Nghiên cứu lớp bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp có nhựa đường (asphalt) chèn trong đá hộc áp dụng để thay thế lớp bảo vệ cũ bị hư hỏng cho đê biển hải hậu – nam định

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, tác giả hồn thành luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình thủy với đề tài “Nghiên cứu lớp bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp có nhựa đường (asphalt) chèn đá hộc Áp dụng để thay lớp bảo vệ cũ bị hư hỏng cho đê biển Hải Hậu – Nam Định” Có kết này, lời cảm ơn đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn: GS.TS Hồ Sĩ Minh TS Nguyễn Thanh Bằng, người trực tiếp hướng dẫn, dành nhiều thời gian, tâm huyết hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy thời gian học cao học Trường Đại học Thuỷ lợi, thầy giáo Khoa Cơng trình Trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội, phòng Đào tạo đại học sau đại học tận tình giúp đỡ truyền đạt kiến thức để tơi hồn thành luận văn Những lời sau xin dành cho gia đình, Bố, Mẹ đồng nghiệp quan chia sẻ khó khăn tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tuy có cố gắng thời gian thực Luận văn có hạn, trình độ thân cịn hạn chế nên khơng thể tránh sai xót Tác giả xin trân trọng mong tiếp thu ý kiến đóng góp Thầy, Cô, bạn bè đồng nghiệp Hà Nội, ngày tháng năm 2015 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vũ Xuân Thủy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, cơng trình nghiên cứu độc lập thân với giúp đỡ giáo viên hướng dẫn Những thông tin, liệu, số liệu đưa luận văn trích dẫn rõ ràng, đầy đủ nguồn gốc Những số liệu thu thập tổng hợp cá nhân đảm bảo tính khách quan trung thực Hà nội, ngày tháng năm 2015 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vũ Xuân Thủy MỤC LỤC 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu 3.3 Giới hạn nghiên cứu .3 5.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 5.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Tổng quan kết cấu lớp bảo vệ mái đê biển giới 1.1.1 Kết cấu lớp bảo vệ đê phía biển vật liệu thấm 1.1.1.1 Đá lát khan, thảm đá, mảng bê tông, cấu kiện bê tông lắp ghép .5 Hình 1.1: Gia cố mái đê biển Hà Lan Hình 1.2 Cấu kiện bê tơng lắp ghép Hình 1.3 Cấu kiện gia cố đê biển Nhật Bản Hình 1.4 Thảm bê tơng sử dụng làm kè đê biển Hà Lan Hình 1.5 Thảm gia cường hệ thống túi vải địa kỹ thuật .8 Hình 1.6 Ứng dụng loại vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc thi công đê biển Hà Lan (2013) 10 1.1.2 Kết cấu lớp bảo vệ mái đê phía đồng 10 Hình 1.7 Thảm có chống xói mái đê 11 Hình 1.8 Sử dụng lưới sợi tổng hợp kết hợp trồng cỏ chống xói 11 Hình 1.9 Bể bê tơng có bố trí ống tiêu nước .12 Tổng quan kết cấu lớp bảo vệ mái đê biển nước 12 2.1.1 Khái quát hệ thống đê biển Việt Nam 12 Hình 10 Một số hình ảnh hư hỏng đê kè biển sau bão số năm 2005 13 Hình 1.11 Đê biển đảo Cát Hải , đê biển Đồ Sơn, Hải Phịng 14 Hình 1.12 Đê biển tỉnh Nam Định 15 Hình 1.13 Kết cấu bảo vệ mái đê biển Miền Trung .16 Đê biển từ Quảng Bình đến Quảng Nam: Là vùng có diện tích nhỏ hẹp, phần lớn tuyến đê biển ngắn, bị chia cắt sông, rạch, địa hình đồi cát ven biển Một số tuyến bao diện tích canh tác nhỏ hẹp dọc theo đầm phá Đây vùng có biên độ thuỷ triều thấp nhất, thường xuyên chịu ảnh hưởng thiên tai Khác với vùng cửa sông đồng Bắc Bộ chủ yếu bồi, cửa sơng miền Trung thay đổi tuỳ theo tính chất lũ, tuyến đê đắp theo tuyến, khơng có tuyến quai đê lấn biển tuyến đê dự phòng 16 Hình 1.14 Kết cấu bảo vệ mái đê biển Miền Nam 20 2.1.2 Kết cấu lớp bảo vệ đê phía biển vật liệu thấm 21 Hình 1.15 Kè bảo vệ mái đá lát khan Nam Định 22 Hình 1.16 Kết cấu bảo vệ mái đê biển miền Bắc 24 2.1.3 Kết cấu lớp bảo vệ mái đê phía đồng 24 Hiện nay, chủ yếu sử dụng số hình thức gia cố mái đê phía đồng sau: 24 - Đổ bê tơng đến 2m từ vai đê phía đồng trở xuống, phía trồng cỏ; 24 - Đổ bê tơng đến 2m từ vai đê phía đồng trở xuống, phía trồng cỏ đá xây cấu kiện bê tông rỗng .24 Nhìn chung vấn đề gia cố mái đê phái đồng với đê biển Việt Nam chưa trọng nhiều 25 2.1.4 Những nghiên cứu gần kết cấu lớp bảo vệ mái đê phía biển 25 - Luận án Tiến sỹ kỹ thuật tác giả Hoàng Việt Hùng (2012)-Nghiên cứu giải pháp tăng cường ổn định bảo vệ mái đê biển tràn nước; 25 - Hoàng Việt Hùng-Trịnh Minh Thụ- Ngơ Trí Viềng (2011)-Nghiên cứu ứng dụng neo gia cố lát bảo vệ đê biển-Tạp chí khoa học thuật thủy lợi mơi trường số 32-2011; .25 - Đề tài: “Nghiên cứu sở khoa học đề xuất giải pháp KHCN đảm bảo ổn định độ bền đê biển có trường hợp sóng triều cường tràn qua đê”, mã số KC08-15/06-10; 25 - Đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ gia cố đê biển phương pháp neo đất, sử dụng phụ gia Consolid chống xói mịn lớp bảo vệ mái” mã số KC08-03/11-15 GS.TS Ngơ Trí Viềng làm chủ nhiệm 25 Nghiên cứu sử dụng vật liệu asphalt để gia cố bảo vệ mái đê biển 25 3.1.1 Tình hình nghiên cứu, sử dụng vật liệu asphalt để gia cố đê biển giới 25 Hình 1.17 Thi cơng rót hỗn hợp asphalt vào đá hộc gia cố mái đê Zeeland 26 3.1.2 Tình hình chung nghiên cứu giải pháp bảo vệ đê biển Việt Nam 26 3.1.3 Tình hình nghiên cứu, sử dụng vật liệu asphalt chèn đá hộc nước ta 27 Kết luận chương 29 Nội dụng chương I, luận văn tập trung vào vấn đề sau: 29 - Nghiên cứu tổng quan thực trạng đê biển nước giới Việt Nam, nghiên cứu loại kết cấu bảo vệ mái đê biển nước giới Việt Nam Tác giả tổng hợp, phân tích đánh giá tình hình đê biển số tỉnh nước ta, phân tích ưu, nhược điểm, điều kiện áp dụng dạng kết cấu bảo vệ đê biển nước ta 29 - Nghiên cứu đa số đê biển nước ta chưa đáp ứng yêu cầu thực tế, đặc biệt điều kiện BĐKH, nước biển dâng nay, địa phương khác có biện pháp bảo vệ mái đê biển khác tùy theo tính chất, kết cấu trạng tuyến đê biển vùng .29 - Nghiên cứu tiêu thiết kế đê biển có gia cố vật liệu asphalt yêu cầu chung lớp gia cố này, qua tìm hiểu tình hình áp dụng vật liệu hỗn hợp asphalt điều kiện nước ta 29 2.1 Đặc điểm kỹ thuật kết cấu vật liệu hỗn hợp có nhựa đường (Asphalt) 30 Tất sản phẩm dạng cấu kiện asphalt để gia cố, bảo vệ đê biển coi dạng liên tục, phẳng kín nước (impermeable revetment) Sản phẩm thi công khô nước, nhiên điều kiện Việt Nam thiếu thiết bị thi công nên khả thi công nước trước mắt khó khăn 30 Có thể sử dụng sản phẩm asphalt cho kết cấu khác gia cố đê biển Việt Nam là: 30 2.1.1 Bê tông nhựa đường, cịn gọi bê tơng asphalt (asphaltic concrete) 30 Dùng để gia cố mái phía biển, làm đường mặt đê đê (nếu có yêu cầu thiết kế) .30 Bê tông nhựa đường kiểu hỗn hợp dùng nhiều giao thơng đường Đối với đê biển nói riêng cơng trình thủy lợi nói chung dùng rỗng rãi bảo vệ mái đập hồ chứa, kênh tưới, kênh tiêu, bảo vệ bờ sông, bờ biển v.v… Bê tông nhựa đường hỗn hợp đá dăm (hoặc sỏi), cát thành phần hạt mịn, lỗ rỗng hạt cát lấp đầy bitum với tỷ lệ rỗng chiếm từ – 6% [13] Đối với điều kiện Việt Nam để áp dụng vào việc bảo vệ mái đê biển cần có nghiên cứu riêng hỗn hợp .30 Loại vật liệu không phù hợp điều kiện làm việc nước vùng ngập triều Khi yêu cầu tỷ lệ rỗng nhỏ, bê tông nhựa đường coi không thấm 30 Bê tông nhựa đường áp dụng lớp bảo vệ mặt đê địi hỏi kín nước mực nước cao trung bình, lớp mái kênh đào mái hồ chứa nước v.v… 30 2.1.2 Mát tít nhựa đường (asphalt mastic) 30 Mát tít hỗn hợp cát, bột đá bitum Hàm lượng bitum cần phải đủ lớn để đảm bảo lấp đầy lỗ rỗng cát bột đá, đồng thời tạo độ nhớt cần thiết để hỗn hợp mát tít tự lấp đầy vào khe kẽ đá cốt liệu lớn trình thi cơng Mát tít dễ trút đổ nhiệt độ làm việc sử dụng, sử dụng rải cạn rải bảo vệ chân kè chắn sóng, bảo vệ đáy tác dụng lưu tốc dòng lớn Khi lạnh, mát tít dẻo dính mà khối lượng không thay đổi [13] 31 2.1.3 Vữa bitum (grouting mortars): 31 Là hỗn hợp đá dăm, cát, bột đá bitum, giống mát tít, nhiệt độ cao 130-1700C, vữa bitum có độ nhớt cao, có khả tự chèn lấp khe kẽ đá hộc trình thi công Hỗn hợp chủ yếu sử dụng để rót liên kết viên đá hộc thả rối, khối đá lớn bảo vệ chân mái đê, chân kè Hỗn hợp vữa bitum thi công cạn nước [13] 31 2.1.4 Asphalt độn đá (dense stone asphalt) 31 Asphalt độn đá kiểu trộn lấp lỗ hổng đá lớn cát, bột đá bitum (vữa chèn) Khi trộn phần lớn bitum bao đầy bề mặt cốt liệu nên loại coi không thấm nước Loại vật liệu sử dụng lớp bảo vệ đáy, mái nghiêng chân đê, chân kè [13] 31 2.1.5 Asphalt độn nhiều đá (open stone asphalt - OSA) 31 Asphalt độn nhiều đá kiểu hỗn hợp lấp lỗ hổng đá mát tít Loại đá dăm thường sử dụng loại đá vôi 20/40mm, hàm lượng đá dăm chiếm 80% tổng khối lượng hỗn hợp Loại vật liệu có khả nước tốt, sử dụng để bảo vệ phần mái kè phía mực nước triều [13] 31 2.1.6 Asphalt cát nhựa đường (lean sand asphalt - LSA) 31 Cát, nhựa đường trộn với theo tỷ lệ: nhựa đường - 5%, cát 95 97% Loại dùng làm vật liệu lõi đê, lớp lọc áo cơng trình hoăc lớp phủ tạm thời, lâu dài cạn nước [13] .32 2.1.7 Tấm mảng asphalt (asphalt membranes) 32 Tấm mảng lớp mỏng, không thấm nước bitum Tấm mảng sử dụng với vai trị màng khơng thấm nước dùng để lót mái kênh, bảo vệ bờ bãi chân đê [13] .32 3.1 Các tiêu kỹ thuật thiết kế đê biển lớp gia cố Asphalt 32 3.1.1 Những yêu cầu chung lớp gia cố asphalt .32 3.1.2 Những yêu cầu chung thân đê 33 3.1.3 Cơ sở thiết kế 35 4.1 Xác định chiều dày lớp gia cố .36 5.1 Cơ sở chung xác định kích thước lớp gia cố mái đê biển vật liệu hỗn hợp 36 Xác định mực nước thiết kế, bao gồm mực nước triều cao, mực nước triều thấp đê xác định loại asphalt cho phù hợp 36 Trên đỉnh đê sử dụng bê tông asphalt đường theo tiêu chuẩn VN hành 36 Đối với mái đê phía đồng dùng rải nhựa đường (memberanes), rải đổ chỗ kết hợp trồng cỏ 36 Mái đê phía biển: Phần phía mực nước triều cao sử dụng bê tơng asphalt, Asphalt độn nhiều đá (open stone asphalt – OSA); Phần phía mực nước triều cao sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc (fully grouted stone asphalt), asphalt độn đá (dense stone asphalt) .36 Căn khả trạm trộn, khả vận chuyển, khả thi cơng chỗ, tình hình thời tiết giai đoạn thi cơng (phải thi cơng ngày khơng có mưa) để định chiều dài thi công thời gian ngày Theo nguyên tắc giảm thiểu khe nối, khe nối cần xử lý tuân thủ quy trình kỹ thuật 36 Cơ sở lựa chọn chiều dày lớp gia cố dựa vào: 36 - Chịu lực sóng; .36 - Chịu mài mòn sóng; .36 - Chịu áp lực đẩy nổi; 36 - Chịu dịng xói; 36 - Có độ bền tuổi thọ tính tốn; 37 - Không bị phá hoại ảnh hưởng khác tác động sóng dịng tàu thuyền qua lại, hoạt động người; 37 - Độ dày lớp gia cố chịu biến động thời tiết, phá hoại vi sinh vật, cỏ 37 6.1 Nguyên lý thiết kế xác định chiều dày lớp gia cố 37 Tiêu chuẩn thiết kế lựa chọn ứng suất sức căng phát triển lớp phẳng vật liệu asphalt với độ dày định môment uốn không vượt giá trị cho phép 37 Độ dày xác định việc mơ hình tính độ dày số đất đàn hồi có phản lực Cơng thức sử dụng [13]: 37 37 Trong đó: 37 h = Chiều dày lớp gia cố (m); 37 = Ứng suất phá hỏng asphalt (N/m2); 37 p = Lực sóng (N/m) xác định với chiều cao sóng khác nhau, xem ghi chú; 37 s = Mô đun độ cứng asphalt (N/m2); 37 = Tỷ số Poisson ratio asphalt; .37 c = Mô đun phản lực (N/m3); 37 0.75 = Hệ số chiết giảm 37 Ghi chú: 37 + Nếu lớp gia cố thiết kế vùng có chế độ sóng với mực nước khác chiều dày lớp gia cố phải tính đến với chiều cao sóng thiết kế Hs 37 + Nếu lớp gia cố thiết kế nằm vùng mực nước triều cao thiết kế sóng thiết kế Hs xảy mức nước triều cao 37 + Nếu lớp gia cố đê biển nằm xa bờ chiều dày lớp gia cố thiết kế với sóng mực nước thấp .37 Độ dày lớp phủ cịn xác định phương pháp tra biểu đồ biết môdun phản lực độ cao sóng tiêu chuẩn, mái dốc đê khác nhau: 37 38 Hình 2.1 Biểu đồ quan hệ mô đun phản lực chiều dày lớp phủ 13].38 7.1 Nghiên cứu tính tốn kiểm tra điều kiện đẩy 38 Áp lực đẩy xảy tồn lớp gia cố, cục Áp lực đẩy lớp gia cố bật khỏi mái đê Để đề phòng điều kiện không lớp gia cố tiếp tục bị phá hỏng, cần phải có phương pháp thiết kế đúng, chiều dày đảm bảo khơng áp lực làm cho lớp gia cố bị gãy Có thể làm giảm áp lực cách tạo lỗ thơng để áp suất khơng khí tác dụng lên lỗ thông cân với áp suất nước lỗ rỗng 38 8.1 Áp suất đẩy thủy lực chênh lệch mực nước 38 Áp suất đẩy gây bởi: .38 a Điều kiện thủy tĩnh 38 Mực nước ngầm đê thay đổi chậm thủy triều xuống lên hàng ngày Khi mực nước đê thấp mực nước ngầm thân đê có áp suất đẩy lớp gia cố .38 Áp suất đẩy lớn xẩy nước ngồi đê hạ xuống triều rút, mực nước ngầm đê hạ xuống chậm .38 Áp suất đẩy phát triển thi công đôi lúc, vùng lân cận lớp gia cố cát bị di chuyển tượng thủy lực gây áp lực đẩy .39 b Điều kiện động lực 39 Áp lực đẩy phát triển thân đê mực nước phía ngồi thấp thời gian ngắn tàu thuyền qua 39 Áp lực đẩy phát triển sóng gió làm thay đổi mực nước mái đê 39 Còn số nhân tố ảnh hưởng đến áp lực đẩy như: độ cao, khoảng thời gian, dạng điều kiện biên độc lập thời gian bão triều lên xuống thủy triều trước đê, mức độ thấp trũng, cao độ kênh đào tiêu nướcv.v…; tính thấm khác hệ số thấm đất thân đê đê; hình dạng đê, kích thước, mái dốc đê, đê, cao trình chân đê; khả chứa nước đất đê; cao trình bãi trước chân đê; cao độ lớp đất khơng thấm, ví dụ lớp đất sét đê; chiều dài lớp cọc gia cố chân đê; diện hệ thống tiêu thoát nước chân đê 39 Hệ thống tiêu thoát nước xây dựng đê để vận hành tiêu hạ thấp mực nước ngầm Nhờ sử dụng hệ thống tiêu chân đê giảm đồng phần áp lực đẩy Hệ thống tiêu quan trọng để đảm bảo ổn định lâu dài cơng trình 39 9.1 Ngun tắc chung nghiên cứu tính tốn kiểm tra điều kiện đẩy 39 Tiêu chuẩn đẩy [13]: .39 Hình 2.2- Sơ đồ áp suất đẩy đáy lớp gia cố vật liệu hỗn hợp asphalt .40 10.1 Nghiên cứu tính tốn kiểm tra điều kiện trượt 40 11.1 Yêu cầu chung .40 12.1 Thiết kế độ dày lớp gia cố có gia cố chân .41 13.1 Nghiên cứu tính tốn kiểm tra điều kiện an toàn lớp gia cố chịu tác động sóng dội vào 42 14.1 Cơ chế phá hoại sóng đổ vào lớp gia cố mái đê 42 Hình 2.3 Biến dạng lớp gia cố đá hộc chèn vữa asphalt [11] 42 Hình 2.4 Sơ đồ tính tốn kiểm tra tác động sóng dội [11] 43 15.1 Phương pháp tính tốn 43 Kết luận chương 46 Nội dung chương tập trung vào nghiên cứu vấn đề chủ yếu sau: 46 63 tràn qua mặt đê Khi tính tốn mực nước thiết kế cho khu vực cửa sông cụ thể không dựa vào liệt tài liệu có mà nên tính tốn thuỷ lực có xem xét tới tổ hợp bất lợi đỉnh lũ gặp đỉnh triều vị trí dọc theo cửa sơng để có giải pháp gia tăng chiều cao đê cửa sông Đối với cửa sơng lớn, sóng gió sóng tàu thuyền tạo hiệu ứng đáng kể tác động lên thân đê đoạn đê chạy sát mép sông khơng có bãi Trong trường hợp sóng khơng phụ thuộc vào chiều sâu nước trước chân cơng trình, tốc độ gió thổi mà cịn phụ thuộc vào đà gió thổi thời gian trì hướng gió tạo tốc độ lớn tạo sóng vùng cửa sơng Ngồi việc làm gia tăng mực nước lưu tốc dịng chảy từ sơng cần phải quan tâm nguyên nhân trực tiếp gây xói chân cơng trình gây trượt mái phía sơng dẫn tới đổ vỡ toàn đê Một đặc điểm cần lưu ý đê vùng thông thường đê cát, gặp nước khơng có lớp áo bảo vệ tốt (tầng lọc lớp kè lát mái) vật liệu thân đê bị rửa trơi chạy bên ngồi gây sập mái dẫn tới phá hoại toàn mặt cắt đê 21.1.1.2 Nguyên nhân từ phía biển Nguyên nhân từ phía biển xem nguy hiểm bao gồm bão, nước dâng kết hợp với thuỷ triều cao hay gió mùa dài ngày kết hợp với triều cao gây nước tràn đê phá hoại mái vốn gia cố Mặt khác tải trọng sóng lớn đánh vào mái đê phía biển, làm bong bật lát mái vốn có trọng lượng không đủ lớn đuợc thi công không kỹ thuật bị phá hoại, tiến tới phá hỏng hồn tồn tuyến đê Khi nước thấp, bãi thấp sóng tác động thường xuyên vào chân đê gây xói chân dẫn tới sạt trượt mái Theo thống kê sóng bão chân đê biển đạt khoảng 1.5m đến 1.8m, nước dâng bão lên tới 2m làm độ sâu nước chân 64 đê tăng lên đáng kể Đây nguyên nhân khuếch đại chiều cao sóng tràn/sóng leo lên mái cơng trình Tải trọng sóng tỉ lệ với chiều cao hướng truyền sóng xu tăng lên đáng kể nguyên nhân gây phá hoại mái đê Lớp đệm ngập mặn hay cơng trình ngăn sóng từ xa có vai trị đáng kể việc đảm bảo an tồn tuyến đê biển Theo nghiên cứu, ngập mặn có chiều cao 2m (vượt mực nước thiết kế), độ rộng dải ngập mặn khoảng 500m lượng sóng giảm tới 70 – 80% Chẳng hạn chiều cao sóng trường hợp khơng ngập mặn chân cơng trình 2m với trường hợp có ngập mặn cịn 0.5m Với ngun nhân từ biển gây loại hư hỏng sau: a) Sóng tràn qua đỉnh đê: Chi tiết chế sóng tràn nghiên cứu kỹ phần Khi sóng nước qua mặt đê nước chảy mái vào phía đồng với vận tốc lớn lên tới – m/s gây xói mặt đê, phá hỏng lớp bảo vệ mái đẩy vật liệu thân đê xuống chân nguyên nhân gây sạt mái Đồng thời nước sóng tràn mái thấm vào thân đê gây q trình bão hồ vật liệu thân đê Q trình hố lỏng kéo theo vật liệu thân đê bị kéo theo khe nứt, lỗ hổng thân đê gây lún đê phá hỏng kết cấu bảo vệ dẫn tới phá hỏng tồn mặt cắt đê b) Áp lực sóng lớn phá hỏng bảo vệ mái theo cách ép xuống thân đê bẻ gẫy bảo vệ cường độ không đủ so với thiết kế sóng rút gây hiệu ứng chân khơng tạo áp lực ngược từ thân đê “nhấc” viên bảo vệ khỏi thân đê Cả trình tạo hư hỏng lan toả xung quanh phá hoại toàn mặt cắt đê Chính thiết kế bảo vệ cường độ chịu tải, người ta quan tâm tới chiều dày tiết diện mặt, cơng thức tính tốn bàn kỹ 65 phần để chọn thơng số, hình thức kết cấu bảo vệ tạo ổn định mái cơng trình c) Khi sóng gió tác động vào đê gây dịng chảy vùng sóng vỡ, khơng có ngập mặn cơng trình giảm sóng khu vực bãi trước bùn cát bị mang theo dòng chảy dọc bờ xa theo dòng chảy xa bờ Lý thuyết chứng minh dải bờ cát, mực nước tăng thêm mét xói tới 70m bờ cận kề với mép nước có bão tạo thành hố xói có sâu tới 5-6m trước chân cơng trình Do tượng xói cục bộ/thường xuyên làm hạ thấp mặt bãi nguyên nhân gây trượt chân, đổ chân kéo theo trượt mái dẫn tới phá hoại hoàn toàn mặt cắt 21.1.1.3 Nguyên nhân thiết kế Do điều kiện kinh tế hạn hẹp, tần suất thiết kế đê biển chọn thấp dẫn tới tình trạng nước tràn thường xuyên qua mặt đê biển – nguyên nhân gây sạt trượt dẫn tới phá huỷ toàn đoạn đê 21.1.1.4 Nguyên nhân thi cơng cơng trình Thi cơng tham số quan trọng định chất lượng cơng trình đê biển Như trình bày phần trên, đê biển thường phải chịu tác động khách quan sau: - Đặt đất yếu - Chịu ảnh hưởng có tính chu kỳ mực nước triều - Chịu ảnh hưởng thường xuyên sóng biển - Hệ thống giao thông không thuận lợi để vận chuyển vật tư thiết bị máy móc đến nơi thi cơng Bên cạnh đó, nguyên nhân chủ quan bao gồm vấn đề sau: 66 - Qui trình thi cơng: Chẳng hạn qui trình đắp đê bao gồm (i) Làm mặt bằng, (ii) Làm nền, (iii) đắp thân đê, (iv) làm lớp bảo vệ mái Ở cơng đoạn cần có qui định kỹ thuật nghiêm ngặt, không tuân thủ tiềm ẩn phá hoại đê Nội dung chi tiết công đoạn kỹ thuật nêu trình bày chuyên đề khác Tuy nhiên xin đưa ví dụ qui trình đắp đất thân đê + Chọn vật liệu đất rời vận chuyển từ nơi khác đến, lõi cát, đất hỗn hợp đất khối nguyên dạng lấy mỏ đất chỗ Tuy nhiên, loại đất phải đảm bảo độ ẩm khơng vượt q độ ẩm hóa lỏng không thấp độ ẩm gây nứt nẻ + Chiều dày lớp đắp không lớn chiều dày cho phép sau lần đắp phải đầm nện lấy mẫu thí nghiệm xác định độ chặt Nếu lớp đắp có độ chặt đạt tiêu chuẩn phép tiếp tục đắp lớp + Với đất đắp khối nguyên dạng qui trình đắp chặt chẽ, chẳng hạn qui định độ ẩm xếp khối, cách xếp khối thời gian giãn cách lần đắp - Chất lượng vật liệu: Đây yếu tố có ý nghĩa định đến chất lượng cơng trình Nếu vật liệu có độ đồng cao, trộn lẫn vật chất hữu cơ, xử lý độ ẩm đật độ ẩm đất đắp thân đê ổn định - Công nghệ thi công: Hiện nay, việc thi công đê biển thường sử dụng phương pháp thi công sau: + Thi công thủ công: Sử dụng lao động chỗ với công cụ thô sơ cuốc xẻng, quang gánh để vận chuyển vật liệu, đắp, đầm nện v.v Thông thường thi công thủ công không giám sát kỹ càng, đặc biệt lại sử dụng vật liệu địa phương chất lượng thấp 67 + Thi công bán giới: Sử dụng kết hợp lao động chân tay với việc sử dụng máy móc đẩy nhanh q trình thi cơng có điều kiện tăng cường chất lượng cơng trình + Thi công giới: Phần lớn công đoạn q trình ti cơng thực với trợ giúp của thiết bị máy móc 21.1.1.5 Nguyên nhân quản lý Sau cơng trình hồn thành đưa vào vận hành chất lượng tuyến đê phụ thuộc vào việc quản lý Ở nước ta, việc quản lý đê biển thuộc chi cục Quản lý đê điều Phòng chống lụt bão, quan hành cấp Cơng việc quản lý gồm vận hành bảo dưỡng thường xuyên tuyến đê Việc vận hành bao gồm theo dõi giám sát thường xuyên hoạt động khu vực làm tổn hại đến tuyến đê chẳng hạn không cho phép phương tiện nặng lại mặt đê; lấy cát bãi trước đê; đào đất phía sau chân đê phía trong, trồng mái mặt đê Bảo dưỡng tuyến đê bao gồm bảo dưỡng thường xuyên nâng cấp định kỳ chẳng hạn mặt đê có hố trũng đọng nuớc, cỏ mái sau bị chết đám nhỏ; tầm bảo vệ mái phía trước bị bỏng có tượng bong cần sửa chữa ngay, tránh để khiếm khuyết nhỏ lan rộng thành mảng lớn gây phá hoại đê Các qui định khai thác cát, sỏi bãi trồng ngập mặn, qui định khuyến khích người dân trồng bảo vệ rừng ngập mặn, chăn thả trâu bò mặt đê, bảo dưỡng trồng cỏ nơi bị chết v.v cần thực thường xuyên 68 21.2 Xác định chiều dày lớp bảo vệ vật liệu hỗn hợp Asphalt 21.3.Xác định điều kiện tính tốn 21.3.1.1 Xác định cao trình đỉnh đê thiết kế Tuyến đê trước nâng cấp theo tiêu chuẩn 14TCN 1302002 chương trình củng cố câng cấp đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam, trường hợp sửa chữa áp dụng cơng thức tính cao trình đỉnh đê theo 14TCN 130-2002 “Hướng dẫn thiết kế đê biển - Bộ NN&PTNT” Zđ = Ztp+Hnd+Hsl+a (3.1) Trong đó: Zđ - Cao trình đỉnh đê thiết kế (m); Ztp- Mực nước biển tính tốn; Hnd - Chiều cao nước dâng bão (m); Hsl - Chiều cao sóng leo (m) 21.3.1.2 Xác định mực nước biển tính tốn (Ztp) Mực nước biển tính tốn mực nước tính tốn theo tần suất bảo đảm vị trí cơng trình, xác định sở phân tích tần suất mực nước biển cao năm Mực nước biển cao ứng với mức bảo đảm khu vực biển Nam Định sau: Bảng 3.1: Mực nước cao ứng với mức bảo đảm P%: Mức bảo đảm (P%) Mực nước (m) 21.3.1.3 P=1% 2,42 P=5% 2,29 P=10% 2,21 Xác định chiều cao nước dâng bão Hnd (m) “Vị trí dự án qua địa bàn huyện Hải Hậu nằm vùng biển có vĩ độ 200N - 210N Theo tiêu chuẩn ngành 14TCN 130-2002 “Hướng dẫn thiết kế đê biển - Bộ NN&PTNT” chiều cao nước dâng bão cho đê cấp III lấy với tần suất P = 20% Chiều cao nước dâng tra phụ lục C bảng C-3 Bảng 3.2: Chiều cao nước dâng bão vùng bờ biển 200N-210N 69 Mức bảo đảm (P%) Chiều cao nước dâng 35 38 17 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 >2,50 Căn vào bảng ứng với tần suất 20% chọn mực nước dâng: Hnd = 1.35m 21.3.1.4 Xác định chiều cao sóng leo Hsl (m) Theo tiêu chuẩn ngành 14TCN 130-2002, chiều cao sóng leo lên mái đê trường hợp mái dốc m = 1,5 đến xác định sau: Hsl = K∆ KwKP + m2 H s xL s (3.2) Trong đó: - K∆: Hệ số nhám tính mái đê gia cố Với hình thức gia cố mái đồ án thiết kế → chọn K∆ = 0.55 - Kw: Hệ số kinh nghiệm tra bảng D-2 Hệ số phụ thuộc vận tốc gió (w) chiều sâu mực nước trước đê Với gió bão cấp 10 có vận tốc W = 24,4-28,4→ chọn Wtt=28,4m/s - Theo tiêu chuẩn ngành 14TCN 130-2002 với cơng trình cấp III tần suất mực nước tính tốn lấy với P = 5% = (+2.29) Với cao độ trung bình mặt bãi trước đê: (+0.50) Chiều sâu cột nước tính tốn trước đê: h=(2,29+1,35 – 0,50)=3.14m (có kể đến chiều cao nước dâng gió) Tra bảng Kw = 1,295 - Kp: Hệ số tính đổi tần suất tích luỹ chiều cao sóng leo (tần suất luỹ tích chiều cao sóng leo lấy 2%) Kp=1,94 - m: hệ số mái dốc phía biển, m = - Hs: Chiều cao trung bình sóng trước đê (m) 70 - Ls: Chiều dài sóng trước đê (m) Tính tốn Hs Ls theo phương pháp Bresthneider: Theo tiêu chuẩn ngành 14TCN 130-2002 phương pháp Bresthneider dựa giả thiết sóng sinh gió khu vực điều kiện bão thiết kế phù hợp khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp hướng gió thổi gHs gh 0.75 0.0125( gD / W ) 0.42 = 0.283 tanh[0.53( ] W2 W tanh[0.530( gh / W ) 0.75 ] (3.3) gTp gh 0.375 0.077( gD / W )0.25 = 2.1,2 tanh[0.83( ] W W tanh[0.833( gh / W )0.375 ] (3.4) Trong đó: Hs - Chiều cao sóng tính tốn (m); Tp - Chu kỳ đỉnh sóng tính tốn (s); D - Đà gió thiết kế (m) D= x1011 ×ν w Trong đó: v: Hệ số nhớt động học khơng khí v=10-5(m2/s) W: Vận tốc gió tính tốn; W = 28.4 m/s → D= 176.056(km) Thay số vào công thức (3.3) (3.4) tính được: Hs= 1,11 m; Tp= 5,088 s; Ls= 23,8 m (Tra bảng B-6 tiêu chuẩn nghành 14TCN 130-2002) Chiều cao sóng trung bình trước đê : 71 Hs= 1,53 → = 0,71m Thay số vào công thức (3.2) ta có: Hsl = 1,26m Thay vào cơng thức (3.1) ta có: Cao trình đỉnh đê thiết kế Zđ = 2,29 +1,35 +1,26 +0,3= 5,2m 22.1 Tính tốn chiều dày lớp phủ Sử dụng biểu đồ hình 2.1 với m = 1:4 ; Hs = 1,18m; đất đắp thân đê Hải Hậu loại đất cát đầm nện tốt chọn mô đun phản lực đê S = 3.108 (N/m3) (ta có chiều dày lớp bảo vệ mái đê h = 0,15 m Vì đoạn đê biển Hải Hậu sử dụng hỗn hợp asphalt chèn đá hộc, để đảm bảo theo chiều dày lớp bảo vệ có hai lớp đá hộc nhằm kiểm tra tính liên kết chúng nên chọn chiều dày lớp gia cố h = 0,3m) mặt c đê c n t r ß n 200 200 200 200 115 2140 70 540 115 30 70 540 1065 1045 phÝa ®ång T ờng chắn sóng BTCT.200# phạ m vi sửa chữa phía biển Hỗn hợ p bê tông atphalt chứa đá hộc dày 30cm Vải địa kỹ thuật ng không dệt Đ dăm lót ( x ) dày 15cm Vải địa kỹ thuật ng dệt Cấu kiện bê tông M200 dày 23cm (+ 5.20) Đ dăm lót ( x ) dày 15cm (+4.70) Vải địa kỹ thuật ng dệt i =1% (+5.00) m =4 (+2.00) èng buy BT M.200# Dµy 15cm ; l=2m; D=1m 30 Khung dÇm ngang BTCT M200; KT(30x40) cm = m =2 70 (- 0.50) mỈt b· i m m= Chi tiết I 35 Rọ đá vỏ thép m¹ kÏ m kt (2x1x1)m Hình 3.5 kết cấu mái đê gia cố vật liệu hỗn hợp Asphalt chèn đá hộc 22.1 Nghiên cứu tính tốn kiểm tra điều kiện đẩy 22.2.Xác định áp lực đẩy Mực nước thiết kế lớn có sóng bão gây tràn, sau khoảng thời gian mực nước biển rút dần, mực nước ngầm thân đê gây áp lực đẩy Từ cao trình 2,1 đến 4,7 mái đê gia cố cấu kiện bê tông lục lăng m =2 72 có khả nước tốt Từ cao trình 2,1 trở xuống mục nước triều thấp cần xác định áp lực đảy lớp gia cố thử nghiệm, loại vật liệu không thấm Áp lực đẩy lớn σ wo theo sơ đồ hình 3.7 xác định theo cơng thức: σ w0 = ρ w g ( p + h cos α ) (3.5) Trong đó: σ wo = Áp lực đẩy lớn (N/m2); ρ w = Khối lượng riêng nước, ρ w = 1024 (kg/m3); g – Gia tốc trọng trường, g=9,81 m/s2 p = độ chênh mực nước cao tạo áp lực đẩy độ chênh mực nước khoảng chênh cao trình hàng ống tiêu nước liền nhau, với khoảng cách ống mặt đê 1m đặt so le, mái đê m=4 khoảng chênh cao là: p=0,17m h = chiều dày lớp gia cố (m), h = 0,3m; α - góc nghiêng mái phía biển, α =140, cos α = cos140 =0,97 Thay số vào (3.5) ta có: σ w0 = 1024 × 9,81× (0,17 + 0,3 × 0,97) = (N/m2); 23.1 Kiểm tra chiều dày thiết kế đảm bảo tiêu chuẩn đẩy Để lớp gia cố không bị đẩy nổi, trường hợp khơng có kết cấu chân đỡ (bất lợi nhất), tiêu chuẩn không bị đẩy : h≥ σ w0 ρ a g cos α (3.6) Trong : σ w0 - Lực đẩy lớn (N) =4676 N/m2 α - Góc nghiêng mái đê, với m=4 có α =140cos α = 0,970 g=9.81 m/s2 73 ρ a - Khối lượng riêng vật liệu lớp gia cố ρ a = 2300kg/m3 Thay vào công thức (3.6): h≥ σ w0 4676 = = 0,21 ρ a g cos α 2300 × 9,81 × 0,97 Vậy với độ dày lớp gia cố thử nghiệm h=0,3m mái đê không bị đẩy 23.1 Nghiên cứu tính tốn kiểm tra điều kiện trượt Kiểm tra chiều dày thiết kế đảm bảo tiêu chuẩn trượt Ở vị trí áp lực đẩy lớn h≥ σ w0 f ρ a g ( f cos α − sin α ) (3.7) Trong đó: h - Chiều dày lớp gia cố (m); σ w0 - Áp lực đẩy lớn (N/m2) theo kết tính cơng thức (3.5) σ w0 =4676 (N/m2); f - Hệ số ma sát; θ - Góc ma sát đá hộc chèn asphalt đất, chọn θ =400 φ - Góc ma sát đất; theo báo cáo khoan địa chất tháng 5/2014 [6a], lớp đất thân đê có φ = 21o21’; nên f = tan θ , f =tan 400= 0,839 ρ a - Khối lượng riêng vật liệu gia cố ρa = 2300 (kg/m3) ; g - Gia tốc trọng trường (m/s2); α - Góc nghiêng mái đê (độ), với m=4 có α =140, sin 140 =0,242 g = Gia tốc trọng trường (m/s2); Thay số liệu vào công thức (3.7) σ w0 f 4676 × 0,839 = = 0,30m ρ a g ( f cos α − sin α ) 2300 × 9,81(0,839 × 0,97 − 0,242) Vậy với độ dày lớp gia cố thử nghiệm h=0,3m không bị trượt 74 23.2 Kiểm tra an toàn lớp gia cố chịu tác động sóng dội vào Tính tốn kiểm tra Tốc độ sóng dội vào lớp gia cố thường lớn, tính theo cơng thức (3.8) V p2 2g = φ12φ H bξ / → V p = gφ12φ2 H bξ / (3.8) Trong đó: V p - tốc độ sóng vỡ mái trực tiếp vào lớp gia cố (m/s); H s = Hb - Chiều cao sóng vỡ mái đê (m), với mái dốc đê Nam Định, m=4 đặc điểm địa hình bãi chân đê loại sóng vỡ mái đê dạng Surging có H s =0,77m; ξ - Chỉ số sóng vỡ, ξ = 2,5; φ1 - Hệ số ổn định lớp gia cố loại mái nhẵn, chọn φ1 =0,6; d b -Chiều sâu ảnh hưởng bụng sóng (m), xem hình (3.9); db = H sξ / = 0,77 × 2,52 / = 1,032 m; hb -Tổng chiều cao ảnh hưởng áp lực sóng, xem hình (3.9); hb = H s + db = 0,77 + 1,032 = 1,80 ; φ2 - Hệ số ổn định lớp gia cố chịu tác động tổng chiều cao ảnh hưởng áp lực sóng φ2 = hb db = 1,80 1,032 = 1,74 Thay thông số vào (3.8) Ta V p = 9,81× 0,62 × 1,74 × 0,77 × 2,52 / = 2,1 m/s 75 23.2.1.1 Kiểm tra theo cân lực Lớp gia cố khơng bị đẩy cong khi: G≥F =N (3.9) Trong đó: G – Trọng lượng lớp gia cố phạm vi sóng dội 1m dài đê (N/m): N – Phản lực đẩy ngược lớp gia cố; F - Lực khối sóng dội vào lớp gia cố,tính cho 1m dài đê (N/m); N= F = mV p2 (3.10) Vp – Tốc độ sóng đổ vào lớp gia cố (m/s); Vp =2,1m/s m – Trọng lượng nước khối sóng tính cho 1m dài đê dội vào lớp gia cố phạm vi sóng tác động (N/m), gần đúng: m = ρw g × H b Ls 0,77 × 21,51 = 9,81 × 1020 × = 82826 N / m 2 Ls – Chiều dài bước sóng (m), Ls =21,51 m; ρ w - khối lượng riêng nước biển, ρ w = 1020kg / m3 Thay thông số vào cơng thức (3.10) ta có: mV p2 82826 × 2,12 N= F = = = 182831N / m 2 G = ρ as g × Vas = ρ as g × dLs 0,3 × 21,51 = 2300 × 9,81× = 190725 N / m 2 d – chiều dày lớp gia cô, d=0,3m ρ as -Khối lượng riêng vật liệu gia cố asphalt (kg/m3) Theo công thức (3.9) : G ≥ N → 190725 N/m>182831 N/m 76 Kết luận 1: Với lực sóng đổ vào mái đê, lớp gia cố không bị đẩy cong cục 23.2.1.2 Kiểm tra theo tiêu chuẩn Hà Lan [11] Công thức thực hành xác định tiêu chuẩn lớp gia cố đá asphalt không bị đẩy cong tác động sóng tạo khối nước dư khơng tiêu thoát kịp φ ξ 2/3 z ≤ Hs ∆d (3.11) Trong đó: ξ z - số vỡ sóng tác dụng đá cắm ξ z = tan α 1,25Tz Hb (3.12) Tz - Chu kỳ sóng (s) ; Tz = 5,132 s α - góc nghiêng mái đê, với m=4 tan α =1/4 Hb – Độ cao sóng vỡ Hb = 0,77m Thay thơng số vào cơng thức (3.12) ta có ξ z = tan α 1,25Tz 1,25 × 5,132 = × = 1,83 Hb 0,77 φ - Hệ số ổn định tổng thể φ= Vp gH s × ξ , 25 z = 2,1 2,1 = = 0,657 , 25 2,75 × 1,163 9,81 × 0,77 × 1,83 lệu lớp gia cố, ∆ = ρ as − ρ n = 1,2 ρn d - Chiều dày lớp gia cố, d =0,3m Thay thông số vào công thức (3.4) ta có: 0,567 0,77 ⇒ 0,379