Tài liệu Nghiên cứu đề xuất giải pháp đảm bảo ổn định chống sạt lở cho tuyến đường đê kè kết hợp tại xã quảng công, tỉnh thừa thiên huế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ----------------------------- HỒ NGỌC ANH TUẤN C C R L T. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH CHỐNG SẠT LỞ CHO TUYẾN ĐƯỜNG ĐÊ - KÈ KẾT HỢP TẠI XÃ QUẢNG CÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐÀ NẴNG - NĂM 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ----------------------------- HỒ NGỌC ANH TUẤN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH CHỐNG SẠT LỞ CHO TUYẾN ĐƯỜNG ĐÊ - KÈ KẾT HỢP TẠI XÃ QUẢNG CÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ C C R L T. DU Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Châu Trường Linh NCS. Nguyễn Thanh Quang ĐÀ NẴNG - NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Các số liệu và kết quả tính toán đưa ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả C C Hồ Ngọc Anh Tuấn DU R L T. MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Tóm tắt luận văn Danh mục các bảng Danh mục các hình MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề...............................................................................................................1 2. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................1 3. Mục tiêu nghiên cứu ..............................................................................................2 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.........................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu .............................2 6. Bố cục của luận văn ...............................................................................................2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG TUYẾN ĐƯỜNG - ĐÊ - KÈ KẾT HỢP......................................................................3 1.1. Nguyên lý làm việc và sự ổn định của nền đường - đê kết hợp ......................3 1.1.1. Nguyên lý làm việc của đê biển....................................................................3 1.1.2. Nguyên lý làm việc của đường.....................................................................3 1.1.3. Nguyên lý làm việc của Đường - Đê kết hợp...............................................4 1.2. Một số vấn đề gây mất ổn định đê biển thường gặp .......................................5 1.3. Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định tuyến đường - đê - kè kết hợp ..................6 1.3.1. Lý thuyết tính toán ổn định..........................................................................6 a. Lý thuyết phân tính ổn định mái dốc theo LEM ..............................................6 b. Lý thuyết tính ổn định mái dốc theo FEM .......................................................8 1.3.2. Trường hợp tính toán áp dụng cho tính ổn định đường - đê - kè kết hợp.8 a. Trường hợp bình thường (tổ hợp tải trọng cơ bản).........................................8 b. Trường hợp bất thường (tổ hợp tải trọng đặc biệt).........................................8 c. Đê ở vùng mưa nhiều (lượng mưa trung bình năm từ 2000mm trở lên) .........8 1.3.3. Phần mềm ứng dụng ....................................................................................9 1.3.4. Một số tiêu chuẩn áp dụng khi tính toán ..................................................10 a. Thiết kế công trình đê - kè .............................................................................10 b. Thiết kế công trình giao thông.......................................................................10 1.4. Các biện pháp gia cường ổn định đê biển ......................................................10 1.4.1. Biện pháp gia cường ổn định mái đê phía biển ........................................10 a. Đá lát khan, mảng bê tông, cấu kiện bê tông lắp ghép tự chèn ....................11 b. Gia cố mái đê bằng nhựa đường (Bituminous Revetments)..........................13 c. Thảm bê tông .................................................................................................13 C C DU R L T. d. Thảm đá, rọ đá ..............................................................................................14 e. Công nghệ sử dụng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp ........................................14 1.4.2. Biện pháp gia cường ổn định chân kè đê biển..........................................15 1.4.3. Biện pháp công trình bảo vệ bờ biển từ bãi biển ......................................17 Kết luận chương 1........................................................................................................19 Chương 2: ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG ĐƯỜNG BỜ XÃ QUẢNG CÔNG VÀ XU HƯỚNG XÓI LỞ ........................................................................................................20 2.1. Giới thiệu tổng quan về công trình tuyến đường- đê - kè kết hợp tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế .......................................................................20 2.1.1. Điều kiện tự nhiên ......................................................................................20 a. Vị trí địa lý.....................................................................................................20 b. Điều kiện địa hình .........................................................................................20 c. Điều kiện địa chất ..........................................................................................21 d. Đặc điểm khí tượng, thủy văn........................................................................21 2.1.2. Tình hình kinh tế xã hội ............................................................................26 a. Tình hình dân sinh kinh tế khu vực dự án .....................................................26 b. Các ngành nghề sản xuất, cơ sở hạ tầng.......................................................26 2.2. Khảo sát đánh giá hiện trạng đường bờ tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế .................................................................................................................27 C C DU R L T. 2.2.1. Đánh giá chung hình sạt lở khu vực nghiên cứu.....................................27 2.2.2. Đánh giá diễn biến xói bồi và xác định nguyên nhân sạt lở bờ biển và hư hỏng kè biển xã Quảng Công...............................................................................28 a.Diễn biến xói bồi khu vực nghiên cứu.........................................................28 b. Phân tích nguyên nhân xói lỡ bờ biển ...........................................................30 2.3. Thống kê các hình thái mất ổn định và đề xuất mặt cắt ngang tính toán...34 2.3.1. Thống kê các hình thái mất ổn định..........................................................34 a. Xói chân bãi phía biển...................................................................................34 b. Mất ổn định mái phía biển.............................................................................35 c. Mất ổn định do phá hủy nhỏ ..........................................................................35 2.3.2. Phân tích đánh giá hiện trạng bằng mô hình số ......................................36 a. Số liệu mô hình ..............................................................................................36 b. Kết quả tính toán ...........................................................................................39 2.4. Sự cần thiết phải xử lý ổn định, bền vững hóa tuyến đê...............................44 Kết luận chương 2........................................................................................................45 Chương 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG TUYẾN ĐƯỜNG - ĐÊ - KÈ KẾT HỢP TẠI XÃ QUẢNG CÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ.................................................................................................................46 3.1. Đề xuất các giải pháp thiết kế ổn định công trình .........................................46 3.1.1. Xây dựng các phương án ...........................................................................46 a.Giải pháp về tổ chức quản lý khai thác.........................................................46 b. Giải pháp kỹ thuật .........................................................................................47 3.1.2. Phân tích các giải pháp đưa ra ..................................................................48 a. Ứng dụng vật liệu mới trong các giải pháp đưa ra.......................................48 b. Cơ sở phân tích ưu nhược điểm của từng phương án ...................................50 3.2. Tính toán ổn định trượt theo giải pháp đề xuất ............................................51 3.2.1. Mục đích .....................................................................................................51 3.2.2. Lựa chọn mặt cắt ngang kiểm tra..............................................................52 3.2.3. Trường hợp tính toán .................................................................................56 3.2.4. Thông số mô hình tính toán.......................................................................56 a. Thông số vật liệu ...........................................................................................56 b. Thông số mực nước tính toán ........................................................................57 c. Thông số tải trọng xe .....................................................................................58 3.2.5. Kết quả tính toán giải pháp 1.....................................................................58 a. Kết quả tính toán ổn định mái kè ..................................................................58 b. Kết quá tính toán mô men lớn nhất trong cọc BTCT chân kè .......................60 c. Kết quá tính toán chuyển vị ngang lớn nhất của cọc BTCT chân kè ............62 d. Kết quá tính toán độ lún nền đường ..............................................................63 3.2.6. Kết quả tính toán giải pháp 2.....................................................................65 a. Kết quả tính toán ổn định mái kè ..................................................................65 b. Kết quá tính toán độ lún nền đường ..............................................................67 3.3. Phân tích lựa chọn giải pháp ...........................................................................68 3.3.1. Yêu cầu kỹ thuật .........................................................................................68 3.3.2. Yêu cầu kinh tế ...........................................................................................69 Kết luận chương 3........................................................................................................70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................................71 1. Kết luận ................................................................................................................71 2. Kiến nghị ..............................................................................................................72 3. Hạn chế của đề tài................................................................................................72 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................74 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ C C DU R L T. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH CHỐNG SẠT LỞ CHO TUYẾN ĐƯỜNG - ĐÊ - KÈ KẾT HỢP TẠI XÃ QUẢNG CÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Học viên : Hồ Ngọc Anh Tuấn Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 85.80.205 Khóa K36 – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Do chịu tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng của nước biển dâng, tình hình bão và áp thấp nhiệt đới diễn biến bất thường đã làm vị trí tại Quảng Công, Quảng Ngạn huyện Quảng Điền xói lở bờ biển trong thời gian gần đây. Nội dung luận văn đã khảo sát đánh giá hiện trạng đường bờ gồm: đánh giá tình hình chung, diễn biến xói bồi và xác định nguyên nhân, thống kê các hình thái mất ổn định kết hợp với phân tích trên mô hình số bằng phần mềm Plaxis. Từ sự cấp thiết phải xử lý ổn định, bền vững hóa tuyến đê, nội dung luận văn đã đề xuất giải pháp gia cường ổn định tuyến đường – đê – kè kết hợp gồm: gia cố ổn định chân đê, gia cố ổn định mái đê và ổn định tuyến đường đê. Thông qua kết quả tính toán ổn định giải pháp đưa ra với hai nhóm giải pháp gồm sử dụng cừ ván BTCT dự ứng lực và ống buy BTĐS, đồng thời phân tích yếu tố kinh tế – kỹ thuật, luận văn đề xuất sử dụng cừ ván SW300 có L = 7m làm giải pháp gia cường ổn định chân đê. Từ khóa: Quảng Công; xói lỡ bờ biển; Plaxis; ổn định; đường – đê – kè kết hợp; cừ ván BTCT dự ứng lực. C C R L T. STREET ROAD -DUE - COMBINATION IN QUANG CONG COMMUNE, THUA THIEN HUE PROVINCE DU Abstract: Due to the impact of global climate change, the influence of sea level rise, typhoon situation and tropical low pressure has caused the system of sea embankment Quang Cong commune, Thua Thien Hue province coastal erosion in recently. Thesis survey showing assessment of the status of the coastlineinclude: general situation assessment, erosion performance and identification of causes, statistics of destabilizing forms combined with analysis numerical model using Plaxis software. From the treatment of stable processing, sustainable dike road, contents thesis proposed solution stability reinforced road - dike embankment combination include: stability of dike foundation; stability of dike slopes against sliding and stability of dike road. Through the results of a stable calculation of solutions launched with two groups of solutions comprising the use of prestressed concrete sheet piles or concrete cylinder piles. While analyzing economic – technical factors, thesis suggested using SW300 piles with L = 7m as solution stability reinforced of dike foundation. Keywords: Quang Cong commune; coastal erosion; Plaxis software; stability; dyke road; prestressed concrete sheet piles. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 Tên bảng Trang Hệ số an toàn ổn định mái đê (kè) 9 Vận tốc gió tại trạm Huế (TCVN 4088:1985) 22 22 Vận tốc gió tại trạm Cồn Cỏ (từ năm 1976 ÷ 2000) Các cơn bão đổ bộ, ảnh hưởng đến khu vực dự án (1952-2009) 22 Mực nước trạm hải văn Cồn Cỏ từ năm 2005 đến 2007 24 Các giá trị mực nước tính toán khu vực nghiên cứu 25 Áp lực sóng lên mái bờ và vận tốc dòng rút do sóng trên mái bờ 31 Bảng chỉ tiêu cơ lý cơ bản lớp đất nền 36 Xây dựng các phương án xử lý ổn định chân đê chống tác động 47 sóng Bảng chỉ tiêu cơ lý cơ bản lớp đất nền - Lớp cát hạt trung 57 Thông số cơ bản của cừ ván BTCT và tường đỉnh kè 57 Thông số cơ bản của ống buy BTĐS 57 Thông số vải địa kỹ thuật 57 Hệ số ổn định SF đối với MCN1 theo giải pháp 1 59 Hệ số ổn định SF đối với MCN2 theo giải pháp 1 60 Mô men lớn nhất trong cọc BTCT chân kè đối với MCN1 theo 61 giải pháp 1 Mô men lớn nhất trong cọc BTCT chân kè đối với MCN2theo 61 giải pháp 1 Chuyển vị ngang lớn nhất trên cọc BTCT chân kè đối với MCN1 62 theo giải pháp 1 Chuyển vị ngang lớn nhất trên cọc BTCT chân kè đối với MCN2 63 theo giải pháp 1 Độ lún nền đường với MCN1 theo giải pháp 1 64 Độ lún nền đường với MCN2 theo giải pháp 1 65 Hệ số ổn định SF đối với MCN1 theo giải pháp 2 66 Hệ số ổn định SF đối với MCN2 theo giải pháp 2 67 Độ lún nền đường với MCN1 theo giải pháp 2 67 Độ lún nền đường với MCN2 theo giải pháp 2 68 Dự toán sơ bộ theo giải pháp 1 69 C C DU R L T. DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Tên bảng Trang Sơ đồ mô tả trạng thái ứng suất của nền - mặt đường dưới tác 4 dụng của tải trọng bánh xe Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu áo đường mềm và kết cấu nền4 áo đường Sơ đồ tổng quát các thành phần kết cấu của mặt cắt thiết kế đê 5 biển Các loại hình mất ổn định đê biển ở Việt Nam 5 Lực tác dụng lên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt 7 tròn Các hình thức kè bảo vệ bờ và mái đê 10 Gia cường mái đê biển bằng đá lát khan - bê tông lắp ghép 11 Cấu kiện bê tông lắp ghép 11 Một dạng cấu kiện gia cố đê biển bằng cấu kiện bê tông 12 Thiết bị thi công cấu kiện gia cố mái đê biển Hà Lan 12 Cấu kiện bê tông gia cố dạng cột 12 Kè đê biển bảo vệ mái bởi đá xếp phủ nhựa đường 13 Thảm bê tông liên kết bằng dây cáp 13 Thảm bê tông được sử dụng làm kè đê biển 14 Kè bảo vệ mái bằng thảm và rọ đá 14 Một số biện pháp kỹ thuật gia cố mái đê 15 Vải địa kĩ thuật dùng gia cố lớp bảo vệ mái 15 Một số dạng chân kè được xây dựng ở nước ta 16 Kè mỏ hàn ở Nghĩa Hưng Nam Định 18 Hệ thống đê giảm sóng ở bờ biển Nhật Bản 18 Trồng cây chắn sóng ở Cà Mau 18 Nuôi bãi nhân tạo để tạo bờ biển 19 Vị trí tuyến kè Quảng Công 20 Hệ thống đầm phá Tam Giang - Cầu Hai thông với biển qua qua 28 hai cửa Thuận An và Tư Hiền Sự biến động hai cửa Thuận An và Tư Hiền theo thời gian 30 Sóng lớn đánh sát đường bờ tại xã Quảng Công 31 Phân bố chế độ sóng các tháng từ tháng 1 đến 12 của 10 năm 32 (1997÷2006) Đụn cát rất dốc phía trước mặt biển 33 C C DU R L T. 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 3.1 3.2 3.3 3.4 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 Con đường chủ đạo bờ biển bị thiệt hại do các đợt bão lớn Ketsana (29/9/2009) và Mirinae (02/11/2009) Hiện trạng bờ biền tại Km0+150 năm 2018 Hiện trạng bờ biền tại Km0+500 năm 2018 Hiện trạng mái biển tại Km0+850 năm 2018 Hiện trạng mái biển tại Km1+200 năm 2018 Đường giao thông bị sạt lở tại Km1+350 năm 2018 Đường giao thông bị sạt lở tại Km1+500 năm 2018 Mặt cắt ngang hiện trạng đầu tuyến (MCN1) (thực tế) Mặt cắt ngang hiện trạng đầu tuyến (MCN1) Mặt cắt ngang hiện trạng cuối tuyến (MCN2) (thực tế) Mặt cắt ngang hiện trạng cuối tuyến (MCN2) Mặt trượt nguy hiểm tính toán bằng Plaxis theo MCN đoạn đầu tuyến Hệ số ổn định tính toán bằng Plaxis theo MCN đoạn đầu tuyến (K=1,156) Mặt trượt nguy hiểm tính toán (có xét đến xói chân) bằng Plaxis theo MCN đoạn đầu tuyến Hệ số ổn định tính toán (có xét đến xói chân) bằng Plaxis theo MCN đoạn đầu tuyến (K=0.996) Mặt trượt nguy hiểm tính toán bằng Plaxis theo MCN đoạn cuối tuyến Hệ số ổn định tính toán bằng Plaxis theo MCN đoạn cuối tuyến (K=1.165) Mặt trượt nguy hiểm tính toán (có xét đến xói chân) bằng Plaxis theo MCN đoạn cuối tuyến Hệ số ổn định tính toán (có xét đến xói chân) bằng Plaxis theo MCN đoạn cuối tuyến (K=1.001) Đê biển Cát Hải - Hải Phỏng được kiên cố hóa bằng tấm đan Hohl-quader Cấu kiện Hohlquader kết hợp đá hộc đổ rối ở chân đê Trải vải địa kỹ thụât là tầng lọc mái kè Vải địa kỹ thuật kết hợp cấu kiện lát mái BTĐS ở mái đê Cừ ván BTCT sử dụng cho giải pháp 1 Mô hình MCN1 mô phỏng trên Plaxis theo giải pháp 1 MCN1 thiết kế theo giải pháp 2 Ống buy BTĐS sử dụng cho giải pháp 2 Mô hình MCN1 mô phỏng trên Plaxis theo giải pháp 2 C C DU R L T. 33 34 34 35 35 36 36 37 38 38 39 40 40 41 41 42 42 43 43 48 49 49 50 53 53 53 54 54 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 Mặt cắt ngang hiện trạng cuối tuyến (MCN2) MCN2 thiết kế theo giải pháp 1 Mô hình MCN2 mô phỏng trên Plaxis theo giải pháp 1 MCN2 thiết kế theo giải pháp 2 Mô hình MCN2 mô phỏng trên Plaxis theo giải pháp 2 Kết quả chuyển vị tổng thể MCN1 theo giải pháp 1 xét chiều dài cọc L = 7m Kết quả chuyển vị tổng thể MCN2 theo giải pháp 1 xét chiều dài cọc L = 7m Kết quả mô men lớn nhất trong cọc BTCT chân kè MCN1 theo giải pháp 1 xét chiều dài cọc L = 7m Kết quả mô men lớn nhất trong cọc BTCT chân kè MCN2 theo giải pháp 1 xét chiều dài cọc L = 7m Kết quả chuyển vị ngang lớn nhất trong cọc BTCT chân kè MCN1 theo giải pháp 1 xét chiều dài cọc L = 7m Kết quả chuyển vị ngang lớn nhất trong cọc BTCT chân kè MCN2 theo giải pháp 1 xét chiều dài cọc L = 7m Kết quả độ lún nền đường MCN1 theo giải pháp 1 xét chiều dài cọc L = 7m Kết quả độ lún nền đường MCN2 theo giải pháp 1 xét chiều dài cọc L=7m Kết quả chuyển vị tổng thể MCN1 theo giải pháp 1 xét chiều dài ống buy L = 2,5m Kết quả chuyển vị tổng thể MCN2 theo giải pháp 1 xét chiều dài ống buy L = 2,5m Kết quả độ lún nền đường MCN1 theo giải pháp 2 xét chiều dài Kết quả độ lún nền đường MCN2 theo giải pháp 2 xét chiều dài C C DU R L T. 54 55 55 55 56 58 59 60 61 62 63 64 64 65 66 67 68 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Thừa Thiên Huế có đường bờ biển dài 127km, trong đó, riêng dải cồn cát ven biển nằm xem giữa đồng bằng duyên hải hoặc đầm phá bên trong và biển Đông ở bên ngoài kéo dài từ xã Điền Hương, huyện Phong Điền đến tận chân đèo Hải Vân có chiều dài 90 km được xem như tuyến đê biển trực tiếp. Do chịu tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng của nước biển dâng, tình hình bão và áp thấp nhiệt đới diễn biến bất thường đã làm bờ biển Thừa Thiên Huế thường xuyên bị sạt lở, xâm thực nghiêm trọng. Hiện nay, có hơn 10km bờ biển bị sạt lở tập trung các khu vực như: Phong Hải - huyện Phong Điền; Quảng Công, Quảng Ngạn - huyện Quảng Điền; Thị trấn Thuận An, Phú Thuận, Phú Hải, Phú Diên, Vinh Thanh - huyện Phú Vang; Vinh Hải và Vinh Hiền - huyện Phú Lộc. Tốc độ xói lở trung bình mỗi năm từ 5÷10m. Đặc biệt, tại vị trí đường bờ biển tại Quảng Công, Quảng Ngạn - huyện Quảng Điền đã bị thiệt hại do các đợt bão lớn gần đây. Nguyên nhân thiệt hại không chỉ do ăn mòn của sóng mà còn do dòng chảy mặt nước lớn theo đường phía trên những đụn cát. Kết quả là khe hở bảo vệ trong bãi biển được tạo ra, nó cho phép tương lai các đợt sóng biển tiếp tục xói mòn tương lai. Điều đó sẽ gây nguy hiển đến các hộ dân cũng như cơ sở hạ tầng, kinh tế - xã hội bao gồm tuyến đường chủ đạo chạy dọc khu vực ven biển huyện Quảng Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế. Tuyến đường - đê - kè kết hợp tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế là tuyến đường bộ kết hợp đường đê ven biển nhằm khai thác, sử dụng có hiệu quả tài nguyên biển và vùng ven biển, phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của địa phương, tăng cường củng cố quốc phòng, an ninh nhằm bảo vệ vững chắc chủ quyền của tỉnh Thừa Thiên Huế nói riêng và của đất nước nói chung. Tuyến đường đê được hình thành trên cơ sở tận dụng tối đa các tuyến đường hiện có kết hợp với việc đầu tư xây dựng mới, kết nối thuận lợi với mạng lưới giao thông và phù hợp với các quy hoạch của tỉnh;Tuyến đường đê có thể kết hợp với hệ thống đê biển và hệ thống đường phòng thủ ven biển nhằm tạo thuận lợi trong xử lý các tình huống ứng phó với thiên tai và tăng cường củng cố quốc phòng, an ninh khu vực. Chính vì vậy việc đưa ra giải pháp đảm bảo ổn định chống sạt lở cho tuyến đường đê - kè kết hợp tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế là một vấn đề cần thiết và cấp bách để ứng dụng các giải pháp xử lý ổn định bền vững một cách hiệu quả. 2. Đối tượng nghiên cứu - Phân tích các nguyên nhân gây mất ổn định và đánh giá hiện trạng ổn định tuyến đường - đê - kè kết hợp tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế thời điểm hiện tại. - Đề xuất giải pháp ổn định chống sạt lở cho tuyến đường - đê - kè kết hợp tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế. C C DU R L T. 2 3. Mục tiêu nghiên cứu 3.1. Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu đề xuất giải pháp đảm bảo ổn định chống sạt lở cho tuyến đường - đê - kè kết hợp tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế nhằm tiết kiệm về mặt kinh tế và nâng cao chất lượng về mặt kỹ thuật đảm bảo mái đê làm việc ổn định, lâu dài và bền vững. 3.2. Mục tiêu cụ thể - Xác định được các nguyên nhân gây mất ổn định tuyến đường - đê - kè kết hợp; đánh giá ổn định của đê hiện trạng ở khu vực nghiên cứu; - Đề xuất giải pháp ổn định chống sạt lở cho tuyến đường - đê - kè kết hợp (bề mặt, thân đê) tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Thu thập và tổng hợp các tài liệu đã có trong khu vực nghiên cứu: như điều kiện về địa hình, địa mạo, thủy văn và địa tầng, tính chất vật lý cơ học của các tầng đất đá dưới nền và thân công trình khu vực nghiên cứu. Trên cơ sở đó đánh giá sơ bộ về điều kiện làm việc của công trình cũng như dự đoán các sự cố có thể xảy ra về mùa mưa lũ. - Phương pháp mô hình hóa: Mô hình hóa công trình với các điều kiện biên khác nhau bằng các phần mềm địa kỹ thuật như: Geoslope, Plaxıs, ... - Tính toán ứng suất - biến dạng, ổn định thấm, ổn định trượt của công trình. - Đề xuất và lựa chọn giải pháp xử lý công trình hữu hiệu cho đối tượng nghiên cứu là tuyến đường - đê - kè kết hợp tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế. 5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu - Chống sạt lở bờ biển đảm bảo an toàn khu dân cư với tổng số 494 hộ dân của các thôn Hải Thành, Tân Thành và An Lộc xã Quảng Công, huyện Quảng Điền. - Ổn định đường bờ trên cơ sở đường bờ hiện tại, góp phần ổn định lâu dài vùng đầm phá Tam Giang. - Từng bước góp phần hình thành hệ thống công trình chống sạt lở bờ biển từ huyện Phong Điền đến huyện Phú Lộc. - Làm cơ sở tham khảo cho các đơn vị quản lý, khảo sát thiết kế trong giai đoạn xử lý sau này. 6. Bố cục của luận văn Bố cục của luận văn bao gồm các chương như sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về ổn định các biện pháp gia cường tuyến đường - đê - kè kết hợp Chương 2: Đánh giá hiện trạng đường bờ xã Quảng Công và xu hướng xói lở Chương 3: Đề xuất giải pháp thiết kế ổn định bền vững tuyến đường – đê – kè kết hợp tại xã Quảng Công, tỉnh Thừa Thiên Huế Kết Luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục C C DU R L T. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG TUYẾN ĐƯỜNG - ĐÊ - KÈ KẾT HỢP 1.1. Nguyên lý làm việc và sự ổn định của nền đường - đê kết hợp 1.1.1. Nguyên lý làm việc của đê biển Theo nguyên lý làm việc của đê hay còn gọi là đê điều là một lũy đất nhân tạo hay tự nhiên kéo dài dọc theo các bờ sông hoặc bờ biển hoặc các loại đê nhân tạo tạm thời để ngăn nước ngập một khu vực cụ thể [1]. Đặc điểm công trình đê thủy lợi: Cao trình mặt đê thường từ +4m đến +5m, vật liệu đắp thân đê thường là đất thịt, đất cát pha, đất phù sa…Hàm lượng bùn cát càng tăng khi tuyến đê càng xa cửa sông. Về mặt tác động, nó chịu các yếu tố tự nhiên của động lực biển như sóng, bão, thuỷ triều, hải lưu, nước dâng, chuyển động của bùn cát ven bờ, nước ngầm, động đất - sóng thần Nguyên lý làm việc của đê chịu sự tác động của thủy tĩnh khi có sự chênh lệch về mực nước từ hai phía và chịu sự tĩnh tải đất đắp thân đê, vật liệu sử dụng đắp thân và mái đê phải chống thấm, hệ số thẩm thấu bé, đất có hàm lượng sét càng lớn sẽ tăng cường sự ổn định của đê. Đất dính phủ mặt mái đê chọn đất á sét có hàm lượng sét từ 15 đến 30%, chỉ số dẻo đạt 10% đến 20% và không lẫn tạp chất hữu cơ. Tác dụng của đê biển là đê ngăn nước biển, thường xuyên phải ngăn nước chống sóng biển, sóng là tải trọng chủ yếu và tác động thường xuyên lên đê biển do đó đê biển hư hỏng phổ biến là xói lở do sóng biển gây ra. 1.1.2. Nguyên lý làm việc của đường Theo nguyên lý làm việc của đường hay còn gọi là đường bộ. Đường bộ là một loại đường bao gồm cầu đường bộ, cầu, các bến phà đường bộ, các loại hầm đường bộ và đường bộ là loại đường dành cho các loại phương tiện giao thông như ô tô, xe cơ giới, xe máy, xe đạp và người đi bộ, đáp ứng như cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa… [2]. Kết nối các trung tâm, khu vực lại với nhau. Đường ô tô có vai trò quan trọng bởi có các đặc điểm sau: - Có tính cơ động cao và vận chuyển trực tiếp. - Vốn đầu tư ít hơn đường sắt, độ dốc dọc lớn hơn nên đi được đến các nơi có địa hình hiểm trở. - Tốc độ vận tải khá lớn, các trục đường cấp cao có thể cạnh tranh với hàng không. - Cước phí vận tải rẻ hơn nhiều so với đường hàng không. Chức năng làm việc của đường giao thông: - Chịu tác dụng của hoạt tải lưu thông trên đường - Chịu tác động môi trường biển đổi khí hậu (mực nước dâng, điều kiện tự nhiên nắng, gió…). Dưới tác dụng của hoạt tải và các yếu tố môi trường nền và mặt đường thường xuyên xảy ra tình trạng lún sụp, bong tróc, nứt dọc, nứt ngang, nứt chân chim… C C DU R L T. 4 Hình 1.1 Sơ đồ mô tả trạng thái ứng suất của nền - mặt đường dưới tác dụng của tải trọng bánh xe C C R L T. DU Hình 1.2 Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu áo đường mềm và kết cấu nền- áo đường 1.1.3. Nguyên lý làm việc của Đường - Đê kết hợp Đường giao thông trên đê là tổng hợp công trình đường và công trình đê phát huy hiệu quả và tận dụng mặt bằng công trình kết hợp để phục vụ giao thông và bảo vệ đất liền dưới tác động của thủy triều. Khi thiết kế đê kết hợp giao thông cần khảo sát các chỉ tiêu cần thiết để đảm bảo yêu cầu tính toán, thiết kế kết cấu đường phù hợp với quy định của giao thông, tính toán xác định tải trọng thiết kế, tải trọng cho phép xe cơ giới đi trên đê: Tính toán theo tải trọng thiết kế được cấp có thẩm quyền phê duyệt; Hình dạng và cấu tạo mặt cắt đê biển được xác định trên cơ sở so sánh các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật, phải đảm bảo công trình làm việc an toàn và ổn định trong các trường hợp thiết kế và ứng phó được với tình hình nước biển dâng do biến đổi khí hậu toàn cầu gây ra. Hình dạng và cấu tạo mặt cắt đê biển được xác định trên cơ sở so sánh các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật, phải đảm bảo công trình làm việc an toàn và ổn định trong các trường hợp thiết kế và ứng phó được với tình hình nước biển dâng do biến đổi khí hậu toàn cầu gây ra. 5 Mực nước thiết kế Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát các thành phần kết cấu của mặt cắt thiết kế đê biển 1 Bảo vệ ngoài chân kè; 2 Chân kè; 3 Mái đê dưới phía biển; 4 Cơ đê phía biển 5 Mái trên phía biển; 6 Đỉnh đê; 7 Mái phía đồng; 8 Thiết bị thoát nước phía đồng; 9 Kênh tiêu nước phía đồng; 10 Tthân đê; 11 Nền đê. C C R L T. 1.2. Một số vấn đề gây mất ổn định đê biển thường gặp Mai Văn Công và nnk (2009) đã chỉ ra các cơ chế phá hủy đê biển ở Việt Nam gồm các loại sau: chảy tràn (overflow) do cao trình đỉnh đê thấp hơn mực nước biển, sóng tràn gây xói lở mái phía sau đê, sóng tràn gây mất ổn định trượt mái phía sau đê, xói lở gây hạ thấp mặt bãi phía biển đê dẫn đến phá hủy chân đê, mất ổn định trượt mái phía sau đê, mất ổn định trượt mái trước đê, mất ổn định cục bộ và xói ngầm do dòng thấm từ mái phía trước sang phía sau đê (piping) (hình 1.4). DU Hình 1.4 Các loại hình mất ổn định đê biển ở Việt Nam 6 Trong các cơ chế phá hủy trên, sóng tràn gây phá hủy đê chiếm 45%; Xói lở hạ thấp mặt bãi phía trước đê và chân đê gây mất ổn định chiếm 28%; Phá hủy lớp bảo vệ mặt đê gây mất ổn định đê chiếm 22%. Các cơ chế khác gây mất ổn định hệ thống đê như: xói ngầm, phá hủy nhỏ của mái và thân đê chiếm phần trăm nhỏ còn lại [3]. Trên cơ sở phân tích hiện trạng đê biển và thu thập tổng hợp các sự cố đê biển đã xảy ra trong những năm qua kết hợp với công tác quản lý đê điều và phòng chống lụt bão ở các cấp, có thể tổng hợp các nguyên nhân chính gây hư hỏng cho các tuyến đê biển, cụ thể như sau: Một là: Tác động của các điều kiện khí tượng hải văn bất thường như bão, triều cường, lũ lụt và các biến đổi động lực bờ biển về xói bồi. - Do bão mạnh gặp triều cường, các phá hoại có thể kể đến: + Sóng tác dụng trực tiếp lên công trình, bằng áp lực xung kích của nó phá hoại kết cấu bảo vệ, gây sạt trượt mái, lật các tường chắn sóng; + Sóng xô vỡ rồi cuốn trôi công trình hoặc bờ đất cao ven biển khi có sóng triều cường kèm theo bão; + Dòng chảy bào mòn mặt bãi, hạ thấp thềm bãi, xâm thực chân công trình hoặc bờ đất, gây sụt lở đất, đẩy lùi dần tuyến bờ vào trong. Đây là loại phá hoại khó khắc phục nhất; + Bồi lấp cửa biển làm hạn chế dòng chảy, đến khi gặp triều cường dâng cao, dòng chảy mạnh có vận tốc cao có thể phá hủy bờ, mở cửa biển mới từ phía trong. - Do bờ biển xói lở bờ biển. Hai là: Nguyên nhân nội sinh. - Mặt cắt đê và cao trình đê nhiều tuyến không đảm bảo yêu cầu chống xói lở gây ra uy hiếp các hộ dân sống ven biển, nhiều đoạn bị sạt lở không đảm bảo chống triều cường, mực nước biển dâng; - Địa chất nền đê yếu gây ra phá hoại trượt và lún. 1.3. Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định tuyến đường - đê - kè kết hợp 1.3.1. Lý thuyết tính toán ổn định Hiện nay, khi phân tích ổn định mái dốc đập đất các kỹ sư thường dùng một trong hai phương pháp: Phương pháp thứ nhất là giả định trước mặt trượt và chỉ xét trạng thái cân bằng giới hạn của những điểm nằm trên cung trượt (thường gọi là phương pháp giả định mặt trượt) hay còn gọi là phương pháp cân bằng giới hạn (LEM). Phương pháp thứ hai xem nền đất là môi trường đàn hồi – dẻo và ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất – biến dạng của các điểm trong nền đất hay còn gọi là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). a. Lý thuyết phân tính ổn định mái dốc theo LEM Nguyên lý phân mảnh khối trượt theo phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) đã được chứng minh là khá hiệu quả trong phân tích địa kỹ thuật và vẫn đang được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Các bước cơ bản khi sử dụng phương pháp LEM phân tích ổn định mái dốc là: C C DU R L T. 7 - Vẽ một cơ chế trượt tùy ý gồm các mặt trượt; - Giải các phương trình cân bằng tĩnh về lực và mô men của cơ chế đó để xác định cường độ huy động của đất hoặc các ngoại lực; - Kiểm tra cân bằng tĩnh của các cơ chế khác và tìm cơ chế giới hạn ứng với lực cân bằng giới hạn. Hai hạn chế cơ bản của LEM là: - Bỏ qua mối quan hệ ứng suất biến dạng của đất. - Kết quả tìm được phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của kỹ sư. Lý do vì khi giải bài toán ổn định mái dốc bẳng LEM là một quá trình thử với giả thiết là vị trí và hình dạng mặt trượt phải được đưa vào từ đầu. C C R L T. DU Hình 1.5 Lực tác dụng lên mặt trượt thông qua khối trượt với mặt trượt tròn Phương pháp LEM khởi đầu từ Fellenius (năm 1936), sau đó phát triển thành phương pháp phân tố trượt bởi Bishop (1955). Sau Bishop, một loạt các tác giả khác đã tham gia nghiên cứu như: Janbu, Spencer, Sharma, Morgenstern-Price, Fredlund,... Các phương pháp sau này chủ yếu phức tạp hóa mối quan hệ giữa lực giữa các phân tố trượt còn lại vẫn dựa trên nền là cân bằng tĩnh học. Nhưng phương pháp đầu tiên như Bishop hoặc Janbu's Simplified chỉ thỏa mãn một trong hai điểu kiện cân bằng tĩnh (ví dụ: hoặc là mô men như Bishop, hoặc là lực như Janbu's Simplified). Trong số các phương pháp trên, phương pháp Bishop được dùng phổ biến ở nước ta hiện nay trong phân tích ổn định mái dốc. Một số tác giả như Duncan (1996) [4], Krahn (2003) [5] đã thực hiện đánh giá về các phương pháp khác nhau sử dụng lý thuyết cân bằng giới hạn trong phân tích ổn định mái dốc. 8 b. Lý thuyết tính ổn định mái dốc theo FEM Nhờ sự phát triển nhanh chóng trong kỹ thuật tính toán, các phương pháp số mới hơn như FEM đang trở nên phổ biến hơn trong lĩnh vực phân tích ổn định mái dốc. Như Duncan (1996) [4] đã nhấn mạnh, FEM là phương pháp có thể được sử dụng để tính toán ứng suất, biến dạng, áp lực lỗ rỗng và các đặc tính khác của khối đất trong quá trình xây dựng (Lane và Griffiths 2000; Zheng và các cộng sự, 2005) mà không cần đến việc giả định mặt trượt. Các bước cơ bản khi sử dụng phương pháp FEM để phân tích ổn định mái dốc là: - Giảm thông số C, φ đến khi khối đất bị phá hoại; - Tính hệ số an toàn Msf; - Sử dụng cùng với một số công cụ thiết kế tự động xác định cơ chế phá hoại nguy hiểu nhất. Ưu điểm đáng kể nhất của phương pháp này là xét đến quan hệ ứng suất biến dạng của đất và loại bỏ các giả định được áp dụng trong LEM để thay đổi bài toán siêu tĩnh thành bài toán tĩnh định. Sở dĩ nói vậy vì nếu sử dụng FEM, các điều kiện cân bằng ứng suất, biến dạng liên tục, quan hệ ứng suất biến dạng đều được thỏa mãn. Phân tích ổn định mái dốc theo FEM có thể được thực hiện theo hai cách sau: Tăng tải trọng đến khi khối đất bị phá hoại (ít phổ biến) hoặc giảm cường độ sức chống cắt của đất cho đến khi khối đất bị phá hoại (phổ biến hơn). Một số tác giả đã có nghiên cứu về phương pháp này như: Matsui & San (1988) [6], Griffiths & Lane (1999) [7], Brinkgreve & Bakker (1991) [8],… 1.3.2. Trường hợp tính toán áp dụng cho tính ổn định đường - đê - kè kết hợp a. Trường hợp bình thường (tổ hợp tải trọng cơ bản) - Mái đê phía đồng: Mực nước phía biển là mực nước thiết kế, mực nước phía đồng là mực nước thấp nhất (nếu có). Đê chịu tác động của tải trọng sóng thiết kế; Xét thêm chiều sâu xói chân khay và tải trọng xe cộ. - Mái đê phía biển: Mực nước biển rút nhanh từ mực nước thiết kế đến mực nước chân triều; Xét thêm chiều sâu xói chân khay và tải trọng xe cộ. b. Trường hợp bất thường (tổ hợp tải trọng đặc biệt) - Mái đê phía đồng và phía biển trong thời kỳ thi công; - Mái đê phía đồng và phía biển làm việc với mực nước thiết kế; - Tuỳ trường hợp cụ thể của tuyến đê, tư vấn thiết kế có thể đề xuất các tổ hợp tải trọng đặc biệt khác; c. Đê ở vùng mưa nhiều (lượng mưa trung bình năm từ 2000mm trở lên) Phải kiểm tra ổn định chống trượt của mái đê phải vận hành khi toàn bộ thân đê đã bị bão hoà nước. Hệ số an toàn được áp dụng theo trường hợp bất thường. Hệ số ổn định cho phép từng trường hợp được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 9901: 2014 trong bảng 1.1 [9]. C C DU R L T. 9 Bảng 1.1 Hệ số an toàn ổn định mái đê (kè) Cấp công trình I II III IV Tổ hợp tải trọng Cơ bản 1,35 1,30 1,25 1,20 Đặc biệt 1,25 1,20 1,15 1,10 V 1,10 1,05 1.3.3. Phần mềm ứng dụng Trên cơ sở tài liệu địa hình, địa chất và đặc điểm làm việc của công trình ven biển chịu tác dụng của sóng, luận văn lựa chọn phần mềm Plaxis V8.2 để tính toán ổn định cho công trình. Sự phát triển của phần mềm Plaxis được từ năm 1987 tại Đại Học Công Nghệ Deelf – Hà Lan. Phiên bản Plaxis V.1 ban đầu lập nhằm mục đích phân tích các bài toán ổn định đê biển và đê sông tại các vùng bờ biển thấp tại Hà Lan. Làm cầu nối giữa các kỹ sư địa kỹ thuật và các chuyên gia lý thuyết do GS.R.B.J Brinkgreve và P.A Vermeer khởi xướng. Đến năm 1993 công ty PLAXIS BV được thành lập và từ năm 1998, các phần mềm Plaxis đều được xây dựng theo mô hình phần tử hữu hạn [10]. Hiện nay việc ứng dụng Plaxis trong tính toán địa kỹ thuật thuộc nhiều lĩnh vực là khá phổ biến ở nhiều nước trong đó có Việt Nam. Plaxis cho phép phân tích ổn định địa kỹ thuật cho nhiều bài toán phức tạp, là công cụ hữu ích của kỹ sư thiết kế xây dựng dân dụng. Thực tế cho thấy trong nhiều trường hợp việc tính toán ổn định bằng Plaxis cho kết quá khá phù hợp có độ tin cậy cao trong thiết kế công trình. Các pha tính toán được thiết lập trên cơ sở phương pháp tạo ứng suất ban đầu (Initial stresses), ưu điểm của phương pháp này là ứng suất cân bằng trong mọi trường hợp, cụ thể các pha tính toán được thể hiện như sau: - Phase 1: Phân tích đàn dẻo (Plastic calculation) - Staged Construction: Dựa trên điều kiện ban đầu ở Phase 1 được thực hiện cho các giai đoạn xây dựng công trình (các quá trình chất tải) mà không cần xét đến ảnh hưởng của quá trình cố kết nền. Tính toán đàn dẻo được dựa trên giả thiết biến dạng, chuyển vị nhỏ và có thể áp dụng phù hợp cho nhiều mục đích khác nhau của địa kỹ thuật công trình. Kết quả tính toán của bước này là cơ sở cho các bước tính toán tiếp theo. Tùy theo các giai đoạn xây dựng hoặc điều kiện bài toán mà có thể có một hoặc nhiều bước tính toán đàn dẻo. - Phase 2: Tính toán ổn định (Phi - C reduction): Bước tính toán này là nhằm xác định các hệ số an toàn. Đây là bước tính toán độc lập trong Plaxis có thể áp dụng cho nhiều giai đoạn xây dựng hoặc chịu tải của công trình. Phương pháp tính toán là giảm dần sức chịu tải của đất (góc ma sát trong và lực dính) cho đến khi hư hỏng của khối đất xảy ra (xảy ra mặt trượt). Tỷ số giữa sức chịu tải thực tế của đất và sức chịu tải lúc xảy ra hư hỏng chính là hệ số an toàn cần tìm. C C DU R L T.