HWRU/CE Project - TU Delft

70

CHƯƠNG 6 – MÔ TẢ CƠ CHẾ XẢY RA SỰ CỐ ðỐI VỚI HỆ THỐNG CÔNG
TRÌNH PHÒNG CHỐNG LŨ VÀ HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂNCác chương 3, 4 và 5 cung cấp các cơ sở toán học trong phân tích thiết kế một hệ thống theo
lý thuyết ñộ tin cậy. Chương này ñề cập ñến các cơ chế phá hỏng có thể xảy ra ñối với hệ
thống công trình phòng chống lũ và hệ thống công trình bảo vệ bờ. Các cơ chề ñề cập trong
chương này bao gồm:
1) Chảy tràn/sóng tràn
2) Trượt mái ñê
3) ðẩy trồi/ xói ngầm
4) Hư hỏng kết cấu bảo vệ mái, ñỉnh ñê-xói thân ñê
5) Xói ngầm/ñẩy trồi nền công trình thuỷ công
6) Hư hỏng hệ thống ñóng mở cửa van của công trình thuỷ công.
7) Xói mòn ñê tự nhiên/ñụn cát ven bờ
Ngoài ra, các cơ chế phá hỏng khác như mất ổn ñịnh cục bộ của thân ñê, mất ổn ñịnh cục bộ
các bộ phận phụ thuộc công trình trong hệ thống cũng cần ñược xem xét trong bước phân tích
chi tiết. Trong phạm vị chương này chỉ trình bày cách xây dựng hàm tin cậy cho các cơ chế
hư hỏng phổ biến nêu trên.

6.1 Sóng tràn
Nguyên nhân gây ra cơ chế phá hỏng này là do lượng nước rất lớn chảy qua bề mặt ñê. Nếu
gió có hướng ra biển hay do các nguyên nhân khác làm cho sóng nhỏ thì sự cố là chảy tràn
(mực nước cao hơn bề mặt ñê). Trong các trường hợp khác thì nó là do sóng chảy tràn mặt ñê.
6.1.1 Cơ chế sóng tràn
Cơ chế sóng tràn xảy ra tại một khu vực ñê khi có lượng nước lớn rất lớn mà mặt trong ñê

/s/m] hoặc [l/s/m]
m
q0
= thông số mô hình xác ñịnh lưu lượng tràn thực tế - không thứ nguyên
q
0
= lưu lượng tràn thực tế [m
3
/s/m] hoặc [l/s/m]

HWRU/CE Project - TU Delft

71

Trong hàm tin cậy xuất hiện hai thông số mô hình. Các thông số này thường ñược xác ñịnh
thông qua các mô hình vật lý. Chúng chỉ ra tính bất ñịnh (không chắc chắn) trong mô hình mô
phỏng và mô hình xác ñịnh.
Cần lưu ý trong việc xác ñịnh các thông số hình học chủ yếu của công trình. Trong trường
hợp này thông số hình học chủ yếu của ñê bao gồm:
• Chiều dài mặt thoáng (ñà gió) và ñộ sâu tính toán tương ứng
• Kết cấu chân ñê
• Mái ngoài dưới cơ ñê
• Cơ ñê
• Mái ngoài trên cơ ñê
• Kết cấu ñỉnh ñê
• Mái trong của ñê (phía ñồng)
• Bảo vệ chân ñê phía ñồng
Các mô hình tính toán thường sử dụng:
• Mô hình mô phỏng xác ñịnh mực nước (DELFT 3D, ZWENDL, SOBEK [5.2],
WAQUA, etc )

tide
+ ∆Z
wind setup
+ ∆Z
gust
+ ∆Z
rise

HWRU/CE Project - TU Delft

72

Trong ñó:
MSL: mực nước biển trung bình theo cao ñộ quốc gia. Mực nước này ñược xác ñịnh là cao ñộ
triều trung bình của mặt biển ñối với tất cả các trạng thái thuỷ triều ñược ño liên tục trong chu
kỳ ít nhất là 19 năm.
Z
tide
: Cao ñộ triều cường, so với MSL.
∆Z
wind setup
: ñộ gia tăng mực nước trước ñê do bão hay ñộ dềnh nước do gió. ðây là chiều cao
nước dâng trên mực nước biển trung bình ở cửa biển phụ thuộc vào tác ñộng ma sát của gió
lên mặt biển. Khi có bão hoặc áp thấp xảy ra, cần phải kể thêm thành phần gia tăng mực nước
do có sự chênh lệch áp suất (thường áp thấp dẫn ñến gia tăng mực nước).
∆Z
gust
: mực nước gia tăng dưới tác ñộng của gió giật (trong bão)
∆Z
rise

vật liệu nền ñê (chủ yếu cát). Xói ngầm xảy ra khi sự xói mòn vật liệu nền ñê do dòng thấm
tăng, làm cho các hạt cát thuộc lớp ñất nền ñê liên tục di chuyển về phía hạ lưu. Quá trình này
phát triển tiếp diễn trong một thời gian sẽ dẫn ñến sự xuất hiện dòng chảy cát dưới nền ñê và
gây rỗng nền ñê, ñe dọa ñến sự ổn ñịnh của thân ñê [TAW-1999]. Hình 6.2 ðịnh nghĩa các biến trong cơ chế ñẩy trồi/xói ngầm. Hình 6.3 Cơ chế ñẩy trồi gây ra cho ñê (CUR 141, 1990).
Hình 6.4 Cơ chế xói ngầm ñối với lớp cát bên dưới chân ñê.

Cơ chế xói ngầm xảy ra khi nó ñồng thời thỏa mãn hai ñiều kiện: HWRU/CE Project - TU Delft

74

(1) Lớp sét nền ñê bị chọc thủng.
(2) Xuất hiện dòng chảy vận chuyển cát ngầm dưới ñê.
6.4.2 Hàm tin cậy của ñiều kiện (1)
Lớp ñất nền ñê bị chọc thủng khi áp lực dòng thấm do chênh cao cột nước lớn hơn trọng
lượng ñơn vị bão hòa của lớp ñất nền. Hàm tin cậy của ñiều kiện thứ nhất là:

ρ
c
: Khối lượng riêng của lớp sét.

ρ
w
: Khối lượng riêng của nước.
∆H : Chênh lệch mực nước.
L
t
: Chiều dài tính toán ñường viền thấm, xác ñịnh theo Blight.
C : Hệ số Blight.
L’; L
2
; B theo ñịnh nghĩa hình 6.4
m là thông số mô hình, ñể tính toán sự phân tán theo kinh nghiệm khảo sát
Z
2
= m*L
t
/c - ∆H (6-18)
Trong ñó:
L
t
= L
’
+L
2
+B+d
c = c

; m
h
là các thông số mô hình, xác ñịnh bằng kinh nghiệm hoặc từ mô hình vật lý.
Theo tiêu chuẩn Sellmeijr, chênh lệch cột nước tới hạn ñược xác ñịnh theo:
-
* * 1 (0.68 0.1*ln )tan
p
p
h
h c B c
γ
α φ
γ
 
= − −
 
 
(6-21)
γ
p
: trọng lượng thể tích của cát nền;
ϕ
: góc ma sát của cát nền.
các hệ số ñược xác ñịnh theo các công thức sau:
2.8
0.28
1
D
B
D

: ñường kính hạt chiếm tỉ lệ 10% trong ñường cong cấp phối
d
70
: ñường kính hạt chiếm tỉ lệ 70% trong ñường cong cấp phối
κ
: module hệ số thấm của lớp cát

6.5 Mất ổn ñịnh cấu kiện bảo vệ mái
Dưới tác dụng của ñiều kiện biên thủy ñộng lực học, kết cấu bảo vệ mái ñê (kè) có thể bị mất
ổn ñịnh. Một trong những nguyên nhân chính gây nên cơ chế phá hoại này là do tác ñộng của
sóng. Hàm tin cậy chung cho trường hợp này ñược ñịnh nghĩa như sau:
Z
= (
H
s
/
∆D
)
R
- (
H
s
/
∆D
)
S
(17)
Trong ñó: (
H
s

cot
α
gK
D
H
D
n
s
=
∆
(10a)

γ
s,
γ
n
là trọng lượng ñơn vị thể tích của vật liệu sử dụng và nước
H
S
là chiều cao sóng thiết kế

HWRU/CE Project - TU Delft

76

K
D
là hệ số ổn ñịnh, phụ thuộc vào vật liệu/kiểu cấu kiện sử dụng là lớp ngoài của kè,
xác ñịnh theo bảng 5.13
Bảng 5.13 Hệ số ổn ñịnh theo dùng với công thức Hudson, Theo TCVN.

ξ
là số sóng vỡ:
s
s
L
H
α
ξ
tan
=

ϕ
là hệ số ổn ñịnh phụ thuộc vào hình dạng và phương thức thi công, loại liên kết
ϕ
= 3 ñối với lớp ngoài sử dụng vật liệu ñá (ñá ñổ trên mái dốc tự nhiên)
ϕ
= 4 ÷ 4,5 ñối với cấu kiện ñúc sẵn lát khan
ϕ
= 5 ñối với cấu kiện ñúc sẵn lát khan trên nền vải ñịa kỹ thuật (bề mặt nhẵn), ñất sét.
ϕ
= 6 ñối với cấu kiện Basalton, tăng cường liên kết ma sát bằng cốt liệu thô (ñá răm)
ϕ
= 8 ñối với cấu kiện tự chèn trên nền thích hợp
Tiêu chuẩn Pilarczyk này có thể áp dụng ñược cho nhiều loại kết cấu bảo vệ mái (kè) khác
nhau bằng cách lựa chọn áp dụng các hệ số phù hợp (xem thêm Pilarczyk et al, Dikes &
Revetments, 1995)
ψ
u
= hệ thống tăng cường ổn ñịnh hệ thống, xác ñịnh theo kinh nghiệm và thực nghiệm (
ψ



=
∆
m
n
s
N
S
P
D
H
(14)
ðối với sóng trào:

HWRU/CE Project - TU Delft

77

ξ
α
5.0
2.0
13.0
50
cot0.1
−
−










=
∆
m
n
N
S
P
D
H
(14b)

ðối với sóng trào
(surging waves)
:

ξ
α
5.0
2.0
13.0
50
%2
cot4.1

ñặt vừa vùng mái bị xói trên chiều dài ñơn vị D
50
. Nếu ñộ dốc mái nằm từ 1 ñến 4 thì
S = 3 (xem thêm chi tiết tại Jan Van de Meer, 1993).
N: số con sóng tính toán, khuyến nghị sử dụng 7500 con sóng ñể ñạt gần ñến trạng thái
cân bằng về phân bố hình dạng mặt cắt ngang kè (về mặt kinh tế).
Ngoài các cơ chế phá hoại nêu trên, có thể tiến hành xây dựng hàm ñộ tin cậy cho rất nhiều cơ
chế phá hoại khác căn cứ vào các tiêu chuẩn theo phương pháp tất ñịnh (thiết kế truyền thống,
xuất phát từ ñiều kiện an toàn của một cơ chế, hay một kiểu sự cố bất kỳ nào). Các cơ chế phổ
biển khác thường gặp ñối với ñê, kè biển là như hư hỏng kết cấu bảo vệ chân công trình; Xói
lở thân ñê do hư hỏng kết cấu bảo vệ ngoài (có thể mái trong hoặc mái ngoài ñê, mái trong ñê
không ñược bảo vệ, hoặc ñược bảo vệ bằng trồng cỏ, phủ bê tông Asphalt, phủ bằng ñá lát
trên tầng lọc…); và cơ chế xói lở ñụn cát/ñê cát tự nhiên.

Tài liệu tham khảo
6-1) Vrouwenvelder, A.C.W.M., et al., Theoriehandleiding PC-RING, Deel A:
Mechanismenbeschrijving, (Theory manual PC-RING Part A: Description of Mechanisms, in
Dutch), Delft, TNO Bouw 98-CON-1430, 1999.
6-2) SOBEK Technical Reference Guide, Version 1.10, Delft Hydraulics & Ministry of
Transport, Public Works and Water management, 1996
6-3) Bretschneider, Ch.L., Generation of windwaves over shallow bottom, Technical
Memorandum No. 51, Beach Erosion Board, Office of the Chief of Engineers, 1954
6-4) Young, I.R. and L.A. Verhagen, The growth of fetch limited waves in water of finite
depth, Coastal Engineering 29 (1996), Elsevier Science B.V., December 1996

HWRU/CE Project - TU Delft

78

6-5) Meer van der, J.W., Golfoploop en golfoverslag bij dijken (Wave runup on and

Phụ lục 6-B

Phụ lục 6-C
HWRU/CE Project - TU Delft

81