Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ - Chương 4 pps

Từng phần theo từng điều kiện cụ thể có cấu tạo chi tiết để đảm bảo điều kiện ổn định trong quá trình chịu tác dụng của các tải trọng từ phía sông, phía biển và từ phía đất thân đê hoặc

Theo hình thức kết cấu và vật liệu sử dụng, kè bảo vệ mái dốc có nhiều loại khác nhau Mỗi loại đều có 3 phần chính Các phần đó là chân kè, thân kè và đỉnh kè Chân kè làm nhiệm vụ bảo vệ chống xói ở chân mái dốc Thân kè là phần bảo vệ mái dốc từ chân đến

đỉnh Đỉnh kè là phần bảo vệ đỉnh mái dốc Từng phần theo từng điều kiện cụ thể có cấu tạo chi tiết để đảm bảo điều kiện ổn định trong quá trình chịu tác dụng của các tải trọng từ phía sông, phía biển và từ phía đất thân đê hoặc bờ

Hình 4-1 là mặt cắt ngang của một số dạng kết cấu kè gia cố mái đê Trong đó:

Hình 4-1: Mặt cắt ngang của một số dạng kết cấu kè

Kè bảo vệ mái dốc sử dụng các kết cấu từ đơn giản nh− trồng cỏ đến phức tạp nh− bê tông lắp ghép tự chèn Các hình thức thông dụng là đá đổ, đá xếp khan, khối bê tông ghép rời, hoặc liên kết tự chèn tạo thành mảng

Hình 4-2: Kè đê sông Hồng Hà Nội

Đá xếp trong khung bằng đá xây

Hình 4-3: Kè mái đê biển Đồ Sơn - Hải Phòng

Kết cấu mảng mềm bằng cấu kiện BT TSc 178

Kè bảo vệ mái dốc là một bộ phận quan trọng để duy trì ổn định cho sông và bờ Nó chiếm một tỷ lệ kinh phí đáng kể trong các dự án đê điều và bảo vệ bờ Mặt khác, sự làm việc của loại kết cấu này tương đối phức tạp, còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu làm

rõ Hiện nay ở nước ta cũng như nhiều nước trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu cải tiến các hình thức kết cấu nhằm hoàn thiện phương pháp tính toán đảm bảo an toàn, tăng hiệu quả kinh tế cho kè bảo vệ mái dốc nói riêng và cho đê và bờ nói chung

♣4-2 Yêu cầu cấu tạo, phân loại và điều kiện ứng dụng của từng loại kết cấu kè bảo vệ mái dốc

1 Yêu cầu đối với kết cấu kè:

- ổn định trên lớp đất bề mặt của mái dốc đê

- Linh hoạt và dễ biến dạng theo đất của mái dốc và nền

- Bền vững lâu dài của kết cấu và của vật liệu

- Dễ quan sát, kiểm tra cho người quản lý

- Tận dụng vật liệu địa phương

2 Phân loại kết cấu:

Có nhiều loại kết cấu kè mái dốc đê, mái dốc bờ sông, bờ biển, có thể khái quát hoá thành một số loại chính như sau:

- Đá đổ, đá xếp khan, đá xếp trong các khung bằng đá xây Loại này được dùng tương

đối phổ biến (xem hình 4-1a)

- Khối bê tông đúc sẵn lát độc lập như hình 4-1b, khối bê tông liên kết theo cơ chế tự chèn như hình 4-3

- Một số hình thức khác: bê tông Asphalt, trồng cỏ, vải địa kỹ thuật

3 Phạm vi ứng dụng của một số hình thức kè bảo vệ mái dốc:

- Trồng cỏ khi sóng tác dụng có hs≤ 0.5m, dòng chảy có vận tốc v<1m/s hoặc có bãi ngập, mái đê, mái bờ có đất để cỏ phát triển

- Đá hộc đổ rối khi có nguồn đá phong phú, mái đê, mái bờ thoải khi không có yêu cầu

mĩ quan

- Đá hộc lát khan: Khi có nguồn đá phong phú, có đá lớn, nền thoát nước tốt

- Đá xếp trong khung xây bằng đá được sử dụng khi sóng và dòng chảy tương đối mạnh, bờ tương đối chắc, không đủ đá lớn

- Đá hộc xây được dùng khi: Mái bờ tương đối chắc, sóng lớn, dòng chảy mạnh, không

có đá lớn

- Thảm rọ đá: Sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn

- Tấm bê tông đúc sẵn, ghép rời được sử dụng khi sóng lớn, dòng chảy mạnh, không

có đá lớn, có yêu cầu mĩ quan

- Tấm bê tông đúc sẵn liên kết mảng dùng khi trường hợp sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn, có yêu cầu mĩ quan, bờ ít lún sụt, ít thoát nước, có điều kiện thi công và chế tạo mảng

- Dùng hỗn hợp nhiều loại khi mực nước dao động lớn, mái gia cố dài, từng vị trí có yêu cầu khác nhau

Các nội dung nêu trên là khái quát về phạm vi ứng dụng làm cơ sở lựa chọn giải pháp thiết kế Trong từng trường hợp cụ thể, phải phân tích đầy đủ các điều kiện để lựa chọn

được giải pháp tốt nhất Giải pháp tốt nhất là giải pháp thoả mãn được nhiều yêu cầu ở mục

1 và có giá thành hạ

♣4-3 Sự làm việc của kết cấu kè mái

1 Các tải trọng tác dụng và sơ đồ tính:

Kết cấu kè mái chịu tác dụng của các tải trọng tác dụng trực tiếp lên bề mặt phía ngoài

và các tải trọng sinh ra ở phía trong kè và thân đê Các tác động này sinh ra từ nguồn gốc của các tác động thủy động lực và tác động địa kỹ thuật

Sự tác động của các áp lực từ môi trường nước vào các kết cấu kè và tải trọng sinh ra từ phía bên trong thân đê, có thể mô phỏng bằng một hệ tương tác giữa 3 môi trường: Nước -

Đất - Công trình như hình 4-4 Mô tả sự làm việc theo sơ đồ này như sau:

Quá trình I là quá trình chịu tác động theo điều kiện biên thủy lực như sóng, vận tốc trung bình của dòng chảy được mô phỏng là tải trọng phía ngoài Pn(y,t)

Quá trình II là quá trình chuyển hoá từ tải trọng phía ngoài tới phía bên trong tạo ra các tải trọng tác dụng lên bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu kè với đất thân đê gọi là tải trọng phía trong Pt( y,t)

Quá trình III là sự làm việc của kè dưới tác dụng của các tải trọng từ 2 phía

Căn cứ vào kết cấu cụ thể của từng loại kè, tình hình tác dụng của các tải trọng mà tiến hành thiết lập các bài toán tính ổn định tổng thể, ổn định cục bộ, và tính toán kết cấu cho

kè

Hình 4-4: Sơ đồ mô phỏng sự làm việc tương tác nước - đất - kết cấu kè

2 Một số dạng hư hỏng và nguyên nhân:

Một sự cố ở đê thường bắt nguồn từ những hư hỏng dẫn tới một bộ phận hoặc toàn bộ kết cấu bị mất ổn định theo một hình thái phá hoại nào đó làm cho nó không còn đảm nhận

được chức năng làm việc được giao nữa

Kè bảo vệ mái là một bộ phận của mặt cắt đê Vì vậy, các hư hỏng của kè có liên quan

đến hư hỏng của đê Một số dạng hư hỏng thường gặp như ở hình 4-5 Thường có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố Sự tác dụng của sóng đối với kè bảo vệ mái dốc là nguyên nhân trực tiếp và được xem là nguyên nhân chính Khi phân tích tính hư hỏng của một số loại kết cấu kè bảo vệ mái chịu tác dụng của sóng có thể tham khảo bảng 4-1

Hình 4-5: Một số dạng h− hỏng của đê và kè mái

Trọng lượng, ma sát

* Thấm của lớp đệm của thân đê

Rọ đá

Thảm đá, vải địa kĩ

thuật

Bắt đầu chuyển dịch Biến dạng

Đá lọt ra ngoài Dây bị đứt

* Biểu hiện khác

Tốc độ lớn

Va đập Khí hậu

Kẻ phá hoại

Trọng lượng Liên kết Dây Kích thước đơn vị

* Thấm ở lớp đệm

Khối liên kết liền

kề, liên kêt có chèn

Đẩy nổi Lún chìm Biến dạng

* Đẩy nổi

Tốc độ lớn

Va chạm Vượt tải

Kết cấu Trọng lượng

3 Một số ví dụ về quan điểm tính tải trọng lên lớp vỏ kè:

( Thực hành thiết kế đê biển của Hà Lan) a) Các lực tác dụng lên phía ngoài (P n ):

áp lực tác dụng lên mái dốc là loại tải trọng có chu kỳ được nghiên cứu cụ thể đối với từng loại kết cấu Các nghiên cứu được tiến hành kết hợp giữa mô hình toán và mô hình vật

lý ( thí nghiệm trong bể sóng) Trong thực tế sử dụng các mô hình toán còn nhiều hạn chế nhất là khi xét đến yếu tố thời gian

Một cách gần đúng tính tải trọng tức thời với trường hợp nguy hiểm nhất khi có sóng rút lớn nhất

Hình 4-6: Sóng tác dụng lên mái dốc

Xét trường hợp sóng tác dụng lên mái dốc như hình 4-6 Trong đó θ là góc đổ lớn nhất

ϕb là áp lực nước lớn nhất tác dụng lên bề mặt mái dốc Lập được mối quan hệ hàm giữa các đại lượng thuộc thành phần của sóng và kích thước công trình Phương trình dùng để nghiên cứu thực nghiệm khi mái dốc trong giới hạn 1/2 < tgα < 1/4 các sóng có độ dốc 0.01 < H/Lo < 0.07 được viết như sau:

)2.2

;tg

min(

H

o b

α

ξ

=φ

tgθ = cotgβ =

o

tg9.5ξα

)5.1

;)Lo/H(

tg11.0min(

H

ds

8 0

α

=

Trong đó:

Lo/H/tg

o= α

Kết quả thực nghiệm cho thấy với các sóng xiên có góc nhỏ hơn 45o được tính như sóng phẳng

b) Lực tác dụng phía dưới (P t ):

Các lực tác dụng phía dưới lớp vỏ kè được chia làm 2 loại:

- Loại thứ nhất là các áp lực được xét cùng với các lực phía trên gây ra hiện tượng đẩy ngược lên lớp vỏ kè

- Loại thứ hai là Gradien thủy lực dưới lớp vỏ kè ( song song với mái dốc) gây ra hiện tượng dịch chuyển các hạt trong lớp đệm

Các hạt này phụ thuộc nhiều vào cấu tạo và vật liệu của lớp chuyển tiếp giữa vỏ kè và

đất thân đê

♣4-4 Thiết kế thân kè

1 Trọng lượng của hòn đá hoặc cấu kiện:

Trọng lượng ổn định của hòn đá hoặc cấu kiện trong kết cấu kè có thể được xác định bằng công thức Hudson

γ

ưγ

γ

gcot

K

3 B D

H

(4-1)

Trong đó:

G- trọng lượng tối thiểu của hòn đá hoặc cấu kiện (tấn)

γB- trọng lượng riêng (trong không khí) của vật liệu khối phủ (t/m3)

γ- trọng lượng riêng của nước (t/m3

) α- góc nghiêng của mái đê so với mặt phẳng nằm ngang (độ)

HSD- chiều cao sóng thiết kế, lấy HSD = HS (1/3) (chiều cao sóng có ý nghĩa - xem tiết 2-1)

KD- hệ số ổn đinh tùy theo hình dạng khối phủ, lấy theo bảng 4-2

(*) Trị số cần kiểm định thực tế cho từng loại mảng

2 Chiều dày lớp phủ ngoài cùng của kè:

Chiều dày lớp phủ ngoài của kè rất quan trọng về kỹ thuật và kinh tế, cần tính toán thận trọng

Hγ

−γ

Tính theo công thức trong qui phạm thiết kế đê Trung Quốc (GB50286-98)

δB = η.Hs

mL

L

t

s

Bưγγ

γ

(4-3)

Trong đó:

δB - chiều dày tấm bản bê tông (m)

η- hệ số: η = 0.075 đối với bản lát khan, η = 0.10 đối với bản phần trên lát khan, phần dưới chít mạch

Hs - chiều cao sóng tính toán (m), lấy Hs1%

- ϕ- hệ số phụ thuộc hình dạng và cách lắp đặt các cấu kiện, lấy theo bảng 4-3

4 Các loại cấu kiện lát mái bằng bê tông đúc sẵn:

Cấu kiện lát mái đê bằng bê tông đúc sẵn thường dùng được thống kê trong bảng 4-4

Bảng 4-4: Cấu kiện kè bảo vệ mái đê

4 Lỗ thoát nước và khe biến dạng:

a) Đối với loại gia cố mái kín nước như đá xây, bê tông đổ tại chỗ v.v… cần trừ lỗ thoát nước ở phần mái ngập nước Lỗ thoát nước bố trí theo hình hoa mai, đường kính lỗ (5-10) cm, khoảng cách ngang dọc giữa các lỗ từ 2-3m

b) Khe biến dạng cho kết cấu mái loại kín nước, bố trí cách nhau từ 15-20 m dọc theo hướng trục đê

Hình 4-7: Một số bản bê tông đúc sẵn lát độc lập trên kè mái

a) Tấm chữ nhật có gờ nhỏ b) Tấm chữ nhật có khuyết lõm

c) Tấm chữ T d) Tấm chữ nhật có đục lỗ e) Tấm lục lăng có gờ nhỏ f) Tấm lục lăng có lỗ thoát nước

Hình 4-8: Một số cấu kiện bê tông đúc sẵn lắp ghép có cơ cấu tự chèn

a) Chèn lệch mặt phẳng b) Rãnh chèn

g) Chèn lục lăng h) Ngàm 3 chiều TSc-178

♣4-5 Thiết kế tầng đệm, tầng lọc

Trong công trình gia cố mái bờ biển, bờ sông, mái đê, giữa lớp bảo vệ mặt ngoài và đất nhất thiết phải bố trí một cơ cấu quá độ, vừa làm nhiệm vụ tầng đệm, vừa làm nhiệm vụ tầng lọc (tầng lọc ngược)

2 Tầng lọc ngược sử dụng vải địa kỹ thuật (vải lọc):

- Vải lọc đặt trực tiếp lên mặt mái đê, mái bờ, được cố định ở đỉnh kè và trải xuống tận chân khay, sau khi đã có biện pháp chống các yếu tố chọc thủng của rễ cây và sinh vật Tùy theo điều kiện cụ thể của đất bờ hoặc đất thân đê để lựa chọn loại hình vải lọc thích hợp Phương pháp lựa chọn tuân theo các chỉ dẫn trong các tài liệu chuyên ngành liên quan (Chỉ dẫn thiết kế và sử dụng vải địa kỹ thuật để lọc trong công trình thủy lợi Tiêu chuẩn ngành 14 TCN 110 -1996)

- Giữa vải lọc và lớp bảo vệ là lớp đệm đá dăm, dày 10-15cm

♣4-6 Thiết kế chân kè

Để đảm bảo ổn định cho công trình gia cố mái đê, cần bố trí chân kè ở vị trí nối tiếp chân đê và bãi Loại hình và kích thước chân kè được xác định tùy theo tình hình xâm thực bãi, chiều cao sóng Hs và chiều dày của thân kè

Hs.ππ

π

Trong đó:

Vmax - vận tốc cực đại của dòng chảy, m/s

Ls,Hs- chiều dài và chiều cao sóng thiết kế,m

h- độ sâu nước trước đê,m

g- gia tốc trọng lực, m/s2

Trọng lượng ổn định của viên đá ở chân kè mái đê biển được xác định theo Vmax, như trong bảng 4-5

Trường hợp trượt cùng với mái dốc tính theo phương pháp cung trượt trụ tròn

Trường hợp sau có thể đơn giản hoá thành trượt tổng thể theo mặt phẳng gẫy khúc FABC trên hình 4-10

Hình 4-10: Tính toán ổn định tổng thể theo mặt FABC

Khi tính toán, trước tiên giả thiết các giá trị độ sâu trượt khác nhau t, thay đổi B, sau

đó theo phương pháp cân bằng giới hạn để tính ra hệ số ổn định trượt, từ đó tìm ra mặt trượt nguy hiểm nhất

Hệ số ổn định của khối dất BCD được tính toán như sau

K =

)cos(

.P

tg)sin(

.Ptg.cosGsin

.G

3 2 2

3 2 2

3 3 3 3 3

α+α

ϕα+α+

αα+

2 Tính toán ổn định nội bộ lớp gia cố:

a) Nếu kết cấu của bản thân công trình gia cố không chắc chắn hoặc do được chôn sâu tương đối khó xuất hiện trượt tổng thể, cần phải xem xét tính ổn định của nội bộ khối công trình gia cố Thông thường sự cố trong trường hợp này xẩy ra vào mùa kiệt Khối gia cố và thân đê là 2 loại vật liệu có cường độ chống cắt khác nhau, khi mực nước thấp thường xảy

ra trượt theo mặt tiếp xúc có cường độ chống cắt yếu (hình 4-11)

Hình 4-11 Tính toán trượt nội bộ thân kè gia cố mái

Giả thiết mặt trượt đi qua giao điểm giữa mực nước trước công trình và mặt nứt trượt của chân đê Mặt trượt là mặt gẫy abc Phía trên điểm gẫy b, khối gia cố sản sinh lực gây trượt, dựa vào lực ma sát của phần bờ phía dưới để cân bằng

b) Trị số hệ số ma sát trong của khối đê cần thiết để duy trì trạng thái cân bàng giới hạn f2 được tính toán theo công thức sau:

a1 =

2 1

1 2 1

m1

)mm(m.n+

ư

a2 =

2 1

1 2

2 1 2

1

1 2 2 1 1

2 2

m1

)mm.m.(

nm1

mmm1G

G.m

(4-13) +

++

+

ư++

a3=

2 1

2 1 2

1 1

2

m1

mm1m1G

G

+

++

Trong đó:

m1- hệ số mái dốc của đê ở trên điểm b

m2- hệ số mái dốc của mặt trượt dưới điểm b

n = f1/f2

f1- hệ số ma sát giữa lớp gia cố với đất đê

f2- hệ số ma sát trong giữa vật liệu gia cố mái

c) Hệ số ổn định của lớp gia cố mái được tính như sau:

ϕ- góc ma sát của khối gia cố mái

♣4-8 Phân tích xác suất sự cố kè mái đê biển

1 Định nghĩa về sự hư hỏng:

Sự hư hỏng được định nghĩa là một sự thay đổi nào đó trong trạng thái của công trình

được phản ánh bởi 3 đặc trưng sau:

1- Các biên ngoài hoặc đường viền công trình

2- Mặt cắt ngang hoặc bộ phận của mặt cắt

3- Từng phần tử kết cấu, (khả năng chịu lực)

Các hư hỏng thuộc đặc trưng 1 và 2 thường dễ dàng quan sát hoặc đo đạc tính toán kiểm tra, loại 3 thường là phân tích phức tạp hơn Trong thực tế, khi hư hỏng tăng lên đến mức độ mất chức năng làm việc thì khi đó có sự cố xảy ra Như vậy sự cố có thể định nghĩa như là tương ứng với mức độ cuối cùng của hư hỏng làm cho công trình phải ngừng hoạt

động Nguyên nhân của sự cố có thể là do một hoặc nhiều hư hỏng xảy ra dẫn đến sự cố `

2 Sự cố đê biển:

Một số kiểu hư hỏng của đê biển:

Nghiên cứu sự hư hỏng của công trình cần phải khái quát hoá được các dạng hư hỏng, tìm ra bản chất vật lý và nguyên nhân của hiện tượng hư hỏng qui về các bài toán ở trạng thái giới hạn để tính toán được xác suất sự cố cũng như xác suất an toàn (độ tin cậy) của công trình Dưới đây là một số mô tả kiểu hư hỏng đê biển:

Quan hệ vật lý giữa sự hư hỏng và các tải trọng thông qua một trạng thái phá hoại ảnh hưởng đến giảm chức năng phục vụ dẫn đến sự cố công trình như sơ đồ hình 4-12 và 4-13

Mạch đùn Trượt Tan rã Sự cố lớp bảo vệ Sự cố lớp chuyển tiếp

Sự không ổn định

về mặt hình học Trượt Tan rã Đẩy nổi Xê dịch các lớp

Dòng, sóng Các thông số của lớp dưới

Hình 4-12: Mô tả sự cố mái đê biển theo sơ đồ cành cây

Hình 4-13: Sơ đồ quan hệ giữa tải trọng và sự cố

3 Ví dụ tính kích thước đá bảo vệ mái đê biển theo lý thuyết độ tin cậy:

Bài toán đặt ra là tính xác suất hư hỏng của đá bảo vệ mái đê biển với các chỉ tiêu tính toán cho trong bảng 4-6

Bảng 4-6: Kỳ vọng và sai số quân phương của các biến

Các đại lượng Ký hiệu Đơn vị Kỳ vọng M Sai số quân phương

cos.KD

αα

=δ

tg.T5cos8

Δ

α+

ααα

.gcotgcot2

1Hs

4T5Hs

2 2

4 g

cot

z

HsT4

tg5cos2

μ2 = 5x1,4x0.45- 0.595

231xx25.195.0

1

xi 2

δ

Thay c¸c gi¸ trÞ ë b¶ng 3-2 vµo (6-7) tÝnh ®−îc σz = 0.506 vµ tÝnh ®−îc

β = μz/σz = 0.595/0.506 = 1.1 Hµm ph©n bè fz nh− h×nh 4-14 T¹i vÞ trÝ z = 0 lµ giíi h¹n gi÷a hai miÒn an toµn vµ kh«ng an toµn Gi¶ thiÕt ph©n bè cña Z:

ΦN = (Z - μ/σ) hay ΦN = (Z - β) Khi cho Z = 0 cã ΦN = Φ (- β) cã thÓ viÕt x¸c suÊt sù cè P(Z < 0) = ΦN(-β)

KÕt qu¶ tÝnh to¸n cho thÊy khi:

δ = 0.25, δ =1.0 tÝnh ®−îc β = 1.176 tra b¶ng ®−îc P(Z<0) = 0.13