1
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại khoa sau đại học trường Đại học
Thủy Lợi Hà Nội. Được sự dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo các trong
trường, sự cộng tác của các cơ quan chuyên môn và các bạn bè cộng sự với sự nỗ
lực phấn đấu của bản thân tác giả đã hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chuyên
ngành Công trình với nội dung: “Nghiên cứu lựa chọn hình thức công trình và
giải pháp thi công công trình bảo vệ bờ biển xóm Rớ tỉnh Phú Yên”
Xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cán bộ hướng dẫn khoa học là thầy
giáo GS.TS Lê Kim Truyền – người đã giành nhiều thời gian chỉ bảo, hướng dẫn để
tôi có thể hoàn thành được luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Công trình, Khoa Kỹ
thuật Biển đã truyền đạt nhiều kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại
trường Đại học Thủy Lợi.
Cuối cùng tác giả xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã tạo
điều kiện giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian thực hiện luận văn.
Do còn hạn chế về trình độ chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế chưa
nhiều nên trong quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi những sai sót. Tác
giả rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo và sự góp ý chân thành
của các bạn bè đồng nghiệp để tác giả có thể hoàn thiện hơn kiến thức của mình.
Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2015
Tác giả
Phạm Phú Đạt
2
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Phạm Phú Đạt
kinh tế Vũng Áng – Hà Tĩnh, khu kinh tế Dung Quất – Quãng Ngãi … Ngoài ra còn
có các khu dân cư và khu du lịch như: Vịnh Hạ Long – Quảng Ninh, Sầm Sơn –
Thanh Hóa, Nha Trang - Khánh Hòa … Các khu công nghiệp và khu du lịch trên có
ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội của nước ta.
Theo chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020, mục tiêu phát triển biển được
Nghị quyết Đảng ta nêu rõ: Đến năm 2020, phấn đấu đưa nước ta trở thành quốc gia
mạnh về biển, làm giàu từ biển, bảo đảm vững chắc chủ quyền, quyền chủ quyền
quốc gia trên biển, đảo, góp phần quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện
đại hóa, làm cho đất nước giàu, mạnh.
Mặt khác do biến đổi khí hậu và nước biển dâng đang làm cho bờ biển có xu
thế bị xói lở vì thế công tác gia cố bảo vệ bờ biển là hết sức quan trọng, cần thiết và
đảm bảo an toàn cho sự phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng.
Những năm gần đây, xóm Rớ ở phường Phú Đông (TP. Tuy Hòa - Phú Yên)
luôn trong tình trạng bị nước biển xâm thực, ảnh hưởng rất lớn đến đời sống người
dân. Nhiều gia đình phải bỏ đi nơi khác, số còn lại thì sống trong cảnh thấp thỏm lo
sợ.
Theo người dân, khoảng 5 ÷ 7 năm trước, khu dân cư xóm Rớ nằm cách bờ
biển gần 200 mét, nay chỉ còn cách hơn 30m. Mặc dù đã có kè chống xói lở bờ biển
nhưng từ năm 2003 đến nay hệ thống kè này vẫn bị xâm thực do thường xuyên xuất
hiện triều cường cao hàng chục mét và diễn biến ngày càng phức tạp gây sạt lở trở
lại, ảnh hưởng đến tính mạng và tài sản của nhân dân trong vùng.
Hiện nay Ban quản lý dự án thủy lợi và phòng chống thiên tai tỉnh Phú Yên
phối hợp với UBND TP.Tuy Hòa đã thực hiện việc định vị, cắm mốc biển báo khu
vực đang bị sạt lở, khẩn trương di dời các hộ dân trong khu vực đã và đang tiếp tục
bị sạt lở, uy hiếp bởi triều cường để đảm bảo an toàn cho người dân.
7
Trước thực trạng đã nêu, đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn hình thức công trình
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN
1.1 Đặc điểm sóng biển miền Trung và sự tác động của nó đến công trình
1.1.1 Đặc điểm sóng biển miền Trung
Vùng thềm lục địa miền Trung từ vĩ tuyến 11 0 đến 180 Bắc (Từ Thanh Hóa đến
Khánh Hòa). Vùng biển miền Trung có địa hình phức tạp, bề mặt gồ ghề, tương đối
dốc và sâu. Sông ngòi ngắn và dốc nên mực nước giữa các mùa chênh lệch nhau rất
lớn dẫn đến lượng phù sa bồi đắp cho đường bờ không thường xuyên. Địa chất khu
vực chủ yếu là cát và một phần đá xen kẽ nhô ra biển nhưng mang tính không đều,
có nơi vẫn tồn tại những chỗ đất yếu. Do địa chất khá phức tạp nên khi xây dựng
các công trình bảo vệ bờ ở đây cần phải thận trọng và thăm dò khảo sát địa chất
công trình theo đúng quy định.
