Công trình đê chắn sóng và bảo vệ bờ biển đào văn tuấn

TS ĐÀO VĂN TUẤN CƠNG TRÌNH ĐÊ CHẮN SĨNG VÀ BẢO VỆ BỜ BIỂN i ĐH NHA TRANG THƯ VIỆNĐH NHA TRANG iỉilìlỉĩ 1000023818 108 T >-2011-2 »1 NHA XUAT BAN XAY DỰNG TS ĐÀO VĂN TUẤN CƠNG TRÌNH Đ Ê C H Ắ N SÓNG V À B Ả O V Ệ B Ờ B IỂ N NHẢ XUẤT BẢN XÂY DỰNG HÀ N Ộ I-2011 LỜI NÓI ĐẦU Việt Nam có bờ biển dài 3000 km, lãnh hải vùng đặc quyền kinh tế nước ta gấp lần đất liền, mang lại cho nhiều tài ngun vơ giá khơng hiểm họa Giao thông vận tải thủy Việt Nam tương đổi phát triển, dọc theo bờ biển có nhiều cảng biển hở, cảng nằm nội địa thông thương với bên qua luồng tàu Vùng cửa biến cần bảo vệ cơng trình đê chắn sóng ngăn cát Do cỏ bờ biển dài nên hệ thong đê biển Việt Nam dài, nhiều vùng bờ biển bị xói lở cần gia cố Nội dung sách nhằm trang bị kiến thức tính tốn cơng trình bảo vệ cảng, luồng tàu, bờ biển cho sinh viên Đổi với kỹ sư thiết kể tìm thấy nhiều điểu bo ích Trong sách tác giả đề cập phương pháp tính, cẩu tạo cơng trình bảo vệ bờ biển thơng dụng: đê chan sóng, ngăn cát, gia cổ bờ biển v.v Đọc giả cần tìm hiếu thêm kiến thức liên quan tới chuyên môn khác không đề cập lại như: Cơ đất, Động lực học sơng biển Do nội dung trình bày vấn đề phức tạp nên khỏ tránh khỏi thiểu sót, mong bạn đọc góp ý để sách ngày hồn thiện Tác giả TS Đào Văn Tuấn DANH MỤC KỶ HIỆU vt vw kf Lw u d Ahb Vận tốc gió độ cao 10m mặt đất Vận tốc gió độ cao 1Om ừên mặt nước Hệ số tính đổi máy đo gió Đà gió Hệ số lấy 5.1 On Hệ số nhớt động học khơng khí Độ sâu khu nước ừên đà gió Độ cao nước dâng bão AP Ah t Độ chênh áp Độ cao nước dâng gió bão hd Chiều cao sóng trung bình T X Chu kỳ sóng trung bình Chiều dài sóng nước sâu X Kích thước góc vật cản V Kích thước khoảng hở i% T|c Suất bảo đảm sóng Độ vượt cao sóng hị Chiều cao sóng với suất bảo đảm i% kt Hệ số biến hình k Hệ số khúc xạ kj Hệ số tổn thất kj Hệ số tưomg ứngng với suất bảo đảm i% d Độ sâu sóng đổ lần đầu d^cr,u i ệ0 Độ sâu sóng đổ lần cuối s Độ dốc sóng với chu kỳ đỉnh phổ h ran Chiều cao sóng leo k Hệ sổ nhám k Hệ số thẩm thấu ka Hệ số ảnh hưởng hdf Chiều cao sóng nhiễu xạ k^đif Hệ số nhiễu xạ• kvis Độ dốc đáy Số Irribaren Chương VAI TRỊ CỦA ĐÊ CHẮN SĨNG VỚI BỂ CẢNG 1.1 CẢNG BIỂN VÀ PHÂN LOẠI Cảng biển đầu mối giao thông, kết hợp công trình xây dựng thiết bị đảm bảo cho tàu đậu an toàn, đồng thời cho phép bốc dỡ hàng hố nhanh thuận tiện Cảng biển khác cảng sơng cảng hồ cho phép neo đậu tàu biển, không neo cập tàu sông tàu pha sông biển, mặt tác động, chịu yếu tố tự nhiên động lực biển sóng, bão, thuỷ triều, hải lưu, nước dâng, chuyển động bùn cát ven bờ, nước ngầm, động đất - sóng thần Các yếu tố so với yếu tố tác động vào cảng sơng mạnh nguy hiểm gấp nhiều lần mặt quy mơ đại cảng biển vượt trội so với cảng sông cảng hồ, khơng lượng hàng hố, kích cỡ tầu, trang thiết bị bốc xếp mà tất khía cạnh khác có liên quan đến cảng Cũng tất cảng, cảng biển thưomg mại trước tiên thường phân cấp theo lưu lượng hàng hoá Q qua cảng năm - Cấp 1: Q > 20 triệu tấn/năm; - Cấp 2: Q > 10 triệu tấn/năm; - Cấp 3: Q > triệu tấn/năm; - Cấp 4: Q > triệu tấn/năm; - Cấp 5: Q < triệu tấn/năm mặt vị trí, cảng biển phân loại thành: cảng đảo tự nhiên, cảng đảo nhân tạo, cảng ngồi biển hở, cảng vịnh, cảng cửa sơng Đối với cảng chuyên dụng có tên gọi theó loại hàng: cảng than, cảng dầu, cảng cá, quân cảng, cảng khách, cảng phà Trong hệ thống cảng biển phân nhỏ sau: cảng cố định, cảng chuyển tải, cảng phao, cảng tạm Theo quan điểm tác động sóng cảng biển chia làm hai loại: có đê chắn sóng khơng có đê chắn sóng Trừ cảng cửa sơng vịnh kín đại đa số cảng biển giới cảng nước sâu có cơng trình đê chắn sóng, đê ngăn cát nhằm vươn xa biển 1.2 KHU NƯỚC VÀ BẺ CẢNG Một cảng cấu tạo khu: khu nước khu lãnh thổ Tỷ lệ diện tích khu lãnh thổ với khu nước thơng thường từ 0,5 -7- lần, cảng Container tỷ lệ cịn lớn hon Khu nước cảng biển đặc trưng diễn tả hình 1.1 gồm vùng: - Vùng ngồi cửa cảng; - Vùng bể cảng; - Vùng cửa sông (trong trường hợp có thơng với cửa sơng) - Vùng ngồi bể cảng (Vùng cửa) - Bể cảng - Vùng cửa sơng Hình 1.1 Khu nước - bể cảng cảng biển đặc trưng Thông thường có vùng vùng 2, trường họp cảng biển không tiếp cận với cửa sông thi khuyết vùng Trong trường họp độ sâu tự nhiên vùng bể cảng không đủ, phải nạo vét tuyến luồng vào để tạo thành kênh biển hay kênh dẫn tàu (hình 1.1) với đầy đủ hệ thống báo hiệu hàng hải, tuân theo tiêu chuẩn báo hiệu hàng hải quốc tế IALA Tất bể cảng có đê chắn sóng bảo vệ gọi bể cảng nhân tạo Các tuyến đê chọn chủ yếu phụ thuộc vào hướng sóng tác dụng, vận chuyển bùn cát, phụ thuộc vào địa hình tự nhiên khu đất khu nước Trên hình 1.2 ví dụ chọn tuyến đê chắn sóng - Bể cảng có hai tuyến đê chắn sóng cắm vào bờ (hình 1.2a), khu neo tàu đặt ngồi bể cảng (vũng cảng), tuyến bến đặt theo bến nhô với tuyến đường sắt - Bể cảng hình 1.2b 1.2c có tuyến đê chắn sóng cắm vàọ bờ để đảo, bể cảng có hai cửa phụ - Vũng càng; -Đ ê chắn sóng; - Tường bảo vệ; - Khu đất; - Lạch vào cảng; - Khu neo tàu b, c,C ó tuyến đê cẳm vào bờ tuyến đề đảo b) 1- Vũng ccmg; 2- Đê chắn sóng c) 1- Vũng cảng; 2- Đê chẳn sóng; 3- Lạch vào cảng Hình 1.2 Các bể cảng có hai tuyến đê chẳn sóng bao bọc Các tuyến đê chắn sóng có chân nối liền với bờ khơng nối với bờ tạo thành tuyến đê đảo Việc tính tốn đê đảo đê có chân nối liền với bờ tương tự vai trị chúng mang tính chất che chở cho khu nước 1.3 YÊU CẦU VẺ CHE CHẮN SÓNG, NGĂN CÁT CHO BẺ CẢNG Quy hoạch bể cảng biển cho n tĩnh sóng khơng bị lắng đọng bùn cát gắn với tuyến đê cửa cảng, thường phải tuân thủ nguyên tắc sau: Đủ diện tích hữu hiệu cho tàu đậu thực thuận lợi thao tác tàu như: quay, bốc hàng Phần bể cảng coi diện tích hữu hiệu phải đủ độ sâu an tồn vởi hướng sóng khơng bị bồi lẳng Tỷ lệ phần diện tích hữu hiệu so với tổng diện tích thực tồn bể cảng cao mức độ tối ưu lớn Nếu tỷ lệ 50% đạt yêu cầu - Khu quay trở - Khu chuyển tải - Khu neo đậu Hình 1.3 Một bể cảng có khu riêng biệt An tồn cho tàu đậu với hướng sóng tác dụng: theo kinh nghiệm nước Bắc Âu Đông Âu chiều cao sóng an tồn cho phép khu trước bến cho bảng 1.1 Bảng 1.1 Chiều cao sóng cho phép bể cảng Bông Âu Bắc Âu (m) Lượng choán nước tàu (1.000T) 50 10 -7 -5 Khi đầu sóng có hướng Thẳng góc với mép bến Song song với mép bến 1,5 1,0 0,8 0,6 1,5 1,2 1,0 0,7 0,5 Tại Nhật Bản chiều cao sóng h (m) an tồn cho phép quy định rõ ràng theo chiều cao sóng có ý nghĩa h ]/3 cho bảng 1.2 Bảng 1.2 Chiều cao sóng an tồn cho phép mép bến làm hàng (Nhật Bản) Loại tàu Chiều cao sóng hi/3 (m) 500 DWT 500 - 50.000 DWT 0,3 0,5 0,7 -1,5 > 50.000 DWT Riêng khu nước trước tuyến bến có kết cấu kiểu tường đứng dạng trụ với đệm tàu ống cao su 400mm chiều sâu H > 12m, tàu có trọng tải > 30.000DWT chấp nhận chiều cao sóng an tồn cho phép h < l,0m Việc xác định chiều cao sóng an tồn cho phép bể cảng tối cần thiết, khơng có ảnh hưởng đến cơng tác làm hàng mà cịn ảnh hưởng đến ổn định cơng trình bến Khi chiều cao sóng ừong bể h = l,0m, độ sâu nước H = lOm, góc nội ma sát đất (p = 32° áp lực đất chủ động tăng thêm 20% ứng với thời điểm đáy sóng chạm tường bến, áp lực phụ gia phải xét đến chiều cao sóng vượt h > 0,5m Ngăn chặn giảm đến mức tối thiểu lắng đọng bùn cát, song song với yêu cầu chắn sóng, hệ thống đê bể cảng biển phải ngăn di chuyển bùn cát dòng ven dòng lục địa mang đến Giải pháp hữu hiệu đẩy bùn cát xa bờ (hình 1.4) tích tụ bùn cát phía ngồi đê (khu vực sát bờ) tạo thành bãi biển nhân tạo - Dòng bùn cát - Các đoạn đê chắn sóng - Kênh tàu vào cảng - Bể cảng Hình 1.4 Sơ đồ vạch tuyến đê chẳn sóng để đẩy bùn cát xa bờ Để lượng bùn cát khó vào bể, cần bố trí tuyến đê chắn sóng với cửa cảng hình 1.5 v//////////^y//7////A a) Bùn cát vào nhiều b) Bùn cát vào Hình 1.5 Cách bố trí tuyển đê chắn cửa cảng Có khả để mở rộng cảng tương lai Sự tăng trưởng kinh tế nước khu vực ln ln phát triển quy hoạch bể cảng cần có giải pháp mở rộng khoảng 20 -ỉ- 100 năm cách: - Hoặc kéo dải tuyến đê chắn sóng - ngăn cát xây; - Hoặc xây dựng thêm tuyến đê chắn sóng - ngăn cát tạo bể cảng (bể bên cạnh bể ngoài) Tàu vào thuận tiện Điều gắn chặt với tuyến kênh biển cho: - Luồng vào tàu ngắn nhất; - Hệ thống báo hiệu hàng hải đơn giản; - Tốc độ phát triển ngưỡng cạn vô chậm không Năm yêu cầu ưên định hướng đồng thời nguyên tắc quy hoạch tuyến đê chắn sóng cho bể cảng biển Bể cảng tối ưu có diện tích hữu hiệu Muốn cằn dựa vào tuyến đê hướng sóng giải tốn nhiễu xạ bể cảng mơ hình tốn học mơ hình vật lý đồng thòi hai 1.4 PHƯƠNG ÁN MẶT BẰNG CÁC TUYỂN ĐÊ CHẮN SĨNG Trong hình 1.6 nêu 15 loại mặt tuyến đê chắn sóng gặp thực tế xây dựng bể cảng Điều tổng kết kinh nghiệm xây dựng bể cảng có đê chắn sóng khắp châu lục • Nếu quy ước: A hướng sóng chủ yếu vào cửa cảng, B đường bờ tự nhiên, tuyến mép bến c Từ sơ đồ hình 1.6 rút nhận xét sau: - Rất nhiều bể cảng có hai tuyến đê chắn sóng cắm vào bờ, tạo thành hai cánh cung vây gần kín vùng nước bể (hình 1.6 a, b, c, d, e, f, g, m, p) Ngồi hướng sóng chủ yếu A ra, hướng sóng khác gây khó khăn cho bể cảng Thường phải xét thêm 2, 4, hướng sóng lệch 22°5 kể từ hướng sóng (hướng sóng chủ yếu) phân sang hai bên trái phải - Số bể cảng có tuyến đê chắn sóng khơng (hình 1.6 j, 1, n, q) Trường hợp hướng sóng theo tia A phải có tần suất cao, mặt khác diện tích hữu hiệu bể cảng bị hạn chế, khó xây dựng tuyển bến nhơ để cập tàu Các tuyến đặt góc chết đặt trực mép tuyến đê chắn sóng - Bể cảng có hai tuyến đê đặt song song vận dụng cho bể cảng đặt cửa sơng có dải cát tự nhiên ổn định Trong trường hợp chức ngăn cát ngang tầm với chức ngăn sóng - Các tuyến đê ehắn sóng vạch thẳng (hình 1,6 e, f, g, h, k, m, n, p, q) áp đảo tuyến đê chắn sóng vạch cong (hmh 1.6a, b, ç ,d , j, 1), lý chủ yếu dễ thi công, thời gian xây dựng ngắn Các tuyến đê chắn sóng cong khó định vị, kết cấu phức tạp, cỊiế tạo rắc rối 10 úg ; Dự ph ịng xói Hình 6.15, Các loại chân khay khác 6.3 KÍCH THƯỚC c BẠN CỦA GIA CỐ BỜ 6.3.1 Chiều cao gia cố bờ Phần gia cố phân thành vùng sau: - Vùng I: vùng ngầm - phần mái dốc nằm thấp MNTTK; - Vùng II: vùng ngập - vùng nằm phần từ MNTTK đến cao trình mà nước đạt tới (bao gồm MNCTK cộng với chiều cao sóng leo nước dồn); - Vùng III: vùng khơng ngập - có tác dụng dự phịng Hình 6.16 Phân vùng gia cổ 170 Chiều cao vùng xác định sau: H3 - chiều cao dự phịng nằm phía cao trình vùng sóng leo nước dồn, thơng thường lấy theo bảng sau: Bảng 6.1 Độ dự trữ an tồn theo cấp cơng trình Cấp cơng trình Trị số gia tăng độ cao an toàn (m) Đặc biệt I II III IV 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 H2 = h SL + Ah + (MNCTK - MNTTK) (6-1) MNCTK - mực nước cao thiết kế; Bảng 6.2 Tần suất mực nước thiết kế Cấp cơng trình Đặc biệt I II III IV Tần suất mực nước cao thiết kế,% MNTTK - mực nước thấp thiết kế lấy mực nước thấp nhất; h SL- chiều cao sóng leo (xem phần tham số sóng mực nước); Ah - chiều cao nước dồn (xem phần tham số sóng) Hi - tổng chiều sâu chân mái dốc với độ dự phịng có khả xói: H, =Ts + Tp (6-2) Ts - độ sâu khu nước tính từ MNTTK trở xuống; Tp - độ sâu dự phịng xói dịng chảy sóng Trường họp dự phịng dịng chảy: Tp= ~gvl T “+® T tgf2 _30d m2 rDvới rn chiều rộng khe hở lớp bê tông Chiều dầy lớp lọc ôo xác định theo công thức: So - 50dj5 (6-7) Hoặc lấy theo kinh nghiệm: - Lớp trong: Ơ02 = (10 -ỉ- 15) cm; - Lớp ngồi: ôoi = (15 - ỉ - 20) cm 6.4.3.2 Tầng lọc ngược s dụng geotexíỉle - Geotextile đặt trực tiếp mái đê, cố định đinh đê trải xuống chân khay, cần có biện pháp chống chọc thủng rễ cây, sinh vật ánh nắng mặt trời v.v - Lựa chọn loại geotextile thích hợp theo dẫn thiết kế sừ dụng vải địa kỹ thuật để lọc cơng trình thuỷ lợi - Cần bố trí lớp đá dăm dày 10 + 15cm vải địa kỹ thuật lớp bảo vệ 6.4.4 Gia cố mảng mềm » 6.4.4.1 H ình dạng kích thước Cff khối bê tơng m ảng m ềm Hiện Việt Nam việc gia cố khối bê tông mảng mềm tương đối phổ biến Thông dụng khối T2, T3, Tsc-178 tác giả Phan Đức Tác (theo [4]) Trong khối Tsc-178 tối ưu nhẩt liên kết khối với tốt hai khối 175 Dưới hình dạng kích thước khối: A r=*=n iì MẢTCẮT B-B MẶTCẮT c-c Hình 6.17 Cẩu tạo khối Tsc-178 Bảng 6.4 Các thơng số cấu kiện Tsc-178 Các thông số Cơng thức tính Thể tích cấu kiện (m3) Vtsc-178= 3>/3afd / - >/3b2(d + 2t2 - tj)/ Diện tích mặt (m2) Str= 3\/3a2 /2 Diện tích mặt (m2) sd= ^ a |/ + 3a2b s„m='B (m2 + n2)h / Thể tích mố nhám tam giác (m3) b = ^ ( a j - a 2) Quan hệ cạnh v= V3(aj - a 2)/2 a).ti = a2.t2 Gổc vát cạnh chèn (độ) p° = 90°± a ° ; 0° 4 Prel 3,7 2,8 2,3 2,1 1,9 1,8 1,75 1,7 Cao độ Z2(m) xác định theo công thức: {l-V2ctg2(