Nghiên cứu lựa chọn giải pháp và công nghệ thi công công trình bảo vệ bờ biển tỉnh bà rịa vũng tà

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………1
1. Tính cấp thiết của Đề tài .......................................................................................1
2. Mục đích của Đề tài...............................................................................................1
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................1
4. Kết quả dự kiến đạt được .....................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁ CƠNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ
BIỂN ...........................................................................................................................3
1.1 Sự hình thành sóng biển và tác động của nó đến cơng trình bảo vệ bờ biển. .
.............................................................................................................3
1.1.1 Đặc trưng hình thành và sự phát triển của sóng biển ....................................3
1.1.2 Phân loại sóng biển ...........................................................................................6
1.1.3 Các thơng số đặc trưng của sóng biển .............................................................8
1.2 Các cơng trình bảo vệ bờ biển............................................................................9
1.2.1 Cơng trình đê chắn cát giảm sóng bảo vệ bờ biển ...........................................9
1.2.2 Cơng trình kè bảo vệ bờ biển ..........................................................................11
1.2.2.1 Chức năng .....................................................................................................11
1.2.2.2 Kết cấu gia cố bờ ..........................................................................................11
1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở nước ta............................................11
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................11
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ta ....................................................................19
1.4 Kết luận chương 1 .............................................................................................22
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ THI CƠNG ĐÊ BIỂN............................................23
2.1 Mặt cắt kết cấu các cơng trình bảo vệ bờ biển thường sử dụng ở Việt Nam ..
...........................................................................................................23
2.1.1 Các tiêu chuẩn thiết kế đê biển.......................................................................23


2.1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế đê biển............................................................................23
2.1.1.2 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thiết kế đê biển ở Việt Nam hiện nay ............25
2.1.2 Xác định các thông số, điều kiện thiết kế .......................................................26

2.1.2.1 Tài liệu địa hình ............................................................................................26
2.1.2.2 Tài liệu địa chất ............................................................................................27
2.1.2.3 Tài liệu khí tượng, thủy, hải văn ...................................................................28
2.1.2.4 Tài liệu dân sinh, kinh tế và môi trường .......................................................29
2.1.2.5 Cấp cơng trình của đê ...................................................................................29
2.1.3 Các bước thiết kế cơng trình bảo vệ bờ biển ..................................................29
2.1.3.1 Xác định cao trình đỉnh đê ............................................................................30
2.1.3.2 Phương pháp tính tốn lưu lượng tràn .........................................................35
2.1.3.3 Đỉnh đê ..........................................................................................................39
2.1.3.4 Mái đê............................................................................................................42
2.1.3.5 Thân đê ..........................................................................................................43
2.1.4 Tính ổn định ...................................................................................................45
2.1.4.1 Nội dung tính tốn .........................................................................................45
2.1.4.2 Tính tốn ổn định chống trượt mái đê ..........................................................45
2.1.4.3 Tính tốn ổn định đê biển dạng tường đứng .................................................47
2.1.5 Tính tốn lún 51
2.1.6 Những hình thức bảo vệ bờ biển đã được ứng dụng ở Việt Nam ................53
2.1.6.1 Các hình thức kè bờ biển...............................................................................53
2.1.6.2 Các hình thức đê chắn sóng ..........................................................................57
2.2 Đặc điểm khi thi công đê biển .........................................................................59
2.2.1 Thi công ở nơi nước sâu .................................................................................59
2.2.2 Thi công xây dựng ở nơi sóng gió ..................................................................59
2.2.3 Thi cơng trong các điều kiện khác .................................................................60
2.3 Công nghệ thi công đê biển .............................................................................60
2.3.1 Cơng nghệ vật liệu dùng cho cơng trình bảo vệ bờ biển ...............................60
2.3.1.1 Thảm bê tông FS ...........................................................................................60


2.3.1.2 Thảm bê tông tự chèn lưới thép - thảm P.Đ.TAC-M .....................................61
2.3.1.3 Vải địa kỹ thuật .............................................................................................61

2.3.1.4 Cừ bản BTCT ứng suất trước ........................................................................61
2.3.1.5 Khối Tetrapod ...............................................................................................62
2.3.1.6 Công nghệ thi công thả thảm đá dưới nước..................................................62
2.3.1.7 Công nghệ thi công đóng cọc chiều dài lớn..................................................63
2.3.1.8 Xử lý chống xói lở bờ biển bằng cơng nghệ STABIPLAGE ..........................63
2.3.2 Đê chắn sóng: ..................................................................................................64
2.3.2.1 Đê chắn sóng mái nghiêng (đê dạng khối đổ) .............................................64
2.3.2.2 Đê chắn sóng tường đứng .............................................................................65
2.3.2.3 Đê chắn sóng có kết cấu đặc biệt khác nhau (đê kiểu phao, đê rỗng, đê thuỷ
khí…) .........................................................................................................................66
2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................66
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ BIỂN TỈNH BÀ RỊA
VŨNG TÀU..............................................................................................................68
3.1 Các đặc điểm điều kiện tự nhiên của bờ biển Bà Rịa Vũng Tàu ..................68
3.1.1 Đặc điểm địa hình ...........................................................................................69
3.1.2 Đặc điểm địa mạo ............................................................................................72
3.1.2.1 Địa hình nguồn gốc núi lửa ..........................................................................72
3.1.2.2 Đặc điểm độ sâu đáy biển .............................................................................73
3.1.2.3 Đặc điểm địa mạo đáy biển ...........................................................................73
3.1.2.4 Đặc điểm sóng biển, các thơng số sóng ........................................................76
3.2 Những chỉ tiêu thiết kế ......................................................................................76
3.2.1 Xác định tiêu chuẩn an toàn ..........................................................................76
3.2.2 Xác định cấp đê ...............................................................................................77
3.2.3 Thiết kế tuyến đê .............................................................................................78
3.3 Lựa chọn giải pháp hợp lý bảo vệ bờ biển Bà Rịa Vũng Tàu .......................79
3.4 Xác định mặt cắt đê biển Bà Rịa Vũng Tàu ...................................................80


3.4.1 Chọn tuyến đê ...................................................................................................80
3.4.2 Tính chọn kích thước cơ bản của mặt cắt ngang ĐCS mái nghiêng................81

3.4.2.1 Cao trình đỉnh đê ..........................................................................................81
3.4.2.2 Chiều rộng đỉnh đê ........................................................................................83
3.4.2.3 Chọn mái dốc m ............................................................................................83
3.4.2.4 Tính tốn chọn loại khối phủ phù hợp với ĐCS............................................84
3.4.3 Tính tốn ổn định trượt sâu ĐCS .....................................................................85
3.4.4 Tính tốn ổn định trượt ngang ĐCS ................................................................88
3.5 Giải pháp thi cơng cơng trình đê biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu ......................91
3.5.1 Thi cơng khối dị hình tetrapod .........................................................................91
3.5.1.1 Yêu cầu vật liệu đầu vào ...............................................................................91
3.5.1.2 Thi công đúc các khối phá sóng ....................................................................92
3.5.2 Thi cơng đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực mũi Hồ Tràm .....................95
3.5.2.1 Thi công nạo vét đáy biển .............................................................................95
3.5.2.2 Thi công đá đổ lõi đê và lớp đệm đá .............................................................97
3.5.2.3 Thi công lớp lót đê ......................................................................................101
3.5.2.4 Thi cơng lớp phủ ngồi ...............................................................................102
3.5.3 Một số lưu ý trong q trình thi cơng ..........................................................103
3.5.4 Tiến độ thi công .............................................................................................104
3.5.5 Các yêu cầu về bảo vệ mơi trường, an tồn, phịng chống cháy nổ trong q
trình thi cơng

.................................................................................................104

3.6 Kết luận chương III ........................................................................................105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................106
1. Kết luận ..............................................................................................................106
2. Tồn tại và kiến nghị...........................................................................................107


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Sơ đồ chuyển động của các hạt nước trong sóng đứng (a) và sóng tiến

(b) và biến đổi của hình dạng sóng với thời gian ................................................... 7
Hình 1-2: Profin sóng và các yếu tố sóng. ............................................................ 8
Hình 1-3: Các giải pháp bảo vệ đê biển bằng cơng trình ngăn cát giảm sóng. ...... 10
Hình 1-4: Đê biển chịu sóng tràn và vùng đệm đa chức năng theo cách tiếp cận hệ
thống của ComCoast.......................................................................................... 13
Hình 1-5: Quan điểm xây dựng đê biển lợi dụng tổng hợp và thân thiện với môi
trường sinh thái của Hà Lan. ............................................................................. 15
Hình 1-6: Đê sơng an tồn cao ở Nhật Bản: (a) Dạng mặt cắt ngang đê an toàn cao
trước và sau khi xây dựng (Stalenberg, 2007) (b) Đê an tồn cao ở Edogawa –
Tokyo, Nhật Bản. ............................................................................................... 16
Hình 1-7: Dải ngầm giảm sóng xa bờ. ................................................................ 18
Hình 2-1: Độ dốc quy đổi tính sóng leo. ............................................................ 31
Hình 2-2: Các thơng số xác định cơ đê. ............................................................. 32
Hình 2-3: Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh. .............................. 36
Hình 2-4: Mũi hắt sóng của tường đỉnh trên đê. .................................................. 37
Hình 2-5: Mặt cắt đê bảo vệ ba mặt.................................................................... 39
Hình 2-6 : Các dạng kết cấu tường đỉnh đê biển. ................................................ 41
Hình 2-7: Đá hộc lát khan khơng có tường đỉnh. ................................................. 53
Hình 2-8: Bê tơng mảng mềm, đá lát khan phần trên, có tường đỉnh. ................... 54
Hình 2-9: Bê tơng mảng mềm, tường đỉnh, thềm giảm sóng. ................................ 54
Hình 2-10: Mái kè đá lát khan trên đê đá............................................................ 54


Hình 2-11: Mái kè đá lát khan trên đê đất. ......................................................... 54
Hình 2-12: Mái kè tấm bê tơng và đá hộc lát khan phần trên. .............................. 55
Hình 2-13: Mái kè tấm bê tông và đá hộc lát khan phần trên. .............................. 55
Hình 2-14: Mái kè bê tơng kích thước lớn liên kết mềm và đá hộc lát khan trong
khung xây phần trên.......................................................................................... 55
Hình 2-15: Mái kè tấm bê tơng liên kết mềm và đá hộc lát khan trong khung xây
phần trên. .......................................................................................................... 56

Hình 2-16: Kè bờ biển Nghĩa Phúc – Nam Định. ................................................ 56
Hình 2-17: Kè bờ biển Ninh Thuận. .................................................................... 57
Hình 2-18: Đê chắn sóng kết cấu mái nghiêng bằng đá tại Dung Quất. ............... 57
Hình 2-19: Đê chắn sóng bảo vệ bờ kết cấu bằng khối Tetrapod ........................ 58
tại đảo Cồn Cỏ. ................................................................................................. 58
Hình 2-20: Đê chắn sóng bảo vệ bờ kết cấu bằng khối Tetrapod ........................ 58
tại đảo Cơ Tơ. ................................................................................................... 58
Hình 2-21: Thảm bê tơng FS. ............................................................................. 61
Hình 2-22: Thảm bê tơng tự chèn lưới thép. ........................................................ 61
Hình 2-23: Cừ bản BTCT ứng suất trước. ........................................................... 62
Hình 2-24: Khối Tetrapod. ................................................................................. 62
Hình 2-25: Thi cơng thả thảm đá dưới nước. ...................................................... 63
Hình 2-26: STABIPLAGE. ................................................................................. 64
Hình 2-27: Đê chắn sóng mái nghiêng thơng thường........................................... 65
Hình 2-28: Đê chắn sóng mái nghiêng dùng khối tetrapod bảo vệ mái. ................ 65


