(Luận văn thạc sĩ file word) Nghiên cứu hiệu quả của đê ngầm đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng tác động vào bờ biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VIẾT TIẾN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN Q TRÌNH
TIÊU HAO NĂNG LƯỢNG SĨNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ
BIỂN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘNÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VIẾT TIẾN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA ĐÊ NGẦM ĐẾN Q TRÌNH
TIÊU HAO NĂNG LƯỢNG SĨNG TÁC ĐỘNG VÀO BỜ BIỂN
VIỆT NAM

Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 62 58 40 01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Thiều Quang Tuấn
2. GS.TS. Lê Kim Truyền

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu
(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án

Nguyễn Viết Tiến

i


LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sĩ này được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Thiều
Quang Tuấn và GS.TS Lê Kim Truyền. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các
Thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt q
trình nghiên cứu hồn thành cuốn luận án này. Tác giả xin được chân thành cảm ơn
các nhà khoa học, các tác giả của các cơng trình nghiên cứu đã cơng bố mà tác giả đã
trích dẫn trong luận án, cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan
trong q trình nghiên cứu hồn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cơ Khoa Cơng trình, Khoa Kỹ thuật Biển –
trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh được thực hiện và hồn
thành chương trình nghiên cứu của mình.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, đặc biệt là nhóm cộng tác nghiên
cứu vì đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi, hỗ trợ thực hiện việc quan trắc thu thập dữ liệu
thí nghiệm, triển khai nghiên cứu tại phịng thí nghiệm.
Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình và những người bạn thân thiết vì đã động viên để
nghiên cứu sinh duy trì nghị lực, sự cảm thơng, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các
khía cạnh của cuộc sống trong cả q trình để hồn thành luận án.

Tác giả luận án

Nguyễn Viết Tiến


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................... x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ............................................... xi
CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN............................................ xii
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án............................................................................. 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................... 3
4. Nội dung nghiên cứu............................................................................................... 3
5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.............................................................. 4
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.............................................................. 5
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA

ĐÊ NGẦM..................................................................................................................... 6
1.1 Giới thiệu chung...................................................................................................... 6
1.1.1 Đê ngầm và ứng dụng đê ngầm.................................................................... 6
1.1.2 Điều kiện tự nhiên vùng bờ biển ở nước ta................................................. 10
1.1.3 Khả năng ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam................................................... 16
1.1.4 Khái niệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm và bãi trước........................... 17
1.2 Tình hình nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trên thế giới...............19
1.3 Tình hình nghiên cứu về đê ngầm ở Việt Nam...................................................... 25
1.4 Kết luận Chương 1................................................................................................ 27

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU BẰNG MƠ HÌNH TỐN VỀ XU THẾ VÀ MỨC ĐỘ
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHI PHỐI ĐẾN HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA
ĐÊ NGẦM................................................................................................................... 28
2.1 Mục tiêu nghiên cứu mơ hình tốn........................................................................ 28
2.2 Các q trình vật lý ảnh hưởng tới sự tiêu hao năng lượng sóng khi đi qua đê ngầm
và xác định các tham số chi phối................................................................................. 28
2.2.1 Quá trình vật lý tại khu vực đê ngầm xét theo hướng truyền sóng.............28


2.2.2 Q trình vật lý xét theo phương diện khơng gian khi sóng truyền vào hệ
thống đê ngầm...................................................................................................... 32
2.2.3 Kết luận về quá trình vật lý ảnh hưởng tới sự tiêu hao năng lượng sóng khi
qua đê ngầm......................................................................................................... 33
2.3 Nghiên cứu mơ hình tốn nhằm đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu
tố chi phối tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.......................................................... 34
2.3.1 Lựa chọn mơ hình tốn mơ phỏng lan truyền sóng qua đê ngầm................34
2.3.2 Mơ hình P-COULWAVE............................................................................ 35
2.3.3 Kiểm định và hiệu chỉnh mơ hình............................................................... 38
2.3.4 Kịch bản mở rộng đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố chi
phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.......................................................... 42
2.4 Kết luận Chương 2................................................................................................ 49
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VỀ HIỆU QUẢ GIẢM
SĨNG CỦA ĐÊ NGẦM............................................................................................. 50
3.1 Mục tiêu thí nghiệm.............................................................................................. 50
3.2 Lý thuyết tương tự và tỷ lệ mơ hình...................................................................... 50
3.3 Ứng dụng phương pháp phân tích thứngun để thiết lập các phương trình tổng
qt thể hiện quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản với hiệu quả giảm sóng của đê
ngầm............................................................................................................................ 51
3.4 Thiết kế mơ hình và bố trí thí nghiệm................................................................... 54
3.4.1 Thiết bị thí nghiệm và các tham số đo đạc.................................................. 54

3.4.2 Mơ hình đê và bãi trước.............................................................................. 55
3.4.3 Bố trí mơ hình............................................................................................. 55
3.5 Chương trình thí nghiệm....................................................................................... 56
3.5.1 Kịch bản thí nghiệm................................................................................... 56
3.5.2 Trình tự thí nghiệm và số liệu đo đạc......................................................... 57
3.6 Xây dựng cơng thức tính tốn hiệu quả giảm sóng của đê ngầm..........................59
3.6.1 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố chi phối.............................................. 59
3.6.2 Xây dựng công thức thực nghiệm............................................................... 62
3.6.3 So sánh mức độ tin cậy với các nghiên cứu trước...................................... 66


3.6.4 Phạm vi ứng dụng của các công thức thực nghiệm của luận án..................70
3.7 Kết luận Chương 3................................................................................................ 71
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH
TỐN XÁC ĐỊNH MẶT CẮT NGANG THIẾT KẾ CỦA ĐÊ NGẦM THEO CHỨC
NĂNG- ÁP DỤNG CHO THIẾT KẾ ĐÊ NGẦM TẠI PHÚ THUẬN, THỪA THIÊN
HUẾ............................................................................................................................. 73
4.1 Giới thiệu chung.................................................................................................... 73
4.2 Xác định chức năng thiết kế của đê ngầm............................................................. 73
4.2.1 Đê ngầm giảm sóng bão............................................................................. 74
4.2.2 Đê ngầm giảm sóng trong điều kiện thường............................................... 75
4.3 Đề xuất phương pháp xác định kích thước mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng
thiết kế......................................................................................................................... 76
4.3.1 Bề rộng đỉnh đê.......................................................................................... 76
4.3.2 Xác định hiệu quả giảm sóng u cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức
năng giảm sóng bão............................................................................................. 76
4.3.3 Xác định hiệu quả giảm sóng u cầu và cao trình đỉnh đê ngầm có chức
năng giảm sóng trong điều kiện thường............................................................... 78
4.4 Áp dụng tính tốn lựa chọn kích thước mặt cắt ngang đê ngầm Phú Thuận – Thừa
Thiên Huế.................................................................................................................... 81

4.4.1 Hiện trạng khu vực cơng trình.................................................................... 81
4.4.2 Ngun nhân gây xói lở và đề xuất giải pháp............................................. 81
4.4.3 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng trong bão..........83
4.4.4 Thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm có chức năng giảm sóng thường.............86
4.5 Kết luận Chương 4................................................................................................ 92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 93
I. Kết quả đạt được của luận án.................................................................................... 93
1. Nghiên cứu tổng quan...................................................................................... 93
2. Nghiên cứu bằng mơ hình tốn........................................................................ 93
3. Nghiên cứu thực nghiệm.................................................................................. 94
4. Nghiên cứu ứng dụng....................................................................................... 95


II. Những đóng góp mới của luận án........................................................................... 95
III. Tồn tại và hướng phát triển.................................................................................... 96
1. Những tồn tại................................................................................................... 96
2. Hướng phát triển.............................................................................................. 96
IV. Kiến nghị............................................................................................................... 96
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ............................................................. 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 98
PHỤ LỤC.................................................................................................................. 103


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1 Tác động của sóng bão đối với cơng trình đê kè ở Hải Phịng (bão số 2 6/2013)
.........................................................................................................................................

2

Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014..............................2

Hình 3 Sạt lở bờ biển Cà Mau.......................................................................................2
Hình 1.1 Bố trí cơng trình đê ngầm giảm sóng[1].........................................................6
Hình 1.2 Một số ví dụ về cơng trình đê ngầm trên thế giới (nguồn Internet).................8
Hình 1.3 Hình ảnh một số đê ngầm đã xây dựng ở Việt Nam........................................9
Hình 1.4 Đường đi của 50 cơn bão và áp thấp nhiệt đới điển hình đổ bộ vào khu vực
miền Trung, Việt Nam (1959 – 2009) [9]....................................................................13
Hình 1.5 Đặc trưng sóng khí hậu tại vùng bờ biển Trung Bộ và Bắc Trung Bộ nước ta
dựa trên số liệu quan trắc nhiều năm của NOAA (1997 - 2009) [9]............................15
Hình 1.6 Sơ đồ khái niệm xác định hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.........................17
Hình 1.7Tương quan của chỉ số sóng vỡ và hệ số truyền sóng [20].............................21
Hình 1.8Hệ số truyền sóng qua đê đỉnh hẹp bởi Van der Meer (1991) [23].................22
Hình 1.9 Hệ số truyền sóng qua đê: so sánh kết quả giữa đo đạc (cơ sở dữ liệu) và tính
tốn (các cơng thức (1.10) và (1.11))[24] , [26]...........................................................24
Hình 2.1 Các quá trình vật lý tiêu hao năng lượng sóng khi qua đê ngầm...................29
Hình 2.2 Sự thay đổi hình dạng phổ sóng do ảnh hưởng của bãi nơng [15]................30
Hình 2.3 Tiêu năng trong sóng vỡ tương tự như nước nhảy [33]...................................32
Hình 2. 4 Các thành phần dịng chảy qua một đê ngầm [16].......................................32
Hình 2. 5 Các thành phần dòng chảy qua hệ thống đê ngầm khi hướng sóng vng góc
với bờ [16]................................................................................................................... 33
Hình 2. 6 Nhiễu xạ và khúc xạ sóng trong vùng giữa hai đê [16]...............................33
Hình 2.7 Khơng gian tính tốn và các biên của mơ hình.............................................37
Hình 2.8 Cơ chế hấp thụ của lớp hấp thụ sóng số Sponge...........................................37
Hình 2.9 Ví dụ về biểu diễn kết quả q trình lan truyền sóng qua đê ngầm...............38
Hình 2.10 Mơ hình đê ngầm trong mơ hình tốn.........................................................39
Hình 2.11 Độ nhạy của các tham số đối với kết quả tính tốn (KD-H15T20).............40
Hình 2.12 So sánh chiều cao sóng Hm0 giữa đo đạc và tính tốn bằng mơ hình..........40


