Nghiên cứu hiện trạng hệ thống đê biển việt nam và kiến nghị phương pháp tính toán thiết kế

Theo tham khảo một số tài liệu, và một số sự cố về đê biển trong giai đoạn vừa qua cho thấy: Hầu hết kết cầu đê biển việt nam có dạng đê mái nghiêng, mái dốc phổ biết từ m=1.5-4, có thể

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn Quý Thầy cô trong Ban giảng huấn khóa cao học

2005 – Ngành Xây Dựng Công Trình Biển - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh!

Xin chân thành cảm ơn Tiến sỹ NGUYỄN THẾ DUY là thầy hướng dẫn chính của luận văn này, cảm ơn sự giúp đỡ động viên của Tiến sỹ NGÔ NHẬT HƯNG, Tiến sỹ TRẦN THU TÂM trong quá trình thực hiện luận văn!

Xin chân thành cảm ơn: Kỹ sư NGUYỄN HỒNG THƯƠNG, Kỹ sư PHẠM VĂN MẪN, Kỹ sư NGUYỄN XUÂN CHÂU và các đồng nghiệp trong Công ty Cổ Phần

Tư Vấn Và Đầu Tư Xây Dựng Kiến Hưng (KIENHUNGCIC) đã giúp đỡ tôi trong thời gian qua!

Xin chân thành cảm ơn Công Ty Cổ Phần Tư Vấn Xây Dựng Công Trình Hàng Hải (CMB), cảm ơn Viện Nghiên Cứu Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam đã giúp đỡ cung cấp số liệu bình đồ, thủy hải văn áp dụng vào ví dụ tính toán của luận văn!

Cảm ơn sự động viên, khích lệ quý báu của BỐ MẸ và Bạn gái NGUYỄN THANH HUẾ!

Học Viên: VŨ THANH HUY

CHƯƠNG 0

MỞ ĐẦU 0.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hàng năm, các tuyến đê biển Việt Nam, nhất là Bắc Bộ và Trung Bộ chịu ảnh

hưởng trực tiếp của những cơn bão nhiệt đới Trong những năm gần đây, các đoạn đê

biển và đê phòng hộ ở Miền Bắc, Miền Trung bị phá hoại nghiêm trọng Điển hình là

các cơn bảo số 7 (Damrey) năm 2005, Bão số 6 (Sangxane) năm 2006….đã tác động

trực tiếp đến đời sống kinh tế xã hội của nhân dân trong vùng ảnh hưởng

Dự báo thời tiết hàng năm cho thấy, năm sau thời tiết thường khắc nghiệt hơn năm

trước Chiều hướng chung do ảnh hưởng của khí hậu toàn cầu, không riêng chỉ Việt

Nam, là ngày càng khắc nghiệt, cực đoan, tác hại ngày một lớn hơn, do vậy các nước

đều có chiến lược phòng chống thiên tai mới Thiên tai đặt lên bàn chính phủ các

nước chiến lược phòng chống, từ nâng cao nhận thức về biến đổi khí hậu đến những

giải pháp hữu hiệu để đối phó

Trước tình hình trên, ở Việt Nam, Chính phủ ta quyết định từng bước đầu tư nâng

cấp các tuyến xung yếu, xây dựng mới các tuyến đê bị phá hoại nghiêm trọng, hoàn

thiện, kiên cố dần hệ thống đê biển sao cho trong quá trình sử dụng đảm bảo khả

năng “chống đỡ” các cơn bão có sức tàn phá lớn Cụ thể là quyết định của Thủ tướng

chính phủ số 58/2006/QĐ TTg về việc “Phê duyệt chương trình đầu tư củng cố, bảo vệ

và năng cấp hệ thống đê biển hiện có tại các tỉnh có đê từ Quảng Ninh đén Quảng

Nam”

0.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Trước tình hình thực tiển và cấp bách như trên, Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

gồm các nội dung sau:

- Xem xét, đánh giá hiện trạng hệ thống đê biển của nước ta hiện nay, đặc biệt

là những vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp của các cơn bão đi qua như là Bắc Bộ,

Bắc Trung Bộ

- Phân tích nguyên nhân gây phá hoại của kết cấu đê biển

- Rà soát lại các bộ tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành của Việt Nam đang được áp

dụng vào công tác tư vấn thiết kế đê biển (Tính thống nhất giữa các tiêu chuẩn

liên ngành; tính hợp lý về kỹ thuật của các công thức tính toán So sánh với

các bộ tiêu chuẩn nước ngoài)

- Thu thập, thống kê số liệu đầu vào cho công tác thiết kế Trong đó điều kiện về

khí tượng thủy văn cần được xem xét, đánh giá kỹ lưỡng, chuẩn xác So sánh

kết quả tính toán theo các tiêu chuẩn khác nhau…

- Đưa ra các phương án kết cấu và phương pháp tính toán thiết kế phù hợp

0.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là “công tác thiết kế các dạng kết cấu đê biển trong

điều kiện Việt Nam”, bằng cách đi sâu vào việc phân tích các điều kiện tự nhiên ảnh

hưởng đến việc lựa chọn loại kết cấu đê biển phù hợp, đặc biệt là hiện tượng sóng

biển Chú trọng phân tích điều kiện tự nhiên khu vức Bắc bộ và Trung bộ

Luận văn này không đề cập đến kết cấu đê nội đồng chống lũ, không đi sâu phân

tích động lực học hình thái ven biển, quá trình bồi sói và diễn biến hình thái đường

bờ

0.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu của đề tài bao gồm các công tác sau:

- Thu thập tài liệu, giáo trình liên quan

- Thu thập các báo cáo khảo sát hiện trường

- Phân tích các nguyên nhân gây phá hoại đê biển trong quá trình sử dụng

- Xem xét các bộ tiêu chuẩn hiện hành trong và ngoài nước về thiết kế đê biển,

từ đó nhận xét và so sánh phương pháp tính toán đê biển của các tiêu chuẩn

khác nhau

- Đề xuất một số dạng kết cấu đê biển và phương pháp tính toán

- Đưa ra một số ví dụ tính toán điển hình

0.5 PHẦN MỀM HỖ TRỢ CÔNG VIỆC TÍNH TOÁN

Trong phần tính toán có sử dụng đến các phần mềm chuyên dụng như

- Phần mềm Geoslope – Modul Slope/w của Canada Đây là phần mềm chuyên

dụng hữu hiệu trong việc phân tích tính ổn định của mái dốc theo các lý thuyết

khác nhau

- Phần mềm Plaxis của Hà Lan Đây là phần mềm chuyên dụng phân tích và

tính toán các bài toán địa kỹ thuật, cho phép xác định trạng thái ứng suất –

biến dạng nền và bản thân kết cấu

0.6 ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN

Hi vọng đề tài này sẽ góp phần là tài liệu tham khảo bổ ích cho các dự án liên

quan đến công tác thiết kế đê biển ở Việt Nam

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN

Trong vài năm qua, điển hình là hai năm 2005 và 2006, đưới tác động của một vài

cơn bão mạnh từ cấp 9 đến cấp 12 như cơn bảo số 7 (Damrey), Bão số 6 (Sangxane)

đã gây ra hàng loạt sự cố về đê biển tập trung ở các tỉnh Bắc bộ và Bắc trung bộ như

Thanh Hóa, Nam Định

Về lịch sử, hầu hết các tuyến đê biển của Việt Nam được xây dựng từ những năm

60 của thế kỷ trước, có nhiều đoạn đã xuống cấp Đoạn yếu nhất hiện nay và cũng

hay xảy ra sự cố nhất dài chừng 30 km (trong năm 2005), đi qua các huyện Giao

Thủy, Hải Hậu, Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định

Đê biển được đắp bằng máy xúc hoặc đào đắp thủ công Đất đắp được lấy từ các

khu vực đồng phía trong Đất đắp có hai loại chính là cát mịn (ít hơn là cát pha) lẫn ít

bụi, sét, mùn thực vật và sét, sét pha đôi chỗ lẫn mùn thực vật, màu nâu hồng Đê

biển ở đồng bằng Bắc Bộ được xây dựng trực tiếp trên nền là các trầm tích Holocen

Các nghiên cứu đến nay đều khẳng định đường bờ từ Hải Phòng đến cửa Thái Bình

thuộc loại triều chiếm ưu thế, các khu vực còn lại chịu ảnh hưởng hỗn hợp của sóng-

triều (theo phân loại của Davis & Hayes, 1984), trong đó có nhiều đoạn bờ biển bị

phá hủy mạnh mẽ như Hải Hậu (Nam Định), Cát Hải (Hải Phòng)

Xét về tình hình kinh tế, vào thời đó nền kinh tế của nước ta đang còn lạc hậu yếu

kém, không đủ ngân sách để kiên cố hóa hệ thống đê biển Để cân đối ngân sách,

thiết kế đê biển của Việt Nam trước đây chỉ chịu được gió bão mạnh cấp 9 (vận tốc

gió lên đến 75Km/h) và triều trung bình Nếu bão vượt cấp 9, kết hợp với triều cường

thì đê biển không chịu được Hơn nữa tần xuất để xuất hiện cấp 12 (vận tốc gió lên

đến 133Km/h) là rất ít khi xảy ra

Cả nước ta có hơn 3000Km đường bờ biển Trong đó các tuyến đê biển xung yếu

tập chung chủ yếu ở phía Bắc, từ tĩnh Hà Tĩnh trở ra Nguyên nhân chính là do cao độ

mặt đất của khu vực này, hầu hết thấp hơn mực nước biển, hướng bão di chuyển và

đổ bộ chủ yếu vào khu Bắc và Bắc – Trung bộ

Hàng năm cứ mỗi khi đến mùa bão lũ, các tuyến đê biển nhất là Bắc bộ và Bắc

Trung bộ lại đặt trong tình trạng báo động cao Về lâu về dài chúng ta cần phải nghĩ

đến chuyện làm đê vững vàng, dù sao nước ta là nước có biển Đông, luôn luôn hứng

chịu những cơn bão rất mạnh từ biển vào, cộng với sự thay đổi khí hậu toàn cầu như

thế này thì bão xuất hiện ngày càng nghiều với cường độ ngày càng lớn mạnh hơn

Hình 1.1 Mặt cắt ngang điển hình đê loại 1

LỚP BẢO VỆ BẰNG ĐÁ LỚP ĐỆM

MNCTK

MNTTK

ĐỈNH ĐÊ

Để khắc phục sự cố về đê biển, Chính phủ quyết định đầu tư, tu bổ các đoạn đê

xung yếu, hoặc xây dựng mới các tuyến đê biển bị phá hoại hoàn toàn Tùy theo cấp

đê và mức độ thiệt hại mà đề ra mức kinh phí cho từng tuyến, đoạn đê

1.2 CÁC DẠNG KẾT CẤU PHỔ BIẾN CỦA ĐÊ BIỂN VIỆT NAM

Như đã nêu phần trên, Kết cấu đê biển của Việt Nam được xây dựng vào những

năm 60 của thế kỷ trước Theo tham khảo một số tài liệu, và một số sự cố về đê biển

trong giai đoạn vừa qua cho thấy: Hầu hết kết cầu đê biển việt nam có dạng đê mái

nghiêng, mái dốc phổ biết từ m=1.5-4, có thể được chia thành 03 loại dựa vào hình

thức gia cố mái đê như sau:

1.2.1 Loại 1 (gia cố mái bằng đá)

Kết cấu đê dạng mái nghiêng, lớp phủ bên ngoài là đá có đường kính danh nghĩa từ

20cm đến 30cm, chiều dày lớp phủ này khoảng 40cm đến 60cm, bên dưới là lớp đá

đệm, tiếp theo là tầng lọc ngược, thân đê là đất đắp lấy từ phía đồng (Hình 1)

1.2.2 Loại 2 (Gia cố mái bằng các tấm BT)

Kết cấu đê mái nghiêng, lớp phủ mặt đê bên ngoài là các khối (tấm) bê tông cốt

thép hoặc không cốt thép Bên dưới lớp phủ là là lớp đệm và tầng lọc Hình dạng các

khối BT và chiều dày lớp phủ phụ thuộc vào khả năng chịu tác động của yếu tốâ:

sóng, gió, dòng chảy theo tính toán thiết kế

Hình 1.2 : Mặt cắt ngang điển hình đê loại

LỚP BẢO VỆ BẰNG KHỐI BT LỚP ĐỆM

MNCTK

MNTTK

ĐỈNH ĐÊ

1.2.3 Đê mái nghiêng loại 3 (Gia cố mái bằng thảm thực vật)

Đê loại 3 được đề cập ở đây là đê nội đồng chống lũ, chức năng chủ yếu là ngăn

nước biển không sâm nhập vào nội đồng ảnh hưởng đến hoạt động đời sống của con

người, Kết cấu đê chịu áp lực nước là chính không chịu tác động của sóng nên thường

thì mái đê không cần gia cố kiên cố Kết cấu đê mái nghiêng, thường thì phía biển có

có bố trí cơ đê, mái đê thường được chồng cỏ, đỉnh đê kết hợp giao thông Sự ổn định

của đê nhờ vào trọng lượng bản thân của thân đê Chiều rộng đê càng lớn thì tính ổn

định càng cao

Hình 1.3 Đê giao thủy – xã Bạch long – Nam Định (Đê ngăn nước biển)

1.3 HIỆN TRẠNG ĐÊ BIỂN VIỆT NAM SAU MỘT VÀI CƠN BÃO GẦN ĐÂY

1.3.1 Đặc điểm

Lãnh thổ Việt Nam trải dài theo hướng từ Bắc đến Nam, Phía đông giáp với Biển

Đông Hàng năm nước ta phải gánh chịu khoảng 10 cơn bão (áp thấp) nhiệt đới Hầu

hết các cơn bão đều xuất hiện vào mùa mưa và trong khoảng thời gian từ tháng 08

cho đến tháng 11 dương lịch Những cơn bão mạnh đổ bộ chủ yếu vào khu vức phía

Bắc và Bắc –Trung Bộ, trong khi đó khu vực phía nam (Đồng bằng sông cữu long)

hiếm khi phải chịu tác động của bão

Như chúng ta đã biết, thiệt hại do bão lũ gây ra là rất lớn, trong đó các tuyến đê

biển (tuyến phòng ngự thứ nhất) chịu ảnh hưởng trục tiếp Khi bão đổ bộ vào đất liền,

kèm theo tốc độ gió lớn (khoảng từ 60km đến 140km) và mưa to kết hợp với nước

dâng, chiều cao sóng tăng lên đã tác động trực tiếp lên kết cấu đê biển Đây là

nguyên nhân chính gây ra sự phá hoại kết cấu đê biển và gây ngập lụt trên diện rộng

do nước biển tràn qua đê

Điển hình là trong tháng 09 năm 2005, hai cơn bão mạnh đã đổ bộ vào các tỉnh ven

biển miền Bắc và Bắc- Trung bộ, gây thiệt hại lớn về người và tài sản Cơn bão thứ

nhất là cơn bão số 06 với cường độ bão là cấp 10 (Vận tốc gió: 102km/h), đổ bộ vào

ngày 17-18 tháng 09 năm 2005 Cơn bão thứ 2 là bão số 07 (hay còn gọi là bão

Damgrey) với sức gió lên đến cấp 12 (vận tốc gió: 133Km/h), đổ bộ vào ngày 27-28

tháng 09 năm 2005

Hình 1.4: Đường đi của cơn bão số 6 (năm 2005)

Hình 1.5: Đường đi của cơn bão số 7 (năm 2005)

1.3.2 Hiện trạng một vài tuyến đê biển sau bão

Hình 1.6 Bão số 6 đổ bộ

Hình 1.7: Bão số 7 đổ bộ

Hình 1.8: Kè biển Đồ sơn “vật lộn với bão” (bão số 7-2005)

Như đã nêu trên, Sự hạn chế về ngân sách xây dựng, các tuyến đê biển Việt Nam

trước đây chỉ thiết kế ứng với bão cấp 9 và triều trung bình Vì vậy đối với những cơn

bão mạnh lên đến cấp 12 như 2 cơn bão số 06 và 07 năm 2005 vừa qua tác động lên

lên kết cấu đê biển gây phá hoại nghiêm trọng là điều tất yếu xãy ra

Thiệt hại về đê biển dọc theo bờ biển Việt Nam trong hai cơn bão mạnh năm 2005

được tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 1.1: Thống kê về thiệt hại đê biển (đê chắn sóng) trong cơn bão số 6 (2005)

Chiều dài đê (m) Địa Phương

Phá hoại Sạt lở

Bảng 1.2: Thống kê về thiệt hại đê biển (đê chắn sóng) trong cơn bão số 6 (2005)

Chiều dài đê (m) Địa Phương

Phá hoại Sạt lở

Sau đây là những hình ảnh của của vài tuyến đê biển bị hư hỏng sau hai cơn bão số

06 và số 07 năm 2005:

H.1.9: Đê biển Hải Phòng bị phá vỡ trong cơn bão số 6 (Đây là

một dạng đê mái nghiêng loại 2-Lớp phủ bằng tấm BT)

H1.10 Đê Cát Hải-Hải phịng bi hỏng sau cơn bão số 06 (Một dạng của kết cấu đê loại 1-lớp bảo vệ bằng đá)

H1.11b Đê Hải Hậu – Nam Định sau bão số 07(một dạng đê biển loại 1)

H 1.11a: Một đoạn đê biển Đồ Sơn bị sạt lở sau cơn

bão số 7 ( Một dạng kết cấu đê loại 1)

H1.12 Khắc phục sự cố đê sau bão sỗ 7 (2005)

