Phân tích ổn định tổng thể của đê chắn sóng đá đổ có xét đến áp lực nước khe rỗng trong nền đất

Bài báo đưa ra phương pháp tính ổn định có xét đến sự thay đổi áp lực khe rỗng trong lớp đất nền gây mất ổn định tổng thể của đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng. Điều đó cho thấy sự thay đổi các áp lực khe rỗng có vai trò quan trọng, tương đương như các lực kháng cắt trong các lớp đất nền, trong ổn định kết cấu của đê chắn sóng. Phương pháp tính toán được áp dụng cho đê chắn sóng của nhà máy nhiệt điện Vũng Áng I.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÁ ĐỔ CÓ XÉT ĐẾN ÁP LỰC NƯỚC KHE RỖNG TRONG NỀN ĐẤT KS Nguyễn Tiến Dương Phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Độn g lực học sông biển PGS.TS Thiều Q uang Tuấn Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Bài báo đưa phương pháp tính ổn định có xét đến thay đổi áp lực khe rỗng lớp đất gây ổn định tổng thể đê chắn sóng đá đổ m ngh iêng Điều cho thấy thay đổi áp lực khe rỗng có vai trò quan trọng, tương đương lực kháng cắt lớp đất nền, ổn định kết cấu đê chắn sóng Phương pháp tính tốn áp dụng cho đê chắn sóng nhà m áy nhiệt điện Vũng Áng I Từ khóa: Đê chắn sóng mái nghiêng, Geoslope,Áp lực nước khe rỗng, phân tích ổn định mái dốc Summary: The paper presents a method taking into account pore pressure variations in the subsoil in the overall slope stability analysis for rubble m ound breakwaters It is shown that the pore pressure variation plays an im portant role, comparable to the shear strength of the subsoil, in the overall stability of the structure A case study is also present for the breakwater of Vung Ang I thermal power plant Keywo rd s: Rubble m ound breakwater, Geo-Slope, Pore pressure variations, Slope stability analysis I ĐẶT VẤN ĐỀ* Vai trị đê chắn sóng giảm sóng tạo khu nước tĩnh cho bể cảng, ngăn chặn bồi lắng bùn cát bể cảng tạo luồng giao thông thuận tiện giúp phương tiện giao thông thủy lại dễ dàng Công việc thiết kế đê chắn sóng phải xác định vị trí tuyến đê hợp lý m ặt bằng, thiết kế thông số hình học đê như: cao trình thiết kế, bề rộng thiết kế, hệ số m ái, lựa chọn loại cấu kiện phá sóng (đá đổ hay khối bê tơng dị tetrapod, cube, dolos, rakuna,…) để vừa đảm bảo vai trò đê vừa tiết kiệm chi phí xây dựng cơng trình Do đặc điểm cơng trình đê chắn sóng hay phải bố trí cách xa bờ nên đê thường bị đặt đất yếu Do việc tính tốn ổn định đê chắn sóng Người phản biện: TS Phan Trường Giang Ngày nhận bài: 19/8/2014 Ngày t hông qua phản biện: 17/9/2014 Ngày đuyệt đăng: 13/10/2014 công việc quan trọng Hầu hết đê chắn sóng thường thiết kế theo hình thức đê m nghiêng, nghiên cứu tính toán ổn định đê m nghiêng chưa đề cập tới ảnh hưởng áp lực nước khe rỗng lớp đất sinh sóng thủy triều gây ổn định m đê phía biển đê chắn sóng m nghiêng Trong báo giới thiệu phương pháp tiếp cận m ới việc tính tốn ổn định có đề cập tới áp lực áp dụng tính tốn thực tế cho cơng trình đê chắn sóng nhà m áy nhiệt điện Vũng Áng I II ĐỐ I TƯỢ NG VÀ PH ƯƠ NG PHÁP NGH IÊN C ỨU Phân tích ổn định mái nghiêng cơng trình có sử dụng vật liệu đắp nói chung hay đê chắn sóng nói riêng thơng thường hay áp dụng phương pháp Felleniuos, Bishop với giả định mặt trượt m ặt trụ tròn xoay quanh trục nằm ngang phương pháp Janbu, Nonveiller với giả định m ặt trượt gẫy khúc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 61 KHOA HỌC Các phương pháp dựa nguyên tắc chia khối trượt thành phân mảnh có bề dày đủ nhỏ để phân tích tính tốn Phân tích ổn định dài hạn trạng thái ứng suât hiệu với yếu tố quan tâm làgóc ma sát lực dín h c Việc tính tốn hệ số an tồn m p hía biển đê chắn sóng dựa yếu tố: m ặt cắt đại diện đê, ngoại lực tác dụng, áp lực nước khe rỗng đất nền, tiêu lý vật liệu đắp đê đất Sơ đồ tính cho phân m ảnh hìn h CƠNG NGHỆ tiếp tuyến R theo định luật Coulom b có Rn = c.ab + N.tg Tổng mơ men tất m ảnh phân trượt Mô men gây trượt bao gồm : - Thành phần tiếp tuyến trọng lượng Mô men kháng trượt bao gồm: - Thành phần tiếp tuyến lực Hệ số ổn định Fs tính theo cơng thức: Fs = = (II-1) Vẫn giữ nguyên giả thiết Fellenius, xét thêm áp lực U từ bên lớp đất tác động lên khối trượt Lực tác động áp lực U áp lực nước thủy tĩnh trước m đê phía biển mà lực U hình thành thay  đổi m ực nước trước mái đê phía biển Hình Các lực tác dụng phân mảnh - Trọng lượng thân W - Phản lực R lên cung ab - Phản lực từ m ặt trượt đứng ac bd Đây nội lực khối đất m ặt trượt xét Các thành phần xem xét m ô m en tâm trượt O: - Mô men gây trượt: mô men động lực từ trọng lượng thân W - Mô men kháng trượt: mô men lực Rn, Hn, Hn+1, Vn+1vàVn Xét tổng hợp mô men cung ab, m ô m en lực tương tác lát chia tự triệt tiêu Theo giả thiết Fellenius lại m ột lực trọng lượng thân W phản lực R Phân tích trọng lượng W, phản lực R theo phương tiếp tuyến với mặt ab thành lực WT , RT theo phương pháp tuyến với m ặt ab thành lực Wn, Rn Mô m en kháng trượt cực đại thành phần lực 63 Hình Áp lực nước lỗ rỗng đất phụ thuộc vào trình nước rút m ực nước biển Giả thiết có phân tố có kích thước dx, dy,l bị ảnh hưởng thủy triều Xét phân tố dòng thấm theo phương đứng phương trình thấm Darcy: w= (II-2) Tham khảo tài liệu: Julien De Rouck, Robert A Grace; “Surface wave heights from pressure records”, “ overall slope stability analysis of rubble mound breakwaters” TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ w: Vận tốc dòng chảy theo phương z (II-5) u: Áp lực nước lỗ rỗng Một cách tương tự phương trình chung dòng chảy lòng đất tác động sóng viết sau: k: Hệ số thấm đất ρw : Khối lượng riêng nước biển Để lập phương trình liên tục, xét phân tố với điều kiện biên có kể đến yếu tố sau: -Nếu mực nước biển hạ từ m ực nước triều cao xuống mực nước triều thấp, áp lực nước lỗ rỗng giảm đi; thể tích lỗ rỗng đất tăng lên, phần tử nước rút khỏi đất sinh áp lực - Cùng lúc ứng suất hiệu giảm (giảm phương ngang phương đứng): đất giãn nước bị hút vào (II-6) Do giá trị nhỏ nên bỏ qua So sánh giá trị trường hợp sóng trung bình, đất sét đất bùn giá trị nhỏ nhiều nên biểu thức viết lại thành: Phương trình liên tục: (II-3) Eeod: Mơ đun đàn hồi đất Hai phương trình (5) (8) giống n: Độ rỗng đất Điều kiện biên để giải phương trình trên: Kw : m ô đun nén nước biển Giả thiết tất lớp đất nằm m ực nước biển trạng thái bão hịa nước Kết hợp phương trình Darcy phương trình liên tục dẫn tới phương trình áp lực phía nước biển (II-4) Độ nén cốt đất kể đến thông qua tỷ số Độ nén nước biển thông qua tỷ số a, Tại m ực nước biển (z=0) u(0,t) = u0co s Tại điểm cố định xem xét ta lấy x = u(0,t) = u0cos (II-10) Đối với triều: u0= ρw.g.Hsea (II-11) Đối với sóng: u0 = (II-12) H: Chiều cao sóng L: Chiều dài sóng So sánh độ lớn hệ số cho đất cát lẫn đất sét thấy có giá trị nhỏ d: Độ sâu m ực nước n: Hệ số điều chỉnh Grace b, Tại độ sâu vô hạn (z= ) nhiều lần , ta bỏ qua phương trình cịn , u(z,t) = u0 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 cos (II-13) 64 KHOA HỌC Trong đó:A= (II-14) T: Chu kỳ sóng L: Chiều dài sóng k: Hệ số thấm đất Eeod: Mô đun đàn hồi đất Bằng nhiều biện pháp đo đạc thay đổi áp lực lớp đất tác động thủy triều sóng thể đồ thị hình Đường cong (1) có giá trị x = 0, t = T/2 A = 0,3, đường cong (2) giá trị tới hạn đường áp lực Xấp xỉ đường cong (1) xấp xỉ đường thẳng AB Khoảng cách OB gọi "độ sâu ảnh hưởng" Giá trị độ sâu ảnh hưởng có ý nghĩa lớn việc xem xét áp lực nước khe rỗng đất tính tốn ổn định m dốc phía biển đê chắn sóng mái nghiêng CƠNG NGHỆ Trường hợp 1: Tính tốn ổn định mái đê phía biển ứng với mực nước thiết kế khơng kể đến áp lực nước khe rỗng u bên lớp đất Trường hợp 2: Tính tốn ổn định mái đê phía biển ứng với mực nước thấp có kể đến áp lực nước khe rỗng u bên lớp đất Trong trường hợp này, tính toán ổn định dựa tổ hợp tải trọng có xét đến sử ảnh hưởng áp lực khe rỗng u lớp đất tác động sóng biển theo lý thuyết DE ROUCK: - Xét ảnh hưởng m ực nước sóng tác động điều kiện m ực nước nhỏ MN m in = +0.5 m, chiều cao sóng H = 3,5m - Xét ảnh hưởng áp lực U tới lớp đất tác động sóng theo cơng thức DE ROUCK Các tham số thiết kế cơng trình Mực nước Min (m) Mực nước thiết kế (m) Chiều cao sóng Hs (m) Cao trình đỉnh đê (m) +0,5 +2,13 3,5 +6,0 Dựa vào “Báo cáo địa chất cơng trình” khu vực nghiên cứu, ta có tiêu lý lớp đất hố khoan CW-38: Hình Sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng bên đất thủy triều sóng III KẾT Q UẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Với phương pháp luận trình bày phân tích trên, áp dụng tính tốn cho đê chắn sóng nhà m áy nhiệt điện Vũng Áng I Để làm rõ vai trò áp lực nước khe rỗng bên lớp đất gây ổn định m đê phía biển, ta tính tốn ổn định m đê phía biển cơng trình trường hợp: 65 - Lớp 3: Cát pha xám đen, xám trắng, xám ghi, xám vàng, dẻo Lớp phân bố cục bộ, xuất hố khoan DC7, DC8, DC11 DC15, nằm lớp 3a chiều sâu từ 2.2m (DC15) đến 15.3m (DC8) Mặt lớp cao độ -4.0m đến -9.3m Bề dày lớp tương đối ổn định trung bình 3.0m Thành phần chủ yếu lớp Cát pha xám đen, xám trắng, xám ghi, xám vàng, trạng thái dẻo Trong lớp lấy tiến hành thí nghiệm 09 mẫu, tiêu lý tổng hợp bảng 1: - Lớp 5b: Sét pha màu xám trắng, xám ghi, xám xanh, đôi chỗ nâu vàng, lẫn sỏi sạn thạch anh, trạng thái dẻo m ềm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Lớp 5b chủ yếu nằm lớp phần nhỏ nằm lớp 3a nằm lớp Lớp bắt gặp độ sâu 7.3m đến 16.0m Mặt lớp gặp cao độ -4.3 -:- -10.5m, đáy lớp kết thúc cao độ -7.5 -:- -12.8m Bề dày lớp thay đổi từ 1.4m đến 5.3m, trung bình 3.4m Thành phần chủ yếu lớp Sét pha m àu xám trắng, xám ghi, xám xanh, đôi chỗ nâu vàng, lẫn sỏi sạn thạch anh, trạng thái dẻo m ềm thúc cao độ -4.40 -: 12.6m Bề dày lớp thay đổi từ 1.3m đến 4.9m, trung bình 3.1m Thành phần chủ yếu lớp sét pha màu xám trắng, xám ghi, xám xanh, đơi chỗ nâu vàng, lẫn sỏi sạn thạch anh, trạng thái dẻo m ềm - Lớp 8a: Đá riolit phong hoá m ãnh liệt thành sét pha lẫn dăm sỏi, sạn màu xám vàng, xám trắng, trạng thái cứng Lớp 8a nằm lớp lớp 3, độ sâu 7.1m đến 9.2m Cao độ m ặt lớp thay đổi từ - Lớp 5: Sét pha m àu xám trắng, xám ghi, 8.5m -:- -11.7m Bề dày lớp thay đổi từ xám xanh, đơi chỗ nâu vàng, lẫn sỏi sạn 1.9m đến 2.1m , trung bình 2.0m Thành phần thạch anh, trạng thái dẻo mềm chủ yếu lớp đá riolit phong hoá mãnh Lớp bắt gặp độ sâu 1.1m đến 9.6m Mặt liệt thành thành sét pha lẫn dăm sỏi, sạn màu lớp gặp cao độ -2.50 -:- -9.3m, đáy lớp kết xám vàng, xám trắng, trặng thái cứng Bảng C hỉ tiêu lý lớp đất Độ ẩm tự nhiên Ký hiệu W Giới hạn chảy Wch % 24.82 31.03 28.16 32.56 Giới hạn dẻo Wd % 15.4 19.08 16.67 17.78 Chỉ số dẻo Id % 9.42 11.95 11.49 14.78 Độ sệt Is - Khối lượng thể tích tự nhiên w Khối lượng thể tích khơ c STT C ác tiêu Đơn vị Lớp Lớp 5b Lớp Lớp % 18.6 25.3 21.8 18.67 0.36 0.52 0.45 -0.01 g/cm 1.18 1.26 1.60 2.00 g/cm 1.66 1.12 1.34 1.70 2.69 1.71 2.71 2.68 Khối lượng riêng  g/cm 10 Hệ số rỗng Hệ số lỗ rỗng e0 n % 0.625 38.12 0.739 41.99 0.661 39.40 0.595 37.29 11 Độ bão hoà G % 82.24 92.77 89.48 80.58 12 13 14 Góc ma sát Lực dính kết Hệ số nén lún  19’ 21’ 19°56' 0.109 0.118 0.111 0.203 0.024 0.03 0.031 0.026 0.58 0.60 0.649 2.28 2.45 1.56 1.648 210 0.95 1.1 1.19 100 140 126 a1-2 cm /kG 16 Hệ số cố kết Cv 17 Áp lực tính tốn quy ước Ro Eo kG/cm -3 x10 cm /sec kG/cm kG/cm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 07’ P0 kG/cm Áp lực tiền cố kết Mô đun tổng biến dạng độ C 15 18 66 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Hình Mặt cắt đại diện đê chắn sóng Theo phương pháp nghiên cứu trình bày, ta có phương trình xác định m ỗi quan hệ áp lực dư khe rỗng u(z,t) độ sâu z u(z,t) = u0 cos (III-1) Trong cos( z U(z,t)/Uo (-Az) e theo 0,00 1,00 1,00 ) công 1,00 0,75 0,78 T: Chu kỳ sóng L: Chiều dài sóng k: Hệ số thấm đất Chia vế cho U0 ta = A= thức 2,00 0,53 0,61 Eeod: Mô đun đàn hồi đất (III-2) (II-14): 3,00 0,35 0,47 4,00 0,20 0,37 Kết tính tốn theo lý thuyết Grace xác (**) định độ sâu ảnh hưởng 5,00 0,09 0,29 = 6,00 0,02 0,22 7,00 8,00 9,00 10,00 -0,03 -0,06 -0,07 -0,07 0,17 0,14 0,11 0,08 = = 8,338 (Kpa) Tại khu vực nghiên cứu ta có giá trị = = 0,063 (trích suất giá trị từ kết truyền sóng) Tra theo kết thực nghiệm ta có n = 1,273 Hình Biểu đồ quan hệ áp lực dư khe rỗng độ sâu - Tại vị trí z = U(z,t) = U0 = 1.8,338 = 8,338 (Kpa) Áp lực dư thủy triều tác động đến ổn định công trình diễn thời gian dài Trong trường hợp ta xét tới tải tọng tác động sóng biển Theo cơng thức (II-12) ta xác định ** 67 Tham khảo tài liệu: Nguyễn Tiến Dương, luận văn thạc sỹ “ Đánh giá hiệu vải địa kỹ thuật gia cố đê chắn sóng có xét tới ảnh hưởng tải trọng sóng biển, áp dụng cho đê chắn sóng nhà máy nhiệt điện vũng I” - Tại vị trí z = U(z,t) = U0 = 0,1.8,338 = 0,8338 (Kpa) Quy đổi 1m = 10 Kpa ta có giá trịáp lực quy đổi U(z = 0) = 0,8 (m ) U(z = 0,1(m) 5) = 0,08 Kết tính tốn: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 252 83 980 7 81 78 76 71 59 061 62 64 45 647 48 50 31 233 34 17 819 20 2 45 485 980 7 8 7 82 7 65 666 51 525 5 36 37 383 4 22 23 242 101 Kết tính tốn trường hợp – Kfs = 1,25 IV KẾT LUẬN Việc tính tốn tương tác sóng thủy triều ổn định cơng trình địi hỏi phải có nghiên cứu chuyên sâu để mô hết tượng xảy sóng thủy triều tương tác với cơng trình như: q trình sóng rút, sóng leo ứng với thời điểm m ực nước triều khác Do hạn chế số liệu điều kiện biên tính tốn nên 68 485 7 7 061 62 6 65 666 4 647 48 51 525 5 3 233 34 37 383 4 819 20 2 23 242 2 45 101 Kết tính tốn trường hợp – Kfs = 1,07 báo đề cập việc tính tốn thời điểm sóng rút bụng sóng tiếp xúc với cơng trình ứng với thời điểm mực nước triều thấp Kết tính tốn cho thấy áp lực nước khe rỗng bên lớp đất gây ảnh hưởng ổn định cho cơng trình, khuyến nghị tính tốn ổn định đê chắn sóng mái nghiêng cần phải tính tốn trường hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 ... xem xét áp lực nước khe rỗng đất tính tốn ổn định m dốc phía biển đê chắn sóng mái nghiêng CƠNG NGHỆ Trường hợp 1: Tính tốn ổn định mái đê phía biển ứng với mực nước thiết kế không kể đến áp lực. .. áp lực nước khe rỗng u bên lớp đất Trường hợp 2: Tính tốn ổn định mái đê phía biển ứng với mực nước thấp có kể đến áp lực nước khe rỗng u bên lớp đất Trong trường hợp này, tính tốn ổn định dựa... biên có kể đến yếu tố sau: -Nếu mực nước biển hạ từ m ực nước triều cao xuống mực nước triều thấp, áp lực nước lỗ rỗng giảm đi; thể tích lỗ rỗng đất tăng lên, phần tử nước rút khỏi đất sinh áp lực