nghiên cứu giải pháp neo giữ tấm lát bảo vệ mái đê biển

LỜI CẢM ƠNLuận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu giải pháp neo giữ tấm lát bảo vệ mái đê biển” đã được hình thành với sự giúp đỡ tận tì

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài:

“Nghiên cứu giải pháp neo giữ tấm lát bảo vệ mái đê biển” đã được hình thành với

sự giúp đỡ tận tình của các Thầy giáo Cô giáo trong bộ môn Thủy công, khoa Công trình tr ường đại học Thủy lợi và các bạn bè đồng nghiệp

Tác giả xin xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo, Bạn bè đồng nghiệp và Gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Ngô Trí Viềng và ThS Hoàng Việt Hùng đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này

Tuy đã có những cố gắng nhất định, nhưng do trình độ còn hạn chế, vì vậy nội dung lu ận văn này còn nhiều thiếu sót Tác giả kính mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy giáo, cô giáo, sự đóng góp ý kiến của các Bạn bè đồng nghiệp để tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện đề tài

Xin chân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 29 tháng 9 năm 2011

TÁC GIẢ

Lê Mạnh Hùng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH

γR d Trọng lượng riêng của vật liệu khối phủ

KR d

Hệ số ổn định phụ thuộc hình dạng, độ nhám vật liệu và cách thức ghép đặt

τR neo Cường độ chống kéo tụt neo

FR S Hệ số ổn định tăng thêm khi có neo

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Là một nước có bờ biển dài trên 2000km, hệ thống đê, kè biển ở Việt Nam được hình thành từ lâu đời Do ảnh hưởng của nền kinh tế chậm phát triển, hệ thống

đê, kè biển chủ yếu được đắp bằng thủ công, cao trình đỉnh đê và mặt cắt ngang của chúng không đủ để chống bão lũ đặc biệt dưới tác dụng của biển đổi khí hậu như ngày nay Vấn đề nền đê ở nước ta cũng rất đáng được quan tâm: do không có công nghệ thiết kế cũng như thi công hiện đại nên nền đê biển hầu như không được xử lý, gây lún sụt thân đê cũng như kết cấu bảo vệ mái rất nhiều Như vậy cần phải có các giải pháp nhằm tăng cường sự ổn định của các bộ phận cấu thành nên đê kè đặc biệt

là các tấm lát phía biển

Một trong những giải pháp hợp lý để khắc phục những sự cố kể trên là neo giữ các tấm lát bằng lưới thép, vải địa kỹ thuật Với tính năng chịu kéo tốt của vải, tải trọng kéo của sóng biển truyền vào các tấm lát sẽ được triệt tiêu bởi lực ma sát tạo nên sự ổn định

Giải pháp nêu trên thi công đơn giản, các vật liệu chính được sản xuất nhiều ở Việt Nam nên giá thành hạ Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu sự mất ổn định của tấm lát để có những kiến nghị khi ứng dụng giải pháp này trong thực tế làm mới cũng như cải tạo hệ thống đê biển Đề tài “Nghiên cứu giải pháp neo giữ tấm lát bảo

vệ mái đê biển” có tính khoa học và thực tiễn cao

2 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu các biện pháp tăng cường ổn định tấm lát bảo vệ mái đê biển

- Tìm giải pháp thích hợp bằng biện pháp neo giữ tăng cường ổn định tấm lát

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp thống kê các tài liệu lý thuyết và thực tế ứng dụng cho các tấm lát bảo vệ mái đê biển

- Phân tích bằng mô hình số để áp dụng cho tính toán ổn định tấm lát khi sử

dụng neo gia cường

- Áp dụng tính toán cho tấm lát bảo vệ đê biển Hà Nam-tỉnh Quảng Ninh và

có những kết luận có cơ sở khoa học

5 Nội dung của luận văn

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan các biện pháp bảo vệ mái đê biển

- Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng neo giữ lớp bảo vệ mái đê biển

- Chương 3: Ứng dụng tính toán ổn định cho tấm lát bảo vệ mái đê biển Hà Nam - tỉnh Quảng Ninh

- Chương 4: Kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

- Các phụ lục tính toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN

1.1 Tình hình xây dựng lớp bảo vệ mái đê biển trên thế giới và ở Việt Nam

Với diện tích 361x10P

6 P

kmP 2 P

, mặt nước biển và đại dương là chiếm 70,8% diện tích bề mặt trái đất (diện tích bề mặt trái đất là 510x10P

6 P

kmP 2 P

); Giao tuyến giữa lục địa và biển gọi là đường bờ biển Đường bờ biển có chiều dài tổng cộng là 440.000km - chiều dài bằng 11 lần đường xích đạo

Có khoảng 2/3 cư dân trên thế giới tập trung tại vùng ven biển, nơi có hệ thống giao thông lập thể, hải, lục, không, nhất là giao thông trên biển phát triển mạnh Nhưng vùng bờ biển cũng là nơi xảy ra nhiều thiên tai, hiểm họa do tác động của các yếu tố như sóng, thủy triều, bão tố, …Do đó nhiệm vụ bảo vệ bờ biển có ý nghĩa rất lớn để đảm bảo an toàn cho tính mạng con người và của cái vật chất của

xã hội

Đê biển (là một trong các loại công trình có chức năng bảo vệ bờ biển) – là một loại công trình xây dựng dọc bờ biển để ngăn triều, nước dâng, chống sóng không cho nước biển tràn vào làm ngập mục tiêu bảo vệ

Trên thế giới, Trung Quốc có trên 5451 km đê biển, trên tổng chiều dài 18.400km bờ biển Ba Lan có hơn 316 km đê biển trên 843 km bờ biển Trước đây

Hà Lan có khoảng 700km bờ biển tự nhiên, hiện nay có khoảng 300 km bờ biển tự nhiên và khoảng 10km đê, đập Đê biển Hà Lan có tầm quan trọng đặc biệt, vì nó đảm bảo an toàn cho 60% dân số nước này

Ngoài loại đê biển ngăn triều, chắn sóng bảo vệ cho đất liền, còn có loại đê lấn biển, mở rộng đất liền Nổi bật nhất là công trình vây vịnh biển Zuder của Hà Lan, đến năm 1987 diện tích lấn biển đã đạt 2 triệu ha Công trình đê biển 32Km bịt cửa vịnh, biến vịnh thành một hồ nước ngọt rộng 1.250 km2, trong đó có 165.000 ha biến thành đất nông nghiệp, cơ sở công nghiệp, thành phố và khu du lịch Ở đồng bằng sông Rhine Hà Lan cũng đã dùng công trình ngăn 3 trong 6 cửa sông, kết hợp làm đê biển thay cho đê cửa sông, cải tạo luồng lạch, tích nước ngọt, chống sóng

bão nước dâng, là một hệ thống công trình hiện đại bậc nhất thế giới

Ở Hàn Quốc, công trình đê đã lấn biển 100.000 ha (theo số liệu thống kê năm 1986), trong đó 50% diện tích được thực hiện trong những năm 80 của thế kỷ trước Một số đê lấn biển đã được xây dựng ở vùng biển sâu sóng lớn, như đê biển Tasi (Đại Khê), đã xây dựng ở nơi có độ sâu 14m dưới mực nước trung bình, cửa hợp long có độ sâu 10 ÷ 30m

Giống nhiều nước trên thế giới, nước ta có đường bờ biển dài – một thuận lợi lớn trong việc phát triển kinh tế, nhưng cũng là thách thức không nhỏ trong vấn đề đảm bảo an toàn dân sinh, kinh tế khu vực ven biển Dọc theo ven biển, hệ thống đê biển đã được hình thành với quy mô khác nhau trong từng thời kỳ

Hệ thống đê biển, đê cửa sông thộc các tỉnh từ Quảng Ninh đến Quảng Nam

có tổng chiều dài 1.700km Trước năm 2005, được sự quan tâm của Nhà nước và các tổ chức quốc tế thông qua các dự án PAM 4617, PAM 5325, OXFAM, CEC có khoảng 719km đê biển thuộc các đoạn đê xung yếu đã được đầu tư củng cố, nâng cấp nhằm đảm bảo chống gió bão cấp 9 với mực nước triều tần suất 5% Tuy nhiên,

do nguồn vốn đầu tư còn hạn chế nên hệ thống đê biển chưa đảm bảo kiên cố, chưa đồng bộ, ít được duy tu bảo dưỡng thường xuyên nên bị xuống cấp nhanh

Năm 2005 vùng ven biển nước ta liên tiếp chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiều cơn bão mạnh vượt mức thiết kế, trong đó đặc biệt là bão số 2, số 6, số 7 với sức gió mạnh cấp 11, cấp 12, giật trên cấp 12 lại đổ bộ đúng thời điểm mực nước triều cao, thời gian bão kéo dài gây sóng lớn, sóng lớn tràn qua mặt đê gây sạt lở mái đê phía đồng, phía biển với chiều dài trên 54km thuộc Hải Phòng, Nam Định, Thái Bình, Thanh Hóa và làm vỡ một số đoạn đê thuộc các tuyến đê Cát Hải (Hải Phòng), đê biển Hải Hậu, Giao Thủy (Nam Định) với tổng chiều dài 1465m

Sau bão số 7, thực hiện chỉ đạo của Chính Phủ, Bộ Nông nghiệp & PTNT đã nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện chương trình củng cố, bảo vệ, nâng cấp đê biển hiện

có tại các tỉnh có đê từ Quảng Ninh đến Quảng Nam nhằm đáp ứng yêu cầu phòng, chống thiên tai trong tình hình mới, cần có mức đảm bảo cao hơn cho dân sinh kinh

tế, yêu cầu đồng bộ phục vụ đa mục tiêu

Ngày 14/3/2006, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định số 58/2006/QĐ-TTg phê duyệt chương trình với các mục tiêu chủ yếu sau:

1-Chủ động phòng, chống lụt bão, nước biển dâng, hạn chế thiệt hại do thiên tai gây ra; tạo điều kiện phát triển kinh tế - xã hội ở các địa phương, góp phần bảo đảm an ninh, quốc phòng vùng ven biển

2-Kết hợp nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, chống lụt, bão một cách chắc chắn, lâu dài với yêu cầu khai thác tối đa tiềm năng vùng ven biển, chuyển đổi cơ cấu sản xuất, tạo việc làm, tăng thu nhập, góp phần xóa đói, giảm nghèo

3-Về lâu dài: xây dựng hệ thống đê điều kiên cố, đảm bảo an toàn phòng, chống lụt, bão, lũ Trước mắt phấn đấu đến năm 2010 đầu tư hoàn thành những đoạn đê xung yếu nhằm bảo vệ dân cư tập trung, những khu vực kinh tế quan trọng Việt Nam có đường bờ biển dài trên 3.250km chạy suốt dọc theo chiều dài đất nước từ Quảng Ninh đến Kiên Giang Với địa hình tự nhiên thấp trũng, lại trực tiếp chịu tác động của sóng, thủy triều, bão, nước dâng…nên tình hình xói lở tuyến bờ biển và phá hoại hệ thống đê, kè biển diễn ra rất phức tạp Chính vì vậy để đảm bảo

an toàn và ổn định cuộc sống của người dân sống trong khu vực ven biển, các vùng cửa sông cũng như để phục vụ cho việc phát triển kinh tế xã hội của đất nước thì việc bảo vệ bờ biển trở thành yêu cầu cấp thiết

Có nhiều loại công trình bảo vệ bờ biển như: đê biển, hệ thống mỏ hàn, tường

kè bờ biển…vv Đối với mỗi hình thức công trình thì đặc điểm làm việc, các yếu tố tác động, các hình thức kết cấu, quy trình thiết kế…đều có những đặc điểm riêng Trong khuôn khổ của luận văn này đề cập chính đến vấn đề giải pháp neo giữ tăng cường ổn định cho tấm lát bảo vệ mái đê biển

1.2 Các hình thức kết cấu lớp gia cố mái

Lớp bảo vệ mái đê biển hiện nay rất đa dạng

1.2.1 Gia cố mái bằng trồng cỏ

Hình thức bảo vệ bằng vật liệu tự nhiên (đất, cát, ) có trồng cỏ vẫn còn tồn tại

ở nhiều tuyến đê biển do điều kiện kinh tế khó khăn

Hình 1.1: Kết cấu bảo vệ mái bằng trồng cỏ 1.2.2 Kè lát mái bằng đá lát khan

Hình thức này đã được sử dụng ở hầu hết các tỉnh, vật liệu hay dùng là đá hộc

Bề mặt gồ ghề, độ nhám lớn giảm sóng leo lên mái và giảm vận tốc dòng rút

Về mặt kỹ thuật thì thi công và sửa chữa dễ dàng

Tuy nhiên nó có nhược điểm là khi nền bị lún cục bộ hoặc dưới tác dụng của sóng dồn nén mối liên kết do chèn bị phá vỡ, các hòn đá tách rời nhau ra Vì trọng lượng bản thân quá nhỏ nên dễ bị sóng cuốn trôi Khe hở giữa các hòn đá khá lớn,

vận tốc sóng làm cho dòng chảy trong các khe đá ép xuống nền thúc đẩy hiện tượng trôi đất nền tạo nhiều hang hốc lớn, sụt nhanh chóng gây hư hỏng đê

Xếp đá chèn chặt và đổ vữa chít các mạch phía trên

Ưu điểm của hình thức này: Liên kết các viên đá lại với nhau thành tấm lớn đủ trọng lượng để ổn định đồng thời các khe hở giữa các hòn đá được bịt kín, chống được dòng xói ảnh hưởng trực tiếp xuống nền

Nhược điểm: Khi làm trên nền đát yếu lún không đều sẽ làm cho tấm lớn đá xây, đá chít mạch lún theo tạo vết nứt gẫy theo mạch vữa, dưới tác động của dòng chảy trực tiếp xuống nền và dòng thấm tập trung thoát ra gây mất đất nền gây lún sập kè nhanh chóng Khi thi công tại chỗ vữa xây bị mặn xâm thực sẽ làm giảm cường độ của khối xây

Hình 1.3: Kè đá xây liền khối ở Thái Bình

1.2.4 Kè bằng bê tông

1.2.4.1 Kè lát mái bằng bê tông đổ tại chỗ :

Hình thức này đã được sử dụng ở kè Hải Hậu – Nam Định, phá Tam Giang – Thừa Thiên-Huế, Bàu Tró - Quảng Bình

Bê tông tấm lớn đổ tại chỗ có khớp nối với kích thước và trọng lượng theo tính toán cho từng công trình cụ thể, thường là lớn đủ trọng lượng chống sóng, tuy nhiên nếu nền lún không đều tấm bản dễ bị gãy, sập gây mất đất nền và do bê tông

đổ tại chỗ bị mặn xâm thực nên cường độ chịu lực kém

Hình 1.4: Kè bằng bê tông đổ tại chỗ ở Hải Phòng

Có 2 loại như sau:

Loại không có lỗ thoát nước: loại này che kín được mái nhưng phải chịu áp

lực đẩy nổi lớn do nước ở mái đê không thoát ra được

Loại có lỗ thoát nước: ưu điểm là giảm được áp lực đẩy nổi, nhưng do lỗ thoát

nước nên dễ mất đất nền dưới tác động của dòng chảy đặc biệt nguy hiểm nếu thi công lỗ thoát nước không tốt

1.2.4.2 Kè lát mái bê tông lắp ghép tấm bản nhỏ hình vuông:

Tấm bê tông đúc sẵn chất lượng tốt thi công nhanh, có khe hở làm thoát nước mái đê tốt, giảm áp lực đẩy nổi, nhưng tấm bản nhỏ không đủ trọng lượng và dễ bị bóc ra khỏi mái

1.2.4.3 Kè lát mái bê tôn g tấm lập phương:

Các khối có kích thước: (0,45 x 0,45 x 0,45)m, nặng 218kg và (0,53 x 0,53 x 0,53)m, nặng 328kg Trọng lượng của khối bê tông lớn, bề dày lớn không bị gẫy nhưng thi công phải có cần cẩu rất khó khăn

1.2.4.4 Kè lát mái tấm bê tông lắp ghép có lỗ thoát nước:

Đã được xây dựng ở Bầu Tró – Quảng Bình Kích thước của tấm: (0,45 x 0,5 x

0, 5)m Loại này có ưu điểm thoát nước mái đê tốt, thi công nhanh, dễ sửa chữa nhưng dễ mất đất nền dưới tác động của dòng chảy

1.2.4.5 Kè lát mái bằng bê tông lắp ghép có ngàm liên kết 1 chiều:

Do lắp ghép có ngàm nên trọng lượng bản thân được tăng lên và chiều có ngàm giảm đáng kể dòng xói trực tiếp xuống nền, nhưng không có khả năng liên kết thành tấm lớn nên dễ bị sóng bóc ra khỏi mái

1.2.4.6 Kè lát mái bằng bê tông lắp ghép có ngàm 2 chiều TAC - 2, TAC – 3:

• Cấu kiện TAC-2

Đã thi công ở Bầu Tró – Quảng Bình, Ngọc Xá - Trúc Lý – Quảng Bình; Quảng Trị, đê biển 1 Đồ Sơn – Hải Phòng

• Cấu kiện TAC–3

Đã thi công ở Tây Cổ Vậy – Xuân Thủy - Nam Định, Đồ Sơn – Hải Phòng, Phá Đông, Phá Cầu Hai - Thừa Thiên- Huế, Hà Tĩnh

Ưu điểm của loại cấu kiện này là nó có khả năng phân bố lực xung, lực cục bộ cho các cấu kiện bên cạnh tạo nên sự biến vị giảm dần từ vị trí xung lực dẫn ra xung quanh Vì vậy giảm được hiện tượng lún sâu, cục bộ, tạo nên lún dạng cong thuận đồng thời do được nối với nhau bằng các ngàm đối xứng dạng nêm hai chiều đan

giằng vào nhau chặt chẽ đã tạo được một kết cấu như một tấm bản lớn mà chiều rộng, chiều dài không hạn chế và khớp nối dích dắc hạn chế dòng xói trực tiếp xuống nền

Nhược điểm: Ban đầu các loại TAC – 2, TAC – 3 chiều dày độ vát quá nhỏ dễ

bị gẫy, sứt mẻ trong quá trình vận chuyển và thi công, vì vậy các loại sau có độ dày lớn hơn nên khắc phục được nhược điểm này

1.2.4.7 Kè lát mái bằng bê tông lắp ghép có ngàm 3 chiều TSC – 178:

(bằng sáng chế số 178/QĐ-118/QĐSC ngày 8 tháng 4 năm 1993, Cục sở hữu công nghiệp bộ Khoa học công nghệ và môi trường)

Đã được thi công ở Hải Phòng, Nam Định hiện đang sử dụng loại bề dày 0,28m

Hình 1.5: Mái kè bằng cấu kiện TSC – 178

Ưu điểm:

• Kết cấu có ngàm 3 chiều lắp ghép mềm thích hợp với nền yếu, lún không đều vì có khả năng tự điều chỉnh lún đồng bộ với nền Trọng lượng cấu kiện trên dưới 100kg thi công bằng thủ công lắp ghép thuận lợi trong mọi địa hình phức tạp,

dễ tu sửa, tiết kiệm vật liệu trong tu sửa, dễ thi công, chất lượng tốt

• Ngàm liên kết có hình dích dắc kéo dài, đường thấm che kín nên hạn chế tốc độ dòng sóng trực tiếp xuống nền đồng thời liên kết thành mảng có chân đế rộng, giảm đáng kể ứng suất của trọng lượng mảng và áp lực sóng xuống nền, hạn

chế hiện tượng lún cục bộ của từng cấu kiện Bề mặt cấu kiện được tạo mố nhám tiêu năng giảm chiều cao sóng leo và vận tốc dòng rút

∗ Ta thấy rằng các hình thức kè bảo vệ mái rất phong phú và đa dạng, nhưng việc áp dụng hình thức nào thì căn cứ vào điều kiện tự nhiên, kinh tế và xã hội của từng khu vực sao cho hệ thống kè đó sẽ hạn chế được tối đa nhược điểm và tận dụng được hết các ưu điểm, đem lại lợi ích lớn nhất

1 3 Đánh giá nguyên nhân hư hỏng

1.3 1 Lớp gia cố chưa đủ kiên cố, đồng bộ

Với những đoạn đê mà mái được gia cố bằng trồng cỏ thì rõ ràng chưa đủ kiên cố để có thể chống lại được sóng gió mạnh chưa kể đến việc có triều cường kết hợp

Hình thức gia cố bằng đá hộc lát khan là phổ biến, có ở hầu hết các đê được đầu tư gia cố trước những năm 2000 Mái đê được gia cố kiểu này thường rất nhanh

bị hư hỏng do sự không đồng đều của lớp đá lát khan, những viên đá kích thước bé lại không được chèn chặt (do chủ quan khi thi công hay do ý thức của người dân trong quá trình vân hành khai thác) bị sóng vỗ mạnh lôi kéo đi…làm mất ổn định của cả lớp gia cố

Ở một số đoạn đê có vốn đầu tư nhiều hơn, việc lát cấu kiện bê tông cũng chỉ được đến cao trình +3,5m Từ +3,5m trở lên được gia cố bằng đá hộc lát khan không đảm bảo chống bão cấp 11, cấp 12 (đê biển Đồ Sơn, Cát Hải ở Hải Phòng và

đê biển Nam Định năm 2005 là những ví dụ)

Nhiều đoạn đê, tuy mái đê được gia cố bảo vệ bằng cấu kiện bê tông nhưng bản thân cấu kiện được tính toán thiết kế không đảm bảo: Các tấm liên kết dạng ngàm do công nghệ thi công còn hạn chế nên các tấm bị phá hỏng sau một thời gian ngắn làm việc Các tấm là độc lập thì trong lượng của mỗi tấm lại quá nhẹ (Gtấm<=100kg) không đảm bảo ổn định trên mái đê

1.3.2 Só ng và sóng leo cao hơn mức tính toán trong thiết kế

Giai đoạn trước đây đê được thiết kế chống gió bão cấp 9, triều tần suất 5%, trong khi đó bão số 7 năm 2005 với gió cấp 12, giật trên cấp 12, cộng với triều cường lớn đã tạo ra sóng tràn qua đê gây sạt lở mái phía đồng và mặt đê gây vỡ đê

Sau các cơn bão năm 2005, Chính phủ đã đầu tư kinh phí lớn để nâng cấp tuyến đê biển Tuy nhiên mức thiết kế mới chỉ dừng lại ở việc chống gió bão cấp 10, triều tần suất 5% và khi có bão cấp 12 thì chấp nhận nước tràn qua đê Thực tế thì trên thế giới những năm gần đây nhiều cơn bão đã có gió trên cấp 12 Như vậy nếu các cơn bão này đổ bộ vào nước ta thì những tuyến đê dù là hiện đại nhất của Việt Nam cũng khó lòng chống chọi lại được với bão Đặc biệt, nếu các tấm lát không được neo giữ, liên kết với nhau thành một khối cũng bị áp lực của sóng, của nước rút làm cho mất ổn định

1.4 Giới thiệu lớp bảo vệ mái có neo giữ

Lớp bảo vệ mái bằng các tấm lát có liên kết ngàm sẽ là rất tốt nếu vấn đề neo giữ tấm lát được giải quyết

Lớp bảo vệ mái bình thường ổn định nhờ trọng lượng bản thân của nó và sự liên kết giữa các tấm Để tăng lực giữ tấm lát, bố trí các neo: chốt neo được liên kết vào tấm lát, thân neo thì được đặt vào trong đất Nhờ lực liên kết giữa thân neo và đất, tấm lát sẽ được neo giữ bằng chính lực neo chuyền qua dây neo

1.5 Kết luận chương 1

1 Qua tổng quan về các biện pháp bảo vệ mái đê phía biển có thể thấy rằng nguyên nhân hư hỏng đê biển nói chung và kết cấu mái nói riêng là kết cấu đê kè chưa đủ kiên cố đồng bộ để chống lại sóng gió lớn Ở nhiều nơi, nguyên nhân hư hỏng kết cấu bảo vệ mái là do sóng gió thực tế lớn hơn tính toán thiết kế (do điều kiện kinh tế ở nhiều nơi khó khăn và do tình hình khí hậu trên thế giới ngày càng diễn biến phức tạp)

2 Ở nước ta, thường xuyên xảy ra nhiều thiên tai, hiểm họa do thủy triều, sóng gió, bão tố Vì vậy bảo vệ bờ biển có ý nghĩa rất lớn để bảo đảm an toàn tính mạng của nhân dân, an toàn của cải vật chất của toàn xã hội Việc nghiên cứu về tấm lát bảo vệ mái có neo giữ đóng vai trò tiên phong, mở ra một hướng mới cho công cuộc củng cố tuyến đê biển dài của nước ta Cụ thể về tấm lát có neo giữ sẽ được trình bày sâu hơn ở các trước sau

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG NEO GIỮ

LỚP BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN

2.1 Các tính p hương pháp thiết kế và thi công lớp bảo vệ mái đê biển

Đê, kè biển có tác dụng ngăn chặn xói mòn đường biển (danh giới đất và nước) Tuy nhiên để đê, kè biển đồng thời phát huy tác dụng bảo vệ và phù hợp về kinh phí đầu tư cho từng vùng biển khác nhau cần có tính toán thiết kế

2.1.1 Trình tự thiết kế

Việc lựa chọn mô hình kết cấu phụ thuộc vào chức năng các điều kiện môi trường tại chỗ và các giới hạn trong công nghệ thi công

Vì nhiệm vụ của đê, kè là bảo vệ vùng đất phía sau chống lại các tác động của

mực nước cao và sóng biển lớn Để chống lại mực nước cao thì đê cần cao hơn đỉnh sóng khi có bão Như vậy cần tính toán sóng để xác định đỉnh của nó Trong một số trường hợp, tính toán thiết kế đê cho phép nước biển tràn qua thì yêu cầu về đỉnh sóng được giảm nhẹ hơn vì lúc này người ta quan tâm đến lượng nước tràn qua đê cho phép nhiều hơn Các số liệu cần thu thập để lựa chọn một cơ chế bảo vệ một cách hợp lý là: khí hậu, mực nước, gió, sóng, quá trình thay đổi bờ biển (sự vận chuyển bùn cát), các số liệu về địa kỹ thuật, các rào cản xây dựng

Trước kia, việc lựa chọn kết cấu bảo vệ đê biển chỉ dựa vào kinh nghiệm hay mục đích sử dụng của địa phương, các thiết kế thường không thích hợp

Ngày nay thì việc lựa chọn kết cấu bảo vệ đê biển được dựa trên nền tảng khoa học vững vàng hơn, có nhiều kinh nghiệm hơn Dù vậy thì các giải pháp đưa ra cần được kiểm tra trên mô hình vì không có một quy tắc thiết kế chung nào cho tất cả các giải pháp khác nhau và tình huống khác nhau

Về mặt kết cấu quan trọng nhất là tính ổn định của lớp bề mặt, nền móng kiên

cố để giảm sự xâm thực và bảo vệ chân tường Tất cả những điều này lại có khả năng dẫn đến sự hỏng hóc của cấu trúc bờ biển (Chất tải nặng lên nền thì nền có thể

bị phá hủy ) Vì vậy để có được một kết cẩu bảo vệ mái hợp lý cần tuân thủ các

bước sau:

a Xây dựng các yêu cầu mang tính chức năng

b Chuẩn bị các giải pháp thay thế

c Chọn một phương án khả thi

d Xác định mực nước thiết kế

e Xác định chiều cao sóng và dòng hải lưu nếu có

f Xây dựng cấu trúc hình học phù hợp

g Xem xét lại các cơ chế lỗi có thể xảy ra

h Xác định các phương án và kích thước của cấu kiện bê tông cốt thép

i Thiết kế tầng lọc và vải lọc

j Xác định đỉnh sóng có thể

k Xác định lưu lượng tràn

l Tìm các thiết bị phù hợp để bảo vệ lớp mặt

m Kiểm tra thiết kế

n Lập dự toán cho các phương án

o Lựa chọn phương án cuối cùng

p Chuẩn bị chi tiết vật liệu và lập tiến độ thi công

2.1.2 Các tính phương pháp thiết kế và thi công lớp bảo vệ mái

Các vật liệu bảo vệ mái thường được phân ra như sau:

- Vật liệu tự nhiên (cát, đất sét và cỏ)

- Đá lát khan, đá xây

- Khối bê tông tại chỗ, bê tông lắp ghép theo block hoặc tấm

- Bê tông và Bê tông nhựa đường

Độ bền của các phương pháp bảo vệ trên được bắt nguồn từ lực ma sát, lực cố kết, trọng lượng của từng đơn vị, sức bền kết cấu

Điểm không ổn định của mái dốc thường xuất hiện ở những điểm ứng với chân sóng, nơi có áp lực đẩy nổi lớn hơn và xảy ra ngay trước khi có sóng tiếp theo

Sự không ổn định thường xảy ra do sự kết hợp giữa lực đẩy nổi với lực va chạm ngay sau khi sóng tan

a Phương pháp bảo vệ bằng vật liệu tự nhiên:

