Giáo trình Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ

dài t−ơng đ−ơng phía trong đồng Shạ, quá trình tính dồn nh− (hình 3-14). S0(Đã biết) S1 S2 Si Sn-1 Sn= S (Tìm đ−ợc) D0 D1 D 2 D i D n-1 Hình 3-14: Quá trình tính dồn Trị số S0: (1) nếu tầng thấm n−ớc yếu là dài vô hạn, S0 = 0 (2) nếu tầng thấm n−ớc yếu là dài hữu hạn, ở đoạn đầu tầng thấm n−ớc yếu, S0 = 0,441T0 Nếu tầng thấm n−ớc yếu có hệ số thấm không thay đổi và độ dầy đồng đều, chỉ cần tính dồn một lần là có thể đến tr−ớc đê. Nếu hệ số thấm hoặc độ dày có thay đổi, thì tính dồn theo từng đoạn phân chia theo hệ số thấm khác nhau hoặc độ dầy khác nhau. Sau khi tìm đ−ợc Sth−ợng, Shạ, dùng công thức 3-56 để tìm cột n−ớc chịu áp tại các điểm d−ới tầng thấm n−ớc yếu phía trong đồng (hình 3-15)  83 H SbS xS h ạhợng−th ạh ++ −= (3-56) Trong công thức: Sth−ợng - chiều dài t−ơng đ−ơng của tầng thấm n−ớc yếu th−ợng l−u; Shạ - chiều dài t−ơng đ−ơng của tầng thấm n−ớc yếu hạ l−u. 4- Dùng công thức tính dồn để tính toán phản áp (hình 3-15, 3-16) Sau khi đặt phản áp, nếu vật liệu phản áp có hệ số thấm rất lớn, n−ớc thấm qua tầng thấm n−ớc yếu có thể thông thoáng thoát ra, thì có thể không cần phải tính toán kiểm tra lại. Nếu hệ số thấm của vật liệu phản áp không lớn lắm thì sau khi đặt phản áp, chiều dài t−ơng đ−ơng dài thêm, cần đ−ợc tính toán lại, coi đoạn phản áp là một đoạn để tính dồn. Th−ờng th−ờng, hệ số thấm của vật liệu làm phản áp là khác với hệ số thấm của tầng thấm n−ớc yếu bên d−ới nó. Nếu hệ số thấm và độ dầy của tầng thấm n−ớc yếu tại đoạn n là kn, tn, thì tr−ớc hết đem k', t' của vật liệu phản áp tính đổi thành độ dầy t'1 có cùng hệ số thấm với tầng thấm n−ớc yếu bên d−ới nó, 't k k t n,1 = , cho t' = t'n+ t'1, rồi lấy kn, t'n và Sn-1 của đoạn tr−ớc làm thông số để thay vào công thức tính dồn, tức: n00 n 'tTk k A = (3-57) 1n n 1n n 1n S A 1 S A 1 D − − − − + = (3-58) 1eD 1eD A 1 S n 1i n 1n n + −ì= β− β− (3-59) βn = 2AnLn (3-60) Nếu phản áp làm thành hình thang, thì có thể phân chia thành nhiều đoạn hình thang có độ dầy bằng nhau, rồi tính dần từng đoạn, chia đoạn càng nhiều càng chính xác. Sau khi tìm đ−ợc chiều dài t−ơng đ−ơng của phản áp, dùng công thức 3-56 để tìm cột n−ớc chịu áp tại các điểm, tính toán kiểm tra ổn định thấm của đoạn phản áp và các đoạn phía sau phản áp.  84 Hình 3-15: Tính toán cột n−ớc chịu áp Hình 3-16: Tính toán phản áp ♣3-6. Tính toán ổn định đê I. Những quy định chung: 1. Lựa chọn mặt cắt tính toán ổn định chống tr−ợt: Việc lựa chọn mặt cắt tính toán ổn định chống tr−ợt cần căn cứ vào nhiệm vụ phòng lũ, cấp công trình, điều kiện địa hình, địa chất của các đoạn đê khác nhau đồng thời kết hợp  85 với các yếu tố nh−: hình thức kết cấu thân đê, tính chất vật liệu đắp đê, chiều cao của đê lựa chọn, vị trí mặt cắt tính toán nên có tính đại biểu khi tính toán ổn định và thuận lợi của việc tính toán. 2. Tr−ờng hợp tính toán: Việc tính toán ổn định của đê đất cần tiến hành với các tr−ờng hợp bình th−ờng và tr−ờng hợp bất th−ờng. a) Tính toán ổn định chống