Tóm tắt
Với
hệ thống trên 2000 km đê biển và đê cửa sông hiện tại với cao
trình phổ biến chỉ khoảng +5.50 (m) trên mực nước biển thì khi
bão đổ bộ vào bờ sẽ xảy ra hiện tượng nước tràn mặt đê. Trong
những năm tới với sự biến đổi khí hậu toàn cầu và mực nước biển
tăng thì hiện tượng tràn đê sẽ phổ biến hơn. Báo cáo đánh giá
vai trò của độ nhám mái và độ dốc mái đê, cơ đê biển giúp cho các nhà tư
vấn thiết kế có những lựa chọn hợp lý hơn để xây dựng và bảo
vệ hệ thống đê trước mắt cũng như lâu dài.
Từ khóa: Lưu lượng tràn thiết kế (qp); độ cao lưu không trên mực nước thiết kế (Rcp).
1. MỞ ĐẦU
Nước
ta có 3254 km bờ biển, 89 cửa sông trực tiếp đổ ra biển và hơn
3000 hòn đảo trải dọc theo bờ biển của 29 tỉnh và các thành
phố, hải cảng, các khu công nghiệp, dầu khí, các khu đánh bắt
và nuôi trồng thủy sản đã tạo cho đất nước ta một tiềm năng to
lớn trong phát triển kinh tế biển và vùng ven biển cửa sông.
Trong
những năm gần đây do ảnh hưởng biến đổi khí hậu toàn cầu diễn
biến thời tiết thất thường và có xu thế ác liệt hơn. Cụ thể là
bão xảy ra với tần suất và cường độ tăng lên; nắng nóng và hạn
hán kéo dài trên diện rộng; mùa đông ngắn dần, nhiệt độ tăng
lên kéo theo lượng bốc hơi tăng cao; mùa mưa ngắn nhưng lượng
và cường độ mưa lớn hơn, trong khi mưa mùa đông giảm đi rõ rệt
v.v… Tất cả những biến đổi dị thường đó gây ra những hậu quả nặng
nề, trong đó mực nước biển tăng với độ lớn từ 50 đến 100 cm/100 năm
tương ứng với các kịch bản khác nhau kéo theo sự gia tăng của
các đặc trưng thủy động lực vượt thiết kế gây ra tràn nước qua
đê phá hỏng lớp bảo vệ, xói thân đê, phá hoại từng phần tiến
tới phá hỏng cả đoạn đê biển. Cũng do điều kiện thủy động lực
lớn hơn làm vận tốc dòng chảy do sóng và thủy triều gia tăng
gây xói và hạ thấp bãi, phá hỏng các kết cấu bảo vệ chân, gây
sạt trượt mái và thân đê. Thực tế đó đòi hỏi phải có các giải
pháp ứng phó cũng như thích ứng với biến đổi khí hậu mà một
trong số những giải pháp là xem xét cho phép nước tràn qua đê do sóng.
Nội dung của bài báo trình bày việc tính toán cao trình đỉnh đê
khi mái đê có độ dốc, vật liệu bảo vệ khác nhau.
2. TÍNH TOÁN CAO ĐỘ ĐỈNH ĐÊ
Công thức tổng quát tính toán cao trình đỉnh đê như sau:
Cao trình đỉnh đê biển (Zđp) được xác định theo công thức:
Zđp = Zp + Rcp + a (1)
Trong đó Zp : Mực nước thiết kế; Trường hợp nghiên cứu lấy p = 5%
Rp: Độ lưu không đỉnh đê tính từ mực nước thiết kế (có thể là độ cao sóng leo Rup hoặc chiều cao sóng tràn Rcp )
a là chiều cao gia thăng (m), lấy bằng 0.3
3. TÍNH TOÁN CÁC THÀNH PHẦN CỦA CAO TRÌNH ĐỈNH ĐÊ
a) Mực nước tổng hợp thiết kế
Mực nước tổng hợp thiết kế bao gồm tổ hợp giữa mực
nước tạo thành do thủy triều và nước dâng do bão. Dựa vào kết
quả nghiên cứu thuộc chương trình đê biển, cứ 10 km dọc theo
đường bờ biển, đường tần suất mực nước tổng hợp được xây dựng. Đường tần
suất cho khu vực bờ biển Hải Chính, Hải Hậu, Nam Định như hình
1.
Hình 1: Đường tần suất mực nước tổng hợp tại Hải Chính (106029’, 17059’), Hải Hậu, Nam Định
Ứng với tần suất thiết kế p = 5%, ta có mực nước thiết kế Zp = 2.33 (m).
b) Xác định Rcp
Trong trường hợp đê có cao trình thấp (cho phép tràn
qua đỉnh) thì các yêu cầu về thiết kế sẽ dựa vào lượng
sóng tràn cho phép và mức độ bảo vệ phần mặt công trình
chịu tác động của sóng và phần mái phía đồng (các thông số
hình dạng, chiều dài, vật liệu xây dựng).
