Bμi báo nμy giới thiệu về thiết kế công trình nuôi bãi nhân tạo để chống sạt lở bờ biển, tôn tạo các bãi tắm.. Giới thiệu chung Công trình nuôi bãi nhân tạo CTNBNT là loại công trình d
Trang 1nghiên cứu về công trình nuôi b∙i nhân tạo
để tôn tạo b∙i biển
ThS Nguyễn Viết thanh
Trường Đại học Giao thông Vận tải
GS ts lương phương hậu
Trường Đại học Xây dựng
Tóm tắt: Trên thế giới cũng như ở nước ta đã vμ đang nghiên cứu các công trình bảo vệ
bờ biển để giảm nhẹ thiệt hại thiên tai gây ra một cách có hiệu quả nhất Hiệu quả mμ công trình hướng đến phải xét toμn diện về kỹ thuật, kinh tế vμ môi trường Phương pháp truyền thống lμ dùng các công trình có kết cấu khối lớn bằng bê tông, bê tông cốt thép, đá hộc,… để khống chế các biến động bờ biển Các thập niên gần đây, người ta đã vμ đang hướng đến phương án bảo vệ bờ biển dưới dạng công trình mềm, có tính chất thân thiện với môi trường vμ
đời sống con người Bμi báo nμy giới thiệu về thiết kế công trình nuôi bãi nhân tạo để chống sạt
lở bờ biển, tôn tạo các bãi tắm
Summary: In the world and also in Vietnam we have been studying shore protection
project to reduce the most disastrous damage The effectiveness of project has to consider technology, economy and environment The traditional method is to use the structures made of concrete, reinfored concrete, and stone… to protect shore from morphology dynamic In the near decades, we have been directing toward shore protection project as soft structure, which friendly with environment and people living This article introduce about beach nourishment design to protect shore from erosion, and regenerate beach
CT 2
I Giới thiệu chung
Công trình nuôi bãi nhân tạo (CTNBNT) là loại công trình dùng phương pháp nhân tạo
đem cát từ nơi khác đến bù lấp vào số cát bị cuốn đi ở đoạn bờ cần bảo vệ, phục hồi trạng thái tự nhiên của cảnh quan Công trình được sử dụng đầu tiên tại đảo Coney của Mỹ năm
1922 Kể từ đó có rất nhiều CTNBNT từ nhỏ đến lớn đã được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới và đã thu được cơ bản những kinh nghiệm phong phú về CTNBNT Việc thiết kế, xây dựng các CTNBNT ngày càng thu được nhiều thành công lớn ở Đan Mạch, Hà Lan, và nhất là Nhật Bản
ở Việt Nam, CTNBNT sơ khai là những thử nghiệm về tôn tạo bãi tắm ở Bãi Cháy, Tuần Châu, Cát Bà, nhưng chưa ứng dụng cho trường hợp chống sạt lở bờ biển
II Trình tự thiết kế
Khái quát chung quá trình của công trình NBNT từ lúc bắt đầu đề ta ý tưởng đến quá trình thực hiện tái nuôi bãi trong tương lai được USACE (1995) đề xuất thể hiện trên hình 1
Trang 2Mục tiêu của dự án và Các tiêu chuẩn thực thi
Phân tích, đánh giá để lựa chọn các phương án
Xem xét vấn đề kinh tế của dự án
Xem xét, đánh giá vấn đề
về môi trường
Xem xét vấn đề kinh tế của địa phương/nhà nước
Theo dõi, giám sát, duy tu bảo dưỡng và tái nuôi b∙i
Lựa chọn phương án tối ưu
Thiết kế cuối cùng và tiến hành xây dựng
Hiệu quả của công trình
đem lại cho địa phương
CT 2
Hình 1 Các bước thiết kế công trình NBNT
III Các thông số cơ bản của công trình NBNT
Một công trình NBNT gồm các thông số cơ bản cần xác định như dưới đây:
c Độ sâu kết thúc;
d Hình dạng mặt cắt ngang;
e Cao độ và mái dốc đụn cát;
f Cao độ, chiều rộng, mái dốc thềm cơ bãi;
g Mái dốc công trình nuôi bãi;
h Khối lượng vật liệu nuôi bãi
Trang 30 100 200 300 400 500 600 -6
-4 -2 0 2 4
6
Đường địa hình tự nhiên Mặt cắt thiết kế Mặt cắt thiết kế + nuôi bãi tăng cường
Mực nước Cao độ thềm cơ
Cao độ đụn cát
m
Hình 2 Các thông số cơ bản của một công trình NBNT
IV Cơ sở thiết kế hình dạng mặt cắt ngang công trình nuôi bãi
Cơ sở xác định độ sâu kết thúc
Công thức Hallermeier (1978, 1981) tính toán độ sâu kết thúc như sau:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ư
=
2 e
2 e e
C
gT
H 5 , 68 H 28 , 2
CT 2
trong đó: He - chiều cao sóng hữu hiệu (m);
Te - chu kỳ sóng hữu hiệu (s);
g - gia tốc trọng trường (m/s2)
Cơ sở để xác định hình dạng mặt cắt ngang
Hình dạng của mặt cắt thiết kế là cơ sở để tính toán lượng vật liệu nuôi bãi yêu cầu và là dữ liệu đầu vào mô hình để phân tích, đánh giá kích thước của thềm cơ bãi và đụn cát Với mục
đích đạt được đụn cát và thềm cơ bãi thiết kế, vật liệu nuôi bãi phải bảo đảm thích hợp với toàn
bộ bãi đến phía ngoài độ sâu kết thúc
Cơ sở tính toán khối lượng vật liệu nuôi bãi cần thiết trên mặt cắt ngang
Khối lượng vật liệu nuôi bãi là khối lượng cát cần thiết để đạt được mặt cắt ngang như mong muốn của người thiết kế
Mối quan hệ giữa việc sử dụng vật liệu với các đặc trưng đường kính hạt khác nhau, được thể hiện trong 3 loại mặt cắt nuôi bãi (hình 3) do Dean đề xuất năm 1991:
+ Mặt cắt giao nhau + Mặt cắt không giao nhau + Mặt cắt ngập
Trang 4Dean (1991) đưa ra tiêu chuẩn để phân biệt mặt cắt giao nhau hay không giao nhau theo
bất đẳng thức sau:
1 A
A D
A W nhau giao ng
ô kh
t
ắ
c
Mặt
1 A
A D
A W nhau
giao
t
ắ
c
Mặt
2 / 3 F N 2 / 3 C N
2 / 3 F N 2 / 3 C N
>
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
<
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
DC
DC B
c) Mặt cắt ngập b) Mặt cắt không giao nhau
a) Mặt cắt giao nhau
B
B
DC W
W
Hình 3 Ba loại mặt cắt công trình nuôi bãi cơ bản
CT 2
Tương ứng với mỗi loại mặt cắt trên ta xác định được khối lượng nuôi bãi tương ứng Khối
lượng tính toán ứng với các công thức trên là khối lượng cát nuôi bãi trên 1 mét dài công trình
Khối lượng nuôi bãi của cả công trình bằng khối lượng trên 1 mét dài nhân với chiều dài công
trình
V Lựa chọn vật liệu nuôi bãi
Bằng các nghiên cứu tại hiện trường USACE (1995) cho thấy:
- Với vật liệu tự nhiên của bãi có D50 > 0.2 mm, vật liệu nuôi bãi có D50 trong khoảng
± 0.02 mm, so với D50 vật liệu tự nhiên được xem xét là phù hợp;
- Với vật liệu tự nhiên có D50 = 0.15 ữ 0.2 mm, vật liệu nuôi bãi có thể được coi là phù hợp
nếu D50 trong khoảng ± 0.01 mm so với vật liệu tự nhiên
Trang 5- Với vật liệu tự nhiên có D50 < 0.15 mm, vật liệu được đề nghị sử dụng ít nhất bằng vật liệu
tự nhiên
VI Đánh giá tuổi thọ của công trình nuôi bãi
