Tính toán thảm bê tông và hệ số tin cậy trong thiết kế kè _ TS nguyễn thị diễm chi

TÍNH TOÁN THẢM BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ KÈ
CALCULATION OF CONCRETE CARPET IN DESIGN OF REVETMENTS
TS. NGUYỄN THỊ DIỄM CHI
Khoa Công trình, Trường ĐHHH Việt Nam
Tóm tắt
Ở nước ta, do nguồn nguyên liệu đá dồi dào ở hầu hết các tỉnh nên kết cấu kè truyền thống bảo
vệ bờ sông thông dụng là đá lát phần mái kè và thả rọ đá bảo vệ chân kè. Tuy nhiên, ở một số
địa phương như đồng bằng sông Cửu Long, đá là vật liệu khan hiếm và giá thành cao hơn các
loại vật liệu xây dựng khác nên việc sử dụng tấm bê tông liên kết thành thảm bê tông là rất hiệu
quả. Bài báo này nghiên cứu ứng dụng tính toán thảm bê tông trong thiết kế kè.
Abstract
In Viet Nam, natural stone is available in almost provinces so traditional revetment structure is
usually designed with stone for underwater part and slope of revetments. However, some
locations such as Mekong Delta, stone is limited and lead to construction cost of stone
revetment is higher than other materials, the use of concrete carpet in construction of
revetmentsis effectively. This paper studies application of concrete carpet in design of
revetments.
Keywords: stone, revetments, concrete carpet.
1. Giới thiệu chung
Kè thảm bê tông gồm các tấm bê tông liên kết với nhau bằng dây cáp thép (hình 1.c) trên lớp vải
địa kỹ thuật có thể chống lại tác dụng phá hoại của nước biển, tia cực tím mặt trời …
Khe hở giữa các tấm bê tông thường đổ đầy đá vụn, sỏi hoặc cao su (hình 1.b) nên thảm bê tông
ổn định hơn so với kết cấu kè thả đá rời. Thảm bê tông có ưu điểm là hiệu qủa sử dụng tốt, thi công
nhanh. Nhưng có nhược điểm làm ép thảm có thể bị cuốn lật khi chịu tải trọng thủy lực. Vì vậy, để tăng
ổn định của thảm, các tấm bê tông tại mép thảm thường dày và nặng hơn [1],[3],[4].
S

a)

Lớp vải địa kỹ thuật b)

c)
Hình 1. Ví dụ thảm bê tông
a)Thảm bê tông tiêu chuẩn: các tấm bê tông ghim trực tiếp vào lớp vải lọc
b)Thảm bê tông liên kết dầm: Khe hở giữa các tấm bê tông được làm đầy bằng đá vụn, sỏi
c)Thảm cáp: các tấm bê tông liên kết với nhau bằng dây cáp thép.

2. Các quy trình tính toán kè thảm bê tông
2.1. Tải trọng sóng
Khi sóng tác dụng lên kè, dòng chảy do sóng xuất hiện dọc theo mái và xuyên qua kè. Lực sóng
khi leo lên mái hướng ngược với trọng lực nên ít nguy hiểm hơn so với khi sóng trườn xuống. Khi tính
toán tác động của tải trọng sóng, hệ số của kè F tương ứng với kết cấu kè được lấy theo bảng 1 [1],[3]:
Bảng. Hệ số kè thảm bê tông

Kết cấu kè

F


Tấm bê tông trên nền cát

5-6

Tấm bê tông trên nền đất sét
-

Sét tốt

-

Sét trung bình

5-6
4,5-5

Thảm bê tông trên lớp lọc cấp phối hạt:
-

Thi công tốt

5-6

-

Thi công trung bình

4-5

-

Thi công kém

3 -4

2.2. Ổn định đất nền
Khi sóng tác dụng lên mái kè thảm bê tông được neo chắc chắn, hiện tượng thảm bị trượt hoặc
đẩy nổi là khó xảy ra. Tuy nhiên, chuyển động của nước xuyên qua mái kè và thấm vào lớp đất nền gây
hiện tượng tích dẻo, hóa lỏng và sụt mực nước làm lớp đất nền bị trượt cạn, đặc biệt khi đất nền là cát.
Yếu tố quan trọng quyết định kè ổn định hay không là cơ cấu đất nền. Vì vậy kiểm tra ổn định của đất
nền phải được xem xét như một tiêu chuẩn khi thiết kế.
* Hiện tượng tích dẻo [1],[2]

Sự tích dẻo trong đất nền có quan hệ tỷ lệ thuận với cấp cốt hạt, độ thấm và độ nén của nước khe
hở. Sự tích dẻo gây lên các cơ chế phá hoại như: Đẩy nâng hoặc trượt cục bộ lớp bề mặt kè, sạt lở lớp
đất nền.
Khi đất nền là sét ướt, sức căng lớn nhất của nước xuất hiện ngay dưới bề mặt tiếp giáp giữa kè
và đất nền nên không xảy ra khả năng trượt lớp nền. Khi lớp đất nền là sét khô với nhiều khe nứt, cấu
trúc cục, do độ thấm lớn và sức căng nước ảnh hưởng sâu hơn nên lớp đất nền dễ bị trượt.
Biểu đồ trên hình 2 là biểu đồ thiết kế ổn định của kè thảm bê tông đặt trên nền cát được xây dựng
o
với giả thiết cát chặt trung bình có góc nội ma sát 35 .

Sop=0.02

Trượt nền

Trượt nền

Sop=0.05

Chiều
cao
sóng
lớn
nhất

Chiều dày lớp mặt (m)

Chiều dày lớp mặt (m)

Hình 2. Biểu đồ ổn định trượt của nền kè thảm bê tôngtrên nền
o

cát chặt có góc nội ma sát 35 [2]
1) Mái dốc 1:5; 2) Mái dốc 1:4; 3) Mái dốc 1:3; 4) Mái dốc 1:2

Khi thảm bê tông đặt trên một lớp đệm lọc có chiều dày b, chiều dày của lớp mặt trên các biểu đồ
được xem là: D+b/∆1
Với ∆1 là tỷ trọng tương đối của lớp mặt trong nước, xác định theo công thức:
∆1=(1-)/
: Khối lượng đơn vị của nước(kg/m )
3

1: Khối lượng đơn vị của lớp mặt (kg/m )
3

Với kè thảm bê tông: ∆1= 1,2 ÷ 1,9
* Hiện tượng hóa lỏng

(1)


Khi sức căng quá tải của nước xuất hiện làm giảm áp lực liên kết giữa các hạt và giảm sức kháng
trượt gây lên hiện tượng hóa mềm hay hóa lỏng.
Khi lớp mặt trên đất nền là đất sét hoặc lớp đệm lọc là cấp phối hạt, hiện tượng hóa lỏng không
xuất hiện.
Khi lớp mặt trên đất nền là cát, hiện tượng hóa lỏng không xuất hiện nếu:
-

Độ dốc mái kè thoải hơn hoặc bằng 1:3

-

Độ dốc mái kè thoải hơn 1:2 và chiều cao sóng nhỏ hơn 2m

-

Độ dốc mái kè thoải hơn 1:2 khi đất nền được đầm chặt.

* Hiện tượng sụt giảm mực nước
Sự nguy hiểm khi mực nước giảm phụ thuộc vào chiều dài rò rỉ, hay phụ thuộc vào tính chất cơ lý
của lớp bề mặt và lớp đất nền. Nếu kè thảm bê tông trên nền đất cát thì chiều dài rò rỉ nhỏ nên sự giảm
mực nước ít gây nguy hiểm cho kè.
Một kè thảm bê tông có độ dốc mái 1:2,chiều dày D = 0,1m, tỷ trọng tương đối của lớp mặt trong
-5
nước ∆1 = 1,3 trên nền cát. Nếu chiều dài rò rỉ lớn hơn 0,2 m, thì độ thấm của lớp mặt ≤ 7,5.10 m/s,
trong trường hợp này hiện tượng giảm mực nước tương đối nguy hiểm.
2.3. Tải trọng dòng chảy
Tải trọng của dòng chảy tác dụng lên kè thảm bê tông phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy và được
xác định theo công thức của Pilarczyk [1]:
(2)
Thông số mái Ks là sự ổn định các thành phần kè phụ thuộc vào độ dốc mái α và góc nội ma sát 
của vật liệu kè:
Với thảm bê tông liên kết cáp có neo: Ks = cosα
Với thảm không neo, bê tông ghép không liên kết:
(3)
Thông số ổn định  và thông số Shield tới hạn  phụ thuộc vào loại kết cấu kè.
Thông số chiều sâu nước Khphụ thuộc vào cách thức phát triển và độ ráp của dòng chảy.

(4)
h: Chiều sâu dòng sông
α: Góc dốc mái kè
3. Ứng dụng tính toán kè thảm bê tông

Tính toán kè thảm bê tông chịu tác động tải trọng sóng và dòng chảy rối với điều kiện biên như
sau:
- Chiều cao sóng
: Hs=0.5m;
- Chu kỳ sóng
: Tp=4s;
- Độ dốc mái kè
: cotgα =3;
- Chiều sâu kênh dẫn
: h = 1,5m
- Vận tốc dòng chảy trung bình : uct= 3,2 m/s
- Tỷ trọng tương đối
: ∆1 = 1,5
Đất nền là cát đầm chặt có D50 = 0,15mm với góc nội ma sát của nền cát :1 = 35
Chiều dài rò rỉ xác định là 0,2 m.
* Xét ảnh hưởng của tải trọng sóng
Chiều dài sóng nước sâu ở thời điểm đỉnh

2

: Lop = g/2π.Tp = 25m

o


Độ dốc sóng

: Sop = Hs/Lop=0,02

Thông số sóng vỡ

:

Thông số kè trên nền cát (tra bảng 1)

: F=5 ÷ 6

Tải trọng tới hạn
: Hs/D= F. op
= 2.8 ÷3.4
Chiều dày yêu cầu của tấm bê tông theo tiêu chuẩn: D=0,15 ÷ 0,18m.
* Kiểm tra ổn định của đất nền:
-2/3

Hiện tượng tích dẻo: Theo biểu đồ hình 2, ứng với chiều dày D=0,15 ÷ 0,18m của thảm bê tông
được neo tốt và mái dốc 1:3 thì chiều cao sóng cho phép lớn hơn0,6 ÷ 0,8m. Chiều cao sóng thiết kế Hs
= 0.5m nên hiện tượng tích dẻo không xảy ra.
Hiện tượng hóa lỏng: Vì cát được đầm chặt và độ dốc mái 1:3 nên theo quy định thiết kế không
xảy ra hiện tượng hóa lỏng.
Hiện tượng giảm mức nước: Vì kè thảm bê tông trên nền đất cát với chiều dài rò rỉ nhỏ (0.2m) nên
không xảy ra nguy hiểm khi hạ mực nước ngầm.
* Xét ảnh hưởng của dòng chảy
- Hệ số xáo động của dòng chảy rối

: Kt=2,0

- Thông số chiều sâu nước

: Kh=0,4

- Góc nội ma sát của vật liệu kè
Với kè bê tông có neo
Với kè bê tông không neo
- Thông số mái

: =90

o

: = ¾ 1 =26

o

Với kè bê tông có neo

: Ks=cosα =0,95

Với kè bê tông không neo

: Ks=0,58

- Thông số ổn định của kè

: =0,5 cho phía trong của thảm
 = 0,75 cho mép của thảm

- Thông số Shield tới hạn của kè

: =0,07

Thay các số trị trên và giá trị của uct và ∆1 vào công thức của Pilarczyk (2), các chiều dày yêu cầu
của lớp bê tông như sau:
- Thảm có neo, chiều dày tấm bê tông phía trong thảm: D=0,08m
chiều dày tấm bê tông ở mép thảm: D= 0,12m
- Thảm không neo, chiều dày tấm bê tông phía trong thảm: D=0,12m
chiều dày tấm bê tông ở mép thảm: D= 0,19m
4. Kết luận
Như vậy, chiều dày thảm bê tông phụ thuộc vào cấu trúc đất nền, chiều cao sóng và sự phát triển
của dòng chảy. Trong cùng 1 điều kiện biên tiêu chuẩn, chiều dày lớp thảm bê tông của kè chịu ảnh
hưởng tải trọng sóng lớn hơn chiều dày thảm bê tông của kè chịu tác động của dòng chảy. Khi kè chịu tải
trọng sóng nên thiết kế thảm bê tông có neo tốt vào đất nền.
Để đảm bảo mép thảm bê tông không bị cuốn lật khi chịu tải trọng thủy lực, các tấm bê tông ở mép
thảm nên thiết kế dày hơn tấm bê tông phía trong thảm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M. Klein Breteler, K. W. Pilarczyk, T. Stoutjesdijk. Design of alternative revetments.Coastal
engineering 1998;
[2] K.W. Pilarczyk. Dikes and Revetments 1998;
[3] Nguyễn Văn Bản – Viện khoa học thuỷ lợi Việt Nam: Nghiên cứu ứng dụng và làm chủ công nghệ thiết
kế, thi công thảm bê tông tông bao khuôn (Fs) để bảo vệ bờ công trình thuỷ lợi 2004;
[4] TCVN 8419: 2010, Công trình thủy lợi - Thiết kế công trình bảo vệ bờ sông để chống lũ;


TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KÈ BẢO VỆ MÁI DỐC
LẮP GHÉP BẰNG CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẴN
Nguyễn Quang Hùng1, Nguyễn Văn Mạo1,
Tóm tắt: Kè bảo vệ mái dốc lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát là loại
kết cấu linh hoạt dễ biến dạng theo nền được dùng phổ biến để bảo vệ mái đê, mái đập, bờ sông, bờ
biển ở Việt Nam hiện nay. Do đặc điểm cấu tạo và chịu tác động của nhiều yếu tố bất định của tự
nhiên nên nó là một trong những hệ thống kết cấu làm việc phức tạp. Các phân tích kết cấu theo
thiết kế truyền thống gặp nhiều hạn chế trong việc mô tả điều kiện biên cũng như những hạn chế

của mô hình thiết kế tất định. Bài báo trình bầy kết quả nghiên cứu độ tin cậy an toàn của loại kè
bảo vệ mái dốc này theo hướng tiếp cận với bài toán phân tích hệ thống . Bài báo là tài liệu tham
khảo cho các thiết kế theo hướng hiện đại để khác phục những hạn chế của thiết kế truyền thống
đang sử dụng đối với loại kết cấu này ở Việt Nam.
Từ khóa: kè bảo vệ mái dốc; Kết cấu linh hoạt; Độ tin cậy an toàn
1. Đặt vấn đề1
Đã từ lâu, các cấu kiện bê tông đúc sẵn được
sử dụng để thay thế vật liệu đá tự nhiên trong
các kết cấu kè chống sóng bảo vệ mái dốc đê,
đập, bờ sông, bờ biển… Để giảm trọng lượng
cấu kiện và giảm thiểu chiều dầy kết cấu, các
cấu kiện được liên kết lại với nhau. Hình thức
liên kết giữa các cấu kiện với nhau từ đơn giản
đến phức tạp. Các hình thức liên kết thường
gặp là liên kết tự chèn hay còn gọi là liên kết ma
sát, liên kết với nhau bằng các móc hoặc được
sâu vào nhau bằng một sợi dây như chuỗi hạt…
Kè bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn liên liên
kết ma sát là loại kết cấu “linh hoạt” dễ biến
dạng theo nền, được dùng phổ biến ở Việt Nam.
Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng
mô hình thiết kế xác suất để tính toán các công
trình bảo vệ bờ. Việt Nam vẫn đang thực hiện
các tính toán này theo mô hình thiết kế truyền
thống. Đây là một trong những hạn chế của lĩnh
vực công trình bảo vệ bờ ở Viêt Nam cần sớm
được cải thiện. Bài báo giới thiệu kết quả nghiên
cứu phát triển mô hình thiết kế theo xác suất vào
tính toán kè bảo vệ mái dốc [1][2][3] [4] [5].
2. Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu

mảng liên kết ma sát
Các cấu kiện được dùng trong các kết cấu
chống sóng bảo vệ mái đê, mái đập, bờ sông, bờ
biển ở Việt Nam là các khối bê tông lập
1

Đại học Thủy lợi

phương, các tấm bê tông nhỏ hình chữ nhật
hoặc các khối lục lăng…Trong kết cấu, các cấu
kiện càng liên kết chặt chẽ với nhau thì lực ma
sát giữa chúng càng lớn, càng có lợi về mặt ổn
định cho kết cấu. Các nghiên cứu cải tiến đã xử
lí mặt tiếp xúc giữa các cấu kiện bằng cách vát
xiên hoặc tạo gờ có quy luật, khi lắp ghép các
cấu kiện tự chèn khít vào nhau, khi đó lực ma
sát giữa các cấu kiện được tăng lên rõ rệt.
Các cấu kiện lắp ghép với nhau tạo thành
một lớp phủ trên bề mặt mái dốc cần bảo vệ.
Trong kĩ thuật thủy lợi, lớp này được gọi là lớp
vỏ kè, cả kết cấu gọi là kè bảo vệ mái dốc. Kè
bảo vệ mái dốc lắp ghép bằng các cấu kiện bê
tông đúc sẵn thường được chia ra thành các
mảng độc lập. Kích thước của mảng tùy thuộc
vào quy mô của kè. Thông thường chiều rộng
của mảng lấy theo phương chiều dài của đê đập
từ 15- 20 m. Chiều dài của mảng lấy theo
phương của mái dốc. Giới hạn trên của mảng là
đỉnh kè, giới hạn dưới là chân kè, giới hạn bên
là các mảng tiếp theo hoặc bờ. Các cấu kiện

trong mảng được đặt trên tầng lọc ngược, các
biên trên, biên dưới, hai bên là các kết cấu liên
kết chặt xuống mái dốc như hình 1. Mỗi mảng
lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn
(MLGBT) là một hệ kết cấu linh hoạt làm việc
tương tác trong ba môi trường Nước – Đất –
Công trình. Mức độ linh hoạt của kết cấu càng
cao thì khả năng duy trì ổn định của hệ thống
kết cấu càng tốt [ 1] [2 ] [4 ]..

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014)

37


3. Các phân tích kết cấu và ổn định
MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam.
Tải trọng và các tác động lên kè bảo vệ mái
dốc bao gồm các lực phát sinh từ môi trường
nước như lực thủy tĩnh, lực sóng…và các lực
phát sinh từ điều kiện địa kĩ thuật của môi
trường đất như áp lực thấm, áp lực nước đẩy
nổi… Cũng như các loại kết cấu bảo vệ mái dốc
khác, MLGBT liên kết ma sát có thể bị mất ổn
định tổng thể như bị lún không đều, bị trượt
theo mặt tiếp xúc với mái dốc hoặc bị trượt theo
khối trượt của mái dốc.
Cơ chế phá hoại làm tách rời các phần tử bao
gồm các cấu kiện thuộc mảng và các kết cấu ở
các biên dẫn đến MLGBT liên kết ma sát bị phá

hoại có nhiều điểm khác so với các loại kết cấu
kè khác. Giới hạn một cấu kiện tách ra khỏi
mảng đã được nghiên cứu rất chi tiết, Cơ chế
phá hoại cũng như tiêu chuẩn ổn định tùy thuộc
vào từng loại cấu kiện và từng loại liên kết giữa
các cấu kiện trong mảng.
Kết quả nghiên cứu thí nghiệm MLGBT liên
kết ma sát trong máng sóng và mô phỏng sự làm
việc của mảng trên mô hình cơ học trong các
phòng thí nghiệm của Viện Khoa học thủy lợi
Việt Nam và trường Đại học Thủy lợi năm
1995, cũng như theo dõi sự làm việc của mảng ở
ngoài hiện trường cho thấy: khi một cấu kiện
trong mảng bị tách rời ra khỏi mảng hoặc các
kết cấu ở biên bị mất ổn định, nếu không khắc
phục kip thời mảng sẽ bị sóng phá hoại hoàn
toàn. Vì vậy hiện nay trong các tính toán ổn
định MLGBT liên kết ma sát lấy giới hạn liên
kết của các cấu kiện trong mảng và giới hạn liên
kết các kết cấu ở các biên làm tiêu chuẩn phá
hoại của mảng
Trong các tính toán thiết kế hiện nay, ổn định
của hầu hết các loại cấu kiện thuộc MLGBT liên

kết ma sát được xét trong điều kiện cân bằng
đẩy nổi . Một số cấu kiện có cải tiến hình dạng
nhằm tăng diện tích tiếp xúc, giới hạn phá hoại
còn được căn cứ vào độ lớn của quá trình
chuyển vị của cấu kiện bị đẩy ra khỏi mảng. Ổn
định của các kết cấu biên được đánh giá theo cơ

chế phá hoại của kiểu kết cấu và hình thức liên
kết với nền là mái dốc.
MLGBT liên kết ma sát là một kết cấu không
gian phức tạp, không thuộc vào các loại kết cấu
truyền thống. Ở Việt Nam đã có một số phân
tích kết cấu đã chọn loại kết cấu này làm đối
tượng nghiên cứu.
Phân tích kết cấu MLGBT liên kết ma sát dựa
trên cơ sở xem mảng là kết cấu trên nền. Sử dụng
sơ đồ dầm trên nền đàn hồi để tính mảng theo các
bài toán phẳng. Sử dụng phương pháp phần tử
hữu hạn, trong sơ đồ dầm trên nền đàn hồi thay
thế các vị trí tiếp xúc bằng những phần tử ảo, kết
quả tính toán gần đúng với quy luật phá hoại
mảng trong mô hình thí nghiêm. Phân tích này
cũng được xem như là một phân tích gần đúng có
thể tham khảo trong các thiết kế.
Các tính toán bằng phần tử hữu hạn trong
phần mềm SAMSEP đã sử dụng độ dài liên kết
ma sát làm giới hạn liên kết của các cấu kiện.
Phân tích kết cấu MLGBT liên kết ma sát bằng
phần mềm ABAQS sử dụng phương pháp biến
phân của Penalty và đã lấy thời điểm không còn
lực ma sát làm giới hạn phá hoại liên kết. Cho
mảng làm việc với các con sóng thiết kế, đến
khi cấu kiện rời khỏi mảng, xác định được độ
dầy cần thiết của cấu kiện (hình 2 ) . Tuy còn
một số hạn chế về mô phỏng điều kiện biên, các
phân tích kết cấu theo hướng này đang mở ra
triển vọng thực hiện các thiết kế MLGBT iiên

kết ma sát. trên máy tính.

Hình 2 Sơ đồ tính phần tử tiếp xúc bằng phần mềm ABAQS

38

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014)


Phần lớn các tính toán thiết kế MLGBT liên
kết ma sát hiện nay được dựa trên điều kiện ổn
định đẩy nổi của các cấu kiện và ổn định của
các kết cấu ở biên để quyết định điều kiện ổn
định của mảng. Mặt khác các tính toán mới
được xét với các tổ hợp tải trọng định trước cho
từng kết cấu độc lập. Mối quan hệ làm việc có
tính hệ thống của mảng cũng như tính ngẫu
nhiên của các tải trọng chưa được xét tới. Hay
nói một cách khác các tính toán đang được thực
hiện theo mô hình thiết kế truyền thống, trong
đó chỉ số đánh giá an toàn kết cấu là các hệ số
an toàn [3 ][4 ][5] [6 ] [7 ][8 ]..

Hình 1. Cấu tạo của một MLGBT

4. Một cách xác định độ tin cậy an toàn
của MLGBT liên kết ma sát.
Theo xu thế tiến bộ của thế giới, các tính
toán kè bảo vệ mái dốc được thực hiện theo các
thiết kế xác suất, trong đó chỉ tiêu đánh giá an

toàn là độ tin cậy an toàn.
Mục này của bài báo trình bày nội dung tính
toán độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma
sát theo hướng tiếp cận với bài toán phân tích hệ
thống.
Các phân tích hệ thống kết cấu kè MLGBT
được tiến hành theo từng bước

1. Các cấu kiện trong thân mảng
2. Kết cấu chân kè
3. Kết cấu đỉnh kè
4. Kết cấu nối tiếp với các mảng bên

Bước 1. Nhận biết hệ thống kết cấu
MLGBT
MLGBT có hai phần chính: thân mảng và
các biên của mảng. Thân mảng gồm các cấu
kiện liên kết với nhau theo kiểu liên kết ma sát.
Các cấu kiện được đặt trên tầng lọc ngược gồm
hai lớp, dưới là lớp vải lọc, trên là lớp đá dăm.
Biên dưới của mảng là chân kè có kết cấu dạng
tường chắn đất. Biên trên là đỉnh kè có kết cấu
dạng tường chắn sóng. Hai phía còn lại của
mảng tiếp xúc với các mảng khác là các hàng
cấu kiện tương tự những cấu kiện ở trong thân
mảng nhưng có chiều dầy lớn hơn.( hình 1)
MLGBT là một hệ kết cấu trên nền làm việc
trong điều kiện tương tác giữa ba môi trường
Nước – Đất – MLGBT. Các tải trọng tác dụng

vào MLGBT phát sinh từ môi trường nước và
môi trường đất. Tải trọng chính tác dụng vào
các cấu kiện ở trong thân mảng là các lực do
sóng, lực thủy tĩnh, lực thấm đẩy nổi. Chân kè
và tường chắn sóng, chịu tác dụng của sóng, áp
lực nước tĩnh và áp lực đất.
Bước 2. Mô phỏng hệ thống kết cấu mảng
(1) Cây sự cố
Các cấu kiện trong mảng, các kết cấu ở các
biên, là các phần tử thuộc hệ thống kết cấu
MLGBT. Các phần tử liên kết với nhau theo
hình thức liên kết ma sát. Mảng được gọi là xảy
ra sự cố khi một trong các phần tử thuộc mảng
xảy ra sự cố. Từ quan điểm này có thể mô
phỏng quá trình xảy ra sự cố của hệ thống theo
sơ đồ hình 3

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014)

39


Hình 3. Cây sự cố MLGBT liên kết ma sát
( 2). Cơ chế phá hoại và hàm tin cậy
Các cấu kiện ở giữa mảng bị phá hoại khi
không thỏa mãn điều kiện cân bằng như ở sơ đồ
hình 4. Trong đó tổng của thành phần trọng
lượng bản thân (G cosα), lực ma sát (Fms) ở các
mặt tiếp xúc của cấu kiện là các thành phần của
hàm sức chịu tải.

R= Gcosα +∑ Fms
(1)
Lực sóng âm (Ps) và lực đẩy nổi (Pđn) của
nước tác dụng vào cấu kiện là các thành phần
của hàm tải trọng.
N = Ps + Pđn
(2)
Theo điều kiện cân bằng đẩy nổi lập được
hàm tin cậy của các cấu kiện thuộc mảng:
Z1 = (Gcosα +∑ Fms ) – ( Ps + Pđn )
(3)
Các phần tử kết cấu ở chân và tường chắn
sóng ở đỉnh kè có liên kết với mái dốc theo sơ đồ
hình 4. Kết cấu tường chăn đất ở chân kè hoặc
đỉnh kè có thể bị pha hoại trượt, lật hoặc bị lún
nghiêng do ứng suất nền không đảm bảo… Hiện
tượng phá hoại không xảy ra khi thỏa mãn biểu
thức trạng thái giới hạn (công thức 4).
R.m/ Kn ≥ nc N
(4)
Trong đó R, N là sức chịu tải và tải trọng
tính toán, m là hệ số điều kiện, Kn là hệ số tin
cậy, nc là hệ số lệch tải.. Từ điều kiện an toàn
(4) tiến hành thiết lập hàm tin cậy theo các cơ
chế phá hoại lật, trượt… cho kết cấu chân kè và
tường chắn sóng ở đỉnh kè.
Ví dụ: Thiết lập hàm tin cậy của cơ chế phá
hoại lật kết cấu chân kè như hình 4
Tổng các mô men chống lật quanh điểm A
được xem là các thành phần của hàm sức chịu

tải (R)
R = m/kn [(G – Pđn) l1 + Pđ2 h2 ]
(5)
Tổng các mô men gây lật được xem là thành
phần của hàm tải trọng
N = nc[ Pđ1 h1+ Psh3 ].
(6)
Hàm tin cậy Z2 cho cơ chế phá hoại lật được
viết như (6)

40

Z2 = m/kn [(G – Pđn) l1 ] - nc[ Pđ1 h1+ Psh3]. (7)
Trong đó G, Pđn,Pđ1 ,Pđ2 , Ps , l1 , h1 ,h2, h3 lần
lượt là tổng các tải trọng thẳng đứng, áp lực đẩy
nổi, áp lực đất và nước phía thượng lưu, áp lực
đất và nước phía hạ lưu, áp lực sóng và các cánh
tay đòn của mô men các lực tính đến điểm A
(hình 4)
Tương tự như vậy có thể thành lập các hàm
tin cậy cho cơ chế phá hoại trượt, lún không
đều, đẩy nổi… cho các cấu kiện ở đỉnh kè và
chân kè.
Hai bên mảng là các cấu kiện tương tự như
các cấu kiện ở trong mảng nhưng có chiều dầy
dầy hơn, vì vậy các tinh toán và thiết lập hàm
tin cậy tương tự như đối với các cấu kiện ở
trong mảng.
Các đại lượng trong các hàm tải trọng và hàm
chịu tải là các đại lượng ngẫu nhiên, được xác

định từ các kết quả phân tích xác suất thống kê
các số liệu khảo sát đo đạc cụ thể ở từng mảng.
Bước 3 Sơ đồ hóa hệ thống
Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo, cơ chế phá
hoại và sơ đồ cây sự cố xác định được hệ thống
kết cấu của MLGBT liên kết ma sát là một hệ
thống nối tiếp. Sơ đồ hệ thống của mảng như ở
hình 5. Trong đó X1 là các phần tử thuộc thân
mảng, X2 các phần tử biên dưới, X3 các phần tử
thuộc biên trên, X4 các phần tử ở biên phải và
trái của mảng
Bước 4 Tính độ tin cậy của các bộ phận
và của mảng
Các hàm tin cậy là hàm của các biến và tham
số ngẫu nhiên, các biến và các tham số này được
tạo ra từ các kết quả phân tích xác suất thống kê
các số liệu quan sát, quan trắc, khảo sát … ở các
mảng tính toán. Mức độ phản ảnh chính xác với
các quy luật tự nhiên cũng như tình hình làm
việc của mảng phụ thuộc rất nhiều vào khả năng
phản ảnh các yếu tố ngẫu nhiên trong quá trình
phân tích xác suất thống kê.

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014)


phức về số lẻ người ta quen dùng độ tin cậy an
toàn để thay thế cho xác suất. Quan hệ giữa xác
suất và độ tin cậy của các hàm phân bố chuẩn có
thể sử dụng các bảng lập sẵn P = Φ (β ).

Độ tin cậy an toàn của cấu kiện hoặc kết cấu
của các hàm tin cậy có phân bố dạng chuẩn
được tính theo công thức (8).

1. Sơ đồ tính các cấu kiện

2. Tính chân kè
Hình 4. Sơ đồ tính ổn định cấu kiện, kết cấu
chân kè và tường chắn sóng

Các hàm tin cậy là các hàm có quy luật phân
bố xác suất bất kì hoặc quy luật phân bố chuẩn.
Mức độ phức tạp của việc tìm xác suất hoặc độ
tin cậy từ các hàm tin cậy tùy thuộc vào quy luật
phân bố xác suất của hàm độ tin cậy.
Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, bài toán
được giải ở những mức độ xác suất khác nhau.
Các tính toán có thể thực hiện bằng phương
pháp lập bảng trong Exel hoặc sử dụng các phần
mềm, tùy thuộc vào mức độ phức tạp cũng như
khối lượng cần tính toán của bài toán

Hình 5 Sơ đồ hệ thống MLGBT liên kết ma sát
Hiện nay trên thế giới phần lớn các thiết kế
các công trình thủy lợi, chấp nhận các kết quả
tính với mức độ xác suất ở cấp độ hai. Các tính
toán được thực hiện một cách gần đúng bằng
cách tuyến tính hóa các hàm phi tuyến và đưa về
các hàm có dạng phân bố chuẩn.
(1) Tính độ tin cậy an toàn của các cấu

kiện hoặc kết cấu
Xác suất an toàn của cấu kiện hoặc kết cấu là
xác suất P(Z > 0). Trong tính toán để tránh phiền

Z
RN

Z
 R2   N2

(8)

Trong đó β là chỉ số độ tin cậy an toàn của
cấu kiện hay kết cấu, σZ , σR , σN lần lượt là độ
lêch chuẩn của hàm Z, của hàm sức chịu tải R
và hàm tải trọng N.
(2) Tính độ tin cậy của hệ thống kết cấu
mảng MLGBT liên kết ma sát
Hầu hết các bài toán tìm độ tin cậy tổng hợp
của hệ thống trong đó thường gặp phải những
vấn đề phức tạp của hàm nhiều biến hiện nay
thường phải sử dụng các phương pháp số, áp
dụng phương pháp Monte Carlo … Phân tích hệ
thống với mức độ xác suất ở cấp độ hai có thể
sử dụng các định lí công và định lí nhân xác
suất để tính độ tin cậy tổng hợp của hệ thống.
Các hệ thống kết cấu MLGBT liên kết ma sát
được mô tả là một hệ thống nối tiếp, xác suất an
toàn của hệ thống có thể tính từ định lí cộng xác
suất (9).

Pht (Z > 0) = P1 (Z > 0) + P2 (Z > 0)
+ P3 (Z > 0) + P4 (Z > 0)
(9)
Trong đó P1 (Z > 0) , P2 (Z > 0) , P3 (Z > 0) , P4
(Z > 0) lần lượt là các xác suất an toàn của các cấu
kiện trong thân mảng, của kết cấu biên trên, của
biên dưới và của kết cấu liên kết ở hai bên.
Bước 5. Phân tích kết quả
Các kết quả thu được trong tính toán là các
xác suất an toàn của các thành phần thuộc hệ
thống mảng và xác suất an toàn của hệ thống kết
cấu MLGBT liên kết ma sát. Phân tích ảnh
hưởng của xác suất thành phần đến xác suất hệ
thống làm cơ sở lựa chọn yếu tố tác động mạnh
nhất làm thay đổi các phương án thiết kế theo
hướng có lợi hoặc đưa ra những những đối
tượng hoặc biện pháp sửa chữa phù hợp cho các
mảng đang hiện hữu ở các công trình.
5. Ví dụ tính độ tin cậy của hệ thống
Trong khuôn khổ của bài báo, ví dụ này chỉ
trình bầy cách tính độ tin cậy an toàn của hệ
thống có sơ đồ như hình 5. Trong đó độ tin cậy
(β) của các cấu kiện và kết cấu trong mảng đã

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014)

41


tính được theo công thức (8) sử dụng bảng P = Φ

(β ) xác định được các xác suất an toàn của cấu
kiện thuộc mảng P1 (Z1 > 0) = 0,9848 , của chân
kè P2 (Z2 > 0) = 0,9976, của đỉnh kè P3 (Z3 > 0) =
0,9982, của hai biên P4 (Z4 > 0) = 0, 9954. Xác
suất an toàn hệ thống tính theo công thức (9) và
ước lược theo biên dải rộng được Pht = 0, 9848,
sử đụng bảng P = Φ (β ) xác định được độ tin cậy
an toàn của hệ thống kết cấu MLGBT liên kết ma
sát trong ví dụ là β = 2,16. [8 ]
6. Kết luận
(1) Bài báo đã khái quát được các dạng kết
cấu MLGBT, tình hình nghiên cứu và phương

pháp tính toán thiết kế ở Việt Nam đồng thời
giới thiệu một phương pháp tính độ tin cậy an
toàn của kết cấu kè MLGBT liên kết ma sát theo
hướng tiếp cận với phương pháp phân tích hệ
thống.
(2) Thiết kế theo xác suất và sử dụng độ tin
cậy làm chỉ tiêu đánh giá an toàn MLGBT liên
kết ma sát, khắc phục được những hạn chế của
thiết kế truyền thống và phù hợp với sự phát
triển của mô hình thiết kế loại kết cấu này
Nội dung của bài báo là tài liệu tham khảo hữu
ích cho các thiết kế và nghiên cứu MLGBT liên
kết ma sát.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Mạo, Kè bảo vệ mái dốc, Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ, Nhà xuất bản
Xây dựng 2001

[2] Krystian W. Pilarczyk, Dikes and Revetmen, 1992
[3] Nguyễn Quang Hùng, Luận văn Thạc sĩ ĐHTL, Hà Nội 2000
[4] Nguyễn Văn Mạo, Phạm Ngọc Quý, Nguyễn Quang Hùng & nnkh, Tổng kết kết cấu chân
kè đê biển, nghiên cứu KHCN, Đề tài cấp Bộ 1996.
[5] Phan Tấn Huy1, Nguyễn Đăng Hưng1, Nguyễn Văn Hiếu2, Phan Đức Tác3, Nguyễn Văn
Mạo4 Slope protection structures, Structural analysis of inter-locking blocks PDT - CM 5874 & toe
structure type HWRU-2001 by using ABAQUS ICEC 2012, Proceedings of the fourth International
Conference on Estuaries and Coasts, volume 2.
[6 ] Phan Đức Tác, Phạm Ngọc Khánh, Thí nghiệm ổn định của kè sử dụng cấu kiện Tsc – 178
trên mô hình cứng, Tập san Thủy Lợi 307 tháng 11-12/1995
[7] Phan Đức Tác, Đào Xuân Sơn, Nghiên cứu ổn định của mảng mềm Tsc – 178 trong máng
sóng, Tập san Thủy Lợi 307 tháng 11-12/1995
[8] Nguyễn Văn Mạo & nnkh, Cơ sở tính độ tin cậy an toàn đập, Nhà xuất bản Xây dựng 2014
(bản thảo)
Abstract
RELIABILITY ANALYSIS OF REVETMENTS USING INTERLOCKING
CONCRETE BLOCKS
Revetments by assembling precast concrete friction associated structures as flexible easy
ground deformation commonly used for dye, dam slope protection and river, sea bank protection in
Vietnam Nam. Due to the physical characteristics and are affected by many uncertain factors of
nature, it is a system of complex structural work . The structure analysis in the traditional design
met limitations in describing the boundary conditions as well as the limitations of deterministic
design models. This paper presents the results of a research into the revetment safety reliability in
the direction of approach to the problem of system analysis . The article is a reference for modern
design to overcome the limitations of traditional designs are used for this structure in Vietnam .
Key words: Revetments; Flexible structure; Safety reliability

Người phản biện: PGS.TS. Mai Văn Công

42

BBT nhận bài: 28/2/2014
Phản biện xong: 11/3/2014

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014)