CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Thực trạng hư hỏng công trình đê biển khu vực Cát Hải Toàn đảo Cát Hải có 20,6 km đê bao quanh, trong đó có tuyến đê xung yếu từ Bến Gót đến Hoàng Châu nằm ở phía Nam đảo chịu tác động trực tiếp của sóng, gió nơi có dòng chảy ven bờ mạnh nhất và dải bờ đang bị xâm thực. Hình thức kết cấu công trình đê đắp bằng đất, riêng đoạn đê Bến Gót - Gia Lộc có kết cấu hoàn toàn bằng đá hộc.
Mái đê phía biển có kè lát mái bảo vệ ở những đoạn xung yếu thường xuyên chịu tác động của sóng triều. Ngoài ra, còn có hệ thống 11 mỏ hàn được xây dựng từ những năm 90 của thế kỷ trước. Hiện trạng cụ thể từng đoạn như sau: - Đoạn Bến Gót- Gia Lộc: Dài 3.100 m, cao trình đỉnh ở +4m ÷ +4.5m, bề rộng mặt đê 2 m, hệ số mái dốc phía sông m= 2,5 ~ 3, phía đồng m= 1. Thân đê bằng đá hộc kích thước đá nhỏ, thường xuyên bị sóng đánh tung.
Với triều cường và gió cấp 5, cấp 6, sóng biển đã có thể tràn qua mặt đê và hất đá ra phía sau. Bãi biển gần chân đê bị xói lở mạnh càng làm cho kè kém ổn định. Trong cơn bão 2005, mặt cắt ngang đê gần như không còn định hình, mặt đê nhỏ, đá sắp xếp tự nhiên ngổn ngang, gần như là bãi đá. Năm 2008, có dự án cải tạo, nâng cấp cho đoạn đê này, nhưng việc nâng cấp tuyến đê biển hiện tại chỉ mang tính tạm thời trong thời gian chờ dự án cảng Lạch Huyện đi vào khai thác.
Kết cấu công trình bằng hình thức kè đá lát khan trong khung ô BTCT. Trong các tháng 5, 6 và đầu tháng 7 năm 2011, Cát Hải có 4 đợt triều cường, và chịu ảnh hưởng của các cơn bão số 2 (cơn bão HAIMA), số 3 (bão Nock-ten), với sức gió đo được tại Hòn Dấu là cấp 7, cấp 8, giật cấp 9 vào lúc triều cường đã làm mái kè bị xô sạt nặng. - Đoạn Gia lộc – Văn Chấn - Hoàng Châu: Tổng chiều dài khoảng 1.500m, cao trình +4,2m – +4,8m; bề rộng mặt đê Gia Lộc - Văn Chấn là 2,5 m; đoạn Văn Chấn- Hoàng Châu 5 m; hệ số mái sông/mái đồng là 3,5/ (1,5- 2,5); Sau khi bị tàn phá trong bão 2005 đến nay đoạn đê này đã được nâng cấp có thể coi là hoàn thiện. Giới thiệu các loại kêt cấu bảo vệ chân kè đã áp dụng ở Việt Nam Chống xói chân kè biển thường gọi là chân khay.
Đây là 1 bộ phận cực kỳ quan trọng trong công trình kè biển, nhiều trường hợp nó có ý nghĩa thành bại của cả công trình. Chống xói chân kè có nhiều loại được giới thiệu trong 14TCN130-2002: Lăng thể nhô, lăng thể thấp, móng sâu, móng rộng và vừa sâu và vừa rộng. Nhưng trong thực tế, trước đây chỉ đơn giản là 1 lăng thể đá hộc, sau đó phổ biến sử dụng ống buy. Chân kè bằng lăng thể đá hộc Đây là loại chân kè phổ biến sử dụng trong thời kỳ trước 1975.
Lăng thể đá hộc hình thang ngược thường sâu không quá 0,6m, rộng không quá 2,0m. Đá gia cố cũng chỉ loại d= (0,3÷0,35)m, nên rất dễ bị hư hỏng, dẫn đến sạt sụt mái kè. Hiện nay chỉ còn thấy sử dụng ở một số kè bảo vệ mái đê vùng khuất sóng như một số công trình ở Quảng Ninh, đê phá ở Thừa Thiên Huế. Chân kè bằng các loại ống buy Ống buy gia cố chân kè thường là ống buy BT (có cốt thép hoặc không cốt thép) hình trụ tròn, lục lăng hay hình hộp, một hàng hoặc 2 hàng.
Đường kính ống buy thường khoảng 1,0m÷1,2m, vách dày 0,15m, cao 1,0 ÷ 2,0m. Trong ống buy chứa đá hộc, thường thiết kế có nắp đậy. Phía ngoài ống buy thường là lăng thể đá hộc hoặc thảm rọ đá, sâu 1-2 m, rộng 1-2 m. Chân kè Cẩm Nhượng, Hà Tĩnh Chân kè Cát Hải 4 Chân kè ống buy hình hộp, kè Cửa Lò.
Chân kè ống buy hình lục lăng Hình 1. Kết cấu chân kè bằng ống buy 1. Chân kè bằng cọc, cừ. Tại đoạn đê Táo Khoai (Hải Hậu – Nam Định), năm 2006 sử dụng loại chân kè có kết cấu cọc vuông BTCT có kích thước (35x35x900)cm, đóng cách nhau 1m.
Cao trình đỉnh cọc ở -0,5m. Khoảng giữa 2 cọc được chắn bởi bản BTCT kích thước (200x100x15) cm. Phía ngoài cọc là rọ đá (200x100x100)cm, phía trong là lăng thể đá hộc có sắp xếp, được bảo vệ phía trên bằng loại cấu kiện loại 2 là tấm BTCT M200#, kích thước (40x40x40)cm. Hình ảnh chân kè bằng cọc BTCT 5 1.
Chân kè nhô cao Chân kè bằng tường nhô cao, hoặc bằng ống buy, hoặc bằng khối tetrapod. Chân kè nhô cao có thể có tác dụng giảm sóng, nếu cao hơn sẽ có tác dụng ngăn chặn hiện tượng đá quăng do sóng vứt lên làm hỏng mái kè. Chân kè Hải Hòa, Hải Hậu Chân kè Nghĩa Phúc, Nghĩa Hưng Hình 1. Chân kè dạng tường nhô 1.
Phân tích chung về kết cấu gia cố chân kè 1. Những vấn đề về thiết kế - Tất cả các loại gia cố chân kè trong vùng nghiên cứu đều quá hẹp, không đủ rộng, đá gia cố phía ngoài quá nhỏ, do đó chân kè là bộ phận dễ bị hư hỏng sớm. - Cao trình đỉnh chân kè quá cao, nằm trên mực nước thấp, nên dễ bị moi xói và làm sập mái kè. - Các loại ống buy hình dạng khác nhau không cải thiện được tình hình xói chân kè.
- Một số nơi thiết kế tấm giằng ống buy bằng đổ BT tại chỗ, không cốt thép, thảm đá ngoài ống buy cũng đổ vữa BT trực tiếp lên thảm là không hợp lý. Những vấn đề về thi công - Độ kín giữa các ống buy, cho dù là loại ống tròn, lục lăng. nhiều trường hợp đều không bảo đảm. - Nếu gia cố chân kè biển bằng hệ cọc, bản, thì vừa có giá thành cao, vừa khó khăn trong thi công hạ cọc trong điều kiện sóng gió, nhất là ở vùng đất cát.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước về bảo vệ chân kè 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Trong thiết kế công trình biển nói chung cũng như công trình bảo vệ bờ nói riêng một trong những vấn đề quan trọng cần quan tâm đó là bảo vệ chân công trình trước diễn biến xói lở bãi và sự xuất hiện các hố xói cục bộ trước công trình. Xói trước chân công trình thường xuất hiện dưới tác động của dòng, sóng và tương tác của chúng với công trình. Để đảm bảo công trình làm việc an toàn trước sự xuất hiện xói lở nêu trên thì kết cấu bảo vệ chân công trình cần phải được thiết kế có kích thước đủ lớn (chiều sâu và phạm vi bảo vệ).
Việc lựa chọn kích thước thiết kế trở nên hợp lý hơn nếu nó được dựa trên cơ sở dự báo kích thước hố xói trước chân công trình, ổn định của vật liệu bảo vệ chân đê, kè biển. Khi viên vật liệu bảo vệ chân mất ổn định, thì việc phát triển các hố xói chân diễn ra mạnh mẽ hơn dưới các tác động của sóng và dòng chảy. Mối quan hệ giữa dòng chảy, bề rộng bãi, kích thước và loại vật liệu bảo vệ chân kè luôn là bài toán phức tạp trong kỹ thuật biển. Để nghiên cứu các mối quan hệ này trên thế giới có rất nhiều các tác giả đi sâu tìm hiểu và chia thành những bài toán nhỏ hơn.
Nghiên cứu về mối quan hệ giữa chân công trình và bãi biển: có thể kể đến những nghiên cứu của: Kraus, 1988; Kraus và McDougal, 1996; Plant and Griggs, 1992 về mặt cắt bãi biển và ảnh hưởng của nó tới công trình bảo vệ bờ. Nghiên cứu của Miles et al. Komar và McDougal (1988) đã giả thiết rằng: những bãi biển liền kề công trình bảo vệ bờ có thể bị xói rất lớn và được gọi là ảnh hưởng chân tường đứng (Basco, 2006; Dean, 1987). Các cơ chế có thể với ảnh hưởng tường đứng có thể do bẫy bùn cát (Dean, 1987), chặn dòng ven bờ (Griggs and Tait, 1988) hoặc dòng rip và dòng chảy hướng trở lại phía biển (McDougal & nnk.
Mặc dù thực tế rằng nhiều nghiên cứu về sự ổn định của các loại đá trong bảo vệ đáy dưới dòng nước chảy đã được tiến hành, kiến thức của chúng ta vẫn còn xa với độ tin cậy và sự tiến bộ đạt được. Các vấn đề như làm thế nào để xác định các tải trọng về thủy lực tác động trên những viên đá trên đáy biển và làm thế nào để đánh giá sự ổn định của các loại đá là chủ yếu và thách thức nhất trong nghiên cứu độ ổn định viên đá. 7 Thứ nhất, điều quan trọng là các lực về thủy lực tác dụng lên viên đá trên một nền được định lượng đầy đủ. Một tham số ổn định - đã thể hiện như một mối quan hệ không thứ nguyên giữa tải trọng của nước và cường độ của nền - thường là sử dụng để định lượng ảnh hưởng của các lực đó lên trên nền.
Khi có sự dao động lên xuống bất thường của dòng chảy thì tầm quan trọng đối với sự ổn định của viên đá, các ảnh hưởng của chúng được đưa vào tính toán, đặc biệt là cho những dòng chảy không đồng nhất (Hoffmans và Ackermann, 1998; Pilarczyk, 2001; Jongeling et al., 2003; Hofland, năm 2005, những người khác). Trong một vài nghiên cứu có sẵn, các tham số không ổn định được chứng minh đầy đủ trong việc định lượng ảnh hưởng của tải trọng lên trên nền với dòng chảy không đồng nhất. Thứ hai, phương pháp mà sự ổn định của các loại đá được đánh giá cũng đóng một vai trò quan trọng. Công thức ổn định có được sử dụng để xác định đá kích thước và trọng lượng chủ yếu được dựa trên khái niệm về chuyển động của vật liệu đáy (Buffington và Montgomery, 1997).
Do tính chất ngẫu nhiên của sự dịch chuyển vật liệu đáy, một điều kiện dòng chảy mạnh mẽ trong đó những viên đá bắt đầu để dịch chuyển thì không tồn tại. Vì vậy, ngưỡng dịch chuyển là một vấn đề khá chủ quan và phương pháp đánh giá sự ổn định viên đá dựa vào tiêu chuẩn thiết kế bất định (Paintal, 1971; WL | Delft Hydraulics, 1972; Hofland, 2005). Ngược lại, các phương pháp đánh giá sự ổn định dựa trên khái niệm vận chuyển đá dẫn đến một kết quả với một mối quan hệ giữa nguyên nhân và hệ quả, giữa các thông số dòng chảy và các phản ứng của đáy, nền.