Nghiên cứu cơ chế xói lở do sóng tràn qua đập phá sóng đang thi công và giải pháp bảo vệ - Ứng dụng tính toán cho công trình cảng Hòn La - Quảng Bình

ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH ĐÊ CHẮN SÓNG BẢO VỆ CẢNG 1.1.1: Cảng biển và công trình bảo vệ cảng Cảng biển là một đầu mối giao thông, được kết hợp các công trình xây dựng và thiết bị đảm bảo ch

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo PGS.TS Lê Xuân Roanh- người đã dành nhiều thời gian hướng dẫn để tôi hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Phòng đào tạo ĐH& SĐH, các thầy cô giáo Bộ môn Công trình, các thầy cô khoa Kỹ thuật Biển của Trường Đại học Thuỷ lợi đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian tôi học đại học

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Nhà xuất bản, các tổ chức, cá nhân cho phép sử dụng tài liệu đã công bố

Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, các anh chị và bạn bè đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 8 năm 2014 Tác giả luận văn

Mạc Văn Phong

LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Khoa Công Trình – Trường Đại học Thủy Lợi

Tên tác giả: Mạc Văn Phong

Học viên cao học lớp: 20C21

Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Xuân Roanh

Tên đề tài Luận văn: “Nghiên cứu cơ chế xói lở do sóng tràn qua đập phá sóng đang thi công và giải pháp bảo vệ - Ứng dụng tính toán cho công trình cảng Hòn La - Quảng Bình ”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc Kết quả nêu trong luận văn

là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Mạc Văn Phong

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH CẢNG, CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐÊ CHẮN SÓNG 3

1.1 ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH ĐÊ PHÁ SÓNG BẢO VỆ CẢNG 3

1.1.1: Cảng biển và công trình bảo vệ cảng 3

1.1.2 Cửa cảng và luồng tầu ra vào cảng 4

1.1.3 Chức năng, vai trò của đê phá sóng đối với công trình cảng 5

1.1.4 Phân cấp, phân loại đê chắn sóng 6

1.2 CÁC HÌNH THỨC VÀ DẠNG ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG 8

1.2.1 Đê chắn sóng mái nghiêng 8

1.2.2 Đê chắn sóng trọng lực tường đứng 10

1.2.3 Đê chắn sóng hỗn hợp 10

1.3.MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐÊ CHẮN SÓNG 12

1.3.1 Thời điểm và hình thức hư hỏng đê chắn sóng 12

1.3.2 Cơ chế hư hỏng đê chắn sóng 13

1.3.2.1 Hư hỏng đối với đê chắn sóng tường đứng 13

1.3.2.2 Hư hỏng đối với đê chắn sóng mái nghiêng 13

CHƯƠNG II: KẾT CẤU CỦA ĐÊ CHẮN SÓNG VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG 18

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 18

2.2 KẾT CẤU MẶT CẮT NGANG ĐÊ CHẮN SÓNG 19

2.2.1 Đê chắn sóng mái nghiêng 19

2.2.2 Đê chắn sóng trọng lực tường đứng 22

2.2.3 Đê chắn sóng hỗn hợp 28

2.2.4 Đê chắn sóng bằng cừ, cọc 29

2.2.5 Đê chắn sóng có kết cấu đặc biệt 30

2.3 BỐ TRÍ VẬT LIỆU DỌC THEO TUYẾN ĐÊ CHẮN SÓNG 31

2.3.1 Bố trí vật liệu dọc đê chắn sóng tường đứng 31

2.3.2 Bố trí vật liệu dọc đê chắn sóng mái nghiêng 32

2.3.3 Bố trí vật liệu dọc đê chắn sóng hỗn hợp 32

2.3.4 Chọn cao trình đỉnh đê phá sóng doc theo tuyến 33

2.4 CÔNG NGHỆ THI CÔNG ĐÊ CHẮN SÓNG 34

2.4.1 Thi công đê chắn sóng dùng đá đổ bảo vệ cục bê tông 34

2.4.1.1 Thi công lớp đệm đá dưới nước 34

2.4.1.2 Thi công bè chìm cành cây 38

2.4.1.3 Thi công đê chắn sóng bằng các khối bê tông 39

2.4.2 Thi công đê dạng thùng chìm 44

2.4.2.1 Công nghệ chế tạo thùng chìm 45

2.4.2.2 Vận chuyển thùng chìm dưới nước 49

2.4.2.3 Lắp đặt thùng chìm 50

2.4.3 Những sự cố thường gặp trong thi công đê chắn sóng 52

2.4.3.1 Những sự cố thường gặp trong thi công đê chắn sóng do sự chủ quan của con người 52

2.4.3.2 Những sự cố khách quan 53

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54

CHƯƠNG III: CƠ CHẾ PHÁ HOẠI CỦA ĐÊ CHẮN SÓNG KHI CÓ SÓNG TRÀN QUA 55

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 55

3.2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VẬT LIỆU KHI CÓ SÓNG TRÀN QUA 55

3.2.1 Sóng tràn qua đê chắn sóng 55

3.2.2 Xác định trọng lượng các khối phủ mái 58

3.2.2.1 Các thông số ổn định 58

3.2.2.2 Độ phá hỏng của lớp gia cố 59

3.2.2.3 Các công thức xác định kích thước hoặc khối lượng khối phủ 59

3.2.3 Ổn định của khối bê tông đỉnh chống trượt và lật 65

3.2.3.1 ổn định trượt của khối bê tông đỉnh được kiểm tra với điều kiện 65

3.2.3.2 Ổn định lật được kiểm tra theo điều kiện 66

3.3 LỰA CHỌN VẬT LIỆU THÍCH HỢP KHI CÓ VẬN TỐC DÒNG CHẢY KHÁC NHAU 67

3.3.1 Cơ chế phá hoại chính khi sóng tràn qua đê 67

3.3.2 Vận tốc dòng chảy tràn trên đỉnh đê khi bị sóng tràn qua 67

3.3.3 Lựa chọn vật liệu thích hợp 68

3.3.3.1 Bề rộng đê chắn sóng 68

3.3.3.2 Chiều dày lớp phủ và lớp lót 68

3.3.3.3 Giới hạn chân của lớp phủ chính 69

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 70

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CẢNG HÒN LA QUẢNG BÌNH 71

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH ĐÊ CHẮN SÓNG CẢNG HÒN LA .71

4.1.1 Sơ lược về công trình 71

4.1.2 Quy mô, đặc điểm, hạng mục công trình dự kiến hoàn thành 71

4.1.3 Hiện trạng tuyến đê trước sự cố 74

4.1.4 Hiện trạng công trình sau sự cố 75

4.2 TÍNH TOÁN KIỂM TRA QUÁ TRÌNH XÓI LỞ VẬT LIỆU THÂN ĐÊ VÀ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN SỰ CỐ 76

4.2.1 Tính toán kiểm tra chiều cao sóng tại thời điểm xảy ra sư cố 76

4.2.1.1 Giới thiệu phần mềm Mike 21 76

4.2.1.2.Phạm vi ứng dụng của MIKE 21 SW 77

4.2.1.3.Chiều cao sóng tại thời điểm xảy ra sự cố 78

4.2.2 Tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu đê nối hai đảo 80

4.2.2.1 Tính toán lưu lượng nước tràn qua đỉnh đê 80

4.2.2.2 Phân tích dòng chảy tràn trên đỉnh đê 82

4.2.2.3 Tính toán lực xô ngang cục bê tông 86

4.2.3 Phân tích nguyên nhân 88

4.2.3.1 Nguyên nhân do sóng tác động và dòng chảy tràn trên mặt đê xây dựng dở giang 88

4.2.3.2 Phân tích phá hoại ở mái đê phía biển – hỏng lớp gia cố gây trượt hoặc lôi các viên đá bảo vệ mái 90

4.2.3.3 Phá hoại ở mái đê phía cảng (phía trong) 91

4.2.3.4 Tính toán xác định kích thức vật liệu khi xuất hiện chiều cao sóng khác nhau xảy ra trong thi công 92

4.2.3.5 Tính kiểm tra lỗ thủng qua thân đê 94

4.2.3.6 Kiểm tra độ ổn định của vật liệu trên mái 96

4.3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP VỀ KẾT CẤU VẬT LIỆU 98

4.3.1 Đối với vật liệu dùng làm lõi đê 98

4.3.2 Lớp phủ mái đê 98

4.3.3 Khối chắn sóng tường đỉnh 100

4.4 GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT VÀ TRÌNH TỰ THI CÔNG ĐÊ 101

4.4.1 Thi công các cấu kiện bê tông đúc sẵn phá sóng 101

4.4.2 Thi công lõi đê 101

4.4.3 Thi công thân đê và lớp phủ bảo vệ phá sóng mái đê 102

4.4.4 Thi công khối bê tông đỉnh tường, bê tông mặt đường 102

4.4.5 Biện pháp khắc phục sự cố vỡ đê cảng Hòn La 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105

1 Những kết quả đạt được của luận văn 105

2 Những tồn tại 106

3 Kiến nghị 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC 108

Phụ lục 1: Vị trí vịnh Hòn La trên biển Đông 109

Phụ lục 2: Phạm vi mô hình nghiên cứu sóng 109

Phụ lục 3: Địa hình và lưới tính toán (regional model) 110

Phụ lục 4: Phân bố chiều cao sóng khi chưa có công trình (hướng E) 110

Phụ lục 5: Phân bố chu kỳ sóng khi chưa có công trình (hướng E) 111

Phụ lục 6: Bình đồ khúc xạ sóng khi chưa có công trình (hướng E) 111

Phụ lục 7: Phân bố hướng sóng khi chưa có công trình (hướng E) 112

Phụ lục 8: Phân bố chiều cao sóng khi có công trình (hướng NE) 112

Phụ lục 9: Phân bố chu kỳ sóng khi có công trình ( hướng NE ) 113

Phụ lục 10: Bình đồ khúc xạ sóng khi có công trình (hướng NE) 113

Phụ lục 11: Phân bố hướng sóng khi có công trình (hướng NE) 114

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1- 1 Khu nước - bể cảng của một cảng biển đặc trưng .3 

Hình 1-2 Hai tuyến đê chắn sóng liền bờ 4 

Hình 1- 3 Sơ đồ luồng tầu vào cửa cảng 5 

Hình 1- 4 Cách bố trí các tuyến đê chắn và cửa cảng 6 

Hình 1-5 Mô hình cảng hai tuyến đê chắn sóng liền bờ 6 

Hình 1-6: Đê chắn sóng dạng hổn hợp (Nguồn internet) 11 

Hình vẽ 1-7 Đê hỗn hợp tường đứng trên mái nghiêng .11 

Hình vẽ 1-8 Đê hỗn hợp mái nghiêng bên ngoài tường đứng 12 

Hình 1-9: Một số kiểu phá hoại thường gặp với đê chắn sóng dạng tường đứng 13 

Hình 1-10: Các kiểu phá hoại thường gặp với đê chắn sóng mái nghiêng 14 

Hình 2-1 Chân khay nước nông 19 

Hình 2-2 Chân khay nước sâu 19 

Hình 2- 3 Thân đê mái nghiêng bằng đá 20 

Hình 2- 4 Đê mái nghiêng bằng khối hộp 21 

Hình 2- 5 Đê mái nghiêng bằng khối Tetrapod 21 

Hình 2- 6 Các khối bê tông đỉnh có gờ hắt sóng 22 

Hình 2-7 Kết cấu đệm đá .24 

Hình 2-8 Kết cấu phần trên .24 

Hình 2-9 Kết cấu khối rỗng 26 

Hình 2-10 Một kết cấu Cyclopit điển hình .26 

Hình 2-11 Một kết cấu thùng chìm điển hình .27 

Hình 2-12 Một số kết cấu đê chuồng gỗ .28 

Hình 2-13 : Đê chắn sóng bằng cọc cừ 29 

Hình 2-14: Đê chắn sóng dạng cọc bê tông cốt thép 30 

Hình 2-15 Đê chắn sóng dạng cọc cừ thép 30 

Hình 2-16 Mặt cắt dọc đê chắn sóng 32 

Hình 2-17 Dùng sà lan tự động đổ đá lớp đệm 35 

Hình 2-18 Thi công đê chắn sóng dùng cần cẩu nổi 35 

Hình 2-19 Dùng ô tô tự đổ đi lên cầu phao đổ đá lớp đệm 36 

Hình 2-20 Thả đá xuôi dòng 37 

Hình 2-21 Thiết bị đầm rung dưới nước đầm chặt lớp đệm 37 

Hình 2-22 : Thi công bè chìm trên cạn 38 

Hình 2-23.Thi công bè chìm và hạ chúng xuống nước 38 

Hình 2-24.Thả đá cố định bè 39 

Hình 2-25 Bãi khối xếp nằm trong bán kính hoạt động của cần cẩu nổi 40 

Hình 2- 26 Ván khuôn thép đục cục Tetrapod 41 

Hình 2-27 Dùng giá long môn di động trên cần trục di chuyển khối xếp 41 

Hình 2-28 Giá công xôn chuyển khối xếp 42 

Hình 2-29 Dùng cần cẩu xếp dần từ bờ ra ngoài 43 

Hình 2-30 Dùng cần cẩu nổi thả khối bê tông 43 

Hình 2 - 31: Phương pháp lắp đặt khối terrapod trên mái nghiêng 44 

Hình 2 - 32 Đê chắn sóng bằng thùng chìm có các vách ngăn .45 

Hình 2 - 33 Mặt cắt ngang bến cảng Cái Lân .45 

Hình 2 - 34 Đúc và hạ thủy thùng chìm bằng đường triền .46 

Hình 2 - 35 Xe giá bằng tự cân bằng 48 

Hình 2 - 36 Bố trí tời kéo đưa thùng chìm xuống nước 49 

Hình 2 - 37 Khống chế lắp đặt khi thùng chìm kế tiếp nhau 50 

Hình 2 - 38 Lắp đặt thùng chìm 51 

Hình 2 - 39: Đê chắn sóng Hòn La bị cơn bão số 8 phá hủy khi đang thi công 53 

Hình 3-1 Sóng tràn điển hình 56 

Hình 3-2 Truyền sóng qua đê chắn sóng vách đứng 56 

Hình 3-3 Truyền sóng điển hình 57 

Hình 3- 4 Đồ thị xác định đường kính viên đá 61 

Hình 3- 5 Đồ thị xác định đường kính viên đá khi S = 2 ÷ 2,5 62 

Hình 3-7 Trạng thái cân bằng theo Iribarren (sóng rút) 63 

Hình 3- 8 Sơ đồ xác định lực tác dụng lên khối bê tông đỉnh 66 

Hình 3- 9 Sơ đồ tính toán ổn định khối bê tông đỉnh 66 

Hình 4 – 1: Vị trí tuyến đập 1 và 2 72 

Hình 4 - 2: Mặt cắt ngang đại diện đê chắn sóng 74 

Hình 4 - 3: Hiện trạng tuyến đường đã đắp đến cao độ +2.5m 74 

Hình 4 - 4: Đường đi bão Sơn Tinh (28-10-2012) 75 

Hình 4 - 5: Mặt đê phía cảng bị phá hủy tiệm tiến của cửa xói thân đê 76 

Hình 4 - 6: Vị trí các điểm trích rút chiều cao sóng 79 

Hình 4 - 7: Hình dạng phân vùng dòng chảy tràn trên đê 83 

Hình 4 - 9: Chiều cao lớp nước và vận tốc dòng chảy tràn tại khu B 85 

Hình 4 - 10: Sơ đồ tính áp lực sóng 87 

Hình 4 -11: Sơ đồ tính toán lực tác động lên cục bê tông dị hình 87 Hình 4 - 12: Cơ chế phá hoại đê điển hình của đê biển - Cơ chế 1, 2ª đã xảy ra và ảnh hưởng đến ổn định của thân đê 88 Hình 4 - 13: Phân bố và độ lớn của dòng chảy tại tuyến công trình - cao trình đỉnh +2,5m 89 Hình 4 - 14: Đoạn đê bị phá hoại xói tận đáy nền và các cục bê tông dị hình một số còn sót lại trên nền đê 89 Hình 4 - 15: Toàn cảnh tuyến đê trước khi xảy ra sự cố 90 Hình 4 - 16: Chênh lệch cột nước trong cơn sóng – Nguồn lực đủ lớn đẩy xô các cục bê tông dị hình về phía cảng 90 Hình 4 - 17: Mặt cắt ban đầu đê chưa bị biến dạng do bào mòn vật liệu 91 Hình 4 - 18: Dòng chảy tràn đã làm dịch chuyển đá về chân dốc và tạo thành hình thang lệch 91 Hình 4-19: Quan hệ chiều cao sóng và lưu lượng tràn đơn vị trên đỉnh đê 93 Hình 4-20: Quan hệ chiều cao sóng ( seri 1- m), vận tốc dòng chảy tràn ( seri 2- m/s), và đường kính hòn đá (seri 3- m) 94 Hình 4 - 21: Lưu tốc lớn nhất tại mặt cắt 1 là 2,98 (m/s), mực nước cao nhất là 3,95m 95 Hình 4 - 22: Mô phỏng vị trí lỗ thủng 96 

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Phân loại đá trong thân đê mái nghiêng 20

Bảng 2.2 trọng lượng khối xếp theo chiều cao sóng 25

Bảng 3-1 Giá trị của a,b 60

Bảng 3-2 Xác định lượng đá Dba 63

Bảng 3-3 Hệ số cho công thức Iribarren .64

Bảng 3-4 Giá trị KDvới sóng H = H1/10; độ phá hỏng 0 ÷ 5% 65

Bảng 3-5 Giá trị KΔ và P 69

Bảng 4.1 : Kết quả tính toán kiểm tra trị số sóng tại 14 điểm trên công trình 79

Bảng 4.2: Bảng thống kê chiều cao sóng ứng với đường kính viên đá tương đương .93

Bảng 4.3: Mực nước và lưu tốc tại 4 điểm trích xuất 95

Bảng 4.4: Thông số sóng, dòng tại 4 điểm của lòng dẫn 96

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

q :Lưu lượng đơn vị (m3/m/s)

M :Mômen lật do lực ngang của sóng

Ru,2% :Chiều cao sóng leo

γβ :Hệ số chiết giảm do sóng tới xiên góc

γb :Hệ số chiết giảm khi do đê

γf :Hệ số chiết giảm do độ nhám trên mái dốc

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đất nước ta với hơn 3260 km bờ biển là một thuận lợi rất lớn cho phát triển kinh tế, song Biển cũng hàm chứa nhiều nguy cơ – đặc biệt nguy cơ xói mòn, xâm thực, sóng thần, bão lũ do thiên tai tác động nghiêm trọng tới đời sống nhân dân, tới phát triển kinh tế, an ninh quốc phòng

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của đất nước, hệ thống đê biển, đê chắn sóng, tường kè biển đã được đầu tư xây dựng mới, cải tạo với nhiều dạng kết cấu khác nhau để phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế, an ninh quốc phòng và bước đầu đem lại hiệu quả nhất định Trong quá trình xây dựng đặc điểm chung của các công trình đó là thường xuyên gặp sự cố do thiên nhiên gây ra như bão, lũ, xói mòn, xâm thực hoặc do khi có công trình làm thay đổi dòng chảy gây ra xói lở nghiêm trọng làm ảnh hưởng xấu đến công trình Các sự cố không chỉ xảy ra khi công trình đã hoàn thành mà còn xảy ra trong cả quá trình thi công Trong thực

tế đã có nhiều công trình trong quá trình thi công gặp phải những sự cố như sóng tràn, xói lở gây ra nhiều thiệt hại cho nền kinh tế

Đề tài “ Nghiên cứu cơ chế xói lở do sóng tràn qua đập phá sóng đang thi công và giải pháp bảo vệ - Ứng dụng tính toán cho công trình cảng Hòn La Quảng Bình ” là vấn đề mang tính thực tiễn, khoa học rất lớn, góp phần giải quyết

và khắc phục sự cố do sóng tràn qua đê chắn sóng trong quá trình thi công ở nước

ta

II.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Nghiên cứu cơ chế xỏi lở do sóng tràn qua mái của đập phá sóng

Nghiên cứu kết cấu mặt cắt ngang và bố trí vật liệu dọc theo tuyến của đập phá sóng hợp lý

Nghiên cứu biện pháp khắc phục sự cố vỡ đê chắn sóng cảng Hòn La

Những chú ý trong khi thi công đập khi gặp sóng tràn qua đỉnh

III.CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Phân tích, tổng hợp và kế thừa các thành tựu trong lĩnh vực nghiên cứu xói lở

và vận chuyển bùn cát của dòng chảy;

Sử dụng phần mềm MIKE21 và Delft 3D để kiểm tra các thông số thủy lực,

sử dụng công thức để tính lưu lượng tràn qua đỉnh đê và công cụ máy tính để tìm lời giải hợp lý

VI MỘT SỐ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN

Đề xuất một số dạng kết cấu đê chắn sóng mang tính tối ưu và bố trí vật liệu dọc theo tuyến đập

Biện pháp khắc phục cụ thể cho sự cố vỡ đê chắn sóng cảng Hòn La

Chú ý trong thi công khi gặp sóng tràn qua đỉnh đập

V.CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục, tài liệu tham khảo luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về công trình cảng, các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình thi công đê chắn sóng

Chương 2: Kết cấu của đê chắn sóng và công nghệ thi công

Chương 3: Cơ chế phá hoại của đê chắn sóng khi bị sóng tràn qua

Chương 4: Ứng dụng tính toán cho đê chắn sóng cảng Hòn La – Quảng Bình

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH CẢNG, CÁC NHÂN

TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐÊ CHẮN SÓNG 1.1 ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH ĐÊ CHẮN SÓNG BẢO VỆ CẢNG

1.1.1: Cảng biển và công trình bảo vệ cảng

Cảng biển là một đầu mối giao thông, được kết hợp các công trình xây dựng

và thiết bị đảm bảo cho tàu đậu an toàn, đồng thời cho phép bốc dỡ hàng hoá nhanh

và thuận tiện

Về mặt tác động, nó chịu các yếu tố tự nhiên của động lực biển như sóng, bão, thuỷ triều, hải lưu, nước dâng, chuyển động của bùn cát ven bờ, nước ngầm, động đất - sóng thần Các yếu tố này so với các yếu tố tác động vào cảng sông thì mạnh

và nguy hiểm gấp nhiều lần Về mặt quy mô hiện đại thì cảng biển vượt trội so với cảng sông và cảng hồ, không những về lượng hàng hoá, kích cỡ tầu, trang thiết bị bốc xếp mà về tất cả các khía cạnh khác có liên quan đến cảng

§ª ch¾n sãng

125 Kªnh dÉn

2 - BÓ c¶ng

3 - Vïng cöa s«ng

Hình 1- 1 Khu nước - bể cảng của một cảng biển đặc trưng

Thông thường chỉ có vùng 1 và vùng 2, trường hợp cảng biển không tiếp cận với cửa sông thì khuyết vùng 3

Phân loại theo vị trí thì cảng biển được phân loại thành: cảng đảo tự nhiên, cảng đảo nhân tạo, cảng ngoài biển hở, cảng vịnh, cảng cửa sông

Khi xây dựng cảng người ta phải chọn những vị trí nước sâu thuận tiện cho tàu

bè vào cảng vận chuyển hàng đồng thời phải tận dụng được điều kiện tự nhiên để

giảm chi phí xây dựng các hạng mục khác như đê chắn sóng, hay giảm tối thiểu lượng bùn cát bồi lắng vào cảng

Phân loại theo tác động của sóng thì cảng biển chia làm hai loại: có đê chắn sóng và không có đê chắn sóng Trừ các cảng ở cửa sông và trong các vịnh kín thì đại đa số các cảng biển trên thế giới nhất là cảng nước sâu đều có các công trình đê chắn sóng, đê ngăn cát nhằm vươn xa ra biển

Tất cả các bể cảng có đê chắn sóng bảo vệ gọi là bể cảng nhân tạo Các tuyến

đê được chọn chủ yếu phụ thuộc vào hướng sóng tác dụng, sự vận chuyển của bùn cát, phụ thuộc vào địa hình tự nhiên của khu đất và khu nước, sao cho tận dụng tối

đa được điều kiện địa hình để giảm chi phí xây dựng cảng Trên hình 1-2 & 1-3 là

3

Hình 1-2 Hai tuyến đê chắn sóng liền bờ

1 - Vũng cảng 2 - Đê chắn sóng 3 - Tường bảo vệ

4 - Khu đất 5 - Lạch vào cảng 6 - Khu neo tàu ngoài cảng

1.1.2 Cửa cảng và luồng tầu ra vào cảng

Luồng tầu là một tuyến đường thủy có chiều sâu và chiều rộng đủ để cho phép chạy tầu êm thuận, một luồng tầu tốt thường có đủ các điều kiện như, tuyến luồng tầu gần như thẳng, chiều rộng và chiều sâu đủ lớn, khi chịu tác động của các điều kiện khí tượng, kể cả gió và dòng triều vẫn đảm bảo chạy tầu an toàn Luồng tầu không được song song với bờ vì tạo ra diện tích hứng gió và sóng tối đa, làm tàu dễ

bị chệch hướng khó điều khiển

T u Õn ®

ª chÝn h

g

C ö a c¶n g

Hình 1- 3 Sơ đồ luồng tầu vào cửa cảng

Cửa cảng là nơi tầu ra vào cảng đây là gianh giới giữa khu nước lặng ở trong cảng và khu sóng to ở ngoài cảng Một bể cảng thương mại thường chỉ bố trí một cửa cảng, bất đắc dĩ mới bố trí hai cửa trong các trường hợp sau:

