Tài liệu Nghiên cứu lựa chọn giải pháp và công nghệ thi công công trình bảo vệ bờ biển tỉnh bà rịa vũng tàu

MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………1 1. Tính cấp thiết của Đề tài .......................................................................................1 2. Mục đích của Đề tài...............................................................................................1 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................1 4. Kết quả dự kiến đạt được .....................................................................................2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN ...........................................................................................................................3 1.1 Sự hình thành sóng biển và tác động của nó đến công trình bảo vệ bờ biển. . .............................................................................................................3 1.1.1 Đặc trưng hình thành và sự phát triển của sóng biển ....................................3 1.1.2 Phân loại sóng biển ...........................................................................................6 1.1.3 Các thông số đặc trưng của sóng biển .............................................................8 1.2 Các công trình bảo vệ bờ biển............................................................................9 1.2.1 Công trình đê chắn cát giảm sóng bảo vệ bờ biển ...........................................9 1.2.2 Công trình kè bảo vệ bờ biển ..........................................................................11 1.2.2.1 Chức năng .....................................................................................................11 1.2.2.2 Kết cấu gia cố bờ ..........................................................................................11 1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở nước ta............................................11 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................11 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ta ....................................................................19 1.4 Kết luận chương 1 .............................................................................................22 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ THI CÔNG ĐÊ BIỂN............................................23 2.1 Mặt cắt kết cấu các công trình bảo vệ bờ biển thường sử dụng ở Việt Nam .. ...........................................................................................................23 2.1.1 Các tiêu chuẩn thiết kế đê biển.......................................................................23 2.1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế đê biển............................................................................23 2.1.1.2 Các tiêu chuẩn sử dụng trong thiết kế đê biển ở Việt Nam hiện nay ............25 2.1.2 Xác định các thông số, điều kiện thiết kế .......................................................26 2.1.2.1 Tài liệu địa hình ............................................................................................26 2.1.2.2 Tài liệu địa chất ............................................................................................27 2.1.2.3 Tài liệu khí tượng, thủy, hải văn ...................................................................28 2.1.2.4 Tài liệu dân sinh, kinh tế và môi trường .......................................................29 2.1.2.5 Cấp công trình của đê ...................................................................................29 2.1.3 Các bước thiết kế công trình bảo vệ bờ biển ..................................................29 2.1.3.1 Xác định cao trình đỉnh đê ............................................................................30 2.1.3.2 Phương pháp tính toán lưu lượng tràn .........................................................35 2.1.3.3 Đỉnh đê ..........................................................................................................39 2.1.3.4 Mái đê............................................................................................................42 2.1.3.5 Thân đê ..........................................................................................................43 2.1.4 Tính ổn định ...................................................................................................45 2.1.4.1 Nội dung tính toán .........................................................................................45 2.1.4.2 Tính toán ổn