Bài giảng Gia cố bờ biển

Chương 6. Gia cố bờ biển Chương 6 GIA CỐ BỜ BIỂN 6.1. Chức năng Gia cố bờ dùng để năng cao khả năng chống xâm thực của bề mặt dưới tác dụng của môi trường bằng các vật liệu có khả năng chống xâm thực cao: đá, bê tông v.v... Đối với gia cố bờ biển thì nguyên nhân gây xâm thực mạnh nhất với bờ biển là sóng sau đó là dòng chảy. Các vật liệu gia cố phải chịu được tải trọng sóng, thường các vật liệu này chịu được tải trọng dòng chảy. 6.2. Kết cấu gia cố bờ Vật liệu gia cố bờ có thể được làm bằng đá đổ cấp phối, bêtông asphalt, các khối kỳ dị, tấm bê tông, bê tông mảng mềm. ở Việt nam thường sử dụng các vật liệu gia cố là đá đổ, tấm bê tông, bê tông mảng mềm (phổ biến nhất), các khối kỳ dị. Kết cấu gia cố bờ biển được áp dụng ở Việt nam thường có dạng sau: Hình 6- 1. Đá hộc lát khan, không có tường đỉnh. Hình 6- 2. Bê tông mảng mềm, đá lát khan phần trên, có tường đỉnh. 6-1 Chương 6. Gia cố bờ biển Hình 6- 3. Bê tông mảng mềm, tường đỉnh, thềm giảm sóng. Một số dạng kết cấu ốp bờ được sử dụng bảo vệ đê biển ở Hải phòng có dạng sau: 1 2 3 45 1. §−êng bê; 2. §ª ®¸; 3. KÌ ®¸ khan; 4. Ch©n khay 5. ThÒm ®¸ héc tr−íc kÌ Hình 6- 4. Mái kè đá lát khan trên đê đá. 1. Th©n ®ª; 2. ®¸ lãt; 3. kÌ ®¸ khan; 4. Ch©n khay; . 5 4 1 2 3 Hình 6- 5. Mái kè đá lát khan trên đê đất. 1. Th©n ®ª; 2. §¸ lãt; 3. §¸ kÌ khan; 4. ®¸ héc x©y 6 5 2 3 2 4 1 5. Ch©n khay tÊm bª t«ng; 6. §−êng mÆt b·i Hình 6- 6. Mái kè đá lát khan phần trên. 6-2 Chương 6. Gia cố bờ biển 1 2 3 2 4 5 6 5. Ch©n khay èng buy lâi ®¸ héc; 6. §−êng mÆt b·i 1. Th©n ®ª; 2. §¸ lãt; 3. §¸ kÌ khan; 4. TÊm bª t«ng l¸t Hình 6- 7. Mái kè tấm bê tông và đá hộc lát khan phần trên. 6. Ch©n khay tÊm bª t«ng vµ ®¸ héc; 7. §−êng mÆt b·i 1. Th©n ®ª; 2. V¶i läc; 3. §¸ lãt; 4. §¸ kÌ khan; 5. TÊm bª t«ng liªn kÕt 6 7 5 3 2 4 3 2 1 Hình 6- 8. Mái kè bê tông kích thước lớn liên kết mềm và đá hộc lát khan trong khung xây phần trên. 6. Ch©n khay èng buy - ®¸ héc; 7. §−êng mÆt b·i 1. Th©n ®ª; 2. V¶i läc; 3. §¸ lãt; 4. §¸ kÌ khan; 5. tÊm bª t«ng liªn kÕt 6 7 2 3 5 2 3 4 1 Hình 6- 9. Mái kè tấm bê tông liên kết mềm và đá hộc lát khan trong khung xây phần trên. 6.2.1. Kết cấu của kè ốp bờ gồm ba bộ phận chính: - Phần trên: là phần nối tiếp của phần gia cố có tác dụng bảo vệ bờ đất nằm ngoài phần lát mái. Kết cấu phần này đơn giản hơn phần lát mái do không chịu tải trọng chính của sóng và dòng chảy: có thể trồng cỏ, các vật liệu không đắt tiền. Tuy nhiên để giảm cao trình bảo vệ phần trên có thể dùng tường đỉnh xây bằng đá hoặc bê tông, bê tông cốt thép; - Phần gia cố là phần chính bảo vệ bờ đất được làm bằng các vật liệu khác nhau để đảm bảo chống xâm thực cho bề mặt dưới tác dụng của sóng và dòng chảy; - Chân khay bảo vệ chân phần gia cố khỏi bị xói và bị trượt. 6.2.2. Một số dạng kết cấu chân khay thường dùng: 6-3 Chương 6. Gia cố bờ biển Hình 6- 10. Chân khay nông nằm trên mặt đất. Hình 6- 11. Chân khay nông chôn trong đất. Hình 6- 12. Chân khay nông mố nhô. Hình 6- 13. Chân khay sâu bằng cọc gỗ. 6-4 Chương 6. Gia cố bờ biển Hình 6- 14. Chân khay sâu bằng ống bê tông. 6-5 Chương 6. Gia cố bờ biển Hình 6- 15. Các loại chân khay khác. 6.3. Kích thước cơ bản của gia cố bờ. 6.3.1. Chiều cao gia cố bờ Phần gia cố được phân thành các vùng sau: - Vùng I: vùng ngầm- phần mái dốc nằm thấp hơn MNTTK; - Vùng II: vùng ngập- vùng nằm trong phần từ MNTTK đến cao trình mà nước có thể đạt tới (Bao gồm MNCTK cộng với chiều cao sóng leo và nước dồn); - Vùng III: vùng không ngập - có tác dụng dự phòng. 