Nghiên cứu ổn định mái hạ lưu đê biển trong trường hợp sóng tràn qua và giải pháp khắc phục

1 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chun ngành Xây dựng cơng trình thủy đề tài: “Nghiên cứu ổn định mái hạ lưu đê biển trường hợp sóng triều cường tràn qua đề xuất giải pháp khắc phục" hoàn thành với giúp đỡ tận tình Thầy giáo, Cơ giáo Khoa Cơng trình, Phịng đào tạo đại học sau đại học, Bộ môn thủy công Trường đại học Thủy lợi bạn bè đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, Cô giáo, Gia đình, Bạn bè & Cơ quan tạo điều kiện cho tác giả suốt trình học tập thực luận văn tốt nghiệp Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến GS.TS Ngơ Trí Viềng, NCS Hồng Việt Hùng, NCS Nguyễn Văn Thìn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tuy có cố gắng định, thời gian lực nghiên cứu nhiều hạn chế, luận văn chắn cịn nhiều thiếu sót, tác giả kính mong Thầy giáo, Cơ giáo, Bạn bè Đồng nghiệp góp ý để tác giả tiếp tục học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 28 tháng năm 2011 Tác giả Nguyễn Việt Hưng Luận văn Thạc sĩ MỤC LỤC MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC NỘI DUNG 10 CHƯƠNG 12 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐÊ BIỂN Ở VIỆT NAM 12 1.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐÊ BIỂN Ở VIỆT NAM 12 1.2 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG Ở VIỆT NAM 15 1.2.1 Đặc điểm khí tượng 15 1.2.2 Đặc điểm thủy văn 16 1.3 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN VẬT LIỆU XÂY DỰNG, CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 17 1.4 KHÁI QUÁT VỀ CÁC SỰ CỐ GÂY PHÁ HOẠI ĐÊ BIỂN 19 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG 24 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRƯỜNG HỢP SÓNG VÀ TRIỀU CƯỜNG TRÀN QUA ĐÊ 24 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THƠNG SỐ SĨNG NGỒI KHƠI 24 2.1.1 Giới thiệu chung 24 2.1.2 Các phương pháp đơn giản tính sóng ngồi khơi 24 2.2 CÁC MƠ HÌNH SỐ TRỊ ĐỂ TÍNH TỐN LAN TRUYỀN SĨNG TỪ VÙNG NƯỚC SÂU VÀO VÙNG NƯỚC NÔNG 26 2.2.1 Giới thiệu chung 26 2.2.2 Các mơ hình phân giải pha 27 2.2.3 Các mơ hình trung bình pha cho sóng nước sâu 28 2.2.4 Các mô hình trung bình pha cho sóng nước nơng 29 2.3 NGHIÊN CỨU SÓNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN TRONG ĐIỀU KIỆN BÃO VÀ TRIỀU CƯỜNG 30 Luận văn Thạc sĩ 2.3.1 Sóng tràn lượng sóng tràn trung bình 30 2.3.2 Lượng tràn cho phép 31 2.3.3 Các tham số chi phối sóng tràn 31 2.3.4 Nghiên cứu mơ hình vật lý lưu lượng sóng tràn trung bình 35 2.3.5 Sóng tràn qua đê mái dốc 36 2.3.6 Cơng thức tính tốn có dạng tương tự TAW (2002) 40 2.3.7 Các tham số chiết giảm sóng tràn qua đê 42 2.4 CƠ SỞ DỮ LIỆU SÓNG TRÀN 49 2.5 MƠ HÌNH TỐN SĨNG TRÀN QUA ĐÊ BIỂN 50 CHƯƠNG 53 NGHIÊN CỨU XĨI MÁI CỎ PHÍA ĐỒNG ĐÊ BIỂN DO SĨNG TRÀN TRONG BÃO VÀ TRIỀU CƯỜNG 53 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 53 3.2 MỘT SỐ PHƯƠNG ÁN GIA CỐ MÁI HẠ LƯU 54 3.2.1 Gia cố mái hạ lưu vật liệu consolid 54 3.2.2 Gia cố mái hạ lưu trồng cỏ 55 3.3 MƠ HÌNH VẬT LÝ VỀ KHẢ NĂNG CHỊU XĨI CỦA MÁI ĐÊ PHÍA ĐỒNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA SĨNG TRÀN 57 3.4 MƠ HÌNH HĨA XĨI MÁI TRONG ĐÊ BIÊN MÁI CỎ 63 3.4.1 Cơ sở chung 63 3.4.2 Mơ hình kinh nghiệm 63 3.4.3 Mơ hình số trị 64 CHƯƠNG 68 ỨNG DỤNG TÍNH TỐN CHO ĐỂ BIỂN GIAO THỦY, NAM ĐỊNH 68 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠNG TRÌNH 68 4.1.1 Một số điều kiện chung 68 4.1.2 Điều kiện tự nhiên 70 4.1.3 Hệ thống đê biển 72 4.2 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN PHÂN TÍCH CƠ CHẾ XĨI MÁI ĐÊ PHÍA ĐỒNG Ở GIAO THUỶ - NAM ĐỊNH 75 4.2.1 Mơ hình số trị 75 4.2.2 Giới thiệu chương trình BREID 77 Luận văn Thạc sĩ 4.2.3 Các bước thực 78 4.3 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TỐN PHÂN TÍCH CƠ CHẾ XĨI MÁI ĐÊ PHÍA ĐỒNG Ở GIAO THUỶ - NAM ĐỊNH CĨ TÍNH ĐẾN HIỆU ÍCH KINH TẾ 86 4.3.1 Phân tích chế xói mái đê phía đồng 86 4.3.2 Tổng dự tốn tính tốn trường hợp 88 CHƯƠNG 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 5.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 92 5.2 NHỮNG TỒN TẠI TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN LUẬN VĂN 93 5.3 NHỮNG KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 Luận văn Thạc sĩ MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Một số hình ảnh phá hoại mái đê 21 Hình 2-1: Cân lượng phổ thể tích kiểm tra 28 Hình 2-2: Sóng tràn qua đỉnh đê 30 Hình 2-3: Lượng tràn trung bình cho phép (CEM-US, 2002) 32 Hình 2-4: Các dạng sóng vỡ: nhảy vỡ dâng vỡ 34 Hình 2-5: Xác định độ dốc mái đê quy đổi trường hợp mái phức hợp (có ngoài, theo TAW, 2002) 39 Hình 2-6: Số liệu sóng tràn với kết cấu hình học đê điều kiện sóng khác (TAW, 2002) 39 Hình 2-7: Sơ đồ bố trí ngồi thơng số hình hình học 43 Hình 2-8: ảnh hưởng đê (bề rộng độ sâu cơ) đến việc giảm sóng tràn 44 Hình 2-9: ảnh hưởng sóng tới xiên góc tới chiết giảm sóng tràn qua đê 46 Hình 2-10: Xác định độ dốc mái đê quy đổi có tường đỉnh 47 Hình 2-11: Sự thay đổi hình dạng phổ sóng ảnh hưởng bãi nơng 48 Hình 2-12: Kết so sánh lưu lượng tràn trung bình mơ hình tài liệu thực nghiệm (Tuan and Oumeraci, 2008) 52 Hình 3-1: Đường cong chịu xói cỏ gia cố mái đê hàm số lưu tốc giới hạn chịu xói thời gian dịng chảy tràn (theo Hewlett et al 1987) 57 Hình 3-2: Khái niệm lớp áo cỏ (Muijs, 1999) 58 Hình 3-3: Phân loại mái cỏ theo VTV 2006 (Hà Lan) 58 Hình 3-4: Thí nghiệm trường sức chịu xói mái cỏ Hà Lan năm 1970 (theo Bos, 2006 ) 59 Hình 3-5: Nguyên lý máy xả sóng (wave overtopping simulator, Van der Meer, 2006) 60 Hình 3-6: Kết thí nghiệm máy xả sóng (Akkerman cộng sự, 2007), q = 50 l/s/m, xói mái cỏ xuất phát từ điểm hư hỏng nhân tạo ban đầu kích thước 5cm x 1m x 1m 61 Luận văn Thạc sĩ Hình 3-7: Kết thí nghiệm máy xả sóng, q = 75 l/s/m, cho thấy hố xói lớn xuất vị trí chuyển tiếp với phương ngang (chân đê) (Akkerman cộng sự, 2007) 61 Hình 3-8: Thí nghiệm máy xả sóng cho đê biển Đồ Sơn - Hải Phịng, Nam Định 62 Hình 3-9: Đường cong ổn định mái cỏ (Van den Bos, 2006) 64 Hình 3-10: Kết kiểm định mơ hình với thí nghiệm máy xả sóng (Akkerman cộng sự, 2007), q = 50 l/s/m, xói mái cỏ xuất phát từ điểm hư hỏng nhân tạo ban đầu kích thước 5cm x 1m x 1m 66 Hình 3-11: Kết kiểm định mơ hình với thí nghiệm máy xả sóng, mái đất sét (Akkerman cộng sự, 2007), lưu lượng trung bình qmax = 10 l/s/m 67 Hình 3-12: Mơ xói mái cỏ đồng cho thấy hố xói lớn chân (a) cỏ chất lượng trung bình q = 112 l/s/m (b) cỏ chất lượng q = 50l/s/m 67 Hình 4-1: Bản đồ tỉnh Nam Định 68 Hình 4-2: Một đoạn đê biển Giao Thủy - Nam Định 70 Hình 4-3: Tuyến đê biển Giao Thủy - tỉnh Nam Định 75 Hình 4-4: Phân bố lưu tốc dịng chảy sóng tràn mái 76 Hình 4-5: Giao diện chương trình Breid 78 Hình 4-6: Cấu tạo hình học lớp phủ mái đê 79 Hình 4-7: Hình dạng đường sóng số 80 Hình 4-8: Biến đổi mực nước vị trí mái (t=1h40’ đến 4h bão) 81 Hình 4-9: Kết mơ hình xói chân đê biển theo thời gian 82 Hình 4-10: Kết mơ hình xói mái phía đồng đê biển theo thời gian 82 Hình 4-11: Xói với mái tiêu chuẩn 83 Hình 4-12: Xói mái cỏ hư hỏng 83 Hình 4-13: Xói vị trí lớp cỏ mỏng 84 Hình 4-14: Xói lớp đất sét khơng 84 Hình 4-15: Xói mái cho trường hợp lớp cỏ chất lượng trung bình 85 Hình 4-16: Quan hệ hệ số mái khả chịu xói, tổng mức đầu tư cơng trình 90 Luận văn Thạc sĩ MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Tiêu chuẩn sóng tràn (Eurotop, 2007) 31 Bảng 2-2: Các tham số chi phối tính chất sóng tràn qua đê 33 Bảng 2-3: Các hệ số thực nghiệm công thức Owen (1980) cho đê mái nhẵn 37 Bảng 2-4: Nghiên cứu sóng tràn qua đê mái dốc 40 Bảng 2-5: Chiết giảm sóng tràn ảnh hưởng độ nhám mái kè (TAW, 2002) 42 Bảng 4-1: Các tham số tính tốn cho module sóng tràn 79 Bảng 4-2: Các tham số dùng để tính tốn xói mái cỏ 80 Bảng 4-3: Các trường hợp tính toán 81 Bảng 4-4: Kết tính tốn xói mái cỏ (đoạn mái) 85 Bảng 4-5: Kết tính tốn xói mái cỏ (vị trí chân mái) 88 Bảng 4-6: Tổng mức đầu tư xây dựng cơng trình với trường hợp hệ số mái 89 Luận văn Thạc sĩ MỞ ĐẦU Đê biển chiếm vị trí quan trọng để bảo vệ tài sản, tính mạng nhân dân vùng ven biển, vùng bãi, góp phần to lớn phát triển kinh tế, ổn định đời sống xã hội đặc biệt nước ta có hệ thống đê biển hầu khắp tỉnh trải dài từ Bắc vào Nam Ở nước ta, đê biển thường xây dựng vật liệu địa phương, đê xây dựng phổ biến nhiều vùng đồng ven biển chủ yếu có công nghệ xây dựng đơn giản đặc điểm mức độ an toàn, kinh tế đảm bảo vệ sinh mơi trường xây dựng Đê xây dựng nhiều loại nền, dễ thích ứng với độ lún nền, bị nứt nẻ gây phá hoại …Do đặc tính ưu việt tính chất cấp thiết loại hình cơng trình đê nên ngày phổ biến rộng rãi nước ta giới TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thời gian gần nguồn vốn vay nước ngoài: ADB, WB, vốn trái phiếu Chính Phủ số cơng trình đê biển đầu tư xây dựng với yêu cầu tiến độ gấp rút; lại gặp vấn đề phức tạp điều kiện ngoại cảnh bão, lũ, dẫn đến nhiều nguy tiềm ẩn Đặc biệt năm gần đây, điều kiện môi trường ngày cho thấy rõ rệt ảnh hưởng hiệu ứng nhà kính dẫn đến tăng lên mực nước biển hàng năm Hàng loạt cơng trình đê ổn định vấn đề tràn mặt gây nên dẫn đến phá hoại cơng trình gây tổn thất to lớn người Hiện nay, vấn đề xử lý chống tràn mặt cho cơng trình đê biển nghiên cứu ứng dụng phổ biến Việt Nam, nhiên phương pháp thường phù hợp mang lại hiệu định ứng với kiểu cấu trúc cơng trình Do việc nghiên cứu biện pháp chống tràn mặt cho cơng trình đê biển vấn đề cấp bách có ý nghĩa khoa học, thực tiễn Để giải vấn đề cấp bách đặt ra, đề tài tập trung nghiên cứu biện pháp xử lý ổn định mái hạ lưu đê biển cố tràn mặt xảy Tính tốn ổn định cho cơng trình cụ thể có cố, sở phân tích ưu nhược Luận văn Thạc sĩ điểm phương pháp từ kiến nghị biện pháp xử lý ổn định hữu hiệu đảm bảo an toàn kinh tế MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu biện pháp gia cố bảo vệ mái hạ lưu đê biển có sóng tràn qua; - Tìm giải pháp thích hợp nhất; - Ứng dụng vào đê biển Việt Nam PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU + Nghiên cứu sở lý thuyết sóng triều cường tràn qua đê + Điều tra, khảo sát, thống kê thực tế + Sử dụng mơ hình tính tốn phần mềm đại KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC + Tổng quan tình hình xây dựng đê biển Việt Nam mối liên quan đến điều kiện khách quan điều kiện thiên nhiên: khí tượng, thủy văn, mối liên quan đến điều kiện chủ quan về: công nghệ thi công, điều kiện vật liệu xây dựng Từ khái quát trường hợp phá hoại đê biển + Đưa sở lý thuyết cho trường hợp sóng triều cường tràn qua đê gồm: (i) - Các phương pháp tính tốn thơng số sóng ngồi khơi; (ii) - Các mơ hình số trị để tính tốn lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nơng; (iii) Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển điều kiện có bão triều cường Trình bày sở liệu sóng tràn mơ hình tốn sóng tràn qua đê biển + Nghiên cứu xói mái cỏ phía đồng đê biển sóng tràn bão triều cường, nêu số phương án gia cố mái hạ lưu đê biển, nêu mơ hình vật lý khả chịu xói mái đê phía đồng tác động sóng tràn Từ nêu mơ hình hóa trường hợp xói mái đê biển hạ lưu gia cố loại hình trồng cỏ Luận văn Thạc sĩ 10 + Ứng dụng để tính tốn cho trường hợp mái cỏ hạ lưu đê biển huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định Giới thiệu tổng quan cơng trình cần nghiên cứu, ứng dụng mơ hình tính tốn (nêu chương 3) để phân tích chế xói mái đê phía đồng tuyến đê biển huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định Phát triển mơ hình tốn phân tích chế xói mái đê phía đồng tốn xem xét có tính đến hiệu ích kinh tế, tìm điểm hiệu mặt kinh tế đảm bảo yêu cầu kỹ thuật chuyên môn NỘI DUNG Mở đầu: - Tính cấp thiết đề tài - Mục đích nghiên cứu đề tài - Phương pháp nghiên cứu - Kết đạt - Nội dung luận văn Chương 1: Tổng quan tình hình xây dựng đê biển Việt Nam - Tổng quan tình hình xây dựng đê biển Việt Nam - Đặc điểm khí tượng, thủy văn Việt Nam - Điều kiện vật liệu xây dựng, công nghệ xây dựng - Khái quát cố gây phá hoại đê biển - Kết luận chương Chương 2: Cơ sở lý thuyết trường hợp sóng triều cường tràn qua đê - Các phương pháp tính tốn thơng số sóng ngồi khơi - Các mơ hình số trị để tính tốn lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nơng - Nghiên cứu sóng tràn qua đê biển điều kiện bão triều cường - Cơ sở liệu sóng tràn - Mơ hình tính tốn sóng tràn qua đê biển Chương 3: Nghiên cứu xói mái cỏ phía đồng đê biển sóng tràn bão triều cường Luận văn Thạc sĩ Bảng dự toán Công trình : Tu bổ tuyến đê biển huyện Giao Thủy - tỉnh Nam Định Hạng mục : Kè đoạn phương án m=2,5 STT mà hiệu Đơn giá Nội dung công việc Đơn vị Khối lượng Đơn giá Vật liệu Nhân công Thành tiền Máy Vật liệu Nhân công Máy AB.11211 Bóc phong hóa m3 1,251.12 AB.11312 Đào đất cấp thủ công m3 1,406.19 38,399 53,996,175 AB.13212 Đắp đất cấp thủ c«ng m3 1,163.64 31,843 37,053,808 AB.21121 Bãc phong hãa giới 100m3 29.19 23,414 AB.11911 VC đất 60m đất phong hóa, TC 4,170.41 87,120 AB.25212 Đào đất mãng CT