tr−ợt cho điều kiện sử dụng bình th−ờng đ−ợc quy định nh− sau: - Mái đê phía đồng: ứng với thời kỳ thấm ổn định (hoặc với thời kỳ thấm không ổn định do thời gian đê chịu n−ớc cao ch−a đủ dài). Khi ngoài sông xuất hiện mức n−ớc lũ thiết kế, hạ l−u ứng với mực n−ớc thực tế xuất hiện trong thời kỳ này. - Mái đê phía sông: ứng với thời kỳ mức n−ớc lũ thiết kế rút đột ngột. b) Tính toán ổn định chống tr−ợt cho điều kiện sử dụng bất th−ờng đ−ợc quy định nh− sau: - Mái đê phía sông và mái đê phía đồng trong thời kỳ thi công (bao gồm cả khi hoàn công) - Mái đê phía trong, phía ngoài khi gặp động đất với mức n−ớc bình quân nhiều năm. - Đê đất ở vùng m−a nhiều, có thể căn cứ vào tình hình thấm của đất đắp và bảo vệ mái đê để tính toán kiểm tra tính toán ổn định của mái đê trong thời kỳ m−a dài ngày. Hệ số an toàn có thể áp dụng theo tr−ờng hợp bất th−ờng. 3. Ph−ơng pháp tính toán: - Tính toán ổn định chống tr−ợt của đê đất có thể dùng ph−ơng pháp cung tr−ợt hoặc mặt tr−ợt phức hợp. Đối với t−ờng phòng lũ, cần tính ổn định chống tr−ợt, chống lật..., ứng suất nền lớn nhất ở đáy móng cần nhỏ hơn sức chịu tải cho phép của đất nền, không xuất hiện ứng suất kéo. II- Tính toán ổn định chống tr−ợt: 1. Ph−ơng pháp tính toán tr−ợt cung tròn: (hình 3-17 )  86 Hình 3-17: Tính toán theo ph−ơng pháp tr−ợt cung tròn Do sự khác nhau của ph−ơng pháp tính c−ờng độ chống cắt của khối đất, mà ph−ơng pháp tính toán ổn định mái đê đất đ−ợc chia thành ph−ơng pháp tổng ứng lực và ph−ơng pháp ứng lực hữu hiệu. a) Ph−ơng pháp tổng ứng lực: * Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt trong thời kỳ thi công có thể tính theo công thức sau đây: K = ( ) ∑ ∑ β ϕβ+β sinG thcosGsecbC uu (3-61) * Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt trong thời kỳ mực n−ớc hạ xuống có thể tính theo công thức sau đây: K = [ ] ∑ ∑ β ϕβ−β+β sinG tg).secbucosS(secbC cuiu (3-62) G = G1 + G2 + γ n Zb (3-63)  87 b) Ph−ơng pháp ứng lực hữu hiệu: * Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt trong thời kỳ thấm ổn định có thể tính theo công thức sau đây: K = [ ]( ) ∑ ∑ β+ ϕβγ−−β++β sin)GG( )tgsecb)Zu(cos)GG(secb'C 21 , n21 (3-64) Trong công thức: b- chiều rộng của dải (m) G- Trọng lực của dải, G = G 1+ G 2+ γ n Zb (KN); G 1- Trọng lực của dải ở phần trên mực n−ớc ngoài mái đê (KN), tính theo dung trọng đẩy nổi. G 2- Trọng lực của dải ở phần bên d−ới mực n−ớc ngoài mái đê (KN); Z- Khoảng cách cao hơn từ mực n−ớc ngoài mái đê đến mặt đáy dải (m); u- áp lựckẽ rỗng trong thân đê hay nền đê trong thời kỳ thấm ổn định (KPa); Ui - áp lực kẽ rỗng thân đê tr−ớc khi mực n−ớc hạ xuống (KPa); β- Góc kẹp giữa đ−ờng trọng lực của dải với bán kính đi qua trung điểm mặt đáy dải đó ( độ ); γn- Trọng l−ợng riêng của n−ớc (KN/m3); Cu, ϕu, Ccu, ϕcu, C’, ϕ’- Các chỉ tiêu c−ờng độ chống cắt của đất (KN/m2, độ), cần xác định theo qui định của bảng 3-13. 