Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng ven bờ tới ổn định của vật liệu đá hộc trong bảo vệ chân kè, ứng dụng cho công trình đê cát hải hải phòng

Lê Xuân Roanh... Dòng tiêu và dòng tu n hoàn ..... Mô hình và thông s tính toán xói mái nghiêng ..... Thông s biên tính toán trong mô hình ...

L I C M N

Lu n v n th c s k thu t “Nghiên c u nh h ng c a dòng ven b t i n đ nh c a

v t li u đá h c trong b o v chân kè, ng d ng cho công trình đê Cát H i-H i Phòng" đ c hoàn thành nh s h ng d n c a th y giáo PGS.TS Lê Xuân Roanh Tác gi xin chân thành c m n tr ng i h c Th y l i trong su t th i gian nghiên

c u v a qua, đã trang b thêm nh ng ki n th c c n thi t v các v n đ k thu t Cùng

s h ng d n nhi t tình c a các th y cô trong tr ng đã giúp tác gi hoàn thi n mình

h n v trình đ chuyên môn c bi t, tác gi xin chân thành c m n t i th y giáo PGS.TS.Lê Xuân Roanh đã tr c ti p h ng d n, giúp đ tác gi t n tình trong su t quá trình nghiên c u và hoàn thành lu n v n ng th i, tác gi c ng xin chân thành c m

n các th y cô giáo trong Khoa Công trình đã cung c p nh ng ki n th c v chuyên ngành, giúp tác gi có đ c s lý lu n và th c ti n đ hoàn thành lu n v n này

C m n s đ ng viên giúp đ , chia s , c v tinh th n c a ng i thân, gia đình và b n

bè đ tác gi có th hoàn thành lu n v n

Do trình đ , kinh nghi m c ng nh th i gian nghiên c u còn h n ch nên lu n v n không th tránh đ c nh ng thi u sót nên tác gi r t mong nh n đ c ý ki n chia s , đóng góp c a các th y cô, b n bè đ ng nghi p đ lu n v n đáp ng đ c nh ng m c tiêu đ ra

Xin trân tr ng c m n!

Hà N i, tháng 05 n m 2016 Tác gi lu n v n

Bùi c Trung

L I CAM OAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên c u c a b n thân, đ c xu t phát t yêu

c u phát sinh trong th c t đ hình thành h ng nghiên c u Các s li u có ngu n g c

rõ ràng tuân th đúng nguyên t c và các k t qu trình bày trong lu n v n đ c thu th p trong quá trình nghiên c u là trung th c, ch a t ng đ c ai công b tr c đây

Hà N i, Tháng 05 n m 2016 Tác gi Lu n v n

Bùi c Trung

M C L C

L I C M N i

L I CAM OAN ii

M C L C iii

DANH M C HÌNH V v

DANH M C B NG BI U viii

PH N M U 1

CH NG I T NG QUAN V V N NGHIÊN C U 3

1.1 Th c tr ng h h ng công trình đê bi n khu v c Cát H i 3

1.2 Gi i thi u các lo i kêt c u b o v chân kè đã áp d ng Vi t Nam 4

1.2.1 Chân kè b ng l ng th đá h c 4

1.2.2 Chân kè b ng các lo i ng buy 4

1.2.3 Chân kè b ng c c, c 5

1.2.4 Chân kè nhô cao 6

1.3 Phân tích chung v k t c u gia c chân kè 6

1.3.1 Nh ng v n đ v thi t k 6

1.3.2 Nh ng v n đ v thi công 6

1.4 Các nghiên c u trong và ngoài n c v b o v chân kè 7

1.4.1 Tình hình nghiên c u ngoài n c 7

1.4.2 T ng quan tình hình nghiên c u trong n c 13

1.5 K t lu n ch ng 18

CH NG II C S LÝ THUY T NGHIÊN C U DÒNG CH Y VEN B VÀ N NH V T LI U Á H C B O V CHÂN KÈ 19

2.1 Lý thuy t nghiên c u v dòng ch y 19

2.1.1 Khái ni m v dòng ven b 19

2.1.2 Dòng ch y hình thành do sóng vùng g n b 19

2.1.3 Dòng tiêu và dòng tu n hoàn 21

2.1.4 Dòng ch y d c b hình thành do sóng tác d ng theo h ng xiên góc v i đ ng b 23

2.2 Lý thuy t nghiên c u n đ nh chân kè 30

2.2.1 Khái ni m v xói chân kè 30

2.2.2 Phân lo i 30

2.2.3 Xác đinh ph m vi h xói chân kè 31

2.2.4 Kích th c và s n đ nh c a đá b o v 35

2.3 K t lu n ch ng 44

CH NG III NGHIÊN C U DI N BI N XÓI L B BI N CÁT H I 45

3.1 Gi i thi u khu v c nghiên c u 45

3.1.1 c đi m t nhiên c a bi n Cát H i 45

3.1.2 c đi m khí t ng 46

3.1.3 c đi m th y h i v n 52

3.2 Nghiên c u ch đ dòng ch y t i khu v c đê bi n Cát H i qua mô hình toán Delft 3D 64

3.2.1 Thi t l p mô hình toán 64

3.2.2 Hi u ch nh và ki m đ nh mô hình 67

3.2.3 Tính toán các k ch b n sóng, dòng ch y t ng h p trong đi u ki n mùa và c c tr 73

3.3 K t lu n ch ng 97

CH NG IV ÁNH GIÁ N NH TRONG I U KI N DÒNG CH Y XÓI CHÂN CHO Ê CÁT H I H I PHÒNG 98

4.1 c đi m đ a ch t công trình đê Cát H i 98

4.2 Quan h v t li u và v n t c dòng 99

4.2.1 Công th c n đ nh c a Izbash 99

4.2.2 Công th c c a Gerding (1995) 100

4.2.3 Công th c c a Vandemeer 101

4.2.4 ng d ng xây d ng quan h v t li u và v n t c dòng 102

4.3 Tính toán n đ nh ki m tra k t c u trong đi u ki n xói chân 108

4.3.1 n đ nh trong đi u ki n xói chân 108

4.3.2 n đ nh đá l n 109

4.4 K t lu n ch ng 110

K T LU N VÀ KI N NGH 111

TÀI LI U THAM KH O 112

DANH M C HÌNH V

Hình 1.1 K t c u chân kè b ng ng buy 5

Hình 1.2 Hình nh chân kè b ng c c BTCT 5

Hình 1.3 .Chân kè d ng t ng nhô 6

Hình 1.4 L c tác d ng c a dòng ch y lên h t 9

Hình 1.5 nhám t ng đ i c a h t 10

Hình 1.6 Phân b t i tr ng và c ng đ - Ngo i suy chuy n đ ng 11

Hình 1.7 Ng ng chuy n đ ng 12

Hình 1.8 C u t o chân khay kè bi n 17

Hình 2.1 Tr ng dòng ch y quan tr c g n b , ph thu c ph n l n vào góc sóng v (αb) 20

Hình 2.2 H th ng dòng ch y tu n hoàn 21

Hình 2.3 Mô hình bi u di n dòng do sóng tác đ ng vào b 22

Hình 2.4 Phân b l u t c d c b 30

Hình 2.5 S đ tính kích th c h xói theo ph ng pháp McDougal 32

Hình 2.6 Bi u đ tính kích th c h xói theo Xie 33

Hình 2.7 Bi u đ tính kích th c h xói theo Sumer & Fredsoe 34

Hình 2.8 Mô hình và thông s tính toán xói mái nghiêng 36

Hình 2.9 Bi u đ m i quan h gi a đ n đ nh và đ sâu t ng đ i c a chân kè 37

Hình 2.10.Bi u đ m i quan h gi a Hs/∆.dn50 và ht/dn50 37

Hình 2.11.Bi u đ tra giá tr Ns thi t k chân kè cho lo i t ng đ ng 38

Hình 2.12.M t c t thí nghi m trong mô hình máng sóng (tác gi stephan baart& nnk) 39

Hình 2.13.Quan h gi a chi u sâu t ng đ i ht/h và ch s n đ nh Ns (có xét đ n s kh i d ch chuy n Nod) v i các đ d c bãi khác nhau 40

Hình 2.14.Quan h gi a s kh i d ch chuy n Nod và h s n đ nh có xét đ n ch s Iribaren (khi ht/hm< 0.4) 41

Hình 2.15.Quan h gi a ph n tr m m t n đ nh N% v i h s n đ nh có xét đ n ch s Iribaren (khi ht/hm> 0.4) 41

Hình 2.16 ng cong quan h ph n tr m m t n đinh N% và h s n đ nh có xét đ n ch s Iribaren 42

Hình 2.17.Quan h gi a h s n đ nh và chi u cao sóng Hs v i các kích th c đá khác nhau 43

Hình 2.18.Quan h gi a chi u cao sóng và kích th c viên đá v i các h s n đ nh khác nhau 43

Hình 2.19.Quan h n đ nh và ht/hm 44

Hình 3.1 Hoa gió th ng kê trong giai đo n 2000-2011 t i Hòn D u 48

Hình 3.2 Hoa gió tháng 1 (mùa khô) t i Hòn d u 1976-1995 49

Hình 3.3 Hoa gió trung bình mùa khô 2000-2011 t i Hòn D u 49

Hình 3.4 Hoa gió tháng 7 (mùa m a) 1976-1995 t i Hòn d u 50

Hình 3.5 Hoa gió trung bình mùa m a 2000-2011 t i Hòn D u 50

Hình 3.6 Hoa gió trung bình n m 1976-1995 t i B ch Long V 51

Hình 3.7 M c n c tính theo h i đ khu v c H i phòng 2004-2007 55

Hình 3.8 Xu th m c n c tính theo h i đ trong n m 2004-2007 55

Hình 3.9 S h a mi n tính toán 64

Hình 3.10.L i tính toán 65

Hình 3.11 a hình mi n tính c a mô hình 66

Hình 3.12.Các biên tính c a mô hình 67

Hình 3.13.V trí tr m ki m tra 69

Hình 3.14.K t qu hi u ch nh m c n c trong tháng 3/2009 t i B n Gót 70

Hình 3.15.K t qu hi u ch nh m c n c trong tháng 3/2009 t i KT1 70

Hình 3.16.K t qu ki m đinh m c n c trong tháng 8/2009 t i B n Gót 71

Hình 3.17.K t qu ki m đ nh m c n c trong tháng 8/2009 t i KT1 72

Hình 3.18 a hình mi n tính toán 74

Hình 3.19.V trí đi m trích rút sóng và t c đ dòng ch y 74

Hình 3.20.T c đ dòng ch y t i khu v c Cát H i vào mùa ông 75

Hình 3.21.Th ng kê k t qu tính sóng t i L ch Huy n (đi m LH) 76

Hình 3.22.Tr ng sóng mùa khô khi tri u lên (Mi n tính l n) 81

Hình 3.23.Tr ng sóng mùa khô khi tri u lên (Mi n tính nh ) 81

Hình 3.24 Tr ng dòng ch y mùa khô khi tri u lên 82

Hình 3.25.Tr ng dòng ch y mùa khô khi tri u xu ng 82

Hình 3.26.Chi u cao sóng t i 5 đi m g n b 83

Hình 3.27.Tr ng sóng mùa m a khi tri u lên (Mi n tính l n) 89

Hình 3.28.Tr ng sóng mùa m a khi tri u lên (Mi n tính nh ) 89

Hình 3.29.Tr ng dòng ch y mùa m a khi tri u lên 90

Hình 3.30.Tr ng dòng ch y mùa m a khi tri u xu ng 90

Hình 3.31.Tr ng sóng v i t n su t 1% (a- Mi n l n, b- Mi n nh ) 91

Hình 3.32.Tr ng dòng ch y và t c đ dòng t i khu v c Cát H i (a- Tr ng dòng ch y, b- t c đ ) 92

Hình 3.33.Tr ng sóng v i t n su t 2% (a- Mi n l n, b- Mi n nh ) 93

Hình 3.34.Tr ng sóng v i t n su t 5% (a-Mi n l n, b-Mi n nh ) 95

Hình 3.35.Tr ng dòng ch y và t c đ dòng t i khu v c Cát H i (a- Tr ng dòng ch y, b- t c đ ) 96

Hình 4.1 Quan h gi a v n t c dòng theo tiêu chu n TCN14-2002 và mô hình hóa

Hình 4.2 Quan h tr ng l ng nh nh t c a v t li u và v n t c dòng 104

Hình 4.3 Quan h đ ng kính v t li u theo gi thi t hình d ng l p ph ng và v n t c dòng 105

Hình 4.4 Quan h đ ng kinh Dn50 theo Vandermeer và v n t c dòng 105

Hình 4.5 Quan h đ ng kinh D theo Izbash và v n t c dòng 106

Hình 4.6 So sánh quan h V- D đ i v i các ph ng pháp khác nhau 106

Hình 4.7 Quan h Hs- D 107

Hình 4.8 n đ nh tr t mái công trình khi xói chân (K=1.1) 109

Hình 4.9 S h a quá trình đá l n 109

DANH M C B NG BI U

B ng 1.1 Thông s k ch b n thí nghi m 40

B ng 3.1 T c đ gió TB(m/s) t i m t s tr m thu c khu v c H i Phòng 47

B ng 3.2 M t s đ c tr ng ch đ gió ven bi n 47

B ng 3.3 T c đ gió c c đ i có th x y ra 1 l n trong T n m t i khu v c H i Phòng 52

B ng 3.4 L u l ng ch y trung bình c a các sông H i Phòng, 2009 53

B ng 3.5 M c n c tri u đ c tr ng t i Hòn Dáu (cm) 56

B ng 3.6 M c n c th c đo tr m Hòn D u t n m 1988-2007 57

B ng 3.7 M c n c th c đo tr m C a Ông t n m 1986-2007 58

B ng 3.8 T n su t bão ho t đ ng phân b các tháng trong n m 60

B ng 3.9 T n su t ho t đ ng c a bão phân b theo v đ 60

B ng 3.10 Th ng kê t n su t n c dâng (%) vùng b bi n b c v tuy n 16 61

B ng 3.11 Thông s biên tính toán trong mô hình 66

B ng 3.12 K t qu đánh giá sai s hi u ch nh mô hình 71

B ng 3.13 K t qu đánh giá sai s ki m đ nh mô hình 72

B ng 3.14 B tham s mô hình 73

B ng 3.15 Tr ng h p tính toán 73

B ng 3.16 Th ng kê k t qu tính sóng t i Hòn D u (đi m HD) 77

B ng 3.17 Th ng kê k t qu tính sóng t i ình V (đi m V) 78

B ng 3.18 Th ng kê k t qu tính sóng t i Cát H i (đi m CH) 79

B ng 3.19 Th ng kê k t qu tính sóng t i B ch ng (đi m B ) 80

B ng 3.20 Th ng kê k t qu tính sóng t i L ch Huy n (đi m LH) 84

B ng 3.21 Th ng kê k t qu tính sóng t i Hòn D u (đi m HD) 85

B ng 3.22 Th ng kê k t qu tính sóng t i ình V (đi m V) 86

B ng 3.23 Th ng kê k t qu tính sóng t i Cát H i (đi m CH) 87

B ng 3.24 Th ng kê k t qu tính sóng t i B ch ng (đi m B ) 88

B ng 3.25 Tr ng dòng ch y và t c đ dòng t i khu v c Cát H i (a- Tr ng dòng ch y, b- t c đ ) 94

B ng 3.26 K t qu tính toán mô hình th y l c 97

B ng 4.1 Gi i h n biên tham s áp d ng 101

B ng 4.2 Tính toán xây d ng quan h v n t c dòng và v t li u 102

PH N M U

1 Tính c p thi t c a tài

H th ng đê bi n H i Phòng đ c hình thành t lâu, tr i qua các quá trình tu b hàng n m t o thành m t h th ng đê có quy mô nh hi n nay Do v y quá trình hình thành k t c u thân đê không đ ng nh t, vào nhi u th i đi m khác nhau Có đo n đê đã

đ c xây d ng t lâu, có đo n m i đ c xây d ng do nhu c u m r ng di n tích b o v

T t c các tuy n đê bi n hi n t i đ u đ c xây d ng trên n n tr m tích tr m m y u và

b ng nhi u lo i v t li u khác nhau M t khác, đê bi n H i Phòng tr c ti p ch u tác đ ng

c a m a, bão, th y tri u, sóng và n c dâng nên tình hình s t l c ng di n ra r t ph c

t p, nhi u n i đã và đang xu ng c p nghiêm tr ng do ch a đ c đ u t đ ng b nh : kè mái b o v đê phía bi n thu c tuy n đê bi n I, II, III, đê bi n Cát H i

ê bi n Cát H i là m t trong 6 tuy n đê bi n và đê sông c a thành ph H i Phòng V tình hình xói l , hi n t ng xói l b bãi ngoài đê bi n Cát H i di n ra

th ng xuyên, liên t c do tác đ ng c a các y u t th y đ ng l c nh sóng, dòng ch y làm cho cao đ bãi b h th p, gia t ng m c đ tác đ ng c a sóng, dòng ch y lên công trình đê đi u, làm suy gi m kh n ng n đ nh công trình Ngoài ra trên h u h t các tuy n

đê bi n đ u có hi n t ng b i, xói c c b theo mùa do quá trình v n chuy n bùn cát ven

b gây nh h ng b t l i đ i v i an toàn đê đi u và c ng l y n c ph c v nông nghi p,

th y s n c bi t trong th i gian g n đây đê bi n Cát H i có hi n t ng xói chân kè, do

đá h c thi công trong b o v chân kè b dòng ch y và sóng tác đ ng m nh làm v n chuy n l ch kh i v trí ban đ u, gây nguy hi m t i n đ nh chân đê Vì v y, các bi n pháp làm n đ nh chân kè công trình đê b ng các gi i pháp công trình và phi công trình

• Thu th p tài li u s li u v đi u ki n t nhiên, kinh t xã h i, ch đ khí t ng

và th y h i v n khu v c bi n Cát H i - H i Phòng;

• Phân tích các quy lu t di n bi n và nguyên nhân xói l chân kè;

• S d ng mô hình toán đ xác đ nh đ c v n t c dòng ch y ven b làm c s cho vi c l a ch n v t li u đá h c h p lý;

• Xây d ng và tính toán v n t c, kích th c đá h c c n thi t đ s d ng làm v t

CH NG I T NG QUAN V V N NGHIÊN C U

1.1 Th c tr ng h h ng công trình đê bi n khu v c Cát H i

Toàn đ o Cát H i có 20,6 km đê bao quanh, trong đó có tuy n đê xung y u t B n Gót

đ n Hoàng Châu n m phía Nam đ o ch u tác đ ng tr c ti p c a sóng, gió n i có dòng

ch y ven b m nh nh t và d i b đang b xâm th c

Hình th c k t c u công trình đê đ p b ng đ t, riêng đo n đê B n Gót - Gia L c có k t

c u hoàn toàn b ng đá h c Mái đê phía bi n có kè lát mái b o v nh ng đo n xung

y u th ng xuyên ch u tác đ ng c a sóng tri u Ngoài ra, còn có h th ng 11 m hàn

đ c xây d ng t nh ng n m 90 c a th k tr c Hi n tr ng c th t ng đo n nh sau:

- o n B n Gót- Gia L c: Dài 3.100 m, cao trình đ nh +4m ÷ +4.5m, b r ng m t đê 2

m, h s mái d c phía sông m= 2,5 ~ 3, phía đ ng m= 1

Thân đê b ng đá h c kích th c đá nh , th ng xuyên b sóng đánh tung V i tri u

c ng và gió c p 5, c p 6, sóng bi n đã có th tràn qua m t đê và h t đá ra phía sau Bãi

bi n g n chân đê b xói l m nh càng làm cho kè kém n đ nh Trong c n bão 2005, m t

c t ngang đê g n nh không còn đ nh hình, m t đê nh , đá s p x p t nhiên ng n ngang,

g n nh là bãi đá N m 2008, có d án c i t o, nâng c p cho đo n đê này, nh ng vi c nâng c p tuy n đê bi n hi n t i ch mang tính t m th i trong th i gian ch d án c ng

L ch Huy n đi vào khai thác K t c u công trình b ng hình th c kè đá lát khan trong khung ô BTCT Trong các tháng 5, 6 và đ u tháng 7 n m 2011, Cát H i có 4 đ t tri u

c ng, và ch u nh h ng c a các c n bão s 2 (c n bão HAIMA), s 3 (bão Nock-ten),

v i s c gió đo đ c t i Hòn D u là c p 7, c p 8, gi t c p 9 vào lúc tri u c ng đã làm mái kè b xô s t n ng

- o n Gia l c – V n Ch n - Hoàng Châu: T ng chi u dài kho ng 1.500m, cao trình

+4,2m – +4,8m; b r ng m t đê Gia L c - V n Ch n là 2,5 m; đo n V n Ch n- Hoàng Châu 5 m; h s mái sông/mái đ ng là 3,5/ (1,5- 2,5);

Sau khi b tàn phá trong bão 2005 đ n nay đo n đê này đã đ c nâng c p có th coi là hoàn thi n

1.2 Gi i thi u các lo i kêt c u b o v chân kè đã áp d ng Vi t Nam

Ch ng xói chân kè bi n th ng g i là chân khay ây là 1 b ph n c c k quan tr ng trong công trình kè bi n, nhi u tr ng h p nó có ý ngh a thành b i c a c công trình

Ch ng xói chân kè có nhi u lo i đ c gi i thi u trong 14TCN130-2002: L ng th nhô,

l ng th th p, móng sâu, móng r ng và v a sâu và v a r ng Nh ng trong th c t , tr c đây ch đ n gi n là 1 l ng th đá h c, sau đó ph bi n s d ng ng buy

1.2.1 Chân kè b ng l ng th đá h c

ây là lo i chân kè ph bi n s d ng trong th i k tr c 1975 L ng th đá h c hình thang ng c th ng sâu không quá 0,6m, r ng không quá 2,0m á gia c c ng ch lo i d= (0,3÷0,35)m, nên r t d b h h ng, d n đ n s t s t mái kè Hi n nay ch còn th y s

d ng m t s kè b o v mái đê vùng khu t sóng nh m t s công trình Qu ng Ninh,

đê phá Th a Thiên Hu

1.2.2 Chân kè b ng các lo i ng buy

ng buy gia c chân kè th ng là ng buy BT (có c t thép ho c không c t thép) hình

tr tròn, l c l ng hay hình h p, m t hàng ho c 2 hàng ng kính ng buy th ng kho ng 1,0m÷1,2m, vách dày 0,15m, cao 1,0 ÷ 2,0m Trong ng buy ch a đá h c,

th ng thi t k có n p đ y Phía ngoài ng buy th ng là l ng th đá h c ho c th m r

đá, sâu 1-2 m, r ng 1-2 m

Chân kè C m Nh ng, Hà T nh Chân kè Cát H i

Chân kè ng buy hình h p, kè C a Lò Chân kè ng buy hình l c l ng

Hình 1.1 K t c u chân kè b ng ng buy

1.2.3 Chân kè b ng c c, c

T i đo n đê Táo Khoai (H i H u – Nam nh), n m 2006 s d ng lo i chân kè có k t

c u c c vuông BTCT có kích th c (35x35x900)cm, đóng cách nhau 1m Cao trình đ nh

c c -0,5m Kho ng gi a 2 c c đ c ch n b i b n BTCT kích th c (200x100x15) cm Phía ngoài c c là r đá (200x100x100)cm, phía trong là l ng th đá h c có s p x p,

đ c b o v phía trên b ng lo i c u ki n lo i 2 là t m BTCT M200#, kích th c

(40x40x40)cm

Hình 1.2 Hình nh chân kè b ng c c BTCT

1.2.4 Chân kè nhô cao

Chân kè b ng t ng nhô cao, ho c b ng ng buy, ho c b ng kh i tetrapod Chân kè nhô cao có th có tác d ng gi m sóng, n u cao h n s có tác d ng ng n ch n hi n t ng đá

- T t c các lo i gia c chân kè trong vùng nghiên c u đ u quá h p, không đ

r ng, đá gia c phía ngoài quá nh , do đó chân kè là b ph n d b h h ng s m

- Cao trình đ nh chân kè quá cao, n m trên m c n c th p, nên d b moi xói và làm s p mái kè

- Các lo i ng buy hình d ng khác nhau không c i thi n đ c tình hình xói chân kè

- M t s n i thi t k t m gi ng ng buy b ng đ BT t i ch , không c t thép,

th m đá ngoài ng buy c ng đ v a BT tr c ti p lên th m là không h p lý

1.4 Các nghiên c u trong và ngoài n c v b o v chân kè

c u b o v chân công trình c n ph i đ c thi t k có kích th c đ l n (chi u sâu và

ph m vi b o v ) Vi c l a ch n kích th c thi t k tr nên h p lý h n n u nó đ c

d a trên c s d báo kích th c h xói tr c chân công trình, n đ nh c a v t li u b o

v chân đê, kè bi n Khi viên v t li u b o v chân m t n đ nh, thì vi c phát tri n các

h xói chân di n ra m nh m h n d i các tác đ ng c a sóng và dòng ch y M i quan

h gi a dòng ch y, b r ng bãi, kích th c và lo i v t li u b o v chân kè luôn là bài toán ph c t p trong k thu t bi n nghiên c u các m i quan h này trên th gi i có

r t nhi u các tác gi đi sâu tìm hi u và chia thành nh ng bài toán nh h n

Nghiên c u v m i quan h gi a chân công trình và bãi bi n: có th k đ n nh ng nghiên c u c a: Kraus, 1988; Kraus và McDougal, 1996; Plant and Griggs, 1992 v

m t c t bãi bi n và nh h ng c a nó t i công trình b o v b Nghiên c u c a Miles

et al (2001) đã ch ra r ng công trình “c ng” có th gây ra sóng l n do s ph n x và

t o ra s l p l i và quá trình v n chuy n bùn cát d n đ n xói quá m c đáy bi n vùng ven b (Dean, 1987; Lee và Ryu, 2008) Komar và McDougal (1988) đã gi thi t r ng:

nh ng bãi bi n li n k công trình b o v b có th b xói r t l n và đ c g i là nh

h ng chân t ng đ ng (Basco, 2006; Dean, 1987) Các c ch có th v i nh h ng

t ng đ ng có th do b y bùn cát (Dean, 1987), ch n dòng ven b (Griggs and Tait, 1988) ho c dòng rip và dòng ch y h ng tr l i phía bi n (McDougal & nnk., 1987)

M c dù th c t r ng nhi u nghiên c u v s n đ nh c a các lo i đá trong b o v đáy

d i dòng n c ch y đã đ c ti n hành, ki n th c c a chúng ta v n còn xa v i đ tin

c y và s ti n b đ t đ c Các v n đ nh làm th nào đ xác đ nh các t i tr ng v

th y l c tác đ ng trên nh ng viên đá trên đáy bi n và làm th nào đ đánh giá s n

đ nh c a các lo i đá là ch y u và thách th c nh t trong nghiên c u đ n đ nh viên đá

Th nh t, đi u quan tr ng là các l c v th y l c tác d ng lên viên đá trên m t n n

đ c đ nh l ng đ y đ M t tham s n đ nh - đã th hi n nh m t m i quan h không th nguyên gi a t i tr ng c a n c và c ng đ c a n n - th ng là s d ng đ

đ nh l ng nh h ng c a các l c đó lên trên n n Khi có s dao đ ng lên xu ng b t

th ng c a dòng ch y thì t m quan tr ng đ i v i s n đ nh c a viên đá, các nh

h ng c a chúng đ c đ a vào tính toán, đ c bi t là cho nh ng dòng ch y không đ ng

nh t (Hoffmans và Ackermann, 1998; Pilarczyk, 2001; Jongeling et al., 2003; Hofland,

n m 2005, nh ng ng i khác) Trong m t vài nghiên c u có s n, các tham s không

n đ nh đ c ch ng minh đ y đ trong vi c đ nh l ng nh h ng c a t i tr ng lên trên n n v i dòng ch y không đ ng nh t

Th hai, ph ng pháp mà s n đ nh c a các lo i đá đ c đánh giá c ng đóng m t vai trò quan tr ng Công th c n đ nh có đ c s d ng đ xác đ nh đá kích th c và tr ng

l ng ch y u đ c d a trên khái ni m v chuy n đ ng c a v t li u đáy (Buffington

và Montgomery, 1997) Do tính ch t ng u nhiên c a s d ch chuy n v t li u đáy, m t

đi u ki n dòng ch y m nh m trong đó nh ng viên đá b t đ u đ d ch chuy n thì không t n t i Vì v y, ng ng d ch chuy n là m t v n đ khá ch quan và ph ng pháp đánh giá s n đ nh viên đá d a vào tiêu chu n thi t k b t đ nh (Paintal, 1971;

WL | Delft Hydraulics, 1972; Hofland, 2005) Ng c l i, các ph ng pháp đánh giá s

n đ nh d a trên khái ni m v n chuy n đá d n đ n m t k t qu v i m t m i quan h

gi a nguyên nhân và h qu , gi a các thông s dòng ch y và các ph n ng c a đáy,

n n M t m i quan h cung c p cho vi c tiêu chu n thi t k phù h p và đáng tin c y

h n, cho phép c tính thi t h i tích l y qua th i gian mà là quan tr ng đ i v i vi c ra quy t đ nh liên quan đ n t n su t duy trì và phân tích vòng đ i c a công trình th y (Mosselman et al, 2000; Hofland, 2005) áng ng c nhiên, h u h t các nghiên c u

tr c đây v s n đ nh viên đá b h n ch khái ni m ng ng n đ nh và ít c g ng đ

l y đ c công th c v n chuy n đá K t qu là, không có m i quan h v t lý gi a t i

tr ng th y l c và ph n ng c a đáy cho dòng ch y không đ ng nh t

M c dù đã có r t nhi u nghiên c u và r t nhi u báo cáo, nh ng ki n th c v ng x

c a các h t khi ch u tác đ ng c a dòng ch y v n ch là kinh nghi m Trong s n l c

đ hi u đ c tính n đ nh c a các h t r i, đi u quan tr ng là ta ph i bi t đ c nh ng

l c nào tác d ng gây nên chuy n đ ng c a viên đá Chúng ta s xét m t dòng ch y r i

và đáy g n nh n m ngang

Hình 1.4 L c tác d ng c a dòng ch y lên h t

d g K

= u d

g

= d g -

w

w s 2

Công th c c b n nh t v dòng đ u ch có công th c Shields t n m 1936 Shields đã

đ a ra m i quan h gi a ng su t ti p không th nguyên và s th c nghi m Reynolds

ã có r t nhi u n l c trong vi c tính toán h s t l trong công th c (1) Ví d nh h cân b ng theo ph ng n m ngang và l p công th c l c ma sát có th đ i v i h s ma sát trong c a v t li u ΣFH = W.tgφ

Hình 1.5 nhám t ng đ i c a h t

V i tgφ ≈ 1 đ i v i đá, d n t i giá tr v n t c t i h n cao h n nhi u, th m chí khi v n

t c c c tr c a dòng r i đ c thay cho giá tr trung bình

T ng t c ng đúng cho cân b ng mô men xung quanh đi m A nh trên Hình 1-5

i u này còn ph c t p h n do trong th c t các ph n nhô ra c a t ng viên đá tính toán

l n h n l p b o v b ng đá x p xung quanh cho nên càng n đ nh h n Trên hình v cho th y nh h ng c a ph n nhô ra đ i v i giá tr ψc xác đ nh b ng thí nghi m (Breusers/Raudkivi, 1991, ho c xem Wiberg/Smith, 1987) S khác nhau gi a ph n nhô ra c a viên đá d i đáy dòng ch y nói riêng và s khác nhau gi a kích th c và hình d ng c a v t li u t nhiên nói chung đã làm n y sinh ph ng pháp phân tích s

n đ nh c a viên đá Th c t , toàn b khái ni m v v n t c gi i h n là khái ni m ch a

ch c ch n

Trên đây có đ c p đ n v n t c gi i h n có liên quan đ n s n đ nh c a h t, tuy nhiên, vi c xác đ nh đ c giá tr gi i h n là r t khó kh n ngay c khi ti n hành trong máng thí nghi m Khi v n t c nh , m t vài hòn đá có th chuy n đ ng m t chút có th

do nhô ra cao h n m t b ng ho c v trí không thu n l i Khi đ n v trí m i nh ng viên đá này s thôi d ch chuy n, nên r t khó có th th y ng ng c a chuy n đ ng trên toàn b b m t đáy Khi v n t c dòng ch y t ng lên, m t vài hòn đá s d ch chuy n t

ch này t i ch kia v i kho ng cách nh t đ nh nào đó, l n h n n a s gây ra s chuy n

c a các viên đá kh p n i i u này rõ ràng ph thu c vào ng ng chuy n đ ng V y làm th nào đ xác đ nh ng ng này?

Hình 1.6 Phân b t i tr ng và c ng đ - Ngo i suy chuy n đ ng

Trên th c t không t n t i giá tr v n t c gi i h n! Do hình d ng c a viên đá trong t nhiên, v trí c a viên đá, đ nhô ra phía dòng ch y là b t k nên r t khó tìm đ c b n

ch t và s n đ nh c a t t c các viên đá d i đáy B n thân dòng ch y chuy n đ ng

h n lo n, đi u đó ngh a là các v n t c c c tr và ng su t có th l n h n giá tr trung bình V m t lý thuy t không t n t i m t gi i h n nào c Hình 1-6 cho th y phân b xác su t c a s xu t hi n chuy n đ ng và ng su t ti p gi i h n t i m t v trí xác đ nh

Ta th y ng su t ti p trung bình c a dòng ch y nh h n ng su t ti p gi i h n trung bình Do s phân tán t giá tr t i tr ng và c ng đ trung bình, nên v n xu t hi n chuy n đ ng c a các viên đá Chúng ta có th th y không có giá tr nào th p h n giá

tr gi i h n làm cho viên đá chuy n đ ng

Ng ng c a s chuy n đ ng là v n đ chính khi ti n hành thí nghi m Hình 1-7 là đ

th Shields là k t qu nghiên c u s kh i đ u chuy n đ ng (Vi n th y l c Delft, 1969)

Có th phân lo i thành 7 tr ng thái chuy n đ ng:

0 Không có chuy n đ ng nào

Tiêu chu n Shields phù h p v i tr ng thái 6 h n c Shields tìm ra các giá tr này b ng cách ngo i suy các giá tr đo s v n chuy n c a v t li u tính t i 0 Hình 1-7 (a) cho ta

m t ý t ng v tr ng thái v n chuy n và trình bày k t qu đ t đ c trong thí nghi m

c a Shields

Hình 1.7 Ng ng chuy n đ ng Ngo i suy v n chuy n tính t i 0 (a) và theo Paintal (b)

N m 1971, Paintal đã ti n hành m t thí nghi m t ng t (đ i v i v t li u thô h n) nh thí nghi m c a Shields, nh ng không ngo i suy các giá tr đo đ c t i 0 Thay vào đó, ông xác đ nh s v n chuy n trên 1m chi u r ng và qs

Nh ng nh n xét thú v v Shields và ng ng c a chuy n đ ng đ c vi t trong cu n Buffington/ Montgomery n m 1997 và Buffington n m 1999

i v i đ n đ nh và tính xói c a công trình, kích th c đá hay cát là thông s r t quan tr ng Tuy nhiên, có r t nhi u đi u v n đ không rõ ràng khi xác đ nh kích th c

t ng viên đá hay kích th c c a h t, ch a k đ n l c d ch chuy n v t li u Chúng ta đã

bi t v t li u trong t nhiên g n nh có d ng kh i c u, hình t m, hình l p ph ng hay hình tr v i b m t tr n nh n ho c g gh , đ nh ngh a v m t kích th c là v n đ vô cùng ph c t p S ph c t p khác đó là cách xác đ nh kích th c các h t trong th c t

V i nh ng h t có kích th c nh , chúng ta có th dùng sàng, nh ng không th th c

hi n đ c v i đá có kích th c l n V i đá l n có th cân, nh ng l i không dùng cách này v i đá nh Chúng ta có th hình dung r ng tr ng l ng viên đá là nhân t quy t

đ nh đ n s n đ nh c a chúng i u này d n t i vi c s d ng đ ng kính đ c tr ng

trong th y l i trong nh ng th p k g n đây i u này đ n gi n là đ ng kính viên đá

h t hay d ng đ ng cong phân ph i khác nh trong ph l c A Ng i ta th ng dùng

giá tr trung bình đ bi u th phân lo i h t V i d 50 hay d n50 là 50% kh i l ng c a các

tr , s n đ nh c ng gi ng nh đá th ng, và ta v n s d ng giá tr d n50 Vi c s d ng giá tr d50 ngày càng ph bi n trong th c t tính toán v i v t li u b o v t nhiên i

v i h t có kích th c nh , nh cát ch ng h n, đ ng kính sàng đ c ch n làm tiêu chu n gi ng nh d50 ng kính d th ng l n h n 20% so v i d n

Có th nói cho đ n nay vi c nghiên c u n đ nh c a v t li u đá b o v chân công trình

v n đang còn nhi u tranh cãi, các nhà khoa h c v n đang ti p t c nghiên c u chi ti t

h n cho t ng bài toán c th xoay quanh v n đ này

1.4.2 T ng quan tình hình nghiên c u trong n c

Vi t Nam nghiên c u các nh h ng c a dòng ven b đ n n đ nh c a viên đá b o

v chân r t ít và h u nh ch y u nghiên c u m t s khía c nh liên quan đ n bài toán này

Mái đê, b sông, b bi n th ng xuyên ch u tác đ ng c a sóng và dòng ch y… Các tác đ ng này là nguyên nhân chính gây ra xói l b sông, b bi n, phá v h th ng đê

đi u gây ra th m ho cho nh ng ng i s ng ven sông, ven bi n Hàng n m nhà n c

ph i b ra m t kho n kinh phí l n đ kh c ph c h u qu do xói l b sông, b bi n và

ng p l t do v đê Nh m h n ch th p nh t nh ng thi t h i do thiên tai, nhà n c Vi t Nam đã có nh ng chi n l c và nh ng d án c th nh m thích ng v i nh ng k ch

b n v bi n đ i khí h u toàn c u nh h ng đ n n c ta gi i quy t nh ng v n đ

y, trong xây d ng ng i ta s d ng k t c u b o v mái d c đ c g i là kè b o v mái

d c (KBVMD) Kè có hai b ph n chính ch u tác đ ng tr c ti p c a sóng và dòng

ch y là thân kè và chân kè Trong nhi u n m qua Vi t Nam đã s d ng công ngh truy n th ng, nghiên c u sáng ch và ng d ng nhi u công ngh n c ngoài nên hi n nay k t c u KBVMD t n t i n c ta t ng đ i phong phú và đa d ng Tuy nhiên có

th khái quát k t c u thân kè thành m t s d ng k t c u chính D ng th nh t là k t

c u t i r i nh kè đá đ , đá x p, c u ki n bê tông không liên k t… D ng th hai là k t

c u li n kh i nh đá xây, bê tông, bê tông c t thép li n kh i D ng th ba là k t c u

m ng m m nh các m ng b ng c u ki n bê tông t chèn, c u ki n bê tông cài vào l i thép, các c u ki n bê tông xâu dây ni lông… D ng th t là các k t c u m m nh túi cao su cát… K t c u chân kè c ng có nhi u d ng D ng th nh t là các kh i đá x p,

kh i bê tông x p li n k … D ng th hai là k t c u c ng nh các t ng đá xây, t ng

bê tông, bê tông c t thép… D ng th ba là các ng bê tông đúc s n có chu vi tròn ho c

đa giác trong b đá h c… Tu t ng đi u ki n c th các k t c u trên c ng đã b c l rõ

u nh c đi m sau nh ng l n g p bão l

Tu thu c vào t m quan tr ng và quy mô c a d án, KBVMD đ c thi t k nh ng

m c đ m b o v an toàn khác nhau Ph n l n các d án tính toán theo tiêu chu n k thu t m i ch làm vi c đ n bão c p 9 c p 10 Liên ti p hai n m 2005 và 2006 bão đã

đ b tr c ti p vào Thanh Hoá và Nam nh v i c p đ l n h n c p đ thi t k , đê

bi n b tràn, KBVMD b h h ng, có kè b phá hu hoàn toàn Trên cùng đo n đê đ c

s d ng nhi u ki u k t c u thì k t c u kè m ng m m b ng các k t c u ki n bê tông t chèn, chân kè b ng các ng bêtông trong đ đá h c thì m c đ h h ng ít h n so v i các hình th c k t c u khác, KBVMD ch ng xói l b sông khu v c Sài Gòn và đ ng

b ng Nam B c ng t ng đ i đa d ng

Các nghiên c u c i ti n và phát tri n kè b o v mái d c có k t c u m ng

m m và chân khay b ng đá đ trong ng bê tông, t nh ng n m 70 c a th k 20 tr l i

đây đã có nh ng đóng góp đáng k v m t th c ti n và lí lu n trong k hu t đê kè

n c ta Các tác gi đã cung c p các thông tin v tình hình nghiên c u và phát tri n hai

lo i k t c u này, đ ng th i gi i thi u k t qu phân tích k t c u m ng m m CM 5874

và chân kè HWRU-TOE-2001 b ng ch ng trình tính toán ABAQUS Các nh n đ nh

t nh ng k t qu tính toán m i phù h p v i nh ng nh n đinh c a các nghiên c u b ng

mô hình th c nghi m và các mô hình tính toán khác v tính b n v ng, v kh n ng

gi m thi u chi u dày c u ki n nh ng v n đ m b o đ c đi u ki n an toàn theo thi t k

đó i u đó đã t o ra tri n v ng m i cho vi c nghiên c u t i u k t c u đ thích ng

đ c v i nh ng tác đ ng ngày m t ph c t p h n c a thiên nhiên Trong nhi u n m qua k t c u m ng m m b ng các kh i bê tông t chèn tr giúp b ng l i thép có nhi u thu n l i trong thi công và b n v ng tr c tác đ ng c a các dòng ch y gây xói c a sông đã đ c ng d ng vào nhi u d án đ ng b ng sông C u Long…K t c u KBVMD b ng các c u ki n bê tông nh T1, T2, T3, TSC-178 đã đ c đ a vào xây

d ng n c ta t nh ng n m cu i th p k 70 c a th k 20, trong đó đáng chú ý là k t

c u TSC-178, tác gi là Phan c Tác có liên k t t chèn đ t o thành m ng m m, đã

đ c c p b ng đ c quy n sáng ch Tuy v y mãi đ n nh ng n m đ u c a th p k 90 sau khi k t thúc đ tài khoa h c công ngh c p nhà n c “Nghiên c u hoàn thi n công ngh k t c u TSC-178”, k t c u đ c ki m ch ng b ng nh ng thí nghi m th c hi n phòng thí nghi m v t r n bi n d ng tr ng đ i h c Thu L i và phòng thí nghi m thu

l c c a Vi n Khoa H c Thu L i, k t c u TSC-178 m i có s c thuy t ph c v c s khoa h c và th c ti n.Các n i dung nghiên c u chính v k t c u KBVMD m ng m m

và k t c u TSC-178 th i kì này đã đ c công b trong lu n án ti n s Phan c Tác,

Trong tiêu chu n TCVN 9901-2014: Tiêu chu n thi t k đê bi n có đ a ra công th c kinh nghi m trong vi c xác đ nh kích th c viên đá chân khay, trong đó có xác đ nh thông qua v n t c c c đ i c a dòng ch y do sóng t o ra chân đê

s s

s max

L

h 4 sinh.

g L

.H V

ππ

π

=

(1.3) Trong đó:

Hình 1.8 C u t o chân khay kè bi n

1.5 K t lu n ch ng

Chân kè là b ph n quan tr ng đ b o v mái kè tr c tác đ ng c a sóng và dòng

ch y Chân kè thông th ng ch t o b ng ng buy, b ng d m bê tông c t thép, th m đá,… nó có nhi m v gi n đ nh cho c mái kè và thân đê Bên ngoài chân kè có

th m đá ch ng xói, trong m t s tr ng h p ng i ta k t h p v t li u c a chân kè và

ph n b o v bãi ti p giáp chân kè là đá, có th b trí n i (cao h n m t bãi bi n t nhiên) ho c v a b ng m t bãi Trong t c t chân kè t i tuy n nghiên c u v n x y ra s

c : đá h c b o v chân b cu n trôi và chà xát b m t kè, chân kè ông buy b đ y tr i

và b n mòn t n c bi n Vì v y các ch ng ti p sau c a lu n v n s t p trung nghiên c u c ch phá ho i c a hai hi n t ng trên

CH NG II C S LÝ THUY T NGHIÊN C U DÒNG CH Y VEN B VÀ

bi t quan tr ng khi chúng k t h p v i sóng và làm v n chuy n bùn cát ven b Do đó

nó là m t y u t r t quan tr ng có vai trò kh ng ch s di n bi n và hình thái c a b

bi n (hình 2-1)

Theo Komar, có hai h th ng dòng ch y do sóng t o thành vùng ven b chính, đó là

h th ng dòng ch y tu n hoàn bao g m dòng tiêu (dòng tách b ) k t h p v i dòng

ch y d c b và dòng ch y d c b hình thành khi sóng chuy n đ ng t i g n b theo

m t góc xiên so v i đ ng b Các h th ng dòng ch y trên đ c mô t t ng ng v i Hình 2-1(a) và Hình 2-1(c) Hình 2-1(b) mô t d ng dòng ch y trung gian gi a hai h

th ng dòng ch y đã nêu trên Tr ng dòng ch y có tác d ng chi ph i dòng ch y tu n hoàn g n b ph thu c ph n l n vào các sóng t i theo m t góc nghiêng so v i đ ng

b Khi sóng v v i đ ng đ nh sóng th c s song song v i h ng đ ng b trung bình, dòng ch y đ c hình thành có d ng dòng tu n hoàn nh Hình 2-1(a) Dòng tiêu

là m t thành ph n c a dòng tu n hoàn; trong đó dòng ch y theo h ng v phía bi n tính t vùng sóng v N u sóng v t o thành m t góc t ng đ i l n so v i đ ng b , trong vùng sóng v s hình thành dòng ch y có h ng song song v i đ ng b và b

gi i h n gi a b bi n và d i sóng đ nh Hình 2-1(c) Dòng ch y này đ c bi t r t có

ý ngh a khi nó gây nên hi n t ng v n chuy n bùn cát theo h ng d c b Nó có th

v n chuy n bùn cát d c b bi n trên quãng đ ng hàng tr m kilômét D ng tr ng dòng ch y trung gian, Hình 2-1(b) th ng xu t hi n khi sóng v t o v i đ ng b m t góc nh ho c khi tr ng dòng ch y khu v c g n b b chi ph i m nh m b i đi u

ki n đ a hình đáy bi n

Hình 2.1 Tr ng dòng ch y quan tr c g n b , ph thu c ph n l n vào góc sóng v

(αb)

a) Khi góc gi đ ng đ nh sóng song song v i đ ng b (αb = 0), dòng tu n hòa đ n

v , b chi ph i b i dòng tiêu có h ng v phía bi n

c) Khi góc αb l n, dòng ch y hình thành do sóng v có h ng song song v i đ ng

b

Các dòng ch y này cho bi t h ng d ch chuy n vùng cát trên b bi n và làm thay đ i hình d ng c a đ ng b Hình thái b bi n th ng ph n ánh tr ng dòng ch y, và nó

có tác d ng v n chuy n các v t trôi n i và bùn cát t o thành nh ng lu ng dòng ch y có màu s c hoàn toàn khác bi t v i vùng n c xung quanh nó

Hình 2.2 H th ng dòng ch y tu n hoàn Dòng tiêu đ c nuôi d ng b i các dòng ch y có h ng d c b bên trong vùng sóng

v có đ l n dòng ch y nh nh t b ng 0 t i đi m gi a c a hai dòng tiêu k ti p nhau,

và đ t t i giá tr l n nh t ngay t i đi m khi dòng tiêu đ i h ng ra phía bi n (Hình 2-1) Dòng tu n hoàn g n b bao g m dòng ch y d c b có tác d ng nuôi d ng các dòng tiêu; kéo dài qua d i sóng v ; khuy ch tán t i ph n m i dòng tiêu, và dòng ch y

h i quy t ngoài vào trong b s thay th ph n n c b d ch chuy n kh i b d i tác

d ng c a dòng tiêu (Shepard and Inman, 1950a,1950b) D ng lý t ng nh t c a dòng

tu n hoàn là dòng ch y đ c hình thành trong đó có dòng tiêu có h ng vuông góc v i

b , dòng ch y trong vùng sóng v có h ng d c b nuôi d ng các dòng tiêu đ u theo

c hai phía (Hình 2-1) Tuy nhiên, các dòng tiêu th ng c t ngang d i sóng v theo

m t đ ng chéo (hình 2.1(b)), và dòng ch y nuôi d ng dòng d c b ho c có h ng khác nhau ho c có c ng đ dòng ch y khác nhau

Hình 2.3 Mô hình bi u di n dòng do sóng tác đ ng vào b

S hình thành c a dòng tiêu đ c gi i thích theo ph ng pháp hi n đ i trên c s phát

tri n các khái ni m v ng su t t a c a n ng l ng sóng (radiation stress) c a

Longuet-Higgins và Stewart (1964) Theo nh ng phân tích và gi i thích đ u tiên c a Bowen (1969a), dòng tu n hoàn chính là k t qu do s bi n thiên c a chi u cao sóng theo h ng d c b , s bi n thiên này s sinh ra s chênh l ch v m c n c t i các v

trí khác nhau d c theo b bi n Cách gi i thích này đ c hinh h a Hình 2-3 Chi u

cao n c dâng do thành ph n Sxx v phía b c a ng su t t a đ c cân b ng v i gradient áp l c c a c a đ d c m t n c có h ng v phía bi n vùng ven b Bi u

th c cân b ng l c đ c vi t nh sau:

2

813

Trong đó, đ d c trên m t c t ngang c a chi u cao n c dâng đ c ký hi u b ng η, có

t ng quan tr c ti p v i đ d c c a bãi bi n S0 = ∂h/∂x, nh ng không ph thu c tr c

ti p vào chi u cao sóng t i

Tuy v y, do các sóng l n s v t i vùng n c sâu h n các sóng nh và do đó sóng dâng s xu t hi n xa h n v phía bi n trên các v trí d c theo b bi n n i xu t hi n các sóng l n h n Trong vùng sóng v , m c n c trung bình v phía b , do các sóng l n

h n khi v t o thành, s cao h n so v i các sóng nh Do v y, gradient áp l c s hình thành và t o thành dòng ch y d c b bi n t n i có sóng và n c dâng cao đ n n i có sóng th p h n lân c n

2.1.4 Dòng ch y d c b hình thành do sóng tác d ng theo h ng xiên góc v i

đ ng b

Dòng ch y d c b hình thành khi sóng tác d ng theo h ng xiên góc so v i đ ng b

là v n đ đ c quan tâm m t cách đáng k vì nó có vai trò r t l n t i quá trình v n chuy n bùn cát d c b bi n Có th nói r ng, t i nay các hi u bi t v s hình thành c a dòng d c b và kh n ng tính toán v n t c dòng ch y d c b là khá hoàn ch nh Tuy

v y, các nghiên c u chi ti t v s hình thành dòng ch y d c b v n còn nhi u v n đ

đ i v s hình thành dòng ch y d c b đ u đ c xu t phát t nh ng k t qu nghiên

c u c a Bowen (1969b), Longuet-Higgins (1970a, 1970b), và Thornton (1970) Các nghiên c u này đ u s d ng ng su t t a đ mô t m ch đ ng c a đ ng l ng sóng,

Khi sóng v song song v i b , nh đã xét t i ph n trên, s có m t ng su t t a có

h ng vào b (Sxx), thành ph n m ch đ ng c a đ ng l ng có liên quan t i sóng, và

đ ng n ng l ng sóng trên m t đ n v chi u dài b bi n (ECn cosα), nhân v i sinα/C,

là h s h ng s l y theo lu t Snell, n u các đ ng đ ng m c đáy song song v i đ ng

b Vì th , n u ma sát đáy là không đáng k , m ch đ ng n ng l ng là h ng s và do

đó mà Sxy = h ng s không đ i Do đó, khi chu i sóng t vùng n c sâu di chuy n t i

g n b thì thành ph n, Sxy g n nh không thay đ i và b tiêu bi n khi sóng v trên b

bi n S tiêu tán c a Sxy vùng g n b là nguyên nhân tr c ti p hình thành nên dòng

d c b C n l u ý r ng, khi α = 0, Sxy = 0, theo ph ng trình (2.2), s không có l c tác

d ng t o thành dòng ch y d c b

“L c đ y” th c s t o thành dòng ch y d c b là gradient có h ng v phía b

∂Sxy/∂x, đó là, s tiêu tán c c b c a thành ph n Sxy khi sóng phát tri n c t ngang qua bãi bi n Áp d ng lý thuy t sóng tuy n tính khi đánh giá m t đ n ng l ng sóng

(E = ρgH2/8), đ o hàm ph ng trình (2.2) theo bi n x, thu đ c

5

sin os4

trong đó h là đ sâu n c c c b , và S= dh/dx là đ d c bãi bi n (khi đ o hàm, gi

thi t cosα ≈ h ng s ) và ς xét t i s bi n đ i chi u cao n c dâng do sóng c a đ sâu

n c so v i đ sâu n c tr ng thái t nh T ng quan này còn có th đ c bi n di n

d i d ng v n t c qu đ o l n nh t theo ph ng ngang c a sóng, um trong đó um =

gh (theo lý thuy t sóng tuy n tính trong vùng n c nông),do v y

2

5

sin os4

c hai ph ng trình quan h trên ς = 1/[1 +(3γ2/8)], thì γ là t s gi a chi u cao sóng

v i đ sâu n c c c b Trong phân tích này, c γ c ng nh ς đ c gi thi t là h ng s

khi sóng v và chuy n đ ng c t ngang bãi bi n sâu n c h và v n t c qu đ o sóng u m đ u gi m khi sóng c t ngang qua bãi bi n và ti n t i g n b Do s ph n x sóng trên ph n n c tràn lên bãi bi n nên sinα và h c ng gi m d n, và do v y mà “l c

đ y c c b ” (local thrust) ∂Sxy/∂x trong ph ng trình (2.3a) s gi m trên m t c t ngang bãi bi n, và đ t giá tr l n nh t t i vùng sóng v và b ng 0 t i b bi n

Mô hình dòng ch y d c b đ n gi n nh t trên coi l c đ y là cân b ng v i l c c n do

ma sát kéo c a dòng d c b L c c n do ma sát kéo đ c Longuet-Higgins (1970a)

Trong đó νL là v n t c c a dòng ch y d c b và Cf là h s ma sát kéo không th nguyên Cân b ng hai l c có chi u ng c nhau trong ph ng trình (2.3b) và (4.3) cho dòng n đ nh, và gi i ph ng trình cân b ng, thu đ c νL

n gi n hóa ph ng trình (2.5), t lý thuy t c a Longuet-Higgins, có th th y r ng,

v n t c dòng ch y d c b thì t l v i u m sinαb cosαb , v i đ d c bãi bi n S và h s

ma sát kéo Cf , đây là các h s ch y u có liên quan t i đ l n c a dòng ch y d c b Komar và Inman (1970) đã đ c l p phát tri n và thu đ c m t t ng quan gi ng nhau

(2.7a)

Nó đ c bi u di n d i d ng c n b c hai c a chi u cao sóng v , Hbr hay chi u cao c a các sóng đ ng d ng trong phòng thí nghi m i v i các sóng ng u nhiên, t ng quan

gi a chi u cao sóng v có ngh a H bs có th đ c l y x p x nh sau:

(2.7b) Trong r t nhi u ph ng trình đã đ c xây d ng đ tính toán d báo v n t c dòng ch y

d c b do sóng tác d ng v i m t góc nghiêng so v i b bi n, thì ch có ph ng trình (2.7a) và (2.8b) và cho k t qu t t nh t so v i s li u th c đo t i đi m gi a c a vùng sóng v Giá tr này c ng r t phù h p k c v i v n t c d c b l n nh t khi sóng t o

nh ng s d ng thêm m t gi thi t là l y h s ma sát kéo Cf = 0.01 Công th c 2.8 c a CERC m i ch đ c ki m ch ng b ng các s li u th c đo c a Putnam, Munk, và Traylor (1949) và s li u đo trong phòng thí nghi m c a Galvin and Eagleson (1965)

Vi c s d ng công th c này trong tính toán có th d n t i nh ng sai s v t quá m c cho phép

2.1.4.2 Phân b v n t c dòng ch y d c b

Ph n trên đã trình bày các tính toán v n t c trung bình c a dòng ch y d c b t i vùng sóng v Tuy nhiên trong th c t , h u h t các ng d ng và nghiên c u trong vùng sóng

v đ u c n bi t đ c s phân b l u t c, d ng phân b l u t c, c ng nh s bi n thiên

c a d ng phân b l u t c trên toàn b chi u r ng c a d i sóng v Bowen (1969b), Longuet-Higgins (1970b), và Thornton (1970) đã phân tích d ng phân b l u t c này

trên c s xét t i giá tr c c b ∂Sxy/∂x c a l c đ y và l c ma sát kéo, s bi n thiên

c a các l c này theo ph ng x c a h t a đ trên m t c t ngang Các nghiên c u c a

h còn bao g m c quá trình hòa tr n theo ph ng ngang, có tác d ng là tr n hình

d ng c a m t c t ngang

Theo Longuet-Higgins (1970b) thì hình d ng c a tr ng phân b l u t c dòng ch y

d c b trên chi u r ng c a d i sóng v s có d ng nh sau:

1 1 2 2

1

P P

đi m ngoài kh i cách b 1 kho ng cách là x, và v0 là v n t c dòng ch y d c b t i

đi m sóng v , đ c xác đ nh b ng công th c sau :

nó ph thu c vào tr ng thái sóng (chi u cao, chu k , góc sóng) và có d ng gi ng nh

công th c (2.5) đã đ c ki m ch ng ph n trên S bi n thiên c a các h s trong h

ph ng trình (2.9a) đ i v i m t m t c t ngang hoàn ch nh có d ng nh sau:

C

πγ

2 2

Theo ph ng trình (2.9e), P là tham s không th nguyên đ i di n cho t m quan tr ng

c a quá trình hòa tr n theo ph ng ngang, có k t i h s N, so v i h s ma sát kéo

Cf N u nh không có quá trình xoáy tr n theo ph ng ngang, thì N = 0 và P = 0, lúc này d ng phân b l u t c c a dòng ch y d c b s có hình r ng c a và gián đo n t i

đ ng sóng v (Hình 2-4) Qua d ng phân b trên có th th y r ng, dòng ch y d c b

do l c đ y ∂Sxy/∂x t o thành ch xu t hi n trong ph m vi d i sóng v , bên ngoài d i sóng v v phía bi n, s không còn thành ph n l c đ y này n a N u quá trình r i

đ ng d n t i hi n t ng hòa tr n và khuy ch tán t ng lên thì h s P c ng t ng, d ng

đ ng phân b l u t c chuy n thành đ ng cong tr n và g n v i th c t h n, đ ng

th i đi m có v n t c l n nh t trên bi u đ phân b l u t c d c b s d ch chuy n d n

v phía b v i đ l n c a l u t c l n nh t gi m d n Quá trình r i đ ng h n h p cùng làm liên k t ph n n c bên ngoài vùng sóng v v i dòng ch y bên trong vùng sóng

v , t o thành m t dòng ch y d c b bên ngoài vùng sóng v mà không có s gián

đo n t i d i sóng v

Hình 2.4 Phân b l u t c d c b

2.2 Lý thuy t nghiên c u n đ nh chân kè

2.2.1 Khái ni m v xói chân kè

Xói là tr ng h p đ c bi t c a quá trình v n chuy n bùn cát và xu t hi n khi s v n chuy n c c b v t quá ngu n cung c p cho nó S khác nhau trong quá trình v n chuy n có th là do s khác nhau v v n t c ho c dòng ch y r i ho c do c hai, x y ra

đ chênh l ch (gradient) v n chuy n bùn cát d c b , ngoài ra c ng có tr ng h p xói

là do nguyên nhân v n chuy n bùn cát t sông mang ra trong m i mùa là khác nhau,

do nguyên nhân khai thác ngu n l i cát ph c v cho xây d ng và khai khoáng v t

m c cho phép, ch đ gió có luôn thay đ i theo mùa, hay gió thay đ i ngay trong m t

c n bão… Nh ng nhìn chung t t c nguyên nhân trên đ u làm cho s thay đ i v n chuy n bùn cát thay đ i (ch y u là h ng d c b ) gây ra xói b i vùng b bi n

2.2.2 Phân lo i

Có hai hình th c xói là xói th ng xuyên và xói c c b Xói th ng xuyên là xói do

tác đ ng liên t c c a dòng ch y và sóng trong quá trình v n chuy n bùn cát d c b Xói c c b , tr ng h p đ c bi t c a quá trình v n chuy n bùn cát, nguyên nhân phát

v n chuy n bùn cát d c b d i tác đ ng c a biên c c đ i sóng trong bão, dòng ch y

d c b hình thành khi sóng tác d ng theo h ng xiên góc v i đ ng b s v n chuy n bùn cát d c theo b bi n Do s bi n đ i h ng c a đ ng b ho c s bi n đ i v đ sâu, đ d c bãi, ho c thành ph n h t bùn cát mà su t chuy n bùn cát d c b c ng s

bi n đ i t ng ng Bùn cát xói l s b v n chuy n ra kh i đo n b bi n và không quay tr l i n a Ngoài ra còn có ki u xói mang tính ch t mùa t c là mùa này xói, mùa khác l i đ c b i… Xói th ng xuyên có th d báo thông qua mô ph ng b ng các

mô hình toán nh UNIBEST, DELFT 3D…

2.2.3 Xác đinh ph m vi h xói chân kè

2.2.3.1 Xói chân trong tr ng h p t ng đ ng

(a) Ph ng pháp McDougal

McDougal đã ti n hành nghiên c u v h i xói chân t ng đ ng và đ a ra công th c tính chi u sâu h xói tr c chân t ng đ ng trên bãi bi n có đ d c m b t k Chi u sâu h xói ph thu c chính vào các thông s th y đ ng l c sau:

Chi u cao sóng(H o),

Chi u dài sóng(L 0),

Chi u sâu n c (h w)

Kích th c h t bùn cát (d50) bãi tr c chân công trình

Công th c sau th hi n m i quan h gi a thông s này

3 / 1 25

0 2

0 85

0

42

h Ho

Lo m

h w (m)- đ sâu c a chân công trình so v i m c n c trung bình trong nhi u n m

d (m)- kích th c h t ( = d50);

Hình 2.5 S đ tính kích th c h xói theo ph ng pháp McDougal

Nh n xét cho ph ng pháp McDougal: Ph ng này McDougal ch tính cho h xói khi công trình có chân d ng t ng đ ng, không đ c p t i th i gian c n thi t đ hình thành nên h xói đó ( hay đ i l ng t ch a có trong công th c) Tuy nhiên theo công th c này có u đi m là đ a s li u sóng vùng n c sâu không ph i tính truy n vào n c nông, có đ c p t i kích th c c a h t bùn cát (d50), đ a ra công th c c th tính toán tránh sai s do ch quan c a ng i tính khi tra b ng

(b) Ph ng pháp Xie (1981)

Ph ng pháp này đ c Xie đ a ra n m 1981 đ xác đ nh đ sâu l n nh t c a h xói,

nó ch đ c áp d ng v i các công trình d ng t ng đ ng có đ d c bãi bi n r t bé coi

nh chi u sâu n c là không đ i Tính toán cho c tr ng h p có và không có bùn cát

l l ng di chuy n tr c chân công trình C n ph i có s li u v sóng và đ sâu n c vùng n c nông n i x y ra xói

Các đ c tr ng sóng

n c sâu

đ d c c a mái

t ng đ ng