nghiên cứu sự ổn định của công trình bảo vệ bờ biển do ảnh hưởng của tải trọng động

Đáng chú ý rằng, một số công trình bảo vệ bờ biển hiện nay chưa là một chỉnh thể đồng bộ, bền vững: bởi vì nhiều vị trí bờ biển chưa có kè bảo vệ nên nguy cơ sạt mái phía biển rất lớn, m

L ỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện dưới sự giúp đỡ chỉ bảo nhiệt tình

của giáo viên hướng dẫn và các thầy cô giáo, tác giả đã hoàn thành luận văn tốt

hưởng của tải trọng động”

Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn đến thầy hướng dẫn – PGS TS Nguyễn Hồng Nam đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

kiến thức cho tôi Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn tới Ban Giám Hiệu phòng Đào

tạo Đại học và sau Đại học – Trường Đại Học Thủy Lợi đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Nam nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và tinh thần giúp tôi hoàn thành luận văn này

Với trình độ hiểu biết và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế đồng thời đối tượng nghiên cứu là một công trình bảo vệ bờ biển nơi mà diễn biến thủy động lực

phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến công trình nên nội dung của luận văn này không tránh khỏi những sai sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến

của các thầy cô giáo và của các quí vị quan tâm

Hà N ội, tháng 2 năm 2012

DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG 42

Hình 1.3 Sơ đồ sóng bình thường vỗ vào bờ biển (Lương Phương Hậu và nnk,

“Công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo”,NXB Xây dựng 2001, 87tr) 18

trình bảo vệ bờ biển và hải đảo”,NXB Xây dựng 2001, 87tr)U 18

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)U 26

2TU

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)U 27

2TU

Hình 1.9 Mặt cắt ngang đê biển dạng hỗn hợp (một phần đứng, một phần nghiêng)U

28

2TU

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)U 29

2TU

thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)U 30

2TU

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)U 31

2TU

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)U 32

2TU

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)U 33

MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của Đề tài

Phân tích ổn định công trình là một yêu cầu bắt buộc, có ý nghĩa đặc biệt trong thiết kế và xây dựng công trình, đặc biệt đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu

Các đồng bằng châu thổ và ven biển nước ta có diện tích khá lớn Tại đó, trầm tích bở rời tuổi đệ tứ chiếm diện tích đáng kể, nhiều nơi chiều dày lớn nên khả năng tiềm ẩn về mất ổn định về cường độ và biến dạng là khá lớn

Như vậy có thể thấy rằng rất nhiều công trình bờ biển nước ta đã và đang được xây dựng trên nền đất yếu Ngoài tác dụng của các tải trọng tĩnh thường xuyên, các công trình này còn thường xuyên chịu ảnh hưởng của các tải trọng động (thay đổi theo thời gian) như sóng, dòng chảy và mực nước Ngoài ra, ảnh hưởng của động đất không thể bỏ qua khi thiết kế công trình đê, kè biển

Hậu quả kép tàn khốc của trận động đất mạnh 9 độ Richter tại Nhật Bản ngày 11 tháng 3 năm 2011 vừa qua là bài học cảnh tỉnh cho con người về tác hại khủng khiếp của động đất và sóng thần đối với công trình đê, kè biển

Tuy nhiên, ở nước ta, nghiên cứu sự ổn định công trình đê, kè biển dưới tác dụng của tải trọng động hiện nay còn rất hạn chế

Đáng chú ý rằng, một số công trình bảo vệ bờ biển hiện nay chưa là một chỉnh thể đồng bộ, bền vững: bởi vì nhiều vị trí bờ biển chưa có kè bảo vệ nên nguy

cơ sạt mái phía biển rất lớn, một số vùng biển tiến dù đã có kè mái phía biển nhưng chưa có biện pháp bảo vệ bãi nên khả năng mất ổn định chân kè khi bãi bị bào mòn

hạ thấp, mặt đê dễ xói lở, sình lầy khi mưa bão, sóng to, thân đê đắp bằng đất cát pha (có nơi bằng cát) nên rất dễ xói mòn

Các ảnh hưởng của sóng có thể kể đến đó là xói chân công trình, phá hoại mái bảo vệ, tràn đỉnh gây xói phần trên và mái trong…

Các ảnh hưởng của động đất có thể là tác động xô ngang gây trượt – lật, hóa lỏng đất đắp và nền, chuyển vị dư lớn, gây lún…nhất là đối với công trình bờ biển được xây dựng trên nền đất cát rời bão hòa nước

Việt Nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu Một trong những ảnh hưởng được kể đến đó là vấn đề mực nước biển dâng

Các kịch bản nước biển dâng cho Việt Nam được tính toán theo các kịch bản phát thải khí nhà kính (Bảng 1)

Bảng 1 Dự báo mực nước biển dâng giai đoạn 2020-2100 (Nguồn: Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam – Bộ TN&MT)

Mực nước biển dâng (cm) so với thời kỳ 1980 -1999

Ngoài ra phải kể đến yếu tố rất quan trọng mà ít được nhắc đến đối với nghiên cứu công trình bờ biển ở nước ta, đó là áp lực tăng thêm của nước khi có động đất, hiện tượng hóa lỏng nền do động đất gây mất ổn định, lún sụt công trình nghiêm trọng

2 M ục đích của Đề tài

Nghiên cứu sự ổn định của công trình đê, kè biển dưới tác dụng của tải trọng động (sóng và động đất)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tải trọng sóng đối với đê biển mái nghiêng

- Phân tích ổn định công trình đê biển mái nghiêng dưới ảnh hưởng của tải

trọng sóng, động đất

4 Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, phân tích, tổng hợp tài liệu liên quan

- Nghiên cứu lý thuyết động lực học ven biển

- Nghiên cứu lý thuyết động đất, hóa lỏng

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định công trình dưới tác dụng của tải trọng động

biến dạng, cố kết, ổn định của công trình kè biển chịu tải trọng động

- Phân tích, đánh giá kết quả và rút ra nhận xét

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH ĐÊ KÈ BIỂN

1.1 Khái quát chung

đất nước từ Quảng Ninh đến Kiên Giang Dọc bờ biển nước ta có một số trung tâm

đô thị lớn, có trên 100 điểm có thể xây dựng cảng, trong đó có nơi có thể xây dựng

cảng trung chuyển quốc tế; nhiều đảo có tiềm năng phát triển kinh tế cao Nước ta

có hơn 125 bãi biển lớn, nhỏ có cảnh quan đẹp, trong đó có 20 bãi biển đủ tiêu chuẩn quốc tế để phát triển các loại hình du lịch biển (hiện nay chúng ta mới chỉ khai thác chừng 30 bãi biển vào mục đích nghỉ mát, du lịch) Trong tương lại, nước

ta sẽ có những trung tâm du lịch – nghỉ dưỡng biển lớn và hiện đại tầm cỡ quốc tế

Vùng ven biển nước ta có dân cư khá đông đúc, nguồn lao động khá dồi dào

với 25 triệu dân, bằng 31% dân số cả nước và khoảng 13 triệu lao động (năm 2005)

triệu lao động; năm 2020 dân số khoảng 30 triệu người với 19 triệu lao động

Trên vùng ven biển đã hình thành 3 vùng kinh tế trọng điểm, gần 30 khu chế

xuất, khu công nghiệp, hệ thống hơn 80 cảng biến lớn nhỏ với tổng năng lực hoàng hóa thông qua gần 100 triệu tấn/ năm Vùng biển và ven biển có đóng góp lớn vào

xuất khẩu, thu ngoại tê

Tại hội nghị lần thứ tư ban chấp hình trung ương đã thông qua chiến lược

với mục tiêu cương lĩnh của Đảng và Nghị quyết Đại hội Đảng IX, X đã xác định: đến năm 2020 đưa nước ta cơ bản trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại

Việc xây dựng và triển khai thực hiện Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với sự nghiệp xây dụng và bảo vệ Tổ quốc trong thời

Song hành với sự phát triển đó có thể thấy rằng việc 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 phụ vụ cho việc phát triển kinh tế xã hội của đất nước thì việc bảo vệ bờ

biển trở thành yêu cầu cấp thiết

Đặc biệt chú ý rằng địa hình tự nhiên của dải bờ biển nước ta tương đối thấp

và trũng, lại thường xuyên chịu tác động bởi các yếu tố bất lợi của sóng, thủy triều, bão, nước dâng…nên tình hình xói lờ tuyến bờ biển và phá hoại hệ thống đê, kè

biễn diễn ra rất phức tạp

từ phía biển và tránh tối đa những thiệt hai cho đường bờ và vùng bờ dưới những tác động đó Sự can thiệp trong phạm vi này có thể theo hai hướng tiếp cận khác nhau: chủ động và bị động Theo hướng chủ động, nghĩa là tác động trực tiếp vào nguyên nhân hình thành các tác động bất lợi (hướng này thì quá khó) Hướng sau, dùng các giải pháp hoặc kỹ thuật nào đó trang bị cho vùng bờ đảm bảo không xảy ra

hậu quả khi gặp các tác động bất lợi từ phía biển tương ứng với các mức độ bất lợi khác nhau (hướng này hiện tại là chủ đạo), thông thường thực hiện bằng cách thiết

kế các giải pháp bảo vệ bờ dựa theo tần suất xuất hiện của tải trọng và các điều kiện

bất lợi Hướng thứ ba có thể dễ dàng hình thành bằng việc kết hợp hai hướng trên

1.2 Các dạng phá hoại đối với bờ biển

Bờ biển tự nhiên và các công trình bảo vệ bờ biển chịu nhiều tác động có thể

hoại bờ biển có thể khái quát chung đó là dạng phá hoại do các tác động tự nhiên và

dạng phá hoại do tác động của con người

1.2.1 Các d ạng phá hoại bờ biển dưới tác động tự nhiên

Các tác động tự nhiên bao gồm: Tác động của gió - bão, thuỷ triều, dòng chảy ven bờ, sóng, dòng thấm, các vật nổi, lún, tác dụng hoá học và điện phân của môi trường nước mặn, tác dụng của các sinh vật

1.2.1.1 Tác động của gió, bão

Gió là sản phẩm của các quá trình khí tượng Các tác động của gió tạo ra có thể bao gồm sóng, nước dâng, gió thổi làm bay cát khô và đưa cát từ ngoài bãi biển tràn vào đất liền…

Các tác động của bão có thể bao gồm sự phá hỏng các kết cấu công trình chắn gió, tác động gây sóng lớn làm biến đổi đường bờ, phá hoại các kết cấu bảo vệ

bờ biển

Hình 1.1 Hình ảnh một cơn bão đổ bộ từ Biển Đông vào miền Trung nước ta

1.2.1.2 Tác động của mực nước thuỷ triều và hơi nước biển mặn

Tác động của mực nước thủy triều và hơi nước biển mặn có thể gây ra các ảnh hưởng bào mòn kết cấu dưới tác dụng của dòng chảy, sóng, hay gây ra các hiện tượng bào mòn bởi các hiện tượng hóa học, phản ứng điện hóa trao đổi ion Các hiện tượng kể đến thường xảy ra mạnh mẽ trong phạm vi mực nước biển dao dộng, kết cấu bị nhúng ướt phơi khô lặp đi lặp lại thường xuyên

Các kết cấu thép, kết cấu bê tông trên khô cũng han rỉ, bong rộp với tốc độ mạnh mẽ khi bị hơi nước biển mặn tác dụng

a Bong rộp bê tông b Han rỉ cửa van

Hình 1.2 Bong rộp bê tông và han rỉ cửa van do nước biển mặn

1.2.1.3 Tác động của dòng chảy ven bờ

Dòng chảy ven bờ sau khi sóng vỡ đóng vai trò chính để tải bùn cát đã được sóng 'bứt' ra khỏi bờ và đáỵ Trạng thái và các yếu tố đặc trưng động học và động lực học của dòng chảy ven bờ phụ thuộc vào dòng chảy từ xa bờ và hướng sóng truyền tới, phụ thuộc vào địa hình đáy bãi và phụ thuộc vào thời gian Dòng chảy ven bờ có thể chuyển động theo phương song song với đường bờ, nhưng cũng có thể chuyển động theo hướng từ phía bờ ra biển gọi là dòng chảy rút ra xa bờ Hoạt động của dòng chảy ven bờ có thể đưa đến điều kiện thuận lợi để gây bồi, hoặc cũng có thể gây xói lở bờ, bãi và đáy biển

1.2.1.4 Tác động của sóng

Sóng biển gây ra các tác động mạnh có thể gây ra xói lở bờ, bãi và đáy biển, cũng như có thể làm mất ổn định và phá vỡ các kết cấu công trình bảo vệ bờ, bãi và đáy biển

Thông thường, có hai trạng thái sóng đặc trưng, đó là sóng bình thường và sóng lớn

Hình 1.3 là sơ đồ thể hiển sóng bình thường hàng ngày tác dụng vào bờ và bãi biển Mái dốc của bờ và bãi biển ở trạng thái cân bằng ổn định trong điều kiện sóng và dòng chảy bình thường

Hình 1.3 Sơ đồ sóng bình thường vỗ vào bờ biển (Lương Phương Hậu và nnk,

“Công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo”,NXB Xây dựng 2001, 87tr)

Hình 1.4 là sơ đồ thể hiện sóng lớn khi có gió bão tác dụng vào bờ và bãi biển; mái dốc của bờ và bãi biển bị xói lở và lấp xuống chân mái dốc của bãi biển;

bờ và bãi biển đang ở trạng thái mất ổn định

Hình 1.4 Sơ đồ sóng lớn gây xói lở bờ biển (Lương Phương Hậu và nnk, “Công

trình bảo vệ bờ biển và hải đảo”,NXB Xây dựng 2001, 87tr)

1.2.1.5 Các tác động hoá học

Hàm lượng muối hoà tan trong nước biển vào khoảng 34 đến 35 gam/lít Loại muối NaCl chiếm tỷ lệ lớn nhất, khoảng 77-79%, tiếp đến là MgCl chiếm

10,5-10,9%, MgSOR 4 Rchiếm 4,8%, CaSOR 4 Rchiếm 3,4-3,6% và một số loại muối khác Các loại muối trên có thể gây ra các phản ứng hoá học với khoáng chất, các loại vật liệu đá, bê tông, bê tông cốt thép, kết cấu thép Hậu quả là các loại vật liệu trên có thể bị ăn mòn hoá học

Nhưng xung lực của sóng có thể nhanh chóng phá hoại từng phần, thậm chí làm sụp

đổ bờ và các kết cấu công trình bảo vệ nó

Hình 1.6 là ảnh chụp bờ biển đã bị xói lở hàng trăm mét, đến nay biển đã lấn đến sát tháp chuông của nhà thờ ở Hải Hậu, Nam Định; đê chính đã phải lùi vào sâu phía trong đồng

Hình 1.6 Xói lở bờ biển Hải Hậu-Nam Định

1.2.2 Các dạng phá hoại bờ biển dưới tác động của hoạt động nhân tạo

Các hoạt động xây dựng hồ chứa nước ở thượng nguồn, làm đập ngăn sông khai hoang lấn biển, khai thác sa khoáng, vật liệu xây dựng, chặt phá rừng ngập mặn v.v diễn ra khá nhiều nơi, mang tính chất phổ biến, không chỉ gây ra xói lở

bờ biển có cục bộ tính chất cục bộ, mà còn có thể gây ra xói lở nghiêm trọng với qui

mô lớn

1.2.2.1 Tác động tiêu cực của hồ chứa và đập ngăn sông

Việc xây dựng các hồ chứa nước ở thượng nguồn, các đập ngăn sông, làm lắng đọng bùn cát trong hồ, dẫn đến làm giảm lượng bùn cát vận tải ra biển, do đó làm giảm bãi bồi phù sa ở các cửa sông Lượng bùn cát ra biển bị giảm dẫn đến vận

tải bùn cát của các dòng ven bờ bị thiếu hụt mất cân bằng, gây nên xói lở bờ biển với mức độ ngày càng gia tăng

1.2.2.2 Các tá c động tiêu cực từ việc khai thác cát sỏi, khoáng sản

Khai thác cát sỏi, khoáng sản làm giảm lượng bùn cát cung cấp cho biển gây nên xói lở bờ biển Ví dụ: bờ biển Hàm Thuận tỉnh Bình Thuận từ lâu không bị xói

lở, nhưng từ năm 1983 trở lại đây, do khai thác cát đen và titan, bờ biển đã bị xói lở mạnh Ở Đồng Châu tỉnh Thái Bình do khai thác cát làm vật liệu xây dựng cũng đã gây ra xói lở bờ biển Điều này ảnh hưởng mạnh đến sự ổn định của công trình bảo

vệ bờ biển

1.2.2.3 Các tác động tiêu cực do phá rừng ngập mặn và cây chắn cát ven biển

Rừng ngập mặn có vai trò đặc biệt để giảm vận tốc dòng chảy ven bờ, gây bồi và chắn sóng để bảo vệ bờ biển Cây cối ở các cồn cát ven biển các tỉnh miền Trung để chắn gió và chắn cát giữ cho bờ cát ổn định, chống bồi lấp cát vào làng mạc và đồng ruộng

Hậu qủa của việc phá rừng ngập mặn và rừng chắn gió ven biển đã gây hiện tượng xói lở bờ biển các xã Hải Lĩnh (Tĩnh Gia, Thanh Hoá), Nghị Yên (Nghi Lộc, Nghệ An), Thanh Trạch (Quảng Trạch, Quảng Bình), Bình Phú (Bình Sơn, Quảng Nam), Cẩn Trạch (Duyên Hải, thành phố Hồ Chí Minh), Nguyễn Huân (Đầm Dơi, Minh Hải)

1.2.2.4 Các tác động tiêu cực do khai hoang lấn biển

Quai đê lấn biển thiếu cơ sở khọa học dễ dẫn đến phá vỡ trạng thái cân bằng của bờ biển tương ứng với lượng vận tải bùn cát của khu vực Nhiều đoạn bờ trước khi có công trình lấn biển đang ở trạng thái ổn định, trở nên bị xói lở sau khi có các công trình quai đê lấn biển Theo kết quả phiếu điều tra bờ biển Thái Thụy, Thái Bình đang bị xói lở mạnh do ảnh hưởng của quai đê lấn biển của huyện Tiền Hải

Bờ biển Giao Long, huyện Giao Thuỷ tỉnh Nam Định bị xói lở do quai đê lấn biển ở Bạch Long Bờ biển Nhơn Bình, Nhơn Hải, thành phố Quy Nhơn bị xói lở sau khi

quai đê thứ hai và khoanh đìa nuôi hải sản Bờ biển Xuân Hoà, Sông Cầu tỉnh Phú Yên và Hiệp Trạch thuộc tỉnh Trà Vinh cũng bị xói lở sau khi quai đê lấn biển

1.2.2.5 Ảnh hưởng của hệ thống kênh và cống tiêu

Tác động tiêu cực của hệ thống kênh cống tiêu úng ra biển đối tuy không gây xói lở qui mô lớn, nhưng cũng rất cần phải chú ý Thực tiễn cho thấy, khi mở cửa sông Hoàng và sông Lý (huyện Quảng Xương, Thanh Hoá) đổ vào hạ lưu sông Yên thì bờ biển Hải Châu (Tĩnh Gia, Thanh Hoá) bờ biển bị xói lở mà trước đó nhiều năm bờ biển này ổn định Bờ biển Diễn Kim (Diễn Châu, Nghệ An) chỉ bị xói lở từ sau khi có kênh đào Vách Bắc Bờ biển Diễn Ngọc cũng chỉ bị xói lở từ khi có thêm

2 kênh đào mới

1.2.2.6 Ảnh hưởng của các hoạt giao thông thuỷ

Các hoạt động giao thông thuỷ cũng gây ra nhiều tác động bất lợi đến bảo vệ

vờ biển như sóng do tàu thuyền khi chạy gây ra, va chạm của tàu thuyền vào các kết cấu công trình ở bờ biển

1.3 Các k ết cấu công trình bảo vệ bờ biển phổ biến

1.3.1 M ột số giải pháp bảo vệ bờ biển

Giải pháp bảo vệ bờ biển bao gồm giải pháp công trình và phi công trình

Giải pháp công trình: Bao gồm những giải pháp của con người can thiệp vào

chống các tác động bất lợi của tự nhiên, giữ cho bờ biển ổn định, phục vụ cho các yêu cầu và mục tiêu phát triển kinh tế, xã hội

điều chỉnh và phòng chống các tác động bất lợi của tự nhiên, giữ cho bờ biển ổn định, phục vụ cho các yêu cầu và mục tiêu phát triển kinh tế, xã hội; nhưng bằng

giải pháp sinh học (phát triển rừng ngập mặn, rừng cây chắn gió cát ven biển) và

giải pháp mang tính chất xã hội (như xây dựng luật pháp, chính sách, công tác tổ

chức, quản lý, tuyên truyền, giáo dục, vận động, thuyết phục nhân dân )

Bảng 1.1 Một số giải pháp bảo vệ bờ biển

TT Gi ải pháp bảo vệ bờ

A Gi ải pháp công trình

sóng, ổn định bờ biển, các vịnh và cửa sông, bảo

vệ cho các vùng dân sinh-kinh tế bên trong bờ

biển, phục vụ khai hoang lấn biển và nuôi trồng thuỷ sản

biển

cảng, luồng vận tải thuỷ và bờ biển

cùng của lòng dẫn thuỷ triều, bịt kín các vùng nước nông để cải tạo đất, nuôi thuỷ sản, rút

ngắn chiều dài bảo vệ bờ biển, tạo ra các hồ trữ nước ngọt, tạo ra các vụng khai thác năng lượng thuỷ triều, tạo ra các vụng tàu đậu, tránh bão, tạo

ra các vụng để thi công, làm đường bộ hoặc đường sắt để nối liền các khu vực, để sửa chữa

các bãi biển có đê, chống dòng chảy tràn, tạo ra các hồ nuôi cá, và cắt đoạn sông cong

động của sóng, giảm cao độ của đỉnh đê, ổn định

ổn định bờ biển

môn khác liên quan đến

bảo vệ bờ, bãi và đáy

biển

cống tiêu, đập ngăn mặn tiêu thoát lũ ra biển, các đường và cầu giao thông Cần chú ý các tác động bất lợi của chúng đối với bảo vệ bờ biển, bãi và đáy biển

11 Thảm cây, cỏ trên các bộ Bảo vệ mái dốc đê, bờ và bãi biển một cách thân

phận công trình bảo vệ thiện với môi trường tự nhiên

B Gi ải pháp phi công

trình

nhiên hoặc nhân tạo ở bãi

biển)

xói lở, ổn định bờ và bãi biển

nhân dân

nhiệm góp phần bảo vệ và phát triển rừng ngập

mặn, môi trường biển, bảo vệ các công trình trên

bờ biển

pháp phi công trình Cả hai giải pháp nêu trên đều quan trọng, không thể thay thế cho nhau Giải pháp phi công trình có ưu điểm nổi bật là gìn giữ và bảo vệ bờ biển

tự nhiên, cải biến điều kiện tự nhiên và xã hội của bờ biển mà không làm ảnh hưởng đến phát triển sinh thái bền vững Tuy nhiên, khi bờ biển chịu các tác động mạnh

của tự nhiên và bị xói lở, phá hoại nghiêm trọng thì phải dùng đến biện pháp công trình mới có thể làm cho bờ biển ổn định trở lại được Khi sử dụng biện pháp công trình, cũng đồng thời phải hiểu rõ và đề phòng các tác động bất lợi, tiêu cực có thể

xảy ra đối với bảo vệ môi trường sinh thái và lợi ích của các ngành kinh tế khác có liên quan

1.3.2 Các dạng công trình bảo vệ bờ biển

1.3.2.1 Các dạng đê biển

Dựa vào đặc điểm hình dạng hình học của đê ở phía biển, mặt cắt đê biển có

thể chia thành 3 loại chính: Đê mái nghiêng, đê tường đứng và đê hỗn hợp

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)

Độ dốc mái phía biển thông thường có kệ số mái dốc m > 1 Thân đê chủ yếu đắp bằng đát, mái đê có lớp gia cố Lớp gia cố mái có rất nhiều loại: đá lát khan, đá xây, đá đổ, tấm bê tông đúc sẵn, bê tông đổ tại chỗ, bê tông nhựa đường, đất xi măng, lợp cỏ…Đặc điểm đê mái nghiêng là độ dốc mái phía biển tương đối thoải, tính ổn định tốt, phản xạ sóng trước đê ít, đáy đê rộng, ứng suất phân bố đều trên đất nền, thích hợp ở vùng bãi biển trầm tích

Đê biển mái nghiêng thi công đơn giản, sử dụng vật liệu địa phương, tích thích ứng với biến dạng của thân đê và phá hoại cục bộ của sóng tương đối tốt, dễ duy tu sửa chữa

Khuyết điểm chủ yếu của nó là mặt cắt đê lớn, khối lượng công trình lớn và chiếm nhiều diện tích, trong một phạm vi độ dốc nhất định, chiều cao sóng leo lên mái phía biển khá lớn, trong trường hợp bãi biển có cao trình thấp, do lúc thi công luôn luôn yêu cầu đắp đất trước, gia cố mái sau, dễ gây ra tình trạng đất đắt bị cuốn trôi, cho nên thường dùng ở nơi mặt bãi cao hơn mực nước cao của kỳ triều yếu

hợp (có chỗ thay đổi độ dốc, hoặc có bậc thềm chia mái thành 2 phần trên thềm và dưới thềm)

Để giảm nhỏ khối lượng đất đá thân đê mà vẫn không hạ thấp tiêu chuẩn

chống tràn do sóng lớn, thường bố trí tường chống sóng trên đỉnh đê

Phần chân đê được bố trí lăng thể đá đổ, chân khay hoặc cọc, ống

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT)

Nếu ở phía biển, thân đê có khối tường với mái dốc m < 1, sau tường đắp bồi đất, giữa chúng có tầng lọc, loại đê như vậy gọi là đê biển dạng tường đứng

lượng công trình Khi thi công, có thể xây tường trước để tường che chắn cho khối đất nhằm giảm thiểu tổn thất đất đắp Loại này thích hợp cho quai đê vùng bãi thấp

So với đê biển mái nghiêng thì loại đê tường đứng có ứng suất đối với nền đê tương đối tập trung, gây lún thân đê cũng lớn và tập trung vì vậy yêu cầu nền đê tương đối cao Có một số nơi, vì sức chịu tải của đất nền tương đối thấp hoặc vì độ sâu lớn, tường đá thường phải xây trên bệ móng

Xét từ góc độ tác dụng của sóng, sóng trước đê tường đứng có phản xạ lớn, hình thái sóng có thể là sóng đứng hoặc sóng đứng không hoàn toàn, nên chiều cao sóng leo nhỏ hơn đê mái nghiêng Ngoài ra, trước đê tường đứng cũng có thể xuất

hiện sóng vỡ Lúc đó, tác dụng động lực của sóng rất mạnh, khi xô vào thân tường, sóng bắn tung lên rất nguy hiểm cho sự an toàn của đê Tính thích ứng của đê tường đứng với biến hình của thân đê tương đối ké, sau khi bị phá hoại rất khó sửa chữa

Hình 1.9 Mặt cắt ngang đê biển dạng hỗn hợp (một phần đứng, một phần nghiêng)

Đê biển hỗn hợp mang đặc điểm của cả 2 loại đê mái nghiêng và đê tường đứng Nếu chọn được tổ hợp trên, dưới thỏa đáng có thể phát huy ưu điểm của mỗi

loại

Việc chọn dạng mặt cắt nào là tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất,

thủy văn, vật liệu, điều kiện thi công Cần so sánh lựa chọn từ nhiều phương án khác nhau Cần chú ý rằng yếu tố động lực sóng là yếu tố quan trọng quyết định

dạng mặt cắt ngang của đê biển Khi cần thiết, có thể làm thí nghiệm trên mô hình

vật lý, phân tích hình thái sóng, chiều cao sóng leo, áp lực sóng, các đặc tính động

học và động lực học của sóng để quyết định hình dạng mặt cắt đê

1.3.2.2 Công trình bảo vệ bờ biển bằng cách ngăn cát, giảm sóng

Hình 1.10 Hệ thống mỏ hàn và đê cản sóng bảo vệ bờ biển (Nguồn: Tiêu chuẩn

Biện pháp thông thường nhất để chống xói mòn bãi biển là bố trí hệ thống kè

mỏ hàn theo phương vuông góc hoặc xiên góc với bờ Ngoài ra cũng có thể sử dụng

loại đê song song với bờ Loại công trình kết hợp cả kè mỏ hàn chắn cát và đê chắn sóng dọc bờ gọi là đê ngăn cát – giảm sóng phức hợp

Nguyên tắc làm việc của mỏ hàn:

bờ

Diễn biến bờ biển quanh mỏ hàn phụ thuộc vào lưu lượng và hướng vận chuyển của dòng bùn cát dọc bờ

Mỏ hàn gây ra bồi tích ở dải dọc bờ trong vùng bãi thấp và làm biến đổi phẫu

diện bờ biển, thiết lập lại hình dáng bờ biển theo trạng thái tự nhiên

Dòng chảy do sóng bị xô đảy trong khoảng giữa các mỏ hàn sẽ có thể quay

trở ra theo các mép mỏ hàn

Tỷ lệ phần trăm của lượng tải cát dọc bờ đi qua một mỏ hàn phụ thuộc vào kích thước của mỏ hàn, hình thái dải đường bờ, cao trình mực nước và chế độ sóng

Dải cát dọc bờ được bồi tự phía thượng lưu của mỏ hàn cản trở bùn cát tiến

tới khu vực hạ lưu, làm mất cân bằng cát

1.3.2.3 Công trình đê giảm sóng

thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT) Trong vùng bờ biển có tạc dụng của sóng là chủ yếu, đặc biệt khi hướng sóng vuông góc với bờ, hiệu quả bảo vệ của mỏ hàn rất hạn chế Lúc đó có thể bố trí đê dọc cách bờ một khoảng nhất định, trục đê thường song song với bờ, khi đó

hiệu quả bảo vệ bờ sẽ rất tốt Loại đê này gọi là đê giảm sóng

Đê giảm sóng có thể là đê nhô (cao trình đỉnh cao hơn mực nước) hoặc đê

ngầm (cao trình đỉnh thấp hơn mực nước), có thể liên tục hoặc đứt đoạn

Công năng chủ yếu của đê loại này là giảm sóng và gây bồi

Đê giảm sóng tạo hiệu ứng phản xạ hoặc phân tán năng lượng sóng tới, trực

tiếp trên kết cấu và truyền năng lượng sóng do hiện tượng nhiễu xạ vào trong vùng khuất sau đê

chuyển bùn cát do tác dụng của sóng Như vậy, cát sẽ được vận chuyển từ vùng gần

bờ bởi dòng chảy dọc bờ theo hướng trội, hoặc tuần hoàn kéo ra gây bồi tích ở vị trí sau đê Sự bồi tích này sẽ gây ra sự phát triển của một doi cát nhọn từ đường bờ

1.3.2.4 Hệ thống công trình phức hợp ngăn cát – giảm sóng

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT) Trong điều kiện thủy hải văn phức tạp, nếu chỉ sử dụng hệ thống mỏ hàn không chắn được sóng vào vuông góc với bờ, bùn cát có thể bị lôi từ bờ ra ngoài;

nếu chỉ sử dụng đê giảm sóng không ngăn được bù cát dọc bờ, như vậy trong nhiều trường hợp có thể không đạt hiệu quả bảo vệ bờ mà thậm chí có thể làm cho tình

trạng sạt lở bờ xấu thêm

Trong trường hợp này, nhất thiết phải kết hợp cả công trình ngang bờ và công trình dọc bờ để phối hợp cả hiệu quả chắn cát dọc bờ và giảm sóng, chắn cát ngang bờ

1.3.2.5 Công trình ngăn cát – giảm sóng dạng tường đứng

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT) Công trình dạng tường đứng kết cấu trọng lực dùng để ngăn cát giảm sóng,

bảo vệ bờ biển Công trình lớn thì sử dụng các loại thùng chìm, cọc trụ đường kính

lớn, công trình nhỏ thường sử dụng kết cấu khối chuồng (hoặc cũi) và kết cấu khối

xếp

Công trình có kết cấu chuồng hoặc thùng chìm bê tông cốt thép được thể

hiện trên hình a

Công trình có kết cấu khối xếp bê tông có hình dạng đơn giản được thể hiện hình b

14TCN130-2002“Hướng dẫn thiết kế đê biển” Bộ NN&PTNT) Ngoài ra kết cấu loại đê này có thể là dạng cọc, cừ

Loại 1 hàng cọc gỗ đơn, đóng thẳng, ziczac, so le, có thanh nẹp dọc có thể có

cọc chống Quanh chân cọc có rải đá hộc chống xói Loại này ứng dụng cho mỏ hàn

chắn cát ven bờ, chiều cao dưới 1.5m

Loại 2 hàng cọc gỗ tạo thành tường vây có liên kết ngang, dọc có chất vật

liệu tạo khối ở giữa 2 hàng cọc

công trình chắn sóng không lớn, trong điều kiện thuận lợi về thi công đóng cọc bê tông cốt thép

tương đối sâu, yêu cầu ổn định cao

1.4 Các sự cố công trình thường gặp

Hình 1.15 Các sự cố công trình thường gặp

Hình 1.16 Các sự cố công trình thường gặp Các sự cố công trình đê kè biển thông thường được thể hiện dưới một số

dạng cơ chế do ngập nước, lún, sóng tràn, trượt mái trong – mái ngoài, mạch đùn, xâm thực mái và bãi ngoài…

Hình 1.17 Hư hỏng công trình đê biển do sụt mái phía đồng và xói chân đê phía

biển

Hình 1.18 Hư hỏng công trình do mất ổn định mái phía biển

Thực tế thường gặp đối với đê một số vùng có thể khái quát như sau:

Đối với đê biển khu vực Miền Bắc

Đê biển ổn định trong điều kiện khí tượng thủy văn bình thư ờng Trong điều

kiện bình thường đối với đoạn đê biển Bắc b ộ là gió dưới cấp 7 và mực nước triều trung bình Trong điều ki ện bình thường có thể x ảy ra những hư hỏng nhỏ cục bộ đối với mái đê phía biển dư ới tác dụng của sóng làm dịch chuyển các hòn đá kè lát mái Xói mặt và mái đê ở hai phía tạo thành các rãnh sâu, nguyên nhân do không có

đầy đủ các rãnh xương cá để gom n ước và do thân những đoạn đê này đắp b ằng đất

có thành phần h ạt cát nhiều Ngoài ra, còn hay bị sạt trượt mái đê phía đồng ho ặc

hiện tượng rò rỉ đối với đê cửa sông khi có lũ hay triều cường

Đê mất ổn định trong điều kiện khí tượng hải văn không bình thường: mực nước triều cao hoặc trung bình, có gió cấp 8 trở lên Là trường hợp đê biển phải làm

việc trong bão cấp 8, cấp 9 gặp triều cường hoặc gió cấp 10, cấp 11 gặp triều trung bình Khi đó các dạng hư hỏng thường gặp là:

+ Sạt sập mái đê phía biển những đoạn có mái đá lát hoặc mái cỏ dọc theo tuyến đê, nhất là các đoạn đê trực tiếp sóng gió và có độ dốc bãi lớn (i ≥0,002) Có trường hợp mái sạt sập và sóng nước cuốn mất 1/2 – 1/3 thân đê Sạt sập mái đê

biển là hiện tượng phổ biến nhất về hư hỏng đê biển Bắc bộ không phải chỉ đối với

có lát đá kè bảo vệ mái

+ So với các tuyến đê biển trực tiếp với biển thì các tuyến đê vùng cửa sông

ít bị hư hỏng lớn về mái Các tuyến đê này phần lớn bãi có cây chống sóng và chất đất đắp đê cũng tốt hơn

+ Sạt sập mái đê phía biển và phía đồng trên phạm vi dài dọc theo tuyến đê

trực tiếp sóng gió Hiện tượng xảy ra khi để làm việc gặp triều cường và có gió bão trên cấp 9, cấp 10 Đối với những đoạn có kết cấu bảo vệ yếu, sóng sẽ làm sập mái phía biển Đối với những đoạn bảo vệ cứng, sóng tràn qua mái đê phía đồng và làm

sập mái phía đồng (do mái phía đồng không được bảo vệ), từ đó dẫn đến vỡ đê

được bảo vệ Đến nay, rừng cây chắn sóng bị phá huỷ, đê trở thành trực tiếp chịu tác động của sóng, thuỷ triều Do vậy, nếu không được bảo vệ sẽ có nguy cơ vỡ bất

cứ lúc nào Có đoạn trước đây có 2 tuyến nên tuyến trong không được bảo vệ mái, khi tuyến ngoài bị vỡ thì tuyến trong cấp thiết phải được củng cố, bảo vệ chống vỡ

Đê biển Bắc Bộ mất ổn định trong điều kiện khí tượng hải văn không bình thường, các tổ hợp nhân tố tác dụng lên đê biển làm mất ổn định là:

+ Mực nước triều cường khi có gió bão mạnh cấp 7, cấp 8

+ Mực nước triều cường khi có gió mùa Đông Bắc cấp 6, cấp 7 duy trì trong thời gian dài

+ Mực nước triều trung bình khi có gió bão mạnh cấp 10, cấp 11

bằng Bắc Bộ gặp lúc triều trung bình có thể gây hư hỏng cho đê biển ở tất cả các tỉnh từ Thanh Hoá đến Quảng Ninh

Đối với đê biển khu vực Miền Trung

Đê biển miền Trung làm việc mất ổn định trong điều kiện khí tượng thuỷ văn không bình thường, nó thể hiện trong các trường hợp sau:

+ Với mực nước triều cao trung bình đến cao , gặp gió bão trên cấp 9 đê biển

bị hư hỏng Các dạng hư hỏng trong trường hợp này giống với đê biển Bắc Bộ , sạt sập mái đê phía biển hoặc cửa sông dọc theo tuyến đê , đặc biệt là các đoạn chịu trực tiếp với sóng gió

+ Với mực nước triều trung bình đến thấp, trong điều kiện có bão với mưa lũ lớn, các dạng hư hỏng thường thấy là sạt , sập mái đê phía biển hoặc cửa sông , nặng hơn là bị vỡ nhiều đoạn hoặc đứt cả tuyến đê do các cống không đủ điều kiện thoát

lũ làm nước tràn qua đỉnh đê

đê biển Bắc Bộ là:

+ Sạt sập mái đê phía biển hoặc cửa sông, dọc theo tuyến đê, nhất là các đoạn trực tiếp với sóng gió

+ Sạt sập mái đê phía biển và cả phía đồng trong trường hợp sóng leo đổ vào mái đê và xói mòn mái

+ Sạt sập mái đê phía biển hoặc cửa sông vừa do sóng cao nhưng chủ yếu do nước lũ tràn qua đỉnh đê, vì tràn và cống không đủ khẩn diện tiêu thoát nước lũ

+ Vỡ nhiều đoạn hoặc đứt cả tuyến do nước lũ tràn qua đê từ phía đồng ra phía biển

1.5 Tình hình nghiên cứu ổn định công trình đê kè biển

Việc tính toán ổn định công trình là yêu cầu bắt buộc và được đặc biệt quan tâm trong thiết kế và xây dựng công trình Nhất là đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu thì việc xử lý nền đất để công trình được ổn định là điều cực kỳ quan trọng Bản chất việc tính toán ổn định công trình là xác định hệ số an toàn của công trình làm việc đồng thời với nền đất Thông qua hệ số an toàn ổn định để đánh giá khả năng làm việc bình thường của công trình trong mối tương tác với môi trường xung quanh Việc tính toán này được qui định trong tiêu chuẩn thiết kế công trình thủy (22TCN 207 – 92; 22TCN 208 – 92 và hướng dẫn thiết kế đê biển 14TCN 130 – 2002) và một số tiêu chuẩn khác

1.5.1 Tình hình trong nước

Việc nghiên cứu ổn định trong nước hiện nay chủ yếu theo phương pháp truyền thống Các yêu cầu và qui định được hướng dẫn cụ thể trong các tiêu chuẩn thiết kế như một số tiêu chuẩn kể trên

Phương pháp thiết kế truyền thống được gọi là phương pháp tất định Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được xem

là xác định, tương ứng với trường hợp tính toán và tổ hợp thiết kế Ví dụ trong thiết

kế công trình bờ biển, tương ứng với mỗi giá trị tần suất thiết kế, mực nước và chiều cao sóng được xác định và được coi là tải trọng thiết kế Dựa vào tiêu chuẩn thiết kế đã qui định, hình dạng và các kích thước của công trình được xác định Các

tiêu chuẩn qui định này được xây dựng dựa trên trạng thái giới hạn của các cơ chế phá hỏng, trong đó có kể đến số dư an toàn thông qua hệ số an toàn

Theo phương pháp thiết kế tất định, công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải và sức chịu tải đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái

giới hạn của các thành phần công trình

1.5.2 Tình hình ngoài nước

Hiện nay ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế công trình xây dựng nói chung (thiết kế theo phương pháp ngẫu nhiên) cũng như công trình thủy lợi nói riêng hiện đang là phổ biến và là xu thế chung trên thế giới Ở Việt Nam đã bước đầu nghiên cứu lý thuyết này

Sự khác nhau căn bản giữa thiết kế truyền thống và thiết kế ngẫu nhiên là ở

chỗ, phương pháp thiết kế ngẫu nhiên dựa trên xác suất hoặc tần suất chấp nhận thiệt hại của vùng ảnh hưởng Kết quả được đưa ra là xác suất hư hỏng của từng thành phần công trình và toàn bộ hệ thống Vì vậy có thể nói thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế tổng hợp cho toàn hệ thống

Xác suất chấp nhận thiệt hại của vùng ảnh hưởng phụ thuộc vào vị trí, mức

độ quan trọng của khu vực, mức độ thiệt hai có thể và tiêu chuẩn an toàn của từng vùng, tưng quốc gia Vì lí do này, thay vì xác định xác suât chấp nhận thiệt hại bằng

mức độ chấp nhận rủi ro Bởi vì mức độ rủi ro là hàm phụ thuộc giữa xác suất xảy

ra thiệt hại và hậu quả thiệt hại

Định nghĩa chung về mức độ rủi ro là tích số của xác suất xảy ra thiệt hại và

hậu quả thiệt hại: Mức độ rủi ro = (xác suất xảy ra thiệt hại) x (hậu quả thiệt hại)P

n

Lũy thừa n phụ thuộc vào tình trạng của đối tượng phân tích

1.6 Những thách thức đối với nghiên cứu địa kỹ thuật

Hiện nay, trong bối cảnh phát triển chung vùng biển, việc xây dựng các công trình biển cũng là một phần tất yếu trong xu thế phát triển Đối với công trình biển