Hình 2.13 So sánh đường q trình sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mơ hình vật lý
và mơ hình tốn (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20..............................41

Hình 2.14 So sánh phổ sóng (tại WG2) giữa đo đạc trong mơ hình vật lý và mơ hình
tốn (S = 0,20 m): (a) KD-H15T20 (b) KD-H20T20................................................42
Hình 2.15 Ảnh hưởng của độ ngập tương đối S/Hm0 đến hiệu quả giảm sóng của đê...44
Hình 2.16 Mặt cắt tính tốn trong trường hợp bề rộng đỉnh đê thay đổi......................45
Hình 2.17 Ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê tương đối B/Lp đến hiệu quả giảm sóng của đê
.......................................................................................................................................

45

Hình 2.18 Mặt cắt tính tốn trong khi hệ số mái đê thay đổi.......................................46
Hình 2.19 Ảnh hưởng của hệ số mái đê đến hiệu quả giảm sóng................................47
Hình 2. 20 Mặt cắt tính tốn khi thay đổi độ dốc bãi trước..........................................47
Hình 2.21 Hiệu quả giảm sóng của đê khi độ dốc bãi trước thay đổi...........................48
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí nghiệm đê ngầm giảm sóng trên bãi trước................................56
Hình 3.2 Hình ảnh thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.................................57
Hình 3.3 Quan hệ (ε ~ S/Hm0) của đê ngầm ứng với các bề rộng đỉnh đê khác nhau...60
Hình 3.4 Quan hệ (ε ~ B/Lp) của đê ngầm ứng với các độ ngập nước S khác nhau.....61
Hình 3.5 Quan hệ (ε ~ ξ0m-1,0) của đê ngầm ứng với các trường hợp bề rộng đỉnh đê và
độ ngập nước S khác nhau: (a) B = 0,40 m (b) B = 0,80 m (c) B = 1,20 m...............62
Hình 3.6 Xác định n1 và n2 bằng phương pháp phân tích mức độ hồi quy...................63
Hình 3.7 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.................................................................64
Hình 3.8 Xác định hệ số mũ c2 trong phương trình (3.17)...........................................65
Hình 3.9 Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm (đo đạc và tính tốn)................................66
Hình 3.10 So sánh mức độ tin cậy giữa hai phương pháp tính tốn hiệu quả giảm sóng
của đê ngầm của luận án..............................................................................................67
Hình 3.11 So sánh mức độ tin cậy với phương pháp của Van der Meer (1991)...........67
Hình 3.12 So sánh mức độ tin cậy với phương pháp của d'Angremond và nnk (1996)
và Van der Meer và nnk(2005) (DELOS) trường hợp đê khơng thấm, mái nhẵn.........68
Hình 3.13 So sánh với phương pháp của Van der Meer và nnk (2005) cho đê đá đổ...69
Hình 3. 14 So sánh với phương pháp của Viện KHTL Nam Kinh (2001) cho đê đá đổ

.......................................................................................................................................

70

Hình 4.1 Chu trình thiết kế mặt cắt ngang đê ngầm.....................................................74


Hình 4.2 Điều kiện làm việc của đê ngầm có chức năng giảm sóng bão.....................75
Hình 4.3 Điều kiện của đê ngầm làm việc có chức năng giảm sóng trong điều kiện
thường.......................................................................................................................... 75
Hình 4.4 Hiện trạng sạt lở bờ biển cồn cát khu vực thơn An Dương - Phú Thuận.......82
Hình 4.5 Đê ngầm giảm sóng bão (a) Vị trí xây dựng đê ngầm trên mặt cắt ngang bãi
biển (b) Phân bố chiều cao sóng ngang bờ tới trước đê............................................84
Hình 4.6 Các quan hệ về kích thước mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B (b) S ~ A....85
Hình 4.7 Quan hệ giữa độ ngập và bề rộng đỉnh đê tối thiểu theo cấu tạo (S ~ Bmin)...85
Hình 4.8 Vị trí xây dựng đê ngầm giảm sóng thường trên mặt cắt ngang bãi biển......87
Hình 4.9 Đường tần suất lũy tích mực nước triều tại khu vực cơng trình (Z tr ~ p) [47]
.......................................................................................................................................

