Nghiên cứu ổn định và độ bền của khối phủ RAKUNA IV xếp rối trên đê chắn sóng đá đổ tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN QUANG LƯƠNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA-IV XẾP RỐI TRÊN ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÁ ĐỔ Ngành: Mã số: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Biển 58 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: GS TS Thiều Quang Tuấn Phản biện 1: PGS TS Phùng Đăng Hiếu - Viện Nghiên cứu Biển Hải đảo Bộ Tài nguyên Môi trường Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Ngọc Thắng - Trường Đại học Thủy lợi Phản biện 3: PGS TS Phạm Hiền Hậu - Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc … … ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơ chế ổn định tượng khối phủ bê tông bị xoay lắc tác động sóng chế thường gặp dạng khối phủ liên kết lớp có hình dạng mảnh xếp rối mái đê chắn sóng dạng đá đổ Tuy nhiên, điều chưa xem xét khối phủ bê tơng bị nứt vỡ giá trị ứng suất phát sinh bề mặt bị rung lắc, xoay chuyển va chạm vào tác động sóng dịng chảy vượt q cường độ hay giá trị độ bền học cho phép vật liệu chế tạo khối phủ Hư hỏng kết cấu khối phủ riêng rẽ dẫn đến tượng ổn định thủy lực phát triển dần toàn lớp phủ đê chắn sóng đá đổ, đặc biệt khu vực có độ sâu lớn, đặc biệt đoạn đầu đê nằm ngồi vùng sóng vỡ Do vậy, thấy tầm quan trọng việc xem xét thêm độ bền khối phủ bên cạnh ổn định thủy lực xếp rối nhiều lớp mái đê chắn sóng dạng đá đổ nhằm tránh tượng nứt vỡ đảm bảo tính ổn định tổng thể khối phủ trình làm việc Trong xu phát triển chung giới, khối phủ RAKUNA-IV dạng kết cấu Nhật Bản phát minh công ty Nikken Kogaku vào năm 2007 (mã đăng ký quyền HRK-080001-VE, số hiệu 1343) ứng dụng cho 12 dự án khác Nhật Bản giai đoạn từ 2008 đến 2009, gần cảng Nghi Sơn (Thanh Hóa) vào năm 2006, cảng Chân Mây (Thừa Thiên Huế) năm 2019 Việt Nam tới cảng Vân Phong cảng Vĩnh Tân Đã có số nghiên cứu tiến hành trước khối phủ RAKUNA-IV tập trung vào ổn định thủy lực trường hợp xếp lớp mái đê trường hợp sóng vỡ, chưa có nghiên cứu ổn định khối phủ trường hợp xếp rối tác động sóng khơng tràn (đỉnh đê cao so với mực nước) sóng chưa vỡ (khi đầu đê nằm khu vực có độ sâu lớn), đặc biệt chưa có nghiên cứu độ bền khối phủ bị va đập chuyển động xoay lắc trình làm việc Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ổn định độ bền khối phủ RAKUNA-IV xếp rối đê chắn sóng đá đổ thơng qua thí nghiệm mơ hình vật lí máng sóng mơ mơ hình tốn Các kết nghiên cứu sau ứng dụng cho cơng trình cụ thể, từ đưa kiến nghị giải pháp cho công tác thiết kế, sản xuất thi công khối phủ RAKUNA-IV áp dụng cho đê chắn sóng thực tế Vì lý nêu tác giả luận án chọn đề tài “Nghiên cứu ổn định độ bền khối phủ RAKUNA-IV xếp rối đê chắn sóng đá đổ” mang tính cấp bách, thời thiết thực Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Khối phủ RAKUNA-IV xếp rối đê chắn sóng đá đổ điều kiện sóng khơng tràn không vỡ 3.2 Phạm vi nghiên cứu Ổn định độ bền khối phủ RAKUNA-IV xếp rối lớp mái phía biển đê chắn sóng đá đổ điều kiện sóng khơng tràn không vỡ; Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Để giải mục tiêu nhiệm vụ nêu trên, luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: phương pháp thống kê; phương pháp thí nghiệm mơ hình vật lý máng sóng; phương pháp sử dụng mơ hình tốn; phương pháp chun gia Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học Luận án tiến hành nghiên cứu thơng qua thí nghiệm mơ hình vật lý để nghiên cứu ổn định thủy lực độ bền khối phủ RAKUNA-IV mái đê phía biển mặt thủy lực trường hợp xếp rối lớp điều kiện sóng khơng tràn khơng vỡ Ngoài ra, luận án kết hợp mơ hình tốn dạng phần tử hữu hạn để nghiên cứu độ bền khối phủ RAKUNA-IV bị xoay lắc mái đê tác động sóng 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Các kết nghiên cứu luận án ổn định độ bền điều kiện thi công làm việc thực tế, đặc biệt khu vực có độ sâu lớn, tài liệu tham khảo, kết hợp với tiêu chuẩn thiết kế để áp dụng thiết kế, tư vấn cho đê chắn sóng đá đổ sử dụng khối phủ RAKUNA-IV thực tế nhằm nâng cao hiệu kinh tế, kỹ thuật, đồng thời giảm chi phí khắc phục hay sửa chữa đê chắn sóng thời gian làm việc Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, luận án bao gồm 04 chương sau: CHƯƠNG 1: Tổng quan khối phủ bê tông bảo vệ cho đê chắn sóng đá đổ; CHƯƠNG 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu ổn định độ bền khối phủ mái đê chắn sóng đá đổ; CHƯƠNG 3: Kết nghiên cứu ổn định độ bền khối phủ RAKUNA- IV; CHƯƠNG 4: Ứng dụng kết nghiên cứu vào tính tốn thiết kế lớp phủ mái đê chắn sóng bảo vệ cảng Chân Mây, tỉnh Thừa Thiên Huế CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KHỐI PHỦ BÊ TÔNG BẢO VỆ CHO ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÁ ĐỔ 1.1 Tổng quan khối phủ bê tơng bảo vệ mái đê chắn sóng đá đổ Các khối phủ bê tơng ngồi khả liên kết với cịn có khả tiêu tán lượng sóng tốt, giảm áp lực lên kết cấu đê chắn sóng đá đổ Các khối phủ bảo vệ thường sử dụng để phủ mặt phía biển phía bên (phía cảng) phần đầu đê Những dạng khối phủ phát triển cải tiến có tính phù hợp với điều kiện sóng khác nhau, đáp ứng ngày tốt yêu cầu thực tế khó khăn đa dạng công tác xây dựng cảng nước sâu cơng trình bảo vệ bờ biển Trong xu phát triển chung giới, khối phủ RAKUNA-IV dạng kết cấu Nhật Bản phát minh công ty Nikken Kogaku vào năm 2007 RAKUNA-IV có cấu tạo bốn chân Tetrapod góc cạnh đặc biệt có thêm 04 hốc lõm chân tên gọi Đã có số nghiên cứu tiến hành trước ổn định cấu kiện RAKUNA-IV tập trung vào ổn định thủy lực trường hợp khối phủ xếp chưa có nghiên cứu ổn định khối phủ độ bền tương ứng trường hợp xếp rối Đây vấn đề thực tiễn mang tính cấp bách mà hầu hết trường hợp (đặc biệt khu vực có độ sâu lớn) khối phủ cho đê chắn sóng đá đổ thường thi cơng theo phương pháp xếp rối 1.2 1.2.1 Tổng quan ổn định thủy lực khối phủ bê tông Giới thiệu chung Tính nay, có hàng loạt nghiên cứu ổn định khối phủ đê mái nghiêng phát triển cho công thức khác Tyrel (1949), Mathews (1951), Rodolf (1951), Iribarren Nogales (1950), Larras (1952), Hedar (1953) v.v Dựa việc xem xét cân lực tác động lên cấu kiện lớp phủ, có nhiều tác giả xác định dạng cơng thức tính tốn ổn định thủy lực cho cấu kiện má dốc, ví dụ cơng thức Iribarren (1938), Iribarren Nogales (1954), công thức Hudson (1958, 1959), cơng thức Svee (1962) Kể từ đó, hàng loạt nghiên cứu ổn định khối phủ đê mái nghiêng phát triển cho công thức khác Tyrel (1949), Mathews (1951), Rodolf (1951), Iribarren Nogales (1950), Larras (1952), Hedar (1953) 1.2.2 Các nghiên cứu ổn định thủy lực khối phủ bê tông Hudson (1959) đưa cơng thức tính tốn ổn định cho viên đá tác động sóng dựa cơng thức ngun thủy Iribarren Cơng thức sau tổng quát hóa để áp dụng cho khối phủ nói chung (đá khối bê tơng dị hình) với điều kiện sóng ngẫu nhiên, kích thước khối phủ biểu thị thông qua đại lượng đường kính danh nghĩa Dn Dựa kết từ nhiều thí nghiệm mơ hình phịng thí nghiệm Delft Hydraulics, Van der Meer (1988) đưa dạng công thức bao quát cho khối phủ Tetrapod xếp lớp với hệ số mái 1/1,5 điều kiện sóng khơng vỡ khơng tràn Van der Meer, J.W and Heydra, G (1991) xét thêm chế xoay lắc (rocking) nghiên cứu ổn định khối phủ Tetrapod, đưa kết luận hầu hết cấu kiện ổn định theo chế xoay lắc tập trung khu vực quanh mực nước thiết kế Các kết thí nghiệm sử dụng để tính tốn giá trị ứng suất lớn khối phủ số khối phủ bị nứt vỡ, bao gồm phân bố điều kiện tải trọng, ứng suất bên khối phủ hệ va chạm cường độ chịu kéo bê tơng Các phương pháp thí nghiệm đo đạc mang tính bổ sung cho phương pháp đề xuất Burcharth Howell (1988) nhằm đo đạc trực tiếp giá trị ứng suất khối phủ Đối với khối phủ RAKUNA-IV, Mase, H., Yasuda, T., Mori, N., Matsushita, H Reis, M.T.(2011) tiến hành nghiên cứu ổn định trường hợp mặt cắt thiết kế đê chắn sóng dạng hỗn hợp ngang, xem xét tác dụng độ dốc sóng sóng vỡ, với độ dốc bãi 1/30, độ dốc bãi 1/15 đáy ngang (độ sâu nước khơng đổi) Dựa việc phân tích kết nghiên cứu việc áp dụng khối phủ RAKUNA-IV xếp lớp đê chắn sóng dạng đá đổ điều kiện sóng khơng tràn tiến hành máng sóng Trường Đại học Thủy lợi từ năm 2010, Tuấn cộng trạng thái ban đầu RAKUNA-IV có tính ổn định cao vào khoảng 1,6 lần so với khối Tetrapod Tuấn cộng (2012) đưa công thức tính tốn ổn định thủy lực cho khối phủ RAKUNA-IV, với dạng tương tự khối phủ Tetrapod đưa Van der Meer (1998), thông qua việc phân tích hồi quy dựa vào số liệu thí nghiệm thu Suh, Kyung-Duck & Hoon Lee, Tae & Matsushita, Hiroshi & Ki Nam, Hong (2013) tiến hành thí nghiệm mơ hình cho nhiều điều kiện sóng độ dốc mái khác để thiết lập công thức ổn định cho khối phủ RAKUNA-IV bảo vệ cho đê chắn sóng dạng đá đổ Thơng qua kết từ thí nghiệm mơ hình vật lý máng sóng, Giang (2015) vào phân tích đánh giá ổn định khối phủ RAKUNA-IV ảnh hưởng sóng tràn tính chiết giảm sóng tràn khối phủ thay đổi theo tính chất tương tác sóng mái đê Sự kết hợp máng sóng vật lý máng sóng số sâu vào giải thích chất vật lý hiệu ứng "đệm nước", yếu tố chi phối tính chiết giảm sóng tràn khối phủ RAKUNA-IV, xây dựng công thức thực nghiệm xác định mức độ gia tăng ổn định khối phủ RAKUNA-IV cho đê đá đổ mái nghiêng có sóng tràn phản ánh qua hệ số gia tăng ổn định hệ số chiết giảm sóng tràn 1.3 1.3.1 Tổng quan độ bền khối phủ bê tông Giới thiệu chung Các khối phủ dạng mảnh phức tạp Tetrapod Dolos sử dụng cách rộng rãi cho đê chắn sóng dạng đá đổ Sự nứt vỡ khối phủ gây nhiều hư hỏng cho đê chắn sóng, nhu cầu việc nghiên cứu ứng suất khối phủ tác động sóng đặt Ổn định lớp phủ bảo vệ giảm khối phủ bị phá hủy làm giảm hiệu liên kết Ngoài ra, mảnh vỡ từ khối phủ bị hất văng tác động sóng làm gia tăng hư hỏng nứt vỡ Nhằm làm giảm nứt vỡ, cần thiết phải đảm bảo độ bền khối phủ bê tông 1.3.2 Các nghiên cứu độ bền ứng suất khối phủ bê tông Đã có nhiều nghiên cứu mơ hình thí nghiệm xây dựng để đo đạc ứng suất khối phủ Tetrapod, Dolos có gắn thiết bị đo sử dụng tenxơ ứng suất-biến dạng điều kiện chịu tác động sóng Điển hình nghiên cứu Burcharth, Van de Meer, Angremond, Howell, Ligteringen, Nishigori, Terao nhiều người khác Đã có nhiều nghiên cứu mơ hình thí nghiệm xây dựng để đo đạc ứng suất khối phủ có gắn thiết bị đo sử dụng ten-xơ ứng suất-biến dạng điều kiện chịu tác động sóng Điển hình nghiên cứu Burcharth (1980, 1981, 1983, 1986, 1988, 1990, 1991, 1993, 1994), Van de Meer (1990, 1991), Angremond (1994), Howell (1988), Ligteringen (1985), Nishigori (1986), Terao (1982) nhiều người khác Nhiều hư hỏng nghiêm trọng gần đê chắn sóng dạng đá đổ mái nghiêng sử dụng loại cấu kiện Dolos Tetrapod gây nứt vỡ cấu kiện khối phủ Sự nứt vỡ xảy trước ổn định mặt thủy lực cấu kiện nguyên dạng lớp phủ bảo vệ khơng cịn trì Do tồn cân độ bền (tính liền khối mặt kết cấu) cấu kiện ổn định mặt thủy lực (sức kháng chống lại dịch chuyển) lớp phủ bỏ vệ H F Burcharth, G L Howell and Z Liu (1991) tiến hành thí nghiệm ngun hình mơ hình tỉ lệ, cung cấp kết riêng cho cấu kiện Dolos Các cấu kiện khối phủ Dolos lựa chọn để nghiên cứu tính ổn định cao mặt thủy lực độ bền mặt kết cấu chúng điều chỉnh cách thay đổi tỉ số eo, hay nói cách khác khác tỉ số đường kính phần thân so với chiều cao cấu kiện Bằng cách tăng tỉ số eo để đạt độ bền lớn hơn, độ ổn định mặt thủy lực giảm xuống mức độ định, vấn đề cần xem xét công tác thiết kế H.F.Burcharth, Liu Zhou, Gary L.Howell, W.G.McDougal, (1991) trình bày kết phân tích cho thí nghiệm mơ hình với cấu kiện Dolosse có gắn thiết bị cảm biến tải trọng (load-cell) Dựa kết thí nghiệm mơ hình khối phủ có gắn thêm cảm biến, Burcharth (1993b), Burcharth Liu (1995); Burcharth & cộng (1995b) đưa cơng thức để ước tính mức độ nứt vỡ tương đối khối Dolos Tetrapod (theo tỉ lệ so với tổng số khối phủ) Việc đưa cảm biến tải trọng vào mơ hình thí nghiệm phá vỡ tính đồng vật liệu Điều có nghĩa giá trị ứng suất xung kích ghi nhận thí nghiệm mơ hình khơng thể chuyển đổi cho ngun hình công thức xác định tỉ lệ thông thường Việc khả thi cách xác định giá trị mô đun đàn hồi biểu kiến cho mơ hình thí nghiệm khối phủ có gắn cảm biến 1.4 Kết luận chương Ngày điều kiện áp dụng đê chắn sóng mái nghiêng ngày mở rộng với đời phát triển nhiều dạng khối phủ bê tơng dị hình cải tiến có hiệu tiêu giảm sóng tốt mang lại hiệu kinh tế cao RAKUNA-IV khối phủ nghiên cứu phát triển Công ty Nikken-Kogaku - Nhật Bản từ năm 2007 với nhiều tính vượt trội đem hiệu kinh tế cao so với việc áp dụng dạng khối phủ truyền thống khác Tetrapod Đã có số nghiên cứu tiến hành trước ổn định cấu kiện RAKUNA-IV tập trung vào ổn định cho trường hợp xếp đều, chưa có nghiên cứu ổn định khối phủ trường hợp khối phủ xếp rối mái đê, đặc biệt độ bền kết cấu khối phủ chịu tác động sóng Đây vấn đề thực tiễn mang tính cấp bách mà hầu hết trường hợp, đặc biệt khu vực có độ sâu lớn (đoạn đầu đê), khối phủ cho đê chắn sóng dạng đá đổ thường thi công theo phương pháp xếp rối, khối phủ dễ bị xoay lắc tác động sóng dòng chảy dẫn đến va đập phát sinh ứng suất dẫn đến nứt vỡ hư hỏng khối phủ Hình 2.7 Mặt cắt ngang đê bố trí mơ hình thí nghiệm máng sóng 2.3.2.2 Thiết lập mơ hình tốn Cùng với thí nghiệm mơ hình vật lí đê chắn sóng đá đổ máng sóng, đề tài nghiên cứu sử dựng mơ hình tốn ANSYS Mechanical APDL để mô khối phủ RAKUNA-IV dạng nguyên khối khối phủ RAKUNA-IV điều chỉnh để gắn thêm điện trở cảm biến áp lực (mô hình i-RAK) vị trí mặt cắt giao tuyến phần thân phần cánh khối phủ Hình 2.12 Thiết lập mơ hình tính tốn với lưới phần tử hữu hạn cho loại khối phủ dạng nguyên khối dạng điều chỉnh để gắn cảm biến (i-RAK) Để tránh tượng cộng hưởng động lực, tần số dao động riêng lõi cảm biến nhôm đặt mơ hình khối phủ sử dụng cho thí nghiệm độ bền kết cấu cần đảm bảo nhỏ so với tần số lấy mẫu trình đo đạc ứng suất, qua đảm bảo độ xác tin cậy số liệu thí nghiệm độ bền kết cấu khối phủ RAKUNA-IV Giá trị tần số dao động riêng lõi cảm biến xác định mô đun Modal Analysis mơ hình ANSYS Mechanial APDL, với f = 1727 Hz, nhỏ nhiều so với giá trị tần số lấy mẫu (sampling frequency) f = 5000 Hz số liệu đo đạc thu từ 11 chuỗi thí nghiệm độ bền kết cấu khối phủ RAKUNA-IV đảm bảo độ tin cậy chuẩn xác 2.3.2.3 Xác định hệ số chuyển đổi ứng suất đo đạc Để xác định hệ số chuyển đổi điện tín hiệu thu sang thành giá trị ứng suất, tác giả tiến hành thí nghiệm với thiết bị dầm tiêu chuẩn Lá điện trở FLA-5 (cùng loại với điện trở dán lõi cảm biến khối phủ i-RAK thí nghiệm độ bền) hãng Tokyo Sokki Kenkyujo dán vị trí dầm Dầm tiêu chuẩn thép gia tải nặng tiêu chuẩn có khối lượng 1kg kết hợp với máy đo biến dạng HBM DMD 20A để xem xét mức độ thay đổi biến dạng điện trở dán bề mặt dầm Kết hệ số chuyển đổi xác định mV ứng với 10-6 biến dạng Với giá trị mô đun đàn hồi vật liệu nhôm sử dụng cho cảm biến gắn mơ hình khối phủ RAKUNA-IV En = 7x1010 N/m2 = 70000 MPa, hệ số chuyển đổi từ tín hiệu điện thu chuỗi thí nghiệm giá trị ứng suất tương ứng xác định 1mV = 70 KPa hay 1V = 70 MPa 2.4 Kết luận chương Chương luận án trình bày việc phân tích tham số chi phối việc xây dựng mơ hình vật lý máng sóng theo tiêu chuẩn tương tự Froude mặt động học động lực học tham số sóng, tham số độ dài, diện tích, thể tích thiết lập mơ hình tốn phục vụ nghiên cứu Để xây dựng mơ hình vật lý thiết lập mơ hình tốn, tác giả áp dụng phép phân tích thứ nguyên Buckingham để xác định mối quan hệ tham số chi phối làm sở để thiết kế kịch thí nghiệm mơ hình vật lý mơ mơ hình toán 12 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA-IV 3.1 3.1.1 Nghiên cứu ổn định khối phủ RAKUNA-IV Xác định hệ số ổn định KD từ kết thí nghiệm Hệ số ổn định KD xác định theo công thức (3-7): với Hs,D giá trị chiều cao sóng tương ứng với mức hư hỏng thiết kế D = 5% Theo kết phân tích số liệu thí nghiệm ta có Hs,D = 0,165m Hệ số ổn định thực nghiệm khối phủ RAKUNA-IV áp dụng cho trường hợp xếp rối hoàn toàn điều kiện sóng khơng tràn khơng vỡ KD = 10,6 Có thể thấy giá trị xấp xỉ hệ số ổn định KD = 10,8 xác định cho trường hợp xếp lớp đê lõi đá đổ mái nghiêng cho tiêu chuẩn hành 3.1.2 Xác định cơng thức tính tốn ổn định theo số ổn định Ns Cơng thức tính tốn ổn định thủy lực khối RAKUNA-IV xây dựng dựa theo số ổn định Ns có dạng giống dạng công thức mà Van der Meer xây dựng cho khối phủ có dạng tứ diện đẳng hướng tương tự Tetrapod trường hợp có xét chế ổn định dạng xoay lắc Ổn định cho khối phủ RAKUNA-IV trường hợp xếp rối lớp đê chắn sóng đá đổ với sóng khơng tràn khơng vỡ xét thêm chế ổn định dạng xoay lắc tính tốn theo cơng thức (3-10) sau: Mối quan hệ tham số phi thứ nguyên xác định qua việc phân tích hồi quy, từ hệ số xác định 4,47 0,85, với hệ số tương quan 0,78, điểm thí nghiệm nằm khoảng giới hạn độ tin cậy 95% (xem Hình 3.9) 13 3.2 Nghiên cứu độ bền khối phủ RAKUNA-IV 3.2.1 Xác định cơng thức thực nghiệm tính tốn giá trị ứng suất lớn xuất khối phủ bị va đập xoay lắc tác động sóng Các giá trị ứng suất xung kích xuất khối phủ phụ thuộc chủ yếu vào tham số ổn định (Ns) tham số sóng (Hs, s0m) Từ kết tính tốn xác định mối quan hệ ứng suất tăng thêm lớn va đập gây chế xoay lắc tác động sóng xuất khối phủ chiều cao sóng độ dốc sóng, tham số phi thứ nguyên thiết lập đưa vào phân tích hồi quy cơng cụ phân tích hồi quy MatLab để thiết lập cơng thức xác định ứng suất xung kích lớn xuất mơ hình thí nghiệm Từ kết phân tích hồi quy với hệ số tương quan xấp xỉ 0,85, giá trị ứng suất lớn khối phủ bị va đập xoay lắc tác động sóng thiết lập tính tốn theo công thức thực nghiệm (3-13) sau: 14 Theo cơng thức thực nghiệm thấy giá trị ứng suất tăng thêm khối phủ bị xoay lắc chịu tác động trực tiếp sóng phụ thuộc vào tham số sóng tới (chiều cao sóng, độ dốc sóng) thơng số kĩ thuật khối phủ (kích thước, tỉ trọng) Từ giá trị ứng suất tăng thêm khối phủ, tính giá trị ứng suất tổng cộng vị trí bất lợi xung yếu khối phủ, phần giao tuyến phần cánh phần thân Từ so sánh đánh giá dựa vào tiêu chuẩn ứng suất kéo cho phép bê tông để đánh giá khả đảm bảo độ bền khối phủ 3.2.2 Xác định mô đun đàn hồi biểu kiến Ea hệ số tỉ lệ (nE) Việc xác định tỉ lệ cho giá trị ứng suất khối phủ chịu tác động sóng có liên quan đến mơ đun đàn hồi vật liệu chế tạo khối phủ Tuy nhiên, việc lắp đặt thêm cảm biến tải trọng nhơm phá vỡ tính đồng vật liệu bê tông Do vậy, cần thiết phải xác định giá trị mô đun đàn hồi biểu kiến (Ea) cho mơ hình thí nghiệm khối phủ có gắn cảm biến (i-RAK) thơng qua tính tốn mơ phần mềm ANSYS Mechanical APDL Từ kết tính tốn mơ phần mềm ANSYS Mechanical APDL, giá trị xác định Ea = 5400 MPa Khi đó, hệ số tỉ lệ mơ đun đàn 15 hồi tương ứng xác định nE = 4,5 Thay giá trị vào công thức (2-27) ta xác định giá trị ứng suất phát sinh khối phủ RAKUNA-IV nguyên hình Từ kết nghiên cứu này, xác định giá trị ứng suất lớn xuất bề mặt khối phủ ứng với điều kiện sóng định khả nứt vỡ hay hư hỏng khối phủ hồn tồn kiểm tra đánh giá theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 (Kết cấu bê tông Bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế) Từ đó, khối lượng lớn khối phủ mà đảm bảo độ bền kết cấu (không cần gia cường thêm cốt thép) xác định, đảm bảo ổn định tổng thể cơng trình đê chắn sóng 3.3 Kết luận chương Chương luận án trình bày kết phân tích số liệu thí nghiệm đưa hệ số công thức thực nghiệm ổn định độ bền khối phủ RAKUNA-IV mái đê chắn sóng dạng đá đổ Trong phạm vi nghiên cứu luận án, tác giả xây dựng thiết lập chuỗi thí nghiệm mơ hình vật lý kết hợp với mơ hình tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn nhằm nghiên 16 cứu ổn định khối phủ RAKUNA-IV đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng mặt thủy lực kết cấu (1) Ổn định: xác định hệ số ổn định thực nghiệm KD = 10,6; thiết lập công thức thực nghiệm cho dạng khối phủ nghiên cứu phạm vi luận án; (2) Độ bền: thiết lập công thức thực nghiệm cho giá trị ứng suất phát sinh lớn bề mặt khối phủ bị xoay lắc chịu tác động sóng; kiểm tra đánh giá độ bền khối phủ dựa theo tiêu chuẩn có 17 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TỐN THIẾT KẾ LỚP PHỦ MÁI CỦA ĐÊ CHẮN SĨNG CẢNG CHÂN MÂY, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 4.1 Giới thiệu chung khu vực nghiên cứu Cảng Chân Mây xây dựng vịnh Chân Mây (hay gọi vịnh Cảnh Dương) thuộc địa phận xã Lộc Vĩnh, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế, cách trung tâm thành phố Huế 49 km phía đơng nam, cách quốc lộ 1A đường sắt khoảng km Trung tâm vịnh có tọa độ địa lý khoảng16°20'00"N - 108°00'00"E Cửa vịnh dài km, quay phía bắc bề rộng trung bình vịnh khoảng km Diện tích mặt nước vịnh vào khoảng 20 km2 Phía đơng vịnh mũi Chân Mây đông với chiều dài km, đỉnh cao khoảng 215m chắn gió đơng gió đơng bắc Phía tây vịnh mũi Chân Mây Tây có đỉnh cao 60m, đỉnh núi Vinh Phong cao 482 m đỉnh núi Đơng Nhật cao 592m Phía nam vịnh sau dải đồng ven biển dãy núi cao 800 – 1000m Cảng Chân Mây có tầm quan trọng kinh tế quân sự, bên cạnh cịn có hệ thống sở hạ tầng hệ thống giao thông đường quan trọng tuyến vận tải Đông- Tây qua, dịch vụ cung cấp điện nước, hệ thống thông tin liên lạc, sinh hoạt hoàn chỉnh nhằm phục vụ cho khu kinh tế Chân Mây – Lăng Cô Cảng Chân Mây thuộc nhóm cảng Trung Trung Bộ, nhóm cảng chủ yếu phục vụ cho tỉnh Trung Trung Bộ, Tây Nguyên nước láng giềng Lào, Thái Lan Campuchia thông qua quốc lộ quốc lộ 14 4.2 Các điều kiện biên thiết kế (1) Các tham số sóng nước sâu: H0 = 8,4m; Tp = 11,2s; L0 = 195,69m (2) Các tham số sóng thiết kế: Hs = 5,45m; Tm = 9,74s; Lm = 147,97m; s0m = 0,037; Bình đồ thiết kế khu vực cảng dạng mặt cắt ngang thiết kế đê chắn sóng cảng Chân Mây thể Hình 4.3 Hình 4.4 18 Hình 4.2 Bình đồ thiết kế khu vực cảng Chân Mây Hình 4.3 Mặt cắt thiết kế Đê chắn sóng cảng Chân Mây 4.3 Tính tốn thiết kế lớp phủ cho đê chắn sóng bảo vệ cảng Chân Mây Trong phần tính tốn thiết kế lớp phủ cho đê chắn sóng cảng Chân Mây, dạng khối phủ sử dụng để phân tích so sánh khối phủ Tetrapod (khối phủ truyền thống) khối phủ RAKUNA-IV (đối tượng nghiên cứu luận án này) điều kiện biên sóng (sóng khơng tràn sóng khơng vỡ) 19 Ở khối phủ tính tốn theo tiêu chí đảm bảo ổn định mặt thủy lực theo công thức sau: (1) Công thức Hudson theo hệ số ổn định KD: Đây dạng công thức truyền thống để tính tốn kích thước vật liệu bảo vệ mái đê theo tiêu chí ổn định mặt thủy lực dựa vào hệ số ổn định xác định cho loại vật liệu (2) Công thức thực nghiệm theo số ổn định Ns: Ổn định khối phủ xem xét trường hợp có xét khơng xét đến ảnh hưởng chế xoay lắc (rocking) Trong phạm vi nghiên cứu luận án, tiêu chí sau áp dụng để phân tích đánh giá: (1) Kích thước khối lượng khối phủ theo tiêu chí ổn định mặt thủy lực; (2) Kích thước lớp phủ (chiều dày, mật độ); (3) Chi phí thi cơng đúc chi phí lắp đặt khối phủ; Đối với khối phủ RAKUNA-IV, tác giả áp dụng kết nghiên cứu luận án bao gồm hệ số ổn định thủy lực, công thức thực nghiệm tính tốn ổn định thủy lực công thức thực nghiệm kiểm tra độ bền kết cấu khối phủ 20 RAKUNA-IV thiết lập cho trường hợp xếp rối lớp điều kiện sóng không tràn không vỡ Trong phạm vi nghiên cứu đề tài áp dụng cho cơng trình đê chắn sóng bảo vệ cảng Chân Mây, kết cho thấy khối lượng khối phủ xác định theo dạng công thực thực nghiệm ổn định thủy lực theo số ổn định cho kết lớn giá trị tính theo cơng thức Hudson có xét thêm nhiều tham số chế ổn định dạng xoay lắc, thiên mặt an toàn cho cơng trình mặt ổn định thủy lực độ bền trước tác động sóng (xem Bảng 4.6 Bảng 4.9) Ngồi ra, thấy khối lượng khối phủ tính tốn xác định theo công thức thực nghiệm không xét chế xoay lắc nhỏ nhiều so với kết tính tốn có xét thêm chế xoay lắc Cách tính tốn theo cơng thức thực tế thiên mặt kinh tế, nhiên không đảm bảo mặt ổn định thủy lực độ bền cho khối phủ (xem Bảng 4.8) 4.4 Tính toán kiểm tra độ bền khối phủ RAKUNA-IV Với loại khối phủ lớn 32 xác định trên, áp dụng công thức thực nghiệm xây dựng, giá trị ứng suất tăng thêm lớn xuất bề mặt khối phủ bị xoay lắc tác động sóng vị trí bất lợi mặt độ bền sau: Với giá trị xác định Chương ni,M = 0,0068 MPa, giá trị ứng suất tổng cộng khối phủ vị trí bất lợi xung yếu xác định sau: Với mác bê tông chế tạo khối phủ M350 giá trị cường độ chịu kéo cho phép kết luận khối phủ đảm bảo độ bền, khối phủ không bị nứt vỡ hay hư hỏng chịu tác động sóng khơng cần phải gia cường thêm cốt thép 21 4.5 Kết luận chương Trong chương này, tác giả ứng dụng kết nghiên cứu để tính tốn kiểm tra ổn định mặt thủy lực kết cấu khối phủ RAKUNA-IV cho đê chắn sóng cảng Chân Mây – Thừa Thiên Huế điều kiện tương ứng với phạm vi nghiên cứu luận án, bao gồm nội dung sau: - Ổn định: khối phủ RAKUNA-IV tính tốn so sánh với dạng khối phủ truyền thống có dạng tương tự Tetrapod tiêu chí kinh tế kĩ thuật Các kết nghiên cứu sơ 100 m2 đơn vị diện tích mái đê cho thấy khối phủ RAKUNA-IV khơng đảm bảo tiêu chí mặt kĩ thuật mà mang lại hiệu mặt kinh tế, với chi phí sản xuất, chế tạo thi công lắp đặt nhỏ khoảng 40%; - Độ bền: với kích thước khối lượng khối phủ tính tốn theo tiêu chí ổn định độ bền, đảm bảo điều kiện không xảy nứt vỡ khối phủ tính tốn kiểm tra theo cơng thức thực nghiệm xây dựng cho khối phủ RAKUNA-IV phạm vi nghiên cứu luận án; Như áp dụng hệ số công thức thực nghiệm xây dựng đề tài nghiên cứu để tính tốn thiết kế kiểm tra đánh giá thiết kế khối phủ nói riêng mặt cắt ngang đê chắn sóng nói chung khu vực cảng Chân Mây nhằm đảm bảo an toàn hiệu cơng trình mặt ổn định thủy lực độ bền 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt luận án (1) Xác định tham số quan trọng có liên quan đến ổn định khối phủ RAKUNA-IV xếp rối lớp mái phía biển điều kiện sóng khơng tràn khơng vỡ thơng qua việc phân tích số liệu đo đạc từ thí nghiệm mơ hình vật lý máng sóng, bao gồm: - Hệ số ổn định thủy lực KD = 10,6 cho trường hợp khối phủ RAKUNA-IV xếp rối hoàn toàn điều kiện sóng khơng tràn khơng vỡ; - Cơng thức thực nghiệm theo số ổn định Ns có xét đến chế ổn định dạng xoay lắc khối phủ (công thức 3-10); (2) Xây dựng cơng thức thực nghiệm để tính tốn kiểm tra độ bền khối phủ RAKUNA-IV thông qua giá trị ứng suất tăng thêm xuất khối phủ chịu áp lực xung kích chuyển động xoay lắc tác động sóng (cơng thức 3-13) Từ xác định giá trị ứng suất tổng cộng xuất bề mặt khối phủ RAKUNA-IV điều kiện va đập vào ảnh hưởng ổn định dạng xoay lắc tác động sóng khơng tràn khơng vỡ; Tồn kiến nghị 2.1 Tồn Trong phạm vi nghiên cứu ổn định độ bền khối phủ RAKUNA-IV, luận án số tồn sau: - Luận án nghiên cứu ổn định khối phủ điều kiện sóng khơng tràn sóng khơng vỡ; - Luận án chưa xét đến ảnh hưởng bãi trước; - Luận án xét ổn định độ bền cho khối phủ RAKUNA-IV mái đê có hệ số mái áp dụng phổ biến 1/1,5; - Luận án chưa xét đến độ bền ứng suất nhiệt; độ bền q trình thi cơng 23 2.2 Kiến nghị Trong phạm vi nghiên cứu, kết luận án tham khảo áp dụng tính tốn thiết kế cơng trình đê chắn sóng đá đổ thực tế nhằm nâng cao hiệu kinh tế, kỹ thuật giảm chi phí khắc phục hay sửa chữa đê chắn sóng thời gian làm việc Các kết nghiên cứu sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật làm công tác tư vấn thiết kế thi cơng cơng trình biển nói chung đê chắn sóng dạng đá đổ nói riêng Có thể tiếp tục hướng nghiên cứu sau: - Ổn định độ bền khối phủ RAKUNA-IV xếp rối hồn tồn điều kiện sóng vỡ sóng tràn; - Ổn định độ bền khối phủ RAKUNA-IV xếp rối hoàn toàn mái đê chắn sóng phía cảng; 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Luong N.Q (2020) Hydraulic stability of randomly-placed RAKUNA-IV for rubble mound breakwaters in case of non-breaking and non-overtopping waves using physical models In: Trung Viet N., Xiping D., Thanh Tung T (eds) APAC 2019 APAC 2019 Springer, Singapore; pp 891-897 Nguyễn Quang Lương (2018) Nghiên cứu ổn định thủy lực khối phủ RAKUNA-IV trường hợp xếp rối sóng khơng tràn Hội nghị Khoa học thường niên 2018, trường Đại học Thủy lợi Nguyễn Quang Lương (2018) Nghiên cứu tính ổn định thủy lực kết cấu khối phủ RAKUNA-IV xếp rối đê chắn sóng dạng đá đổ sử dụng thí nghiệm mơ hình vật lí máng sóng Hội thảo khoa học xây dựng cơng trình biển & dầu khí: thành tựu giải pháp (10/3/2018), trường Đại học Xây dựng Nguyễn Quang Lương, Nguyễn Văn Thìn (2017) Xác định hệ số tỉ lệ cho kết cấu lõi đê chắn sóng dạng đá đổ thí nghiệm mơ hình vật lý Hội nghị Khoa học thường niên 2017, trường Đại học Thủy lợi Nguyễn Quang Lương (2016) Tổng quan việc nghiên cứu ổn định thủy lực độ bền kết cấu khối phủ bê tơng xếp rối đê chắn sóng dạng đá đổ Hội nghị Khoa học thường niên 2016, trường Đại học Thủy lợi Thieu Quang Tuan, Hiroshi Matsushita, Yasuomi Taki, Nguyen Quang Luong (2012) Stability of newly-improved wave dissipating blocks for rubble mound breakwaters Proceedings of the 4th International Conference on Estuaries and Coasts (ICEC-2012), Hanoi, Vietnam, 8-11 October 2012 pp 361-369 Hiroshi Matsushita, Thieu Quang Tuan, Nguyen Quang Luong, Le Tuan Hai, Yasuomi Taki (2012) Experimental study on stability of new wave dissipating block for sloping breakwater Journal of JSCE, Ser B3 (Civil Engineering in the Ocean), Vol 68, No 2, pp I_318-I_323 ... HỌC NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN CỦA KHỐI PHỦ TRÊN MÁI ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÁ ĐỔ 2.1 2.1.1 Tổng quan thí nghiệm nghiên cứu ổn định độ bền khối phủ mái đê chắn sóng đá đổ Ổn định mức độ hư hỏng khối phủ. .. Tổng quan khối phủ bê tông bảo vệ cho đê chắn sóng đá đổ; CHƯƠNG 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu ổn định độ bền khối phủ mái đê chắn sóng đá đổ; CHƯƠNG 3: Kết nghiên cứu ổn định độ bền khối phủ RAKUNA- ... phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Khối phủ RAKUNA- IV xếp rối đê chắn sóng đá đổ điều kiện sóng khơng tràn khơng vỡ 3.2 Phạm vi nghiên cứu Ổn định độ bền khối phủ RAKUNA- IV xếp rối lớp