Từ lâu đời, đất được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng dẻ tiền và sẵn có Tuy vậy đặc trưng cơ học của nó kém, đặc biệt là không chịu được kéo, dễ bị cuốn trôi Khắc phục nhược điểm này của đất, người ta đã biết cách trồng cỏ trên mái dốc

để tăng độ liên kết của đất, giữ đất không bị cuốn trôi Việc thi công kết cấu này cũng rất đơn giản và có thể tiến hành bằng máy hoặc thủ công

Bảo vệ mái bằng vật liệu tự nhiên như là đất, cát kết hợp trồng cỏ có thể nói là cách làm cổ điển nhất và chủ yếu dựa vào kinh nghiệm

b Phương pháp bảo vệ bằng đá hộc lát khan:

Ở phương pháp này đá hộc được dùng để lát lên mái dốc, trực tiếp tiếp xúc với sóng biển Tính ổn định của đá được cải thiện đáng kể khi người ta biết cách tạo tầng lọc ngược để giữ đất: trước khi lát đá hộc, người ta đắp một lớp cát mỏng, một lớp dăm đệm lên mái rồi sau đó mới lát đá hộc

√ Tính toán lớp bảo vệ bằng đá hộc lát khan:

- Trọng lượng ổn định của khối phủ mái đê chịu tác dụng của sóng, gió thiết

kế theo công thức Hudson:

αγ

γ

γ

g K

H G

n

d d

S d

cot ) 1

G: Trọng lượng tối thiểu của khối phủ mái nghiêng (T)

HR S R: Chiều cao sóng thiết kế (m)

γR d R: Trọng lượng riêng của vật liệu khối phủ (T/mP

3 P

)

γR n R: Trọng lượng riêng của nước biển(T/mP

3 P

) α: Góc nghiêng của mái kè cotgα = m

KR d R: Hệ số ổn định phụ thuộc hình dạng, độ nhám vật liệu và cách thức ghép đặt

Bảng 2.1: Hệ số KRDRphụ thuộc vào hình dạng khối phủ

266,0

S

S S

L m

H d

γγ

γR d R, γ, HR S R, m: như giải thích ở trên

Công thức Hudson đơn giản, tuy nhiên chỉ phù hợp với dạng công trình chắn sóng làm bằng đá cho phép nước tràn qua và khả năng thấm cao

c Phương pháp bảo vệ bằng tấm lát bê tông:

Khác với phương pháp dùng đá hộc, người ta dùng tấm lát bê tông để lát lên mái dốc, trực tiếp tiếp xúc với sóng biển Ưu điểm của của phương pháp này là tấm lát bê tông có thể tính toán thiết kế với kích thước lớn tùy ý nên tăng độ ổn định Tuy nhiên nhược điểm là khả năng chống xâm thực của bê tông không tốt như đá vì vậy phải dùng mác cao, tốn kém hơn so với dùng đá

√ Tính toán lớp bảo vệ bằng tấm bê tông:

- Trọng lượng tấm cũng tính toán tương tự như với đá hộc

- Chiều dày tấm lát có thể tính theo các công thức khác nhau:

* Theo công thức trong quy phạm thiết kế đê Trung Quốc:

d=

m L

L H

n

t s b

s

.

.

γγ

γ

− (2.3)

Trong đó:

n : hệ số phụ thuộc bề mặt mái

d: Chiều dày cấu kiện bê tông (m)

LR t R: chiều dài cạnh cấu kiện bê tông theo phương vuông góc với đường mép nước

γR b R: Trọng lượng riêng của vật liệu khối phủ (T/mP

3 P

)

γ, HR S R, LR S R, m: như giải thích ở trên

* Theo theo công thức Pilarczyk, KW của Hà Lan:

.ξγ

γγ

φ× d −

S H

tgα: Hệ số sóng vỡ (2.5) Chiều dày tấm lát tính theo 3 phương pháp trên được thể hiện bằng sơ đồ trên hình 2.1

Quan hệ Hs~d với 3 phương pháp

Hudson

QP Trung Quốc Pilarczyk

Hình 2.1: Quan hệ Hs∼d theo các phương pháp tính khác nhau

Từ đồ thị trên có thể thấy rằng, chiều dày tấm lát bê tông khi tính theo công thức Pilarczyk sẽ lớn hơn khi tính theo công thức Trung Quốc (công thức Hudson tính chiều dày đá hộc lát khan)

2.2 G iải pháp neo giữ

Từ trước đến nay, các tính toán thiết kế đê biển chỉ đề cập đến sự ổn định của tấm lát mái đê biển nhờ trọng lượng bản thân của nó Gần đây, các thiết kế đã đề cập đến hình dạng tấm lát mái và các kiểu liên kết ở cạnh của từng tấm lát mái Tuy nhiên dưới tác dụng của sóng biển ngày một lớn, vẫn xảy ra phá huỷ cục bộ từng tấm lát dẫn đến phá huỷ cả mảng và xảy ra vỡ đê

Vì vậy, cần thiết phải có giải pháp mới là dùng neo giữ tấm lát mái kết hợp

trọng lượng bản thân và liên kết mảng sẵn có của nó tạo ra một liên kết mới có độ bền vững cao hơn hiện tại

Hình 2.2: Tấm lát có liên kết

Hình 2.3: Tấm lát mái bị phá hủy do sóng biển

Mục đích của bố trí neo là tăng thêm ổn định cho các tấm lát mái và hạn chế chuyển vị của cả mảng gia cố dưới tác dụng của sóng và áp lực nước lỗ rỗng trong

thân đê Để đạt được mục đích trên, neo gia cố các tấm lát mái là bố trí thêm các neo cắm vào đất để giữ cho các tấm lát mái ổn định hơn

Có nhiều loại neo, tuy nhiên trong phạm vi của luận văn tác giả chỉ đề cập đến một loại neo như trình bày dưới đây:

2.2.1 Neo vải Địa kỹ thuật

Hình 2.4: N eo vải địa kỹ thuật gia cố

(1): Mũi neo, (2) Dây neo, (3) Chốt liên kết với tấm lát mái

1 Mũi neo: Mũi neo bằng tấm vải địa kỹ thuật Mũi neo được liên kết với các tấm gia cố mái bằng dây neo

2 Dây neo: Dây neo dùng để liên kết mũi neo với tấm lát mái Với môi trường

ăn mòn của nước biển mặn, dây neo bằng nhựa mềm

3 Chốt liên kết với tấm lát mái

Để liên kết dây neo với tấm lát mái, phải bố trí lỗ neo trên tấm lát mái, lỗ neo

có đường kính khoảng 5-7 cm, có bố trí một thanh thép Φ6 hoặc Φ8 chốt ngang, thanh thép này vừa dùng để vận chuyển tấm lát mái vừa dùng để chốt dây neo Sau khi chốt dây neo xong, dùng vữa xi măng lấp kín lỗ neo

Với cách bố trí này thì, vùng ảnh hưởng của một neo là 3 loại tấm lát:

+ Tấm lát số 1 (1 tấm nguyên): chịu ảnh hưởng của lực neo nhiều nhất

+ Tấm lát số 2 (2 nửa): chịu ảnh hưởng của lực neo nhiều thứ hai

+ Tấm lát số 3 (4 nửa): chịu ảnh hưởng của lực neo ít nhất

neo l b

A: diện tích phần neo (A=b*lR neo R)

Lập được quan hệ giữa cường độ chống kéo τR kéo Rvới áp suất σ theo đồ hình 2.6

Như vậy, để xác định lực neo Ti của từng lớp vải ta làm như sau:

- Tính áp suất của đất tại mỗi lớp vải

- Xác định cường độ chịu kéo theo biểu đồ

- Tính lực kéo theo công thức

Trong khuôn khổ luận văn, lấy τ = σtagϕ

2.3 Các lựa chọn tính toán ổn định neo

Trong phần này, tác giả đề cập đến sự ổn định của tấm lát khi không kể đến neo (chưa có neo) và có neo tập trung vào trọng lượng của tấm Còn chiều dày tấm thì vẫn phải đảm bảo theo công thức Pilarczyk ở trên

Nếu như khi chưa có neo, tính toán ổn định của tấm lát đồng nghĩa với việc tính trọng lượng tối thiểu của tấm thì khi có neo, tính toán ổn định có thể là tính trọng lượng, tính hệ số ổn định tăng thêm hoặc là tính chiều cao sóng (trường hợp cao hơn sóng thiết kế của đoạn đê)

2.3.1 Tính toán trọng lượng tấm lát khi chưa có neo

Để tính toán trọng lượng tấm lát trong khuôn khổ luận văn tác giả sử dụng công thức Hudson (2.1)

Tính toán ổn định theo phương pháp này chính là việc lựa chọn được trọng lượng tấm lát (G) đủ lớn để chống lại áp lực sóng có chiều cao Hs gây ra

Bảng 2.2: Tính toán trọng lượng tấm lát khi chưa có neo

(Hs, cotgα, Kd: chiều cao sóng, hệ số mái nghiêng và hệ số ổn định: giả thiết)

2.3.2 Tính toán trọng lượng tấm lát khi có neo

Khi có neo, sự ổn định của tấm lát sẽ bao gồm trọng lượng bản thân tấm (GR 1 R)

và lực neo (T) đảm nhiệm

Với chiều cao sóng Hs không đổi, trọng lượng tấm lát sẽ giảm đi khi có neo

Cụ thể là:

GR 1 R=G-T (2.9) Trong đó:

GR 1 R: Trọng lượng của khối phủ mái nghiêng khi có neo

G: Trọng lượng tối thiểu của khối phủ mái nghiêng khi không có neo

T: lực neo của một tấm lát

Bảng 2.3: Tính toán lực neo

LRneoR (m) γRđđR

(KN/m3) h (m) σ (KN/m2) τ (KN/m) (KN) T’ n

T (KN)

2.3.3 Tính toán hệ số ổn định tăng thêm của tấm lát khi có neo

Cũng với chiều cao sóng Hs không đổi, trọng lượng tấm lát G cũng không đổi thì khi kể thêm lực neo T hệ số ổn định của tấm lát sẽ tăng thêm Fs lần Cụ thể:

G

T G

Bảng 2.5: Tính toán hệ số ổn định tăng thêm của tấm lát khi có neo

2.3.4 Tính toán chiều cao sóng mà tấm lát chịu được khi có neo

Nhược điểm của cách tính ổn định chỉ dựa vào trọng lượng bản thân của cấu kiện là khi gặp sóng lớn hơn thiết kế (Hs’>Hs) thì cấu kiện đó sẽ không chịu được Nhưng khi có neo, tấm lát sẽ chịu được chiều cao sóng Hs’ tính theo công thức 2.12 dưới đây

αγ

γ γ

g K

H G

n

d d

S d

cot)1

*cot)1(

d d S

G g K

H

γ

αγ

γ

(2.11)

αγ

γ γ

g K

H T

G

n

d d

S d

cot ) 1

)(

*cot)1('

d d S

T G g K

H

γ

αγ

γ

(2.12)

Trong đó:

Hs: chiều cao sóng mà tấm lát chịu được khi không có neo

Hs’: chiều cao sóng mà tấm lát chịu được khi có neo

Bảng 2.6: Tính toán chiều cao sóng mà tấm lát chịu được khi có neo

Quan hệ giữa chiều dài neo vải và chiều cao sóng mà tấm lát có G=1,42 KN

có thể chịu được theo biểu đồ hình 2.7

- Với những vùng biển có sóng lớn, cần thiết phải tăng chiều dài neo vải để

giảm đáng kể trọng lượng tấm lát Như trường hợp 3a và 3b: khi tăng thêm 2m chiều dài neo, trọng lượng tấm lát từ chỗ đạt giá trị lớn nhất (87%) đã giảm về giá trị trung bình (75%)

- Hệ số ổn định tăng thêm cũng có tính chất tương tự như trọng lượng tấm lát

- Với việc tăng chiều dài neo vải, tấm lát có thể chịu được những con sóng có chiều cao tăng theo Từ chiều cao sóng, tính toán được cấp gió bão + chiều cường

mà tấm lát có thể chịu được

2.4 Tính toán ổn định đê khi có neo

Khi có neo vải địa kỹ thuật, không chỉ tăng ổn định của cấu kiện lát mái mà điều đặc biệt là sự ổn định tổng thể của mái cũng được tăng theo Vì sao? Tại vì vải địa kỹ thuật lúc này đóng vai trò như là “cốt đất”

Vì vai trò đặc biệt của vải địa kỹ thuật như đã nêu, việc bố trí vải có thể nói là

”một công đôi việc" Và để tính toán ổn định của đê khi có vải tác giả sử dụng phần mềm Geo-slope

2.4.1 Giới thiệu phần mềm Geo-slope

Trong phần ứng dụng tính toán cho công trình, tác giả sử dụng phần mềm GEO-SLOPE để tính toán kiểm tra ổn định cho đê Hà Nam GEO - SLOPE là một

bộ chương trình để giải các bài toán Địa kỹ thuật, do Công ty GEO - SLOPE International Ltd của Canada sản xuất Cho đến thời điểm hiện nay, bộ chương trình này đã được hơn 100 nước trên thế giới sử dụng và được đánh giá là bộ chương trình mạnh nhất, kết quả tính toán có độ tin cậy cao, nó gồm 8 MODUL sau:

MODUL 1 (SEEP/W) : Phân tích thấm

MODUL 2 (SIGMA/W) : Phân tích ứng suất - biến dạng

MODUL 3 (SLOPE/W) : Phân tích ổn định mái dốc

MODUL 4 (CTRAN/W) : Phân tích vận chuyển vật ô nhiễm

MODUL 5 (TEMP/W) : Phân tích địa nhiệt

MODUL 6 (QUAKE/W) : Bài toán động đất phân tích đồng thời dựa trên

2.4.2 Sơ lược về lý thuyết của modul SEEP/W

Modul SEEP/W được thiết lập theo phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán cho dòng thấm trong đới bão hoà và không bão hoà Phần khác nhau chính của dòng thấm trong đới bão hoà và không bão hoà là ở chỗ, trong đới bão hòa thì hệ số thấm là hằng số, trong đới không bão hoà thì hệ số thấm thay đổi rất lớn theo sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng Sự thay đổi của hệ số thấm khi áp lực nước lỗ rỗng thay đổi làm cho các phương trình trong phương pháp phần tử hữu hạn trở nên không tuyến tính

Sự thay đổi dung lượng thể tích nước trong một đơn vị phần tử tại một điểm trong không gian chính bằng hiệu lưu lượng nước chảy vào và chảy ra và được biểu diễn bằng phương trình vi phân sau:

t

hm

Qy

hkx

hk

∂γ

=+

+ mR w R: độ dốc của đường cong đặc trưng đất - nước;

+ γw: dung trọng của nước;

Ở trạng thái ổn định, lượng nước chảy vào bằng lượng nước chảy ra và phương trình trên trở thành

0

= +

h k x

h k

Sau khi xác định được véc tơ thuỷ lực nút, có thể tính Gradient, vận tốc dòng chảy và lưu lượng dòng thấm qua một mặt cắt theo phương ngang

2.4 3 Sơ lược về lý thuyết của modul SOPE/W

Modul SLOPE/W được thiết lập theo phương pháp cân bằng giới hạn của từng thỏi Áp lực nước lỗ rỗng đã được đưa trực tiếp vào trong quá trình tính ổn định trượt từ chương trình Seep/W theo phương pháp phần tử hữu hạn Dùng phương pháp Bishop để tính ổn định, phương pháp này thoả mãn cân bằng moment

Phương trình tính toán cho phương pháp Bishop:

α

ϕαβα

β

α

sin

1]

)

cos (cos

w

m tg u

w C

K at

∑

−+

∑

Trong đó: mα = cosα + (sinα.tgϕ')/Kat

C': lực dính đơn vị ; ϕ': góc nội ma sát

u : áp lực nước kẽ rỗng ; w: trọng lượng của dải đất tính toán

β : chiều dài đáy dải

α: góc giữa tiếp tuyến đáy mỗi dải và phương nằm ngang

2.5 Kết luận chương 2

Cùng với sự phát triển của con người và xã hội, môi trường ngày càng phải chịu nhiều tác động bất lợi, điển hình là hiện tượng nóng lên của trái đất, hiện tượng sóng thần, hay nước biển dâng Điều đó đòi hỏi các công trình xây dựng ngày nay phải được gia tăng điều kiện an toàn, và đê biển cũng vậy

Ở nước ta, các tuyến đê biển mới chỉ chống lại được gió bão lớn nhất là cấp 12 (vì những nguyên nhân như điều kiện kinh tế khó khăn, các tiêu chuẩn thiết kế chưa theo kịp tình hình biển đổi của khí hậu toàn cầu ) điều đó thúc đẩy các nhà khoa học phải nghiên cứu tìm ra giải pháp thiết kế nhằm tăng cường tính ổn định cho đê biển nói chung và tấm lát bảo vệ mái thượng lưu của đê nói riêng

Từ yêu cầu thực tế đó, các giải pháp neo giữ được tác giả đưa ra và tập trung vào giải pháp neo bằng vải địa kỹ thuật Khi có vải địa kỹ thuật, một mặt nó sẽ kết hợp với các bộ phận khác hình thành nên các neo để giữ ổn định cục bộ cho các tấm lát, mặt khác vải cũng sẽ tăng cường ổn định tổng thể cho mái đê và thân đê

CHƯƠNG 3

ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO TẤM LÁT BẢO VỆ MÁI

ĐÊ BIỂN HÀ NAM - TỈNH QUẢNG NINH

3.1 Gi ới thiệu chung về công trình

3.1 1 Vị trí địa lý, điều kiện địa hình địa mạo

Hình 3.1: Bản đồ vị trí công trình đê biển Hà Nam