Thạc Sĩ Nghiên cứu các giải pháp tăng cường ổn định bảo vệ mái đê biển tràn nước

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN TRÀN NƯỚC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng
NĂM, 2012
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục đích nghiên cứu 2
3. Phạm vi nghiên cứu 2
4. Nội dung nghiên cứu .3
5. Phương pháp nghiên cứu .3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .4
7. Những đóng góp mới của luận án 4
8. Bố cục của luận án 5

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN GIẢI PHÁP BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN 7
1.1 Mở đầu .7
1.2 Tổng quan về giải pháp bảo vệ mái đê biển trên thế giới 7
1.2.1 Giải pháp bảo vệ mái đê phía biển 7
1.2.2 Giải pháp bảo vệ mái đê phía đồng 17
1.3 Tổng quan về giải pháp bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam .19
1.3.1 Một số hình thức kết cấu kè mái đê phía biển 19
1.3.2 Bảo vệ mái đê phía trong đồng 24
1.4 Một số vấn đề gây mất ổn định lớp bảo vệ mái đê biển thường gặp 24
1.4.1 Cơ chế phá huỷ đê khi sóng tràn 24
1.4.2 Một số tồn tại kỹ thuật của kè bảo vệ mái đê phía biển và mất ổn
định do xói mái đê trong đồng .27
1.4.3 Sự phá huỷ đê biển do sóng tràn 29
1.4.4 Hướng tiếp cận lựa chọn giải pháp công nghệ mới .30
1.5 Kết luận chương I 31

CHƯƠNG II . CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆMÁI ĐÊ 33
2.1 Đặc điểm của neo trong đất và nguyên tắc tính toán .33
2.1.1 Mục đích 33
2.1.2 Nguyên lý chống nhổ của thanh neo 33
2.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ của thanh neo 34
2.1.4 Các phương pháp xác định khả năng chịu lực kéo nhổ của neo .36
2.2 Nghiên cứu neo gia cố cho tấm lát mái đê biển .44
2.2.1 Đặt vấn đề 44
2.2.2 Bản chất kỹ thuật của giải pháp .45
2.3 Thiết lập biểu thức xác định sức chịu tải của neo xoắn sử dụng gia cố tấm lát mái đê biển 47
2.3.1 Những giả thiết và định lý dùng trong phương pháp phân tích giới hạn 48
2.3.2 Lập biểu thức xác định sức chịu nhổ giới hạn 52
2.4 Kết luận chương II .57

CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆMCÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆMÁI ĐÊ BIỂN. .59
3.1 Mở đầu .59
3.2 Thí nghiệm xác định khả năng neo giữ của neo xoắn 59
3.2.1 Nội dung thí nghiệm 59
3.2.2 Lập phương trình xác định Sêry thí nghiệm .60
3.2.3 Thiết kế neo xoắn 63
3.2.4 Thí nghiệm thử tải neo xoắn 65
3.2.5 Kiểm chứng biểu thức xác định sức chịu tải neo xoắn .74
3.2.6 Thí nghiệm mô hình vật lý để đánh giá mật độ bố trí neo gia cố 79
3.3 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia CONSOLID 85
3.3.1 Giới thiệu về sản phẩm phụ gia CONSOLID và mục đích nghiên cứu 85
3.3.2 Các thí nghiệm với đất á sét có phụ gia 85
3.3.3 Thí nghiệm với đất cát và á cát khi sử dụng phụ gia .98
3.3.4 Nhận xét về kết quả thí nghiệm đất gia cường .103
3.4 Nghiên cứu khả năng xói bề mặt của đất có phụ gia .103
3.4.1 Mục đích 103
3.4.2 Nội dung và kết quả thí nghiệm .104
3.4.3 Nhận xét kết quả thí nghiệm xói bề mặt 106
3.5 Kết luận chương III .106

CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH 109
4.1 Giới thiệu về công trình 109
4.2 Tài liệu dùng trong thiết kế .109
4.2.1 Tài liệu địa hình .109
4.2.2 Tài liệu địa chất .109
4.3 Giải pháp kỹ thuật nâng cấp đê .111
4.3.1 Các thông số cơ bản của đê biển Giao Thuỷ-Nam Định .111
4.3.2 Tăng cường ổn định bảo vệ mái đê phía biển theo tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển-2012 kết hợp neo gia cố tấm lát mái 111
4.3.3 Đề xuất tính toán gia cố mái đê kết hợp neo khi xét cân bằng áp lực đẩy ngược do sóng .113
4.3.4 Xử lý đất đắp vỏ bọc đê biển phía đồng bằng phụ gia CONSOLID115
4.4 Xây dựng phần mềm tính toán viên gia cố mái đê biển kết hợp neo .116
4.4.1 Mục đích .116
4.4.2 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình 116
4.4.3 Cấu trúc chương trình .116
4.5 Kết luận chương IV .121

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122
I. Kết luận 122
II Điều kiện áp dụng kết quả nghiên cứu 123
III Tồn tại 124
IV Kiến nghị 125
TÀI LIỆU THAMKHẢO 127

MỤC LỤC HÌNH VẼ
CHƯƠNG I
Hình 1.1:Gia cường mái đê biển ở Hà Lan 8
Hình 1.2: Cấu kiện bê tông lắp ghép .8
Hình 1.3: Một dạng cấu kiện gia cố đê biển Nhật Bản 9
Hình 1.4: Thiết bị thi công cấu kiện gia cố mái đê biển Hà Lan .9
Hình 1.5: Cấu kiện bê tông gia cố dạng cột .10
Hình 1.6:Kè đê biển đá xếp phủ nhựa đường .11
Hình 1.7: Thảm bê tông liên kết bằng dây cáp 12
Hình 1.8: Thảm bê tông được sử dụng làm kè đê biển Hà Lan .12
Hình 1.9: Thảm gia cường bằng hệ thống túi vải địa kỹ thuật .13
Hình 1.10: Mở rộng ứng dụng của túi địa kỹ thuật .14
Hình 1.11: Ống địa kỹ thuật trong xây dựng đê kè .14
Hình 1.12: Mở rộng ứng dụng của ống địa kỹ thuật 15
Hình 1.13: Ống địa kỹ thuật gia cường bảo vệ bờ ở Hà Lan .15
Hình 1.14: Một số biện pháp kỹ thuật gia cố mái đê 16
Hình 1.15: Vải địa kĩ thuật dùng gia cố lớp bảo vệ mái .16
Hình 1.16: Thảm cỏ chống xói mái đê 17
Hình 1.17: Sử dụng lưới sợi tổng hợp kết hợp trồng cỏ chống xói .18
Hình 1.18: Bể bê tông có bố trí ống tiêu nước 18
Hình 1.19: Bể bê tông có tính năng tiêu năng .19
Hình 1.20: Kè bảo vệmái bằng đá lát khan ở Hải Hậu-Nam Định .20
Hình 1.21: Kè đá xây liền khối ở Thái Bình 20
Hình 1.22: Kè lát mái bằng bê tông đổ tại chỗ 21
Hình 1.23: Kè bằng cấu kiện bê tông tấm nhỏ 22
Hình 1.24: Kè bằng cấu kiện bê tông khối lớn 22
Hình 1.25: Kè lát mái bằng cấu kiện TSC-178 .23
Hình 1.26: Kè bằng cấu kiện BT liên kết 2 chiều 23
Hình 1.27: Cơ chế phá huỷ đê khi sóng tràn .25
Hình 1.28: Lực tác dụng của sóng lên mái kè dạng tấm bê tông .25
Hình 1.29: Tấm lát mái đê biển bị lún sụt .28
Hình 1.30: Tấm lát mái đê biển bị bong tróc .28
Hình 1.31: Phá huỷ mái phía biển dẫn đến xói hỏng nền đê .28
Hình 1.32: Các viên gia cố không đủ trọng lượng .28
Hình 1.33:Mái đê biển phía đồng bị sóng tràn qua .29
Hình 1.34: Đê biển đắp bằng đất có hàm lượng cát cao bị xói hỏng .29
Hình 1.35: Viên gia cố bị đẩy ngược .29
Hình 1.36: Đê biển Hải Phòng được cứng hoá bề mặt-chống sóng tràn .30
Hình 1.37: Bão số 2-2005 mái hạ lưu bị phá huỷ toàn bộ do sóng tràn 30

CHƯƠNG II
Hình 2.1:Nguyên lý chịu lực của thanh neo .33
Hình 2.2: Các hình thức mũi neo giữ 35
Hình 2.3: (a) Neo đất có dạng mở rộng đáy hình trụ tròn. (b) Đáy mở rộng với
nhiều hình nón cụt .35
Hình 2.4: Cấu tạo mũi cọc xoắn 39
Hình 2.5: Sơ đồ bố trí neo cho tấm lát mái 45
Hình 2.6: Chi tiết các dạng neo gia cố .46
Hình 2.7: Chi tiết liên kết với tấm lát mái .47
Hình 2.8: Ứng dụng lý thuyết dẻo cho đất 48
Hình 2.9:Mô hình vật lý mô phỏng hướng chuyển vị khi đất bị cắt .49
Hình 2.10: Giả thiết mặt nón phá hoại của mũi neo xoắn .52
Hình 2.11: Kết quả thí nghiệm mô hình đất tương tự với (H/D) ≤ 5 ư 7 .55
Hình 2.12: Kết quả thí nghiệm mô hình đất tương tự với (H/D) = 8 .55

CHƯƠNG III
Hình 3.1: Các chi tiết của neo xoắn .64
Hình 3.2:Hai mũi neo điển hình trong thí nghiệm 64
Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm kéo neo 65
Hình 3.4: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo theo các độ sâu .68
Hình 3.5: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo NĐ10-Đất đê Giao Thuỷ .69
Hình 3.6: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo NĐ11-Đất đê Giao Thuỷ .70
Hình 3.7: Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn NĐ10 - Đất nền khu vực Đại học
Thuỷ lợi .72
Hình 3.8: Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn NĐ11 - Đất nền khu vực Đại học
Thuỷ lợi .73
Hình 3.9: Thiết bị và mô hình thí nghiệm .76
Hình 3.10: Sơ đồ bố trí thí nghiệm kéo mảng gia cố .80
Hình 3.11: Sơ đồ vị trí các viên gia cố tính từ điểm đặt tải (điểm 0) .81
Hình 3.12: Diễn biến mẫu sau 1 giờ ngâm nước .88
Hình 3.13: Diễn biến mẫu sau 20 ngày ngâm nước 89
Hình 3.14: Thiết bị nén một trục 90
Hình 3.15: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông tự do sau thời gian 6 ngày .91
Hình 3.16: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông 91
tự do sau thời gian 15 ngày .91
Hình 3.17: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông tự do sau thời gian 30 ngày 92
Hình 3.18: Thiết bị nén ba trục 94
Hình 3.19: Kết quả thí nghiệm mẫu 0% phụ gia 95
Hình 3.20: Kết quả thí nghiệm mẫu 2% phụ gia 95
Hình 3.22: Thí nghiệm rã chân mẫu đất cát có sử dụng phụ gia .98
Hình 3.23: Thí nghiệm đánh giá độ rã chân-sập mẫu 100
Hình 3.24: Các mẫu sau 15 phút đổ nước .100
Hình 3.25: Các mẫu sau 30 ngày ngâm nước 100
Hình 3.26: Một số hình ảnh thí nghiệm mẫu trong điều kiện ngập-khô-ngập .102
Hình 3.27: Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 104
Hình 3.28: Điều chỉnh lưu lượng chảy qua mô hình .105
Hình 3.29: Một số mặt cắt điển hình trong quá trình thí nghiệm 106
CHƯƠNG IV
Hình 4.1: Cấu trúc sơ đồ tính toán .117
Hình 4.2:Giao diện chương trình 118
Hình 4.3:Giao diện chương trình tính với lựa chọn 1 .118
Hình 4.4:Giao diện chương trình tính với lựa chọn 2 .119
MỤC LỤC BẢNG BIỂU
CHƯƠNG I
CHƯƠNG II
Bảng 2.1: Giá trị tham khảo cường độ chống cắt của đất [20] 37
Bảng 2.2: Cường độ chống cắt của đất [20] 37
Bảng 2.3: Hệ số điều kiện làm việc m .40
Bảng 2.4: Các hệ số A, B tính sức chịu tải kéo của cọc xoắn 41
Bảng 2.5: Các giá trị của M, N ứng với a = f và

CHƯƠNG III
Bảng 3.1: Các kích thước thực tế của hai neo xoắn .64
Bảng 3.2: Chỉ tiêu cơ lý của đất thí nghiệm 66
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của độ sâu cắm neo đến sức chịu tải 67
Bảng 3.4: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ10 (H/D=8) 69
Bảng 3.5: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ11 (H/D)=8 71
Bảng 3.6: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ10 (H/D=8) 72
Bảng 3.7: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ11 (H/D=8) 73
Bảng 3.8: Kết quả đo trực tiếp góc mở a trên hố đào cắt ngang nón phá hoại 75
Bảng 3.9: Các thông số tính toán và kết quả kiểm nghiệm .78
Bảng 3.10: Tổng hợp xác định sức chịu tải của neo xoắn (kN) .78
Bảng 3.11: Kết quả kéo mảngmô hình-Trường hợp không neo .81
Bảng 3.12: Kết quả kéo mảngmô hình-Trường hợp có neo 84
Bảng 3.13: Các chỉ tiêu của đất á sét .86
Bảng 3.14: Sức kháng nén không hạn hông của các mẫu -q (kN /m2 ) u 92
Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp của đất á sét 93
Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm cắt ba trục 96
Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả thí nghiệm với đất á cát 103
Bảng 3.18: Kết quả thí nghiệm xói tràn tại máng thí nghiệm 105
CHƯƠNG IV
Bảng 4.1: Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 110
Bảng 4.3: Các thông số thiết kế của mũi neo xoắn 113
Bảng 4.4: Khối lượng viên gia cố tính theo các phương pháp .114
Bảng 4.5: Sức chịu tải kéo của neo xoắn .115
Bảng 4.6: Kết quả tính toán bằng phần mềm NTM-01 .120

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển dài, có nhiều tỉnh, thành phố tiếp giáp với biển với dân số vùng ven biển khoảng 40 triệu người. Ven biển Việt Nam đã có hệ thống đê biển với các quy mô khác nhau được hình thành qua nhiều thế hệ. Hệ thống đê biển này là tài sản lớn của đất nước, nếu được tu bổ, nâng cấp thường xuyên thì hệ thống đê biển sẽ là cơ sở vững chắc, tạo đà phát triển kinh tế, phục vụ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Theo xu thế phát triển chung, hiện nay vùng ven biển nước ta là một vùng kinh tế trọng điểm năng động, ngày càng đóng góp vai trò quan trọng hơn trong nền kinh tế quốc dân và an ninh quốc phòng. Đê biển không chỉ còn chống bão,
ngăn mặn mà còn phải kết hợp đa mục tiêu như giao thông, du lịch. Các nước phát triển trên thế giới đã có nhiều đầu tư công nghệ, nhân lực, vật lực, chính sách pháp luật để cải tạo, nâng cấp đê biển. Tuy nhiên ở Việt Nam, phần lớn đê biển chỉ có thể đảm bảo an toàn với gió bão cấp 8, các dự án đê biển được sự hỗ trợ của dự án PAM, của dự án ADB cũng chỉ có thể chống với gió bão cấp 9 và mức nước triều 5%. Cũng theo báo cáo của Cục Quản lý đê điều và Phòng chống lụt bão[9], hiện trạng đê biển còn một số tồn tại chính là:
(1) Đất đắp đê chủ yếu là đất cát pha (á cát) có độ chua lớn (pHKCL=3,5-4,5) nên rất khó trồng cỏ chống xói vì vậy hầu hết mái đê phía
đồng chưa có biện pháp bảo vệ thoả đáng nên thường bị xói, sạt khi sóng leo vượt tràn đỉnh đê khi có bão hoặc do mưa lớn kéo dài dẫn đến nguy cơ vỡ đê rất cao [9].
(2) Phần lớn đê biển hiện có là đê trực diện với biển (350 km trên tổng số 484 km thống kê riêng cho đê biển Bắc Bộ) [9], một số đoạn đê trước đây có rừng chắn sóng nhưng đến nay rừng chắn sóng không còn dẫn đến đê trở thành trực diện với biển, nhiều nơi ở xa vùng cửa sông cũng không thể trồngcây chắn sóng vì vậy kè bảo vệ mái trở thành kết cấu quan trọng nhất để bảo vệ đê biển. Hiện tại, kè mái phía biển thường bị bong tróc, lún sụt dưới tác dụng của sóng, nếu không có giải pháp tăng cường ổn định kè bảo vệ mái sẽ có nguy cơ vỡ đê bất cứ lúc nào.
Do đó tăng cường ổn định kè mái phía biển và ổn định không xói mái đê phía đồng khi mưa lớn hoặc khi sóng tràn là các giải pháp cần thiết và cấp bách để nâng cao khả năng phòng chống thiên tai của hệ thống đê biển, tạo tiền đề thúc đẩy phát triển kinh tế, đảm bảo phát triển bền vững vùng ven biển.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là tìm ra được giải pháp khoa học, kinh tế, hiện đại nhưng phù hợp với điều kiện Việt Nam để tăng cường ổn định bảo vệ mái cho đê biển hiện có. Các mục đích cụ thể là:
- Nghiên cứu tăng thêm ổn định cho kết cấu bảo vệ mái đê phía biển kiểu bê tông lắp ghép hai chiều và ổn định không xói mái đê trong đồng của đê biển hiện có trong điều kiện tác động của sóng leo vượt tràn đỉnh đê.
- Nghiên cứu cơ sở khoa học cho giải pháp neo xoắn tăng cường ổn định mảng gia cố hiện tại bảo vệ mái đê phía biển mà không cần bóc bỏ, thay thế bằng cấu kiện mới.
- Nghiên cứu các đặc trưng vật lý, cơ học của đất có trộn phụ gia, làm rõ đặc tính, ưu nhược điểm, hàm lượng tối ưu của phụ gia khi dùng gia cường cho đất á cát để đắp đê nhưng đảm bảo điều kiện không xói khi nước tràn đê.
- Kết quả nghiên cứu được tính ứng dụng cho công trình thực tế.