THIẾT KẾ ĐÊ CHẮN SÓNG TRONG QUY HOẠCH CẢNG BIỂN

Trong kỷ nguyên vận tải biển hiện đại, đê chắn sóng không chỉ là những khối đá hay bê tông tĩnh lặng. Chúng là xương sống của hạ tầng cảng biển, bảo vệ các khoản đầu tư hàng tỷ đô la và đảm bảo dòng chảy thương mại không bị gián đoạn. Tuy nhiên, đê chắn sóng thường là hạng mục đầu tư lớn nhất và có tác động đáng kể đến chi phí bảo trì cũng như tiến độ của dự án.

Vậy làm thế nào để tối ưu hóa thiết kế này trong quy hoạch cảng thông minh? Hãy cùng đi sâu vào 5 yếu tố cốt lõi thông qua các câu hỏi sau:

#1 – Đã xác định được điều kiện hoạt động và điều kiện cực đoan chưa?

Đặc điểm khí hậu, hải văn đáng tin cậy là chìa khóa để thực hiện dự án được an toàn và hiệu quả. Điều này bao gồm sự hiểu biết về chế độ thủy động lực biển, đặc biệt là chế độ sóng thông thường ảnh hưởng đến các tàu thiết kế khi đang hành hải và neo đậu, làm hàng tại bến (lý do cần thiết phải bố trí đê chắn sóng), và ngoại suy phù hợp cho các sự kiện cực đoan ảnh hưởng đến thiết kế. Hay lưu ý đến những thiếu sót tiềm ẩn khi thiết lập các điều kiện khai thác và cực đoan:

• Đơn giản hóa quá mức điều kiện sóng (sử dụng các tham số cố định, bỏ qua hướng sóng)

• Quá tin cậy và đánh giá cao công cụ tính toán thiết kế

• Tính toán sai sự kiện thiết kế (chu kỳ vận tải, làm hàng không phù hợp)

• Bỏ qua các dữu liệu bão mà chỉ tập trung vào chu kỳ thiết kế

#2 – Đã lựa chọn được loại đê chắn sóng phù hợp cho dự án chưa?

Song song với việc thiết kế bố trí đê chắn sóng, việc thiết kế và lựa chọn giải pháp kết cấu (thiết kế mặt cắt ngang) cho đê chắn sóng cũng tương đối quan trọng. Đê chắn sóng thông thường được sử dụng phổ biến trên thế giới và rất nhiều nghiên cứu đã đề cập đến các loại kết cấu này.  Ba loại đê chắn sóng thông thường được trình bày dưới đây bao gồm: Đê chắn sóng mái nghiêng, đê chắn sóng tường đứng và đê chắn sóng hỗn hợp.

Các loại đê chắn sóng khác có thể được xem xét, tùy thuộc vào chức năng của cơ sở neo đậu và mức độ suy giảm sóng cần thiết, là đê chắn sóng đỉnh thấp hoặc đê chắn sóng nổi, đê dạng cọc...

Một nghiên cứu tối ưu là cần thiết để xác định được giải pháp ưu tiên, trong đó có xem xét đến chi phí, tiến độ và rủi ro. Các thông số cũng cần xem xét bao gồm điều kiện địa kỹ thuật tại vị trí xây dựng, sự sẵn có của vật liệu đá (kích thước, cấp phối, chất lượng và trữ lượng), điều kiện sóng thiết kế, cân nhắc khả năng xây dựng (phương pháp thi công / thiết bị / rủi ro), điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến xây dựng và ưu tiên của các bên liên quan.

#3 – Nguồn vật liệu đáng tin cậy và tối ưu hóa hoạt động khai thác đá là gì?

Tìm nguồn cung ứng vật liệu (đặc biệt là mỏ đá) phù hợp để thi công đê chắn sóng là một trong những nhiệm vụ quan trọng ban đầu để thấy rõ về tính khả thi và hiệu quả về chi phí xây dựng. Khi bắt đầu thực hiện dự án, cần có một cuộc điều tra mỏ đá, phối hợp với công tác khảo sát địa chất, để đánh giá xem có các mỏ đá hiện có hoặc tiềm năng được đề xuất để cung cấp vật liệu đá có phù hợp với nhu cầu của dự án hay không. Các thông số cần xem xét là cự ly vận chuyển, chất lượng của đá, cấp phối, trữ lượng và tốc độ sản xuất, cũng như khả năng đáp ứng cho dự án.

Những thách thức trong việc tìm nguồn cung ứng vật liệu đá kích thước lớn để sử dụng làm lớp phủ của đê chắn sóng mái nghiêng nhiều khi sẽ rất kho khăn. Do đó, có thể phải xem xét các lựa chọn thay thế khác, dạng kết cấu khác hoặc đúc các đơn vị bê tông nhân tạo để thay thế lớp bảo vệ.

Mặc dù yêu cầu về đá lõi đê cho đê chắn sóng đơn giản hơn các phần khác do sử dụng đá có kích thước nhỏ hơn và dải cấp phối rộng hơn, nhưng chi phí tổng thể cho lõi sẽ rất đáng kể, vì nó tạo thành hầu hết khối lượng đê chắn sóng. Trong một số trường hợp, để tối ưu về chi phí là phần lõi đê có thể được cấu tạo bằng vật liệu nạo vét được đặt thành các lớp bên trong các lăng thể đá hộc hoặc thậm chí là ống địa kỹ thuật.

Lý tưởng nhất là lõi cần được thiết kế dựa trên năng suất mỏ đá sẵn có, sau khi chọn và dự trữ vật liệu đá cần thiết cho lớp giáp, lớp lót và ngón chân, để tối đa hóa việc sử dụng sản xuất mỏ đá đồng thời xem xét một số thông số tiêu chí như:

• Tính dễ bị tổn thương và dự kiến định hình lại lõi không được bảo vệ hoặc được bảo vệ một phần trước tác động của sóng hàng ngày hoặc bão với khả năng xảy ra cao trong thời gian thi công

• Tác động môi trường tiềm ẩn

• Độ thấm ảnh hưởng đến độ ổn định của lớp phủ, hiệu quả trong việc hấp thụ năng lượng sóng và truyền sóng (có thể ảnh hưởng đến hoạt động phía sau đê chắn sóng).

#4 – Mức độ tin cậy của công thức cơ bản (công cụ thiết kế) và tối ưu hóa bằng thí nghiệm mô hình như thế nào?

Có một số hướng dẫn, khuyến nghị và công thức bắt nguồn từ kết quả của các chương trình thử nghiệm mô hình vật lý trước đây và có thể được sử dụng để thiết kế đê chắn sóng. Tuy nhiên, không giống như cách tiếp cận dựa trên thử nghiệm, các công thức cơ bản (công cụ thiết kế) không thể nắm bắt các điều kiện cụ thể của địa điểm và nhu cầu cụ thể của dự án, vì vậy chỉ nên sử dụng công thức cơ bản (công cụ thiết kế) cho các giai đoạn nghiên cứu, thiết kế cơ sở.

Chính vì vậy, để giải quyết một cách triệt để, phù hợp với thực tế thì việc nghiên cứu đánh giá giải pháp thiết kế đê chắn sóng bằng mô hình vật lý là cần thiết và là một khoản đầu tư hợp lý, hiệu quả khi mà nó góp phần tối ưu quy hoạch (vị trí và chiều dài) và thiết kế mặt cắt ngang trong các điều kiện sóng đã chọn và tối ưu hóa / kích thước phù hợp với cấu trúc nếu có thể (bằng cách giảm kích thước / khối lượng vật liệu, quản lý rủi ro và tạo điều kiện xây dựng).

Một chương trình thử nghiệm mô hình vật lý được khuyến nghị để đánh giá các khía cạnh chính về khả năng xây dựng của đê chắn sóng. Kết quả thử nghiệm mô hình có thể được sử dụng để:

• Đánh giá tính khả thi của việc lựa chọn các loại khối bảo vệ bê tông nhân tạo trong điều kiện sóng đã chọn, xem xét dung sai vị trí có thể chấp nhận được. Kết quả sẽ được sử dụng để ước tính các ngưỡng hoạt động và thời gian ngừng hoạt động xây dựng liên quan.

• Xác định mức độ định hình lại mà một cấu trúc có thể trải qua trong các điều kiện sóng đã chọn (ví dụ: sự kiện đỉnh bão hàng năm). Kết quả sẽ được sử dụng để ước tính nguy cơ thiệt hại / tái tạo và phát triển các biện pháp giảm thiểu như sử dụng đá lớn hơn cho lõi, bảo vệ tạm thời cho lõi hoặc giới hạn chiều dài của phần không được che phủ.

• Đánh giá cường độ còn lại của cấu trúc được định hình lại theo điều kiện sóng thiết kế và đánh giá xem nó có thể chịu được các trạng thái biển đã chọn trước khi hoàn thành bảo trì hoặc tái thiết hay không. Kết quả sẽ được sử dụng để sửa đổi cấu trúc, nếu cần, để ngăn chặn sự cố và gây nguy hiểm cho hoạt động của thiết bị.

  
  

#5 – Lưu ý về khả năng thi công và Quản trị rủi ro là gì?

Một thiết kế đẹp trên giấy nhưng không thể thi công là một thiết kế thất bại, do đó cần đánh giá khả năng xây dựng sơ bộ ở giai đoạn thiết kế ban đầu, để xem xét kích thước, loại và số lượng thiết bị cần thiết, phương pháp thi công (trên cạn, trên biển hoặc hỗn hợp), các khu vực dự trữ và chế tạo và lối vào, cơ sở tải đá, v.v

Các câu hỏi điển hình bao gồm:

• Nguy cơ kết cấu khi xây dựng (ngập nước, đỉnh thấp hoặc bảo vệ một phần) bị định hình lại hoặc hư hỏng bởi sóng là gì và cần làm gì để giảm thiểu?

• Xem xét khí hậu sóng trong quá trình xây dựng, xác định thời gian ngừng hoạt động liên quan đến thời tiết (sóng lớn, dòng chảy lớn, sương mù...)

• Phương pháp thi công ưu tiên, xem xét khối lượng vật liệu và dung sai như thế nào?

Rủi ro xây dựng và kế hoạch giảm thiểu chúng là điều cần thiết đối với công ty bảo hiểm dự án.

Bài viết này cung cấp cái nhìn về các yếu tố kỹ thuật cần lưu ý trong việc lập kế hoạch và thiết kế đê chắn sóng cho các cảng biển. Trả lời các vấn đề được liệt kê ở trên sẽ hỗ trợ các bên liên quan và giải quyết các thông số thiết kế chính ảnh hưởng đến tính khả thi, khả năng vận hành và thành công của một dự án cảng.