BED, BANK & SHORE BED, BANK & SHORE PROTECTION - CHAPTER 12 A pdf

Thân đê: - Đê mái nghiêng bằng đá - Đê mái nghiêng với khối bê tông gia cố hình hộp - Đê mái nghiêng với cấu kiện tiêu sóng đặc biệt... Thiết kế mặt cắt ngang& Loại đê chắn sóng - Detach

Rubble mound

Breakwater

Ocean & Coastal Engineering Faculty

Pham Thu Huong

Email: Huong.p.t@wru.edu.vn

Website: http://coastal.wru.edu.vn

Chapter 12 (part 2)

Đê chắn sóng mái nghiêng

1 Giới thiệu

2 Cấu tạo

3 Thiết kế mặt cắt ngang

4 Tính ổn định

Giới thiệu

• Điều kiện áp dụng:

- Địa chất nền không cần tốt lắm, phù hợp với hầu hết các loại đất nền

- Độ sâu không quá 20m

- Tận dụng được vật liệu địa phương

Giới thiệu

• Ưu điểm:

- Tận dụng được vật liệu địa phương

- Tiêu hao năng lượng sóng tốt, sóng phản xạ ít

- Ổn định tổng thể vững chắc, thích hợp với hầu hết các loại đất nền

- Yêu cầu cao trình đỉnh thấp

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

Giới thiệu

• Nhược điểm:

- Tốn vật liệu

- Tàu thuyền không neo đậu được

- Giảm bề rộng hữu ích gần cửa cảng

- Muốn làm đường giao thông trên mặt đê phải dùng các khối bê tông đỉnh

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

Cấu tạo

Lớp áo ngoài (Amour layer)

Lớp nền (Under layer) Lõi đê (core) Chân đê (tow berm)

Tường đỉnh (wave wall)

Cấu tạo

1 Chân khay:

• Giữ lớp phủ chính và chống xói

• Làm bằng đá đổ, một số trường hợp dùng khối bê tông do kích thước lớn

Cấu tạo

2 Khối bê tông đỉnh:

• Mục đích: Tăng ổn định, phục vụ giao thông, gờ hắt sóng để giảm cao trình đê

• Cấu tạo:

- Hình chữ nhật

- Hình chữ nhật có chân

- Có gờ hắt sóng

Bê tông tường đỉnh có gờ hắt sóng

Bê tông tường đỉnh có gờ hắt sóng, có chân

High wall Medium High wall Low wall High berm

(sheltered wall)

Cấu tạo

3 Thân đê:

- Đê mái nghiêng bằng đá

Cấu tạo

3 Thân đê:

- Đê mái nghiêng bằng đá

- Đê mái nghiêng với khối bê tông gia cố hình hộp

Cấu tạo

3 Thân đê:

- Đê mái nghiêng bằng đá

- Đê mái nghiêng với khối bê tông gia cố hình hộp

- Đê mái nghiêng với cấu kiện tiêu sóng đặc biệt

Cấu kiện tiêu sóng

Core-locCube (modified)

X-block

X-block Dolos

Tetrapod Armor Unit

Tetrapods Cảng cá Ngọc Hải-Hải Phòng

7/2005

CORE-LOC Armor Unit

Accropode

Thiết kế mặt cắt ngang

1 Tính các thông số thiết kế:

H1/3, Hmax, T0, L0, h, nước dâng (water elevation), sóng tràn đỉnh (overtoping), sóng vỡ (breaking), mục đích sử dụng công trình…

2 Xác định kích thước công trình: h, hc, R, ht, B, α, αb

3 Tính kích thước lớp áo ngoài (armor layer)

4 Tính kết cấu tường đỉnh

5 Thiết kế mặt cắt ngang đê mái nghiêng

6 Tính chân khay (toe berm)

7 Tính ổn định đê

Thiết kế mặt cắt ngang

1 Các thông số thiết kế

• H1/3 : Chiều cao sóng có ý nghĩa

• Hmax : Chiều cao sóng lớn nhất

• T0 : Chu kỳ sóng nước sâu

• L0 : Chiều dài sóng nước sâu

• h : Mực nước trước chân công trình

• Ru2% : Chiều cao sóng leo

• : Thông số sóng vỡ (Iribarren number)

