NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU QUẢ TIÊU GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV CHO ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÁ ĐỔ MÁI NGHIÊNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ HƯƠNG GIANG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU QUẢ TIÊU GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV CHO ĐÊ CHẮN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ HƯƠNG GIANG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU QUẢ TIÊU GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV CHO ĐÊ

CHẮN SÓNG ĐÁ ĐỔ MÁI NGHIÊNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ HƯƠNG GIANG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU QUẢ TIÊU GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV CHO ĐÊ

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định

Tác giả luận án

Lê Thị Hương Giang

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Thiều Quang Tuấn, GS.TS Hồ Sĩ Minh đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suất thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo ĐH&SĐH, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, phòng Khoa học công nhệ và tập thể các thầy cô giáo

ở bộ môn Công nghệ – Khoa Công trình, Trường Đại Học Thủy Lợi - Hà Nội, đã giúp

đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án này

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và công việc cho tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn Công ty NIKKEN KOGAKU - NHẬT BẢN đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình nghiên cứu đặc biệt quý Công ty đã cho phép tác giả được sử dụng loại khối phủ RAKUNA IV để công bố các kết quả nghiên cứu trong luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn sát cánh động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án

Tác giả luận án

Lê Thị Hương Giang

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

6 Những đóng góp mới của luận án 4

7 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ 5

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển và phân loại khối phủ 5

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển khối phủ 5

1.1.2 Phân loại khối phủ 7

1.2 Ứng dụng khối phủ dị hình ở Việt Nam 8

1.3 Tổng quan nghiên cứu ổn định thủy lực của khối phủ 9

1.4 Tổng quan nghiên cứu sóng tràn qua đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng và hiệu quả giảm sóng tràn của khối phủ 14

1.4.1 Sóng tràn qua đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng[5][9][12][14][16][17] [26][29] [37] 14

1.4.2 Tính năng tiêu giảm sóng tràn của khối phủ thông qua hệ số chiết giảm sóng tràn γr 15

1.5 Kết luận Chương I 16

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VỀ ỔN ĐỊNH THỦY LỰC CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV KHI CÓ SÓNG TRÀN 18

2.1 Giới thiệu khối phủ RAKUNA IV 18

2.2 Cơ sở khoa học về ổn định thủy lực của khối phủ trên mái nghiêng [13] 19

2.2.1 Các cơ chế phá hỏng đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng 21

2.2.2 Các hình thức dịch chuyển của khối phủ trên mái dốc 22

iv

2.2.3 Cơ sở đánh giá mức độ hư hỏng của lớp phủ 23

2.2.4 Đặc điểm ổn định của khối phủ trên mái dốc 24

2.2.5 Phân tích thứ nguyên theo định luật Pi - Buckingham về ổn định của khối phủ khi có sóng tràn [2][10][11][28] 25

2.2.6 Xác định các tham số chi phối cơ bản 26

2.2.7 Cơ sở lý thuyết về phép phân tích thứ nguyên 26

2.2.8 Thiết lập phương trình chung nhất về ổn định của khối phủ 28

2.3 Cơ sở khoa học xác định tính năng chiết giảm sóng tràn 29

2.4 Mô hình vật lý nghiên cứu ổn định và tính năng chiết giảm sóng tràn của khối phủ 31 2.4.1 Lý thuyết tương tự và tỉ lệ mô hình 31

2.4.2 Thiết kế mô hình và bố trí thí nghiệm 32

2.4.3 Chương trình thí nghiệm 37

2.4.4 Trình tự thí nghiệm 38

2.4.5 Số liệu đo đạc 39

2.4.6 Đánh giá sai số kết quả đo 45

2.5 Kết luận Chương 2 45

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU SỰ ỔN ĐỊNH VÀ TÍNH NĂNG GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV 46

3.1 Nội dung nghiên cứu 46

3.2 Phân tích kết quả thí nghiệm 46

3.2.1 Nghiên cứu sự ổn định của khối phủ RAKUNA IV khi có sóng tràn 46

3.2.2 Sóng tràn và tính năng chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV 55 3.2.3 Nghiên cứu khả năng chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV bằng mô hình toán 60

3.3 Kết luận chương 3 73

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỚP PHỦ ĐÊ CHẮN SÓNG CẢNG NGHI SƠN-THANH HÓA 74

4.1 Giới thiệu đê chắn sóng cảng Nghi Sơn - Thanh Hóa 74

4.1.1 Sơ lược về cảng Nghi Sơn[3][4] 74

4.1.2 Điều kiện biên thiết kế 76

4.2 Thiết kế mặt cắt ngang đê chắn sóng 76

4.2.1 Cao trình đỉnh đê 77

v

4.2.2 Tính toán ổn định khối phủ 78

4.2.3 Chiều rộng đỉnh đê 80

4.3 So sánh khối lượng và chi phí xây lắp 80

4.4 Kết luận Chương 4 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

I Tóm tắt kết quả đạt được của luận án 82

II Những đóng góp mới của luận án 84

III Những tồn tại và hướng phát triển 84

IV Kiến nghị 85

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC 91

PHỤ LỤC A 91

PHỤ LỤC B 101

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Đê chắn sóng ở Cô Tô – Quảng Ninh [Nguồn: Internet] 9

Hình 1.2 Đê chắn sóng Tiên Sa-Đà Nẵng [Nguồn: Internet] 9

Hình 1.3 Khối phủ Accropod được sử dụng tại Đê chắn sóng cảng Dung Quất - Quảng Ngãi [Nguồn: Internet] 9

Hình 2.1 Cấu kiện RAKUNA IV, Nhật Bản 18

Hình 2.2 Một số hình ảnh ứng dụng khối phủ RAKUNA IV tại Nhật Bản 19

Hình 2.3 Tác động của sóng lên khối phủ [13] 21

Hình 2.4 Các cơ chế phá hỏng đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng [13] 21

Hình 2.5 Các hình thức dịch chuyển của khối phủ [13] 22

Hình 2.6 Sơ đồ xác định diện tích xâm thực tương đối [13] 23

Hình 2.7 Đặc tính ổn định của khối phủ có liên kết và không có liên kết [13] 25

Hình 2.8 Xác định chiều cao lưu không Rc trong tính toán sóng tràn [16], [29] 30

Hình 2.9 Máng sóng sử dụng để thực hiện thí nghiệm 33

Hình 2.10 Mặt cắt ngang đê mô hình và mô hình đê trong máng sóng 34

Hình 2.11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 35

Hình 2.12 Xếp khối thành 04 dải màu khác nhau để tiện cho việc phân tích ổn định 35 Hình 2.13 Xếp khối phủ cho đê mô hình 36

Hình 2.14 Hiệu chỉnh các đầu đo sóng 36

Hình 2.15 Điều khiển máy tạo sóng trong phòng điều khiển 36

Hình 2.16 Đo thể tích nước tràn bằng dụng cụ đo thể tích chuyên dụng 36

Hình 2.17 NCS trao đổi với hai thầy hướng dẫn về thí nghiệm 36

Hình 2.18 Đoàn công ty Nikken kiểm tra thí nghiệm 36

Hình 2.19 Hình ảnh các khối bị dịch chuyển tại các thời điểm Nz khác nhau 40

Hình 3.1 Quan hệ giữa chỉ số ổn định Ns với mức độ hư hỏng theo số con sóng và độ dốc sóng (khi có sóng tràn) 48

Hình 3.2 Quan hệ giữa chỉ số ổn định Ns với mức độ hư hỏng tại Nz = 3000 con sóng theo chiều cao lưu không tương đối Rc/Hm0 49

vii

Hình 3.3 Ổn định của khối phủ khi có sóng tràn so với trường hợp đê không sóng tràn

(Tuấn và nnk, 2012)[30] 51

Hình 3.4 Quan hệ giữa Fs và chiều cao lưu không tương đối Rc/Hm0 53

Hình 3.5 Số liệu thực nghiệm và đường cong đặc tính ổn định của khối phủ RAKUNA IV khi có sóng tràn 55

Hình 3.6 Biến thiên của r so với m1,0 56

Hình 3.7 Hệ số chiết giảm sóng tràn của khối phủ Tetrapod 57

Hình 3.8 Kết quả sóng tràn được phân tích lại theo hệ số chiết giảm sóng tràn của khối phủ Tetrapod 58

Hình 3.9 Hệ số chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV 58

Hình 3.10 Kết quả sóng tràn được phân tích lại theo các hệ số chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV 59

Hình 3.11 Giá trị hàm mật độ F và mặt thoáng của chất lỏng [23] 61

Hình 3.12 Kiểm định tương tác sóng với công trình đê ngầm đá đổ [22] 62

Hình 3.13 Sơ đồ bố trí thí nghiệm trong mô hình vật lý 64

Hình 3.14 Vị trí các đầu đo trong mô hình toán 64

Hình 3.15 Đê mô hình trong máng sóng vật lý (khối phủ RAKUNA IV) 64

Hình 3.16 Thông số sóng đầu vào cho mô hình IH2 - VOF 65

Hình 3.17 Kết quả kiểm định đường quá trình sóng ở điều kiện mực nước 0.52m 66

Hình 3.18 So sánh phổ sóng tính toán và thực đo 66

Hình 3.19 Ảnh hưởng của hệ số cản phi tuyến β đến lưu lượng sóng tràn 68

Hình 3.20 Ảnh hưởng của hệ số cản tuyến tính α đến lưu lượng sóng tràn 68

Hình 3.21 Trường lưu tốc dòng chảy theo phương ngang với trường hợp sóng dài (H15T30), ∆t = 1,49s 70

Hình 3.22 Trường lưu tốc dòng chảy theo phương ngang với trường hợp sóng ngắn (H15T20), ∆t = 0,8s 71

Hình 3.23 Trường dòng chảy khi β = 0,8 (H15T30), ∆t = 1,1s 72

Hình 4.1 Mặt bằng khu cảng phục vụ Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn 75

Hình 4.2 Đường tần suất mực nước tổng hợp 76

Hình 4.3 Mặt cắt ngang đê chắn sóng khi có sóng tràn 80

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Sơ lược quá trình phát triển của các loại khối phủ 6

Bảng 1.2 Phân loại khối phủ theo hình dạng, cách xếp, số lớp và yếu tố ổn định [13] 7 Bảng 1.3 Một số thông số chính về đê chắn sóng của một số cảng biển tiêu biểu 8

Bảng 1.4 Hệ số ổn định KD (SPM-1977) [31] 10

Bảng 1.5 Hệ số ổn định KD (SPM-1984) [32] 11

Bảng 1.6 Công thức tính toán ổn định khối phủ của Van der Meer (1988) [34][35][36] 12

Bảng 1.7 Công thức tính toán ổn định khối phủ của một số tác giả [13][25][30] 13

Bảng 1.8 Hệ số chiết giảm sóng tràn γr của một số loại khối phủ phổ biến [16][29] 15

Bảng 2.1 Mức độ hư hỏng tiêu chuẩn Nod với khối phủ bê tông [13] 24

Bảng 2.2 Tỉ lệ của một số đại lượng vật lý cơ bản [2] 31

Bảng 2.3 Kích thước của khối phủ ngoài, lớp giữa và lớp lõi 32

Bảng 2.4 Tóm tắt chương trình thí nghiệm 38

Bảng 2.5 Chương trình thí nghiệm và kết quả đo sóng tràn 42

Bảng 2.6 Kết quả về thông số sóng và số khối dịch chuyển (Rakuna IV xếp 02 lớp) 44 Bảng 3.1 Kết quả các số liệu tính toán biến đổi Ns và Nod theo Nz 47

Bảng 3.2 Quan hệ giữa chỉ số ổn định và mức độ hư hỏng theo thời gian (có sóng tràn) 50

Bảng 3.3 Quan hệ giữa hệ số gia tăng ổn định Fs và chiều cao lưu không tương đối Rc/Hm0 52

Bảng 3.4 Sự ổn định khối phủ khi kể đến hệ số gia tăng ổn định Fs 54

Bảng 3.5 Các kịch bản thí nghiệm dùng cho kiểm định mô hình toán 63

Bảng 3.6 Tóm tắt kịch bản và kết quả kiểm định mô hình 67

Bảng 3.7 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định các thông số độ nhạy mô hình 69

Bảng 3.8 Kết quả đo đạc lưu lượng tràn trong mô phỏng 69

Bảng 3.9 Các kịch bản xem xét sự hình thành đệm nước 70

Bảng 4.1 Cao trình đỉnh đê cho phép sóng tràn 77

Bảng 4.2 Cao trình đỉnh đê không cho phép sóng tràn 78

Bảng 4.3 Trọng lượng khối phủ RAKUNA IV - trường hợp sóng không tràn 79

Bảng 4.4 Trọng lượng khối phủ RAKUNA IV - trường hợp sóng tràn 79

Bảng 4.5 So sánh khối lượng và chi phí xây lắp đê (tính cho 100 m dài) 80

ix

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 Danh mục các ký hiệu

Dn - Đường kính danh nghĩa của khối phủ (m);

