Công trình đường thủy - Chương 7

Danh mục ký hiệu Chương 1: Khái niệm chung Chương 2: Quy hoạch tuyến chỉnh trị Chương 3: Tuyến chỉnh trị Chương 4: Tính toán kè mỏ hàn Chương 5: Tính toán đập khóa Chương 6: Kè hướng dòng Chương

Chương 7

KÈ ĐIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG, KÈ HỞ, GIA CỐ BỜ

7.1 Kè điều chỉnh lưu lượng:

Thường được dùng ở các đoạn sông phân nhánh, nó có tác dụng giống như đập khoá, dồn nước từ nhánh KCT sang nhánh CT và đảm bảo xói, khác với đập khoá nằm cắt ngang qua sông, kè điều chỉnh lưu lượng được đặt ngay ở đầu phân nhánh

Kè điều chỉnh lưu lượng thuộc loại công trình co hẹp lòng sông và gây xói nên MNTT là MN ứng với lưu lượng tạo lòng kiệt

Nh¸nh kh«ng ch¹y tµu

Nh¸nh ch¹y tµu

α α1

Hình 7-1 Sơ đồ bố trí kè điều chỉnh lưu lượng

Việc tính toán kè điều chỉnh lưu lượng bao gồm: xác định vị trí, chiều dài, cao trình đỉnh kè sao cho lưu lượng đi qua nhánh chạy tàu: QCTTT = ωCT.VTT (xem phần đập khoá) Dựa vào bình đồ địa hình chọn vị trí kè sao cho hợp lý, sơ bộ giả định góc hợp của kè và dòng chảy, chiều dài kè Ta cần xác định cao trình đỉnh kè

Trước hết cần xác định hệ số tăng lưu lượng cho nhánh CT: Nếu gọi α1 là góc phân dòng chảy trước khi có kè và α2 là góc phân dòng chảy sau khi có kè (góc giữa hai trục động lực của dòng chảy) Khi đó hệ số tăng lưu lượng đuợc tính theo công thức thực nghiệm như sau:

⎝⎛ −

ξK- hệ số cản của kè;

ωK - điện tích mặt cắt ướt tại vị trí có kè; F - tổng môđul cản trên nhánh chạy tàu;

QCT, QKCT - lưu lượng các nhánh ứng với lưu lượng tạo lòng trong sông chính khi chưa có kè;

theo các đường cong ôvan từ đó xác định được hK là chiều cao trung bình của kè

Trong trường hợp hK/T > 1 cần thay đổi giá trị của chiều dài kè và góc hợp với dòng chảy: hoặc tăng chiều dài kè hoặc giảm góc α, lặp lại các bước dùng đồ thị cho đến khi nào có được tỷ số hK/T < 1

7.2 Kè hở:

Kè hở có tác dụng như kè mỏ hàn nhưng cho nước chảy qua thân kè, kè hở thường làm bằng cọc Bê tông cốt thép đóng thành các hàng

Việc tính toán kè hở cũng được thực hiện ở lưu lượng tạo lòng và hệ số KTD được tính như sau:

Trong đó:

phân lưu lượng khi chưa có kè

ta xác định được hệ số cản của kè hở ξ dựa vào hệ thống đồ thị: 0

t = bằng cách tra bảng 7-1

d - đường kính cọc; bC - bước cọc;

t - mật độ tương đối của cọc

Bảng 7-1 Mật độ tương đối của cọc

t 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Nếu cho trước bước cọc bC thì đường kính cọc sẽ là: d=t.bC;

Nếu cho trước đường kính cọc bC thì bước cọc sẽ là: bC=

7.3 Đập khóa hở:

Đập khoá hở có tác dụng giống đập khoá, chỉ khác nhau về kết cấu: cho dòng chảy xuyên qua, thông thường làm bằng cọc và đóng thành các hàng Việc tính toán đập khoá hở cũng dựa trên nhiệm vụ tăng lưu lượng của nhánh chạy tàu sao cho đảm bảo xói khi lưu lượng trong sông là lưu lượng tạo lòng, trước hết ta xác định được môđul cản của đập khoá hở

Khi nhánh bên chạy tàu có lưu lượng là QCTTT ta có:

TTCTCTTT V

Trong đó VTT là vận tốc tính toán (xem phần kè mỏ hàn); Lưu lượng của nhánh không chạy tàu tương ứng là:

Mặt khác môđul cản được tính theo hệ số cản theo công thức:

ω- diện tích mặt cắt tại nơi có đập ứng với MNTT; Suy ra:

2KCT0 =∆F 2gω

Biện pháp thứ nhất tăng cường khả năng chống xâm thực của bề mặt lòng dẫn bằng kè ốp bờ

