Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng ven bờ tới ổn định của vật liệu đá hộc trong bảo vệ chân kè, ứng dụng cho công trình đê cát hải hải phòng

L IC M N Lu n v n th c s k thu t “Nghiên c u nh h ng c a dòng ven b t i n đ nh c a v t li u đá h c b o v chân kè, ng d ng cho công trình đê Cát H i-H i Phòng" đ c hoàn thành nh s h Tác gi xin chân thành c m n tr ng d n c a th y giáo PGS.TS Lê Xuân Roanh ng i h c Th y l i su t th i gian nghiên c u v a qua, trang b thêm nh ng ki n th c c n thi t v v n đ k thu t Cùng s h ng d n nhi t tình c a th y cô tr h n v trình đ chuyên môn ng giúp tác gi hoàn thi n c bi t, tác gi xin chân thành c m n t i th y giáo PGS.TS.Lê Xuân Roanh tr c ti p h ng d n, giúp đ tác gi t n tình su t trình nghiên c u hoàn thành lu n v n ng th i, tác gi c ng xin chân thành c m n th y cô giáo Khoa Công trình cung c p nh ng ki n th c v chuyên ngành, giúp tác gi có đ c s lý lu n th c ti n đ hoàn thành lu n v n C m n s đ ng viên giúp đ , chia s , c v tinh th n c a ng i thân, gia đình b n bè đ tác gi có th hoàn thành lu n v n Do trình đ , kinh nghi m c ng nh th i gian nghiên c u h n ch nên lu n v n không th tránh đ c nh ng thi u sót nên tác gi r t mong nh n đ c ý ki n chia s , đóng góp c a th y cô, b n bè đ ng nghi p đ lu n v n đáp ng đ c nh ng m c tiêu đ Xin trân tr ng c m n! Hà N i, tháng 05 n m 2016 Tác gi lu n v n Bùi i c Trung L I CAM OAN Tôi xin cam đoan, công trình nghiên c u c a b n thân, đ c u phát sinh th c t đ hình thành h c xu t phát t yêu ng nghiên c u Các s li u có ngu n g c rõ ràng tuân th nguyên t c k t qu trình bày lu n v n đ trình nghiên c u trung th c, ch a t ng đ c công b tr c thu th p c Hà N i, Tháng 05 n m 2016 Tác gi Lu n v n Bùi ii c Trung M CL C L I C M N i L I CAM M CL C OAN ii iii DANH M C HÌNH V v DANH M C B NG BI U viii PH N M CH U NG I T NG QUAN V V N NGHIÊN C U 1.1 Th c tr ng h h ng công trình đê bi n khu v c Cát H i .3 1.2 Gi i thi u lo i kêt c u b o v chân kè áp d ng Vi t Nam .4 1.2.1 Chân kè b ng l ng th đá h c 1.2.2 Chân kè b ng lo i ng buy 1.2.3 Chân kè b ng c c, c 1.2.4 Chân kè nhô cao 1.3 Phân tích chung v k t c u gia c chân kè 1.3.1 Nh ng v n đ v thi t k 1.3.2 Nh ng v n đ v thi công 1.4 Các nghiên c u n 1.4.1 Tình hình nghiên c u n c v b o v chân kè c 1.4.2 T ng quan tình hình nghiên c u n 1.5 K t lu n ch CH c 13 ng 18 NG II C S LÝ THUY T NGHIÊN C U DÒNG CH Y VEN B VÀ N NH V T LI U Á H C B O V CHÂN KÈ 19 2.1 Lý thuy t nghiên c u v dòng ch y 19 2.1.1 Khái ni m v dòng ven b 19 2.1.2 Dòng ch y hình thành sóng vùng g n b 19 2.1.3 Dòng tiêu dòng tu n hoàn 21 2.1.4 Dòng ch y d c b hình thành sóng tác d ng theo h ng xiên góc v i đ ng b 23 2.2 Lý thuy t nghiên c u n đ nh chân kè .30 2.2.1 Khái ni m v xói chân kè 30 iii 2.2.2 Phân lo i 30 2.2.3 Xác đinh ph m vi h xói chân kè 31 2.2.4 Kích th 2.3 K t lu n ch CH c s n đ nh c a đá b o v 35 ng 44 NG III NGHIÊN C U DI N BI N XÓI L B BI N CÁT H I 45 3.1 Gi i thi u khu v c nghiên c u 45 3.1.1 c m t nhiên c a bi n Cát H i 45 3.1.2 c m khí t 3.1.3 c m th y h i v n 52 ng 46 3.2 Nghiên c u ch đ dòng ch y t i khu v c đê bi n Cát H i qua mô hình toán Delft 3D 64 3.2.1 Thi t l p mô hình toán 64 3.2.2 Hi u ch nh ki m đ nh mô hình 67 3.2.3 Tính toán k ch b n sóng, dòng ch y t ng h p u ki n mùa c c tr 73 3.3 K t lu n ch CH NG IV ng 97 ÁNH GIÁ N NH TRONG I U KI N DÒNG CH Y XÓI CHÂN CHO Ê CÁT H I H I PHÒNG 98 4.1 c m đ a ch t công trình đê Cát H i 98 4.2 Quan h v t li u v n t c dòng 99 4.2.1 Công th c n đ nh c a Izbash 99 4.2.2 Công th c c a Gerding (1995) 100 4.2.3 Công th c c a Vandemeer 101 4.2.4 ng d ng xây d ng quan h v t li u v n t c dòng 102 4.3 Tính toán n đ nh ki m tra k t c u u ki n xói chân 108 4.3.1 n đ nh u ki n xói chân 108 4.3.2 n đ nh đá l n 109 4.4 K t lu n ch ng 110 K T LU N VÀ KI N NGH 111 TÀI LI U THAM KH O 112 iv DANH M C HÌNH V Hình 1.1 K t c u chân kè b ng ng buy .5 Hình 1.2 Hình nh chân kè b ng c c BTCT Hình 1.3 .Chân kè d ng t ng nhô .6 Hình 1.4 L c tác d ng c a dòng ch y lên h t .9 nhám t Hình 1.5 ng đ i c a h t 10 Hình 1.6 Phân b t i tr ng c Hình 1.7 Ng ng đ - Ngo i suy chuy n đ ng 11 ng chuy n đ ng 12 Hình 1.8 C u t o chân khay kè bi n 17 Hình 2.1 Tr (α b ) ng dòng ch y quan tr c g n b , ph thu c ph n l n vào góc sóng v 20 Hình 2.2 H th ng dòng ch y tu n hoàn .21 Hình 2.3 Mô hình bi u di n dòng sóng tác đ ng vào b .22 Hình 2.4 Phân b l u t c d c b 30 Hình 2.5 S đ tính kích th c h xói theo ph ng pháp McDougal 32 Hình 2.6 Bi u đ tính kích th c h xói theo Xie 33 Hình 2.7 Bi u đ tính kích th c h xói theo Sumer & Fredsoe .34 Hình 2.8 Mô hình thông s tính toán xói mái nghiêng 36 Hình 2.9 Bi u đ m i quan h gi a đ n đ nh đ sâu t ng đ i c a chân kè .37 Hình 2.10 Bi u đ m i quan h gi a H s /∆.d n50 ht/d n50 37 Hình 2.11 Bi u đ tra giá tr Ns thi t k chân kè cho lo i t ng đ ng 38 Hình 2.12 M t c t thí nghi m mô hình máng sóng (tác gi stephan baart& nnk) .39 Hình 2.13 Quan h gi a chi u sâu t ng đ i ht/h ch s n đ nh Ns (có xét đ n s kh i d ch chuy n Nod) v i đ d c bãi khác 40 Hình 2.14 Quan h gi a s kh i d ch chuy n Nod h s n đ nh có xét đ n ch s Iribaren (khi ht/hm< 0.4) .41 Hình 2.15 Quan h gi a ph n tr m m t n đ nh N% v i h s n đ nh có xét đ n ch s Iribaren (khi ht/hm> 0.4) 41 Hình 2.16 ng cong quan h ph n tr m m t n đinh N% h s n đ nh có xét đ n ch s Iribaren 42 Hình 2.17 Quan h gi a h s n đ nh chi u cao sóng Hs v i kích th c đá khác 43 Hình 2.18 Quan h gi a chi u cao sóng kích th c viên đá v i h s n đ nh khác 43 v Hình 2.19 Quan h n đ nh ht/hm 44 Hình 3.1 Hoa gió th ng kê giai đo n 2000-2011 t i Hòn D u 48 Hình 3.2 Hoa gió tháng (mùa khô) t i Hòn d u 1976-1995 49 Hình 3.3 Hoa gió trung bình mùa khô 2000-2011 t i Hòn D u 49 Hình 3.4 Hoa gió tháng (mùa m a) 1976-1995 t i Hòn d u 50 Hình 3.5 Hoa gió trung bình mùa m a 2000-2011 t i Hòn D u 50 Hình 3.6 Hoa gió trung bình n m 1976-1995 t i B ch Long V 51 Hình 3.7 M c n c tính theo h i đ khu v c H i phòng 2004-2007 55 Hình 3.8 Xu th m c n c tính theo h i đ n m 2004-2007 55 Hình 3.9 S h a mi n tính toán 64 Hình 3.10 L Hình 3.11 i tính toán 65 a hình mi n tính c a mô hình 66 Hình 3.12 Các biên tính c a mô hình 67 Hình 3.13 V trí tr m ki m tra 69 Hình 3.14 K t qu hi u ch nh m c n c tháng 3/2009 t i B n Gót 70 Hình 3.15 K t qu hi u ch nh m c n c tháng 3/2009 t i KT1 70 Hình 3.16 K t qu ki m đinh m c n c tháng 8/2009 t i B n Gót 71 Hình 3.17 K t qu ki m đ nh m c n c tháng 8/2009 t i KT1 72 Hình 3.18 a hình mi n tính toán 74 Hình 3.19 V trí m trích rút sóng t c đ dòng ch y 74 Hình 3.20 T c đ dòng ch y t i khu v c Cát H i vào mùa ông 75 Hình 3.21 Th ng kê k t qu tính sóng t i L ch Huy n (đi m LH) 76 Hình 3.22 Tr ng sóng mùa khô tri u lên (Mi n tính l n) 81 Hình 3.23 Tr ng sóng mùa khô tri u lên (Mi n tính nh ) 81 Hình 3.24 Tr ng dòng ch y mùa khô tri u lên 82 Hình 3.25 Tr ng dòng ch y mùa khô tri u xu ng 82 Hình 3.26 Chi u cao sóng t i m g n b 83 Hình 3.27 Tr ng sóng mùa m a tri u lên (Mi n tính l n) 89 Hình 3.28 Tr ng sóng mùa m a tri u lên (Mi n tính nh ) 89 Hình 3.29 Tr ng dòng ch y mùa m a tri u lên 90 Hình 3.30 Tr ng dòng ch y mùa m a tri u xu ng 90 Hình 3.31 Tr ng sóng v i t n su t 1% (a- Mi n l n, b- Mi n nh ) 91 Hình 3.32 Tr ng dòng ch y t c đ dòng t i khu v c Cát H i (a- Tr ng dòng ch y, b- t c đ ) 92 vi Hình 3.33 Tr ng sóng v i t n su t 2% (a- Mi n l n, b- Mi n nh ) 93 Hình 3.34 Tr ng sóng v i t n su t 5% (a-Mi n l n, b-Mi n nh ) .95 Hình 3.35 Tr ng dòng ch y t c đ dòng t i khu v c Cát H i (a- Tr ng dòng ch y, b- t c đ ) 96 Hình 4.1 Quan h gi a v n t c dòng theo tiêu chu n TCN14-2002 mô hình hóa Hình 4.2 Quan h tr ng l Hình 4.3 Quan h đ dòng ng nh nh t c a v t li u v n t c dòng .104 ng kính v t li u theo gi thi t hình d ng l p ph ng v n t c 105 Hình 4.4 Quan h đ ng kinh Dn50 theo Vandermeer v n t c dòng 105 Hình 4.5 Quan h đ ng kinh D theo Izbash v n t c dòng 106 Hình 4.6 So sánh quan h V- D đ i v i ph ng pháp khác 106 Hình 4.7 Quan h Hs- D 107 Hình 4.8 n đ nh tr t mái công trình xói chân (K=1.1) 109 Hình 4.9 S h a trình đá l n .109 vii DANH M C B NG BI U B ng 1.1 Thông s k ch b n thí nghi m 40 B ng 3.1 T c đ gió TB(m/s) t i m t s tr m thu c khu v c H i Phòng 47 B ng 3.2 M t s đ c tr ng ch đ gió ven bi n 47 B ng 3.3 T c đ gió c c đ i có th x y l n T n m t i khu v c H i Phòng 52 B ng 3.4 L u l ng ch y trung bình c a sông H i Phòng, 2009 53 B ng 3.5 M c n c tri u đ c tr ng t i Hòn Dáu (cm) 56 B ng 3.6 M c n c th c đo tr m Hòn D u t n m 1988-2007 57 B ng 3.7 M c n c th c đo tr m C a Ông t n m 1986-2007 58 B ng 3.8 T n su t bão ho t đ ng phân b tháng n m 60 B ng 3.9 T n su t ho t đ ng c a bão phân b theo v đ 60 B ng 3.10 Th ng kê t n su t n c dâng (%) vùng b bi n b c v n 16 61 B ng 3.11 Thông s biên tính toán mô hình 66 B ng 3.12 K t qu đánh giá sai s hi u ch nh mô hình 71 B ng 3.13 K t qu đánh giá sai s ki m đ nh mô hình 72 B ng 3.14 B tham s mô hình 73 B ng 3.15 Tr ng h p tính toán 73 B ng 3.16 Th ng kê k t qu tính sóng t i Hòn D u (đi m HD) 77 B ng 3.17 Th ng kê k t qu tính sóng t i ình V (đi m V) 78 B ng 3.18 Th ng kê k t qu tính sóng t i Cát H i (đi m CH) 79 B ng 3.19 Th ng kê k t qu tính sóng t i B ch ng (đi m B ) 80 B ng 3.20 Th ng kê k t qu tính sóng t i L ch Huy n (đi m LH) 84 B ng 3.21 Th ng kê k t qu tính sóng t i Hòn D u (đi m HD) 85 B ng 3.22 Th ng kê k t qu tính sóng t i ình V (đi m V) 86 B ng 3.23 Th ng kê k t qu tính sóng t i Cát H i (đi m CH) 87 B ng 3.24 Th ng kê k t qu tính sóng t i B ch B ng 3.25 Tr ng (đi m B ) 88 ng dòng ch y t c đ dòng t i khu v c Cát H i (a- Tr ng dòng ch y, b- t c đ ) 94 B ng 3.26 K t qu tính toán mô hình th y l c 97 B ng 4.1 Gi i h n biên tham s áp d ng 101 B ng 4.2 Tính toán xây d ng quan h v n t c dòng v t li u 102 viii PH N M U Tính c p thi t c a tài H th ng đê bi n H i Phòng đ c hình thành t lâu, tr i qua trình tu b hàng n m t o thành m t h th ng đê có quy mô nh hi n Do v y trình hình thành k t c u thân đê không đ ng nh t, vào nhi u th i m khác Có đo n đê đ c xây d ng t lâu, có đo n m i đ c xây d ng nhu c u m r ng di n tích b o v T t c n đê bi n hi n t i đ u đ c xây d ng n n tr m tích tr m m y u b ng nhi u lo i v t li u khác M t khác, đê bi n H i Phòng tr c ti p ch u tác đ ng c a m a, bão, th y tri u, sóng n c dâng nên tình hình s t l c ng di n r t ph c t p, nhi u n i xu ng c p nghiêm tr ng ch a đ c đ u t đ ng b nh : kè mái b o v đê phía bi n thu c n đê bi n I, II, III, đê bi n Cát H i ê bi n Cát H i m t n đê bi n đê sông c a thành ph H i Phòng V tình hình xói l , hi n t th ng xói l b bãi đê bi n Cát H i di n ng xuyên, liên t c tác đ ng c a y u t th y đ ng l c nh sóng, dòng ch y làm cho cao đ bãi b h th p, gia t ng m c đ tác đ ng c a sóng, dòng ch y lên công trình đê u, làm suy gi m kh n ng n đ nh công trình Ngoài h u h t n đê bi n đ u có hi n t b gây nh h th y s n ng b i, xói c c b theo mùa trình v n chuy n bùn cát ven ng b t l i đ i v i an toàn đê u c ng l y n c ph c v nông nghi p, c bi t th i gian g n đê bi n Cát H i có hi n t ng xói chân kè, đá h c thi công b o v chân kè b dòng ch y sóng tác đ ng m nh làm v n chuy n l ch kh i v trí ban đ u, gây nguy hi m t i n đ nh chân đê Vì v y, bi n pháp làm n đ nh chân kè công trình đê b ng gi i pháp công trình phi công trình r tc nđ c quan tâm th c hi n M c tiêu c a lu n v n  Nghiên c u nh h ng c a dòng ven b t i xói l b bi n tác đ ng lên kè, đê bi n  Xây d ng ph ng án s d ng đá h c nh m b o v chân kè c a đê bi n Cát H i, H i Phòng c s k t qu nghiên c u v ch đ th y đ ng l c t mô hình toán nguyên nhân xói l kè bi n Cát H i Cách ti p c n ph ng pháp nghiên c u • Thu th p tài li u s li u v u ki n t nhiên, kinh t xã h i, ch đ khí t ng th y h i v n khu v c bi n Cát H i - H i Phòng; • Phân tích quy lu t di n bi n nguyên nhân xói l chân kè; • S d ng mô hình toán đ xác đ nh đ c v n t c dòng ch y ven b làm c s cho vi c l a ch n v t li u đá h c h p lý; • Xây d ng tính toán v n t c, kích th c đá h c c n thi t đ s d ng làm v t li u b o v chân kè Ph m vi nghiên c u Khu v c bãi bi n Cát H i, H i Phòng N i dung c a lu n v n Ph n m đ u Ch ng 1: T ng quan v v n đ nghiên c u Ch ng 2: C s lý thuy t nghiên c u dòng ch y ven b n đ nh v t l u đá h c b o v chân kè Ch ng 3: Nghiên c u di n bi n xói l b bi n Cát H i Ch ng 4: ánh giá n đ nh u ki n dòng ch y xoái chân cho đê Cát H i – H i Phòng K t lu n ki n ngh Tài li u tham kh o Ph l c L p 6: sét nh đ n sét trung màu nâu xám, xám tro nh t, đ t ch a nhi u v t ch t h u c ch a phân h y h t ch y ây l p t t m t k t c u ch t Tr ng thái d o m m đ n d o ng đ i y u, tính th m n c m c đ nén lún cao Di n phân b l n, không đ u B dày th m dò trung bình > 3.0m Ngu n g c b i tích (aQ) L p 7: Cát h t m n đôi ch cát l n h t b i màu xám đen, xám tro nh t đôi ch xám đen, bão hoà n c, ch t Di n phân b c c b b dày nh , ph n l n kính ây l p đ t có tính th m l n, s t l m nh m i m c n d ng th u c ng m thay đ i L p 8: L p sét n ng, sét d o m m đ n d o ch y, l p đ t y u có tính th m nh nh ng m c đ nén lún cao không đ u L p 9: Á cát, sét xen k p nhi u l n, màu xám tro nh t, xám đen, k t c u ch t, tr ng thái d o ch y Di n phân b l n th ng n m d il p8g p h uh t m t c t t Hoàng Châu đ n Gót, chi u dày trung bình thay đ i > 2m L p 10: Á sét nh đ n sét trung màu xám tro nh t, xám đen, k t c u ch t, tr ng thái d o ch y Di n phân b l n nh ng không đ u th ng n m d i l p 9, g p m t s m t c t t Hoàng Châu đ n Gót, chi u dày trung bình thay đ i > 2,0m L p 11: Á cát đôi ch cát h t m n màu xám đen đ t ch a nhi u v t ch t h u c t m, k t c u ch t, tr ng thái ch y Ngu n g c b i tích (aQ) L p 12: Á sét n ng đ n sét màu xám đen, xám nâu, k t c u ch t, tr ng thái d o m m đ n d o ch y, di n phân b không đ u, chi u dày m ng Qua kh o sát k t h p v i tài li u thí nghi m cho th y đ a ch t n đê hi n t i vùng b i t c a bi n t o nên v y đ a ch t có nhi u l p ch tiêu c lý khác 4.2 Quan h v t li u v n t c dòng 4.2.1 Công th c n đ nh c a Izbash Công th c đ c xây d ng b i Izbash nghiên c u s dòng sông ch u nh h h s ban đ u đ n đ nh c a v t li u đá đ ng c a dòng ch y sau đ p th y n H s Izbash b ng 0.7 c xây d ng vào n m 1930 cho c u ki n đá r i r c n m đáy m i đá n m n n có s k t n i xu ng n n thông qua trình dao đ ng 99 chìm m t ph n n n đáy Sau này, n m 1970 h s đ k t c u ch nh cho hai lo i ng ng b ng 0.7 cho đá n m n n m i, 1.4 cho đá n m n n c C ng b i ngu n g c xây d ng công th c mà không th y s xu t hi n c a tham s sóng, t c đ dòng ch y c n đ c bi t 4.2.2 Công th c c a Gerding (1995) Công th c đ c Gerding xây d ng cho v t li u đá gia c chân đê ch n sóng v i u ki n gi i h n đ sâu ng p n c ht (4.1) Khi công th c áp d ng nh sau: 100 Trong công th c có th th y r ng kh ng có s xu t hi n c a tr ng l V n đ đ c nghiên c u b i Ton van der Meulen c ng s thông qua thí nghi m khác kh ng đ nh s phù h p c a công th c đ tr ng l ng riêng viên đá c s d ng t t u ki n ng riêng c a đá n m kho ng 1900- 2850 kg/m3 4.2.3 Công th c c a Vandemeer Xu t phát c a công th c t ng t nh c a Gerding đ c xây d ng cho v t li u gia c chân đê ch n sóng Các tham s u ki n áp d ng nh sau B ng 4.1 Gi i h n biên tham s áp d ng Tham s D n50 h Hs ht 0.5 – 30 0.1 – 10 0.5 – 30 1500 - 950 – (i) (i) (i) 3200 1050 s w i u ki n gi i h n giá tr áp 0.1 – (i) d ng Khi 0.4