2. Hệ số an toàn ổn định của mái đê theo ph−ơng pháp mặt tr−ợt phức hợp: Có thể tính theo công thức sau đây (hình 3-18) Hình 3-18: Tính toán theo ph−ơng pháp mặt tr−ợt phức hợp  88 ba pp S K −= (3-65) S = G.tgϕ + CL (3-66) Trong công thức: G- Trọng l−ợng hữu hiệu của khối đất B’BCC’ (KN); C, ϕ- lực dính (KN/m2) và góc ma sát trong (độ) của tầng đất mềm yếu; Pa- áp lực chủ động từ phía BB'; Pb- áp lực bị động từ phía CC'; 3. Các chỉ tiêu c−ờng độ chống cắt của đất: Có thể xác định bằng máy cắt ba trục, cũng có thể đo bằng máy cắt trực tiếp. Các ph−ơng pháp thí nghiệm sử dụng và các chỉ tiêu c−ờng độ đ−ợc ghi ở bảng 3-13, khi tính toán ổn định chống tr−ợt, có thể căn cứ vào từng tr−ờng hợp cụ thể mà chọn dùng. Bảng 3-13: Các ph−ơng pháp thí nghiệm và các chỉ tiêu c−ờng độ chống cắt của đất. Tr−ờng hợp làm việc của đê Ph−ơng pháp tính toán Máy sử dụng Ph−ơng pháp thí nghiệm Chỉ tiêu c−ờng độ Máy cắt trực tiếp Cắt nhanh Thời kỳ thi công Ph−ơng pháp tổng ứng lực Máy cắt ba trục Cắt không thoát n−ớc Cu , ϕu Máy cắt trực tiếp Cắt chậm Thời kỳ thấm ổn định Ph−ơng pháp ứng lực hữu hiệu Máy cắt ba trục Cắt thoát n−ớc cố kết C’ , ϕ’ Thời kỳ mực n−ớc hạ xuống Ph−ơng pháp tổng ứng lực Máy cắt trực tiếp Cắt nhanh cố kết Ccu , ϕcu Khi nền đê là đất có tính bão hòa, đồng thời đắp thân đê với tốc độ t−ơng đối nhanh, thì có thể dùng chỉ tiêu c−ờng độ chữ thập hiện tr−ờng của cắt nhanh hoặc cắt không thoát n−ớc. 4. Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt của t−ờng phòng lũ: Khi khống chế ứng suất đáy móng t−ờng σmax0; σTB<Rth thì chỉ cần kiểm tra tr−ợt phẳng theo công thức sau: P G.f Kc Σ Σ= ≥ Kcp (3-67)  89 Trong đó: Kc - Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt; ΣG - Tổng toàn bộ lực thẳng đứng tác dụng lên thân t−ờng (KN); ΣP - Tổng toàn bộ lực nằm ngang tác dụng lên thân t−ờng (KN); f - Hệ số ma sát giữa đáy t−ờng và nền đê. Kcp - Hệ số an toàn cho phép, xác định theo cấp công trình và tổ hợp tải trọng. 5. Tính ổn định chống lật của t−ờng phòng lũ: Cần tính toán theo công thức sau đây: l cl l M M K Σ Σ= ≥ Kcp (3-68) Trong đó: Kl- Hệ số an toàn ổn định chống lật; Mcl- Mô men chống lật (KN.m); Ml- Mô men lật (KN.m). 6. ứng suất nén tấm đáy t−ờng phòng lũ: Cần tính toán theo công thức sau đây: W M A G minmax, Σ±Σ=σ (3-69) Trong đó: σmax,min- ứng suất nén lớn nhất và nhỏ nhất của tấm đáy (KPa); ΣG- Tải trọng thẳng đứng (KN); A- Diện tích tấm đáy (m2); ΣM- Mô men của tải trọng đối với trọng tâm tấm đáy (KN.m); W- Mô đun chống uốn của mặt đáy (m3).  90 ♣3-7. Tính toán lún I- Những quy định chung: 1. Những tr−ờng hợp cần tính toán lún: Nếu nền đê là tầng đất mềm hoặc đê đất có độ cao lớn hơn 10m, cần tính toán độ lún. 2. Chọn mặt cắt đê để tính toán lún: Căn cứ vào địa chất nền đê, tính chất ép co của tầng đất, tính chất mặt cắt chân đê và sự chịu tải của đê, có thể chia đê ra làm nhiều đoạn, mỗi đoạn chọn một mặt cắt ngang mang tính đại điện để tính toán lún. Nên chon mặt cắt tính toán lún cùng với mặt cắt tính toán thấm và mặt cắt tính toán ổn định. II- Ph−ơng pháp tính lún: 1. Công thức tính toán lún: Độ lún cuối cùng của thân đê và nền đê có thể tính theo công thức sau: ∑ = − −= n 