6-6 Chương 6. Gia cố bờ biển II III I H H H 3 2 1 Hình 6- 16. Phân vùng gia cố. Chiều cao của các vùng được xác định như sau: H3 - chiều cao dự phòng nằm ở phía trên cao trình của vùng sóng leo và nước dồn, thông thường lấy theo bảng sau: Bảng 6- 1. Trị số gia tăng độ cao an toàn (a) Cấp công trình Đặc biệt I II III IV Trị số gia tăng độ cao an toàn (m) 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 H2 = hSL + ∆h+(MNCTK-MNTTK) (6-1) MNCTK - mực nước cao thiết kế; Bảng 6- 2. tần suất mực nước thiết kế. Cấp công trình Đặc biệt I và II III và IV Tần suất mực nước biển thiết kế,% 1 2 5 MNTTK - mực nước thấp thiết kế lấy bằng mực nước thấp nhất; hSL- chiều cao sóng leo (xem trong phần tham số sóng và mực nước); ∆h - chiều cao do nước dồn (xem trong phần tham số sóng). H1 - tổng chiều sâu tại chân mái dốc với độ dự phòng có khả năng xói: H1 = TS + TP (6-2) TS - độ sâu khu nước tính từ MNTTK trở xuống; TP - độ sâu dự phòng về xói do dòng chảy hoặc sóng. Trường hợp dự phòng do dòng chảy: dtg mg VT TBp 302 . 1 23 2 2 − + = β (6-3) β - góc hợp giữa trục dòng chảy với đoạn gia cố (không lấy nhỏ hơn 300); VTB - vận tốc trung bình của bó dòng đi sát bờ; m - hệ số mái dốc; d - đường kính hạt tại đáy sông với suất bảo đảm là 85%. Khi d<1mm thì bỏ qua đại lượng 30d. Độ sâu dự phòng xói do sóng lấy bằng chiều cao sóng lớn nhất Hmax chưa vỡ tại chân công trình. 6-7 Chương 6. Gia cố bờ biển 6.3.2. Tường đỉnh Tường đỉnh không nên cao quá 1m, kết cấu bằng bê tông, bê tông cốt thép, nhưng thông thường bằng đá xây, có khe biến dạng, có kết cấu chặn nước cách nhau (10ữ20) m đối với tường BTCT, (10ữ15) m đối với tường bê tông và gạch đá xây. Ở những vị trí thay đổi đất nền, thay đổi chiều cao tường, kết cấu mặt cắt v.v… Cần bố trí thêm khe biến dạng. Thiết kế tường đỉnh, cần tính toán cường độ, kiểm tra ổn định trượt, lật, ứng suất nền, cũng như yêu cầu chống thấm v.v … 6.3.3. Mái dốc Độ dốc mái gia cố được xác định thông qua tính toán ổn định, có xét đến biện pháp thi công, yêu cầu sử dụng khai thác và kết cấu công trình gia cố mái. Thông thường lấy m=3ữ5. 6.3.4. Thềm giảm sóng Thềm giảm sóng trên mái phía biển: bố trí ở vùng sóng gió lớn để giảm chiều cao sóng leo, tăng cường ổn định thân đê; Có thể bố trí thềm giảm sóng ở khoảng cao trình mực nước biển tính toán. Chiều rộng thềm giảm sóng cần lớn hơn chiều cao sóng tính toán và không nhỏ hơn 3 m. Nếu lấy m dưới thềm < m trên thềm thì chiều cao sóng leo nhỏ hơn so với trường hợp mdưới thềm > mtrên thềm. Tại vị trí thềm giảm sóng, năng lượng sóng tập trung, cần tăng cường gia cố, đặc biệt là ở vùng mép ngoài, đông thời bố trí đủ lỗ thoát nước. 6.3.5. Chân khay Cần bố trí chân khay ở vị trí nối tiếp chân đê và bãi biển. Loại hình và kích thước chân khay xác định theo tình hình xâm thực của bãi biển, chiều cao sóng (Hs) và chiều dày lớp phủ mái d. 6.3.5.1. Chân khay nông Áp dụng cho vùng nước có độ xâm thực bãi biển ít, chân khay chỉ chống đỡ dòng chảy do sóng tạo ra ở chân đê. Dạng chân khay nông gồm có: -Dạng thềm phủ cao: Đá hộc phủ phẳng trên chiều rộng từ 3ữ4,5 lần chiều cao sóng trung bình, chiều dày từ 1-2 lần lớp phủ mái (hình 1-5a). -Dạng thềm chôn trong đất: đá hộc hình thành chân đế hình thang ngược, thích hợp cho vùng đất yếu, chôn sâu bằng Hmax (hình 1-5b). -Dạng mố nhô: lăng thể đá tạo thành con trạch viền chân đê, có tác dụng tiêu năng sóng, giảm sóng leo, giữ bùn cát, phù hợp cho bãi vùng thấp (hình 1-5c). 6.3.5.2. Chân khay sâu Áp dụng cho vùng bãi biển xâm thực mạnh, tránh moi hẫng khi mặt đá bị xói sâu. Chân khay cắm xuống không nhỏ hơn 1.0m. Chân khay sau có nhiều loại, thường dùng các loại sau: - Chân khay bằng cọc gỗ (hình 1-5d); - Chân khay bằng cọc bê tông cốt thép hoặc bằng ống BTCT (hình 1-5e). 6.4. Tính toán gia cố bờ biển 6-8 Chương 6. Gia cố bờ biển 6.4.1. Trình tự tính toán Việc tính toán gia cố bờ biển được thực hiện theo trình tự sau: - Xác định thông số sóng tại chân công trình; - Chọn kết cấu sơ bộ của gia cố bờ; - Xác định kích thước cơ bản của gia cố bờ; - Xác kích thước vật liệu gia cố; - Xác định kích thước chân khay; - Kiểm tra ổn định trượt phẳng của vật liệu gia cố; - Kểm tra ổn định trượt cung tròn. - Nếu gia cố bằng các tấm BT hoặc BTCT thì cần kiểm tra độ bền của tấm dưới tác dụng của tải trọng sóng như trường hợp dầm trên nèn đàn hồi. 6.4.2. Gia cố bằng tấm bê tông Khi lớp gia cố được làm bằng tấm bê tông thì bề dày của tấm được xác định từ điều kiện sau: - Chống đẩy nổi; - Chống lật; - Đảm bảo độ bền. - Chiều dày của tấm bê tông tính theo công thức trong qui phạm thiết kế đê Trung Quốc (GB50286-98) (theo [6]): B S B SB l LH γγ γηδ −= (6-4) Trong đó : Bδ - chiều dày tấm bản bê tông (m); η - hệ số : η =0.0075 đối với bản lát khan, η =0.1 đối với bản phần trên lát khan, phần dưới chít mạch; LS - chiều dài sóng (m); HS - chiều cao sóng (m): lB - chiều dài cạnh tấm bê tông theo phương vuông góc với đường mép nước (m); m - hệ số mái dốc; γ , Bγ - trọng lượng riêng của nước và của bê tông (t/m3). - Tính theo công thức Pilarezyk K.W (theo [6]): 3 2 ξγγ γ ϕδ −= B S B H (6-5) Trong đó: HS - chiều cao sóng thiết kế (m), lấy Hs=H1/3 6-9 Chương 6. Gia cố bờ biển ξ - hệ số sóng vỡ S S L H tgαξ = ϕ - hệ số phụ thuộc vào hình dạng và cách lắp đặt cấu kiện, lấy theo bảng 6-3. Bảng 6- 3. Hệ số ϕ theo cấu kiện và cách lắp đặt Loại cấu kiện và cách lắp đặt ϕ Tấm lát đặt nằm 4÷4.5 Tấm lát đặt trên lớp geotextile 5 Tấm lát tự chèn 6 Tấm lát tự chèn trên lớp đệm tốt 8 Tính toán theo 2 công thức trên, chọn kết quả lớn hơn để thiết kế. 6.4.3. Thiết kế tầng đệm, tầng lọc Giữa lớp phủ mái và thân đê, phải bố trí lớp trong kết cấu gia cố rời, lớp đệm làm nhiệm vụ tầng lọc (tầng lọc ngược) bằng vật liệu truyền thống hoặc sử dụng geotextile. 6.4.3.1. Tầng lọc ngược truyền thống Tầng lọc ngược truyền thống phải thoả mãn điều kiện (theo [2]): 20 520 5 , 50 50 , 15 15 , 85 15 > >> > d d d d d d (6-6) Trong đó: d- đường kính hạt của lớp ngoài. d’- đường kính hạt của lớp trong liền kề; - Có đường cong phân bố hạt của các lớp lọc phải gần song song với đường cong phân bố hạt của đất bờ; - Trong trường hợp mái đê gia có bằng các tấm bê tông, lớp trên cùng tầng lọc ngược phải có d50>rD với rD là chiều rộng khe hở của các lớp bê tông. Chiều dầy của mỗi lớp lọc 0δ được xác định theo công thức: 0δ =50.d15 (6-7) Hoặc lấy theo kinh nghiệm: - lớp trong: 02δ = (10÷15) cm; - lớp ngoài: 01δ = (15÷20) cm. 6.4.3.2. Tầng lọc ngược sử dụng geotextile - Geotextile đặt trực tiếp trên mái đê, cố dịnh ở đỉnh đê và trải xuống chân khay, cần có biện pháp chống chọc thủng của rễ cây, sinh vật và ánh nắng mặt trời v.v… 6-10 Chương 6. Gia cố bờ biển -Lựa chọn loại geotextile thích hợp theo chỉ dẫn thiết kế và sử dụng vải địa ky thuật để lọc trong công trình thuỷ lợi. - Cần bố trí lớp đá dăm dày 10ữ15cm giữa vải địa kỹ thuật và lớp bảo vệ. 6.4.4. Gia cố bằng mảng mềm 6.4.4.1. Hình dạng và kích thước cơ bản của các khối bê tông mảng mểm. Hiện nay tại Việt nam việc gia cố bằng các khối bê tông mảng mềm tương đối phổ biến. Thông dụng là các khối T2, T3, TSC-178 của tác giả Phan Đức Tác (theo [4]). Trong đó khối TSC-178 là tối ưu nhất do sự liên kết giữa các khối với nhau tốt hơn hai khối kia. Dưới đây là hình dạng và kích thước của các khối: Hình 6- 17. Cấu tạo khối TSC-178. Bảng 6- 4. Các thông số cơ bản của cấu kiện TSC-178 Các thông số Công thức tính Thể tích cấu kiện (m3) VTSC- 178=3 6/)2(32/3 12221 ttdbda −+− Diện tích mặt trên (m2) Str= 3 2/3 21a Diện tích mặt dưới (m2) Sd= baa 222 32/3 + Thể tích mố nhám tam giác (m3) Smn= 8/)(3 22 hnm + Quan hệ giữa các cạnh b= )(3 21 aa − c= )(3 21 aa − /2 a1.t1=a2.t2 Góc vát cạnh chèn (độ) β0=900 ±α0 ; 00<α0 < 900 6-11 Chương 6. Gia cố bờ biển Các thông số Công thức tính Chiều dài khớp nối (m) l=t1+t2+ 2221 )]([ cttd ++− Số mặt chèn n=6 6.4.4.2. Các công thức xác định chiều dày và khối lượng khối Tsc-178 Chiều dày của các khối bê tông mảng mềm được xác định theo công thức (theo [4]): D=KWKtK1hS/∆ (6-8) Trong đó: hS- chiều cao sóng tính toán; KW - hệ số hiệu chỉnh với khối Tsc-178 lấy bằng 1,14; K1 - hệ số được tra bảng phụ thuộc chiều cao sóng; Kt = Kh/(Km+KL), các hệ số Kh, KL được tra bảng; Km= ( )22 1/ mm + , m - hệ số mái dốc; γ γγ −=∆ b ; bγ - trọng lượng riêng của bê tông, γ - trọng lượng riêng của nước. Bảng 6- 5. Các hệ số K1 của các cấu kiện Tsc-178 hs 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 K1 0,19 0,21 0,23 0,245 0,26 0,27 0,295 0,31 Bảng 6- 6. Các hệ số Km m 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Km 0,894 0,928 0,948 0,961 0,970 0,976 Bảng 6- 7. Các hệ số Kl ,Kh Kiểu cấu kiện Hình hộp β0=900 TSC-178 KL 0,237 1,17 Kh 1 0,78 Trọng lượng của các khối được xác định theo công thức (theo [4]): α γ cot3 3 ∆= Sbn hKG (6-9) α - góc nghiêng của mái dốc; Kn - hệ số thực nghiệm phụ thuộc chiều cao sóng. Bảng 6- 8. Các hệ số Kn của các cấu kiện Tsc-178 hs 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Kn 0,036 0,026 0,017 0,012 0,009 0,007 0,006 0,005 6.4.4.3. Kiểm tra khả năng chịu lực của mảng mềm: Khi áp dụng mảng mềm để gia cố bờ, ngoài việc chọn kích thước và trọng lượng cho phù hợp với điều kiện sóng cần phải kiểm tra khả năng chịu lực của khối. Cách thức được tiến hành như sau: - Lấy bề rộng dải bằng bề rộng của khối mảng mềm; 6-12 Chương 6. Gia cố bờ biển - Xác định tải trọng sóng lên mái nghiêng; - Coi mỗi một khối là một dầm trên nền đàn hồi, các dầm liên kết khớp với nhau. - Xác định nội lực của dầm bằng các phần mềm tính toán kết cấu có các gối đàn hồi (nền đất được rời rạc hoá bằng các gối đàn hồi). - So sánh khả năng chịu lực của bê tông với nội lực tìm được và đưa ra quyết định thay đổi kích thước kết cấu nếu không đảm bảo. 6.4.5. Gia cố bằng đá đổ và khối kỳ dị Kích thước viên đá và các khối kỳ dị tham khảo phần đê chắn sóng mái nghiêng và lấy các công thức áp dụng cho trường hợp sóng không tràn. 6.4.6. Đường kính viên đá chân khay Tham khảo phần đê mái nghiêng. 6.4.7. Tải trọng sóng lênkè ốp bờ. Đối với mái dốc được gia cố bằng những tấm lắp ghép hoặc đổ tại chỗ và có mái dốc: 5)(5,1 ≤≤ ϕctg thì biểu đồ áp lực tựa tĩnh lấy theo sơ đồ sau: Hình 6- 18. Sơ đồ tính áp lực lên mái nghiêng. Trong đó Pd được xác định theo công thức: ghPkkP relfsd ρ= (6-10) ks được xác định theo công thức: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −++= λϕλ hctghks 15,1028,0)(8,485,0 (6-11) kf được xác định theo bảng 6-11: Bảng 6- 9. Xác định kf Độ thoải của sóng h λ 10 15 20 25 35 Kf 1 1,15 1,3 1,35 1,48 Prel - giá trị áp lực sóng tương đối xác định theo bảng: 6-13 Chương 6. Gia cố bờ biển Bảng 6- 10. Xác định Prel Chiều cao sóng 0,5 1 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4≥ Prel 3,7 2,8 2,3 2,1 1,9 1,8 1,75 1,7 Cao độ z2(m) được xác định theo công thức: ( ) )(1)(21 )( 1 2 22 BActgctg Az ++−+= ϕϕ (6-12) A và B là các đại lượng tính bằng m, xác định theo công thức sau: )( )(1023,047,0 2 2 ϕ ϕλ ctg ctg h hA +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += (6-13) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−= λϕ hctghB )25,0)(84,0(95,0 (6-14) z3 - độ cao ứng với chiều cao sóng leo lên mái dốc (được xác định trong phần tham số sóng); Các giá trị li được xác định theo công thức: )m(l0125,0l1 ϕ= )m(l0325,0l2 ϕ= )m(l0265,0l3 ϕ= )m(l0675,0l 4 ϕ= Trong đó: 4 2 1)( )( − = ϕ ϕλ ϕ ctg ctgl (6-15) Giá trị của phản áp lực sóng dưới các tấm bản gia cố được xác định theo công thức: ghPkkP rel,cfsc ρ= (kpa) (6-16) Trong đó Pc,rel - phản áp lực tương đối được lấy theo đồ thị 6-19: 6-14 Chương 6. Gia cố bờ biển Hình 6- 19. Sơ đồ tính phản áp lực sóng lên mái nghiêng, 6.4.8. Tải trọng sóng lên tường đỉnh. Tải trọng sóng lên tường đỉnh có thể tính theo tải trọng sóng lên khối bê tông đỉnh trong đê mái nghiêng. 6-15 Chương 6. Gia cố bờ biển Chương 6 ...................................................................................................... 6-1 6.1. Chức năng..........................................................................................................6-1 6.2. Kết cấu gia cố bờ...............................................................................................6-1 6.3. Kích thước cơ bản của gia cố bờ. ......................................................................6-6 6.4. Tính toán gia cố bờ biển....................................................................................6-8 6-16