Tuổi thọ công trình NBNT là đại lượng được xác định bởi mức độ của khối lượng vật liệu nuôi bãi đưa vào để thế chỗ khối lượng bùn cát thiếu hụt của mặt cắt trước đó và tỷ lệ vật liệu nuôi bãi phân tán ra ngoài hai biên của phạm vi công trình theo hướng dọc bờ biển, nghĩa là mất mát do phân tán ra khỏi phạm vi công trình Sự truyền sóng tạo ra vận chuyển bùn cát dọc bờ là nguyên nhân chính gây ra phân tán ra ngoài phạm vi công trình Tuổi thọ công trình được lấy giá trị nhỏ nhất trong 3 phương pháp dưới đây
Đánh giá tuổi thọ công trình theo chiều dμi công trình nuôi bãi
( )
π
ε
ư
= a
t 1 t
trong đó: a - một nửa chiều dài công trình nuôi bãi;
t - thời gian
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛ +
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
ư
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛ ρ
ư ρ
ρ
= ε
c B s
gb 2 b
d d
1 n 1
1 8
C KH
ở đây: dB - chiều cao cơ bãi trên mực nước tĩnh;
dc - độ sâu kết thúc;
CT 2
Hb - chiều cao sóng vỡ;
Cgb - vận tốc nhóm sóng tại đường sóng vỡ;
K - hệ số tỷ lệ theo kinh nghiệm;
n - hệ số rỗng của bùn cát;
ρ ρs, - trọng lượng riêng của hạt bùn cát và của nước
Đánh giá tuổi thọ công trình theo điều kiện sóng
Dean và Yoo (1992) đề xuất công thức sau đây để tính toán chiều cao sóng hữu hiệu:
( )
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
=
∑
∑
=
= N 1
2 1 n go
N 1
2 1 n go 4 2 n S S eff
C
C N 1
C
C H
K N 1
trong đó: KS - hệ số giữa tỷ lệ chiều cao sóng có ý nghĩa ở vùng nước sâu với chiều cao sóng hữu hiệu
ở vùng nước sâu (KS = 0,735);
Trang 6S
H - chiều cao sóng có ý nghĩa trong số n con sóng quan trắc được;
n
*
C - tốc độ sóng vỡ;
n - số con sóng quan trắc được
Đánh giá tuổi thọ công trình theo điều kiện xói cơ sở của khu vực công trình
Biểu thức xác định thời gian ứng với bùn cát nuôi bãi còn lại p%:
l
l
2
n 4 m -m -t
2 p
ư
aεt < (10)
trong đó:
0
y
E Δ
=
l ; n = (1 - p)2; ( )
2
y
1 p E 2 m
π
ε
ư Δ
ư
=
VII ứng dụng tính toán cho CTNBNT ở Cảnh Dương - Quảng Bình
Bờ biển Cảnh Dương - Quảng Bình trong những năm qua đã xảy ra hiện tượng xói lở khá
nghiêm trọng CTNBNT dùng để ổn định bờ biển Cảnh Dương là một giải pháp có tính chất thân
thiện với môi trường
Căn cứ vào các số liệu khảo sát lựa chọn các thông số cơ bản của công trình như
sau:
- Lượng bùn cát bồi đắp V = 732.324 m3, với loại bùn cát có đường kính trung bình
D50 = 0,30 mm
CT 2
- Khu vực bồi đắp có chiều dài 1.400 m, chiều rộng 323 m, chiều rộng thềm bãi 60,0 m,
cao trình thềm bãi +2,0 m (Hệ cao độ HN-72);
- Tuổi thọ công trình ứng với khối lượng bồi đắp còn lại p(t) = 50% nếu không duy tu hằng
năm là t50% = 9,12 năm
VIII Kết luận vμ kiến nghị
Công trình NBNT là một giải pháp công trình thân thiện với môi trường đang được thế giới đánh
giá cao hiệu quả tổng thể của nó Tuy vậy, đây là loại công trình thụ động, đòi hỏi phải duy tu bảo
dưỡng thường xuyên nên còn chịu sự hạn chế sử dụng ở những nơi chưa có điều kiện kinh tế và công
nghệ cao như ở nước ta
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Viết Thanh (2006) ”Nghiên cứu về mặt cắt cân bằng bãi biển và giải pháp nuôi bãi nhân tạo
để ổn định bờ biển”, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
[2] U.S Army Corps of Engineers (USACE) ”EM1100-2-1100 Coastal Engineering Manual”Ă