Biện pháp thứ hai không cho dòng chảy tác dụng trực tiếp vào bề mặt lòng dẫn bằng hệ thống đập đinh

KÌ èp bê§Ëp®inh

Hình7-5 Các biện pháp gia cố bờ

Đập đinh không tác dụng làm xói, không thu hẹp đáng kể lòng dẫn mà chỉ đẩy dòng chảy ra khỏi bờ Do tác dụng xói xẩy ra mạnh nhất ở mực nước lũ nên cao trình đập đinh lấy theo MN trung bình lũ

Kết cấu đập đinh giống như kè mỏ hàn nhưng ngắn (Từ 20÷100m), độ dốc thân kè lớn hơn từ 1:10 ÷1:25, mái dốc đầu kè từ 1:2,5 ÷1:3 Gốc kè tựa vào các bờ cao của bãi bồi

Việc tính toán đập đinh là xác định số lượng chiều dài mỗi đập và khoảng cách giữa chúng Chiều dài của các đập phụ thuộc vào chiều dài của đập đinh trung tâm Do đó trước hết người ta xác định chiều dài của đập trung tâm, chiều dài của nó phụ thuộc các yếu tố sau:

,2 01

lmax- chiều dài đập trung tâm; S0 - chiều dài khu vực cần gia cố; r0 - bán kính cong bờ cần gia cố;

r - bán kính cong của tuyến chỉnh trị tại đoạn gia cố

Xác định lmax bằng cách tra đồ thị 7-6, dựa vào tỷ số

gióng lên đường cong có giá trị

tương ứng từ đó xác định được rlmax

Sfl

Chiều dài của kè ốp bờ được xác định dựa trên cơ sở phân tích chập bình đồ của các năm khác nhau và các số liệu thực tế để xác định đoạn xói từ đó định ra chiều dài của đoạn gia cố

Phần gia cố được phân thành các vùng sau:

Chiều cao của các vùng được xác định như sau:

H3 - chiều cao dự phòng nằm ở phía trên cao trình của vùng sóng leo và nước dồn, thông thường lấy không nhỏ hơn:

0,4m - đối với công trình cấp 3 và cấp 4; 0,3m - đối với công trình cấp 5

(7-16) β - góc hợp giữa trục dòng chảy với đoạn gia cố (không lấy nhỏ hơn 300);

VTB - vận tốc trung bình của bó dòng đi sát bờ được xác định bằng cách lập bình đồ dòng chảy;

Bảng 7-2 Xác định hệ số mái dốc m

Vật liệu m

Cát trung bình và lớn 2,5 ÷ 3 Cát và đá cuội 1,5 ÷ 2

Đất thịt 3

Đá 0,5 Các bước tính toán tiếp theo dựa vào kết cấu đã biết của mái dốc:

- Ổn định tổng thể của mái dốc: tính theo trượt cung tròn (xem cơ đất); - Ổn định vật liệu trên mái dốc;

- Ổn định vật liệu do dòng chảy và sóng; - Tính toán chân khay (nếu có);

- Nếu trong gia cố có sử dụng cọc hoặc tường cừ để giữ chân thì việc tính toán như trong công trình bến;

- Nếu gia cố bằng các tấm BT hoặc BTCT thì cần kiểm tra độ bền của tấm dưới tác dụng của tải trọng sóng

7.5.1 ổn định vật liệu trên mái dốc:

Ta xét ổn định của mái dốc khi đất bờ được bạt tới mái dốc ổn định (đất bờ ổn đinh) cho 1m dài Có hai trường hợp:

7.5.1.1 Gia cố kín nước:

- Điều kiện chống đẩy nổi là: )

P =γ 1− 2 là độ chênh áp lực giữa 2 điểm trên và dưới lớp gia cố; )

dγb α là hình chiếu của trọng lực lớp gia cố G lên phương áp lực P - Điều kiện chống trượt, lực giữ phải lớn hơn lực gây trượt:

Lực gây trượt: Gsin(α)=dγbsin(α); Lực giữ: [dγbcos(α)−P]⋅fms;

Suy ra:

Trong đó: ms

f - hệ số ma sát giữa lớp gia cố và nền 7.5.1.2 Gia cố không kín nước:

Nếu lớp gia cố có nhiều lớp và độ chênh mực nước là ∆H ta có: - Điều kiện chống đẩy nổi:

Trọng lượng của lớp gia cố trong nước: ∑ []; =

Áp lực nước tác dụng vào mái dốc: γ∆H;

∆ - tổn thất cột nước trong các lớp Vậy điều kiện để chống đẩy nổi là:

γ - trọng lượng riêng của các lớp

- Điều kiện ổn định chống trượt của mái dốc:

Lực chống trượt:

i(1 m )( ) H fd

i(1 m )( ) H fd

7.5.2 Tính toán chân khay:

Chân khay được đưa vào nhằm giữ ổn định cho khối gia cố bề mặt và chống xói đáy Theo điều kiện ổn định khối lượng chân khay được xác định như sau:

Gọi:

Mgc - khối lượng lớp gia cố; Mck - khối lượng chân khay Khi đó lực giữ là: kMckfms Trong đó:

k - hệ số dự phòng, lấy bằng 0,8; fms - hệ số ma sát

Lực gây trượt: Mgc[sin(α)− fmscos(α)]cos(α); Trong đó:

M - lực kéo trên mái dốc;

M - lực cản trên mái dốc

Hiệu của hai lực trên chiếu theo phương ngang, ta được:

[sin(α)− mscos(α)]cos(α)≤0.8

7.5.3 Tính ổn định của vật liệu trên mái dốc dưới tác dụng của dòng chảy:

Nếu mái dốc được gia cố bằng đá đổ thì đường kính viên đá được xác định theo công thức:

m0 - hệ số ổn định tự nhiên của đá dưới nước, thường lấy bằng (m0=1,3÷1,15); m - hệ số mái dốc của lớp gia cố bờ;

θ - góc giữa đường mép nước và hình chiếu hướng dòng chảy lên mái dốc

Nếu lớp gia cố bằng các tấm lát thì chiều dày phải đảm bảo chống đẩy nổi và được xác định theo công thức sau:

V - vận tốc trung bình trong sông lớn nhất có thể xẩy ra;

7.5.4 Ổn định vật liệu đưới tác dụng của tải trọng sóng:

Khi lớp gia cố đựơc làm bằng đá đổ hoặc các khối bê tông thì khối lượng của chúng được xác định như sau:

- Vật liệu nằm trong khoảng z ≤0,7hs đến đỉnh công trình:

Đá 0,025 -

Khối kỳ dị 0,008 0,006 - Khi z>0,7hs

hz5.7z Me

- Khi thiết kế gia cố mái dốc bằng đá cấp phối đổ tự do thì phải chọn thành phần đá sao cho hệ số kgr nằm trong khoảng gạch chéo của đồ thị:

Hình 7-9 Miền khống chế của kgr

Giá trị của kgr được xác định theo công thức: 3

Bảng 7-5 Xác định hệ số kϕ)

MD

Khi lớp gia cố được làm bằng tấm bê tông thì bề dày của tấm được xác định từ điều kiện sau:

- Chống đẩy nổi; - Chống lật;

- Đảm bảo độ bền

Chiều dày chống đẩy nổi khi sóng rút được xác định như sau: )

hs - chiều cao sóng (m);

γb - trọng lượng riêng của bê tông (kN/m3); γ - trọng lượng riêng của nước (kN/m3); B - bề rộng tấm bê tông (m);

L - chièu dài tấm bê tông (m); m - hệ số mái dốc;

η - hệ số an toàn

Kiểm tra ổn định lật bằng hệ số: 4

Mg - môment giữ do trọng lượng bản thân tấm lát; Ml - môment lật do lực đẩy nổi và áp lực thấm Việc kiểm tra độ bền của tấm được thực hiện như sau: - Coi tấm như dầm trên nền đàn hồi;

- Áp lực sóng quy về tựa tĩnh (xem phần tải trọng sóng);

- Tính nội lực trong tấm để kiểm tra điều kiện bền (xem nền móng)

7.5.5 Tải trọng sóng tác dụng lên mái nghiêng

Đối với mái dốc được gia cố bằng những tấm lắp ghép hoặc đổ tại chỗ và có mái dốc: 1,5≤ctg(ϕ)≤5 thì biểu đồ áp lực tựa tĩnh lấy theo sơ đồ sau:

Hình 7-10 Sơ đồ tính áp lực lên mái nghiêng.

Trong đó Pd được xác định theo công thức: gh

ks được xác định theo công thức:

A và B là các đại lượng tính bằng m, xác định theo công thức sau: )

z3 là độ cao ứng với chiều cao sóng leo lên mái dốc (được xác định trong phần tham số sóng);

Các giá trị li được xác định theo công thức:

Trong đó:

42( ) 1)(

Giá trị của phản áp lực sóng dưới các tấm bản gia cố được xác định theo công thức: gh

Trong đó Pc,rel - phản áp lực tương đối được lấy theo đồ thị 7-11:

Hình 7-11 Sơ đồ tính phản áp lực sóng lên mái nghiêng,

Giá trị của tải trọng sóng do tàu lên mái dốc P(kN/m) xác định theo đồ thị áp lực sóng trong đó P(kpa) được xác định như sau:

Hình 7-12 Sơ đồ tính áp lực sóng do tàu lên mái nghiêng,

7.5.5.1 Khi sóng leo:

rsh1 hz

z= =− ; p1=0; 0

z= 2 = ; p2 =1,34ρghsh;

z == sh + ; p3 =0,5ρghsh hsh - chiều cao sóng do tàu;

hrsh - chiều cao sóng leo do tàu 7.5.5.2 Khi sóng rút:

f1 zz

z= =∆ , p1=0;

sh2 0 hz

z= = , p2 =−ρg(0 hsh −∆zf);

inf3 dz

z= = , p =3 p2

dinf - chiều sâu của chân mái dốc (m);

∆ - độ hạ thấp mực nước (m) sau lớp gia cố bờ do dòng thấm lấy bằng: 0,25hsh

khi chiều sâu gia cố <4m và gia cố chân không thấm nước;

0,25hsh khi chiều sâu gia cố >4m, chân khay đá đổ; 0,1hsh với tường cừ

7.5.6 Ổn định mái dốc đất

Hình 7-13 Sơ đồ tính trượt cung tròn

Tương tự như các công trình thuỷ công khác, phương pháp trượt cung tròn được áp dụng tính ổn định trượt sâu cho mái dốc đất Gọi O là tâm trượt, các công thức kiểm tra trượt cung tròn có dạng sau:

.cos' α ϕ1

(7-38) Trong đó:

K - hệ số ổn định, đối với đê mái nghiêng K>1,2÷1,5; R - bán kính cung tròn trượt;

C1 - lực dính của đất lấy theo qui định của trạng thái giới hạn I; ϕI - góc nội ma sát lấy theo qui định của trạng thái giới hạn I;

li - chiều dài đoạn cung tròn trượt tương ứng với nguyên tố chia nhỏ thứ i;

xi - khoảng cách nằm ngang từ trọng tâm của nguyên tố chia nhỏ thứ i tới tâm trượt;

αi - gradien của đường đáy nguyên tố thứ i;

H - ngoại lực tối đa theo phương nằm ngang tác động lên khối vật liệu đê ở trong cung trượt (áp lực thuỷ tĩnh, áp lực sóng, áp lực đất vv );

a - cánh tay đòn của ngoại lực h đối với tâm trượt O; W - tổng trọng lượng thực của nguyên tố chia nhỏ thứ i;

W’ - tổng trọng lượng hữu hiệu của nguyên tố chia nhỏ thứ i (bao gồm trọng lượng vật liệu và gia tải, đối với vật liệu ngâm trong nước tính với dung trọng đẩy nổi) 7.5.6.1 Xác định vùng tâm trượt nguy hiểm nhất :

Để tính toán ổn định trượt cung tròn, trước hết cầc phải xác định tâm trượt ban đầu O bằng phương pháp gần đúng của viện sĩ Fađeec như sau :

Hình 7-14 Sơ đồ xác định vùng tâm trượt

Tại điểm K là trung điểm của mái đê kẻ một đường với mái đê một góc 85o và một đường thẳng đứng

Theo phương pháp này thì tâm trượt nguy hiểm nhất nằm trong vùng dẻ quạt giới hạn bởi 2 tia KB và KC và hai cung tròn có bán kính R1 và R2 Giá trị của R1 và R2 phụ thuộc vào mái dốc m được lấy theo bảng sau:

Bảng 7-9 Xác định bán kính R1 và R2

m 1 2 3 4 5 6

0,75 0,75 1,0 1,5 2,2 3,0

1,5 1,75 2,3 3,75 4,8 5,5

Có thể xác định theo cách tìm tâm trượt Kmin, min trên hai đường vuông góc với nhau Trên tia 1 xác định tâm trượt nguy hiểm nhất Kmin, dựng đường vuông góc với tia 1 sau đó tìm tâm trượt nguy hiểm nhất trên tia này Kmin, min, đây chính là tâm trượt nguy hiểm nhất

Đường 1 được dựng như sau: từ điểm A hạ thẳng đứng xuống một đoạn bằng H lấy về phía trước một đoạn 4,5H, ta xác định được điểm N Vẽ hai tia hợp với mái dốc và mặt nằm ngang các góc θ , 1 θ (như hình vẽ) ta được điểm M, nối Mvà N Giá trị của các 2góc θ , 1 θ xác định theo bảng 2

Bảng 7-10 giá trị các góc θ , 1 θ theo mái dốc 2

Hình 7-16 Sơ đồ xác định mặt trượt cung tròn

Tỷ số giữa bán kính cung trượt và chiều cao mái dốc phụ thuộc vào chiều sâu mặt trượt t được cho trong bảng sau:

Bảng 7-11 Xác định bán kính cung trượt R

R/H khi hệ số mái dốc m bằng t/H

1 2 3 4 5 6 0,25 1,5÷2 1,6÷2,2 2,3÷3 3÷4,5 4÷5,5 5÷6,5

0,5 1,5÷2,3 1,8÷2,6 2,4÷3,2 3÷4,5 4÷5,5 5÷6,5 1,0 2÷2,5 2,2÷3 2,6÷3,5 3,5÷4,5 4÷5,5 5÷6,5 1,5 2,75÷3,5 3÷3,75 3÷4,2 3,5÷4,5 4÷5,5 5÷6,5

7.6 Xác định tham số sóng và mực nước:

Khi xác định các thông số của sóng ở phía vùng nước không được che chắn và trong các khu nước được che chắn phải xét đến các yếu tố hình thành sóng, tốc độ gió, hướng gió, thời gian tác động liên tục của gió trên mặt nước Kích thước và hình dạng của vùng nước chịu gió, địa hình đáy biển và độ sâu vùng nước có xét đến các dao động mực nước

Mực nước tính toán và các đại lượng của gió phải xác định theo kết quả xử lý thống kê các chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm (≥25 năm) Khi xác định mực nước tính toán phải xét đến các dao động do thuỷ triều, nước dâng và nước rút do bão, các dao động theo mùa và theo năm

Khi tính toán các thông số sóng phải chia biển thành các vùng sau đây:

- Vùng nước sâu: độ sâu d≥0.5λd, ở vùng này đáy biển không ảnh hưởng đến các đặc trưng của sóng;

- Vùng nước nông: độ sâu d nằm trong phạm vi 0.5λd ≥d>dcr, ở vùng này sự lan truyền của sóng và các đặc trưng của sóng chịu ảnh hưởng của đáy biển

- Vùng sóng đổ: từ độ sâu dcr đến độ sâu dcr,u là độ sâu bắt đầu và kết thúc của sóng đổ;

- Vùng mép nước: nơi có độ sâu ≤dcr,u, ở đó sóng vỡ tràn lên bờ có chu kỳ;

- Khi xác định độ ổn định và độ bền của công trình thuỷ và các cấu kiện, suất bảo đảm tính toán của chiều cao sóng trong hệ sóng được lấy theo bảng:

Bảng 7-10 Xác định suất bảo đảm của công trình thuỷ

Loại công trình thuỷ Suất bảo đảm tính toán của chiều cao sóng %

Công trình dạng đường

Công trình kiểu kết cấu hở và vật liệu cản cục bộ: - Cấp I

- Cấp II - Cấp III

1 5 13 Công trình gia cố bờ:

- Cấp I, II

Công trình chắn sóng có mái dốc gia cố bằng:

- Tấm, bản Bê tông - Đá đổ, các khối kỳ dị

1 2

7.6.1 Mực nước tính toán

Mục nước tính toán cao nhất phải lấy theo quy định của các tiêu chuẩn thiết kế công trình thuỷ Khi xác định tải trọng và tác động trên công trình công trình thuỷ thì suất bảo đảm tính toán cuả mực nước lấy không lớn hơn:

1% (1 lần trong 100 năm) đối với công trình cấp I; 5% (1 lần trong 20 năm) đối với công trình cấp II, III; 10% (1 lần trong 10 năm) đối với công trình cấp IV; theo mực nước cao nhất hàng năm

Khi thiết kế các công trình bảo vệ bờ trên các vùng hồ thì phải lấy suất bảo đảm tính toán mực nưóc theo bảng 7-11:

Bảng 7-11 Xác định suất bảo đảm của công trình bảo vệ bờ

Suất bảo đảm của mực nước tính toán % khi cấp công trình

bằng Công trình bảo vệ bờ

II III IV

1 Tường kiểu trọng lực (chắn

2 Đập đinh và đê chắn sóng ngập nước

3 Bãi tắm nhân tạo: a, Không có công trình b, có công trình

1 50 Suất đảm bảo mực nước của bảng 7-11 phải lấy theo:

- Mực nước cao nhất hàng năm đối với công trình thuộc cấp II, III và IV ở mục 3a - Mực nước trung bình năm đối với các công trình cấp IV ở mục 1,2,3b