
ngắn hạn của bãi (khả năng chịu bão của bãi) cũng như xác
định tuổi thọ bãi với các dạng bãi bồi khác nhau.
Chương 6: Đưa ra trình tự các bước thiết lập một dự án tạo bãi nhân tạo.
Chương 7: Tính toán tạo bãi cho một bãi biển ở Huyện Cần Giờ – TP.
Hồ Chí Minh với các phương án khác nhau từ đó phân tích
đánh giá khả năng áp dụng kó thuật tạo bãi ở Việt Nam. Đưa
ra các kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC

MỤC LỤC
CHƯƠNG I:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN BÃI BIỂN NHÂN TẠO.

1

I.1

GIỚI THIỆU CHUNG

1

I.2

CẤU TẠO CHUNG BÃI BIỂN

4

I.2.1

Bãi cạn ven bờ

4

I.2.2

Đụn cát ven bờ

4

I.2.3

Bãi ngầm gần bờ

4

I.2.4

Bãi nguồn

5

I.2.5

Các công trình liên hợp với bãi nhân tạo

6

I.3

CÁC NGUỒN CUNG CẤP BÙN CÁT

7

I.3.1

Nguồn cung cấp bùn cát trên bờ

7

I.3.2

Nguồn cung cấp bùn cát từ các đầm, vịnh, … ven biển

8

I.3.3

Nguồn cung cấp bùn cát từ các dự án nạo vét

8

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ LUẬN

10

II.1

CÁC ĐẶC TRƯNG BÙN CÁT

10

II.2

ĐỘ SÂU GIỚI HẠN BỒI XÓI

11

II.2.1

Những giới hạn trong vận chuyển bùn cát theo hướng gần bờ và xa bờ 11

II.2.2

Độ sâu giới hạn bồi xói

13

II.3

MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT NGANG BỜ

15

II.3.1

Khái niệm chung về mô hình vận chuyển bùn cát ngang bờ

15

II.3.2

Mô hình mặt cắt ngang bãi biển cân bằng

16

II.3.2.1 Đặc điểm của mặt cắt ngang cân bằng

17

II.3.2.2 Hình dạng mặt cắt ngang cân bằng

21

II.4

MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ

27

II.4.1

Khái niệm chung về mô hình vận chuyển bùn cát dọc bờ

27

II.4.2

Công thức CERC

29

II.4.3

Phương trình diễn biến đường bờ

33

II.5

NHẬN XÉT CHUNG

36

CHƯƠNG III: XÁC ĐỊNH CÁC ĐIỀU KIỆN KHÍ TƯNG THUỶ VĂN

37

III.1

DỰ BÁO SÓNG DO GIÓ

37

III.1.1

Dự báo sóng theo CEM 2003

38

III.1.1.1 Dự báo sóng có đà gió hạn chế

39

III.1.1.2 Dự báo sóng có thời gian gió thổi hạn chế

41

VŨ VĂN NGHI

i

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC

III.1.2

Dự báo sóng theo 22 TCN 222-95

44

III.1.3

Dự báo sóng theo 14 TCN 130-2002

45

II.1.4

Nhận xét các phương pháp dự báo sóng

46

III.2

XÁC ĐỊNH MỰC NƯỚC DÂNG DO BÃO

46

III.3

XÁC ĐỊNH THỜI GIAN BÃO

48

III.4

TÍNH TOÁN TRUYỀN SÓNG

49

III.5

TÍNH SÓNG LEO (Wave runup)

