Đê chắn sóng - Chương 1

Công trình đê chắn sóng được phân cấp dựa vào chiều cao sóng tính toán của tần suất H1% tại chân công trình chỗ có độ sâu lớn nhất dọc theo tuyến đê chính.

Chương 1

VAI TRÒ CỦA ĐÊ CHẮN SÓNG VỚI BỂ CẢNG

1.1 Cảng biển và phân loại

Cảng biển là một đầu mối giao thông, được kết hợp các công trình xây dựng và thiết bị đảm bảo cho tàu đậu an toàn, đồng thời cho phép bốc dỡ hàng hoá nhanh và thuận tiện Cảng biển khác cảng sông và cảng hồ là chỉ cho phép neo đậu tàu biển, không neo cập tàu sông và tàu pha sông biển 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 Các yếu tố này so với các yếu tố tác động vào cảng sông thì mạnh và nguy hiểm gấp nhiều lần Về mặt quy mô hiện đại thì cảng biển vượt trội so với cảng sông và cảng hồ, không những về lượng hàng hoá, kích cỡ tầu, trang thiết bị bốc xếp mà về tất cả các khía cạnh khác có liên quan đến cảng

Cũng như tất cả các cảng, cảng biển thương mại trước tiên thường phân cấp theo lưu lượng hàng hoá Q qua cảng trong 1 năm

- Cấp 1: Q > 20 triệu tấn/năm; - Cấp 2: Q > 10 triệu tấn/năm; - Cấp 3: Q > 5 triệu tấn/năm; - Cấp 4: Q > 1 triệu tấn/năm; - Cấp 5: Q < 1 triệu tấn/năm

Về mặt vị trí, cảng biển được phân loại thành: cảng đảo tự nhiên, cảng đảo nhân tạo, cảng ngoài biển hở, cẩng vịnh, cảng cửa sông

Đối với các cảng chuyên dụng có tên gọi theo loại hàng: cảng than, cảng dầu, cảng cá, quân cảng, cảng khách, cảng phà

Trong hệ thống cảng biển còn được phân nhỏ như sau: cảng cố định, cảng chuyển tẩi, cảng phao, cảng tạm

Theo quan điểm tác động của sóng thì cảng biển chia làm hai loại: có đê chắn sóng và không có đê chắn sóng Trừ các cảng ở cửa sông và trong các vịnh kín thì đại đa số các cảng biển trên thế giới nhất là cảng nước sâu đều có các công trình đê chắn sóng, đê ngăn cát nhằm vươn xa ra biển

1.2 Khu nước và bể cảng

Một cảng bất kỳ bao giờ cũng cấu tạo bởi 2 khu: khu nước và khu lãnh thổ Tỷ lệ diện tích khu lãnh thổ với khu nước thông thường bằng từ 0,5÷2 lần đối với cảng Container thì tỷ lệ này còn lớn hơn

Khu nước của một cảng biển đặc trưng được diễn tả ở hình 1-1 gồm 3 vùng: - Vùng ngoài cửa cảng;

- Vùng bể cảng;

- Vùng cửa sông (Trong trường hợp có thông với cửa sông)

§ª ch¾n sãng

Kªnh dÉn1

Cöa s«ng2

1 - Vïng ngoµi bÓ c¶ng (Vïng ngoµi cöa)

2 - BÓ c¶ng 3 - Vïng cöa s«ng

Hình 1- 1 Khu nước - bể cảng của một cảng biển đặc trưng

Thông thường chỉ có vùng 1 và vùng 2, trường hợp cảng biển không tiếp cận với cửa sông thì khuyết vùng 3 Trong trường hợp độ sâu tự nhiên vùng ngoài bể cảng không đủ, phải nạo vét tuyến luồng vào để tạo thành một kênh biển hay kênh dẫn tàu (hình 1-1) với đầy đủ các hệ thống báo hiệu hàng hải, tuân theo các tiêu chuẩn của báo hiệu hàng hải quốc tế IALA

Tất cả các bể cảng có đê chắn sóng bảo vệ gọi là bể cảng nhân tạo Các tuyến đê được chọn chủ yếu phụ thuộc vào hướng sóng tác dụng, sự vận chuyển của bùn cát, phụ thuộc vào địa hình tự nhiên của khu đất và khu nước Trên hình 1-2 là các ví dụ chọn các tuyến đê chắn sóng