1i i i1 i21i h e1 ee S (3-70) Trong đó : S - Độ lún cuối cùng tính bằng cm; n- Số lớp đất trong phạm vi tầng ép lún; e1i- Tỷ lệ lỗ hổng của lớp đất thứ i d−ới tác dụng của lực tự trọng trung bình; e2i- Tỷ lệ lỗ hổng của lớp đất thứ i, d−ới tác dụng chung của lực tự trọng trung bình và ứng lực phụ trung bình; hi- Độ dầy của lớp đất thứ i, tính bằng cm. 2.Xác định độ sâu tính toán của tầng ép lún nền đê: Độ sâu tính toán của tầng ép lún nền đê có thể xác định theo công thức sau: 2,0 b z =σ σ (3-71) Trong đó: σb- ứng suất bản thân của đất ở mặt lớp tính toán nền đê; σz- ứng suất tăng thêm của đất ở mặt lớp tính toán nền đê. Nếu khi thực tế độ dầy tấng ép lún nhỏ hơn kết quả tính toán của công thức trên thì theo độ sâu tầng ép lún thực tế để tính toán độ lún.  Ch−ơng iV Kè bảo vệ mái dốc ♣4-1. Khái niệm Mái dốc th−ợng l−u đê sông, đê biển, mái dốc bờ sông, bờ biển chịu tác dụng trực tiếp của dòng chảy, của thủy triều và của sóng... Để giữ cho mái dốc đất không bị biến dạng, ở phía ngoài cùng đ−ợc cấu tạo một bộ phận có tác dụng bảo vệ mái dốc không bị xói lở. Bộ phận này đ−ợc gọi là kè bảo vệ mái dốc. Theo hình thức kết cấu và vật liệu sử dụng, kè bảo vệ mái dốc có nhiều loại khác nhau. Mỗi loại đều có 3 phần chính. Các phần đó là chân kè, thân kè và đỉnh kè. Chân kè làm nhiệm vụ bảo vệ chống xói ở chân mái dốc. Thân kè là phần bảo vệ mái dốc từ chân đến đỉnh. Đỉnh kè là phần bảo vệ đỉnh mái dốc. Từng phần theo từng điều kiện cụ thể có cấu tạo chi tiết để đảm bảo điều kiện ổn định trong quá trình chịu tác dụng của các tải trọng từ phía sông, phía biển và từ phía đất thân đê hoặc bờ. Hình 4-1 là mặt cắt ngang của một số dạng kết cấu kè gia cố mái đê. Trong đó: a) Kè bằng đá hộc lát khan b) Kè bằng bê tông đúc sẵn. Chân kè bằng cọc, kết hợp với lăng trụ đá. T−ờng đỉnh kè bằng bê tông cốt thép. c) Kè kết hợp hai loại vật liệu. Chân kè là đá hộc trong ống bê tông, t−ờng đỉnh bằng đá xây. 91  Hình 4-1: Mặt cắt ngang của một số dạng kết cấu kè. Kè bảo vệ mái dốc sử dụng các kết cấu từ đơn giản nh− trồng cỏ đến phức tạp nh− bê tông lắp ghép tự chèn. Các hình thức thông dụng là đá đổ, đá xếp khan, khối bê tông ghép rời, hoặc liên kết tự chèn tạo thành mảng. 92  Hình 4-2: Kè đê sông Hồng Hà Nội Đá xếp trong khung bằng đá xây. Hình 4-3: Kè mái đê biển Đồ Sơn - Hải Phòng Kết cấu mảng mềm bằng cấu kiện BT. TSc 178 Kè bảo vệ mái dốc là một bộ phận quan trọng để duy trì ổn định cho sông và bờ. Nó chiếm một tỷ lệ kinh phí đáng kể trong các dự án đê điều và bảo vệ bờ. Mặt khác, sự làm việc của loại kết cấu này t−ơng đối phức tạp, còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ. Hiện nay ở n−ớc ta cũng nh− nhiều n−ớc trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu cải tiến các hình thức kết cấu nhằm hoàn thiện ph−ơng pháp tính toán đảm bảo an toàn, tăng hiệu quả kinh tế cho kè bảo vệ mái dốc nói riêng và cho đê và bờ nói chung. 93  ♣4-2. Yêu cầu cấu tạo, phân loại và điều kiện ứng dụng của từng loại kết cấu kè bảo vệ mái dốc. 1. Yêu cầu đối với kết cấu kè: - ổn định trên lớp đất bề mặt của mái dốc đê. - Linh hoạt và dễ biến dạng theo đất của mái dốc và nền. - Bền vững lâu dài của kết cấu và của vật liệu. - Có khả năng phát hiện đ−ợc sự cố. - Dễ sửa chữa khi có h− hỏng cục bộ. - Giá thành hạ. - An toàn. - Đảm bảo mỹ quan. - Dễ quan sát, kiểm tra cho ng−ời quản lý. - Tận dụng vật liệu địa ph−ơng. 2. Phân loại kết cấu: Có nhiều loại kết cấu kè mái dốc đê, mái dốc bờ sông, bờ biển, có thể khái quát hoá thành một số loại chính nh− sau: - Đá đổ, đá xếp khan, đá xếp trong các khung bằng đá xây. Loại này đ−ợc dùng t−ơng đối phổ biến (xem hình 4-1a). - Khối bê tông đúc sẵn lát độc lập nh− hình 4-1b, khối bê tông liên kết theo cơ chế tự chèn nh− hình 4-3. - Một số hình thức khác: bê tông Asphalt, trồng cỏ, vải địa kỹ thuật... 3. Phạm vi ứng dụng của một số hình thức kè bảo vệ mái dốc: - Trồng cỏ khi sóng tác dụng có hs≤ 0.5m, dòng chảy có vận tốc v<1m/s hoặc có bãi ngập, mái đê, mái bờ có đất để cỏ phát triển. - Đá hộc đổ rối khi có nguồn đá phong phú, mái đê, mái bờ thoải khi không có yêu cầu mĩ quan. - Đá hộc lát khan: Khi có nguồn đá phong phú, có đá lớn, nền thoát n−ớc tốt. - Đá xếp trong khung xây bằng đá đ−ợc sử dụng khi sóng và dòng chảy t−ơng đối mạnh, bờ t−ơng đối chắc, không đủ đá lớn. - Đá hộc xây đ−ợc dùng khi: Mái bờ t−ơng đối chắc, sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn. 94  - Thảm rọ đá: Sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn. - Tấm bê tông đúc sẵn, ghép rời đ−ợc sử dụng khi sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn, có yêu cầu mĩ quan. - Tấm bê tông đúc sẵn liên kết mảng dùng khi tr−ờng hợp sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn, có yêu cầu mĩ quan, bờ ít lún sụt, ít thoát n−ớc, có điều kiện thi công và chế tạo mảng. - Dùng hỗn hợp nhiều loại khi mực n−ớc dao động lớn, mái gia cố dài, từng vị trí có yêu cầu khác nhau. Các nội dung nêu trên là khái quát về phạm vi ứng dụng làm cơ sở lựa chọn giải pháp thiết kế. Trong từng tr−ờng hợp cụ thể, phải phân tích đầy đủ các điều kiện để lựa chọn đ−ợc giải pháp tốt nhất. Giải pháp tốt nhất là giải pháp thoả mãn đ−ợc nhiều yêu cầu ở mục 1 và có giá thành hạ. ♣4-3. Sự làm việc của kết cấu kè mái. 1. Các tải trọng tác dụng và sơ đồ tính: Kết cấu kè mái chịu tác dụng của các tải trọng tác dụng trực tiếp lên bề mặt phía ngoài và các tải trọng sinh ra ở phía trong kè và thân đê. Các tác động này sinh ra từ nguồn gốc của các tác động thủy động lực và tác động địa kỹ thuật. Sự tác động của các áp lực từ môi tr−ờng n−ớc vào các kết cấu kè và tải trọng sinh ra từ phía bên trong thân đê, có thể mô phỏng bằng một hệ t−ơng tác giữa 3 môi tr−ờng: N−ớc - Đất - Công trình nh− hình 4-4. Mô tả sự làm việc theo sơ đồ này nh− sau: Quá trình I là quá trình chịu tác động theo điều kiện biên thủy lực nh− sóng, vận tốc trung bình của dòng chảy đ−ợc mô phỏng là tải trọng phía ngoài Pn(y,t). Quá trình II là quá trình chuyển hoá từ tải trọng phía ngoài tới phía bên trong tạo ra các tải trọng tác dụng lên bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu kè với đất thân đê gọi là tải trọng phía trong Pt( y,t). Quá trình III là sự làm việc của kè d−ới tác dụng của các tải trọng từ 2 phía. Căn cứ vào kết cấu cụ thể của từng loại kè, tình hình tác dụng của các tải trọng mà tiến hành thiết lập các bài toán tính ổn định tổng thể, ổn định cục bộ, và tính toán kết cấu cho kè. 95  Hình 4-4: Sơ đồ mô phỏng sự làm việc t−ơng tác n−ớc - đất - kết cấu kè. 2. Một số dạng h− hỏng và nguyên nhân: Một sự cố ở đê th−ờng bắt nguồn từ những h− hỏng dẫn tới một bộ phận hoặc toàn bộ kết cấu bị mất ổn định theo một hình thái phá hoại nào đó làm cho nó không còn đảm nhận đ−ợc chức năng làm việc đ−ợc giao nữa. Kè bảo vệ mái là một bộ phận của mặt cắt đê. Vì vậy, các h− hỏng của kè có liên quan đến h− hỏng của đê. Một số dạng h− hỏng th−ờng gặp nh− ở hình 4-5. Th−ờng có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố. Sự tác dụng của sóng đối với kè bảo vệ mái dốc là nguyên nhân trực tiếp và đ−ợc xem là nguyên nhân chính. Khi phân tích tính h− hỏng của một số loại kết cấu kè bảo vệ mái chịu tác dụng của sóng có thể tham khảo bảng 4-1. 96  Hình 4-5: Một số dạng h− hỏng của đê và kè mái. 97  Bảng 4-1: Một số dạng h− hỏng kết cấu kè mái đê. Loại kết cấu Biểu hiện h− hỏng Tải trọng sóng Đôi t−ợng đánh giá Cát / sỏi sạn Bắt đầu di chuyển Vật liệu chuyển dịch * Sự hình thành mặt cát Tr−ờng vận tốc của sóng Trọng l−ợng ma sát * ổn định động lực Đất dính / cỏ Xói * Biến dạng Tốc độ lớn nhất Va chạm Dính kết Rễ cỏ * Chất l−ợng của sét Đá đổ Bắt đầu chuyển dịch * Biến dạng Vận tốc lớn nhất Thấm Trọng l−ợng, ma sát * Thấm của lớp đệm của thân đê Rọ đá Thảm đá, vải địa kĩ thuật Bắt đầu chuyển dịch Biến dạng Đá lọt ra ngoài Dây bị đứt * Biểu hiện khác... Tốc độ lớn Va đập Khí hậu Kẻ phá hoại Trọng l−ợng Liên kết Dây Kích th−ớc đơn vị * Thấm ở lớp đệm Khối liên kết liền kề, liên kêt có chèn Đẩy nổi Lún chìm Biến dạng * Tr−ợt Quá tải Va chạm Chiều dày, ma sát, liên kết * Thấm ở lớp đệm Asphalt (Bê tông nhựa đ−ờng) Xói Biến dạng * Đẩy nổi Tốc độ lớn Va chạm V−ợt tải Kết cấu Trọng l−ợng 98  3. Một số ví dụ về quan điểm tính tải trọng lên lớp vỏ kè: ( Thực hành thiết kế đê biển của Hà Lan) a) Các lực tác dụng lên phía ngoài (Pn): áp lực tác dụng lên mái dốc là loại tải trọng có chu kỳ đ−ợc nghiên cứu cụ thể đối với từng loại kết cấu. Các nghiên cứu đ−ợc tiến hành kết hợp giữa mô hình toán và mô hình vật lý ( thí nghiệm trong bể sóng). Trong thực tế sử dụng các mô hình toán còn nhiều hạn chế nhất là khi xét đến yếu tố thời gian. Một cách gần đúng tính tải trọng tức thời với tr−ờng hợp nguy hiểm nhất khi có sóng rút lớn nhất. Hình 4-6: Sóng tác dụng lên mái dốc Xét tr−ờng hợp sóng tác dụng lên mái dốc nh− hình 4-6. Trong đó θ là góc đổ lớn nhất. ϕb là áp lực n−ớc lớn nhất tác dụng lên bề mặt mái dốc. Lập đ−ợc mối quan hệ hàm giữa các đại l−ợng thuộc thành phần của sóng và kích th−ớc công trình. Ph−ơng trình dùng để nghiên cứu thực nghiệm khi mái dốc trong giới hạn 1/2 < tgα < 1/4 các sóng có độ dốc 0.01 < H/Lo < 0.07 đ−ợc viết nh− sau: )2.2 ; tg min( H ob α ξ=φ 99  tgθ = cotgβ = o tg9.5 ξ α )5.1 ; )Lo/H( tg11.0 min( H ds 8.0 α= Trong đó: Lo/H/tgo α=ξ . Kết quả thực nghiệm cho thấy với các sóng xiên có góc nhỏ hơn 45o đ−ợc tính nh− sóng phẳng b) Lực tác dụng phía d−ới (Pt): Các lực tác dụng phía d−ới lớp vỏ kè đ−ợc chia làm 2 loại: - Loại thứ nhất là các áp lực đ−ợc xét cùng với các lực phía trên gây ra hiện t−ợng đẩy ng−ợc lên lớp vỏ kè - Loại thứ hai là Gradien thủy lực d−ới lớp vỏ kè ( song song với mái dốc) gây ra hiện t−ợng dịch chuyển các hạt trong lớp đệm. Các hạt này phụ thuộc nhiều vào cấu tạo và vật liệu của lớp chuyển tiếp giữa vỏ kè và đất thân đê. ♣4-4. Thiết kế thân kè 1. Trọng l−ợng của hòn đá hoặc cấu kiện: Trọng l−ợng ổn định của hòn đá hoặc cấu kiện trong kết cấu kè có thể đ−ợc xác định bằng công thức Hudson G = α⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ γ γ−γ γ gcot.K 3 B D H.B 3SD (4-1) Trong đó: G- trọng l−ợng tối thiểu của hòn đá hoặc cấu kiện (tấn). γB- trọng l−ợng riêng (trong không khí) của vật liệu khối phủ (t/m3) γ- trọng l−ợng riêng của n−ớc (t/m3) α- góc nghiêng của mái đê so với mặt phẳng nằm ngang (độ) 100  HSD- chiều cao sóng thiết kế, lấy HSD = HS (1/3) (chiều cao sóng có ý nghĩa - xem tiết 2-1) KD- hệ số ổn đinh tùy theo hình dạng khối phủ, lấy theo bảng 4-2. Bảng 4-2: Hệ số KD Loại khối phủ Cách xếp KD Đá hộc Đổ rối 2 lớp 3 Đá hộc Lát khan 4 Tấm bê tông đúc sẵn Ghép độc lập 3.5 Tấm bê tông đúc sẵn Tự chèn mảng 5-6 (*) (*) Trị số cần kiểm định thực tế cho từng loại mảng 2. Chiều dày lớp phủ ngoài cùng của kè: Chiều dày lớp phủ ngoài của kè rất quan trọng về kỹ thuật và kinh tế, cần tính toán thận trọng. a) Kè bằng đá hộc lát khan: Độ dầy ổn định d−ới tác dụng của sóng đ−ợc tính theo công thức sau: δd = 0.266 3s d Hs Ls m H γ−γ γ (4-2) Trong đó: δd- chiều dày lớp đá hộc lát mái trên đê (m). Sau khi đã tính trọng l−ợng viên đá theo công thức (4-1), chiều dày lớp phủ d−ợc thực hiện bằng cách dựng đứng viên đá khi lát. γd,γ- trọng l−ợng riêng của đá và n−ớc (T/m3) m- hệ số mái dốc, công thức (4-2) ứng dụng cho điều kiện: 1.5≤ m≤ 5 Ls- chiều dài sóng (m) Hs- chiều cao sóng (m) + Khi h/Ls ≥ 0.125 lấy Hs = Hs4% + Khi h/Ls <0.125 lấy Hs = Hs (1/3) b) Kè mái bằng các tấm bản bê tông. 101  Tính theo công thức trong qui phạm thiết kế đê Trung Quốc (GB50286-98). δB = η.Hs. mL L t s B γ−γ γ (4-3) Trong đó: δB - chiều dày tấm bản bê tông (m). η- hệ số: η = 0.075 đối với bản lát khan, η = 0.10 đối với bản phần trên lát khan, phần d−ới chít mạch. Hs - chiều cao sóng tính toán (m), lấy Hs1% Ls- chiều dài sóng (m) Lt- chiều dài cạnh tấm bê tông theo ph−ơng vuông góc với đ−ờng mép n−ớc (m). m- hệ số mái dốc. γ,γB- trọng l−ợng riêng của n−ớc và bê tông (t/m3) - Tính theo công thức Pilarczyk.K.W. δB = 3/2 B Hs ξγ−γ γ ϕ (4-4) Trong đó: - Hs- chiều cao sóng thiết kế (m), lấy Hs1/3 - ξ- hệ số sóng vỡ, ξ = s s L H tgα - ϕ- hệ số phụ thuộc hình dạng và cách lắp đặt các cấu kiện, lấy theo bảng 4-3 Các ký hiệu khác có ý nghĩa nh− tr−ớc Bảng 4-3: Hệ số ϕ Loại cấu kiện và cách lắp đặt ϕ Tấm lát đặt nằm 4 ữ 4.5 Tấm lát đặt trên lớp geotextile và nền đất sét tốt 5 Tấm lát tự chèn 6 Tấm lát tự chèn trên lớp đệm tốt 8 Từ kết quả tính toán theo 4-3 và 4-4, chọn kết quả có chiều dày lớn hơn để thiết kế 102  4. Các loại cấu kiện lát mái bằng bê tông đúc sẵn: Cấu kiện lát mái đê bằng bê tông đúc sẵn th−ờng dùng đ−ợc thống kê trong bảng 4-4 Bảng 4-4: Cấu kiện kè bảo vệ mái đê Loại cấu kiện Hình dạng Cấu tạo bề mặt trực tiếp với sóng Ph−ơng thức liên kết Xem hình Tấm lát độc lập - Chữ nhật - Lục lăng - Chữ T - Trơn - Khuyết lõm - Mố lồi - Lỗ thoát n−ớc Ghép cạnh nhau 4-7 Tấm lát liên kết mảng - Chữ nhật - Lục lăng - Trơn - Mố lồi - Lỗ thoát n−ớc - Xâu cáp - Rãnh, hèm - âm d−ơng 4-8 Trọng l−ợng tấm bê tông đúc sẵn tính theo công thức 4-1, chiều dày các tấm bê tông đó tính theo công thức 4-3 và 4-4. Những tấm có hình lục lăng và hình chữ T đ−ợc dùng ở mái đê dốc hơn so với tấm có hình chữ nhật. Cách lát: Tấm lục lăng đặt góc nhọn theo chiều mái dốc nh− hình (4-7.e) và (4-7.f) thể hiện, tấm chữ nhật đặt mạch ghép so le. Kích th−ớc lỗ thoát n−ớc nhỏ hơn 0.8 đ−ờng kính đá lớp đệm, có thể dùng lỗ hình loe, d−ới nhỏ, trên to. 4. Lỗ thoát n−ớc và khe biến dạng: a) Đối với loại gia cố mái kín n−ớc nh− đá xây, bê tông đổ tại chỗ v.v… cần trừ lỗ thoát n−ớc ở phần mái ngập n−ớc. Lỗ thoát n−ớc bố trí theo hình hoa mai, đ−ờng kính lỗ (5- 10) cm, khoảng cách ngang dọc giữa các lỗ từ 2-3m. b) Khe biến dạng cho kết cấu mái loại kín n−ớc, bố trí cách nhau từ 15-20 m dọc theo h−ớng trục đê. 103  Hình 4-7: Một số bản bê tông đúc sẵn lát độc lập trên kè mái. a) Tấm chữ nhật có gờ nhỏ b) Tấm chữ nhật có khuyết lõm. c) Tấm chữ T d) Tấm chữ nhật có đục lỗ e) Tấm lục lăng có gờ nhỏ f) Tấm lục lăng có lỗ thoát n−ớc Hình 4-8: Một số cấu kiện bê tông đúc sẵn lắp ghép có cơ cấu tự chèn. a) Chèn lệch mặt phẳng b) Rãnh chèn c) Chèn bậc thang d) Chèn mặt e) Sâu cáp f) Móc mang g) Chèn lục lăng h) Ngàm 3 chiều TSc-178 104  ♣4-5. Thiết kế tầng đệm, tầng lọc. Trong công trình gia cố mái bờ biển, bờ sông, mái đê, giữa lớp bảo vệ mặt ngoài và đất nhất thiết phải bố trí một cơ cấu quá độ, vừa làm nhiệm vụ tầng đệm, vừa làm nhiệm vụ tầng lọc (tầng lọc ng−ợc) 1. Tầng lọc ng−ợc truyền thống: Tầng lọc ng−ợc truyền thống là loại tầng lọc đ−ợc cấu tạo bằng các lớp cát, sỏi, đá có cấp phối, có độ dày từng lớp, có tính thấm n−ớc đảm bảo yêu cầu bảo vệ đ−ợc đất thân đê, đất nền hoặc đất mái dốc bờ. Yêu cầu cấu tạo, yêu cầu tính toán cũng nh− các b−ớc thiết kế hiện nay tuân thủ theo quy phạm thiết kế tầng lọc ng−ợc công trình thủy lợi (QPTL-C5-75) Đ−ờng cong phân bố của các lớp lọc hạt phải gần song song với đ−ờng cong phân bố hạt của đất bờ. Trong tr−ờng hợp mái bờ gia cố bằng các tấm bê tông, lớp trên cùng của tầng lọc ng−ợc cần có d50> rD với rD là chiều rộng khe hở giữa các tấm bê tông. - Chiều dày mỗi lớp lọc δo đ−ợc xác định theo quan hệ: δo = 50.d15 (4-6) Hoặc lấy theo kinh nghiệm: