ổn định đê biển và phương án giảm thiểu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI ––––––––––– ĐỒNG QUANG HƯNG NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ BIỂN CỬA LÒ - ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIẢM THIỂU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI ––––––––––– ĐỒNG QUANG HƯNG NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ BIỂN CỬA LÒ- ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIẢM THIỂU LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY MÃ SỐ: 60-58-40 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VĂN NGHĨA Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến ổn định đê biển Cửa Lò – Nghệ An - đề xuất phương án giảm thiểu” Tôi xin cam đoan đề tài luận văn tơi hồn tồn tơi làm Những kết nghiên cứu không chép từ nguồn thông tin khác Nếu vi phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm, chịu hình thức kỷ luật Nhà trường Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên cao học Đồng Quang Hưng LỜI CẢM ƠN Với nỗ lực thân giúp đỡ tận tình thầy cơ, đồng nghiệp, bạn bè gia đình giúp tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Văn Nghĩa, người hướng dẫn trực tiếp vạch định hướng khoa học cho luận văn Cuối tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, vợ anh em gia đình tạo điều kiện cho tác giả hồn thành q trình học tập viết luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên cao học Đồng Quang Hưng MỤC LỤC Tính cấp thiết đề tài 11 Mục đích đề tài .11 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 12 Kết dự kiến đạt 12 Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .14 Tổng quan cơng trình đê biển Thế Giới .14 Cơng trình New Orleans - Mỹ 14 Dự án đê biển Saemangeum – Hàn Quốc[ 15 Đê biển Hà Lan 17 Đê biển bảo vệ thành phố St Peterburg – Nga 19 Đê biển Nam Pho - CHDCND Triều Tiên 21 Tổng quan cơng trình đê biển Việt Nam 22 Đặc điểm chung từ Quảng Ninh- Quảng Nam 22 Tổng quan đê biển Quảng Ngãi - Kiên Giang 30 1.1 Đặc điểm đê biển Bắc Trung Bộ Nghệ An 32 1.1.1 Đặc điểm đê biển Bắc Trung Bộ 32 1.1.2 Hiện trạng đê biển Nghệ An .33 1.2 Cơ chế phá hoại đê biển 35 Sóng tràn (Hình 1-12) .36 Cơ chế trượt mái .38 Hư hỏng công trình đê 49 Xói mịn đê tự nhiên, đụn cát 50 Tác động hố học mơi trường nước mặn 50 Các tác động tiêu cực từ việc khai thác cát sỏi, khoáng sản 51 1.2.1 Các chế phá hoại đê biển Cửa Lò – Nghệ An 51 Kết luận: .52 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH ĐÊ BIỂN 53 2.1 Phương pháp nghiên cứu theo lý thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro 53 2.2 Phương pháp thống kê 57 2.3 Các quan hệ ứng suất biến dạng tiêu chuẩn phá hoại 59 Mơ hình đàn hồi tuyến tính .60 Mơ hình đàn – dẻo 60 Một số mơ hình khác 62 Tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Coulomb 63 Lý thuyết phân tích ổn định mái dốc .64 Phương pháp cân giới hạn 65 Phương pháp phân tích giới hạn 69 Một số phương pháp tính ổn định mái theo mặt trượt .72 2.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 77 Phương pháp sử dụng phần mềm thương mại để đánh giá 81 2.3.2 Tổng quan phần mềm Plaxis 82 Lựa chọn mô hình thơng số tính tốn .82 2.5.1.1 Lựa chọn mơ hình đất 82 2.5.1.2 Chọn thơng số cho mơ hình tính 83 2.5.2 Sử dụng phần mềm SLOPE/W để tính tốn 85 Chương ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIẢM THIỂU MẤT ỔN ĐỊNH ĐÊ BIỂN CỬA LÒ 88 3.1 Giới thiệu kè biển Cửa Lò – Nghệ An 88 3.1.1 Giới thiệu chung đê, kè biển Cửa Lò – Nghệ An .88 3.1.2 Mục tiêu nhiệm vụ cơng trình 88 3.1.3 Vị trí địa lý .88 3.1.4 Điều kiện địa chất, địa chất thủy văn .89 3.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định đê biển Cửa Lò 89 3.1.5.1 Sóng tràn 89 3.1.5.2 Xói mịn tự nhiên, đụn cát 90 3.1.5.3 Xói ngầm 90 3.1.5.4 Tác động hóa học mơi trường nước mặn .90 3.2 Giải pháp kỹ thuật cho ổn định đê biển 90 3.6.1 Giải pháp bảo vệ mái đê, kè biển giới 90 3.6.2 Giải pháp bảo vệ mái đê kè Việt Nam 97 3.7.1 Sử dụng túi vải địa kỹ thuật giữ ổn định mái kè .104 3.7.2 Một số công trình thi cơng 107 3.7.3 Lựa chọn phương án tăng cường ổn định đê biển Cửa Lò 110 Từ phân tích nêu trên, với điều kiện Việt Nam, phương án đề xuất tăng cường ổn định cho đê biển Cửa Lò là: Sử dụng kểt cấu bảo vệ mái kết hợp vải địa kỹ thuật; xử lý kết cấu chân khay .110 3.7.3.1 Phương án sử dụng kết cấu bê tông bảo vệ mái rọ đá 110 3.7.3.2 Phương án sử dụng túi vải địa kỹ thuật .114 3.8 Tính tốn thiết kế kè 114 3.8.1 Xác định cao trình đỉnh kè 114 3.8.2 Tính tốn sóng chiều dày gia cố mái kè 116 3.8.3 Tính tốn gia cố chân kè phía biển 118 3.8.4 Tính tốn ổn định mái kè: .119 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1-11 Các hình thức phá hoại đê kè .35 Hình 1-13 Sạt mái đê phía đồng .38 Hình 1-14 Mặt cắt ngang bãi biển (bao gồm đê kè) thời tiết dị thường 40 Hình 1-24 Các cấu kiện viên đá bị bong xô bắt đầu trình phá hoại mái (nguồn: internet) 47 Hình 1-25 Mái kè bị bóc cấu kiện mái khoét đất đá thân đê 48 Hình 1-28 Cung trượt sâu cắt ngang qua thân đê 49 Hình 1-29 Phá hoại nguyên nhân tác động sóng ăn mòn nước mặn 51 Hình 2-3 Quan ứng suất – biến dạng (đàn - dẻo) .61 Hình 2-4 Đường bao cực hạn 63 Hình 2-5 Lý thuyết phá hoại Mohr – Coulomb 64 Hình 2-7 Xác định góc ma sát lực dính huy động 70 Hình 2-8 Sơ đồ tính tốn ổn định mái dốc theo phương trình mặt trượt 72 Hình 2-9 Sơ đồ tính hệ số an tồn theo Bishop .76 Chuyển vị phần tử tam giác 79 Hình 3-27 Ứng dụng ống Geotube đảo Barren, Nam Carolia, Hoa Kỳ 107 Hình 3-28 Sử dụng ống Geotube bãi biển bang Texas, Hoa Kỳ 107 Hình 3-30 Sử dụng ống Geotube đắp đê lấn biển Hàng Châu, Trung Quốc 108 Hình 3-31 Sử dụng ống Geotube bãi biển Hòa Duân, Phú Thuận, Thừa Thiên Huế 108 Kết tính tốn ổn định theo trường hợp .121 Hình 3-36 Kết tính tốn ổn định theo trường hợp 121 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Các tuyến đê Nghệ An theo định nâng cấp hệ thống đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam (Quyết định số: 58/2006/QĐ-TTg) 33 Bảng 2-1: Giá trị Eu=Es (Nguồn: Foundation analysis and design) 84 Bảng 3-1: Kết tính tốn cao trình đỉnh kè 115 Bảng 3-2: Tính tốn gia cố mái kè 117 Bảng 3-3: Bảng tiêu lý đất 119 Bảng 3-4: Bảng tiêu lý đất đắp 119 Bảng 3-5: Bảng kết tính tốn ổn định mái kè .120 - Tường chân khay mép đường phía bờ kết cấu bê tông M250, cao 1,0m, đỉnh rộng 0,50m, đáy tường rộng 0,50m 10m tường bố trí khe lún lớp bao tải lớp nhựa đường * Đoạn - Từ K0+280,8m đến K0+682 (Đoạn quảng trường Bình Minh) Giữ nguyên trạng kết cấu tường chắn cơng trình phía biển có khu vực Quảng Trường Bình Minh Trong phạm vi sửa chữa, gia cố phía ngồi tường quảng trường, kết hợp làm bậc lên xuống bãi biển, cụ thể sau: - Bậc lên xuống kết cấu bê tông M250, cao độ đỉnh bậc cao độ mặt quảng trường +3,60m, bậc có chiều rộng mặt 0,40m chiều cao 0,18m Dọc theo tuyến 10m bố trí khe lún lớp bao tải lớp nhựa đường - Chân bậc lên xuống gia cố lớp đá hộc xếp rọ thép tráng kẽm, bọc nhựa PVC, kích thước rọ (2m x 1m x 0,5m) Mặt rọ đá bảo vệ lớp bê tông M250 dày 10cm * Đoạn - Từ K0+682 đến K0+768 Đoạn kè có kết cấu chân khay, tường chắn phía biển tương tự đoạn (trung tâm Quảng Trường Bình Minh), giữ ngun trạng kết cấu tường chắn cơng trình phía biển Trong phạm vi sửa chữa, gia cố phía ngồi tường, kết hợp làm bậc lên xuống bãi biển, cụ thể sau: - Bậc lên xuống kết cấu bê tông M250, cao độ đỉnh bậc +3,20m, bậc có chiều rộng mặt 0,40m chiều cao 0,18m Dọc theo tuyến 10m bố trí khe lún lớp bao tải lớp nhựa đường - Chân bậc lên xuống gia cố lớp đá hộc xếp rọ thép tráng kẽm, bọc nhựa PVC, kích thước rọ (2m x 1m x 0,5m) Mặt rọ đá bảo vệ lớp bê tông M250 dày 10cm Hình 3-33 Mặt cắt ngang điển hình đoạn * Đoạn - Từ K0+768 đến K3+258 Xây dựng kè chắn sóng, chống sạt lở bờ biển với quy mô giải pháp kỹ thuật sau: + Mái kè phía biển: - Hệ số mái m=3,0 kết cấu lát bê tông đúc sẵn (40x40x30)cm M250 khung BTCT M250, lát tầng lọc ngược đá dăm dày 0,15m, lớp đá dăm lớp vải địa kỹ thuật, lớp vải địa kỹ thuật đắp lớp đất đồi dày 50cm, đắp đầm cóc, độ chặt K ≥0,9 - Khung BTCT chia ô ngang, dọc mái kè bê tông cốt thép M250 đổ chỗ, 5m bố trí khung chia ngang mái kè, 10m có dầm kép tạo thành đơn nguyên Theo dọc tuyến kè có dầm khung chân kè đỉnh kè - Dọc theo tuyến kè, 25m bố trí vị trí lên xuống rộng 5m, kết cấu bê tông cốt thép M250 đổ chỗ Hai đầu bậc đặt khớp nối KN92 liên kết với tường hắt sóng - Chân khay kè gia cố ống buy bê tơng cốt thép M250, dày 0,1m, kích thước (1m x 1m x 1,5m) Trong lòng ống đổ đá hộc, phía ngồi ống gia cố lớp rọ đá tráng kẽm, bọc nhựa PVC, kích thước rọ (2m x 1m x 0,5m), mặt rọ đá phủ lớp bê tơng dày 0,10m Tồn mặt ống buy phủ bê tông M250 dày 0,15m đổ chỗ Hình 3-34 Mặt cắt ngang điển hình đoạn + Đỉnh kè: - Đỉnh kè đoạn từ K0+768 đến K2+863,80 có cao độ +3,00m; Đoạn từ K2+863,80 đến K3+258,80 có cao độ +2,80m - Mép ngồi đỉnh kè tường có mũi hắt sóng bê tông cốt thép M250, cao 1,20m, đỉnh rộng 0,5m, 10m tường đỉnh kè có khớp nối KN92 - Mặt đỉnh kè kết hợp làm đường dạo lát gạch Terrazzo (40x40x5)cm; lớp gạch lát lớp bê tơng M150 dày 0,2m, 5m có khe lún lớp bao tải lớp nhựa đường; mặt lớp bê tông lớp đá dăm đệm D max=4 dày 15cm Mặt đường có chiều rộng kể tường chắn hai bên 5,0m có độ dốc 2,0% phía biển - Mép đỉnh kè (phía bờ) có chân khay dạng tường kết cấu bê tông M250, cao 1,0m, rộng 0,50m 10m tường bố trí khe lún lớp bao tải lớp nhựa đường * Đoạn - Từ K3+258 đến K4+421,60: 3.7.3.2 Phương án sử dụng túi vải địa kỹ thuật Hình 3-35 Mặt cắt ngang điển hình sử dụng vải địa kỹ thuật 3.8 Tính tốn thiết kế kè 3.8.1 Xác định cao trình đỉnh kè 3.8.1.1 Cao trình đỉnh kè xác định theo cơng thức cao trình đỉnh đê biển Zđ = Ztk + Rsl + a (3-1_ Trong đó: + Zđ : cao trình đỉnh đê thiết kế, m; + Ztk : cao trình mực nước thiết kế cao trình mực nước biển ứng với tần suất thiết kế (tổ hợp tần suất mực nước triều tần suất nước dâng bão gây ra), Ztk3,33% = +2,90m + Rsl: Chiều cao sóng leo + a: Độ vượt cao an toàn; a = 0,3m Kết tính tốn cao trình đỉnh kè với cấp gió bão khác nhau, cho kết sau: Bảng 3-1: Kết tính tốn cao trình đỉnh kè TT Thơng số tính tốn Đơn vị Tính tốn Tính tốn với gió cấp 10 với gió cấp 12 A Xác định cao trình đỉnh kè I Số liệu tính tốn Mực nước triều tổng hợp (P = 3,33%) m +2,9 +2,9 Cao độ tự nhiên bình qn trước cơng trình m 0,00 0,00 cột nước trước cơng trình ( h) m 2,89 2,89 Vận tốc gió U m/s 28,40 36,90 Đà gió D km 200,00 200,00 Trọng lượng riêng bê tông t/m3 2,30 2,30 Trọng lượng riêng nước biển: t/m3 1,03 1,03 4,00 4,00 0,30 0,30 Hệ số nhám mái nghiêng Kn 0,90 0,90 V/(9,81*h)^0,5 (để tra Kw) 5,33 6,93 Hệ số kinh nghiệm Kw 1,28 1,30 Hs/h (để tra Kp) 0,14 0,14 Hệ số tính đổi tần suất Kp 1,94 1,94 Hệ số mái m = cotg a Độ cao an tồn II m Kết tính tốn sóng đỉnh đê Chiều cao sóng Hs m 1,00 1,14 Chu kỳ sóng Ts s 4,99 5,38 Chiều dài sóng Ls m 24,48 26,70 Chiều cao sóng trung bình Htb m 0,44 0,50 Chiều cao sóng leo Rsl m 1,77 2,00 Mực nước trước cơng trình (bao gồm sóng leo) m 4,66 4,89 4,96 5,19 Cao trình đỉnh kè - Phân tích chọn cao trình đỉnh kè thiết kế: + Như tính tốn bảng cho thấy, để không cho nước biển đánh tràn qua đỉnh kè, với gió bão cấp 10, đỉnh kè cần đạt +4,96m, với gió bão cấp 12, đỉnh kè cần đạt cao trình +5,19m + Theo trạng địa hình khu vực xây dựng cơng trình: Các cơng trình sở hạ tầng du lịch nằm kẹp đường Bình Minh tuyến kè có cao độ từ +3,3m đến +2,3m + Theo nhiệm vụ cơng trình: ngồi việc chắn sóng, chống sạt lở bờ biển bão, lũ lụt, nước biển dâng, bảo vệ đất đai, tài sản, cơng trình kè cịn kết hợp hạ tầng giao thơng du lịch ven biển Nếu cao trình đỉnh kè chọn đến cao trình +5,19m khơng đảm bảo cảnh quan du lịch biển Cửa Lị + Để đảm bảo cơng trình vừa chống sạt lở bờ biển, đảm bảo cảnh quan du lịch cao trình đỉnh kè khống chế tương đương cao trình mặt bãi trạng từ +2,60m đến +3,20m Khi kè chấp nhận để sóng đánh tràn qua mặt kè có gió bão xảy 3.8.2 Tính tốn sóng chiều dày gia cố mái kè Với cao trình đỉnh kè chọn +3,20m, mực nước triều tổng hợp với tần tuất P=3,33% xảy ra, kè chấp nhận sóng đánh tràn qua mặt kè, phải nghiên cứu tính tốn gia cố mặt kè, mái kè phía đồng để đảm bảo an tồn 3.8.2.1 Tính lưu lượng tràn qua mặt kè Trường hợp tính: Sóng tràn qua đỉnh đê với tần suất thiết kế P =3,3% * Tính hệ số chiết giảm sóng tới xiên góc (γ β): γ β = 1-0,0022x0 = 1,00 * Hệ số sóng vỡ (ξο): ξο = tan α So Trong đó: = 0,86 So = 2πH mop m −1, gT = 0,08; Tm-1,0 = Tp α = 4,35 * Hệ số chiết giảm độ nhám mái dốc (γ f): Tra bảng 5.1 - Hướng dẫn thiết kế đê biển xác định γ f = * Hệ số chiết giảm có đê (γ b): Tra bảng 5.1 - Hướng dẫn thiết kế đê biển xác định γ b = 1,00 * Hệ số chiết giảm tường (γ ∗f): Tra bảng 5.1 - Hướng dẫn thiết kế đê biển xác định γ ∗f = 0,80 * Tính: γ b* ξο = 1x0,86 = 0,86 < Khi lưu lượng tràn xác định theo công thức: q  R γ b ξ o exp − 4,3 c x  H mo ξ o γ b γ f γ β γ v tan α  0,67 = gH 3mo     q = 0,63 l/s/m 3.8.2.2 Tính tốn gia cố mặt kè mái kè phía bờ điều kiện sóng tràn lên mặt kè Khi lưu lượng qua tràn 1