Đồ án Thiết kế đê chắn sóng

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. V.1.3.Đê chắn sóng 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 sóng 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 tại vị trí xây dựng đê... Đối với khu vực của Thuận An ta chọn hai phương án kết cấu là: đê chắn bùn cát mái nghiêng và đê chắn bùn cát trọng lực tường đứng thùng chìm là phù hợp điều kiện xây dựng nhất. Như vậy ta sẽ tính toán thiết kế sơ bộ cho hai phương án kết cấu này sau đó căn cứ vào chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật để chọn ra phương án phù hợp nhất để tính toán thiết kế kĩ thuật. V.2. Thiết kế sơ bộ cho đê chắn bùn cát mái nghiêng. V.2.1. Xác định cao trình đỉnh đê. Cao trình đỉnh đê được xác định sao cho thỏa mãn điều kiện thông số sóng sau đê. Tùy thuộc vào chức năng của đê mà mà xác định giới hạn của thông số sóng sau đê với thông số sóng tới đã biết, giả định các cao trình đỉnh đê ta xác định thông số sóng sau đê. Chọn cao trình đỉnh đê với thông số sóng tạo thành thỏa mãn điều kiện cho phép. Trong đồ án này em xin trình bày cách xác định cao trình đỉnh đê theo điều kiện sóng tràn. Công thức xác định lưu lượng sóng tràn cho đê mái nghiêng, mái dốc không thấm ( Công thức Owen ): (5.1) Trong đó : q : Lưu lượng tràn qua đê (l/s/m). Với công trình đê chắn sóng ổn định luồng tàu thì lưu lượng q cho phép tràn qua lớn nhất là 500(l/s/m). HS : Chiều cao sóng ý nghĩa (m). a, b : các hệ số thực nghiệm. Tra theo bàng sau : Bảng 5-1: Hệ số thực nghiệm a, b với mái dốc thẳng. sóng nước sâu. Mái dốc a b 1 : 1 0,008 20 1 : 1,5 0,01 20 1 : 2 0,013 22 1 : 3 0,016 32 1 : 4 0,019 47 - RC : độ vượt cao của công trình so với mực nước lặng (m). γr : hệ số nhám của bề mặt. ( với khối kì dị ta chọn = 0,5; vì ở đây ta chọn là hai khối phủ ). Som : độ dốc sóng. Som= (2*π*HS )/(g*Tm2). (5.2) Để xác định được cao trình đỉnh đê thì ta phải tính được RC ứng với lưu lượng q cho phép tràn qua đê ( q= 500 l/s/m ). Thay HS= 4,07m vào phương trình (5.2) ta tính được Som=0,034. Với các hệ số tìm được thay vào phương trình (5.1) ta có: = ó 0,142 = exp( -0,723*Rc ). Bằng phép thử dần trên Exel ta tìm được giá trị Rc như bảng 5-2: Bảng 5-2: Tính toán giá trị Rc. Exp(-0.723.Rc) Rc (m) 0.05547 4 0.06645 3.75 0.07962 3.5 0.09539 3.25 0.11429 3 0.12286 2.9 0.13207 2.8 0.14198 2.7 0.15262 2.6 0.16406 2.5 Từ bảng trên ta thấy giá trị Rc = 2.7m là phù hợp nhất. Vậy độ vượt cao của công trình so với mực nước lặng sẽ là: Rc = 2.7m. + So sánh khi sử dụng phần mềm Wadibea để tính toán Rc: Hình 5-1: Tính toán Rc bằng Wadibe. Với