Luận văn thạc sĩ: Ổn định cục bộ kết cấu bảo vệ chân kè biển trong thiên tai miền Trung

• Tác giả: Phan Mạnh Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Hùng
• Trường học: Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu ổn định cục bộ kết cấu bảo vệ chân kè biển trong điều kiện thiên tai miền Trung
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐÊ KÈ BIỂN Ở VIỆT NAM VÀ VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG
• 1.1. Tình hình xây dựng đê kè biển ở Việt Nam
• 1.2. Đặc điểm bờ biển Việt Nam
• 1.3. Sự hình thành đê biển Việt Nam
• 1.4. Tình hình xây dựng và hiện trạng đê biển Việt Nam
• 1.5. Những vấn đề tồn tại của đê biển Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tình hình thiên tai vùng duyên hải miền Trung
• 2.2. Sự làm việc của chân kè biển và nguyên nhân phá hoại chân kè
• 2.3. Các kiểu chân kè chủ yếu
• 2.4. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích ứng suất biến dạng chân kè
• 2.4.1. Phương pháp sức bền vật liệu
• 2.4.2. Phương pháp lý thuyết đàn hồi
• 2.4.3. Phương pháp sai phân hữu hạn
• 2.4.4. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.5. Tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.5.1. Khái niệm về phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.5.2. Cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.5.3. Các bước tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.5.4. Giải bài toán phân tích ổn định chân kè bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.5.4.1. Mô hình vật liệu dùng trong tính toán
• 2.5.4.2. Mô hình đàn hồi Duncan - Chang
• 2.5.4.3. Mô hình đàn hồi Izumi Kamemura
• 2.5.4.4. Mô hình dẻo Mises
• 2.5.4.5. Lựa chọn mô hình
• 2.5.4.6. Mô hình phần tử tiếp xúc trong tính toán
• 2.5.4.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN CHÂN KÈ TRONG ỔN ĐỊNH KẾT CẤU KÈ BIỂN
• 3.1. Giới thiệu phần mềm tính toán
• 3.1.1. Khái niệm APDL. Đặc điểm của APDL
• 3.1.2. Ứng dụng ANSYS-APDL trong tính toán
• 3.1.3. Phương pháp giải bài toán trong phần mềm ANSYS
• 3.2. Mô phỏng phần tử tiếp xúc
• 3.3. Nghiên cứu ổn định chân kè biển và ảnh hưởng của chân kè biển tới sự làm việc kết cấu kè cứng, chân kè 2 hàng ống buy
• 3.3.1. Mô hình tính toán
• 3.3.2. Kết quả tính toán chuyển vị
• 3.3.3. Kết quả tính toán ứng suất
• 3.3.4. Kết cấu kè mềm, mái kè cứng, chân kè 2 hàng ống buy
• 3.3.5. Phân tích chuyển vị, ứng suất trên mái kè
• 3.3.5.1. Sự thay đổi UX và UY theo chiều dài mái kè
• 3.3.5.2. Sự thay đổi S1 và S3 theo chiều dài mái kè
• 3.3.5.3. Phân tích ứng suất biến dạng tại chân ống buy
• 3.3.5.4. Sự thay đổi UX và UY tại chân ống buy
• 3.3.5.5. Sự thay đổi S1 và S3 tại chân ống buy
• 3.3.6. Nhận xét chung
• 3.3.7. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CHÂN BIÊN HUYỆN SƠN TỊNH - QUẢNG NGÃI
• 4.1. Giới thiệu về công trình và khu vực nghiên cứu
• 4.2. Đặc điểm địa hình
• 4.3. Đặc điểm khí tượng thủy văn
• 4.4. Các thông số cơ bản của công trình. Tính toán sóng
• 4.4.1. Tính toán các thông số tại trong sóng tác dụng lên mái kè
• 4.4.2. Phân tích phần tử hữu hạn
• 4.4.3. Mô hình tính toán
• 4.4.4. Kết quả tính toán chuyển vị
• 4.4.5. Kết quả tính toán ứng suất
• 4.5. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tình hình xây dựng kết cấu bảo vệ chân kè biển ở Việt Nam và vùng duyên hải miền Trung

Việt Nam, với bờ biển dài khoảng 3260 km, thường xuyên chịu tác động của thiên tai, đặc biệt là bão và sóng lớn. Đặc điểm địa hình ven biển miền Trung có nhiều yếu tố bất lợi, dẫn đến việc xây dựng kết cấu bảo vệ chân kè biển trở thành nhiệm vụ cấp thiết. Các kè biển được xây dựng nhằm bảo vệ tài sản và sinh mạng của cư dân ven biển. Tuy nhiên, nhiều kè biển hiện nay không đảm bảo an toàn, thường xuyên bị hư hỏng do tác động của thiên tai. Việc nghiên cứu tình hình xây dựng và hiện trạng của các kè biển là rất cần thiết để đưa ra các biện pháp khắc phục hiệu quả.

1.1. Đặc điểm bờ biển Việt Nam

Bờ biển Việt Nam được chia thành ba miền: Bắc, Trung và Nam, mỗi miền có đặc điểm địa hình và khí hậu khác nhau. Miền Trung, từ Thanh Hoá đến Bình Thuận, là khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão và sóng lớn, với nhiều đoạn bờ biển có địa hình thấp, dễ bị xói lở. Các kè biển tại đây cần được thiết kế để chịu được sức ép từ sóng và triều cường. Sự hình thành và phát triển của các kè biển không chỉ nhằm bảo vệ tài sản mà còn giữ gìn sự ổn định cho các khu vực ven biển, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng tần suất thiên tai.

1.2. Tình hình xây dựng và hiện trạng kè biển

Hệ thống kè biển tại miền Trung đã được xây dựng từ lâu, nhưng nhiều đoạn đã xuống cấp nghiêm trọng. Các cơn bão lớn trong những năm gần đây đã làm hư hỏng nhiều đoạn kè, dẫn đến tình trạng sạt lở nghiêm trọng. Việc đầu tư nâng cấp và sửa chữa các kè biển là cần thiết nhằm đảm bảo an toàn cho người dân và tài sản ven biển. Các dự án nâng cấp kè biển cần được thực hiện đồng bộ, kết hợp với việc nghiên cứu các biện pháp bảo vệ khác như trồng cây chắn sóng và xây dựng các công trình phụ trợ.

II. Cơ sở lý thuyết của phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ổn định cục bộ của kết cấu bảo vệ chân kè biển trong điều kiện thiên tai miền Trung dựa trên các phương pháp phân tích hiện đại. Các phương pháp này bao gồm phân tích ứng suất và biến dạng của kết cấu, nhằm đánh giá khả năng chịu lực và độ ổn định của kè biển. Việc áp dụng các phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những cách hiệu quả để mô phỏng và phân tích hành vi của kết cấu dưới tác động của các yếu tố ngoại lực.

2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho phép phân tích chi tiết về ứng suất và biến dạng trong kết cấu chân kè biển. Qua việc chia nhỏ kết cấu thành các phần tử, FEM giúp xác định chính xác các điểm yếu và khả năng chịu lực của kè. Nghiên cứu này sẽ sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng các điều kiện làm việc thực tế của kè biển, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu quả hơn.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của kè biển

Sự ổn định của kè biển chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như điều kiện địa hình, chế độ thủy triều, và tác động của sóng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng những kè biển không được thiết kế phù hợp thường gặp phải tình trạng sạt lở và hư hỏng nghiêm trọng. Do đó, việc phân tích các yếu tố này là cần thiết để đưa ra các biện pháp bảo vệ hiệu quả cho kè biển.

III. Phân tích ổn định chân kè biển

Việc phân tích ổn định chân kè biển là một trong những nội dung quan trọng trong nghiên cứu này. Các mô hình tính toán được xây dựng nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sự ổn định của kè. Kết quả tính toán sẽ cung cấp thông tin cần thiết để cải thiện thiết kế và thi công các kè biển trong tương lai.

3.1. Kết quả tính toán ứng suất và biến dạng

Kết quả tính toán cho thấy rằng các kè biển chịu tác động mạnh từ sóng và triều cường, đặc biệt là trong các điều kiện thiên tai khắc nghiệt. Các thông số như ứng suất chính và biến dạng tại chân kè cần được theo dõi thường xuyên để đảm bảo an toàn cho công trình. Những dữ liệu này cũng sẽ là cơ sở để đề xuất các biện pháp bảo vệ và nâng cấp kè biển.

3.2. Đề xuất giải pháp cải thiện

Dựa trên các kết quả phân tích, nghiên cứu đề xuất một số giải pháp cải thiện cho kè biển như tăng cường lớp bảo vệ, sử dụng vật liệu chống xói lở, và cải thiện thiết kế mái kè. Các giải pháp này không chỉ giúp nâng cao khả năng chịu lực của kè mà còn đảm bảo an toàn cho các khu vực ven biển trong bối cảnh thiên tai ngày càng gia tăng.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc ổn định cục bộ kết cấu bảo vệ chân kè biển là rất cần thiết, đặc biệt trong điều kiện thiên tai miền Trung. Các kết quả phân tích cho thấy rằng cần có sự đầu tư nâng cấp và cải thiện các kè biển hiện tại. Kiến nghị các cơ quan chức năng cần có các chính sách hỗ trợ và đầu tư cho việc bảo vệ bờ biển, nhằm đảm bảo an toàn cho cộng đồng và phát triển kinh tế bền vững.

4.1. Đề xuất chính sách

Cần có các chính sách hỗ trợ tài chính cho các dự án nâng cấp kè biển, đồng thời khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới trong xây dựng kè biển. Việc phối hợp giữa các cơ quan địa phương và trung ương trong việc quản lý và bảo vệ bờ biển là rất quan trọng.

4.2. Tăng cường công tác giám sát

Cần tăng cường công tác giám sát và đánh giá định kỳ tình trạng của các kè biển, nhằm phát hiện kịp thời các dấu hiệu xuống cấp và có biện pháp khắc phục. Việc này không chỉ bảo vệ tài sản mà còn đảm bảo an toàn cho cuộc sống của người dân ven biển.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài khoảng 3.260 km, trải dài từ Móng Cái đến Hà Tiên, trong đó vùng duyên hải miền Trung gồm 13 tỉnh từ Thanh Hóa đến Bình Thuận. Đây là khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề của thiên tai bất thường như bão, lũ lớn và sóng biển mạnh, với 49% số cơn bão đổ bộ vào cả nước trong giai đoạn 1972-2005 tập trung tại miền Trung. Những tác động này gây ra các hư hỏng nghiêm trọng cho hệ thống đê kè biển, đặc biệt là chân kè – bộ phận giữ vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mái đê và đảm bảo ổn định tổng thể công trình.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ổn định cục bộ của kết cấu chân kè biển trong điều kiện thiên tai bất thường tại vùng duyên hải miền Trung, nhằm đánh giá an toàn và đề xuất giải pháp nâng cao độ bền vững cho các công trình đê kè. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các tuyến đê kè biển tại miền Trung, với dữ liệu thu thập từ các trận bão, lũ lớn và điều kiện khí tượng thủy văn đặc thù trong giai đoạn từ 1972 đến 2010.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc bảo vệ an toàn đê kè, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra, đồng thời góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho khu vực ven biển miền Trung. Các chỉ số như chiều dài đê kè đã xây dựng (trên 1.400 km), tỷ lệ hư hỏng do bão lũ (vỡ 1.465 m, sạt lở 54.055 m đê biển sau bão năm 2005) và thiệt hại vật chất ước tính lên đến hàng nghìn tỷ đồng cho thấy tính cấp thiết của đề tài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong cơ học đất và kết cấu thủy công, bao gồm:

• Lý thuyết đàn hồi: Giải quyết bài toán ứng suất biến dạng trong vật liệu kết cấu, cho phép phân tích ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt và các trạng thái biến dạng phức tạp.
• Mô hình vật liệu Duncan - Chang: Mô hình đàn hồi phi tuyến, mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng của đất dính và đất cát, phản ánh chính xác tính chất phi tuyến và phá hoại dẻo của vật liệu nền.
• Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Thuật toán số để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng, cho phép mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất, biến dạng trong kết cấu chân kè với điều kiện biên phức tạp và hình dạng kết cấu đa dạng.
• Khái niệm chân kè biển: Bao gồm các kiểu chân kè hình khối lăng trụ, chân kè kiểu cọc (1 hoặc 2 hàng ống buy), và chân kè hỗn hợp, mỗi loại có đặc điểm làm việc và khả năng chịu lực khác nhau.
• Các khái niệm chính: Ổn định cục bộ chân kè, ứng suất chính, biến dạng, tải trọng sóng bão, tác động thủy triều, và ảnh hưởng của địa chất nền đất bở rời.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các báo cáo hiện trạng đê kè, số liệu khí tượng thủy văn, và các trận thiên tai bất thường tại miền Trung trong giai đoạn 1972-2010. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các tuyến đê kè biển tiêu biểu tại Quảng Ngãi, Quảng Bình, Thanh Hóa và Hà Tĩnh.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng số bằng phần mềm ANSYS-APDL sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán trường ứng suất và biến dạng chân kè dưới tác động của sóng bão, thủy triều và tải trọng địa chất. Mô hình vật liệu áp dụng mô hình Duncan - Chang với các tham số cơ lý được xác định từ thí nghiệm ba trục.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong vòng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn thu thập số liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ứng suất và biến dạng tập trung tại chân kè: Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất chính lớn nhất tập trung tại chân ống buy và các vị trí tiếp giáp giữa chân kè và mái đê, với giá trị ứng suất S1 đạt tới khoảng 85% giới hạn chịu lực của vật liệu. Biến dạng chuyển vị UX và UY tại chân kè có thể lên đến 15-20 mm trong điều kiện sóng bão mạnh.

2. Ảnh hưởng của kiểu chân kè đến ổn định: Chân kè kiểu 2 hàng ống buy có khả năng phân bố ứng suất đồng đều hơn và biến dạng nhỏ hơn khoảng 10% so với chân kè 1 hàng ống buy, góp phần nâng cao độ ổn định cục bộ.

3. Tác động của sóng bão và thủy triều: Sóng bão với chu kỳ 13-15 giây và độ cao sóng lên đến 3 m kết hợp với nước dâng do triều cường làm tăng ứng suất tại chân kè lên 20-30% so với điều kiện bình thường, làm gia tăng nguy cơ phá hoại.

4. Ảnh hưởng của địa chất nền yếu: Nền đất bở rời chiếm khoảng 80% chiều dài bờ biển miền Trung có khả năng chịu lực thấp, dễ bị xói mòn và sụt lún, làm giảm ổn định chân kè từ 15-25% so với nền đất cứng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến ứng suất tập trung và biến dạng lớn tại chân kè là do tác động đồng thời của sóng bão mạnh, nước dâng triều cường và nền đất yếu. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho phép đánh giá chính xác hơn trạng thái ứng suất biến dạng phức tạp, đặc biệt là tại các vị trí tiếp giáp và chân kè.

Biểu đồ phân bố ứng suất chính S1 và S3 theo chiều dài mái kè minh họa rõ sự tập trung ứng suất tại chân ống buy, đồng thời bảng số liệu chuyển vị UX, UY cho thấy biến dạng lớn nhất tại các nút tiếp xúc với nền đất yếu. Điều này khẳng định vai trò quan trọng của việc lựa chọn kiểu chân kè phù hợp và gia cố nền móng.

Kết quả cũng cho thấy chân kè 2 hàng ống buy có hiệu quả hơn trong việc phân bố tải trọng và giảm biến dạng, phù hợp với điều kiện sóng bão mạnh và nền đất yếu tại miền Trung. Việc áp dụng mô hình vật liệu Duncan - Chang giúp phản ánh chính xác tính phi tuyến và phá hoại dẻo của đất, từ đó nâng cao độ tin cậy của phân tích.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường gia cố chân kè bằng vật liệu composite hoặc bê tông cốt thép nhằm nâng cao khả năng chịu lực và giảm biến dạng, đặc biệt tại các vị trí ứng suất tập trung. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Ban quản lý dự án và đơn vị thi công.

2. Ưu tiên sử dụng chân kè kiểu 2 hàng ống buy cho các tuyến đê kè chịu tác động sóng bão mạnh và nền đất yếu, nhằm cải thiện ổn định cục bộ và kéo dài tuổi thọ công trình. Thời gian: áp dụng trong các dự án nâng cấp và xây mới; Chủ thể: Cơ quan quản lý xây dựng và thiết kế.

3. Xây dựng hệ thống cảnh báo và giám sát biến dạng chân kè bằng cảm biến và công nghệ số để phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Trung tâm quan trắc.

4. Cải tạo và nâng cấp nền móng đê kè bằng phương pháp xử lý đất yếu như cọc xi măng, cừ tràm hoặc gia cố bằng vật liệu địa kỹ thuật để tăng cường khả năng chịu lực. Thời gian: 1-3 năm; Chủ thể: Nhà thầu xây dựng và đơn vị tư vấn địa kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực thủy lợi và bảo vệ bờ biển, giúp xây dựng kế hoạch đầu tư và nâng cấp hệ thống đê kè phù hợp với điều kiện thiên tai bất thường.

2. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi để áp dụng các mô hình phân tích phần tử hữu hạn và lựa chọn kiểu chân kè tối ưu, nâng cao hiệu quả và độ bền công trình.

3. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy nhằm hiểu sâu về cơ sở lý thuyết, phương pháp phân tích và ứng dụng thực tiễn trong bảo vệ đê kè biển.

4. Cơ quan quản lý thiên tai và giám sát công trình để phát triển hệ thống cảnh báo sớm và giám sát biến dạng, từ đó giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do thiên tai gây ra.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chân kè biển lại quan trọng trong hệ thống đê kè?
   Chân kè giữ vai trò chống đỡ mái đê, chịu lực sóng và dòng chảy ven bờ, đảm bảo ổn định cục bộ và tổng thể công trình. Hư hỏng chân kè thường dẫn đến phá hoại toàn bộ đê kè.

2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong phân tích kết cấu chân kè?
   Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất biến dạng phức tạp, xử lý điều kiện biên và hình dạng kết cấu đa dạng, phù hợp với các bài toán kỹ thuật phức tạp.

3. Mô hình vật liệu Duncan - Chang được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Mô hình này mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến của đất, phản ánh tính chất phá hoại dẻo, giúp phân tích chính xác hơn trạng thái làm việc của nền móng chân kè.

4. Ảnh hưởng của sóng bão và thủy triều đến chân kè ra sao?
   Sóng bão và nước dâng triều cường làm tăng ứng suất và biến dạng tại chân kè, gây nguy cơ sụt lún, xói mòn và phá hoại kết cấu nếu không được thiết kế và gia cố phù hợp.

5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để nâng cao ổn định chân kè?
   Sử dụng chân kè kiểu 2 hàng ống buy kết hợp gia cố nền móng và bảo vệ bãi biển bằng rừng ngập mặn là giải pháp hiệu quả, giúp phân bố tải trọng đồng đều và giảm tác động sóng bão.

Kết luận

• Đê kè biển miền Trung chịu tác động mạnh mẽ của thiên tai bất thường, đặc biệt là bão, lũ và sóng lớn, gây hư hỏng nghiêm trọng cho chân kè và mái đê.
• Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô hình vật liệu Duncan - Chang cho phép phân tích chính xác trạng thái ứng suất biến dạng chân kè trong điều kiện thực tế phức tạp.
• Chân kè kiểu 2 hàng ống buy thể hiện hiệu quả vượt trội trong việc nâng cao ổn định cục bộ và giảm biến dạng so với các kiểu chân kè khác.
• Các giải pháp gia cố chân kè, cải tạo nền móng và xây dựng hệ thống giám sát biến dạng là cần thiết để đảm bảo an toàn và bền vững cho hệ thống đê kè biển.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế, nâng cấp và quản lý đê kè biển miền Trung trong bối cảnh biến đổi khí hậu và thiên tai ngày càng phức tạp.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai các dự án thực nghiệm gia cố chân kè, áp dụng công nghệ giám sát hiện đại và mở rộng nghiên cứu sang các vùng ven biển khác nhằm bảo vệ bền vững hệ thống đê kè quốc gia.