NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỤC BỘ CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ CHÂN KÈ BIỂN TRONG ĐIỀU KIỆN THIÊN TAI BẤT THƯỜNG Ở MIỀN TRUNG

Duyên hải miền Trung là nơi hứng chịu nhiều tác động của bão trong khu vực, theo những thống kê từ năm 1972 đến năm 2005 cho thấy khu vực này chịu tác động của 49 % số cơn bão.Các cơn bã

-

PHAN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỤC BỘ CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ CHÂN KÈ BIỂN TRONG ĐIỀU KIỆN THIÊN TAI BẤT THƯỜNG Ở MIỀN TRUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

-

PHAN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỤC BỘ CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ CHÂN KÈ BIỂN TRONG

ĐIỀU KIỆN THIÊN TAI BẤT THƯỜNG Ở MIỀN TRUNG

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số : 60 - 58 - 40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Nguyễn Quang Hùng

LỜI CẢM ƠN



Luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu ổn định cục bộ của kết cấu bảo

vệ chân kè biển trong điều kiện thiên tai bất thường ở miền Trung” được tác giả hoàn thành tại trường Đại học Thủy Lợi với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của các

thày cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học, các giảng viên Khoa Công trình – Trường Đại học Thủy Lợi đã giúp đỡ và truyền đạt những kiến thức chuyên môn cần thiết trong quá trình tác giả học tập tại trường

Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, NCS Vũ Hoàng Hưng đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên và đóng góp những ý kiến quý báu trong quá trình tác giả thực hiện luận văn

Do trình độ hiểu biết và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và những ý kiến đóng góp của các thày cô, bạn bè và đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn !

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam Á, chịu ảnh hưởng của khí hậu lục địa Trung Ấn từ phía Bắc và phía Tây, lại vừa chịu ảnh hưởng

của khí hậu biển Đông từ phía Đông và phía Nam, nơi giao giữa 2 biển lớn là Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương, đồng thời nằm giữa ổ bão biển Đông là 1 trong 5 ổ bão

lớn nhất thế giới

Nước ta có đường bờ biển dài khoảng 3260 km, kéo dài 13 độ vĩ tuyến từ Móng Cái đến Hà Tiên.Vùng ven biển nước ta có địa hình tự nhiên thấp trũng, thường xuyên chịu tác động của thuỷ triều có biên độ lớn, bão với nước biển dâng cao, gió lớn gây ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt sản xuất của nhân dân

Duyên hải miền Trung Việt Nam bao gồm 13 tỉnh thành từ Thanh Hoá tới Bình Thuận nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa có chế độ gió mùa hoạt động rất đặc

biệt Hàng năm có sự tranh chấp của nhiều hệ thống thời tiết cùng địa hình bị chia cắt

phức tạp, mạng lưới sông suối dày đặc đã gây ra diễn biến bất thường của thời tiết và

chế độ thủy văn

Duyên hải miền Trung là nơi hứng chịu nhiều tác động của bão trong khu

vực, theo những thống kê từ năm 1972 đến năm 2005 cho thấy khu vực này chịu tác động của 49 % số cơn bão.Các cơn bão đổ bộ vào miền Trung gây ra mưa lớn, gió

mạnh và đặc biệt là sóng do gió gây ra có tác động mạnh mẽ đến công trình thủy lợi nói chung và kè bảo vệ mái dốc nói riêng Các tác động này thường gây ra những hư

hỏng mái và chân kè dẫn đến mất an toàn ổn định

Chân kè có vai trò hết sức quan trọng trong việc giữ gìn ổn định mái kè

và ổn định tổng thể của toàn bộ kè Từ thực tế cũng như các kết quả nghiên cứu tổng

kết đã cho thấy rõ sự phá hoại chân kè kéo theo sự phá hoại tổng thể toàn bộ kè Cấu

tạo chân kè không hợp lý dẫn tới không chỉ mất ổn định chân kè mà còn gây mất ổn định lớp bảo vệ, dẫn tới mất ổn định tổng thể toàn công trình

Với những nhận định như vậy, tác giả định hướng tập trung đi sâu nghiên

cứu ổn định cục bộ của kết cấu chân kè nhằm đảm bảo an toàn ổn định cho kè bảo vệ mái trong điều kiện thiên tai bất thường của vùng duyên hải miền Trung

2 M ục đích của đề tài

Nghiên cứu trường ứng suất biến dạng trong kết cấu chân kè biển nhằm bước đầu đánh giá an toàn ổn định cục bộ của chân kè

3 N ội dung của đề tài

Nghiên cứu trường ứng suất biến dạng trong kết cấu chân kè biển trong điều kiện thiên tai bất thường vùng duyên hải miền Trung Từ đó có những đánh giá bước đầu về ổn định cục bộ của chân kè

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập số liệu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Sử dụng phương pháp số để phân tích trường chuyển vị, ứng suất

CHƯƠNG 1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐÊ KÈ BIỂN Ở VIỆT NAM

VÀ VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG

1.1 Tình hình xây dựng đê kè biển ở Việt Nam

1.1.1.Đặc điểm bờ biển Việt Nam

Bờ biển Việt Nam theo 3 miền Bắc Trung Nam được phân chia như sau:

chủ yếu là loại đất đá bở rời được tạo nên bởi các trầm tích bở rời thuộc hệ Đệ tứ, chủ

yếu là cát, bùn, bọt sét, cuội, sạn sỏi phân bố tại các vùng cửa sông và đồng bằng ven

biển Bờ biển có loại đất bở rời chiếm khoảng 80 % chiều dài của đường bờ biển nước

ta

1.1.2.Sự hình thành đê biển Việt Nam

Vùng ven biển nước ta có địa hình thấp trũng, thường xuyên chịu tác động của thủy triều có biên độ lớn, gió bão với nước biển dâng cao gây ảnh hưởng đến

sản xuất và đời sống sinh hoạt của nhân dân Do đó hệ thống đê biển được hình thành

từ nhu cầu tất yếu bảo vệ khu dân cư và khu sản xuất vùng ven biển Các tuyến đê biển

có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, bảo vệ sinh mạng và tài sản của nhân dân ven biển,

bảo vệ khu vực sản xuất Do tính chất và biên độ thủy triều, mức độ ảnh hưởng của bão

và hình thái địa hình của từng vùng khác nhau mà quy mô về đê biển ở từng vùng cũng khác nhau

Vùng ven biển đồng bằng Bắc Bộ có địa hình thấp trũng, là vùng biển có biên độ thủy triều cao và nước dâng do bão cũng rất lớn Đây là khu vực tập trung đông dân cư, là trung tâm kinh tế chính trị của cả nước Do vậy để bảo vệ đời sống sinh hoạt

và sản xuất của nhân dân, đê biển và đê cửa sông ở khu vực này được hình thành từ rất

sớm Đê biển ven biển Bắc Bộ được đắp từ thời nhà Trần (thế kỷ 13) Đê biển một số tuyến các tỉnh Bắc khu IV cũ được xây dựng từ những năm 1930

Còn lại phần lớn đê biển, đê cửa sông các tỉnh miền Trung được đắp sau năm 1975 Sự phát triển đê biển miền Nam gắn liền với quá trình khai thác ruộng đất

và phát triển nông nghiệp của dải đất ven biển từ Bà Rịa – Vũng Tàu tới Kiên Giang, phát triển từ năm 1975 và mạnh nhất là giai đoạn 1975 – 1985

Đê biển nước ta đa số là công trình bằng đất, mái được bảo vệ bằng cỏ

Những đoạn đê biển chịu tác động trực tiếp tác dụng của sóng được lát mái Ở các tuyến đê vùng cửa sông nhân dân trồng các loại cây sú vẹt chắn sóng bảo vệ đê

Đê biển nước ta không liền tuyến do bị chia cắt bằng nhiều cửa sông lớn

nhỏ, các tuyến đê biển thường nối tiếp với các tuyến đê cửa sông tạo thành các tuyến khép kín bảo vệ vùng ven biển

Hình 1.1 Bản đồ đê biển Việt Nam 1.1.3.Tình hình xây dựng và hiện trạng đê biển Việt Nam

Dọc theo ven biển, cho đến nay hệ thống đê biển đã được xây dựng với

tổng chiều dài trên 1400 km, với nhiều quy mô khác nhau đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển, chống gió bão, góp phần phát triển kinh tế xã hội, tăng cường an ninh quốc phòng, bảo vệ cuộc sống của nhân dân

Đê biển đồng bằng Bắc Bộ từ Ninh Bình trở ra có thể chống được mức triều cao, sóng ứng với gió cấp 7,8 Một số tuyến quan trọng như đê biển Hải Phòng, Nam Định có khả năng chống được gió bão cấp cao hơn Đê biển miền Trung từ Thanh Hoá đến Bình Thuận có thể chống được mức triều trung bình, sóng ứng với gió cấp 6,7

Còn đê biển các tỉnh Nam Bộ từ Bà Rịa – Vũng Tàu đến Kiên Giang có thể chống được mức triều cao

Từ năm 1993 đến năm 1998, dự án PAM 4617 đã tập trung khôi phục và nâng cấp 456 km đê và xây dựng 224,3 km kè thuộc các tỉnh ven biển miền Trung gồm Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng,

Quảng Nam

Từ năm 1996 đến 2000, một số tuyến đê biển xung yếu thuộc các tỉnh

Quảng Ninh, Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình tiếp tục được đầu tư nâng

cấp thông qua dự án PAM 5325 Tổng chiều dài đã được khôi phục và nâng cấp là 307,98 km đê và xây dựng được 75,61 km kè tại một số tuyến trọng điểm

Sau cơn bão số 4 năm 2000, một số tuyến đê biển tại Hà Tĩnh bị hư hỏng

nặng cũng đã được đầu tư nâng cấp sửa chữa bằng nguồn vốn ngân sách địa phương, nguồn vốn Trung ương và sự hỗ trợ của Ngân hàng phát triển Châu Á nhằm khắc phục

hậu quả bão lụt

Năm 2005, liên tiếp 3 cơn bão với sức gió mạnh đã đổ bộ vào Việt Nam, đặc biệt là cơn bão số 7 với sức gió mạnh duy trì trong thời gian dài trùng với triều cường đã gây nước dâng 3,5 đến 4,5 m làm vỡ 1465 m và sạt lở 54055 m đê thuộc các

tỉnh Hải Phòng, Nam Định, Thái Bình, Ninh Bình, Thanh Hoá, Nghệ An Chính phủ đã phê duyệt chương trình đầu tư nâng cấp đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam

Ngoài ra với sự hỗ trợ của các tổ chức quốc tế thông qua các dự án như CARE, CEC, OXFAM, khoảng 200 km đê biển, đê cửa sông thuộc khu vực miền Trung cũng đã được đầu tư nâng cấp

1.1.4 Những vấn đề tồn tại của đê biển Việt Nam

Hệ thống đê biển Việt Nam hiện nay mới chỉ đảm bảo an toàn ở mức độ

nhất định tuỳ theo tầm quan trọng của khu vực được bảo vệ Thông qua các dự án hỗ

trợ của PAM và ADB, nhiều tuyến đê đã được đầu tư sửa chữa và nâng cấp, có thể

chống được sức gió cấp 9 và mức triều tần suất 5% Tuy nhiên vẫn còn rất nhiều tuyến

đê đã xuống cấp và bị hư hại sau một thời gian làm việc nhưng vẫn chưa được tu bổ Nhiều đoạn đê biển có thể bị phá vỡ hàng loạt nếu không được đầu tư bảo vệ, củng cố

kịp thời

Do sự thay đổi khí hậu toàn cầu, số cơn bão, lũ lớn xảy ra ngày càng nhiều hơn vào các năm gần đây đã gây ảnh hưởng xấu đến bờ sông và bờ biển Theo các tài liệu thu thập được, nhiều khu vực bờ biển trên cả nước đã bị xói lở bờ trong

những năm gần đây

Miền Bắc có 165 điểm sạt lở với tổng chiều dài 252 km

Miền Trung có 307 điểm sạt lở với tổng chiều dài 555 km

Miền Nam có 265 điểm sạt lở với tổng chiều dài 450 km

Có khoảng 800 km đê biển, đê cửa sông thuộc các tỉnh ven biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam chưa được đầu tư cải tạo và nâng cấp Bên cạnh đó, một số đoạn

đê mặc dù đã được đầu tư nhưng chưa đủ kiên cố, lại chịu tác động của bão lớn gây hư

hỏng

Nhiều vùng biển nước ta thuộc dạng biển tiến, do tác động của sóng, gió, dòng ven nên bãi biển ngày càng bị thu hẹp, đây cũng là một nguyên nhân gây mất ổn định một số đoạn kè bảo vệ mái đê đã được đầu tư bởi dự án PAM như tuyến đê biển

Hậu Lộc (tỉnh Thanh Hoá) Do đó để bảo vệ và phát huy những thành quả của dự án PAM cần thiết phải có biện pháp giảm sóng, giảm dòng ven bằng cách xây dựng các hệ

thống kè mỏ hàn bảo vệ bãi

Mặt đê dù đã được bọc bởi lớp đất thịt hoặc lớp cấp phối nhưng do thường xuyên chịu tác động của mưa lớn và sóng leo nên lớp bề mặt bị cuốn trôi làm các phương tiện cơ giới không thể đi lại được gây cản trở giao thông, khó khăn cho

việc hộ đê trong mùa mưa bão

Thân đê chủ yếu được đắp bằng đất cát pha có độ chua lớn không trồng

cỏ được, đặc biệt một số tuyến đê như ở Hậu Lộc (Thanh Hoá) được đắp bằng cát và

được phủ lớp đất sét chống xói phía ngoài.Tuy nhiên do tác động của mưa lớn, sóng leo nên mái đê và mặt đê xảy ra hiện tượng xói

Tại nhiều nơi mái đê đã được bảo vệ bằng các cấu kiện nhưng vẫn bị hư

hỏng do bão như : lát mái bằng đá hộc dày 0,5 đến 1 m (đê Hải Hậu - Nam Định); đá xây vữa ximăng (đê Tiền Hải – Thái Bình); bêtông đúc sẵn (đê biển Quảng Ninh) ; bêtông đổ tại chỗ tấm lớn chiều dày từ 15 cm đến 20 cm (Thanh Hoá)

Dải cây chắn sóng trước đê biển ở nhiều nơi chưa có Có nơi đã có nhưng

do công tác quản lý, bảo vệ không tốt nên dải cây chắn sóng bị phá hoại, nhiều nơi ở vùng xa cửa sông không thể trồng được cây chắn sóng Vì vậy đê biển đa phần chịu tác động trực tiếp của sóng gây sạt lở

Các cống dưới đê nhiều về số lượng nhưng đã được xây dựng từ nhiều năm về trước, một số không còn phù hợp với quy hoạch phát triển sản xuất, hầu hết đã

bị xuống cấp nghiêm trọng chưa được tu sửa Vấn đề đặt ra là cần phải quy hoạch, xây

dựng mới và cải tạo hệ thống cống dưới đê để đảm bảo an toàn cho đê, kiểm soát mặn

phục vụ sản xuất của vùng ven biển

1.2.Tình hình xây dựng đê kè biển vùng duyên hải miền Trung

Vùng duyên hải miền Trung có diện tích nhỏ hẹp, phần lớn các tuyến đê

biển đều ngắn, bị chia cắt bởi các sông, rạch, địa hình đồi cát ven biển Một số tuyến bao diện tích canh tác nhỏ hẹp dọc theo đầm phá Đây là vùng có biên độ thủy triều

thấp nhất, thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai Khác với vùng cửa sông đồng

bằng Bắc Bộ chủ yếu là bồi, các cửa sông miền Trung có thể thay đổi tuỳ theo tính chất

của từng cơn lũ, do vậy tuyến đê được đắp theo một tuyến, không có tuyến đê quai lấn

biển hoặc tuyến đê dự phòng

Đê biển, đê cửa sông khu vực Trung Bộ có tổng chiều dài khoảng 1000

km với nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, chống lũ tiểu mãn hoặc lũ sớm bảo vệ sản xuất

ăn chắc 2 vụ lúa Đông Xuân và Hè Thu, đồng thời phải đảm bảo tiêu thoát nhanh lũ chính vụ Một số ít tuyến đê bảo vệ các khu nuôi trồng thủy sản và đồng muối Đa số

các tuyến đê bảo vệ diện tích canh tác nhỏ dưới 3000 ha, ngoài ra cũng có một số tuyến

đê bảo vệ diện tích lớn hơn như đê Quảng Xương (Sầm Sơn – Thanh Hoá) bảo vệ 3232 ha; đê Quảng Trạch (Quảng Bình) bảo vệ 3900 ha Với mục tiêu nhiệm vụ như trên, đê không cần đắp cao nhưng cần phải gia cố 3 mặt để chống hư hỏng khi có lũ tràn qua

Phần lớn các tuyến đê được đắp bằng đất thịt nhẹ pha cát, một số tuyến nằm sâu so với

cửa sông và đầm Đất thân đê là đất sét pha cát như đê Tả Gianh (Quảng Bình) hay đê Vĩnh Thái (Quảng Trị) Một số đoạn đê đã được bảo vệ 3 mặt hoặc 2 mặt bằng tấm bêtông để cho lũ tràn qua như tuyến đê phá Tam Giang (Huế), đê hữu Nhật Lệ (Quảng Bình)

Một số tồn tại chính của đê biển duyên hải miền Trung như sau:

- Có nhiều đê biển, đê cửa sông chưa được đầu tư tu bổ, nâng cấp nên chưa đảm bảo cao độ thiết kế

- Chiều rộng mặt đê hầu như dưới 3 m, trong đó có đến 272 km mặt đê

chỉ rộng từ 1,5 đến 3 m Chiều rộng mặt đê nhỏ gây khó khăn lớn trong việc giao thông

và hộ đê

- Mặt đê chưa được gia cố cứng hoá, về mùa mưa bão mặt đê thường bị

lầy lội nhiều đoạn không thể đi lại được

- Đến nay mới có khoảng 160 km trong tổng số hơn 500 km đê được xây

dựng kè bảo vệ mái, phần lớn mái đê phía biển chưa được bảo vệ, một số nơi đã được

bảo vệ nhưng chưa đồng bộ hoặc chưa đủ kiên cố nên vẫn thường xuyên bị sạt lở đe

dọa đến an toàn của các tuyến đê biển

- Ngoài 22,5 km đê thuộc Thừa Thiên Huế và một số đoạn đê thuộc

Quảng Nam được gia cố 3 mặt, còn lại đa số mặt đê và mái đê phía đồng chưa được gia

cố nên rất dễ bị sạt lở khi có bão lũ

1.3 Các d ạng hư hỏng của đê kè biển vùng duyên hải miền Trung và đánh giá nguyên nhân gây hư hỏng

1.3.1 Các nhân tố chính ảnh hưởng tới sự làm việc của đê kè biển

1.3.1.1 Sóng và nước dâng

Sóng là 1 trong những yếu tố tác động mạnh mẽ đến đê kè biển Trong

thực tế có 2 loại sóng cần phân biệt rõ là:

- Sóng được tạo do gió

- Sóng lừng là sóng xảy ra sau cơn bão, hoặc được tạo bởi 1 cơn bão nào

đó ngoài đại dương cách xa khu vực.Sóng lừng có bước sóng khá dài và có khả năng vượt qua được một khoảng cách lớn Khi vào gần bờ biên độ sóng được tăng đáng kể

và gây nguy hiểm hơn sóng do gió gây ra trong khu vực

Các đặc trưng động lực và thủy mạch động lực của trường sóng ven bờ

phụ thuộc rất nhiều vào độ dốc của sóng Thông thường sóng do gió địa phương tạo nên là các sóng có độ dốc sóng lớn với chu kỳ ngắn Ngay cả trong trường hợp gió

mạnh, chu kỳ của sóng hữu hiệu cũng chỉ từ 6 đến 8 giây Sau khi lan truyền qua một khoảng cách nhất định, sóng gió biến thành sóng lừng có độ dốc sóng nhỏ hơn với chu

kỳ dài hơn (từ 13 đến 15 giây)

Tác dụng của gió bão làm mặt biển dâng hạ khác thường Khi gió bão từ ngoài khơi thổi vào bờ, có thể xuất hiện sự tăng lên đột ngột của mực nước ven bờ Lúc gió bão từ trong bờ thổi ra biển, mực nước ở ven bờ có thể hạ xuống bất thường Hiện tượng đó gọi là nước dâng, nước hạ Nếu nước dâng trong triều cường sẽ tạo ra mực nước đặc biệt cao.Thời gian tồn tại nước dâng từ 12 đến 30 giờ Thời gian duy trì đỉnh nước dâng từ 2 đến 3 giờ Nước dâng và nước hạ đều gây ảnh hưởng tiêu cực đến bờ

biển do khi dâng mực nước tăng cao gây úng lụt, tạo sóng lớn và khi rút thì tạo vận tốc dòng chảy lớn gây xói lở bờ

Nước dâng vùng ven biển xảy ra do sự hạ của khí áp, do ảnh hưởng của sóng và áp lực gió Độ cao nước dâng thay đổi khi đi từ điểm này đến điểm khác

Trong bão, độ cao nước dâng dưới ảnh hưởng tổng hợp của sự hạ khí áp và sóng gió có

thể đạt tới 3 m Trong các đợt biển động, độ cao nước dâng có thể đạt tới 1 m Thông thường nước dâng do bão dù rất nguy hiểm nhưng có thời gian tương đối ngắn, thời gian nước lớn chỉ từ 6 đến 8 giờ nên khả nước nước dâng trùng với triều cường là không cao Tuy nhiên đối với nước dâng do sóng, vì thời gian nước dâng có thể kéo dài

tới vài ngày nên khả năng nước dâng trùng với triều cường là khá lớn Nước dâng do sóng trùng với triều cường sẽ gây xói lở bờ rất nghiêm trọng Nếu có sóng phản xạ từ

kè bờ khi mà kè được thiết kế không chuẩn hoặc khi có hiện tượng thiếu hụt trong cân

bằng bùn cát vận chuyển dọc bờ, quá trình xói lở này sẽ gây ra sự xâm lấn liên tục của

biển vào đất liền

Hình 1.2 Sóng lớn gây ra nguy cơ sạt lở đê kè biển 1.3.1.2 Chế độ thủy triều

Dao động mực nước vùng ven bờ chủ yếu do thủy triều gây ra và các yếu

tố khí tượng thủy văn như áp suất khí quyển, sóng , gió Thuỷ triều nước ta thay đổi từ tính chất nhật triều đều tại Cửa Ông, Hòn Gai tới bán nhật triều không đều tại Kiên

Giang, Phú Quốc Độ cao thủy triều cũng thay đổi khá mạnh Tại vùng biển phía Bắc,

độ cao thủy triều trung bình trong kỳ triều cường tại Cửa Ông là 4,2 m Độ cao thủy triều giảm dần khi đi vào miền Trung Tại Quy Nhơn, giá trị độ cao thủy triều trung bình trong kỳ triều cường đạt 2,4 m Độ cao thủy triều lại tăng dần khi đi vào vùng

biển phía Nam Tại Vũng Tàu, giá trị trên đạt 3,7 m

Phân bố triều dọc theo bờ biển Việt Nam ngoài sự chi phối chung của chế

độ triều biển Đông còn có tính đặc thù của vùng biển và dải bờ Bờ biển Việt Nam trải dài trên nhiều vĩ độ, có nhiều sông ngòi đổ ra Đường bờ lồi lõm, khúc khuỷu là những nhân tố tạo nên bức tranh phân bố đa dạng dọc theo dải bờ

1.3.1.3 Dòng ven bờ

Dòng ven bờ được hình thành bởi gió, sóng và thủy triều Dòng ven bờ không đồng nhất với dòng chảy ngoài khơi về hướng cũng như tốc độ Dòng chảy hình thành do gió ở vịnh Bắc Bộ, khi có gió Đông Bắc cấp 7, dòng dọc theo bờ hướng Bắc Nam tại cửa Ba Lạt là 0,35 m/s ; trường gió Đông Nam, vận tốc dòng trung bình từ 5 đến 7 cm/s Dòng chảy do sóng được hình thành tương đối giống với dòng chảy do gió

về hướng và tốc độ Khi sóng truyền vào bờ có hướng Đông Bắc và hướng Đông cấp 4 thì cửa Đáy và cửa Ba Lạt xuất hiện dòng ven với tốc độ trung bình từ 0,15 đến 0,2 m/s

Với trường sóng Đông Nam, đoạn từ bờ biển Thái Bình – Nam Hà, dòng chảy dọc theo

bờ có hướng Tây Nam đến Đông Bắc với vận tốc cực đại từ 0,4 đến 0,6 m/s

1.3.2.Đánh giá về hiện trạng hư hỏng nói chung của đê kè biển miền Trung

Đê biển vùng duyên hải miền Trung ổn định trong điều kiện khí tượng

hải văn bình thường với mực nước triều từ trung bình đến cao khi có gió dưới cấp 7 và không có mưa lũ nội đồng

Đê biển vùng duyên hải miền Trung hư hỏng nặng trong các điều kiện sau đây :

- Với mức triều từ trung bình đến cao gặp gió bão trên cấp 9, các dạng hư

hỏng thường gặp là :

+ Sạt mái đê phía biển dọc theo tuyến đê, đặc biệt là các đoạn tiếp xúc

trực tiếp với sóng gió

+ Sạt mái đê phía biển và cả phía đồng trong trường hợp sóng leo đổ vào mái đê ở mức cao

- Với mức triều từ trung bình đến thấp trong mưa lũ lớn, các dạng hư

hỏng thường gặp là :

+ Vỡ nhiều đoạn hoặc đứt cả tuyến do nước lũ tràn qua đê từ phía đồng ra phía biển

+ Sạt mái đê phía biển do sóng cao hoặc chủ yếu do nước lũ tràn qua đỉnh

đê vì tràn và cống không đủ khẩu diện tiêu thoát nước lũ Có trường hợp mái sạt sập và sóng nước cuốn mất một nửa thân đê Sạt sập mái đê phía biển trong gió bão là hiện tượng phổ biến không chỉ đối với các tuyến đê đất mà ngay cả những tuyến đê có lát kè

bằng đá nhỏ bảo vệ mái

Hình 1.3 Sạt mái ngoài đê phía biển

1.3.3 Đánh giá nguyên nhân

Sự thay đổi khí hậu toàn cầu dẫn đến các trận bão lũ lớn xảy ra ngày càng nhiều hơn vào các năm gần đây đã gây ảnh hưởng tiêu cực đến bờ biển

Công tác điều tra khảo sát chưa đầy đủ và chính xác nên các tài liệu cơ

bản bị hạn chế ảnh hưởng đến việc thiết kế

Chất lượng và công nghệ thi công chưa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật thiết kế

Kích thước của các bộ phận đê kè chưa đáp ứng được trong điều kiện ven

Tầng lọc không tốt, đất phía trong chân kè bị xói gây hư hỏng chân kè

Tại khu vực có cống qua đê, chỗ tiếp giáp giữa các công trình bêtông với đất (đường ống trong thân đê, tường biên các công trình) thường có dòng thấm tập trung Nếu thiết kế không đúng hoặc thi công không đảm bảo, sự phá hoại rất dễ xảy ra

tại những vị trí này

1.4 Kết luận chương 1

Nước ta có đường bờ biển dài là thuận lợi và cũng là thách thức trong

việc phát triển kinh tế và ổn định đời sống nhân dân trong khu vực Dọc theo ven biển, cho đến nay hệ thống đê biển đã được xây dựng với tổng chiều dài trên 1400 km, với nhiều quy mô khác nhau đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển, chống gió bão, góp phần phát triển kinh tế xã hội, tăng cường an ninh quốc phòng, bảo vệ cuộc

sống của nhân dân

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam Á, chịu ảnh hưởng của khí hậu lục địa Trung Ấn từ phía Bắc và phía Tây, lại vừa chịu ảnh hưởng

của khí hậu biển Đông từ phía Đông và phía Nam, nơi giao giữa 2 biển lớn là Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương, đồng thời nằm giữa ổ bão biển Đông là 1 trong 5 ổ bão

lớn nhất thế giới Duyên hải miền Trung là nơi hứng chịu nhiều tác động của bão trong khu vực.Các cơn bão đổ bộ vào miền Trung gây ra mưa lớn, gió mạnh và đặc biệt là sóng tác động tiêu cực đến đê kè biển nói chung và chân kè nói riêng, gây ra những hư

hỏng mái và chân kè dẫn đến mất an toàn công trình

Do tầm quan trọng của đê kè biển đối với sự phát triển kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng và đảm bảo ổn định đời sống cho nhân dân ven biển, trong nhiều năm qua Đảng và Nhà nước đã đầu tư xây dựng, nâng cấp nhiều tuyến đê biển, đê cửa sông Nhiều tổ chức nước ngoài như CEC, CARE, OXFAM cũng đã tài trợ cho việc phát triển đê kè biển Chính phủ đã phê duyệt chương trình đầu tư củng cố và nâng cấp đê

biển miền Trung tại quyết định số 58/2006/QĐ – TT

Vì vậy đề tài nghiên cứu ổn định cục bộ chân kè biển nhằm đảm bảo an toàn ổn định cho kè trong điều kiện thiên tai bất thường của vùng duyên hải miền Trung là cần thiết, thiết thực cho giai đoạn hiện nay cũng như trong tương lai

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Sự làm việc của chân kè biển trong điều kiện thiên tai bất thường của vùng duyên hải miền Trung

2.1.1 Tình hình thiên tai vùng duyên hải miền Trung

Vùng duyên hải miền Trung có diện tích nhỏ hẹp, phần lớn các tuyến đê

biển đều ngắn, bị chia cắt bởi các sông, rạch, địa hình đồi cát ven biển Duyên hải miền Trung nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa có chế độ gió mùa hoạt động rất đặc biệt Hàng năm có sự tranh chấp của nhiều hệ thống thời tiết cùng địa hình bị chia cắt phức

tạp, mạng lưới sông suối dày đặc đã gây ra diễn biến bất thường của thời tiết và chế độ

thủy văn

Do sự thay đổi khí hậu toàn cầu, số cơn bão, lũ lớn xảy ra ngày càng nhiều Theo thống kê từ năm 1972 đến năm 2005 cho thấy khu vực này đã chịu tác động của 49 % số cơn bão Mùa bão trùng với mùa mưa, cộng thêm địa hình phức tạp, đồng bằng hẹp và thấp trũng, núi cao sườn dốc, tình trạng phá rừng ngày càng trầm

trọng làm lũ bão luôn có chiều hướng gia tăng trong những thập kỷ gần đây

Những cơn bão lớn gần đây đã xảy ra ở duyên hải miền Trung như :

- Bão Shirley đổ bộ vào Quy Nhơn 1978

- Bão Nancy đổ bộ vào Nghệ Tĩnh (18 – 12 – 1982)

- Bão Kim đổ bộ vào Thuận Hải năm 1983

- Bão Anges đổ bộ vào Nghĩa Bình năm 1988 với sức gió từ cấp 12 – 13

- Bão Cecil đổ bộ vào Bình Trị Thiên (16 – 10 – 1985)

Những năm gần đây, do ảnh hưỡng của biến động thời tiết trên toàn thế

giới như El Nino và La Nina, những trận bão biển và mưa lớn xảy ra càng khốc liệt hơn, đã có những trận lũ lụt lớn chưa từng thấy xảy ra ở các tỉnh ven biển Đặc biệt là hai cơn lũ liên tiếp từ đầu tháng 11 đến đầu tháng 12 năm 1999 được gọi cơn lũ thế kỷ

Những trận mưa liên tục từ ngày 18/10 đến ngày 6/11/1999 đã nâng mực nước các sông lớn ở miền Trung lên cao trình chưa từng thấy Gần 1,4 m (1384 mm) nước mưa

đã đổ xuống thành phố Huế trong vòng 24 giờ (từ 7 giờ sáng ngày 2/11 đến 7 giờ sáng ngày 3/11/1999), làm mực nước sông Hương lên cao gần 6 m, cao hơn mực nước trận

lụt năm 1953 đến 0,46 m Lượng nước mưa vào ngày 2/11/1999 tại Huế là lượng nước mưa lớn thứ nhì trên thế giới, sau kỷ lục 1870 mm đo được tại Cilaos, đảo Réunion vào ngày 16/3/1952 Tiếp đến là các trận mưa lớn đã liên tiếp xảy ra từ ngày 1/12 đến ngày 7/12/1999, nhất là ở hai tỉnh Quảng Nam và Quảng Ngãi Lượng nước mưa lên đến

2192 mm ở thượng lưu Sông Tam Kỳ và 2011 mm ở gần Ba Tơ Đặc điểm của trận lụt năm 1999 là nước lũ dâng cao rất mau nhưng xuống chậm, làm nhiều nơi bị ngập lụt đến 3 - 4 ngày Cơn lũ này đã làm gần 750 người thiệt mạng và tổn thất tài sản, mùa màng lên đến 300 triệu USD Bão lụt đã làm thiệt mạng gần 450 nguời năm 1998 và

400 người năm 1996 Ngoài ra, lũ lụt cũng đã gây nên những thiệt hại to tát về nhà cửa, mùa màng, cầu cống và đường xá, làm cho một xứ đã nghèo về phương diện kinh tế lại càng nghèo hơn Miền Trung ở trong một vòng luẩn quẩn vì thiên tai bão lụt xảy ra thường xuyên nên việc phát triển kinh tế ổn định gặp rất nhiều khó khăn

Theo số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thông, hậu

quả của thiên tai đem lại cho các tỉnh duyên hải miền Trung trong vòng 20 năm qua (1980 – 1999) là rất nặng nề :

- Có 5894 người chết

- Hơn 1000 người bị thương

- Tổng thiệt hại vật chất ước tính 1304 tỷ USD

Tổn thất hàng năm do bão lụt gây ra ngày một tăng :

- Trước 1980 tổn thất từ 15 – 20 tỷ đồng/ năm

- Giai đoạn 1980 – 1990 tổn thất 200 tỷ đồng/ năm

- Giai đoạn 1990 – 1995 tổn thất 250 tỷ đồng/ năm

Hình 2.1 Nước lũ bao vây thị xã Hồng Lĩnh – Hà Tĩnh (tháng 10-2010)

Hình 2.2 Đường Hồ Chí Minh đoạn qua Hà Tĩnh trong lũ tháng 10/2010

Ngoài nguyên nhân chính là các trận mưa bão lớn, còn có nhiều lý do thường được nhắc đến như nạn phá rừng, việc khai thác cát bừa bãi của con người

Ảnh hưởng của nạn phá rừng đối với lũ lụt đã và đang được tranh luận trên khắp thế giới Theo Cơ quan Lương Nông của Liên Hiệp Quốc (FAO), mức độ phá rừng ở Á Châu từ 9.5% trong thập niên 1960 đã lên đến 11% trong thập niên 1980 Nếu như hiện nay trên thế giới, tốc độ phá rừng đang diễn ra ở mức độ phi mã : mỗi năm có tới 180.000 kmP

2

Prừng nhiệt đới bị xoá sổ khiến hàng nghìn ha đất trồng trọt bị

sa mạc hoá, thì theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích rừng tự nhiên của nước ta cũng đang suy giảm với tốc độ chóng mặt Vào những năm

40 của thế kỷ trước, diện tích rừng tự nhiên là trên 14 triệu ha, thì đến năm 1990 chỉ còn trên 9,3 triệu ha, trong đó diện tích rừng đầu nguồn bị tàn phá nặng nề nhất Diện tích đất trống, đồi núi trọc nay đã vượt diện tích rừng tự nhiên Khu vực Tây Bắc - một phần mái nhà của châu thổ sông Hồng, độ che phủ chỉ còn 14% Tây Nguyên ở những năm 1960 có 90% diện tích được che phủ bởi rừng, nhưng từ năm 1996 đến nay, mỗi năm Tây Nguyên mất đi 10.000ha rừng Cũng như nhiều nơi khác ở Việt Nam, rừng ở các tỉnh miền Trung đang bị tàn phá một cách nghiêm trọng Hiện nay diện tích rừng chỉ còn khoảng 40% Các cuộc nghiên cứu và điều tra ở Hoa Kỳ cũng như nhiều nơi khác trên thế giới đã chứng minh rằng nguyên nhân hàng đầu của lũ lụt là có quá nhiều mưa xảy ra trong một thời gian ngắn ngủi, và việc phá rừng có thể gây ảnh hưởng quan trọng đối với lũ lụt trong các lưu vực hạn hẹp như ở miền Trung Cây cối có khả năng giữ nước cũng như giảm thiểu việc đất đai sụt lở Lượng nước lũ ở một vùng có nhiều cây cối sẽ ít hơn lượng nước lũ từ một vùng trơ trọi Nạn phá rừng không chỉ diễn ra với những cánh rừng đại ngàn, rừng phòng hộ, rừng đầu nguồn để lấy gỗ mà còn cả những cánh rừng ngập mặn ở các tỉnh ven biển Rừng ngập mặn của nước ta đứng trước nguy cơ bị khai thác quá mức để phục vụ phát triển kinh tế - xã hội, dẫn tới bị tàn phá nặng nề Số liệu của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cho thấy, năm 1943 diện tích rừng ngập mặn Việt Nam trên 400.000 ha, đến năm 1996 giảm còn 290.000

ha và 279.000 ha vào năm 2006 Những hạn chế bộc lộ thời gian qua trong quản lý và

sử dụng rừng ngập mặn là nhận thức xã hội còn thấp, ngay cả việc nghiên cứu khoa học cũng chưa tương xứng, quản lý chưa thống nhất Vì vậy, nếu không gắn kết giữa

hệ sinh thái rừng ngập mặn với việc phát triển bền vững, sẽ khó có thể tiếp tục giữ diện tích rừng hiện có nhằm giảm bớt thiệt hại do thiên tai gây ra Quan sát của các nhà khoa học đã cho thấy, những năm qua, nhiều cơn bão lớn đổ bộ vào nước ta, nhưng nơi nào rừng ngập mặn được trồng và bảo vệ tốt thì các đê biển vùng đó vẫn vững vàng trước sóng gió lớn, dù là đê biển được đắp từ đất sét, trong khi những tuyến đê biển được xây dựng kiên cố bằng bê tông hoặc kè đá nhưng do rừng ngập mặn bị chặt phá

để chuyển sang nuôi tôm như tại Hậu Lộc (Thanh Hóa) thì bị vỡ Theo khảo sát của GS.TSKH Phan Nguyên Hồng (Trung tâm Nghiên cứu hệ sinh thái rừng ngập mặn -

ĐH Sư phạm Hà Nội), độ cao sóng biển giảm mạnh khi đi qua dải rừng ngập mặn với mức biến đổi từ 75% đến 85% (từ 1,3m xuống 0,2m - 0,3m)

Việc khai thác bừa bãi cát sỏi ở các dòng sông cũng gia tăng mức độ nguy hiểm của lũ lụt Tình trạng này làm cho nhiều đoạn bờ sông bị sụt lở nghiêm

trọng Việc sụt lở các bờ sông cũng như việc bồi lấp các cửa sông cản trở việc thoát lũ, làm cho lũ lụt lớn hơn và lâu hơn Điển hình là vụ sụt lở bờ sông Vu Gia (Quảng Nam) làm cho một khu dân cư ở huyện Đại Lộc tỉnh Quảng Nam bị cuốn trôi trong cơn lũ năm 1999 vừa qua

2.1.2 Sự làm việc của chân kè biển và nguyên nhân phá hoại chân kè

2.1.2.1 Các kiểu chân kè chủ yếu

a) Chân kè kiểu hình khối lăng trụ

Chân kè khối lăng trụ có thể xuôi hoặc ngược nằm chìm ngang với mặt bãi hay dưới mặt bãi Vật liệu cho loại chân kè này là đá đổ, đá xếp, cấu kiện bêtông đúc sẵn Chân kè loại này sử dụng thích hợp cho nền yếu và vùng biển có mức độ xâm

thực nhỏ Chân kè chủ yếu chỉ chống đỡ dòng chảy do sóng tạo ở chân mái đê biển

Khối lăng thể xuôi Khối lăng thể ngược

Hình 2.3 Chân kè kiểu hình khối lăng trụ (1) : Khối lăng trụ bằng vật liệu rời

(2) : Tầng lọc ngược

b) Chân kè kiểu cọc cừ

Chân kè có thể có 1 hàng cọc hay nhiều hàng cọc Cọc có thể làm bằng nhiều loại ; cọc tre, cọc bêtông cốt thép, có những trường hợp có thể là khối xây như tường chắn đất.Chân kè loại này thường áp dụng cho vùng biển bị xâm thực mạnh để tránh hiện tượng moi hẫng khi mặt bãi trước chân kè bị xói sâu Trong những năm gần đây, nhiều nơi đã sử dụng ống buy cho chân kè biển Bên trong ống buy có đổ đá hộc các cỡ tạo thành cấu kiện độc lập có trọng lượng lớn và duy trì ổn định chân kè.Nhờ đá

đổ và các loại kết cấu tơi rời bên trong mà cấu kiện có khả năng điều chỉnh giữ vị trí trong khối kè.Ngoài ra, do ma sát của đá hộc bên trong nhỏ hơn ma sát giữa các ống nên các ống buy ít bị lún hơn so với đá hộc

Loại 1 hàng cọc Loại 2 hàng cọc

Kiểu ống buy Kiểu tường chắn

Hình 2.4 Chân kè kiểu cọc cừ (1) : Cọc

Đây là chân kè kết hợp giữa 2 kiểu trên Chân kè kiểu này gồm 3 bộ phận

chủ yếu là chân khay, khối lăng trụ và tầng lọc ngược Khối lăng trụ có thể nằm trong hay nằm ngoài chân khay.Chân kè này có thể chịu được tác động của sóng mạnh và dòng ven biển lớn

Kiểu lăng trụ nằm ngoài Kiểu lăng trụ nằm trong

Hình 2.5 Chân kè kiểu hỗn hợp

(1) : Cọc cừ

(2) : Khối lăng trụ

(3) : Tầng lọc ngược

2.1.2.2 Sự làm việc của chân kè biển và nguyên nhân phá hoại

Khối lượng của chân kè so với toàn bộ kè nằm trong khoảng từ 20 đến 40% Trong số những kè làm việc ổn định thì khối lượng chân kè chiếm từ 35 đến 40%

khối lượng toàn bộ kè Những kè có bề rộng chân kè lớn làm việc tương đối tốt

Chân kè biển chịu ảnh hưởng của sóng bão, sóng đổ, thủy triều, đôi khi

có sự trùng hợp của nhiều yếu tố Chân kè có thể bị hư hỏng do hiện tượng sụt sạt mái gây ra

Một số chân kè làm bằng đá đổ có bề rộng hợp lý Hiện nay chúng vẫn làm việc an toàn do phù hợp với tình hình địa chất nền móng, đảm bảo được vai trò bảo

vệ của chân kè

Đối với chân kè loại ống buy được xây dựng bắt đầu từ những năm 1990

đã chịu thử thách của sóng biển trong bão và hoạt động khá tốt, phù hợp với nền yếu, tính chỉnh thể của bản thân chân kè cao Do đó hiện nay loại hình này đang được áp

dụng một cách rộng rãi

Chân kè có các cấu kiện bọc như cấu kiện bêtông lát kè Trên cơ sở chân

kè đảm bảo ổn định phù hợp với địa chất nền thì lớp bọc mặt chống lại tác dụng của dòng mặt và sóng

Điều kiện địa chất nền, kiểu đường bờ có liên quan trực tiếp đến sự hư

hỏng của chân kè Nền đất bở rời được tạo nên bởi các trầm tích bở rời thuộc hệ Đệ Tứ,

chủ yếu là cát, bùn, bọt sét, cuội và sạn sỏi … phân bố tại các vùng cửa sông, các vùng đồng bằng ven biển chiếm khoảng 80% chiều dài đường bờ biển nước ta Nhìn chung

khả năng chịu lực của nền này không lớn, dễ bị bào mòn do sóng và ảnh hưởng tới sự

ổn định của chân kè Kiểu đường bờ đa dạng cũng làm thay đổi chế độ sóng, dòng ven

bờ và ảnh hưởng tới bãi và sự làm việc của chân kè

Chân kè thường gặp những phá hoại như sau :

- Chân kè bị lún sụt kéo theo mái kè bị sập gãy

- Mái kè bị sạt lở kéo theo chân kè bị sụt lún

- Chân kè bị lún tách rời khỏi mái kè.Ví dụ như kè Hậu Lộc – Thanh Hoá

- Chân kè bị sóng và dòng ven bờ tác động làm phá vỡ kết cấu Trong mùa mưa bão, sóng lớn kết hợp với triều cường làm bãi trước kè bị xói, các cấu kiện làm chân kè mất ổn định dẫn tới chân kè bị sụt, trượt Ví dụ như kè Bàu Tró – Quảng Bình

- Chân kè bị hư hỏng khi bãi bị hạ thấp, do tác động của sóng bùn cát từ trong thân kè gây hiện tượng sụt lún Ví dụ như kè Xuân Hội – Hà Tĩnh

Hình 2.6 Kè bị sụt tại Hậu Lộc – Thanh Hoá

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn dùng trong phân tích ứng suất biến dạng chân kè

2.2.1 Các phương pháp nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng

Để giải bài toán xác định ứng suất và biến dạng ta phải giải các phương trình cơ bản dựa vào điều kiện biên Có thể thực hiện theo các phương pháp sau:

- Phương pháp giải tích: là tìm nghiệm giải tích thỏa mãn các phương trình vi phân tại mọi thời điểm trong thân tường và thỏa mãn các điều kiện biên trên bề

mặt (Phương pháp Sức bền vật liệu, phương pháp Lý thuyết đàn hồi)

- Phương pháp số: là xác định gần đúng giá trị rời rạc của hàm ẩn tại một

thời điểm bên trong và trên biên của vật thể xét (Phương pháp Phần tử hữu hạn, phương pháp Sai phân hữu hạn)

Các phương pháp giải tích chỉ có thể giải được một số bài toán nào đó

Với những kết cấu có hình dáng đa dạng và điều kiện biên phức tạp thì phương pháp

giải tích tỏ ra kém hiệu quả và đôi khi không thể giải được

Những nhược điểm của các phương pháp giải tích hoàn toàn có thể được

giải quyết bằng phương pháp số với sự trợ giúp của các phương tiện tính toán Phương pháp số hay còn gọi là phương pháp rời rạc hoá có thể chia thành hai nhóm chính: phương pháp rời rạc kiểu toán học và phương pháp rời rạc kiểu vật lý

Trong phương pháp rời rạc kiểu toán học, nghiệm của bài toán không được mô tả qua các hàm mà được thay bằng nghiệm gần đúng mô tả qua một số hữu

hạn số với việc chọn tương ứng hệ hàm xấp xỉ Điển hình của phương pháp này là phương pháp sai phân hữu hạn Phương pháp này tương đối đơn giản nhưng không thuận tiện trong việc lập trình

Bản chất của phương pháp rời rạc kiểu vật lý là ở chỗ ta thay thế hệ thực (hệ liên tục) bằng một mô hình vật lý gần đúng bằng một số hữu hạn các phần con gọi

là các phần tử Kết quả nhận được từ phương pháp này cũng không phải là các hàm

chính xác mà là các giá trị số tại các nút của các phần tử Đại diện cho phương pháp này là phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu

Phương pháp này dựa trên công thức tính ứng suất biến dạng trong sức

bền vật liệu, nó tính được ứng suất tại mép công trình và xác định cả quy luật phân bố ứng suất trong thân công trình Cơ sở của phương pháp là xem phân bố ứng suất pháp trên mặt phẳng nằm ngang theo quy luật đường thẳng và trị số của nó tại mép biên công trình được xác định theo công thức nén lệch tâm

* Ưu điểm của phương pháp:

Phương pháp Sức bền vật liệu được coi là phương pháp tính toán cơ bản, giúp ta tính toán ứng suất biện dạng đơn giản, dễ dàng Tính được các giá trị σR y R, τR yx R tại các điểm đang xét, từ đó xác định được ứng suất chính và phương chính tại mọi điểm trong tường kè

* Nhược điểm của phương pháp:

Kết quả tính toán có sai số rất lớn, không phản ánh đúng trạng thái ứng

suất biến dạng trong công trình Nguyên nhân là do khi tính theo Sức bền vật liệu ta đã coi kè như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời; giả thiết

sự phân bố ứng suất pháp trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị số tại biên của

kè được xác định theo công thức nén lệch tâm; vật liệu đồng chất đẳng hướng Mặt khác, không thể giải quyết được các bài toán phức tạp như có biến dạng nền, ứng suất

tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dị hướng, không xét được trong giai đoạn thi công

2.2.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi

Cách tính độ bền như phương pháp Sức bền vật liệu là cách tính đơn giản, quan niệm ứng suất trong thân công trình phân bố theo quy luật bậc nhất, điều

này chưa phản ánh ứng xử thực của kết cấu Để có lời giải chính xác hơn, ta thường dùng lời giải của lý thuyết đàn hồi

* Ưu điểm của phương pháp:

Giải quyết được những vấn đề như ứng suất tập trung, ứng suất lỗ khoét, ứng suất nhiệt mà phương pháp Sức bền vật liệu không giải quyết được Tính toán tương đối đơn giản, áp dụng dễ dàng, độ chính xác cao

Có thể nói giải theo Lý thuyết đàn hồi chính là lời giải trực tiếp từ các phương trình vi phân, chúng vừa thoả mãn điều kiện liên tục của biến dạng vừa thoả mãn điều kiện biên

* Nhược điểm của phương pháp:

Lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện được với những trường hợp tải trọng

phức tạp, như áp lực thấm và đẩy nổi, áp lực bùn cát, động đất, ảnh hưởng của nền, nền

dị hướng … Kết quả tính toán chưa sát với thực tế làm việc của vật liệu là không đồng

chất, đẳng hướng Không xét được ảnh hưởng biến dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt gãy, nền có tính dị hướng, không tính được trong giai đoạn thi công, ảnh hưởng động đất …

2.2.1.3 Phương pháp sai phân hữu hạn

Phương pháp sai phân hữu hạn là phương pháp rời rạc kiểu toán học, nó không thay đổi gì miền tính toán mà chỉ phủ lên miền tính toán một lưới ( có thể là lưới hình vuông, hình chữ nhật, tam giác, tứ giác cong …) và nó thay thế một hàm xác định trong một miền liên tục bằng một hàm lưới gồm tập hợp rời rạc hữu hạn các điểm, ở đó đạo hàm được thay thế bằng các tỷ sai phân, do đó bài toán biên của phương trình vi phân được thay thế bởi một hệ phương trình đại số tuyến tính

* Ưu điểm của phương pháp: Phương pháp này tương đối đơn giản

* Nhược điểm của phương pháp:

Không thuận lợi trong việc lập trình tính toán ứng suất biến dạng với

khối lượng lớn, chưa phản ánh được sự lam việc của nền và vật liệu Phương pháp sai

phân hữu hạn không giải quyết được các bài toán có điều kiện biên phức tạp Không phân tích được bài toán dị hướng và trong giai đoạn thi công công trình

2.2.1.4 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một thuật toán để giải những phương trình vi phân đạo hàm riêng, trước hết bằng việc rời rạc hoá phương trình này theo các phương không gian nghiên cứu

* Ưu điểm của phương pháp:

Phương pháp Phần tử hữu hạn là một phương pháp đặc biệt có hiệu quả

để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó Phương pháp này đã giải được bài toán có xét đến ảnh hưởng biến dạng, tính dị hướng của nền, xét đến nền có lớp xen kẹp, đứt gãy và giải được bài toán có điều kiện biên phức tạp Phản ánh đúng thực tế sự làm việc của vật liệu là không đồng nhất, không đẳng hướng Phân tích được trạng thái ứng suất biến dạng quanh lỗ khoét, ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt mà các phương pháp như Sức bền vật liệu, Lý thuyết đàn hồi … không giải quyết được Cơ sở của phương pháp là thay kết cấu, môi trường liên tục bằng một mô hình bao gồm một số hữu hạn phần tử riêng lẻ liên kết với nhau chỉ ở một số hữu hạn điểm nút; tại các điểm nút tồn tại các lực hoặc các đại lượng đặc trưng khác tuỳ theo bài toán Các đại lượng tính toán bên trong phần tử được biểu diễn thông qua các trị số tại các điểm nút của phần tử Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, việc giải quyết các bài toán có khối lượng lớn, phức tạp được giải quyết và cho kết quả có độ chính xác cao

* Nhược điểm của phương pháp:

Khối lượng tính toán lớn, phức tạp không thể thực hiện bằng thủ công,

mặt khác phải phân tích kết cấu thực tế đưa về kết cấu tính toán sao cho hợp lý và cho

kết quả đúng, sát với thực tế nhất

2.2.1.5 Kết luận

Giới hạn trong luận văn này tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán ứng suất biến dạng chân kè Phương pháp này có thể cho lời giải

tới bất kỳ độ chính xác cần thiết nào, đồng thời nó có thể xét đến các hình dạng phức

tạp, các điều kiện biên phức tạp Mặc dù khối lượng tính toán lớn, nhưng với sự trợ giúp của máy tính điện tử đã giúp ta giải bài toán một cách dễ dàng, thuận tiện hơn Hơn nữa, phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi vì những ưu việt của nó,

với miền tính toán bao gồm các loại vật liệu khác nhau và có hình dáng kích thước bất

kỳ, biên của bài toán có thể phức tạp

2.2.2.Tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.2.1 Khái niệm về phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) là một thuật toán để giải những phương trình vi phân đạo hàm riêng, trước hết bằng việc rời rạc hoá phương trình này theo các phương không gian nghiên cứu Việc rời rạc hoá được tiến hành bằng cách

phủ lên miền xét các miền nhỏ đơn giản có hình dạng tuỳ ý (phần tử hữu hạn) chuyển các phương trình của bài toán thành các phương trình ma trận liên hệ giữa số liệu vào

tại các điểm định sẵn trong các phần tử (các điểm nút), với số liệu ra tại chính các điểm này Miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con (VR e R) gọi là các phần tử Các

phần tử này được kết nối với nhau tại các điểm định trước trên biên phần tử, gọi là nút Trong phạm vi mỗi phần tử, đại lượng cần tìm (như ứng suất, biến dạng) được lấy xấp

xỉ trong một hàm đơn giản được gọi là các hàm xấp xỉ Các hàm xấp xỉ này được biểu

diễn qua các giá trị của hàm (và có khi cả đạo hàm của nó) tại các điểm nút trên phần

tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm

của bài toán

Tuỳ theo ý nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ, người ta có thể phân bài toán theo ba loại mô hình sau:

- Mô hình tương thích : lấy chuyển vị làm ẩn số và lập hàm xấp xỉ chuyển vị

- Mô hình cân bằng : lấy ứng suất làm ẩn số, lập hàm xấp xỉ của ứng suất

- Mô hình hỗn hợp : hàm xấp xỉ bao gồm cả chuyển vị và ứng suất

Trong ba mô hình trên thì mô hình tương thích là có tính ưu việt hơn cả

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ra đời vào cuối những năm 1950 nhưng rất ít được ứng dụng vì công cụ tính toán còn chưa phát triển Vào cuối những năm 1960, phương pháp PTHH đặc biệt phát triển nhờ sự phát triển nhanh chóng và sử dụng rộng rãi của máy tính điện tử Đến nay có thể coi phương pháp PTHH là một phương pháp có hiệu quả nhất để giải các bài toán kỹ thuật khác nhau, từ bài toán phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong kết cấu các công trình thuỷ lợi, xây dựng dân dụng, giao thông đến các bài toán của lý thuyết trường như: Lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện - từ trường

Ưu điểm nổi bật của phương pháp PTHH là dễ dàng lập chương trình để giải trên máy tính, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hoá tính toán hàng loạt kết cấu với những kích thước, hình dạng, mô hình vật liệu và điều kiện biên khác nhau 2.2.2.2 Cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn