Bài giảng Công trình bảo vệ bờ - Chương 10: Thiết kế đê và kè biển - Phần I - Thiều Quang Tuấn

Nội dung text: Bài giảng Công trình bảo vệ bờ - Chương 10: Thiết kế đê và kè biển - Phần I - Thiều Quang Tuấn

1. Chương 10 THIẾT KẾ ĐÊ VÀ KÈ BIỂN phần I Thiều Quang Tuấn K45B, 9/2007 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
2. NỘI DUNG 1. Chức năng nhiệm vụ thiết kế của đê và kè biển 2. Cơ chế hư hỏng 3. Thiết kế đê và kè mái Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
3. 1. Chức năng nhiệm vụ thiết kế của đê và kè Thân đê cao Nước thấp Nước c ơ trong C ê Mái trong đ Bãi trướ Bãi nh ơ ngoài Mái trên Đỉ C Mái kè Chân kè Chân Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
4. 1. Chức năng nhiệm vụ thiết kế của đê và kè Đê: Ngăn hoặc hạn chế Kè: Chống xói mòn vật liệu vùng đất thấp phía sau & bờ, thân đê dưới tác dụng khỏi bị ngập lụt của sóng và dòng chảy Đáp ứng yêu cầu 1. Đủ cao (với tần suất thiết kế) 2. Kín nước 3. Ổn định (cơ chế hư hỏng) 4. Chống được xói mòn 5. Thuận tiện đi lại, bảo dưỡng 6. Phù hợp cảnh quan Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
5. 2. Cơ chế hư hỏng phá hoại đê Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
6. Xói mái trong Cát Hải 7/2005 Sóng tràn Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
7. Cát Hải Nước dâng Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
8. Nước tràn đỉnh, Hậu Lộc 2005 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
9. Xói mái ngoài, Hậu Lộc 2005 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
10. Tràn đỉnh, vỡ đê Hải Hậu 11/2005 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
11. 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 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
12. 3. Thiết kế đê và kè mái - điều kiện biên nĐiều kiện hình thái: tốc độ xói, loại xói, mặt cắt ngang bãi trước đê oĐiều kiện dân sinh kinh tế: tần suất thiết kế 1/10, 1/20 ??? pĐiều 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 qVật liệu thân đê và mái kè rĐiều kiện địa chất đất nền Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
13. 3.1- Điều kiện biên thủy lực Các mực nước: •MNTB (xem hải đồ) •Triều thiên văn •Nước dâng Sóng •Chiều cao sóng (Hs) •Tp, Tm-1.0 •Hướng sóng tới θ Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
14. Đ.K. Thủy lực - Triều thiên văn 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 02 lần nước kém trong 1 tháng -> cần tính thủy triều lớn nhất Đồ Sơn, Hải Phòng, 2006 Tháng 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
15. 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 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
16. Đ.K. Thủy lực - Nước dâng (do gió) 02 phương pháp tính toán: •Từ đường tần suất nước dâng ứng với Ptk •Từ gió thiết kế (U, F, T, D) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
17. Phân bố dài hạn nước dâng (Hook of Holland – Hà Lan) 120 năm quan trắc Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
18. Phân bố dài hạn nước dâng – Hải Hậu Số năm quan trắc ??? Với Tần suất p = 1/25 năm chiều cao nước dâng tại Hải Hậu là 1.6 m (NC của ĐH Lund và 25 Chu kỳ lặp lại (năm) Viện Cơ học, 2004) Lưu ý: chỉ là nước dâng chưa bao gồm thủy triều ! Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
19. Đ.K. Thủy lực - Sóng thiết kế: Hs, Tp, β Biết: Hs0, Tp, β0 tại biên nước sâu Cho bài toán thiết kế: tham số sóng trước chân công trình Hs, Tp, β ??? Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
20. 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, Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
21. Điều kiện sóng thiết kế )P2: Tính từ gió (nếu sóng do gió địa phương) Các tham số: ĐàgióF,Vận tốc gió U, Thời gian thổi Tg, Độ sâu nước h Đàgióhiệu quả 2 ∑{Fii.(cosβ ) } Fe = ∑cos βi chương trình: CRESS WADIBE SWAN Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
22. Điều kiện sóng thiết kế )P3: Sóng bị hạn chế độ sâu (Bãi nông, thoải trước đê) Hb Quy tắc ngón tay cái: γ b =≈0.50 hb (Chiều cao sóng lớn nhất = ½ độ sâu nước) -> ví dụ: tính toán với WADIBE Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
23. Sóng trước chân đê: tại vị trí cách mép nước 1/4L0 hoặc 1/2L Tính toán triết giảm năng lượng sóng Phân bố sóng ngang bờ Hạn chế độ sâu Hs ≈ 0.5h 1/4L0 ∂ (cos)ECDDθ =− − ∂x g wf Cần có địa hình mặt cắt ngang bãi ! Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
24. Điều kiện sóng thiết kế Lưu ý: • Hs trước chân đê ít nhạy cảm với Hs0 • 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 Tp , Tm-1.0, hay Tm ? Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
25. 3.2 Mực nước thiết kế và cao trình đỉnh đê Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
26. 3.2 Mực nước thiết kế và cao trình đỉnh đê Thành phần cấu thành cao trình đỉnh đê biển Đỉnh đê = MNTK+Sóng leo+Dâng cao MNTB+Dao động (gió giật)+Phòng lún MNTK = MNTB + (Thủy triều thiên văn)max + Nước dâng thiết kế (do gió) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
27. 3.2 Mực nước thiết kế và cao trình đỉnh đê Zđê = MNTK + Asl + Dâng cao MNTB+Dao động (gió giật) + Phòng lún độ vượt cao an toàn MNTK = MNTB + Atr, max + And,P% Lưu ý: # Asl có thể xác định theo tiêu chuẩn sóng leo hoặc sóng tràn Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
28. 3.2.1 Mực nước thiết kế MNTK 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 Nước dâng “Thủy triều” 5 % ??? + Nước dâng 20% Lưu ý: thủy triều thiên văn là tất định không có tính tần xuất Thủy triều 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 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
29. Mực nước = Thủy triều + Nước dâng (Bão DURIAN, 9/2005 Hòn Dấu) Waterlevels 5 4 3 tide 2 w aterlevel level storm surge 1 0 9/24/05 9/25/05 0:00 9/25/05 9/26/05 0:00 9/26/05 9/27/05 0:00 9/27/05 9/28/05 0:00 9/28/05 9/29/05 0:00 9/29/05 12:00 12:00 12:00 12:00 12:00 12:00 -1 time Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
30. Vỡ đê Hà Lan, 1953 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
31. 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) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
32. 3.2.2 Sự dâng cao của MNTB Giãn nở Băng Greenland Nam Cực Tổng của đại tuyết tan dương do từ núi nhiệt Cao 14.9 10.3 3.7 0.0 28.9 Ước lượng 10.1 7.0 1.8 0.6 18.3 chuẩn Thấp 6.8 2.3 0.5 -0.8 8.7 Thành phần của sự dâng cao MNBTB (cm) 1985-2030 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
33. 3.2.2 Sự dâng cao của MNTB 10-20 cm/100 năm Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
34. 3.2.3 Chiều cao sóng leo thiết kế Khái niệm sóng leo/sóng rút mái nhẵn mái nhám Lưu ý: chiều cao sóng leo đã bao gồm chiều cao nước dềnh do sóng Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
35. Tiêu chuẩn 2% sóng leo (R2%) Quan hệ Hs and Ru là tuyến tính Hs tuân theo phân bố Rayleigh Æ Ru cũng là phân bố Rayleigh R 1 n =−0.71 ln(n ) R2% 2 n = phần trăm vượt quá (e.g. 0.01) Người ta chọn 2%, tại sao không 3% ????? Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
36. Công thức Delft cổ RH2% =8tans α Dùng cho: • hệ số mái tanα < 1/3 và mái nhẵn • sóng có độ dốc trung bình từ 4 - 5 % Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
37. Công thức Hunt R tanα độ dốc bãi u = ξ Số Iribarren ξ = = HL H s 0 độ dốc sóng TAW (van der Meer): RurB2% =1.5γ γγγβ fsHR ξpus(2% max = 3 H ) Hệ số triết giảm sóng leo do: tanα ξ = • γ độ nhám (& độ rỗng) p r HL0P • γβ góc sóng tới • γb cơ • γf bãi trước đê (Hs ở nước sâu) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
38. Giảm sóng leo do độ nhám mái kè 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 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
39. Giảm sóng leo do góc sóng tới xiên góc oo γ β =−1 0.0022ββ khi 0≤ ≤ 80 o γββ =−1 0.0022 • 80 khi> 80 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
40. Ảnh hưởng của cơ đê đến giảm sóng leo Cao đỉnh trình cơ B ⎛⎞⎡⎤d γπγ=1−+B 0.5 0.5cos h 0.60≤≤ 1.0 b ⎜⎟⎢⎥ b Lxberm ⎝⎠⎣⎦ xz=>−>2% ifz 2% dh 0 trên MNTK, trong phạm vi sóng leo xHifHd=>>22mmh00 0dưới MNTK Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
41. Cơ làm việc tốt nhất khi bố trí tại ngay MNTK Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
42. Giảm sóng leo tối đa 60 %, Bề rộng cơ tối ưu Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
43. Cơ đê Hải Hậu ??? Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
44. Ảnh hưởng của chu kỳ sóng •Phổ sóng bị biến dạng thành nhiều đỉnh khi vào vùng nước nông •Cần chọn chu kỳ đặc trưng khác phù hợp #ở vùng nước nông: Tp không còn phù hợp mà Tm-1.0 ! Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
45. Sóng leo theo TAW-2002 (van der Meer mới) R2% =<1.75γγγξbrβ 00khi 0.5γξb ≤ 1.77 H s R ⎛⎞1.5 2% =γγγ ⎜⎟4.3−<< khi 1.77γξ 8÷ 10 H brβ ⎜⎟ b0 s ⎝⎠ξ0 Hs được xác định tại chân đê ξp dựa trên Tp 2 Khi bãi nông ξp Æ ξ0=Hm02π/(g*T m-1.0): giả niệm Với ξ0 dựa trên Tm-1,0 = m-1/m0 Tm-1.0 = Tp/α, α = 1.10∼1.20 (tuỳ theo đ.k bãi) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
46. Sóng leo theo TAW-2002 (van der Meer mới) – TK theo LTĐTC R ⎛ 1, 6⎞ ,%u 2 =⎜4, 3 − ⎟ H ⎜ ⎟ m0 ⎝ ξ0 ⎠ R ⎛ 1, 5⎞ R ,%u 2 =4⎜ , 0 − ⎟ ,%u 2 =1,75 ξ ⋅ H ⎜ ⎟ 0 m0 ⎝ ξ0 ⎠ Hm0 R,%u 2 =1,65 ξ ⋅ 0 Hm0 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
47. Tính toán sóng leo theo TAW-2002 Độ dốc mái đê quy đổi #phải tính lặp để xác định R2% ! Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
48. Thực hành tính R2% theo TAW * • Giả thiết R2% ( ) • Tính tanα, ξ • Tính γb, γr, γβ • Tính lại R2% ( ) • So sánh R2% Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
49. 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) Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
50. ⎛⎞ q 0,067 Rc 1 1 Q ==γξb 0 exp⎜⎟ − 4.30 3 tanα H ξ γγ γ γ gH⋅ m 0 ⎝⎠mbfv00 β với lưu lượng lớn nhất (khi sóng không vỡ): q ⎛ R 1 ⎞ Q ==⋅−0.2 exp⎜ 2.30 c ⎟ 3 H γ .γ gH⋅ m0 ⎝ mf0 β ⎠ 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 oo γ β =1−≤ 0.0033ββ khi 0≤ 80 o γββ =−1 0.0033 • 80 khi> 80 o ảnh hưởng của tường đỉnh: γ v =1.35−=÷ 0.0078ααww , 45 90 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
51. Sóng tràn (sóng vỡ) – TK theo LTĐTC q 0.067 ⎛ RC 1 ⎞ = ⋅γb ξ ⋅0 pex ⋅⎜ 4. −75 ⋅ ⎟ 3 tanα ⎜ H ξ γ⋅ γ γ ⋅ γ ⋅ ⋅ ⎟ g⋅ Hm0 ⎝ m0 0 b fθ v⎠ Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
52. 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 (Ptk = 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 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
53. 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 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
54. Đê Hải Hậu: đã tiếp cận COMCOAST Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
55. Chiều cao đê theo sóng tràn hay sóng leo ? •• TiêuTiêu chuchuẩẩnn ssóóngng trtràànn ddùùngng chocho thithiếếtt kkếế đđêê chchịịuu ssóóngng trtràànn •• TiêuTiêu chuchuẩẩnn ssóóngng trtràànn ccóó liênliên hhệệ mmậậtt thithiếếtt vvớớii chchấấtt llưượợngng mmááii trongtrong ccủủaa đđêê Tiêu chuẩn lưu lượng tràn cho phép, Đê Hà 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 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển
56. Thực hành tính toán sóng tràn • Xác định lưu lượng tràn cho phép qtc (căn cứ vào chất lượng đỉnh và mái phía trong) • giả thiết Rc • Tính tanα và các hệ số triết giảm γ • Tính q theo công thức • So sánh với qtc Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển