Bed bank and shore protection 2

Sóng thiết kế tại biên nước sâu: Hs, Tp, θ q Vật liệu thân đê và mái kè r Điều kiện địa chất đất nền... Lưu ý về thủy triều thiên văn:• Là tất định, có thể đo đạc và tính toán chính xác

Chương 10 THIẾT KẾ ĐÊ VÀ KÈ BIỂN

phần I

K45B, 9/2007

Thiều Quang Tuấn

Đê: Ngăn hoặc hạn chế

2 Cơ chế hư hỏng phá hoại đê

Xói mái trong

Cát Hải 7/2005

Sóng tràn

Nước dâng

Cát Hải

Nước tràn đỉnh, Hậu Lộc 2005

Xói mái ngoài, Hậu Lộc 2005

Tràn đỉnh, vỡ đê Hải Hậu 11/2005

3 Thiết kế đê và kè mái

3.1 Điều kiện biên cho thiết kế đê & kè

3.2 Mực nước thiết kế và cao trình đỉnh đê 3.3 Phân tích hình học đê

3.4 Kết cấu áo kè

3.5 Chân kè và công trình chuyển tiếp

3 Thiết kế đê và kè mái - điều kiện biên

n Điều kiện hình thái: tốc độ xói , loại xói, mặt cắt ngang bãi trước đê

o Điều kiện dân sinh kinh tế: tần suất thiết kế 1/10, 1/20 ???

p Điều kiện biên thủy lực:

1 Mực nước biển TB

2 Thủy triều thiên văn (triều thiên văn cực đại)

3 Nước dâng (theo tần suất t.k)

4 Sóng thiết kế tại biên nước sâu: Hs, Tp, θ

q Vật liệu thân đê và mái kè

r Điều kiện địa chất đất nền

3.1- Điều kiện biên thủy lực

ƒ do tương tác lực hấp dẫn của mặt

trăng, mặt trời và trái đất: thiên văn !!!

ƒ thông thường 02 nước lớn & nước

ròng trong ngày , 02 lần nước cường và

Lưu ý về thủy triều thiên văn:

• Là tất định, có thể đo đạc và tính toán chính xác

(không có tính tần xuất)

• Tính chất phụ thuộc vào khu vực, đặc điểm địa hình đáy

• PP tính toán thủy triều tại một vị trí:

- đo đạc mực nước đủ dài và phân tách các thành phần điều hòa

- dùng các TP điều hòa để xác định biên độ triều lớn nhất

Đ.K Thủy lực - Nước dâng (do gió)

02 phương pháp tính toán:

• Từ đường tần suất nước dâng ứng với P tk

• Từ gió thiết kế (U, F, T, D)

Phân bố dài hạn nước dâng

(Hook of Holland – Hà Lan)

120 năm quan trắc

(NC của ĐH Lund và Viện Cơ học, 2004)

Lưu ý: chỉ là nước dâng chưa bao gồm thủy triều !

Số năm quan trắc ???

Với Tần suất

p = 1/25 năm chiều cao nước dâng tại Hải Hậu là 1.6 m

Phân bố dài hạn nước dâng – Hải Hậu

25 Chu kỳ lặp lại (năm)

Đ.K Thủy lực - Sóng thiết kế: Hs, Tp, β

Biết: H s0 , T p , β 0 tại biên nước sâu

Cho bài toán thiết kế: tham số sóng trước

chân công trình

Điều kiện sóng nước sâu thiết kế

) P1: Phân bố dài hạn (cực hạn) chiều cao sóng

(dài hạn: sóng cực hạn quan sát trong nhiều năm)

Đường tần suất vượt quá của sóng nước sâu : bán Log/Weibull

Xác định theo tần suất thiết kế p = 1/10, 1/20 năm,…

Điều kiện sóng thiết kế

) P2: Tính từ gió (nếu sóng do gió địa phương)

WADIBE

SWAN

Điều kiện sóng thiết kế

) P3: Sóng bị hạn chế độ sâu

(Bãi nông, thoải trước đê)

0.50

b b

b

H h

Quy tắc ngón tay cái:

(Chiều cao sóng lớn nhất = ½ độ sâu nước)

-> ví dụ: tính toán với WADIBE

Sóng trước chân đê:

tại vị trí cách mép nước 1/4L 0 hoặc 1/2L

1/4L 0

Phân bố sóng ngang bờ

Tính toán triết giảm năng

lượng sóng

Hạn chế độ sâu

Hs ≈ 0.5h

Cần có địa hình mặt cắt ngang bãi !

Điều kiện sóng thiết kế

Lưu ý:

• Hs trước chân đê ít nhạy cảm với H s0

• Hs trước chân đê nhạy cảm với độ sâu nước

Vì vậy cho mục đích thiết kế đê:

-> Cần mô hình nước dâng tiên tiến

-> Chỉ cần mô hình sóng đơn giản

-> Cần biết địa hình bãi trước đê

• Chu kỳ sóng là tham số quan trọng

chọn T p , T m-1.0 , hay T m ?

3.2 Mực nước thiết kế và

cao trình đỉnh đê

Đỉnh đê = MNTK+Sóng leo+Dâng cao MNTB+Dao động (gió giật)+Phòng lún MNTK = MNTB + (Thủy triều thiên văn) + Nước dâng thiết kế (do gió)

3.2 Mực nước thiết kế và

cao trình đỉnh đê Thành phần cấu thành cao trình đỉnh đê biển

Quy phạm thiết kế hiện nay: (14-TCN-130-2002)

Tổ hợp bão cấp 9, triều 5% ??? : gió 47∼54 Mph + triều 5% MNTK = MNTB + Mực nước

Lưu ý: thủy triều thiên văn là tất định

không có tính tần xuất

14-TCN-130-2002:

• Khái niệm “triều” không rõ ràng

• Phối hợp tần suất không khoa học

• Tần suất thiết kế đê không xác định

• Rủi ro

Thủy triều

Nước dâng

3.2.1 Mực nước thiết kế MNTK

Mực nước = Thủy triều + Nước dâng

(Bão DURIAN, 9/2005 Hòn Dấu)

Vỡ đê Hà Lan, 1953

3.2.2 Sự dâng cao của MNTB

Sự nóng lên toàn cầu (Global warming)

và nước biển dâng (Sea level rise)

IPCC: Intergovernmental Panel on Climatic Change (UN)

• Báo cáo số 3 (2002)

• Báo cáo số 4 (2007)

Giãn nở của đại dương do nhiệt

Băng tuyết tan

6.8

10.3 7.0

2.3

3.7 1.8

0.5

0.0 0.6

-0.8

28.9 18.3

8.7

Thành phần của sự dâng cao MNBTB (cm) 1985-2030

3.2.2 Sự dâng cao của MNTB

3.2.2 Sự dâng cao của MNTB

10-20 cm/100 năm

3.2.3 Chiều cao sóng leo thiết kế

Tiêu chuẩn 2% sóng leo (R 2% )

Quan hệ Hs and Ru là tuyến tính

Hs tuân theo phân bố Rayleigh

• γf bãi trước đê (Hs ở nước sâu)

TAW (van der Meer):

γr Loại vật liệu (cấu kiện) mái kè

1.0 BT Nhựa Asphalt, bê tông, cấu kiện BT nhẵn, cỏ,

Cát-Asphalt 0.95 Cấu kiện BT liên kết ngang, Cấu kiện có cỏ mọc

0.90 Basalt, Basalton, Hydroblock, Haringman, Tsc

Fixstone, Armorflex (cấu kiện đặc biệt) 0.85 Lessinische và Vilvoordse, cấu kiện độ nhám nhỏ 0.80 Kè đá đổ thâm nhập nhựa

0.70 Kè đá đổ một lớp

0.55 Kè đá đổ hai lớp

Giảm sóng leo do độ nhám mái kè

Giảm sóng leo do góc sóng tới xiên góc

Ảnh hưởng của cơ đê đến giảm sóng leo

berm

d B

Cơ làm việc tốt nhất khi bố trí tại ngay MNTK

Giảm sóng leo tối đa 60 %, Bề rộng cơ tối ưu

Cơ đê Hải Hậu ???

# ở vùng nước nông: Tp không còn phù hợp mà Tm-1.0 !

Ảnh hưởng của chu kỳ sóng

Sóng leo theo TAW-2002

(van der Meer mới)

2%

2%

0 0

Tm-1.0 = Tp/α, α = 1.10∼1.20 (tuỳ theo đ.k bãi)

0 0

m

u

H R

0 0

0 4

ξ

, ,

% ,

m

u

H R

2 1 6

3 4

ξ

, ,

% ,

m

u

H R

Sóng leo theo TAW-2002

(van der Meer mới) – TK theo LTĐTC

Tính toán sóng leo theo TAW-2002

Độ dốc mái đê quy đổi

# phải tính lặp để xác định R 2% !

3.2.4 Chiều cao đê theo tiêu chuẩn sóng tràn

• Asl có thể tính theo tiêu chuẩn sóng tràn

• Sóng tràn được định lượng thông qua lưu lượng tràn

trung bình qua 1m dài đỉnh đê q (m3/s/m)

Q - lưu lượng tràn không thứ nguyên

Hm0 - Chiều cao sóng momen 0

Rc = chiều cao lưu không trên MNTK = CT Đỉnh – MNTK

q - lưu lượng tràn trung bình m3/s/m

0 3

0 0 0

m

R

q Q

H

γ ξ

ξ γ γ γ γ α

1 0.2 exp 2.30

R H

g

q

γ γ γ γ ξ ξ

γ

α 0 0 θ

0 3

0

1 75

4 067

0

exp tan

.

Thiết kế đê theo sóng tràn hay sóng leo ?

Là vấn đề thuộc về quan điểm tiếp cận:

Ở Hà Lan và châu Âu:

• Luôn giữ cho đê đủ cao để “không bao giờ” bị

tràn (P tk = 1/10,000)

• Chấp nhận rủi ro khi xảy ra sự cố (hậu quả rất lớn)

• Thay đổi về khí hậu toàn cầu khiến chiều cao

đê phải tiếp tục được tăng lên

Quan điểm gần đây (COMCOAST):

(COMbined function in COASTAL zone)

Đê chịu sóng tràn (ORD)

• Cho phép sóng tràn qua đê ở mức độ nhất định

• Xây dựng đê có khả năng chống lại sóng tràn

• Quy hoạch chức năng vùng đệm phù hợp

http://www.comcoast.org/

Đê Hải Hậu: đã tiếp cận COMCOAST

• Tiêu chuẩn sóng tràn dùng cho thiết kế đê chịu sóng tràn

• Tiêu chuẩn sóng tràn có liên hệ mật thiết với chất lượng mái trong của đê

Chiều cao đê theo sóng tràn hay sóng leo ?

Tiêu chuẩn lưu lượng tràn cho phép, Đê H Đê H à Lan :

Chất lượng mái đê phía trong không xác định q < 0.1 l/s Chất lượng mái đê phía trong loại trung bình q < 1.0 l/s Chất lượng mái đê phía trong loại tốt q < 10 l/s

Cho xe cộ qua lại an toàn q< 0.001 l/s Cho người đi bộ qua lại an toàn q< 005 l/s Không gây hư hỏng cho nhà cửa q< 001 l/s Gây hư hỏng cho nhà cửa ở mức độ cho phép q< 02 l/s

Chương 10 THIẾT KẾ ĐÊ VÀ KÈ BIỂN

phần II

K45B, 9/2007

Thiều Quang Tuấn

3.3 Phân tích hình học đê

Xác định cấu tạo hình học đê :

• Điều kiện biên (MNTK, Sóng, vật liệu)

• Sơ bộ bố trí cấu tạo hình học: độ dốc mái đê,

độ nhám (loại kè), cơ đê (cao trình, bề rộng)

• Xác định tiêu chuẩn sóng leo/sóng tràn

• Xác định cao sóng leo/sóng tràn

• Tính cao trình đỉnh đê

• Bố trí cấu tạo hình học đỉnh đê và mái trong (theo tiêu chuẩn sóng tràn)

So sánh các phương án về cấu tạo hình học đê

+ Mái thoải Æ đỉnh thấp + Mái dốc Æ đỉnh cao + Có và không có cơ đê + Sóng tràn <> chất lượng đỉnh & mái trong

nước dâng

# Cần đưa ra các phương án khác nhau để so sánh kinh tế, kỹ thuật !

Tiêu chí: vật liệu đắp đê, cao trình, diện tích chiếm,…

3.3 Phân tích hình học đê

- Chiều cao sóng lớn nhất trước chân đê:

- Chu kỳ sóng Tp = 6 s

- kè lát mái đá lát khan γr = 0.80

- độ vượt cao an toàn (lún, gió giật): 0.70 m

- đỉnh đê rộng 5 m, mái trong mt = 2

m = 3 không cơ

m = 4 không cơ

6.10 m

Khối

lượng đất 59.48 m3/m đê 47.55 m3/m đê 66.05 m3/m đê 81.0 m3/m đê 61.19 m3/m đê

1.82 m Cao trình

đỉnh đê 7.37 m 6.42 m 6.35 m 6.02 m

3.4 Thiết kế kết cấu mái kè

Nội dung

1 Cấu tạo, kết cấu và vật liệu mái kè

2 Tải trọng và ổn định của mái kè

3.4 Thiết kế kết cấu mái kè

1 Kết cấu , cấu tạo lớp, vật liệu

3.4 Thiết kế kết cấu mái kè

3.4 Thiết kế kết cấu mái kè

03 dạng kết cấu mái kè cơ bản

mái đá cấu kiện xếp asphalt

Đá cột basalt tự nhiên

Vật liệu kè tự nhiên

Kè đá basalt

Vật liệu kè tự nhiên

Kè đá đổ

Vật liệu kè nhân tạo

(cấu kiện BT dạng cột, khối, liên kết)

dạng cột dạng khối

Lót đá cấp phối Cấu kiện liên kết mảng, gờ khóa

không vải ĐKT có vải ĐKT

cát cát

đất sét

lớp lót

đá cấp phối tầng lọc

tầng lọc Vải ĐKT

Vải ĐKT

Lớp tựa

Cấu kiện kè ở Việt Nam

dày 30-35cm

Cấu kiện liên kết

Tsc

Sản xuất cấu kiện Tsc

Ăn mòn cấu kiện Tsc

Cấu kiện kè dạng khác ở Hà Lan

• Liên kết cáp thành mảng

• Độ rỗng (thấm) lớn

• Thân thiện môi trường

• Thi công cơ giới

Xếp hydroblock theo đường cong

Thân thiện môi trường

Basalton (cột)

Haringman

Kè bê tông nhựa

2 Tải trọng và sự ổn định của mái kè

Cơ chế hư hỏng mái kè

• Các cấu kiện lỏng lẻo bị đẩy ra khỏi mái kè

geotextile

uplift pressure

wave impact

Đẩy bật

Mất đất (cát) nền

Trượt mái ngoài

Minh họa về áp lực đẩy ngược lên mái kè

Áp lực đẩy lên lớp áo kè (có độ thấm)

Chiều dài áp lực thấm Λ (leakage length)

T

k d d k

Để giảm áp lực thấm:

# Lớp áo kè cần có độ thấm lớn (hơn lớp lọc) để giảm áp lực đẩy ngược

Chiều dài áp lực thấm Λ (leakage length)

Λ đặc trưng cho chênh lệch áp lực (lực đẩy)

tác động lên lớp áo kè

Chiều dày lớn Æ áp lực đẩy lớn

Độ thấm áo kè lớnÆ áp lực giảm

Độ thấm tầng lọc bé Æ áp lực giảm

• Giảm diện tích bề mặt của cấu kiện (giảm áp lực đẩy)

• giữa các cấu kiện cần có khe hở đủ rộng

• không chít kín mạch vữa giữa các cấu kiện

• thay vì đó, sử dụng vật liệu chèn (đá cấp phối)

3 Tính toán lớp áo kè (cấu kiện)

3 50

cot )

s

D n

H

K

Δ

Công thức Hudson (cổ điển)

Các ảnh hưởng không tính đến trong công thức (hạn chế)

Công thức Van deer Meer (ổn định tĩnh, động)

1 0.31 0.5transition 6.2 P tan P

ξ = ⎣ ⎡ α ⎤ ⎦⎛⎜⎝ + ⎞⎟⎠

ξ > ξtransition · dâng vỡ

ξ < ξtransition · nhảy vỡ

0.2 0.18 0.5 50

0.2 0.13

N: số con sóng N=Tbão/Tm

S: mức hư hỏng cho phép

P: đặc trưng cho “độ thấm” của công trình

3 Tính toán lớp áo kè (cấu kiện)

α ξ

≤ Ψ Φ Δ

Ψu hệ số chất lượng ổn định mái kè (xác định theo loại áo kè, chuẩn

Ψu = 1 cho mái kè đá đổ hai lớp), Ψu ≤ 2.25

Φ hàm số biểu thị cho ngưỡng chuyển động/ổn định của vật liệu

ξp số Iribarren-number ứng với chu kỳ đỉnh Tp

D kích thước (bề dày) của lớp áo kè

Δm tỷ trọng của vật liệu áo kè

b hệ số mũ 0.5 < b < 1

đá đổ b=0.5, cấu kiện nhẵn b=1, trung bình b ≈ 2/3

3 Tính toán lớp áo kè (cấu kiện)

Công thức Pilarczyk (2)

Xác định chiều dày lớp áo kè (cấu kiện)

Φ = 2.0 cho ngưỡng chuyển động của đá

Φ = 2.25 giá trị trung bình

Φ = 3.0 với hư hỏng tối đa cho phép (ước lượng ban đầu)

0.1 2 0.18

2.0 đá nhựa thâm nhập 2.5 rọ đá

2.5 Armorflex (liên kết mảng cáp

Ý nghĩa về yêu cầu kích thước

H

F D

α ξ

≤ Δ

# Thiết kế cấu kiện (viên đá) theo

bề dày chứ không phải khối lượng

# Cấu kiện dạng cột

có tính ổn định cao hơn dạng dẹt

Sử dụng lại cấu kiện cũ

4 Chân kè

Có tác dụng bảo vệ chống xói

và giữ ổn định cho mái kè

• A: cách truyền thống: đào, chôn chân, bảo vệ

• B: bảo vệ linh hoạt: dạng mảng treo (mảng ck, bè cành bó)

• C: đá đổ rời tự lăn rơi

03 dạng chung:

# Cần ước tính đúng chiều sâu hố xói !

4 Chân kè

Một số dạng chân kè

mảng bó cành cây

Chân kè đá đổ

cọc cừ kín

cọc cừ hở

Chân kè ống/cọc buy

Chân kè rãnh chôn

a: chân kè nằm ở sâu, ít bị hư hỏng b: chân kè bãi nông

Kích thước vật liệu chân kè

• Chịu tải trọng không trực tiếp như áo kè

• Chịu ảnh hưởng thường xuyên của sóng trong điều kiện thường

• an toàn Dn,chân = Dn,kè

5 Tầng lọc và vải ĐKT

5 Tầng lọc và vải ĐKT

không dệt

dệt/đan

lọc cốt liệu

Sự cần thiết của lớp lọc/vải ĐKT

Không có lớp lọc/vải

Có lớp lọc/vải

5 Kết cấu chuyển tiếp trên mái kè

• Giữa hai loại cấu kiện (vật liệu)

• Giữa hai loại kết cấu hở và kín

• Trên cơ ngoài

• Mái kè và đỉnh đê

Lý do ?

Vị trí chuyển tiếp

- biên trên của mái kè

- vị trí chịu tải trọng cao

MNTK

1.0 Hs ~ 2.0 Hs 0.5Hs ~ 0.5Z2%

không bố trí chuyển tiếp

Hải Hậu, Hậu Lộc, Cát Hải

MNTK 5%?

MNTK

Kết luận

• Cần điều tra, quy hoạch mức phòng lũ thích hợp (tần suất thiết kế): 1/10, 1/20 năm ?

Æ Nên bỏ khái niệm thiết kế dựa trên cấp bão !

• Tiến hành ngay các quan trắc tạo chuỗi số liệu về

điều kiện biên về thủy lực, hình thái

• Cập nhật và nâng cao lý luận và quan điểm thiết kế: đi vào bản chất vật lý của các quá trình tự

nhiên