Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng ven bờ tới ổn định của vật liệu đá hộc trong bảo vệ chân kè, ứng dụng cho công trình đê cát hải hải phòng

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng dòng ven bờ tới ổn định vật liệu đá hộc bảo vệ chân kè, ứng dụng cho cơng trình đê Cát Hải-Hải Phịng" hoàn thành nhờ hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Lê Xuân Roanh Tác giả xin chân thành cảm ơn trường Đại học Thủy lợi suốt thời gian nghiên cứu vừa qua, trang bị thêm kiến thức cần thiết vấn đề kỹ thuật Cùng hướng dẫn nhiệt tình thầy trường giúp tác giả hồn thiện trình độ chuyên môn Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo PGS.TS.Lê Xuân Roanh trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tác giả tận tình suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Đồng thời, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo Khoa Cơng trình cung cấp kiến thức chuyên ngành, giúp tác giả có đủ sở lý luận thực tiễn để hoàn thành luận văn Cảm ơn động viên giúp đỡ, chia sẻ, cổ vũ tinh thần người thân, gia đình bạn bè để tác giả hồn thành luận văn Do trình độ, kinh nghiệm thời gian nghiên cứu hạn chế nên luận văn khơng thể tránh thiếu sót nên tác giả mong nhận ý kiến chia sẻ, đóng góp thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp để luận văn đáp ứng mục tiêu đề Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 05 năm 2016 Tác giả luận văn Bùi Đức Trung i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, công trình nghiên cứu thân, xuất phát từ yêu cầu phát sinh thực tế để hình thành hướng nghiên cứu Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ nguyên tắc kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực, chưa công bố trước Hà Nội, Tháng 05 năm 2016 Tác giả Luận văn Bùi Đức Trung ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU viii PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Thực trạng hư hỏng cơng trình đê biển khu vực Cát Hải .3 1.2 Giới thiệu loại kêt cấu bảo vệ chân kè áp dụng Việt Nam .4 1.2.1 Chân kè lăng thể đá hộc 1.2.2 Chân kè loại ống buy 1.2.3 Chân kè cọc, cừ 1.2.4 Chân kè nhô cao 1.3 Phân tích chung kết cấu gia cố chân kè 1.3.1 Những vấn đề thiết kế 1.3.2 Những vấn đề thi công 1.4 Các nghiên cứu nước bảo vệ chân kè 1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 13 1.5 Kết luận chương 18 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY VEN BỜ VÀ ỔN ĐỊNH VẬT LIỆU ĐÁ HỘC BẢO VỆ CHÂN KÈ 19 2.1 Lý thuyết nghiên cứu dòng chảy 19 2.1.1 Khái niệm dòng ven bờ 19 2.1.2 Dịng chảy hình thành sóng vùng gần bờ 19 2.1.3 Dịng tiêu dịng tuần hồn 21 2.1.4 Dòng chảy dọc bờ hình thành sóng tác dụng theo hướng xiên góc với đường bờ 23 2.2 Lý thuyết nghiên cứu ổn định chân kè .30 2.2.1 Khái niệm xói chân kè 30 iii 2.2.2 Phân loại 30 2.2.3 Xác đinh phạm vi hố xói chân kè 31 2.2.4 Kích thước ổn định đá bảo vệ 35 2.3 Kết luận chương 44 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN XÓI LỞ BỜ BIỂN CÁT HẢI 45 3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 45 3.1.1 Đặc điểm tự nhiên biển Cát Hải 45 3.1.2 Đặc điểm khí tượng 46 3.1.3 Đặc điểm thủy hải văn 52 3.2 Nghiên cứu chế độ dòng chảy khu vực đê biển Cát Hải qua mơ hình tốn Delft 3D 64 3.2.1 Thiết lập mơ hình tốn 64 3.2.2 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 67 3.2.3 Tính tốn kịch sóng, dịng chảy tổng hợp điều kiện mùa cực trị 73 3.3 Kết luận chương 97 CHƯƠNG IV ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH TRONG ĐIỀU KIỆN DỊNG CHẢY XĨI CHÂN CHO ĐÊ CÁT HẢI HẢI PHÒNG 98 4.1 Đặc điểm địa chất cơng trình đê Cát Hải 98 4.2 Quan hệ vật liệu vận tốc dòng 99 4.2.1 Công thức ổn định Izbash 99 4.2.2 Công thức Gerding (1995) 100 4.2.3 Công thức Vandemeer 101 4.2.4 Ứng dụng xây dựng quan hệ vật liệu vận tốc dòng 102 4.3 Tính tốn ổn định kiểm tra kết cấu điều kiện xói chân 108 4.3.1 Ổn định điều kiện xói chân 108 4.3.2 Ổn định đá lăn 109 4.4 Kết luận chương 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kết cấu chân kè ống buy .5 Hình 1.2 Hình ảnh chân kè cọc BTCT Hình 1.3 .Chân kè dạng tường nhô .6 Hình 1.4 Lực tác dụng dịng chảy lên hạt .9 Hình 1.5 Độ nhám tương đối hạt 10 Hình 1.6 Phân bố tải trọng cường độ - Ngoại suy chuyển động 11 Hình 1.7 Ngưỡng chuyển động 12 Hình 1.8 Cấu tạo chân khay kè biển 17 Hình 2.1 Trường dịng chảy quan trắc gần bờ, phụ thuộc phần lớn vào góc sóng vỡ (α b ) 20 Hình 2.2 Hệ thống dịng chảy tuần hồn .21 Hình 2.3 Mơ hình biểu diễn dịng sóng tác động vào bờ .22 Hình 2.4 Phân bố lưu tốc dọc bờ .30 Hình 2.5 Sơ đồ tính kích thước hố xói theo phương pháp McDougal 32 Hình 2.6 Biểu đồ tính kích thước hố xói theo Xie 33 Hình 2.7 Biểu đồ tính kích thước hố xói theo Sumer & Fredsoe .34 Hình 2.8 Mơ hình thơng số tính tốn xói mái nghiêng 36 Hình 2.9 Biểu đồ mối quan hệ độ ổn định độ sâu tương đối chân kè .37 Hình 2.10 Biểu đồ mối quan hệ H s /∆.d n50 ht/d n50 37 Hình 2.11 Biểu đồ tra giá trị Ns thiết kế chân kè cho loại tường đứng 38 Hình 2.12 Mặt cắt thí nghiệm mơ hình máng sóng (tác giả stephan baart& nnk) .39 Hình 2.13 Quan hệ chiều sâu tương đối ht/h số ổn định Ns (có xét đến số khối dịch chuyển Nod) với độ dốc bãi khác 40 Hình 2.14 Quan hệ số khối dịch chuyển Nod hệ số ổn định có xét đến số Iribaren (khi ht/hm< 0.4) .41 Hình 2.15 Quan hệ phần trăm ổn định N% với hệ số ổn định có xét đến số Iribaren (khi ht/hm> 0.4) 41 Hình 2.16 Đường cong quan hệ phần trăm ổn đinh N% hệ số ổn định có xét đến số Iribaren 42 Hình 2.17 Quan hệ hệ số ổn định chiều cao sóng Hs với kích thước đá khác 43 Hình 2.18 Quan hệ chiều cao sóng kích thước viên đá với hệ số ổn định khác 43 v Hình 2.19 Quan hệ ổn định ht/hm 44 Hình 3.1 Hoa gió thống kê giai đoạn 2000-2011 Hịn Dấu 48 Hình 3.2 Hoa gió tháng (mùa khơ) Hịn dấu 1976-1995 49 Hình 3.3 Hoa gió trung bình mùa khơ 2000-2011 Hịn Dấu 49 Hình 3.4 Hoa gió tháng (mùa mưa) 1976-1995 Hịn dấu 50 Hình 3.5 Hoa gió trung bình mùa mưa 2000-2011 Hịn Dấu 50 Hình 3.6 Hoa gió trung bình năm 1976-1995 Bạch Long Vĩ 51 Hình 3.7 Mực nước tính theo hải đồ khu vực Hải phịng 2004-2007 55 Hình 3.8 Xu mực nước tính theo hải đồ năm 2004-2007 55 Hình 3.9 Sơ họa miền tính tốn 64 Hình 3.10 Lưới tính tốn 65 Hình 3.11 Địa hình miền tính mơ hình 66 Hình 3.12 Các biên tính mơ hình 67 Hình 3.13 Vị trí trạm kiểm tra 69 Hình 3.14 Kết hiệu chỉnh mực nước tháng 3/2009 Bến Gót 70 Hình 3.15 Kết hiệu chỉnh mực nước tháng 3/2009 KT1 70 Hình 3.16 Kết kiểm đinh mực nước tháng 8/2009 Bến Gót 71 Hình 3.17 Kết kiểm định mực nước tháng 8/2009 KT1 72 Hình 3.18 Địa hình miền tính tốn 74 Hình 3.19 Vị trí điểm trích rút sóng tốc độ dịng chảy 74 Hình 3.20 Tốc độ dịng chảy khu vực Cát Hải vào mùa Đơng 75 Hình 3.21 Thống kê kết tính sóng Lạch Huyện (điểm LH) 76 Hình 3.22 Trường sóng mùa khơ triều lên (Miền tính lớn) 81 Hình 3.23 Trường sóng mùa khơ triều lên (Miền tính nhỏ) 81 Hình 3.24 Trường dịng chảy mùa khơ triều lên 82 Hình 3.25 Trường dịng chảy mùa khơ triều xuống 82 Hình 3.26 Chiều cao sóng điểm gần bờ 83 Hình 3.27 Trường sóng mùa mưa triều lên (Miền tính lớn) 89 Hình 3.28 Trường sóng mùa mưa triều lên (Miền tính nhỏ) 89 Hình 3.29 Trường dòng chảy mùa mưa triều lên 90 Hình 3.30 Trường dịng chảy mùa mưa triều xuống 90 Hình 3.31 Trường sóng với tần suất 1% (a- Miền lớn, b- Miền nhỏ) 91 Hình 3.32 Trường dịng chảy tốc độ dòng khu vực Cát Hải (a- Trường dòng chảy, b- tốc độ) 92 vi Hình 3.33 Trường sóng với tần suất 2% (a- Miền lớn, b- Miền nhỏ) 93 Hình 3.34 Trường sóng với tần suất 5% (a-Miền lớn, b-Miền nhỏ) .95 Hình 3.35 Trường dịng chảy tốc độ dòng khu vực Cát Hải (a- Trường dòng chảy, b- tốc độ) 96 Hình 4.1 Quan hệ vận tốc dòng theo tiêu chuẩn TCN14-2002 mơ hình hóa Hình 4.2 Quan hệ trọng lượng nhỏ vật liệu vận tốc dòng .104 Hình 4.3 Quan hệ đường kính vật liệu theo giả thiết hình dạng lập phương vận tốc dòng 105 Hình 4.4 Quan hệ đường kinh Dn50 theo Vandermeer vận tốc dòng 105 Hình 4.5 Quan hệ đường kinh D theo Izbash vận tốc dòng 106 Hình 4.6 So sánh quan hệ V- D phương pháp khác 106 Hình 4.7 Quan hệ Hs- D 107 Hình 4.8 Ổn định trượt mái cơng trình xói chân (K=1.1) 109 Hình 4.9 Sơ họa trình đá lăn .109 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số kịch thí nghiệm 40 Bảng 3.1 Tốc độ gió TB(m/s) số trạm thuộc khu vực Hải Phòng 47 Bảng 3.2 Một số đặc trưng chế độ gió ven biển 47 Bảng 3.3 Tốc độ gió cực đại xẩy lần T năm khu vực Hải Phòng 52 Bảng 3.4 Lưu lượng chảy trung bình sơng Hải Phịng, 2009 53 Bảng 3.5 Mực nước triều đặc trưng Hòn Dáu (cm) 56 Bảng 3.6 Mực nước thực đo trạm Hòn Dấu từ năm 1988-2007 57 Bảng 3.7 Mực nước thực đo trạm Cửa Ông từ năm 1986-2007 58 Bảng 3.8 Tần suất bão hoạt động phân bố tháng năm 60 Bảng 3.9 Tần suất hoạt động bão phân bố theo vĩ độ 60 Bảng 3.10 Thống kê tần suất nước dâng (%) vùng bờ biển bắc vĩ tuyến 16 61 Bảng 3.11 Thơng số biên tính tốn mơ hình 66 Bảng 3.12 Kết đánh giá sai số hiệu chỉnh mơ hình 71 Bảng 3.13 Kết đánh giá sai số kiểm định mơ hình 72 Bảng 3.14 Bộ tham số mơ hình 73 Bảng 3.15 Trường hợp tính tốn 73 Bảng 3.16 Thống kê kết tính sóng Hòn Dấu (điểm HD) 77 Bảng 3.17 Thống kê kết tính sóng Đình Vũ (điểm ĐV) 78 Bảng 3.18 Thống kê kết tính sóng Cát Hải (điểm CH) 79 Bảng 3.19 Thống kê kết tính sóng Bạch Đằng (điểm BĐ) 80 Bảng 3.20 Thống kê kết tính sóng Lạch Huyện (điểm LH) 84 Bảng 3.21 Thống kê kết tính sóng Hòn Dấu (điểm HD) 85 Bảng 3.22 Thống kê kết tính sóng Đình Vũ (điểm ĐV) 86 Bảng 3.23 Thống kê kết tính sóng Cát Hải (điểm CH) 87 Bảng 3.24 Thống kê kết tính sóng Bạch Đằng (điểm BĐ) 88 Bảng 3.25 Trường dòng chảy tốc độ dòng khu vực Cát Hải (a- Trường dòng chảy, b- tốc độ) 94 Bảng 3.26 Kết tính tốn mơ hình thủy lực 97 Bảng 4.1 Giới hạn biên tham số áp dụng 101 Bảng 4.2 Tính tốn xây dựng quan hệ vận tốc dịng vật liệu 102 viii PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Đề tài Hệ thống đê biển Hải Phịng hình thành từ lâu, trải qua trình tu bổ hàng năm tạo thành hệ thống đê có quy mơ Do trình hình thành kết cấu thân đê khơng đồng nhất, vào nhiều thời điểm khác Có đoạn đê xây dựng từ lâu, có đoạn xây dựng nhu cầu mở rộng diện tích bảo vệ Tất tuyến đê biển xây dựng trầm tích trẻ mềm yếu nhiều loại vật liệu khác Mặt khác, đê biển Hải Phòng trực tiếp chịu tác động mưa, bão, thủy triều, sóng nước dâng nên tình hình sạt lở diễn phức tạp, nhiều nơi xuống cấp nghiêm trọng chưa đầu tư đồng như: kè mái bảo vệ đê phía biển thuộc tuyến đê biển I, II, III, đê biển Cát Hải Đê biển Cát Hải tuyến đê biển đê sông thành phố Hải Phịng Về tình hình xói lở, tượng xói lở bờ bãi ngồi đê biển Cát Hải diễn thường xuyên, liên tục tác động yếu tố thủy động lực sóng, dịng chảy làm cho cao độ bãi bị hạ thấp, gia tăng mức độ tác động sóng, dịng chảy lên cơng trình đê điều, làm suy giảm khả ổn định cơng trình Ngồi hầu hết tuyến đê biển có tượng bồi, xói cục theo mùa trình vận chuyển bùn cát ven bờ gây ảnh hưởng bất lợi an toàn đê điều cống lấy nước phục vụ nông nghiệp, thủy sản Đặc biệt thời gian gần đê biển Cát Hải có tượng xói chân kè, đá hộc thi công bảo vệ chân kè bị dịng chảy sóng tác động mạnh làm vận chuyển lệch khỏi vị trí ban đầu, gây nguy hiểm tới ổn định chân đê Vì vậy, biện pháp làm ổn định chân kè cơng trình đê giải pháp cơng trình phi cơng trình cần quan tâm thực Mục tiêu luận văn  Nghiên cứu ảnh hưởng dòng ven bờ tới xói lở bờ biển tác động lên kè, đê biển  Xây dựng phương án sử dụng đá hộc nhằm bảo vệ chân kè đê biển Cát Hải, Hải Phòng sở kết nghiên cứu chế độ thủy động lực từ mơ hình tốn ngun nhân xói lở kè biển Cát Hải Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu • Thu thập tài liệu số liệu điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, chế độ khí tượng thủy hải văn khu vực biển Cát Hải - Hải Phịng; • Phân tích quy luật diễn biến ngun nhân xói lở chân kè; • Sử dụng mơ hình tốn để xác định vận tốc dòng chảy ven bờ làm sở cho việc lựa chọn vật liệu đá hộc hợp lý; • Xây dựng tính tốn vận tốc, kích thước đá hộc cần thiết để sử dụng làm vật liệu bảo vệ chân kè Phạm vi nghiên cứu Khu vực bãi biển Cát Hải, Hải Phòng Nội dung luận văn Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết nghiên cứu dòng chảy ven bờ ổn định vật lệu đá hộc bảo vệ chân kè Chương 3: Nghiên cứu diễn biến xói lở bờ biển Cát Hải Chương 4: Đánh giá ổn định điều kiện dịng chảy xối chân cho đê Cát Hải – Hải Phòng Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục Lớp 6: sét nhẹ đến sét trung màu nâu xám, xám tro nhạt, đất chứa nhiều vật chất hữu chưa phân hủy hết Đất ẩm ướt kết cấu chặt Trạng thái dẻo mềm đến dẻo chảy Đây lớp tương đối yếu, tính thấm nước mức độ nén lún cao Diện phân bố lớn, khơng Bề dày thăm dị trung bình > 3.0m Nguồn gốc bồi tích (aQ) Lớp 7: Cát hạt mịn đôi chỗ cát lẫn hạt bụi màu xám đen, xám tro nhạt đơi chỗ xám đen, bão hồ nước, chặt Diện phân bố cục bề dày nhỏ, phần lớn dạng thấu kính Đây lớp đất có tính thấm lớn, sạt lở mạnh mực nước ngầm thay đổi Lớp 8: Lớp sét nặng, sét dẻo mềm đến dẻo chảy, lớp đất yếu có tính thấm nhỏ mức độ nén lún cao không Lớp 9: Á cát, sét xen kẹp nhiều lần, màu xám tro nhạt, xám đen, kết cấu chặt, trạng thái dẻo chảy Diện phân bố lớn thường nằm lớp gặp hầu hết mặt cắt từ Hoàng Châu đến Gót, chiều dày trung bình thay đổi > 2m Lớp 10: Á sét nhẹ đến sét trung màu xám tro nhạt, xám đen, kết cấu chặt, trạng thái dẻo chảy Diện phân bố lớn không thường nằm lớp 9, gặp số mặt cắt từ Hồng Châu đến Gót, chiều dày trung bình thay đổi > 2,0m Lớp 11: Á cát đơi chỗ cát hạt mịn màu xám đen đất chứa nhiều vật chất hữu Đất ẩm, kết cấu chặt, trạng thái chảy Nguồn gốc bồi tích (aQ) Lớp 12: Á sét nặng đến sét màu xám đen, xám nâu, kết cấu chặt, trạng thái dẻo mềm đến dẻo chảy, diện phân bố không đều, chiều dày mỏng Qua khảo sát kết hợp với tài liệu thí nghiệm cho thấy địa chất tuyến đê vùng bồi tụ biển tạo nên địa chất có nhiều lớp tiêu lý khác 4.2 Quan hệ vật liệu vận tốc dịng 4.2.1 Cơng thức ổn định Izbash Cơng thức xây dựng Izbash nghiên cứu ổn định vật liệu đá đổ dịng sơng chịu ảnh hưởng dòng chảy sau đập thủy điện Hệ số Izbash 0.7 hệ số ban đầu xây dựng vào năm 1930 cho điều kiện đá rời rạc nằm đáy đá nằm có kết nối xuống thơng qua trình dao động 99 chìm phần đáy Sau này, năm 1970 hệ số điều chỉnh cho hai loại kể tương ứng 0.7 cho đá nằm mới, 1.4 cho đá nằm cũ Cũng nguồn gốc xây dựng công thức mà không thấy xuất tham số sóng, tốc độ dịng chảy cần biết 4.2.2 Công thức Gerding (1995) Công thức Gerding xây dựng cho vật liệu đá gia cố chân đê chắn sóng với điều kiện giới hạn độ sâu ngập nước ht (4.1) Khi cơng thức áp dụng sau: 100 Trong cơng thức thấy khống có xuất trọng lượng riêng viên đá Vấn đề nghiên cứu Ton van der Meulen cộng thơng qua thí nghiệm khác khẳng định phù hợp công thức sử dụng tốt điều kiện trọng lượng riêng đá nằm khoảng 1900- 2850 kg/m3 4.2.3 Công thức Vandemeer Xuất phát công thức tương tự Gerding xây dựng cho vật liệu gia cố chân đê chắn sóng Các tham số điều kiện áp dụng sau Bảng 4.1 Giới hạn biên tham số áp dụng Tham số D n50 h Hs ht ρs ρw 0.5 – 30 0.1 – 10 0.5 – 30 1500 - 950 – (i) (i) (i) 3200 1050 Điều kiện giới hạn giá trị áp 0.1 – (i) dụng Khi 0.4