Một dạng kết cấu đê loại 1

H1.13 Đê Nghiã Hưng – Nam Định sau cơn bão số 07

Hình 1.14 : Đê Hải Hậu-

Nam Định bị hư hỏng trong

cơn bão số 7-2005

Hình 1.15 Đê Cát Hải – Đê biển loại 2

Hình 1.16: Đê biển Thanh Hóa

đối phó với bão

Hình 1.17 Đê biển Hậu Lộc – Thanh Hóa sau cơn bão số 7-2005

Hình 118: Đê Giao Thủy – Nam Định đã được tư tu bổ

1.4 NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ PHÁ HOẠI

1.4.1 Nguyên nhân chung

Theo Lương Phương Hậu 2001, Nguyên nhân phá hoại, mất ổn định của một đoạn

bờ cụ thể với cấu tạo đất đá cụ thể do một trong ba nguyên nhân sau: Nội sinh, nhân

sinh và ngoại sinh hoặc tổ hợp của 02 hoặc cả 03 nguyên nhân đó

- Nguyên nhân nội sinh ở đây được hiểu là do chuyển động của tân kiến tạo và

hiện đại gây nên chuyển động nâng, hạ, giãn, tách trượt của lớp hoặc các

mảng của vỏ trái đất dẫn đến sụ bồi xói, mất cân bằng ổn định đường bờ Hiện

nay việc nghiên cứu nguyên nhân này vẫn còn ít, tản mạn và mâu thuẩn nhau,

cho nên rất khó lý giải các quá trình bồi xói diễn ra do nguyên nhân nội sinh

- Nguyên nhân nhân sinh: Là các hoạt động khai hoang lấn biển, thủy lợi, khai

thác sa khoáng, vật liệu xây dựng, chặt phá rừng phòng hộ có thể gây nên,

thường là mức độ địa phương, trong phạm vi hẹp

- Nguyên nhân ngoại sinh: Các yếu tố ngoại sinh được hiểu là gió, bão, biến đổi

mực nước (dao động mực nước do triều, mực nước dâng do bão, do gió mùa),

dòng chảy (dòng chảy biển, dòng chảy do sóng ), sóng (bão, và điều kiện

thường)

1.4.2 Cơ chế phá hoại

Trong các yếu tố gây nên phá hoại bờ biển như đã nêu trên, rõ ràng chúng ta dễ

nhận ra các yếu tố ngoại sinh là các nguyên nhân chính và phổ biến, chi phối quá

trình xói lở dải bờ biển nước ta Trong các yếu tố ngoại sinh thì sóng biển là yếu tố

hàng đầu gây nên các dạng phá hoại đối với bờ biển có hoặc không có công trình

- Sóng tác dụng trực tiếp lên công trình, hoặc bờ, bằng áp lực xung kích của nó

phá hoại kết cấu bảo vệ, gây trượt mái hoặc tường đứng

- Xô vỡ rồi cuốn trôi công trình hoặc bờ đất cao ven biển khi có sóng triều cùng

kèm theo bão

- Dòng chảy bào mòn mặt bãi, hạ thấp thềm bãi, xâm thực gây mất ổn định chân

công trình, gây sụt lở đất đẩy lùi tuyến công trình vào trong

Theo tài liệu EM-1110-2-1204 (Coastal shore protection), cơ chế phá hoại được

diển tả trong hình H1.19 sau:

H 1.19 Cơ chế xâm thực bờ biển dưới tác động của sóng

1.4.3 Các hình thức phá hoại đê biển dọc theo bờ biển việt nam

Theo quan sát thực tế các công trình bị phá hoại, phân tích dựa trên lý thuyết, các

hình thức phá hoại của đê biển Việt Nam (loại đê mái nghiêng) có thể xảy ra một

trong các trường hợp được tóm tắt như sau:

- Mất ổn định tổng thể do trượt cung tròn

- Mất ổn định do mặt trượt gãy khúc

H.1.20a: Các dạng phá hoại đê biển

- Mất ổn định cho chuyển vị (theo cả hai phương ngang và phương đứng) bởi

trọng lượng bản thân kết cấu

- Mất ổn định cục bộ do thấm (thấm của nước ngầm- mất cốt liệu thân đê)

- Xói lở cục bộ do mạch đùn

- Hiện tượng hóa lỏng (thay đổi chỉ tiêu cơ lý) bởi dòng chảy, hay tác động của

sóng

- Sự xói mòn lớp phủ bảo vệ mái đê (hoặc dưới lớp bảo vệ) bởi sự mất ổn định

lớp đệm hoặc mất ổn định cục bộ của các khối thuộc lớp phủ

Các dạng phá hoại nêu trên được diễn tả các hình ảnh H 1.20a,b bên dưới đây:

Trên đây là các dạng phá hoại về đê biển ở Việt Nam, Nhưng phổ biến nhất vẫn là

sự mất ổn định của các khối bảo vệ trên mái nghiêng do sự tác động trực tiếp của

sóng Cộng thêm trường hợp sóng tràn qua đê, khi sóng rút tạo ra các dòng chảy

ngầm làm mất cốt liệu thân đê làm cho mặt đê bị lún sụt, (điều này chúng ta thấy rõ

là sau các cơn bão mạnh, đê biển của chúng ta bị hư hỏng nghiêm trọng) Bên cạnh

yếu tố về sóng do bão, nước dâng, triều cường yếu tố địa chất yếu cũng là một trong

những nguyên nhân gây mất ổn định thân đê Với địa chất yếu, kết cấu các bộ phận

của đê dễ bị lún sụt dẫn đến sự phá hoại của đê (kè) biển (hầu hết đê biển nước ta,

khu Bắc bộ và Bắc trung bộ được xây dựng trên nền địa chất tương đối yếu)

Một nguyên nhân gián tiếp không thể không kể đến đó là nạn chặt phá rừng phòng

hộ ven biển Trong những năm gần đây, nền kinh tế biển phát triển mạnh, các dãy

rừng phòng hộ nhường chỗ cho các đầm nuôi tôm, các khu resort du lịch biển Ví dụ

điển hình là năm 1932, một cơn bão cấp 10, 11 xảy ra thì địa hình xung quanh vẫn còn

khác vì lúc ấy còn có dãy rừng phòng hộ ven biển Rừng phòng hộ được xem như một

“đê chắn sóng” hửu hiệu thứ nhất, giảm thiểu được 40%-50% năng lượng của sóng

(gió) Rõ ràng, việc chặt phá rừng đã làm cho thiên tai bão lũ trở nên khắc nghiệt

hơn, trầm trọng hơn

H 1.20b: Các dạng phá hoại đê biển

Khối phủ mất ổn đinh do áp lực

Hình dạng mặt đê (hình chữ S)

Mất ổn định cục bộ

tại bề mặt

Vấn đề đặt ra

Đã đến lúc chúng ta phải nghĩ đến việc xây dựng đê vững vàng Điều này liên

quan trực tiếp đến công tác thiết kế, quy hoạch

Trồng và bão vệ rừng phòng hộ, rừng phòng hộ được ví như là “đê chắn sóng” sẽ

làm giảm thiểu một phần năng lượng sóng, gió Điều này giảm thiểu thiệt hại về

thiên tai gio bão gây ra

CHƯƠNG 2

CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG BIỂN LIÊN QUAN ĐẾN KẾT CẤU ĐÊ BIỂN VÀ

CÁC QUY PHẠM-TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH 2.1 CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG BIỂN LIÊN QUAN ĐẾN KẾT CẤU ĐÊ BIỂN

Biển là một môi trường luôn bị xáo trộn, dao động bởi nhiều tác nhân khác nhau,

có thể phân biệt trước tiên là các hiện tượng sóng, thủy triều và dòng chảy biển Tùy

theo nguyên nhân và tính chất của chuyển động có thể phân biệt nhiều dạng chuyển

động chi tiết hơn Khái niệm về các yếu tố thủy hải văn liên quan có thể được diển

đạt như sau:

2.1.1 Sóng biển

Sóng biển là các dao động mặt biển theo phương đứng, có chu kỳ khoảng từ 3 giây

đến 25 giây và biên độ giao động có thể từ vài met đến 30m Các sóng biển này,

theo nghĩa thông thường là các sóng do gió gây ra Ngoài các sóng do gió còn có thể

kể đến một số dạng sóng do các nguyên nhân khác gây ra như sóng do khí áp, sóng

do động đất (sóng thần – Tsunami)

Sóng biển thường có tác động trực tiếp, rất mạnh và nhanh lên các công trình ven

bờ, vì vậy cần phải có giải pháp kết cấu hữu hiệu chắn sóng, tiêu hao năng lượng

sóng để giảm bớt thiệt hại cho công trình Ngoài ra dao động sóng dễ làm cho bùn

cát, cốt liệu bốc rời khỏi đáy và vận chuyển đi nơi khác Về phương diện này, tác

động của sóng có thể thấy rỏ rệt, thể hiện ngay sau một thời gian ngắn, ví dụ sau một

thời gian ngắn, đường bờ đã thay đổi hãn Bên cạnh đó sóng luôn luôn có các tác

động rất dài hạn, mang tính chu kỳ đến hình thái bờ biển

2.1.2 Thủy triều

Thủy triều là các dao động của mặt biển theo phương đứng do ảnh hưởng lực hấp

dẫn của các thiên thể và có thể phân tích thành nhiều thành phần có chu kỳ khác

nhau dài từ 12 giờ đến hơn 19 năm Theo bản đồ phân vùng nước dâng do bão, thủy

triều và chiều cao sóng cực đại theo quy chuẩn xây dựng Việt Nam, 1998, biên độ giao