87

Hình 4.10 Vị trí hoa sóng khí hậu nước sâu ngồi khơi Phú Thuận [9].......................87
Hình 4.11 Phân bố chiều cao sóng bão ngang bờ tới trước đê ngầm giảm sóng thường
.......................................................................................................................................
Hình 4.12 Các quan hệ về kích thước mặt cắt ngang đê ngầm: (a) S ~ B

88

(b) S ~ A

(c) (S ~ Bmin) theo điều kiện sóng thường...................................................................91


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1 Độ dốc bãi biển ở các vùng bờ biển của Việt Nam [12]..............................12
Bảng 1. 2 Tần suất mực nước dâng ở vùng biển Bắc vĩ tuyến 160N (P%) [10]............14
Bảng 2.1 Các kịch bản thí nghiệm dùng cho kiểm định và hiệu chỉnh mơ hình tốn. .38
Bảng 2.2 Kết quả kiểm định chiều cao sóng Hm0 tại các vị trí WG1 và WG2................40
Bảng 2.3 Các trường hợp tính tốn mở rộng................................................................43
Bảng 2.4 Hiệu quả giảm sóng tương ứng với các độ ngập tương đối khác nhau.........44
Bảng 2.5 Ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đê tới hiệu quả giảm sóng của đê ngầm..........46
Bảng 3.1 Tương quan tỷ lệ của một số đại lượng vật lý cơ bản theo luật Froude [41] 50
Bảng 3.2 Chương trình thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm..........................56
Bảng 3.3 Các bước thí nghiệm hiệu quả giảm sóng của đê ngầm................................58
Bảng 4. 1 Các tham số thiết kế đê ngầm giảm sóng bão Phú Thuận - Huế..................84
Bảng 4. 2 Điều kiện sóng tới khí hậu nhiều năm tại vị trí xây dựng đê ngầm tính tốn
từ NOAA [9]................................................................................................................ 89
Bảng 4. 3 Các tham số đầu vào thiết kế đê ngầm giảm sóng thường Phú Thuận - Huế
.......................................................................................................................................

90


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
14 TCN: 14 Tiêu chuẩn ngành 130- 2002.
ARC (Active Reflection Compensation): Hấp thụ sóng phản xạ chủ động
BTCT: Bê tơng cốt thép
DELOS (Environmental Design of Low Crested Coastal Defence Structures): Thiết kế
công trình đỉnh thấp bảo vệ bờ biển phù hợp với môi trường

ĐHBK TP.HCM: Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh
ĐHHH: Đại học Hàng Hải
ĐHTL: Đại học Thủy lợi
ĐHXD: Đại học Xây dựng
FVM (Finite Volume Method): Phương pháp phần tử khối
Hướng S, N, E, W: Hướng Nam, Bắc, Đông, Tây
JONSWAP (Joint North Sea Wave Project): Dự án nghiên cứu sóng biển Bắc
NLSW: Non-linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông
PM (Peirsion-Moskowitz)
RANS - VOF: Reynolds Averaged Navier Stokes - Volume of fluid : Mơ hình tốn họ
RANS – VOF
Salient: bờ lồi
Tombolo: bán đảo
VKHTLVN: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam


CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu Đơn vị
α độ

Tên gọi của ký hiệu

Góc sóng tới

α, β, a, b, C1, C2,

-

Các hằng số (có khi là hệ số, có khi là số mũ)

ξ

-

Chỉ số sóng vỡ Iribarren

λ

-

Tỷ lệ mơ hình

ε

-

Hiệu quả giảm sóng của đê ngầm

At

m2
m

C3, C4, m, n

B
Bmin
Bmax

m

Diện tích mặt cắt cắt ngang đê ngầm
Bề rộng đỉnh đê ngầm
Bề rộng đỉnh đê nhỏ nhất
Bề rộng đỉnh đê lớn nhất

D

m Độ sâu nước tại vị trí đê ngầm

D’

m Độ sâu nước tại vị trí đê ngầm có kể đến nước dềnh

D50

m

Dn50

m Đường kính danh nghĩa của đá đổ thân đê ngầm

Đường kính trung bình (lọt sàng 50%) của đá đổ
thân đê ngầm

E

J

Năng lượng sóng

g

m2/s

Gia tốc trọng trường

h

m

Chiều cao đê ngầm

Hi

m

Chiều cao sóng tới trước đê (Hi = Hs,i)

HS

m

Chiều cao sóng

Hs,i

m

Chiều cao sóng trước đê ngầm

Chiều cao sóng tới tính tốn trước đê ngầm – dùng

Hs,i-c

m

cho xác định hiệu quả giảm sóng yêu cầu của đê
ngầm

Hs,i-max
Ký hiệu Đơn vị

m

Chiều cao sóng lớn nhất trước đê ngầm – dùng
trong thiết kế kích thước hình học đê
Tên gọi của ký hiệu


Hs,0

m

Chiều cao sóng nước sâu

Hs,t

m

Chiều cao sóng sau đê ngầm

Hm0

m

Chiều cao sóng mơ men 0

Hm0,i

m

Chiều cao sóng mơ men 0 tới trước đê ngầm

Hm0,t

m

Chiều cao sóng mơ men 0 phía sau đê ngầm

[ Hs ]E

m

[ Hs ]N

m

i

Chiều cao sóng bão tối đa cho phép để đảm bảo an

toàn cho các cơng trình bảo vệ bờ phía sau đê ngầm
Chiều cao sóng tối đa cho phép phía sau đê theo
chức năng thiết kế của đê

- Độ dốc bãi trước đê

f

Hz

Kt

-

K∆

-

Kr

-

Hệ số phản xạ

L0p

m

Chiều dài sóng nước sâu tính theo chu kỳ Tp

LP

m

Chiều dài sóng nước nơng tính theo chu kỳ phổ Tp

L0m-1,0

m

Chiều dài sóng nước sâu tính theo chu kỳ Tm-1,0

Lm-1,0

m

Chiều dài sóng nước nơng tính theo chu kỳ Tm-1,0

m

-

Hệ số mái dốc

P

%

Tần suất

pi

%

Tần suất xuất hiện của từng lớp sóng tới

p(Hs,i ≤ Hs,i−c )

%

p(H s,t

[ H≤sN]

)

p(Ztr ≤ Ztr ,tk )

%
%

Ký hiệu Đơn vị

[ Pa ]

Tần số sóng
Hệ số truyền sóng qua đê ngầm
Hệ số xếp lớp phụ thuộc loại khối phủ và phương
pháp thi công

Tần suất xuất hiện chiều cao sóng tới khơng lớn
hơn chiều cao sóng tới tính tốn
Tần suất xuất hiện chiều cao sóng sau đê khơng lớn
hơn chiều cao sóng cho phép
Tần suất mức bảo đảm mực nước triều không lớn
hơn mực nước triều thiết kế đê ngầm
Tên gọi của ký hiệu

%

Tần suất mức bảo đảm chiều cao sóng sau đê khơng
lớn hơn chiều cao sóng cho phép


Chiều cao lưu khơng phía trên mực nước tính tốn

Rc

m

s0p

- Độ dốc sóng

S

m

T

s

Thời gian

Tp

s

Chu kì đỉnh phổ

Tm-1,0

s

Chu kỳ phổ đặc trưng

X

m

Khoảng cách từ đê ngầm tới bờ

Zd

m

Cao trình đỉnh đê ngầm

Ztr

m

Mực nước triều

Ztr,tk

m

Mực nước triều thiết kế

Zđáy đh

-

Cao độ đáy địa hình

của đê chắn sóng (đê nhơ Rc> 0, đê ngầm Rc< 0)

Độ ngập nước của đỉnh đê ngầm so với mực nước
tính tốn

S/H

- Độ ngập tương đối của đê ngầm

B/L

-

Bề rộng tương đối của đỉnh đê

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống cơng trình bảo vệ bờ ở nước ta trong đó có đê biển đang đóng vai trị quan
trọng trong việc bảo vệ an toàn cho hàng chục triệu dân cư cùng với đất đai vùng ven
biển. Tuy nhiên, các cơng trình bảo vệ bờ hiện nay phần lớn vẫn chỉ là dạng cơng trình
kè hoặc kè kết hợp với đê biển. Đây là dạng cơng trình bảo vệ truyền thống mang tính
thụ động với tải trọng, trong khi đó vấn đề mất an tồn cơng trình đê điều và xâm thực
từ phía biển đang ngày gia tăng với mức độ nghiêm trọng ở nhiều địa phương địi hỏi
chúng ta cần có những giải pháp khắc chế hiệu quả. Ngoài ra, trong điều kiện biến đổi
khí hậu và nước biển dâng như hiện nay thì việc nâng cấp và củng cố dạng các cơng
trình bảo vệ truyền thống nhằm thích ứng với điều kiện tải trọng mới cũng đang gặp
nhiều trở ngại và tốn kém.
Một sốví dụ điển hình vềcác hư hỏng đối với cơng trình đê điều do bão số7 năm
2005 ở Nam Định hay do bão số 2 năm 2013 gây ra ở Hải Phịng (xem Hình 1),…
Trong những năm gần đây, bờ biển Cửa Đại, thị xã Hội An đã bị sóng biển xâm thực
sâu vào đất liền cuốn theo nhiều cơng trình bảo vệ bờ cùng với cơ sở hạ tầng xuống
biển (riêng năm 2014 biển đã lấn sâu vào khoảng 30 m, kéo dài hơn 700 m từ bãi tắm
Cửa Đại đến khách sạn Victoria) (xem Hình 2). Tại Cà Mau, sạt lở bờ biển cũng xảy ra
nghiêm trọng liên tục trong nhiều năm nay, toàn tỉnh hiện có khoảng 80% chiều dài bờ
biển phía Đơng và biển Tây bị sạt lở; trong đó có 41 km sạt lở ở mức nghiêm trọng,
bốn đoạn sạt lở đặc biệt nghiêm trọng với tổng chiều dài 17 km (xem Hình 3).
Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau cơn bão số 7 năm 2005, nhiều địa phương
(đặc biệt là Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ) đã mạnh dạn hơn trong việc ứng dụng các giải
pháp như cơng trình đê ngầm giảm sóng bảo vệ đê biển, mỏ hàn gây bồi chống xói lở
bờ biển. Các tỉnh ở khu vực Nam Bộ đã thử nghiệm xây dựng một số cơng trình đê
ngầm nhằm giảm sóng, gây bồi, bảo vệ rừng ngập mặn bằng những kết cấu và vật liệu
khác nhau như cọc ống bê tông ly tâm chèn đá hộc (Cà Mau), kè mềm bằng túi vải địa
kỹ thuật (Bạc Liêu), cọc tràm kết hợp bó cành cây (Sóc Trăng)… Các cơng trình thử

nghiệm này đã đạt được những kết quả ban đầu đáng khích lệ, nhưng vẫn cịn rất hạn
chế do chưa được dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng và lý luận thiết kế xây dựng một

1


cách đầy đủ.

Sóng tràn qua đỉnh đê Cát Hải

(a)

(b) Tường kè Đồ Sơn bị phá hỏng

Hình 1 Tác động của sóng bão đối với cơng trình đê kè ở Hải Phịng (bão số 2 6/2013)

Hình 2 Sạt lở bãi biển Cửa Đại (Quảng Nam) trong tháng 10/2014

a)

Sạt lở ở Biển Tây

b) Sạt lở ở đất mũi Cà Mau

Hình 3 Sạt lở bờ biển Cà Mau
Với tính năng giảm sóng chủ động, đê ngầm có thể được xây dựng kết hợp với hệ
thống cơng trình bảo vệ bờ hiện có nhằm gia tăng an tồn đê biển, giảm xói và gây bồi
bờ biển. Đây là giải pháp đã và đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới
đem lại lợi ích kinh tế, xã hội cao, đặc biệt là có thể áp dụng để ứng phó với biến đổi

khí hậu và nước biển dâng đang gia tăng trên tồn cầu.
Thực tế, áp dụng các cơng trình dạng đê ngầm thử nghiệm ở một số địa phương đã cho
thấy hiệu quả và khả năng ứng dụng không thể phủ nhận của dạng cơng trình này ở
nước ta. Tuy nhiên, để có thể áp dụng một cách hiệu quả theo chức năng thiết kế của
dạng cơng trình này thì cần phải có nghiên cứu đánh giá một cách đầy đủ hiệu quả
giảm sóng của chúng. Cho đến nay, mới chỉ có một vài nghiên cứu áp dụng thử
nghiệm ở một số dự án, tuy nhiên chưa có một nghiên cứu tổng thể với mục đích nêu
trên có gắn với điều kiện tự nhiên đặc thù của nước ta.
Vì vậy, đề tài luận án với nội dung nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của đê ngầm trong
điều kiện Việt Nam để có thể áp dụng giải pháp này một cách hiệu quả cho mục đích
bảo vệ bờ biển do vậy rất có ý nghĩa thực tiễn và mang tính cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu cơ sở khoa học về cơ chế giảm sóng của đê ngầm trong chức năng bảo vệ
bờ biển, đề xuất được phương pháp đánh giá hiệu quả giảm sóng của đê ngầm phù hợp
với điều kiện tự nhiên bờ biển Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Đê ngầm và hiệu quảgiảm sóng của nó.
- Phạm vi nghiên cứu: Đê ngầm có dạng mặt cắt thực dụng hình thang, kết cấu khơng
(hoặc ít) thấm, xây dựng trên bãi ở khu vực nước nông ven bờ thuộc vùng biển Bắc Bộ
và Bắc Trung Bộ.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu nêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu cơ bản
sau đây:
- Nghiên cứu tổng quan về các thành tựu nghiên cứu trong nước và trên thế giới về
hiệu quả giảm sóng của đê ngầm, phân tích các tồn tại và đặt vấn đề nghiên cứu cho
luận án;
- Nghiên cứu cơ sởlý thuyết vềhiệu quảgiảm sóng của đê ngầm, đánh giá các điều
kiện tự nhiên đặc thù vùng bờ biển khu vực nghiên cứu ở nước ta;

- Sử dụng mơ hình tốn được kiểm định để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của
các yếu tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
- Thiết kế và xây dựng mơ hình, xây dựng kịch bản và thực hiện các thí nghiệm mơ
hình vật lý máng sóng về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
- Xây dựng công thức thực nghiệm về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm có gắn với
điều kiện tự nhiên vùng bờ biển khu vực nghiên cứu;
- Vận dụng kết quả nghiên cứu để đề xuất chu trình và phương pháp tính tốn xác định
kích thước hình học mặt cắt ngang đê ngầm theo chức năng thiết kế. Áp dụng thiết kế
đê ngầm bảo vệ bờ biển chống sạt lở tại khu vực An Dương, Phú Thuận, Thừa Thiên
Huế.
5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
5.1. Cách tiếp cận
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các cơng trình nghiên
cứu có liên quan trong nước và trên thế giới về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm. Từ
đó lựa chọn hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa vừa mang tính sáng tạo phù hợp với
đặc điểm tự nhiên về địa hình, sóng, gió của bờ biển khu vực nghiên cứu.
5.2. Các phương pháp sử dụng trong luận án
- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài
liệu, các cơng trình nghiên cứu có liên quan mật thiết đến luận án, từ đó tìm ra những
vấn đề mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ;
- Phương pháp mô hình tốn: Kiểm định và hiệu chỉnh mơ hình tốn với một số kết
quả thí nghiệm mơ hình vật lý. Sử dụng mơ hình đã kiểm định để tính tốn cho các
kịch bản mở rộng để đánh giá xu thế và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu
quả giảm sóng của đê ngầm;
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm trên mơ hình vật lý để xác định
mối quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản. Xử lý số liệu để thiết lập công thức
thực nghiệm và xác định các thông số cần thiết;
- Phương pháp chuyên gia: Sử dụng phương pháp chuyên gia để xin ý kiến, góp ý cho

quá trình và kết quả nghiên cứu liên quan đến luận án;
- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Vận dụng các kết quả nghiên cứu để đề xuất
chu trình và phương pháp tính tốn xác định kích thước hình học mặt cắt ngang đê
ngầm theo chức năng. Áp dụng cho đê ngầm tại An Dương - Phú Thuận - Thừa Thiên
Huế.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của các tham sốchính chi phối đến hiệu quả
giảm sóng của đê ngầm, đặc biệt là các yếu tố mang tính đặc thù về điều kiện tự nhiên
vùng bờ biển ở nước ta. Vận dụng sáng tạo kết quả nghiên cứu về hiệu quả giảm sóng
của đê ngầm, lần đầu tiên một chu trình và phương pháp tính tốn xác định kích thước
mặt cắt ngang phù hợp với chức năng thiết kế của cơng trình đã được xây dựng, giải
quyết được một vấn đề thực tiễn còn nhiều vướng mắc trong chỉ dẫn thiết kế cơng
trình đê ngầm.
Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể được dùng để tham khảo trong đánh giá
hiệu quả giảm sóng, tính tốn thiết kế đê ngầm theo chức năng, góp phần nâng cao
hiệu quả áp dụng dạng cơng trình này ở nước ta.
7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong bốn chương
bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về đê ngầm và hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
Chương 2: Nghiên cứu bằng mơ hình tốn về xu thếvà mức độ ảnh hưởng của các yếu
tố chi phối đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
Chương 3: Nghiên cứu trên mơ hình vật lý về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm;
Chương 4: Nghiên cứu đề xuất chu trình tính tốn và phương pháp tính tốn xác định
mặt cắt ngang thiết kế của đê ngầm theo chức năng - Áp dụng cho thiết kế đê ngầm tại
Phú Thuận, Thừa Thiên Huế.


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÊ NGẦM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG

CỦA ĐÊ NGẦM
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Đê ngầm và ứng dụng đê ngầm
1.1.1.1 Khái niệm đê ngầm giảm sóng
Đê ngầm là thuật ngữ dịch từ tên tiếng Anh Submerged Breakwater, dùng để chỉ dạng
cơng trình đê chắn sóng có đỉnh ngập dưới mực nước thiết kế theo chức năng. Đê
ngầm có tác dụng tiêu hao một phần năng lượng sóng khi truyền qua đê và do vậy có
thể được thiết kế làm giảm chiều cao sóng tới trước mục tiêu bảo vệ, làm giảm tốc độ
dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ dẫn tới giảm khả năng xói bờ, gây bồi, tạo bãi. Cao
trình đỉnh đê được xác định tùy theo chức năng và mức độ giảm sóng yêu cầu.
Đê ngầm thường được bố trí song song với đoạn bờ biển được bảo vệ và có thể làm
việc độc lập (một đê) hoặc theo nhóm (nhiều đê cách quãng) hoặc kết hợp với các
dạng cơng trình bảo vệ bờ khác tạo thành một hệ thống để đạt được mục tiêu xây dựng
(xem Hình 1.1). Trên mặt bằng loại cơng trình này được bố trí cách bờ với một khoảng
cách nhất định tùy theo chức năng yêu cầu, nên còn được gọi và xếp loại theo nhóm
Detached Breakwater hoặc Offshore Breakwaters.

Hình 1.1 Bố trí cơng trình đê ngầm giảm sóng[1]
Ở nước ta, trong tiêu chuẩn ngành 14 TCN 130-2002 dạng cơng trình này được gọi


chung là đê giảm sóng [2] . Đây cũng chính là loại đê ngầm mà luận án lấy làm đối
tượng chủ yếu để nghiên cứu.
Đê ngầm trong quá trình vận hành có thể chịu tác động của sóng trong nhiều điều kiện
khác nhau (thường, bão, hoặc gió mùa). Tùy theo chức năng yêu cầu mà đê ngầm có
thể được thiết kế ngập nước hoàn toàn hoặc chỉ ngập trong một khoảng thời gian nhất
định tùy theo dao động của mực nước (triều, nước dâng).
1.1.1.2. Thực tiễn sử dụng đê ngầm trên thế giới
Theo thống kê của chương trình nghiên cứu xây dựng cơng trình đỉnh thấp của liên minh
Châu Âu (DELOS từ 1998 đến năm 2002) [3] , tại Châu Âu số lượng đê ngầm đã xây

dựng chiếm tới 66% dạng cơng trình chủ động bảo vệ bờ biển [4] . Các cơng trình đê
ngầm được xây dựng nhiều nhất là ở Anh, Ý và Tây Ban Nha. Tại Mỹ, đê ngầm đã
được xây dựng 235 chiếc trong 24 công trình tơn tạo bãi tắm biển. Tại Nhật Bản, năm
1960 bắt đầu xây dựng các đê ngầm đầu tiên và cho thấy hiệu quả bảo vệ bờ rất rõ rệt.
Cho đến năm 1996, Nhật Bản đã có 7371 đê ngầm, Srilanka cũng là một quốc gia sử
dụng nhiều đê ngầm để bảo vệ bờ biển với 9 hệ thống, 46 đê. Ngoài ra một số quốc gia
khác cũng đã áp dụng loại cơng trình này khá sớm như Trung Quốc, Ấn Độ, Singapore
…[4] . Hình 1.2 là một sốhình ảnh minh họa vềcơng trình đê ngầm bảo vệ bờbiển đã
được xây dựng ở một số quốc gia trên thế giới.
1.1.1.3. Thực tiễn ứng dụng đê ngầm ở Việt Nam
Ở nước ta trong một số năm gần đây, cơng trình dạng đê ngầm đã bước đầu được đưa
vào sử dụng dưới dạng một số hình thức kết cấu và cơng năng khác nhau. Tính từ Bắc
vào Nam đến nay đã xây dựng được một số cơng trình điển hình sau đây:
+ Năm 2013, hai đoạn đê ngầm dài 100 m bằng khối Tetrapod đã được xây dựng để
bảo vệ, gia tăng an toàn cho đê biển khu vực thị trấn Cát Hải, thành phố Hải Phịng
(xem Hình 1.3a);
+ Năm 2007, hệ thống cơng trình đê chắn sóng chữ T ở huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam
Định được xây dựng nhằm gây bồi, giữ bãi và chân đê biển (xem Hình 1.3 b);
+ Năm 2010, đê ngầm dài 300 m được xây dựng ở xã Khánh Tiến, huyện U Minh, tỉnh
Cà Mau với mục đích bảo vệ chống xói cho rừng ngập mặn. Đê có kết cấu cọc bê tơng


cốt thép ly tâm, ở giữa xếp rọ đá. Từ đó đến nay loại cơng trình này đã được nhân rộng
ở nhiều nơi, tổng chiều dài lên đến 6 km (xem Hình 1.3 c và Hình 1.3 d);
+ Năm 2012, đê ngầm bằng ống địa kỹ thuật dài 1056 m được xây dựng ở Bạc Liêu
cũng nhằm bảo vệ chống xói cho rừng ngập mặn (xem Hình 1.3 e);
+ Năm 2012, dưới sự hỗ trợ của chính phủ Đức các đê ngầm giảm sóng gây bồi bằng
cọc tre, cọc tràm đã được xây dựng ở Trung Bình (Sóc Trăng) và Tân Thành (Tiền
Giang) (xem Hình 1.3 f).

a) Hiệu quả giảm sóng bão của đê ngầm
b) Đê ngầm ở bãi biển Songdo,
ở
Busan, Hàn Quốc [6]
Miamy-Montaza, Alexandria, Ai Cập [5]

c) Một đê ngầm tại Australia

đ) Vị trí và cắt ngang đê ngầm chắn sóng
ở vịnh Gdansk, Ba Lan [7]

d) Hệ thống đê ngầm ở Osaka (Nhật
Bản)

e)Đê ngầm bằng vải địa kỹ
thuật tại Italia

Hình 1.2 Một số ví dụ về cơng trình đê ngầm trên thế giới (nguồn Internet)


a) Đê ngầm Tetrapod ở Cát Hải, Hải b)
Phòng, xây dựng năm 2013

c) Đê ngầm bằng khung BTCT chèn
cọc tràm tại Bạc Liêu xây dựng
tháng
12/2012

đ) Đê ngầm ống địa kỹ thuật ở Nhà
Mát, Bạc Liêu, xây dựng năm 2012

Đê ngầm Tetrapod ở Nghĩa Phúc, Nam
Định xây dựng năm 2013

d) Đê ngầm cọc BTCT ly tâm chèn đá
hộc ở Khánh Tiến, U Minh, Cà Mau, xây
dựng năm 2010

e) Đê ngầm bằng cọc tre ở Sóc Trăng
xây dựng năm 2012

Hình 1.3 Hình ảnh một số đê ngầm đã xây dựng ở Việt Nam
Có thểthấy rằng mặc dù đây mới chỉlà những cơng trình thửnghiệm nhưng đã đem
lại những kết quả ban đầu khơng thể phủ nhận về tính hiệu quả và khả năng ứng dụng
dạng cơng trình này ở nước ta.
1.1.1.4. Các vấn đề nghiên cứu về đê ngầm
Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới về đê ngầm nhằm nâng cao chất lượng công tác