BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI





NGUYỄN VĂN THÌN








NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH
Ở BẮC BỘ








LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI





NGUYỄN VĂN THÌN





NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH
Ở BẮC BỘ






Chuyên ngành:
Xây dựng công trình thủy
Mã số:
62-58-40-01



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ

2. GS.TS. Ngô Trí Viềng









HÀ NỘI, NĂM 2014
i

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một

nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.
Tác giả luận án

Nguyễn Văn Thìn

ii

LỜI CẢM ƠN
Có được kết quả nghiên cứu như hôm nay ngoài sự cống gắng của bản thân, tác giả xin
trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ, GS.TS. Ngô Trí Viềng
đã hướng dẫn tận tình.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Thiều Quang Tuấn, PGS.TS. Trịnh Minh Thụ,
PGS.TS. Nguyễn Trung Việt đã tận tình giúp đỡ mọi mặt trong quá trình tác giả thực
hiện luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo ĐH&SĐH,
bộ môn Thủy công, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, phòng Khoa học công nghệ
và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả để hoàn thành luận án.
Tác giả xin được cảm ơn Vụ Giáo dục Đại học - Bộ Giáo dục & Đào tạo, Bộ Nông
nghiệp và PTNT đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh, động viên tác giả vượt qua
mọi khó khăn khi thực hiện luận án.

iii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ix
MỞ ĐẦU 1

1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Nội dung nghiên cứu 2
5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3
7. Những đóng góp mới của luận án 3
8. Cấu trúc của luận án 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN CÓ
TƯỜNG ĐỈNH THẤP 5
Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển 5
Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới 5
Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam 6
Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu 8
Nguyên nhân hư hỏng đê biển 8
Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn 9
Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ 12
Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc 12
Khái quát chung 12
Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh 14
Đê biển có tường đỉnh thấp ở Thanh Hóa 16
Đê biển có tường đỉnh thấp ở Nam Định 16
Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hải Phòng 18
Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp 18
Ở trên thế giới 18
Ở Việt Nam 20
iv

Kết luận chương 1 26
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÁNG SÓNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

CỦA TƯỜNG ĐỈNH THẤP ĐẾN SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 28
Mục đích nghiên cứu 28
Cơ sở lý thuyết về tương tự 28
Tương tự về hình học 28
Tương tự về động học 29
Tương tự về động lực học. 29
Mô tả thí nghiệm sóng đều 29
Máng sóng 29
Mô hình đê và các tham số thí nghiệm 31
Chương trình thí nghiệm 32
Trình tự thí nghiệm và các tham số đo đạc 34
Phân tích kết quả thí nghiệm 37
Ảnh hưởng của tường đỉnh đến lưu lượng sóng tràn trung bình 37
Ảnh hưởng của tường đến chiều cao sóng bắn 40
Kết luận chương 2 42
CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC SÓNG – TƯỜNG VÀ DÒNG CHẢY SÓNG TRÀN
QUA ĐÊ BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP 43
Đặt vấn đề 43
Mô hình NLSW (Tuấn và Oumeraci, 2010) 46
Hệ phương trình cơ bản 46
Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên 47
Mô hình RANS-VOF (COBRAS-UC, máng sóng số) 52
Giới thiệu máng sóng số 52
Hệ phương trình cơ bản 54
Sóng tràn đối với sóng ngẫu nhiên 55
Sóng tràn đối với sóng đều 57
Kết luận chương 3 72
CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG TRÀN
QUA ĐÊ BIỂN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH 74
Giới thiệu công trình 74

v

Tính toán sóng tràn 75
Các công thức cơ bản 75
Thiết lập bảng tính toán sóng tràn 75
Xây dựng phần mềm tính toán sóng tràn 79
Kết quả tính toán sóng tràn và đề xuất mặt cắt ngang đê biển 81
Kết quả tính sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định 81
Đề xuất mặt cắt ngang đê biển 83
Phạm vi áp dụng 83
Kết luận chương 4 85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86
I. Kết quả đạt được của luận án 86
II. Những đóng góp mới của luận án 88
III. Tồn tại và hướng phát triển 89
IV. Kiến nghị 89
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
PHỤ LỤC 99


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản 5
Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1] 7
Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1] 9
Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức 10
Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam 10
Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005 11

Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1] 11
Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014) 12
Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam 13
Hình 1.10 Đê biển Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh [3] 15
Hình 1.11 Đê biển Phúc Long Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh [3] 15
Hình 1.12 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa [7] 16
Hình 1.13 Đê biển Giao Thủy, Nam Định 17
Hình 1.14 Đê biển Quất Lâm, Nam Định 17
Hình 1.15 Đê biển Cát Hải, Hải Phòng 18
Hình 1.16 Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh thấp [9] 19
Hình 1.17 Ảnh hưởng của tường đỉnh thấp trên đê và các tham số chi phối [56] 21
Hình 1.18 Thí nghiệm sóng tràn qua đê biển trong nghiên cứu [56] 21
Hình 1.19 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng vỡ [56] 22
Hình 1.20 Chiết giảm sóng tràn do tường đỉnh thấp: sóng không vỡ [56] 22
Hình 1.21 Sơ đồ thí nghiệm sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp [58] 24
Hình 1.22 Các tham số đê và tường trong tính toán sóng tràn [58] 24
Hình 1.23 Hệ số ảnh hưởng của chiều cao tường 
w
[58] 25
Hình 1.24 Hệ số ảnh hưởng của chiều rộng thềm trước tường 
s
[58] 25
Hình 2.1 Toàn cảnh máng sóng sử dụng thí nghiệm 30
Hình 2.2 Máy tạo sóng 30
Hình 2.3 Máng sóng 31
Hình 2.4 Khu vực điều khiển máy tạo sóng 31
Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm sóng đều 32
Hình 2.6 Xử lý chống thấm qua đê trong thí nghiệm 33
Hình 2.7 Máy tính, thiết bị nhận và lưu trữ tín hiệu 34
Hình 2.8 Kiểm tra các đầu đo sóng tại chân đê 35

Hình 2.9 Mô hình xác định lưu lượng sóng tràn 36
Hình 2.10 Mô hình xác định chiều cao sóng bắn 36
Hình 2.11 Mô hình xác định chiều sâu dòng chảy tràn 36
Hình 2.12 Hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường đỉnh thấp 
v
(đo đạc - tính toán) 38
Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ giữa (H
b
/H) với (S.H/g.W.T
2
) 40
Hình 3.1 Mô tả tường thẳng đứng qua mái nghiêng (TAW-2002) – PA1 48
vii

Hình 3.2 Mô tả tường bằng chiều cao lưu không tương đương – PA2 49
Hình 3.3 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA1) 51
Hình 3.4 Kết quả tính toán sóng tràn bằng mô hình NLSW (PA2) 52
Hình 3.5 Sóng tràn qua đê trong (MH vật lý) 53
Hình 3.6 Sóng tràn qua đê (MH máng sóng số) 53
Hình 3.7 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng ngẫu nhiên, COBRAS-UC) 57
Hình 3.8 Lưu lượng sóng tràn trung bình (Sóng đều, COBRAS-UC) 59
Hình 3.9 Sóng bắn khi sóng va vào tường (MH Vật lý) 61
Hình 3.10 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê (MH Vật lý) 61
Hình 3.11 Sóng chảy thành dòng (MH Vật lý) 62
Hình 3.12 Sóng rút (MH Vật lý) 62
Hình 3.13 Sóng bắn khi sóng va vào tường t= 27.1s ( MH vật lý) 63
Hình 3.14 Sóng đổ lên đỉnh tường và mặt đê t=27.3s ( MH vật lý) 63
Hình 3.15 Sóng chảy thành dòng t = 27.5s ( MH vật lý) 64
Hình 3.16 Sóng rút t=27.8s ( MH vật lý) 64
Hình 3.17 Chiều cao sóng bắn lớn nhất (đặc MH toán, rỗng MH vật lý) 65

Hình 3.18 Chiều sâu chảy tràn lớn nhất trên đỉnh tường 67
Hình 3.19 Ảnh hưởng của chiều rộng thềm đến chiều cao sóng bắn 70
Hình 3.20 Phân bố áp lực sóng lên tường xung quanh thời điểm t* 71
Hình 3.21 Lực sóng tác dụng lên tường 71
Hình 4.1 Đê biển Giao Thủy tỉnh Nam Định 74
Hình 4.2 Giao diện chính phầm mềm 79
Hình 4.3 Giao diện nhập các tham số thiết kế 80
Hình 4.4 Giao diện tính toán các tham số sóng thiết kế 80
Hình 4.5 Giao diện tính toán sóng tràn qua đê 81
Hình 4.6 Kết quả tính toán cho các kịch bản (W,S) khác nhau 83
Hình 4.7 Mặt cắt ngang đê biển theo dự thảo TCVN-2013 [4] 84
Hình 4.8 Mặt cắt ngang đê biển có tưởng đỉnh thấp và thềm trước 84