Hình 2-29: Đê chắn sóng tường đứng kết cấu thùng chìm.................................... 66
Hình 3-1: Bản đồ khu vực nghiên cứu................................................................. 69
Hình 3.2: Mặt bằng bố trí tuyến đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực ................. 81
mũi Hồ Tràm ..................................................................................................... 81
Hình 3.3: Mặt cắt điển hình ĐCS khu vực bãi biển Hồ Tràm .............................. 84
Hình 3-4: Phương pháp Janbu K=1.419 ............................................................. 86
Hình 3-5: Phương pháp Bishop K=1.491 ........................................................... 86
Hình 3-6: Phương pháp Janbu K=1.421 ............................................................. 87
Hình 3-7: Phương pháp Bishop K=1.527 ........................................................... 87
Hình 3.8: Sơ đồ tính áp lực sóng. ....................................................................... 89
Hình 3.9: Sơ đồ tính ổn định trượt ngang ........................................................... 91
3.5.1 Thi cơng khối dị hình tetrapod .........................................................................91
Hình 3-10: Một mảnh ván khn khối tetrapod .................................................. 93

Hình 3.11: Đổ bê tơng vào khối bằng băng truyền. ............................................. 94
Hình 3.12: Vận chuyển các khối bằng cẩn cẩu và ô tô. ........................................ 95
3.5.2 Thi cơng đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực mũi Hồ Tràm .........................95
Hình 3-13: Phao thi cơng. ................................................................................. 96
Hình 3-14: Tầu hút xén thổi nạo vét đáy biển. ..................................................... 97
Hình 3-15: Xà lan mở đáy. ................................................................................ 99
Hình 3-16: Thiết bị định vị GPS trên xà lan. ....................................................... 99
Hình 3-17: Xà lan mở mạn. ............................................................................... 99
Hình 3-18: Ô tô vận chuyển đá. ....................................................................... 100


Hình 3-19: Chỉnh sử mái dốc bằng máy đào có hệ thống định vị GPS ................ 100
Hình 3-20: Vận chuyển đá bằng xà lan kết hợp với ô tô. ................................... 101
Hình 3-21: Cần cẩu phục vụ xếp đá. ................................................................ 102
Hình 3-22: Vận chuyển khối phá sóng bằng ơ tơ. ............................................. 102
Hình 3-23: Thi cơng lắp đặt khối phá sóng. ..................................................... 103
Hình 3-24: Thợ lặn thi cơng lắp ghép các khối phá sóng. ................................. 103


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng phân cấp đê biển theo chu kỳ lặp. ...................................................24
Bảng 2.2: Cấp cơng trình của đê biển. .....................................................................29
Bảng 2.3: Hệ số nhám trên mái dốc..........................................................................33
Bảng 2.4: Tiêu chuẩn sóng tràn (Eurotop, 2007). ....................................................37
Bảng2.5: Chiều rộng đỉnh đê theo cấp cơng trình. ...................................................39
Bảng 2.6: Hệ số an toàn ổn định chống lật (k) của đê thành đứng. .........................41
Bảng 2.7: Hệ số an toàn ổn định chống trượt (k) của cơng trình thành đứng. ........42
Bảng 2.8: Quy định độ nén chặt thân đê bằng đất. ..................................................44
Bảng 2.9: Hệ số an toàn ổn định chống trượt cho mái đê. .......................................46
Bảng2.10: Hệ số an toàn ổn định chống truợt trên nền phi nham thạch..................46

Bảng 2.11: Hệ số an toàn ổn định chống trượt trên nền nham thạch. .....................46
Bảng 2.12: Hệ số an toàn ổn định chống lật. ...........................................................47
Bảng 2.13: Hệ số ma sát. ..........................................................................................49
Bảng 2.14: Hệ số ảnh hưởng. ...................................................................................52
Bảng 3.1: Tiêu chuẩn an toàn. ..................................................................................76
Bảng 3.2: Tiêu chí phân cấp đê. ...............................................................................77
Bảng 3.3: Các thơng số của khối Tetrapod. .............................................................85
Bảng 3.4: Các thông số của lớp phủ mái Tetrapod. ................................................85


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Bờ biển nước ta có chiều dài hơn 3260km, hàng ngày đang chịu ảnh hưởng
trực tiếp của các yếu tố như sóng, gió, thủy triều… và trung bình có từ 6 đến 8 cơn
bão đổ bộ vào bờ biển hàng năm. Đặc biệt năm 1978 và năm 1989 có tới 12 cơn bão
đổ bộ vào, có nhiều cơn bão trên cấp 12, 13 gây thiệt hại rất lớn về người và kinh tế
ở những vùng ven biển.
Đê biển nước ta được xây dựng qua nhiều thời kỳ, chất lượng khác nhau, mức
độ an tồn thấp, nhiều nơi cịn phải gia cố sửa chữa hoặc xây dựng mới. Trong điều
kiện biến đổi khí hậu, đặc biển với xu thế nước biển dâng, việc đảm bảo an toàn cho
hệ thống đê biển là vấn đề cần đặc biệt quan tâm bởi vì hầu hết các khu dân cư, khu
công nghiệp, khu kinh tế trọng điểm của Vùng, của đất nước đều nằm gần hoặc sát
bờ biển. Đặc biệt tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu là một trong những vùng kinh tế sôi động,
trọng điểm phát triển nhanh của nước ta. Vì vậy nếu để xảy ra một sự cố do thiên tai
thì thiệt hại mà đất nước gánh chịu thật khó lường. Do vậy đề tài: “Nghiên cứu lựa
chọn giải pháp và công nghệ thi công cơng trình bảo vệ bờ biển tỉnh Bà Rịa Vũng
Tàu” có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn.
2. Mục đích của Đề tài
Nghiên cứu lựa chọn cơng trình bảo vệ bờ và giải pháp thi công đê biển tỉnh

Bà Rịa Vũng Tàu.
Phạm vi nghiên cứu: Vùng đê biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
* Cách tiếp cận.
Thông qua các tài liệu thiết kế và tài liệu nghiên cứu liên quan đến vấn đề bảo
vệ bờ biển để nắm được các giải pháp bảo vệ bờ biển.
Nghiên cứu thơng qua các cơng trình bảo vệ bờ biển đã được áp dụng xây
dựng trong thực tế.
* Phương pháp nghiên cứu.


2
- Phương pháp khảo sát đánh giá hiện trạng.
- Phương pháp phân tích tổ hợp.
- Phương pháp chuyên gia.
- Phương pháp kế thừa kết hợp nghiên cứu và tài liệu đã công bố.
4. Kết quả dự kiến đạt được
Đưa ra giải pháp hợp lý cho cơng trình bảo vệ bờ biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu
để đảm bảo tính kinh tế của cơng trình và sự an tồn của cơng trình trước tác động
của các yếu tố tự nhiên bất lợi.


3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP
CƠNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN
1.1

Sự hình thành sóng biển và tác động của nó đến cơng trình bảo vệ

bờ biển

1.1.1

Đặc trưng hình thành và sự phát triển của sóng biển

Sóng biển là hiện tượng vật lý xảy ra ở lớp nước gần bề mặt biển. Sóng được
hình thành do gió và những hiệu ứng địa chất, và có thể di chuyển hàng nghìn km
trước khi đến đất liền. Sóng biến đổi từ những gợn sóng lăn tăn đến những cơn sóng
thần cực lớn. Ngoài dao động thẳng đứng, các hạt nước trong sóng biển có một chút
chuyển động theo phương ngang.
Nguyên nhân chủ yếu cho sự hình thành của sóng là gió, có 3 yếu tố của gió
ảnh hưởng đến sóng:
- Tốc độ gió
- Độ dài mặt mà trong đó nước chịu ảnh hưởng của gió
- Thời gian nước bị gió thổi
Tất cả những yếu tố trên góp phần tạo nên sóng với kích thước và hình dạng
khác nhau. Giá trị của từng yếu tố càng lớn đều làm cho sóng lớn hơn. Sóng được
đo bởi:
Độ cao (từ đỉnh đến chỗ lõm)
Bước sóng (khoảng cách giữa các đỉnh)
Chu kì sóng (khoảng thời gian giữa các ngọn sóng liên tiếp ở một điểm cố
định.
Sóng biển có kích thước lớn, hình thành dưới tác dụng kéo dài của gió. Và tồn
tại khá lâu sau khi gió kết thúc. Lực khơi phục sóng này là lực hấp dẫn. Ta thường
nhìn thấy sóng biển vỡ tan thành bọt khi vào bờ. Đó là khi chân sóng khơng thể đỡ
được ngọn sóng. Hiện tượng này xảy ra mỗi khi sóng đi vào vịng nước nơng hơn,
hoặc khi 2 ngọn sóng đâm vào nhau.


4
Khái niệm về sóng biển theo quan điểm vật lý thì sóng biển là sóng cơ học lan

truyền giữa mặt phân cách của nước và khơng khí, lực khơi phục của dao động này
là lực hấp dẫn. Khi gió thổi, áp suất và ma sát làm xáo động bề mặt. Trong trường
hợp sóng biển, các hạt ở gần mặt nước chuyển động theo một đường trịn, do đó
sóng này là sự kết hợp của sóng dọc và sóng ngang. Khi sóng lan truyền trong vùng
nước nơng (độ sâu nhỏ hơn nửa bước sóng), quỹ đạo của các hạt nước bị nén thành
dạng elip. Khi biên độ sóng tăng lên, quỹ đạo của hạt nước khơng cịn là đường kín
nữa mà sau mỗi chu kì chúng bị dịch về phía trước một ít, hiện tượng này gọi là
dịch chuyển Stokes.
Đường kính quỹ đạo các hạt giảm khi độ sâu ngày càng tăng và ở độ sâu cỡ
nửa bước sóng, quỹ đạo này co lại gần như một điểm. Vận tốc pha của sóng phụ
thuộc vào bước sóng. Khi sóng đi vào vùng nước nông, do ma sát, phần nước càng
thấp di chuyển càng chậm dẫn tới các lớp nước lướt trên nhau, sóng bị vỡ, với
những con sóng lớn ta có thể thấy sóng đổ xuống rất đẹp.
Ngồi những sóng thơng thường trên, sóng thần là một con quái vật của tự
nhiên, nó có thể cao đến 30 m. Sóng thần hình thành do động đất, những vụ nổ
trong lịng đại dương hoặc một vụ va chạm với thiên thạch.
Một cách định tính, có thể giải thích sự phát sinh sóng gió như sau. Khi gió
bắt đầu thổi trên mặt nước n tĩnh, những cuộn xốy có mặt trong dịng gió sẽ tác
động lên mặt nước dưới dạng các xung áp suất, làm xuất hiện các sóng lăn tăn
(sóng mao dẫn) có thể nhìn thấy bằng mắt (gió khoảng 0,7 m/s có thể làm xuất hiện
các sóng cao 3-4 mm, bước sóng 40-50 mm). Nếu gió tiếp tục tác động thì sẽ làm
tăng biên độ sóng và sóng mao dẫn biến thành sóng trọng lực.
Về cơ chế truyền năng lượng từ gió cho sóng, một số nhà nghiên cứu cho
rằng ứng suất tiếp tuyến của gió đóng vai trị chủ yếu. Thí dụ, Makaveev đã xác
định năng lượng mà sóng nhận từ gió bằng tích của ứng suất tiếp tuyến và vận tốc
quỹ đạo của các hạt trong sóng dưới dạng biểu thức sau:
M = Aρ ′w2δC
Trong đó:

(1.1)

5
M – Năng lượng sóng nhận từ gió (W/m2)
A − hệ số xác định từ thực nghiệm; ρ ′ − mật độ khơng khí;
w − vận tốc gió; δ= h / λ − độ dốc sóng; C − vận tốc pha của sóng.
Những nhà nghiên cứu khác cho rằng có sự truyền năng lượng từ gió cho sóng là do
có sự chênh lệch áp suất giữa sườn đón gió và sườn khuất gió của sóng. Thí dụ,
Suleikin giải thích rằng các hạt nước trên sườn đón gió, khi chuyển động theo quỹ
đạo, được tác động bằng một áp suất trùng với hướng chuyển động nên cường độ
chuyển động được gia tăng, cịn các hạt trên sườn khuất gió chuyển động trên đoạn
đi lên của quỹ đạo, bị áp suất hãm lại. Nhờ tính chất bất đối xứng của áp suất trên
profin sóng, nên sau một vịng quay theo quỹ đạo, hiệu số áp suất có giá trị dương,
M = Ah(w − C )2

(1.2)

trong đó:
M – Năng lượng sóng nhận từ gió (W/m2)
A − hệ số thực nghiệm.
Về tổng quát, có thể cho rằng cơng suất mà gió truyền cho sóng gồm cả hai
phần:
M τ − năng lượng do ứng suất tiếp tuyến của gió
M P − năng lượng do áp suất pháp tuyến của gió trên một đơn vị diện tích mặt
nổi sóng. Được tiếp sức bởi những dịng năng lượng này, sóng xuất hiện trong gió sẽ
phát triển, tăng cả độ cao và bước sóng của nó.
Qua cơng thức (1.1) và (1.2) ta thấy gió là yếu tố cơ bản tạo nên đặc trưng của
sóng biển; cho nên khi nghiên cứu các cơng trình bảo vệ bờ cần phải nghiên cứu
hướng gió thổi, thời gian gió thổi và quá trình hình thành sóng biển cũng như đặc
trưng của sóng biển tác động vào cơng trình.

6
1.1.2

Phân loại sóng biển

Chế độ sóng, đặc trưng các yếu tố sóng, sự tác động của sóng lên bờ và
những đối tượng khác phụ thuộc rất nhiều vào loại sóng.
Theo lực gây nên sóng, người ta phân thành các loại sóng sau:
Sóng gió được gây nên bởi gió và chịu tác động của gió; những sóng do gió
gây nên nhưng cịn duy trì được sau khi gió ngừng tác động hoặc đổi hướng được
gọi là sóng lừng. Cũng gọi là sóng lừng khi mà sóng đi từ nơi chúng được gió gây
nên tới vùng đang xét đang hồn tồn lặng gió.
Sóng áp xuất hiện do tác động của áp suất khí quyển hoặc gió làm mặt nước
lệch khỏi vị trí cân bằng.
Sóng txunami xuất hiện do các hiện tượng động đất, núi lửa dưới nước hoặc
ven bờ.
Sóng tàu gây bởi chuyển động của tàu.
Sóng thủy triều biểu hiện ở sự dao động tuần hoàn của mực nước biển, gây bởi
tác động của các lực tạo triều của Mặt Trăng và Mặt Trời.
Theo đặc điểm tác động của lực sau khi xuất hiện sóng, người ta chia các
sóng thành sóng cưỡng bức, nếu lực vẫn tiếp tục tác động lên sóng và sóng tự do,
nếu lực ngừng tác dụng sau khi tạo sóng.
Theo các lực kéo hạt nước trong sóng trở về vị trí cân bằng, người ta cịn chia
thành sóng mao dẫn và sóng trọng lực. Trong trường hợp sóng mao dẫn, lực phục
hồi là sức căng mặt ngoài, trong trường hợp thứ hai là trọng lực.
Theo biến động của các yếu tố sóng với thời gian, người ta chia ra thành sóng
ổn định với các yếu tố sóng khơng biến đổi theo thời gian, sóng khơng ổn định là
sóng đang phát triển, hoặc bắt đầu tắt dần, với các yếu tố biến đổi theo thời gian.

7
Theo sự dịch chuyển của dạng sóng, người ta chia ra sóng tiến có dạng dịch
chuyển nhìn thấy được trong khơng gian và sóng đứng có dạng nhìn thấy khơng
dịch chuyển trong khơng gian. Sóng đứng thể hiện dưới dạng dao động cực đại ở
các điểm bụng và cực tiểu ở các điểm nút. Các hạt nước trong sóng dịch chuyển
theo đường thẳng đứng ở các điểm bụng và theo đường nằm ngang ở các điểm nút.
Ở khoảng cách giữa hai điểm đó các hạt nước dao động trên những mặt phẳng làm
thành những góc khác nhau với mặt nằm ngang (hình 1-1.a).
Trong sóng tiến, các hạt nước chuyển động theo những quỹ đạo gần giống đường
trịn hoặc ellip kín. Dọc theo hướng truyền sóng, các hạt nước nằm trên cùng một
mặt phẳng tham gia vào chuyển động không đồng thời. Trên hình 1-1.b thấy rằng
nếu xung lực bắt đầu tác động từ phía trái, thì đầu tiên đi vào chuyển động là hạt
nước 1, sau đó các hạt nước 2, 3, ..., mỗi hạt sau chậm so với hạt trước một pha
(một góc quay). Vị trí các hạt vào thời điểm đầu được biểu diễn bằng đường cong
liền.

