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

Chơng iV Kè bảo vệ mái dốc 4-1. Khái niệm Mái dốc thợng lu đê sông, đê biển, mái dốc bờ sông, bờ biển chịu tác dụng trực tiếp của dòng chảy, của thủy triều và của sóng Để giữ cho mái dốc đất không bị biến dạng, ở phía ngoài cùng đợc cấu tạo một bộ phận có tác dụng bảo vệ mái dốc không bị xói lở. Bộ phận này đợc gọi là kè bảo vệ mái dốc. 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: a) Kè bằng đá hộc lát khan b) Kè bằng bê tông đúc sẵn. Chân kè bằng cọc, kết hợp với lăng trụ đá. Tờng đỉnh kè bằng bê tông cốt thép. c) Kè kết hợp hai loại vật liệu. Chân kè là đá hộc trong ống bê tông, tờng đỉnh bằng đá xây. 91 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. 92 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 tơng đối phức tạp, còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ. Hiện nay ở nớc ta cũng nh nhiều nớc trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu cải tiến các hình thức kết cấu nhằm hoàn thiện phơng 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. 93 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. - Có khả năng phát hiện đợc sự cố. - Dễ sửa chữa khi có h hỏng cục bộ. - Giá thành hạ. - An toàn. - Đảm bảo mỹ quan. - Dễ quan sát, kiểm tra cho ngời quản lý. - Tận dụng vật liệu địa phơng. 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 nh sau: - Đá đổ, đá xếp khan, đá xếp trong các khung bằng đá xây. Loại này đợc dùng tơng đối phổ biến (xem hình 4-1a). - Khối bê tông đúc sẵn lát độc lập nh hình 4-1b, khối bê tông liên kết theo cơ chế tự chèn nh 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 h s 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 nớc tốt. - Đá xếp trong khung xây bằng đá đợc sử dụng khi sóng và dòng chảy tơng đối mạnh, bờ tơng đối chắc, không đủ đá lớn. - Đá hộc xây đợc dùng khi: Mái bờ tơng đối chắc, sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn. 94 - Thảm rọ đá: Sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn. - Tấm bê tông đúc sẵn, ghép rời đợc 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 trờng hợp sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn, có yêu cầu mĩ quan, bờ ít lún sụt, ít thoát nớc, có điều kiện thi công và chế tạo mảng. - Dùng hỗn hợp nhiều loại khi mực nớc 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 trờng hợp cụ thể, phải phân tích đầy đủ các điều kiện để lựa chọn đợc giải pháp tốt nhất. Giải pháp tốt nhất là giải pháp thoả mãn đợc 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 trờng nớc vào các kết cấu kè và tải trọng sinh ra từ phía bên trong thân đê, có thể mô phỏng bằng một hệ tơng tác giữa 3 môi trờng: Nớc - Đất - Công trình nh hình 4-4. Mô tả sự làm việc theo sơ đồ này nh sau: Quá trình I là quá trình chịu tác động theo điều kiện biên thủy lực nh sóng, vận tốc trung bình của dòng chảy đợc mô phỏng là tải trọng phía ngoài P n (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 P t ( y,t). Quá trình III là sự làm việc của kè dới 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. 95 Hình 4-4: Sơ đồ mô phỏng sự làm việc tơng tác nớc - đất - kết cấu kè. 2. Một số dạng h hỏng và nguyên nhân: Một sự cố ở đê thờng bắt nguồn từ những h 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 đợc chức năng làm việc đợc giao nữa. Kè bảo vệ mái là một bộ phận của mặt cắt đê. Vì vậy, các h hỏng của kè có liên quan đến h hỏng của đê. Một số dạng h hỏng thờng gặp nh ở hình 4-5. Thờng 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 đợc xem là nguyên nhân chính. Khi phân tích tính h hỏng của một số loại kết cấu kè bảo vệ mái chịu tác dụng của sóng có thể tham khảo bảng 4-1. 96  H×nh 4-5: Mét sè d¹ng h− háng cña ®ª vµ kÌ m¸i. 97 Bảng 4-1: Một số dạng h hỏng kết cấu kè mái đê. Loại kết cấu Biểu hiện h hỏng Tải trọng sóng Đôi tợng đánh giá Cát / sỏi sạn Bắt đầu di chuyển Vật liệu chuyển dịch * Sự hình thành mặt cát Trờng vận tốc của sóng Trọng lợng ma sát * ổn định động lực Đất dính / cỏ Xói * Biến dạng Tốc độ lớn nhất Va chạm Dính kết Rễ cỏ * Chất lợng của sét Đá đổ Bắt đầu chuyển dịch * Biến dạng Vận tốc lớn nhất Thấm Trọng lợng, 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 lợng Liên kết Dây Kích thớc đơn vị * Thấm ở lớp đệm Khối liên kết liền kề, liên kêt có chèn Đẩy nổi Lún chìm Biến dạng * Trợt Quá tải Va chạm Chiều dày, ma sát, liên kết * Thấm ở lớp đệm Asphalt (Bê tông nhựa đờng) Xói Biến dạng * Đẩy nổi Tốc độ lớn Va chạm Vợt tải Kết cấu Trọng lợng 98 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 đợc nghiên cứu cụ thể đối với từng loại kết cấu. Các nghiên cứu đợc 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 trờng hợp nguy hiểm nhất khi có sóng rút lớn nhất. Hình 4-6: Sóng tác dụng lên mái dốc Xét trờng hợp sóng tác dụng lên mái dốc nh hình 4-6. Trong đó là góc đổ lớn nhất. b là áp lực nớc lớn nhất tác dụng lên bề mặt mái dốc. Lập đợc mối quan hệ hàm giữa các đại lợng thuộc thành phần của sóng và kích thớc công trình. Phơng trình dùng để nghiên cứu thực nghiệm khi mái dốc trong giới hạn 1/2 < tg < 1/4 các sóng có độ dốc 0.01 < H/Lo < 0.07 đợc viết nh sau: )2.2 ; tg min( H ob = 99 tg = cotg = o tg9.5 )5.1 ; )Lo/H( tg11.0 min( H ds 8.0 = Trong đó: Lo/H/tgo = . Kết quả thực nghiệm cho thấy với các sóng xiên có góc nhỏ hơn 45 o đợc tính nh sóng phẳng b) Lực tác dụng phía dới (P t ): Các lực tác dụng phía dới lớp vỏ kè đợc chia làm 2 loại: - Loại thứ nhất là các áp lực đợc xét cùng với các lực phía trên gây ra hiện tợng đẩy ngợc lên lớp vỏ kè - Loại thứ hai là Gradien thủy lực dới lớp vỏ kè ( song song với mái dốc) gây ra hiện tợng 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 lợng của hòn đá hoặc cấu kiện: Trọng lợng ổn định của hòn đá hoặc cấu kiện trong kết cấu kè có thể đợc xác định bằng công thức Hudson G = gcot.K 3 B D H.B 3 SD (4-1) Trong đó: G- trọng lợng tối thiểu của hòn đá hoặc cấu kiện (tấn). B - trọng lợng riêng (trong không khí) của vật liệu khối phủ (t/m 3 ) - trọng lợng riêng của nớc (t/m 3 ) - góc nghiêng của mái đê so với mặt phẳng nằm ngang (độ) 100 [...]... bảng 4- 4 Bảng 4- 4 : Cấu kiện kè bảo vệ mái đê Loại cấu kiện Hình dạng - Chữ nhật Tấm lát độc lập - Lục lăng - Chữ T Tấm lát liên kết mảng - Chữ nhật - Lục lăng Cấu tạo bề mặt trực tiếp với sóng Phơng thức liên kết Xem hình - Trơn - Khuyết lõm - Mố lồi Ghép cạnh nhau 4- 7 - Lỗ thoát nớc - Trơn - Xâu cáp - Mố lồi - Rãnh, hèm - Lỗ thoát nớc - âm dơng 4- 8 Trọng lợng tấm bê tông đúc sẵn tính theo công thức 4- 1 ,... + 3 ) P2 = G2sin2 - G2.cos2.tg- C.t -P1.cos( 1-2 ) sin 2 P1 = G1.sin 1- f1cos1 ( 4- 8 ) ( 4- 9 ) ( 4- 1 0) Trong đó: F 1- hệ số ma sát giữa lớp gia cố và thân đê - góc ma sát của đất nền C- lực dính của đất nền t- độ sâu trợt G 1- trọng lợng khối gia cố G 2- trọng lợng khối đất trợt ABD G 3- trọng lợng khối đất trợt BCD 108 2 Tính toán ổn định nội bộ lớp gia cố: a) Nếu kết cấu của bản thân công trình gia cố không... của đất bờ hoặc đất thân đê để lựa chọn loại hình vải lọc thích hợp Phơng 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 -1 996) - Giữa vải lọc và lớp bảo vệ là lớp đệm đá dăm, dày 1 0-1 5cm 4- 6 Thiết kế chân kè Để đảm bảo ổn định cho công trình gia cố mái đê, cần bố... 1.00 256.1 0-3 65. 54. x 0-3 K z/K = 0.630 0.50 315.1 0-3 99.23x1 0-3 D z/D = 7.000 0.01 70.1 0-3 4. 90x1 0-3 256.31x1 0-3 n 2 z = z xi 1 xi 0.5 ( 4- 2 2) Thay các giá trị ở bảng 3-2 vào ( 6-7 ) tính đợc z = 0.506 và tính đợc = z/z = 0.595/0.506 = 1.1 Hàm phân bố fz nh hình 4- 1 4 Tại vị trí z = 0 là giới hạn giữa hai miền an toàn và không an toàn Giả thiết phân bố của Z: N = (Z - /) hay N = (Z - ) Khi... chít mạch Hs - chiều cao sóng tính toán (m), lấy Hs1% Ls- chiều dài sóng (m) Lt- chiều dài cạnh tấm bê tông theo phơng vuông góc với đờng mép nớc (m) m- hệ số mái dốc ,B- trọng lợng riêng của nớc và bê tông (t/m3) - Tính theo công thức Pilarczyk.K.W B = Hs 2 / 3 B ( 4- 4 ) Trong đó: - Hs- chiều cao sóng thiết kế (m), lấy Hs1/3 - - hệ số sóng vỡ, = tg Hs Ls - - hệ số phụ thuộc hình dạng và cách lắp... lấy theo bảng 4- 3 Các ký hiệu khác có ý nghĩa nh trớc Bảng 4- 3 : Hệ số Loại cấu kiện và cách lắp đặt Tấm lát đặt nằm 4 ữ 4. 5 Tấm lát đặt trên lớp geotextile và nền đất sét tốt 5 Tấm lát tự chèn 6 Tấm lát tự chèn trên lớp đệm tốt 8 Từ kết quả tính toán theo 4- 3 và 4- 4 , chọn kết quả có chiều dày lớn hơn để thiết kế 102 4 Các loại cấu kiện lát mái bằng bê tông đúc sẵn: Cấu kiện lát mái đê bằng bê tông... phơng Chiều cao sóng Hs m 2 0.25 và 0.1 Tỷ trọng đá 1 .4 0.05 cotg 3 0.25 5 1 5 0.5 Mái dốc Chu kì sóng T Hệ số ổn định của công thức s K Dùng điều kiện ổn định của Pylaczyk Hs cos = K .D ( 4- 1 6) Trong đó: = 1.25T.tg Hs ( 4- 1 7) Đặt hàm tải trọng F(N) = Hs cos ( 4- 1 8) Hàm độ bền F(s) = K..D ( 4- 1 9) Hàm tin cậy Z = F(s )- F(N) ( 4- 2 0) Z = K..D - Hs 3 4 1.25T.tg / cos ( 4- 2 1) Tính đạo hàm riêng phần của... trớc đê, m g- gia tốc trọng lực, m/s2 Trọng lợng ổn định của viên đá ở chân kè mái đê biển đợc xác định theo Vmax, nh trong bảng 4- 5 106 Bảng 4- 5 : Trọng lợng đá chân kè mái đê biển Vmax(m/s) 2.0 3.0 4. 0 5.0 Gd(kg) 40 80 140 200 Hình 4- 9 : Các hình thức kết cấu chân kè 4- 7 Tính toán ổn định kè 1 Tính toán ổn định tổng thể: Tính toán ổn định tổng thể bao gồm: ổn định trợt của kè cùng với mái dốc và ổn... 5T 1 sin 4 = + 4 cot g cos 2 (1 + cot g 2 ) Hs 2 cot g cot g cos Hs 5tg z = 2 cos 4T Hs T z = .D ; z = K.D K D ; Giả thiết gần đúng D = 0 .45 , tính giá trị kỳ vọng 1.25x5x 1 2 3 = 0.595 2 = 5x1,4x0 .45 0.95 2 Bảng 4- 7 : Tính giá trị Z Xi z/xi xi.z/xi (xi.z/xi)2 Hs z/Hs = -0 .96 0.25 240 .1 0-3 57.6x1 0-3 z/ = 2.25 0.05 112.1 0-3 12.66x1 0-3 Cotg z/cotg = 0.512 0.25 1.28.1 0-3 16.38x1 0-3 T z/T =... Các thông số của lớp dới Hình 4- 1 2: Mô tả sự cố mái đê biển theo sơ đồ cành cây Độ bền Phá hoại Chức năng Sự cố Tải trọng Hình 4- 1 3: Sơ đồ quan hệ giữa tải trọng và sự cố 111 3 Ví dụ tính kích thớc đá bảo vệ mái đê biển theo lý thuyết độ tin cậy: Bài toán đặt ra là tính xác suất h 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 phơng của các . lập - Chữ nhật - Lục lăng - Chữ T - Trơn - Khuyết lõm - Mố lồi - Lỗ thoát nớc Ghép cạnh nhau 4- 7 Tấm lát liên kết mảng - Chữ nhật - Lục lăng - Trơn - Mố lồi - Lỗ thoát nớc - Xâu. lọc trong công trình thủy lợi. Tiêu chuẩn ngành 14 TCN 110 -1 996) - Giữa vải lọc và lớp bảo vệ là lớp đệm đá dăm, dày 1 0-1 5cm. 4- 6 . Thiết kế chân kè. Để đảm bảo ổn định cho công trình gia. lục lăng h) Ngàm 3 chiều TSc-178 1 04 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