Khu vực miền Trung nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với hai mùa rõ rệt
trong năm là: Mùa hè nóng ẩm và mùa đông khô lạnh. Mùa đông chịu ảnh hưởng
của gió mùa Đông Bắc lạnh và khô kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Mùa
hè có nắng nóng, nhiệt độ cao với sự ảnh hưởng chủ yếu là gió mùa Tây Nam. Mưa
ở đây cũng hình thành 2 mùa rõ rệt. Mùa mưa kéo dài từ tháng 6 đến tháng 11 và
mùa khô là từ tháng 12 đến tháng 5 năm sau.
Thủy triều khu vực miền Trung có tính chất hỗn hợp thiên về nhật triều, trong tháng
thủy triều ở đây có hầu hết các loại nhật triều, bán nhật triều và hỗn hợp. Trong các
vùng biển thì chế độ sóng và dòng chảy phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ gió ở vùng
đó do vậy theo các mùa khác nhau thì chế độ sóng và dòng chảy cũng khác nhau.
Vào thời kỳ gió mùa Đông Bắc, đường bờ chịu tác động trực tiếp của sóng hướng
Đông Bắc. Thời kỳ gió mùa Tây Nam thì sóng hướng Đông Nam sẽ chiếm ưu thế.
1.1.2 Phân loại sóng và sự tác động của nó lên công trình
Sóng biển là yếu tố hải văn chủ yếu tác động trực tiếp đến công trình bảo vệ bờ. Các
yếu tố sóng biển như: chiều cao, chiều dài, chu kỳ … là những đặc trưng quan trọng
ảnh hưởng trực tiếp đến công trình bảo vệ bờ. Ta có thể căn cứ đặc điểm của sóng
mà phân ra các loại như sau:
- Nguyên nhân hình thành (sóng gió, sóng triều, sóng động đất …)
trên một quãng đường dài đáng kể khi chúng lan truyền qua đại dương. Sóng lừng
có vai trò truyền năng lượng qua đại dương tới bờ biển, tại đó các sóng bị vỡ do ảnh
10
hưởng của ma sát đáy và giải phóng năng lượng mà nó mang theo trong vùng sóng
vỡ.
Sóng thần là sóng do động đất tạo ra, được đặc trưng bởi bước sóng rất dài
(hàng trăm km) và chu kỳ sóng tính bằng phút chứ không phải tính bằng giây.
Thông thường những loại sóng này là do động đất ở những độ sâu lớn (>1km) và di
chuyển một quãng đường rất dài mà sự giảm chiều cao sóng không đáng kể. Sóng
thần cũng như động đất rất khó dự báo trước. Về mặt nguyên tắc, nó cũng cần được
xem xét đến trong thiết kế mặc dù tiêu chuẩn an toàn trong trường hợp này sẽ
không cho lời giải kinh tế.
1.1.3 Hiện trạng và xu thế xói lở bờ biển miền Trung
Quá trình bồi xói đường bờ ở khu vực miền Trung diễn biến theo các mùa khác
nhau nhưng xu thế xói là chiếm ưu thế. Do địa hình địa mạo khúc khuỷu, răng cưa
nhiều vũng vịnh và bán đảo đá gốc nên hiện tượng xói lở chủ yếu là ở các vùng cửa
sông với quy mô nhỏ, cường độ xói từ yếu đến trung bình.
Vùng biển ở đây ít được che chắn và lại chịu ảnh hưởng của bão lũ nhiều nhất cho
nên quá trình xói lở bờ biển ở khu vực này xảy ra rất mạnh mẽ. Trong những năm
gần đây, các hiện tượng thời tiết cực đoan xảy ra ngày càng dữ dội, gia tăng cả về
tần suất lần cường độ. Ngoài ra việc khai thác bùn cát của con người trên các lưu
vực sông tăng mạnh, việc xây dựng các đập thủy điện và hồ chứa ở thượng nguồn
dẫn đến lượng bùn cát bồi đắp cho bờ biển bị thiếu hụt. Hệ quả là hiện tượng xói lở
bờ biển ngày càng trở nên mãnh liệt gây nhiều thiệt hại về kinh tế và ảnh hưởng lớn
đến đời sống của các khu dân cư ven biển.
