Nghiên cứu mô hình vật lý về tăng cường một công trình chắn sóng gồm các khối nhân tạo Tetrapod

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

Các khu vực ven biển được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau bởi cả chính phủ và các tập đoàn tư nhân. Một trong những mục đích quan trọng là liên quan đến việc làm mát và vận chuyển nhiên liệu đến các nhà máy điện. Do đó, nhiều cấu trúc bảo vệ ven biển được sử dụng để ngăn ngừa thiệt hại nghiêm trọng cho con người và các cấu trúc phía sau chúng. Sự ổn định của các cấu trúc này cần được xem xét cẩn thận. Một cảng thương mại, nằm ở tây nam Biển Đen dọc theo bờ biển Thổ Nhĩ Kỳ, đã bị hư hỏng nghiêm trọng do một cơn bão mạnh vào ngày 18-19 tháng 1 năm 2018. Sơ đồ mặt bằng của cảng được hiển thị trong Hình 1.1, chỉ ra vị trí của các đê chắn sóng và số các đoạn.

Hình 1.1: Sơ đồ bố trí của cảng bị hư hỏng

Sau sự kiện bão này, các đê chắn sóng chính và phụ (lớp giáp được cấu tạo bởi các đơn vị tetrapod) của cảng hoàn toàn bị hỏng ở Đoạn 2-2 và Đoạn 10-10 (xem Hình 1.1: Sơ đồ bố trí của cảng bị hư hỏng). Các đoạn 1-1, 3-3, 4-4, và 11-11 của các đê chắn sóng cũng bị hư hỏng đáng kể. Độc giả quan tâm có thể tham khảo Guler et al. (2022) để thảo luận chi tiết về đặc điểm của cơn bão gây thiệt hại cho cảng này cũng như các cơ chế gây hư hỏng và thất bại của các đê chắn sóng. Các biện pháp khẩn cấp phải được thực hiện; do đó, các đê chắn sóng bị hư hỏng đã được sửa chữa dựa trên thiết kế của các cấu trúc đê chắn sóng trước khi xảy ra sự kiện càng sớm càng tốt. Trong khi đó, các tham số sóng thiết kế của các cấu trúc phòng thủ ven biển đã được đánh giá lại dựa trên các cơ sở dữ liệu gần đây và khả năng củng cố các cấu trúc này đã được xem xét.

Trong việc củng cố các đê chắn sóng đã được sửa chữa, việc thêm một lớp giáp mới lên mặt cắt hiện có mà không cần bất kỳ lớp lọc đá nào giữa lớp giáp hiện có và lớp giáp mới được xem xét. Ngoài ra, cần giảm thiểu sự tràn sóng để bảo vệ băng chuyền và các thiết bị khác ở phía bến cảng. Để giảm thiểu sự tràn sóng, mức đỉnh đã được nâng lên bằng các đơn vị nhân tạo. Nghiên cứu này điều tra sự ổn định của lớp giáp mới, sự ổn định của thiết kế mới và tối ưu hóa của nó, sự tràn sóng và ảnh hưởng của nó đến sự ổn định của lớp giáp phía sau, và các ảnh hưởng gây ra bởi việc đặt lớp giáp lên đỉnh.

Trong nghiên cứu này, đầu tiên, các mặt cắt ngang của đê chắn sóng hiện có được xây dựng. Sau đó, thiết kế mới được củng cố đã được xây dựng trên cấu trúc hiện có. Các thí nghiệm được thực hiện riêng lẻ cho Đoạn 4-4 và 2-2. Đối với cả hai đoạn, sự ổn định của lớp giáp và thiết kế chân đế đã được điều tra, và cũng cố gắng tối ưu hóa thiết kế chân đế. Đối với Đoạn 4-4, sự tràn sóng đã được điều tra. Mặt khác, sự ổn định của lớp giáp phía sau đã được điều tra cho Đoạn 2-2.

Nghiên cứu này được thực hiện để điều tra các câu hỏi nghiên cứu dưới đây:

(i) Hiệu suất của các khối antifer được đặt trực tiếp lên các trụ chắn sóng tetrapod như thế nào?

(ii) Thiết kế chân đế ảnh hưởng đến sự ổn định tổng thể của cấu trúc và sự tràn sóng như thế nào?

Nghiên cứu này được cấu trúc như sau:

Trong Chương 2, tài liệu về các đê chắn sóng bị hư hỏng và củng cố, và các khối antifer sẽ được giới thiệu ngắn gọn.

Trong Chương 3, mô tả về đê chắn sóng hiện có và thiết kế của các mặt cắt ngang mới sẽ được giải thích ngắn gọn.

Trong Chương 4, mô tả về các thí nghiệm mô hình vật lý được trình bày. Chương này mô tả hệ thống kênh sóng và máy tạo sóng, bố trí thí nghiệm và quy mô, các bộ sóng và điều kiện mực nước, xây dựng mặt cắt ngang, đo lường, và chương trình thí nghiệm.

Kết quả của các thí nghiệm được trình bày trong Chương 5. Có hai phần chính. Phần đầu tiên liên quan đến mặt cắt nông hơn (Đoạn 4-4). Trong phần này, thiệt hại lớp giáp và lớp chân đế trong mỗi phương án và lượng tràn sóng sẽ được đưa ra. Trong phần thứ hai của chương này, kết quả của các thí nghiệm về mặt cắt sâu hơn (Đoạn 2-2) sẽ được trình bày. Thiệt hại trên lớp giáp và lớp chân đế trong mỗi phương án và đo lường thiệt hại phía sau sẽ được trình bày.

Trong Chương 6, một số cuộc thảo luận về kết quả đã được thực hiện. Đó là sự ổn định của lớp giáp, sự ổn định của lớp chân đế, so sánh sự tràn sóng, và sự ổn định phía sau sẽ được thảo luận.

Trong Chương 7, tổng kết những gì đã được thực hiện và nhận xét tương lai sẽ được đề cập.

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Có nhiều ví dụ trong tài liệu về thiệt hại của các đê chắn sóng do bão và sóng thần và việc sửa chữa những thiệt hại này. Khi các ví dụ này được xem xét về thiệt hại do bão gây ra trong các đê chắn sóng đống đổ nát, một trong những ví dụ quan trọng nhất là đê chắn sóng cảng Sines ở Bồ Đào Nha (Baird et al., 1980). Có hai ví dụ quan trọng từ Thổ Nhĩ Kỳ; Đê chắn sóng cảng Antalya (Gunbak & Ergin,1985) và đê chắn sóng cảng Giresun (Kilicoglu et al., 2004), đã bị hư hỏng nặng sau những cơn bão mạnh. Các nghiên cứu được thực hiện trong các ví dụ đã được đưa ra rất quan trọng vì chúng tiết lộ các cơ chế gây hư hỏng cho các đê chắn sóng này và các biện pháp kỹ thuật cần được thực hiện để ngăn ngừa thiệt hại như vậy trong tương lai. Tuy nhiên, có một số lượng hạn chế các nghiên cứu trong tài liệu bao gồm các nghiên cứu mô hình vật lý để loại bỏ các thiệt hại như vậy và củng cố các đê chắn sóng.

Trong phần này, một số trường hợp hư hỏng trong tài liệu được trình bày. Sau đó, đơn vị antifer được sử dụng để củng cố đê chắn sóng bị hư hỏng sẽ được mô tả.

2.1 Một số trường hợp hư hỏng của đê chắn sóng

Một ví dụ về nghiên cứu tổng quan được chuẩn bị tốt là nghiên cứu của Wiegel (1982). Nó cung cấp thông tin rộng rãi về thiệt hại đê chắn sóng do bão mạnh và sóng thần trước năm 1982. Tuy nhiên, nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các thiệt hại đê chắn sóng đống đổ nát, được xây dựng bằng các đơn vị nhân tạo mảnh hơn như dolosse và tetrapod, do bão mạnh gây ra, vì mặt cắt liên quan trong nghiên cứu này được xây dựng bằng các khối tetrapod.

Một trong những đê chắn sóng bị hư hỏng được ghi nhận sớm là đê chắn sóng cảng Kahului. Cảng Kahului nằm trên bờ biển phía bắc của đảo Maui. Cảng này được bảo vệ bởi hai đê chắn sóng đống đổ nát (Quân đoàn Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ, 1982). Năm 1956, đê chắn sóng này đã được củng cố bằng cách sử dụng các đơn vị tetrapod không gia cố nặng 33 tấn dưới mực nước thấp trung bình 3,05 mét lên đến nắp bê tông sau một cơn bão mạnh vào tháng 3 năm 1954. Tuy nhiên, đê chắn sóng này lại bị hư hỏng. Để củng cố, hai lớp tribars nặng 35 tấn đã được đặt ở phần ba dưới của sườn dốc trong khi hai lớp tribars nặng 50 tấn được đặt ở hai phần ba trên của sườn dốc trên cùng của sườn dốc hiện có vào năm 1966 (Sargent et al., 1988).

Một ví dụ khác về đê chắn sóng bị hư hỏng là đê chắn sóng Crescent City. Thiệt hại xảy ra trên đê chắn sóng vào tháng 2 năm 1960. Thiệt hại là sự gãy vỡ rộng rãi của các đơn vị tetrapod chắn sóng nặng 25 tấn. Để sửa chữa đê chắn sóng này, dolosse nặng 40 tấn đã được đặt vào năm 1973 (Magoon et al., 1974).

Một ví dụ nổi tiếng trong phạm vi này là đê chắn sóng Sines nằm ở Bồ Đào Nha, được xây dựng bằng cách sử dụng các đơn vị dolosse không gia cố nặng 42 tấn ở lớp giáp trên lớp giáp phụ bao gồm các viên đá nặng 3-6 tấn (Ban điều tra Cảng Sines của ASCE, 1982) và bị hư hỏng do một cơn bão vào năm 1978. Mặc dù chiều cao sóng thiết kế là Hs = 11,0 mét và nó được thiết kế cho độ sâu nước 30-45 mét, chiều cao sóng có ý nghĩa gây hư hỏng được tìm thấy từ 8-9 mét (Ligteringen, 1987). Một trong những lý do chính gây thiệt hại nghiêm trọng là do đánh giá quá cao sức mạnh cơ học của các đơn vị dolosse. Đê chắn sóng đã được sửa chữa bằng cách sử dụng các khối antifer nặng 90 tấn được đặt trên một nền tảng tái tạo từ các viên đá nặng 6-12 tấn với một sườn dốc nhẹ hơn (Burcharth, 1987).

Một ví dụ quan trọng khác là đê chắn sóng Arzew El Djedid nằm ở Algeria, được xây dựng bằng các đơn vị tetrapod ở lớp giáp và bị hư hỏng do một cơn bão vào năm 1980. Sự hư hỏng của đê chắn sóng liên quan đến sự gãy vỡ của các đơn vị cốp pha trụ chắn sóng tetrapod nặng 48 tấn hơn là sự ổn định thủy lực (Burcharth, 1987). Lớp giáp của đê chắn sóng bị hư hỏng này đã được củng cố bằng cách sử dụng các đơn vị antifer nặng 40 tấn. Hơn nữa, các đơn vị tetrapod nặng 60-65 tấn đã được đặt lên trên các đơn vị antifer này (Gunbak,1999).

Một ví dụ khác là đê chắn sóng Tripoli nằm ở Libya, được xây dựng bằng các đơn vị tetrapod ở lớp giáp và bị hư hỏng do một cơn bão vào năm 1981. Lý do chính gây hư hỏng là các tham số sóng thiết kế không được tìm thấy đúng (Maddrell, 2006). Đê chắn sóng đã được củng cố bằng cách lắp đặt một parapet mới và thêm một lớp đơn vị tetrapod mới (cùng kích thước với các đơn vị hiện có) lên lớp giáp.

Một ví dụ khác là cảng Antalya, nằm ở Thổ Nhĩ Kỳ. Ở lớp giáp phía biển, các viên đá nặng 9-15 tấn được sử dụng làm hai lớp, và ở lớp giáp phía sau, các viên đá nặng 2-6 tấn được sử dụng. Đê chắn sóng này đã bị hư hỏng do một sự kiện bão xảy ra vào năm 1971. Lý do chính gây thiệt hại là cơn bão đánh vào đê chắn sóng trong quá trình xây dựng (Gunbak & Ergin, 1985). Đê chắn sóng đã được củng cố bằng cách đặt hai khối bê tông hình chữ nhật khác nhau, có kích thước 2x2x4m và 2x2x5m, ở lớp giáp. Trọng lượng riêng của bê tông được lấy là 2,4. Do đó, các khối hình chữ nhật nhỏ hơn nặng 38,4 tấn và các khối bê tông hình chữ nhật lớn hơn nặng 48 tấn. Ở lớp chân đế, các viên đá nặng hơn 15 tấn đã được sử dụng.

Một ví dụ khác là cảng Giresun, nằm ở Thổ Nhĩ Kỳ. Ở lớp giáp sử dụng các viên đá nặng 10-15 tấn. Đê chắn sóng này đã bị hư hỏng nặng bởi một cơn bão vào năm 1999. Lý do chính gây thiệt hại là các tham số sóng thiết kế không được tìm thấy đúng và bảo trì không được thực hiện đúng cách (Arıkan, 2010).

Ví dụ cuối cùng được đưa ra là đê chắn sóng Richards Bay. Đê chắn sóng này được làm bằng cách sử dụng các đơn vị dolos nặng. Đê chắn sóng này đã bị hư hỏng bởi một cơn bão mạnh với chiều cao sóng 8,5 mét vào tháng 3 năm 2007. Chiều cao sóng này lớn hơn chiều cao sóng thiết kế (Domingo, 2012). Cho đến nay, hầu hết các đê chắn sóng bị hư hỏng này bao gồm các đơn vị dolosse và ván khuôn tetrapod. Một trong những lý do cho điều này là không có nhiều đơn vị nhân tạo khác nhau để xây dựng các đê chắn sóng này. Hơn nữa, cả các đơn vị dolosse và tetrapod sẽ bị gãy sớm hơn ngoài sức mạnh vật liệu của chúng do tính mảnh mai. Vấn đề này đã được nghiên cứu để có được công thức thực nghiệm về sự gãy vỡ của các đơn vị dolosse và tetrapod (Burcharth et al., 2000).

Hơn nữa, nhiều đê chắn sóng đã được củng cố bằng cách sử dụng các đơn vị antifer cũng như các đê

Một bản vẽ minh họa cho các góc nhìn xiên, dưới dạng bản vẽ kế hoạch và cắt ngang của một khối antifer được thể hiện trong Hình 2.1 (Yagci & Kapdasli, 2003).

Hình 2.1: Bản vẽ xiên, kế hoạch và cắt ngang của một khối antifer (chuyển thể từ Yagci & Kapdasli, 2003)

Một ví dụ về các khối antifer được sử dụng trong các thí nghiệm được thể hiện trong Hình 2.2.

Hình 2.2: Các góc nhìn xiên, kế hoạch và cắt ngang của các khối antifer được sử dụng trong các thí nghiệm

>>> XEM THÊM: Báo cáo đánh giá tác động môi trường của dụ án bến cảng thuỷ nội địa