Phân tích phương án kết cấu và bố trí kết cấu

II. Mục tiêu của đồ án

3.2.3Phân tích phương án kết cấu và bố trí kết cấu

Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng hiện có 3 loại đập chắn sóng: đập tường đứng trọng lực, đập mái nghiêng và đập hỗn hợp. Với mỗi loại kết cấu của đập sẽ có những ưu nhược điểm khác nhau, và từng điệu kiện biên cụ thể ta sẽ có cách khắc phục nhược điểm của kết cấu này và phát huy ưu điểm của đập kiểu khác. Ta có thể phân tích ưu nhược điểm của tưng loại kết cấu như sau:

3.2.3.1 Đập tường đứng trọng lực

Kinh nghiệm thiết kế thi công cho thấy đê chắn sóng kiểu tường đứng kinh tế hơn công trình đá đổ mái nghiêng do hình dáng gọn nhẹ, giảm được khối lượng vật liệu xây dựng: đá và bê tông. Ngoài ra công nghệ thi công không quá phức tạp, thường các tưòng đứng trọng lực được cấu tạo bởi các thùng Carxon bên trong đổ vật liệu đá ( dạng thùng chìm). Tuy nhiên khi dùng đập tương đứng trọng lực phải có biện pháp bảo vệ chân công trình chống xói chân và lật, do dòng thấm và sóng phản xạ.

Điều kiện quan trọng nhất để áp dụng kiểu tường đứng trọng lực là: nền móng phải tốt. Đất nền lý tưởng nhất cho công trình này là nền đá, tuy nhiên với loại đất cò khả năng chịu tải tương đối tốt cũng có thể làm nền móng cho công trình như đất cát, sỏi. Tuy nhiên phải có biện pháp gia cố chống xói lở đáy. Như vậy công trình đê chắn sóng trọng lực thường đựoc xây dựng theo các điều kiện sau:

- Có thể áp dụng với mọi độ sâu trên nền đá, khi sóng vỡ tại chân công trình cần có các khối tiêu sóng.

- Trên nền đất chỉ xây ở độ sâu lớn hơn 1,5-2 lần chiếu cao sóng tại chân công trình, và không sâu quá 20 m.

- Tiết kiệm hn so với đê mái nghiêng

- Có biện pháp bảo vệ chân tốt, chống xói chân công trình và sóng phản xạ. - Đê chắn sóng tườn đứng trọng lực gồm các loại đê: đê chắn sóng trọng lực

dạng khối xếp, đê chắn sóng trọng lực thùng chìm..,

3.2.3.2 Đập mái nghiêng

Đập mái nghiêng được ứng dụng sớm nhất, tận dụng được các vật liệu có sẵn tại chỗ: đất, đá, bê tông… Ngày nay, đập chắn sóng mái nghiêng còn được ứng dụng rất nhiều các khối bê tông có hình thú đặc biệt vừa tiêu hao năng lượng sóng,

vừa liên kết chặt chẽ với nhau. Các khối này có tên gọi là các khối kì dị hoặc các khối phức hình. Chúng đã được thử nghiệm nhiều ở cảng và có các tên gọi khác nhau như là khối: Tetrapot, Dolos, Dipod… Đập chắn sóng mái nghiêng được sử dụng ở những nơi địa chất khồn cần tốt lắm, độ sâu không quá 20 m. Đập mái nghiêng có các ưu nhược điểm sau:

Ưu điểm Nhược điểm

- Tận dụng được vật liệu địa phương

- Tốn vật liệu gấp 2 đến 3 lần so với tường đứng ở cùng một độ sâu

- Tiêu hao năng lượng sóng tốt, sóng phản xạ ít, nhất là khi mái nghiêng có độ nhám cao

- Thế ổn định tổng thể khá vững chắc vì là vật liệu rời. Nếu xảy ra mất ổn định cục bộ. Do đó đập mái nghiêng thích hợp với các loại nền đất.

- Không thể sử dụng mép ngoài đê neo đậu tàu.

- Tốc độ thi công chậm so với tường đứng có cùng độ sâu.

- Xuất hiện sóng leo và sóng tràn qua mái đập nên phải gia cố cả 2 mặt của công trình

- Cao trình đập mái nghiêng thấp hơn so với đập tương đứng

- Công tác điều tra cơ bản nền đất ít tốn kém hơn (lỗ khoan thưa và nông).

- Công nghệ thi công đơn giản, có thể kết hợp thủ công và hiện đại.

Mặc dù có các nhược điểm trên, đê chắn sóng mái nghiêng vẫn là giải pháp kết cấu thông dụng cho tất cả các nước. Dựa vào đặc điểm vật liệu và đặc thù cấu tạo, kết cấu đập chắn sóng mái nghiêng được phân loại thành:

- Đập mái nghiêng bằng đá

- Đập mái nghiêng với khối bê tông gia cố hình hộp - Đập mái nghiêng với khối bê tông phức hình

3.2.3.3 Đập hỗn hợp

Là đập kết hợp giữa hai kết cấu đập mài nghiêng và tường đứng. Thường được xây dựng ở độ sâu rất lớn d>20m. Phần dưới mái nghiêng có vai trò là lớp đệm, cao

trình lớp đệm lấy sao cho không gây ra sóng vỡ trước chân công trình đảm bảo phần tương đứng không bị tác dụng xung lực.

Để lựa chọn được loại hình kết cấu hợp lý cần xem xét phân tích các yếu tố: điều kiện địa hình, địa chất, chế độ sóng, diều kiện vật liệu địa phương…tại vị trí xây dựng đập.

Kết luận: Qua phân tích trên, em xin đề xuất lựa chọn phương án kết cấu cho đê chắn sóng Cát Hải là đập chắn sóng mái nghiêng.

3.2.3 Vị trí đặt đập phá sóng

Trên cơ sở trong khu vực đã có đập phá sóng ở khu vực cảng Lạch Huyện. Căn cứ vào độ sâu đáy biển ở khu vực, đề xuất lựa chọn phương án đặt đập chắn sóng ở vị trí cách bờ 500m, tại độ sâu 2,5 m. Chiều dài đập khoảng 3 km để đảm bảo an toàn cho phạm vi bảo vệ.

Hình 1: Vị trí tuyến đập phá sóng

3.4 Điều kiện biên

Mục tiêu của việc thiết kế đập phá sóng là xác định được chiều dài tuyến đập phù hợp với phạm vi cần bảo vệ (như đã trình bày ở phần trên) và tính toán được các yếu tố đặc trưng của mặt cắt ngang đập thõa mãn điều kiện ổn định.

Để thiết kế được mặt cắt ngang đập phá sóng, ta cần các điều kiện biên như sau:

3.4.1 Điều kiện địa hình

Đảo Cát Hải nằm kẹp giữa hai vùng cửa sông (Sông Bạch Đằng và Sông Chanh), Phía Đông Bắc được che chắn bởi đảo Cát Bà.

Địa hình chia thành 2 tiểu vùng:

+ Vùng trung tâm: cao độ tự nhiên từ 0.7 đến 1.5

+ Vũng bãi biển: cao độ vùng bãi triều từ (- 0.5) đến (+0.7)

Cao độ trung bình của toàn đảo tương đối thấp so với mực nước triều cường và mực nước dâng trong bão. Điều này là bất lợi đối với việc phòng chống lụt bão của đảo. Khi có sự cố về đê điều, mức độ ngập lụt và thiệt hại của đảo sẽ lớn, ảnh hư- ởng nghiêm trọng đến đời sống con người và kinh tế xã hội trên đảo.

• Một số mặt cắt ngang điển hình

Các mặt cắt này được sử dụng để truyền sóng đến chân công trình, từ đó xác định được các thông số sóng thiết kế công trình đập phá sóng xa bờ.

MẶT CẮT 1 0 -2 0 2000400060008000100001200014000160001800020000 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 Khoảng cách X (m) M T C T 2 0 -2 0 -4 -6 2000 400060008000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 -8 -10 -12 -14 -16 -18 ngch X(m) Hình 3: Mặt cắt 1 Hình 4: Mặt cắt 2 sâ u Z( m) Độ sâ u Z( m)

MẶT CẮT 3 0 -2 0 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 2000400060008000100001200014000160001800020000 Khoảng cách X(m) Hình 5: Mặt cắt 3 3.4.2 Mực nước thiết kế

Mực nước thiết kế được sử dụng để tính toán cao trình đỉnh đập phá sóng. Mực nước thiết kế là tổng hợp triều thiên văn lớn nhất vá các dao động khí tượng

Ztk = Ztb + Atr max + And, P% (3.1)

Trong đó:

- Ztk: Trên cơ sở tài liệu thực đo tại trạm hải văn trong thời gian dài với cao độ giả

định của trạm ta xác định được giá trị mực nước trung bình (nếu liệt tài liệu này ≥ 20 năm là tốt nhất). Xác định cao độ mực nước trung bình này theo cao độ chuẩn quốc gia, ta có mực nước biển trung bình tại điểm đó.

- Atrmax: Biên độ triều lớn nhất hay còn gọi là biên độ triều thiên văn-là kết quả của tác dụng tương hỗ giữa các lực hành tinh, trong đó đáng kể nhất là tương tác trái đất mặt trăng và mặt trời cộng với dao đọng mang tính địa phương tạo ra mực nước triều tại một vị trí nhất định.

Atr max vì vậy mà không mang ý nghĩa tần suất. Theo nghiên cứu, chu kì lặp

lại của các hiện tượng này là 18,9 năm, nên có thể chọn biên độ lớn hất khi có tài liệu trong vòng 20 năm.

Độ sâ u Z (m

P mực nước tổng hợp, Điểm T17 H (cm) 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 100 50 25 20 10 5 2 1 0.5 P(%) 124 5102050100200 Tr(năm)

And, P%: Chiều cao nước dâng do bão ứng với tần suất P(%). Theo các nghiên

cứu thì nước dâng tại 1 vị trí là hàm số của bão (cường độ, bán kính gió lớn nhất, hướng di chuyển) và điều kiện địa phương mà bão đổ bộ vào.

Từ đó người ta xây dựng được đường tần suất mực nước tại các trạm đo và

được trình bày trong Hướng dẫn thiết kế đê biển 14TCN ( 11/2009)

Theo Hướng dẫn thiết kế đê biển 14TCN ( 11/2009) ta có đường tần suất mực

nước tại Đồng Bài, Cát Hải, Hải Phòng:

P (%) : 1 2 5 10 20 50 100 Tr (nam) : 100 50 20 10 5 2 1 H (cm) : 418.6 355. 1 286. 4 243. 4 205. 8 158.9 118. 4

Hình 6:Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm T17(106°53', 20°49') Đồng Bài, Cát Hải, TP. Hải Phòng

Với P = 2% thì MNTK = 3,55 m

3.4.4 Tính toán sóng thiết kế

Tính toán sóng thiết kế là phần rất quan trọng trong quá trình thiết kế công trình bảo vệ bờ biển nói riêng, và công trình biển nói chung. Nó quyết định tới sự lựa chọn cao trình thiết kế cũng như các bộ phận bảo vệ như : loại áo kè, chân khay….Việc tính toán chính xác các thông số sóng thiết kế không những bảo đảm tuổi thọ của công trình mà còn tiết kiệm được kinh phí xây dựng, di tu, bảo dưỡng. Tuy nhiên, các thông số sóng, gió, mực nước là các đại lượng ngẫu nhiên không liên tục, được đo đạc quan trắc bằng những phương pháp khác nhau, nên tồn tại những sai số cả về chủ quan và khách quan. Mặt khác, việc tính toán các thông số sóng dựa trên các công thức thực nghiệm hoặc các mô hình có thể chỉ cho ra các số liệu sóng tương đối, không chuẩn xác so với thực tế. Do vậy cần có những biện

pháp xử lý số liệu đầu vào để loại bỏ các sai số thô, và các sai số khác trong quá trình tính toán cũng như trong quá trình chạy mô hình.

3.4.4.1 Tính toán các yếu tố sóng nước sâu

Số liệu sóng phục vụ cho việc thiết kế các công trình ven bờ được lấy từ các số liệu quan trắc trong 27 năm từ năm 1970 đến năm 1997, sóng được đo đạc (7 giờ, 13 giờ và 19 giờ các ngày trong tháng) tại trạm Bạch Long Vĩ. Các đặc trưng của sóng dùng cho thiết kế được tính thống kê từ các quan trắc kết hợp với việc phân tích sự biến đổi của sóng trong đới ven bờ, hoặc được tính toán phục hồi bằng một phương pháp thích hợp. Các số liệu này bao gồm các đặc trưng của sóng nước sâu, tức là tại những vùng mà đáy biển không ảnh hưởng gì đến sóng. Các số liệu sóng làm thông số đầu vào là sóng cực trị, tức là những con sóng lớn nhất đã xuất hiện và được quan trắc.Thông thường thì các số liệu sóng đó được đo đạc trong bão được gọi tắt là sóng bão.

Sóng bão thường có độ cao tương đối lớn, chu kỳ tương đối ngắn (tức là sóng có độ dốc sóng lớn) và có thể phá huỷ công trình, xói chân công trình và gây xói mòn bờ rất mạnh. Tính chất của sóng gió trong điều kiện gió khá mạnh rất gần với sóng bão. Như vậy, các thông số của sóng trong điều kiện thời tiết bất thường hoặc sóng gió trong điều kiện gió mạnh được dùng để tính toán thiết kế sự ổn định của công trình, xói chân công trình hay sự xói mòn bờ.

Thông số sóng cơ bản được dùng trong thiết kế bao gồm chiều cao và chu kỳ của sóng nước sâu lấy với tần suất 2%: H0(2%) , T0(2%) .

Để xác định được các thông số này ta cần phải xây dựng đường tuần suất phân bố cực hạn của sóng. Để xây dựng đường tần suất ta sử dụng phân bố xác suất Weibull.

Cơ sở lý thuyết: Tính sóng nước sâu theo Weibull:

Phân bố xác suất Weibull (hay còn gọi là phân bố xác suất Rosin-Rammler) là một dạng thường dùng để mô tả thống kê sự xuất hiện của các đại lượng cực trị trong khí tượng, thuỷ văn và dự báo thời tiết như dòng chảy lũ, sóng, gió lớn nhất. Ngoài ra phân bố này cũng hay được dùng trong phân tích xác suất sống sót hoặc phá huỷ trong lý thuyết độ tin cậy, dùng trong lý thuyết cực trị; biểu diễn thời gian sản xuất và phân phối trong công nghiệp; sự phân tán tín hiệu radar và sự suy giảm tín hiệu trong liên lạc không dây.

Hàm mật độ xác suất:

Hàm mật độ xác suất biểu thị xác suất xuất hiện giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X bằng với một giá trị cụ thể nào đó theo luật phân bố xác suất Weibull như (3.2) c  x −a c1   x −a c  f ( x) = b  b  exp − b   (3.2)       Với a là thông số vị trí, b>0 là hệ số tỷ lệ, c>0 là hệ số hình dạng. Hàm phân bố tần suất lỹ tích:

Hàm phân bố tần suất lỹ tích biểu thị xác suất xuất hiện các giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị x cụ thể nào đó.

x  x −a c 

F ( x) =P{X ≤ x}= ∫ f (x)dx = 1 − exp − b   (3.3)

−∞    

Trong thực tế ngành thủy lợi thường dùng tần suất vượt P (thường chỉ gọi tắt là tần suất) là xác suất xuất hiện các giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X lớn hơn hoặc bằng một giá trị cụ thể x nào đó.

∞

F ( x) =P{X ≥ x} =∫ f ( x)dx = 1 −

P{X

x

Liên hệ với các phân bố thống kê khác:

≤ x} = 1 −F (

x)

(3.4)

Hàm phân bố xác suất Weibull là hàm ngược của phân bố xác suất cực trị tổng quát (GEV) với thông số vị trí a – b, thông số tỷ lệ b/c và thông số hình dạng 1/c (Hosking, 1986).

Trong trường hợp thông số hình dạng c = 1, phân bố Weibull trở thành phân bố hàm mũ với trị bình quân b.

Trong trường hợp thông số hình dạng c = 2, phân bố Weibull trở thành phân bố Rayleigh.

Biến X tuân theo hàm phân bố xác suất Weibull W(b,c) có liên hệ với biến Y tuân theo hàm phân bố cực trị chuẩn G(0,1) (phân bố Gumbel với a = 0 và b = 1) theo

b

x  1  1 c 2 2 1  c  

Xác định các thông số theo phương pháp moments:

Quan hệ giữa các thông số của phân bố với các đặc trưng thống kê như sau:

x =a +b.Γ1 +1  (3.5)  c    CV = (3.6) 2Γ3 1 +1 − 3Γ1 +1 Γ1 +2  +Γ1 +3  c   c   c   c  C =        (3.7) S   2  2  1 3 Γ1 + c  −Γ 1 +c      

Để xác định các thông số của phân bố xác suất dựa vào các đặc trưng thống kê theo phương pháp moments, giải phương trình (3.7) để xác định thông số hình dạng c. Tiếp theo, thông số tỷ lệ b được xác định từ (3.6). Cuối cùng xác định thông số vị trí a từ (3.5).

Giá trị của hàm phân bố lý thuyết:

Tuyến tính hóa phương trình (3.3) bằng cách lấy logarith hai vế của (3.3) như

sau: x −a c ln 1 −F ( x)=− b  (3.8)  

Nhân hai vế của (3.8) với -1 và logarith hóa 2 vế lần thứ 2:

ln{−ln 1 −F (x)} =c.ln  x −a  (3.9)    b    Cuối cùng ta được: ln ( x −a) =1 ln{−ln 1 −F ( x)} + ln (b) (3.10)

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư 83 Ngành Kỹ Thuật Biển

Sinh viên: Nguyễn Thị Thuý Hằng Lớp: 47B

(3.10) là quan hệ tuyến tính giữa ln(x-a) và ln{-ln[1-F(x)]}, dựa vào các giá trị quan sát của x và tần suất kinh nghiệm của nó để xác định các hệ số b, c của tương quan tuyến tính này.

Nếu biểu thị qua tần suất vượt

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư 84 Ngành Kỹ Thuật Biển