Quá trình xói lở đang diễn ra trên hầu hết bờ biển với mức độ (cường độ và tốc độ)
khác nhau. Quá trình xói lở đang diễn ra tại hầu hết các kiểu cấu tạo bờ: nền đá gốc,
12
gian thi công nhanh, giải pháp kỹ thuật đơn giản và có kết quả ngay, không gây ảnh
hưởng tới khu vực lân cận, tới cảnh quan môi trường, rất phù hợp với các bãi biển
du lịch.
Tuy nhiên kích thước vật liệu dùng để nuôi dưỡng bãi sẽ làm thay đổi quá trình vận
chuyển tự nhiên của dòng ven bờ. Quá trình này cần được lặp lại thường xuyên nên
nếu tính trong một thời đoạn dài thì phương pháp này cũng khá tốn kém. Hơn nữa,
phương pháp này thường được kết hợp với giải pháp công trình khác như đập mỏ
hàn cho nên kinh phí lại trở thành cao. Phương pháp cũng chưa được ứng dụng rộng
rãi trên phạm vi cả nước.
Hình 1.2 Nuôi bãi từ tàu nạo vét bơm thổi cát và nuôi bãi trực tiếp bằng hệ thống
đường ống tại bờ biển
1.2.1.3 Trồng cây trên cồn cát dọc bờ
Có tác dụng hạn chế cát bay, cát nhảy, xói lở, tăng bồi tụ đất ven biển, hạn chế xâm
nhập mặn, ngăn cản các chất thải rắn trôi ra biển, bảo vệ đê điều, đồng ruộng, nơi
sống của người dân ven biển trước sự tàn phá của gió bão, sóng thần và nước biển
dâng …
Tuy nhiên các dải đất cát, cồn cát ven biển phần lớn là những vùng đất khô hạn
nghèo dinh dưỡng, thiếu nước tưới, khí hậu khắc nghiệt … Vì vậy có rất ít loại cây
chịu được với điều kiện khắc nghiệt trên nên phải có các giải pháp kĩ thuật, chế độ
chăm sóc và bảo vệ phù hợp.
13
Hình 1.3 Rừng cây trên cồn cát dọc bờ
chuyển bùn cát của dòng ven bờ để đạt hiệu quả tối ưu.
Hình 1.5 Mặt cắt ngang điển hình kè biển
1.2.2.3 Hệ thống đập mỏ hàn (Đập đinh)
Có tác dụng chống xâm thực bãi biển do mất cân bằng tải cát của dòng chảy dọc bờ,
gây bồi phía thượng lưu đập mỏ hàn, tôn tạo bãi và chống bồi lấp cửa sông. Chi phí
đầu tư ban đầu và chi phí sửa chữa ở mức trung bình và đang được áp dụng nhiều
tại Việt Nam.
15
Tuy nhiên theo quy luật cân bằng bùn cát, phần hạ lưu của công trình này thường bị
xói nên cần phải kết hợp với các giải pháp bảo vệ khác như nuôi bãi hay công trình
đê kè để bảo vệ vùng hạ lưu.
Hình 1.6 Hệ thống đê mỏ hàn chắn cát
1.2.2.4 Đê chắn sóng bờ (đê ngầm)
Có tác dụng làm tiêu hao một phần năng lượng sóng trước khi sóng tác dụng lên
đường bờ, làm giảm tốc độ dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ dẫn đến gây bồi tạo
bãi.
Tuy nhiên kinh phí xây dựng ban đầu tốn kém, chi phí sửa chữa cao, phía hạ lưu
đập chắn song thường bị xói lở mạnh, gây ảnh hưởng tới cảnh quan môi trường đặc
biệt là du lịch. Mặt khác, thiết kế khá phức tạp và điều kiện thi công rất khó khăn.
Hiện tại đang được thử nghiệm và chưa đưa vào ứng dụng rộng rãi ở nước ta.
Hình 1.7 Hệ thống đê chắn sóng dọc bờ
1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam
Biển và đại dương chiếm một diện tích khá lớn trên bề mặt trái đất (khoảng 75%)
chứa nhiều tài nguyên vô cùng phong phú nhưng chưa được khai thác nhiều, trong
(không cho phép) sóng tràn qua thì dẫn đến công trình rất đồ sộ, gây ảnh hưởng đến
cảnh quan của vùng bờ. Tuy nhiên vẫn có thể bị hư hỏng do áp lực sóng lớn dẫn tới
thiệt hại khôn lường. Thay vào đó ta có thể xây dựng để chịu được sóng tràn qua đê,
nhưng không thể bị vỡ. Tất nhiên khi chấp nhận sóng tràn cũng có nghĩa là chấp
17
nhận một số thiệt hại nhất định ở vùng phía sau được bảo vệ, tuy nhiên so với
trường hợp vỡ đê thì thiệt hại trong trường hợp này là không đáng kể. Đặc biệt là
nếu như một khoảng không gian nhất định phía sau ta quy hoạch thành vùng đệm đa
chức năng để 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 1.5). 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 1.8 Đê biển chịu sóng tràn ORD
Bên cạnh các giải pháp về mặt kết cấu chống sóng tràn thì cấu tạo hình dạng mặt cắt
ngang đê đóng vai trò quan trọng đối với đê an toàn cao trong việc đảm bảo ổn định
đê, tăng cường khả năng chống xói do dòng chảy (sóng 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
Song song với gia cố chống sóng tràn cho mái đê phía trong thì các giải pháp cho
mái kè phía biển nhằm đảm bảo an toàn của đê biển dưới tác động của sóng bão
cũng rất quan trọng. Hàng loạt các dạng kết cấu mái kè phía biển có khả năng ổn
định trong điều kiện sóng lớn nhưng thân thiện với môi trường sinh thái đã được
nghiên cứu áp dụng với sự đẩy mạnh ứng dụng kết hợp công nghệ vật liệu địa kỹ
thuật tổng hợp. Xu thế chung hiện nay các dạng cấu kiện khối phủ không liên kết có
dạng hình cột trụ đang được áp dụng rộng rãi cho mái kè. Ưu điểm nổi bật đã được
Hình 1.10 Giải pháp cản sóng phù hợp với cảnh quan trên mái đê biển ở Norderney
(biển Bắc, nước Đức)
Như vậy có thể thấy rằng trong những năm gần đây phương pháp luận thiết kế và
xây dựng đê biển trên thế giới đã có nhiều chuyển biến rõ rệt. Đê biển đang được
xây dựng theo xu thế chống đỡ với tải trọng một cách mềm dẻo và linh động hơn,
do đó đem lại sự an toàn, bền vững, thân thiện với môi trường và đặc biệt là có thể
lợi dụng tổng hợp.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Đê biển Việt Nam được hình thành từ rất sớm nhằm bảo vệ sản xuất nông nghiệp và
nuôi trồng thủy hải sản. Các tuyến đê biển được tạo thành từ những vùng đất rộng
lớn cơ bản kép kín cùng với đê sông, hằng năm các tuyến đê biển vẫn được củng cố
nâng cấp. Mặc dù có lịch sử lâu đời về xây dựng đê biển nhưng phương pháp luận
và cơ sở khoa học cho thiết kế đê biển ở nước ta còn lạc hậu, chưa bắt kịp với
những tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới. Bên cạnh đó phương pháp và công
nghệ thi công đê biển còn chậm tiến bộ, ít cơ giới hóa.
Hiện nay các công trình bảo vệ bờ biển điển hình như ở Hải Phòng (Đồ Sơn, Cát
Hải), Nam Định (Hải Hậu, Nghĩa Hưng), Thái Bình (Thái Thụy, Tiền Hải), Thanh
Hóa (Hậu Lộc, Hoằng Hóa) … đang bị phá hủy từng ngày với nhiều nguyên nhân.
20
Nguyên nhân chủ quan như thiết kế chưa đưa ra các giải pháp tối ưu tính toán đầy
đủ các yếu tố bất lợi đến công trình (địa hình, địa chất, các yếu tố tác dụng lên công
trình … ), thi công chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra (độ chặt đầm
nén đất, chất lượng bê tông … ). Nguyên nhân khách quan như các diễn biến bất
thường của thời tiết kèm theo những yếu tố cực đoan (nước biển dâng, bão … )
Gần đây, các tiến bộ mới trong kỹ thuật thiết kế và xây dựng đê biển ở trên thế giới
đã được nghiên cứu áp dụng với điều kiện cụ thể của nước ta. Trong đó đặc biệt là
động xâm thực ăn mòn, lực do sóng của tàu thuyền gây ra … Đó chính là các tác
nhân chính gây hư hỏng công trình và biến dạng đường bờ. Việc nghiên cứu, nắm
rõ bản chất của các yếu tố tác dụng lên đường bờ sẽ giúp ta đưa ra được phương án
bảo vệ bờ đạt hiệu quả nhất từ đó đề ra phương án tổ chức và công nghệ thi công
hợp lý.
Bờ biển Việt Nam nói chung và bờ biển miền Trung khu vực Phú Yên nói
riêng là những khu kinh tế có vị trí quan trọng đối với phát triển kinh tế xã hội nước
ta. Hiện nay một số nơi có xu hướng xói lở đường bờ gây ảnh hưởng lớn đến sự
phát triển kinh tế xã hội của vùng. Đặc điểm tự nhiên của vùng bờ biển miền Trung
có ảnh hưởng đến các giải pháp bảo vệ bờ. Có rất nhiều giải pháp bảo vệ bờ biển
như các giải pháp “mềm”, giải pháp công trình “cứng”. Lựa chọn giải pháp nào cho
phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội là những nội dung cần nghiên cứu để
đảm bảo công trình làm việc ổn định lâu dài, đáp ứng được yêu cầu hiện tại cũng
như trong thời gian sắp tới của khu vực.
22
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ XÁC ĐỊNH HÌNH THỨC VÀ KẾT CẤU
CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN
2.1 Yêu cầu và xác định lực tác dụng vào công trình bảo vệ bờ
2.1.1 Tính toán xác định mực nước triều thiết kế
Mực nước triều cao thiết kế thông thường được xác định theo phương pháp tính
toán tần suất mực nước triều cao nhất năm. Mỗi năm đo được hơn 700 số liệu ứng
với đỉnh triều vùng bán nhật triều và hơn 360 ở vùng nhật triều. Tập hợp các số liệu
đỉnh triều trong một năm đó có coi một cách gần đúng là một liệt các biến số ngẫu
nhiên. Số hạng lớn nhất trong liệt đó là mực nước triều cao nhất năm. Nếu có n năm
số liệu mực nước triều, sẽ có n số hạng lớn nhất. Vì các số hạng mực nước lớn nhất
là cực trị, phân bố xấc suất của nó là phân bố cực trị. Trong liệt n trị số mực nước
triều cao nhất năm, gọi tần suất xuất hiện của mực nước bằng hoặc cao hơn một trị
– Hệ số chuyển đổi sang vận tốc gió ở độ cao 10m trên mặt nước, xác định
theo Bảng 2.2
Bảng 2.1 Hệ số tính đổi tốc độ gió sang điều kiện mặt nước
Tốc độ gió
(m/s)
10
15
20
25
30
35
40
Giá trị của ở các loại địa hình
A
1,10
1,10
1,09
1,09
1,09
1,09
1,08
B
1,30
1,28
1,26
1,25
1,24
1,22
6
7
8
9
10
11
12
1,14
1,11
1,07
1,04
1,02
1,00
0,98
0,97
- Đà gió
Đà gió được xác định tùy theo tình hình thực tế ở địa điểm dự báo
+ Nếu địa điểm dự báo là vùng nước hẹp, đà gió D được xác định theo phương pháp
đồ giải “đà gió tương đương” Hình 2.1
(2-6)
- Trước hết, từ vị trí dự báo vẽ một đường thẳng theo hướng gió chính (tia xạ
chính). Đường này có i = 0, α = 0º.
- Tiếp theo, trong phạm vi ± 45º ở hai phía tia xạ, cứ cách 7,5º vẽ một tia xạ, góc
của chúng = 7,5i. khoảng cách tia xạ từ điểm tính toán đến bờ đối diện là . Đà gió
tương đương là trị số trung bình hình chiếu của tất cả các trị số lên tia xạ chính.
25
Hình 2.1: Xác định đà gió tương đương
- Đối với vùng không có yếu tố địa hình hạn chế, giá trị trung bình của đà gió D(m)
đối với một tốc độ gió tính toán W(m/s) cho trước, được xác định theo công thức:
D = 5.1011
ϑ
w
(2-7)
Trong đó:∂ là hệ số nhớt động học của không khí, lấy bằng
- Giá trị lớn nhất của đà gió Dmax theo 22TCN-222-95 được xác định theo Bảng 2.3
Bảng 2.3 Giá trị lớn nhất của đà gió Dmax theo 22TCN-222-95
W (m/s)
Copyright: Tài liệu đại học ©