CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHÂN Kẩ Đấ BIỂN ĐÁ ĐỔ
1.3 Nghiờn cứu ổn định của chõn kố đỏ đổ
1.3.1 Nghiờn cứu chõn kố đỏ đổ trờn thế giới
Khu vực chõn kố luụn bị tỏc động của dũng chảy do súng và triều mang tới, vận tốc dũng, phương và chiều luụn thay đổi. Mặt khỏc vật liệu bảo vệ thường là đỏ thả rối, thảm đỏ, cục bờ tụng thường cú độ nhỏm khỏ lớn.
Vỡ thế khi nghiờn cứu ổn định viờn đỏ chõn kố cỏc tỏc giả nghiờn cứu đó giới hạn điều kiện biờn và tiến hành thớ nghiệm mụ hỡnh vật lý để đưa ra cụng thức bỏn thực nghiệm.
Người đi tiờn phong theo hướng này là Izbash (1930)[19] đó đưa ra cụng thức tớnh ổn định của viờn đỏ khi bị tỏc động của dũng chảy.
Sau đú được nhiều nhà nghiờn cứu thực nghiệm cú thể kể tờn như Shields (1936), Van Rijn (1984), Paintal (1971), De Beor và Boutovsky (1998) đó bổ sung và hồn thiện cụng thức tớnh ổn định viờn đỏ với cỏc điều kiện biờn phức tạp hơn so với Izbash đề xuất[19].
Để hiểu rừ bản chất vấn đề luận ỏn xin túm tắt cỏc nghiờn cứu cơ sở về ổn định của viờn đỏ dưới đõy.
a) Nghiờn cứu dũng chảy đều, phương nằm ngang và ổn định vật rắn
Khi xột hạt vật liệu trong mụi trường cú vận tốc dũng, nú chịu tỏc động của 5 thành phần lực như biểu diễn qua hỡnh 1.12[19]. Trong đú FD là thành phần kộo hạt do dũng chảy tỏc động, FS là lực cắt do ứng suất tiếp đỏy, FL là lực nõng do độ cong dũng chảy gõy ra, FF là lực ma sỏt giữa cỏc hạt gỡm giữ nú khi di chuyển, W là trọng lượng bản thõn hạt.
Cỏc lực khỏc nhau của dũng chảy tỏc dụng lờn hạt được xỏc định như sau[19]:
2 D D w D 2 2 2 S F w S w 2 L L w L = ẵ C u F A = ẵ C u F u d F A = ẵ C u F A (1.24)
Trong đú Ci là hệ số tỉ lệ và Ai là diện tớch mặt tiếp xỳc, u là lưu tốc của dũng chảy, d là đường kớnh đặc trưng của hạt. Như vậy, tất cả cỏc lực tỏc dụng tỉ lệ với bỡnh phương vận tốc (tại một vựng lõn cận nào đú của hạt) và do diện tớch mặt tiếp xỳc của hạt tỉ lệ với bỡnh phương kớch thước đặc trưng d (sẽ được xỏc định sau) cuối cựng tải trọng được biểu thị trong một biểu thức với hằng số tỉ lệ là ẩn số. Δ = ( 𝜌đ−𝜌𝑤)
𝜌𝑤 = Tỷ trọng tương đối của vật liệu, 𝜌𝑤, 𝜌đ lần lượt là khối lượng tự nhiờn của nước và của đỏ.
Khi xột điều kiện cõn bằng: phương đứng, phương ngang và lấy phương trỡnh mụ men tại điểm A khi xem xột viờn đỏ lăn, xột trạng thỏi giới hạn vận tốc giới hạn uc. Điều này dẫn tới mối quan hệ khụng thứ nguyờn giữa tải trọng và cường độ[19],[20]:
d g K = u d g = d g - u 2c w w s 2 c (1.25) Tất cả cỏc cụng thức tớnh ổn định hạt đều dẫn tới hệ số tỉ lệ này. Hằng số K trong biểu thức này được xỏc định bằng thớ nghiệm tại vị trớ bắt đầu mất ổn định.
Theo Izbash [19]
uc = 1,2 √2𝑔𝑑∆ ( ℎ𝑜ặ𝑐 𝑢𝑐
√∆𝑔𝑑 = 1,7 ℎ𝑜ặ𝑐 ∆𝑑 = 0,7𝑢𝑐2
2𝑔) (1.26)
Khi tớnh với đỏ hộc tại chõn kố, khối lượng nước biển lấy bằng γn =1025 kg/m3, khối lượng riờng của đỏ hộc γđ =2400kg/m3, cụng thức (1.25) cú thể viết lại:
uc = 6,156√𝑑 (1.27)
Trong cụng thức này vận tốc ngang khụng cú sự ảnh hưởng của mực nước. Thực ra Izbash đó khụng xỏc định vị trớ của vận tốc và cũng khụng núi rừ xỏc định đường kớnh hạt bằng cỏch nào[19]. Cụng thức này chủ yếu dựng để ước tớnh trong trường hợp đó biết vận tốc sỏt đỏy nhưng tương quan độ sõu dũng chảy chưa xỏc định, giống như dũng tia chảy vào trong một khối nước.
Tiến bộ hơn, Shields đó đưa ra mối quan hệ giữa ứng suất tiếp khụng thứ nguyờn và số thực nghiệm Reynolds:
(1.28) Shields đó chọn ứng suất tiếp như lực chủ động, c thường được gọi là hệ số Shields và là hệ số ổn định khi thay vận tốc tiếp xỳc bằng giỏ trị giới hạn. Khi ở mẫu số tớnh với đường kớnh hạt và với vận tốc thực thay cho vận tốc giới hạn, chớnh là hệ số lưu biến[19]. Theo nghiờn cứu Shields (Viện thủy lực Delft, 1969) cho ra quan điểm phõn loại tớnh chuyển động của vật rắn trong mụi trường dũng chảy thành 7 trạng thỏi chuyển động[19],[20].
(1) Khụng cú chuyển động nào. (2) Rất ớt chuyển động.
(3) Một số chuyển động tại một vài nơi. (4) Chuyển động tại một số vị trớ. (5) Chuyển động tại nhiều nơi. (6) Chuyển động ở mọi nơi.
(7) Chuyển động liờn tục ở khắp nơi. (8) Sự vận chuyển của cỏc hạt.
Hỡnh 1.13: Ngưỡng chuyển động- (a) Ngoại suy vận chuyển tiến tới 0, (b) theo Paintal[5],[6].
Tiờu chuẩn Shields phự hợp với trạng thỏi 6 hơn cả. Shields tỡm ra cỏc giỏ trị này bằng cỏch ngoại suy cỏc giỏ trị đo sự vận chuyển của vật liệu tớnh tới 0. Hỡnh 1.13(a) cho ta một ý tưởng về trạng thỏi vận chuyển và trỡnh bày kết quả đạt được trong thớ nghiệm của Shields. Năm 1971, Paintal đó tiến hành một thớ nghiệm tương tự (đối với vật liệu thụ hơn) như thớ nghiệm của Shields, nhưng khụng ngoại suy cỏc giỏ trị đo đạc tới 0. Thay vào đú, ụng xỏc định sự vận chuyển trờn 1m chiều rộng và qs, - dấu sao (*) được biểu diễn cho đơn vị bề rộng 1m (xem hỡnh 1.13(b):
qs* = 13Ψ2,5 (khi Ψ > 0,05) (1.29) với : qs* = 𝑞𝑠
√∆𝑔𝑑3
Chỳ ý rằng lỳc này được sử dụng như hệ số lưu biến trong cụng thức tớnh vận chuyển và nú phự hợp cho loại hạt mịn- bựn cỏt đỏy. Tương quan này cho ta sự vận chuyển đối với mọi ứng suất tiếp khụng bằng 0. Nhưng nú sẽ giảm với lũy thừa 16 của ứng suất tiếp, nghĩa là với lũy thừa 13 của vận tốc. Hầu hết cỏc cụng thức tớnh vận chuyển bựn cỏt đều cú vận tốc với lũy thừa 3 tới lũy thừa 5, đú là trờn đường thẳng tương ứng của Paintal với > 0,05. (b) Nghiờn cứu ổn định vật rắn trong trường hợp dũng chảy trờn đỏy dốc
Hỡnh 1.14 cho ta giỏ trị gúc nghỉ () ứng với cỏc loại vật liệu khỏc nhau.
u g d C g C n c 50 (1.30)
Hỡnh 1.14: Gúc nghỉ đối với vật liệu khụng cố kết (Simons, 1957) Một số cụng thức tớnh toỏn tương đương khỏc được biểu diễn dưới đõy.
+ Dũng chảy phương tiến lờn mỏi kố
Dưới tỏc động của dũng chảy với vận tốc U, khi lực xụ của dũng chảy thắng được trở lực ma sỏt giữa viờn đỏ và mỏi tiếp xỳc thỡ nú bắt đầu di chuyển. Ổn định của vật rắn trước dũng tỏc động hướng lờn mỏi kố được thể hiện qua cụng thức sau (Pilarczyk – 1990) [20], [21],[22]
DΔ = 0.035∗Φ∗𝐾𝑇∗𝐾ℎ
2g∗Ψ∗𝐾𝑠 Ucr2. (1.31)
trong đú:
Δ= ( 𝜌đ−𝜌𝑤)
D = Chiều dày lớp bảo vệ (m),
g = Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2),
ucr = Vận tốc dũng chảy trung bỡnh phương hướng lờn mỏi giới hạn (m/s), Φ = Hệ số ổn định(-),
Ψ = Hệ số Shields giới hạn(-), KT = Hệ số dũng chảy rối (-), Kh = Hệ số độ sõu dũng chảy (-), Ks = Hệ số độ dốc mỏi (-).
Cỏc hệ số trờn tham khảo lấy theo tài liệu [21] để xỏc định. Thay cỏc đại lượng vào cụng thức (1.31) ta sẽ cú:
∆ = ( 𝜌đ−𝜌𝑤)
𝜌𝑤 = Tỷ trọng tương đối của vật liệu (-), với đỏ hộc trong nước biển ∆ =1,341, hay 1
𝛥 = 0,745.
g = Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2),
ucr = Vận tốc dũng chảy trung bỡnh phương hướng lờn giới hạn (m/s), Φ = Hệ số ổn định(-), lấy Φ =1,0;
Từ cụng thức (1.31) ta cú thể rỳt ra D = 0.035∗Φ∗𝐾𝑇∗𝐾ℎ∗
2g∗Ψ∗𝐾𝑠Δ Ucr2. (1.32)
Với điều kiện đỏ hộc nằm trờn bói độ dốc i =1%; khi này lựa chọn theo [4],[24]
Φ= 1.0, Ψ=0,035, KT= 2,0; Kh = 1,0; Ks = cosαb, αb là gúc dốc của bói, i = 1%, cosαb = 1 √1+𝑡𝑔(αb)2= 0,9999 chọn = 1,0, ∆ = ( 𝜌đ−𝜌𝑤) 𝜌𝑤 ta cú 1 𝛥 = 0,745. Thay vào (1.32) ta cú: D = 0.035∗1∗2∗1
2∗9.81∗0.035∗1Δ Ucr2= 0,102 ρw/( ρđ – ρw)Ucr2 = 0,728 Ucr2 (1.33) Như vậy chiều dày lớp bảo vệ phụ thuộc vào bỡnh phương vận tốc theo phương xiờn hướng lờn của mỏi dốc. Nú bắt đầu di chuyển lờn khi vận tốc giới hạn là:
Ucr= 1,171√𝐷 (m/s). (1.34)
Cụng thức (1.34) viết cho khối đổ cấp phối cú chiều dày D, bắt đầu dịch chuyển lờn theo mỏi nghiờng với vận tốc Ucr.
+ Trường hợp dũng chảy rỳt (hướng xuống), độ dốc mỏi nhỏ hơn 1:10, quan hệ lưu lượng và vật liệu cú quan hệ sau [7]: