Nghiên Cứu Đáy Chạy Tàu Hợp Lý Khi Có Bùn Loãng Tại Các Luồng Hàng Hải Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM ----------------------- NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐÁY CHẠY TÀU HỢP LÝ TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ BÙN LOÃNG TẠI MỘT SỐ LUỒNG HÀNG HẢI Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9-58-02-02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội, năm 2020 Công trình này được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1: GS. TSKH Nguyễn Ngọc Huệ Hướng dẫn 2: PGS. TS Nguyễn Khắc Nghĩa Phản biện 1: TS. Trần Văn Sung Phản biện 2: PGS.

Trần Thanh Tùng Phản biện 3: PGS. Nguyễn Viết Thanh Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam vào hồi.năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện cả nước có 45 luồng hàng hải công cộng và 34 luồng hàng hải chuyên dùng với tổng chiều dài khoảng 1260 km. Hầu hết các tuyến luồng tàu đều bị sa bồi, để duy trì độ sâu hành hải, hàng năm phải tiến hành nạo vét duy tu với kinh phí lớn.

Trong thực tế khai thác trên nhiều tuyến luồng đã ghi nhận hiện tượng bùn loãng ở các mức độ khác nhau và nhiều khu vực hoa tiêu đã dựa trên kinh nghiệm để giảm chân hoa tiêu trong quá trình dẫn tàu lớn hành hải qua luồng. Tuy nhiên việc này vẫn dựa chủ yếu trên kinh nghiệm và đánh giá chủ quan chưa có đầy đủ các cơ sở về khoa học nên vẫn tiềm ẩn nhiều rủi ro. Bên cạnh đó, hiện nay trên một số tuyến luồng quan trọng các tàu lớn thường phải giảm tải và đợi thủy triều làm phát sinh chi phí, giảm hiệu quả khai thác. Việc tận dụng được một phần lớp bùn loãng để giảm độ sâu dự trữ dưới sống tàu, tăng cỡ tàu hoặc lượng hàng chuyên chở sẽ rất có ý nghĩa trong việc nâng cao hiệu quả khai thác luồng tàu.

Vì các lý do trên, đề tài nghiên cứu về vấn đề bùn loãng và tận dụng bùn loãng để chạy tàu (độ sâu đáy chạy tàu hợp lý trong trường hợp có bùn loãng) là nội dung có tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn cao. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Làm rõ các cơ sở lý thuyết về việc sử dụng lớp bùn loãng chạy tàu; - Phân tích các đặc điểm cửa sông, đường bờ, điều kiện tự nhiên để đánh giá các khu vực luồng tàu tại Việt Nam có khả năng xuất hiện bùn loãng; - Xây dựng phương pháp xác định chiều dày lớp bùn loãng và đáy chạy tàu trong trường hợp có bùn loãng dựa trên bộ số liệu khảo sát các đặc trưng địa hình, thủy động lực, bùn cát của luồng (Xây dựng 2 phương pháp luận, xác lập các mô hình tính toán một số thông số liên quan đến bùn loãng cho một số luồng tàu cụ thể); - Xây dựng phương pháp, công cụ tính toán sa bồi tháng, cao độ thiết kế đáy chạy tàu và xác định thời điểm hợp lý nạo vét duy trì đáy chạy tàu dựa trên tiêu chí về hiệu quả khai thác. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu quy luật sa bồi và việc hình thành lớp bùn loãng trên một số tuyến luồng hàng hải ở Việt Nam, cụ thể tính toán với một số luồng hàng hải đặc trưng cho khu vực Bắc Bộ và Nam Bộ. Phương pháp nghiên cứu của luận án Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu tổng hợp, phân tích: phân tích, xử lý thông tin, tài liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan; - Phương pháp điều tra thực địa, khảo sát hiện trường, xử lý phân tích số liệu thực đo; - Phương pháp nghiên cứu mô hình toán; phân tích ảnh viễn thám; - Phương pháp phân tích thống kê thống kê (hồi quy đa biến, phân tích Fourier) 5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5. Ý nghĩa khoa học - Xác lập cơ sở khoa học và công nghệ để chọn tiêu chí xác định lớp bùn loãng có thể tận dụng chạy tàu, xác định đáy chạy tàu hợp lý; - Làm rõ một số nội dung khoa học về sa bồi tại các luồng tàu biển có bùn loãng, sử dụng công cụ và phương pháp, công nghệ hợp lý để xác định ở tuyến luồng cụ thể nào xuất hiện bùn loãng đủ điều kiện để nghiên cứu quyết định việc chạy tàu trên bùn loãng; 3 - Xây dựng phương pháp tính toán tương quan độ dày bùn loãng với một số yếu tố thủy lực và bùn cát; - Xây dựng phương pháp tính toán, đánh giá tốc độ sa bồi theo các thời điểm trong năm, xác định thời điểm nạo vét duy tu hợp lý dựa trên tiêu chí hiệu quả khai thác, duy trì luồng tàu và phương pháp phân tích số liệu thống kê. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng để đánh giá việc chạy tàu trong trường hợp xuất hiện lớp bùn loãng nhằm gia tăng năng lực vận tải và nâng cao hiệu quả khai thác luồng tàu; - Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn đối với công tác quản lý Nhà nước, xây dựng các chương trình, kế hoạch nâng cao hiệu quả khai thác luồng tàu, xác định thời điểm nạo vét, chu kỳ nạo vét hợp lý. Nội dung nghiên cứu của luận án - Tổng quan, đánh giá khả năng xuất hiện bùn loãng tại một số tuyến luồng hàng hải của Việt Nam.

- Nghiên cứu quy luật sa bồi trong năm tại các luồng tàu biển Việt Nam bằng phương pháp thống kê kết hợp phương pháp phổ Fourier. Nghiên cứu xác định thời điểm nạo vét duy tu hợp lý theo tiêu chí hiệu quả khai thác luồng tàu. - Nghiên cứu phương pháp xác định chiều dày lớp bùn loãng sử dụng hàm hồi quy đa biến. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHẠY TÀU TRONG LUỒNG CÓ BÙN LOÃNG Trong chương 1 luận án trình bày tổng quan về các vấn đề nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và các kết quả nghiên cứu về tận dụng lớp bùn loãng để chạy tàu trên thế giới và Việt Nam, từ đó phân tích điều kiện thực tế và xác định nội dung nghiên cứu của luận án.

4 Bằng các phương pháp nghiên cứu phổ biến: (i) Đo đạc hiện trường và phân tích số liệu thực đo; (ii) Nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình vật lý: nghiên cứu trên mô hình, thiết bị mô phỏng và chạy tàu thực tế.;(iii) Nghiên cứu trên mô hình toán: bằng các mô hình phát triển riêng cho từng dự án hoặc các chương trình mô hình thương mại (mô hình của Tian-Jian Hsu và Peter A. Traykovski, bộ mô hình MIKE…) trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu các vấn đề: (a) Đặc trưng của bùn loãng và các tiêu chí để xác định bùn loãng;(b) Khái niệm về đáy chạy tàu và phương pháp xác định đáy chạy tàu trong luồng lạch có bùn loãng;(c) Nội hàm khoa học và phương pháp xác định độ sâu chạy tàu trong môi trường bùn loãng;(d) Tính khả thi chạy tàu trong môi trường bùn loãng; và (e) Phương pháp xử lý bùn loãng. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới Lớp bùn loãng là dung dịch gồm nước, bùn sét hạt mịn lơ lửng (đường kính nhỏ hơn 62,5 µm), với hàm lượng bùn sét cao trong trạng thái kết bông, chưa đủ nặng để lắng đọng xuống đáy. Có 2 tiêu chí để mô tả bùn loãng: (1) Tính lưu biến (Rheology), (2) Dung trọng hoặc mật độ (Density).

Bùn loãng được hình thành bởi tổng hợp của các quá trình vật lý, hóa học và sinh học. Quá trình hình thành và biến động của bùn loãng chịu ảnh hưởng bới đặc tính thủy động lực của nước và ảnh hưởng của nước tới sự chuyển động của bùn. Bùn loãng là giai đoạn trước khi cố kết thành bùn có tính chất đứng giữa trạng thái chất lỏng theo các định luật thủy lực học của Newton (chất lỏng cổ điển 100%) và định luật Hooke (cơ học đất), đại diện cho vật liệu đàn nhớt với tính chất của lưu chất. Theo PIANC:“Đáy chạy tàu là cao trình mà các tính chất vật lý của đáy địa hình luồng đạt tới giá trị tới hạn mà khi tiếp xúc với sống tàu 5 sẽ làm hư hỏng tàu hoặc ảnh hưởng bất lợi (không thể chấp nhận) đến việc kiểm soát và chạy tàu”.

Một số nước trên thế giới đã nghiên cứu và đưa ra tiêu chí mật độ lớp bùn loãng cho độ sâu hàng hải từ 1. - Các xử lý khác liên quan đến bùn loãng: Điều chỉnh độ sâu đáy chạy tàu, tạo bùn loãng nhân tạo hình thành độ sâu chạy tàu chủ động bằng công nghệ khuấy động, sục khí để giữ cho khối lượng đơn vị bùn loãng và độ nhớt không vượt quá giá trị giới hạn…). Áp dụng chu kỳ nạo vét phù hợp, xây dựng kênh nối, tạo độ dốc cho đáy luồng về phía bẫy bùn cát, xây dựng công trình chỉnh trị hướng dòng, đê chìm, cửa ngăn triều, kênh nối ngăn bùn cát vào luồng, cách ly bãi xả vật liệu nạo vét để giảm thiểu bùn cát quay trở lại luồng. Các nghiên cứu ở Việt Nam: Đối với Việt Nam, do đặc điểm sa bồi cũng như đặc điểm khai thác luồng tàu, vấn đề nghiên cứu về bùn loãng và chạy tàu trên bùn loãng có ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn lớn.

Tuy nhiên, hiện tại chưa có nghiên cứu đầy đủ, khoa học chuyên sâu về đề tài này mà hiện mới chỉ là các một đề xuất ứng dụng riêng lẻ xuất phát từ các nhu cầu cá biệt, chưa đủ cơ sở quyết định áp dụng trong thực tế: Các vấn đề cần nghiên cứu: - Qua tổng hợp đánh giá các nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề bùn loãng, có thể thấy nhiều nước trên thế giới đã có các tiêu chí cụ thể để xác định độ sâu đáy hành hải trên cơ sở các số liệu đo đạc về địa hình, mật độ, ứng suất, độ nhớt. Tuy nhiên, do điều kiện tự nhiên và thủy hải văn, đặc điểm cơ lý bùn cát các nơi khác nhau nên không thể áp dụng nguyên các kết quả này vào trường hợp một luồng tàu cụ thể ở Việt Nam.