Đê chắn sóng - Chương 1

Công trình đê chắn sóng được phân cấp dựa vào chiều cao sóng tính toán của tần suất H1% tại chân công trình chỗ có độ sâu lớn nhất dọc theo tuyến đê chính.

Chương 1

VAI TRÒ CỦA ĐÊ CHẮN SÓNG VỚI BỂ CẢNG

1.1 Cảng biển và phân loại

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 Cảng biển khác cảng sông và cảng hồ là chỉ cho phép neo đậu tàu biển, không neo cập tàu sông và tàu pha sông biển 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

Cũng như tất cả các cảng, cảng biển thương mại trước tiên thường phân cấp theo lưu lượng hàng hoá Q qua cảng trong 1 năm

- Cấp 1: Q > 20 triệu tấn/năm;

- Cấp 2: Q > 10 triệu tấn/năm;

- Cấp 3: Q > 5 triệu tấn/năm;

- Cấp 4: Q > 1 triệu tấn/năm;

- Cấp 5: Q < 1 triệu tấn/năm

Về mặt vị trí, cảng biển được phân loại thành: cảng đảo tự nhiên, cảng đảo nhân tạo, cảng ngoài biển hở, cẩng vịnh, cảng cửa sông

Đối với các cảng chuyên dụng có tên gọi theo loại hàng: cảng than, cảng dầu, cảng

cá, quân cảng, cảng khách, cảng phà

Trong hệ thống cảng biển còn được phân nhỏ như sau: cảng cố định, cảng chuyển tẩi, cảng phao, cảng tạm

Theo quan điểm 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

1.2 Khu nước và bể cảng

Một cảng bất kỳ bao giờ cũng cấu tạo bởi 2 khu: khu nước và khu lãnh thổ Tỷ lệ diện tích khu lãnh thổ với khu nước thông thường bằng từ 0,5÷2 lần đối với cảng Container thì tỷ lệ này còn lớn hơn

Khu nước của một cảng biển đặc trưng được diễn tả ở hình 1-1 gồm 3 vùng:

- Vùng ngoài cửa cảng;

- Vùng bể cảng;

- Vùng cửa sông (Trong trường hợp có thông với cửa sông)

§ª ch¾n sãng

125

Kªnh dÉn 1 0

Cöa s«ng

2

3

0

143

1 - Vïng ngoµi bÓ c¶ng (Vïng ngoµi cöa)

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 Trong trường hợp độ sâu tự nhiên vùng ngoài bể cảng không

đủ, phải nạo vét tuyến luồng vào để tạo thành một kênh biển hay kênh dẫn tàu (hình 1-1) với đầy đủ các hệ thống báo hiệu hàng hải, tuân theo các tiêu chuẩn của báo hiệu hàng hải quốc tế IALA

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 Trên hình 1-2 là các ví dụ chọn các tuyến đê chắn sóng

- Bể cảng có hai tuyến đê chắn sóng cắm vào bờ (Hình 1-2a), trong đó khu neo tàu đặt ngoài bể cảng (Vũng cảng), còn các tuyến bến sắp đặt theo các bến nhô với các tuyến đường sắt

- Bể cảng trên các hình 1-2b và 1-2c có một tuyến đê chắn sóng cắm vào bờ và một

đê đảo, vì vậy bể cảng có hai cửa chính và phụ

5

6

4

2

3

Hình 1.2a Cả hai tuyến đê cắm vào bờ

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

1

2

2

1

Có một tuyến đê cắm vào bờ và một tuyến đê đảo

1- Vũng cảng; 2- Đê chắn sóng 1- Vũng cảng; 2- Đê chắn sóng;

3- Lạch vào cảng

Hình 1- 2 Các bể cảng có hai tuyến đê chắn sóng bao bọc

Các tuyến đê chắn sóng có thể có chân nối liền với bờ nhưng cũng có thể không nối với bờ tạo thành một tuyến đê đảo Việc tính toán đê đảo và đê có chân nối liền với bờ tương tự như nhau và vai trò của chúng đều mang tính chất che chở cho khu nước

1.3 Yêu cầu về che chắn sóng, ngăn cát cho bể cảng

Quy hoạch một bể cảng biển cho yên tĩnh về sóng và không bị lắng đọng bùn cát luôn gắn với các tuyến đê và cửa cảng, thường phải tuân thủ các nguyên tắc sau:

1 Đủ diện tích hữu hiệu cho tàu đậu và thực hiện thuận lợi các thao tác của tàu như: quay, manoer, bốc hàng Phần bể cảng được coi là diện tích hữu hiệu phải đủ độ sâu và

an toàn với mọi hướng sóng cũng như không bị bồi lắng Tỷ lệ phần diện tích hữu hiệu so với tổng diện tích thực của toàn bể cảng càng cao thì mức độ tối ưu càng lớn Nếu tỷ lệ trên được 50% là đạt yêu cầu

3

1

2

3 - Khu neo ®Ëu

2 - Khu chuyÓn t¶i

1 - Khu quay trë

Hình 1- 3 Một bể cảng có các khu riêng biệt

2 An toàn cho tàu đậu với mọi hướng sóng tác dụng: theo kinh nghiệm của các nước Bắc Âu và Đông Âu chiều cao sóng an toàn cho phép ở khu trước bến cho ở bảng 1-1

Bảng 1.1 Chiều cao súng an toàn cho phộp trong bể cảng ở Đụng Âu và Bắc Âu (m)

Khi đầu súng cú cỏc hướng Lượng choỏn nước của

tàu (1.000T) Thẳng gúc với mộp bến Song song với mộp bến

Tại Nhật Bản chiều cao súng h (m) an toàn cho phộp được quy định rừ ràng theo

chiều cao súng cú ý nghĩa h1/3 cho ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Chiều cao súng an toàn cho phộp tại mộp bến khi làm hàng (Nhật Bản)

Loại tàu Chiều cao súng h 1/3 (m)

Riờng đối với khu nước trước cỏc tuyến bến cú kết cấu kiểu tường đứng hoặc dạng

trụ với đệm tàu bằng ống cao su φ400mm và chiều sõu H ≥ 12m, tàu cú trọng tải ≥

30.000DWT chỉ cú thể chấp nhận được chiều cao súng an toàn cho phộp h ≤ 1,0m

Việc xỏc định chiều cao súng an toàn cho phộp trong bể cảng là tối cần thiết, vỡ nú

khụng những cú ảnh hưởng đến cụng tỏc làm hàng mà cũn ảnh hưởng đến ổn định của

cụng trỡnh bến Khi chiều cao súng trong bể h = 1,0m, độ sõu nước H = 10m, gúc nội ma

sỏt đất ϕ = 320 thỡ ỏp lực đất chủ động sẽ tăng thờm 20% ứng với thời điểm đỏy súng

chạm tường bến, ỏp lực phụ gia này phải được xột đến khi chiều cao súng vượt quỏ h ≥

0,5m

3 Ngăn chặn hoặc giảm đến mức tối thiểu sự lắng đọng của bựn cỏt, song song với

yờu cầu chắn súng, hệ thống đờ của bể cảng biển phải ngăn sự di chuyển của bựn cỏt do

dũng ven hoặc dũng lục địa mang đến Giải phỏp hữu hiệu hơn cả là đẩy bựn cỏt ra xa bờ

(hỡnh 1-4) hoặc tớch tụ bựn cỏt ở phớa ngoài đờ (khu vực sỏt bờ) tạo thành bói biển nhõn

tạo

1

2 1 - Dòng bùn cát

2 - Các đoạn đê chắn sóng

3 - Kênh tàu vào cảng

4 - Bể cảng 4

3

Hỡnh 1- 4 Sơ đồ vạch cỏc tuyến đờ chắn súng để đẩy bựn cỏt ra xa bờ

Để lượng bùn cát khó đi vào bể, cần bố trí các tuyến đê chắn sóng cùng với cửa cảng như hình 1.5

Hình 1- 5 Cách bố trí các tuyến đê chắn và cửa cảng

4 Có khả năng để mở rộng cảng trong tương lai

Sự tăng trưởng kinh tế của một nước cũng như của một khu vực luôn luôn phát triển, vì vậy khi quy hoạch một bể cảng mới cần có các giải pháp mở rộng trong khoảng 20÷100 năm bằng cách:

- Hoặc kéo dài các tuyến đê chắn sóng - ngăn cát đã xây;

- Hoặc xây dựng thêm các tuyến đê chắn sóng - ngăn cátmới tạo ra một bể cảng mới (Bể bên cạnh hoặc bể ngoài)

5 Tàu ra vào thuận tiện

Điều này gắn chặt với tuyến kênh biển sao cho:

- Luồng vào ra của tàu là ngắn nhất;

- Hệ thống báo hiệu hàng hải đơn giản;

- Tốc độ phát triển ngưỡng cạn vô cùng chậm hoặc bằng không

Năm yêu cầu trên đây là các định hướng cơ bản đồng thời cũng là các nguyên tắc quy hoạch các tuyến đê chắn sóng cho một bể cảng biển 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

1.4 Phương án mặt bằng các tuyến đê chắn sóng

Trong hình 1-6 nêu ra 15 loại mặt bằng các tuyến đê chắn sóng có thể gặp trong thực tế xây dựng bể cảng Điều này được tổng kết kinh nghiệm xây dựng bể cảng có đê chắn sóng của khắp các châu lục

Nếu quy ước: A là hướng sóng chủ yếu đi vào cửa cảng, B là đường bờ tự nhiên, C

là tuyến mép bến

Từ các sơ đồ ở hình 1-6 rút ra đựoc những nhận xét sau:

- Rất nhiều bể cảng có hai tuyến đê chắn sóng cắm vào bờ, tạo thành hai cánh cung vây gần kín vùng nước của bể (Hình 1-6 a, b, c, d, e, f, g, m, p) Ngoài hướng sóng chủ yếu A ra, các hướng sóng khác cũng gây khó khăn cho bể cảng Thường phải xét thêm 2,

4, 6 hướng sóng nữa lệch nhau 2205 kể từ hướng sóng chính (Hướng sóng chủ yếu) phân đều sang hai bên trái và phải

- Số bể cảng có một tuyến đê chắn sóng không đều (Hình 1-6 j, l, n, q) Trường hợp này hướng sóng theo tia A phải có tần suất cao, mặt khác diện tích hữu hiệu của bể cảng

bị hạn chế, rất khó xây dựng các tuyến bến nhô để cập tàu các tuyến đặt ở góc chết hoặc đặt trực tiếp theo mép trong của tuyến đê chắn sóng

- Bể cảng có hai tuyến đê đặt song song được vận dụng cho các bể cảng đặt ở các cửa sông có các dải cát tự nhiên khá ổn định Trong trường hợp này chức năng ngăn cát ngang tầm với chức năng ngăn sóng

- Các tuyến đê chắn sóng vạch thẳng (Hình 1-6 e, f, g, h, k, m, n, p, q) áp đảo các tuyến đê chắn sóng vạch cong (Hình 1-6a, b, c, d, j, l), lý do chủ yếu là dễ thi công, thời gian xây dựng ngắn Các tuyến đê chắn sóng cong khó định vị, kết cấu phức tạp, chế tạo rắc rối

A

d)

B

B

C

C

a) A

A

f) e)

c) b)

B B

B C C A

A A

p) k)

B

A k)

A

B

q) B

l)

A

B

A m)

B

B

g) A

A

A

A

Hình 1- 6 Các loại dạng sắp xếp các tuyến đê chắn sóng của bể cảng biển 1.5 Cửa cảng

Cửa cảng lầ vấn đề rất cốt lõi, ảnh hưởng trực tiếp tới 5 yêu cầu nêu ở mục III, cụ thể phải xem xét các vấn đề: Số lượng cửa cảng; Hướng tàu vào; Chiều rộng cửa cảng; Vị trí đặt cửa

1.5.1 Số lượng cửa cảng

Một bể cảng biển thương mại chỉ nên 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 luc nguy cấp (Hình 1.7a)

- Thương cảng khi chỉ xây dựng có duy nhất một tuyến đê đảo, mỗi cửa nằm ở một đầu của tuyến đê đó (Hình 1.7b)

- Bể cảng thương mại được mở rộng, tạo thành hai tầng cửa trong và ngoài, thậm trí

có trường hợp ba tầng cửa Các tuyến đê cũ ở bể trong được cải tạo thành các bến nhô cho tàu đậu làm hàng (Hình 1-7c)

Tuyến đê đảo

Tuyến đê đảo

b)

c) a) Quõn cảng và thương cảng; b) Thương cảng chỉ cú một tuyến đờ đảo;

c) Thương cảng được mở rộng với hai tầng cửa

Hỡnh 1- 7 Bể cảng cú hai cửa cảng

1.5.2 Hướng tàu vào

- Hướng tàu vào cửa cảng, trước hết khụng được song song với bờ vỡ tạo ra diện tớch hứng giú và súng tối đa, làm tàu dễ bị chệch hướng khú lỏi

T yế

n đê c hí nh

Bể cảng

Hướn

H

ướ ng s

óng Cửa cảng

β

α

Hỡnh 1- 8 Sơ đồ hướng tàu vào cửa cảng

Gúc α hợp bởi giữa hướng tàu vào (trục dọc luồng kờnh biển) và bờ (Hỡnh 1-7) phải thoả món: α ≥ 300 Ngoài ra hướng tàu vào khụng được trựng với hướng súng chớnh

thống, khi trùng dễ bị va quệt vào hai đầu đê Góc β giữa hướng sóng chính thống và hướng tàu vào (Hình 1-7) nên lấy: β = 300 ÷ 550

1.5.3 Chiều rộng cửa cảng

Theo kinh nghiệm chiều rộng B của cửa cảng lấy bằng: B = (1÷1,5)LT (LT là chiều dài tàu thiết kế) Trường hợp tối thiểu: B ≥ 0,8LT

Đối với cảng cá vì tàu nhỏ: B = 50÷70m;

Đối với các cảng biển nội địa: B = 100÷150m;

Đối với các cảng biển có tàu viễn dương: B = 200÷300m

Các chiều rộng B ở trên là ứng với chiều rộng đủ độ sâu cho tàu ra vào Nếu kết cấu

đê mái nghiêng thì chiều rộng thực tế thường lớn hơn chiều rộng tính toán Chiều rộng tối

ưu được chọn thông qua hàng loạt các thí nghiệm mô hình vật lý về chế độ sóng trong bể cảng với đầy đủ các hướng sóng tác dụng

1.5.4 Vị trí cửa cảng

Vị trí cửa cảng chỉ nên bố trí ở nơi xa nhất theo chiều dọc của một tuyến đê chính, xuất phat stừ bờ để:

- Có khoảng cánh từ cửa cảng đến bến dài nhất, tạo ra diện tích mặt nước sóng nhiễu xạ rộng ra;

- Có độ sâu cho tàu ra vào và thực hiện các thao tác khác;

- Đẩy được nhiều bùn cát ra xa bờ

Các ví dụ trong hình 1-9 minh hoạ 4 vị trí cửa cảng khác nhau đều nằm xa bờ nơi sâu nhất, xa nhất Tại hình 1-9a cảng được xây dựng trong vịnh, vì vậy hai tuyến đê chắn sóng ngoài và trong gần song song với nhau; hình 1-9b cảng có hai tuyến đê Bắc và Nam gần song song, gần trùng nhau theo trục dọc; hình 1-9c cảng biển có hai tuyến đê Bắc và Nam khá dài cùng một đoạn đê ngắn cắm vào bờ hình thành hai cửa chính và phụ; hình 1-9d cảng có tới 3 cửa ngoài và một số cửa trong, có hai tuyến đê đảo cong và thẳng án ngữ cho bể ngoài, còn bể trong được che chắn bởi hai tuyến đê cũ cắm sâu vào bờ, hai tuyến đê này vừa có chức năng là đê vừa là mặt bến cho tàu làm hàng được cả hai phía

BÓ c¶ng

a)

§ª ngoµi

g

BÓ c¶ng

N

§ª B¾c

b)

§ª Nam N

Cöa c¶ng

N

Đê

Nam

Cảng dầu

c)

Đê Bắc

N

B

Cửa cảng Nhà đèn

d)

Bể trong

Cửa cảng

Đê

Đê

Bể ngoài

Đê đảo

Đê

đảo

Hỡnh 1- 9 Vị trớ cỏc cửa cảng

1.6 Phõn cấp, phõn loại kết cấu đờ chắn súng

1.6.1 Phõn cấp cụng trỡnh đờ chắn súng

Cấp cụng trỡnh đờ chắn súng bảo vệ cảng được xỏc định theo chiều cao súng tớnh toỏn của tần suất h1% tại chõn cụng trỡnh, chỗ cú độ sõu lớn nhất dọc theo tuyến đờ chớnh (tại đầu đờ sỏt cửa cảng):

- Cấp I, nếu h1% ≥ 7,0m là cụng trỡnh đờ vĩnh cửu;

- Cấp II, nếu h1% < 7,0m là cụng trỡnh đờ vĩnh cửu;

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

Chỉ được phộp tăng một cấp cụng trỡnh đờ chắn súng so với quy định trờn cho cỏc trường hợp sau:

Cú ý nghĩa đặc biệt quan trọng (chủ quyền quốc gia, an ninh quốc phũng, xõy dựng kinh tế biển )

Xõy dựng trong điều kiện tự nhiờn rất bất lợi (nền đất rất yếu, thi cụng gấp trong điều kiện tự nhiờn khắc nghiệt )

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

Ngoài cỏch phõn cấp trờn, đờ chắn súng cũn được phõn cấp theo độ sõu:

- Cấp I khi độ sõu H ≥ 20m;

- Cấp II khi độ sõu H < 20m

1.6.2 Phõn loại theo mặt bằng đờ chắn súng

Theo mặt bằng vạch cỏc tuyến đờ cú thể phõn loại thành:

- Đờ nhụ: là tuyến đờ một đầu cắm vào bờ, cũn một đầu kia vươn ra xa biển tới cửa cảng (Hỡnh 1-4, 1-5, 1-6a, b, c, 1-7c, 1-8, 1-9a, b) đõy là loại thường gặp và một bể cảng gồm hai đờ nhụ bao bọc;

- Đê đảo: là tuyến đê chắn sóng cả hai đầu đều không gắn với bờ (Hình 1-6p, 1-7a,

b, 1-9d) Nếu một bể cảng chỉ có một tuyến đê đảo thì thường áp dụng cho vịnh với ba phía là bờ (Hình 1-7b);

- Đê hỗn hợp: hệ thống các tuyến đê của bể gồm cả đê nhô và đê đảo (Hình 6p, 1-7a, 1-9c), áp dụng giải pháp này khi bể cảng rộng và đi kèm với nó có từ 2÷3 cửa cảng Đối với các cảng biển lớn được mở rộng phát triển trong nhiều giai đoạn lịch sử khác nhau thường phải vạch các tuyến đê hỗn hợp (Hình 1-10)

Vòng trong

T y Õn ®

ª vò n

Vòng ngoµi

§ª míi

Vòng trong

Vòng c¶ng than

Hình 1- 10 Bể cảng có các tuyến đê hỗn hợp

1.6.3 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

1.6.4 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 (tại các cửa sông, chỗ có hải lưu mạnh)

1.6.5 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;