động triều ở vùng ven biển nước ta khoảng 1-3m

Các dao động theo phương đứng có chu kỳ của mặt biển như sóng và thủy triều lại

luôn luôn gây ra đồng thời các dòng chảy dao động ngang, gọi là dòng chảy do sóng,

do triều tùy theo nguyên nhân các dòng dao động ngang này có thể cùng pha hoặc

lệch pha với dao động đứng của mặt biển

Thuỷ triều làm thay đổi mực nước vì thế có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn cao

độ của các công trình ven biển nói chung và cao độ đỉnh đê nói riêng

2.1.3 Nước dâng

Ngoài các dao động theo phương đứng như sóng và thủy triều, hiện tượng nước

dâng do bão cũng là một yếu tố cực kỳ quan trọng không thể không kể đến Đây là

trường hợp mực nước biển dâng cao khi bão đổ bộ vào bờ biển Nguyên nhân chủ yếu

là do gió thổi mạnh đẩy dồn nước vào bờ Nước dâng do bão ven biển Việt Nam có

thể đạt đến 03 mở khu vự bắc bộ Ngoài ra mực nước ven bờ còn có thể dâng cao do

lượng mưa lũ đi kèm, do áp thấp khi có bão

Hiện tượng nước dâng do bão kết hợp với triều cường có thể gây nên sự ngập lụt

nghiêm trọng đối với vùng ven biển Vì vậy khi tính toán cao độ đỉnh đê phải xem xét

khả năng xuất hiện đồng thời hai hiện tượng này

2.1.4 Hải lưu

Hải lưu hay còn gọi là dòng chảy biển là sự dịch chuyển giữa các khối nước lớn

trên mặt hay trong lòng môi trường nước, tạo thành dòng chảy tương đối đều

Nguyên nhân gây ra hải lưu có thể là:

- Lực tác động từ bên ngoài, có thể là do gió

- Lực tác động bên trong môi trường nước, hay lực khuếch tán do chênh lệch về

độ mặn và nhiệt độ

Các nguyên nhân này cũng biến đổi theo mùa, theo năm nên các dòng hải lưu cũng

biến đổi theo mùa hay năm

2.2 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO CHO CÔNG TÁC THIẾT KẾ

Ngoài các số liệu về địa chất, địa hình, thủy địa hình, ta có thể lấy đem vào tính

toán dựa vào kết quả khảo sát Đây là các yếu tố ít thay đổi theo thời gian Riêng các

yếu tố về khí tượng thủy văn (sóng, gió, mực nước, dòng chảy ) là những yếu tố

động, thay đổi theo thời gian, và diển biến có quy luật hoặc không có quy luật rõ

ràng Khi thiết kế các công trình liên quan đến các yếu tố khí tượng thủy văn, việc

phân tích và lựa chọn số liệu phục vụ cho công tác thiết kế có ý nghĩa hết sức quan

trọng liên quan đến chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, và chức năng cũng như tuổi thọ công

trình

2.2.1 Mực nước triều thiết kế và các phương pháp xác định

2.2.1.1 Diễn toán mực nước triều thiết kế

Mực nước triều thiết kế (gọi tắt là mực nước thiết kế) bao gồm mực nước cao thiết

kế (MNCTK) và mực nước thấp thiết kế (MNTTK)

Mực nước cao thiết kế thông thường được xác định theo phương pháp tính toán tần

suất mực nước cao nhất năm Ví dụ, ở vùng bán nhật triều, mỗi năm đo được hơn 700

số liệu đỉnh triều, khoảng 350 cho vùng nhật triều Chúng suất hiện dưới sự tổng hợp

các yếu tố thiên văn, khí tượng do đó có tính ngẫu nhiên nhất định Tập hợp các số

liệu đỉnh triều trong một năm đó có thể coi một cách gần đúng là một liệt kê các biến

ngẫu nhiên Số hạng lớn nhất trong liệt kê đó là mực nước triều cao nhất năm nếu có

n năm thì sẽ có n mực nước lớn nhất Vì các số hạng mực nước lớn nhất là cực trị,

phân bố xác suất của nó là phân bố cực trị

Trong n trị số mực nước triều cao nhất năm, gọi tần suất xuất hiện của mực nước

bằng hoặc cao hơn trị số nào đó là P(%), chu kỳ lặp lại T (năm)

ta có:

P

Chu kỳ lặp lại là một khái niệm trung bình Mực nước được coi là lặp lại 50 năm 1

lần, không nhất thiết là đúng 50 năm thì xuất hiện trở lại mực đó Trên thực tế trong

50 năm có thể xuất hiện mấy lần, thậm chí không xuất hiện T chỉ biểu thị một thời

gian dài, trung bình cứ 50 năm thì xuất hiện một lần Mực nước có T = 50 năm (Z50),

thì P=100/T = 20%, Ý nghĩa: Mực nước có giá trị bằng hoặc lớn hơn Z50 có khả năng

xuất hiện hàng năm là 20%, xác suất không xuất hiện là hàng năm là 1-P(%)

Giả thiết thiết kế đê biển cho thời gian sử dụng N năm, trong niên hạn sử dụng của

nó, Xác suất xuất hiện mực nước thấp hơn Z50 là

Nếu thời gian sử dụng công trình N = 50 năm, từ công thức 4.2 và 4.3, ta có thể tính

được xuất an toàn để đê biển không gặp mực nước Z50 (50 năm xuất hiện một lần) là

36.4%, còn xuất nguy hiểm là 63.6%

Để tiến hành phân tích tần xuất mực nước cao nhất năm, thường phải có số liệu

liên tục không ít hơn 20 năm, và cần điều tra thêm mực nước cao nhất đã xuất hiện

trong lịch sử Dạng đường cong phân tích tần suất mực nước thường sử dụng dạng

đường cong tần suất lý thuyết phân bố dạng cực trị I (phân bố Gumbel) Đối với khu

vực cửa sông, chịu ảnh hưởng dòng chảy sông thường dùng đường cong tần suất lý

thuyết phân bố dạng Pearson III

Phương pháp phân tích tần suất dạng cực trị I như sau:

Ví dụ có n giá trị mực nước cao nhất năm, xếp thứ tự Zi, trị số trung bình của nó là:

Z = ∑n Zi n

Sai số quân phương của mực nước Zi trong n năm là:

2

2 ( )

1

Z Z n

Sau khi tìm ra các trị số Zp theo công thức 3.6, có thể vẽ lên giấy kẻ ô xác suất

đường cong tần suất lý thuyết mực nước triều cao, đồng thời chấm lên các điểm tần

suất kinh nghiệm để kiểm tra mức độ phù hợp giữa lý thuyết và thực tế

Trong liệt kê số liệu mực nước cao nhất năm Zi, sắp xếp theo thứ tự giảm dần, tần

xuất kinh nghiệm P của số hạng m được tính như sau:

2.2.1.2 Phương pháp diễn toán mực nước triều cao thiết kế khi trong số liệu điều tra

có mực nước đặc biệt lớn

Trong trường hợp ngoài số liệu mực nước triều thực đo n năm vốn có, thường qua

điều tra có được số liệu mực nước đặc biệt lớn ZN xuất hiện trong N năm lịch sử, thì

tiến hành phân tích tần suất như sau:

N Z N

N , còn tần xuất kinh nghiệm của các mực nước khác vẫn tính theo (2.7)

Bảng 2.1: Trị số λpm của quy luật phân bố cực trị loại 1

2.2.1.3 Diễn toán mực nước cao thiết kế trong trường hợp tài liệu không đầy đủ

a) Khi trong khu vực định xây dựng định xây dựng công trình không có số liệu mực

nước dài ky, có thể tính toán mực nước cao thiết kế theo phương pháp “so sánh cực trị

lệch pha Điều kiện áp dụng phương pháp này là khu vực thiết kế công trình (Trạm y)

có ít nhất 05 năm số liệu thực đo Trạm được chọn tham chiếu (trạm X) cần có số liệu

thực đo ít nhất 20 năm liên tục và thỏa mản các điều kiện tương tự về tính chất triều,

vị trí địa lý gần, chịu ảnh hưởng của sóng, chịu tác động của nước dâng, nước hạ

tương tự nhau Lúc đó có thể giả thiết rằng hiệu của mực nước triều cao thiết kế và

mặt phẳng biển trung bình cùng với chu kỳ lặp của hai trạm là tỷ lệ thuận với hiệu trị

số trung bình của mực nuớc cao nhất năm và mực nước trung bình ở hai trạm, tức là:

x

Y x x

y y

R

R A Z

A Z

=

−

−

(2.10) Trong công thức trên:

- Zx, Zy : Phân biệt biểu thị mực nước cao thiết kế cùng chu kỳ lặp lại của trạm

X (đã biết) của trạm Y (cần xác định);

- Ax, Ay: Phân biệt biểu thị mặt phẳng biển trung bình ở hai trạm X, Y

- Rx, Ry: Phân biệt biểu thị hiệu trị số giữa trị số trung bình mực nước cao nhất

năm cùng kỳ và mặt phẳng biển trung bình ở hai trạm X, Y

R

R A

b) Nếu tại vị trí công trình không có số liệu thực đo liên tục trong 5 năm, Lúc đó tại

trạm y cần tiến hành đo đạc mực nước đồng thời với trạm X trong một thời gian ngắn

(có thể 01 tháng), với số liệu này xác định mực nước cao thiết kế của trạm Y như sau:

1 Trước hết sử dụng số liệu quan trắc đồng bộ trong một tháng, phân biệt tìm ra

mặt phẳng biển trung bình đoản kỳ trong thời đoạn chênh lệch triều cao nhất của

tháng đó ở hai trạm, tức trị số trung bình toán học của mực nước triều thực đo trong

thời đoạn đó, biểu thị là Asx, Asy

2 Sử dụng số liệu mực nước thực đo của tháng đó, phân biệt vẽ ra đường quá trình

mực nước triều của hai trạm, và chập hai mặt phẳng biển trung bình của hai trạm vào

nhau, điều chỉnh sao cho thời gian chân triều và chân triều của hai đường quá trình đó

trùng nhau, để so sánh dạng triều và chênh lệch triều của chúng có tương tự nhau hay

không

3 Nếu dạng triều hai trạm tương tự nhau, mực nước hai trạm không bằng nhau là

do chênh lệch triều hai trạm gây ra Vì vậy có thể giả thiết rằng hiệu số giữa mực

nước cao thiết kế của hai trạm Zx, Zy và mặt phẳng biển trung bình nhiều năm Ax và

Ay tỷ lệ thuận với chênh lệch triều của hai nơi, tức là:

x

y x x

y y

R

R A Z

A Z

=

−

−

(2.12)

H 3.1: Quan hệ các mực nước triều đặc trưng

Xét về hình thức, công thức 3.12 và công thức 3.10 giống nhau, nhưng vế phải của

hai công thức này không như nhau Tỷ số Ry/Rx ở công thức 3.12 biểu thị trị số trung

bình của trị số chênh lệch triều ở hai trạm, cũng tứ là phân biệt tính toán chênh lệch

triều Ryi và Rxi của mỗi ngày (ở vùng bán nhật triều có hai trịi số trong một ngày) và

yi

R

R n R

4 Giả thiết hiệu số giữa mặt phẳng biển trung bình nhiều năm và đoản kỳ ở hai

trạm là bằng nhau:

A A A A

Ax – Mặt phẳng biển trung bình của trạm X (đã biết);

Zx – Mực nước cao thiết kế năm ở một chu kỳ lặp nào đó của trạm X (đã biết);

Zy – Mực nước cao thiết kế cùng chu kỳ lặp ở trạm Y (cần xác định)

Biểu đồ thể hiện quan hệ các mực nước triều đặc trưng trong hai công thức (2.13)

và (2.14) được thể hiện ở hình sau:

L: CHIỀU DÀI SÓNG

VÙNG ĐỈNH SÓNG VÙNG ĐÁY SÓNG

Hình 2.2 Các thông số cơ bản của sóng

Tiêu chuẩn 14 TCN 130 -2002, Phụ lục A4 đưa ra bảng giá trị về mực nước triều

cực đại, cực tiểu và cực trị thiên văn của các trạm mực nước tiêu biểu dọc bờ biển

Việt Nam

2.2.2 Yếu tố sóng

2.2.2.1 Các khái niệm

- Sóng biển là những dao động đứng của mặt biển do các ngoại lực khác nhau như

lực do gió, lực tạo triều, khí áp và lực do động đất Ta gọi sóng biển thông thường là

những dao động sóng gây ra do gió, biểu hiện trên mặt biển bằng những dãy vô tận

các gợn sóng gần như song song và đồng dạng với nhau, các gợn sóng này di chuyển

hay truyền gần như đều theo hướng gió thổi vào bờ

- Đường mặt sóng (profil sóng), là đường giao giữa mặt nước gợn sóng và mặt

phẳng thẳng đứng theo hướng chuyền sóng

- Chiều cao sóng H là chêch lệch độ cao giữa điểm cao nhất của đường mặt sóng

(đỉnh sóng) và điểm thấp nhất liền kề (đáy sóng hoặc chân sóng)

- Chiều dài sóng L là khoảng cách ngang giữa hai đỉnh sóng kế tiếp nhau

- Độ dốc sóng là tỉ số số H/L

- Chu kỳ sóng T là khoảng thời gian hai đỉnh sóng liên tiếp đi qua một điểm cố

định

- Vận tốc truyền sóng C là tốc độ truyền của dao động sóng là quảng đường mà

sóng truyền được trong thời gian t dễ dàng nhận thấy rằng C = L/T

- Đầu sóng là phần đường mặt sóng nằm trên mực nước tĩnh còn bụng sóng là phần

nằm dưới mực nước tĩnh

- Đường đầu sóng là hình chiếu đường nối đỉnh của một con sóng trên mặt bằng

Khi sóng truyền ổn định theo một hướng, đường đầu sóng sẽ thẳng và vuông góc với

hường truyền sóng

2.2.2.2 Quá trình hình thành sóng do gió

Ngoại trừ các loại sóng thần do động đất, sóng khí áp, sóng khí áp, sóng triều,

thông thường sóng biển là do gió thổi trên mặt nước gây ra Quá trình hình thành và

phát triển sóng do gió có thể mô tả như sau:

- Giai đoạn phát sinh sóng do gió: khi có một ngọn gió, mặt biển sẽ xuất hiện

những gợn lăn tăn, gió càng mạnh thì biến dạng của mặt biển càng lớn tạo thành

những xáo động có tính hỗn độn, không có thứ tự, không biểu lộ một hướng truyền

sóng nào, đó là những dao động mang tính chất 03 chiều

- Giai đoạn phát triển của sóng do gió: nếu gió thổi liên tục thì các sóng nhỏ chồng

lên nhau thành các sóng lớn, hình thành các con sóng rõ nét và truyền đi theo hướng

gió thổi (Hình 3.3 a) Các dao động dần mang tính chất hai chiều Trong giai đoạn

phát triển, đường mặt sóng do gió có dạng không đối xứng, đầu sóng bị xô về theo

hướng gió thổi, bụng sóng bị kéo dài và có độ dốc nhỏ Khi độ dốc sóng đạt đến một

giá trị tới hạn nào đó thì các đầu sóng bị xô vỡ tạo thành các cuộn bọt nước màu

trắng, đây là hiện tượng sóng vỡ nước sâu Những con sóng trong giai đoạn phát triển

là các dao động cưỡng bức hình thành trong vùng gió thổi hay khu vực bão, Ta gọi

khu vực này là vùng tạo sóng hay khu đà gió Độ lớn của sóng phụ thuộc vào tốc độ

gió thổi, thời gian gió thổi và đà gió

- Giai đoạn truyền sóng ổn định: Các con sóng cưởng bức trong khu đà gió lại tạo

ra các dao động của mặt nước truyền ra ngoài vùng gió thổi như là các dao động tự

do Các dao động tự do này có tính ổn địn và đều hơn, các đường đầu sóng sẽ thẳng

hơn và dài hơn, tạo thành các sóng hai chiều hay sóng lăng trụ, đó là các sóng biển

theo nghĩa thông thường (hình 2.3 b) Đây là giai đoạn truyền ổn định của sóng do

gió

Hình 2.3 Dạng của các đường mặt sóng ở những giai đoạn

khác nhau trong quá trình hình thành sóng do gió

Sóng thực tại các thời điểm

2.2.2.3 Các hiện tượng của sóng biển

a) Biến dạng sóng theo độ sâu:

