IV. Nội dung của Luận văn
3.2: Ứng dụng công nghệ tính toán và thực tế
3.2.1: Phần mền Wadibe:
3.2.1.1: Giới thiệu:
WADIBE là viết tắt của UWaUve- UDiUke- UBeUach nghĩa là Sóng- Đê- Bãi biển. Mối liên hệ chặt chẽ và tương tác Thủy động lực học- Công trình- Hình thái giữa ba “pha” này chính là cảm hứng cho sự phát triển chương trình.
WADIBE được phát triển bởi Bộ môn Kỹ thuật Công trình biển – Khoa Kỹ thuật Biển nhằm hỗ trợ cho công tác giảng dạy và bổ trợ kiến thức về KTBB cho các cán bộ làm công tác tư vấn thiết kế các công trình bảo vệ bờ.
3.2.1.2: Cấu trúc:
Cấu trúc chính của Wadibe bao gồm 03 nội dung như đã nói ở trên: Sóng – Đê – Bãi. Chức năng phân tích độ nhạy các tham số là một ưu điểm nổi bật của Wadibe cho phép xem xét ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến kết quả tính toán đầu ra. Cơ bản Wadibe có các modul sau:
- Tính toán truyền sóng ngang bờ
Thủ tục này cho phép tính toán truyền sóng ngang bờ qua bãi có hình dạng bất kỳ, xác định các thông số sóng trước chân công trình.
- Tính toán sóng leo tràn trên đê:
Thủ tục này cho phép tính toán sóng leo, sóng tràn trên đê với các điều kiện hình học và kết cấu mái kè khác nhau như:
- Có và không có cơ ngoài (lựa chọn).
- Tính toán kích thước cấu kiện áo kè:
Thủ tục này cho phép xác định bề dày áo kè hay kích thước viên đá (bề dày, khối lượng) hoặc cấu kiện kè. Người dùng chỉ việc lựa chọn loại kết cấu kè, chi tiết cấu tạo
- Phân tích hình học đê:
Đây là một trong những thủ tục rất hữu ích của WADIBE giúp người thiết kế có thể xác định nhanh các đặc trưng hình học cơ bản yêu cầu của đê biển như hệ số mái, vị trí và bề rộng cơ, cao trình đỉnh đê,... sao để lựa chọn được phương án tối ưu nhất về vật liệu đắp đê.
Mái đê càng dốc thì sóng leo, sóng tràn càng lớn và vì thế đê càng cao. Ngược lại mái thoải thì chiều cao đê yêu cầu có thể thấp đi, nhưng khối lượng đất đắp lại có thể lớn hơn. Vì vậy sẽ tồn tại một điều kiện hình học đê cho kết quả tối ưu và phải xác định thông qua phân tích hình học đê.
- Tính toán truyền sóng qua rừng ngập mặn:
Ngoài năng lượng sóng tiêu hao do sóng vỡ khi đi vào địa hình nước nông, khi có rừng ngập mặn thì một phần đáng kể năng lượng sóng còn bị tiêu hao do sức cản của cây rừng ngập mặn
3.2.2: Phần mềm tính ổn định Slope:
Phần mềm SLOPE/W được lập bởi GEO-Slope International Ltd - Canada và là phần mềm thương mại trên thế giới và đang được sử dụng một cách có hiệu quả tại nước ta. Lý thuyết và thuật toán của phần mềm đã được nhiều tác giả nghiên cứu và in thành sách tra cứu, vì vậy trong khuôn khổ báo cáo chỉ nêu một số đặc điểm của chính phần mềm:
SLOPE/W là phần mềm ứng dụng lý thuyết cân bằng giới hạn để xác định hệ số an toàn các mái đất đá. Trong SLOPE/W bao gồm nhiều phương pháp khác nhau tính hệ số an toàn như phương pháp Bishop, Janbu, Spencer, Mogensterns - Price, Crop of Engineers, Lowe - Karafiath, General Limit Equilibrium (GLE) và ứng suất phần tử hữu hạn. Người tính được tự do lựa chọn phương pháp tính hệ số an toàn nói trên.
