CHƯƠNG IV THIẾT KẾ ĐÊ NGĂN CÁT – GIẢM SÓNG DẠNG MÁI NGHIÊNG (PHƯƠNG ÁN 1) pdf

Các phương pháp thực hiện đã phát triển sẽ được sử dụng trong phầnnày để xác định trọng lượng của một khối riêng rẻ có thể chịu được áp lực củasóng nước cho trước , nếu sử dụng một cách

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ ĐÊ NGĂN CÁT – GIẢM

SÓNG DẠNG MÁI NGHIÊNG (PHƯƠNG ÁN 1)

I – Tổng quát :

Đê đá đổ bao gồm nhiều lớp đá với đá có hình dạng kích thước khácnhau , đổ cho lăn tự nhiên và được bảo vệ ở ngoài bằng các khối bê tông cóhình dạng đặc biệt hoặc bằng đá tảng lớn Các khối bê tông hoặc đá bảo vệnày phải được sắp xếp bởi con người để đạt được vị trí ổn định nhất trên máinghiêng Các kỹ thuật hiện nay không cung cấp cho ta cách xác định lực cầnthiết để dịch chuyển một khối riêng lẻ ra khỏi vị trí của nó khi sóng đập vàocông trình

Khối phủ bảo vệ có thể bị dịch chuyển trên một diện tích rộng của lớpbảo vệ , nó bị trượt xuống do trọng lượng bản thân , hay một khối riêng rẻ cóthể bị nhấc lên và lăn lên hoặc lăn xuống theo mái nghiêng của đê

Các phương pháp thực hiện đã phát triển ( sẽ được sử dụng trong phầnnày) để xác định trọng lượng của một khối riêng rẻ có thể chịu được áp lực củasóng nước cho trước , nếu sử dụng một cách cẩn thận sẽ cho ta xác định mộtcách chính xác tính ổn định của công trình đá đổ dưới tác dụng của cả sóng bão

II – Các yếu tố cần thiết để thiết kế :

Yếu tố đầu tiên ảnh hưởng đến điều kiện sóng tại nơi đặt công trình làđộ sâu ở vùng lân cận đó Độ sâu nuớc sẽ quyết định công trình sẽ chịu tácđộng của loại sóng nào : sóng vỡ , sóng không vỡ , hay sóng đã vỡ (sóng xô )

Sự thay đổi độ sâu nước dọc theo trục đê cũng phải được xem xét khi nóảnh hưởng đến điều kiện sóng

Khi sóng tiến gần sát công trình , nó sẽ có những tác động như sau :

 Vỡ hoàn toàn , tia nước phát ra đập vuông góc với mái nghiêng

 Vỡ một phần

 Hoàn thành những chuyển động dao động của phân tử nước lên vàxuống trên mái nghiêng của đê

Thiết kế đê cần thiết qua 3 giai đoạn sau đây :

Xác định kích thước hình học của đê

Định phương pháp thi công đê

Xác định các vật liệu làm đê

Trong các bước trên thì bước một là rất quan trọng cần xem xét như sau :Cao độ đỉnh đê và bề rộng đỉnh đê

Khối bêtông dùng làm đỉnh đê ( concrete cap for rubble mount structures)

Chiều dày khối phủ ngoài và các lớp bên trong và số khối bê tông

Độ cao đáy của lớp phủ ngoài

Chiều rộng của lớp phủ bảo vệ chân đê

Phần đầu và phía mặt trong của đê

Lớp phủ ngoài phía dưới

Lớp phủ thứ hai

Lớp đệm và tầng lọc

III – Tính kết cấu đe â

 Xác định cao độ và bề rộng đỉnh đê :

Cao độ của đỉnh đê thường được chọn một cách tuỳ ý nếu nó không cónhiệm vu ïlàm giảm sóng phía sau công trình Nói chung độ cao so với mặtnước biển của đê đá đổ sẽ phụ thuộc chiều cao sóng leo R Sóng leo phụ thuộcvào đặc điểm của sóng , mái dốc , độ rỗng và độ nhám của lớp phủ ngoài cùng

Việc lựa chọn cao độ đê là chọn chiều cao thấp nhất có thể mà vẫn đảmbảo chắn được hoàn toàn sóng tới

Bề rộng đỉnh đê thường phụ thuộc hoàn toàn vào mức độ cho phép sóngtràn qua hay không Nếu sóng không tràn qua thì bề rộng đê không có giớihạn Các nghiên cứu dựa trên mô hình đã đưa ra một công thức xác định bềrộng (B ) của đỉnh đê

B = n K ( W/Wr)1/3 (7.120)

 B : bề rộng đỉnh đê (m)

 n : số viên đá trong một lớp ( thường lấy bằng 3 )

 K = 1,04: Hệ số lớp ( tra bảng 7-13) ( layer coefficient )

 Trọng lượng khối phủ ngoài (kg) ứng với mái dốc = 3 ,W = 1200 kg

 Trọng lượng riêng của vật liệu làm khối phủ bảo vệ bên ngoài (kg/m3)

Wr = 2,5 T/m3 = 2500kg/m3

Vậy B = 2,5 m

Bề rộng đỉnh đê phải đủ rộng để xây dựng 1 vài công trình phụ như đènbáo hiệu , nhà, trang thiết bị để phục vụ việc hoạt động của đê ,… có thể phốihợp làm đường giao thông

Ngoài ra , chiều rộng đỉnh đê ( không bao gồm phần tường đỉnh ) chủyếu phụ thuộc bởi ổn định cuả thân đê , ổn định của nền đê , yêu cầu chốngthấm , chống sóng yêu cầu của phương pháp thi công , yêu cầu cấp cứu hộ đêvà giao thông Nói chung ,chiều rộng đê biển không nhỏ hơn 3  4 m , thườnglấy 4  6 m Ngoài ra theo yêu cầu sử dụng có thể mở rộng thêm Ở nướcngoài có những đoạn đê kết hợp giao thông rộng tới hơn 20 m

Do đó ta chọn bề rộng đỉnh đê là 4m (cấp công trình đê là cấp II và dođây là đê ngăn cát giảm sóng nên không yêu cầu nhiều về mỹ thuật cũng nhưcác trang thiết bị khác )

Ở đoạn đầu đê do chịu tác dụng sóng toàn phần nên bề rộng đỉnh đêđược tăng Bđ = 1,5 B = 6 m

 Mái dốc đê : được thể hiện qua hệ số mái dốc m = cotg  , với  là gócgiữa mái đê và đường nằm ngang Độ dốc mái đê chủ yếu xác định theo yêucầu ổn định của đê biển , đồng thời cũng xét đến các yếu tố về hình dạng mặtcắt , loại hình và vật liệu gia cố , vật liệu thân đê , tình hình tác dụng củasóng , điều kiện địa chất và điều kiện thi công v.v…

Theo bảng 5-3 trong Công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo (CTBVBB vàHĐ)ta có thể chọn sơ bộ mái dốc của kết cấu đê như sau :

Mái dốc phía biển m = 3

Mái dốc phía bờ m = 2

 Tính chiều cao sóng leo :

Độ cao theo phương đứng trên mực nước tĩnh do nước từ sóng đi tới leolên bề mặt công trình gọi là sóng leo Xác định cao độ cần thiết của công trìnhđể sóng leo không thể tràn qua công trình thì cần phải xác định sóng leo

Ký hiệu của sóng leo : R(m)

Sóng leo phụ thuộc vào bề mặt công trình (độ dốc ) và độ nhám của nó ,và độ sâu tại chân công trình , độ dốc đáy biển phía trước công trình và tínhchất của sóng đi tới Bởi vì sóng leo phụ thuộc vào quá nhiều bên liên quan,như vậy nên việc mô tả một cách hoàn chỉnh chưa có sẵn cho hiện tượng sóngleo lên các công trình có kích thước và hình dáng hình học khác nhau và chocác điều kiện khác nhau của sóng đi tới

R/H’0 là một hàm của độ dốc sóng nước sâu và mái dốc công trình Với R : chiều cao sóng leo đo được ( theo phương đứng ) tính từ mựcnước tĩnh

Và H’O : chiều cao sóng nước sâu chưa bị ảnh bởi khúc xạ

Kết quả tiên đoán sóng leo theo các đồ thị (7.8)  (7.12) cho ta thấychiều cao sóng leo nhỏ hơn so với kết qủa thực đo rất nhiều trên các công trìnhco’sẵn vì không thể xây dựng mô hình có tỉ lệ về độ nhám trên mái nghiêngchính xác được Do đó gia 1trị sóng leo tra được trên đồ thị (7.13) để xét ảnhhưởng tỷ lệ của mô hình

Chiều cao sóng ngoài khơi H’O = 7,7 m , T = 12,7 s

r D

S r

cot 3 3

W : trọng lượng của một khối tetrapod

r : trọng lượng đơn vị của bêtông = 2,5 T/m3 ứng với bêtông  250

H : chiều cao sóng thiết kế = 3,864 m

Cotg  : hệ số mái dốc = 3

 : trọng lượng đơn vị của nước biển = 1,03 T/m3

KD : hệ số ổn định ( tùy thuộc vào hình dạng của khối , độ nhám bề mặtkhối , loại sóng tác dụng và độ dốc bờ biển ) tra bảng 7 – 8 trang 7 – 206 trongSPM

Công trình nằm trong vùng sóng vỡ - Tetrapod đổ 2 lớp ,do đó ta trabảng được :

3 – Bề dày của lơp phủ ngoài cùng :

rA = nK

3 / 1

rA : chiều dày lớp phủ ngoài cùng (m)

n : số khối bêtông trong một lớp n = 2

WA : trọng lượng tiêu chuẩn của một khối (T)

Wr : trọng lượng riêng của bêtông = 2,5 T/ m3

K : hệ số lớp ( layer coefficient ) (tra bảng 7-13) = 1,04

Vậy bề dày trung bình của khối phủ ngoài cùng là :

 Tại vị trí đầu đê : rA = 2,62 m

 Tại vị trí thân đê : rA =2,08 m

4 – Số lượng khối tetrapod cần thiết cho lớp phủ ngoài :

NR = AnK

3 / 2

Khối tetrapod có trọng lượng là 5T

Vậy NR = 1150 ( khối)

Tại vị tri thân đê : A = 9830 (m2) ( Chiều dài thân đê = 400 m )Khối tertrapod có trọng lượng 2,5 T

Vậy NR = 10223 (khôi)

Từ đó ta có thể suy ra : khối lượng bê tông lớp phủ mái

Tại vị trí đầu đê :G = NR

5 – Đá lót dươi lớp phủ mái , lõi đê và lớp đệm :

Lớp đá lót dưới lớp phủ mái cần đảm bảo kích thước để không bị sóngmoi qua khe giữa các khối phủ và gây lún sụt cho các lớp phủ Đồng thời cũngđảm bảo cho trong thời gian thi công không bị sóng cuốn đi khi chưa có khốiphủ che chở

Thông thường , trọng lượng viên đá lớp lót lấy bằng 1/10  1/20 trọng lượng khối phủ ngoài , do đê chịu tac động của sóng khá lớn nên ta chọn đá có trọng lượng = 1/10 trọng lượng khôi phủ ngoài = 250 500 kg

Chiều dày lớp lót thường lấy bằng 2 lần đường kính viên đá lót hoặc cóthể tính theo công thức :

rA = nK

3 / 1

Lúc này hệ số K = 1,0 ( Tra bảng 7-13 trang 7-234 SPM )

rA = 1,2 (m)Sốâ lượng viên đá của lớp lót :

NR = AnK

3 / 2

A : diện tích trung bình của lớp đá lót tính vuông góc với bề dày (m2)

A = 8187 (m2)

K = 1,0

P = 37%

Vậy NR = 30163 ( khối)Khối lượng đá của lớp đá lót :

WA : trọng lượng của đá (T)

Wr : trọng lượng riêng của đá

G = 6033 (m3)Lõi đê thường dùng đá hộc có trọng lượng từ 10  100 kg Trên vùng đáy có thể bị dưới tác dụng của sóng , những khối phủ mái và đá hộc lớn có lăng thể chân mái cũng cần được đặt trên một lớp đệm đá (loại 10  100 kg), chiều dày lớp đệm cũng không nhỏ hơn chiều dày lớp chống xói đáy.Chọn chiều dày lớp đệm đá = 1m

Lớp gia cố đáy:

Dọc chân đê mái nghiêng , nếu đáy biển dễ bị xói cần bố trí sân gia cố đáy Chiều rộng gia cố đáy lấy bằng 0,25 chiều dài sóng ở phía đầu đê và ở mái phía chịu tác dụng sóng lớn , ở những phần khác lấy bằng 2,0m

 Phương án kết cấu đê mái nghiêng đá đổ bảo vệ luồng như sau :

Khối bảo vệ tetrapod

Cao độ đê = + 5 m

Mái dốc : phía biển m =3 , phía bờ m = 2

Trọng lượng riêng của bêtông #250 = 2,5 T/m3

Khối tetrapod đầu đê : 5 T , bề dày khối là 2.62m , khối lượng khối phủ là 1196 m3

Khối phủ tetrapod thân đê : 2,5 T , bề dày khối là 2,08m , khối lượng khối phủ là10233m3

Trọng lượng viên đá lót dưới lớp phủ ngoài là từ 250  500 kg

Số khối đá lót là 30163 khối

Khối lượng lớp đá lót là : 6033 m3

Bề dày của lớp đá lót là : 1.2 m

Trọng lượng viên đá lõi đê là : 50 kg

Thể tích đá của lõi đê : 58000m3

IV – Kiểm tra ổn định toàn bộ công trình :

Kiểm tra ổn định trượt do lực ngang gây ra :

Sóng tác dụng lên đê với thông số lớn nhất như sau :

Chiều cao sóng Hi = 3.864 m , chu kỳ sóng T= 12.7 s

Độ sâu tại chân công trình d = 5 m

Lực tác dụng của sóng lên tường đứng – trường hợp đỉnh sóng tới công trình :

 : dung trọng nước biển

Aùp lực sóng xét ảnh hưởng trên mái nghiêng( chỉ xét thành phần lực ngang):

Fnet = F = 155 KN/m

Lực đẩy nổi do sóng :

Thành phần áp lực tại đáy do sóng tính theo công thức :

 : hệ số phản xạ = 1

 = 10KN/m3 : dung trọng nước biển

Với  = 0.4 : hệ số ma sát giữa đá và cát tra bảng 7-16

HỆ SỐ AN TOÀN CHỐNG TRƯỢT NGANG :

K = ( lực chống trượt / lực gây trượt )= 6>3

 Đê không bị trượt dưới tác dụng của lực ngang

2.Kiểm tra ứng suất của đất nền :

Tính sức chịu tải của đất nền theo công thức trong qui phạm :

 Đất nền đủ khả năng chịu lực

(Sơ đồ tính toán cuả hai phần tính toán xem trang sau)

3.Tính toán trượt cung tròn của mái dốc đê :

Phương pháp trượt cung tròn có nhiều loại , nhưng bất cứ sử dụng phươngpháp nào trươc hết đều phải phân tích các tổ hợp tải trọng tác trọng lên đêbiển , xét đến các mực nước trong ngoài , khác nhau, đồng thời tính cáctrường hợp tính toán đối với mặt cắt hoàn công và mặt cắt thi công

Trong phần này ta sẽ sử dụng phần mềm hỗ trợ tính toán trượt cung trònSlopew, ta sẽ tính trượt cung tròn cho cho hai mặt cắt ở vị trí đầu đê và vị tríthân đê Cao trình đáy của hai mặt cắt tương ứng là : -4.5 và -2.7 và mựcnước tính toán là mực nước thấp thiết kế do tính cho trường hợp tải trọngnguy hiểm nhất là -0.95

TOẠ ĐỘ ĐIỂM MẶT

CẮTĐẦU ĐÊ TOẠ ĐỘ ĐIỂM MẶT CẮT THÂN ĐÊ

MỘT SỐ THÔNG SỐ VỀ KHỐI TETRAPOD

Thể tích của khối TETRAPOD

14.15 8

Bề dày trung bình của mỗi lớp

(ft) 4.01 5.05 6.34 8.83 10.87 12.45 13.7 14.76 15 16.51 17.26 (m) 1.22 1.54 1.93 2.69 3.31 3.79 4.18 4.50 4.57 5.03 5.26

Số lượng khối tetrapod trên 1000m 2 (two layer random placed)

CHƯƠNG V – THIẾT KẾ ĐÊ NGĂN CÁT GIẢM

SÓNG DẠNG TƯỜNG ĐỨNG

I – GIỚI THIỆU CHUNG :

Công trình dạng tường đứng kết cấu trọng lực dùng để ngăn cát giảmsóng , tôn tạo đảo và bảo vệ bờ biển Công trình lớn thì sử dụng các loại thùngchìm , cọc trụ đường kính lớn , công trình nhỏ thì thường sử dụng kết cấu khốichuồng ( hoặc cũi ) và kết cấu khối xếp

Do công trình của ta không lớn lắm và nền đất tương đối tốt nên sử dụngđê tường đứng dạng trọng lực khối xếp

II – THIẾT KẾ ĐÊ :

1 Các kích thước cơ bản của đê :

a Cao trình đỉnh đè:

Đỉnh đê = MNCTK +  max + h + a

Trong đó :

h : Chiều cao nước dâng lớn nhất Tra theo hình C-2/trang 93-Sách

“Hướng dẫn thiết kế đê biển”

Tra theo khu vực Quãng Ngãi ta có được h =1,2 m

a : Chiều cao dự trữ an toàn a = (0,51)m

Ta chọn a = 1 m

Do cho phép sóng tràn qua đê nên theo quy phạm ta có thể bỏ qua chiều cao nước dâng và chiều cao dự trữ an toàn

max

 : độ dềnh cao do sóng

Theo 22 TCN 222-95 ta có công thức tính như sau :

t kd

cth kh t

2

cos ) ( 2



Với :

 2T

 =0.4947 : tần số sóng , T= trị số của chu kỳ sóng (sec) = 12.7(s)

Với các thông số về sóng ta tính được chiều dài sóng do tra bảng C-1 trong SPM ta được   = 86.8 m

t : thời gian (sec)

Ta chọn tại thời điểm đỉnh sóng tác dụng vào công trình t=0 s

864 , 3 07235 , 0 0 cos 864 ,

Vậy ta suy ra:

Đỉnh đê = 1.19+4.46 = 5.65 (m) (Hệ cao độ Hòn Dấu)Làm tròn cao trình đỉnh đê là 6 m cho tiện trong lúc thi công

b Bề rộng đỉnh đê:

Với H : là chiều cao sóng tính toán (m)

Vì công trình có quy mô nhỏ và không có làm đường giao thông nên ta chọn :

B = 2H = 2.3,864 = 7.728(m)Chọn bề rộng đỉnh đê B = 8 m

c Chiều cao công trình :

HCT = Đỉnh đê - Điểm sâu nhất ở vị trí bố trí CT

= 6 – (-5) = 11 (m)

Vậy chiều cao của đê là :

HCT = 11 (m)

2 Kết cấu công trình :

Đê chắn sóng bảo vệ cảng dạng kết cấu tường đứng khối xếp

3 Tính toán kết cấu :

Xác định kích thước khối xếp :

Theo mặt cắt ngang:

Theo mặt cắt ngang của đê thì ta chia ra làm 2 loại : bxh = 3x2 m;5x2m.Lựa chọn kích thước khối xếp dựa trên 3 yếu tố:

Không trùng mạch

Bản thân khối phải ổn định (trong điều kiện thi công)

Phương tiện thi công

Hình H1(xem hình ở các trang sau )

Theo mặt cắt dọc 1 phân đoạn: Hình H2

Xác định đệm đá:

Chiều cao lớp đệm đá:

Chiều cao lớp đệm đá cho phép đối với công trình là : 0,51 m

Ta chọn chiều dày lớp đệm : 1 (m)

b Chọn loại kết cấu đệm đá:

Ta chọn dạng đệm đá chìm Ta phải đào phần bố trí đê xuống để đổ đávào Ta chọn mái dốc đào với hệ số mái dốc là m=2 Ta dùng đá có đường kínhD=20 cm (TL tham khảo thiết kế chuẩn tắc luồng tàu) để làm lớp đệm, đểtránh cho các viên đá không bị dòng nước cuốn đi và do áp lực thẳng đứng tácdụng xuống của sóng khi tác dụng vào công trình Phần tiếp xúc giữa côngtrình và lớp đệm đá ta dùng đá dăm 4x6 dày 20 cm để tiện việc thi công vì khiđó lớp đá dăm đã tạo ra 1 bề mặt bằng phẳng để đặt các khối xếp lên

3 Tính toán áp lực sóng tác dụng lên công trình:

Các giá trị áp lực tác dụng lên công trình:

Giá trị áp lực lớn nhất tại mực nước tính toán

Po = k2  g.h

Trong đó:

- k2 : hệ số tra hình 3/ trang 8 – sách 22 TCN 222 – 95

k2 = 1

-  : dung trọng nước biển  = 1,03 T/m3

- g : gia tốc trọng trường g=9,81 m/s2

- h : chiều cao sóng tính toán h=3,864 m

 Po = 1.1,03.9,81.3,864 = 39.043 (kN/m2) = 3.9043 (T/m2)Giá trị áp lực tại chân công trình

Pd = k5..g.h

Với k5 tra hình 4/ trang 9– sách 22 TCN 222 – 95

k5 = 0.4

 Pd = 0,4.1,03.9,81.3,864 = 15,617 (kN/m2) = 1,5617 (T/m2)Giá trị áp lực đẩy nổi do sóng phân bố theo dạng hình tam giác theo bề rộng đê Có giá trị lớn nhất tại chân công trình phía biển và bằng giá trị Pd

4 Tính toán ổn định:

a) Ổn của viên đá của lớp đệm :Vận tốc cực đại của dòng chảy do sóng tạo ra ở chân đê được xác định theo công thức: (

Vmax =

s s

s

L

h g

=

8 86

19 , 6 14 , 3 4 sinh 81

, 9

8 , 86 14 , 3

864 , 3 14 , 3

=2,28 (m/s)

Dựa vào bảng 5.5 /Trang 24 – sách :”Hướng dẫn thiết kế đê biển” ta tra rađược trọng lượng ổn định của viên đá :

Gd = 50 (kG)Với đá = 2,5 T/m3, ta tính được đường kính của viên đá D=40 cm

Với viên đá như thế này thì bản thân viên đá đã ổn định nên ta không cần phảitính toán ổn định của viên đá nữa

b) Biểu đồ áp lực sóng tác dụng lên công trình: Hình H4c) Tính ổn định của các khối xếp trong quá trình thi công:

Ta tính toán đối với khối nhỏ nhất với chiều dài ngắn nhất BxHxL :3x2x4 (m)

Để thiên về an toàn tính toán khối này chịu áp lực lớn nhất, ta lấy biểu đồ áplực tác dụng lên phần chiều cao khối là 2 m với diện chịu tải hình chữ nhật cógiá trị Po là lực phân bố Tính trong trường hợp khối xếp nằm trên 1 khối xếpkhác và lúc áp lực max

Trọng lượng bản thân khối xếp trên 1 m dài :

Gbt = 1.S. =4 3.3.2,4 = 86.4 (T) Lực đẩy nổi do sóng gây ra :

Fđn = 3 , 094 3  2

1

4,635 (T)Lực ngang do sóng gây ra:

Fs = 3,09.3 = 9,27 (T)Điều kiện ổn định của khối xếp :