- Quân cảng, bắt buộc phải có cửa thứ hai để tháo lui lúc nguy cấp

- Thương cảng khi chỉ xây dựng có duy nhất một tuyến đê đảo, mỗi cửa nằm ở một đầu của tuyến đê

Chiều rộng cửa cảng là chiều rộng ứng với chiều sâu có thể chạy tầu đối với từng loại cảng là khác nhau Đối với cảng cá chiều rộng B = 50÷70m, đối với cảng biển nội địa B = 100÷150m, đối với cảng biển có tầu viễn dương B = 200÷300m

1.1.3 Chức năng, vai trò của đê chắn sóng đối với công trình cảng

Chức năng của các công trình bảo vệ cảng nói chung và đê chắn sóng nói riêng bao gồm bảo đảm độ lặng trong khu nước của cảng, duy trì chiều sâu nước, ngăn ngừa xói bãi biển, ngăn lượng bùn cát bồi lắng vào cảng, khống chế mực nước

ở phía sau đê dâng lên khi có sóng bão, và làm giảm

sóng thần tràn vào cảng, bảo vệ các công trình cảng và khu đất khỏi bị sóng gió, sóng bão và sóng thần

Khi thiết kế cảng phải tính toán sao cho luồng lạch ra vào cảng của tàu là ngắn nhất, tốc độ phát triển ngưỡng cạn vô cùng chậm hoặc bằng không, hệ thống báo hiệu hàng hải đơn giản Bể cảng tối ưu nhất là có diện tích hữu hiệu nhất Muốn thế cần dựa vào tuyến đê và hướng sóng giải các bài toán nhiễu xạ trong bể cảng bằng

mô hình toán học hoặc mô hình vật lý hoặc đồng thời cả hai

a) Bïn c¸t vμo nhiÒu b) Bïn c¸t vμo Ýt

Hình 1- 4 Cách bố trí các tuyến đê chắn và cửa cảng

Đê chắn sóng cần phải bao được một vùng nước đủ rộng để cho tầu bốc xếp hàng và leo đậu Cửa cảng phải đủ rộng sao để cho luồng tầu chạy được dễ dàng Tuy nhiên khi cửa cảng rộng thì lại không tạo được độ lặng cần thiết trong khu nước của cảng Vì vậy khi bố trí tuyến đê chắn sóng phải xem xét tất cả các yếu tố sóng, gió, dòng vận chuyển bùn cát, chiều sâu nước và các điều kiện địa chất công

trình (Trích Công trình bảo vệ bờ biển và đê chắn sóng, TS Đào Văn Tuấn

(2005) Khoa công trình thủy, Trường đại học Hàng Hải Trang 1-1 ÷ 1-3)

Hình 1-5 Mô hình cảng hai tuyến đê chắn sóng liền bờ

1.1.4 Phân cấp, phân loại đê chắn sóng

Có nhiều cách để phân loại đê chắn sóng, sau đây là một số cách phân loại

thường dùng

1.1.4.1 Phân cấp công trình đê chắn sóng

Cấp công trình đê chắn sóng bảo vệ cảng được xác định theo chiều cao sóng tính toán của tần suất h1% tại chân công trình, chỗ có độ sâu lớn nhất dọc theo tuyến đê chính (tại đầu đê sát cửa cảng):

- Cấp I, nếu h1% ≥ 7,0m là công trình đê vĩnh cửu;

- Cấp II, nếu h1% < 7,0m là công trình đê vĩnh cửu;

- Cấp III, nếu h1% < 5,0m cho đê vĩnh cửu và tất cả các đê tạm

Chỉ được phép tăng một cấp công trình đê chắn sóng so với quy định trên cho các trường hợp sau:

Có ý nghĩa đặc biệt quan trọng (chủ quyền quốc gia, an ninh quốc phòng, xây dựng kinh tế biển )

Xây dựng trong điều kiện tự nhiên rất bất lợi (nền đất rất yếu, thi công gấp trong điều kiện tự nhiên khắc nghiệt )

Lần đầu tiên ứng dụng một loại kết cấu mới, vật liệu mới

Ngoài cách phân cấp trên, đê chắn sóng còn được phân cấp theo độ sâu:

- Cấp I khi độ sâu H ≥ 20m;

- Cấp II khi độ sâu H < 20m

1.1.4.2 Phân loại theo mặt bằng đê chắn sóng

Theo mặt bằng vạch các tuyến đê có thể phân loại thành:

- Đê nhô: Là tuyến đê một đầu cắm vào bờ, còn một đầu kia vươn ra xa biển tới cửa cảng, đây là loại thường gặp và một bể cảng gồm hai đê nhô bao bọc

- Đê đảo: là tuyến đê chắn sóng cả hai đầu đều không gắn với bờ Nếu một bể cảng chỉ có một tuyến đê đảo thì thường áp dụng cho vịnh với ba phía là bờ

- Đê hỗn hợp: hệ thống các tuyến đê của bể gồm cả đê nhô và đê đảo

1.1.4.3 Phân loại đê chắn sóng theo tương quan với mực nước

Theo quan điểm này đê chắn sóng được phân thành hai loại: đê ngập và đê không ngập

- Đê ngập (Đê chìm) có cao trình đỉnh đê thấp hơn cao trình mực nước thi công, thậm chí còn thấp hơn cả mực nước thấp thiết kế Loại kết cấu này xây dựng khi bể cảng dùng làm bãi tắm hoặc chỉ ngăn cát, phù sa

- Đê không ngập có cao trình đỉnh đê luôn cao hơn mực nước cao thiết kế đối với cảng thương mại, cảng khách, cảng thuỷ sản chỉ nên thiết kế đê không ngập

1.4.4.4 Phân loại đê chắn sóng theo công dụng

Theo công dụng đê chắn sóng được phân thành các loại:

+ Đê dùng để chắn sóng;

+ Đê ngăn cát;

+ Đê chắn sóng - ngăn cát;

+ Đê hướng dòng;

1.1.4.5 Phân loại đê theo hình dạng mặt cắt ngang

Cách phân loại này là chính xác nhất vì nó phản ánh được các đặc trưng cơ bản của kết cấu, không những về cấu tạo mà cả về phương pháp tính toán, các giải pháp thi công Dựa trên góc độ này kết cấu đê được phân thành:

+ Đê tường đứng trọng lực;

+ Đê chắn sóng mái nghiêng;

+ Đê chắn sóng bắng cừ, cọc;

+ Kết cấu đê hỗn hợp (nửa đứng, nửa nghiêng);

+ Đê thuỷ khí và các loại kết cấu đặc biệt khác

(Trích Công trình bảo vệ bờ biển và đê chắn sóng, TS Đào Văn Tuấn (2005)

Khoa công trình thủy, Trường đại học Hàng Hải Trang 1-9 ÷ 1-11)

1.2 CÁC HÌNH THỨC VÀ DẠNG ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam đê chắn sóng đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi để bảo vệ cho khu vực sau đê tránh được các tác động của sóng Dưới đây là những hình thức đê chắn sóng thông dụng đã được nghiên cứu, áp dụng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới

1.2.1 Đê chắn sóng mái nghiêng

Đê chắn sóng mái nghiêng được ứng dụng sớm nhất và được áp dụng rộng rãi nhất Đê chắn sóng mái nghiêng có thể được xây dựng bằng đá hoặc bằng khối bê tông hoặc bằng cả đá và khối bê tông kết hợp Đê được sử dụng ở những nơi có địa chất không cần tốt lắm, độ sâu không quá 20m

Đê chắn sóng mái nghiêng được ứng dụng rộng rãi nhằm tận dụng được các vật liệu sẵn có, tại chỗ: đá, bêtông v.v Ngoài ra đê chắn sóng mái nghiêng còn ứng dụng nhiều khối bêtông có hình thù kì dị nhằm tiêu hao năng lượng sóng và liên kết với nhau Đê mái nghiêng có các ưu nhược điểm sau:

Ưu điểm:

- Tận dụng được vật liệu địa phương;

- Tiêu hao năng lượng sóng tốt, sóng phản xạ ít, nhất là khi mái nghiêng có độ nhám cao;

- Nếu xảy ra mất ổn định cục bộ thì thế ổn định tổng thể vẫn khá vững chắc vì

là các vật liệu rời Do đó đê mái nghiêng thích hợp với hầu hết các loại nền đất

- Cao trình đỉnh đê mái nghiêng thấp hơn so với đê tường đứng;

- Công tác điều tra cơ bản nền đất ít tốn kém hơn (lỗ khoan thưa và nông);

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

Nhược điểm:

- Tốn vật liệu gấp hai, ba lần so với đê chắn sóng tường đứng khi ở cùng một

độ sâu;

- Không thể sử dụng mép ngoài để neo cập tàu;

- Đoạn gần cửa cảng giảm bề rộng hữu ích;

- Khi 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

Mặc dù có các nhược điểm trên, đê chắn sóng mái nghiêng vẫn là giải pháp kết cấu thông dụng cho nhiều nước trên thế giới Ở Việt nam, kết cấu đê chắn sóng mái nghiêng có mặt tại mọi bể cảng đã thi công và đang thiết kế: Phú quý, Bạch long vĩ, Phan thiết, Vũng áng, Chân mây, Dung quất, Liên chiểu

Dựa vào đặc điểm vật liệu và đặc thù cấu tạo, kết cấu đê chắn sóng mái nghiêng được phân loại thành:

- Đê mái nghiêng bằng đá

- Đê mái nghiêng với khối bêtông gia cố hình hộp

- Đê mái nghiêng với các khối bêtông phức hình

(Tham khảo TS Đào Văn Tuấn (2005) Công trình bảo vệ bờ biển và đê chắn sóng, Khoa công trình thủy, Trường đại học Hàng Hải Trang 4-1)

1.2.2 Đê chắn sóng trọng lực tường đứng

Trong quá trình thiết kế thi công cho thấy công trình đê chắn sóng kiểu tường đứng kinh tế hơn công trình đá đổ mái nghiêng do có hình dáng gọn nhẹ, giảm được khối lượng các vật liệu xây dựng như đá và bê tông Điều kiện cơ bản nhất để áp dụng công trình kiểu tường đứng trọng lực là nền móng phải tốt Đất nền lý tưởng nhất cho công trình này là nền đá Tuy nhiên với loại đất có khả năng chịu tải tương đối tốt thì cũng có thể làm nền móng cho công trình trọng lực nhưng phải có biện pháp gia cố chống xói lở ở đáy

Mặt khác, một trong những yếu tố hạn chế khả năng thi công đê chắn sóng trên nền đất rời là do ứng suất dưới lớp đệm đá trong móng công trình tương đối lớn

so với khả năng chịu tải của đất Như vậy, công trình đê chắn sóng loại tường đứng

có thể được xác định theo các điều kiện sau:

-Trên nền đất đá mọi độ sâu

-Trên nền đất rời với các điều kiện sau:

+ Với độ sâu lớn hơn 1,5÷2,5 lần chiều cao sóng tính toán thì đất nền trước công trình phải được gia cố tại các vị trí được dự kiến sẽ bị xói;

+ Với độ sâu không quá 20÷28m (khi đó áp lực của công trình lên nền đất ở giới hạn cho phép)

1.2.3 Đê chắn sóng hỗn hợp

Là đê chắn sóng kết hợp giữa hai kết cấu đập mái nghiêng và tường đứng Đê chắn sóng hỗn hợp được xây dựng ở độ sâu lớn hơn 20m Hoặc trong trường hợp cần làm giảm áp lực sóng lên tường đứng Đê hỗn hợp khắc phụ nhược điểm và phát huy ưu điểm của đê trọng lực và mái nghiêng Đê mái nghiêng tốn nhiều vật liệu nhưng có thể xây dựng trên nhiều loại nền đất, đê trọng lực tốn ít vật liệu nhưng yêu cầu nền đất tốt

Hình 1-6: Đê chắn sóng dạng hổn hợp (Nguồn internet)

Đê hỗn hợp bao gồm tường đứng trên mái nghiêng, trong đó phần mái nghiêng chiếm quá nửa độ sâu đóng vai trò như lớp đệm khổng lồ Phần tường đứng trên có cấu tạo hoàn toàn như đê tường đứng bình thường

Hình vẽ 1-7 Đê hỗn hợp tường đứng trên mái nghiêng

- Trong trường hợp muốn giảm áp lực sóng lên tường đứng người ta làm mái nghiêng bên ngoài tường đứng

biÓn

c¶ng

Hình vẽ 1-8 Đê hỗn hợp mái nghiêng bên ngoài tường đứng

Ngoài ba loại đê chắn sóng cớ bản trên thì còn một số loại đê chắn sóng khác như đê chắn sóng bằng cọc và cừ, đập đinh, đê chắn sóng hấp thụ khối sóng thẳng đứng, đê chắn sóng thùng chìm hấp thụ sóng

1.3.MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐÊ CHẮN SÓNG

Đê chắn sóng là một giải pháp công trình nhằm tiêu tán, phản xạ một phần năng lượng sóng biển Với đê chắn sóng ở các cảng, nó có nhiệm vụ tạo ra một khu nước tương đối yên tĩnh, phù hợp với yêu cầu khai thác cảng, đảm bảo an toàn cho việc neo cập tàu thuyền để làm hàng hoặc phục vụ neo trú tàu thuyền khi biển động Các tác động chính của môi trường lên đê chắn sóng gồm: áp lực thủy tĩnh, áp lực sóng, va đập của tàu thuyền, tác động của dòng chảy, thiết bị đi lại, động đất, sóng thần và một số tác động khác v v Một trong các tác động quan trọng lên kết cấu này trong suốt quá trình hoạt động của công trình là tác động của sóng biển

Các loại lực tác động do sóng biển gây ra có thể là: áp lực sóng đứng, áp lực sóng nhiễu xạ, áp lực sóng vỡ, áp lực sóng đổ, áp lực sóng leo, áp lực đẩy nổi…Tùy theo hình dạng và hình thức kết cấu, vị trí công trình mà các lực tác dụng do sóng tạo ra có thể khác nhau Đối với các loại đê chắn sóng với các dạng mặt cắt khác nhau, vấn đề hư hỏng cũng không giống nhau

1.3.1 Thời điểm và hình thức hư hỏng đê chắn sóng

Thời điểm hư hỏng

c¶ngbiÓn

Các sự cố hư hỏng công trình ven biển xảy ra ở 2 thời điểm:

Hư hỏng khi đang thi công trình dở dang công trình Tại thời điểm này công trình chưa hoàn thành chưa đạt tần suất thiết kế mà sảy ra các thông số sóng, gió đạt tần suất thiết kế công trình sẽ bị hư hỏng

Hư hỏng sau khi công trình đã hoàn thành Khi các thông số sóng, gió, động đất vượt tần suất thiết kế sẽ gây hư hỏng cho công trình

Hư hỏng có thể xảy ra đối với một điểm, một đoạn hoặc toàn bộ công trình ở một bộ phận, nhiều bộ phận hoặc tất cả các bộ phận

1.3.2 Cơ chế hư hỏng đê chắn sóng

1.3.2.1 Hư hỏng đối với đê chắn sóng tường đứng

Hình 1-9: Một số kiểu phá hoại thường gặp với đê chắn sóng dạng tường đứng

- Kết cấu tường đứng của đê chắn sóng có thể bị trượt do trọng lượng bản

thân thiết kế không đủ, ma sát của lớp tiếp giáp không tốt

- Phần dưới của đê chắn sóng bị lún, không đủ ổn định để đỡ thân đê

- Lật phần tường đứng trên đê, trọng lượng thiết kế không đủ, nền đê bị lún

- Xói chân đê do phần bảo vệ không tốt

- Phá hoại nền do địa chất không tốt, chưa có biện pháp công trình phù hợp

xử lý gia cố nền (Tham khảo Công trình bảo vệ bờ biển và đê chắn sóng, TS

Đào Văn Tuấn (2005) Khoa công trình thủy, Trường đại học Hàng Hải Trang 3-1)

1.3.2.2 Hư hỏng đối với đê chắn sóng mái nghiêng

a).Hư hỏng thường gặp nhất chính là mất ổn định khối gia cố bảo vệ mái (có các hình thức gia cố mái khác nhau)

Khối bê tông thường, khối phức hình, đá tảng, đá hộc…) Do khối gia cố mái không đủ trọng lượng hoặc do sự cài nối không chặt giữa các khối, giữa khối và mặt đê…

- Sự dịch chuyển của lớp khối gia cố mái do chọn các thông số sóng tính toán chưa phù hợp, hoặc do chất lượng cả lớp, khối gia cố không đạt yêu cầu thiết kế

- Sự xê dịch các cấu kiện trên đỉnh đê do kiểm tra ổn định lật, trượt với hệ số chưa phù hợp

- Do quá trình tính toán còn thiếu sót, cao trình đỉnh đê thấp so với yêu cầu hoặc việc chọn các thông số sóng nhỏ, làm sóng tràn qua mặt đê gây xói phía sau đê

Hình 1-10: Các kiểu phá hoại thường gặp với đê chắn sóng mái nghiêng

- Chân khay gia cố bị xói, do tốc độ dòng chảy của sóng, của dòng hải lưu bằng hoặc lớn hơn tốc độ xói tính toán

- Hư hỏng do các hình thức phá hoại nền móng đê

- Chất lượng vật liệu lớp đắp đê chưa đảm bảo ảnh hưởng đến ổn định toàn bộ công trình

b) Nguyên nhân do tác động vượt giới hạn thiết kế

Khi thiết kế mỗi công trình sẽ chỉ được thiết kế trong một giới hạn cụ thể (tương đương cấp công trình) với các thông số đầu vào tương ứng Do đó khả năng

ổn định cũng như thời gian tồn tại tối đa của công trình cũng chỉ có giới hạn trong điều kiện thiết kế Tuy nhiên có một khó khăn mà các nhà thiết kế luôn gặp phải, đó

là các thông số đầu vào như mực nước, sóng, dòng chảy được xác định dựa vào số

liệu lịch sử và bằng các phương pháp thống kê Trong khi đó sự biến động của các yếu tố này lại rất ngẫu nhiên, không theo tuân thủ theo qui luật mà con người mặc định cho chúng Đặc biệt với sự biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp thì tính ngẫu nhiên, không qui luật càng biến hóa không lường Do đó có thể các yếu tố đầu vào tại thời điểm thiết kế đã xác định các giá trị có tần suất tương ứng cho công trình

Ví dụ những công trình có thông số sóng và mực nước thiết kế là 1% tương đương chu kỳ 100 nắm sảy ra một nhưng không có nghĩa trong thời gian chu kỳ lặp của các yếu tố đầu vào sẽ không xảy ra các giá trị có xác suất vượt thiết kế Vì vậy khi xảy ra trường hợp này công trình bị hư hỏng là điều tất yếu, chúng ta phải chấp nhận những hư hỏng công trình gặp phải và có phương án khắc phục, sửa chữa kịp thời, không thể đổ lỗi cho người thiết kế

Ngoài ra còn có những hiên tượng thiên nhiên như động đất, sóng thần thường gây hư hỏng nặng cho các công trình đê chắn sóng

c) Nguyên nhân do vận hành không đúng công năng của đê chắn sóng, vận hành quá tải trọng thiết kế của công trình, chậm duy tu, bảo dưỡng những hư hỏng nhỏ

Việc hư hỏng của đê chắn sóng không chỉ do tác động của tự nhiên mà còn có thể do quá trình vận hành đã làm gia tăng các tải trọng khác mà thiết kế không cho phép Ví dụ neo đậu tàu thuyền vào những khu vực không được neo đậu như đê chắn sóng mái nghiêng mà khi thiết kế không có chức năng này, cho phương tiện vận tải có tải trọng lớn đi trên mặt đê chắn sóng…

Trong quá trình vận hành còn có thể xảy ra nhưng sụt lún, hư hỏng nhỏ nhưng không phát hiện và xử lý kịp thời tạo nên những điểm xung yếu trên công trình, các

hư hỏng nhỏ này phát triển dần theo thời gian, khi gặp yếu tố tác động dù không vượt quá tần suất thiết kế cũng có thể dẫn đến phá hỏng công trình

d) Nguyên nhân do thi công không đúng thiết kế, không đảm bảo chất lượng

Đây cũng là một nguyên nhân cơ bản và rất phổ biến trong các công trình xây dựng nói chung và đê chắn sóng nói riêng, đặc biệt là ở Việt Nam Do đê chắn sóng

có nhiều khối lượng nằm dưới mặt nước lại trong môi trường thường xuyên tác động của sóng, dòng chảy, biện pháp thi công kết hợp thủy bộ khá phức tạp nên nếu

không tuân thủ đúng qui trình thi công, không đảm bảo được các khối lượng, kích thước hình học theo đúng thiết kế, đặc biệt các bộ phận nằm dưới mặt nước thì chỉ cần một sai sót nhỏ sẽ là điểm xung yếu khi công trình vận hành Bên cạnh đó chất lượng thi công về vật liệu, độ đầm chặt của đất, đá trong điều kiện nước mặn cũng quyết định rất lớn đến sự bền vững và ổn định của công trình

e) Nguyên nhân do phương pháp thiết kế

Phần lớn các đê chắn sóng được thiết kế theo phương pháp ấn định là phương pháp dựa theo chu kỳ lặp của các biến cố tải trọng (sóng, mực nước…) được thiết lập để tính tải trọng thiết kế ứng với hoàn kỳ ấn định và dựa vào đó để thiết kế kết cấu với độ an toàn ở mức độ dự trữ nhất định, do đó rất khó khăn trong việc xác định những điều không chắc chắn cho mỗi thông số thiết kế và cũng khó đánh giá mức độ quan trọng tương đối giữa các dạng hư hỏng khác nhau, do đó chất lượng kết cấu được thiết kế thường có khả năng chưa đạt mức yêu cầu qui định

Thực tế nhiều công trình được thiết kế bởi những kỹ sư không có chuyên môn, kinh nghiệm (tham khảo thiết kế có trước, sao chép rồi đem áp dụng máy móc vào công trình mình thiết kế) hoặc chuyên môn, kinh nghiệm yếu kém cũng là nguyên nhân gây lên sự cố nghiêm trọng cho các công trình đê chắn sóng

Bên cạnh đó cũng có thể có những sai sót của những người có chuyên môn, kinh nghiệm xuất phát từ sự chủ quan trên cơ sở tin tưởng quá lớn vào kinh nghiệm

mà bỏ qua những điểm khác biệt mà các công trình trước đây chưa gặp phải (tham

khảo chuyên đề “Các vấn đề khoa học - kỹ thuật trong sự cố công trình ven biển”

NCS Nguyễn Thành Trung - Trung tâm nghiên cứu động lực cửa sông, ven biển và hải đảo Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học Sông Biển)

1.4.KẾT LUẬN CHƯƠNG

Đê chắn sóng là loại công trình chịu rất nhiều tác động phức tạp của tự nhiên với tính ngẫu nhiên, khó dự đoán như gió, bão, chế độ triều, sóng do gió, sóng thần, dòng chảy biển cùng sự tương tác của chúng với địa hình, địa mạo ven biển Việc

dự báo gió, bão, sóng thần hiện nay luôn là vấn đề khó khăn đối với các nhà kỹ

thuật Bên cạnh đó việc mô phỏng toán học các hiện tượng tự nhiên diễn ra ở bờ biển, nhất là mô tả các chuyển động phức tạp của dòng chảy và bùn cát còn hạn chế dẫn đến những hạn chế trong việc thiết kế, thi công công trình ven biển Khi xây dựng đê chắn sóng bảo vệ cảng, có thể gây ra những biến đổi về hình thái cho vùng xung quanh như xói hoặc bồi bãi biển, có thể làm tăng chiều cao sóng ở bên ngoài công trình bảo vệ do sóng phản xạ Làm biến đổi dòng triều lân cận hoặc do các điều kiện của dòng chảy ở cửa sông, như vậy gây ra biến đổi cục bộ về chất lượng nước trong khu vực xây dựng

Đê chắn sóng là hạng mục chiếm tỷ trọng tương đối lớn về khối lượng và kinh phí trong các công trình biển, việc xây dựng lại thường rất tốn kém và khó khăn, tuổi thọ của đê liên quan nhiều đến điều kiện ổn định Điều này đòi hỏi trong quá trình thiết kế, tính toán người thiết kế cần phải chọn được sơ đồ, trường hợp tính toán ổn định phù hợp với từng loại đê chắn sóng đảm bảo cho công trình hoạt động an toàn và hiệu quả, hạn chế hư hỏng trước những tác dụng bất lợi của môi trường

CHƯƠNG II: KẾT CẤU CỦA ĐÊ CHẮN SÓNG VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Khi nghiên cứu đầu tư xây dựng một tuyến đê chắn sóng cho cho tàu thuyền neo đậu trong cảng yêu cầu quan trọng là phải tạo ra được một "vùng nước yên tĩnh" và ngăn chặn bùn cát Nếu khu vực đó không được che chắn bởi các yếu tố địa hình, địa mạo tự nhiên nó sẽ chịu ảnh hưởng mạnh của sóng, gió Trong trường hợp này người ta phải tính đến giải pháp xây dựng đê chắn sóng Việc xây dựng đê chắn sóng để đảm bảo an toàn cho tàu thuyền neo đậu, bốc xếp hàng hóa tránh các yếu tố bất lợi của tự nhiên và của động lực biển như sóng, bão, thuỷ triều, hải lưu, nước dâng, chuyển động của bùn cát ven bờ, nước ngầm, động đất …v.v

Đê chắn sóng là một giải pháp công trình nhằm tiêu tán, phản xạ năng lượng sóng biển, nhằm tạo ra một khu nước yên tĩnh, phù hợp với yêu cầu khai thác vận hành cảng biển đồng thời đảm bảo an toàn cho việc neo đậu tàu thuyền, tránh trú bão

Ngoài ra đê chắn sóng còn được xây dựng để bảo vệ luồng tàu, bảo vệ bờ biển, chống xói lở, tạo bãi, nuôi bãi, lấn biển

Có nhiều loại mặt cắt đê chắn sóng đã được nghiên cứu và áp dụng để phục vụ mục đích nói trên, còn phải lựa chọn mặt cắt đê chắn sóng sao cho tiết kiệm về mặt kinh tế mà vẫn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kỹ thuật và mỹ thuật Tùy theo độ lớn của chiều cao sóng và các yếu tố địa hình địa chất mà quyết định chọn kết cấu của đê chắn sóng

Ở vùng có sóng cao, độ sâu mực nước lớn thì cần chọn loại kết cấu tường đứng, mặt cong hay đê đá đổ bằng các khối dị hình để phá sóng, giảm chiều cao của

đê đồng thời tiết kiệm kinh phí xây dựng Ở những vùng có chiều cao sóng trung bình có thể chọn mặt cắt đê chắn sóng hỗn hợp hoặc đê chắn sóng mái nghiêng tùy theo điều kiện địa chất Ở những vùng có sóng ôn hòa (chiều cao sóng từ 1÷2m) thì

có thể dùng bất kỳ loại kết cấu nào

Khi lựa chọn một dạng kết cấu cho đê chắn sóng cần phải xem xét các yếu tố chính bao gồm các điều kiện địa hình địa chất nơi đặt móng công trình, các yếu tố tác động của sóng, khả năng cung cấp vật liệu, chi phí ban đầu và sửa chữa

2.2 KẾT CẤU MẶT CẮT NGANG ĐÊ CHẮN SÓNG

2.2.1 Đê chắn sóng mái nghiêng

Các bộ phận cơ bản của đê chắn sóng mái nghiêng

2.2.1.1 Chân khay

Chân khay được đưa vào đê giữ lớp phủ chính và chống xói Chân khay thường được làm bằng đá đổ tuy nhiên trong một số trường hợp phải dùng khối bê tông do kích thước lớn

Trong trường hợp chân khay nằm trên đất nền có thể bị xói thì độ sâu bảo vệ của chân khay phải được xác định có tính đến phần dự phòng khả năng xói

Hình 2-1 Chân khay nước nông

Hình 2-2 Chân khay nước sâu

2.2.1.2 Thân đê

Đối với đê mái nghiêng bằng đá thì đá là vật liệu chiếm tỷ lệ lớn của thân đê

và thường được cung cấp tại chỗ Mặt khác đá không bị hạn chế bởi độ sâu nước Trong kết cấu của đá được phân thành 5 loại theo trọng lượng:

Bảng 2-1 Phân loại đá trong thân đê mái nghiêng

Loại đá đá

Trọng lượng

(kg) 5 5÷100 100÷1500 1500÷4000 4000÷8000 >8000

Đê mái nghiêng bằng đá có thể phân thành nhiều lớp, kích thước bên ngoài

phụ thuộc vào chiều cao sóng Kích thước đá của lớp lõi được xác định sao cho đảm

bảo về mặt kinh tế

Để chung chuyển kích thước giữa lớp lõi và lớp phủ mặt cần phải làm lớp

đệm Nguyên tắc xác định đường kính của viên đá lớp đệm là sao cho nó không bị

lọt ra bên ngoài lớp phủ mặt kết cấu

Đối với đê mái nghiêng bằng khối bê tông hình hộp khi kích thước của lớp

bên ngoài lớn hơn so với điều kiện cung cấp ta cần thay nó bằng các khối bêtông

Hình 2- 3 Thân đê mái nghiêng bằng đá

Các khối bê tông hình lập phương và khối hộp là một trong các phương án phủ

mặt đê mái nghiêng Chúng được sử dụng ở mọi độ sâu với chiều cao sóng từ

5÷6m, trọng lượng từ 10÷50T

Các khối bêtông hình hộp có nhược điểm: trọng lượng lớn nhưng sự liên kết

giữa các khối không bằng khối kỳ dị Tuy nhiên các khối hình hộp vẫn được sử

dụng làm lớp phủ mặt ngoài của thềm đá hoặc gia cố phần mái nghiêng bên trong

nơi có chiều cao sóng bé

Một số dạng kết cấu của đê mái nghiêng với khối bêtông hình hộp như sau:

Hình 2- 4 Đê mái nghiêng bằng khối hộp

Đối với đê mái nghiêng làm bằng các khối phức hình để tăng sự liên kết giữa các khối với nhau đối với những nơi có tải trọng sóng lớn người ta thay khối chữ nhật bằng các khối kỳ dị Các khối kỳ dị ngoài ra còn có khả năng tiêu sóng tốt với mọi chiều cao sóng neo, do đó giảm áp lực nên đê mái nghiêng Khối kỳ dị thường được sử dụng để phủ mặt ở phía bên ngoài và phía bên trong ở phần đầu đê Các khối kỳ dị có thể khác, tuy nhiên ở Việt Nam thông dụng nhất là tetrapod Dưới lớp phủ mặt có thể có lớp đệm đá phụ thuộc kích thước của lớp ngoài và vật liệu lõi Lớp lõi được xác định giống như đê mái nghiêng bằng đá

Kết cấu điển hình của đê mái nghiêng với khối tetrapod:

Hình 2- 5 Đê mái nghiêng bằng khối Tetrapod

2.2.1.3 Khối bê tông đỉnh

Khối bê tông đỉnh được xây dựng nhằm mục đích tăng ổn định tổng thể, phục

vụ giao thông, có thể làm gờ hắt sóng để giảm cao trình đỉnh đê

- Khối bê tông đỉnh có gờ hắt sóng

Hình 2- 6 Các khối bê tông đỉnh có gờ hắt sóng

(Tham khảo Công trình bảo vệ bờ biển và đê chắn sóng, TS Đào Văn Tuấn

(2005) Trường đại học Hàng Hải.)

2.2.2 Đê chắn sóng trọng lực tường đứng

Các bộ phận cơ bản của đê tường đứng

Trong trường hợp tổng quát đê chắn sóng trọng lực bao gồm 2 bộ phận cơ bản: lớp đệm đá và tường đứng Tường đứng được cấu tạo từ 2 bộ phận: phần dưới nước

và phần kết cấu bên trên Loại kết cấu công trình của đê chắn sóng được xác định bởi phần dưới nước, phụ thuộc vào kết cấu phần dưới nước, người ta phân biệt thành các loại:

- Kết cấu bê tông khối xếp;

- Bảo vệ đất nền dưới chân công trình khỏi bị xói;

- Làm phẳng bề mặt cho kết cấu bên trên;

- Gia tải làm tăng ổn định trượt cung tròn

Trong trường hợp đất nền là yếu thì lớp đệm có thể bao gồm lớp gối cát, tầng lọc ngược và lăng thể đá

Trong trường hợp nếu đê chắn sóng được đặt trên nền đá thì lớp đệm phải có

bề dày >0,5m bằng vật liệu đá đổ hoặc 0,25m bằng vữa BT đựng trong các túi làm bằng vật liệu có độ bền cao

Khi nền đất là tương đối chặt thì cấu tạo của lớp đệm phải bao gồm tầng lọc ngược dày > 0,5m đối với các vật liệu rời cũng có thể sử dụng vật liệu như vải địa

kĩ thuật

Lớp đệm đá kể cả chiều dày tầng lọc ngược có chiều dày tối thiểu từ 1,5÷2m Tuy nhiên lớp đệm đá không được có cao độ cao quá làm tăng khả năng sóng bị vỡ khi tác dụng vào công trình Do đó cao trình của lớp đệm đá phải nằm dưới mực nước tính toán một khoảng không nhỏ hơn 1,25 chiều cao sóng tính toán tại chân công trình

Trong trường hợp đê chắn sóng dùng làm nơi neo đậu tàu thì cao trình lớp đệm đá phải thoả mãn điều kiện về neo đậu tàu Nếu như cao trình của đất nền và chỉ tiêu cơ lí không thoả mãn chiều dày lớp đệm đá khi đó lớp đệm đá sẽ phải có một phần nằm trong đất hoặc toàn bộ nằm trong đất

Khi chọn sơ bộ kích thước của công trình thì chiều rộng của lớp đệm đá trước được lấy bằng 0,5÷0,6 chiều rộng tường nhưng không nhỏ hơn 6m Chiều rộng của thềm sau lấy từ 0,3÷0,4 chiều rộng tường và không nhỏ hơn 3m

Lớp đệm đá thông thường được tiến hành trước mùa bão để cho sóng đầm chặt thêm, sau đó sẽ được làm phẳng trước khi thi công phần tường đứng

Hình 2-7 Kết cấu đệm đá

Đường kính của viên đá ở thềm trong và thềm ngoài phải được kiểm tra dưới tác dụng của dòng chảy và sóng trong trường hợp đường kính viên đá không thoả mãn thì phải xác định kích thước của vật liệu phủ mặt

2.2.2.2 Kết cấu phần trên

Công dụng cơ bản của kết cấu phần trên là đảm bảo sự liên kết chắc chắn giữa các bộ phận riêng biệt của phần tường dưới nước đặc biệt là đối với kết cấu khối xếp Chiều dầy tối thiểu của bản liên kết ở phần trên thường được lấy vào khoảng từ 1,5÷2m Nếu dọc đê có dự kiến đi lại hoặc neo đậu tàu thì cao trình bản mặt phải cao hơn cao trình đỉnh sóng cực đại Tiết diện của tấm hắt sóng được kiểm tra theo khả năng chịu áp lực sóng Về mặt cấu tạo bề rộng của tấm hắt sóng lấy từ 1,5÷2m

Độ vượt của tấm hắt sóng cao hơn đỉnh sóng đứng khoảng 0,5m nếu là loại đê không cho phép sóng tràn qua

Trong kết cấu phần trên cần phải bố trí các hào công nghệ, các chi tiết chờ để lắp đặt thiết bị hàng hải, các trang thiết bị neo đậu tàu: bích neo, đệm va

Hình 2-8 Kết cấu phần trên

Cảng Biển

Thềm

trước

Thềm

sau(0,5÷0,6)b (0,3÷0,4)b

2.2.2.3 Kết cấu phần dưới nước

a) Kết cấu bê tông khối xếp:

Công trình chắn sóng làm bằng khối xếp có độ ổn định và tuổi thọ cao Việc thi công các công trình khối xếp nói chung không phức tạp về mặt máy móc công nghệ ngoại trừ cần phải có thiết bị cẩu phù hợp

Nhược điểm của công trình có BT khối xếp là độ nhạy cảm cao đối với hiện tượng lún không đều của đất nền Bản thân khối xếp liên kết rời rạc với nhau nên khi đất nền lún không đều sẽ xảy ra hiện tượng trượt 1 phần tường so với phần khác Để tránh cho lún không đều và tránh cho các khối xếp cũng như kết cấu phần bên trên không bị biến dạng người ta chia công trình ra thành nhiều phân đoạn chiều dài mỗi phân đoạn phụ thuộc vào điều kiện địa chất và lấy trong khoảng từ 25÷40m, chiều rộng khe lún giữa các phân đoạn ≤5cm

Trọng lượng khối xếp được lấy sao cho phù hợp với sức nâng của phương tiện vận chuyển và thiết bị cẩu ngoài ra cũng phải phù hợp với chiều cao sóng tính toán Trọng lượng khối xếp theo chiều cao sóng tính toán lấy theo bảng sau:

Bảng 2.2 trọng lượng khối xếp theo chiều cao sóng

b) Kết cấu khối rỗng:

Kết cấu khối rỗng là các thùng không có đáy có vách ngăn dày từ 0,7÷1m, trọng lượng thùng từ 100÷200T Khối rỗng được đặt trên đệm đá, bên trong đổ đầy vữa BT sau đó thi công kết cấu phần trên

Để cho vữa BT không thoát ra ngoài và đảm bảo liên kết giữa các khối khe ngang được chèn bằng các tấm chì hoặc sợi Amiăng Các khối này được xếp chồng lên nhau theo cột đứng

Một số kết cấu tiêu biểu của loại này như sau:

V¸ch ng¨n BiÓn

Hình 2-9 Kết cấu khối rỗng

c) Kết cấu cyclopit:

Để khắc phục những khiếm khuyết của kết cấu khối rỗng người ta đã chuyển

sang ứng dụng kết cấu cyclopit

Một số kết cấu của công trình dạng cyclopit có dạng sau:

Hình 2-10 Một kết cấu Cyclopit điển hình

Các khối này được chế tạo hoặc là đặc hoàn toàn hoặc có các giếng trụ tròn để chờ sẵn, đường kính không lớn lắm đủ để lắp khung cốt thép sau đó đổ BT dưới nước Trọng lượng của khối dao động từ 400 ÷500T, do vậy đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dụng để vận chuyển và cẩu nâng

Do các khối cyclopit có thể được gắn chặt với nhau bởi các chốt BTCT cho nên khi công trình bị sợ cố hoặc hư hỏng thì việc sắp xếp lại các khối là không thể thực hiện được Do vậy khi thiết kế phải đánh giá chính xác thông số sóng tính toán, điều kiện địa chất, kích thước của kết cấu, loại tầng đệm và phương pháp bảo vệ nền khỏi bị xói lở

d) Kết cấu thùng chìm:

Trong nhiều trường hợp công trình có kết cấu khối xếp thậm chí có khối lượng lớn nhưng vẫn chưa đủ độ liền khối và vẫn bị phá hỏng Những nhược điểm này của khối xếp được khắc phục bằng sử dụng thùng chìm

Thùng chìm là những pôngtông bằng BTCT được chế tạo trên bờ và chuyển đến vị trí công trình và đánh chìm sau đó được lấp đầy bằng BT hoặc cuội sỏi & cát, đá dăm

Kết cấu thùng chìm có ưu thế cho phép giải phóng đá hoặc cát sỏi để di chuyển đến vị trí khác, vỏ thùng chìm được chế tạo tại bãi chuyên dụng hạ thuỷ và kéo đến vị trí xây dựng, sau khi đổ cát đá vào thùng các khoang được đậy bằng tấm BTCT dày từ 0,4 ÷0,5 m để vật liệu không trôi ra ngoài các khe hở giữa tường thùng và các tấm BT được đổ BT

Một số kết cấu thùng chìm có dạng như sau:

Hình 2-11 Một kết cấu thùng chìm điển hình

Để các thùng chìm luôn độc lập với nhau khoảng cách giữa chúng lấy bằng

từ 20 ÷25 cm điều này hoàn toàn phù hợp với trường hợp phải thay thế các thùng bị hỏng mặt khác không được lớn quá để tránh trường hợp khi có sóng tạo thành dòng nước xói mạnh trôi đá dưới đáy thùng

Các thùng chìm khác phải có mối nối sao cho chúng kết hợp với nhau để không có khoảng hở khi sóng đánh vào làm phá hoại cục bộ thùng chìm

e) Kết cấu chuồng

Kết cấu chuồng gỗ được ứng dụng cho đê chắn sóng ở những vùng gổ là vật liệu tại chỗ và không có sinh vật ăn mòn hay làm mục gỗ Chuồng gỗ là khung có tiết diện đối xứng, chiều dài thông thường là 50m, chiều rộng <20m chiều cao từ 6m đến 10m Chuồng gỗ được chia thành các ô có kích thước mặt bằng 1,5x1,5m2 đến 2,5x2,5m2 được ngăn bởi các vách dọc, vách ngang Phía dưới chuồng có đáy, bên trong được đổ đầy đá,mặt trên được đổ bằng lớp BT mũ Thực tế có 2 loại chuồng, chuồng liên kết kiểu Nga và chuồng liên kết kiểu Mỹ

-Kết cấu chuồng kiểu gỗ như sau:

9.1

+1.5 +3.0

Hình 2-12 Một số kết cấu đê chuồng gỗ

(Tham khảo Công trình bảo vệ bờ biển và đê chắn sóng, TS Đào Văn Tuấn

(2005) Khoa công trình thủy, Trường đại học Hàng Hải Chương 3)

2.2.3 Đê chắn sóng hỗn hợp

Đê chắn sóng có hai loại chiếm đa số là đê chắn sóng mái nghiêng và đê chắn sóng trọng lực tường đứng Song trong nhiều trường hợp hai loại này kết hợp với nhau trong hai thể loại sau: