V. Cấu trúc của luận văn
3.3. Ảnh hƣởng của tải trọng sóng biển
Phân tích khối trƣợt ABCDEF có các thành phần gây trƣợt cho khối: trọng lƣợng bản thân của khối, ngoại lực tác động lên các mặt AB, BC, DE, EFA. Trong trƣờng hợp này áp lực nƣớc ảnh hƣởng tới ổn định địa kỹ thuật tổng thể:
- Áp lực nƣớc trƣớc đê (AB)
- Ap lực lên mái dốc (BC)
- Áp lực nƣớc lỗ rỗng trong lõi đê, ảnh hƣởng tới tính kháng cắt dọc theo DE
- Áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣới nền đê, ảnh hƣởng tới tính kháng cắt dọc theo cung EFA
Hình 3.3. Mặt cắt ngang khối trƣợt của đê chắn sóng (sóng leo cực đại)1
Để xác định đƣợc tải trọng tới hạn quan trọng nhất, giả thiết cho 2 trƣờng hợp tải trọng A và B bao gồm:(A)tác động của thủy triều và(B) thủy triều kết hợp với sóng.
Trong trƣờng hợp thứ nhất: chỉ duy nhất hoạt động của thủy triều không xét tới sự ảnh hƣởng của sóng.
Trong trƣờng hợp thứ hai: thủy triều và sóng cùng tác động. Trƣờng hợp tính toán là thời điểm sóng leo cực đại trùng với một thời điểm bất lợi nào đó trong một chu kỳ triều.Trên thực tế ngay sau khi sóng leo lên mái dốc,tác động của sóng sẽ thấm qua bề mặt mái dốc tạo thành đƣờng bão hòa trong thân đê và sau đó tạo thành lực tác động ngƣợc trở lại đối với khối trƣợt khối CDEB. Đối với đê chắn sóng ở
1
trong vùng nƣớc chuyển tiếp trƣờng hợp nguy hiểm nhất sẽ xảy ra ở thời điểm sóng leo ứng với một trong các trƣờng hợp sau: mực nƣớc thấp, mực nƣớc trung bình và mực nƣớc cao. Lực tác động gây trƣợt do sóng trong qua trình sóng rút khi bụng sóng không tiếp xúc với mái dốc lớn hơn đối với áp lực thủy tĩnh trƣớc đê. Trƣờng hợp sóng tác động trƣớc đê chỉ có ý nghĩa đối với mặt trƣợt khi mặt trƣợt chỉ xuất hiện bên trong thân đê chắn sóng.
Trong lƣợng của khối ABCDEFA
Trọng lƣợng bản thân của khố ABCDEFA bao gồm một phần của đê chắn sóng, một phần của đất nền. Xác định trọng lƣợng bản thân dựa trên mặt cắt hình học và đơn vị khối lƣợng vật liệu của đê chắn sóng và lớp đất nền.
Áp lực nƣớc trƣớc đê chắn sóng: Lực tác động lên mặt AB
Khối lƣợng nƣớc ở phía trƣớc của đê chắn sóng đƣợc tính toán với các đại lƣợng vật lý của nƣớc dƣới đây: ρw = 1 t/m3;c' = 0; Φ' = 0 (De Beer, 1959).Điều này chỉ đúng khi mực nƣớcnằm ngang. Ví dụ nhƣ trƣờng hợp (A) mực nƣớc biến đổitheo các chu kỳ sóng, sự dao động mực nƣớc rất chậm chạp. Nếu cósự kết hợp sóng và thủy triều theo mực nƣớc biển dao động nhanhthì bề mặt tác động lên mái đê sẽ không còn là mặt phẳng nằm ngang. Áp lực nƣớc lúc này không phải là áp lực thủy tĩnh: Mực nƣớctĩnh dao động giữa triều lên và xuống; cùng theo đó sóng đƣợc mô tả thông quamột chiều cao sóng dao động H, chu kỳ sóng T và chiều dài sóng L.
Các lý thuyết sóng mô tả mặt nƣớc, đƣợc xác định bởi các yếu tố: Airy (lý thuyết sóng tuyến tính), lý thuyết sóng phi tính, Lý thuyết sóng đơn(cnoidal). Bởi vì hâu nhƣ các đê chắn sóng thông thƣờng đƣợc xây dựng trong vùng nƣớc nôngnên cần áp dụng lý thuyết sóng (cnoidal), mặc dù lý thuyết sóng đơn(cnoidal) khá phức tạp. Grace đã chỉ ra rằng cả lý thuyết sóng cnoidal và lý thuyết sóng tuyến tính Airy đều cần sử dụng hệ số điều chỉnh n (Grace, 1978). Do vậy áp lực tác động lên mặt AB có thể tính toán với độ tin cậy cao bằng việc sử dụng lý thuyết sóng tuyến tínhvới hệ số điều chỉnh đƣợc đề xuất bởi Grace.
Trong trƣờng hợp sóng không tràn qua đỉnh đê của đê chắn sóng, áp lực trên bề mặt dốc của đê chắn sóng bị ảnh hƣởng trực tiếp bởi hình dạng của sóng tới. Việc xác định chính xác dạng của con sóng vào thời điểm sóng leo cực đại cho phép tính toán đƣợc các lực tác động lên mái dốc. Sự cần thiết trong phƣơng pháp này là xác định đƣợc chiều cao sóng leo cực đại. Chiều cao sóng leo Ru đƣợc định nghĩa là khoảng cách theo phƣơng ngang giữa S.W.L tới điểm cao nhất nơi mà mực nƣớc của con sóng tới có thể leo lên mái dốc của công trình. Giá trị R0/H phụ thuộc vào các đặc điểm của sóng (H,L,T) và đặc điểm của mái dốc (góc dốc, hệ số nhám, vật liệu,…)
Áp lực nƣớc lỗ rỗng trong thân đê: Lực tác dụng lên bề mặt DE
Trên bề mặt DE tồn tại một lực cắt. Các lực cắt phụ thuộc vào đặc điểm của vật liệu, ứng suất hiệu quảvà áp lực lỗ rỗng.
Đối với áp lực trong thân đê, có sự khác nhau giữa trƣờng hợp (A) và trƣờng hợp (B). Trƣờng hợp A, chúng ta không thể áp dụng áp lực thủy tĩnh cho áp lực nƣớc dọc theo cung trƣợt.
Nguyên nhân do trong thực tế đƣờng bão hòa trong thân đê trong suốt quá trình tác động của sóngluôn lớn hơn áp lực thủy tĩnh bên ngoài trong khi sóng rút. Quá trình thiết lập này dẫn đến áp lực sinh ra bởi đƣờng bão hòa cao hơn áp lực nƣớc lỗ rỗng. Do tác động của sóng áp lực nƣớc lỗ rỗng là khác nhau trong một chu kỳ sóng, ngoài ra còn tùy thuộc vào vị trí và sự suy giảm thông qua các lớp vật liệu, lọc lớp và lõi đê.
Áp lực lỗ rỗng trong lớp đất nền: lực tác dụng lên bề mặt EFA
Tƣơng tự nhƣ đối với bề mặt DE, trên bề mặt EFA lực cắt tồn tại phụ thuộc vào những áp lực nƣớc lỗ rỗng.
Hình 3.4. Sự suy giảm của thủy triều dẫn tới sự suy giảmáp lực2
Hình 3.4 chỉ ra cơ chế suy giảm tác động của sóng ở trong đất nền. Sự suy giảm áp lực này tạo thành hiện tƣợng áp lực dƣ trong lỗ rỗng tại thời điểm mực nƣớc thấp phía dƣới bụng sóng. Đối với thủy triều áp lực đƣợc xác định:
Δu = ρw.g.Δh = ρwg(1-αPi) (3-9)
Δu : Quá áp lực khi triều thấp (kPa) ρw: Khối lƣợng riêng của nƣớc (t/m3)
Δh: Quá áp lực khi triều thấp (mực nƣớc biển) αPi: Hệ số suy giảm của Piezometer Pi
Hsea: Độ lớn triều (m)
Hiện tƣợng áp lực dƣ ảnh hƣởng lớn đến ổn định tổng thể của công trình.
Cơ sở lý thuyết của mô hình lan truyền áp lực khe rỗng trong đất
Các đo đạc trên thực tế khẳng định áp lực nƣớc dƣới đất nền không phải là áp lực thủy tĩnh mà phụ thuộc vào sƣ thay đổi liên tục của mực nƣớc biển. Độ lớn của áp lực này là khác nhau và giảm dần theo thời gian. Phƣơng trình vi phân mô tả sự thay đổi áp lực này trong một chu kỳ triều đƣợc viết dựa trên phƣơng trình của Darcy và phƣơng trình liên tục.
Giả thiết có 1 phân tố có kích thƣớc dx, dy,l và bị ảnh hƣởng bởi thủy triều
2
Hình 3.5. Áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣới đất nền phụ thuộc vào quá trình nƣớc rút của mực nƣớc biển3
Phƣơng trình của Darcy:
w = - (3-10)
w: Vận tốc dòng chảy theo phƣơng z u: Áp lực nƣớc lỗ rỗng
k: Hệ số thấm của đất
ρw: Khối lƣợng riêng của nƣớc biển
Phƣơng trình liên tục có kể đến các yếu tố sau:
- Nếu mực nƣớc biển hạ từ mực nƣớc triều cao xuống mực nƣớc triều thấp, áp lực nƣớc lỗ rỗng giảm đi; thể tích lỗ rỗng trong hạt đất tăng lên, các phần tử nƣớc bị ép ra khỏi hạt đất và sinh ra áp lực.
- Cùng lúc đó tổng ứng suất hiệu quả giảm (giảm về phƣơng ngang và phƣơng đứng): cốt đất giãn ra và nƣớc bị hút vào
Phƣơng trình liên tục:
(3-11)
3
Eeod : Mô đun đàn hồi của đất n : Độ rỗng của đất
Kw: mô đun nén của nƣớc biển
Giả thiết tất cả các lớp đất nằm dƣới mực nƣớc biển đều ở trạng thái bão hòa nƣớc Kết hợp phƣơng trình của Darcy và phƣơng trình liên tục dẫn tới phƣơng trình áp lực phía dƣới nƣớc biển.
(3-12)
Độ nén củacốt đất đƣợc kể đến thông qua tỷ số Độ nén của nƣớc biển thông qua tỷ số
So sánh về độ lớn giữa 2 hệ số trên cho cả đất cát lẫn đất sét thấy rằng có giá trị nhỏ hơn nhiều lần , vì vậy ta có thể bỏ qua , phƣơng trình trên chỉ còn
(*) (3-13)
Một cách tƣơng tự phƣơng trình chung của dòng chảy trong lòng đất do tác động của sóng có thể đƣợc viết nhƣ sau:
(3-14)
Do giá trị rất nhỏ nên có thể bỏ qua
(3-15)
So sánh giá trị và trong trƣờng hợp sóng trung bình, đối với nền đất sét và đất bùn giá trị nhỏ hơn nhiều nên biểu thức đƣợc viết lại thành:
(**) (3-16)
Hai phƣơng trình (*) và (**) giống nhau Điều kiện biên để giải 2 phƣơng trình trên: a, Tại mực nƣớc biển (z=0)
u(0,t) = u0cos (3-17)
Tại 1 điểm cố định xem xét ta lấy x = 0
u(0,t) = u0cos (3-18)
Đối với triều: u0= ρw.g.Hsea (3-19)
Đối với sóng: u0= (3-20)
H: Chiều cao sóng L: Chiều dài sóng d: Độ sâu mực nƣớc n: Hệ số điều chỉnh Grace b, Tại độ sâu vô hạn (z= ) Phƣơng trình trở thành: u(z,t) = u0 . cos (3-21) Trong đó: A= (3-22) T: Chu kỳ sóng L: Chiều dài sóng k: Hệ số thấm của đất
Eeod: Mô đun đàn hồi của đất
Hình 3.6 cho thấy sự thay đổi áp lực nƣớc lỗ rỗng trong một phân tố đất do thủy triều hoặc tác động của sóng. Đƣờng cong (1) có giá trị x = 0, t = T/2 và A = 0,3, trong khi đƣờng cong (2) là giá trị tới hạn của đƣờngáp lực. Xấp xỉ đƣờng cong (1) có thể đƣợc xấp xỉ bằng các đƣờng thẳng AB. Khoảng cách OB đƣợc gọi là "độ sâu ảnh hƣởng". Ảnh hƣởng sâu này là một công cụ rất hữu hiệu để xem xét sự thay đổi của áp lực nƣớc lỗ rỗng trong nền đất vào tính toán ổn định mái dốc.
Giá trị “độ sâu ảnh hƣởng hID”chỉ ra độ sâu tối đa tác động của tải trọng sóng tới các lớp đất nền.Độ sâu ảnh hƣởng đƣợc xác định thông qua các giá trị áp lực u. Giá trị lực tác động u tại lớp đất đầu tiên ngay trên bề mặt đƣợc tính theo công thức
(3-21), áp lực này sẽ giảm dần theo độ sâu. Giá trị này giảm cho tới khi giá trị u’ chỉ bằng 1/10 giá trị áp lực u ban đầu thì lực tác động do dao động mực nƣớc của thủy triều và sóng sẽ gần nhƣ không còn tác động tới các lớp đất nền nữa.
Để sử dụng độ sâu ảnh hƣởng trong mô hình Geo-Slope,trƣớc hết ta cần xác tính đƣợc các giá trị u theo công thức (3-21). Tiến hành quy đổi đơn vị về áp lực Kpa về m. Sử dụng chức năng vẽ đƣờng áp lực tƣơng ứng với các lớp đất (pore pressure). Mỗi lớp đất sẽ có giá trị đƣờng áp lực pore pressure khác nhau và giá trị này sẽ giảm dần theo độ sâu.
Hình 3.6. Áp lực nƣớc lỗ rỗng thay đổi áp lực nƣớc trong một lớp đất do thủy triều hoặc sóng4
3.4. Kết luận chƣơng
Trong chƣơng III đã giới thiệu cơ sở lý thuyết giúp xác định tính toán giá trị áp lực của mực nƣớc triều và sóng biển tác động lên mái dốc trong một chu kỳ triều và trong chu kỳ của 1 con sóng. Áp lực này cũng có tác động gây trƣợt đối với mái đê phía biển,trƣờng hợp xảy ra nguy hiểm nhất vào thời điểm sóng leo cực đại.
Khi mực nƣớc do sóng và thủy triều thay đổi, sự thay đổi củaáp lực nƣớc trong khe rỗng của các lớp đất nền thay đổi chậm hơn so vớiáp lực sóng và thủy triều. Khi xét đồng thời sự thay đổi của mực nƣớc triều và sóng thì giá trị thay đổiáp
4
lực của thủy triều diễn ra trong thời gian lâu hơn, chính vì vậy trong tính toán có thể bỏ qua trị số này.
Những áp lực nƣớc khe rỗng trong các lớp đất nền giảm dần theo độ sâu và độ sâu đó đƣợc tính xấp xỉ thành một giá trị gọi là độ sâu ảnh hƣởng. Khi sóng rút trùng với thời điểm mực nƣớc triều thấp, sự khác biệt giữa các áp lực nƣớc khe rỗng trong các lớp đất nền đƣợc quy đổi chung thành quá áp lực.
Để làm rõ hơn quá trình tác động này, tác giả đề xuất nghiên cứu đối với một công trình cụ thể ngoài thực tế, công trình đê chắn sóng nhà máy nhiệt điện Vũng Áng I.
CHƢƠNG IV. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐÊ CHẮN SÓNG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VŨNG ÁNG I