Đề tài Dự án xây dựng kè chắn sóng cảng Lạch Huyện

Mục Lục MỞ ĐẦU Tính cần thiết của dự án xây dựng kè chắn sóng cảng Lạch Huyện Hiện tại hệ thống cảng biển khu vực Hải Phòng chủ yếu tập trung trên bờ sông Cấm với 17 cụm cảng trên chiều dài đường bờ sử dụng khoảng 7,8km. Tổng sản lượng hàng hóa thông qua các cụm cảng năm 2004 trên 13,2 triệu tấn, chủ yếu tập trung ở cảng Hải Phòng (85%-90%). Luồng tàu vào cảng Hải Phòng được hiểu là luồng dẫn tàu từ cầu số “0” cảng chính Hải Phòng ra đến vùng biển sâu của vịnh Hải Phòng, được giới hạn bởi bán đảo Đồ Sơn, đảo Cát Bà và đường đẳng sâu -10m (ngoài phao số 0). Luồng tàu hiện tại đi qua cửa Nam Triệu có thể chia ra làm ba phân đoạn chính, gồm: đoạn luồng biển từ phao số 0 đến phao số 22 dài khoảng 18,0km, đoạn luồng sông Bạch Đằng từ phao số 22 đến đầu kênh Đình Vũ dài khoảng 12,0km (riêng đoạn cửa kênh Cái Tráp đến kênh Đình Vũ dài 9km), và đoạn luồng sông Cấm tính từ đầu kênh Đình Vũ đến cầu cảng số 0 dài khoảng 8,5 km. Sau khi hoàn thành dự án cải tạo nâng cấp cảng Hải Phòng giai đoạn II, luồng tàu vào cảng Hải Phòng sẽ được chuyển sang cửa Lạch Huyện. Ngoài đoạn luồng Sông Cấm và luồng sông Bạch Đằng như hiện nay, đoạn luồng kênh Tráp dài khoảng 4,0 km và đoạn luồng biển qua cửa Lạch Huyện tính từ cửa kênh Cái Tráp (phía sông Chanh) đến phao số 0 dài khoảng 18,0 km sẽ thay thế cho đoạn luồng biển qua cửa Nam Triệu. Hiện nay với lưu lượng hàng hóa ngày một tăng vào khu vực kinh tế Bắc Bộ, cảng Hải Phòng đang co dấu hiệu quá tải. Điều này làm ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của khu vực trong tương lai. Hơn nữa luồng tàu vào cảng Hải Phòng hiện nay đang bị bồi lấp nhanh chóng do sự vận chuyển bùn cát trên sông Bạch Đằng. Cảng Lạch Huyện, với vị trí địa lý thuận lợi sẽ là giải pháp hợp lý nhằm giảm tải cho cảng Hải Phòng và giúp tăng cường sự phát triển cho vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ. Vị trí tuyến luồng tàu sau khi hoàn thành cải tạo nâng cấp cảng Hải Phòng chỉ ra trong hình 1 Hình 1: Sơ đồ tuyến luồng vào cảng Cảng Lạch Huyện hình thành nhằm đáp ứng nhu cầu bốc xếp hàng vận tải bằng đường biển ngày càng tăng của các tỉnh thành, các khu công nghiệp, khu kinh tế trọng điểm Bắc bộ, đặc biệt là của vùng tam giác kinh tế: Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh. Ngoài ra cảng Lạch Huyện còn đáp ứng nhu cầu hàng quá cảnh của các tỉnh phía Nam Trung Quốc. Cảng Lạch Huyện có vị trí thuận lợi về hàng hải, với trang thiết bị hiện đại đảm bảo năng suất bốc xếp cao, độ sâu khu nước lớn cho phép tầu có trọng tải lớn ra vào an toàn, thuận lợi và với một hệ thống giao thông sau cảng đồng bộ cả đường bộ, đường sắt và đường thuỷ thu hút qua cảng một lượng hàng lớn, do vậy sẽ góp phần thúc đẩy kinh tế của khu vực phát triển mạnh mẽ hơn và thu hút các nhà đầu tư vào khu vực nhiều hơn. Riêng đối với thành phố Hải Phòng, việc hình thành và phát triển cảng Lạch Huyện sẽ tạo điều kịên thuận lợi để thành phố xây dựng và phát triển trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước theo tinh thần nghị quyết số 32/NQQ-TW ngày 5/8/2003 của Bộ Chính trị. Nhờ có đặc điểm điều kiện tự nhiên khá thuận lợi, Lạch Huyện được che chắn bởi đảo Cát Bà, Cát Hải nên ảnh hưởng của sóng đến từ hướng NE, W được giảm thiểu. Sóng các hướng S, SW tuy gây ảnh hưởng nhiều hơn đối với luồng tàu nhưng cũng bị suy giảm khi vượt qua vùng cửa sông Nam Triệu. Như đã trình bày ở trên, cảng cửa ngõ Lạch Huyện, Hải Phòng dự kiến sẽ được phát triển tại khu vực cửa Lạch Huyện (cửa sông Chanh đổ ra vịnh Hải Phòng). Lãnh thổ cảng dự kiến được tôn tạo từ hạ lưu Bến Gót hiện tại theo hướng tiến dần ra phía biển. Khu nước và luồng tàu vào cảng được hình thành trên cơ sở nạo vét mở rộng luồng tàu biển Lạch Huyện hiện tại ( chiều rộng B = 100m, cao độ đáy chạy tàu -7.2m, được thiết kế thoả mãn cho tàu 10.000DWT thông qua). Công trình bảo vệ luồng được quy hoạch có tuyến song song với tim luồng nhằm mục đích giảm chiều cao sóng cho khu nước, luồng tàu và ngăn dòng bùn cát trong vịnh từ phía Tây Nam xâm nhập và gây bồi lấp lại luồng tàu. Phương pháp thực hiện Thu thập các tài liệu nghiên cứu chế độ động lực và vận chuyển bùn cát tại khu vực cửa sông Lạch Huyện, các số liệu địa hình khu vực cửa sông Lạch Huyện, tính chất địa chất của trầm tích đáy, vận tốc gió, độ cao và hướng sóng, mực nước từng giờ tại trạm mực nước khí tượng thủy văn Hòn Dấu, các trạm đo mực nước trên khu vực nghiên cứu. Trên cơ sở đó phân tích các số liệu, tài liệu để xác định các điều kiện động lực, vận chuyển bùn cát, biến đổi hình thái tại khu vực nghiên cứu. Đồ án sử dụng mô hình toán trong bộ tính toán thủy lực Mike để mô phỏng chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát tại khu vực cửa sông Lạch Huyện. Từ các kết quả tính toán mô phỏng thủy động lực, vận chuyển bùn cát khu vực nghiên cứu, đưa ra các giải pháp thiết kế công trình bảo vệ khu vực cửa sông, đảm bảo cho việc hình thành cảng Lạch Huyện trong tương lai. Kết cấu của đồ án Ngoài phần mở đầu và kết luận, kiến nghị, toàn bộ đồ án được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về khu vực nghiên cứu Chương 2: Tính toán thủy lực Chương 3: Quy hoạch, lựa chọn công trình và tính toán các điều kiện biên thiết kế Chương 4: Thiết kế đê chắn sóng. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU Điều kiện tự nhiên Vị trí địa lý Đảo Cát Hải (huyện Cát Hải) nằm ở phía Đông Nam thành phố Hải Phòng, cách trung tâm thành phố 20 km về hướng Đông Nam, cách trung tâm thị trấn Cát Bà khoảng 15 km về phía Tây - Bắc. Cát Hải là một huyện đảo nhỏ, có diện tích gần 30km2, dân số của toàn đảo gần 13.000 người, tọa độ địa lý ở vào khoảng 200 47’ đến 200 56’ vĩ độ Bắc,1060 54’ đến 1060 58’ kinh độ Đông. Phía Bắc đảo giáp huyện Yên Hưng (tỉnh Quảng Ninh) ngăn cách bởi kênh đào Cái Tráp. Phía Đông là cửa Lạch Huyện. Phía Tây là cửa sông Nam Triệu. Phía Nam là Vịnh Bắc bộ. Hình 1.1: Khu vực nghiên cứu Khu vực dự kiến xây dựng cảng cửa ngõ Lạch Huyện nằm bờ phải cửa sông Lạch Huyện thuộc huyện Cát Hải, Thành phố Hải Phòng. Tổng chiều dài theo quy hoạch của cảng (khu thương cảng quốc tế) khoảng 10 km chạy dọc theo tuyến luồng tàu. Bờ phải của cửa sông, (nơi dự kiến xây dựng tuyến kè phía Nam) hiện là một doi cát lớn có chiều dài khoảng 6000m, chiều rộng khoảng 1000m, cao độ dao động từ khoảng 0 đến +1,0m. Bờ trái là đảo Cát Bà. Đoạn cửa sông này hiện là tuyến luồng từ Cảng Hải Phòng ra biển, có chiều rộng là khá lớn, chỗ hẹp nhất (chỗ thắt hẹp phía ngoài đường dây cao thế khoảng 1000m) cũng đạt khoảng 1000m. Hiện nay tuyến luồng đã được nạo vét đến chiều sâu đạt -7,8m. Vùng nước từ Bến Gót trở ra khoảng 4000m có một trũng sâu, điểm sâu nhất đạt đến -12,5m. Chiều rộng trũng sâu khoảng 400~500m. Hình 1.2: Vị trí cửa Lạch Huyện Đặc điểm khí hậu, khí tượng a) Nhiệt độ không khí: Theo số liệu trong Báo cáo thu thập tài liệu khí tượng thủy hải văn (Tedi- 086- Nca- TV2): Nhiệt độ không khí cao nhất trong 21 năm quan trắc được là 38,6°C (ngày 3/8/1985). Nhiệt độ không khí thấp nhất là 6,6°C (ngày 21/2/1996). Nhiệt độ trung bình nhiều năm là 23,9oC. Nhiệt độ trung bình mùa đông (từ tháng 11 đến tháng 4) là 20°C. Nhiệt độ trung bình mùa hạ (từ tháng 5 đến tháng 10) là 27,9°C. b) Độ ẩm không khí Độ ẩm không khí trung bình nhiều năm là 85,7%, độ ẩm không khí thấp nhất là 27% (tháng 10/1991). (Báo cáo thu thập tài liệu khí tượng thủy hải văn (Tedi- 086- Nca- TV2). c) Lượng mưa Lượng mưa ở Hải Phòng trung bình năm đạt từ 1600 đến 1800 mm, cao nhất là ở Phù Liễn (Xo = 1808 mm) và thấp nhất là Bạch Long Vĩ (Xo = 1035 mm) và phân thành 2 mùa: mùa mưa và mùa ít mưa (bảng 1.1). w Mùa ít mưa: từ tháng XI đến tháng IV năm sau, lượng mưa trung bình là 218,7 mm, lượng mưa trung bình các tháng là 30 - 40 mm (bảng 1.1). Số ngày mưa trong các tháng trung bình từ 7 - 9 ngày, có tháng 10 - 12 ngày. Mưa chủ yếu là mưa nhỏ và mưa phùn, nhất là vào tháng II và III, đã làm giảm tầm nhìn xa về phía biển dưới cấp V (2 - 4 km) gây ảnh hưởng cho mọi hoạt động và giao thông trên biển. w Mùa mưa: từ tháng V đến tháng X, lượng mưa trung bình đạt 1340 mm chiếm 80 - 85% lượng mưa năm. Lượng mưa trung bình trong các tháng dao động trong khoảng 180 - 220 mm (bảng 1.1) với số ngày có mưa từ 10 - 12 ngày/tháng. Lượng mưa này chủ yếu do mưa dông và bão, lượng mưa cao nhất trong một tháng của nhiều năm đạt 783,8 mm vào tháng VIII/1979 và ngày có lượng mưa cao nhất trong tháng của nhiều năm là 434,7 mm (ngày 26/VI/1966). Bảng 1.1: Lượng mưa trung bình tháng, năm vùng Hải Phòng (mm) Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm Phù Liễn 24 26 44 91 193 241 274 366 292 147 32 24 1808 Hòn Dáu 26 19 39 76 152 241 214 325 265 184 33 16 1491 Hải Phòng 27 25 40 93 209 252 270 406 302 136 25 21 1796 An Hải 24 17 43 78 201 206 230 319 285 128 28 14 1563 Bạch Long Vĩ 22 15 26 47 81 119 142 264 201 100 34 25 1033 d) Gió  Chế độ gió khu vực nghiên cứu mang đặc tính mùa rất rõ nét phù hợp với đặc điểm hoạt động của hoàn lưu khí quyển. w Mùa đông (tháng XI - II): Các hướng gió chính là B, ĐB và Đ (bảng1.2). Vào thời kỳ đầu mùa đông hướng gió chủ yếu là B và ĐB, sau đó chuyển dần sang hướng Đ vào cuối mùa. Trong mùa đông trung bình hàng tháng có tới 3 - 4 đợt gió mùa ĐB (đôi khi có tới 5 - 6 đợt), mỗi đợt thường kéo dài từ 3 - 5 ngày. Ở khu vực nghiên cứu do bị đảo Cát Hải và Cát Bà che chắn nên gió mùa ĐB tác động tới khu vực nghiên cứu đã bị đổi hướng khá rõ nét và tốc độ gió mùa ĐB ở đây đã giảm đi nhiều, chỉ còn khoảng 50 - 60% so với ngoài khơi vịnh Bắc bộ. Tuy nhiên, nếu so với vùng khác nằm sâu hơn trong đất liền thì tốc độ gió ở đây cũng còn khá mạnh. Tốc độ gió trung bình trong mùa này đạt 4,6 - 4,8 m/s. Tốc độ lớn nhất đạt 40 - 50 m/s, đôi khi đạt trên 50 m/s (bảng 1.3). Bảng 1.2 : Tần suất xuất hiện gió nhiều năm trạm Hòn Dáu (%) Hướng Mùa B ĐB Đ ĐN N TN T TB Đông 12,4 30,9 10,0 17,0 4,5 2,1 1,0 2,9 Hè 10,9 13,4 12,5 26,2 12,2 10,5 3,3 11,1 Bảng 1.3 : Đặc trưng tốc độ gió trạm Hòn Dáu (m/s) Tháng Đặc trưng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII TB 4,8 4,6 4,4 4,6 5,4 5,6 6,0 4,5 4,4 4,9 4,6 4,6 Lớn nhất 24 20 34 28 40 40 40 45 45 34 24 28 w Mùa hè (tháng VI - X): Là thời kỳ thống trị của gió mùa TN biến tính, có các hướng chính là N, ĐN và Đ với tần suất khá cao (bảng 1.2). Đôi khi có gió TN từ đất liền thổi ra với đặc điểm khô nóng. Tốc độ gió trung bình mùa này đạt 4,5 - 6,0 m/s. Đặc biệt thời kỳ này có sự hoạt động mạnh của lưỡi áp cao phó nhiệt đới Tây Thái Bình Dương, bão và dải hội tụ nhiệt đới tác động mạnh tới chế độ gió. Tốc độ gió cực đại đạt tới 40 - 45 m/s (bảng 1.3). Cơn bão Wendy đổ bộ vào Hải Phòng ngày 9/IX/1968 đã gây sức gió mạnh có tốc độ cực đại quan trắc được tại Hòn Dáu là 40 m/s. e) Bão Theo số liệu thống kê nhiều năm (1972 – 2005) cho thấy hàng năm trung bình có 1 cơn bão ảnh hưởng đến khu vực Hải Phòng. Tốc độ gió lớn nhất trong bão ở cấp 12 (36m/s) vào ngày 23/7/1980 và 27/9/2005 (bảng 1.4). Bảng 1.4: Tốc độ gió bão cực trị với chu kỳ lặp khác nhau tại trạm Hòn Dấu Hướng Gió Chu kỳ lặp 5 năm 10 năm 15 năm 25 năm 50 năm 100 năm N 32,1 36,2 40,2 42,5 45,4 49,2 NE 36,7 42,2 47,4 50,4 54,2 59,3 E 38,2 43,3 48,3 51,1 54,7 59,5 SE 33,6 38,6 42,7 46,5 49,6 54,0 S 36,3 41,6 46,5 49,5 53,3 58,0 SW 36,6 41,3 45,5 48,0 51,5 56,5 W 31,2 36,9 42,0 45,0 49,3 54,5 NW 37,6 42,5 46,8 49,5 53,4 58,5 Tổng hợp 38,2 43,3 48,3 51,1 54,7 59,5 Ghi chú: Tốc độ gió [m/sec], ngoại suy theo hàm Weibull. Bảng 1.5: Số lượng bão đổ bộ ở các khu vực Hải Phòng và lân cận ( 1960 – 1994) STT Các đặc trưng Tháng Cả năm VI VII VIII IX X XI 1 Số cơn bão 5 10 7 3 4 1 2 Tần suất 16,7 33,3 23,3 10,0 13,3 3,4 100 Theo số liệu thống kê nhiều năm trong bảng 1.5 cho thấy mùa bão ở đây thường bắt đầu vào tháng VI và kết thúc vào tháng XI. Tháng có nhiều bão nhất là tháng VII có 10 cơn bão, chiếm 33,3%, tiếp theo là tháng VIII có 7 cơn bão chiếm 23,3%, tháng XI chỉ có một cơn bão chiếm 3,4%. Tác động và ảnh hưởng của bão thường kéo theo gió và sóng lớn, mưa kéo dài, nước dâng,… gây lũ lụt khu vực đồng bằng cửa sông và xói lở bờ biển. Một số đặc trưng đã quan sát được trong thời gian có bão là tốc độ gió cực đại tmax = 40m/s quan trắc được nhiều lần tại trạm Hòn Dấu. Tuy nhiên, cá biệt tốc độ gió đo được cơn bão Wendy (9/IX/1968) tại trạm Phù Liễn đã ghi được tmax = 50m/s. f) Sương mù và tầm nhìn Sương mù trong năm thường tập trung vào các tháng mùa đông, bình quân năm có 21,2 ngày có sương mù; tháng 3 là tháng có nhiều sương mù nhất, trung bình trong tháng có 6,5 ngày có sương mù; các tháng mùa hạ hầu như không có sương mù. Do ảnh hưởng của sương mù nên tầm nhìn bị hạn chế, số ngày có tầm nhìn dưới 1km thường xuất hiện vào mùa đông, còn các tháng mùa hạ hầu hết các ngày trong tháng có tầm nhìn >10km. Đặc điểm thủy, hải văn a) Mực nước: Mực nước tại Hòn Dấu thuộc chế độ nhật triều thuần khiết, trong tháng có khoảng 25 ngày có 1 lần nước lớn, một lần nước ròng. Độ lớn triều ở đây thuộc loại lớn, khoảng 3¸4m. Vào kỳ triều cường mực nước cao nhất đo được là 421cm (22/10/1985), mực nước thấp nhất là -3cm (2/1/1991). Dựa vào tài liệu mực nước cao nhất năm từ 1974 đến 2004 đã tính và vẽ tần suất lý luận mực nước cao nhất cho kết quả mực nước tương ứng với các tần suất (bảng 1.6): Bảng 1.6: Mực nước ứng với các tần suất lý luận tại Hòn Dấu (hệ tọa độ hải đồ) P% 1 3 5 10 20 50 70 90 95 97 99 H (cm) 443 426 417 405 392 373 364 354 350 349 346 Dựa vào mực nước giờ, đỉnh triều, chân triều, trung bình tính tần suất lũy tích cho kết quả mực nước ứng với các tần suất (bảng 1.7): Bảng 1.7: Mực nước ứng với các tần suất lũy tích tại Hòn Dấu P% H(cm) 1 3 5 10 20 50 70 90 95 97 99 H đỉnh 383 377 362 352 338 305 277 235 225 211 204 H chân 196 180 174 156 134 91 72 47 40 31 22 H giờ 355 338 325 305 275 195 149 90 71 64 43 H t.bình 230 225 225 217 210 195 189 182 174 171 167 b) Dòng chảy: Chế độ dòng chảy: Chế độ dòng chảy của vùng cửa sông ven biển Hải Phòng chịu ảnh hưởng trực tiếp của các dòng sông (sông Cấm , Bạch Đằng , sông Chanh …) và dòng triều. Dòng chảy sông có ảnh hưởng đặc biệt đến dòng chảy chung của vùng cửa sông. Vào mùa lũ, nước thượng nguồn các sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam, sông Hồng qua sông Đuống và sông Luộc chảy về hoà nhập vào khối nước biển, dưới sự tương tác của dòng triều và dòng lũ, nước bị dồn ép ở pha triều lên và khi triều rút tạo nên sự cộng hưởng giữa dòng triều và dòng nước sông gây ra tốc độ dòng chảy rất lớn. Kết quả điều tra khảo sát đo đạc ở 2 cửa sông và khu vực ven biển trước đảo cho thấy: dòng chảy vùng ven biển và cửa sông Cát Hải có chế độ phức tạp thể hiện mối tương tác: nước sông - địa hình đáy - sóng - thuỷ triều. Qua phân tích cho thấy ảnh hưởng của chế độ gió và sóng gió trong mùa đông tới vùng ven biển Cát Hải không lớn: chế độ dòng chảy phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố địa hình và dao động mực nước (do thuỷ triều). Kết quả điều tra khảo sát đo đạc ở hai cửa sông và khu vực ven biển trước đảo cho thấy, về mùa đông khi sóng, gió tương đối “yên lặng”, dòng chảy xuất hiện chủ yếu do dòng triều và sự chênh lệch mực nước do khối nước sóng triều bị dồn ép khi vào bờ. Mặc dù vậy, trong những ngày nước cường có sóng gió hướng Đông và Đông Nam phát triển, dòng chảy ven bờ do sóng gây ra kết hợp với các loại dòng khác làm tăng (hoặc giảm) tốc độ dòng chảy tổng hợp vùng ven bờ. Ở hai cửa sông Nam Triệu và Lạch Huyện, dòng chảy có thể đạt tốc độ 1m/s khi triều rút. Tại vùng ven biển trước đảo Cát Hải, dòng chảy có tốc độ lớn tập trung chủ yếu ở các lạch chạy song song với bờ phiá bến Gót và Hoàng Châu, đặc biệt khi triều dâng khối nước bị dồn ép vào bờ. Dòng chảy ở hai lạch này cũng không như nhau, ở lạch trương phía bến Gót có tốc độ lớn hơn vì lạch sâu và hẹp (chỗ hẹp nhất rộng 150m, sâu trung bình 2.5-3.0m). Qua quan trắc đo đạc ở đây vào giữa tháng 1/87 cho thấy rằng tốc độ dòng chảy >25cm/s chiếm ưu thế tuyệt đối, tốc độ trung bình đạt 40-60cm/s và mạnh nhất có thể đạt >1m/s. Thực tế dòng chảy với tốc độ lớn như vậy đã làm cho lòng lạch sâu bị xói sâu, thành dốc, trơ lớp sét dưới đáy. Một điều lí thú xảy ra ở đây là thời gian dòng chảy có hướng về phía cửa Lạch Huyện chiếm đến 60-70%, tức là ngay cả khi triều rút vẫn có dòng chảy hướng về phía cửa Lạch Huyện. Có lẽ đây là nguyên nhân làm cho lòng lạch sâu dần về cửa Lạch Huyện và làm cho bãi bồi phía Lạch Huyện được bồi đắp bằng các loại vật liệu thô dần về phía cửa sông. Hướng dòng chảy về phía cửa Lạch Huyện chiếm ưu thế có thể được giải thích như sau: Khi triều dâng, nước bị dồn ép trước đảo cao hơn mực nước ở cửa Lạch Huyện tạo ra dòng chảy đổ vào Lạch Huyện và vào sâu trong sông. Dòng này tồn tại đến thời điểm thông thường là qua thời điểm ở bến Gót đạt đỉnh triều 1-2h. Sau đó là thời điểm nước dừng tạm thời và bắt đầu rút. Dòng chảy sau đó qua lạch trương có hướng ngược với ban đầu, song tốc độ nhỏ hơn. Ngược lại phía cửa Lạch Huyện dòng triều rút tăng nhanh hơn khi triều dâng, đến một thời điểm nào đó tốc độ dòng chảy mạnh phía cửa Lạch Huyện làm giảm áp lực nước đáng kể so với áp lực nước trong lạch trương. Sự chênh áp lực này đã đổi hướng dòng chảy ở lạch trương về phía cửa Lạch Huyện và sau đó hướng ra biển. Tương tự như vậy quá trình đó xảy ra phía cửa Nam triệu, song tốc độ dòng chảy và thời gian có khác hơn vì ở đây lạch nông và rộng. Qua phân tích thành phần dòng chảy đo tại các cửa Nam Triệu, Lạch Huyện cho thấy thành phần chính chủ yếu là dòng chảy nhật triều (chu kỳ25h) và dòng dư dồn (do khối nước triều bị dồn ép và dòng sóng). Thành phần dòng chảy bán nhật triều(12h) và 1/4ngày (6h) mạnh dần trong những ngày nước kém, khi mà thuỷ triều tăng dần tính chất bán nhật. Các elip phân bố hướng và tốc độ dòng triều có dạng rất hẹp với hướng trục lớn gần trùng với trục lòng dẫn kênh lạch và cửa sông. Đặc điểm này hoàn toàn phù hợp với điều kiện tự nhiên vùng ven bờ: hướng dòng chảy chủ yếu do nước triều dâng -rút. Trong thành phần dòng chảy dư dồn của những ngày có sóng gió phát triển phải kể đến dòng sóng ven bờ, nhưng thời kỳ mùa đông khả năng xuất hiện dòng sóng nhỏ. Ngoài các dòng chính chủ yếu đã nêu trên còn có dòng trôi do gió gây ra. Như trên đã phân tích gió thời kỳ mùa đông chỉ ảnh hưởng chủ yếu đối với phía Đông đảo Cát Hải ( Lạch Huyện), nơi sông mở rộng thông với vịnh Hạ Long ở phía Đông Bắc và tầng nước trên mặt khoảng 1m. Dòng trôi có hướng lệch so với hướng gió trên mặt nước ( từ 0-450) và càng xuống sâu góc lệch càng lớn và có thể đạt 1800 so với hướng gió trên mặt. Nhưng vận tốc dòng trôi không lớn , qua tính toán vận tốc dòng trôi chỉ đạt 20cm/s với vận tốc gió trên mặt nước 10cm/s. Nhưng ở khu vực nghiên cứu dòng trôi khi có gió thổi mạnh thực tế đã bị dòng triều và các loại dòng khác lấn át hẳn đi. Ở khu vực Cát Hải dòng chảy đạt tốc độ lớn chủ yếu là ở 2 cửa sông và các lạch triều khi triều dâng - rút. Còn các khu vực khác ( Văn chấn - Gia Lộc) dòng chảy ven bờ yếu hẳn rất nhiều so với thời kỳ mùa hè. Trong những ngày triều cường ở mũi Hoàng Châu dòng chảy nhật triều có thể đạt 0,9 - 1,0m/s. Ngược lại dòng bán nhật triều và dòng chảy với chu kỳ 6h chỉ đạt tốc độ 0,1 - 0,2 m/s. Dòng chảy dư ( do nước sông đổ ra, dòng trôi do gió …) đạt tới vận tốc 0,2 - 0,35 m/s trong những ngày có gió to và mưa lớn. Ở trong cửa sông dòng sóng ven bờ ít đạt tốc độ nguy hiểm bằng đoạn đê kè trước biển vì đã có các van chắn cát phía ngoài che chắn làm giảm hầu hết năng lượng sóng trước khi đi vào trong sông. Ngoài dòng chảy sóng, dòng trôi trên mặt kết hợp với dòng triều rút có thể tạo ra dòng chảy tổng hợp với tốc độ 1,2 - 1,3 m/s rất dễ dàng rửa trôi đưa vật liệu từ trong cửa sông ra ngoài biển . Ở đoạn bờ từ đê Văn Chấn tới trước cửa đồn công an Biên phòng số 30 dòng sóng ven bờ do sóng vỗ bờ gây ra chỉ đạt tốc độ cao khi có sóng gió hướng Đông Nam và Nam trong thời điểm nước triều cường. Dòng chảy chủ yếu vùng ven bờ vẫn là dòng thuỷ triều . Khi tới bờ dòng thuỷ triều phân làm 2 nhánh chảy về hai phía cửa sông tạo thành 2 tiểu hoàn lưu trước Văn Chấn và Hoà Quang. Tuy cường độ dòng chảy ở 2 tiểu hoàn lưu này không mạnh bằng thời kỳ mùa hè, song dòng ven gần bờ do bị dồn ép trong kênh hẹp tạo ra dòng chảy với tốc độ 0,8 - 0,9 m/s ở trước cửa đồn Công an biên phòng và trước đê Văn chấn, lòng kênh hẹp dòng chảy có thể đạt tốc độ >1m/s cuốn trôi các vật liệu bở rời dưới đáy kênh, trong lòng kênh còn trơ lại chủ yếu là sét có độ kết dính tốt. Như vậy trong điều kiện khí tượng hải văn tương đối bình thường ở cuối mùa chuyển tiếp từ đông sang hè , ở cửa sông Nam Triệu dòng chảy tổng hợp (chủ yếu là dòng nhật triều) với tốc độ có thể rửa trôi trầm tích bở rời (>25 cm/s) chiếm 1 tỷ lệ cao tới 74%. Dòng chảy ở trong cửa sông mang vật chất lơ lửng giảm tốc độ ở ngoài ngưỡng cửa, đặc biệt là ở vùng tâm hai tiểu hoàn lưu. Chính ở đây có điều kiện thuận lợi cho việc bồi lắng vật liệu. Ngoài ra việc nạo vét thông lạch tầu đổ bùn cát sang hai bờ kênh dẫn cũng góp phần làm cho các bãi cát dọc cửa sông được tôn cao thêm và kéo dài ra. Ở trong ngưỡng cửa sông dòng chảy tổng hợp khi thuỷ triều rút có tốc độ lớn đã rửa trôi các trầm tích bở rời dưới đáy kênh đưa ra biển, còn trơ lại dưới đáy và sườn kênh chủ yếu là sét dẻo kết dính tốt - hiện tượng tương tự như lạch trước đồn Công an biên phòng. Ở cửa Nam Triệu trong những năm gần đây sau khi lấp cửa Cấm chủ lưu khá tập trung về phía bờ biển Cát Hải khi đó xiên chếch bờ Cát Hải dưới một góc nhọn phía cửa kênh Cái Tráp, đã làm tăng khả năng chống xói lở bờ ở đoạn cửa Cái Tráp - Hoàng Châu và nhất là khu vực trạm Đèn biển Nam Triệu. Ở đoạn bờ từ kè Văn Chấn tới cửa đồn Công an biên phòng trong mùa chuyển tiếp không bị ảnh hưởng của sóng gió hướng Đông Bắc. Riêng sóng gió hướng Đông (tần suất trung bình khoảng 50%) ít ảnh hưởng tới bờ Cát Hải, do vị trí nằm sâu trong vịnh nước nông được dãy núi đá vôi đảo Cát Bà che chắn hướng Đông. Về cuối mùa, khoảng từ cuối tháng IV sóng gió hướng Đông Nam và Nam mạnh dần ; sóng vỡ bờ và dòng sóng ven bờ gây ảnh hưởng tới khu vực này trong những ngày nước triều cường . Song nhìn chung mức độ ảnh hưởng yếu giữ ổn định cho đoạn bờ vùng nghiên cứu . Chế độ dòng chảy trong mùa hè nhìn chung cũng tương tự hai mùa kể trên song với cường độ lớn hơn. Theo tài liệu nghiên cứu của Trung tâm nghiên cứu biển Hải Phòng - Viện Hải dương học, hệ thống dòng chảy ven bờ Cát Hải như sau: Dòng triều: Tại lạch Nam Triệu và Lạch Huyện dòng triều mang tính thuận nghịch. Dòng nhật triều với chu kì 25 giờ có giá trị áp đảo, tốc độ đạt 1,0 m/s. Tốc độ dòng triều cực đại thường ở mức triều dâng hoặc triều rút ngay qua mực nước biển trung bình. Khi triều lên tốc độ dòng triều đạt cực đại xảy ra trước đỉnh triều 6-9 giờ. Dòng bán nhật triều có giá trị không lớn lắm, thường nhỏ hơn 0,1m/s. Hướng dòng triều ở bãi Hoàng Châu và Hoà Quang song song với bờ, dòng triều bãi Văn Chấn và Gia Lộc không song song mà tạo thành một góc khá lớn với bờ cả khi triều lên và triều rút ( Hướng chảy lên 1300, chảy xuống 1500 ). Khi triều cường, hiện tượng này tạo điều kiện sóng phá huỷ mạnh hơn. Dòng dư: +Dòng sông: ở lạch Nam Triệu, dòng chảy do sông đạt đến 0,3m/s, tốc độ cao hơn về mùa hè, nó định hướng theo lòng lạch. + Dòng chảy do gió: Có giá trị không lớn, với tần suất gió ưu thế 5-10 m/s, tốc độ dòng chảy chỉ 0,1-0,15 m/s. Hướng của dòng chảy gió định theo hướng bờ, ổn định hướng Tây- Tây Nam trong năm. + Dòng sóng: Do điều kiện địa hình ( có 2 chướng cát Hoàng Châu và Hàng Dày chắn bên), độ sâu bờ ngầm nông, thoải, dòng sóng ven bờ Cát Hải đạt 0,1-0,2 m/s, có hướng ổn định và mạnh hơn vào mùa hè, dòng sóng dọc bờ phân kỳ rất rõ ở Gia Lộc định hướng chảy về 2 phía Hoàng Châu và Bến Gót. Dòng chảy tổng hợp: Với địa hình ven bờ đảo Cát Hải có nhiều luồng lạch án ngữ cùng với vị trí của bán đảo Đồ Sơn ở phía Tây và Cát Bà ở phía Đông, kéo dài ra biển đã dần ép khối nước thuỷ triều tạo thành mặt nước không đều vùng ven bờ từ đó gây ra dòng chảy Gradien có hướng thay đổi phức tạp ở cửa Nam Triệu. Dòng chảy tổng hợp gồm: Dòng nhật triều, bán nhật triều, dòng chảy, dòng sóng, dòng gradient. Tốc độ tổng hợp đạt 1,0-1,2 m/s. Ở ven bờ Cát Hải, dòng tổng hợp mang đặc tính của dòng triều ở Lạch Huyện và Nam Triệu, dòng triều lên định hướng dòng chảy, tốc độ cực đại lên đến 1m/s. Ở 2 lạch đầu chương cát Hoàng Châu và Hàng Dày, thời gian dòng chảy lên kéo dài 12 đến16 giờ, trong khi thời gian chảy rút chỉ 6 đến 8 giờ. Tốc độ dòng chảy tổng hợp khi triều lên lớn hơn hẳn khi triều xuống, đạt cực trị 0,9m/s ở Hoàng Châu và 0,82m/s ở Hàng Dày, trong khi tốc độ cực đại dòng tổng khi triều xuống ở đầu Hàng Dày chỉ 0,5m/s . Ở gần bờ, khi triều lên dòng tổng hợp từ ngoài hướng vào phân kỳ rất rõ ở phía ngoài Gia Lộc chảy về 2 phía Hoàng Châu và Bến Gót. Sự phân hoá dòng chảy tổng hợp ở ven bờ Cát Hải dọc địa hình bị ảnh hưởng của sự khác nhau giữa 2 chế độ triều Hòn Gai và triều Hòn Dấu. Thời gian bắt đầu dòng triều lên hoặc xuống ở bến Gót lớn hơn 3 - 4 giờ so với Hoàng Châu. Dòng bùn cát ven bờ Cát Hải: Hướng di chuyển của bùn cát: Hoàn lưu di chuyển của dòng bùn cát phụ thuộc vào hướng dòng chảy tổng hợp, trong đó chủ yếu là dòng triều. Di chuyển bùn cát dọc bờ do sóng là quan trọng nhưng không giữ vai trò chủ đạo. - Khi triều lên, dòng bùn cát di chuyển ngang từ đáy sườn ngầm vào phía bờ, phù hợp với dòng bờ và phương truyền sóng. Khi vào sát gần bờ, dòng bùn cát phân kỳ ở phía ngoài Gia Lộc thành 2 nhánh. Nhánh thứ nhất di chuyển qua lạch Hàng Dày hợp với dòng từ Lạch Huyện vào di chuyển lên bến Gót ở phía Bắc, nhánh thứ 2 di chuyển qua lạch Hoàng Châu rồi hợp với dòng từ cửa Nam Triệu lên phiá Tây Hoàng Châu. - Khi triều rút, dòng bùn cát chủ yếu di chuyển xuôi xuống theo hướng dòng triều ở lạch Huyện và Nam Triệu, sát rìa Đông chương Hàng Dày và phía tây chương Hoàng Châu. Chỉ một bộ phận thứ yếu của dòng bùn cát đi lên lúc triều lên quay ngược lại qua 2 lạch đầu chương để trở về khu bờ ngầm phía ngoài Cát Hải. - Hai nhánh dòng bùn cát nói trên có xu hướng chung lệch về hướng chương Hoàng Châu, gây ra tình trạng bồi đáy ngầm phía chương Hoàng Châu bào mòn đáy lớn hơn phía chương Hàng Dày. Với cơ chế hoàn lưu bùn cát như vậy, khu vực ven bờ Cát Hải bị thiếu hụt bồi tích. Lưu lượng dòng bùn cát tổng hợp: Kết quả tính toán theo phương pháp thuỷ thạch động lực thấy rằng: Lượng bùn cát hàng năm bị đưa ra khỏi ven bờ Cát Hải qua hai lạch đầu chương Hàng Dày và chương Hoàng Châu khoảng 586.000 m3 (qua lạch Hoàng Châu 442.000 m3). Lượng bùn cát đưa lại 227.000 m3 (qua lạch Hoàng Châu 161.000 m3) Lượng bồi tích thiếu hụt 341.000 m3(qua lạch Hoàng Châu 282.000 m3) Sóng Sóng tại trạm Hòn Dấu: Tại vùng vịnh Hải Phòng sóng gió là một trong các yếu tố tác động trực tiếp đến sự xói lở, bồi lấp của khu vực. Trong năm sóng có độ cao lớn thường tập trung vào tháng V¸IX, lớn nhất vào tháng VII và IX. Trong mùa gió Đông Bắc độ cao sóng không lớn do khu vực nghiên cứu được đảo Cát Bà che chắn. Các sóng lớn nhất quan trắc được trong mùa này chỉ xuất hiện ở hướng S, SE. Sóng với các hướng Đông (E), Đông Nam (SE), và Nam (S) gây nguy hiểm nhất với khu vực cửa biển Nam Triệu và Lạch Huyện. Các yếu tố sóng cực trị đều quan trắc được vào ngày 3/7/1964: - Hmax = 5,6m - Độ dài sóng: 210m, hướng Nam (S) - Chu kỳ sóng : 11s Bảng 1.6 : Độ cao, độ dài, tốc độ và chu kỳ sóng lớn nhất (1956¸1985) Các đặc trưng Tháng Cả năm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Độ cao (m) 2,8 2,2 2,3 2,8 3,5 4 5,6 5 5,6 2,4 2,1 2,1 5,6 Hướng S ESE E SSE SSE SE S E E E S ENE E,S Ngày 28 20 19 24 4 19 3 13 20 13 1 1 20 Năm xuất hiện 57 69 76 58 59 75 64 68 75 60 59 63 75 Độ dài (m) 63 63 67 80 62 66 210 91 96 90 65 47 210 Hướng S,E ESE SE SSE ESE SSW S S SE ESE E ENE S Ngày 22 2 2 11 21 12 3 12 2 24 8 23 3 Năm xuất hiện 64 83 74 59 57 61 64 62 62 71 83 71 64 Chu kỳ (s) 9,1 7,6 7,5 9,3 9,3 8,2 11 8 7,7 68 6,7 7,1 11 Ngày 28 26 2 22 25 17 3 12 22 13 23 3 3 Năm xuất hiện 57 73 73 58 57 59 64 62 62 57 76 76 64 Sóng tại khu vực Nam Triệu: TEDI đã thực hiện quan trắc sóng từ ngày 12/7/2005 đến ngày 15/8/2006 bằng máy tự ghi (tại độ sâu » 20m so với mực nước trung bình) ở khu vực luồng tầu Lạch Huyện. Kết quả đo đạc cho thấy: - Mùa đông (từ tháng X năm trước đến tháng II năm sau) vùng biển thuộc khu vực nghiên cứu không chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc bởi có quần đảo Cát Bà che chắn, từ tháng X năm trước cho đến tháng IV năm sau độ cao sóng có nghĩa tại khu vực thấp (H1/3 <1,25m) và chủ yếu có hướng Đông Nam (SE), riêng tháng III và tháng IV sóng có hướng phân tán. - Từ tháng V cho đến tháng IX, độ cao sóng có nghĩa tại khu vực có lúc lên đến trên 2m, chủ yếu có hướng Đông Nam (SE) do chịu ảnh hưởng của gió Đông Nam là chính. Thời gian này độ cao sóng lớn nhất ghi được là 4,44m, chu kỳ 6,4s theo hướng Nam (S) vào 12 giờ ngày 17 tháng 7 năm 2006. - Kết quả đo đạc này thu được trong điều kiện thời tiết trong khu vực là khá phức tạp, đặc biệt là từ tháng VII đến tháng IX năm 2005 đã có 3 cơn bão đổ bộ vào khu vực Hải Phòng. Cơn bão số 2, số 6 và bão số 7 đã ảnh hưởng trực tiếp đến khu vực. Theo số liệu của trạm khí tượng hải văn Hòn Dấu, tốc độ gió lớn nhất đo được trong bão số 6 là 15m/s theo hướng Đông và trong bão số 7 là 17m/s theo hướng Đông. - Trong tháng VII năm 2006 có một áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp đến vùng biển phía Đông Bắc nước ta tuy nhiên do áp thấp nhiệt đới này không mạnh, cộng thêm nó có đường đi cách khu vực đặt máy đo sóng khá xa cho nên không có sóng lớn xảy ra do ảnh hưởng của áp thấp trong vùng quan trắc. -Trong cơn bão số 2 ảnh hưởng trực tiếp đến vùng biển Hải Phòng, Quảng Ninh(từ 28/7 đến 1/8/2005) do máy đo sóng bị lưới quét khỏi vị trí nên máy đã không ghi được số liệu sóng trong thời gian này. - Trong cơn bão số 6 (từ 16/IX đến 18/IX/2005) máy đã quan trắc và ghi lại được số liệu sóng với độ cao sóng lớn nhất trong bão là 4,34m với chu kỳ 9.3s theo hướng Đông vào 21h ngày 18/IX/2005. - Khi cơn bão số 7 đổ bộ vào vùng biển Hải Phòng (từ 21/IX đến 27/IX/2005), độ cao sóng lớn trong bão mà máy ghi lại được là 4,76m với chu kỳ 9,2s theo hướng Đông Nam vào 0h ngày 27/IX. Tuy nhiên đây có thể chưa phải là trị số cao nhất vì đến sau 0h ngày 27/IX máy bị dịch chuyển và lật nên không tiếp tục ghi được số liệu trong khi cơn bão số 7 chưa kết thúc. Bảng 1.7: Trị số sóng tính toán bất lợi nhất đến khu vực tính toán Độ sâu (m ) 14,2 12,2 11,2 10,2 9,2 8,2 7,2 6,2 5,2 4,2 Chiều cao sóng H1%(m) 8,6 8,4 8,3 7,5 7,3 7,2 5,9 5,0 4,5 3,6 Chiều dài sóng (m) 112,5 112,5 112,5 109,6 106,8 105,3 98,1 89,4 83,7 79,3 Các điều kiện địa chất khu vực xây dựng: Dựa vào kết quả khoan địa chất và thí nghiệm trong phòng, theo thứ tự trên xuống đến độ sâu nghiên cứu địa tầng khu vực gồm các lớp đất sau: Lớp 1: Cát hạt mịn màu xám xanh, xám đen trạng thái chặt vừa, lớp có mặt rộng rãi trong khu vực, chiều dày thay đổi mạnh từ 0,5m đến 6,0m. Lớp được thành tạo trong quá trình vận chuyển vật liệu của dòng nước chảy khu vực. Lớp 2: Bùn sét màu xám nâu, xám đen, lớp có mặt rộng khắp trong khu vực với chiều dày thay đổi từ 6,5m đến 14,6m. Đây là lớp đất không có khả năng chịu tải, chiều dày lớn. Lớp 3: Cát màu xám vàng trạng thái dẻo, chiều dày thay đổi từ 1,3m đến 2,4m. Lớp 4: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo mềm, chiều dày thay đổi từ 1,0m đến 3,7m. Lớp có diện phân bố khá rộng trong khu vực. Lớp TK: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo chảy, lớp này chỉ xuất hiện dưới dạng thấu kính trong lớp 5 với chiều dày 2,0m. Đây là lớp đất yếu không có khả năng chịu tải. Lớp 5: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo cứng, diện phân bố rộng khắp trong khu vực, với chiều sâu nghiên cứu đã khoan vào lớp từ 3,0m đến 5,6m. Cao độ mặt lớp thay đổi từ -11,8m đến -16,9m. Kết quả phân tích độ hạt của Phòng Thí nghiệm tổng hơp- Viện Địa lý- Viện khoa và công nghệ Quốc gia (bảng 1.9): Bảng 1.9: Bảng tổng kết phân tích độ hạt (10/2007) STT KHM Hàm lượng thành phần cấp hạt Sét Bột Cát mịn Cát trung bình Cát thô Q1 Q2 Q3 Md So Sk <0.001 0.001-0.005 0.005-0.01 0.01-0.05 0.05-0.1 0.1-0.25 0.25-0.5 0.5-1 > 1 1 VU01 7.97 19.02 16.26 39.18 17.56 0.046 0.020 0.048 0.020 3.1 0.74 2 VU02 3.44 5.33 90.27 0.96 0.210 0.190 0.170 0.190 1.11 0.99 3 VU03 6.40 5.83 5.45 4.04 38.28 40 0.140 0.090 0.060 0.090 1.53 1.01 4 VU04 27.62 1.14 63.61 4.13 0.82 2.68 0.140 0.100 0.045 0.100 1.76 0.79 5 VU05 17.38 20.51 17.16 11.15 33.80 0.060 0.010 0.002 0.010 5.48 1.15 6 VU06 19.20 16.43 12.28 22.09 30.00 0.065 0.011 0.002 0.011 5.70 1.04 7 VU07 17.28 17.89 11.22 14.20 39.41 0.089 0.020 0.003 0.020 5.96 0.75 8 VU08 3.27 6.03 89.99 0.71 0.210 0.190 0.160 0.190 1.15 0.96 9 VU09 0.53 3.65 95.82 0.230 0.210 0.190 0.210 1.10 1.00 10 VU10 34.90 15.06 8.75 3.29 38.00 0.075 0.005 0.0005 0.005 12.90 1.10 11 VU11 1.01 3.50 95.49 0.220 0.190 0.160 0.190 1.17 0.99 12 VU12 11.72 8.68 11.99 22.08 45.53 0.088 0.030 0.007 0.030 3.54 0.83 13 VU13 6.49 6.54 4.69 22.30 59.98 0.098 0.063 0.020 0.063 2.21 0.70 14 VU14 0.73 2.51 96.76 0.220 0.200 0.190 0.200 1.08 1.02 15 VU15 0.75 0.94 84.71 12.76 0.84 0.240 0.170 0.150 0.170 1.26 1.12 16 VU16 1.21 2.62 95.49 0.46 0.22 0.250 0.220 0.200 0.220 1.12 1.02 17 VU17 2.11 2.78 88.9 3.89 2.32 0.260 0.240 0.220 0.240 1.09 1.00 18 VU18 6.50 7.49 84.25 1.76 0.200 0.180 0.150 0.180 1.15 0.96 19 VU19 10.89 16.11 17.81 26.66 28.53 0.060 0.014 0.004 0.014 3.97 1.08 20 VU20 10.37 24.02 15.22 21.90 28.49 0.060 0.012 0.023 0.012 5.11 0.99 21 VU21 0.29 2.56 97.15 0.210 0.190 0.170 0.190 1.11 0.99 22 VU22 12.94 22.54 14.56 40.9.96 0.028 0.010 0.003 0.010 3.16 0.89 23 VU23 7.53 15.84 11.58 32.38 32.66 0.065 0.026 0.006 0.026 3.29 0.76 24 VU24 25.35 8.64 65.12 0.89 0.200 0.100 0.050 0.100 2.00 1.00 25 VU25 0.74 1.75 96.97 0.54 0.200 0.170 0.140 0.170 1.20 0.98 26 VU26 19.94 13.03 9.53 10.43 9.07 38 0.180 0.024 0.002 0.024 9.73 0.77 27 VU28 14.81 12.28 13.60 12.05 9.76 37.5 0.180 0.030 0.004 0.030 6.70 0.89 28 VU29 28.72 23.57 16.88 27.34 3.49 0.014 0.004 0.001 0.004 3.94 0.82 29 VU30 6.68 4.60 4.10 21.08 63.55 0.091 0.065 0.027 0.065 5.80 0.76 30 VU31 10.56 11.02 9.84 44.59 24.00 0.048 0.022 0.007 0.022 2.62 0.83 31 VU32 8.38 20.10 11.98 30.86 28.68 0.060 0.016 0.004 0.016 4.03 0.93 32 VU33 9.64 7.67 6.74 6.10 45.85 24 0.093 0.060 0.018 0.060 2.27 0.68 33 VU34 16.52 26.94 16.22 33.12 7.20 0.020 0.007 0.002 0.007 3.33 0.86 34 VU35 0.89 1.78 96.84 0.49 0.220 0.190 0.160 0.190 1.17 0.99 35 VU36 8.77 8.4 5.52 9.78 17.53 50.00 0.195 0.091 0.025 0.091 2.80 0.77 36 VU37 11.55 16.90 15.45 22.72 33.38 0.075 0.012 0.003 0.012 5.47 1.10 Các kết quả phân tích cho thấy trầm tích tại đây chủ yếu là cát bùn không chứa sạn sỏi, chủ yếu là hàm lượng cát chiếm (52 – 88%) và bùn chiếm hàm lượng thứ yếu (11 – 48%). Đặc biệt là Al2O3 rất thay đổi, mẫu cao nhất đạt tới 15%; đồng thời hệ số kation trao đổi luôn luôn đạt trên 0,85, trung bình là 1,2. Trầm tích cát bùn phân bố thành hai khu vực cách xa nhau và cũng đặc trưng cho hai giai đoạn thành tạo: - Khu vực xa bờ, trầm tích tại đây có những tham số định lượng đặc trưng cho trường cát xa bờ là độ chọn lọc (So) trung bình, kém; S0 dao động từ 1,6 đến 2,6; đừng kính trung bình (Md ) thay đổi từ 0,02 đến 1,17 mm thuộc loại cát nhỏ. Trầm tích cát bột xa bờ còn gặp dưới dạng các doi cát và cồn cát giữa lòng sông cổ phân bố rải rác trong các trường bùn cát và bùn sét. - Khu vực ven bờ trầm tích cát bùn phân bố thành 1 đới nằm kẹp giữa trầm tích cát bùn xa bờ trường bùn cát ven bờ có độ chọn lọc tốt hơn (So = 1,11 – 1,38). Trầm tích thuộc đới hoạt động sóng mạnh, song kích thước trung bình vẫn là cát hạt mịn như đới cát bột xa bờ (Md = 0,11 – 0,14 mm). Dân sinh kinh tế Các hoạt động kinh tế của nhân dân sinh sống trên đảo Cát Hải cũng ảnh hưởng đến sự bồi tụ của cửa sông Lạch Huyện. Dân số - lao động Theo số liệu điều tra năm 2000: Tổng dân số : 1914 người Tổng số hộ : 397 hộ. Số nhân khẩu ở tuổi lao động :947 lao động (49.5 % dân số). Trong đó : 184 lao động chưa có việc làm ổn định (chiếm 19,4 % lao động) Các ngành nghề chủ yếu • Nghề nuôi trồng thủy sản 112hộ. ( 28.21%) • Khai thác hải sản 52 hộ. (13.10%) • Tiểu thủ công nghiệp 59 hộ. (14.86%) • Số hộ làm việc làm nghề khác 174 hộ (43.83%) Thu nhập bình quân : khoảng 200 000 đồng/ người-tháng. Cơ sở hạ tầng Giao thông đường bộ Trục giao thông chính: Đường xuyên đảo dài 31km từ Đình Vũ đến Cát Bà mặt trải nhựa rộng 3.5 m đã hoàn thành đưa vào sử dụng từ tháng 3 năm 2002. Đường giao thông nội bộ : Đường liên thôn hiện nay là các đường cấp phối . Đường giao thông nội đồng, là các bờ đầm rộng từ 1 đến 2 m. Việc đi lại không thuận tiện gây ảnh hưởng đến việc sản xuất và khó khăn sinh hoạt của nhân dân. Giao thông thuỷ : Giao thông sông- biển là thế mạnh nối Phù Long với thành phố và các địa phương khác. Hiện tại, trên địa bàn Phù Long có bến tàu thuỷ việc đi lại khá thuận tiện. Các sông lạch tự nhiên như : Lạch Huyện, Lạch Cái Viềng, sông Phù Long khi được quy hoạch cải tạo sẽ là các tuyến du lịch sinh thái quan trọng cuả Phù Long. Hệ thống điện Mạng lưới điện cao thế 35 KV đi theo đường xuyên đảo rất gần khu dự án vì vậy rất thuận lợi để cấp điện cho khu dự án. Các cơ sở hạ tầng khác Khu trung tâm, trạm xá, trường học đã được xây dựng nhưng với quy mô nhà cấp IV, chưa phù hợp với tiêu chuẩn và vị trí của một địa phương nằm trong khu du lịch. Hiện trạng sử dụng đất Theo báo cáo thống kế sử dụng đất năm 2001, Xã Phù Long có 4 thôn : thôn Bắc, thôn Nam, thôn Ngoài và thôn áng Cối. Tổng diện tích tự nhiên 4.715,9ha. Các đối tượng sử dụng đất Hộ gia đình 1215.96 ha chiếm 25.78 % Uỷ ban nhân dân xã quản lý,sử dụng 10.96 ha chiếm 0.23 % Các đối tượng khác 4.08 ha chiếm 0.09 % Đất chưa giao cho thuê, sử dụng 3484.9 ha chiếm 73.9 % Cơ chế giao khoán đất sử dụng Hợp tác xã hợp đồng giao khoán ao đầm cho người dân trực tiếp quản lý sản xuất. Phương thức giao nhận khoán đầm hiện tại người lao động : Nhận khoán ao đầm với giá khoán nộp hàng năm theo quy mô diện tích và tuỳ thuộc vị trí thụân lợi hay khó khăn của khu đầm Tự đầu tư xây dựng cải tạo ao đầm, đầu tư các khoản chi phí sản xuất, trả tiền các dịch vụ. Điều kiện đầu tư quyết định quy mô đầu tư và hình thức nuôi trồng tuỳ thuộc vào tiềm năng vốn của các chủ đầm, đơn vị thuê đất. Từ nay đến năm 2010 các hợp đồng phần lớn chưa hết hạn thuê đất. Đây là vấn đề cần chú ý khi phân vùng, phân đầm ở khu C Quá trình sản xuất, người nhận khoán ( Chủ đầm) phải tự tổ chức sản xuất, tiêu thụ sản phẩm và chịu rủi ro chính. Với phương thức khoán trên sau khi đã trừ đi các khoản chi phí và giao nộp cho nhà nước, thu nhập bình quân khoảng 3 - 5 triệu đồng/lao động-năm. Hình thức nuôi Trong vùng quy hoạch,hiện nay có các hình thức nuôi :sinh thái, quảng canh cải tiến và bán thâm canh. Hình thức nuôi tự nhiên chiếm » 80% diện tích Nuôi quảng canh cải tiến,bán thâm canh chuyên tôm 254ha ( tỉ lệ 21.5 % ) Nuôi sinh thái tự nhiên (tôm, cá, cua, ghẹ) trong vùng sinh thái rừng ngập mặn là 926 ha ( tỉ lệ 78.5 % ). Hệ thống nuôi Hiện trạng về ao nuôi: Các ao đầm được khoanh nuôi xen với diện tích rừng ngập mặn. Diện tích mỗi ao đầm từ 2-35 ha tuỳ theo mặt nước trống để đắp khoanh. Độ sâu nước trong ao thấp (từ 0,4-0,6m) . Đối với các ao nuôi đã cải tạo để nuôi bán thâm canh độ sâu trung bình cũng chỉ đạt 0,7-0,8m. Hệ thống kênh cấp thoát nước: Các lạch tự nhiên được sử dụng để cấp nước và tiêu nước . Lạch Huyện và lạch Cái Viềng là trục cấp và tiêu nước chính cho nuôi trồng thuỷ sản ở Phù Long. Hướng lấy nước và tiêu nước không được phân địỗng ràng vì vậy chất lượng nước không thể đảm bảo, nguy cơ lây lan bệnh dịch cao. Công trình bảo vệ : Bằng vốn tự có, các chủ đầm đã xây dựng được trên 15 km bờ bao các khu đầm với chiều rộng mặt từ 1.5 ¸ 2 m, cao trình bờ từ 2 đến 2.5 . Các cống lấy nước và tiêu nước: Mỗi ao đầm chỉ có 1 cống chung để cấp và tiêu nước. Tổng số có 48 cống khẩu độ từ 0.45 m đến 2 m trên các bờ bao đầm.Các cống hiện nay được đầu tư bằng vốn tự có là chính, vì vậy về quy mô, kết cấu chưa đảm bảo yêu cầu nuôi trồng và phần lớn đã xuống cấp. Đường giao thông trong các khu vực nuôi : Hiện nay các bờ đầm được sử dụng làm đường đi lai cho sản xuất. Khi cần vận chuyển khối lượng vật tư, sản phẩm năng phải dùng thuyền để chở. Đây là một khó khăn lớn cho phát triển sản xuất. Năng xuất, Sản lượng: Năng suất nuôi thủy sản năm 2002 bình quân 315 kg/ha. Trong đó: Năng suất Tôm các loại bình quân 232 kg/ ha. Sản lượng thuỷ sản toàn xã đạt 400 tấn. Trong đó : Tôm các loại là 245 tấn (riêng tôm Sú nuôi QCCT đạt 50 tấn); Cá các loại là 105 tấn. Thị trường tiêu thụ Sản phẩm thuỷ sản chủ yếu là tiêu thụ trên thị trường trong nước hoặc bán cho tư thương xuất sang Trung Quốc theo đường tiểu ngạch. Giá trị tổng sản lượng thuỷ sản hàng năm khoảng 10 tỷ đồng. Đánh giá chung : Xuất phát từ những đặc điểm tự nhiên, xã hội và cở sở hạ tầng hiện tại trên, đi đến các đánh giá sau : Thuận lợi - Điều kiện tự nhiên ( khí hậu, nguồn nước, đất đai..), cơ bản thuận lợi cho phát triển nuôi trồng thuỷ sản và sản xuất giống quy mô tập trung . - Vị trí gần khu du lịch , hệ sinh thái đa dạng là các điều kiện thuận lợi để phát triển nghề thuỷ sản theo hướng : thuỷ sản hàng hoá gắn với du lịch và bảo tồn sinh thái. - Phù Long có tiềm năng lao động tại chỗ và khả năng thu hút lao động có sức khoẻ và kinh nghiệm nghề nuôi trồng và đánh bắt thuỷ sản và làm dịch vụ thuỷ sản. Phát triển nuôi trồng thuỷ sản là phù hợp nguyện vọng của chính quyền và nhân dân Phù Long. - Giao thông đường bộ, đường biển phát triển giúp Phù Long tiếp cận với thị trường thuận lợi để tiêu thụ sản phẩm hàng hoá thuỷ sản phục vụ tiêu dùng, du lịch tại chổ, ở thành phố và xuất khẩu. - Phù Long và Cát Bà là khu vực được thành phố xác định là một trong các trung tâm phát triển thuỷ sản. Chính quyền các cấp và các cơ quan khoa học kỹ thuật luôn quan tâm . Khó khăn - Phù Long và Cát Bà là nơi đầu sóng ngọn gió nên ảnh hưởng của bão , nước dâng và sóng lớn luôn luôn là hiểm hoạ đối với sản xuất. - Cơ sở hạ tầng phục vụ sản xuất và đời sống còn thiếu thốn. - Nguồn nước ngọt phục vụ sản xuất, chế biến thuỷ hải sản và sinh hoạt gặp nhiều khó khăn cần được giải quyết. - Cơ chế khoán nhỏ lẻ cho các hộ gia đình với hình thức nuôi quảng canh là chính không phát huy được tiềm năng và gây khó khăn khi triển khai quy hoạch theo hướng tập trung sản xuất hàng hoá. - Vốn tự có của người dân hạn chế. Các chính sách khuyến khích đầu tư chưa thật hấp dẫn để có thể huy động vốn đầu tư của các thành phần kinh tế vào nuôi trồng thuỷ sản ở Phù Long. - Trong nền kinh tế thị trường, đầu ra của sản phẩm thuỷ sản thường không ổn định. Đối với người sản xuất nhỏ , tiềm năng vốn có hạn thị sự biến động của thị trường là yếu tố rất nhảy cảm đối với sự phát triển sản xuất. Phạm vi nghiên cứu Trong đồ án có sử dụng các mô hình tính toán mô phỏng thủy động lực tại khu vực cửa Lạch Huyện. Tuy vậy do cửa Lạch Huyện chịu tác động của sóng gió, dòng chảy tổng hợp của cả Vịnh Hải Phòng, do vậy nếu chỉ tách riêng cửa Lạch Huyện để mô phỏng thì sẽ có những kết quả không chính xác. Các trường sóng và dòng chảy được miêu tả được tính toán đến khu vực trạm hải văn Hòn Dáu và trạm hải văn Cát Bà, do vậy yếu tố địa hình tại vịnh Hải Phòng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu. Chính vì những lý do trên mà phạm vi nghiên cứu của đồ án là khu vực cửa Lạch Huyện trong tổng quan chung của vịnh Hải Phòng. Vịnh Hải Phòng: Vịnh Hải Phòng nằm trong toạ độ địa lý: 20º40’ đến 20º50’ vĩ độ Bắc và 106º43’ đến 107º00’ kinh độ Đông. Phía Bắc và Đông Bắc được che chắn bởi đảo Cát Bà và hệ thống các đảo nhỏ trong vịnh Hạ Long, Bái Tử Long; phía Tây Nam có bán đảo Đồ Sơn kéo dài đến kinh độ 106 º48’ kinh độ Đông; phía Tây Bắc của vịnh là đất liền, nơi có các cửa sông Lạch Tray, cửa sông Cấm, cửa sông Bạch Đằng và cửa sông Chanh đổ nước ra biển. Cửa vịnh Hải Phòng rộng khoảng 21 km (tính từ mũi ngoài Đồ Sơn đến bờ đảo Cát Bà). Cửa vịnh có hướng Nam Đông Nam (gần như trùng với hướng của cửa vịnh Bắc bộ). Diện tích mặt nước của vịnh vào khoảng 260 Km2 (tính ngang với mặt nước biển trung bình +2,0m tại Hòn Dấu). Hình 1.3. Địa hình đáy vịnh Hải Phòng, 1995 (Nguồn: Viện Địa lý) Đáy vịnh có độ dốc i = 0,04% - 0,08% và thoải đều theo hướng Bắc Tây Bắc – Nam Đông Nam. Độ sâu trung bình của vịnh Hải Phòng nhìn chung không lớn, đường đẳng sâu -6,0m (Hải đồ) chạy giăng ngang cửa vịnh nối đảo Hòn Dấu với đảo Cát Bà. Tại các lòng máng gần cửa sông (sông ngầm) cao độ đáy khá sâu và có thể đạt -12,0m đến -13,0m (cửa Lạch Huyện); -7,0m đến -8,0m ở cửa Nam Triệu. Các bãi cát ngầm vùng các cửa sông có cao độ dao động trong khoảng 0,0m đến +1,5m và chỉ lộ ra khi mức nước triều xuống thấp. Diện tích trên mặt bằng của các bãi cát ngầm và chương cát dọc các cửa sông (phần có cao độ trên 0,0m) vào khoảng 43,0 km2 (chiếm xấp xỉ 16,5% diện tích mặt nước trung bình của vịnh Hải Phòng). Các lòng máng cửa sông chính như cửa sông Bạch Đằng (cửa Nam Triệu), cửa sông Chanh (cửa Lạch Huyện) đều có hướng gần với hướng Tây Bắc - Đông Nam. Ngưỡng cạn cửa sông trong điều kiện tự nhiên đều có cao độ dao động trong khoảng -1,0m đến -1,5m. Các chương cát dọc theo cửa sông cũng thoải dần ra biển theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Về chế độ thuỷ – hải văn, dòng chảy và mức nước vùng vịnh Hải Phòng chịu chi phối của thuỷ triều khu vực vịnh Bắc bộ. Thuỷ triều ở đây tuân theo chế độ nhật triều điển hình, biên độ triều vào khoảng 3,8m ~ 4,0m. Thời gian triều xuống thường xấp xỉ hoặc ngắn hơn thời gian triều lên từ (1 ~ 2) giờ. Dòng triều thuận nghịch và có tốc độ trung bình đạt 30cm/s ~ 50cm/s. Dòng chảy tổng hợp trong vịnh có tốc độ lớn nhất thường xuất hiện khi triều xuống trong phạm vi các lòng máng cửa sông (tốc độ này có thể đạt 150cm/s ~ 180cm/s). Độ mặn quanh năm thường giao động trong khoảng 0,5 % ~ 2,5%. Độ mặn cao thường xuất hiện vào mùa đông và thấp trong mùa mưa lũ. Cửa Lạch Huyện: Cửa Lạch Huyện chính là nơi sông Chanh đổ nước ra biển thông qua vịnh Hải Phòng. Mặt cắt cửa sông nằm ở ngay hạ lưu Bến Gót hiện tại. Chiều rộng mặt cắt cửa sông dao động trong khoảng 1.500m ~ 2.000m (tuỳ thuộc vào mức nước tính toán). Mặt cắt ngang có hình dạng gần với chữ “U“ với cao độ đáy của đường trũng sâu dao động trên dưới -12,5m . Theo các kết quả nghiên cứu số liệu nhiều năm của TEDI & Viện Địa lý cho thấy vị trí mặt cắt cửa sông, chiều rộng, chiều sâu trung bình, chiều sâu lớn nhất của mặt cắt cửa sông khá ổn định. Ngưỡng cát chắn cửa (bar chắn cửa) Lạch Huyện cũng có hình thái khá ổn định với cao cao độ đỉnh ngưỡng cạn dao động trong khoảng từ -1,5m đến -1,0m và nằm cách cửa sông khoảng 9.000m. Tương ứng với mức nước trung bình (+2,0m Hải đồ), tỷ số độ sâu lớn nhất ổn định ở mặt cắt cửa sông và độ sâu lớn nhất ngưỡng cát ngầm chắn cửa thường giao động trong khoảng 4,1~4,8; tỷ số khoảng cách từ ngưỡng cát ngầm chắn cửa đến mặt cắt cửa và chiều rộng mặt cắt ngang cửa vào khoảng 4,5. Hướng chủ đạo của lòng máng cửa sông (sông ngầm) chạy theo hướng gần như Tây Bắc – Đông Nam (gần trùng với các hướng sóng và hướng dòng triều chủ đạo ở cửa sông Chanh). Độ dốc sườn phía trong của bar chắn cửa Lạch Huyện khá thoải i » 0,12%; sườn phía biển của bar chắn cửa có độ dốc lớn hơn i»0,18%. Địa chất mặt của ngưỡng cạn phổ biến là cát có đường kính hạt trung bình d50 = 63~250microns (Theo tài liệu của Haecon). Tương tự như với vịnh Hải Phòng, cửa sông Chanh chịu sự chi phối của thuỷ triều vùng Vịnh Bắc bộ. Thuỷ triều ở đây có chế độ nhật triều điển hình với biên độ khoảng 3,8m ~ 3,9m. Theo số liệu quan trắc của TEDI (trong khuôn khổ dự án Nghiên cứu sa bồi luồng tàu vào cảng Hải Phòng do UNDP tài trợ) năm 1993 cho thấy cửa Lạch Huyện chịu sự chi phối của thuỷ triều rất lớn (xem bảng 1.10). Bảng 1.10:Lưu lượng dòng chảy trong một con triều tại Bến Gót, Lạch Huyện Đơn vị : triệu m3 Mùa Khô Mùa Mưa Triều cường (4,5/II/1993) Triều kém (11,12/II/1993) Triều cường (15,16/VIII/1993) Triều kém (25,26/VIII/1993) Xuống 231.0 80.2 263.5 38.1 Lên 181.3 52.4 197.3 128.5 Dư 49.7 27.8 66.2 -90.4 Cũng theo các tài liệu quan trắc đo đạc của TEDI, về mùa khô, độ đục đo được ở Bến Gót, Lạch Huyện có giá trị trung bình đạt 90mg/l; về mùa khô, giá trị độ đục trung bình là 132mg/l, giá trị này nhỏ hơn nhiều so với phía cửa sông Bạch Đằng. Căn cứ vào số liệu quan trắc, TEDI đã tính toán sơ bộ và cho rằng, hàng năm lượng bùn cát đổ ra vịnh Hải Phòng qua cửa Lạch Huyện vào khoảng 0,54 triệu tấn/năm (số liệu này theo Viện Địa lý là 0,4 triệu tấn /năm và theo Đại học Thuỷ lợi là 1,4 triệu tấn/năm). Với đặc điểm về địa hình, địa mạo, thuỷ - hải văn như nêu trên, nhiều nhà nghiên cứu, cơ quan nghiên cứu đều có nhận định thống nhất về cửa Lạch Huyện như sau: - Trong điều kiện tự nhiên, cửa Lạch Huyện là một cửa sông có tính ổn định cao trên cả mặt bằng và phương đứng; - Cửa Lạch Huyện thuộc loại cửa sông hình phễu (estuary) dựa trên cách phân loại theo hình thái địa mạo. Căn cứ vào đặc điểm thuỷ triều có thể xếp cửa Lạch Huyện vào loại cửa sông triều trung bình (biên độ triều 2~4m) hoặc cửa sông có ngưỡng cát ngầm (theo đặc điểm của khối bồi lắng vùng cửa sông). - Ngoài các đặc điểm nêu trên, cửa Lạch Huyện có một số đặc điểm đáng chú ý thêm như sau: - Cửa sông đổ vào vùng vịnh được che chắn một phía (hướng Bắc & Đông Bắc có đảo Cát Bà); - Bùn cát hình thành ngưỡng cát ngầm chắn cửa có nguồn gốc chủ yếu là bùn cát của vịnh Hải Phòng mà chủ yếu là từ phía Nam & Tây Nam đưa lên). CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THỦY LỰC Để xác định được vị trí cũng như quy mô hợp lý của công trình đê chắn sóng bảo vệ cảng Lạch Huyện nhằm đảm bảo ổn định cửa, tạo ra vùng nước lặn trong cảng trước tác động của sóng và dòng chảy, ngăn cản bùn cát làm bồi lắng cửa cảng đồng thời không ảnh hưởng đến khả năng thoát lũ của sông Chanh qua cửa Lạch Huyện cần mô phỏng quá trình thủy động lực và sự lan truyền của sóng vào khu vực nghiên cứu trong các điều kiện khác nhau nhằm xác định ảnh hưởng của sóng và dòng chảy đến khu vực nghiên cứu trong điều kiện tự nhiên và trong điều kiện có công trình tôn tạo. Công cụ sử dụng để mô phỏng thủy động lực và sự lan truyền của sóng, vận chuyển bùn cát được sử dụng trong đồ án nghiên cứu là mô hình Mike21, modul Mike21 Couple Fm- Mike 21/3 Integrated. 2.1 Giới thiệu về modul Mike21 Couple Fm- Mike 21/3 integrated: Mike 21/3 Coupled Model FM là 1 hệ thống mô hình động lực học thật sự được ứng dụng cho đường bờ, cửa sông và môi trường sông. Mike 21/3 Coupled Model FM được ứng dụng cho các hiện tượng thuỷ lực khác nhau trong các hồ, sông, cửa sông, vịnh, vùng bờ biển và trên biển. Module được xây dựng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, lưới địa hình được mô phỏng tối ưu nhất với các bước lưới hình tam giác. Ưu điểm của lưới này là mô phỏng chính xác nhất các đặc tính của địa hình và khu vực nghiên cứu, với nhiều tỷ lệ mắt lưới khác nhau trên cùng một địa hình. Đặc tính này không chỉ giúp mô phỏng chính xác nhất chế độ thủy lực của dòng chảy mà nó còn giúp người sử dụng tập trung tối đa vào khu vực cần nghiên cứu trong khi vẫn thể hiện được các thuộc tính lân cận mà không làm ảnh hưởng nhiều đến thời gian mô phỏng. Mike 21/3 Coupled Model FM được tạo thành bởi những môđun sau: Modul thuỷ lực Modul vận chuyển vật chất Modul thí nghiệm sinh thái Modul vận chuyển bùn cát Modul tính toán sóng. Modul thuỷ lực và modul phố sóng là những thành phần tính toán cơ bản của Mike 21/3 Coupled Model FM. Sử dụng Mike 21/3 Coupled Model FM có thể mô phỏng sự tương tác qua lại giữa sóng và dòng chảy là sử dụng mô hình động lực phối hợp giữa modul thuỷ lực và môđun phỏ sóng. Mike 21/3 Coupled Model FM cũng bao gồm sự phối hợp động lực giữa modul vận chuyển bùn và modul vận chuyển cát và modul thuỷ lực và modul phổ sóng. Từ đó, thông tin phản hồi đầy đủ của sự thay đổi địa hình đáy, sóng, dòng chảy cũng được tính đến. Modul dòng chảy Mike21 Fm Mike 21 FM, do DHI Water & Enviroment phát triển, là hệ thống mô hình mới cơ bản trong cách tiếp cận mắt lưới linh hoạt. Hệ thống mô hình được phát triển cho việc ứng dụng nghiên cứu hải dương học, môi trường vùng cửa sông ven biển. Mô hình gồm có phương trình liên tục, phương trình mô men, phương trình mật độ, phương trình độ mặn. Mô hình Mike 21 Fm bao gồm các module sau: Module thủy động lực học Module vận chuyển tính toán vận chuyển bùn cát Module sinh thái Module giám sát chất điểm Module thủy động lực học là thành phần tính toán cơ bản của hệ thống mô hình Mike 21 Fm, cung cấp chế độ thủy lực cơ bản cho khu vực tính toán. Mô tả sơ bộ Modul thủy lực cơ bản trong phương pháp số của các phương trình nước nông 2 chiều- độ sâu- phương trình kết hợp Navier- Stoke lấy trung bình hệ số Renold không nén. Nó bao gồm các phương trình liên tục, phương trình động lượng, nhiệt độ, độ mặn và phương trình mật độ. Theo chiều nằm ngang cả hệ tọa độ Đêcác và hệ tọa độ cầu đều được sử dụng. Hệ phương trình cơ bản của chương trình tính toán được xây dựng trên cơ sở 2 nguyên lý bảo toàn động lượng và bảo toàn khối lượng. Kết quả đầu ra của nghiên cứu là tập hợp các bộ nghiệm mực nước và lưu tốc dòng chảy. Phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng): (2-1) Phương trình bảo toàn động lượng theo phương X: (2-2) Phương trình bảo toàn động lượng theo phương Y: (2-3) Các ký hiệu sử dụng trong công thức: h(x,y,t) - Chiều sâu nước (m). z (x,y,t) - Cao độ mặt nước (m). p, q(x,y,t) u,v - Lưu lượng đơn vị dòng theo các hướng X và Y (m3/s/m) = uh, vh ; - u,v = lưu tốc trung bình chiều sâu theo các hướng X, Y C(x,y) - Hệ số Chezy (m1/2/s). g - Gia tốc trong trường (m/s2). f(V) - Hệ số nhám do gió. V,Vx, Vy(x,y,t) - Tốc độ gió và các tốc độ gió thành phần theo các hướng x, y W(p,q) - Thông số Coriolis phụ thuộc vào vĩ độ (s-1). Pa (x,y,t) - áp suất khí quyển (kg/m2/s). rw - Khối lượng riêng của nước (kg/m3). x,y - Tọa độ không gian (m). t - Thời gian (s). txx, txy, tyy - Các thành phần của ứng suất tiếp hiệu dụng. Module phổ sóng Mike 21 SW Mike 21 SW (Spectral wave) là module có khả năng mô phỏng sóng gió lan truyền, phát triển và suy tàn cho khu vực ven bờ cho sóng co chu kỳ và biên độ nhỏ. Mô hình có tính toán đến hiệu ứng khúc xạ, độ sâu sóng sinh ra gió tại khu vực và năng lượng tiêu hao do ma sát đáy cũng như do sóng vỡ. Mô hình cũng có khả năng tính đến tương tác giữa sóng và dòng chảy. Mike 21 SW là module tính phổ sóng gió được tính toán dựa trên lưới phi cấu trúc. Module này tính toán sự phát triển , suy giảm và truyền sóng được tạo ra bởi gió và sóng lừng ở ngoài khơi và khu vực ven bờ. Mike 21 SW bao gồm 2 công thức khác nhau: - Công thức tham số tách hướng - Công thức phổ toàn phần Công thức tham số tách hướng được dựa trên việc tham số hóa phương trình bảo toàn hoạt động sóng. Việc tham số hóa được thực hiện theo miền tần số bằng cách đưa vào moomen bậc không và bậc một của phổ hoạt động sóng giống như các giá trị không phụ thuộc (theo Holtuijsen 1989). Xấp xỉ tương tự được sử dụng trong mudule phổ sóng ven bờ Mike 21 NSW. Công thức phổ toàn phần được dựa trên phương trình bảo toàn hoạt động sóng, như được mô tả bởi Komen và cộng sự (1994) và Young (1999), tại đó phổ hướng sóng và sóng hoạt động là giá trị phụ thuộc. Các phương trình cơ bản được xây dựng trong cả hệ tọa độ Đề Các với những áp dụng trong phạm vi nhỏ và hệ tọa độ cầu cho những áp dụng trong phạm vi lớn hơn. Mike 21 SW bao gồm các hiện tượng vật lý sau: Sóng được phát triển bởi hoạt động của gió; Tương tác sóng- Sóng là phi tuyến; Tiêu tán sóng là do sự bạc đầu; Tiêu tán sóng là do ma sát đáy; Tiêu tán sóng là do sóng vỡ; Khúc xạ và hiệu ứng nước nông do sự thay đổi độ sâu; Tương tác sóng dòng chảy; Ảnh hưởng của sự thau đổi độ sâu the thời gian. Việc rời rạc hóa phương trình trong không gian địa lý và không gian phổ được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn lưới trung tâm. Sử dụng kỹ thuật lưới phi cấu trúc trong miển tính địa lý. Việc tích phân theo thời gian được thực hiện bằng cách sử dụng xấp xỉ chia đoạn trong đó phương pháp hiện đa chuỗi được áp dụng để tính truyền sóng. Phương trình cân bằng năng lượng sóng ngẫu nhiên như sau: (2-4) Trong đó: S là hàm mật độ năng lượng sóng, C là vận tốc truyền sóng Cg là vận tốc nhóm sóng là hướng sóng truyền là tần số góc, là thông số tính tới sự nhiễu xạ của sóng (k=2.5 theo Mase et al,1998), là hệ số tiêu tán năng lượng sóng do sóng bạc đầu và sóng vỡ. Trong phương trình, thành phần nhiễu xạ là thành phần thứ nhất bên vế phải, đạo hàm bậc hai là phương trình eliptic theo hướng trục y, do đó có thể tính sóng nhiễu xạ theo trục này. Thông thường, nếu ta lấy trục y theo hướng song song với hướng sóng chính và áp dụng thuật toán giải phương trình cho phép tính toán sóng theo hướng lan truyền sóng, có thể tính toán hiện tượng nhiễu xạ sóng với độ chính xác khá cao. Trong vùng ven bờ, sóng được truyền từ khơi vào bờ. Vì vậy, nếu chọn hệ tọa độ với gốc ở ngoài khơi; trục X hướng từ khơi vào bờ; trục Y hướng song song với bờ, ta sẽ tính được sự lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ, và sự nhiễu xạ sóng theo phương song song bờ với độ chính xác cao. Vận tốc đặc trưng (vận tốc lan truyền năng lượng sóng) gồm các thành phần , , được tính theo công thức sau: (2-5) (2-6) Trong đó: là vector đơn vị theo hướng là vector đơn vị theo hướng pháp tuyến với hướng lan truyền của sóng là số sóng. Mối quan hệ phân tán tuyến tính cho phép xác định số sóng tại một độ sâu: (2-7) Trong đó: là tần số góc là độ sâu là gia tốc trọng trường Điều kiện biên Ở biên đất trong không gian địa lý, điều kiện biên trượt toàn phần được áp dụng. Các thành phần thông lượng đi vào được gán bằng O. Không có điều kiện biên cho các thành phần thông lượng đi ra. Ở các biên mở, thông lượng đi vào cần được biết. Do đó, phổ năng lượng phải được xác định ở các biên mở. 2.2. Áp dụng tính toán thủy lực cho khu vực của sông Lạch Huyện - Hải Phòng 2.2.1. Số liệu đầu vào Địa hình: Phạm vi mô hình: Bao phủ toàn bộ khu vực nghiên cứu. Để phục vụ nghiên cứu dòng chảy tại khu vực Lạch Huyện, phạm vi nghiên cứu được mô phỏng từ vùng biển. Lưới tính toán: tỷ lệ lưới tính toán tăng dần từ trong sông ra đến vịnh Bắc bộ. Bước lưới cho mô hình dòng chảy được thể hiện chi tiết và tập trung tại khu vực sông Bạch Đằng, kênh Tráp, kênh Hà Nam và cửa sông Lạch Huyện.( Hình 2.1) Hướng mô hình: Trục OX hợp với hướng Bắc một góc 0o, trục OY hợp với hướng Bắc một góc là 90o theo chiều ngược kim đồng hồ. Mức 0 mô hình: Mức 0 hệ cao độ lục địa. Hình 2.1: Lưới tính toán mô hình Điều kiện biên: Đối với bài toán thủy lực dòng chảy: Biên phía Bắc: Mực nước thực đo tại các trạm mực nước H1, H2 H3 ( hình 2.2) Biên phía Nam: Số liệu thực đo tại trạm mực nước Hòn Dấu,Cát Bà Biên mực nước trong sông được lấy từ các trạm đo mực nước(H1, H2, H3) của Tedi được bố trí như ở hình dưới: Hình 2.2: Vị trí các biên mực nước sử dụng để nghiên cứu mô hình Mực nước thực đo tại H1 đại diện cho biên tại sông Bạch Đằng Mực nước thực đo tại H2 đại diện cho biên tại sông Rút. Mực nước thực đo tại H3 đại diện cho biên tại sông Chanh. Tài liệu quan trắc được thu thập tại trạm quốc gia Hòn Dấu và các trạm đo mực nước đều cho thấy, thủy triều tại khu vực nghiên cứu và lân cận là nhật triều thuần nhất, hầu hết số ngày trong tháng là nhật triều (24à 25 ngày), dao động mực nước 3,0 à 4,0m vào thời kỳ triều cường và khoảng 0,5m vào thời kỳ triều kém, đặc biệt vào kỳ triều cường tốc độ mực nước lên xuống nhanh (hình 3,4). Vùng biển nằm ngoài cửa sông, ít chịu ảnh hưởng của nước nguồn, yếu tố biển đóng vai trò chủ yếu. Hình 2.3: Quá trình mực nước tại trạm Hòn Dấu thời đoạn mùa mưa(tháng 7/2006) Hình 2.4: Quá trình mực nước tại trạm Hòn Dấu thời đoạn mùa khô (tháng 2/2006) Điều kiện gió: Điều kiện gió được sử dụng trong mô phỏng như một thông số mô hình, trong đó có xét đến 2 yếu tố là hướng và cường độ gió. Số liệu gió được trích từ số liệu thực đo tại trạm Hòn Dáu năm 2006. (Bảng 2.1, 2.2) Bảng 2.1: Tần suất xuất hiện gió nhiều năm trạm Hòn Dáu (%) Hướng Mùa B ĐB Đ ĐN N TN T TB Đông 12,4 30,9 10,0 17,0 4,5 2,1 1,0 2,9 Hè 10,9 13,4 12,5 26,2 12,2 10,5 3,3 11,1 Bảng 2.2: Đặc trưng tốc độ gió trạm Hòn Dáu (m/s) Tháng Đặc trưng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII TB 4,8 4,6 4,4 4,6 5,4 5,6 6,0 4,5 4,4 4,9 4,6 4,6 Lớn nhất 24 20 34 28 40 40 40 45 45 34 24 28 Đối với bài toán tính sóng Trường sóng đại biểu tại trạm đo Cát Bà được tính trong 2 tháng, 1 tháng mùa đông (tháng 2) và 1 tháng mùa hè (tháng 7). Số liệu được lấy từ các máy đo sóng dự án Lạch Huyện - Hải Phòng của Tedi. Các hướng sóng chủ yếu đến khu vực nghiên cứu là hướng SE, E, S, SW (hình 2. ). Do yếu tố địa lý của khu vực nghiên cứu có đảo Cát Bà che chắn phía Đông nên hướng sóng E không tác động nhiều đến công trình. Ở đây ta chỉ xét các hướng S, SE, SW là chủ yếu, trong đó hướng S là hướng đặc biệt cần quan tâm. Hoa sóng tháng 2 tại KVNC Hoa sóng tháng 7 tại KVNV - Hệ số nhám đáy biển: thông số nhám Nikuradse Kn=0,002, áp dụng đều khắp trên khu vực mô hình. - Điều kiện sóng vỡ: + Điều kiện độ dốc sóng: γ= 1 + Điều kiện (sóng vỡ) : γ= Hs/h =0,8 Trong đó: Hs: chiều cao sóng ý nghĩa h: chiều sâu nước Thông số mô hình: Bước thời gian tính toán: t = 30s Hệ số nhám: Sử dụng ma trận độ nhám để áp dụng vào những khu vực địa hình thay đổi, số chezy = 32 0,5/s. Thời gian tính toán: Mùa Đông (mùa khô): 1/2/2006 – 15/2/2006. Mùa Hè (mùa lũ): 1/7/2006 – 15/7/2006. Kết quả đầu ra: - Các trướng sóng tính toán. - Các trường dòng chảy tính toán. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Việc kiểm chứng mô hình là trên cơ sở biên cứng và biên lỏng, phải điều chỉnh các trị số nhám, độ dốc mực nước, hệ số nhớt… để số liệu tính toán phù hợp với số liệu thực đo. Điều chỉnh và nghiệm chứng mô hình toán là bước quan trọng và tốn nhiều công sức nhất trong nghiên cứu mô hình. Độ tin cậy của mô hình hay nói cách khác độ tin cậy của kết quả tính toán trong bước nghiên cứu tiếp theo phụ thuộc chủ yếu vào bước này. Mô hình được điều chỉnh và nghiệm chứng tốt có nghĩa là mô hình có khả năng mô phỏng chính xác (ở mức độ nhất định) các quá trình thủy động lực trong các điều kiện khác nhau. Để kiểm định sai số của mô hình sử dụng chỉ tiêu Nash (Nash and Sutcliffe – 1970) để xác định. Nash = 1 - (2-8) Xo,i: Giá trị thực đo Xs,i: Giá trị tính toán hoặc mô phỏng. : Giá trị thực đo trung bình Các số liệu mực nước kiểm tra được lấy từ số liệu thực đo tại các trạm mực nước H6, H7, H8 do Tedi cung cấp. Vị trí các trạm mực nước kiểm tra được thể hiện trên hình 2.6 : Hình 2. 6: Vị trí các trạm mực nước kiểm tra So sánh kết quả tính toán với các số liêu thực đo (hình 2.7, 2.8, 2.9): Hình 2.7: Biểu đồ so sánh mực nước thực đo và tính toán trạm H6 Hình 2.8: Biểu đồ so sánh mực nước thực đo và tính toán trạm H7 Hình 2.9: Biểu đồ so sánh mực nước thực đo và tính toán trạm H8 Tính toán theo thông số Nash, mức hiệu quả của mô hình lần lượt tại các trạm: - Trạm H6 (kênh Tráp): 94,6% - Trạm H7 (sông Chanh): 96,5% - Trạm H8 (cách Cát Hải 2,5km): 89,7% Kết quả so sánh sai số giữa số liệu thực đo và tính toán cho thấy kết quả tính toán bằng mô hình khá phù hợp với kết quả đo đạc. Mô phỏng hiện trạng khu vực nghiên cứu: Kết quả mô phỏng trường dòng chày có sự ảnh hưởng của sóng: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng vào mùa hè (tháng 7) được thể hiện trên hình 2.10 (khi triều dâng) và hình 2.11 (khi triều rút). Hình 2.10: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng khi triều dâng (22h 1/7/06) Hình 2.11: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng khi triều rút Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng mùa đông (tháng 2) được thể hiện trên hình 2.12 (khi triều dâng)và 2.13 (khi triều rút). Hình 2.12: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng khi triều dâng (8h 2/2/06) Hình 2.13: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng khi triều rút (20h 1/2/06) b) Kết quả mô phỏng trường sóng có sự ảnh hưởng của dòng chảy: Kết quả mô phỏng trường sóng theo hướng Nam được thể hiện trên hình 2.14 (khi triều dâng)và 2.15 (khi triều rút). Hình 2.14: Trường sóng hướng Nam khi triều dâng Hình 2.15: Trường sóng hướng Nam khi triều rút Kết quả mô phỏng trường sóng theo hướng Tây Nam được thể hiện trên hình 2.16 (khi triều dâng) và 2.17 (khi triều rút). Hình 2.16: Trường sóng hướng Tây Nam khi triều dâng Hình 2.17: Trường sóng hướng Tây Nam khi triều rút Kết quả mô phỏng trường sóng theo hướng Đông Nam được thể hiện trên hình 2.18 (khi triều dâng)và 2.19 (khi triều rút). Hình 2.18: Trường sóng hướng Đông Nam khi triều lên Hình 2.19: Trường sóng Đông Nam khi triều rút Nhận xét: Trường dòng chảy: Trong điều kiện hiện trạng, dựa trên kết quả mô phỏng cho thấy tại khu vực này dòng trong sông chiếm ưu thế hơn so với dòng triều. Khi triều xuống, xuất hiện 1 roi cát khá dài nổi lên bên trái cửa Lạch Huyện. Khi có tác động của sóng và dòng chảy khi triều lên, roi cát này mới bị ngập. Trường lưu tốc tại khu vực trong sông đổ ra biển tuân thủ theo quy tắc thuận nghịch, khi triều xuống thì theo hướng đi ra biển, khi triều lên thì trường lưu tốc trong kỳ triều kém có ảnh hưởng không đáng kể đến trường lưu tốc thủy lực của dòng. Trường dòng chảy chịu ảnh hưởng của sóng, tại biên phía biển, trường dòng chảy co xu thế bị uốn cong theo hướng sóng. Tại các bờ Đông, bờ Tây, hướng lưu tốc hướng ngang. Trong mùa lũ, dòng chay lũ từ sông đổ xuống theo hướng Nam, lưu tốc dòng chảy lớn nhất có thể đạt được là 1,0 m/s đến 1,2 m/s ở khu vực ngay cửa biển. Trường sóng: Trường sóng truyền vào khu vực nghiên cứu theo hướng Nam (S): hướng sóng vuông góc các đường đồng mức điạ hình đáy. Đây là trường sóng tác động trực tiếp đến công trình cảng Lạch Huyện, cần quan tâm nhất. Trong kỳ triều lên, cùng với dòng triều sóng tác động mạnh đến dòng chảy trong sông, gây ra sự hỗn loạn dòng chảy tại khu vực cửa sông. Trường sóng truyền vào khu vực nghiên cứu theo hướng Tây Nam (SW): đây cũng là sóng tác động trực tiếp đến khu cảng Lạch Huyện, tuy nhiên tần suất xảy ra sóng hướng Tây Nam là không lớn. Dòng chảy sóng gặp dòng trong sông vào mùa lũ thì bị uốn cong và đi ra. Vào mùa kiệt dòng sóng cùng dòng triều tiến sâu vào trong sông. Trường sóng truyền vào khu vực nghiên cứu theo hướng Đông Nam (SE): sóng từ biển truyền thẳng vào khu vực cảng. Tuy nhiên do điều kiện địa hình, cảng Lạch Huyện được đảo Cát Bà che chắn phía Đông và 1 phần phía Đông Nam nên hướng sóng này không ảnh hưởng nhiều đến cửa cảng. Mô phỏng khu vực nghiên cứu khi có công trình: Dựa vào kết quả mô phỏng hiện trạng khu vực nghiên cứu để tiến hành mô phỏng công trình bảo vệ cảng Lạch Huyện. Vị trí công trình cần thỏa mãn: - Chắn sóng vào khu vực cảng, tạo khu nước lặng bên trong cảng. - Không cản trở tàu thuyền đi lại vào khu vực cảng. - Tiết kiệm chi phi đào lắp. Kết quả mô phỏng cho thấy ở bờ trái cửa Lạch Huyện có 1 roi cát lớn nằm vuông góc với đường bờ bên Cát Hải. Cao trình lớn nhất -0.5m. Đây là địa điểm thuận lợi cho việc đặt công trình lên để giảm chi phí đào lấp. Dựa vào đó kiến nghị thiết kế đê chắn sóng cảng Lạch Huyện dài 6km (kéo dài đến cao trình -2,5m). Ở đầu có tuyến đê nối tiếp theo hướng Đông Nam để chắn sóng hướng Tây Nam, dài 1km (hình 2.20, 2.21). Hình 2.20: Vị trí công trình kè chắn sóng Hình 2.21: Vị trí của công trình kè chắn sóng Mô phỏng dòng chảy có ảnh hưởng của sóng Dòng chảy có ảnh hưởng của sóng được mô phỏng trên hình 2.23 (khi triều dâng) và 2.24 (khi triều rút). Hình 2.22: .Trường dòng chảy khi triều lên (4h 4/7/06) Hình 2.24: Trường dòng chảy khi triều xuống (20h 5/7/06) b) Mô phỏng trường sóng có ảnh hưởng của dòng chảy Kết quả mô phỏng trường sóng hướng Nam được thể hiện trên hình 2.25 (khi triều dâng)và 2.26 (khi triều rút). Hình 2.25: Trường sóng hướng Nam khi triều dâng Hình 2.26: Trường sóng hướng Nam khi triều rút Kết quả mô phỏng trường sóng hướng Đông Nam được thể hiện trên hình 2.27 (khi triều dâng)và 2.28 (khi triều rút). Hình 2.27: . Trường sóng hướng Đông Nam khi triều dâng Hình 2.28: Trường sóng hướng Đông Nam khi triều xuống Kết quả mô phỏng trường sóng hướng Tây Nam (SW) được thể hiện trên hình 2.29 (khi triều dâng)và 2.30 (khi triều rút). Hình 2.29: Trường sóng hướng Tây Nam khi triều dâng Hình 2.30: Trường sóng hướng Tây Nam khi triều rút Nhận xét: Để tiện cho việc phân tích và đánh giá hiệu quả của công trình chỉnh trị, tiến hành so sánh số liệu trích rút mực nước, sóng, lưu tốc dòng chảy tại một số điểm đặc trưng. Các điểm nghiên cứu được lấy tại các vị trí A1, A2, A3, A4 (hình 2.31) Hình 2.31: Sơ đồ vị trí các điểm trích rút Trong đó A1: Điểm thuộc vị trí bến Gót A2, A3: Điểm nằm trong luồng Lạch Huyện A4: Điểm nằm ở ngoài cửa Lạch Huyện Kết quả trích số liệu mực nước cho thấy giá trị mực nước tại các điểm khảo sát trước và sau khi có công trình chênh lệch nhau rất ít, đặc biệt là trong thời kỳ triều lên.. Tại thời điểm triều rút, giá trị mực nước trước và sau khi có công trình chênh nhau khoảng 0,5m. Càng vào sâu trong sông thì giá trị mực nước càng tăng. Giá trị mực nước tại các điểm nghiên cứu được thể hiện ở bảng 2.3. Bảng 2.3. Các giá trị trích mực nước tại các điểm nghiên cứu Điểm Trước khi có công trình Sau khi có công trình Hmin Hmax Biên độ Hmin Hmax Biên độ A1 -1.00 1.93 2.93 -1.54 1.92 A2 -1.11 1.92 3.03 -1.72 1.89 A3 -1.12 1.91 3.03 -1.84 1.83 A4 -1.06 1.86 2.92 -1.71 1.85 Để có cái nhìn định lượng về sự phân bố lưu tốc trên khu vực nghiên cứu, tiến hành khảo sát sự biến đổi lưu tốc lớn nhất và nhỏ nhất tại các điểm trích rút trước và sau khi có công trình chỉnh trị (Bảng 2.4). Bảng 2.4. Các giá trị lưu tốc tại điểm trích rút (m/s) Điểm Có công trình Không có công trình ∆V Vmax Vmin Vmax Vmin ∆Vmax ∆Vmin A1 0.2789 0.0010 0.2795 0.0013 0.0006 0.0003 A2 0.3378 0.0009 0.3238 0.0018 0.0140 0.0009 A3 0.4957 0.0041 0.3730 0.0055 0.1227 0.0014 A4 0.4820 0.0024 0.3557 0.0044 0.1263 0.0020 Như vậy khi có công trình thì lưu tốc dòng chảy có xu thế lươn hơn. Điều này được giải thích là do sự co hẹp mặt cắt ngang khi xây dựng công trình khiến cho lưu tốc dòng tăng lên. Một vấn đề đáng lưu tâm khi xây dựng công trình là: công trình chắn sóng phải tạo vùng nước lặng trong khu vực cảng. Ta xem xét các giá trị chiều cao sóng tại các điểm trich rút được thể hiện ở bảng 2.5. Bảng 2.5. Các giá trị chiều cao sóng tại các điểm trích rút Điểm Không có công trình Có công trình Hmin Hmax Htb Hmin Hmax Htb A1 0.00024 0.35 0.075 -0.00057 0.23 0.01 A2 0.00022 0.61 0.111 -0.00072 0.19 0.048 A3 0.00031 0.90 0.130 -0.00035 0.46 0.127 A4 0.00033 1.17 0.256 -0.00018 0.59 0.253 Như vậy, dựa vào kết quả trích rút ta thấy giá trị chiều cao sóng giảm đi đáng kể khi có công trình. Kết quả mô phỏng công trình trên điều kiện hiện trạng cho thấy: Công trình chặn hầu hết những sóng có hướng Tây Nam và 1 phần sóng hướng Nam ảnh hưởng đến khu vực cảng Lạch Huyện. Lưu tốc dòng chảy là khá nhỏ phía sau công trình. Lưu tốc dòng chảy uốn quanh theo tuyến công trình, cần xem xét tính nhiễu xạ tại đây. Dòng dọc bờ ở khu vực đảo Cát Hải bị chặn lại tại đê chắn sóng, ngăn cản dòng vận chuyển bùn cát. Như vậy cần có bài toán hình thái để xem xét tác động của công trình đến hình thái của đường bờ đảo Cát Hải cũng như việc bồi lấp cửa Lạch Huyện. Tính toán vận chuyển bùn cát Khi xây dựng công trình chỉnh trị, dòng vận chuyển bùn cát tự nhiên sẽ bị chặn lại, gây ra hiện tượng bồi lắng ở cửa cảng, gây cản trở đến giao thông thủy, đi lại của tàu bè vào cảng. Chính vì vậy cần phải nghiên cứu quy luật vận chuyển bùn cát tại khu vực của cảng trong điều kiện đã có công trình để xem xét tổng quan hiện tượng bồi lắng cửa cảng, từ đó đề ra các biện pháp xử lý. Sử dụng modul tính vận chuyển bùn cát trong Mike 21 Couple để tính toán vận chuyển bùn cát cho khu vực cửa Lạch Huyện, xem xét tác động của công trình đến hình thái đường bờ cũng như việc bồi lấp cửa sông. Số liệu độ đục tại các biên bao gồm: diễn biến hàm lượng bùn cát lơ lửng (hình 2.32 và 2.33), thành phần cơ giới, vận tốc chìm lắng và ứng suất tới hạn bồi lắng của các thành phần. Ứng suất chìm lắng tới hạn: 0,07 N/m2 Hàm lượng bùn cát lơ lửng tại các biên: Hình 2.32: Độ đục tại trạm Đình Vũ sông Bạch Đằng tháng 7- 2006 Hình 2.33: Độ đục tại trạm sông Chanh- tháng 7/2006 Thông số mô hình: Bước thời gian tính toán: t=10s Hệ số nhám: sử dụng độ nhám cho khu vực có địa hình thay đổi Hệ số nhớt thủy động: 2,5- 3m2 /s áp dụng đều khắp mô hình Trong điều kiện đã có công trình, ta xem xét quá trình vận chuyển bùn cát, sự bồi lắng trong cửa sông Lạch Huyện. Trong mùa lũ, nước trong lũ trong sông đổ ra mạnh, dòng bùn cát cũng vì thế mà tăng lên. Vì vậy, khi xét các yếu tố bồi lấp cửa sông, ta sẽ xét đến quy luật vận chuyển bùn cát trong mùa hè (tháng 7). Kết quả mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát khu vực nghiên cứu trước và sau khi có công trình được thể hiện trên hình 2.34 và 2.35 Hình 2.34: Quá trình vận chuyển bùn cát khi chưa có công trình (11h 10/07/2006) Hình 2.35: Quá trình vận chuyển bùn cát trong mùa hè (23h 10/07/2006) Để tiện cho việc phân tích quá trình bồi xói của khu vực ta tiến hành so sánh phân bố độ đục trước và sau khi có công trình tại các điểm trích rút được thể hiện dưới hình 2.36 Hình 2.36: Sơ đồ các điểm trích rút độ đục Số liệu trích rút độ đục được thể hiện ở bảng 2.6 Bảng 2.6: Số liệu trích rút độ đục (kg/m3) Điểm Không có công trình Có công trình Smax Stb Smax Stb A1 0.31 0.09 0.26 0.08 A2 0.35 0.099 0.43 0.12 A3 0.1 0.072 0.17 0.13 A4 0.1 0.081 0.09 0.073 A5 2.86 1.24 2.91 1.24 Nhận xét: Dòng bùn cát lan truyền từ trong sông ra tuân theo xu thế của dòng chảy thuận nghịch. Bùn cát từ sông Chanh lan qua bên sông Bạch Đằng qua 2 kênh là kênh Cái Tráp và kênh Hà Nam. Số liệu trích rút cho thấy, sau khi có công trình lượng bùn cát tại các điểm A1 và A4 giảm xuống, trong khi tại các điểm A2 và A3 lại tăng lên. Điều này chứng tỏ khi có công trình, dòng bùn cát bị chặn lại và bồi lắng tại các vị trí A2 và A3. . Sự chênh lệch tại điểm A3 và A4 trước và sau khi có công trình là không lớn. Đối với điểm A1, A2: do khi có công trình, mặt cắt lòng sông bị thu hẹp, gia tốc dòng nước lớn sẽ cuốn bùn cát tại điểm A1 ra ngoài cửa nên gây xói, ngoài ra công trình sẽ chặn dòng bùn cát dọc bờ Cát Hải tại điểm A2 nên tại đây xảy ra hiện tượng xói. Bùn cát tập trung bồi lắng nhiều bên phía mũi nhô đảo Cát Bà. Lượng bồi lắng ở đây là lớn nhất. Như vậy, dựa vào kết quả mô phỏng vận chuyển bùn cát, sử dụng modul Mike21 Couple, ta có thể thấy quy luật bồi lắng bùn cát khi có công trình chỉnh trị. Khi xây dựng đê chắn sóng cảng Lạch Huyện cần chú ý đến 3 vị trí có thể gây bồi lắng tại khu vực cửa sông: tại gốc đê phía Cát Hải; đoạn chuyển tiếp giữa 2 tuyến đê; mũi nhô phía đảo Cát Bà. Khi xây dựng công trình 1 thời gian cần có những biện pháp để chống hiện tượng bồi lắng cửa cảng như: sử dụng tàu hút, hút bùn cát từ chỗ bồi để chuyển sang chỗ xói… CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH LỰA CHỌN CÔNG TRÌNH VÀ TÍNH TOÁN CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN THIẾT KẾ Quy hoạch và lựa chọn công trình Dựa vào các kết quả mô phỏng hiện trạng khu vực nghiên cứu và khi đã có công trình (chương 2) ta thấy, lưu tốc dòng chảy hướng từ biển vào khu vực cửa Lạch Huyện là khá nhỏ khi có công trình. Ở khu vực đầu đê có hiện tượng nhiễu xạ sóng. Vị trí đoạn nối giữa hai tuyến đê có hiện tượng bùn cát bồi lắng. Cao trình đê cần xác định ở cao trình và vị trí hợp lý để vừa chắn sóng vào khu vực cảng, vừa không cản trở việc di chuyển của thuyền bè vào cảng. Phương án bố trí tuyến đê Để lựa chọn được 1 sơ đồ bố trí công trình loại chủ động để làm ổn định luồng tầu cửa sông ven biển là bài toán nan giải chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thực tế. Mục đích của để chắn sóng trong quy hoạch cảng Lạch Huyên là chắn sóng từ nước sâu lan truyền vào bờ, tạo khu nước tĩnh bên trong cảng và chắn bùn cát dọc bờ làm bồi lấp cửa cảng. Như vậy để đê chắn sóng có hiệu quả, công trình cần có những kích thước cơ bản như sau: Chiều dài tuyến đê cần đạt tới vùng sóng đổ. Xét thêm các yếu tố chạy tàu thì cao độ tự nhiên của mũi đê cần đạt tới nơi có cao trình ngang với cao trình đáy của luồng tàu thiết kế. Cao trình đỉnh đê cần ngang hoặc lớn hơn cao trình của các bãi bồi ven bờ. Dựa vào các công trình có thực được xây dựng ở 1 số cửa cảng trên thế giới cũng như của Việt Nam kết hợp với điều kiện tự nhiên, cùng với việc phân tích nguyên nhân bồi lắng của vùng cửa biển Lạch Huyện, tôi xin đề xuât xây dựng phương án tuyến đê như sau: - Đoạn 1:dài 6km, bắt đầu từ bờ biển đảo Cát Hải, cách cửa Lạch Huyện 200m, nằm trên 1 roi cát lớn (kết quả mô phỏng mô hình), có phương vuông góc với đường bờ. Đầu đập đoạn 1 kéo ra tới cao trình -2.5 m. - Đoạn 2: dài 1km, nối tiếp với đoạn 1, tạo góc 135o so với đoạn 1. Việc tạo góc 135o để chắn một phần sóng hướng Nam lên, đồng thời tránh hiện tượng bồi lắng tại đê chắn sóng do bùn cát từ cửa Lạch Huyện đổ ra. Đầu đập kéo dài tới cao trình -6 m. Hình 3.1: Sơ bộ hình ảnh tuyến đê Lựa chọn dạng công trình Đê chắn sóng có ba dạng kết cấu chính là: Đê tường đứng trọng lực, đê mái nghiêng và đê hỗn hợp. Với mỗi loại kết cấu đê thì đếu có các ưu nhược điểm khác nhau và điều kiện áp dụng khác nhau. Chúng ta sẽ đi phân tích cụ thể cho từng loại kết cấu. Đê tường đứng trọng lực Kinh nghiệm thiết kế thi công cho thấy công trình đê chắn cát kiểu tường đứng kinh tế hơn công trình đá đổ mái nghiêng do có hình dáng gọn nhẹ, giảm được khối lượng của các vật liệu xây dựng: Đá và Bê Tông. Điều kiện quan trọng nhất để áp dụng kiểu tường đứng trọng lực là: nền móng phải tốt. Đất nền lí tưởng nhất cho công trình này là nền đá tuy nhiên đối với loại đất có khả năng chịu tải tương đối tốt cũng có thể làm nền móng cho công trình như đất cát, sỏi. Tuy nhiên phải có biện pháp gia cố chống xói lở đáy. Như vậy công trình đê chắn sóng trọng lực tường đứng có thể được xây dựng theo các điều kiện sau: - Có thể áp dụng với mọi độ sâu trên nền đá, khi sóng vỡ tại chân công trình cần có các khối tiêu sóng. - Trên nền đất chỉ xây ở độ sâu lớn hơn 1,5 ¸ 2 lần chiều cao sóng tại chân công trình, và không sâu quá 20 m. - Tiết kiệm hơn so với đê mái nghiêng. - Đê chắn sóng tường đứng trọng lực gồm các loại: đê chắn sóng trọng lực dạng khối xếp, đê chắn sóng trọng lực thùng chìm, đê chắn sóng trọng lực kiểu chuồng ... b) Đê mái nghiêng Đê mái nghiêng được ứng dụng sớm nhất, tận dụng được các vật liệu sẵn có tại chỗ: đất đá, bê tông... Ngày nay, đê chắn cát mái nghiêng còn được ứng dụng rất nhiều các khối bê tông có hình thù đặc biệt vừa tiêu hao năng lượng sóng, vừa liên kết chắc chắn với nhau. Các khối này có tên gọi là các khối kì dị hoặc các khối phức hình. Chúng đã được thử nghiệm ở nhiều bể cảng và có các tên gọi khác nhau như là khối: Tatrapot, Dolos, Dipod... và bê tông cốt thép dị dạng đã xuất hiện ở nhiều tuyến đê chắn sóng mái nghiêng. Đê chắn sóng mái nghiêng được sử dụng ở những nơi có địa chất không cần tốt lắm, độ sâu không quá 20m. Đê mái nghiêng có các ưu nhược điểm sau: * Ưu điểm: - Tận dụng được vật liệu địa phương; - Tiêu hao năng lượng sóng tốt, sóng phản xạ ít, nhất là khi mái nghiêng có độ nhám cao. - Thế ổn định tổng thể khá vững chắc vì là các vật liệu rời. Nếu xảy ra mất ổn định cục bộ. Do đó đê mái nghiêng thích hợp với hầu hết các loại nền đất. - Cao trình đỉnh đê mái nghiêng thấp hơn so với đê tường đứng; - Công tác điều tra cơ bản nền đất ít tốn kém hơn (lỗ khoan thưa và nông); - Công nghệ thi công đơn giản có thể kết hợp hiện đại và thủ công. * Nhược điểm: - Tốn vật liệu gấp hai, ba lần so với tường đứng ở cuìng một độ sâu; - Không thể sử dụng mép ngoài để neo cập tàu; - Đoạn gần cửa cảng giảm bề rộng hữu ích; - Khi muốn làm đường gia thông trên mặt đê phải dùng các khối bê tông đỉnh; - Tốc độ thi công chậm so với tường đứng ở cùng độ sâu. Mặc dù có các nhược điểm trên, đê chắn sóng mái nghiêng vẫn là giải pháp kết cấu thông dụng cho tất cả các nước. Ở Việt nam, kết cấu đê chắn sóng mái nghiêng có mặt tại mọi bể cảng đã thi công và đang thiết kế: Phú Quý, Bạch Long Vĩ, Phan Thiết, Vũng Áng, Chân Mây, Dung Quất, Liên Chiểu... Dựa vào đặc điểm vật liệu và đặc thù cấu tạo, kết cấu đê chắn sóng mái nghiêng được phân loại thành: - Đê mái nghiêng bằng đá; - Đê mái nghiêng với khối bêtông gia cố hình hộp. - Đê mái nghiêng với các khối bêtông phức hình. c) Đê hỗn hợp Là đê kết hợp giữa hai kết cấu đê mái nghiêng và tường đứng. Thường được xây dựng ở độ sâu rất lớn d > 20 m. Phần dưới là mái nghiêng có vai trò là lớp đệm, cao trình lớp đệm lấy sao cho không gây ra sóng vỡ trước công trình đảm bảo phần tường đứng không bị tác dụng xung lực. Để có thể lựa chọn được loại hình kết cấu đê chắn cát hợp lý (hợp lý theo chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật) cần phải xem xét, phân tích đồng thời nhiều yếu tố như: điều kiện về địa hình, địa chất, chế độ sóng, điều kiện vật liệu địa phương...tại vị trí xây dựng đê. Qua phân tích như trên, đề xuất phương án thiết kế đê chắn sóng cho khu vực cửa Lạch Huyện là đê chắn song dạng đá đổ mái nghiêng. Xác định cấp công trình Đây là công trình đê chắn sóng khu vực cảng cửa sông Lạch Huyện, nhằm bảo vệ khu vực cảng, tránh các tác động của sóng, dòng chảy, bồi tụ cửa sông lên khu vực cảng. Đây là công trình quan trọng trong việc phát triển kinh tế khu vực kinh tế trọng điểm Bắc Bộ. Sau khi cảng Lạch Huyện ra đời sẽ là cảng cửa ngõ của khu vực phía Bắc, là đầu mối giao thông quan trọng. Với tầm quan trọng của công trình, tham khảo tiêu chuẩn giao thông về thiết kế công trình cửa cảng 22TCN-207-92, chọn công trình đê chắn sóng cửa Lạch Huyện là công trình cấp I, với tần suất thiết kế là 100 năm. Tính toán các điều kiện biên thiết kế Điều kiện địa hình Cửa Lạch Huyện chính là nơi sông Chanh đổ nước ra biển thông qua vịnh Hải Phòng. Mặt cắt cửa sông nằm ở ngay hạ lưu Bến Gót hiện tại. Cửa Lạch Huyện nằm trong vùng biển mở, không có đảo che chắn trước mặt. Phía Đông và phía Tây có đảo Cát Bà và đảo Cát Hải che chắn. Đáy vịnh Hải Phòng có độ dốc i = 0,04% - 0,08% và thoải đều theo hướng Bắc Tây Bắc – Nam Đông Nam. Độ sâu trung bình của vịnh Hải Phòng không lớn, đường đồng sâu -6,0m (Hải đồ) chạy giăng ngang cửa vịnh nối đảo Hòn Dấu với đảo Cát Bà. Tại các lòng máng gần cửa sông (sông ngầm) cao độ đáy khá sâu và có thể đạt -12,0m đến -13,0m (cửa Lạch Huyện); -7,0m đến -8,0m ở cửa Nam Triệu. Các bãi cát ngầm vùng các cửa sông có cao độ dao động trong khoảng 0,0m đến +1,5m và chỉ lộ ra khi mức nước triều xuống thấp. Diện tích trên mặt bằng của các bãi cát ngầm và chương cát dọc các cửa sông (phần có cao độ trên 0,0m) vào khoảng 43,0 km2 (chiếm xấp xỉ 16,5% diện tích mặt nước trung bình của vịnh Hải Phòng). Các lòng máng cửa sông chính như cửa sông Bạch Đằng (cửa Nam Triệu), cửa sông Chanh (cửa Lạch Huyện) đều có hướng gần với hướng Tây Bắc - Đông Nam. Ngưỡng cạn cửa sông trong điều kiện tự nhiên đều có cao độ dao động trong khoảng -1,0m đến -1,5m. Các chương cát dọc theo cửa sông cũng thoải dần ra biển theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Khu vực xây dựng công trình nằm trên chướng cát dọc cửa sông Lạch Huyện (có cao độ 0m). Đoạn 1 công trình nằm tới cao trình -2,5m. Đoạn 2 nằm ở cao trình từ -2,5m đến -6m. Hình 3.2. Địa hình đáy vịnh Hải Phòng, 1995 (Nguồn: Đề tài KHCN cấp Nhà nước, Viện Địa lý) Ta xét 3 mặt cắt đại diện vuông góc với công trình như hình 3.3. Các mặt cắt này sẽ được sử dụng trong tính toán truyền sóng Hình 3.3: Sơ đồ các mặt cắt đại diện Sơ bộ địa hình tại 3 mặt cắt được thể hiện ở hình 3.4, 3.5, 3.6. Hình 3.4: Địa hình mặt cắt 1 Hình 3.5: Địa hình mặt cắt 2 Hình 3.6: Địa hình mặt cắt 3 Ta thấy mặt cắt 1 và mặt cắt 2 có xu thế xoải dần ra biển, tuy ở mặt cắt 1 có nhiều chỗ gấp khúc. Tại mặt cắt 3 có sự xuất hiện của roi cát nên địa hình có xu thế tăng lên, sau roi cát, địa hình lại xoải khi tiến ra biển. Điều kiện thủy động lực Mực nước thiết kế (MNTK) Mực nước thiết kế là tổng hợp triều thiên văn lớn nhất vá các dao động khí tượng. Công thức tính toán mực nước thiết kế: Ztk = Ztb + Atr max + And, P% Trong đó: - Ztk: Trên cơ sở tài liệu thực đo tại trạm hải văn trong thời gian dài với cao độ giả định của trạm ta xác định được giá trị mực nước trung bình (nếu liệt tài liệu này ≥ 20 năm là tốt nhất). Xác định cao độ mực nước trung bình này theo cao độ chuẩn quốc gia, ta có mực nước biển trung bình tại điểm đó. - Atr max: Biên độ triều lớn nhất hay còn gọi là biên độ triều thiên văn-là kết quả của tác dụng tương hỗ giữa các lực hành tinh, trong đó đáng kể nhất là tương tác trái đất mặt trăng và mặt trời cộng với dao đọng mang tính địa phương tạo ra mực nước triều tại một vị trí nhất định. Atr max vì vậy mà không mang ý nghĩa tần suất. Theo nghiên cứu, chu kì lặp lại của các hiện tượng này là 18,9 năm, nên có thể chọn biên độ lớn hất khi có tài liệu trong vòng 20 năm. And, P%: Chiều cao nước dâng do bão ứng với tần suất P(%). Theo các nghiên cứu thì nước dâng tại 1 vị trí là hàm số của bão (cường độ, bán kính gió lớn nhất, hướng di chuyển) và điều kiện địa phương mà bão đổ bộ vào. Tuy nhiên trong trường hợp này ta sử dụng phương pháp thống kê trên cơ sở tài liệu của các trạm quan trắc trên biển và cửa sông gần khu vực công trình. Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm MC09 (106o48’, 20o48’) Đông Hải, An Hải, TP. Hải Phòng Với tần suất 1% và chu kỳ lặp là 100 năm ta có mực nước thiết kế Ztkp= 4.3m Tính toán tham số sóng thiết kế Cơ sở lý thuyết: Tính sóng nước sâu theo Weibull: Phân bố xác suất Weibull (hay còn gọi là phân bố xác suất Rosin-Rammler) là một dạng thường dùng để mô tả thống kê sự xuất hiện của các đại lượng cực trị trong khí tượng, thuỷ văn và dự báo thời tiết như dòng chảy lũ, sóng, gió lớn nhất. Ngoài ra phân bố này cũng hay được dùng trong phân tích xác suất sống sót hoặc phá huỷ trong lý thuyết độ tin cậy, dùng trong lý thuyết cực trị; biểu diễn thời gian sản xuất và phân phối trong công nghiệp; sự phân tán tín hiệu radar và sự suy giảm tín hiệu trong liên lạc không dây. \ Hàm mật độ xác suất: Hàm mật độ xác suất biểu thị xác suất xuất hiện giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X bằng với một giá trị cụ thể nào đó theo luật phân bố xác suất Weibull như (3.1) (3.1) Với a là thông số vị trí, b>0 là hệ số tỷ lệ, c>0 là hệ số hình dạng. Hàm phân bố tần suất lỹ tích: Hàm phân bố tần suất lỹ tích biểu thị xác suất xuất hiện các giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị x cụ thể nào đó. (3.2) Trong thực tế ngành thủy lợi thường dùng tần suất vượt P (thường chỉ gọi tắt là tần suất) là xác suất xuất hiện các giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X lớn hơn hoặc bằng một giá trị cụ thể x nào đó. (3.3) Liên hệ với các phân bố thống kê khác: Hàm phân bố xác suất Weibull là hàm ngược của phân bố xác suất cực trị tổng quát (GEV) với thông số vị trí a – b, thông số tỷ lệ b/c và thông số hình dạng 1/c (Hosking, 1986). Trong trường hợp thông số hình dạng c = 1, phân bố Weibull trở thành phân bố hàm mũ với trị bình quân b. Trong trường hợp thông số hình dạng c = 2, phân bố Weibull trở thành phân bố Rayleigh. Biến X tuân theo hàm phân bố xác suất Weibull W(b,c) có liên hệ với biến Y tuân theo hàm phân bố cực trị chuẩn G(0,1) (phân bố Gumbel với a = 0 và b = 1) theo Y ~ -c·ln(X/b). Xác định các thông số theo phương pháp moments: Quan hệ giữa các thông số của phân bố với các đặc trưng thống kê như sau: (3.4) (3.5) (3.6) Để xác định các thông số của phân bố xác suất dựa vào các đặc trưng thống kê theo phương pháp moments, giải phương trình (3.6) để xác định thông số hình dạng c. Tiếp theo, thông số tỷ lệ b được xác định từ (3.5). Cuối cùng xác định thông số vị trí a từ (3.4). Giá trị của hàm phân bố lý thuyết: Tuyến tính hóa phương trình (3.2) bằng cách lấy logarith hai vế của (3.2) như sau: (3.7) Nhân hai vế của (3.7) với -1 và logarith hóa 2 vế lần thứ 2: (3.8) Cuối cùng ta được: (3.9) (3.9) là quan hệ tuyến tính giữa ln(x-a) và ln{-ln[1-F(x)]}, dựa vào các giá trị quan sát của x và tần suất kinh nghiệm của nó để xác định các hệ số b, c của tương quan tuyến tính này. Nếu biểu thị qua tần suất vượt (3.10) Giá trị x ứng với tần suất vượt P được tính dựa vào (3.10) Nếu biểu thị qua tần suất vượt thì giá trị xp của hàm phân bố lý thuyết ứng với tần suất P: (3.11) Từ số liệu sóng trạm Bạch Long Vĩ (từ 1970-1997 và 2003-2007), chọn ra mỗi năm 1 giá trị chiều cao sóng lớn nhất, có 30 số liệu để tính toán. Các thông số của phân bố Weibull có thể được xác định bằng phương pháp tương quan giữa ln(x-a) và ln(-lnP), với 1/c là hệ số góc của quan hệ tương quan và lnb là giao điểm của đường thẳng tương quan với trục tung. Việc xác định các hệ số hồi quy của quan hệ có thể tiến hành bằng MS Excel cho chuỗi số liệu X gồm có N số (x1, x2, …,xn). Đường tần suất theo phân bố Weibull có thể được vẽ bằng MS Excel hoặc các phần mềm phân tích tần suất như FFC. Kết quả thể hiện ở bảng 3.1 và 3.2 Bảng 3.1: Tính toán phân bố Weibull Phân bố Weibull Đặc trưng thống kê  Giá trị  Đơn vị Giá trị trung bình 5.06 m Hệ số phân tán CV 0.33 Hệ số thiên lệch CS 0 Bảng 3.2. Bảng tương quan tần suất và chiều cao sóng Thứ tự  Tần suất P(%)  Hs m  Thời gian lặp lại (năm) 1 0.01 10.55 10000 2 0.10 9.75 1000 3 0.20 9.48 500 4 0.33 9.26 303.03 5 0.50 9.07 200 6 1.00 8.73 100 7 1.50 8.51 66.667 8 2.00 8.34 50 9 3.00 8.09 33.333 10 5.00 7.75 20 11 10.00 7.20 10 12 20.00 6.50 5 13 25.00 6.23 4 14 30.00 5.99 3.333 15 40.00 5.53 2.5 16 50.00 5.10 2 17 60.00 4.66 1.667 18 70.00 4.18 1.429 19 75.00 3.92 1.333 20 80.00 3.62 1.25 21 85.00 3.28 1.176 22 90.00 2.85 1.111 23 95.00 2.23 1.053 24 97.00 1.85 1.031 25 99.00 1.19 1.01 26 99.90 0.28 1.001 Dựa vào bảng tính phân bố Weibul với P=1% và chu kỳ lặp lại là 100 năm ta có sóng nước sâu có nghĩa HO = 8.73m Chu kỳ sóng được tính theo công thức SPM 1984 Chiều dài sóng nước sâu: Tính toán truyền sóng từ nước sâu vào chân công trình Cơ sở lý thuyết Khi sóng lan truyền từ nước sâu vào vùng ven bờ do ảnh hưởng của địa hình đáy biển, trường dòng chảy, trường gió hoặc gặp phải các chướng ngại vật như các đảo chắn,các công trình đê phá sóng, sóng sẽ trải qua rất nhiều quá trình biến thổi làm thay đổi các thông số sóng. Khi sóng lan truyền từ nước sâu vào vùng nước nông thì sẽ xảy ra một số hiện tượng sau: Hiệu ứng nước nông Hiện tượng khúc xạ sóng Hiện tượng nhiễu xạ Hiện tượng phản xạ sóng Sóng vỡ Tính toán lan truyền sóng Dựa vào điều kiện địa hình cũng như quy hoạch tuyến công trình ta lựa chọn tính toán lan truyền sóng cho 3 mặt cắt đại diện đã đề cập đến ở phần 3.2.1 Mặt cắt 1: tại gốc công trình (cao trình -0,5m) Mặt cắt 2: tại đầu đê đoạn 1 ( cao trình -2,5m) Mặt cắt 3: tại đầu đê đoạn 2 (cao trình -6m) Tính toán truyền sóng bằng chưong trình CRESSWIND Để truyền sóng vào chân công trình, ta sử dụng phần mềm CRESS (modul 2331) để tính toán các yếu tố sóng. Modul này yêu cầu phải nhập mặt cắt để truyền sóng. Mặt cắt được lấy từ dữ liệu về địa hình trong MapInfo. Các thông số sóng nước sâu sử dụng để truyền vào khu vực nghiên cứu được thể hiện ở bảng 3.3 Bảng 3.3: Thông số sóng nước sâu Thông số Bước sóng L0 (m) Chiều cao sóng H2% (m) Chu kì TP (s) Giá trị 203 8.73 11,4 Mặt cắt 1: Tại cao trình -0.5m với MNTK là 4.3m Tính truyền sóng tới điểm có độ sâu nước là -4.8m Hình 3.7. Chương trình tính đối với mặt cắt 1 Chiều cao sóng trước chân công trình là 2,7m Chiều dài sóng được tính theo công thức: Mặt cắt 2: Tại cao trình -2.5m với MNTK là 4.3m. Vậy tính truyền sóng tới điểm có độ sâu nước là 6.8m Hình 3.8: Chương trình tính toán cho mặt cắt 2 Chiều cao sóng trước chân công trình là 2,64m Chiều dài sóng được tính theo công thức: Mặt cắt 3 Tại nơi có cao trình -6m, MNTK là 4.3m Độ sâu nước là 10.3m Hình 3.9: Chương trình tính toán cho mặt cắt 3 Chiều cao sóng trước chân công trình là 2,69m Chiều dài sóng được tính theo công thức: Tổng hợp 3 kết quả tại 3 mặt cắt điển hình, chọn kết quả bất lợi nhất để tính toán. Chọn Hs= 2.7m, chiều dài sóng là 78,22m. Điều kiện địa chất Tedi (Công ty tư vấn cảng đường thủy) đã tiến hành khoan thí nghiệm địa chất tại khu vực xây dựng công trình vào tháng 2/2006. Dựa vào kết quả khoan địa chất và thí nghiệm trong phòng, theo thứ tự từ trên xuống đến độ sâu nghiên cứu, địa tầng khu vực gồm các lớp đất sau: Lớp 1: Cát hạt mịn màu xám xanh, xám đen trạng thái chặt vừa, lớp có mặt rộng rãi trong khu vực, chiều dày thay đổi mạnh từ 0,5m đến 6,0m. Lớp được thành tạo trong quá trình vận chuyển vật liệu của dòng nước chảy khu vực. Lớp 2: Bùn sét màu xám nâu, xám đen, lớp có mặt rộng khắp trong khu vực với chiều dày thay đổi từ 6,5m đến 14,6m. Đây là lớp đất không có khả năng chịu tải, chiều dày lớn. Lớp 3: Cát màu xám vàng trạng thái dẻo, chiều dày thay đổi từ 1,3m đến 2,4m. Lớp 4: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo mềm, chiều dày thay đổi từ 1,0m đến 3,7m. Lớp có diện phân bố khá rộng trong khu vực. Lớp TK: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo chảy, lớp chỉ xuất hiện dưới dạng thấu kính trong lớp 5 với chiều dày 2,0m. Đây là lớp đất yếu không có khả năng chịu tải. Lớp 5: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo cứng, diện phân bố rộng khắp trong khu vực, với chiều sâu nghiên cứu đã khoan vào lớp từ 3,0m đến 5,6m. Cao độ mặt lớp thay đổi từ -11,8m đến -16,9m. Việc xây dựng đê ở khu vực của sông gặp nhiều khó khăn do lượng bùn cát bồi lắng ở cửa sông là khá lớn. Đây là lớp đất không có khả năng chịu tải, phải nạo vét. Đáy công trình dự kiến nằm từ cao trình +0m đến -6,5m. Dựa vào điều kiện địa chất ở đây, nền đá gốc có thể xây dựng nằm ở cao trình -18m, vậy móng của công trình cần được đặt trên nền đá để có thể chiu được tải trọng. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐÊ CHẮN SÓNG 4.1. Thiết kế mặt cắt ngang điển hình đê chắn sóng. Hình 4.1: Mặt cắt ngang điển hình Cao trình đỉnh đê Như đã đề cập ở chương 3, đê chắn sóng cảng Lạch Huyện là công trình quan trọng có tác dụng chắn sóng tác động đến cảng Lạch Huyện, tạo vùng nước lặng trong cảng, ngăn cản vận chuyển bùn cát làm bồi lắng cửa cảng. Theo quy phạm thiết kế công trình đê chắn sóng vùng cảng, độ dốc mái đê chọn từ 1,3 đến 1,5. Trong trường hợp này ta chọn m=1,5. Cao trình đỉnh đê được xác định theo công thức Zđê = MNTK + Hsl/str + a (4.1) Trong đó: Zđê : cao trình đỉnh đê (m) MNTK = 4,3m : mực nước thiết kế Hsl/str : chiều cao sóng leo, sóng tràn (m) a: độ cao gia cường (hay độ cao phòng lún) (m). Giá trị của a được xác định theo bảng 4.1 : Bảng 4.1. Giá trị a theo cấp công trình Cấp công trình I II III IV V Trị số gia tăng 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 độ cao: a (m) Với công trình cấp I, chọn a= 0,5m Xác định chiều cao sóng tràn Công trình đê chắn sóng cửa cảng được tính theo tiêu chuẩn sóng tràn, với lưu lương tràn q= 0,2m3/s. Các tham số sóng thiết kế tại chân công trình: Đại lượng Chiều cao (m) Chu kỳ(s) 2.7 11.4 Tính chiều cao sóng tràn bằng chương trình Wadibi. Sử dụng modul tính toán sóng leo sóng tràn của chương trình Wadibi. Kết quả tính toán được thể hiện ở hình 4.2 Hình 4.2. Kết quả tính toán sóng leo trên mái đê chương trình Wadibi Vậy chiều cao sóng tràn là 1,7m Cao trình đỉnh đê Zđê = MNTK + Hsl/str + a = 4,3 + 1,7 +0,5 = 6,5 (m) Vậy chọn cao trình đỉnh đê là 6,5m Thiết kế khối phủ mái Khối lượng cấu kiện Tính trọng lượng khối phủ theo công thức Hudson trong 14TCN 130-2002 (4.2) Trong đó: W: Trọng lượng tối thiểu của khối phủ mái nghiêng (t); gB : Trọng lượng riêng trong không khí của vật liệu khối phủ; 2.5 (t/m3); g : Trọng lượng riêng của nước biển; 1,03 t/m3; a: Góc nghiêng của mái đê so với mặt phẳng nằm ngang (ctg a = m), HSD: Chiều cao sóng thiết kế, lấy HSD = Hsn = 2,7m KD : Hệ số ổn định, tuỳ theo hình dạng khối phủ, lấy theo bảng 4.2 Bảng 4.2. Hệ số ổn định khối phủ mái Cấu kiện Số lớp KD Tetrapod 2 6 - 8 Dolos 2 10 - 12. = 2,87 (tấn) Chọn khối lượng lớp phủ là 3 tấn Ta có W = ρ x Dn3 => Dn = 1,06 m Chiều dày khối phủ Để dễ cho việc tính toán và bố trí thi công, ta lấy trọng lượng khối Tetrapod ở đỉnh đập bằng trọng lượng khối Tetrapod phủ mái ngoài đập Đối với Tetrapod ta xếp 2 lớp theo sơ đồ sau: Hình 4.3: Sơ đồ mặt đứng xếp khối Tetrapod trên mặt đập Hình 4.4: Sơ đồ mặt bằng xếp khối Tetrapod trên mặt đập Chiều dày khối phủ Theo shore protection Manual CERC US.Army thì chiều dày của lớp phủ được xác định theo công thức sau: (4.3) Trong đó: r: Chiều dày lớp phủ n : Số lớp gia cố, n = 2 KΔ: Hệ số tra bảng 4.3 Bảng 4.3. Giá trị KΔ Với Tetrapod có n = 2 thì KΔ = 1,04, P= 50 W: Khối lượng của viên đá tiêu chuẩn được xác định thông số sóng, W=3 tấn Wr – Khối lượng riêng của vật liệu làm khối phủ, Wr = 2,5 tấn/m3 => * Số khối được sắp xếp trên một đơn vị diện tích được xác định theo công thức sau (4.4) Trong đó: Na : số khối phủ trên diện tích A, lấy A=10m2 P : hệ số rỗng của vật liệu phủ mái (tra bảng với tetrapod lấy P=50) Thay vào công thức (4.3) ta có: =>Na = A x 0,92 = 10 x 0,92 = 9,2 (cấu kiện/10m2) => lấy làm tròn Na = 10 (cấu kiện/10m2) Bề rộng đỉnh đê Chiều rộng đỉnh đê chắn sóng được xác định để đảm bảo tính ổn định tổng thể cũng như ổn định cục bộ của mái dốc và các bộ phận khác. Ngoài ra bề rộng đỉnh đê cần đáp ứng các yêu cầu khác như làm đường giao thông, bố trí các công trình phụ trợ bến cảng, làm dịch vụ... Từ kinh nghiệm thực tế bước đầu chiều rộng B nên chọn Bmin > 3 Đê có yêu cầu cao: B= (3-5)h Trong đó: h- chiều cao sóng tính toán Đê có yêu cầu vừa phải B= (1,4-2)h Bề rộng đỉnh đê được xác định theo tiêu chuẩn sóng tràn (4.5) Trong đó: n - Số cấu kiện trên mặt đê, chọn n=4 KΔ - Hệ số tra bảng, KΔ=1,04; W - Trọng lượng khối phủ mái, W= 3 (T); Wr - Khối luợng riêng của vật liệu làm khối phủ, Wr=2,5(T/m3). Vậy ta có Vậy ta chọn bề rộng đỉnh đê B= 5m. Xác định trọng lượng và kích thước lớp đá phía dưới Chức năng của lớp dưới như sau : - Hoạt động như lớp lọc giữa lớp lõi và lớp phủ. - Tạo ra một nền ổn định cho lớp phủ. - Tiêu hao năng lượng sóng khi đi qua lớp phủ. - Bảo vệ vật liệu lõi khi có bão vừa phải và khi thi công. Thiết kế lớp dưới có kể đến tính cấp phối của cả lớp phủ và lõi. Lớp đá phía dưới trong trường hợp đê chắn sóng, chắn cát bao gồm Lớp lót thứ nhất Lớp lót thứ hai Lớp lõi. Tính toán lớp lót thứ nhất Lớp đá lót thứ nhất sử dụng loại đá gồ ghề với trọng lượng viên đá W1 = 1/10 W (trọng lượng viên đá lớp phủ) Vậy W1 = W/10 = 3000/10 = 300 (kg) Theo BS 6349, mỗi lớp dưới nên ít nhất có chiều dày 2 viên đá. Chiều dày của lớp dưới có thể xác định theo công thức sau: (4.6) Trong đó : r : Chiều dày trung bình của lớp phủ dưới (m) n : Số lớp đá , chọn n = 2 W : Khối lượng đá danh định Wr : Khối lượng đơn vị của đá kD : Hệ số lớp Các giá trị điển hình của kD cũng như các độ rỗng điển hình được cho trong Bảng 4.4 / T61 BS 6349 như sau : Bảng 4.4. Các hệ số lớp. Khối lớp phủ n Cách xếp Hệ số lớp kD Độ rỗng (%) Đá khối (nhẵn) Đá khối (gồ ghề) Đá khối (gồ ghề) Khối lập phương 2 2 >3 2 Ngẫu nhiên Ngẫu