• Chọn loại đê chắn sóng theo mục đích sử dụng: Vị trí, kiểu dáng, vật liệu…

tan /

Thiết kế mặt cắt ngang

& Loại đê chắn sóng

- Detached breakwater: Đê chắn sóng biệt lập (BV bờ khi sóngvuông góc với đường bờ)

- Attached breakwater: Đê chắn sóng liên kết với bờ (Cảng)

- Overtopped BW: Đê chắn sóng đỉnh thấp (tường đỉnh)

- Non-overtopped BW: Đê chắn sóng không cho sóng tràn đỉnh (khối lượng vật liệu lớn)

- Rubble mound structure: Đê chắn sóng mái nghiêng

- Vertical structure: Đê chắn sóng thành đứng

- Composite structure: Đê chắn sóng kiểu hỗn hợp

- Emerged breakwaters: Đê chắn sóng đỉnh trên mặt nước

- Submerged breakwaters: Đê chắn sóng đỉnh ngập nước

- Floating breakwater: Đê chắn sóng kiểu phao nổi

Thiết kế mặt cắt ngang

2 Xác định kích thước công trình

Thiết kế mặt cắt ngang

3 Thiết kế lớp áo ngoài thân đê (Armor layer)

a Kích thước lớp áo ngoài:

- Độ dốc mái:

+ Mái ngoài biển (Seaside Armor Slope) : 1 : 1,15 ÷ 1 : 2

+ Mái phía trong (Harbor-side (leeside) Slope):

* Ít sóng tràn đỉnh, sóng trung bình: 1 : 1,25 ÷ 1: 1,5

* Sóng tràn đỉnh trung bình, sóng lớn: 1 : 1,33 ÷ 1: 1,5

- Đầu và thân đê: đầu đê chịu tác động mạnh của sóng hơn nên mái dốc cần thoải hơn Æ tốn vật liệu hơn

Thiết kế mặt cắt ngang

Chú ý: Các điều kiện khi thi công:

- Loại ván khuôn sẵn có

- Chất lượng bê tông

- Sử dụng loại bê tông gia cường (với cấu kiện 10÷20t)

- Cách sắp xếp cấu kiện

- Phương tiện thi công

Thiết kế mặt cắt ngang

3 Thiết kế lớp áo ngoài thân đê (Armor layer)

a Kích thước lớp áo ngoài:

- Độ dốc mái:

- Đầu và thân đê:

- Chiều dày các lớp vật liệu: dày Æ ổn định

- Cách xếp vật liệu đặc biệt Æ giảm kích thước cấu kiện

Thiết kế mặt cắt ngang

Công thức Hudson cho lớp áo bằng đá đổ 2 lớp

H : Chiều cao sóng tính toán (HS hoặc H1/10)

Dn50 : Đường kính viên đá lập phương tiêu chuẩn

M50 : Khối lượng viên đá 50%, M50 = ρS D 3

n50

ρS : Khối lượng riêng của đá

ρW : Khối lượng riêng của nước

S = ρS/ ρw: Tỷ số khối lượng ( = 2,65 đối với đá đổ, 2,4 đối với bê tông)

Δ = ρS/ ρw − 1

α : Góc nghiêng của mái dốc

KD : Hệ số ổn định

Hệ số ổn định K D

• H = Hs và góc nghiêng của mái dốc 1,5 < cotα < 3,0

• H = H1/10 (SPM, 1984)

(1) Sóng vỡ: Sóng nước nông, vỡ trước mái nghiêng

(2) Sóng không vỡ: Sóng vỡ nước sâu trước mái nghiêng

(3) Xếp: trục viên đá được xếp vuông góc với mặt mái nghiêng

(4) D: Phần trăm thể tích khối gia cố bị dịch chuyển trong vùng bị ảnh hưởng của sóng

SPM, 1984

Thiết kế mặt cắt ngang

Công thức Hudson

Hạn chế:

- Hệ số ổn định KD chỉ giới hạn trong bảng tra

- Chiều cao tường đỉnh cho phép rất ít sóng tràn qua

- Đá tương đối đồng đều : 0,75W ÷ 1,25W

- Mái dốc đều : 1 : 1,5 đến 1 : 1,3

- Trọng lượng riêng của đá trong khoảng: 1,9 T/m 3 ≤ γa ≤ 2,9 T/m 3

Chưa đề cập đến:

- Chu kỳ sóng tới

- Kiểu sóng vỡ (spilling, plunging, surging)

- Mức độ hư hỏng cho phép (giả thiết không có hư hỏng nào)

- Quá trình bão (ví dụ: số lượng sóng)

- Tính thấm của công trình

Thiết kế mặt cắt ngang

Công thức Van de Meer cho lớp áo bằng đá đổ 2 lớp

Hs : Chiều cao sóng có ý nghĩa tại chân công trình

Dn50 : Đường kính viên đá tiêu chuẩn 50%

M50 : Khối lượng viên đá 50%, M50 = ρS D 3

n50

ρS : Khối lượng riêng của đá

ρW : Khối lượng riêng của nước

S =ρS/ρw: Tỷ số khối lượng ( = 2,65 đối với đá đổ, 2,4 đối với bê tông); Δ = ρS/ρw−1

S : Diện tích xói lở tương đối

P : Độ thẩm thấu ước lượng

Thiết kế mặt cắt ngang

3 Thiết kế lớp áo ngoài thân đê (Armor layer)

a Kích thước lớp áo ngoài:

b Tính ổn định cấu kiện bảo vệ mái

- Độ phá hỏng của lớp gia cố:

+ Độ dịch chuyển tương đối trên cùng một diện tích:

Số khối bị dịch Tổng số khối trên cùng một diện tích

D =

+ Số khối dịch chuyển với dải bề rộng Dn:

Số khối dịch chuyển khỏi lớp gia cố

Bề rộng phân đoạn kiểm tra/Dn

Nod =

+ Diện tích xâm thực (eroded area) tương đối S:

Ae

D 2 n50

S =

- Phân loại sự phá hỏng:

+ Không hỏng: không có khối nào bị dịch chuyển (S=0)

+ Bắt đầu hỏng: rất khó bị dịch chuyển Mức độ này

được coi là không phá hỏng đối với nhiều công thức tính toán khối lượng lớp gia cố (0 ÷ 5% khối bị dịch chuyển).

+ Hư hỏng tương đối: Các khối bị dịch chuyển nhưng lớp lót và tầng lọc ngược không bị trồi ra ngoài

+ Hỏng không sủ dụng được: Lớp lót và tầng lọc

ngược bị phá hoại dưới tác động của sóng.

Độ phá hỏng D với 2 lớp gia cố

(1) D được xác định là % thể tích bị xâm thực

(2) D được xác định là % khối bị dịch chuyển một khoảng lớn hơn Dn(3) Được phủ 1 lớp gia cố

Độ phá hỏng Nod với hai lớp gia cố

(Vander Meer - 1988)

Độ phá hỏng S cho hai lớp gia cố

(Vander Meer) 1988

Một số công thức tính ổn định lớp gia cố

(CEM)

Example

- Cao trình đỉnh : bằng cao trình đỉnh đê

- Cao trình đáy : thấp hơn mực nước thiết kế, nằm trực tiếp trên lớp lõi Æ giảm lượng sóng thẩm thấu qua thân đê

- Nếu có gờ hắt sóng, cao trình đỉnh đê = cao trình đỉnh gờ hắt sóng, chiều dày gờ hắt sóng xác định theo điều kiện bền

- Bề rộng khối bê tông đỉnh : xác định theo điều kiện ổn định trượt và lật (chính là bề rộng đê)

- Bề rộng của phần gia cố : tiếp xúc bên với khối bê tông đỉnh phải đảm bảo xếp được 2 khối gia cố

Thiết kế mặt cắt ngang

4 Tính kết cấu tường đỉnh

Thiết kế mặt cắt ngang

4 Tính kết cấu tường đỉnh

Tải trọng ngang do sóng được xác định bằng thực nghiệm, kết quả thực nghiệm do Jensen (1984) và Bradbury (1988):

F h,0,1% : lực ngang trên 1m bề rộng tác dụng lên tường với suất đảm bảo 0,1%

ρw : khối lượng riêng của nước

H s : độ sâu nước dưới chân tường

L op : chiều dài sóng nước sâu tương ứng với đỉnh phổ

H s : chiều cao sóng có ý nghĩa

A c : khoảng cách mực nước MWL và đỉnh các khối tiêu sóng

α , β : hệ số lọc tra theo bảng

Một số dạng mặt cắt trong bảng tra α, β

Giá trị các hệ số α, β

Sơ đồ lực tác dụng Sơ đồ tính ổn định khối

bê tông tường đỉnh

Theo Pedersen (1996) tải

trọng sóng lên khối bê tông

đỉnh được xác định:

F h, 0,1% : tải trọng ngang cho 1m bề rộng với suất bảo đảm 0,1%;

M0,1% : mômen lật cho 1m bề rộng với suất bảo đảm 0,1%;

p b,0,1% : áp lực nâng với suất bảo đảm 0,1%;

L om : chiều dài sóng nước sâu với chu kỳ trung bình;

B : bề rộng thềm khối tiêu sóng trước tường;

Pm = ρmg (Ru, 0,1% - Ac)

R u,0,1% : chiều cao sóng leo với suất bảo đảm 0,1%;

α : góc nghiêng của mái dốc;

A c : khoảng cách từ mực nước MWL và đỉnh của khối tiêu sóng;

A = min (A2/A1; 1), với A1, A2 là các diện tích như trên hình vẽ

h’ : chiều cao của tường được bảo vệ bởi khối tiêu sóng;

fc : chiều cao tường không được bảo vệ.

- Tính ổn định trượt của khối bê tông đỉnh:

μ - hệ số ma sát (Table VI-5-62/63)

F G - trọng lượng của khối bê tổng đỉnh;

F U - lực nâng;

F H - tải trọng ngang của sóng;

- Tính ổn định lật của khối bê tông đỉnh:

M FG - mômen chống lật do trọng lượngbản thân

M FU - mômen lật do lực nâng;

M FH - mômen lật do lực ngang của sóng

Thiết kế mặt cắt ngang

5 Thiết kế mặt cắt ngang đê mái nghiêng

a Điều kiện kích thước vật liệu giữa các lớp phủ

- Điều kiện độ lớn vật liệu: kích thước của viên đá lớp lót phải đảm bảosao cho không bị lôi ra ngoài qua lớp phủ bởi sóng hoặc dòng chảy

D15 - đường kính viên đá chiếm 15 khối lượng mẫu

D85 - đường kính viên đá chiếm 85 khối lượng mẫu

D - đường kính viên đá;

W - khối lượng viên đá;

Wa - khối lượng riêng của đá

cho lớp đá lót có đá kích thước bé

cho lớp lớp phủ có đá kích thước lớn

a Điều kiện kích thước vật liệu giữa các lớp phủ

- Điều kiện độ lớn vật liệu

- Điều kiện thấm: Vật liệu nền có tính thấm để giảm gradient giữa các lớp

- Điều kiện ổn định cục bộ: Nếu vật liệu có nhiều cấp phối khác nhau, cáchạt có thể bị mất ổn định cục bộ ngay trong thân đê

- Chiều dày lớp lót: Chiều dày nhỏ nhất của lớp lót nên lớn hơn ít nhất 2 lần đường kính viên đá lớn nhất của lớp lót Chiều dày lớp sỏi ít nhất là20cm, chiều dày của cát ít nhất 10cm (Pilarczyk, 1990)

- Lớp lót đáy: Đặt trên lớp vải địa kỹ thuật Nếu vải địa kỹ thuật sử dụng

để giữ vật liệu, cần phủ một lớp đá vụn (10cm đến 20cm) lên trên để

tránh khối đá lớn làm rách vải Chiều dày lớp lót đáy nên lấy khoảng

60cm và có sự chuyển tiếp đến lớp đá có kích thước lớn hơn

c Chiều rộng đỉnh đê:

- Điều kiện thi công : chiều rộng tối thiểu để các phương tiện có thể đi lại được trên mặt đê Trong trường hợp dùng các phương tiện nổi thì chiều rộng đê không cần xét đến điều kiện thi công.

- Điều kiện ổn định : do sóng tràn bề rộng tối thiểu bằng 3 khối phủ (thường lấy bằng 4) và xác định theo công thức:

B- bề rộng đê;

n - số khối phủ;

KΔ- hệ số tra bảng;

W - khối lượng khối phủ;

Wa - khối lượng riêng của khối phủ

- Điều kiện khai thác : đủ rộng cho giao thông hoặc vận

chuyển hàng hoá.

- Chiều dày lớp gia cố và các lớp lót:

- Mật độ các cấu kiện: (số cấu kiện sắp xếp trên 1 đơn vị diện tích)

r : Chiều dày trung bình của lớp

n : Số lớp vật liệu (thông thường n = 2)

W : Trọng lượng của 1 khối gia cố đơn lẻ

w a : Trọng lượng riêng của vật liệu chế tạo kết cấu gia cố

N a : Số khối phủ trên một đơn vị diện tích A

P : Hệ số rỗng của vật liệu phủ mái

d Chiều dày lớp phủ và lớp lót

e Giới hạn chân của lớp phủ

Lớp phủ chính (armour layer):

- Khi độ sâu nước h > 1,5H (H - chiều cao sóng) Æ giới hạn dưới của lớpphủ chính được kéo dài xuống dưới mực nước thấp nhất một khoảngbằng H

- Khi độ sâu nước h < 1,5H Æ lớp phủ chính được kéo dài đến tận chânkhay

Lớp phủ thứ 2 (secondary cover layer):

- Nếu các khối phủ ở lớp phủ chính và lớp phủ thứ hai làm cùng một loạivật liệu:

+ Trong khoảng -1,5H đến -2,0H Æ trọng lượng của khối phủ lớpthứ hai phải lớn hơn 1/2 trọng lượng khối phủ chính

+ Phía dưới -2,0H Æ trọng lượng khối phủ bằng W/10 ÷ W/15 trọng lượng khối phủ chính)

(W Chiều dày của lớp phủ thứ hai phải bằng chiều dày lớp phủ chính

Lớp lót (under layer):

• Đối với lớp lót nằm ngay sát dưới lớp phủ cần phải dùng 2 lớp đá

(n=2) trọng lượng:

- bằng W/10 nếu lớp phủ là đá hoặc là khối bê tông có KD≤12

- bằng W/5 với khối phủ có KD>12 (dolosse, core-los, tribar đổ tự do)

• Lớp lót thứ hai nằm trên lớp phủ thứ hai (trên -2,0H) cần dùng 2 lớp

với trọng lượng bằng 1/20 trọng lượng lớp lót thứ nhất (bằng W /200

so với lớp phủ chính)

• Lớp phủ thứ hai (dưới -2,0H) cần 2 lớp với trọng lượng viên đá:

- Lớp lót thứ nhất bằng 1/20 lớp phủ, bằng W/300 so với lớp phủ chính

- Lớp phủ thứ hai dưới -2,0H có trọng lượng bằng W/ 6000

• Nếu lớp phủ là đá khối hoặc khối bê tông có KD≤12 thì lớp lót thứ nhất

và lớp phủ thứ hai (dưới -2,0H) sẽ là đá có khối lượng trong khoảngW/10 ÷ W/5

• Nếu lớp phủ chính là khối bê tông với KD>12 thì lớp lót và lớp phủ thứhai là đá có khối lượng W/5 ÷ W/10

• Với lớp phủ là đá hỗn hợp thì lớp lót cần thoả mãn điều kiện:

D15 ( phủ ) ≤ 5D85 ( lót )

• Lớp lót chiều dày bằng 3 lần chiều dày của đá W50 và không nhỏ hơn0,23 m

f Kết cấu đầu đê và mái dốc phía sau

- Các yếu tố gây mất ổn định đầu đê:

• Các khối phủ trong hình nón đầu đê liên kết kém hơn so với thân đê

• Vận tốc tràn trên phần hình nón có giá trị lớn, đôi khi được tăng lên do sóng khúc xạ

• Các khối phủ nằm ở phía sau chịu tác động cùng chiều với phương trượt

- Kích thước, cấu tạo đầu đê:

• Cao trình đỉnh đê: có thể lấy cao hơn cao trình thân đê 1÷2m;

• Bề rộng đỉnh đê: có thể rộng hơn thân đê với chiều dài lấy

theo kinh nghiệm sau:

Bđ=(1,5÷2,0)Bt

Lđ=(2÷2,5)Bđ

• Diện tích đầu đê: phải đủ rộng để bố trí các công trình : tín

hiệu, nhà đèn, trạm kiểm soát, trạm dịch vụ và các công trình phụ trợ khác của cảng.

• Kích thước khối phủ đầu đê chắn sóng hoặc đê chắn cát

được kéo dài một khoảng 15 ÷ 45 m cho mái dốc sau Khoảng cách này còn phụ thuộc vào cao trình đầu đê Kích thước khối phủ đầu đê được xác định trong phần ổn định đầu đê (tính tương

tự kích thước khối phủ thân đê – tham khảo CEM)

- Kích thước mái dốc sau:

• Kết cấu mái dốc sau phụ thuộc vào sóng tràn và sóng tác

dụng trực tiếp Nếu sóng không tràn thì mái dốc sau phụ thuộc tác động sóng trực tiếp Trong trường hợp tràn ít thì kích thước khối mái dốc sau giống như mái dốc trước và kéo dài đến -

0,5H tính từ mực nước lặng thấp nhất.

• Trong trường hợp sóng tràn nhiều và sóng vỡ nước nông thì lớp phủ mái dốc sau giống lớp phủ trước và kéo đến tận chân công trình.

• Với đê chắn cát hoặc đập đỉnh bị tác động sóng hai bên như nhau thì kết cấu mái dốc sau giống mái dốc trước.

Thiết kế mặt cắt ngang

6 Thiết kế chân khay (toe berm) CEM - VI - 5 - 102

• Chiều rộng chân khay : chứa được tối thiểu 4 khối gia cố

• Cao trình chân khay : tạo với chiều rộng thành một khối

đảm bảo ổn định của vật liệu gia cố

• Thi công chân khay : trước hay sau khi có lớp phủ chính Đối với khối Tribar được sắp xếp và đá xếp thì thì chân khay

là khối tựa và cần phải thi công trước, trong trường hợp thi công sau thì chiều cao chân khay phải đủ để chắn được 1/2 chiều cao của khối phủ tiếp giáp với chân khay.

• Tại nơi nước rất nông lớp phủ chính được kéo dài thêm

một hoặc hai hàng để làm chân khay.