việc sử dụng Wadibea tính toán ta thấy Rc = 2.07m không sai lệch nhiều so với việc sử dụng công thức của Owen. Vậy kết quả tính toán như trên là có thể chấp nhận được. Cao trình đỉnh đê tại đoạn đầu : Zđỉnh= MNTK + Rc = 4,24 + 2.7 = 6.94m. Chiều cao đê tính toán sơ bộ : Hđê = Zđỉnh + hi = 6 + 6.94 = 12.94(m). V.2.2. Xác định trọng lượng khối phủ mái. Lực tác dụng của sóng lên mái nghiêng được gia cố bởi những khối vật liệu rời là nguyên nhân dịch chuyển của các khối gia cố. Sự dịch chuyển của các khối gia cố có thể là trượt, quay hoặc bị nâng ra ngoài lớp gia cố. Để cho khối gia cố có thể nằm ổn định trên mái dốc nó phải có khối lượng tương ứng với tham số sóng tác động. Các công thức xác định khối lượng gia cố chủ yếu được thiết lập bằng thực nghiệm. Với từng phân đoạn đê khác nhau ta sẽ phải bố trí khối phủ mái có trọng lượng khác nhau do chiều cao sóng truyền tới từng đoạn công trình khác nhau. V.2.2.1. Trọng lượng khối phủ mặt: Trong đồ án này ta sử dụng khối gia cố mái là khối Tetrapods xếp tự do 2 lớp. Khi tính toán vật liệu gia cố mái ngoài thì ta tính với tham số sóng mặt ngoài đê ( tham số sóng vùng sóng đổ), khi tính toán vật liệu gia cố mái trong ta tính với tham số sóng mặt trong đê( tham số sóng nhiễu xạ). Trọng lượng khối gia cố đỉnh: Lấy bằng trọng lượng khối phủ mái ngoài tương ứng. Áp dụng công thức Van der Meer cho Tetrapods hai lớp phủ tính toán trọng lượng khối phủ mặt: (5.6) Trong đó : HS : Chiều cao sóng đáng kể trước chân công trình (m). Dn : đường kính khối phủ (m). Δ= với : khối lượng riêng của Bê tông (= 2400kg/m3) : khối lượng riêng của nước (= 1025kg/m3). Nod: số khối bị dịch chuyển trong bề rộng dải Dn.( Chọn Nod=0.2 ) Nz : số sóng (Nz ≤ 7500). Som : độ dốc sóng (Som= 0,034). Kết quả tính toán như bảng dưới đây : Bảng 5-3: Trọng lượng khối gia cố mái ngoài. Độ sâu (m) HS (m) Trọng lượng khối Tetrapod (T) Khối lượng chọn (T) Đê A1  6 4.07 7.92 8 4.5 3.2 3.3 4  3 2.6 1.56 2 Đê A2  6 4.07 7.92 8 4.5 3.15 3.21 4  3 2.56 1.49 2 Bảng 5-4: Trọng lượng khối gia cố mái trong. Độ sâu (m) HS (m) Trọng lượng khối Tetrapod (T) Khối lượng chọn (T) Đê A1  6 2.27 0.956 1  4.5 1.6 0.3 1  3 1 0.15 1 Đê A2  6 0.85 0.096 1 4.5 0.5 0.014 1  3 0.5 0.014 1 So sánh kết quả tính toán ở trên với việc sử dụng phần mềm Wadibea để xác định trọng lượng khối phủ mái cho công trình ta thấy kết quả cho ra tương tự. Vậy kết quả tính toán như vậy là chấp nhận được. Hình 5-2: Tính toán trọng lượng khối phủ mái bằng Wadibea. Với đỉnh đê ta cũng dùng khối phủ Tetrapot có trọn lượng bằng trọng lượng khối phủ mái ngoài tại đoạn tương ứng. Cách sắp xếp khối Tetrapot thể hiện như sơ đồ sau: Hình 5-3: Sơ đồ săp xếp khối Tetrapot. V.2.2.2. Chiều dày lớp phủ và lớp lót. Chiều dày khối phủ và lớp lót được xác định theo công thức sau: Trong đó: N – Số lớp, n = 2. - Hệ số, tra bảng 5-7. W – Trọng lượng khối phủ. Wa – Khối lượng riêng của khối phủ. Bảng 5-5: Giá trị và P. Khối phủ n Cách đặt K∆ P Đá nhẵn 2 Tự do 1,02 38 Đá tròn 2 Tự do 1,00 37 Đá tròn ³ 3 Tự do 1,00 40 Đá khối CN 2 Sắp xếp 27 Đá Hỗn hợp Tự do 37 Khối lập phương 2 Tự do 1,10 47 Tetrapod 2 Tự do 1,04 50 Tribar 3 Tự do 1,02 54 Tribar 1 Sắp xếp 1,13 47 Dolos 2 Tự do 0,94 56 Core-loc Thể tích <5m3 1 Tự do 1,51 60 Core-loc 5<Thể tích <12 m3 63 Core-loc 12<TT<22 m3 64 Accropod Thể tích<5m3 1 Tự do 1,51 57 Accropod 5<Thể tích<12 m3 59 Accropod 12<TT<22 m3 62 Kết quả tính toán được lập thành bảng tính. Bảng 5-6: Chiều dày mái phủ phía ngoài. Phân đoạn đê Trọng lương khối phủ W (Tấn) Trọng lương riêng khối Wa (Tấn/m3) Số lớp xếp n (lớp) Hệ số KΔ Chiều dày lớp phủ r (m) Đê A1 Đoạn 1 (đầu đê) 8 2.4 2 1.04 3 Đoạn 2 (thân đê) 4 2.4 2 1.04 2.5 Đoạn 3 (gốc đê) 2 2.4 2 1.04 2 Đê A2 Đoạn 1 (đầu đê) 8 2.4 2 1.04 3 Đoạn 2 (thân đê) 4 2.4 2 1.04 2.5 Đoạn 3 (gốc đê) 2 2.4 2 1.04 2 Bảng 5-7: Chiều dày mái phủ phía trong. Phân đoạn đê Trọng lương khối phủ W (Tấn) Trọng lương riêng khối Wa (Tấn/m3) Số lớp xếp n (lớp) Hệ số KΔ Chiều dày lớp phủ r (m) Đê A1 Đoạn 1 (đầu đê) 1 2.4 2 1.04 1.5 Đoạn 2 (thân đê) 1 2.4 2 1.04 1.5 Đoạn 3 (gốc đê) 1 2.4 2 1.04 1.5 Đê A2 Đoạn 1 (đầu đê) 1 2.4 2 1.04 1.5 Đoạn 2 (thân đê) 1 2.4 2 1.04 1.5 Đoạn 3 (gốc đê) 1 2.4 2 1.04 1.5 V.2.2.3. Giới hạn chân của lớp phủ chính. Khi độ sâu nước lớn hơn 1,5H thì giới hạn dưới của lớp phủ thứ nhất được kéo dài xuống mực nước thấp nhất một khoảng bằng 1,5H. Trong trường hợp độ sâu nước nhỏ hơn 1,5H thì lớp phủ chính được kéo dài đến tận chân khay. Trong trường hợp của đê chắn bùn cát Thuận An thì lớp phủ chính được kéo dài đến tận chân khay. V.2.3. Lớp lót. V.2.3.1. Trọng lượng lớp lót. Lớp lót được tính toán để đảm bảo ổn định trong quá trình khai thác và trong quá trình thi công. Cần đảm bảo kích thước để không bị sóng moi qua khe giữa các khối phủ và gây lún sụt cho lớp phủ và trong thời gian thi công không bị sóng quấn đi khi chưa có khối phủ che chở. Theo quy định cấp phối thì vật liệu lớp lót phải có trọng lượng bằng 1/10÷1/20 trọng lượng khối phủ mặt. Chọn lớp lót là khối đá hộc có trọng lượng bằng 1/10 trọng lượng khối phủ và có các tiết diện như bảng tính toán sau: Chức năng của lớp lót : Hoạt động như lớp lọc giữa lớp phủ mặt và lớp lõi. 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. Bảng 5-8: Trọng lượng lớp lót ngoài Phân đoạn đê Trọng lượng khối phủ Tetrapod W (Tấn) Trọng lượng lớp lót (Tấn) Đê A1 Đoạn 1 ( Đầu đê ) 8 0.8 Đoạn 2 ( Thân đê ) 4 0.4 Đoạn 3 ( Gốc đê ) 2 0.2 Đê A2 Đoạn 1 ( Đầu đê ) 8 0.8 Đoạn 2 ( Thân đê ) 4 0.4 Đoạn 3 ( Gốc đê ) 2 0.2 Bảng 5-9: Trọng lượng lớp lót trong Phân đoạn đê Trọng lượng khối phủ Tetrapod W (Tấn) Trọng lượng lớp lót. (Tấn) Đê A1 Đoạn 1 ( Đầu đê ) 1 0.1 Đoạn 2 ( Thân đê) 1 0.1 Đoạn 3 ( Gốc đê ) 1 0.1 Đê A2 Đoạn 1 ( Đầu đê ) 1 0.1 Đoạn 2 ( Thân đê) 1 0.1 Đoạn 3 ( Gốc đê ) 1 0.1 V.2.3.2. Chiều dày lớp lót. Chiều dày lớp lót được xác định như công thức (4-5): Kết quả tính toán chiều dày lớp lót cho mái phía ngoài và trong được trình bày trong bảng dưới đây. Bảng 5-10: Chiều dày lớp lót mái phía ngoài. Phân đoạn đê Trọng lương lớp lót W (Tấn) Trọng lương riêng lớp lót Wa (Tấn/m3) Số lớp xếp n (Lớp) Hệ số KΔ Chiều dày lớp lót r (m) Đê A1 Đoạn 1 (đầu đê) 0.8 2,65 2 1.04 1.4 Đoạn 2 (thân đê) 0.4 2,65 2 1.04 1.1 Đoạn 3 (gốc đê) 0.2 2,65 2 1.04 0.9 Đê A2 Đoạn 1 (đầu đê) 0.8 2,65 2 1.04 1.4 Đoạn 2 (thân đê) 0.4 2,65 2 1.04 1.1 Đoạn 3 (gốc đê) 0.2 2,65 2 1.04 0.9 Bảng 5-11: Chiều dày lớp lót mái phía trong. Phân đoạn đê Trọng lương lớp lót W (Tấn) Trọng lương riêng lớp lót Wa (Tấn/m3) Số lớp xếp n (Lớp) Hệ số KΔ Chiều dày lớp lót r (m) Đê A1 Đoạn 1 (đầu đê) 0.1 2,65 2 1.04 0.7 Đoạn 2 (thân đê) 0.1 2,65 2 1.04 0.7 Đoạn 3 (gốc đê) 0.1 2,65 2 1.04 0.7 Đê A2 Đoạn 1 (đầu đê) 0.1 2,65 2 1.04 0.7 Đoạn 2 (thân đê) 0.1 2,65 2 1.04 0.7 Đoạn 3 (gốc đê) 0.1 2,65 2 1.04 0.7 V.2.4. Tính toán 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 5-4: 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 5-5: 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 5-6: 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. V.2.4.1. Kích thước chân khay theo điều kiện ổn định trượt. Hình 5-7: Sơ đồ xác định kích thước chân khay. β α r MNTTK Đỉnh đê M Chân khay x 1:1,5 Lớp lót Lớp lõi gc ck M Lớp phủ mái + Chiều cao và chiều dài mái chân khay: Gọi chiều cao chân khay là: h (m), chiều dày khối phủ mái r (m). Góc tạo bởi mái dốc chân khay và phương ngang là: α (độ) và β là góc tạo bởi mái đê với phương ngang. Chọn hệ số mái dốc của chân khay là : m = 1: 3 => tgα= 1/3 => α ≈18056’. Hệ số mái mái đê là : m= 1:1,5 => β ≈ 33041’. Từ “Hình 5-10: Sơ đồ xác định kích thước chân khay” ta có: h = rphủ* sin(18056’)*sin(5206’). Cao trình đỉnh của chân khay bằng tổng của chiều cao chân khay h với chiều dày lớp phủ : CK= h + Chiều dày lớp lót. Kết quả tính toán cho chiều cao, cao trình đỉnh và chiều dài mái chân khay được tính như bảng 5-13, 5-14 và 5-15 dưới: Bảng 5-12: Tính toán chiều cao và cao trình đỉnh chân khay cho từng đoạn mái trước đê. Đoạn rphủ (m) h (m) rlót (m) CK (m) Đê A1 Đầu đê 3 0.77 1.4 2.17 Thân đê 2.5 0.64 1.1 1.74 Gốc đê 2 0.51 0.9 1.41 Đê A2 Đầu đê 3 0.77 1.4 2.17 Thân đê 2.5 0.64 1.1 1.74 Gốc đê 2 0.51 0.9 1.41 Bảng 5-13: Tính toán chiều cao và cao trình đỉnh chân khay cho từng đoạn mái sau đê. Đoạn rphủ (m) h (m) rlót (m) CK (m) Đê A1 Đầu đê 1.5 0.38 0.7 1.08 Thân đê 1.5 0.38 0.7 1.08 Gốc đê 1.5 0.38 0.7 1.08 Đê A2 Đầu đê 1.5 0.38 0.7 1.08 Thân đê 1.5 0.38 0.7 1.08 Gốc đê 1.5 0.38 0.7 1.08 Từ bảng tính toán ta thấy cao trình đỉnh của chân khay cho mái phía trong của 2 tuyến đê rất nhỏ, vậy để đảm bảo an toàn ta sẽ thiết kế chân khay mái phía trong bằng kích thước chân khay mái phía ngoài. + Xác định trọng lượng viên đá chân khay: Viên đá dùng cho chân khay phải đảm bảo có trọng lượng đủ lớn để chịu được tác dụng của sóng và dòng chảy ven bờ không làm viên đá bị cuốn trôi. Trọng lượng viên đá chân khay được xác định qua đồ thị Hình 5-11 (Theo CEM VI-5-45) dưới đây: Hình 5-8: Đồ thị xác định kích thước viên đá chân khay. Từ hb/hs ta tra đồ thị hình (1-5) với đường dưới cùng ta được giá trị NS3. Trong đó: NS : chỉ số ổn định thiết kế cho nền đá đổ và ổn định chân. NS= (4.10) H - Chiều cao sóng tại chân công trình; hs - Chiều cao từ đáy đến MNTTK; hb - độ sâu nước từ đỉnh chân khay đến MNTTK; = = 1,5853 - Khối lương riêng của đá (= 2,65T/m3). - Khối lượng riêng của nước, (= 1,025T/m3) Dn50 - Đường kính viên đá tiêu chuẩn 50%. Theo mục 5, phụ lục 1-Trang 78-“22 TCN 222 – 95”. Mực nước tính toán cao nhất được lấy theo quy định của các tiêu chuẩn thiết kế công trình thủy. Khi xác định tải trọng tác dụng lên công trình thủy thì suất đảm bảo tính toán phải lấy không lớn hơn : - 1% (1 lần trong 100 năm) - đối với công trình cấp I; - 5% (1 lần trong 20 năm) - đối với công trình cấp II, III; - 10% (1 lần trong 10 năm) - đối với công trình cấp IV; theo mực nước cao nhất hàng năm. Vì công trình là công trình cấp VI vì thế MNCTK được lấy theo tần suất 10% Dựa vào bảng tần suất mực nước ( Bảng 1-5: Tần suất mực nước ). Vậy mực nước cao nhất hàng năm với tần suất 10% là +0,6m Mực nước thấp thiết kế được lấy với tần suất 90% tương ứng là - 0,41m. Vậy: hs= MNTTK + Độ sâu nước tại vị trí tính toán. Bảng 5-14: Tính toán đường kính và trọng lượng viên đá chân khay cho các tuyến đê. Mái Phân đoạn Hs (m) hb (m) hs (m) hb/hs N3s Dn50 (m) W (Tấn) Ngoài Đầu 4.07 3.42 5.59 0.61