Nguyên nhân và cơ chế phá hủy của lớp gia cố mái đê biển dưới tác dụng của sóng bão

Dựa trên các kết quả khảo sát sạt lở của đê, kè biển ở miền Bắc nước ta trước và sau bão, bài báo này đi sâu phân tích nguyên nhân và cơ chế phá hoại của lớp gia cố mái đê, kè biển. Từ đó đề xuất các giải pháp kết cấu hợp lý nhằm nâng cao khả năng ổn định chống sóng của mái đê kè biển trong điều kiện Việt Nam.

NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ PHÁ HỦY CỦA LỚP GIA CỐ MÁI ĐÊ BIỂN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA SÓNG BÃO TS Trần Văn Sung KS Trịnh Ngọc Hoàng Khoa Xây dựng Cơng trình thủy Trường Đại học Xây dựng Tóm tắt: Dựa kết khảo sát sạt lở đê, kè biển miền Bắc nước ta trước sau bão, báo sâu phân tích nguyên nhân chế phá hoại lớp gia cố mái đê, kè biển Từ đề xuất giải pháp kết cấu hợp lý nhằm nâng cao khả ổn định chống sóng mái đê kè biển điều kiện Việt Nam Summary: On basic of analyzing some landslides of North Vietnam dykes before and after storms, this article concentrates to judge and evaluate some causes and mechanisms that destroy reinforced layers of sea dyke roofs in North Vietnam in particular and sea dykes in general By this proposes, some solutions were proposed to solve these problems in Vietnam condition Đặt vấn đề Gia cố mái đê hợp phần quan trọng công tác bảo vệ bờ biển Từ trước tới có nhiều cơng trình khoa học ngồi nước tập trung nghiên cứu cải tiến kết cấu vật liệu gia cố mái đê biển Các kết thu đáng khích lệ, nhiên bên cạnh có bất cập cần phải khắc phục Điển hình số việc ứng dụng nghiên cứu bê tông lát mặt số tuyến đê biển xung yếu nước ta thời gian gần Về bản, ứng dụng giúp đê biển ổn định điều kiện sóng gió bình thường, điều kiện sóng bão với mực nước triều cường chúng lại không giúp thu kết mong muốn Qua thực tế khảo sát đê biển tỉnh Bắc bộ, đặc biệt đê biển Hải Hậu (Nam Định), đê biển Cát Hải Đồ Sơn (Hải Phòng) nơi chịu ảnh hưởng nặng nề bão kết hợp với triều cường, báo tập trung phân tích nguyên nhân chế phá hủy sóng bão dạng kết cấu này, từ đề giải pháp khắc phục thích hợp Một số dạng phá hủy kết cấu mái đê biển tác dụng sóng bão Để phục vụ cho cơng tác nghiên cứu, tiến hành đợt khảo sát tháng 10/2010 đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Bình, đối chiếu với vệt bão từ 2005 đến 2010 nhân dân cung cấp tham khảo tài liệu [1-5] Qua phân tích nhận thấy hầu hết đê biển bị phá hoại có bão đổ nước dâng triều cường; sóng dội đập vào đỉnh đê tràn qua đê Về có dạng phá hoại sau: Dạng thứ 1: Mất ổn định phần đỉnh mái đê phía biển: Nhiều khối gia cố phía gần đỉnh đê bị lật, số lại mái, số khác bị sóng dòng triều trơi xung chõn (hỡnh 1) Tạp chí khoa học công nghƯ x©y dùng Sè 9/5-2011 55 Dạng thứ 2: Mất ổn định phần đỉnh mái đê phía đồng: Ở nhiều đoạn, lớp gia cố mái bị lật, bong tróc trơi, đất đắp thân đê bị dòng chảy trơi (hình 2) Dạng thứ 3: Phần liên kết với chân kè: Ở nhiều vị trí tiếp giáp chân cấu kiện đúc sẵn với cấu kiện chân kè có liên kết hở, nhỏ lẻ, khuyết nhỏ nên sóng vỗ vào, áp lực thủy động, khối gia cố mái bị hất lên, sau đến pha sóng rút khối bị dòng nước kéo phía Quan sát cho thấy tồn vệt hẫng kéo dài dọc theo mái (hình 3) Hình Bong tróc mái gia cố gần đỉnh đê Hình Sạt trượt mái phía đồng 56 Sè 9/5-2011 T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng Hỡnh Khi gia c mái bị sóng rút kéo phía ngồi Phân tích nguyên nhân chế phá hủy mái đê Trước vào tìm hiểu chế gây ổn định cho lớp gia cố mái tác dụng sóng, ta xét cân khối đặc nằm mái dốc nghiêng góc  với mặt phẳng nằm ngang (hình 4) Hình Khối đơn nằm dốc nghiêng Các lực tác dụng lên khối bao gồm: - Lực đẩy sóng tác dụng: N = K.w.H.S (1) đó: w trọng lượng riêng nước biển, H chiều cao sóng tác dụng; S hình chiếu diện tích khối mặt dốc, K hệ số thủy lực tổng hợp; - Trọng lượng hữu hiệu khối W o W o = (b-w).h.S.(1-P) (2) đó: b trọng lượng riêng khối (một cách gần b  2,5w); h chiều cao khối, P hệ số rỗng khối; Do giả thiết khối đặc P = 0, W o = 1,5 w.h.S - Lực ma sát F tiếp xúc khối khối Để đơn giản, ta giả thiết xếp khối di trờn Tạp chí khoa học công nghƯ x©y dùng Sè 9/5-2011 57 F = f W 0.sin (3) đó: f hệ số ma sát hai lớp bê tơng (f có giá trị từ 0,75-0,8) Phương trình cân sau K.w.H.S = 1,5.w.h.S.(cos + f.sin) m+ f Đặt K = (cos + f.sin) = + m2 (4) ; m=cotg Giản ước w.S viết lại công thức sau K.H = 1,5.h.K (5) - Phương trình ổn định chống lật điểm O K.w.H.S b b h + 1,5.w.h.S.sin = 1,5.w.h.S.cos 2 Giản lược ta phương trình K.H + 1,5 h2 sin = 1,5.h.cos b (6) b - bề rộng khối theo chiều mặt cắt ngang đê Qua tìm hiểu thực địa kết hợp với tài liệu thu thập số liệu quan trắc yếu tố động lực thời gian có bão tình trạng mặt cắt đê, kè bị phá hoại sau bão, sơ đưa vị trí xung yếu mái đê biển thời gian chịu tác động sóng bão Trên hình 5, nhiều vị trí xung yếu mặt cắt ngang vị trí A, B B B2 A1 A A2 B1 MNTT PhÝa ®ång PhÝa biĨn Hình Những vị trí xung yếu mặt cắt ngang a) Tại vị trí A Xét trạng thái cân khối A1 A2 phía biển với giả thiết khối có kích thước Trạng thái nguy hiểm khối phủ mái diễn sóng bão kết hợp với triều cường mực nước biển xấp xỉ cao trình đỉnh đê Ta có trường hợp: Trường hợp 1: Khi khối A1 A2 khơng có liên kết với trạng thái ổn định khối A2 tương tự trường hợp khối đơn xét theo hệ phương trình (5), (6) 58 Sè 9/5-2011 T¹p chí khoa học công nghệ xây dựng Trng hp 2: Khối A1 đúc liền khối với A2, lực giữ khối ngồi lực kể trên, bao gồm trọng lượng W khối A1 (hình 6) Xét trường hợp đơn giản thiên an toàn tính tốn trường hợp mực nước triều xấp xỉ đỉnh đê sóng đổ vào vị trí khối A2 Khi hệ phương trình cân cho khối sau: K.H = 1,5.h.K + 2,5.h.cos (7) Lấy phương trình mơ men với điểm O1 ta được: K.H + 1,5 h2 sin = 1,5.h.cos + 2,5.h.(1+2.cos) b (8) Để tiến hành xác định gia tăng ổn định cho khối khối đúc liền, ta tiến hành so sánh thành phần sau: Gia tăng ổn định cho khối việc xét tỉ số vế phải phương trình (7) với vế phải phương trình (5) a= 1,5.h.K + 2,5.h cos cos = 1+ 1,5.h.K K (9) Gia tăng ổn định lật cho khối việc xét tỷ số vế phải phương trình (8) với vế phải phương trình (6): b= 1,5.h cos + 2,5.h.(1 + cos )  + cos  = +   1,5.h cos  cos  (10) Thông thường thiết kế, mái dốc lấy: m =  4, theo  = 27o  14o, cos = 0,891  0,97 nên ta nhận được: a = 1,19  1,38; b = 5,05  5,20 Như vậy, so với trường hợp khối A1 A2 rời với trường hợp A1 A2 liền khối, hệ số ổn định đẩy khối tăng lên từ 119%  138%, hệ số ổn định lật khối tăng từ 505%  520% Rõ ràng việc tạo liên kết liền khối khối gia cố mái với khối đỉnh đê làm gia tăng đáng kể hệ số ổn định cho khối lát mái vị trí xung yếu Từ thực tế này, người ta thường kết hợp khối làm đế tường hắt sóng Trong trường hợp khơng làm tường hắt sóng, người ta phải đúc liền chỗ A1 A2 w2 s w1 w2 cos in MNTT F PhÝa biÓn o1 w2  w1 cos N Hình Ổn định khối ti v trớ A Tạp chí khoa học công nghệ x©y dùng Sè 9/5-2011 59 Quay trở lại thực tế đê biển Hải Hậu, Cát Hải Đồ Sơn, khối bê tông gia cố mái thường khối rời, trạng thái ổn định khối rơi vào trạng thái thứ phân tích, xảy bão, cho dù cấp bão thiết kế đê (như bão số năm 2005 gây gió mạnh cấp – 9) mực nước triều cường, sóng vỗ trực tiếp vào đỉnh đê theo khe hở khối A1 A2 làm xói đất đắp thân đê Ở nửa chu kỳ sóng tiếp theo, áp lực đẩy sóng rút, khối A2 khơng quay quanh tâm trượt O1 bị nhấc khỏi vị trí cân ban đầu bị kéo xuống Điều tạo điều kiện cho sóng tiếp tục khoét sâu vào thân đê Quá trình tiếp tục tiếp diễn với khối bên dưới, làm ổn định tổng thể cho tồn tuyến đê Trên hình 6, đường cong đứt biểu thị mặt trượt cục mái đê tác động sóng trường hợp khối đơn đỉnh mái không liên kết b) Tại vị trí B Trong điều kiện bình thường, trạng thái ổn định khối đơn ổn định chống trượt dọc theo mái dốc Trong trường hợp sóng bão, mực nước xấp xỉ vượt cao trình đỉnh đê, dòng chảy sóng đổ vào dòng triều tràn qua đỉnh đê tạo ngoại lực R tác động lên khối có hướng song song với đỉnh đê Trạng thái ổn định khối ổn định chống lật quanh điểm O2 (hình 7) B1 B2 in F PhÝa ®ång Rcos Rsin R s w1 o w cos w1 MNTT w2  Hình Ổn định khối vị trí B (R lấy động lượng sóng tràn) Như nhận định, đê biển Hải Hậu - Nam Định, Hải Hà - Quảng Ninh, Cát Hải - Hải Phòng, tương tự mái phía biển, mái phía đồng, khối gia cố mái B1 khối lát đỉnh đê B2 khối rời Với động lượng dòng chảy sóng tương đối lớn, đủ khả làm lật khối B1 quanh điểm O2 bị dòng chảy tiếp tục trôi xuống chân đê Đất đắp thân đê khối gia cố bên dễ dàng bị dòng chảy bào xói Trên hình 7, cung tròn đứt thể dạng mặt trượt mái đê khối B1 bị ổn định lật Tương tự trường hợp điểm A, xét cân chống lật khối quanh điểm O2, với việc xét đến lưu tốc dòng sóng tràn qua đỉnh đê, ta thấy dạng kết cấu B1 B2 liền khối, hệ số ổn định lật khối tăng so với trường hợp khối B1 B2 khơng có liên kết từ (240%  400%) Q trình thí nghiệm mơ hình vật lý Viện Khoa học Thủy lợi cho thấy: Khi khe hở khối gia cố mái với khối lát đỉnh đê nhỏ nước xi măng, giới hạn phá hoại mái đê tăng lên cấp Kết luận Thơng qua phân tích kể cho thy rng: 60 Số 9/5-2011 Tạp chí khoa học công nghƯ x©y dùng Ngun nhân gây ổn định cho lớp gia cố mái đê biển chịu tác động nhiều yếu tố, đó, yếu tố liên kết khối với đóng vai trò quan trọng việc giữ ổn định khối Qua phân tích ảnh tư liệu vị trí đê sạt trượt so sánh, đối chiếu với cung trượt cho thấy việc thiếu liên kết khối bê tơng gia cố mái vị trí biên với đỉnh đê nguyên nhân tạo phá hoại cục từ dẫn đến phá hoại toàn mái đê Nguyên nhân phá hoại kết cấu mái đê biển kết hợp sóng dòng chảy sóng bão, tác động lên mái dốc đê Cơ chế phá hoại kết cấu mái đê bão cộng với triều cường xuất phát từ việc phá hoại cục điểm xung yếu nằm ranh giới mặt đê mái dốc đê Việc đúc liền khối A1 - A2, B1 - B2 giải pháp hữu hiệu làm gia tăng ổn định cho mái đê biển Tài liệu tham khảo Trần Văn Sung (1996), Nghiên cứu chế tạo, ứng dụng cấu kiện chống sóng cơng trình biển, Đại học Xây dựng Phan Đức Tác (1996), Nghiên cứu giải pháp công trình bảo vệ mái đê biển Việt Nam mảng mềm từ cấu kiện bê tông đúc sẵn, Luận án Phó tiến sỹ khoa học kỹ thuật Vũ Minh Cát (2009), Nghiên cứu, đề xuất mặt cắt ngang đê biển hợp lý với loại đê phù hợp với điều kiện vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam, Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn Trần Văn Sung (2011), Nghiên cứu chế phá hoại lớp gia cố mái đê biển đề xuất giải pháp kết cấu hợp lý, nâng cao độ ổn định cấu kiện chống sóng điều kiện Việt Nam, Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Bộ Giáo dục Đào tạo, mã số B2009-03-63 Trịnh Việt An (1998), Nghiên cứu đánh giá ổn định khối bê tông lập phương dùng gia cố đê biển, Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN, Viện Khoa học Thủy lợi Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 9/5-2011 61 ... gia cố mái vị trí biên với đỉnh đê nguyên nhân tạo phá hoại cục từ dẫn đến phá hoại tồn mái đê Nguyên nhân phá hoại kết cấu mái đê biển kết hợp sóng dòng chảy sóng bão, tác động lên mái dốc đê. .. mái gia cố gần đỉnh đê Hình Sạt trượt mái phía đồng 56 Sè 9/5-2011 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Hỡnh Khối gia cố mái bị sóng rút kéo phía ngồi Phân tích ngun nhân chế phá hủy mái đê Trước... Trước vào tìm hiểu chế gây ổn định cho lớp gia cố mái tác dụng sóng, ta xét cân khối đặc nằm mái dốc nghiêng góc  với mặt phẳng nằm ngang (hình 4) Hình Khối đơn nằm dốc nghiêng Các lực tác dụng