Hình 1-1: Sơ đồ chuyển động của các hạt nước trong sóng đứng (a)
và sóng tiến (b) và biến đổi của hình dạng sóng với thời gian
Như vậy là do chuyển động đều đặn của các hạt nước theo những quỹ đạo kín
đã diễn ra sự di chuyển tịnh tiến của profin của sóng theo hướng tác động của lực,
trong đó độ cao sóng tương ứng với đường kính của quỹ đạo. Bản thân các hạt
nước, giống như các vật nổi trên sóng, trong khi chuyển động quay, khơng tham gia


8
vào dịch chuyển tịnh tiến mà dừng ở một chỗ. Khi nghiên cứu sóng biển người ta
cịn phân biệt sóng hai chiều (sóng phẳng) và sóng ba chiều. Trong sóng hai chiều,
trên tuyến frơn sóng khơng có sự chênh lệch độ cao của mực, các ngọn sóng kéo dài

mãi như những luống nước và truyền đi theo hướng truyền sóng.
Trong sóng ba chiều, người ta quan trắc thấy có sự chênh lệch độ cao mực dọc
theo fron sóng. Đối với loại sóng này, người ta đưa thêm khái niệm chiều dài ngọn
sóng - độ kéo dài của ngọn sóng theo hướng fron của gió và độ cao sóng ba chiều là
hiệu giữa mực cao nhất của đỉnh và mực thấp nhất của chân sóng.
1.1.3

Các thơng số đặc trưng của sóng biển

Dưới tác dụng của những lực khác nhau, trên mặt phân cách nước – khơng khí
ở biển ln ln tồn tại các sóng. Nếu cắt mặt biển nổi sóng bằng một mặt phẳng
thẳng đứng theo một hướng nào đó (thường theo hướng truyền sóng chính), thì giao
tuyến của mặt biển với mặt phẳng đó có dạng đường cong phức tạp gồm nhiều sóng
gọi là profin sóng (hình 1-2). Nếu quan trắc dao động của mặt biển tại một điểm cố
định nào đó (ghi bằng máy ghi sóng), thì biến đổi của vị trí mặt nước theo thời gian
cũng có hình dạng phức tạp. Trên profin sóng, mỗi một sóng bao gồm phần cao hơn
mực sóng trung bình gọi là ngọn sóng và phần thấp hơn mực sóng trung bình gọi là
đáy sóng. Điểm cao nhất của ngọn sóng là đỉnh sóng. Điểm thấp nhất của đáy sóng
là chân sóng.

Hình 1-2: Profin sóng và các yếu tố sóng.
Mực sóng trung bình là đường thẳng cắt profin sóng sao cho diện tích tổng
cộng phần trên và phần dưới của profin sóng bằng nhau.
Độ cao sóng h là khoảng cách giữa đỉnh sóng và chân sóng xác định trên profin


9
sóng dọc hướng truyền của sóng.
Bước sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng kế cận
nhau trên profin sóng dọc theo hướng truyền của sóng.

Chu kỳ sóng τ là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kế cận nhau đi qua một
đường thẳng đứng cố định.
Vận tốc truyền sóng hay vận tốc pha là vận tốc di chuyển ngọn sóng theo
hướng truyền. Khái niệm về vận tốc truyền sóng chỉ áp dụng với sóng tiến. Ta có
cơng thức:

c=

λ
τ

(1.3)

c: Vận tốc truyền sóng.
Tỷ số độ cao sóng và bước sóng h /λ gọi là độ dốc của sóng.
Phần sóng từ chân sóng đến đỉnh sóng hướng về phía gió thổi tới tạo thành
sườn đón gió của sóng, phần ngược lại từ đỉnh đến chân sóng khuất gió gọi là sườn
khuất gió của sóng.
Hướng truyền sóng trong biển được tính từ hướng bắc đến hướng chuyển động
của sóng.
Prơn sóng là đường nối các đỉnh sóng xác định trên nhiều profin sóng hướng
theo hướng truyền chính của sóng.
Tia sóng - đường thẳng vng góc với frơn sóng tại điểm đang xét.
1.2

Các cơng trình bảo vệ bờ biển

1.2.1

Cơng trình đê chắn cát giảm sóng bảo vệ bờ biển

Loại cơng trình giảm sóng ngăn cát, xây dựng trên vùng bãi trước mục tiêu
bảo vệ. Thuộc loại này bao gồm các rừng cây ngập mặn, các hệ thống tường ngăn
cát, giảm sóng (hình 1-3).
- Các rừng cây ngập mặn chống sóng. Đây là một giải pháp bảo vệ bờ rất
hữu hiệu, tạo ra hiệu quả tổng hợp về ngăn sóng và tăng khả năng lắng đọng phù


10
sa, hình thành các bãi bồi ven biển. Tuy nhiên nó chỉ thích hợp với những
vùng gần cửa sơng, có bãi thoải và nguồn phù sa tương đối dồi dào.

Hình 1-3: Các giải pháp bảo vệ đê biển bằng công trình ngăn cát giảm sóng.
- Đê mỏ hàn có chức năng ngăn chặn dòng bùn cát ven bờ, giữ bùn cát lại gây
bồi cho vùng bãi đang bị xâm thực, điều chỉnh vùng bờ biển làm cho phương của
dòng gần bờ thích ứng với phương truyền sóng, giảm nhỏ lượng bùn cát trơi, che
chắn cho bờ khi bị sóng xiên góc truyền tới, tạo ra các vùng nước yên tĩnh làm cho
bùn cát trơi bồi lắng lại, hướng dịng chảy ven bờ đi ra vùng xa bờ, giảm yếu dòng
ven bờ.
- Đê dọc đứt khúc xa bờ có chức năng sau: Che chắn sóng cho vùng sau đê,
giảm yếu tố tác dụng của sóng vào vùng bờ bãi, chống xâm thực, thu gom bùn cát
trơi để hình thành dải bồi tích giữa đê và bờ, từ đó làm giảm dịng ven.
- Đê mỏ hàn dạng chữ T chữ Y: kết hợp cả hai loại trên để tăng hiệu quả cản
sóng và bảo vệ bờ.


11
1.2.2

Cơng trình kè bảo vệ bờ biển

1.2.2.1 Chức năng
Gia cố bờ dùng để năng cao khả năng chống xâm thực của bề mặt dưới tác
dụng của môi trường bằng các vật liệu có khả năng chống xâm thực cao: đá, bê
tơng v.v...
Đối với gia cố bờ biển thì ngun nhân gây xâm thực mạnh nhất với bờ biển
là sóng sau đó là dịng chảy. Các vật liệu gia cố phải chịu được tải trọng sóng,
thường các vật liệu này chịu được tải trọng dòng chảy.
1.2.2.2 Kết cấu gia cố bờ
Vật liệu gia cố bờ có thể được làm bằng đá đổ cấp phối, bêtông asphalt, các
khối kỳ dị, tấm bê tông, bê tông mảng mềm.
- Phần trên: là phần nối tiếp của phần gia cố có tác dụng bảo vệ bờ đất nằm
ngoài phần lát mái. Kết cấu phần này đơn giản hơn phần lát mái do không chịu tải
trọng chính của sóng và dịng chảy: Có thể trồng cỏ, các vật liệu không đắt tiền.
Tuy nhiên để giảm cao trình bảo vệ phần trên có thể dùng tường đỉnh xây bằng đá
hoặc bê tông, bê tông cốt thép;
- Phần gia cố là phần chính bảo vệ bờ đất được làm bằng các vật liệu khác
nhau để đảm bảo chống xâm thực cho bề mặt dưới tác dụng của sóng và dòng chảy;
- Chân khay bảo vệ chân phần gia cố khỏi bị xói và bị trượt.
1.3

Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở nước ta

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Đê biển và các hạng mục công trình phụ trợ khác hình thành nên một hệ thống
cơng trình phịng chống, bảo vệ vùng nội địa khỏi bị lũ lụt và thiên tai khác từ phía
biển. Vì tính chất quan trọng của nó mà cơng tác nghiên cứu thiết kế, xây dựng đê
biển ở trên thế giới, đặc biệt là ở các quốc gia có biển, đã có một lịch sử phát triển
rất lâu đời. Tuy nhiên, tùy thuộc vào các điều kiện tự nhiên và trình độ phát triển
của mỗi quốc gia mà các hệ thống đê biển đã được phát triển ở những mức độ khác

nhau.


12
Ở các nước châu Âu phát triển như Hà Lan, Đức, Đan Mạch,...đê biển đã được
xây dựng rất kiên cố nhằm chống được lũ biển (triều cường kết hợp với nước dâng)
với tần suất hiếm. Khoảng vài thập niên trước đây quan điểm thiết kế đê biển truyền
thống ở các nước châu Âu là hạn chế tối đa sóng tràn qua do vậy cao trình đỉnh đê
rất cao. Nhưng vì lượng sóng tràn qua là rất ít nên mái phía trong đê thường được
bảo vệ rất đơn giản như chỉ trồng cỏ bản địa, phù hợp cảnh quan với môi trường.
Theo tài liệu mà tác giả thu thập được thì nhìn chung mặt cắt ngang đê điển hình rất
rộng, mái thoải (phổ biến là 1/6 hoặc thoải hơn), có cơ mái ngồi và trong kết hợp
làm đường giao thơng dân sinh và bảo dưỡng cứu hộ đê. Ngoài ra, cơ đê phía ngồi
cịn đảm nhận nhiệm vụ quan trọng là giảm sóng leo sóng tràn qua đê, góp phần hạ
thấp cao trình đỉnh đê thiết kế.
Trong những năm gần đây, trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng
hiện nay tư duy và phương pháp luận thiết kế đê biển ở các nước phát triển đã và
đang có sự biến chuyển rõ rệt. Giải pháp kết cấu, chức năng và điều kiện làm việc
của đê biển được đưa ra xem xét một cách chỉnh thể hơn theo quan điểm hệ thống,
lợi dụng tổng hợp, bền vững và hài hịa với mơi trường.
An tồn của đê biển đã được xem xét trong một hệ thống chỉnh thế, trong đó nổi
bật lên hai nhân tố ảnh hưởng chủ yếu sau:
- Bản thân cấu tạo hình học và kết cấu của đê.
- Điều kiện làm việc và và tương tác giữa tải trọng với cơng trình.
Vì vậy theo quan điểm của tác giả thì các nỗ lực nhằm nâng cao mức độ an toàn
của đê biển đều tập trung vào cải thiện hai nhân tố này. Sau đây tác giả sẽ lần lượt
điểm qua một số tiến bộ nổi bật đã đạt được gần đây có liên quan đến hai nhân tố
trên.
- Vấn đề thứ nhất là về cấu tạo hình học và kết cấu đê: Cùng với sự phát triển
mạnh mẽ kinh tế vùng ven biển và bối cảnh biến đổi khí hậu thì biện pháp ứng phó

bằng cách tiếp tục tôn cao đê như đã làm không phải là bền vững, lâu dài trong bối
cảnh hiện nay. Qua thực tiễn thiên tai bão lũ ở nhiều nước, đa số đê biển không phải


13
bị vỡ do cao trình đỉnh quá thấp (nước tràn qua đê). Đê có thể vỡ trước khi mực
nước lũ dâng cao tới đỉnh do mái kè phía biển khơng đủ kiên cố để chịu áp lực sóng
và phổ biến hơn cả là đỉnh đê và mái phía trong bị hư hỏng nặng nề do khơng chịu
được một lượng sóng tràn đáng kể qua đê trong bão. Như vậy, thay vì xây dựng
hoặc nâng cấp đê lên rất cao để chống (khơng cho phép) sóng tràn qua nhưng vẫn
có thể bị vỡ dẫn tới thiệt hại khơn lường thì đê cũng có thể xây dựng để chịu được
sóng tràn qua đê, nhưng không thể bị vỡ. Tất nhiên khi chấp nhận sóng tràn qua đê
cũng có nghĩa là chấp nhận một số thiệt hại nhất định ở vùng phía sau được đê bảo
vệ, tuy nhiên so với trường hợp vỡ đê thì thiệt hại trong trường hợp này là khơng
đáng kể. Đặc biệt là nếu như một khoảng không gian nhất định phía sau đê được
quy hoạch thành vùng đệm đa chức năng thích nghi với điều kiện bị ngập ở một
mức độ và tần suất nhất định. Đây chính là cách tiếp cận theo quan điểm hệ thống,
lợi dụng tổng hợp, và bền vững vùng bảo vệ bờ ComCoast (Combining Functions in
Coastal Defence Zone, xem www.ComCoast.org) của liên minh Châu Âu (Hình 14). Như vậy thay vì một con đê biển như một dải chắn nhỏ thì chúng ta sử dụng cả
một vùng bảo vệ ven biển mà có thể sử dụng tổng hợp.