- Bể cảng có hai tuyến đê chắn sóng cắm vào bờ (Hình 1-2a), trong đó khu neo tàu đặt ngoài bể cảng (Vũng cảng), còn các tuyến bến sắp đặt theo các bến nhô với các tuyến đường sắt

- Bể cảng trên các hình 1-2b và 1-2c có một tuyến đê chắn sóng cắm vào bờ và một đê đảo, vì vậy bể cảng có hai cửa chính và phụ

Hình 1.2a Cả hai tuyến đê cắm vào bờ

4 - Khu đất 5 - Lạch vào cảng 6 - Khu neo tàu ngoài cảng

Hình 1- 2 Các bể cảng có hai tuyến đê chắn sóng bao bọc

Các tuyến đê chắn sóng có thể có chân nối liền với bờ nhưng cũng có thể không nối với bờ tạo thành một tuyến đê đảo Việc tính toán đê đảo và đê có chân nối liền với bờ tương tự như nhau và vai trò của chúng đều mang tính chất che chở cho khu nước

1.3 Yêu cầu về che chắn sóng, ngăn cát cho bể cảng

Quy hoạch một bể cảng biển cho yên tĩnh về sóng và không bị lắng đọng bùn cát luôn gắn với các tuyến đê và cửa cảng, thường phải tuân thủ các nguyên tắc sau:

1 Đủ diện tích hữu hiệu cho tàu đậu và thực hiện thuận lợi các thao tác của tàu như: quay, manoer, bốc hàng Phần bể cảng được coi là diện tích hữu hiệu phải đủ độ sâu và an toàn với mọi hướng sóng cũng như không bị bồi lắng Tỷ lệ phần diện tích hữu hiệu so với tổng diện tích thực của toàn bể cảng càng cao thì mức độ tối ưu càng lớn Nếu tỷ lệ trên được 50% là đạt yêu cầu

3 - Khu neo ®Ëu2 - Khu chuyÓn t¶i1 - Khu quay trë

Hình 1- 3 Một bể cảng có các khu riêng biệt

2 An toàn cho tàu đậu với mọi hướng sóng tác dụng: theo kinh nghiệm của các nước Bắc Âu và Đông Âu chiều cao sóng an toàn cho phép ở khu trước bến cho ở bảng 1-1

Bảng 1.1 Chiều cao súng an toàn cho phộp trong bể cảng ở Đụng Âu và Bắc Âu (m)

Khi đầu súng cú cỏc hướng Lượng choỏn nước của

Bảng 1.2 Chiều cao súng an toàn cho phộp tại mộp bến khi làm hàng (Nhật Bản)

Loại tàu Chiều cao súng h1/3 (m)

Việc xỏc định chiều cao súng an toàn cho phộp trong bể cảng là tối cần thiết, vỡ nú khụng những cú ảnh hưởng đến cụng tỏc làm hàng mà cũn ảnh hưởng đến ổn định của cụng trỡnh bến Khi chiều cao súng trong bể h = 1,0m, độ sõu nước H = 10m, gúc nội ma sỏt đất ϕ = 320 thỡ ỏp lực đất chủ động sẽ tăng thờm 20% ứng với thời điểm đỏy súng chạm tường bến, ỏp lực phụ gia này phải được xột đến khi chiều cao súng vượt quỏ h ≥ 0,5m

3 Ngăn chặn hoặc giảm đến mức tối thiểu sự lắng đọng của bựn cỏt, song song với yờu cầu chắn súng, hệ thống đờ của bể cảng biển phải ngăn sự di chuyển của bựn cỏt do dũng ven hoặc dũng lục địa mang đến Giải phỏp hữu hiệu hơn cả là đẩy bựn cỏt ra xa bờ (hỡnh 1-4) hoặc tớch tụ bựn cỏt ở phớa ngoài đờ (khu vực sỏt bờ) tạo thành bói biển nhõn tạo

2 1 - Dòng bùn cát

2 - Các đoạn đê chắn sóng3 - Kênh tàu vào cảng4 - Bể cảng

Hỡnh 1- 4 Sơ đồ vạch cỏc tuyến đờ chắn súng để đẩy bựn cỏt ra xa bờ

Để lượng bùn cát khó đi vào bể, cần bố trí các tuyến đê chắn sóng cùng với cửa cảng như hình 1.5