Khi sóng truyền qua vùng có độ sâu thay đổi thì chiều dài sóng, biên độ sóng và

hướng truyền sóng có sự biến đổi, trong khi chu kỳ sóng hầu như cố định Nhìn chung

khi độ sâu nước giảm, thì chiều dài sóng L giảm, vì vậy tốc độ truyền sóng C = L/T

cũng giảm theo Nếu sóng truyền thẳng góc vào một bờ dốc thoải thì các biến đổi này

làm cho chiều cao sóng H giảm nhẹ sau đó tăng nhanh , độ dốc sóng H/L giảm nhẹ

rồi tăng nhanh khi chiều sâu giảm dần Các biến dạng của sóng khi độ sâu giảm gọi

là hiện tượng sóng cạn hay biến dạng sóng

b) Hiện tượng sóng vỡ nước cạn

Do hiện tượng biến dạng, độ dốc sóng tăng dần khi vào gần bờ, khi độ dốc sóng

đạt đến một giới hạn thì sóng bị đổ ập về phía trước, tạo ra một vùng xáo trộn có

nhiều bọt nước ở mặt trước của ngọn sóng Đây là hiện tượng sóng vỡ nước cạn Khi

độ dốc đáy thoải các sóng vỡ không bị mất tính đối xứng nhiều, chỉ hình thành một

góc nhọn 120 độ ở đỉnh, cao hơn mực nước tĩnh khoảng ¾ H Ngược lại trên một đáy

có độ dốc lớn, đường mặt sóng không còn đối xứng nữa, hiện tượng sóng vỡ diễn ra

rất rõ rệt, rất mạnh với đầu sóng bị ném lên cao, xô về phía trước thành các lưỡi nước

trước khi đổ xuống thành cuộn Sau khi bị vỡ chiều cao sóng giảm hẵn đi, do năng

lượng bị tiêu hao khi vỡ, sóng tiếp tục được truyền vào bờ và lại bị biến dạng do địa

hình đáy, vì vậy có thể bị vỡ nhiều lần trước khi vào đến bờ Mỗi vị trí sóng vỡ trên

bờ dốc được nhận diện bằng một đường nước cuộn, sủi bọt trên mặt bằng, các vị trí

này rất nguy hiểm khi biển động vì khi vỡ, năng lượng sóng được giải phóng một cách

đột ngột làm ảnh hưởng đến độ ổn định của công trình

c) Hiện tượng khúc xạ

Nếu đường đầu sóng không song song với các đường đồng sâu của đáy biển thì, do

tốc độ truyền sóng giảm dần theo chiều sâu, đầu sóng phía gần bờ truyền đi chậm hơn

phía xa bờ, hướng truyền sóng sẽ bi xoay dần theo khuynh hướng làm cho các đường

đầu sóng chở nên song song với đường đồng sâu Hiện tượng thay đổi hướng truyền

sóng do địa hình đáy này gọi là hiện tượng khúc xạ sóng Do hiện tượng khúc xạ mà

có hiện tượng tập trung sóng chung quanh một đão hay một mũi đất làm cho chiều cao

sóng tăng Ngược lại khi sóng truyền vào một vịnh, vũng các hướng truyền sóng xòe

ra và do vậy chiều cao sóng bị giảm

e) Hiện tượng nhiễu xạ

Khi một phần đường đầu sóng bị cản lại bởi một vật cản (đầu của đê chắn sóng,

mũi đất, hoặc đảo) thì sóng tại mũi đất hay đầu đê sẽ truyền vào trong vùng được che

chắn theo các tia xuất phát từ đầu mũi đất tạo thành những đường đâud sóng đồng

tâm với chiều cao sóng càng giảm khi càng xa mũi đê, chiều dài và chu kỳ sóng

không thay đổi Hiện tượng truyền sóng phía sau một vật cản gọi là nhiểu xạ

f) Hiện tượng phản xạ

Hiện tượng phản xạ sóng, là hiện tượng sóng bị dội ngược lại khi gặp phải một vật

cản dạng bờ vách rộng như một bờ dốc đứng hoặc tường chắn sóng Ở vùng nước

trước bờ vách có sự cộng tác dụng của sóng tới và sóng phản xạ tạo nên một hệ thống

sóng đứng hay sóng dừng Chiều dài và chu kỳ sóng không thay đổi khi phản xạ

Khi sóng tới vuông góc với bờ vách đứng, kín và nhẵn, sóng phản xạ sẽ có chiều

cao bằng sóng tới và sóng đứng trước bờ có chiều cao gấp đôi sóng tới, ta gọi là phản

xạ toàn phần

Nếu sóng tới tiến xiên góc với vách đứng, hiện tượng phản xạ sóng nước tương tự

như hiện tượng phản xạ sóng ánh sáng, sự phối hợp giữa sóng tới và sóng phản xạ tạo

nên trước vách đứng một vùng sóng đứng giao thoa xiên góc phức tạp có dạng ô mắt

cáo

Khi vách không thẳng đứng hoặc không kín hoàn toàn, chỉ có một phần năng lượng

sóng bị dội trở lại trong sóng phản xạ, ta gọi là phản xạ từng phần Hệ thống sóng

đứng tạo thành trong trường hợp này có chiều cao sóng nhỏ hơn so với trường hợp

sóng phản xạ toàn phần

2.2.3.4 Các lý thuyết sóng phổ biến và kết quả nghiên cứu

Lý thuyết sóng gió được dựa vào công cụ toán học cao cấp, nhằm dự báo, xác định

các thông số cơ bản về sóng (H,L,T,C ) Qua đó xây dựng được các quan hệ ràng

buộc các thông số lại với nhau, và thông số sóng với thông số địa hình (Độ sâu nước

d, độ dốc đáy biển i, độ nhám và các chỉ số khác) Tiếp đến là giải quyết được các

vấn đề về tác động của sóng lên công trình (áp lực sóng, năng lượng sóng )

Để xây dựng lý thuyết sóng biển, người ta phải giả thiết chất lỏng (nước biển);

- Đồng nhất

- Không nén được

- Bỏ qua ảnh hưởng của ma sát

- Đáy biển coi như mặt phẳng nằm ngang;

- Chấp nhận sóng điều hòa

Những giả thiết này là chấp nhận được, vì khi kiểm nghiệm thực tế sai số nằm

trong gới hạn cho phép

Các lý thuyết sóng phổ biến

- Lý thuyết sóng tuyến tính có biên độ nhỏ

- Lý thuyết sóng Sinusoidal

- Lý thuyết sóng đơn

- Lý thuyết sóng thống kê

- Lý thuyết phân tích phổ

Đi kèm với các lý thuyết sóng này, giới thiệu một số các nhà học giả của thế giới

trong lĩnh vực nghiên cứu như: Airy, Stoker, Wagner, Bretshneider, Pierson,

Neumann, Wilson, Osato, Shuto, Goda, Suleikin và Sidorove

Bao chùm lên mọi lý thuyết về sóng biển là lý thuyết sóng có biên độ nhỏ hay còn

gọi là lý thuyết sóng tuyến tính (H<<L)

Sau đây là kết quả nghiên cứu lý thuyết sóng có biên độ nhỏ

Kết quả nghiên cứu cho 03 vùng nước:

- Vùng nước ven bờ : d/L ≤ 1/20 (Kd ≤ π/10)

- Vùng nước nông 1/20≤ d/L≤1/2 (π/10≤ kd≤π)

- Vùng nước sâu: 1/2≤ d/L (kd ≥ π)

Bảng 2.2: Tổng Hợp kết quả nghiên cứu lý thuyết sóng tuyến tính

Trong các công thức trong bảng 2.2, Giá trị θ = (Kx - ωt)

Trong đó:

- K là số sóng: K = 2π/L

- ω là tần số góc ω = 2π/T

- T, L là chu kỳ và chiều dài sóng

2.3 QUY PHẠM VÀ TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH LIÊN QUAN ĐẾN CÔNG TÁC

THIẾT KẾ ĐÊ BIỂN

2.3.1 Tiêu chuẩn, quy phạm Việt Nam

Các Tiêu chuẩn – Quy phạm Việt Nam hiện hành liên quan đến các vấn đề tính

toán sóng, nước dâng, tải trọng tác động lên công trình có thể kể ra như sau:

- Quy chuẩn xây dựng, tập III nhà xuất bản xây dựng, năm 1997

- Công trình biển cố định –phần II: Điều kiện về môi trường do Bộ Khoa Học

Và Công Nghệ ban hành năm 1998 (TCVN 6170-2);

- Tải trọng và tác động (do sóng và do tàu) lên công trình thủy, do Bộ Giao

Thông Vận Tải ban hành năm 1995;

- Tiêu chuẩn ngành 14 TCN 130-2002: Hướng dẫn thiết kế đê biển, do Bộ Nông

Nghiệp Và Phát Triển Nông Thôn ban hành năm 2002

- Nền các công trình thủy công –Tiêu chuẩn thiết kế : TCVN 4253-86, do Ủy

Ban Xây Dựng Cơ Bản Nhà Nước ban hành năm 1986

- Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép thủy công – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN

4116: 1985

2.3.2 Tiêu chuẩn – Quy phạm nước ngoài

Hiện nay trong công tác thiết kế; quy hoạch, Chúng ta có tham khảo một số tiêu

chuẩn nước ngoài có liên quan, điển hình như:

- Quy phạm Liên Xô CH-92

- “Technical Standard and Commentaries For Port And Habour Facility in Japan”

(Tiêu chuẩn kỹ thuật và chú giải đối với các công trình cảng ở Nhật Bản) Phiên bản

Tiếng Việt là kết quả hợp tác (từ tháng 5/2002 đến tháng 2/22004) giữa Hội Cảng

Đường Thủy Thềm Lục Địa Việt Nam (VAPO) với Hiệp Hội Hợp Tác Cảng Nước

Ngoài Nhật Bản (JOPCA) & Viện Phát Triển Ven Biển Nước Ngoài Nhật Bản

(OCDI);