Phương pháp tính toán xét đến lưu lượng sóng tràn được đề cập
nhiều trong các nghiên cứu của Pilarczyk (1990), SPM (1984),
PIANC (1991/1992), TAW (2002).
Căn cứ vào các nghiên cứu của TAW (2002) và nghiên cứu trên
máng sóng ĐH Thủy lợi, chúng tôi đề nghị công thức tính toán
sóng tràn sau:
Trong đó: q: Lưu lượng sóng tràn trung bình cho phép (l/s/m)
Rcp: Chiều cao lưu không trên mực nước thiết kế (m)
γυ- Hệ số triết giảm do tường đứng trên mái dốc
gb - Hệ số chiết giảm khi có cơ, khi không có cơ lấy gb= 1
gf - Hệ số chiết giảm do độ nhám của mái
gb - Hệ số chiết giảm do góc sóng tới không thẳng góc với trục đê
x0 - Hệ số sóng vỡ
Trong các công thức (2) đến (4), có thể thấy lưu
lượng sóng tràn phụ thuộc vào chiều cao sóng thiết kế trước
chân công trình (Hsp), hệ số chiết giảm do góc sóng
tiến vào bờ; các tham số về mái dốc, ảnh hưởng của cơ đê cũng như ảnh
hưởng của độ nhám mái đê khi sóng trườn lên.
Sóng thiết kế trước chân công trình theo tính toán là Hm0p = Hsp = 2.0 (m);
Giả thiết góc sóng tới αin = 100,
Chúng ta khảo sát ảnh hưởng của các tham số nhám và độ dốc mái đê.
4. KHẢO SÁT CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG
a) Ảnh hưởng của độ nhám mái đê tới Rcp
Để nghiên cứu ảnh hưởng này, giả thiết rằng mái ngoài đê không bố trí cơ hay m1 = m2 = 3, khi đó quan hệ giữa lưu lượng sóng tràn (q) và chiều cao lưu không (Rcp) khi độ nhám mái ngoài thay đổi với việc chọn hình thức và vật liệu bảo vệ khác nhau được tính toán như bảng dưới đây.
Bảng 1: Quan hệ giữa q(l/s/m) và Rcp(m)
Nhận xét: Tính cao trình đỉnh đê trong trường hợp này với:
- q = 1.0 (l/s/m) và hệ số nhám mái n = 0.80
Zđp = 2.33 + 5.11 + 0.30 = 7.74 (m) (Trường hợp này xem như nước không tràn mặt đê)
- q = 20.0 (l/s/m) và hệ số nhám mái n = 0.80
Zđp = 2.33 + 3.09 + 0.30 = 5.72 (m)
Căn
cứ vào kết quả tính toán, có thể nói rằng với cao trình đê
hiện tại (khoảng + 5.5 m) thì khả năng nước tràn là rất lớn và
lượng tràn đó lên tới khoảng 20 l/s/m. Nếu cho phép nước tràn
với một lượng hạn chế nào đó (ví dụ 20 l/s/m) thì cao trình đê
có thể hạ thấp tới 2.0 (m).
Hình 2: Tương quan giữa q (l/s/m) và Rcp(m) lấy độ nhám mái làm tham số
b) Ảnh hưởng của độ dốc mái đê (trường hợp không bố trí cơ đê)
Để
khảo sát ảnh hưởng của độ dốc mái đê, cố định hình thức và vật
liệu bảo vệ mái đê. Trường hợp này giả sử n = 0.80, khi đó
quan hệ giữa giữa lưu lượng sóng tràn (q) và chiều cao lưu
không (Rcp) được tính toán ở bảng 2.
Bảng 2: Quan hệ giữa q(l/s/m) và Rcp(m) tham số độ dốc mái ngoài thay đổi
Hình 3: Tương quan giữa q (l/s/m) và Rcp(m) lấy độ dốc mái làm tham số
Nhận xét: Tính cao trình đỉnh đê trong trường hợp mái dốc thay đổi:
- q = 1.0 (l/s/m) và hệ số nhám mái n = 0.80
Với hệ số mái dốc m = 3: Zđp = 2.33 + 5.11 + 0.30 = 7.74 (m)
Với hệ số mái dốc m = 4: Zđp = 2.33 + 3.76 + 0.30 = 6.39 (m)
Với hệ số mái dốc m = 5: Zđp = 2.33 + 3.76 + 0.30 = 5.59 (m)
- q = 20.0 (l/s/m) và hệ số nhám mái n = 0.80
Với hệ số mái dốc m = 3: Zđp = 2.33 + 3.09 + 0.30 = 5.72 (m)
Với hệ số mái dốc m = 4: Zđp = 2.33 + 2.24 + 0.30 = 4.87 (m)
Với hệ số mái dốc m = 5: Zđp = 2.33 + 1.75 + 0.30 = 4.38 (m)
Căn
cứ vào kết quả tính toán, cho ta thấy với cao trình đê hiện
tại (khoảng + 5.5 m), nếu thay đổi mái dốc từ m = 3 sang mái
dốc m = 5 thì cao trình đỉnh đê có thể giảm tới 1.43(m). Tuy
nhiên, khi giảm cao trình đỉnh thì không gian lại phải mở rộng
hơn, diện tích chiếm đất lớn hơn vì mái đê thoải hơn.
c) Ảnh hưởng của độ dốc mái đê (Khi bố trí cơ đê)
Khảo sát ảnh hưởng của cơ đê phía biển được thực hiện trong 3
trường hợp với các thông số sóng thiết kế Hsp = 2.0
(m), độ nhám mái n = 0.80, nhưng có bố trí cơ đê với cao trình
mặt cơ đặt tại mực nước thiết kế (▼2.33 m); độ dốc mái gồm các
tổ hợp mái duới cơ (m1) và trên cơ (m2) như sau: (2/3; 3/4 và 4/5).
Kết quả tính toán ghi trong bảng 3 và hình 4 tương ứng.
Bảng 3: Quan hệ giữa q(l/s/m) và Rcp(m), bố trí cơ với độ dốc mái ngoài thay đổi
Nhận
xét: Nếu bố trí cơ đê độ dốc mái càng thoải thì cao độ đỉnh đê
càng giảm, Chẳng hạn khi bố trí tổ hợp (3/4) so với tổ hợp
(2/3) thì cao trình đỉnh có thể giảm từ 1.0 (m) đến 0.50(m) khi
lưu lượng tràn tăng từ 1.0 (l/s/m) lên 50.0 (l/s/m) và với tổ
hợp (2/3) và (4/5) thì độ giảm đó lên tới từ 1.55 (m) đến 0.75
(m).
- So sánh trường hợp bố trí cơ và không bố trí cơ cho thấy nếu
được bố trí cơ thì cao trình đỉnh đê thấp hơn khi có cơ từ 0.5
(m) đến 1.0 (m).
Hình 4: Tương quan giữa q (l/s/m) và Rcp(m), bố trí cơ với độ dốc mái làm tham số
5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.
Trên đây là kết quả tính toán cho một trường hợp và là trình
tự phải thực hiện khi tính toán thiết kế. Trong thực tế, khi
thiết kế cho một tuyến đê cụ thể, tư vấn phải căn cứ vào tần
suất thiết kế để tính toán các thông số trong công thức (1)
theo trình tự trên. Các số liệu tính toán trên đây cho chúng ta
những con số cụ thể về mức độ giảm cao trình đỉnh đê rất đáng kể khi
thay đổi hình dạng hình học của mặt cắt đê cũng như giải pháp làm
tăng nhám mái đê.
2.
Trường hợp mực nước biển tăng do biến đổi khí hậu, cần dự báo
trước khả năng tăng lên của sóng và chiều sâu cột nước trước
chân công trình và dự trữ không gian cần thiết để có thể “làm
thoải thêm độ dốc mái, bố trí thêm cơ đê hay tăng độ nhám mái
đê, gây bồi bãi trước đê hoặc xem xét khả năng trồng cây chắn
sóng” là những giải pháp hữu hiệu nhằm giảm nguy cơ phá hoại đê và giảm lượng nước tràn qua đê.
3.
Một số tuyến đê biển và đê cửa sông của chúng ta hiện nay có
bố trí thêm tường đỉnh với chiều cao thực tế khoảng 50 -70cm,
cao trình đỉnh tường bằng hoặc lớn hơn cao trình đỉnh đê thiết
kế đôi chút. Thiết kế này phù hợp trong trường hợp nước không
tràn. Tuy nhiên, khi có nước tràn qua đỉnh thì việc bố trí
tường đỉnh sẽ gây ra tình trạng bất ổn định khá lớn cho bản thân tường
và cho cả con đê. Chính vì vậy, những nghiên cứu tiếp theo cần
phải đánh giá vai trò, ưu nhược điểm của tường đỉnh để có đề
xuất thiết kế hợp lý.
Tài liệu tham khảo:
-
Các đề tài thuộc “Chương trình nâng cấp hệ thống đê biển và
các công trình thủy lợi vùng cửa sông ven biển” giai đoạn 1
Quảng Ninh – Quảng Nam 2007 – 2008.
- TAW, 2002. Technical report wave run-up and wave overtopping at dikes, Technical Advisory Committee on Flood Defence, The Netherlands.
Abstract
With more than 2,000 km of estuary and sea dikes having crest
level of about 5.5 (m) above MSL, wave overtopping occurs
frequently when typhoon coming to the coasts. In coming year with
global climate change and sea level rise the wave overtopping will be
accelerated. The paper investigates quantitatively the
relationship between overtopping discharge and vertical
distance above still water level under the effects of dike
slope, dike berm as well as roughness of revetment’s materials
to protect sea dikes. It helps design consultants select
appropriate parameters for construction and protecting
permanently estuary and sea dikes.
Key words: Design wave overtopping discharge (q); Vertical distance above still water level Theo PGS.TS Vũ Minh Cát và ThS. Vũ Minh Anh Khoa Kỹ thuật biển Trường Đại học Thủy Lợi
http://lib.wru.edu.vn
0 nhận xét:
Post a Comment