51

III.5.1

Sóng đều bị vỡ

51

III.5.2

Sóng đều, không vỡ

52

III.5.3

Sóng không đều

52

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN NHÂN TẠO

54

IV.1

THIẾT KẾ CAO ĐỘ BÃI VÀ BỀ RỘNG BÃI CẠN

54

IV.1.1

Bề rộng bãi cạn

54

IV.1.2

Cao độ bãi cạn

56

IV.2

THIẾT KẾ KÍCH THƯỚC ĐỤN CÁT

56

IV.3

HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG THIẾT KẾ DƯỚI NƯỚC

57

IV.3.1

Phương pháp tịnh tiến mặt cắt

58

IV.3.2

Phương pháp dùng mặt cắt lý thuyết h = Ay

2/3

CHƯƠNG V: TỐI ƯU HÓA MẶT CẮT THIẾT KẾ

59

62

V.1

TÍNH TÓAN KHỐI LƯNG VẬT LIỆU ĐẮP

62

V.1.1

Phương pháp sử dụng thông số hình dạng mặt cắt

62

V.1.1.1 Xác định bề rộng hoạt động

63

V.1.1.2 Các công thức tính khối lượng

63

V.1.2

Phương pháp sử dụng hệ số bồi tụ vượt

67

V.2

XÁC ĐỊNH ĐỘ LÙI LỚN NHẤT DO BÃO

70

V.2.1

Độ lùi tónh

71

V.2.2

Độ lùi động

72

V.3

ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ BÃI

73

V.3.1

Trường hợp bãi bồi có dạng hình chữ nhật

76

V.3.2

Trường hợp bãi bồi có dạng hình thang

78

CHƯƠNG VI: THIẾT LẬP TRÌNH TỰ TÍNH TÓAN BÃI NHÂN TẠO

80

VI.1

TRÌNH TỰ THIẾT KẾ DỰ ÁN TẠO BÃI

82

VI.1.1

Mục tiêu và các tiêu chí của dự án

82

VI.1.2

Mô tả các đặc điểm của bãi

82

VI.1.3

Đánh giá các phương án thiết kế

84

VŨ VĂN NGHI

ii

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC

VI.1.3.1 Lựa chọn các phương án khả thi

84

VI.1.3.2 Đánh giá chi tiết các phương án khả thi

84

VI.1.4

85

Xem xét khả năng tài chính của dự án

VI.1.4.1 Những thiệt hại

85

VI.1.4.2 Lợi nhuận

86

VI.1.4.3 Chi phí dự án

86

VI.1.5

Lựa chọn phương án tối ưu

86

VI.1.6

Thiết kế thi công và tổ chức thi công

87

VI.1.7

Bảo dưỡng bãi và tái bồi tụ

87

VI.2

TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TẠO BÃI NHÂN TẠO

88

CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ÁP
DỤNG TẠI VIỆT NAM
95
VII.1

VÍ DỤ ÁP DỤNG

95

VII.1.1 Điều kiện tự nhiê vùng biển Cần Giờ

95

VII.1.1.1 Điều kiện địa hình

95

VII.1.1.2 Điều kiện thuỷ, hải văn

97

VII.1.1.3 Bùn cát

98

VII.1.2 Kết quả tính toán

99

VII.1.2.1 Dự báo và tính toán truyền sóng

99

VII.1.2.2 Thiết kế mặt cắt ngang và khối lượng vật liệu đắp

99

VII.1.2.3 Tính tác động của bão

101

VII.1.2.4 Tính tuổi thọ và chu kỳ bảo dưỡng

103

VII.1.3 Khảo sát thêm một số trường hợp khi thay đổi chiều dài bãi

104

VII.1.4 Tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế

106

VII.2

KẾT LUẬN

107

VII.3

KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

109

TÀI LIỆU THAM KHẢO

VŨ VĂN NGHI

110

iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN BÃI NHÂN TẠO
I.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Bãi biển nhân tạo là loại công trình tạo nên một đệm “mềm” để bảo vệ
bờ, bảo vệ chân kè biển chống xói, chống ngập ven bờ, đặc biệt hơn là tạo ra
một bãi tắm để phục vụ du lịch ở những vùng không có bãi tự nhiên hay bãi tự
nhiên không đạt yêâu cầu vui chơi, giải trí.
Hình I.1 cho chúng ta thấy mức độ ảnh hưởng của bão tới một bãi biển.
Trên mặt cắt A thể hiện bãi biển dưới điều kiện mực nước và sóng bình thường,
cao độ đỉnh bãi cạn nằm trên mực nước cao (MNC). Khi không có bão, sóng vỡ
ở cách xa bãi biển. Bãi biển đóng vai trò như một lớp đệm nằm giữa công trình
phía trên và sóng biển phía dưới. Mặt cắt B cho ta thấy bãi đang chịu ảnh hưởng
của bão, mực nước biển dâng cao hơn, sóng làm xói lở bờ biển, bùn cát được
vận chuyển ra xa bờ và dọc theo đường bờ. Bùn cát được vận chuyển ra xa bờ
làm tiêu hao năng lượng sóng và hình thành nên các cồn cát ngầm nằm song
song với đường bờ. Trong trường hợp này đụn cát vẫn còn khả năng bảo vệ các
công trình phía sau nó. Tuy nhiên, khi không còn đụn cát hoặc bãi cạn còn quá

hẹp thì các công trình bên trên sẽ bị phá hủy như trên mặt cắt C. Trong trường
hợp này sóng và nước dâng đã làm xói hoàn toàn đụn cát. Một phần bùn cát từ
đụn cát bị cuốn ra biển, phần còn lại lắng đọng lại lên bờ như một kết quả của
hiện tượng sóng leo. Công trình sẽ bị phá huỷ do nước dâng và sóng vỡ ngay tại
chân công trình.

VŨ VĂN NGHI

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

Hình I.1: Tác động của sóng bão lên bãi biển, đụn cát và các công trình.

Những bãi nhân tạo đầu tiên trên thế giới được xây dựng từ những năm
1950, nhưng từ sau những năm 1970 mới được xây dựng nhiều và các lý thuyết
tính toán có liên quan mới được nghiên cứu một cách có hệ thống cùng với sự
phát triển của lónh vực động lực học hình thái vùng ven biêån. Ở hầu hết các nước
như Mỹ, Hà Lan, Anh, Đức, Tây Ban Nha, … đều có các dự án tạo bãi nhân tạo
rất lớn và đã phát triển cách đây hàng chục năm với qui mô của những dự án tạo
bãi nhỏ sử dụng khoảng 100.000 – 150.000 m3 cát sỏi, trên chiều dài khoảng vài
trăm mét tới các dự án lớn có thể kéo dài hàng chục km với khối lượng vật liệu
sử dụng lên đến chục triệu m3, chi phí có thể tới hàng trăm triệu USD. Bãi nhân

VŨ VĂN NGHI

2

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

tạo là một dạng công trình “mềm” chịu tác động xói lở của sóng nên phải
thường xuyên được duy tu bảo dưỡng, bổ sung thêm vật liệu bị tổn thất theo thời
gian. Tuổi thọ tính toán của bãi thường là khoảng chục năm, chu kỳ bảo dưỡng
bổ sung cát định kỳ khoảng 3-5 năm, ngoài ra có thể phải bổ sung vật liệu ngay
sau các cơn bão hoặc sau mùa bão từng năm.
Tại Việt Nam, trong những năm gần đây cũng xuất hiện một số bãi biển
nhân tạo chủ yếu phục vụ cho mục đích du lịch như ở đảo Tuâàn Châu, một số bãi
của các khu resort ở Cà Ná, Nha Trang, …tuy nhiên chưa có những tính toán cụ
thể về mặt kỹ thuật mà chủ yếu dựa vào kinh nghiệm.
Bồi tụ bãi biển không có nghóa là làm cho bãi biển hết bị xói lở mà nó
chỉ làm giảm bớt mức độ xói lở, ngăn không cho sóng biển và nước dâng tác
động trực tiếp lên các công trình sau bãi. Do đó, bãi biển nhân tạo phải thường
xuyên được bảo dưỡng, duy tu.
Kỹõ thuật tính toán bãi nhân tạo hiện nay vẫn dựa chủ yếu vào kinh
nghiệm, thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ và thực nghiệm tại chỗ. Các mô hình
số tính diễn biến đường bờ, diễn biến đáy biển cũng đã được sử dụng trong các
dự án có quy mô lớn ở cáùc nước phát triển để tính toán hiệu quả của việc tạo
bãi, ảnh hưởng của bãi đến khu vực lân cận.
Luận văn nàøy trình bày tổång hợïp các vấn đề cơ bản trong thiết kế tạo
bãi, thiết lập sơ bộ trình tự tính toán, vận dụng các công thức kinh nghệm, các lời
giải giải tích của các trường hợp đơn giản để xáùc định kích thước bãi hợp lý, mức
độ ổn định chống bão, tốc độ xói mòn và tuổi thọ của bãi. Sau khi có cơ sở lý
thuyết luận văn sẽ tính toán một trường hợp tạo bãi nhân tạo, so sánh phân tích
hiệu quả kinh tế, kỹ thuật các phướng án từ đó đánh giá khả năng áp dụng kỹ

thuật tạo bãi biển nhân tạo tại Việt Nam.
VŨ VĂN NGHI

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

I.2. CẤU TẠO CHUNG BÃI BIỂN
Một hệ thống bãi nhân tạo có thể bao gồm các thành phần như trên Hình
I.2: Bãi cạn ven bờ (cơ bãi - berm), đụn cát (dune), bãi ngầm gần bờ, … Bãi cạn
và đụn cát đóng vai trò như
một bước đệm bảo vệ giữa
phần cấu trúc bên trên với

B đụn
Đụn
cát

B bãi
Bãi
cạn

sóng biển và nước. Có nhiều
bãi không có phần đệm này
hoặc có nhưng rất nhỏ.

MNC

MNT

Hình I.2: Cấu tạo chung của mặt cắt ngang bãi biển

I.2.1 Bãi cạn ven bờ
Bãi cạn ven bờ là thành phần chính tương tự như các bãi tự nhiên, nằm ở
khu vực sóng leo sát mép nước ứng với khoảng giao động mực nước triều bình
thường. Đôi khi có các bãi ở cao độ cao hơn được sóng bồi trong điều kiện mực
nước và gió bão đặc biệt lớn hoặc do sạt lở của các bờ vách bị xói chân. Bãi cạn
ven bờ thường làm nhiệm vụ chống xói, chiều rộng và chều cao bãi là những
yếu tố quan trọng trong việc thiết kế bãi nhân tạo.
I.2.2 Đụn cát ven bờ
Đụn cát ven bờ làm nhiệm vụ như một đê bao ven bờ để chống tràn,
chống ngập phía sau đê, đồng thời cũng là nguồn dự trữ cát cho bãi khi có bão
lớn. Tuy nhiên, có nhiều bãi biển không có thành phần đụn cát ven bờ.
I.2.3 Bãi ngầm gần bờ
Bãi ngầm gần bờ làm nhiệm vụ như một ngưỡng cát ngầm tự nhiên do
sóng tạo ra khi có bão ngay bên ngoài khu sóng vỡ. Do đó bãi ngầm chủ yếu
phụ thuộc vào sóng và các đặc điểm bùn cát tại vị trí đó.