- Bộ tiêu chuẩn anh BS 6349 của Viện tiêu chuẩn Anh “British Standard

Institution”

CHƯƠNG 3 DỰ BÁO SÓNG

Ở mục 2.2.3.4 chương 2, Chúng ta chỉ đề cập đến sóng hình sin, hay sóng đơn có

các yếu tố sóng H, L, T xác định, thực tế cho thấy sóng biển thực có chiều cao, chu

kì và chiều dài sóng luôn luôn thay đổi không theo một quy luật nào Sóng thực mang

tính ngẫu nhiên và thay cho các yêu tố sóng xác định chắc chắn ta phải dùng phương

pháp thống kê của các yếu tố sóng đó

3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA SÓNG THỰC

Ta gọi hệ sóng là một tập hợp các sóng có cùng nguồn gốc phát sinh trong một khu

vực và trong một thời đoạn nhất định Các đặc trưng thống kê thường dùng để đánh

giá một hệ sóng gồm hai loại được định nghĩa như sau:

Xét một nhóm N trị số chiều cao sóng H đo được tại một điểm, trong một khoảng

thời gian nhất định tương đối ngắn (chiều cao sóng ghi liên tục trong 20-30 phút đo

hoặc trong một cơn bão) Sắp xếp các trị số này theo độ lớn giảm dần và đánh số thứ

tự từ 1 -> N Trên dãy số liệu như thế ta có các định nghĩa sau:

3.1.1 Chiều cao sóng với tần số vượt p%

Xác suất để có chiều cao sóng lớn hơn một trị số Hp% nào đó là

N

n H

H

p( ≥ p%)= (3.1)

Với n là số thứ tự của trị số Hp% hay số giá trị H lớn hơn hoặc bằng Hp% Các trị

số Hp% tương ứng với xác suất p% được gọi là chiều cao sóng với tần số vượt p%

Xác suất để có chiều cao sóng nhỏ hơn Hp% là:

3.1.2 Chiều cao sóng trung bình của các sóng lớn nhất

Lấy trung bình của 1/3 số liệu sóng lớn nhất ta được một đặc trưng thường gọi là

chiều cao sóng có nghĩa (significant heigh) Hs hay H1/3 Đây là giá trị gần đúng với

giá trị ước lượng sóng biển thật khi quan sát bằng mắt

Người ta cũng định nghĩa tương tự các chiều cao sóng trung bình của (1/m)N sóng

lớn nhất với m>=1 và kí hiệu H1/m

Ngoài hai đặc trưng đặc biệt trên, ta cũng có thể dùng các đặc trưng thông thường

của thống kê, ví dụ chiều cao sóng trung bình Htb = H 1 như trên và chiều cao sóng

trung bình bình phương Htbbp được định nghĩa là:

1 2 1

(3.3)

Đối với chiều dài sóng, và chu kỳ sóng ta cũng có các định nghĩa tương tự

3.1.3 Ví dụ xác định các đặc trung thống kê sóng thực

Giả sử có 21 con sóng ghi chép được ở bảng 3.1 tại một số trạm đo sóng như sau:

Bảng 3.1 Chiều cao và chu kỳ sóng ghi được

STT Chiều cao H(m) Chu kỳ T(s) Số hiệu để ghi STT Chiều cao H(m) Chu kỳ T(s) Số hiệu để ghi

a) Thông số sóng tối đa

Từ bảng 3.1 ta thấy ngay sóng số 16 có chiều cao tối đa:

Hmax = 4.89m, Tmax = 8s

Thực tế ta thấy Tmax = 11.9s (Sóng số 04), xong chiều cao sóng số 04 là 2.58m nên

Tmax phải lấy theo chiều cao sóng Hmax Như vậy T lấy theo H

Hình 3.1 Ghi chép 21 con sóng

b) Chiều cao sóng H 1/10

Đó là chiều cao trung bình của 1/10 số sóng lớn nhất Ở bảng 3.1 có 21 giá trị đo,

1/10 số sóng đó ta tạm tính gần đúng là 2 con sóng ta thấy hai sóng 16 và 3 có giá trị

10 /

10 /

1 = + =

c) Chiều cao sóng 1/3 (H s )

Lấy trung bình của 1/3 số sóng lớn nhất trong chuỗi số liệu: Ta có 21 giá trị chiều

cao sóng, 1/3 của số sóng là 1/3 * 21 = 7 giá trị sóng Ta thấy 07 giá trị sóng lớn nhất

là: sóng số 16, 3,15,5,21,19,18

m

7

87.294.298.22.308.452.489.4

3 /

3 /

d) Chiều cao sóng trung bình

Chiều cao sóng trung bình Htb và chu kì sóng trung bình Ttb của 21 sóng được tính

3.2 PHÂN BỐ XÁC SUẤT CỦA CÁC YẾU TỐ SÓNG THỰC

3.2.1 Phân bố xác suất của chiều cao sóng

Hình 3.2 Hàm mật độ xác suất và hàm phân bố tần số vượt theo Rayleigh

Theo Ts Trần Thu Tâm – Công Trình Ven Biển, 2002, Nếu xem dao động của mặt

biển là tổng hợp tác động của rất nhiều sóng đơn hình sin khác nhau về chiều cao, tần

số, góc pha, ta có thể viết phương trình đường mặt sóng như sau:

)cos(

Các dao động này có chu kỳ T thay đổi trong một khoảng thời gian hẹp từ 2s đến

20s, hay ω = 2π/T nằm trong khoảng (0.31-3.1) rad/s và thường tập chung quanh giá

trị ωp nào đó, vì vậy có thể xem tần số dao động ω chỉ phân bố trong dải hẹp quanh trị

số ωp

Ki hay chiều dài sóng Li = 2π/ki là các đại lượng phụ thuộc vào ω nên cũng chỉ dao

động trong một khoảng hẹp Góc pha ϕi có thể xem như phân bố ngẫu nhiên trong

khoảng (0 - 2π)

Xem η là một quá trình ngẫu nhiên tuân theo phân bố chuẩn Gauss thì phân bố xác

suất của chiều cao sóng Hi tuân theo chuẩn phân bố Rayleigh Các sóng có đặc tính

này gọi là sóng phổ hẹp Giả thiết này có thể áp dụng cho tập hợp các sóng trong một

khoảng thời gian ngắn (20-30 phút đo đạc hoặc một cơn bão)

Hàm phân bố xác suất vượt chiều cao Hp% là

2

%

) ( 4

% )

p

H H

H H p

π

−

=

Xác suất để có chiều cao sóng nhỏ hơn Hp% là q = (1-p) và hàm mật độ xác suất

theo chiều cao sóng tại H = Hp% là:

2

) ( 4 2

)

H

tb tb

e H

H H dH

dq H f

π

Để xác định các đặc trưng thống kê của chiều cao sóng chỉ cần biết một giá trị Htb

từ số liệu đo đạc, các phân bố này có tính chất phân bố một thông số

a) Chiều cao sóng có xác suất xuất hiện lớn nhất

Lấy đạo hàm của f(H) và cho bằng không để tìm cực trị f(Ho)max, ta được

tb H H

4

%

p H

Nếu gọi σH là độ lệch chuẩn hay khoảng dao động trung bình của H trung quanh

c) Giá trị trung bình của 1/m sóng lớn nhất H 1/m

Để tính toán giá trị trung bình của 1/m sóng lớn nhất H1/m ta phải tính Hp% với p% =

1/m theo (3.7) sau đó lấy trung bình các các giá trị H từ Hp% đến ∝ theo công thức:

1

) (

) (

Hp

Hp m

dH H f

dH H f H

Kết quả có thể viết dưới dạng

)ln(

(2

.)ln(

Với ERFC(x) = 1-ERF(x) là hàm bù sai và ERF(x) là hàm sai số

Hàm sai số được định nghĩa là:

Từ bảng 3.3 và 3.2 ta thấy chiều cao sóng có nghĩa Hs = H 1/3 =1.6H tb

3.2.2 Chu kỳ sóng

Theo giả thiết sóng phổ hẹp tần số hay chu kỳ sóng chỉ thay đổi trong một phạm vi

hẹp, như vậy chu kỳ sóng thường lấy bằng một giá trị trung bình từ số liệu đo đạc, Từ

Hình 3.3 Phân bố của chu kỳ sóng theo Krulop và so sánh với phân bố

Rayleigh của chiều cao sóng

đó tính ra chiều dài sóng theo công thức lý thuyết L =gT²/2π cho trường hợp nước sâu,

gT

π

= cho trường hợp chiều sâu nước bằng d

Một số tài liệu giới thiệu các phân bố xác suất cho chu kỳ sóng, các phân bố này

có đỉnh nhọn hơn hay tập chung hơn quanh trị số có xác suất xuất hiện lớn nhất To

Sau đây là một số ví dụ về phân bố xác suất của chu kỳ sóng được GS Trần Minh

Quang (1993) giới thiệu Phân bố này được goijlaf phân bố Krulop, Hàm phân bố xác

suất vượt của chu kỳ sóng nước sâu Tp% ứng với tần số vượt p% có dạng

4

%

) ( 4

% )

p

T T

T T p

tb

p tb

e T

T T T f

π

Chu kỳ sóng Tp% ứng với tần số vượt p% theo (3.10) là

4 4

%

)

1ln(

06.1)/1ln(

3.3 PHÂN BỐ XÁC SUẤT DÀI HẠN CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG

3.3.1 Phân bố xác suất dài hạn của các giá trị đặc trưng

Các khái niệm về đặc trưng thống kê sóng (Hp%, Htb, Hs ) chỉ áp dụng cho một hệ

sóng hay một chuỗi sóng kế tiếp nhau và có cùng nguồn gốc phát sinh, ví dụ tập hợp

các giá trị đo được trong khoảng thời gian xác định tương đối ngắn (một cơn bão, mỗi

lần đo 20 phút ) Trên trục thời gian các giá trị này sẽ thay đổi theo mùa, theo năm ,

sự thay đổi này có phần theo qwy luật có phần ngẫu nhiên không theo quy luật, vì thế

phải dùng đến các khái niệm thống kê tương tự như xác định các đại lượng thủy văn

công trình khác

Xét một chuỗi N trị số chiều cao sóng đặc trưng H quan sát được tạ một điểm trong

thời gian T dài nhiều năm Ở đây H là giá trị đặc trưng đạt được từ số liệu đo theo các

khái niệm ở mục 3.2, ví dụ H có thể là giá trị Hp% , H tb , H s của một cơn bão Xắp xếp

các giá trị này theo tuần tự độ lớn giảm dần và đánh số thứ tự từ 1->N Trên dãy số

liệu như thế ta cũng có định nghĩa tần xuất vượt qua một giá trị Hp% như mục 3.2

N

n H

H

p( ≥ p%)=

Với n là số thứ tự của trị số Hp% hay số giá trị H lớn hơn hoặc bằng Hp%, các trị số

Hp% tương ứng với xác suất p% gọi là chiều cao sóng với tần số vượt p%

Quy luật phân bố xác suất của các giá trị chiều cao sóng đặc trưng không tuân theo

Rayleigh nữa mà thay đổi tùy theo điều kiện tạo sóng (sóng do bão, sóng bình thường,

sóng nước sâu, sóng ven bờ )

Ví dụ, ở sóng nước sâu, hàm phân bố xác suất vượt chiều cao sóng do bão thường

dùng là phân bố Weibull có dạng sau:

Hàm mật độ xác suất tương ứng là

αββ

H x p d H f

1

)(

1)

Khi α =2 ta có phân bố Rayleigh, khi α =1 ta có phân bố lũy thừa

Phân bố này có hai thông số α và β các thông số α và β được xác định bằng cách

xấp xỉ hàm (3.13) với chuỗi giá trị quan trắc thực tế Lấy Logarit tự nhiên hai lần

phương trình (3.13) ta được dạng đường thẳng

)ln(

.)ln(

.))

1ln(ln( =α H −α β

p

Xấp xỉ các cặp giá trị Y = ln(ln(1/p)); X=ln(H) của chuỗi giá trị quan trắc với đường

thẳng Y =AX+B, dùng cách vẽ đồ thị hoặc phương pháp bình phương nhỏ nhất ta được

A, B và có A=α; β = exp(-B/α) Trong thực tế vì ta đang khảo sát các giá trị cực trị

của đại lượng ngẫu nhiên H, để đạt được kết quả xấp xỉ tốt hơn người ta dùng biến

(H-Ho) thay vì biến H trong các tính toán trên, Ho là một giá trị cố định được chọn để

chuỗi đo xấp xỉ tốt nhất với biểu thức giải thích, có thể chọn Ho là giá trị nhỏ nhất

trong chuỗi đo Phân bố Weibull viết theo (H-Ho ) được gọi là phân bố Weibull có 03

thông số, vì H0 cũng là một thông số mà ý nghĩa vật lý chưa được giải thích rõ ràng,

Theo Ochi, 1982, chiều cao sóng H thường dùng là Hs

Phân bố Weibull cho xác suất tích lũy lớn hơn thực tế quan trắc ở phạm vi các sóng

có H bé Phân bố Logarit chuẩn được Ochi,1982, nhận định là phù hợp hơn khi mô ta

quy luật phân bố xác suất dài hạn của chiều cao sóng ở khu vực các sóng bé Hàm

mật độ xác suất logarit chuẩn có dạng

2

1 )

μ

π

H e H H

Trong đó σ,μ- là hai thông số cần tìm

3.3.2 Chu kỳ lập lại

Việc tính xác suất theo số lần xuất hiện như trên có thể mở rộng qua khái niệm xác

suất theo thời gian trong các điều kiện sau:

- Các số liệu đo hoàn toàn độc lập theo nghĩa xác suất với nhau (như vậy hai giá trị

đo mùa bão lũ và mùa khô là không độc lập xác suất, vì mùa lũ sóng gió lớn hơn)

- Xác suất hay hàm phân bố không đổi theo thời gian (xem quá trình ngẫu nhiên là

dừng)

Như vậy phân bố xác suất vượt theo thời gian bất kỳ bằng nhau và bằng phân bố

xác suất trên chuỗi N số liệu đo trong thời gian T (độ dài của chuỗi quan trắc)

Giá trị Hp% có tần suất vượt là p = n/N trong khoảng thời gian T có nghĩa là:

+ Giá trị Hp% có thể bị vượt p.N lần trong thời gian T (năm), vậy Hp% có thể bị vượt

một lần trong thời gian TR = T/(p.N)

TR gọi là chu kì lặp lại của một giá trị Hp% đã biết có tần số vượt p

Thông thường ta cần phải ngoại suy từ dãy số liệu đo để tìm giá trị chiều cao sóng

H TR (và tần suất vượt) có chu kỳ lập lại TR quy định trước

Giá trị HTR chính là giá trị Hp% ứng với xác suất vượt p = T/(TR N), để xác định H TR

= Hp% biết p% phải dùng mô hình phân bố xác suất, dạng (3.13) với các thông số α,β

được xác định bằng phương pháp xấp xỉ dãy số liệu đo

Tóm lại từ dãy N số liệu đo trong T năm ta có thể xác định được phân bố xác suất

vượt p(H≥H p% ) Theo phân bố này tính được xác suất vượt p(H≥H p% ) tương ứng với

chu kỳ lặp lại TR của sự kiện vượt Hp%

R

T N

T

p= 1

Khi trong một đơn vị thời gian (ví dụ một năm) có và chỉ có một giá trị đo duy nhất,

ví dụ các giá trị Hmax hay Hs max hàng năm, thì giá trị T=N, ta có quan hệ thường dùng

giữa chu kỳ lặp lại TR và xác suất vượt p(H≥H p% ) : TR = 1/p

Ví dụ:

- p = 1% ứng với chu kì lặp lại 100 năm (chu kỳ của sự kiện vượt)

- p = 2% ứng với chu kỳ lặp lại 50 năm (vượt một lần trong 50 năm)

Trường hợp tổng quát khi T ≠ N thì thì T R = T/(p.N)

Ví dụ Có 12 giá trị Hs đặc trưng của 12 tháng điển hình, đơn vị thời gian là năm thì

T= 1:

- p =1% ứng với chu kỳ lặp lại TR = T(p/N) = 1/(0.01*12) = 8.333 năm (100

tháng)

- P = 2% ứng với chu kỳ lặp TR = T /(p.N) = 1/(0.02*12) = 4.166 (50 tháng)

3.4 DỰ BÁO SÓNG GIÓ TRÊN BIỂN

3.4.1 Khái quát chung

Để có số liệu đầu vào thật chính xác phục vụ cho công tác thiết kế đê biển, công

tác dự báo sóng gió trên biển đòi hỏi phải có độ tin cậy cao Với mục đích là lựa chọn

các thông số sóng: Chiều cao sóng H; chiều dài sóng L; chu kỳ sóng T phù hợp với

nội dung tính toán thiết kế từng hạng mục, từng cấp công trình

Công tác dự báo sóng gió trên biển phục vụ cho thiết kế các công trình ven biển

bao gồm hai nội dung:

- Dự báo các thông số sóng gió mùa

- Dự báo các thông số sóng bão

Đối với mọi địa điểm xây dựng trước hết cần phải có số liệu về thủy địa hình, có

đầy đủ số liệu thủy – hải văn (Hoa gió, mực nước, thủy triều, hải lưu ) Đặc biệt phải

có đầy đủ các số liệu sau:

- Tốc độ gió W (m/s) ở độ cao trên mực nước biển 10m;

- Các hướng gió kèm theo tần suất

- Đà gió F (Km, m)

- Thời gian gió thổi t (h)