MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 1.1 Thực tiễn việc áp dụng đê chắn sóng đá đổ ở Việt Nam Hệ thống đê chắn sóng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các khu nước bể cảng và tuyến luồng nhằm đảm bảo sự đi lại và neo đậu an toàn của tàu thuyền. Hầu hết các công trình đê chắn sóng bảo vệ các cảng ở Việt Nam hiện nay đều là dạng đá đổ với lớp phủ ngoài sử dụng các dạng khối phủ truyền thống Tetrapod, với các ưu điểm là dễ chế tạo, tận dụng được vật liệu địa phương và đòi hỏi địa chất nền không cao, nhưng nhược điểm của dạng khối phủ này là tính năng ổn định thấp, do đó hiệu quả kinh tế chưa cao [4]. Ngày nay điều kiện áp dụng của đê chắn sóng mái nghiêng ngày càng được mở rộng cùng với sự ra đời và phát triển của nhiều dạng khối phủ bê tông dị hình cải tiến có hiệu quả tiêu giảm sóng tốt hơn và do đó mang lại hiệu quả kinh tế cao [5].
Theo xu thế phát triển khoa học-kĩ thuật, nhiều loại khối phủ mới đã được phát minh và nghiên cứu để tối ưu hóa cho lớp phủ của đê chắn sóng đá đổ. RAKUNA-IV là một trong những khối phủ mới được nghiên cứu, phát triển bởi công ty Nikken-Kogaku từ năm 2007 và đã được ứng dụng nhiều ở Nhật Bản [6]. Loại khối phủ cải tiến này có nhiều tính năng vượt trội và đem hiệu quả kinh tế cao hơn so với việc áp dụng các dạng khối phủ truyền thống khác [6] [7]. Hiện nay việc nghiên cứu các tính năng ổn định của RAKUNA-IV trong các điều kiện thủy lực khác nhau cũng đang thu hút được nhiều mối quan tâm nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
Đây là một vấn đề thực tiễn mang tính cấp bách khi mà trong hầu hết các trường hợp (đặc biệt là khu vực có độ sâu lớn) các khối phủ cho đê chắn sóng đá đổ thường được thi công theo phương pháp xếp rối 2 lớp trên mái đê [8] [9].2 Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ổn định và độ bền của khối phủ bê tông xếp rối trên mái đê chắn sóng đá đổ Trước đây, khi thiết kế các công trình đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng, tiêu chí chủ yếu thường là sự ổn định về mặt thủy lực. Ổn định về mặt thủy lực là sự ổn định của các khối phủ bê tông không bị dịch chuyển hay bị bật ra dưới tác động trực tiếp của các con sóng và dòng chảy trong quá trình làm việc trên mái đê chắn sóng dạng đá đổ. Cơ chế mất ổn định do hiện tượng các khối phủ bê tông bị xoay lắc dưới tác động của sóng (cơ chế 1 rocking) là một cơ chế thường gặp ở dạng khối phủ liên kết 2 lớp có hình dạng thanh mảnh và được xếp rối trên mái đê chắn sóng dạng đá đổ [3] [1]. Tuy nhiên, một điều chưa được xem xét đó là các khối phủ bê tông cũng có thể bị nứt vỡ do giá trị ứng suất phát sinh trên bề mặt khi bị rung lắc, xoay chuyển và va chạm vào nhau dưới tác động của sóng và dòng chảy vượt quá cường độ hay giá trị độ bền cơ học cho phép của vật liệu chế tạo khối phủ (thường là bê tông không có cốt thép).
Trong thực tế, nhiều hư hỏng nghiêm trọng của nhiều công trình đê chắn sóng đá đổ được bảo vệ bằng dạng phức tạp của các loại khối phủ bê tông không có cốt thép dạng thanh mảnh như Dolosse và Tetrapod, đặc biệt là hiện tượng nứt vỡ nghiêm trọng trên các khối phủ xuất hiện trên đê chắn sóng Sines (Bồ Đào Nha), Arzew (Angiêri) và Tripoli (Libya) [10]. Hư hỏng kết cấu đối với một khối phủ riêng rẽ có thể dẫn đến hiện tượng mất ổn định thủy lực phát triển dần trên toàn bộ lớp phủ của đê chắn sóng đá đổ [3] [1]. Do đó, có thể thấy tầm quan trọng của việc xem xét thêm cả độ bền (structural integrity) của các khối phủ bên cạnh sự ổn định về mặt thủy lực khi được xếp rối nhiều lớp trên mái đê chắn sóng dạng đá đổ nhằm tránh hiện tượng nứt vỡ và đảm bảo tính ổn định tổng thể của các khối phủ trong quá trình làm việc [10]. Ở khu vực có độ sâu lớn, đặc biệt là đoạn đầu đê nằm ngoài vùng sóng vỡ, các khối phủ cho đê chắn sóng đá đổ thường bị xếp rối trên mái do công tác thi công lắp đặt các khối phủ này chịu ảnh hưởng của các điều kiện bất lợi do sóng, gió và dòng chảy.
Như chúng ta đã biết, khi đê chịu sóng tràn thì một phần năng lượng của sóng sẽ được chuyển qua đỉnh đê và mái phía sau làm cho mái phía trước ổn định hơn, còn khi sóng không tràn điều kiện làm việc của các khối phủ nói riêng và đê chắn sóng nói chung sẽ trở lên bất lợi hơn. Đã có một số nghiên cứu đã được tiến hành trước đây về khối phủ RAKUNA-IV nhưng mới chỉ tập trung vào ổn định thủy lực trong trường hợp xếp đều 2 lớp trên mái đê, chưa có nghiên cứu nào về ổn định của khối phủ này trong trường hợp xếp rối hoàn toàn trong trường hợp làm việc bất lợi do tác động của sóng không tràn (đỉnh đê cao so với mực nước) và sóng chưa vỡ (khi đầu đê nằm ở khu vực có độ sâu lớn), đặc biệt là chưa có nghiên cứu nào về độ bền của khối phủ bê tông trên mái đê khi bị xoay lắc và va đập trong quá trình làm việc. Các nghiên cứu trong luận án này do vậy sẽ góp phần hoàn thiện các nghiên cứu cho khối phủ RAKUNA-IV, đây cũng sẽ là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư thiết kế hoặc các nhà 2 tư vấn bên cạnh các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9901:2014 (Yêu cầu thiết kế đê biển) [11] và Tiêu chuẩn cơ sở TCCS 02 : 2017/CHHVN (Yêu cầu thiết kế Đê chắn sóng) [12]; 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ổn định thủy lực và độ bền của khối phủ RAKUNA-IV khi được xếp rối trên đê chắn sóng đá đổ thông qua các thí nghiệm trên mô hình vật lí trong máng sóng và mô phỏng bằng mô hình toán.
Các kết quả nghiên cứu sau đó được ứng dụng cho công trình cụ thể, từ đó đưa ra các kiến nghị và giải pháp cho công tác thiết kế, sản xuất và thi công các khối phủ RAKUNA-IV khi áp dụng cho các đê chắn sóng trong thực tế. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Khối phủ RAKUNA-IV xếp rối hoàn toàn trên đê chắn sóng đá đổ trong điều kiện sóng không tràn và không vỡ.2 Phạm vi nghiên cứu Ổn định và độ bền của khối phủ RAKUNA-IV được xếp rối 2 lớp trên mái phía biển của đê chắn sóng đá đổ trong điều kiện sóng không tràn và không vỡ; 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Để giải quyết mục tiêu và nhiệm vụ đã nêu ở trên, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau: • Phương pháp thống kê: thu thập và phân tích các tài liệu đã có cũng như các kết quả nghiên cứu đã có về vấn đề ổn định cũng như độ bền của khối phủ bê tông trên đê chắn sóng đá đổ; • Phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng: ổn định của khối phủ RAKUNA-IV ở mái đê phía biển trong điều kiện sóng không tràn, không vỡ trong đó có xem xét cả cơ chế mất ổn định dạng xoay lắc và độ bền tương ứng của khối phủ này khi bị va đập do chuyển động xoay lắc dưới tác động của sóng; • Phương pháp sử dụng mô hình toán: sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng, tính toán và xác định các tham số về ứng suất-biến dạng của khối phủ; • Phương pháp chuyên gia: thông qua các hội thảo để lấy ý kiến đóng góp của các chuyên gia trong và ngoài nước về cách tiếp cận, nghiên cứu, các luận cứ khoa học và các giải pháp. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học Luận án đã tiến hành nghiên cứu thông qua các thí nghiệm trên mô hình vật lý để nghiên cứu ổn định thủy lực và độ bền của khối phủ RAKUNA-IV ở mái đê phía biển về mặt thủy lực trong trường hợp xếp rối 2 lớp trong điều kiện sóng không tràn và không vỡ.
Ngoài ra, luận án cũng đã kết hợp cả mô hình toán dạng phần tử hữu hạn để nghiên cứu về độ bền của khối phủ RAKUNA-IV khi bị xoay lắc trên mái đê dưới tác động của sóng.2 Ý nghĩa thực tiễn Các kết quả nghiên cứu của luận án về ổn định thủy lực và độ bền trong các điều kiện thi công và làm việc thực tế, đặc biệt là khu vực có độ sâu lớn, có thể sẽ là tài liệu tham khảo, kết hợp với các tiêu chuẩn thiết kế để áp dụng trong thiết kế, tư vấn cho đê chắn sóng đá đổ sử dụng khối phủ RAKUNA-IV trong thực tế nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, đồng thời giảm chi phí khắc phục hay sửa chữa đối với đê chắn sóng trong thời gian làm việc. Cấu trúc của luận án Ngoài các phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án bao gồm 04 chương như sau: CHƯƠNG 1: Tổng quan về khối phủ bê tông bảo vệ cho đê chắn sóng đá đổ; CHƯƠNG 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu ổn định và độ bền của khối phủ trên mái đê chắn sóng đá đổ; CHƯƠNG 3: Kết quả nghiên cứu ổn định thủy lực và độ bền của khối phủ RAKUNA-IV; CHƯƠNG 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán thiết kế lớp phủ mái của đê chắn sóng bảo vệ cảng Chân Mây, tỉnh Thừa Thiên Huế. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHỐI PHỦ BÊ TÔNG BẢO VỆ CHO ĐÊ CHẮN SÓNG ĐÁ ĐỔ 1.1 Giới thiệu chung 1.1 Đê chắn sóng đá đổ Đê chắn sóng từ lâu đã được xây dựng để bảo vệ các khu cảng, tàu thuyền trong cảng, môi trường sống và các bãi biển khỏi các tác động của sóng và dòng chảy. Trong đó, một trong những loại cơ bản nhất đó là dạng đá đổ mái nghiêng - một kết cấu được thành tạo từ các viên đá gồm có lớp lõi bằng các vật liệu mịn được bảo vệ bằng một lớp các khối phủ bê tông.
Các khối phủ này chủ yếu không có cốt thép và luôn đa dạng về kích cỡ và dạng hình học.