định chống trượt mái đê ..........................................................45 2.1.4.3 Tính toán ổn định đê biển dạng tường đứng .................................................47 2.1.5 Tính toán lún 51 2.1.6 Những hình thức bảo vệ bờ biển đã được ứng dụng ở Việt Nam ................53 2.1.6.1 Các hình thức kè bờ biển...............................................................................53 2.1.6.2 Các hình thức đê chắn sóng ..........................................................................57 2.2 Đặc điểm khi thi công đê biển .........................................................................59 2.2.1 Thi công ở nơi nước sâu .................................................................................59 2.2.2 Thi công xây dựng ở nơi sóng gió ..................................................................59 2.2.3 Thi công trong các điều kiện khác .................................................................60 2.3 Công nghệ thi công đê biển .............................................................................60 2.3.1 Công nghệ vật liệu dùng cho công trình bảo vệ bờ biển ...............................60 2.3.1.1 Thảm bê tông FS ...........................................................................................60 2.3.1.2 Thảm bê tông tự chèn lưới thép - thảm P.Đ.TAC-M .....................................61 2.3.1.3 Vải địa kỹ thuật .............................................................................................61 2.3.1.4 Cừ bản BTCT ứng suất trước ........................................................................61 2.3.1.5 Khối Tetrapod ...............................................................................................62 2.3.1.6 Công nghệ thi công thả thảm đá dưới nước..................................................62 2.3.1.7 Công nghệ thi công đóng cọc chiều dài lớn..................................................63 2.3.1.8 Xử lý chống xói lở bờ biển bằng công nghệ STABIPLAGE ..........................63 2.3.2 Đê chắn sóng: ..................................................................................................64 2.3.2.1 Đê chắn sóng mái nghiêng (đê dạng khối đổ) .............................................64 2.3.2.2 Đê chắn sóng tường đứng .............................................................................65 2.3.2.3 Đê chắn sóng có kết cấu đặc biệt khác nhau (đê kiểu phao, đê rỗng, đê thuỷ khí…) .........................................................................................................................66 2.4 Kết luận chương 2 .............................................................................................66 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ BIỂN TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU..............................................................................................................68 3.1 Các đặc điểm điều kiện tự nhiên của bờ biển Bà Rịa Vũng Tàu ..................68 3.1.1 Đặc điểm địa hình ...........................................................................................69 3.1.2 Đặc điểm địa mạo ............................................................................................72 3.1.2.1 Địa hình nguồn gốc núi lửa ..........................................................................72 3.1.2.2 Đặc điểm độ sâu đáy biển .............................................................................73 3.1.2.3 Đặc điểm địa mạo đáy biển ...........................................................................73 3.1.2.4 Đặc điểm sóng biển, các thông số sóng ........................................................76 3.2 Những chỉ tiêu thiết kế ......................................................................................76 3.2.1 Xác định tiêu chuẩn an toàn ..........................................................................76 3.2.2 Xác định cấp đê ...............................................................................................77 3.2.3 Thiết kế tuyến đê .............................................................................................78 3.3 Lựa chọn giải pháp hợp lý bảo vệ bờ biển Bà Rịa Vũng Tàu .......................79 3.4 Xác định mặt cắt đê biển Bà Rịa Vũng Tàu ...................................................80 3.4.1 Chọn tuyến đê ...................................................................................................80 3.4.2 Tính chọn kích thước cơ bản của mặt cắt ngang ĐCS mái nghiêng................81 3.4.2.1 Cao trình đỉnh đê ..........................................................................................81 3.4.2.2 Chiều rộng đỉnh đê ........................................................................................83 3.4.2.3 Chọn mái dốc m ............................................................................................83 3.4.2.4 Tính toán chọn loại khối phủ phù hợp với ĐCS............................................84 3.4.3 Tính toán ổn định trượt sâu ĐCS .....................................................................85 3.4.4 Tính toán ổn định trượt ngang ĐCS ................................................................88 3.5 Giải pháp thi công công trình đê biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu ......................91 3.5.1 Thi công khối dị hình tetrapod .........................................................................91 3.5.1.1 Yêu cầu vật liệu đầu vào ...............................................................................91 3.5.1.2 Thi công đúc các khối phá sóng ....................................................................92 3.5.2 Thi công đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực mũi Hồ Tràm .....................95 3.5.2.1 Thi công nạo vét đáy biển .............................................................................95 3.5.2.2 Thi công đá đổ lõi đê và lớp đệm đá .............................................................97 3.5.2.3 Thi công lớp lót đê ......................................................................................101 3.5.2.4 Thi công lớp phủ ngoài ...............................................................................102 3.5.3 Một số lưu ý trong quá trình thi công ..........................................................103 3.5.4 Tiến độ thi công .............................................................................................104 3.5.5 Các yêu cầu về bảo vệ môi trường, an toàn, phòng chống cháy nổ trong quá trình thi công .................................................................................................104 3.6 Kết luận chương III ........................................................................................105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................106 1. Kết luận ..............................................................................................................106 2. Tồn tại và kiến nghị...........................................................................................107 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Sơ đồ chuyển động của các hạt nước trong sóng đứng (a) và sóng tiến (b) và biến đổi của hình dạng sóng với thời gian ................................................... 7 Hình 1-2: Profin sóng và các yếu tố sóng. ............................................................ 8 Hình 1-3: Các giải pháp bảo vệ đê biển bằng công trình ngăn cát giảm sóng. ...... 10 Hình 1-4: Đê biển chịu sóng tràn và vùng đệm đa chức năng theo cách tiếp cận hệ thống của ComCoast.......................................................................................... 13 Hình 1-5: Quan điểm xây dựng đê biển lợi dụng tổng hợp và thân thiện với môi trường sinh thái của Hà Lan. ............................................................................. 15 Hình 1-6: Đê sông an toàn cao ở Nhật Bản: (a) Dạng mặt cắt ngang đê an toàn cao trước và sau khi xây dựng (Stalenberg, 2007) (b) Đê an toàn cao ở Edogawa – Tokyo, Nhật Bản. ............................................................................................... 16 Hình 1-7: Dải ngầm giảm sóng xa bờ. ................................................................ 18 Hình 2-1: Độ dốc quy đổi tính sóng leo. ............................................................ 31 Hình 2-2: Các thông số xác định cơ đê. ............................................................. 32 Hình 2-3: Xác định độ dốc mái đê quy đổi khi có tường đỉnh. .............................. 36 Hình 2-4: Mũi hắt sóng của tường đỉnh trên đê. .................................................. 37 Hình 2-5: Mặt cắt đê bảo vệ ba mặt.................................................................... 39 Hình 2-6 : Các dạng kết cấu tường đỉnh đê biển. ................................................ 41 Hình 2-7: Đá hộc lát khan không có tường đỉnh. ................................................. 53 Hình 2-8: Bê tông mảng mềm, đá lát khan phần trên, có tường đỉnh. ................... 54 Hình 2-9: Bê tông mảng mềm, tường đỉnh, thềm giảm sóng. ................................ 54 Hình 2-10: Mái kè đá lát khan trên đê đá............................................................ 54 Hình 2-11: Mái kè đá lát khan trên đê đất. ......................................................... 54 Hình 2-12: Mái kè tấm bê tông và đá hộc lát khan phần trên. .............................. 55 Hình 2-13: Mái kè tấm bê tông và đá hộc lát khan phần trên. .............................. 55 Hình 2-14: Mái kè bê tông kích thước lớn liên kết mềm và đá hộc lát khan trong khung xây phần trên.......................................................................................... 55 Hình 2-15: Mái kè tấm bê tông liên kết mềm và đá hộc lát khan trong khung xây phần trên. .......................................................................................................... 56 Hình 2-16: Kè bờ biển Nghĩa Phúc – Nam Định. ................................................ 56 Hình 2-17: Kè bờ biển Ninh Thuận. .................................................................... 57 Hình 2-18: Đê chắn sóng kết cấu mái nghiêng bằng đá tại Dung Quất. ............... 57 Hình 2-19: Đê chắn sóng bảo vệ bờ kết cấu bằng khối Tetrapod ........................ 58 tại đảo Cồn Cỏ. ................................................................................................. 58 Hình 2-20: Đê chắn sóng bảo vệ bờ kết cấu bằng khối Tetrapod ........................ 58 tại đảo Cô Tô. ................................................................................................... 58 Hình 2-21: Thảm bê tông FS. ............................................................................. 61 Hình 2-22: Thảm bê tông tự chèn lưới thép. ........................................................ 61 Hình 2-23: Cừ bản BTCT ứng suất trước. ........................................................... 62 Hình 2-24: Khối Tetrapod. ................................................................................. 62 Hình 2-25: Thi công thả thảm đá dưới nước. ...................................................... 63 Hình 2-26: STABIPLAGE. ................................................................................. 64 Hình 2-27: Đê chắn sóng mái nghiêng thông thường........................................... 65 Hình 2-28: Đê chắn sóng mái nghiêng dùng khối tetrapod bảo vệ mái. ................ 65 Hình 2-29: Đê chắn sóng tường đứng kết cấu thùng chìm.................................... 66 Hình 3-1: Bản đồ khu vực nghiên cứu................................................................. 69 Hình 3.2: Mặt bằng bố trí tuyến đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực ................. 81 mũi Hồ Tràm ..................................................................................................... 81 Hình 3.3: Mặt cắt điển hình ĐCS khu vực bãi biển Hồ Tràm .............................. 84 Hình 3-4: Phương pháp Janbu K=1.419 ............................................................. 86 Hình 3-5: Phương pháp Bishop K=1.491 ........................................................... 86 Hình 3-6: Phương pháp Janbu K=1.421 ............................................................. 87 Hình 3-7: Phương pháp Bishop K=1.527 ........................................................... 87 Hình 3.8: Sơ đồ tính áp lực sóng. ....................................................................... 89 Hình 3.9: Sơ đồ tính ổn định trượt ngang ........................................................... 91 3.5.1 Thi công khối dị hình tetrapod .........................................................................91 Hình 3-10: Một mảnh ván khuôn khối tetrapod .................................................. 93 Hình 3.11: Đổ bê tông vào khối bằng băng truyền. ............................................. 94 Hình 3.12: Vận chuyển các khối bằng cẩn cẩu và ô tô. ........................................ 95 3.5.2 Thi công đê chắn sóng bảo vệ bờ biển khu vực mũi Hồ Tràm .........................95 Hình 3-13: Phao thi công. ................................................................................. 96 Hình 3-14: Tầu hút xén thổi nạo vét đáy biển. ..................................................... 97 Hình 3-15: Xà lan mở đáy. ................................................................................ 99 Hình 3-16: Thiết bị định vị GPS trên xà lan. ....................................................... 99 Hình 3-17: Xà lan mở mạn. ............................................................................... 99 Hình 3-18: Ô tô vận chuyển đá. ....................................................................... 100 Hình 3-19: Chỉnh sử mái dốc bằng máy đào có hệ thống định vị GPS ................ 100 Hình 3-20: Vận chuyển đá bằng xà lan kết hợp với ô tô. ................................... 101 Hình 3-21: Cần cẩu phục vụ xếp đá. ................................................................ 102 Hình 3-22: Vận chuyển khối phá sóng bằng ô tô. ............................................. 102 Hình 3-23: Thi công lắp đặt khối phá sóng. ..................................................... 103 Hình 3-24: Thợ lặn thi công lắp ghép các khối phá sóng. ................................. 103 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng phân cấp đê biển theo chu kỳ lặp. ...................................................24 Bảng 2.2: Cấp công trình của đê biển. .....................................................................29 Bảng 2.3: Hệ số nhám trên mái dốc..........................................................................33 Bảng 2.4: Tiêu chuẩn sóng tràn (Eurotop, 2007). ....................................................37 Bảng2.5: Chiều rộng đỉnh đê theo cấp công trình. ...................................................39 Bảng 2.6: Hệ số an toàn ổn định chống lật (k) của đê thành đứng. .........................41 Bảng 2.7: Hệ số an toàn ổn định chống trượt (k) của công trình thành đứng. ........42 Bảng 2.8: Quy định độ nén chặt thân đê bằng đất. ..................................................44 Bảng 2.9: Hệ số an toàn ổn định chống trượt cho mái đê. .......................................46 Bảng2.10: Hệ số an toàn ổn định chống truợt trên nền phi nham thạch..................46 Bảng 2.11: Hệ số an toàn ổn định chống trượt trên nền nham thạch. .....................46 Bảng 2.12: Hệ số an toàn ổn định chống lật. ...........................................................47 Bảng 2.13: Hệ số ma sát. ..........................................................................................49 Bảng 2.14: Hệ số ảnh hưởng. ...................................................................................52 Bảng 3.1: Tiêu chuẩn an toàn. ..................................................................................76 Bảng 3.2: Tiêu chí phân cấp đê. ...............................................................................77 Bảng 3.3: Các thông số của khối Tetrapod. .............................................................85 Bảng 3.4: Các thông số của lớp phủ mái Tetrapod. ................................................85 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài Bờ biển nước ta có chiều dài hơn 3260km, hàng ngày đang chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố như sóng, gió, thủy triều… và trung bình có từ 6 đến 8 cơn bão đổ bộ vào bờ biển hàng năm. Đặc biệt năm 1978 và năm 1989 có tới 12 cơn bão đổ bộ vào, có nhiều cơn bão trên cấp 12, 13 gây thiệt hại rất lớn về người và kinh tế ở những vùng ven biển. Đê biển nước ta được xây dựng qua nhiều thời kỳ, chất lượng khác nhau, mức độ an toàn thấp, nhiều nơi còn phải gia cố sửa chữa hoặc xây dựng mới. Trong điều kiện biến đổi khí hậu, đặc biển với xu thế nước biển dâng, việc đảm bảo an toàn cho hệ thống đê biển là vấn đề cần đặc biệt quan tâm bởi vì hầu hết các khu dân cư, khu công nghiệp, khu kinh tế trọng điểm của Vùng, của đất nước đều nằm gần hoặc sát bờ biển. Đặc biệt tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu là một trong những vùng kinh tế sôi động, trọng điểm phát triển nhanh của nước ta. Vì vậy nếu để xảy ra một sự cố do thiên tai thì thiệt hại mà đất nước gánh chịu thật khó lường. Do vậy đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp và công nghệ thi công công trình bảo vệ bờ biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu” có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn. 2. Mục đích của Đề tài Nghiên cứu lựa chọn công trình bảo vệ bờ và giải pháp thi công đê biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. Phạm vi nghiên cứu: Vùng đê biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu * Cách tiếp cận. Thông qua các tài liệu thiết kế và tài liệu nghiên cứu liên quan đến vấn đề bảo vệ bờ biển để nắm được các giải pháp bảo vệ bờ biển. Nghiên cứu thông qua các công trình bảo vệ bờ biển đã được áp dụng xây dựng trong thực tế. * Phương pháp nghiên cứu. 2 - Phương pháp khảo sát đánh giá hiện trạng. - Phương pháp phân tích tổ hợp. - Phương pháp chuyên gia. - Phương pháp kế thừa kết hợp nghiên cứu và tài liệu đã công bố. 4. Kết quả dự kiến đạt được Đưa ra giải pháp hợp lý cho công trình bảo vệ bờ biển tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu để đảm bảo tính kinh tế của công trình và sự an toàn của công trình trước tác động của các yếu tố tự nhiên bất lợi. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN 1.1 Sự hình thành sóng biển và tác động của nó đến công trình bảo vệ bờ biển 1.1.1 Đặc trưng hình thành và sự phát triển của sóng biển Sóng biển là hiện tượng vật lý xảy ra ở lớp nước gần bề mặt biển. Sóng được hình thành do gió và những hiệu ứng địa chất, và có thể di chuyển hàng nghìn km trước khi đến đất liền. Sóng biến đổi từ những gợn sóng lăn tăn đến những cơn sóng thần cực lớn. Ngoài dao động thẳng đứng, các hạt nước trong sóng biển có một chút chuyển động theo phương ngang. Nguyên nhân chủ yếu cho sự hình thành của sóng là gió, có 3 yếu tố của gió ảnh hưởng đến sóng: - Tốc độ gió - Độ dài mặt mà trong đó nước chịu ảnh hưởng của gió - Thời gian nước bị gió thổi Tất cả những yếu tố trên góp phần tạo nên sóng với kích thước và hình dạng khác nhau. Giá trị của từng yếu tố càng lớn đều làm cho sóng lớn hơn. Sóng được đo bởi: Độ cao (từ đỉnh đến chỗ lõm) Bước sóng (khoảng cách giữa các đỉnh) Chu kì sóng (khoảng thời gian giữa các ngọn sóng liên tiếp ở một điểm cố định. Sóng biển có kích thước lớn, hình thành dưới tác dụng kéo dài của gió. Và tồn tại khá lâu sau khi gió kết thúc. Lực khôi phục sóng này là lực hấp dẫn. Ta thường nhìn thấy sóng biển vỡ tan thành bọt khi vào bờ. Đó là khi chân sóng không thể đỡ được ngọn sóng. Hiện tượng này xảy ra mỗi khi sóng đi vào vòng nước nông hơn, hoặc khi 2 ngọn sóng đâm vào nhau. 4 Khái niệm về sóng biển theo quan điểm vật lý thì sóng biển là sóng cơ học lan truyền giữa mặt phân cách của nước và không khí, lực khôi phục của dao động này là lực hấp dẫn. Khi gió thổi, áp suất và ma sát làm xáo động bề mặt. Trong trường hợp sóng biển, các hạt ở gần mặt nước chuyển động theo một đường tròn, do đó sóng này là sự kết hợp của sóng dọc và sóng ngang. Khi sóng lan truyền trong vùng nước nông (độ sâu nhỏ hơn nửa bước sóng), quỹ đạo của các hạt nước bị nén thành dạng elip. Khi biên độ sóng tăng lên, quỹ đạo của hạt nước không còn là đường kín nữa mà sau mỗi chu kì chúng bị dịch về phía trước một ít, hiện tượng này gọi là dịch chuyển Stokes. Đường kính quỹ đạo các hạt giảm khi độ sâu ngày càng tăng và ở độ sâu cỡ nửa bước sóng, quỹ đạo này co lại gần như một điểm. Vận tốc pha của sóng phụ thuộc vào bước sóng. Khi sóng đi vào vùng nước nông, do ma sát, phần nước càng thấp di chuyển càng chậm dẫn tới các lớp nước lướt trên nhau, sóng bị vỡ, với những con sóng lớn ta có thể thấy sóng đổ xuống rất đẹp. Ngoài những sóng thông thường trên, sóng thần là một con quái vật của tự nhiên, nó có thể cao đến 30 m. Sóng thần hình thành do động đất, những vụ nổ trong lòng đại dương hoặc một vụ va chạm với thiên thạch. Một cách định tính, có thể giải thích sự phát sinh sóng gió như sau. Khi gió bắt đầu thổi trên mặt nước yên tĩnh, những cuộn xoáy có mặt trong dòng gió sẽ tác động lên mặt nước dưới dạng các xung áp suất, làm xuất hiện các sóng lăn tăn (sóng mao dẫn) có thể nhìn thấy bằng mắt (gió khoảng 0,7 m/s có thể làm xuất hiện các sóng cao 3-4 mm, bước sóng 40-50 mm). Nếu gió tiếp tục tác động thì sẽ làm tăng biên độ sóng và sóng mao dẫn biến thành sóng trọng lực. Về cơ chế truyền năng lượng từ gió cho sóng, một số nhà nghiên cứu cho rằng ứng suất tiếp tuyến của gió đóng vai trò chủ yếu. Thí dụ, Makaveev đã xác định năng lượng mà sóng nhận từ gió bằng tích của ứng suất tiếp tuyến và vận tốc quỹ đạo của các hạt trong sóng dưới dạng biểu thức sau: M = Aρ ′w2δC Trong đó: (1.1) 5 M – Năng lượng sóng nhận từ gió (W/m2) A − hệ số xác định từ thực nghiệm; ρ ′ − mật độ không khí; w − vận tốc gió; δ= h / λ − độ dốc sóng; C − vận tốc pha của sóng. Những nhà nghiên cứu khác cho rằng có sự truyền năng lượng từ gió cho sóng là do có sự chênh lệch áp suất giữa sườn đón gió và sườn khuất gió của sóng. Thí dụ, Suleikin giải thích rằng các hạt nước trên sườn đón gió, khi chuyển động theo quỹ đạo, được tác động bằng một áp suất trùng với hướng chuyển động nên cường độ chuyển động được gia tăng, còn các hạt trên sườn khuất gió chuyển động trên đoạn đi lên của quỹ đạo, bị áp suất hãm lại. Nhờ tính chất bất đối xứng của áp suất trên profin sóng, nên sau một vòng quay theo quỹ đạo, hiệu số áp suất có giá trị dương, M = Ah(w − C )2 (1.2) trong đó: M – Năng lượng sóng nhận từ gió (W/m2) A − hệ số thực nghiệm. Về tổng quát, có thể cho rằng công suất mà gió truyền cho sóng gồm cả hai phần: M τ − năng lượng do ứng suất tiếp tuyến của gió M P − năng lượng do áp suất pháp tuyến của gió trên một đơn vị diện tích mặt nổi sóng. Được tiếp sức bởi những dòng năng lượng này, sóng xuất hiện trong gió sẽ phát triển, tăng cả độ cao và bước sóng của nó. Qua công thức (1.1) và (1.2) ta thấy gió là yếu tố cơ bản tạo nên đặc trưng của sóng biển; cho nên khi nghiên cứu các công trình bảo vệ bờ cần phải nghiên cứu hướng gió thổi, thời gian gió thổi và quá trình hình thành sóng biển cũng như đặc trưng của sóng biển tác động vào công trình. 6 1.1.2 Phân loại sóng biển Chế độ sóng, đặc trưng các yếu tố sóng, sự tác động của sóng lên bờ và những đối tượng khác phụ thuộc rất nhiều vào loại sóng. Theo lực gây nên sóng, người ta phân thành các loại sóng sau: Sóng gió được gây nên bởi gió và chịu tác động của gió; những sóng do gió gây nên nhưng còn duy trì được sau khi gió ngừng tác động hoặc đổi hướng được gọi là sóng lừng. Cũng gọi là sóng lừng khi mà sóng đi từ nơi chúng được gió gây nên tới vùng đang xét đang hoàn toàn lặng gió. Sóng áp xuất hiện do tác động của áp suất khí quyển hoặc gió làm mặt nước lệch khỏi vị trí cân bằng. Sóng txunami xuất hiện do các hiện tượng động đất, núi lửa dưới nước hoặc ven bờ. Sóng tàu gây bởi chuyển động của tàu. Sóng thủy triều biểu hiện ở sự dao động tuần hoàn của mực nước biển, gây bởi tác động của các lực tạo triều của Mặt Trăng và Mặt Trời. Theo đặc điểm tác động của lực sau khi xuất hiện sóng, người ta chia các sóng thành sóng cưỡng bức, nếu lực vẫn tiếp tục tác động lên sóng và sóng tự do, nếu lực ngừng tác dụng sau khi tạo sóng. Theo các lực kéo hạt nước trong sóng trở về vị trí cân bằng, người ta còn chia thành sóng mao dẫn và sóng trọng lực. Trong trường hợp sóng mao dẫn, lực phục hồi là sức căng mặt ngoài, trong trường hợp thứ hai là trọng lực. Theo biến động của các yếu tố sóng với thời gian, người ta chia ra thành sóng ổn định với các yếu tố sóng không biến đổi theo thời gian, sóng không ổn định là sóng đang phát triển, hoặc bắt đầu tắt dần, với các yếu tố biến đổi theo thời gian. 7 Theo sự dịch chuyển của dạng sóng, người ta chia ra sóng tiến có dạng dịch chuyển nhìn thấy được trong không gian và sóng đứng có dạng nhìn thấy không dịch chuyển trong không gian. Sóng đứng thể hiện dưới dạng dao động cực đại ở các điểm bụng và cực tiểu ở các điểm nút. Các hạt nước trong sóng dịch chuyển theo đường thẳng đứng ở các điểm bụng và theo đường nằm ngang ở các điểm nút. Ở khoảng cách giữa hai điểm đó các hạt nước dao động trên những mặt phẳng làm thành những góc khác nhau với mặt nằm ngang (hình 1-1.a). Trong sóng tiến, các hạt nước chuyển động theo những quỹ đạo gần giống đường tròn hoặc ellip kín. Dọc theo hướng truyền sóng, các hạt nước nằm trên cùng một mặt phẳng tham gia vào chuyển động không đồng thời. Trên hình 1-1.b thấy rằng nếu xung lực bắt đầu tác động từ phía trái, thì đầu tiên đi vào chuyển động là hạt nước 1, sau đó các hạt nước 2, 3, ..., mỗi hạt sau chậm so với hạt trước một pha (một góc quay). Vị trí các hạt vào thời điểm đầu được biểu diễn bằng đường cong liền. Hình 1-1: Sơ đồ chuyển động của các hạt nước trong sóng đứng (a) và sóng tiến (b) và biến đổi của hình dạng sóng với thời gian Như vậy là do chuyển động đều đặn của các hạt nước theo những quỹ đạo kín đã diễn ra sự di chuyển tịnh tiến của profin của sóng theo hướng tác động của lực, trong đó độ cao sóng tương ứng với đường kính của quỹ đạo. Bản thân các hạt nước, giống như các vật nổi trên sóng, trong khi chuyển động quay, không tham gia 8 vào dịch chuyển tịnh tiến mà dừng ở một chỗ. Khi nghiên cứu sóng biển người ta còn phân biệt sóng hai chiều (sóng phẳng) và sóng ba chiều. Trong sóng hai chiều, trên tuyến frôn sóng không có sự chênh lệch độ cao của mực, các ngọn sóng kéo dài mãi như những luống nước và truyền đi theo hướng truyền sóng. Trong sóng ba chiều, người ta quan trắc thấy có sự chênh lệch độ cao mực dọc theo fron sóng. Đối với loại sóng này, người ta đưa thêm khái niệm chiều dài ngọn sóng - độ kéo dài của ngọn sóng theo hướng fron của gió và độ cao sóng ba chiều là hiệu giữa mực cao nhất của đỉnh và mực thấp nhất của chân sóng. 1.1.3 Các thông số đặc trưng của sóng biển Dưới tác dụng của những lực khác nhau, trên mặt phân cách nước – không khí ở biển luôn luôn tồn tại các sóng. Nếu cắt mặt biển nổi sóng bằng một mặt phẳng thẳng đứng theo một hướng nào đó (thường theo hướng truyền sóng chính), thì giao tuyến của mặt biển với mặt phẳng đó có dạng đường cong phức tạp gồm nhiều sóng gọi là profin sóng (hình 1-2). Nếu quan trắc dao động của mặt biển tại một điểm cố định nào đó (ghi bằng máy ghi sóng), thì biến đổi của vị trí mặt nước theo thời gian cũng có hình dạng phức tạp. Trên profin sóng, mỗi một sóng bao gồm phần cao hơn mực sóng trung bình gọi là ngọn sóng và phần thấp hơn mực sóng trung bình gọi là đáy sóng. Điểm cao nhất của ngọn sóng là đỉnh sóng. Điểm thấp nhất của đáy sóng là chân sóng. Hình 1-2: Profin sóng và các yếu tố sóng. Mực sóng trung bình là đường thẳng cắt profin sóng sao cho diện tích tổng cộng phần trên và phần dưới của profin sóng bằng nhau. Độ cao sóng h là khoảng cách giữa đỉnh sóng và chân sóng xác định trên profin 9 sóng dọc hướng truyền của sóng. Bước sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng kế cận nhau trên profin sóng dọc theo hướng truyền của sóng. Chu kỳ sóng τ là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kế cận nhau đi qua một đường thẳng đứng cố định. Vận tốc truyền sóng hay vận tốc pha là vận tốc di chuyển ngọn sóng theo hướng truyền. Khái niệm về vận tốc truyền sóng chỉ áp dụng với sóng tiến. Ta có công thức: c= λ τ (1.3) c: Vận tốc truyền sóng. Tỷ số độ cao sóng và bước sóng h /λ gọi là độ dốc của sóng. Phần sóng từ chân sóng đến đỉnh sóng hướng về phía gió thổi tới tạo thành sườn đón gió của sóng, phần ngược lại từ đỉnh đến chân sóng khuất gió gọi là sườn khuất gió của sóng. Hướng truyền sóng trong biển được tính từ hướng bắc đến hướng chuyển động của sóng. Prôn sóng là đường nối các đỉnh sóng xác định trên nhiều profin sóng hướng theo hướng truyền chính của sóng. Tia sóng - đường thẳng vuông góc với frôn sóng tại điểm đang xét. 1.2 Các công trình bảo vệ bờ biển 1.2.1 Công trình đê chắn cát giảm sóng bảo vệ bờ biển Loại công trình giảm sóng ngăn cát, xây dựng trên vùng bãi trước mục tiêu bảo vệ. Thuộc loại này bao gồm các rừng cây ngập mặn, các hệ thống tường ngăn cát, giảm sóng (hình 1-3). - Các rừng cây ngập mặn chống sóng. Đây là một giải pháp bảo vệ bờ rất hữu hiệu, tạo ra hiệu quả tổng hợp về ngăn sóng và tăng khả năng lắng đọng phù 10 sa, hình thành các bãi bồi ven biển. Tuy nhiên nó chỉ thích hợp với những vùng gần cửa sông, có bãi thoải và nguồn phù sa tương đối dồi dào. Hình 1-3: Các giải pháp bảo vệ đê biển bằng công trình ngăn cát giảm sóng. - Đê mỏ hàn có chức năng ngăn chặn dòng bùn cát ven bờ, giữ bùn cát lại gây bồi cho vùng bãi đang bị xâm thực, điều chỉnh vùng bờ biển làm cho phương của dòng gần bờ thích ứng với phương truyền sóng, giảm nhỏ lượng bùn cát trôi, che chắn cho bờ khi bị sóng xiên góc truyền tới, tạo ra các vùng nước yên tĩnh làm cho bùn cát trôi bồi lắng lại, hướng dòng chảy ven bờ đi ra vùng xa bờ, giảm yếu dòng ven bờ. - Đê dọc đứt khúc xa bờ có chức năng sau: Che chắn sóng cho vùng sau đê, giảm yếu tố tác dụng của sóng vào vùng bờ bãi, chống xâm thực, thu gom bùn cát trôi để hình thành dải bồi tích giữa đê và bờ, từ đó làm giảm dòng ven. - Đê mỏ hàn dạng chữ T chữ Y: kết hợp cả hai loại trên để tăng hiệu quả cản sóng và bảo vệ bờ. 11 1.2.2 Công trình kè bảo vệ bờ biển 1.2.2.1 Chức năng Gia cố bờ dùng để năng cao khả năng chống xâm thực của bề mặt dưới tác dụng của môi trường bằng các vật liệu có khả năng chống xâm thực cao: đá, bê tông v.v... Đối với gia cố bờ biển thì nguyên nhân gây xâm thực mạnh nhất với bờ biển là sóng sau đó là dòng chảy. Các vật liệu gia cố phải chịu được tải trọng sóng, thường các vật liệu này chịu được tải trọng dòng chảy. 1.2.2.2 Kết cấu gia cố bờ Vật liệu gia cố bờ có thể được làm bằng đá đổ cấp phối, bêtông asphalt, các khối kỳ dị, tấm bê tông, bê tông mảng mềm. - Phần trên: là phần nối tiếp của phần gia cố có tác dụng bảo vệ bờ đất nằm ngoài phần lát mái. Kết cấu phần này đơn giản hơn phần lát mái do không chịu tải trọng chính của sóng và dòng chảy: Có thể trồng cỏ, các vật liệu không đắt tiền. Tuy nhiên để giảm cao trình bảo vệ phần trên có thể dùng tường đỉnh xây bằng đá hoặc bê tông, bê tông cốt thép; - Phần gia cố là phần chính bảo vệ bờ đất được làm bằng các vật liệu khác nhau để đảm bảo chống xâm thực cho bề mặt dưới tác dụng của sóng và dòng chảy; - Chân khay bảo vệ chân phần gia cố khỏi bị xói và bị trượt. 1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở nước ta 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Đê biển và các hạng mục công trình phụ trợ khác hình thành nên một hệ thống công trình phòng chống, bảo vệ vùng nội địa khỏi bị lũ lụt và thiên tai khác từ phía biển. Vì tính chất quan trọng của nó mà công tác nghiên cứu thiết kế, xây dựng đê biển ở trên thế giới, đặc biệt là ở các quốc gia có biển, đã có một lịch sử phát triển rất lâu đời. Tuy nhiên, tùy thuộc vào các điều kiện tự nhiên và trình độ phát triển của mỗi quốc gia mà các hệ thống đê biển đã được phát triển ở những mức độ khác nhau.