Fs -Hệ số gia tăng ổn định khối phủ ở mái trước do sóng tràn;

g - Gia tốc trọng trường;

Hs- Chiều cao sóng tại chân công trình (m);

Hm0 - Chiều cao tại mô men 0;

H1/3 - Chiều cao sóng ý nghĩa (m);

KD - Hệ số ổn định Hudson

KC - Hệ số Keulegan – Carpenter;

Lom - Chiều dài sóng nước sâu;

Nz - Số con sóng (-);

Nod - Số khối dịch chuyển tương đối (khối);

N omov: Tổng số khối bị dịch chuyển theo các cơ chế hư hỏng xem xét

Ns - Chỉ số ổn định (-);

n - Độ rỗng của vật liệu;

QTAW -Lưu lượng không thứ nguyên tính theo TAW-2002;

Qm -Lưu lương không thứ nguyên thực đo;

q - Lưu lượng tràn đơn vị (l/s/m hoặc m3/s/m);

Rc - Độ cao lưu không đỉnh đê;

r - Tỷ số eo của dolos;

om

Tm- Chu kỳ sóng trung bình;

Tovt - Thời gian thí nghiệm sóng tràn

T - Khoảng thời gian sóng lên và rút trong 1 chu kỳ (s);

t -Chiều dày lớp giữa;

U - Lưu tốc dòng chảy (m/s);

Vovt - Thể tích nước đo được sau mỗi thí nghiệm;

x

D - Khối lượng riêng tương đối (-);

α - Góc nghiêng của mái dốc (o);

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nghị quyết 03-NQ/TW của Bộ chính trị (ngày 6-5-1993) đã chỉ rõ: "Xây dựng quốc gia Việt Nam mạnh về biển và phát triển kinh tế biển thành một bộ phận mũi nhọn của nền kinh tế quốc dân là một mục tiêu chiến lược, đồng thời là nhiệm vụ bức bách đang đặt ra cho dân tộc ta trước thử thách lớn trên biển Đông"

Với chủ chương của Đảng đặt ra như vậy, các loại hình kinh tế biển được phát triển và trở thành mũi nhọn trong nền kinh tế quốc dân Để đáp ứng yêu cầu về cơ sở hạ tầng phục vụ cho các ngành kinh tế trọng điểm nói trên, các loại công trình biển phát triển ngày càng nhiều về số lượng, càng lớn về quy mô, càng phong phú đa dạng về chức năng Trong số đó, công trình bảo vệ cảng - đê chắn sóng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các khu nước bể cảng và tuyến luồng nhằm đảm bảo sự đi lại và neo đậu an toàn của tàu bè trong các tình huống bất lợi của điều kiện hải văn biển

Kết cấu các công trình đê chắn sóng rất đa dạng: đê tường đứng, đê mái nghiêng, đê hỗn hợp, vv… Trong đó, dạng đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng đã được sử dụng phổ biến trên Thế giới từ xa xưa vì tận dụng được các vật liệu địa phương, dễ thi công và yêu cầu địa chất nền không cao Ở nước ta với lợi thế sẵn có về nguồn vật liệu đá, dạng đê chắn sóng mái nghiêng được sử dụng khá phổ biến ở các cảng như Phú Quý, Bạch Long Vĩ, Phan Thiết, Vũng Áng, Chân Mây, Dung Quất, Nghi Sơn, Lạch Huyện…

Ngày nay điều kiện áp dụng của đê chắn sóng mái nghiêng ngày càng được mở rộng cùng với sự ra đời và phát triển của nhiều dạng khối phủ bê tông dị hình cải tiến có hiệu quả tiêu giảm sóng tốt hơn và do đó mang lại hiệu quả kinh tế cao

Sự ra đời của khối phủ Tetrapod (bởi SOGREAH) vào năm 1950 thay thế cho dạng khối phủ truyền thống như đá và khối lập phương đã đánh dấu một bước ngoặt khởi đầu cho sự nghiên cứu và phát triển các dạng cấu kiện tiêu sóng mới ở nhiều nước trên Thế giới Những dạng khối phủ được phát triển và cải tiến có tính năng phù hợp với những điều kiện sóng khác nhau, đáp ứng ngày càng tốt hơn những yêu cầu thực tế khó khăn và đa dạng của công tác xây dựng cảng nước sâu và công trình bảo vệ bờ biển

2

Có thể đánh giá tính năng ổn định của các khối phủ dị hình hiện nay thông qua hệ số đặc trưng cho mức độ ổn định Một trong những mục tiêu cơ bản của việc phát triển hoặc cải tiến một dạng khối phủ là nhằm nâng cao hệ số ổn định của khối phủ và do vậy có thể tiết kiệm vật liệu và đem lại hiệu quả kinh tế lớn hơn

Trên cơ sở tính năng ổn định và điều kiện ứng dụng có thể phân các dạng khối phủ thành hai loại dựa trên hệ số ổn định Hudson đó là loại có hệ số ổn định nhỏ (KD < 10)

và loại có hệ số ổn định lớn (KD  10) Loại có hệ số ổn định nhỏ thường được áp dụng trong điều kiện sóng ở vùng nước trung gian không quá lớn Khi sóng quá lớn thì việc áp dụng dạng khối phủ có KD nhỏ sẽ dẫn đến trọng lượng khối phủ quá lớn, giảm hiệu quả kinh tế Khi đó để đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao hơn thì cần phải sử

tính năng ổn định được đem lại do chính sự liên kết giữa các khối phủ là chủ yếu Hơn nữa, khi đê cho phép sóng tràn thì ổn định của khối phủ sẽ được gia tăng do một phần năng lượng sóng truyền qua đỉnh đê và mái phía trong, trọng lượng khối phủ và cao trình đỉnh đê giảm đáng kể, điều này sẽ làm giảm giá thành xây dựng tăng hiệu quả kinh tế Mức độ gia tăng về ổn định này phụ thuộc vào tính năng chiết giảm sóng tràn của mỗi loại khối phủ thông qua hệ số nhám γr Đây là một đặc trưng quan trọng của khối phủ trong tính toán thiết kế đê chắn sóng và đã được các học giả nghiên cứu cho một số loại khối phủ phổ biến đưa vào các tiêu chuẩn như: TAW-2002, EurOtop-2007

Ở Việt Nam các công trình đê chắn sóng bảo vệ bể cảng được xây dựng chủ yếu trong thời gian gần đây Do hạn chế về kinh tế và kỹ thuật nên sự đầu tư phát triển, cải tiến

và ứng dụng các dạng khối phủ mới ở nước ta còn rất nhiều hạn chế Hầu hết các công trình đê chắn sóng và bảo vệ bờ hiện nay đều sử dụng các dạng khối phủ truyền thống Tetrapod Ưu điểm của dạng khối phủ truyền thống này là dễ chế tạo nhưng tính năng

ổn định thấp nên hiệu quả kinh tế chưa cao Trong bối cảnh hội nhập và chiến lược quốc gia về tăng trưởng về kinh tế biển như hiện nay thì việc ứng dụng các dạng cấu kiện tiêu sóng mới, có tính năng ổn định tốt đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao hơn

và phù hợp với điều kiện ở nước ta do vậy là hết sức cần thiết

Nằm trong xu thế phát triển chung của công tác nghiên cứu phòng chống thiên tai và bảo vệ bờ biển ở thế giới, khối phủ RAKUNA IV là dạng kết cấu mới của Nhật Bản được phát minh vào năm 2007 Ở Nhật Bản, RAKUNA IV đã được nghiên cứu ứng dụng cho nhiều công trình đê chắn sóng và bảo vệ bờ biển nhưng tất cả đều ở dạng đê hỗn hợp ngang (kết hợp với thùng chìm), điều kiện sóng vỡ và không tràn Hiện nay

3

việc phát hiện các tính năng ổn định của RAKUNA IV trong các điều kiện thủy lực khác nhau cũng đang thu hút được nhiều mối quan tâm nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới như Việt Nam, Hàn Quốc .Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu nào về đánh giá ổn định và hiệu quả tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV cho đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng

Xuất phát từ những lý do nêu tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá ổn định và

hiệu quả tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV cho đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng” hoàn toàn mang tính thời sự và cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sự ổn định và hiệu quả tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV cho

đê đá đổ mái nghiêng trong điều kiện sóng tràn bằng mô hình vật lý Từ đó đề xuất ứng dụng loại khối phủ này trong xây dựng đê chắn sóng mái nghiêng ở Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu: Khối phủ RAKUNA IV trên đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng khi có sóng tràn

 Phạm vi nghiên cứu: Ổn định của khối phủ RAKUNA IV 02 lớp ở mái phía biển của đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng khi có sóng tràn

4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết mục tiêu nghiên cứu ở trên, luận án sử dụng tổng hợp một số phương pháp nghiên cứu sau đây:

kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề ổn định của khối phủ trên đê đá đổ mái nghiêng;

của khối phủ RAKUNA IV ở mái đê phía biển trong điều kiện có sóng tràn và tính năng chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV;

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng để tham khảo tính toán thiết kế các công trình biển nói chung và các công trình đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng nói riêng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật

6 Những đóng góp mới của luận án

- Xây dựng được công thức thực nghiệm (công thức 3.6) để tính toán mức độ gia tăng

ổn định của khối phủ RAKUNA IV trên đê mái nghiêng khi có sóng tràn;

- Xác định được hiệu quả và đặc tính tiêu giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV thông qua hệ số chiết giảm γr (công thức 3.8) và sự liên hệ của nó với số Iribaren

m1,0;

- Lý giải được bản chất vật lý của hiệu ứng "đệm nước" ảnh hưởng đến tính năng tiêu giảm sóng tràn

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về ổn định và hiệu quả giảm sóng tràn của khối

Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu thiết kế lớp phủ đê chắn sóng cảng Nghi

Sơn - Thanh Hóa

5

QUẢ GIẢM SÓNG TRÀN CỦA KHỐI PHỦ

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển và phân loại khối phủ

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển khối phủ

Trước những năm 1950, khối phủ dùng cho đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng là các khối đá hộc hoặc khối bê tông hình hộp Các công trình bảo vệ cảng lúc đó thường có mái dốc thoải, trọng lượng của khối phủ lớn và chúng ổn định được chủ yếu là nhờ trọng lượng bản thân, loại khối này có ưu điểm là độ bền cao, giá thành rẻ, dễ chế tạo, lưu trữ và thi công Tuy nhiên, độ ổn định thủy lực của chúng thấp và thường chỉ ứng dụng cho một loại hình công trình nhất định Các khối gần như được xếp thành lớp đặc cứng gây ra áp lực dư lỗ rỗng và có xu hướng bị nhấc

ra khỏi vị trí ban đầu

Sau năm 1950, nhiều trung tâm thí nghiệm thủy lực trên thế giới đã nghiên cứu và sáng chế ra những loại khối phủ mới có hệ số ổn định cao cho đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng nhằm giảm trọng lượng khối phủ và giá thành xây dựng

Sự ra đời của khối phủ Tetrapod (bởi SOGREAH) tại phòng thí nghiệm thủy lực Dauphinois ở Grenoble vào năm 1950 khởi đầu cho sự nghiên cứu và phát triển các dạng cấu kiện tiêu sóng mới ở nhiều nước trên thế giới như: Tribar (1958), Stabit (1961), Tripod (1962), Akmon (1962), Dolosse (1963), Anifer Cube (1973), Accropode (1981, SOGREAH), Core-loc (1994), X-block (2003), RAKUNA IV (2007), Những dạng khối phủ này có tính năng phù hợp với những điều kiện sóng khác nhau, đáp ứng ngày càng tốt hơn những yêu cầu thực

tế khó khăn và đa dạng của công tác xây dựng cảng nước sâu và công trình bảo vệ

bờ biển Quá trình phát triển các loại khối phủ được tóm tắt ở Bảng 1.1 [13]

6 Bảng 1.1 Sơ lƣợc quá trình phát triển của các loại khối phủ

7

1.1.2 Phân loại khối phủ

Khối phủ dị hình có thể đƣợc phân loại dựa vào hình dạng khối, cách xếp khối, số lớp và yếu tố ổn định Phân loại loại khối phủ theo các tiêu chí này đƣợc thống kê

Stabit; Dolos

A-Jack;

Accropode; Core - loc

Seabee; Hollow square;

- Theo hình dạng gồm khối thanh mảnh và khối rỗng Với khối thanh mảnh, độ ổn định thủy lực chủ yếu là nhờ tính cài nối giữa chúng Đối với loại khối rỗng thì ổn định thủy lực chủ yếu nhờ vào trọng lƣợng bản thân của khối

- Theo cách xếp: khối phủ có thể đƣợc xếp rối hoặc xếp đều Xếp rối dùng cho các khối lớn để đảm bảo đƣợc độ rỗng giữa các lớp, dễ thi công do không phải định vị chính xác vị trí từng khối Xếp đều dùng cho các khối có hình dạng đơn giản

- Theo số lớp: khối phủ có thể đƣợc xếp 01 lớp hoặc 02 lớp Van der Meer (1988) [34] dựa trên các kết quả thí nghiệm mô hình tỉ lệ nhỏ đã so sánh đặc tính ổn định của khối phủ 01 lớp và 02 lớp Với khối phủ 01 lớp có ổn định ban đầu cao nhƣng một khi xuất hiện hƣ hỏng thì hƣ hỏng lại phát triển rất nhanh theo kiểu lan truyền do không có tính

tự hàn gắn (phá hoại giòn) Ngƣợc lại, với khối phủ 02 lớp mặc dù ổn định ban đầu thấp nhƣng khoảng cách từ lúc bắt đầu hƣ hỏng đến lúc hƣ hỏng khá xa bởi có tính tự hàn gắn cao Do vậy, có thể nói khối phủ 02 lớp có đặc tính làm việc đem lại sự an toàn cao hơn cho công trình Trong thực tế, khối phủ 01 lớp tiết kiệm bê tông hơn

8

nhưng lại tốn nhiều đá hơn thậm chí khối lượng viên đá cần phải lớn hơn nhiều Do vậy, khi nguồn cung cấp đá bị hạn chế thì việc sử dụng khối phủ 02 lớp vẫn chiếm ưu thế Ngoài ra, đê chắn sóng với khối phủ 01 lớp không cho phép sóng tràn qua Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả chủ yếu đề cập đến đặc tính ổn định của khối phủ 02 lớp

1.2 Ứng dụng khối phủ dị hình ở Việt Nam

Phần lớn các cảng nước sâu và cảng đảo nằm xa đất liền ở nước ta đều có hệ thống đê chắn sóng bảo vệ khu nước bên trong như cảng Nghi Sơn; Cửa Lò; Vũng Áng; Tiên Sa; Dung Quất Một số công trình đê chắn sóng tiêu biểu với những thông số kết cấu chính được thể hiện trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Một số thông số chính về đê chắn sóng của một số cảng biển tiêu biểu

Cảng

Thông số Sóng thiết kế

Cao trình đỉnh đê (m) Dạng kết cấu

Chiều cao đê trung bình (m)

Thuận An 6,9 8,4 +1,0; +2,7 Mái nghiêng - Tetrapod 20T; Haro 6,4T 6 ÷ 7

Tiên Sa 6,0-7,5 10,1 +5,2; +6,2 Mái nghiêng - Tetrapod (16 ÷ 25)T

Thùng chìm - (20x18 x10,5)m 16,0 Dung Quất 9,86 9,32 +8,0; +10,0 Mái nghiêng - Accropode (4,6 ÷ 27,6)T 24,0 Vĩnh Tân 6,0-7,2 10,2 +6,8 Mái nghiêng - Tetrapod (5,0 ÷9,7)T 14,0

Nguồn: Tổng công ty Tư vấn Thiết kế Giao thông Vận tải TEDI

9

Từ bảng 1.3 cho thấy phần lớn khối phủ sử dụng ở nước ta là loại khối phủ Tetrapod

có trọng lượng từ 4 đến 31 tấn hoặc được sử dụng kết hợp với một số loại khối phủ khác như Haro (đê chắn sóng Thuận An); thùng chìm (đê chắn sóng Tiên Sa) Đây là loại khối phủ truyền thống, có tính ổn định thấp nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi trong thiết kế và thi công các công trình đê chắn sóng bởi ưu điểm cơ bản là dễ chế tạo

và không mất phí tác quyền (Hình 1.1 và Hình 1.2) Chỉ có 03 công trình đã sử dụng cấu kiện Accropode bảo vệ mái cho đê chắn sóng đó là: Cảng Chân Mây – Thừa Thiên Huế, cảng Dung Quất – Quảng Ngãi, cảng Kê Gà – Bình Thuận (Hình 1.3)

Hình 1.1 Đê chắn sóng ở Cô Tô – Quảng Ninh

[Nguồn: Internet] Hình 1.2 Đê chắn sóng Tiên Sa-Đà Nẵng [Nguồn: Internet]

Hình 1.3 Khối phủ Accropod được sử dụng tại Đê chắn sóng cảng Dung Quất -

Quảng Ngãi [Nguồn: Internet]

1.3 Tổng quan nghiên cứu ổn định thủy lực của khối phủ

Iribarren (1938) đã đặt nền móng cho việc nghiên cứu ổn định thủy lực của khối phủ trên mái dốc từ sự cân bằng đơn giản giữa các lực tác dụng [13]

(tan cos sin )

Xuất phát từ nghiên cứu của Iribarren, Hudson (1959) đưa ra công thức tính toán ổn định cho viên đá dưới tác động của sóng đều, trong đó ổn định của viên đá được miêu

tả thông qua một hệ số ổn định KD (gọi là hệ số Hudson) [13]:

3 3

w

W

1 cot

s s D

H K

bê tông dị hình khác nhau (Bảng 1.4)

11

Nhằm nâng cao mức độ an toàn cho công trình, SPM (1984) [32] đã đề xuất lấy chiều cao sóng tính toán trong công thức Hudson là H1/10 thay cho H1/3 Hệ số ổn định Hudson KD theo đó mà cũng được cập nhật lại (Bảng 1.5)

** không nên dùng * giá trị có thay đổi theo độ dốc mái đê

Ưu điểm của công thức Hudson là đơn giản, dễ sử dụng nhưng chưa đề cập đến độ thấm của lõi đê, chu kì sóng, thời gian bão Để khắc phục nhược điểm của Hudson, Van der Meer (1988) [33][34][35] [36] đã tiến hành thí nghiệm với sóng ngẫu nhiên

và đề xuất công thức thực nghiệm tính ổn định cho đá và một số loại khối phủ dị hình có kể đến chu kì sóng, tính thấm và thời gian bão (Bảng 1.6) Trong nghiên cứu

về ổn định của khối phủ, Van der Meer luôn tìm thấy sự phụ thuộc chặt chẽ giữa chỉ

phủ là đá) hoặc số khối dịch chuyển tương đối Nod (khối phủ là các khối bê tông dị hình), thời gian bão thông qua số con sóng Nz và chu kì sóng hay độ dốc sóng som

12

Bảng 1.6 Công thức tính toán ổn định khối phủ của Van der Meer (1988) [34][35][36]

Trong đó: Ns - Chỉ số ổn định (-); Hs- Chiều cao sóng tại chân công trình (m); D -

của mái dốc (o); Nod - Số khối dịch chuyển tương đối (khối); S: Diện tích xâm thực tương đối (-); Nz - Số con sóng (-); S om- Đại lượng mang ý nghĩa độ dốc sóng:

om

S om

L

H

Ngoài ra còn có một số học giả khác cũng nghiên cứu ổn định của khối phủ dị hình trong điều kiện áp dụng nhất định như Burcharth (1992) [13], Hanzawa (1996) [13][18], Mase và nnk (2011) [25], Tuấn và nnk (2012) [30], các công thức được thống kê ở Bảng 1.7 Qua đó cho thấy, với đê hỗn hợp ngang thì Hanzawa [13] và Mase [25] không tìm thấy sự phụ thuộc của chỉ số ổn định Ns với chu kỳ sóng Tm, còn sự phụ thuộc vào Nod/Nz0,5 thì tương tự như Van der Meer

13

Bảng 1.7 Công thức tính toán ổn định khối phủ của một số tác giả [13][25][30]

, 0 3 / 1

S S

N

N D

H N

Dùng cho

đê hỗn hợp ngang

0.2 0.5

Tóm lại, qua các nghiên cứu về ổn định của hệ khối phủ 02 lớp cho thấy chỉ số ổn định

Ns luôn luôn phụ thuộc vào tham số od

0,5 z

N

N và độ dốc sóng som Ở nghiên cứu của De jong

đã xét đến mức độ gia tăng ổn định của khối phủ ở mái phía biển thông qua tham số

Về nguyên tắc sóng tràn qua đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng cũng tuân theo quy luật tương tự như sóng tràn qua công trình mái dốc khác đó là tỉ lệ nghịch với chiều cao lưu không tương đối theo quy luật hàm mũ và bị chiết giảm bởi độ nhám của mái dốc,

15

Trong các công thức tính toán sóng tràn của Van der Meer (1999) [29] và Owen (1980, 1982) [26], [29] đều đề cập đến hai tham số chi phối cơ bản đó là hệ số chiết giảm sóng tràn γr và chiều cao lưu không tương đối Rc/Hm0

tràn γ r

Mức độ chiết giảm sóng tràn của khối phủ được phản ánh thông qua hệ số tổng hợp r

Nói chung, hệ số này phụ thuộc vào hình dạng (độ nhám) của mỗi loại khối phủ cũng như độ rỗng của chúng và giá trị r được dùng thống nhất cho cả sóng leo và sóng tràn

Đã có khá nhiều nghiên cứu về hệ số chiết giảm sóng tràn γr cho các loại khối phủ khác nhau Với một số loại khối phổ biến, hệ số này đã được đưa vào TAW (2002) và EurOtop (2007) (Bảng 1.8) [16][29]

Bảng 1.8 Hệ số chiết giảm sóng tràn γr của một số loại khối phủ phổ biến [16][29]

16

phủ khác nhau (khoảng 14 -18 thí nghiệm cho một loại khối) Kết quả cho thấy xu hướng biến thiên của hệ số chiết giảm sóng tràn γr so với số Iribarren m1,0 tương tự như trong trường hợp sóng leo, nghĩa là hệ số γr không phải là một hằng số mà tăng tuyến tính so với số Iribarren m1,0 (công thức 1.8) [16] [29]

Với γr, surging là hệ số nhám dùng để tính toán sóng leo, sóng không vỡ

Nói cách khác, trên một mái dốc cho trước thì sóng dài (m1,0 lớn) sẽ cảm nhận độ nhám ít hơn hay cùng một điều kiện sóng mà mái đê càng dốc thì sóng cảm nhận độ nhám càng nhỏ Về bản chất vật lý có thể giải thích rằng với mái công trình càng dốc (tức giá trị m1,0 lớn) và lõi không thấm thì khi sóng từ từ dâng lên hạ xuống trên mái

đê, sẽ có một lượng nước đọng lại trong các lỗ rỗng lớp phủ tạo ra hiệu ứng "đệm nước" Do hiệu ứng "đệm nước" này mà con sóng tiếp theo leo lên mái đê không cảm nhận được nhiều độ nhám của các khối phủ nữa và gần như tác động lên một mái dốc nhẵn dẫn đến sóng leo, sóng tràn lớn hơn

1.5 Kết luận Chương I

Ở Việt Nam do điều kiện kinh tế còn khó khăn, trình độ khoa học kỹ thuật còn nhiều hạn chế nên trong thiết kế và thi công các tuyến đê chắn sóng vẫn chủ yếu sử dụng các loại khối phủ truyền thống như Tetrapod Một số công trình có sử dụng loại khối phủ đặc biệt như Accropod nhưng khi thi công vẫn phải cần sự tư vấn từ các chuyên gia nước ngoài Hơn nữa, trong thiết kế đê chắn sóng vẫn áp dụng theo tiêu chuẩn sóng leo dẫn đến cao trình đỉnh đê quá cao, tốn nhiều vật liệu làm giảm hiệu quả kinh tế Đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng như hiện nay thì việc nghiên cứu ứng dụng loại khối phủ mới có độ ổn đinh thủy lực cao trong điều kiện có sóng tràn là vô cùng cấp thiết Khối phủ RAKUNA IV là một trong số khối phủ mới được phát minh bởi các chuyên gia Nhật Bản vào năm 2007 Về mặt cấu tạo hình học đây có thể xem là một dạng khối phủ cải tiến so với Tetrapod

17

Mặc dù mới được phát minh vào năm 2007 nhưng khối phủ RAKUNA IV đã được các nhà khoa học từng bước nghiên cứu tính năng ổn định trong các điều kiện thủy lực và

áp dụng khác nhau Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu

ổn định của khối phủ RAKUNA IV trong điều kiện đê không cho phép tràn Để tiếp tục phát hiện thêm tính năng ổn định của khối phủ RAKUNA IV, tác giả tiến hành nghiên cứu sự ổn định của khối phủ này cũng như tính năng chiết giảm sóng tràn của

nó cho đê mái nghiêng khi có sóng tràn bằng thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng Thông qua sự tương tác sóng - công trình, luận án sẽ đi sâu và giải thích bản chất vật

lý của hiện tượng "đệm nước", yếu tố chi phối đến đặc tính chiết giảm sóng tràn của khối phủ RAKUNA IV

18

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VỀ ỔN ĐỊNH THỦY

LỰC CỦA KHỐI PHỦ RAKUNA IV KHI CÓ SÓNG TRÀN 2.1 Giới thiệu khối phủ RAKUNA IV

RAKUNA IV là dạng cấu kiện tiêu sóng mới của Nhật Bản được phát minh vào năm

2007 Về mặt cấu tạo hình học đây có thể xem là một dạng khối phủ cải tiến so với Tetrapod RAKUNA IV cũng có cấu tạo bốn chân như Tetrapod nhưng góc cạnh hơn

và đặc biệt là có thêm 04 hốc lõm ở các chân như tên gọi của nó (Hình 2.1) Bốn hốc lõm này đã đem lại một số lợi ích:

- Hiệu quả tiêu sóng tăng lên nhờ sự gia tăng độ rỗng bởi các hốc lõm;

- Gia tăng ổn định do chân cấu kiện được cài vào các hốc lõm giúp kiểm soát được sự phát triển hư hỏng;

- Độ rỗng lớn (56,5%) làm giảm chi phí;

- Các hốc lõm cung cấp không gian sống đa dạng cho nhiều loại sinh vật biển

Hình 2.1 Cấu kiện RAKUNA IV, Nhật Bản

[Nguồn: Công ty NIKKEN KOGAKU Nhật Bản]

19

Hình 2.2 Một số hình ảnh ứng dụng khối phủ RAKUNA IV tại Nhật Bản

[Nguồn: Công ty NIKKEN KOGAKU Nhật Bản]

Mặc dù khối phủ RAKUNA IV mới được ra đời cách đây 7 năm nhưng đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều học giả như Mase (2011) [25], Tuấn và nnk (2012) [30] Tuy nhiên, những nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở điều kiện thủy lực không có sóng tràn Vì vậy, để tiếp tục phát hiện thêm tính năng ổn định của loại khối phủ này trong các điều kiện thủy lực khác (đặc biệt khi có sóng tràn), tác giả tiến hành nghiên cứu ổn định thủy lực của khối phủ RAKUNA IV trên mô hình vật lý khi có sóng tràn

2.2 Cơ sở khoa học về ổn định thủy lực của khối phủ trên mái nghiêng [13]

Dưới tác động của sóng, khối phủ sẽ bị dịch chuyển theo các hình thức như là trượt, quay, hoặc bị nâng ra ngoài lớp phủ [13]

20

Để nghiên cứu ổn định khối phủ trên mái dốc, các yếu tố như trọng lượng, chiều cao sóng, mật độ nước, mật độ xếp khối, mái dốc, độ thấm của lõi đê, chu kỳ sóng, thời gian bão, độ cao tương đối của đỉnh đê (sóng tràn, không tràn, ngập nước vv) cần phải được xem xét đầy đủ Đây là cơ sở khoa học để các nhà nghiên cứu đưa ra nhiều công thức tính toán ổn định khối phủ khác nhau trong nhiều năm qua

Dòng chảy do sóng tạo ra tác động lên khối phủ được mô tả theo phương trình Morison bao gồm các lực: lực kéo FD; lực nâng FL và lực quán tính FT Lực giữ ổn định cho khối phủ trên mái dốc là trọng lực FG Thực tế cho thấy lực kéo và lực nâng vượt trội so với lực quán tính nên hệ số ổn định có thể coi bằng tỷ số [13]:

n S

D

H N



của khối phủ

Mở đầu là Iribarren (1938) đã nghiên cứu ổn định thủy lực của khối phủ trên mái dốc

từ sự cân bằng hình học đơn giản các lực tác dụng (Hình 2.3) [13]

H K

Trong đó:  là góc nội ma sát của lớp phủ, α là góc nghiêng của mái dốc, và K là hệ số

kể đến mức độ hư hỏng cũng như ảnh hưởng của các tham số về môi trường và tham

số về kết cấu

Sau nghiên cứu của Iribarren (1938), một số tác giả khác đã nghiên cứu đề xuất công thức tính ổn định khối phủ cho đê mái nghiêng mà điển hình là công thức Hudson (1958, 1959) và Van der Meer (1988) như đã trình bày ở phần tổng quan [13]

21

Hình 2.3 Tác động của sóng lên khối phủ [13]

2.2.1 Các cơ chế phá hỏng đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng

Burcharth (1991) [13] đã làm rõ 11 cơ chế phá hỏng đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng (Hình 2.4) bao gồm:

6 Mất ổn định thấm

Hình 2.4 Các cơ chế phá hỏng đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng [13]

22

Đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng có thể bị hư hỏng bởi nhiều cơ chế khác nhau, từ hư hỏng của một bộ phận công trình như mất ổn định lớp khối phủ hay tường đỉnh cho đến mất ổn định tổng thể Tuy nhiên, theo mục đích và phạm vi nghiên cứu của luận

án, tác giả tập trung nghiên cứu cơ chế mất ổn định thứ nhất đó là về ổn định thủy lực khối phủ Để khối phủ có thể nằm ổn định trên mái dốc thì chúng phải có trọng lượng tương ứng với các tham số sóng thiết kế

2.2.2 Các hình thức dịch chuyển của khối phủ trên mái dốc

Dưới tác động của tải trọng sóng khối phủ mái sẽ bị dịch chuyển theo các cơ chế trượt, quay, hoặc bị nâng ra ngoài lớp gia cố [13] (Hình 2.5)

Hình 2.5 Các hình thức dịch chuyển của khối phủ [13]

Mỗi lớp khối phủ đều có độ rỗng nhất định tức là giữa các cấu kiện có các khe rỗng Dưới tác dụng của sóng, khối phủ sẽ tựa lên một điểm xoay đi, xoay lại va đập vào các cấu kiện bên cạnh và có thể dẫn đến bị gãy vỡ gọi là hiện tượng nhảy (rocking) Dưới tác động của sóng khối phủ có thể xoay lộn theo chiều sóng lên hoặc sóng xuống và ở một thời điểm nào đó khối phủ có thể bị bật ra khỏi mái đê Nếu một khối phủ bật ra khỏi mái đê sẽ kéo theo nhiều khối phủ trượt theo chiều mái dốc khi sóng xuống Khi

đó mức độ hư hỏng của lớp khối phủ sẽ được đánh giá dựa vào số khối dịch chuyển tương đối hoặc diện tích xâm thực tương đối

23

2.2.3 Cơ sở đánh giá mức độ hư hỏng của lớp phủ

Mức độ hư hỏng của lớp phủ có thể được đánh giá thông qua số khối bị dịch chuyển tương đối Nod hoặc diện tích xâm thực tương đối S

2.2.3.1 Diện tích xâm thực tương đối S [13]

2

e n

A S D

Trong đó: S - Số khối bị dời ra khỏi mặt cắt; Ae- Diện tích bị xâm thực trên mặt cắt (Hình 2.6); Dn- Đường kính danh nghĩa của khối phủ

Hình 2.6 Sơ đồ xác định diện tích xâm thực tương đối [13]

Mức độ hư hỏng được phân loại theo diện tích xâm thực tương đối S như sau:

- Không hư hỏng: không có cấu kiện dịch chuyển, S = 0;

- Bắt đầu hư hỏng: 0÷5% số cấu kiện bị dịch chuyển trong phạm vi giữa mái trên đến

24

2.2.3.2 Số cấu kiện dịch chuyển tương đối N od [13]

Nod là số khối bị dịch chuyển ra khỏi vị trí trên một dải bề rộng bằng đường kính danh nghĩa của khối phủ Dn, được xác định như sau:

omov od

n

N N

loại khối phủ tiêu biểu được trình bày trong Bảng 2.1 [13]

Bảng 2.1 Mức độ hư hỏng tiêu chuẩn Nod với khối phủ bê tông [13]

Loại cấu kiện Mái đê Bắt đầu Trung gian Hỏng

Tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể để đánh giá mức độ hư hỏng theo S hay

còn khi khối phủ là các loại khối bê tông dị hình thì mức độ hư hỏng được đánh giá theo số cấu kiện dịch chuyển tương đối Nod Với đối tượng nghiên cứu của

làm cơ sở đánh giá mức độ hư hỏng mái đê

2.2.4 Đặc điểm ổn định của khối phủ trên mái dốc

Ổn định của khối phủ trên mái dốc có được là nhờ vào trọng lượng bản thân khối, lực liên kết và lực ma sát giữa các khối

25

Hình 2.7 Đặc tính ổn định của khối phủ có liên kết và không có liên kết [13]

Hình 2.7 miêu tả mức độ ổn định của khối phủ với các độ dốc mái đê khác nhau cho hai trường hợp khối phủ có và không có liên kết Có thể thấy rằng ổn định của khối phủ có liên kết như Tetrapod, Dolos sẽ là tốt nhất trên mái đê có độ dốc tương đối lớn

do lực liên kết giữa các khối được phát huy tối đa (Hình 2.7a) Với khối phủ không có liên kết như đá hoặc khối lập phương thì lại ổn định tốt hơn trên đê có mái dốc thoải vì lực liên kết và lực ma sát mặt của loại khối phủ này khá nhỏ, chúng ổn định được trên mái dốc chủ yếu là do trọng lượng bản thân (Hình 2.7b)

Do vậy, với đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng sử dụng khối phủ là các khối bê tông dị hình có liên kết như Tetrapod thì mái đê có độ dốc khá lớn và phổ biến là 1/1,5

2.2.5 Phân tích thứ nguyên theo định luật Pi - Buckingham về ổn định của khối

phủ khi có sóng tràn [2][10][11][28]

Cơ sở quan trọng khi nghiên cứu các vấn đề bằng mô hình vật lý là phép phân tích thứ nguyên theo định luật Pi - Buckingham để xác định mối quan hệ giữa các tham số chi phối cơ bản của vấn đề nghiên cứu Từ đó thiết lập được phương trình chung nhất để xác định các chuỗi thí nghiệm Với mục đích nghiên cứu của luận án, tác giả tiến hành phân tích thứ nguyên theo Buckingham, xác định các chuỗi thí nghiệm và thực hiện các thí nghiệm mô hình máng sóng

26

2.2.6 Xác định các tham số chi phối cơ bản

2.2.6.1 Tham số môi trường

- Chiều cao sóng tính toán: Hmo;

- Chu kỳ sóng tính toán: Tm;

- Độ dốc sóng tính toán: Som;

- Góc tới của sóng ;

- Số con sóng NZ

2.2.6.2 Tham số kết cấu công trình

- Tỉ trọng tương đối của vật liệu khối phủ: D;

- Đường kính danh nghĩa của vật liệu: Dn;

- Chỉ số ổn định của khối phủ: Ns;

- Chiều cao lưu không đỉnh đê Rc;

- Số khối dịch chuyển tương đối Nod

2.2.7 Cơ sở lý thuyết về phép phân tích thứ nguyên

Sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên bằng cách liệt kê tất cả các biến liên quan đến vấn đề nghiên cứu sau đó tổ hợp tương hỗ các biến không thứ nguyên để có một quan hệ đơn giản hơn Từ đó xác định được phương trình chung nhất của các chuỗi thí nghiệm

Giả sử vấn đề nghiên cứu có n đại lượng biến đổi độc lập, theo lý thuyết Buckingham

có thể biểu diễn các đại lượng biến đổi a1, a2, a3, an, mô tả hiện tượng thủy động lực học cần nghiên cứu trong một phương trình:

Quan hệ (2.5) có thể biểu diễn dưới một dạng khác của các biến không thứ nguyên 1,

2, 3, , I với 1, 2, 3, , I được thiết lập từ các đại lượng a1, a2, a3, an

Trong đó: j - Các biến không thứ nguyên; j = 1  (n - r); r - Các đại lượng (số biến)

cơ bản, chúng ta chọn số thứ nguyên cơ bản tối đa (r  3) (cả hình học, động học, động lực học); n - Các đại lượng biến đổi độc lập được chọn ở phương trình (2.5)

Các biến không thứ nguyên j là tích của các đại lượng biến đổi với số mũ nào đó để tích đó trở thành không thứ nguyên Mỗi j cần có (r+1) đại lượng biến đổi và được xác định dựa trên nguyên tắc sau:

+ Các đại lượng biến đổi độc lập được trùng lặp ở các j phải chứa đựng đủ r thứ nguyên cơ bản đã chọn

+ Các thứ nguyên cơ bản tự nó tạo nên các biến không thứ nguyên

Từ hai nguyên tắc trên ta xác định được các j như sau:

p = 1 là số mũ của đại lượng vật lý không cơ bản

Để tất cả n đại lượng biến đổi đều có mặt trong phương trình (2.6) Nghĩa là:

28

2.2.8 Thiết lập phương trình chung nhất về ổn định của khối phủ

Qua phân tích những tham số chi phối cơ bản đến ổn định của khối phủ khi có sóng tràn ở phần 2.2.1, chúng có thể viết dưới dạng quan hệ hàm số như sau:

1.56T

(vì nghiên cứu trên mô hình máng sóng hai chiều) nên sẽ không đưa đại lượng  vào trong phương trình (2.8) Chỉ số ổn định Ns cũng có mối liên hệ với Dn và qua biểu

 nên cũng không đưa đại lượng Dn và ∆ vào trong phương trình trên

Từ các phân tích ở trên, ta có phương trình quan hệ gồm các biến cơ sở sau:

0,5 z

N

N và độ dốc sóng som Do vậy, các biến không thứ nguyên j được xác định là:

s

n

H N D

  



c 2 s

R H

 

3 som

 

od 4

z

NN

 

(2.10)