VŨ VĂN NGHI

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

Nếu ngưỡng ngầm đặt ở vùng nước cạn hơn chiều sâu giới hạn bồi xói 1

thì vật liệu của ngưỡng sẽ có khuynh hướng di chuyển vào bờ tạo thành một bộ
phận của bãi cạn, tuy nhiên vật liệu đổ vào ngưỡng không bảo vệ trực tiếp phần
trên cạn, kinh nghiệm thực tế và trên mô hình tỷ lệ lớn cho thấy hiệu quả này
không rõ ràng. Thông thường phương án tạo bãi ngầm gần bờ để tiêu hao bớt
năng lượng sóng được sử dụng để giảm chi phí hoặc do thiếu thiết bị thi công,
không thể đổ cát trực tiếp lên bờ (khi lấy vật liệu từ ngoài khơi vào bằng xà lan
chẳng hạn). Thông thường tỉ số giữa chiều cao đỉnh bãi ngầm và chiều cao đáy
bãi ngầm là hCR/hD = 0.58, tỉ số giữa điểm đầu bãi ngầm với chiều cao đỉnh bãi
ngầm là hT/hCR = (1.6-1.8)

Hình I.3: Các đặc điểm của bãi ngầm gần bờ

I.2.4 Bãi nguồn
Trong một số trường hợp khi dòng dọc bờ có hướng chủ đạo rõ rệt vật
liệu tạo bãi được đổ ở khu vực thượng lưu của dự án tạo thành các bãi nguồn,
dòng dọc bờ sẽ chuyển dần vật liệu vào bồi cho khu vực dự án.

1

Chiều sâu giới hạn bồi xói xem Chương II.

VŨ VĂN NGHI

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

Bãi nguồn được đặt ở những nơi được xem như là nguồn của dòng bùn
cát ven bờ, có hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ dự báo được với lưu lượng bùn
cát dọc bờ lớn hơn hẳn theo một hướng chủ đạo: những vùng bị xói mạnh do mất
cân bằng bùn cát dọc bờ, vùng ngay hạ lưu của cửa sông, cửa lạch hoặc vùng
ngay sau một đập đinh, mũi đất chắn ngang dòng bùn cát dọc bờ.
I.2.5 Các công trình liên hợp với bãi nhân tạo
Các công trình liên hợp với bãi nhân tạo chủ yếu là hệ thống đập đinh
để cải thiện hiệu quả tạo bãi. (Hình I.4)
Khi khu vực dự án tạo bãi ngắn hoặc bị ảnh hưởng bởi cửa sông có thể
hạn chế tổn thất vật liệu tạo bãi bằng đập khoá ở một hoặc cả hai đầu khu vực
dự án. (Hình I.4 a và Hình I.4b)
Các đập đinh có thể phân bố đều trong khu vực dự án để tăng tuổi thọ
bãi, hạn chế chuyển động bùn cát dọc bờ, giảm tổn thất vật liệu ở hai đầu. (Hình
I.4c)

Các đập đinh có thể chỉ đặt ở một phần khu vực dự án để phân vùng dự
án, tăng cường ổn định cho khu vực bị xói nặng.
Các đập đinh không tạo ra bùn cát mà chỉ điều chỉnh lại sự vận chuyển
bùn cát, vì vậy nếu không có nguồn bùn cát thì hiệu quả bồi chỗ này phải trả giá
bằng khả năng xói ở chỗ khác và có thể tạo ra những kết quả nghịch không
muốn có. Do vậy thông thường khu vực ở khoảng giữa các đập đinh và khu vực
ngay sau hoặc ngay trước công trình phải được bồi lấp tạo bãi trực tiếp để tránh
hiệu ứng xói lở cho khu vực lân cận. Để tránh hiệu ứng ngược cho khu vực lân
cận, các đập đinh ở hai đầu dự án có thể bố trí ngắn hơn và bổ sung cát phía hạ

VŨ VĂN NGHI

6

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

lưu dự án. Thông thường cần có một vùng chuyển tiếp đủ dài để giảm thiểu tác
động mất cát ở hai đầu lên khu vực trung tâm dự án.

Hình I.4: Công trình hỗ trợ bãi nhân tạo:
a.-) Bãi nhân tạo sau mũi đất hoặc đập chắn ngang dòng dọc bờ. b.-) Bãi nhân tạo ổn
định nhờ đập khoá hai đầu. c.-) Bãi nhân tạo ổn định nhờ hệ thống đập đinh.

I.3. CÁC NGUỒN CUNG CẤP BÙN CÁT
Nguồn cung cấp bùn cát là vấn đề hết sức quan trọng trong bãi biển
nhân tạo. Thông thường có một số nguồn bùn cát có thể sử dụng cho bồi tụ bãi
biển: nguồn bùn cát trên bờ, nguồn bùn cát trong các đầm, vịnh, …, nguồn bùn
cát ngoài biển và nguồn bùn cát trong kênh, sông ngòi. Mỗi nguồn cung cấp bùn
cát đều có đặc điểm thuận lợi và khó khăn riêng, do đó việc lựa chọn nguồn
cung cấp bùn cát phụ thuộc vào đặc điểm của từng bãi cụ thể cũng như cự ly vận
chuyển, đặc điểm bùn cát bồi tụ, khối lượng bùn cát có thể cung cấp… Sau đây
xin giới thiệu một số nguồn cung cấp bùn cát thường gặp.

VŨ VĂN NGHI

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

I.3.1 Nguồn cung cấp bùn cát trên bờ
Nguồn cung cấp bùn cát trên bờ thông thường là các đồi cát, đụn cát gần
các bãi biển. Thông thường các đặc điểm bùn cát như khối lượng cát tại khu vực,
kích thước hạt, … đã có sẵn. Việc sử dụng bùn cát trên bờ thông thường ít bị ảnh
hưởng bởi thời tiết hơn là sử dụng nguồn cung cấp bùn cát dưới nước. Tuy nhiên
khối lượng khai thác bùn cát thường không lớn và cự ly vận chuyển xa sẽ dẫn tới
chi phí cho một đơn vị thể tích bùn cát vận chuyển tới bãi sẽ lớn hơn sử dụng
nguồn bùn cát dưới nước. Hơn nữa các phương tiện vận chuyển bùn cát trên bờ
thường chỉ vận chuyển được khối lượng nhỏ và chỉ có thể vận chuyển tới các bãi
biển khô, không bị ngập nước.
I.3.2 Nguồn cung cấp bùn cát từ các đầm, vịnh, … ven biển
Bùn cát trong các đầm, vịnh, phá, … được che chắn không bị ảnh hưởng
bởi sóng biển và nếu ở gần các bãi biển cần bồi tụ, có thể sử dụng đường ống để
vận chuyển bùn cát. Tuy nhiên loại bùn cát này thường rất mịn, khó có thể sử
dụng cho bồi tụ bãi biển. Hơn nữa loại bùn cát này đóng vai trò quan trọng trong
hệ sinh thái ven biển nên việc sử dụng các phương tiện nạo vét sẽ gây ảnh
hưởng tới hệ sinh thái ven biển.
I.3.3 Nguồn cung cấp bùn cát từ các dự án nạo vét
Khi xây dựng một công trình cảng, một tuyến luồng hàng hải, tuyến
luồng đường thủy nội địa mới hay nạo vét duy tu tuyến luồng thường phải đổ đi
một lượng lớn bùn cát. Trong một số trường hợp nếu nguồn vật liệu này có chất
lượng tốt, nó có thể được sử dụng cho bãi biển nhân tạo ở khu vực lân cận. Sử
dụng nguồn cung cấp bùn cát này sẽ làm giảm chi phí cho tạo bãi.

VŨ VĂN NGHI

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

Vật liệu tạo bãi từ các dự án nạo vét duy tu ít được sử dụng rộng rãi.
Thành phần hạt thông thường bao gồm sét, bùn và cát mịn.

Hình I.5: Mô hình sử dụng tàu hút phun bơm cát tạo bãi từ ngoài biển

Hình I.6: Một bãi biển nhân tạo ở Florida-Mỹ: trước khi tạo bãi (Hình bên trái) và sau
khi tạo bãi nhân tạo (Hình bên phải)

VŨ VĂN NGHI

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG II

CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ LUẬN
Trong chương này sẽ giới thiệu một số đặc trưng bùn cát, giới thiệu sơ bộ
một số khái niệm về độ sâu giới hạn bồi xói, các mô hình vận chuyển bùn cát
ngang bờ và dọc bờ, …
II.1 CÁC ĐẶC TRƯNG BÙN CÁT
Kích thước hạt bùn cát là một yếu tố hết sức quan trọng trong kỹ thuật
tính toán bãi biển nhân tạo. Những thay đổi của kích thước hạt dọc theo đường
bờ có thể cho chúng ta thấy được hướng vận chuyển bùn cát. Thông thường trong
tính toán tạo bãi nhân tạo, kích thước bùn cát đắp sẽ được lựa chọn tương đương

với kích thước hạt bùn cát nguyên gốc nhưng do chi phí vận chuyển, do khối
lượng cát có cùng kích thước không đủ, … nên kích thước bùn cát bồi tụ sẽ khác
kích thước bùn cát nguyên gốc.
Bùn cát được phân loại theo cỡ hạt, theo kiểu chuyển động và theo tính
chất cơ lý.
•

Theo cỡ hạt bùn cát được phân loại như sau:
Bảng 3.1: Phân loại bùn cát

Đường kính hạt d
(mm)
< 0.001
0.001 ÷0.010
0.010÷0.100
0.1÷1.0
1.0÷10
10÷100
>100

VŨ VĂN NGHI

Loại bùn cát
Sét
Bùn
Bụi
Cát
Sỏi
Cuội
Đá tảng

Kiểu chuyển động

Tính
chất

Bùn cát lơ lửng

Dính

Lơ lửng + bùn cát đáy

Không

Bùn cát đáy

dính

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

•

CHƯƠNG II

Theo kiểu chuyển động: bùn cát được phân loại thành bùn cát tạo

lòng (gồm bùn cát đáy hay bùn cát di đẩy (bed load) và bùn cát lơ lửng

(suspended load)) và bùn cát không tạo lòng (wash load)
Theo Bagnold (1956) bùn cát đáy là phần bùn cát chịu tác động của lực
tương tác giữa các hạt (ứng suất phân tán hạt-dispersive stress) còn bùn cát lơ
lửng và bùn cát không tạo lòng chịu tác động của lực mang hay lực kéo của chất
lỏng. Thực tế thì một hạt có thể chịu một phần lực tương tác hạt, một phần lực
mang của chất lỏng, các lý thuyết gần đây quan niệm bùn cát đáy là bùn cát
chảy dọc theo đáy lòng dẫn dưới tác dụng trực tiếp của ứng suất ma sát tiếp xúc
của dòng chảy trên đáy, ma sát đáy hay lực mang tổng cộng của dòng chảy được
cân bằng với lực mang cần thiết để chuyển hạt từ trạng thái tónh sang trạng thái
động, lực mang cần thiết để giữ cho hạt lơ lửng và lực mang cần thiết để cân
bằng với ứng suất phân tán hạt do tương tác giữa các hạt gây ra. Đối với bùt cát
lơ lửng, lực mang của dòng chảy chủ yếu là ứng suất khuếch tán rối do các mạch
động rối gây ra.
•

Phân loại theo tính chất cơ lý:

Các loại cát bụi mịn có pha trộn các thành phần hữu cơ, hoặc các loại
bùn sét hạt nhỏ (d<0.05 mm) có tính dính kết giữa các hạt được gọi là bùn cát
dính. Ngược lại các hạt cát, cuội, sỏi có cỡ hạt lớn hơn không có lực dính kết này
gọi là bùn cát rời hay bùn cát không dính.
II.2 ĐỘ SÂU GIỚI HẠN BỒI XÓI
II.2.1 Giới hạn vận chuyển bùn cát phía bờ và phía biển
Giới hạn chu kỳ ngắn và chu kỳ dài của vận chuyển bùn cát ngang bờ là
rất quan trọng đối với mặt cắt ngang bờ. Trong suốt quá trình xói chu kỳ ngắn,

VŨ VĂN NGHI

11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG II

mực nước luôn dâng và chiều cao sóng cũng luôn dâng, có thể nhận thấy rõ một
khối lượng đáng kể bùn cát được vận chuyển đi. Việc điều chỉnh mặt cắt diễn ra
nhanh nhất ở phần trên (phần nông) của mặt cắt và trong suốt quá trình xói, việc
vận chuyển và xói từ những khu vực này sẽ gây ra việc lắng đọng của bùn cát
vào khu nước sâu hơn. Từ Hình 2.1 của Vellinga (1983) ta thấy khi thời gian
càng tăng thì mặt cắt càng phát triển về phía độ sâu lớn hơn, mức độ phát triển
của mặt cắt sẽ giảm phù hợp với mặt cắt cân bằng. Nói chung giới hạn của vận
chuyển bùn cát hiệu quả đối với các hiện tượng có chu kỳ ngắn (chẳng hạn cơn
bão) thường lấy bằng độ sâu tại vị trí sóng vỡ hb dựa trên chiều cao sóng có
nghóa.
Phần trên bờ của mặt cắt cho chúng ta thấy cao độ cao nhất của mặt cắt
và giới hạn vận chuyển bùn cát phía bờ. Trong một chu kỳ bồi hoặc xói bình
thường, giới hạn phía bờ của mặt cắt bãi biển thay đổi đồng thời với giới hạn
sóng leo.
Giới hạn này thường được định nghóa dưới dạng bãi cạn. Trong một số
trường hợp bãi cạn có thể cao hơn đỉnh sóng leo, trong trường hợp đó sẽ xuất
hiện một sườn dốc phía trên đỉnh sóng leo. Đây cũng là trường hợp xảy ra đối
với xói đụn cát khi mà sóng leo không vượt qua đỉnh đụn cát. Trong những
trường hợp này mái dốc bị xói có thể sẽ tương đối dốc, trong một số trường hợp
có thể là dốc thẳng đứng. Trong một số trường hợp cơ bãi có thể bị nước (do
bão) hoặc sóng leo tràn qua. Trong trường hợp xảy ra hiện tượng xói do tràn thì
phần giới hạn phía bờ có thể được kéo dài thêm. Thông thường khoảng cách này
được quyết định bởi sự mất mát năng lượng do thấm nước xuống bãi biển hoặc
do nước bị ngăn lại.

VŨ VĂN NGHI

12


CHƯƠNG II

Chiều cao phía trên
đáy lòng dẫn (m)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khoảng cách từ máy tạo sóng (m)

Hình 2.1: Sự phát triển mặt cắt xói (Vellinga 1983)

II.2.2 Độ sâu giới hạn bồi xói.
Độ sâu giới hạn bồi xói (depth of closure) là độ sâu tối thiểu mà tại đó
không có những thay đổi đáng kể nào của đáy xảy ra (theo Stauble at al. 1993).
Cần phải hiểu như thế không có nghóa là tại độ sâu đó không có sự di chuyển
của bùn cát nữa mà thực tế bên ngoài độ sâu này chuyển động bùn cát vẫn còn
tồn tại nhưng không gây ra bồi xói đáng kể trên đáy nên đáy được xem như ổn
định.
Độ sâu giới hạn bồi xói không phải là một độ sâu cố định mà nó thay đổi
phụ thuộc vào điều kiện sóng và các lực thuỷ động lực học khác.
Một trong những giả thiết chính của mặt cắt cân bằng là chuyển động
bùn cát và những thay đổi bùn cát đáy phụ thuộc vào các đặc trưng sóng và kích
thước hạt. Do đó độ sâu giới hạn bồi xói cũng có thể xác định được phụ thuộc
vào các điều kiện sóng.

VŨ VĂN NGHI

13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG II

Độ sâu giới hạn bồi xói cũng phụ thuộc vào tần suất vượt. Chẳng hạn
như độ sâu giới hạn bồi xói của công trình sử dụng cơn bão 100 năm chắc chắn
sẽ lớn hơn độ sâu giới hạn bồi xói của công trình sử dụng cơn bão 10 năm. Nếu
lựa chọn độ sâu không hợp lý sẽ ảnh hưởng tới chi phí công trình.
Hallermeier (1971, 1978) đã căn cứ vào số liệu thí nghiệm và đo đạc
thực tế đã đề nghị tính chiều sâu giới hạn bồi xói theo:
hc = 2.28 H e − 68.5

•

H e2
gTe2

(2.1)

He là chiều cao sóng có nghóa hiệu dụng (effective significant wave
height)

•

Te là chu ký sóng có nghóa hiệu dụng ứng với tần suất vượt 12

giờ/năm hay 0,137% trên chuỗi đo sóng có nghóa Hs, Ts theo thời
gian.

Phương trình (2.1) có thể viết lại dưới dạng:
⎛
H
hc = ⎜⎜ 2.28 − 10.9 e
Le
⎝

⎞
⎟H e
⎟
⎠

(2.2)

Le là chiều dài sóng nước sâu:

•

Le =

gTe2
2π

(2.3)

Chiều cao sóng có nghóa hiệu dụng He có thể được xác định theo chiều
cao sóng có nghóa trung bình H và độ lệch chuẩn của chiều cao sóng có nghóa

σH:
H e = H + 5.6σ H

VŨ VĂN NGHI

(2.4)

14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG II

Dựa trên mối quan hệ này Hallermeier đã đề nghị một dạng khác của
phương trình (2.1) mà không phụ thuộc vào chu kỳ sóng có nghóa hiệu dụng Te:
hc = H + 11σ H

(2.5)

Sau nhiều thay đổi, Hallermeier (1983) đã đưa ra công thức xác định độ
sâu giới hạn bồi xói như sau:
hc =

110 H O2
−
2
s − 1 (s − 1)gT

2.9 H O

•

H0 là chiều cao sóng nước sâu trung bình.

•

T là chu kỳ sóng.

•

s là tỷ trọng hạt bùn cát.

(2.6)

Giá trị hc này vào khoảng 2 lần chiều cao sóng có nghóa hay 3.2 lần
chiều cao sóng nước sâu trung bình.
Độ sâu giới hạn bồi xói được sử dụng để tính toán khối lượng vật liệu
đắp trong Chương V.
II.3 MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT NGANG BỜ.
II.3.1 Khái niệm chung về mô hình vận chuyển bùn cát ngang bờ
Thông thường để đơn giản trong việc tính toán chuyển động bùn cát ven
bờ, đưa bài toán trong không gian 3 chiều về dạng phẳng, có hai loại mô hình
vận chuyển bùn cát là mô hình vận chuyển bùn cát ngang bờ và mô hình vận
chuyển bùn cát dọc bờ.
Các mô hình vận chuyển bùn cát ngang bờ mô phỏng tác động của các
hiện tượng thủy lực phức tạp phía trong và ngoài vùng sóng vỡ đến quá trình bồi
xói ở đáy làm thay đổi mặt cắt ngang bờ. Mặt cắt ngang bờ biển thực tế thay đổi

VŨ VĂN NGHI

15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG II

liên tục và có thể diễn biến rất nhanh trong một cơn bão. Có thể xem hình dạng
mặt cắt ngang bờ được quyết định chủ yếu bởi quá trình vận chuyển bùn cát theo
hướng vuông góc với đường bờ. Các kết quả diễn biến mặt cắt ngang bờ này có
thể tích hợp với mô hình vận chuyển bùn cát dọc bờ để dự kiến diễn biến đường
bờ.
Các mô hình vận chuyển bùn cát ngang bờ giả định bài toán hoàn toàn
phẳng trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với đường bờ, đường bờ được giả
định dài và có mặt cắt ngang bờ hoàn toàn đều tức là mặt cắt ngang tại mọi vị trí
dọc đường bờ là như nhau, sóng đến vuông góc với bờ. Do đó có thể coi dòng
chảy trung bình theo hướng ngang bờ bằng không. Trong thực tế thì mặt cắt
ngang bờ không hoàn toàn đều, chỉ cần một sai lệch nhỏ của mặt cắt ngang cũng
có thể gây ra các dòng chảy trong mặt phẳng nằm ngang, ngay cả trong trường
hợp mặt cắt ngang hoàn toàn đều thì nó cũng có thể trở nên mất ổn định và phát
sinh các dòng chảy dọc bờ hoặc dòng chảy ngang bờ.
Trong bài toán hai chiều giả định không có dòng chảy trung bình ngang
bờ có những điểm phức tạp hơn bài toán thực tế ba chiều. Trong các mô hình ba
chiều thường có một dòng chảy trung bình mạnh trong mặt phẳng nằm ngang,
dòng chảy này sẽ khống chế ứng suất ma sát đáy trung bình và lưu lượng bùn cát
do đó các dòng chảy do các nguyên nhân khác có thể xem là yếu hơn nhiều và
có thể bỏ qua. Ngược lại trong bài toán hai chiều trên mặt cắt ngang không có
dòng chảy trung bình mạnh do đó các cơ chế vận chuyển bùn cát tham gia vào
quá trình diễn biến đáy đều phải xét tới và không thể bỏ qua được.

II.3.2 Mô hình mặt cắt ngang bãi biển cân bằng
Mặt cắt bãi biển cân bằng (Equilibrium Beach Profile-EBP) là mặt cắt
có hình dạng không đổi khi các tác động của sóng và mực nước không đổi. Giả

VŨ VĂN NGHI

16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG II

thiết chính của mặt cắt cân bằng là đáy biển cũng cân bằng với các điều kiện
sóng trung bình. Như vậy, thuật ngữ “cân bằng” là một trạng thái mà mực nước
biển, sóng, nhiệt độ, ... là hằng số trong một khoảng thời gian nhất định để mặt
cắt bãi biển đạt trạng thái ổn định, cân bằng. Theo Larson (1991) nếu bãi có
kích thước hạt xác định, và nếu chịu các lực tác dụng không đổi thì sẽ phát triển
tới một hình dạng mặt cắt không thay đổi theo thời gian. Giả thiết này đã bỏ qua
một thực tế là dưới tác dụng của sóng biển có rất nhiều quá trình ảnh hưởng tới
việc vận chuyển bùn cát. Tuy nhiên, chính những đơn giản hoá này làm cho mặt
cắt cân bằng được sử dụng rộng rãi vì nó có thể mô tả được hình dạng bãi biển ở
nhiều nơi trên thế giới.
II.3.2.1 Đặc điểm của mặt cắt ngang cân bằng
Thứ nhất, khi xem xét vận chuyển bùn cát ngang bờ, trước hết cần kiểm
tra trường hợp cân bằng mà không có vận chuyển bùn cát thực (tổng lưu lượng
bùn cát ra/vào mặt cắt bằng không). Các lực do sóng, dòng chảy, … có thể rất
quan trọng trong việc tạo ra xu hướng vận chuyển bùn cát về phía bờ và phía
biển. Một sự thay đổi sẽ dẫn tới sự mất cân bằng gây ra vận chuyển bùn cát
ngang bờ, trong tự nhiên các lực ảnh hưởng tới sự cân bằng luôn thay đổi cùng

với sự thay đổi của sóng, gió, dòng chảy, thủy triều. Mặc dù điều này là thực
nhưng khái niệm về mặt cắt cân bằng là một trong những công cụ hữu ích của kỹ
thuật bờ biển trong việc xem xét sự mất cân bằng và dẫn tới việc vận chuyển
bùn cát ngang bờ.
Khi áp dụng khái niệm mặt cắt cân bằng, một khái niệm quan trọng có
liên quan là nguyên tắc về sự bảo tồn cát trên mặt cắt. Dưới điều kiện không tồn
tại gradient dọc bờ trong vận chuyển bùn cát dọc bờ, vận chuyển bùn cát về phía
bờ hay ra phía biển sẽ gây ra sự phân bố lại cát trên mặt cắt nhưng không làm

VŨ VĂN NGHI

17