Hình 1-4: Đê biển chịu sóng tràn và vùng đệm đa chức năng theo cách tiếp cận hệ
thống của ComCoast.
Bởi vậy đê chịu sóng tràn (ORD - Wave Overtopping Resistant Dikes) hay đê
không thể phá hủy (unbreachable/indestructible dikes) đã giành được một mối quan
tâm đặc biệt và đã được đưa vào áp dụng trong quan điểm thiết kế đê biển hiện nay
ở châu Âu. Cùng với nó, sóng tràn đã và đang trở thành một dạng tải trọng đặc biệt


14

không thể bỏ qua trong thiết kế đê biển. Nghiên cứu q trình động lực học sóng
tràn qua đê biển do vậy cũng đang nhận được một sự quan tâm đặc biệt.
Để đê có thể chịu được sóng tràn thì đỉnh và mái phía trong đê cần được bảo vệ
chống xói đủ tốt. Gia cố chống xói mái đê theo phương pháp truyền thống với đá lát
hoặc cấu kiện bê tông được đánh giá là không bền vững và không thân thiện với
mơi trường. Vì vậy các giải pháp xanh, bền vững và thân thiện hơn với môi trường
đã và đang được khám phá. Trong khuôn khổ một số dự án nghiên cứu của Liên
minh Châu Âu gần đây như ComCoast, Floodsite, và EuroGras, đê biển với mái
trong trồng cỏ đã được đánh giá là một trong những giải pháp có tính khả thi và bền
vững nhất cho đê chịu sóng tràn. Các thí nghiệm hiện trường sóng tràn với máy xả
sóng trên một số tuyến đê biển ở Hà Lan 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 = 50 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. Với mái cỏ được gia cố thêm với hệ thống lưới địa kỹ thuật
(Geogrids/Geocells) thì khả năng chịu sóng tràn có thể lên tới trên 100 l/s/m. Như
vậy nếu được trồng và chăm sóc cẩn thận đê mái cỏ thực sự là giải pháp kỹ thuật
bền vững và mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh ứng phó với
nước biển dâng như hiện nay. Đánh giá sức chịu tải của mái cỏ dưới tác động xói
của sóng tràn phục vụ cho cơng tác thiết kế và đánh giá mức độ an toàn của đê biển
do vậy đang được đẩy mạnh nghiên cứu ở các nước liên minh châu Âu.
Như vậy trên quan điểm xây dựng đê mái cỏ chịu sóng tràn kết hợp với việc
trồng rừng ngập mặn phía biển, và quy hoạch tốt khơng gian đê và vùng đệm sau
đê, cơng trình đê sẽ trở nên rất thân thiện với môi trường sinh thái, lý tưởng cho
mục đích lợi dụng tổng hợp vùng bảo vệ ven biển (xem Hình 1-5 về ví dụ đê biển
thân thiện với môi trường ở Hà Lan)

15

Hình 1-5: Quan điểm xây dựng đê biển lợi dụng tổng hợp và thân thiện với môi
trường sinh thái của Hà Lan.
Bên cạnh các giải pháp về mặt kết cấu chống sóng tràn thì cấu tạo hình dạng mặt cắt
ngang đê đóng vai trị quan trọng đối với đê an toàn cao trong việc đảm bảo ổn định
đê, tăng cường khả năng chống xói do dịng chảy (sóng tràn, nước tràn), và đặc biệt
là kiến tạo không gian cho các mục đích lợi dụng tổng hợp của đê và vùng đệm phía
sau đê.


16

Hình 1-6: Đê sơng an tồn cao ở Nhật Bản: (a) Dạng mặt cắt ngang đê an toàn cao
trước và sau khi xây dựng (Stalenberg, 2007) (b) Đê an toàn cao ở Edogawa –
Tokyo, Nhật Bản.
Ở Nhật Bản đang có kế hoạch xây dựng nâng cấp các đê sông thành đê an toàn
cao, lợi dụng tổng hợp và thân thiện với mơi trường. Khái niệm đê an tồn cao
được người Nhật áp dụng là “đê sông với bề rộng đủ lớn để ngăn chặn được sự cố
vỡ đê và hậu quả của nó”. Về thực chất là mở rộng chân đê và làm mái đê phía
trong rất thoải để tạo ra một vùng bảo vệ rộng thay vì một con đê như là một dải
chắn hẹp (xem minh họa trên Hình 1-6).
Chân đê phía trong có thể mở rộng ra tới 20 đến 30 lần chiều cao đê (tương
đương hệ số mái dốc 1/30 đến 1/20). Đê sơng an tồn cao làm giảm nguy cơ vỡ đê
và mất ổn định mái trong do dòng thấm. Ngay cả khi bị nước lũ tràn qua thì dịng
chảy cũng bị chậm lại dọc theo mái đê, giảm khả năng gây xói và vỡ đê. Với mặt
cắt ngang rộng và mái thoải thì cơ sở hạ tầng và đường giao thông phục vụ dân sinh
có thể kết hợp xây dựng trên đỉnh đê và dọc theo mái trong của đê. Tuy nhiên thân