Xây dựng kè chắn sóng cảng Lạch Huyện

ều dâng) và hình 2.11 (khi triều rút). Hình 2.10: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng khi triều dâng (22h 1/7/06) Hình 2.11: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng khi triều rút Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng mùa đông (tháng 2) được thể hiện trên hình 2.12 (khi triều dâng)và 2.13 (khi triều rút). Hình 2.12: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng khi triều dâng (8h 2/2/06) Hình 2.13: Trường dòng chảy có ảnh hưởng sóng khi triều rút (20h 1/2/06) b) Kết quả mô phỏng trường sóng có sự ảnh hưởng của dòng chảy: Kết quả mô phỏng trường sóng theo hướng Nam được thể hiện trên hình 2.14 (khi triều dâng)và 2.15 (khi triều rút). Hình 2.14: Trường sóng hướng Nam khi triều dâng Hình 2.15: Trường sóng hướng Nam khi triều rút Kết quả mô phỏng trường sóng theo hướng Tây Nam được thể hiện trên hình 2.16 (khi triều dâng) và 2.17 (khi triều rút). Hình 2.16: Trường sóng hướng Tây Nam khi triều dâng Hình 2.17: Trường sóng hướng Tây Nam khi triều rút Kết quả mô phỏng trường sóng theo hướng Đông Nam được thể hiện trên hình 2.18 (khi triều dâng)và 2.19 (khi triều rút). Hình 2.18: Trường sóng hướng Đông Nam khi triều lên Hình 2.19: Trường sóng Đông Nam khi triều rút Nhận xét: Trường dòng chảy: Trong điều kiện hiện trạng, dựa trên kết quả mô phỏng cho thấy tại khu vực này dòng trong sông chiếm ưu thế hơn so với dòng triều. Khi triều xuống, xuất hiện 1 roi cát khá dài nổi lên bên trái cửa Lạch Huyện. Khi có tác động của sóng và dòng chảy khi triều lên, roi cát này mới bị ngập. Trường lưu tốc tại khu vực trong sông đổ ra biển tuân thủ theo quy tắc thuận nghịch, khi triều xuống thì theo hướng đi ra biển, khi triều lên thì trường lưu tốc trong kỳ triều kém có ảnh hưởng không đáng kể đến trường lưu tốc thủy lực của dòng. Trường dòng chảy chịu ảnh hưởng của sóng, tại biên phía biển, trường dòng chảy co xu thế bị uốn cong theo hướng sóng. Tại các bờ Đông, bờ Tây, hướng lưu tốc hướng ngang. Trong mùa lũ, dòng chay lũ từ sông đổ xuống theo hướng Nam, lưu tốc dòng chảy lớn nhất có thể đạt được là 1,0 m/s đến 1,2 m/s ở khu vực ngay cửa biển. Trường sóng: Trường sóng truyền vào khu vực nghiên cứu theo hướng Nam (S): hướng sóng vuông góc các đường đồng mức điạ hình đáy. Đây là trường sóng tác động trực tiếp đến công trình cảng Lạch Huyện, cần quan tâm nhất. Trong kỳ triều lên, cùng với dòng triều sóng tác động mạnh đến dòng chảy trong sông, gây ra sự hỗn loạn dòng chảy tại khu vực cửa sông. Trường sóng truyền vào khu vực nghiên cứu theo hướng Tây Nam (SW): đây cũng là sóng tác động trực tiếp đến khu cảng Lạch Huyện, tuy nhiên tần suất xảy ra sóng hướng Tây Nam là không lớn. Dòng chảy sóng gặp dòng trong sông vào mùa lũ thì bị uốn cong và đi ra. Vào mùa kiệt dòng sóng cùng dòng triều tiến sâu vào trong sông. Trường sóng truyền vào khu vực nghiên cứu theo hướng Đông Nam (SE): sóng từ biển truyền thẳng vào khu vực cảng. Tuy nhiên do điều kiện địa hình, cảng Lạch Huyện được đảo Cát Bà che chắn phía Đông và 1 phần phía Đông Nam nên hướng sóng này không ảnh hưởng nhiều đến cửa cảng. Mô phỏng khu vực nghiên cứu khi có công trình: Dựa vào kết quả mô phỏng hiện trạng khu vực nghiên cứu để tiến hành mô phỏng công trình bảo vệ cảng Lạch Huyện. Vị trí công trình cần thỏa mãn: - Chắn sóng vào khu vực cảng, tạo khu nước lặng bên trong cảng. - Không cản trở tàu thuyền đi lại vào khu vực cảng. - Tiết kiệm chi phi đào lắp. Kết quả mô phỏng cho thấy ở bờ trái cửa Lạch Huyện có 1 roi cát lớn nằm vuông góc với đường bờ bên Cát Hải. Cao trình lớn nhất -0.5m. Đây là địa điểm thuận lợi cho việc đặt công trình lên để giảm chi phí đào lấp. Dựa vào đó kiến nghị thiết kế đê chắn sóng cảng Lạch Huyện dài 6km (kéo dài đến cao trình -2,5m). Ở đầu có tuyến đê nối tiếp theo hướng Đông Nam để chắn sóng hướng Tây Nam, dài 1km (hình 2.20, 2.21). Hình 2.20: Vị trí công trình kè chắn sóng Hình 2.21: Vị trí của công trình kè chắn sóng Mô phỏng dòng chảy có ảnh hưởng của sóng Dòng chảy có ảnh hưởng của sóng được mô phỏng trên hình 2.23 (khi triều dâng) và 2.24 (khi triều rút). Hình 2.22: .Trường dòng chảy khi triều lên (4h 4/7/06) Hình 2.24: Trường dòng chảy khi triều xuống (20h 5/7/06) b) Mô phỏng trường sóng có ảnh hưởng của dòng chảy Kết quả mô phỏng trường sóng hướng Nam được thể hiện trên hình 2.25 (khi triều dâng)và 2.26 (khi triều rút). Hình 2.25: Trường sóng hướng Nam khi triều dâng Hình 2.26: Trường sóng hướng Nam khi triều rút Kết quả mô phỏng trường sóng hướng Đông Nam được thể hiện trên hình 2.27 (khi triều dâng)và 2.28 (khi triều rút). Hình 2.27: . Trường sóng hướng Đông Nam khi triều dâng Hình 2.28: Trường sóng hướng Đông Nam khi triều xuống Kết quả mô phỏng trường sóng hướng Tây Nam (SW) được thể hiện trên hình 2.29 (khi triều dâng)và 2.30 (khi triều rút). Hình 2.29: Trường sóng hướng Tây Nam khi triều dâng Hình 2.30: Trường sóng hướng Tây Nam khi triều rút Nhận xét: Để tiện cho việc phân tích và đánh giá hiệu quả của công trình chỉnh trị, tiến hành so sánh số liệu trích rút mực nước, sóng, lưu tốc dòng chảy tại một số điểm đặc trưng. Các điểm nghiên cứu được lấy tại các vị trí A1, A2, A3, A4 (hình 2.31) Hình 2.31: Sơ đồ vị trí các điểm trích rút Trong đó A1: Điểm thuộc vị trí bến Gót A2, A3: Điểm nằm trong luồng Lạch Huyện A4: Điểm nằm ở ngoài cửa Lạch Huyện Kết quả trích số liệu mực nước cho thấy giá trị mực nước tại các điểm khảo sát trước và sau khi có công trình chênh lệch nhau rất ít, đặc biệt là trong thời kỳ triều lên.. Tại thời điểm triều rút, giá trị mực nước trước và sau khi có công trình chênh nhau khoảng 0,5m. Càng vào sâu trong sông thì giá trị mực nước càng tăng. Giá trị mực nước tại các điểm nghiên cứu được thể hiện ở bảng 2.3. Bảng 2.3. Các giá trị trích mực nước tại các điểm nghiên cứu Điểm Trước khi có công trình Sau khi có công trình Hmin Hmax Biên độ Hmin Hmax Biên độ A1 -1.00 1.93 2.93 -1.54 1.92 A2 -1.11 1.92 3.03 -1.72 1.89 A3 -1.12 1.91 3.03 -1.84 1.83 A4 -1.06 1.86 2.92 -1.71 1.85 Để có cái nhìn định lượng về sự phân bố lưu tốc trên khu vực nghiên cứu, tiến hành khảo sát sự biến đổi lưu tốc lớn nhất và nhỏ nhất tại các điểm trích rút trước và sau khi có công trình chỉnh trị (Bảng 2.4). Bảng 2.4. Các giá trị lưu tốc tại điểm trích rút (m/s) Điểm Có công trình Không có công trình ∆V Vmax Vmin Vmax Vmin ∆Vmax ∆Vmin A1 0.2789 0.0010 0.2795 0.0013 0.0006 0.0003 A2 0.3378 0.0009 0.3238 0.0018 0.0140 0.0009 A3 0.4957 0.0041 0.3730 0.0055 0.1227 0.0014 A4 0.4820 0.0024 0.3557 0.0044 0.1263 0.0020 Như vậy khi có công trình thì lưu tốc dòng chảy có xu thế lươn hơn. Điều này được giải thích là do sự co hẹp mặt cắt ngang khi xây dựng công trình khiến cho lưu tốc dòng tăng lên. Một vấn đề đáng lưu tâm khi xây dựng công trình là: công trình chắn sóng phải tạo vùng nước lặng trong khu vực cảng. Ta xem xét các giá trị chiều cao sóng tại các điểm trich rút được thể hiện ở bảng 2.5. Bảng 2.5. Các giá trị chiều cao sóng tại các điểm trích rút Điểm Không có công trình Có công trình Hmin Hmax Htb Hmin Hmax Htb A1 0.00024 0.35 0.075 -0.00057 0.23 0.01 A2 0.00022 0.61 0.111 -0.00072 0.19 0.048 A3 0.00031 0.90 0.130 -0.00035 0.46 0.127 A4 0.00033 1.17 0.256 -0.00018 0.59 0.253 Như vậy, dựa vào kết quả trích rút ta thấy giá trị chiều cao sóng giảm đi đáng kể khi có công trình. Kết quả mô phỏng công trình trên điều kiện hiện trạng cho thấy: Công trình chặn hầu hết những sóng có hướng Tây Nam và 1 phần sóng hướng Nam ảnh hưởng đến khu vực cảng Lạch Huyện. Lưu tốc dòng chảy là khá nhỏ phía sau công trình. Lưu tốc dòng chảy uốn quanh theo tuyến công trình, cần xem xét tính nhiễu xạ tại đây. Dòng dọc bờ ở khu vực đảo Cát Hải bị chặn lại tại đê chắn sóng, ngăn cản dòng vận chuyển bùn cát. Như vậy cần có bài toán hình thái để xem xét tác động của công trình đến hình thái của đường bờ đảo Cát Hải cũng như việc bồi lấp cửa Lạch Huyện. Tính toán vận chuyển bùn cát Khi xây dựng công trình chỉnh trị, dòng vận chuyển bùn cát tự nhiên sẽ bị chặn lại, gây ra hiện tượng bồi lắng ở cửa cảng, gây cản trở đến giao thông thủy, đi lại của tàu bè vào cảng. Chính vì vậy cần phải nghiên cứu quy luật vận chuyển bùn cát tại khu vực của cảng trong điều kiện đã có công trình để xem xét tổng quan hiện tượng bồi lắng cửa cảng, từ đó đề ra các biện pháp xử lý. Sử dụng modul tính vận chuyển bùn cát trong Mike 21 Couple để tính toán vận chuyển bùn cát cho khu vực cửa Lạch Huyện, xem xét tác động của công trình đến hình thái đường bờ cũng như việc bồi lấp cửa sông. Số liệu độ đục tại các biên bao gồm: diễn biến hàm lượng bùn cát lơ lửng (hình 2.32 và 2.33), thành phần cơ giới, vận tốc chìm lắng và ứng suất tới hạn bồi lắng của các thành phần. Ứng suất chìm lắng tới hạn: 0,07 N/m2 Hàm lượng bùn cát lơ lửng tại các biên: Hình 2.32: Độ đục tại trạm Đình Vũ sông Bạch Đằng tháng 7- 2006 Hình 2.33: Độ đục tại trạm sông Chanh- tháng 7/2006 Thông số mô hình: Bước thời gian tính toán: t=10s Hệ số nhám: sử dụng độ nhám cho khu vực có địa hình thay đổi Hệ số nhớt thủy động: 2,5- 3m2 /s áp dụng đều khắp mô hình Trong điều kiện đã có công trình, ta xem xét quá trình vận chuyển bùn cát, sự bồi lắng trong cửa sông Lạch Huyện. Trong mùa lũ, nước trong lũ trong sông đổ ra mạnh, dòng bùn cát cũng vì thế mà tăng lên. Vì vậy, khi xét các yếu tố bồi lấp cửa sông, ta sẽ xét đến quy luật vận chuyển bùn cát trong mùa hè (tháng 7). Kết quả mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát khu vực nghiên cứu trước và sau khi có công trình được thể hiện trên hình 2.34 và 2.35 Hình 2.34: Quá trình vận chuyển bùn cát khi chưa có công trình (11h 10/07/2006) Hình 2.35: Quá trình vận chuyển bùn cát trong mùa hè (23h 10/07/2006) Để tiện cho việc phân tích quá trình bồi xói của khu vực ta tiến hành so sánh phân bố độ đục trước và sau khi có công trình tại các điểm trích rút được thể hiện dưới hình 2.36 Hình 2.36: Sơ đồ các điểm trích rút độ đục Số liệu trích rút độ đục được thể hiện ở bảng 2.6 Bảng 2.6: Số liệu trích rút độ đục (kg/m3) Điểm Không có công trình Có công trình Smax Stb Smax Stb A1 0.31 0.09 0.26 0.08 A2 0.35 0.099 0.43 0.12 A3 0.1 0.072 0.17 0.13 A4 0.1 0.081 0.09 0.073 A5 2.86 1.24 2.91 1.24 Nhận xét: Dòng bùn cát lan truyền từ trong sông ra tuân theo xu thế của dòng chảy thuận nghịch. Bùn cát từ sông Chanh lan qua bên sông Bạch Đằng qua 2 kênh là kênh Cái Tráp và kênh Hà Nam. Số liệu trích rút cho thấy, sau khi có công trình lượng bùn cát tại các điểm A1 và A4 giảm xuống, trong khi tại các điểm A2 và A3 lại tăng lên. Điều này chứng tỏ khi có công trình, dòng bùn cát bị chặn lại và bồi lắng tại các vị trí A2 và A3. . Sự chênh lệch tại điểm A3 và A4 trước và sau khi có công trình là không lớn. Đối với điểm A1, A2: do khi có công trình, mặt cắt lòng sông bị thu hẹp, gia tốc dòng nước lớn sẽ cuốn bùn cát tại điểm A1 ra ngoài cửa nên gây xói, ngoài ra công trình sẽ chặn dòng bùn cát dọc bờ Cát Hải tại điểm A2 nên tại đây xảy ra hiện tượng xói. Bùn cát tập trung bồi lắng nhiều bên phía mũi nhô đảo Cát Bà. Lượng bồi lắng ở đây là lớn nhất. Như vậy, dựa vào kết quả mô phỏng vận chuyển bùn cát, sử dụng modul Mike21 Couple, ta có thể thấy quy luật bồi lắng bùn cát khi có công trình chỉnh trị. Khi xây dựng đê chắn sóng cảng Lạch Huyện cần chú ý đến 3 vị trí có thể gây bồi lắng tại khu vực cửa sông: tại gốc đê phía Cát Hải; đoạn chuyển tiếp giữa 2 tuyến đê; mũi nhô phía đảo Cát Bà. Khi xây dựng công trình 1 thời gian cần có những biện pháp để chống hiện tượng bồi lắng cửa cảng như: sử dụng tàu hút, hút bùn cát từ chỗ bồi để chuyển sang chỗ xói… CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH LỰA CHỌN CÔNG TRÌNH VÀ TÍNH TOÁN CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN THIẾT KẾ Quy hoạch và lựa chọn công trình Dựa vào các kết quả mô phỏng hiện trạng khu vực nghiên cứu và khi đã có công trình (chương 2) ta thấy, lưu tốc dòng chảy hướng từ biển vào khu vực cửa Lạch Huyện là khá nhỏ khi có công trình. Ở khu vực đầu đê có hiện tượng nhiễu xạ sóng. Vị trí đoạn nối giữa hai tuyến đê có hiện tượng bùn cát bồi lắng. Cao trình đê cần xác định ở cao trình và vị trí hợp lý để vừa chắn sóng vào khu vực cảng, vừa không cản trở việc di chuyển của thuyền bè vào cảng. Phương án bố trí tuyến đê Để lựa chọn được 1 sơ đồ bố trí công trình loại chủ động để làm ổn định luồng tầu cửa sông ven biển là bài toán nan giải chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thực tế. Mục đích của để chắn sóng trong quy hoạch cảng Lạch Huyên là chắn sóng từ nước sâu lan truyền vào bờ, tạo khu nước tĩnh bên trong cảng và chắn bùn cát dọc bờ làm bồi lấp cửa cảng. Như vậy để đê chắn sóng có hiệu quả, công trình cần có những kích thước cơ bản như sau: Chiều dài tuyến đê cần đạt tới vùng sóng đổ. Xét thêm các yếu tố chạy tàu thì cao độ tự nhiên của mũi đê cần đạt tới nơi có cao trình ngang với cao trình đáy của luồng tàu thiết kế. Cao trình đỉnh đê cần ngang hoặc lớn hơn cao trình của các bãi bồi ven bờ. Dựa vào các công trình có thực được xây dựng ở 1 số cửa cảng trên thế giới cũng như của Việt Nam kết hợp với điều kiện tự nhiên, cùng với việc phân tích nguyên nhân bồi lắng của vùng cửa biển Lạch Huyện, tôi xin đề xuât xây dựng phương án tuyến đê như sau: - Đoạn 1:dài 6km, bắt đầu từ bờ biển đảo Cát Hải, cách cửa Lạch Huyện 200m, nằm trên 1 roi cát lớn (kết quả mô phỏng mô hình), có phương vuông góc với đường bờ. Đầu đập đoạn 1 kéo ra tới cao trình -2.5 m. - Đoạn 2: dài 1km, nối tiếp với đoạn 1, tạo góc 135o so với đoạn 1. Việc tạo góc 135o để chắn một phần sóng hướng Nam lên, đồng thời tránh hiện tượng bồi lắng tại đê chắn sóng do bùn cát từ cửa Lạch Huyện đổ ra. Đầu đập kéo dài tới cao trình -6 m. Hình 3.1: Sơ bộ hình ảnh tuyến đê Lựa chọn dạng công trình Đê chắn sóng có ba dạng kết cấu chính là: Đê tường đứng trọng lực, đê mái nghiêng và đê hỗn hợp. Với mỗi loại kết cấu đê thì đếu có các ưu nhược điểm khác nhau và điều kiện áp dụng khác nhau. Chúng ta sẽ đi phân tích cụ thể cho từng loại kết cấu. Đê tường đứng trọng lực Kinh nghiệm thiết kế thi công cho thấy công trình đê chắn cát kiểu tường đứng kinh tế hơn công trình đá đổ mái nghiêng do có hình dáng gọn nhẹ, giảm được khối lượng của các vật liệu xây dựng: Đá và Bê Tông. Điều kiện quan trọng nhất để áp dụng kiểu tường đứng trọng lực là: nền móng phải tốt. Đất nền lí tưởng nhất cho công trình này là nền đá tuy nhiên đối với loại đất có khả năng chịu tải tương đối tốt cũng có thể làm nền móng cho công trình như đất cát, sỏi. Tuy nhiên phải có biện pháp gia cố chống xói lở đáy. Như vậy công trình đê chắn sóng trọng lực tường đứng có thể được xây dựng theo các điều kiện sau: - Có thể áp dụng với mọi độ sâu trên nền đá, khi sóng vỡ tại chân công trình cần có các khối tiêu sóng. - Trên nền đất chỉ xây ở độ sâu lớn hơn 1,5 ¸ 2 lần chiều cao sóng tại chân công trình, và không sâu quá 20 m. - Tiết kiệm hơn so với đê mái nghiêng. - Đê chắn sóng tường đứng trọng lực gồm các loại: đê chắn sóng trọng lực dạng khối xếp, đê chắn sóng trọng lực thùng chìm, đê chắn sóng trọng lực kiểu chuồng ... b) Đê mái nghiêng Đê mái nghiêng được ứng dụng sớm nhất, tận dụng được các vật liệu sẵn có tại chỗ: đất đá, bê tông... Ngày nay, đê chắn cát mái nghiêng còn được ứng dụng rất nhiều các khối bê tông có hình thù đặc biệt vừa tiêu hao năng lượng sóng, vừa liên kết chắc chắn với nhau. Các khối này có tên gọi là các khối kì dị hoặc các khối phức hình. Chúng đã được thử nghiệm ở nhiều bể cảng và có các tên gọi khác nhau như là khối: Tatrapot, Dolos, Dipod... và bê tông cốt thép dị dạng đã xuất hiện ở nhiều tuyến đê chắn sóng mái nghiêng. Đê chắn sóng mái nghiêng được sử dụng ở những nơi có địa chất không cần tốt lắm, độ sâu không quá 20m. Đê mái nghiêng có các ưu nhược điểm sau: * Ưu điểm: - Tận dụng được vật liệu địa phương; - Tiêu hao năng lượng sóng tốt, sóng phản xạ ít, nhất là khi mái nghiêng có độ nhám cao. - Thế ổn định tổng thể khá vững chắc vì là các vật liệu rời. Nếu xảy ra mất ổn định cục bộ. Do đó đê mái nghiêng thích hợp với hầu hết các loại nền đất. - Cao trình đỉnh đê mái nghiêng thấp hơn so với đê tường đứng; - Công tác điều tra cơ bản nền đất ít tốn kém hơn (lỗ khoan thưa và nông); - Công nghệ thi công đơn giản có thể kết hợp hiện đại và thủ công. * Nhược điểm: - Tốn vật liệu gấp hai, ba lần so với tường đứng ở cuìng một độ sâu; - Không thể sử dụng mép ngoài để neo cập tàu; - Đoạn gần cửa cảng giảm bề rộng hữu ích; - Khi muốn làm đường gia thông trên mặt đê phải dùng các khối bê tông đỉnh; - Tốc độ thi công chậm so với tường đứng ở cùng độ sâu. Mặc dù có các nhược điểm trên, đê chắn sóng mái nghiêng vẫn là giải pháp kết cấu thông dụng cho tất cả các nước. Ở Việt nam, kết cấu đê chắn sóng mái nghiêng có mặt tại mọi bể cảng đã thi công và đang thiết kế: Phú Quý, Bạch Long Vĩ, Phan Thiết, Vũng Áng, Chân Mây, Dung Quất, Liên Chiểu... Dựa vào đặc điểm vật liệu và đặc thù cấu tạo, kết cấu đê chắn sóng mái nghiêng được phân loại thành: - Đê mái nghiêng bằng đá; - Đê mái nghiêng với khối bêtông gia cố hình hộp. - Đê mái nghiêng với các khối bêtông phức hình. c) Đê hỗn hợp Là đê kết hợp giữa hai kết cấu đê mái nghiêng và tường đứng. Thường được xây dựng ở độ sâu rất lớn d > 20 m. Phần dưới là mái nghiêng có vai trò là lớp đệm, cao trình lớp đệm lấy sao cho không gây ra sóng vỡ trước công trình đảm bảo phần tường đứng không bị tác dụng xung lực. Để có thể lựa chọn được loại hình kết cấu đê chắn cát hợp lý (hợp lý theo chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật) cần phải xem xét, phân tích đồng thời nhiều yếu tố như: điều kiện về địa hình, địa chất, chế độ sóng, điều kiện vật liệu địa phương...tại vị trí xây dựng đê. Qua phân tích như trên, đề xuất phương án thiết kế đê chắn sóng cho khu vực cửa Lạch Huyện là đê chắn song dạng đá đổ mái nghiêng. Xác định cấp công trình Đây là công trình đê chắn sóng khu vực cảng cửa sông Lạch Huyện, nhằm bảo vệ khu vực cảng, tránh các tác động của sóng, dòng chảy, bồi tụ cửa sông lên khu vực cảng. Đây là công trình quan trọng trong việc phát triển kinh tế khu vực kinh tế trọng điểm Bắc Bộ. Sau khi cảng Lạch Huyện ra đời sẽ là cảng cửa ngõ của khu vực phía Bắc, là đầu mối giao thông quan trọng. Với tầm quan trọng của công trình, tham khảo tiêu chuẩn giao thông về thiết kế công trình cửa cảng 22TCN-207-92, chọn công trình đê chắn sóng cửa Lạch Huyện là công trình cấp I, với tần suất thiết kế là 100 năm. Tính toán các điều kiện biên thiết kế Điều kiện địa hình Cửa Lạch Huyện chính là nơi sông Chanh đổ nước ra biển thông qua vịnh Hải Phòng. Mặt cắt cửa sông nằm ở ngay hạ lưu Bến Gót hiện tại. Cửa Lạch Huyện nằm trong vùng biển mở, không có đảo che chắn trước mặt. Phía Đông và phía Tây có đảo Cát Bà và đảo Cát Hải che chắn. Đáy vịnh Hải Phòng có độ dốc i = 0,04% - 0,08% và thoải đều theo hướng Bắc Tây Bắc – Nam Đông Nam. Độ sâu trung bình của vịnh Hải Phòng không lớn, đường đồng sâu -6,0m (Hải đồ) chạy giăng ngang cửa vịnh nối đảo Hòn Dấu với đảo Cát Bà. Tại các lòng máng gần cửa sông (sông ngầm) cao độ đáy khá sâu và có thể đạt -12,0m đến -13,0m (cửa Lạch Huyện); -7,0m đến -8,0m ở cửa Nam Triệu. Các bãi cát ngầm vùng các cửa sông có cao độ dao động trong khoảng 0,0m đến +1,5m và chỉ lộ ra khi mức nước triều xuống thấp. Diện tích trên mặt bằng của các bãi cát ngầm và chương cát dọc các cửa sông (phần có cao độ trên 0,0m) vào khoảng 43,0 km2 (chiếm xấp xỉ 16,5% diện tích mặt nước trung bình của vịnh Hải Phòng). Các lòng máng cửa sông chính như cửa sông Bạch Đằng (cửa Nam Triệu), cửa sông Chanh (cửa Lạch Huyện) đều có hướng gần với hướng Tây Bắc - Đông Nam. Ngưỡng cạn cửa sông trong điều kiện tự nhiên đều có cao độ dao động trong khoảng -1,0m đến -1,5m. Các chương cát dọc theo cửa sông cũng thoải dần ra biển theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Khu vực xây dựng công trình nằm trên chướng cát dọc cửa sông Lạch Huyện (có cao độ 0m). Đoạn 1 công trình nằm tới cao trình -2,5m. Đoạn 2 nằm ở cao trình từ -2,5m đến -6m. Hình 3.2. Địa hình đáy vịnh Hải Phòng, 1995 (Nguồn: Đề tài KHCN cấp Nhà nước, Viện Địa lý) Ta xét 3 mặt cắt đại diện vuông góc với công trình như hình 3.3. Các mặt cắt này sẽ được sử dụng trong tính toán truyền sóng Hình 3.3: Sơ đồ các mặt cắt đại diện Sơ bộ địa hình tại 3 mặt cắt được thể hiện ở hình 3.4, 3.5, 3.6. Hình 3.4: Địa hình mặt cắt 1 Hình 3.5: Địa hình mặt cắt 2 Hình 3.6: Địa hình mặt cắt 3 Ta thấy mặt cắt 1 và mặt cắt 2 có xu thế xoải dần ra biển, tuy ở mặt cắt 1 có nhiều chỗ gấp khúc. Tại mặt cắt 3 có sự xuất hiện của roi cát nên địa hình có xu thế tăng lên, sau roi cát, địa hình lại xoải khi tiến ra biển. Điều kiện thủy động lực Mực nước thiết kế (MNTK) Mực nước thiết kế là tổng hợp triều thiên văn lớn nhất vá các dao động khí tượng. Công thức tính toán mực nước thiết kế: Ztk = Ztb + Atr max + And, P% Trong đó: - Ztk: Trên cơ sở tài liệu thực đo tại trạm hải văn trong thời gian dài với cao độ giả định của trạm ta xác định được giá trị mực nước trung bình (nếu liệt tài liệu này ≥ 20 năm là tốt nhất). Xác định cao độ mực nước trung bình này theo cao độ chuẩn quốc gia, ta có mực nước biển trung bình tại điểm đó. - Atr max: Biên độ triều lớn nhất hay còn gọi là biên độ triều thiên văn-là kết quả của tác dụng tương hỗ giữa các lực hành tinh, trong đó đáng kể nhất là tương tác trái đất mặt trăng và mặt trời cộng với dao đọng mang tính địa phương tạo ra mực nước triều tại một vị trí nhất định. Atr max vì vậy mà không mang ý nghĩa tần suất. Theo nghiên cứu, chu kì lặp lại của các hiện tượng này là 18,9 năm, nên có thể chọn biên độ lớn hất khi có tài liệu trong vòng 20 năm. And, P%: Chiều cao nước dâng do bão ứng với tần suất P(%). Theo các nghiên cứu thì nước dâng tại 1 vị trí là hàm số của bão (cường độ, bán kính gió lớn nhất, hướng di chuyển) và điều kiện địa phương mà bão đổ bộ vào. Tuy nhiên trong trường hợp này ta sử dụng phương pháp thống kê trên cơ sở tài liệu của các trạm quan trắc trên biển và cửa sông gần khu vực công trình. Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm MC09 (106o48’, 20o48’) Đông Hải, An Hải, TP. Hải Phòng Với tần suất 1% và chu kỳ lặp là 100 năm ta có mực nước thiết kế Ztkp= 4.3m Tính toán tham số sóng thiết kế Cơ sở lý thuyết: Tính sóng nước sâu theo Weibull: Phân bố xác suất Weibull (hay còn gọi là phân bố xác suất Rosin-Rammler) là một dạng thường dùng để mô tả thống kê sự xuất hiện của các đại lượng cực trị trong khí tượng, thuỷ văn và dự báo thời tiết như dòng chảy lũ, sóng, gió lớn nhất. Ngoài ra phân bố này cũng hay được dùng trong phân tích xác suất sống sót hoặc phá huỷ trong lý thuyết độ tin cậy, dùng trong lý thuyết cực trị; biểu diễn thời gian sản xuất và phân phối trong công nghiệp; sự phân tán tín hiệu radar và sự suy giảm tín hiệu trong liên lạc không dây. \ Hàm mật độ xác suất: Hàm mật độ xác suất biểu thị xác suất xuất hiện giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X bằng với một giá trị cụ thể nào đó theo luật phân bố xác suất Weibull như (3.1) (3.1) Với a là thông số vị trí, b>0 là hệ số tỷ lệ, c>0 là hệ số hình dạng. Hàm phân bố tần suất lỹ tích: Hàm phân bố tần suất lỹ tích biểu thị xác suất xuất hiện các giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị x cụ thể nào đó. (3.2) Trong thực tế ngành thủy lợi thường dùng tần suất vượt P (thường chỉ gọi tắt là tần suất) là xác suất xuất hiện các giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X lớn hơn hoặc bằng một giá trị cụ thể x nào đó. (3.3) Liên hệ với các phân bố thống kê khác: Hàm phân bố xác suất Weibull là hàm ngược của phân bố xác suất cực trị tổng quát (GEV) với thông số vị trí a – b, thông số tỷ lệ b/c và thông số hình dạng 1/c (Hosking, 1986). Trong trường hợp thông số hình dạng c = 1, phân bố Weibull trở thành phân bố hàm mũ với trị bình quân b. Trong trường hợp thông số hình dạng c = 2, phân bố Weibull trở thành phân bố Rayleigh. Biến X tuân theo hàm phân bố xác suất Weibull W(b,c) có liên hệ với biến Y tuân theo hàm phân bố cực trị chuẩn G(0,1) (phân bố Gumbel với a = 0 và b = 1) theo Y ~ -c·ln(X/b). Xác định các thông số theo phương pháp moments: Quan hệ giữa các thông số của phân bố với các đặc trưng thống kê như sau: (3.4) (3.5) (3.6) Để xác định các thông số của phân bố xác suất dựa vào các đặc trưng thống kê theo phương pháp moments, giải phương trình (3.6) để xác định thông số hình dạng c. Tiếp theo, thông số tỷ lệ b được xác định từ (3.5). Cuối cùng xác định thông số vị trí a từ (3.4). Giá trị của hàm phân bố lý thuyết: Tuyến tính hóa phương trình (3.2) bằng cách lấy logarith hai vế của (3.2) như sau: (3.7) Nhân hai vế của (3.7) với -1 và logarith hóa 2 vế lần thứ 2: (3.8) Cuối cùng ta được: (3.9) (3.9) là quan hệ tuyến tính giữa ln(x-a) và ln{-ln[1-F(x)]}, dựa vào các giá trị quan sát của x và tần suất kinh nghiệm của nó để xác định các hệ số b, c của tương quan tuyến tính này. Nếu biểu thị qua tần suất vượt (3.10) Giá trị x ứng với tần suất vượt P được tính dựa vào (3.10) Nếu biểu thị qua tần suất vượt thì giá trị xp của hàm phân bố lý thuyết ứng với tần suất P: (3.11) Từ số liệu sóng trạm Bạch Long Vĩ (từ 1970-1997 và 2003-2007), chọn ra mỗi năm 1 giá trị chiều cao sóng lớn nhất, có 30 số liệu để tính toán. Các thông số của phân bố Weibull có thể được xác định bằng phương pháp tương quan giữa ln(x-a) và ln(-lnP), với 1/c là hệ số góc của quan hệ tương quan và lnb là giao điểm của đường thẳng tương quan với trục tung. Việc xác định các hệ số hồi quy của quan hệ có thể tiến hành bằng MS Excel cho chuỗi số liệu X gồm có N số (x1, x2, …,xn). Đường tần suất theo phân bố Weibull có thể được vẽ bằng MS Excel hoặc các phần mềm phân tích tần suất như FFC. Kết quả thể hiện ở bảng 3.1 và 3.2 Bảng 3.1: Tính toán phân bố Weibull Phân bố Weibull Đặc trưng thống kê  Giá trị  Đơn vị Giá trị trung bình 5.06 m Hệ số phân tán CV 0.33 Hệ số thiên lệch CS 0 Bảng 3.2. Bảng tương quan tần suất và chiều cao sóng Thứ tự  Tần suất P(%)  Hs m  Thời gian lặp lại (năm) 1 0.01 10.55 10000 2 0.10 9.75 1000 3 0.20 9.48 500 4 0.33 9.26 303.03 5 0.50 9.07 200 6 1.00 8.73 100 7 1.50 8.51 66.667 8 2.00 8.34 50 9 3.00 8.09 33.333 10 5.00 7.75 20 11 10.00 7.20 10 12 20.00 6.50 5 13 25.00 6.23 4 14 30.00 5.99 3.333 15 40.00 5.53 2.5 16 50.00 5.10 2 17 60.00 4.66 1.667 18 70.00 4.18 1.429 19 75.00 3.92 1.333 20 80.00 3.62 1.25 21 85.00 3.28 1.176 22 90.00 2.85 1.111 23 95.00 2.23 1.053 24 97.00 1.85 1.031 25 99.00 1.19 1.01 26 99.90 0.28 1.001 Dựa vào bảng tính phân bố Weibul với P=1% và chu kỳ lặp lại là 100 năm ta có sóng nước sâu có nghĩa HO = 8.73m Chu kỳ sóng được tính theo công thức SPM 1984 Chiều dài sóng nước sâu: Tính toán truyền sóng từ nước sâu vào chân công trình Cơ sở lý thuyết Khi sóng lan truyền từ nước sâu vào vùng ven bờ do ảnh hưởng của địa hình đáy biển, trường dòng chảy, trường gió hoặc gặp phải các chướng ngại vật như các đảo chắn,các công trình đê phá sóng, sóng sẽ trải qua rất nhiều quá trình biến thổi làm thay đổi các thông số sóng. Khi sóng lan truyền từ nước sâu vào vùng nước nông thì sẽ xảy ra một số hiện tượng sau: Hiệu ứng nước nông Hiện tượng khúc xạ sóng Hiện tượng nhiễu xạ Hiện tượng phản xạ sóng Sóng vỡ Tính toán lan truyền sóng Dựa vào điều kiện địa hình cũng như quy hoạch tuyến công trình ta lựa chọn tính toán lan truyền sóng cho 3 mặt cắt đại diện đã đề cập đến ở phần 3.2.1 Mặt cắt 1: tại gốc công trình (cao trình -0,5m) Mặt cắt 2: tại đầu đê đoạn 1 ( cao trình -2,5m) Mặt cắt 3: tại đầu đê đoạn 2 (cao trình -6m) Tính toán truyền sóng bằng chưong trình CRESSWIND Để truyền sóng vào chân công trình, ta sử dụng phần mềm CRESS (modul 2331) để tính toán các yếu tố sóng. Modul này yêu cầu phải nhập mặt cắt để truyền sóng. Mặt cắt được lấy từ dữ liệu về địa hình trong MapInfo. Các thông số sóng nước sâu sử dụng để truyền vào khu vực nghiên cứu được thể hiện ở bảng 3.3 Bảng 3.3: Thông số sóng nước sâu Thông số Bước sóng L0 (m) Chiều cao sóng H2% (m) Chu kì TP (s) Giá trị 203 8.73 11,4 Mặt cắt 1: Tại cao trình -0.5m với MNTK là 4.3m Tính truyền sóng tới điểm có độ sâu nước là -4.8m Hình 3.7. Chương trình tính đối với mặt cắt 1 Chiều cao sóng trước chân công trình là 2,7m Chiều dài sóng được tính theo công thức: Mặt cắt 2: Tại cao trình -2.5m với MNTK là 4.3m. Vậy tính truyền sóng tới điểm có độ sâu nước là 6.8m Hình 3.8: Chương trình tính toán cho mặt cắt 2 Chiều cao sóng trước chân công trình là 2,64m Chiều dài sóng được tính theo công thức: Mặt cắt 3 Tại nơi có cao trình -6m, MNTK là 4.3m Độ sâu nước là 10.3m Hình 3.9: Chương trình tính toán cho mặt cắt 3 Chiều cao sóng trước chân công trình là 2,69m Chiều dài sóng được tính theo công thức: Tổng hợp 3 kết quả tại 3 mặt cắt điển hình, chọn kết quả bất lợi nhất để tính toán. Chọn Hs= 2.7m, chiều dài sóng là 78,22m. Điều kiện địa chất Tedi (Công ty tư vấn cảng đường thủy) đã tiến hành khoan thí nghiệm địa chất tại khu vực xây dựng công trình vào tháng 2/2006. Dựa vào kết quả khoan địa chất và thí nghiệm trong phòng, theo thứ tự từ trên xuống đến độ sâu nghiên cứu, địa tầng khu vực gồm các lớp đất sau: Lớp 1: Cát hạt mịn màu xám xanh, xám đen trạng thái chặt vừa, lớp có mặt rộng rãi trong khu vực, chiều dày thay đổi mạnh từ 0,5m đến 6,0m. Lớp được thành tạo trong quá trình vận chuyển vật liệu của dòng nước chảy khu vực. Lớp 2: Bùn sét màu xám nâu, xám đen, lớp có mặt rộng khắp trong khu vực với chiều dày thay đổi từ 6,5m đến 14,6m. Đây là lớp đất không có khả năng chịu tải, chiều dày lớn. Lớp 3: Cát màu xám vàng trạng thái dẻo, chiều dày thay đổi từ 1,3m đến 2,4m. Lớp 4: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo mềm, chiều dày thay đổi từ 1,0m đến 3,7m. Lớp có diện phân bố khá rộng trong khu vực. Lớp TK: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo chảy, lớp chỉ xuất hiện dưới dạng thấu kính trong lớp 5 với chiều dày 2,0m. Đây là lớp đất yếu không có khả năng chịu tải. Lớp 5: Sét màu xám xanh, xám vàng trạng thái dẻo cứng, diện phân bố rộng khắp trong khu vực, với chiều sâu nghiên cứu đã khoan vào lớp từ 3,0m đến 5,6m. Cao độ mặt lớp thay đổi từ -11,8m đến -16,9m. Việc xây dựng đê ở khu vực của sông gặp nhiều khó khăn do lượng bùn cát bồi lắng ở cửa sông là khá lớn. Đây là lớp đất không có khả năng chịu tải, phải nạo vét. Đáy công trình dự kiến nằm từ cao trình +0m đến -6,5m. Dựa vào điều kiện địa chất ở đây, nền đá gốc có thể xây dựng nằm ở cao trình -18m, vậy móng của công trình cần được đặt trên nền đá để có thể chiu được tải trọng. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐÊ CHẮN SÓNG 4.1. Thiết kế mặt cắt ngang điển hình đê chắn sóng. Hình 4.1: Mặt cắt ngang điển hình Cao trình đỉnh đê Như đã đề cập ở chương 3, đê chắn sóng cảng Lạch Huyện là công trình quan trọng có tác dụng chắn sóng tác động đến cảng Lạch Huyện, tạo vùng nước lặng trong cảng, ngăn cản vận chuyển bùn cát làm bồi lắng cửa cảng. Theo quy phạm thiết kế công trình đê chắn sóng vùng cảng, độ dốc mái đê chọn từ 1,3 đến 1,5. Trong trường hợp này ta chọn m=1,5. Cao trình đỉnh đê được xác định theo công thức Zđê = MNTK + Hsl/str + a (4.1) Trong đó: Zđê : cao trình đỉnh đê (m) MNTK = 4,3m : mực nước thiết kế Hsl/str : chiều cao sóng leo, sóng tràn (m) a: độ cao gia cường (hay độ cao phòng lún) (m). Giá trị của a được xác định theo bảng 4.1 : Bảng 4.1. Giá trị a theo cấp công trình Cấp công trình I II III IV V Trị số gia tăng 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 độ cao: a (m) Với công trình cấp I, chọn a= 0,5m Xác định chiều cao sóng tràn Công trình đê chắn sóng cửa cảng được tính theo tiêu chuẩn sóng tràn, với lưu lương tràn q= 0,2m3/s. Các tham số sóng thiết kế tại chân công trình: Đại lượng Chiều cao (m) Chu kỳ(s) 2.7 11.4 Tính chiều cao sóng tràn bằng chương trình Wadibi. Sử dụng modul tính toán sóng leo sóng tràn của chương trình Wadibi. Kết quả tính toán được thể hiện ở hình 4.2 Hình 4.2. Kết quả tính toán sóng leo trên mái đê chương trình Wadibi Vậy chiều cao sóng tràn là 1,7m Cao trình đỉnh đê Zđê = MNTK + Hsl/str + a = 4,3 + 1,7 +0,5 = 6,5 (m) Vậy chọn cao trình đỉnh đê là 6,5m Thiết kế khối phủ mái Khối lượng cấu kiện Tính trọng lượng khối phủ theo công thức Hudson trong 14TCN 130-2002 (4.2) Trong đó: W: Trọng lượng tối thiểu của khối phủ mái nghiêng (t); gB : Trọng lượng riêng trong không khí của vật liệu khối phủ; 2.5 (t/m3); g : Trọng lượng riêng của nước biển; 1,03 t/m3; a: Góc nghiêng của mái đê so với mặt phẳng nằm ngang (ctg a = m), HSD: Chiều cao sóng thiết kế, lấy HSD = Hsn = 2,7m KD : Hệ số ổn định, tuỳ theo hình dạng khối phủ, lấy theo bảng 4.2 Bảng 4.2. Hệ số ổn định khối phủ mái Cấu kiện Số lớp KD Tetrapod 2 6 - 8 Dolos 2 10 - 12. = 2,87 (tấn) Chọn khối lượng lớp phủ là 3 tấn Ta có W = ρ x Dn3 => Dn = 1,06 m Chiều dày khối phủ Để dễ cho việc tính toán và bố trí thi công, ta lấy trọng lượng khối Tetrapod ở đỉnh đập bằng trọng lượng khối Tetrapod phủ mái ngoài đập Đối với Tetrapod ta xếp 2 lớp theo sơ đồ sau: Hình 4.3: Sơ đồ mặt đứng xếp khối Tetrapod trên mặt đập Hình 4.4: Sơ đồ mặt bằng xếp khối Tetrapod trên mặt đập Chiều dày khối phủ Theo shore protection Manual CERC US.Army thì chiều dày của lớp phủ được xác định theo công thức sau: (4.3) Trong đó: r: Chiều dày lớp phủ n : Số lớp gia cố, n = 2 KΔ: Hệ số tra bảng 4.3 Bảng 4.3. Giá trị KΔ Với Tetrapod có n = 2 thì KΔ = 1,04, P= 50 W: Khối lượng của viên đá tiêu chuẩn được xác định thông số sóng, W=3 tấn Wr – Khối lượng riêng của vật liệu làm khối phủ, Wr = 2,5 tấn/m3 => * Số khối được sắp xếp trên một đơn vị diện tích được xác định theo công thức sau (4.4) Trong đó: Na : số khối phủ trên diện tích A, lấy A=10m2 P : hệ số rỗng của vật liệu phủ mái (tra bảng với tetrapod lấy P=50) Thay vào công thức (4.3) ta có: =>Na = A x 0,92 = 10 x 0,92 = 9,2 (cấu kiện/10m2) => lấy làm tròn Na = 10 (cấu kiện/10m2) Bề rộng đỉnh đê Chiều rộng đỉnh đê chắn sóng được xác định để đảm bảo tính ổn định tổng thể cũng như ổn định cục bộ của mái dốc và các bộ phận khác. Ngoài ra bề rộng đỉnh đê cần đáp ứng các yêu cầu khác như làm đường giao thông, bố trí các công trình phụ trợ bến cảng, làm dịch vụ... Từ kinh nghiệm thực tế bước đầu chiều rộng B nên chọn Bmin > 3 Đê có yêu cầu cao: B= (3-5)h Trong đó: h- chiều cao sóng tính toán Đê có yêu cầu vừa phải B= (1,4-2)h Bề rộng đỉnh đê được xác định theo tiêu chuẩn sóng tràn (4.5) Trong đó: n - Số cấu kiện trên mặt đê, chọn n=4 KΔ - Hệ số tra bảng, KΔ=1,04; W - Trọng lượng khối phủ mái, W= 3 (T); Wr - Khối luợng riêng của vật liệu làm khối phủ, Wr=2,5(T/m3). Vậy ta có Vậy ta chọn bề rộng đỉnh đê B= 5m. Xác định trọng lượng và kích thước lớp đá phía dưới Chức năng của lớp dưới như sau : - Hoạt động như lớp lọc giữa lớp lõi và lớp phủ. - Tạo ra một nền ổn định cho lớp phủ. - Tiêu hao năng lượng sóng khi đi qua lớp phủ. - Bảo vệ vật liệu lõi khi có bão vừa phải và khi thi công. Thiết kế lớp dưới có kể đến tính cấp phối của cả lớp phủ và lõi. Lớp đá phía dưới trong trường hợp đê chắn sóng, chắn cát bao gồm Lớp lót thứ nhất Lớp lót thứ hai Lớp lõi. Tính toán lớp lót thứ nhất Lớp đá lót thứ nhất sử dụng loại đá gồ ghề với trọng lượng viên đá W1 = 1/10 W (trọng lượng viên đá lớp phủ) Vậy W1 = W/10 = 3000/10 = 300 (kg) Theo BS 6349, mỗi lớp dưới nên ít nhất có chiều dày 2 viên đá. Chiều dày của lớp dưới có thể xác định theo công thức sau: (4.6) Trong đó : r : Chiều dày trung bình của lớp phủ dưới (m) n : Số lớp đá , chọn n = 2 W : Khối lượng đá danh định Wr : Khối lượng đơn vị của đá kD : Hệ số lớp Các giá trị điển hình của kD cũng như các độ rỗng điển hình được cho trong Bảng 4.4 / T61 BS 6349 như sau : Bảng 4.4. Các hệ số lớp. Khối lớp phủ n Cách xếp Hệ số lớp kD Độ rỗng (%) Đá khối (nhẵn) Đá khối (gồ ghề) Đá khối (gồ ghề) Khối lập phương 2 2 >3 2 Ngẫu nhiên Ngẫu nhiên Ngẫu nhiên Ngẫu nhiên 1,02 1,15 1,10 1,10 38 37 40 47 Với việc lựa chọn đá khối gồ ghề với n= 2 thì hệ số lớp kD chọn là 1,15. Thay vào công thức ta có chiều dày lớp lót thứ nhất: 4.1.4.2. Tính toán lớp lót thứ hai Lớp đá lót thứ hai cũng sử dụng loại đá khối gồ ghề. Trọng lượng viên đá lớp lót thứ 2 thường được chọn bằng 1/20 trọng lượng viên đá lớp lót thứ nhất. Vậy W2 = W1/20 = W/200 = 3000/200 = 15 (kg) Tính toán chiều dày lớp lót làm tương tự như với lớp lót thứ nhất (4.6) => 4.1.4.3. Tính toán lớp lõi Lớp lõi có chức năng như bộ khung cho công trình, chịu được tải trọng cao và có khả năng chống thấm tốt. Vật liệu sử dụng cho lớp lõi là đá hộc thả rối sao cho độ rỗng là thấp nhất. Theo BS 6349 : Trọng lượng danh định của đá lớp lõi thường không lấy nhỏ hơn 1/10 trọng lượng danh định của đá lớp phủ dưới ( nếu đó là đá tự nhiên ). Kích cỡ của viên đá lớp lõi nên trong vòng ± 30% của trọng lượng danh định của viên đá được chọn , nghĩa là thay đổi trọng lượng trong khoảng 2 : 1, trong đó ít nhất 50% nên cao hơn trọng lượng danh định. Để thiên về an toàn ta chọn đá có trọng lượng bằng 1/10 trọng lượng đá lót lớp thứ hai. Vậy trọng lượng lượng đá lớp lõi được xác định: Wlõi = W2/10 = W/2000 = 1,5 (kg) Tính toán phần lăng thể chân khay Chân khay được đưa vào để giữ lớp phủ chính và chống xói. Chân khay thường được làm bằng đá đổ tuy nhiên trong một số trường hợp phải dùng bằng khối bê tông do kích thước lớn. Chiều rộng chân khay sao cho chứa được tối thiểu 4 khối gia cố lớn. - Cao trình chân khay tạo với chiều rộng thành một khối đảm bảo ổn định cho vật liệu gia cố. - Chân khay có thể được thi công trước hay sau khi có lớp phủ chính. Đối với khối Tribar được sắp xếp và đá xếp thì chân khay là khối tựa và phải đảm bảo thi công trước. Trong trường hợp thi công sau thì chiều cao chân khay phải đảm bảo chắn đủ 1/2 chiều cao của khối phủ tiếp giáp với chân khay. - Tại nơi nước rất nông khối phủ chính được kéo dài thêm 1 hoặc 2 hàng để làm chân khay. Hình 4.5. Chân khay nước rất nông. Tại nơi nước sâu vừa có thể dùng các viên đá có kích thước bé hơn so với khối trên lớp phủ chính. Hình 4.6. Chân khay nước nông. Tại nơi nước sâu chân khay có thể nằm ở khoảng cách tương đối lớn hơn so với đáy biển. Hình 4.7. Chân khay nước sâu. Đối với đáy biển có độ dốc hoặc bề mặt trơn, nếu tại chân công trình có sóng đổ thì chân khay có thể bị mất ổn định. Để giữ cho chân khay khỏi bị trượt cần phải tạo rãnh hoặc các thanh neo để giữ cho chân khay khỏi bị trượt. Trong trường hợp chân khay nằm trên đất nền có thể bị xói thì độ sâu bảo vệ của chân khay phải được xác định có tính đến phần dự phòng khả năng xói. Xác định cao trình và kích thước lớp phủ cơ chân: - Với mực nước thấp: Dựa vào đường tần suất lũy tích mực nước giờ ta có MNTTK ứng với tần suất P=100%. Hình 4.8: Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm T17(106°53', 20°49') Đồng Bài, Cát Hải, TP. Hải Phòng Dựa vào đường tần suất lũy tích mực nước giờ ta có MNTTK ứng với tần suất P=100% thì MNTK = 1,18(m) => h= 0+ 1,18 = 1,18 (m) Phạm vi đảm bảo an toàn cho chân công trình: 0,4 < hb/h < 0,9 ® 0,4.h< hb < 0,9h ® 0,4.1,18 < hb <0,9.1,18 ® 0,5 (m) < hb < 1,1 (m) (*) Hệ số ổn định (van der Meer, d=Angremond, and Gerding 1995): (4.7) Trong đó: NS : chỉ số ổn định thiết kế cho nền đá đổ và ổn định chân. H: Chiều cao sóng tại chân công trình, H = 2,7(m). hs: Chiều cao từ đáy đến MNTTK; hs = h = 1,18 (m). hb: độ sâu nước từ đỉnh chân khay đến MNTTK. : tỷ trọng viên đá; D = 1,44. Dn50: Đường kính viên đá tiêu chuẩn 50%. Nod: Số khối bị dịch chuyển trong bề rộng dải Dn.(chọn Nod =0,5). Hình 4.9: Đồ thị xác định trọng lượng cấu kiện Giả định chiều cao hb= 0,59m=> hb/hs =0.59/1,18 = 0,5 => Ns3 = 10 Chọn cấu kiện phủ mái đập làm vật liệu phủ chân khay Thay vào công thức(4.20) ta được: Ns3 ≈ 10 = 0,59 (m) là thỏa mãn Vậy ta chọn hb = 0,59(m) - Với mực nước cao: Dựa vào đường tần suất lũy tích mực nước giờ ta có MNTTK ứng với tần suất P=1% thì MNTK = 4,3(m) => h = 0 + 4,3 = 4,3 (m) Phạm vi đảm bảo an toàn cho chân công trình: 0,4 < hb/h < 0,9 ® 0,4.h< hb < 0,9h ® 0,4.4,3 < hb <0,9.4,3 ® 1,72 (m) < hb < 3,87 (m) (*) Giả định chiều cao =>=> Thay vào công thức(4.20) ta được: Ns3 ≈ 20 = 2,58 (m) là thỏa mãn Vậy ta chọn hb = 2,58(m) Chọn đá có khối lượng giống như lớp phủ thứ nhất là 300kg Xác định bề rộng chân khay : Bề rộng chân khay nhận giá trị: Bt= Chọn bề rộng đỉnh chân khay là Bt = 2 m Tính toán lớp lọc chân đê Trong các điều kiện của sóng nước nông, chân của đê chắn sóng có thể chịu tác động của sóng vỡ. Các vận tốc nước cao và đảo chiều građien thuỷ lực có thể gây ra xói đáy biển (trừ đá) và lún ở chân công trình. Những nhược điểm ở trên có thể được khắc phục bằng cách là tạo một thềm lọc dưới chân. Theo CEM thì >15 Chọn Wđáy = W lõi * 20 = 1,5 * 20 = 30 (kg) Theo CEM thì chiều dày của tầng lọc này lấy nhỏ nhất là 0,6 và chiều dài của nó từ chân khay ra ngoài lớn hơn 1,5m. Ta lựa chọn chiều dày của tầng lọc là 0,6m và chiều dài của nó từ chân khay ra ngoài là 2m. Tính toán mở rộng đầu đê Các yếu tố gây mất ổn định đầu đê: Nếu với cùng tác động của sóng thì yêu cầu ổn định vật liệu đầu đê cao hơn thân đê. Các nguyên nhân gây mất ổn định đầu đê là: + Các khối phủ trong hình nón đầu đê liên kết kém hơn thân đê; + Vận tốc tràn trên phần hình nón có giá trị lớn, đôi khi tăng lên do có sóng khúc xạ; + Các khối phủ ở phía sau chịu tác động cùng chiều với phương trượt. Trên hình sau đây cho thấy vùng nguy hiểm tại đầu đê: Hình 4.10: Sơ đồ đầu đê. Đối với chân khay tại đầu đê cũng bị ảnh hưởng mạnh hơm so với thân đê nhất là đối với sóng nước nông và chân khay có thể bị trượt do xói chân. Kích thước, cấu tạo đầu đê. Độ ổn định của đầu đê có thể tăng lên bằng cách tăng hệ số mái dốc, tăng kích thước đầu đê. - Cao trình đỉnh đầu đê có thể lấy cao hơn cao trình thân đê nhưng ở đê chắn cát ta lấy bằng cao trình thân đê. Bề rộng đỉnh đê có thể rộng hơn bề rộng thân đê và chiều dài lấy theo kinh nghiệm như sau: Bd=(1,5-2).Bt Ld=(2-2.5).Bd Mặt khác diện tích đầu đê phải đủ rộng để bố trí các công trình: tín hiệu, nhà đèn, trạm kiểm soát, trạm dịch vụ và các công trình phụ trợ khác của cảng. Trong trường hợp này ta chọn Bđ=2Bt và Lđ=2Bđ Vậy Bđ = 2* 5 =10 (m) Lđ = 2 *10 = 20 (m) Tính toán ổn định Tải trọng sóng lên đê mái nghiêng Tải trọng sóng lên đê mái nghiêng được tính như đối với trường hợp kè ốp bờ (thiên về an toàn). Ngoại lực tác dụng lên đê mái nghiêng khi tính ổn định chủ yếu là áp lực sóng. Áp lực sóng tác dụng lên đê mái nghiêng được xác định theo “22TCN222 - 95” đối với mái dốc được gia cố bằng những tấm lắp ghép hoặc đổ tại chỗ và có mái dốc: 1,5 £ ctgj £ 5. Biểu đồ áp lực tựa tĩnh lấy theo sơ đồ như sau: Pd được xác định theo công thức sau: (4.8) Trong đó: ks được xác định theo công thức sau: (4.9) h: chiều cao sóng trước chân công trình : bước sóng nước nông Hình 4.11: Sơ đồ tính áp lực sóng lên mái nghiêng. kf - hệ số được tra theo bảng 10 trang 22/126 “22TCN222-95”, phụ thuộc vào độ thoải của sóng . Bảng 4.5: Xác định kf. Độ thoải của sóng 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 IV.6 Bảng 4.6: 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 Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 4.7: Bảng 4.7: Bảng tính áp lực sóng lên đê mái nghiêng. h ctgw h/ /h ks kf Prel Pd 0.4 Pd 0.1Pd 2.7 78,2 1,5 0,03 28,9 0.98 1,4 1,86 69 27.6 6.9 Cao độ z2(m) được xác định theo công thức: (4.10) A và B là các đại lượng tính bằng m, xác định theo công thức sau: (4-11) (4-12) Kết quả được trình bày trong bảng 4.8 Bảng 4.8: Bảng tính tung độ của điểm có áp lực lớn nhất z2. h ctgw h/ /h A B z2 2.7 78.2 1.5 0,03 28,9 4,4 2,5 0,27 z3 là độ cao ứng với chiều cao sóng leo lên mái dốc. Z3 = 1.7m ( phần tính chiều cao sóng leo bằn Wadibi) Các khoảng li ứng với các giá trị áp lực sóng bằng 0,4Pd và 0,1Pd được xác định theo công thức sau: l1 = 0.0125lw (m) l2 = 0.0325lw (m) l3 = 0.0265lw (m) l4 = 0.0675lw (m) (4.13) Vậy kết quả tính toán được ghi trong bảng 4.9: Bảng 4.9: Bảng tính các giá trị li. h ctgw lw l1 l2 l3 l4 2,7 1,5 78,2 106 1,325 3,445 2,809 7,155 Ta gọi P1, P2, P3, P4, P5 là áp lực sóng tập trung ứng với các vùng biểu đồ áp lực sóng. Giá trị của tải trọng tập trung này được tính như sau: (Kết quả của các giá trị P là KN sau đó chuyển về đơn vị T). Vậy ta có: Kiểm tra trượt phẳng đê mái nghiêng Vì đầu đê có kích thước và khối lượng lớn nhất nên ta chỉ kiểm tra ổn định cho đầu đê. Nếu thoả mãn điều kiện ổn định thì toàn bộ đê ổn định. Nếu không thoả mãn các điều kiện về ổn định thì ta cần có biện pháp khắc phục và phải kiểm tra cho từng phân đoạn còn lại của đê. Điều kiện ổn định: (4-14) Trong đó: fms - Hệ số ma sát giữa đáy công trình và đất nền, fms = 0,5; nc - Hệ số tổ hợp tải trọng, nc = 1; n - Hệ số vượt tải, n = 1,25; mđ - hệ số điều kiện làm việc bổ xung, mđ =1; m - hệ số điều kiện làm việc, m = 1,15; Kn - hệ số tin cậy, Kn = 1,25; Phương pháp xử lý nền Theo quy hoạch bố trí tuyến đê như chương 3 đã đề cập - Đoạn 1: nằm từ cao trình 0 đến cao trình -2,5m - Đoạn 2: nằm từ cao trình -2,5m đến cao trình -6m. Dựa theo đặc điểm bố trí tuyến như vậy ta đưa ra phương pháp xử lý nền như sau: Đoạn 1 bóc bỏ lớp đất sao cho toàn tuyến đê đạt tới cao trình -2,5m.Dùng phương pháp khoan xịt để tăng tính chịu lực cho lớp đất nền. Đoạn 2 ta đổ cát, nèn chặt để cả tuyến đê cũng đạt tới cao trình -2,5m. Sau đó dùng phương pháp sử dụng vải địa kỹ thuật để xử lý nền. Lớp vải địa kỹ thuật đặt ở mặt nền có tác dụng phân cách nền đê và thân đê, làm cho khối đất đắp không bị lún chìm vào nền, áp lực đất đắp đê phân bổ tương đối đồng đều vào mặt nền tạo điều kiện cho nền cố kết từ từ. Ta trải lớp vải địa kỹ thuật tại cao trình -2,5m. Trước khi trải vải địa kỹ thuật, mặt nền phải được san hoặc lấp đầm đến độ chặt yêu cầu. Bề mặt tiếp xúc với vải phải tương đối phẳng, đảm bảo cho vải tiếp xúc tốt với nền. Những vật cứng sắc nhọn phải được dọn sạch để không làm hỏng vải. Sau khi lớp vải địa kỹ thuật được trải, ta tiến hành đổ cát lên, nèn chặt đến cao trình -0,6m, rồi gấp mép vải địa kỹ thuật trùng lên nhau. Tại cao trình -0,6m ta tiến hành thi công lớp lọc, lớp lọc dày 0,6m (xem thiết kế lớp lọc). Như vậy là quá trình xử lý nền kết thúc. Công trình được đặt tại cao trình 0m. Kết Luận Và Kiến Nghị Kết luận Với đường bờ biển dài trên 3260km các khu vực kinh tế trọng điểm ven biển đã đóng góp một phần rất quan trọng vào sự phát triển kinh tế xã hội chung của cả đất nước. Chính vì vậy các công trình bảo vệ bờ biển ngày càng giữ một vị trí quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội cũng như việc nghiên cứu, tính toán thiết kế, đánh giá ổn định các công trình bảo vệ bờ ngày càng phải được quan tâm hơn. Trong nhiều năm qua, các kỹ thuật công nghệ mới như các thiết bị mới, sử dụng các phần mềm mô hình toán đã được đưa vào và triển khai áp dụng phục vụ cho công tác nghiên cứu và đem lại nhiều kết quả khả quan, phù hợp với thực tế. Trong quá trình nghiên cứu và tiến hành thực hiện đề tài tốt nghiệp “Thiết kế đê chắn sóng cảng Lạch Huyện- Hải Phòng, tôi cũng đã sử dụng phần mềm mô phỏng cho khu vực nghiên cứu, từ đó đưa ra các quy luật, diễn biến dòng chảy, vận chuyển bùn cát trong khu vực nghiên cứu. Từ việc nghiên cứu mô hình hóa và công đoạn thiết kế thi công, tôi rút ra được một số kết luận sau: - Việc ứng dụng mô hình hiện đại Mike 21Couple Flow FM là giải pháp hiệu quả và hợp lý để nghiên cứu dòng chảy tại khu vực Lạch Huyện và lân cận với địa hình đáy và bờ bị chia cắt bởi các đảo, bãi cạn, cửa sông, luồng tàu... và sẽ bị chia cắt thêm khi có công trình cảng Lạch Huyện và luồng tàu kèm theo. - Các cơ sỏ dữ liệu nhập cần thiết liên quan đến dòng chảy tại vùng nghiên cứu và lân cận đã được xây dựng hợp lý, bảo đảm tính đúng đắn của nghiệm số mô hình thủy lực số. Vị trí chọn đặt các đoạn biên lỏng đã được cân nhắc từ nhiều phía sao cho sát với biên tự nhiên, đủ xa vùng nghiên cứu và phù hợp với công nghệ tính toán hiện nay. Các cơ sở dữ liệu nhập và các thông số mô hình đã được kiểm định chặt chẽ trước khi ứng dụng để tính toán dòng chảy hiện trạng và dự báo tác động của công trình. - Phương án thiết kế công trình là phù hợp, giảm thiểu tác động của công trình lên dòng chảy được thể hiện: + Vị trí xây dựng công trình kè chắn sóng nằm trên vùng bồi tụ và địa hình nhô cao, giảm thiểu tác động đến dòng chảy + Phương của công trình song song với hướng dòng chảy chính trên cửa Lạch Huyện, do đó mức độ ngăn dòng là tối thiểu - Thiết kế sơ bộ hệ thống đê chắn sóng cảng Lạch Huyện bằng những tiêu chuẩn thiết kế mới. 2. Kiến nghị Các kết quả nghiên cứu trong đồ án này có thể sử dụng để - Làm đầu vào trong công tác tư vấn thiết kế xây dựng cảng cửa ngõ Lạch Huyện; - Làm đầu vào để tính toán bồi/xói tại vùng khu vực nghiên cứu trong điều kiện hiện trạng và sau khi có công trình. Đề nghị cơ quan chủ đầu tư cho tiếp tục quan trắc, đo đạc dòng chảy, bùn cát, diễn biến bồi xói khu vực Lạch Huyện trong các bước nghiên cứu, thiết kế tiếp theo và sau khi có công trình để kịp thời xử lý các vấn đề mới xuất hiện do sự biến động của khí hậu toàn cầu và hoạt động của con người tại vùng này và khu vực lân cận. Tài Liệu Tham Khảo TEDI (2006). Dự án đầu tư xây dựng công trình cảng cửa ngõ Lạch Huyện - Hải Phòng. Viện Địa Lý (1997). Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước: “Nguyên nhân và giải pháp chống sa bồi luồng tàu vùng cảng Hải Phòng”. Chủ nhiệm PGS.TS Nguyễn Văn Cư. DHI (2005). User guide and Reference Manual. TS Nguyễn Hữu Nhân (2006). Lựa chọn và hoàn thiện mô hình động lực về sự vận chuyển bùn cát tại Lạch Huyện- Nam Đồ Sơn. Đại học Thủy Lợi. Giáo trình công trình bảo vệ bờ biển. Tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 222-95. Tải trọng và tác động (so sóng và do tàu) lên công trình thủy.