SLOPE/W có các lựa chọn cho phép tính toán khối trượt gồm nhiều loại đất đá, ngập trong nước hoặc không và theo các dạng khối trượt khác nhau như dạng trụ tròn, dạng gãy khúc trong trường hợp có lớp mềm yếu, có nền đá, trượt theo các mặt cắt giả định như theo mái hố móng. Nhiều dạng tải trọng như trường hợp áp dụng kết cấu neo, cọc nhồi ...
3.3: Áp dụng phần mềm tính toán ổn định đê biển khi có sóng leo đoạn cửa biển Nam Định:
3.3.1: Tính toán thông số sóng leo, sóng leo:
Sử dụng phầm mềm WaDiBe tính toán điều kiện biên phục vụ cho tính toán ổn định của đê biển.
3.3.1.1: Tính toán sóng từ bão
Điều kiện bài toán đặt ra là có 1 cơn bão cấp 9 xuất hiện ở ngoài khơi khu vực nghiên cứu. Sóng hình thành từ cơn bão này di chuyển vào khu vực nghiên cứu gây nguy hiểm cho tuyến đê biển đang nghiên cứu. Chiều cao sóng do cơn bão này gây ra xác định dựa vào phầm mềm WaDiBe như sau:
Theo thang sức gió Beaufort với bão cấp 9 có vận tốc gió ở 10m trên mực nước biển từ 76÷87 (km/h) ≈ 21,1÷24,2 (m/s). Chọn vận tốc gió UR10maxR = 24,2 (m/s) để tính toán.
Độ sâu trung bình của Vịnh Bắc bộ khoảng 30÷50 (m). Chọn độ sâu vùng nước d = 40 (m).
Theo “Bài giảng thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ - Bộ môn Thủy công,
trường Đại học Thủy lợi” đối với vùng không có yếu tố địa hình hạn chế, giá trị
trung bình của đà sóng đối với một vận tốc gió tính toán cho trước được xác định theo công thức (***): (***) Trong đó: - υ: Hệ số nhớ động học của không khí, υ=10P -5 P (mP 2 P /s); - U: Vận tốc gió tính toán, U = UR10maxR = 24,2 (m/s);
= 206611,6 (m) ≈ 207 (km) Thời gian bão chọn TRbR = 48 (h).
Kết quả tính toán sóng từ bão như trong hình 3.12
Hình 3.12: Tính sóng từ bão Kết quả tính toán:
Chiều cao sóng: HR0 R= 6,18 (m) Chu kì sóng: TRpR = 9,87 (s)
3.3.1.2: Tính toán các tham số sóng tuyến tính
Từ kết quả tính toán sóng từ bão ở mục trên, ta tính toán được các tham số sóng tuyến tính như hình 3.13:
Sóng ở vùng nước trung gian; Độ dốc sóng Sp (%) = 4,32;
Hình 3.13: Tính toán tham số sóng tuyến tính
3.3.1.3: Tính toán truyền sóng vào bờ
a. Xác định mực nước thiết kế phục vụ tính toán
MNTK = MNTB + ARtrmaxR + ARndR(P%) (3.1)
Trong đó:
MNTK: Mực nước thiết kế (m).
MNTB: Mực nước trung bình tại khu vực xây dựng công trình (m) ARtrmaxR: Biên độ triều lớn nhất tại khu vực xây dựng công trình (m). ARnd R(P%): Mực nước dâng ứng với tần suất thiết kế (m)
Mực nước thiết kế được tra trong phụ lục A “Tiêu chuẩn kỹ thuật Thiết kế đê
biển” .
P mực nước tổng hợp, Mặt cắt 14 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 1 10 100 H (cm) P (%) : 1 2 5 10 20 50 100 Tr (nam) : 100 50 20 10 5 2 1 H (cm) : 365.4 298.7 228.9 187.2 153.1 116.9 88.2 Tr (Năm 1 2 4 5 10 20 50 100 200 Tr(năm) 100 50 25 20 10 5 2 1 0.5 P(%)
Hình 3.14: Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm MC14 (106°19', 20°08') Hải Lý, Hải Hậu, Nam Định
Lựa chọn tần suất bão lặp lại là 20 năm, tra đường tần suất được mực nước tổng hợp bằng 2,289m.
MNTK = 2,289 (m)
b. Lựa chọn mặt cắt ngang truyền sóng.
Cao trình bãi khu vực Hải Hậu – Nam Định thay đổi từ 0 – 0,5, có nơi thấp cao trình bãi chỉ khoảng -0,5. Bề rộng bãi trung bình 200 – 300m với độ dốc khoảng 2%. Độ sâu đáy biển -40 cách bờ khoảng 50km. Giả thiết mặt cắt ngang bãi sử dụng để truyền sóng như hình 3.15: MẶT CẮT NGANG BÃI -4 -2 0 2 4 -100 0 100 200 300 400 500 600 K/C ra phía biển C a o t rì n h
Hình 3.15: Mặt cắt ngang truyền sóng (phóng to khu vực ven bờ)
Chiều cao sóng sử dụng trong các tính toán thiết kế mặt cắt ngang đê (như sóng leo, sóng tràn, ổn định kết cấu và bảo vệ mái, vv…) là chiều cao sóng tới có nghĩa Hs được xác định tại vị trí chân công trình do sóng tương ứng với tần suất thiết kế tại khu vực nước sâu truyền vào (gọi tắt là sóng thiết kế tại chân công trình).
Sóng thiết kế tại chân công trình được xác định bằng cách truyền sóng thiết kế từ khu vực nước sâu vào đến vị trí xem xét.
Vị trí chân công trình: Được xác định là vị trí phía biển theo phương vuông góc với hướng đường bờ, cách đường mép nước một khoảng L/2 đến LR0R/4 theo phương vuông góc với đường bờ về phía biển.
Với L, LR0R lần lượt là chiều dài sóng cục bộ tại chân công trình và chiều dài sóng vùng nước sâu.
Đường mép nước: Là đường giao tuyến giữa mặt nước biển tại mực nước thiết kế với mặt bãi trước đê hoặc mái đê.
Tính toán truyền sóng bằng WaDiBe. - Điều kiện biên:
- Cao trình mực nước biển: MNTK = +2,289 (m) (làm tròn +2.5m)
- Chiều cao sóng tại biên phía biển Hrms = = 4,37 (m) - Chu kì đỉnh sóng Tp = 9,87 (s)
- Góc sóng tới tại biên phía biển, chọn αR0R = 5P 0
Hình 3.16: Thông số đầu vào tính toán truyền sóng Kết quả truyền sóng
Từ kết quả tính toán các tham số sóng tuyến tính có L0 = 152,1 (m) Chiều cao sóng tại chân công trình là chiều cao sóng tại vị trí cách mép nước 1 khoảng bằng 38 (m).
Từ kết quả truyền sóng ta được chiều cao sóng tại chân công trình:
Hrms = 1,28 (m) Hs Hrms = 1,81 (m)
Chu kì sóng Tp = 9,87 (s) T m-1,0 = Tp/1,15 = 8,58 (s)
3.3.1.4: Tính toán sóng tràn, sóng leo
a. Điều kiện biên
Chiều cao sóng ở chân đê HRm0 R= Hs = 1,81(m) Chu kì sóng Tp = 8,58 (s)
Góc sóng tới = 5P
0
Tỷ số Tp/ TR m-1,0R = 1,15
Độ dốc mái phía biển m = 2
Khoảng vượt không ∆RC của đỉnh đê trên phía trên mực nước thiết kế ∆RC = Cao trình đỉnh đê hiện tại – Mực nước thiết kế
∆RC = 4,5 – 2,289 = 2,211 (m)
b. Kết quả tính toán sóng tràn, sóng leo.
Lưu lượng tràn qua đê q = 87,65 (l/m/s) – (lưu lượng tàn tb – TAW)
Chiều cao sóng leo Ru2%= 6,33 (m)– (chiều cao sóng leo 2%- Van der Meer- TAW)
Hình 3.18: Kết quả tính toán sóng tràn – sóng leo
3.3.2: Tính toán Thấm và ổn định: 3.3.2.1: Nhiệm vụ tính toán:
- Xác định lưu lượng thấm.
- Xác định đường bão hoà trong thân đập. - Xác định gradient max.
- Kiểm tra ổn định của đập và nền.
3.3.2.2: Trường hợp tính toán:
Theo số liệu tính truyền sóng ở trên, cơn bão sẽ duy trì trong vòng 5 giờ với lưu lượng tràn q=87,65l/m/s. trong bài toán này sẽ xác định sự hoạt động của đê biển biến đổi và ảnh hưởng như thế nào trong thời gian 5 giờ trên.
* Tính toán với trường hợp chưa có sóng tràn qua- TH1
* Tính toán với trường hợp có sóng tràn qua- TH2, chia làm 10 thời đoạn tính toán (0,5giờ/thời đoạn).
Do tần suất xuất hiện q tràn là Tp = 8,58 (s)/1lần và kéo dài liên tục trong 5h với
q=87,65l/m/s không đổi, để thuận tiện cho tính toán ta giả thuyết rằng trên bề mặt luôn
có 1 lớp nước thấm trực tiếp vào đê biển theo định luật dacy trong thời gian 5 giờ. Giả thuyết mái thượng, hạ lưu và mặt đê biển là đất đắp, không có trồng cỏ (trường hợp bất lợi nhất)
3.3.2.3: Thông số phục vụ tính toán.
- Mặt cắt tính toán: Là mặt cắt bất kỳ trong khu vực đê biển chưa được gia cố và bất lợi nhất.
Hình 3.19: Mặt cắt đê biển đại diện tính toán - Chỉ tiêu cơ lý phục vụ tính toán:
Bảng 3.7: Bảng đặc trưng cơ lý đất nền kiến nghị sử dụng tính toán.
Lóp - Đới Dung trọng Kn/mP 3 Chỉ tiêu cơ học Hệ số thấm K, m/s Tự nhiên Bão hòa
Tự nhiên Bão hòa
φ(độ) (Kpa) C φ(độ) (Kpa) C Đất đắp đê 18.25 19.64 22 4.10 19 2.73 1.25x10P -6 Lớp đất nền số 1 17.48 - 15.80 3.40 - - 9.70x10P -6 Lớp đất nền số 2 16.87 - 6.73 4.40 - - 6.50x10P -6 Lớp đất nền số 3 17.76 - 6.10 2.80 - - 3.20x10P -6
3.3.2.4: Kết quả tính toán.
Bảng 3.8: Bảng tổng hợp kết quả tính toán ổn định đê biển. TT Giai đoạn MNTL (m) MNHL (m) q(l/s/m) Jxy
max RKHLmin q thấm qua mặt cắt đập 1 TH1- Thấm ổn định 2.5 0 0 0.4785 1.276 6.6523x10P -6 2 TH2- 1 giờ 2.5 0 87,65 8.971 1.217 4.8747x10P -6 3 TH2- 2 giờ 2.5 0 87,65 6.638 1.178 5.8519x10P -6 4 TH2- 3 giờ 2.5 0 87,65 4.985 1.146 6.2390x10P -6 5 TH2- 4 giờ 2.5 0 87,65 4.084 1.062 6.4434x10P -6 6 TH2- 5 giờ 2.5 0 87,65 3.541 0.997 6.6030x10P -6
Hình 3.21: Mô hình bài tính thấm cho TH2- Thấm không ổn định
Hình 3.22: Sự thay đổi của đường bão hòa trong 5 giờ - khi có nước sóng tràn Kết luận: Từ bảng trên ta thất rằng khi có sóng tràn qua liên tục trong 5 giờ, đường bão hòa của đê biển đã biến đổi liên tục và dâng lên gần với đỉnh đê, làm tăng phạm vi bão hòa nước.
Biểu đồ K hl min- t 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Thời gian- t K h l m in K hlmin [Kat]
Hình 3.23:Biểu đồ quan hệ KRhl min
Kết luận: Từ biểu đồ quan hệ KRhl minR- t (Hệ số ổn định mái đê biển phía hạ lưu và thời gian sóng tràn qua đỉnh đê biển, ta thấy với các điều kiện làm việc của đê biển (đã khai báo phần trên)và các thông số tác động của sóng thì hệ số ổn định
của mái hạ lưu giảm dần theo thời gian sóng tràn qua đê và sau 4.35h mái đê biển phía hạ lưu có nguy cơ mất ổn định (Khi KRhl minR< [KRatR])
Kết quả tính toán chi tiết các thông số được thể hiện tại các phụ lục đính kèm luận văn này.
3.3.2.5: Đánh giá theo yêu cầu quy phạm.
Theo tiêu chuẩn ngành 14TCN 157-2005:
Trị số Građient ra cho phép đối với khối đất đắp ở thân đập với vật liệu là Á sét ứng với công trình cấp IV tại hạ lưu công trình [Jra] = 0,90. Như vậy, theo phụ lục 07 bảng số 7.5 các giá trị Gradient đảm bảo điều kiện ổn định thấm.
Theo tiêu chuẩn 285-2002 hệ số an toàn ổn định đập được xác định như sau: K=nRcR.kRnR/m
với nRcR: Hệ số tổ hợp tải trọng
nRcR=0.9: Ứng với tổ hợp tải trọng đặc biệt.
kRnR: Hệ số bảo đảm được xét theo quy mô và điều kiện công trình. kRnR=1.15: Ứng với công trình cấp IV.
m: Hệ số điều kiện làm việc
m= 1 Ứng với hệ số cho các mái dốc tự nhiên và nhân tạo
[KRatR]=0.9*1.15/1=1.035
Vậy theo bảng 3.8- Bảng tổng hợp kết quả tính toán ổn định đê biển, khi sóng tràn vào trong thời đoạn 5h ứng với Khlmin = 0.997<[KRatR] =1.035 => Công trình có nguy cơ mất ổn định tổng thể và có khả năng sinh ra trượt, xói lở phía hạ lưu phía đồng => Cần phải có biện pháp gia cố bảo đảm an toàn cho đập.
3.3.2.6: Đề xuất biện pháp bảo vệ an toàn cho đê biển.
Do được xây dựng từ lâu, biện pháp thi công thô sơ và không được tu sửa thường xuyên nên hầu hết các tuyến đê biển đều bị xuống cấp trầm trọng và có nguy cơ sạt lở, xói mòn và mất ổn định khi có triều cường và sóng tràn qua.
Bài toán trên ngoài việc xác định diễn biến được sự làm việc của đê biển khi có sóng tràn qua kết hợp với triều cường (khi nào xảy ra xói lở, mất ổn định), ngoài ra còn là cơ sở cho việc cảnh báo, đề xuất biện pháp khắc phục làm gia tăng độ ổn định của đê.
Trong giới hạn luận văn này, tác giả chỉ xin đề xuất một số biện pháp gia cường, xử lý đang áp dụng thực tế vào các công trình đê biển.
- Biện pháp khắc phục tức thời: Khi có mưa lũ tức thời, do không được tu sửa