Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo giới thiệu phương pháp và một số kết quả tính toán kết cấu lớp gia cố mái đê biển sử dụng vật liệu asphalt chèn trong đá hộc tại đoạn đê Cồn Tròn – Hải Thịnh – Hải Hậu – Nam Định. Mời các bạn tham khảo!
KHOA HỌC CÔNG NG HỆ MỘ T SỐ KẾT QUẢ TÍN H TỐN KẾT CẤU LỚ P GIA CỐ MÁ I Đ Ê BIỂN SỬ D ỤN G VẬ T LIỆU HỖN HỢ P AS PHALT C HÈN TRONG ĐÁ HỘC TẠI Đ Ê B IỂN CỒN TRÒN - HẢI THỊNH – HẢI HẬU – NA M ĐỊN H PGS.TS Nguyễn Thanh Bằng Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam ThS Nguyễn Mạnh Trư ờng Viện Bơm Thiết bị Thủ y lợi - Viện KHTLVN KS Vũ Xuân Thủy Chi cục Quản lý Đê đ iều & PCLB tỉnh Nam Định Tóm tắt: Bà i báo giới th iệu ph ương pháp m ột số kết tính toán kết cấu lớp g ia cố m đê biển sử dụng vật liệu aspha lt chèn đá hộ c tạ i đoạn đê Cồn Tròn – Hải Thịnh – Hải Hậu – Nam Định Từ khóa: Vậ t liệu hỗ n hợp asp halt chèn đá hộc, đê biển H ải Thịnh, lớp bảo vệ đê biển Summ ary: This paper p resents method and results of caculations fully g routing mortar sea dike revetm ent structure, which is used in Con Tron – Hai Thinh – Hai Hau – Nam Dinh sea d ike Key word s: fully gro uting m ortar, H Thinh sea dike, revetm ent I ĐẶT VẤN ĐỀ * Đê biển Hải Thịnh – Hải Hậu – Nam Định m ột nh ững tuyến đê biển xun g y ếu bậc Việt Nam với nh iều k hu vực biển lấn, m ực n ước bãi p hía trước đê sâu, mái đê phía biển tiếp x úc tr ực diện v ới biển v ậy tác động t biển sóng, gió, dịng v en có ảnh h ưởn g trực tiếp đến an toàn đê, thực tế nh ữn g năm vừa qua có r ất nhiều đo ạn k hu v ực bị vỡ, sạt lở bởi, lún sụt tác động sóng bão, tác động dị ng ven bờ gió m ùa đơn g bắc gây Điển h ình năm 20 05 bão số , số 6, số với sức gió m ạnh cấp 11 , cấp 12, giật cấp 12 lại đổ vào thời điểm m ực nước triều cao, thời gian bão kéo dài gây sóng leo tràn qua m ặt đê làm sạt lở mái đê phía đồn g v phía biển đê biển Hải Hậu, Giao Thuỷ (Nam Định), gây thiệt hại nghiêm trọng hoa màu, thủy sản, làm nhiễm mặn hàng trăm h a đất nơng nghiệp, Đã có nh iều giải ph áp n gh iên cứu, ứn g dụn g để bảo v ệ đê biển thôn g qua ch ươn g trình kho a học g n ghệ ph ục v ụ xây dựn g đê biển dự án đầu tư nh ư: giải pháp trồng chắn són g n hữn g v ùn g biển có bãi nhằm làm giảm tác động sóng trực tiếp tác độn g lên đê biển ; cố kết đất đắp đê bằn g phụ gia solid, neo giữ đất; kè p há són g bằn g khố i bê tơn g dị hình, bảo v ệ m đê bằn g khối bê tôn g liên k ết mản g, v,v Tuy v ẫn cịn nhiều v ị trí tuyến đê Hải Thịnh tượn g lún sụt, sạt mái, k hối bê tôn g bảo vệ m bị x âm thực v bị tách r ời nh au r a xảy ra, ảnh hưởn g n ghiêm trọn g đến an toàn đê Để k hắc ph ục tượng trên, tron g kh uôn khổ đề tài n gh iên cứu cấp Quốc gia “Nghiên cứu ứng dụ ng vật liệu hỗn h ợp đ ể g ia cố đ ê biển ch ịu đ ược nước tràn qua sóng, triều cường, bão nước b iển dâng”, Nhóm tác giả đề xuất ứng dụn g vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc để sửa ch ữa gia cố TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠ NG NGHỆ THỦY LỢI KHOA HỌC CÔNG NG HỆ kh u v ực , với nh ững ưu điểm khả chốn g xâm thực môi trườn g n ước biển tốt nhiều, k năn g biến dạn g, đàn hồi tốt, thích ứn g m ột cách mềm dẻo với nh ữn g biến dạn g, lún sụt đê thân đê, h ạn ch ế n hữn g lún sụt, xói lở cục đê biển , độ bền tuổi thọ cao, khoản g 50-7 năm (Th ực tế Hà Lan có nhữn g cơng trình x ây dựn g từ nhữn g năm 1950 đến tồn tại), v.v … Bài báo giới thiệu p hươn g ph áp số kết tính tốn kết cấu lớp gia cố mái đê biển sử dụn g vật liệu asph alt chèn đá hộc đo ạn đê Cồn Tròn – Hải Thịnh – Hải Hậu – Nam Định II KẾT Q UẢ TÍNH TO ÁN KẾT CẤU LỚ P BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN SỬ DỤNG VẬT LIỆU ASPH ALT C HÈN TRO NG ĐÁ HỘC II.1 Vị trí trạng, u cầu sửa chữa cơng trình Vị trí cơng trình: khu vực sửa chữa nâng cấp từ K21+003 – K21+058 thuộc đê Cồn Tròn – Hải Thịnh – Hải Hậu (Hình 1) TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI Hình Vị trí đoạn đê thử nghiệm cơng nghệ nghiên cứu Hiện trạn g g trình Kết cấu đê : Mái đê phía biển gia cố lát m bê tông M20 dày 23cm , chân khay gia cố bằn g ông buy đườn g kính 1m , m ặt đê cao trình +5,00 gia cố bê tông cốt thép M25, dày 20cm , m đê phía đồn g phân ô bằn g đá xây v trồng cỏ Theo điều tra, khảo sát: lớp gia cố bị bon g, xô, lún sụt, v ật liệu m kè bị sóng lơi r a ngồi, cấu kiện bị són g vật liệu chân m ài mịn gây h hại đến kết cấu lớp gia cố gây m ất ổn định mái đê đặc biệt khu v ực từ cao trình -0,5 đến +2,1, khôn g sửa chữa k ịp thời gây m ất ổn định đê KHOA HỌC a) ảnh chụp tháng 3/2014 CƠNG NG HỆ b) ảnh chụp tháng 11/2014 Hình Hư hỏng đê Cồn tròn Hải Thịnh Yêu cầu sửa ch ữa, nân g cấp Thay lớp cấu k iện bê tôn g lục giác cũ m đê ph ía biển bị hư hỏn g lớp gia cố m ới sử dụn g vật liệu hỗ n hợp asphalt chèn tr on g đá hộc Phạm vi từ K2 1+003 – K21 +058, t cao tr ình -0, đến +2,1m II.2 Xác định điều kiện biên tính toán biển Nam Định sau: Bảng 1: Mực nước cao ứng với m ức bảo đảm P%: Mức bảo đảm (P%) P=1% P=5% P=10% Mực nước (m) 2,42 2,29 2,21 Xác định cao trình đỉnh đê thiết kế Tuyến đê trước nân g cấp theo tiêu ch uẩn 14TCN 130-2002 chươn g trình củn g cố n ân g cấp đê biển từ Quản g Ninh đến Quản g Nam, trường hợp sửa chữa áp dụng côn g thức tính cao trình đỉnh đê theo 14TCN 130-2002 Zđ = Z tp+Hnd +Hsl +a (1) Trong : Zđ - Cao trình đỉnh đê thiết kế (m ); Ztp- Mực n ước biển tính tốn; Xác định chiều cao nước dâng bão Hnd (m): “ Vị trí dự án qua địa bàn h uy ện Hải Hậu 0 nằm tro n g v ùn g biển có vĩ độ N - N Theo tiêu chuẩn ngành 14T CN 13 0- 200 “Hướng dẫn th iết kế đê biển - Bộ NN& PT NT” chiều cao n ước dâng bão cho đê cấp III lấy với tần suất P = 20% Ch iều cao n ước dân g tr a p h ụ lục C g C- Bảng 2: C hiều cao nước dâng bão vùng 0 bờ biển 20 N-21 N Hnd - Chiều cao nước dân g bão (m ); Hsl - Chiều cao sóng leo (m) Xác định m ực nước b iển tính tố n Mực nước biển tính tốn m ực nước tính tốn theo tần suất bảo đảm vị trí g trình, xác định sở phân tích tần suất m ực nước biển cao năm Mực nước biển cao ứng với m ức bảo đảm khu vực Mức bảo 35 đảm (P%) 28 17 0,50 Chi ều cao nước dâng 1,00 1,50 2,00 2,50 > 2, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠ NG NGHỆ THỦY LỢI KHOA HỌC CÔNG NG HỆ Căn v g ứng với tần suất 20% chọn mực nước dâng: Hnd = 1.35m Xác định chiều cao só ng leo Hsl (m) Theo tiêu ch uẩn n gành 14TCN 130-2002, chiều cao són g leo lên mái đê trường hợp m dốc m = 1,5 đến xác định sau: Hsl K K wK P m2 H s xL s (2) phương pháp Bresthneider dựa giả thiết sóng sinh gió kh u vực điều kiện bão thiết kế phù hợp kh u vực chịu ảnh hưởn g trực tiếp hướng gió thổi gHs W gTp W 283 tanh[ 53( W2 0125 ( gD / W )0.42 (3) ] 375 W 077 ( gD / W ) 0.25 (4) - K∆: Hệ số nhám lát mái đê gia cố Với hình thức gia cố mái nh đồ án thiết kế → chọn K∆ = 0.55 Trong : - Theo tiêu ch uẩn ngành 14TCN 130-2002 với cơng trình cấp III tần suất m ực nước tính tốn lấy với P = 5% = ( +2.29) Với cao độ trung bình m ặt bãi trước đê: ( +0.50) gh ,2 tanh[ 83( Với gió bão cấp 10 có vận tốc W = 24,428,4→ ch ọn Wtt=28,4m/s ] 75 tanh[ 0.530 ( gh / W )0.75 ] Trong : - Kw: Hệ số kinh nghiệm tra bảng D-2 Hệ số phụ thuộ c vận tốc gió ( w) chiều sâu m ực nước trước đê gh tanh[ 833( gh / W )0.375 ] Hs - Ch iều cao són g tính tốn (m); Tp - Chu kỳ đỉnh sóng tính tốn (s) ; D - Đà gió thiết kế (m) D= x1011 w Trong : v: Hệ số nhớt độn g học khơn g khí v =10 (m /s) -5 Chiều sâu cột nước tính tốn trước đê: W: Vận tốc gió tính tốn; W = 28.4 m /s h=(2,29+1,35 – 0,50)=3.14m → D= 176.056(km) (có kể đến ch iều cao nước dân g gió) Tra g Kw = 1,295 Thay số vào côn g thức (3) (4) tính được: - 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 Hs= 1,18 m; - m : hệ số mái dốc phía biển, m = Ls= 23,8 m - Hs: Chiều cao tr ung bìn h són g tr ước đê (m ) (Tra g B- tiêu chuẩn n ghành 14TCN 130-2002) - Ls: Chiều dài sóng trước đê (m ) Chiều cao sóng trun g bình trước đê Tính tốn Hs Ls theo ph ươn g ph áp Bresthneider : Hs= 1,53 Theo tiêu chuẩn n gành 14TCN 130-2004 TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI Tp= 5,088 s; → = 0,71m Thay số vào côn g thức (2) ta có: : KHOA HỌC Hsl = 1,26m Thay vào cơng thức (1) ta có : Cao trình đỉnh đê thiết kế Zđ = 2,29 +1,35 +1,26 +0,3= 5,2m II.3 Tính tốn kết cấu lớp gia cố mái đê phía biển vật liệu asphalt chèn đá hộc Tính tốn chiều dà y lớp p hủ Sử dụng biểu đồ hình v ới m = 1:4 ; Hs = 1,1 8m ; th eo ph ụ lục B3[3 ] ; đất đắp thân đê Hải Hậu loại đất cát đầm nện tốt chọn bỊdÇy lí p phđ (m) 0.8 m¸ i 1:3 Theo t hốn g k ê Hà Lan với độ dày bê tơng asph alt 0,3m chịu ch iều cao són g m ặt đê 3m Vì v ới ch iều dày đá lát kh an 0,3m chèn kín vữa asp halt đảm bảo an tồn tác dụn g són g thiết kế 0.8 m¸ i 1:2/1:4 0.6 m¸ i 1:6 0.6 Hs(m) 0.4 0.6 Hs(m) 0.4 0.2 10 10 0.4 0.2 10 m ô đun ph ản lực đê S = (N/m ) (ta có chiều dày bê tơn g asphalt h = 0,1 m Vì đoạn thử n gh iệm sử dụn g hỗn hợp asphalt chèn đá hộc nên chọ n h = 0,3m ) 0.8 10 CÔNG NG HỆ 10 Hs(m) 0.2 10 10 10 modun phản lực mặ t nÒn (N/m 3) 10 Hình Biểu đồ quan hệ g iữa mơ đun phản lực chiều dày lớp phủ [5] Hình Kết cấu mái đê gia cố vậ t liệu hỗn hợp a sphalt chèn đá hộc Tính tốn áp lực đẩy nổi, trư ợt a Xác định áp lực đẩ y Mực nước thiết kế lớn có són g bão gây tràn, sau m ột khoảng thời gian m ực nước biển rút dần, m ực nước n gầm thân đê TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠ NG NGHỆ THỦY LỢI KHOA HỌC CÔNG NG HỆ gây áp lực đẩy nổ i Từ cao trình 2,1 đến 4,7 m đê gia cố cấu kiện bê tông lục lăng có khả nước tốt Từ cao trình 2,1 trở xuống m ục n ước triều thấp cần xác định áp lực đảy lớp gia cố thử nghiệm, loại vật liệu khôn g thấm Áp lực đẩy lớn nh ất wo theo sơ đồ hình cố asphalt [5] b Kiểm tra chiều dày thiết kế đảm bảo tiêu chuẩn trượt Ở vị trí áp lực đẩy lớn h x ác định theo công thức: w0 wg ( p h cos ) (5 ) w0 f a g ( f cos sin ) (6) Trong : h - Chiều dày lớp gia cố (m ); Trong : wo = Áp lực đẩy lớn (N/m ); w0 w = Khối lượn g riên g nước, w = 1024 tính công thức (5) w =4676 (N/m ); (kg/m ); g – Gia tốc trọng trường, g=9,81 m/s p = độ chênh m ực n ước cao tạo áp lực đẩy độ chênh m ực n ước kho ảng chênh cao trình hàng ốn g tiêu n ước liền nhau, với kho ản g cách ống m ặt đê 1m đặt so le, mái đê m =4 khoản g ch ênh cao là: p=0,17m h = chiều dày lớp gia cố (m ), h = 0,3m ; - Áp lực đẩy lớn (N/m ) theo kết f - Hệ số ma sát; - Góc ma sát đá hộ c chèn asph alt đất, chọn =40 - Góc ma sát đất; theo báo cáo khoan địa ch ất tháng 5/2014 [4], lớp đất o thân đê có = 21 21’; nên f tan , f =tan 40 = 0,839 a- Khối lượng riên g v ật liệu gia cố a = - góc n ghiêng mái phía biển, =14 , cos = co s140 =0,97 2300 (kg/m ) ; Thay số vào (5) ta có: - Góc nghiên g m đê ( độ), với m=4 có 0 =14 , sin 14 =0,242 w0 1024 9,81 (0,17 0,3 0,97) = (N/m ); g - Gia tốc trọng trườn g (m /s ); g = Gia tốc trọng trường (m/s ); Thay số liệu vào côn g thức (6) h P wo Hình Sơ đồ áp lực đẩy d ưới đáy lớp gia TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI w0 f 46760,839 0,30m a g( f cossin) 23009,81(0,8390,970,242) Vậy với độ dày lớp gia cố thử ngh iệm h=0,3m khôn g bị trượt c Kiểm tra chiều dày th iết kế đảm bảo tiêu chuẩn đẩy Để lớp gia cố khôn g bị đẩy nổ i, trườn g hợp khơng có kết cấu chân đỡ (bất lợi nhất), tiêu chuẩn khôn g bị đẩy nổ i : KHOA HỌC h w0 a g cos (7) Trong : w - Lực đẩy nổ i lớn nh ất (N) =4676 N/m2 - Góc nghiên g mái đê, với m =4 có =14 0co s = 0,970 g=9.81 m /s a - Khối lượng riên g v ật liệu lớp gia cố a = 2300k g/m3 Thay vào công thức (7) : h w0 a g cos CÔNG NG HỆ đê, có ch iều cao sóng, tốc độ truy ền són g thơng số són g thay đổi - Vùn g II vùn g chịu ảnh hưởng cấu trúc đê, sóng bị vỡ v đổ vào m đê tạo áp lực lớn lên lớp gia cố - Vùng III v ùng ch uyển động khối nước són g đổ vào, tức thời khơn g tiêu kịp, tạo áp lực đẩy n gược lớp gia cố Vì lớp gia cố bằn g đá hộc chèn vữa asphalt, sức dính kết tốt tính dẻo, tính đàn hồi tốt nên chún g bị đẩy cong cục thiết kế chiều dày đủ ổn định, chống trượt áp lực đẩy Ảnh hưởng ph ần sóng dộ i hình 4676 0,21 2300 9,81 0,97 Vậy v ới độ dày lớp gia cố thử n ghiệm h=0,3m m đê khơng bị đẩy Kiểm tra an tồn lớp gia cố chịu tác động sóng dội vào a Cơ chế ph hoại sóng đổ vào lớp gia cố m đê Khi sóng dội vào mái đê, khối n ước sóng với tốc độ lớn qua khe hở lớp gia cố tạo thành m ột khối nước tức thời đẩy lớp gia cố cong lên cục (hình 6) Hình Sơ đồ tính tốn kiểm tra tá c động sóng dội [6] b Tính tốn kiểm tra Tốc độ són g dộ i vào lớp gia cố thườn g lớn, tính theo côn g thức (8) V p g 2 H Vp g122 H b / b / (8) Trong : Hình Biến dạng lớp gia cố đá hộ c chèn vữa aspha lt Trong hình 6: - Vùn g I vùng chuyển tiếp từ sóng ngồi bờ tiến vào m đê, ph ụ thuộc địa hình bãi trước Vp - tốc độ són g v ỡ m trực tiếp vào lớp gia cố (m /s) ; H s = Hb - Chiều cao sóng vỡ mái đê (m), với m dốc đê Nam Định, m =4 đặc điểm địa hình bãi ch ân đê loại sóng vỡ m đê TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI KHOA HỌC CƠNG NG HỆ dạn g Sur ging có Hs =0,77m ; - Chỉ số sóng vỡ, = 2,5; 1 - Hệ số ổn định lớp gia cố loại mái nh ẵn, chọn 1 =0,6; db -Chiều sâu ảnh hưởn g bụng són g (m), xem hình 7; w - khối lượng r iên g n ước T hay thông số vào côn g thức (10) ta có : xem hình 7; hb Hs db 0,77 1,032 1,80 ; định lớp gia cố chịu tác động cao ảnh hưởng áp lực sóng 1,80 1,74 1,032 T hay thơn g số vào (8) Ta Vp ,81 0,6 1,74 0,77 2,5 / = 2,1 m /s * Kiểm tra theo cân bằn g lực Lớp gia cố khôn g bị đẩy g khi: (9) T rong : G – T rọng lượn g lớp gia cố phạm vi són g dội 1m dài đê ( N/m ): N= F F - Lực khối són g dội vào lớp gia cố,tính cho 1m dài đê (N/m); N= F mV (10) Vp – T ốc độ són g đổ vào lớp gia cố (m /s); Vp =2,1m /s m – T rọng lượng nước khối són g tính cho 1m dài đê dộ i vào lớp gia cố tron g phạm vi són g tác độn g (N/m), gần đúng: mV p2 2 82826 2,1 182831 N / m G as g V as as g x ,3 21 ,51 190725 dL s 2300 ,81 N / m d – chiều dày lớp gia cô, d =0,3m as -Khối lượn g riêng v ật liệu gia cố bằn g asphalt (kg/m ) T heo công thức (9) G N 190725 N/m >182831 N/m * Kiểm tra theo tiêu ch uẩn Hà Lan [6] Côn g thức thực hành xác định tiêu ch uẩn lớp gia cố đá asph alt không bị đẩy g tác động són g tạo khối nước dư khơn g tiêu thoát kịp 2/ z Hs d (11) T rong : z - số vỡ sóng tác dụng đá cắm z tan 1,25Tz Hb (12) Tz - Chu kỳ són g (s) ; Tz 5,132s - gó c n ghiêng m đê, với m =4 tan =1/4 Hb – Độ cao són g vỡ Hb = 0,77m T hay thông số vào g thức (12) ta có TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI : Kết luận : Với lực sóng đổ vào mái đê, lớp gia cố khôn g bị đẩy g cục N – Phản lực đẩy ngược lớp gia cố; p biển, w 1020 kg / m hb -Tổng chiều cao ảnh hưởn g áp lực sóng, G F N Ls – Chiều dài bước són g (m), Ls =21,51 m ; db H s / 0,77 2,52 / 1,032 m ; 2- Hệ số ổn tổng chiều hb 2 db H bLs ,81 1020 ,77 21 ,51 x 82826 N / m m wg KHOA HỌC z tan 1,25Tz Hb gia cố khơng bị đẩy cong sóng đổ vào mái Để đảm bảo an toàn hơn, lớp gia cố nên đặt cấu tạo thêm ống thoát nước 1,25 5,132 1,83 0,77 - Hệ số ổn định tổng thể Vp gH s 0z ,25 2,1 9,81 0,77 1,83 , 25 - T ỷ trọng vật n as 1,2 2,1 0,657 2,75 1,163 lệu lớp gia CÔNG NG HỆ cố, n d - Chiều dày lớp gia cố, d =0,3m T hay thông số vào cơng thức (4) ta có: 0,567 0,77 < 0,379