Hình 1- 5 Cách bố trí các tuyến đê chắn và cửa cảng

4 Có khả năng để mở rộng cảng trong tương lai

Sự tăng trưởng kinh tế của một nước cũng như của một khu vực luôn luôn phát triển, vì vậy khi quy hoạch một bể cảng mới cần có các giải pháp mở rộng trong khoảng 20÷100 năm bằng cách:

- Hoặc kéo dài các tuyến đê chắn sóng - ngăn cát đã xây;

- Hoặc xây dựng thêm các tuyến đê chắn sóng - ngăn cátmới tạo ra một bể cảng mới (Bể bên cạnh hoặc bể ngoài)

5 Tàu ra vào thuận tiện

Điều này gắn chặt với tuyến kênh biển sao cho: - Luồng vào ra của tàu là ngắn nhất;

- Hệ thống báo hiệu hàng hải đơn giản;

- Tốc độ phát triển ngưỡng cạn vô cùng chậm hoặc bằng không

Năm yêu cầu trên đây là các định hướng cơ bản đồng thời cũng là các nguyên tắc quy hoạch các tuyến đê chắn sóng cho một bể cảng biển Bể cảng tối ưu nhất là có diện tích hữu hiệu nhất Muốn thế cần dựa vào tuyến đê và hướng sóng giải các bài toán nhiễu xạ trong bể cảng bằng mô hình toán học hoặc mô hình vật lý hoặc đồng thời cả hai

1.4 Phương án mặt bằng các tuyến đê chắn sóng

Trong hình 1-6 nêu ra 15 loại mặt bằng các tuyến đê chắn sóng có thể gặp trong thực tế xây dựng bể cảng Điều này được tổng kết kinh nghiệm xây dựng bể cảng có đê chắn sóng của khắp các châu lục

Nếu quy ước: A là hướng sóng chủ yếu đi vào cửa cảng, B là đường bờ tự nhiên, C là tuyến mép bến

Từ các sơ đồ ở hình 1-6 rút ra đựoc những nhận xét sau:

- Rất nhiều bể cảng có hai tuyến đê chắn sóng cắm vào bờ, tạo thành hai cánh cung vây gần kín vùng nước của bể (Hình 1-6 a, b, c, d, e, f, g, m, p) Ngoài hướng sóng chủ yếu A ra, các hướng sóng khác cũng gây khó khăn cho bể cảng Thường phải xét thêm 2, 4, 6 hướng sóng nữa lệch nhau 2205 kể từ hướng sóng chính (Hướng sóng chủ yếu) phân đều sang hai bên trái và phải

- Số bể cảng có một tuyến đê chắn sóng không đều (Hình 1-6 j, l, n, q) Trường hợp này hướng sóng theo tia A phải có tần suất cao, mặt khác diện tích hữu hiệu của bể cảng

bị hạn chế, rất khó xây dựng các tuyến bến nhô để cập tàu các tuyến đặt ở góc chết hoặc đặt trực tiếp theo mép trong của tuyến đê chắn sóng

- Bể cảng có hai tuyến đê đặt song song được vận dụng cho các bể cảng đặt ở các cửa sông có các dải cát tự nhiên khá ổn định Trong trường hợp này chức năng ngăn cát ngang tầm với chức năng ngăn sóng

- Các tuyến đê chắn sóng vạch thẳng (Hình 1-6 e, f, g, h, k, m, n, p, q) áp đảo các tuyến đê chắn sóng vạch cong (Hình 1-6a, b, c, d, j, l), lý do chủ yếu là dễ thi công, thời gian xây dựng ngắn Các tuyến đê chắn sóng cong khó định vị, kết cấu phức tạp, chế tạo rắc rối

AA

- Bể cảng thương mại được mở rộng, tạo thành hai tầng cửa trong và ngoài, thậm trí có trường hợp ba tầng cửa Các tuyến đê cũ ở bể trong được cải tạo thành các bến nhô cho tàu đậu làm hàng (Hình 1-7c)

1.5.2 Hướng tàu vào

- Hướng tàu vào cửa cảng, trước hết khụng được song song với bờ vỡ tạo ra diện tớch hứng giú và súng tối đa, làm tàu dễ bị chệch hướng khú lỏi

n đê c

ng s

Cửa cảngβ

α

Hỡnh 1- 8 Sơ đồ hướng tàu vào cửa cảng

Gúc α hợp bởi giữa hướng tàu vào (trục dọc luồng kờnh biển) và bờ (Hỡnh 1-7) phải thoả món: α ≥ 300 Ngoài ra hướng tàu vào khụng được trựng với hướng súng chớnh

thống, khi trùng dễ bị va quệt vào hai đầu đê Góc β giữa hướng sóng chính thống và hướng tàu vào (Hình 1-7) nên lấy: β = 300 ÷ 550

Đối với các cảng biển có tàu viễn dương: B = 200÷300m

Các chiều rộng B ở trên là ứng với chiều rộng đủ độ sâu cho tàu ra vào Nếu kết cấu đê mái nghiêng thì chiều rộng thực tế thường lớn hơn chiều rộng tính toán Chiều rộng tối ưu được chọn thông qua hàng loạt các thí nghiệm mô hình vật lý về chế độ sóng trong bể cảng với đầy đủ các hướng sóng tác dụng

BÓ c¶ng

a)§ª ngoµi

gBÓ c¶ng

§ª B¾c

§ª NamN

Cöa c¶ng

Đê Nam

Cảng dầuc)

d)Bể trong

Cửa cảngĐê

Bể ngoài

Đê đảo

Đê đảo

Hỡnh 1- 9 Vị trớ cỏc cửa cảng 1.6 Phõn cấp, phõn loại kết cấu đờ chắn súng

1.6.1 Phõn cấp cụng trỡnh đờ chắn súng

Cấp cụng trỡnh đờ chắn súng bảo vệ cảng được xỏc định theo chiều cao súng tớnh toỏn của tần suất h1% tại chõn cụng trỡnh, chỗ cú độ sõu lớn nhất dọc theo tuyến đờ chớnh (tại đầu đờ sỏt cửa cảng):

- Cấp I, nếu h1% ≥ 7,0m là cụng trỡnh đờ vĩnh cửu; - Cấp II, nếu h1% < 7,0m là cụng trỡnh đờ vĩnh cửu;

- Cấp III, nếu h1% < 5,0m cho đờ vĩnh cửu và tất cả cỏc đờ tạm

Chỉ được phộp tăng một cấp cụng trỡnh đờ chắn súng so với quy định trờn cho cỏc trường hợp sau:

Cú ý nghĩa đặc biệt quan trọng (chủ quyền quốc gia, an ninh quốc phũng, xõy dựng kinh tế biển )

Xõy dựng trong điều kiện tự nhiờn rất bất lợi (nền đất rất yếu, thi cụng gấp trong điều kiện tự nhiờn khắc nghiệt )

Lần đầu tiờn ứng dụng một loại kết cấu mới, vật liệu mới

Ngoài cỏch phõn cấp trờn, đờ chắn súng cũn được phõn cấp theo độ sõu: - Cấp I khi độ sõu H ≥ 20m;

- Cấp II khi độ sõu H < 20m

1.6.2 Phõn loại theo mặt bằng đờ chắn súng

Theo mặt bằng vạch cỏc tuyến đờ cú thể phõn loại thành:

- Đờ nhụ: là tuyến đờ một đầu cắm vào bờ, cũn một đầu kia vươn ra xa biển tới cửa cảng (Hỡnh 1-4, 1-5, 1-6a, b, c, 1-7c, 1-8, 1-9a, b) đõy là loại thường gặp và một bể cảng gồm hai đờ nhụ bao bọc;

- Đờ đảo: là tuyến đờ chắn súng cả hai đầu đều khụng gắn với bờ (Hỡnh 1-6p, 1-7a, b, 1-9d) Nếu một bể cảng chỉ cú một tuyến đờ đảo thỡ thường ỏp dụng cho vịnh với ba phớa là bờ (Hỡnh 1-7b);

- Đờ hỗn hợp: hệ thống cỏc tuyến đờ của bể gồm cả đờ nhụ và đờ đảo (Hỡnh 6p, 7a, 1-9c), ỏp dụng giải phỏp này khi bể cảng rộng và đi kốm với nú cú từ 2ữ3 cửa cảng

1-Đối với cỏc cảng biển lớn được mở rộng phỏt triển trong nhiều giai đoạn lịch sử khỏc nhau thường phải vạch cỏc tuyến đờ hỗn hợp (Hỡnh 1-10)

Vũng trongT

đê vũ

Vũng ngoàiĐê mới

Vũng trong

Vũng cảng than

Hỡnh 1- 10 Bể cảng cú cỏc tuyến đờ hỗn hợp

1.6.3 Phõn loại đờ chắn súng theo tương quan với mực nước

Theo quan điểm này đờ chắn súng được phõn thành hai loại: đờ ngập và đờ khụng ngập

- Đờ ngập (Đờ chỡm) cú cao trỡnh đỉnh đờ thấp hơn cao trỡnh mực nước thi cụng, thậm chớ cũn thấp hơn cả mực nước thấp thiết kế Loại kết cấu này xõy dựng khi bể cảng dựng làm bói tắm hoặc chỉ ngăn cỏt, phự sa

- Đờ khụng ngập cú cao trỡnh đỉnh đờ luụn cao hơn mực nước cao thiết kế đối với cảng thương mại, cảng khỏch, cảng thuỷ sản chỉ nờn thiết kế đờ khụng ngập

1.6.4 Phõn loại đờ chắn súng theo cụng dụng

Theo cụng dụng đờ chắn súng được phõn thành cỏc loại: - Đờ dựng để chắn súng;

- Đờ ngăn cỏt;

- Đờ chắn súng - ngăn cỏt;

- Đờ hướng dũng (tại cỏc cửa sụng, chỗ cú hải lưu mạnh)

1.6.5 Phõn loại đờ theo hỡnh dạng mặt cắt ngang

Cỏch phõn loại này là chớnh xỏc nhất vỡ nú phản ỏnh được cỏc đặc trưng cơ bản của kết cấu, khụng những về cấu tạo mà cả về phương phỏp tớnh toỏn, cỏc giải phỏp thi cụng Dựa trờn gúc độ này kết cấu đờ được phõn thành:

- Đờ tường đứng trọng lực;

- Đê chắn sóng mái nghiêng; - Đê chắn sóng bắng cừ, cọc;

- Kết cấu đê hỗn hợp (nửa đứng, nửa nghiêng); - Đê thuỷ khí và các loại kết cấu đặc biệt khác

Trên hình 1-11 lần lượt diễn tả dạng tường đứng trọng lực, đê mái nghiêng, đê bằng cừ (cọc) và đê hỗn hợp

Hình 1- 11 Sơ đồ cấu tạo các loại đê chắn sóng

a) Tường đứng trọng lực; b) Mái nghiêng; c) Bằng cừ và cọc; d) Đê hỗn hợp - Composite

Mỗi loại kết cấu đều có ưu và nhược điểm:

- Kết cấu đê tường đứng trọng lực tốn ít vật liệu, thi công nhanh song đòi hỏi nhiều công đoạn chế tạo - thi công hiện đại, bị phản xạ sóng cao, dễ tận dụng làm kết cấu bến phía mép trong bể cảng;

- Đê chắn sóng mái nghiêng tốn rất nhiều vật liệu song lại khai thác được vật liệu ở địa phương, có khả năng tiêu hao năng lượng sóng cao Đê chắn sóng mái nghiêng thuộc loại kết cấu mềm nên khi xảy ra hư hỏng cục bộ dễ sửa chữa hơn kết cấu tường đứng;

- Đê bằng cọc và cừ cũng tốn ít vật liệu nhưng phải thêm công đoạn đóng cọc; - Đê hỗn hợp khắc phục được các nhược điểm của hai kết cấu đê mái nghiêng và tường đứng trọng lực, đồng thời phát huy được các ưu việt của hai loại kết cầu này;

- Các loại đê nổi, đê thuỷ khí ít được ứng dụng rộng rãi, đang ở giai đoạn thử nghiệm

Chương 1 1-1

1.1 Cảng biển và phân loại .1-11.2 Khu nước và bể cảng 1-11.3 Yêu cầu về che chắn sóng, ngăn cát cho bể cảng 1-31.4 Phương án mặt bằng các tuyến đê chắn sóng 1-51.5 Cửa cảng 1-71.6 Phân cấp, phân loại kết cấu đê chắn sóng .1-10