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3] 14
Bảng 1.2 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng ngẫu nhiên 23
Bảng 2.1 Tổng hợp chương trình thí nghiệm sóng đều 33
Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường 39
Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm xác định chiều cao sóng bắn 41
Bảng 3.1 Kết quả đo đạc và tính toán sóng tràn cho các trường hợp điển hình sóng
ngẫu nhiên 56
Bảng 3.2 Kết quả đo đạc và tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình của sóng đều 58
Bảng 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán chiều cao sóng bắn lớn nhất 66
Bảng 3.4 Kết quả đo đạc và tính toán chiều sâu dòng chảy tràn lớn nhất 68
Bảng 4.1 Thiết lập các thông số đầu vào 75
Bảng 4.2 Tính toán các tham số sóng thiết kế 77
Bảng 4.3 Tính toán lưu lượng sóng tràn trung bình 77

Bảng 4.4 Lưu lượng sóng tràn trung bình và chiều cao sóng bắn cho đê biển Giao
Thủy, tỉnh Nam Định với các kịch bản (W,S) khác nhau 82



ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
1. Danh mục các từ viết tắt:
2DV-RANS Navier – Stockes 2 chiều – Phương trình 2 chiều
ARC Active Reflection Compensation – Hấp thụ sóng phản xạ tự động
BĐKH Biến đổi khí hậu.
COBRAS Cornell Breaking Waves and Structures – Mô hình máng sóng số
ENDEC Energy Decay – Suy giảm năng lượng sóng
FVM Finite volume method – Phương pháp phần tử hữu hạn
MH Mô hình.
MNTK Mực nước thiết kế.
NH Nguyên hình.
NLSW Non-Linear Shallow Water – Phương trình phi tuyến nước nông
RANS Reynolds Averaged Navier Stokes – Mô hình toán họ RANS
SPH Smoothed Particle Hydrodynamics – Mô hình thủy lực SPH
SWASH Simulating WAve still Shore – Mô hình SWASH
TAW Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes – Sổ tay kỹ thuật
tính toán sóng tràn qua đê
TH Trường hợp.
VOF Volume Of Fluid – Mặt thoáng
2. Các thuật ngữ
“Tường đỉnh thấp” là tường đỉnh trên đê có (W/Hs ≤ 0.5)
“Thềm trước” là thềm phía trước tường đỉnh
“Sóng bắn” là một phần sóng tràn nằm trong không khí không bám sát bề mặt đê


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu và
nước biển dâng. Dọc theo bờ biển là những trung tâm kinh tế, văn hóa quan trọng của
cả nước. Để đảm bảo ổn định và phát triển bền vững của khu vực quan trọng này nhất
thiết phải xây dựng hệ thống đê biển. Mặc dù đã được nhà nước đầu tư đáng kể qua
nhiều chương trình, nhưng đê biển Bắc bộ vẫn có cao trình đỉnh tương đối thấp, bề rộng
mặt đê nhỏ, mái đê phía biển, phía đồng dốc, hầu hết đê lại trực diện với biển. Đây là
vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai (đặc biệt là bão, áp thấp nhiệt đới) là
vùng biển có độ lớn thuỷ triều cao và nước dâng do bão lớn. Vì vậy hệ thống đê biển
khu vực này luôn có nguy cơ sóng tràn qua đê làm vỡ đê gây ảnh hưởng nặng nề đến
tính mạng và tài sản của nhân dân (điều này đã được chứng minh thực tế qua các cơn
bão điển hình trong những năm gần đây).
Theo kết quả thống kê từ các sự cố vỡ đê trong những năm qua thì sóng tràn gây hư hại
mặt đê và mái phía đồng là phổ biến ở nước ta. Một trong những giải pháp hữu hiệu để
giảm sóng tràn qua đê là xây tường đỉnh thấp đặt trên đỉnh đê, vì việc tôn cao mặt đê
hay làm cơ ở phía thượng lưu là rất tốn kém và khó khả thi đặc biệt là những tuyến đê
bảo vệ các thành phố, các khu du lịch. Đến nay, các nghiên cứu sóng tràn qua đê có
tường đỉnh thấp đặc biệt là các nghiên cứu tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy
sóng tràn chưa đầy đủ.
Việc hiểu rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp và thềm trước tường đối với sóng tràn có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển
hiện nay. Với ý nghĩa đó tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường
đỉnh ở Bắc bộ” làm đề tài nghiên cứu của mình.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình và tính
chất dòng chảy sóng tràn qua đê biển, từ đó góp phần nâng cao độ tin cậy trong tính toán

2

sóng tràn qua đê biển để bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật đê biển hiện
nay.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;
- Phạm vi nghiên cứu là đê biển hiện có ở Bắc bộ - Việt Nam.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;
- Mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến sóng tràn
qua đê biển;
- Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;
- Áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam
Định.
5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
5.1. Cách tiếp cận
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên
cứu có liên quan trong nước và trên thế giới về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp.
Từ đó lựa chọn hướng tiếp cận vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính sáng tạo và phù
hợp với điều kiện Việt Nam.
5.2. Các phương pháp sử dụng trong luận án
- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài
liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết với luận án, từ đó tìm ra những
vấn đề khoa học mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ;
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thực hiện các thí nghiệm sóng tràn với các
kịch bản khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng
tràn trung bình và tương tác sóng – tường;
3

- Phương pháp kết hợp: kết hợp mô hình toán với mô hình vật lý để dự báo lưu lượng

sóng tràn trung bình, làm sáng tỏ quá trình tương tác sóng - tường và tính chất dòng
chảy sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;
- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán sóng tràn
qua đê biển Giao Thủy, tỉnh Nam Định.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
6.1. Ý nghĩa khoa học
Các nghiên cứu hiện tại về sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp chưa thật đầy đủ
đặc biệt là vấn đề tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn. Do đó, việc hiểu
rõ ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến lưu lượng sóng tràn trung bình cũng như tương
tác giữa sóng – tường và tính chất dòng chảy sóng tràn sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy
trong tính toán sóng tràn qua đê biển, bổ sung luận cứ khoa học cho tiêu chuẩn kỹ thuật
đê biển hiện nay.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đê biển Bắc bộ thường có cao trình đỉnh khá thấp nên khi có bão, triều cường, kết hợp
với nước biển dâng thì hầu hết các tuyến đê biển đều bị sóng tràn qua và có nguy cơ vỡ
đê. Để đảm bảo tính mạng và tài sản của các vùng ven biển trong điều kiện biến đổi khí
hậu và nước biển dâng như hiện nay, nhất thiết phải giảm thiểu sóng tràn qua đê, đặc
biệt là những tuyến đê bảo vệ các khu dân cư, vùng kinh tế quan trọng. Hiện nay, để
nâng cao cao trình đê biển với đê hiện có, đặc biệt là các tuyến đê bảo vệ các thành phố,
các khu du lịch là khó khả thi. Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp xây dựng tường đỉnh thấp
trên đê nhằm nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là giải pháp được
áp dụng phổ biến do tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện kinh tế hiện nay của nước
ta hiện nay.
7. Những đóng góp mới của luận án
- Làm sáng tỏ bản chất ảnh hưởng của tường đỉnh đến các đặc trưng sóng tràn và chứng
minh được tính ưu việt của thềm trước thông qua việc đi sâu phân tích quá trình tương
tác sóng – tường;
4

- Xây dựng được công thức thực nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng tổng hợp của tường

đỉnh thấp trên đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình cho trường hợp sóng đều (2-12);
- Xây dựng được đường cong quan hệ tường minh giữa chiều cao sóng bắn với các
tham số sóng và hình học tường (Hình 2.13);
- Xây dựng được một mặt cắt ngang đê biển tường đỉnh có thềm trước hợp lý, hiệu quả,
phù hợp với thực tiễn đê biển Bắc bộ - Việt Nam (Hình 4.8).
8. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương
bao gồm:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê biển có tường đỉnh thấp;
Chương 2: Mô hình vật lý máng sóng nghiên cứu ảnh hưởng của tường đỉnh thấp đến
sóng tràn qua đê biển;
Chương 3: Tương tác giữa sóng - tường và dòng chảy sóng tràn qua đê biển có tường
đỉnh thấp;
Chương 4: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán sóng tràn qua đê biển Giao Thủy,
tỉnh Nam Định.

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ
BIỂN CÓ TƯỜNG ĐỈNH THẤP
Tổng quan về nghiên cứu sóng tràn qua đê biển
Tổng quan nghiên cứu sóng tràn trên thế giới
Nghiên cứu đê biển nói chung, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển nói riêng được nhiều
quốc gia quan tâm đặc biệt là những quốc gia có biển. Sự phát triển khoa học và kỹ thuật
về đê biển ở các nước này gắn liền với lịch sử phát triển của đất nước. Nghiên cứu về
đê biển ở trên thế giới đã có từ lâu, nhiều nước đã có những nghiên cứu khá toàn diện
như: Mỹ, Hà Lan, CHLB Đức, Nhật Bản Các thành tựu nghiên cứu về khoa học và
công nghệ đê biển trên thế giới đã được tổng kết, đánh giá đưa vào sổ tay, quy trình, quy
phạm [1][6]. Hiện nay, hệ thống đê biển của các nước phát triển được xây dựng kiên cố,
khá hiện đại, kết hợp với hệ thống đường cao tốc (Hình 1.1).


Nhưng do những biến động lớn về môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu toàn
cầu, tần suất và cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, đặc biệt là: bão, triều cường và
nước biển dâng làm cho nguy cơ tràn nước qua đê chưa được loại bỏ vẫn là mối hiểm
họa. Vì vậy, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển là vấn đề trọng thị trên thế giới. Các
nghiên cứu tiêu biểu về sóng tràn qua đê có thể kể đến:

Hình 1.1 Đê biển ở vịnh Isahaya, Nagasaki, Nhật bản


6

Saville (1955) là người đầu tiên đặt vấn đề nghiên cứu sóng tràn bằng một loạt các thí
nghiệm sóng đơn [44]. Cho đến nay, đã có hàng vạn các thí nghiệm đang được tiến hành
ở nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới, chủ yếu là ở Châu Âu nghiên cứu thực nghiệm
của sóng leo và sóng tràn qua các kết cấu công trình biển. Các thí nghiệm sau này được
thực hiện trong điều kiện ngày càng tốt hơn và gần với các điều kiện tự nhiên hơn như:
sóng ngẫu nhiên có phổ, tỷ lệ mô hình lớn, kết cấu công trình đa dang [9];
Owen (1980) dựa trên số lượng hàng ngàn thí nghiệm mô hình sóng ngẫu nhiên, bước
đầu đã xây dựng được công thức xác định lưu lượng sóng tràn trung bình qua công trình
mái nhẵn. Các nghiên cứu sau đó của Owen cũng đã xét đến ảnh hưởng của độ nhám
mái đê đến lưu lượng sóng tràn trung bình qua đê [40];
De Waal and Van der Meer (1992) đã tiếp tục nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn
không thấm tương tự như Owen (1980). Tuy nhiên lưu lượng sóng tràn trung bình được
quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lưu không đỉnh đê (R
u2%
- R
c
)/H
s

. Các kết quả
nghiên cứu này vẫn còn nhiều hạn chế như: không xét đến ảnh hưởng của độ nhám mái
đê, ảnh hưởng của cơ đê và nhất là tính sóng tràn thông qua sóng leo R
u2%
[17];
Van der Meer and Janssen (1995) đã cải tiến các công thức tính toán trước đó, sóng
tràn tính toán trực tiếp thông qua độ lưu không tương đối R
c
/H
s
. Sóng tràn còn phụ thuộc
vào tính chất tương tác sóng với công trình thể hiện qua các sóng vỡ và sóng không vỡ.
Trong nghiên cứu này đã xây dựng được công thức tính toán sóng tràn có thể áp dụng
cho đê có cơ ở phía biển và xem xét độ nhám của mái đê [59];
TAW (2002), EurOtop (2007) đã xây dựng được bộ công thức tính toán sóng tràn qua
đê khá hoàn chỉnh, với phạm vi ứng dụng rộng rãi cho đa dạng các kết cấu hình học đê
và có xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến sóng tràn qua đê. Hiện nay kết quả
nghiên cứu này được sử dụng phổ biến [50][19].
Tổng quan nghiên cứu sóng tràn ở Việt Nam
Nước ta có hơn 3260km bờ biển, 89 cửa sông và hơn 3000 hòn đảo, dọc theo bờ biển là
29 tỉnh và các thành phố, hải cảng, khu công nghiệp, dầu khí, khu đánh bắt và nuôi trồng
thủy sản. Vì thế, nước ta có một tiềm năng to lớn trong phát triển kinh tế biển và vùng
7

ven biển. Hệ thống đê biển, đê cửa sông được xây dựng và phát triển theo thời gian do
nhiều thế hệ người Việt Nam xây đắp [1].
Đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh tương đối thấp, nên khi có bão, triều cường và nước
biển dâng thì hệ thống đê biển quan trọng này luôn bị đe dọa tràn nước dẫn đến vỡ đê.
Khi thiết kế dù đã tuân theo các quy phạm hiện hành, nhưng do những biến động lớn về
môi trường, tác động rõ nét của biến đổi khí hậu, tần suất và cường độ thiên tai ngày

càng gia tăng, đặc biệt là: bão, triều cường và nước biển dâng làm cho nguy cơ tràn nước
qua đê gây ra những thảm họa lớn về người, tài sản và môi trường sinh thái ở các vùng
ven biển. Do đó, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển ở Việt Nam vẫn là vấn đề thời sự.

Để nâng cao trình độ về kỹ thuật, công nghệ thiết kế thi công đê biển dần tiếp cận với
trình độ khu vực và thế giới. Trong những năm qua, nhà nước đã đầu tư khá mạnh cho
việc nghiên cứu đê biển như: nghiên cứu xác định mặt cắt ngang hợp lý, nghiên cứu
công nghệ vật liệu xây dựng đê biển Tuy nhiên, nghiên cứu sóng tràn qua đê biển vẫn
còn khá khiêm tốn và chưa thật đầy đủ. Trong phạm vi nghiên cứu này tác giả chỉ giới
thiệu các nghiên cứu trong nước liên quan mật thiết đến mục tiêu của luận án:
Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2006, 2009, 2010, 2013) đã tiến hành thí nghiệm mô
hình vật lý kết hợp với phân tích lý thuyết cho các kịch bản khác nhau, có điều kiện biên

Hình 1.2 Sóng tràn gây phá hoại đê biển Nam Định [1]
8

sát với thực tế của đê biển Việt Nam. Các nghiên cứu này đã đánh giá độ tin cậy của
TAW (2002) và xây dựng được các cơ sở khoa học quan trọng cho việc tính toán sóng
tràn qua đê biển ở Việt Nam [55][56][57][58];
Vũ Minh Cát và cộng sự (2008) Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với
từng loại đê và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam [1];
Ngô Trí Viềng và cộng sự (2010) Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp
khoa học công nghệ đảm bảo sự ổn định và độ bền của đê biển hiện có trong trường hợp
sóng, triều cường tràn qua đê [10];
Phạm Ngọc Quý và cộng sự (2012) Nghiên cứu mặt cắt đê biển hợp lý từ Quảng Ngãi
đến Bà Rịa Vũng tàu [6].
Nguyên nhân, cơ chế phá hoại đê biển và giải pháp giảm thiểu
Nguyên nhân hư hỏng đê biển
Có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng đê biển như: do lũ sông, từ phía biển, từ thiết kế, từ
thi công, từ quản lý Trong các nguyên nhân gây hư hỏng đê biển, nguyên nhân từ phía

biển được xem là nguy hiểm nhất, bao gồm: bão, triều cường và nước biển dâng gây
sóng tràn đê dẫn đến phá hoại đê [1][8].
Hệ thống đê biển Bắc bộ có cao trình đỉnh đê khá thấp, phổ biến từ 4.0m đến 5.5m, lưu
lượng sóng tràn trung bình qua đê khi có bão là tương đối lớn, tùy từng vùng lưu lượng
sóng tràn trung bình có thể lên đến hàng trăm l/s/m. Sóng tràn gây xói mái trong dẫn
đến vỡ đê là nguyên nhân phổ biến [9]. Theo thống kê, chiều cao sóng trong bão tại chân
đê biển đạt khoảng 1.5m đến 1.8m. Nhưng nước dâng trong bão có thể lên tới 2.0m, làm
độ sâu nước tại chân đê tăng lên đáng kể. Đây là nguyên nhân khuếch đại chiều cao sóng
tràn, sóng leo lên mái công trình [1].
Tải trọng sóng tỉ lệ với chiều cao, hướng truyền sóng và xu thế tăng lên đáng kể sẽ là
nguyên nhân gây phá hoại đê [1]. Khi sóng tràn qua mặt đê, nước sẽ chảy trên mái vào
phía đồng với vận tốc khá lớn 3.0m/s đến 4.0m/s gây xói mặt đê, phá hỏng lớp bảo vệ
mái và đẩy vật liệu thân đê xuống chân. Mặt khác, khi sóng tràn trên mái sẽ thấm vào
thân gây quá trình bão hoà vật liệu trong thân đê. Quá trình thấm sẽ làm cho các vật liệu
9

trong thân đê bị kéo theo các khe nứt, lỗ hổng ra ngoài gây lún đê và phá hỏng các kết
cấu bảo vệ, dẫn tới phá hỏng toàn bộ mặt cắt đê. Hai yếu tố tác động trên được xảy ra
đồng thời nên khi có sóng tràn qua đê thì tốc độ phá hoại đê diễn ra rất nhanh [9][1].
Tóm lại, nguyên nhân gây hư hỏng đê biển thì có nhiều, nhưng theo số liệu thống kê từ
các sự cố vỡ đê thì sóng tràn gây phá hoại mặt đê, mái đê phía đồng là tác nhân chủ yếu,
là mối hiểm họa mà các nhà thiết kế, thi công và quản lý đặc biệt quan tâm.
Cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn
Khi sóng tràn qua đê làm mái trong bị xói. Quá trình xói này có thái phức tạp chịu chi
phối của nhiều yếu tố từ thủy động lực học, hình thái sóng tràn đến các tính chất cơ lý
của vật liệu gia cố mái đê. Khi đê biển có tường đỉnh thấp, sóng tràn đập vào mái đê do
năng lượng sóng leo lớn nên khi lưỡi sóng va vào tường đỉnh sẽ tạo ra sóng bắn lên cao,
kèm theo đó là gió bão từ ngoài biển thổi vào với vận tốc gió khá lớn, khối nước tạo ra
từ sóng bắn sẽ dội trực tiếp vào mặt đê với một động năng lớn làm hỏng mặt đê và dẫn
đến vỡ đê.


Chưa dừng lại ở đó, khi sóng tràn đê, đê bị bão hòa do thẩm thấu của dòng chảy sóng
tràn. Cơ chế này thường xảy ra với mái đê có độ dốc lớn (dốc hơn 1/2) hoặc khi đất đắp
đê có cường độ yếu. Trong nhiều trường hợp, hư hỏng mái đê thường là hậu quả kết hợp

Hình 1.3 Sóng tràn qua đê biển Nam Định trong bão số 7/2005[1]
10

của cả nhiều cơ chế và bắt đầu bằng quá trình xói mái đê, tức là khi mái đê bị xói đến
mức độ nào đó thì sẽ gây ra mất ổn định đê.
Cơ chế phá hoại đê do sóng tràn, dòng chảy tràn được tác giả tiếp tục thực hiện nghiên
cứu thực nghiệm ở trường Đại học TU Braunshweig - CHLB Đức; tại phòng Thí nghiệm
trọng điểm quốc gia - Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam và các chương trình trao đổi
nghiên cứu ở trường Đại học Kyushu - Nhật Bản, trường Đại học NTU Singapore và ở
Trung Quốc. Một lần nữa khẳng định rằng: sóng tràn, dòng chảy tràn gây phá hoại đê
vẫn là cơ chế nổi trội nhất và khi lưu lượng tràn càng lớn thì khả năng phá hoại càng
cao. Mức độ phá hoại còn phụ thuộc vào kỹ thuật xây dựng thông qua hệ số đầm chặt,
loại đất đá, độ ẩm ban đầu của đất lõi đê và chiều cao của đê.




Hình 1.4 Thí nghiệm ở CHLB Đức


Hình 1.5 Thí nghiệm ở Viện KHTL Việt Nam
11

Tóm lại, cơ chế phá hoại đê biển có nhiều, từ phá hoại cục bộ đến phá hoại tổng thể; các
nguyên nhân, yếu tố tác động, hệ quả cũng rất đa dạng. Qua phân tích, thống kê, kế

thừa có chọn lọc các báo cáo, các sự cố vỡ đê ở Bắc bộ và các kết quả nghiên cứu trong
và ngoài nước, tác giả thấy rằng: cơ chế phá hoại đê biển do sóng tràn, dòng chảy tràn
là cơ chế trội nhất.



Hình 1.6 Đê biển Hậu Lộc, Thanh Hóa sau cơn bão số 7/2005

Hình 1.7 Cây sự cố hư hỏng đê biển [1]
12

Giải pháp giảm thiểu sóng tràn cho đê biển Bắc bộ
Hiện nay, có khá nhiều giải pháp để giảm thiểu sóng tràn qua đê, các giải pháp công
trình và phi công trình phổ biến như: làm đê ngầm phá sóng ở phía trước đê, dùng các
cấu kiện khác nhau đặt trước đê để phá sóng, làm cơ đê phía biển một bậc hoặc nhiều
bậc, trồng rừng ngập mặn phía trước đê, nâng cao cao trình đỉnh đê…

Tuy nhiên, đối với đê biển Bắc bộ hiện nay hầu hết là nâng cấp từ đê biển hiện có, đê
trực diện với biển, hành lang hai bên đê hẹp khó còn quỹ đất để mở rộng, tôn cao (đặc
biệt đê bảo vệ các thành phố, các khu du lịch ). Mặt khác do điều kiện kinh tế của Việt
Nam chưa cho phép nâng cao mở rộng mặt đê. Vì vậy, làm tường đỉnh thấp trên đê để
nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm thiểu sóng tràn qua đê là một trong những giải pháp
khả thi về kinh tế và kỹ thuật được sử dụng phổ biến ở nước ta.
Tổng quan về đê biển có tường đỉnh thấp ở Miền Bắc
Khái quát chung
Mặc dù tường đỉnh thấp có thể gây ra một số bất lợi như làm tăng sóng phản xạ, sóng
bắn, áp lực sóng lớn gây mất ổn định kè hoặc hư hỏng do mất ổn định địa kỹ thuật nền
đê Nhưng đê biển có tường đỉnh thấp (W/Hs ≤ 0.5) nằm sát mép ngoài mặt đê được
sử dụng khá phổ biến cho hệ thống đê biển Việt Nam và được coi là giải pháp đơn giản,
hiệu quả để nâng cao cao trình đỉnh đê, giảm sóng tràn trong điều kiện kinh tế hiện nay.

Đê có tường đỉnh thấp được sử dụng ở những nơi mà không còn quỹ đất để tôn cao,

Hình 1.8 Công trình giảm sóng trước đê Giao Thủy, Nam Định (3/2014)
13

hoặc điều kiện kinh tế không cho phép xây đê cao, như: đê bảo vệ các như khu đô thị,
khu du lịch, các hình dạng tường đỉnh phổ biến là tường có mái nghiêng về phía đồng.
Tường cong có mũi hắt sóng, tường thẳng đứng (Hình 1.9).

Với phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả giới thiệu đê biển có tường đỉnh thấp của
một số địa phương sau đây cũng không làm mất đi tính tổng quát của vấn đề của nghiên
cứu.

a. Tường đỉnh nghiêng về phía trong

b. Tường đỉnh có mũi hắt sóng

c. Tường đỉnh thẳng đứng
Hình 1.9 Một số hình dạng tường đỉnh thấp ở Việt Nam

14

Đê biển có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh
Hà Tĩnh có khoảng 211.0km đê biển, đê cửa sông thuộc thành phố Hà Tĩnh và các huyện:
Kỳ Anh, Cẩm Xuyên, Nghi Xuân, Thạch Hà, Lộc Hà. Trong đó có khoảng 95.4km đê
trực tiếp biển (chiếm 46%); điển hình một số tuyến đê đã xây dựng tường đỉnh thấp trên
đê để nâng cao cao trình, giảm sóng tràn qua đê (Bảng 1.1).

Bảng 1.1 Tổng hợp đê có tường đỉnh thấp ở Hà Tĩnh [3]
TT

Tuyến đê
Địa điểm
Chiều
dài
(km)
Diện tích bảo vệ
(ha)
Dân số
bảo vệ
(người)
Cao
trình
mặt
đê
Cao
trình
đỉnh
tường
CS
Tổng (ha)
Đất NN
(ha)
1
Hội Thống
Nghi Xuân
17.8
2850
1464
20251



1.1
K5-K12+250
4.0
4.5
1.2
K14+400-
K17+760
4.5
5.0
2
Đê kè Cẩm
Nhượng
Cẩm Xuyên
2.2
234
33
8,149
5.0
5.5
3
Cẩm Lĩnh


Cẩm Xuyên


3.1
831
474

3,520


3.1
K0 - K1+670
3.5
4.0
3.2
K1+670 -
K3+118
4.0
4.5
4
Cẩm Trung


Cẩm Xuyên


11.0
185
108
4935


4.1
Đoạn đê cửa
sông
3.5
4.0

4.2
Đoạn đê biển
4.0
4.5
5
Phúc - Long -
Nhượng
Cẩm Xuyên
12.8
1955
1044
16546
3.5
4.0
6
Lộc Hà
Cẩm Xuyên
8.50
1087
514
8,529
3.50
4.00
7
Tả Nghèn (cống
Đò Điệm -
Thạch Kim)
Lộc Hà
26.90
3735

2229
40166
3.2
4.0
8

Hữu Phủ



TP Hà Tĩnh -
Thạch Hà



22.80
6276
3399
31003


8.1
K0-K10+00
2.7
3.7
8.2
K10 -K15+00
3.5
4.2
8.3

K15+00-
K19+300
4.0
4.7
Nguồn: Chi cục Đê điều và phòng chồng lụt bão, Hà Tĩnh[3]