giáo trình thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ

Lời nói đầu ---oOo--- "Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ" trình bày những kiến thức cơ bản về bố trí, lựa chọn hình thức kết cấu và tính toán thiết kế đê sông, đê biển, kè bảo vệ mái v

trường đại học thủy lợi

trường đại học thủy lợi

Lời nói đầu

-oOo -

"Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ" trình bày những kiến thức cơ bản

về bố trí, lựa chọn hình thức kết cấu và tính toán thiết kế đê sông, đê biển, kè bảo vệ mái và các công trình bảo vệ bờ Sách cũng đề cập tới những vấn đề về gia cố, sửa chữa và xử lý sự

cố đê

ở Việt Nam, hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ an toàn cho các trung tâm văn hoá, chính trị, kinh tế, các vùng dân cư rộng lớn trải dài theo các triền sông, duyên hải từ Bắc chí Nam Hệ thống đê sông ở đồng bằng Bắc bộ đã được hình thành và phát triển từ hàng nghìn năm nay Nhân dân ta đã tích luỹ được nhiều kinh nghiệm trong việc đắp và gìn giữ đê Lịch sử cũng đã ghi nhận những vụ vỡ đê với sức tàn phá ghê gớm, để lại hậu quả lâu dài Hiên nay, trong điều kiện đất nước đang công nghiệp hoá, hiện đại hoá, những yêu cầu về việc bảo vệ các khu vực dân cư và kinh tế chống sự tàn phá của bão, lũ, nước dâng ngày càng trở nên cấp bách Bên cạnh việc củng cố, nâng cấp các hệ thống đê đã có, việc quy hoạch bảo vệ bờ sông, bờ biển và xây dựng các hệ thống đê mới đang được đặt ra ở cả

3 miền của đất nước

Cuốn sách "Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ" tập hợp những kiến thức cơ bản và

cập nhật những vấn đề hiện đại trong lĩnh vực thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ Sách dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành công trình thủy lợi Sách cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành khác, cho các lớp sau đại học và nghiên cứu sinh ngành công trình thủy lợi

Nội dung sách gồm 6 chương Chương I trình bày tổng quan về hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ Chương II nêu những vấn đề về tính toán các yếu tố của sóng và nước dâng Các vấn đề về thiết kế và tính toán đê được trình bày ở chương III Trong chương IV nêu các giải pháp kết cấu và tính toán kè bảo vệ mái Chương V giới thiệu các kiến thức về công trình bảo vệ bờ sông, bờ biển Chương VI đề cập tới các vấn đề mở rộng, sửa chữa đê

và xử lý sự cố đê

Sách do một tập thể giáo viên Bộ môn Thủy công, Trường đại học Thủy lợi biên soạn PGS TSKH Nguyễn Quyền viết các chương I và III; PGS TS Nguyễn Văn Mạo viết chương IV; TS Nguyễn Chiến viết các chương II, V, tiết 1-4 và chịu trách nhiệm chung;

KS Phạm Văn Quốc viết chương VI

Các tác giả xin được bầy tỏ lời cảm ơn tới PGS TS Phạm Ngọc Quý đã xem xét toàn

bộ bản thảo và có những ý kiến quý báu để hoàn thiện nội dung bản thảo, xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Văn Hạnh và các thành viên khác của Bộ môn Thủy công Trường

đại học Thủy lợi đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho nội dung cuốn sách Các tác giả gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo Nhà trường, phòng Đào tạo và Thư viện Trường đại học Thủy lợi về những ý kiến chỉ đạo và sự giúp đỡ trong quá trình biên tập, in ấn sách

Mặc dù các tác giả đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn, song chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Chúng tôi mong nhận được ý kiến xây dựng của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp ý kiến xin gửi về Bộ môn Thủy công, Trường đại học Thủy lợi

Xin chân thành cảm ơn!

Các tác giả

Chương i

Kiến thức chung về đê vμ công trình bảo vệ bờ

♣1-1 Công trình thủy lợi và vị trí đê điều trong công trình thủy lợi

I- Nhiệm vụ của công trình thủy lợi:

Công trình được xây dựng để sử dụng nguồn nước gọi là công trình thủy lợi Nhiệm vụ chủ yếu của các công trình thủy lợi là làm thay đổi, cải biến trạng thái tự nhiên dòng chảy của sông, hồ, biển, nước ngầm để sử dụng nước một cách hợp lý, có lợi nhất và bảo vệ môi trường xung quanh tránh khỏi những tác hại của dòng nước gây nên Công trình thủy lợi có thể hình thành dòng chảy nhân tạo để thỏa mãn nhu cầu dùng nước, khi dòng chảy tự nhiên

ở thượng lưu làm thay đổi khả năng vận chuyển bùn cát của lòng sông Lưu tốc theo chiều dòng chảy giảm dần, các hạt bùn cát trong nước được lắng xuống đáy theo thứ tự những hạt lớn, sau đó đến những hạt bé hơn và khi đến gần công trình, lưu tốc hầu như bằng không nên các hạt cát rất bé cũng được lắng xuống, nước ở đó rất trong

Sự dâng mực nước còn làm thay đổi cả trạng thái nước ngầm dưới lòng sông và hai bên

bờ Do có độ chênh cột nước thượng hạ lưu nên có hiện tượng thấm qua nền và thấm vòng quanh công trình từ thượng lưu về hạ lưu

Nước ở thượng lưu chảy về hạ lưu không mang bùn cát do đó để trở về trạng thái cũ của dòng nước , lòng sông và bờ lại bị bào mòn, xói lở

Như vậy công trình dâng nước có ảnh hưởng đến tất cả các yếu tố của dòng chảy, lòng sông và cả nước ngầm Nhưng nó có hiệu quả lớn, điều chỉnh lưu lượng từ thượng lưu về hạ lưu, về mùa lũ nước được giữ lại ở thượng lưu (đối với hồ chứa) và được tháo về hạ lưu vào thời kỳ cần thiết theo nhu cầu dùng nước Công trình dâng nước được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kinh tế nước

Công trình điều chỉnh không làm dâng nước, mà có tác dụng làm thay đổi hướng và lưu tốc của dòng chảy, phân bố lại lưu tốc và ảnh hưởng đến hình dạng của lòng sông Các công trình này nhằm phục vụ các ngành khác nhau, có thể giữ độ sâu, lưu tốc và hình dạng lòng sông cần thiết cho tàu bè qua lại, đảm bảo điều kiện bình thường để lấy nước từ sông, giữ ổn định bờ sông để đảm bảo an toàn cho dân cư và nhà máy xí nghiệp ở hai bên bờ Các công trình này bao gồm các tường cánh, đê, đập, kè làm bằng các vật liệu tại chỗ (đất, đá, gỗ), có lúc làm bằng bê tông, bê tông cốt thép Mặt cắt ngang là hình thang Yêu cầu vật liệu đảm bảo ổn định không bị xói lở do dòng chảy gây nên

Các kè bảo vệ bờ không bị xói lở thường dùng đá, tấm bê tông, các loại rồng và bó cành cây

3 Các công trình dẫn nước:

Những công trình này bao gồm các loại như kênh mương, đường hầm, cầu máng,

đường ống làm bằng các loại vật liệu khác nhau Các công trình đó chuyển nước với các lưu lượng xác định vào các mục đích khác nhau: dẫn nước vào tuốc bin nhà máy thủy điện, đưa nước vào tưới ruộng và đồng cỏ, vào hệ thống cấp nước cho thành phố, xí nghiệp, nhà máy Nó có thể sử dụng làm đường giao thông thủy cho tàu thuyền đi lại Thuộc loại công trình dẫn nước này phải kể đến cả công trình tháo lũ đó là những công trình tháo nước thừa của hồ chứa từ tl về hạ lưu qua dập hoặc hai bên bờ của đập

- Trạm thủy điện: nhà máy, buồng xoắn, bể áp lực, tháp điều áp

- Công trình giao thông thủy: âu tàu, máy nâng tàu, công trình chuyển gỗ, bến cảng

- Công trình thủy nông: cống điều tiết, hệ thống tưới tiêu, hệ thống thóat nước

- Công trình cấp nước và thóat nước: công trình lấy nước, dẫn nước, trạm bơm, công trình cho vệ sinh, thóat nước

- Công trình cho cá: đường cá đi, đường chuyển cá, hồ nuôi cá

Như vậy, đê và các công trình bảo vệ bờ là một trong những dạng khác nhau của công trình thủy lợi Việc quy hoạch, thiết kế đê và các công trình bảo vệ bờ tuân theo các nguyên tắc chung về quy hoạch và thiết kế các công trình thủy lợi Ngoài ra còn phải xét đến các nét đặc thù của đê điều và công trình bảo vệ bờ được quy định bởi lịch sử hình thành, điều kiện chịu lực và phạm vi ảnh hưởng của chúng mà sau đây chúng ta sẽ dần làm sáng tỏ

♣1-2 Tổng quan về hệ thống đê điều

I- Tình hình lũ lụt và giải pháp phòng chống:

1 Đặc điểm tự nhiên Việt Nam và đồng bằng Bắc bộ:

Nước Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam á, chịu ảnh hưỏng trực tiếp của khí hậu lục địa Trung ấn từ phía Bắc và phía Tây với 2 hệ thống sông lớn liên quốc gia theo hướng Tây Bắc - Đông Nam là sông Hồng và sông Cửu Long, lại vừa chịu ảnh hưởng trực tiếp khí hậu biển Đông từ phía đông và phía nam, nơi giao giữa hai biển lớn: Thái bình dương và ấn độ dương, đồng thời nằm giữa ổ bão biển Đông là một trong 5 ổ bão lớn nhất thế giới - Mùa bão trùng với muà mưa, địa hình phức tạp, đồng bằng thường hẹp

và thấp trũng, núi cao sườn dốc, cây rừng lại bị tàn phá ngày càng nghiêm trọng, do đó lũ bão xảy ra luôn có chiều hướng gia tăng trong 3 thập kỷ nay ngày càng ác liệt, lụt bão luôn

là mối đe doạ thường xuyên đối với đời sống và sản xuất của nhân dân Việt Nam

Việt Nam có lượng mưa bình quân hàng năm từ 1.800 mm đến 2.500mm, lượng mưa phân bổ không đều, 70-80% lượng mua tập trung vào các tháng 7,8,9 (ở Bắc bộ và Nam bộ)

và các thág 8,9,10 ở Trung bộ Ngay trong các tháng mùa mưa, lượng mưa cũng phân bổ không đều, thường tập trung vào một số đợt mưa lớn Lượng mưa ngày lớn nhất trung bình nhiều năm là 130-200 mm Lượng mưa một ngày lớn nất là 731 mm, lượng mưa một đêm lớn nhất (9/11/1984) là 702 mm, lượng mưa 2 ngày lớn nhất (10/1983) ở Huế là 1217 mm Lượng mưa phân bổ không đều như trên là nguồn gốc sinh ra các con lũ ở các triền sông

Hệ thống sông suối ở Việt Nam có tổng chiều dài khoảng 25.000 km, tập trung thành 3 hệ thống sông khá rõ rệt: hệ thống sông Hồng và sông Thái bình ở Bắc bộ, hệ thống các sông

ở miền Trung và hệ thống sông Cửu long, Đồng nai ở Nam bộ Do địa hình ở các miền khác nhau, các sông ở Nam bộ hiền hòa, các sông ở Bắc bộ có độ dốc vừa phải, các sông ở miền Trung vừa ngắn vừa cố dộ dốc lớn Một số con sông lớn bắt nguồn từ các nước láng giềng chảy qua Việt Nam rồi ra biển như hệ thống sông Hồng ở Bắc bộ, sông Cửu long ở Nam bộ

Tất các các con sông đến mùa mưa đều có lũ, mức độ ác liệt hàng năm có khác nhau

đê gây ngập 11 tỉnh 312.000 ha đất canh tác và khoảng 4 triệu người bị ảnh hưởng Trận lũ năm 1971 làm vỡ 3 đoạn đê lớn, gây ngập 250.000 ha và 2,7 triệu người bị ảnh hưởng nghiêm trọng

Trận lũ năm 1986 tuy độ lớn mức lũ chỉ đứng vào hàng thứ 5 trong liệt số liệu quan trắc từ đầu thế kỷ đến nay song cũng gây vỡ một đoạn đê sông Hồng (Trung Châu - Đan Phượng) và sập 1 cống dưới đê sông Cầu - Quế Võ Hà Bắc Năm 1906 ở Bình Định, năm

1983 ở Huế, năm 1952 ở các tỉnh miền Đông Nam bộ và năm 1964 ở hầu hết các tỉnh khu

5 cũ (Trung bộ) đều có lụt lớn, gây nhiều thảm cảnh tang tóc Lũ trên sông Cửu Long (kể cả các nhánh) xảy ra vào các năm 1961, 1966, 1978, 1984, 1991 cũng đã làm ngập hàng chục vạn ha lúa của dồng bằng sông Cửu long (Nam bộ)

Tình hình lũ dường như cũng xảy ra nghiêm trọng trong những năm gần đây ở các tỉnh miền núi phía Bắc và Tây nguyên như: Lạng sơn, Cao bằng (1986); Lai châu, Đak Lak, Bắc Thái (1980); Sơn la, Lai châu (1991) một số vùng dân cư tập trung và phần lớn các hạ tầng cơ sở của 2 thị xã Lai châu, Sơn la đã bị dòng lũ quét cuốn trôi tàn phá trong 2 năm 1990,

1991

3 Biện pháp phòng chống lũ:

Với tầm quan trọng đặc biệt của hệ thống sông Hồng, ngay từ những năm 1960, Đảng

và Nhà nước ta đã thiết lập Uỷ ban trị thủy và khai thác sông Hồng do Phó Thủ tướng làm chủ tịch, Bộ Thủy lợi là Văn phòng thường trực

Sau trận lũ lịch sử năm 1971, Đảng và Nhà nước ta quyết định về biện pháp phòng chống lũ cho hệ thống sông Hồng là:

1) Trồng và bảo vệ rừng đầu nguồn để hạn chế khả năng tập trung lũ về hạ du

2) Xây dựng các hồ chứa nước loại lớn và loại vừa ở thượng nguồn sông

5) Giải phóng lòng sông, khai thông dòng chảy để thóat lũ

6) Tăng cường công tác hộ đê phòng lụt

Đến nay những biện pháp đó đã được triển khai tích cực và vẫn còn nguyên giá trị của

nó, song có những mặt chúng ta thiếu biện pháp kiên trì tổ chức thực hiện như trồng rừng, giải phóng lòng sông

Với mục tiêu chống được con lũ tương đương năm 1971 (tần suất 0,4%), cần vận hành

điều tiết hồ Hòa Bình và Thác Bà khi gặp lũ thường xuyên để giữ cho mức nước Hà Nội không vượt qua báo động III (11,50 m) Nếu gặp lũ có tần suất lớn hơn như lũ năm 1986 mức nước Hà Nội lên đến 12,35 m, lũ năm 1996 lên đến 12,48 m nếu xảy ra lũ như năm

1971 thì mức nước tại Hà Nội 13,3 m Nhưng nếu gặp lũ như năm 1971 với dạng lũ năm

1964, 1969 thì khó có thể giữ được mức nước tại Hà Nội là 13,30 m, khi đó phải tính đến biện pháp phân lũ qua sông Đáy

Tháng 8 năm 1998 Thủ tướng Chính phủ ra Thông báo 164 TB/TW ngày 3/9/1998 đã nêu:

- Xây dựng các chỉ tiêu ban bố tình trạng khẩn cấp về thiên tai

- Xây dựng các phương án xử lý lũ đặc biệt lớn và quyết định phân lũ

- Và "phải xây dựng phương án lâu dài, bền vững về củng cố đê, xây dựng hệ thống đê

điều trong cả nước, đặc biệt hệ thống sông Hồng để đủ sức bảo vệ sự phát triển bền vững về kinh tế xã hội an ninh quốc phòng cho đồng bằng sông Hồng và thủ đô Hà Nội"

II- Hệ thống đê sông đồng bằng Bắc bộ:

Trong điều kiện một đất nước mà lũ, bão luôn là mối đe doạ nghiêm trọng từ hàng nghìn năm nay thì cuộc đấu tranh với thiên nhiên để phòng chống lụt bão cũng luôn luôn chiếm vị trí nổi bật trong lịch sử tồn tại và phát triển của dân tộc ta

Sử sách còn ghi lại con đê đầu tiên của Việt nam đã có từ thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên cùng thời Hai Bà Trung và đến đầu thế kỷ thứ 11, nhà Lý đã đắp đê thành Đại La, sau đổi ra thành Thăng Long tức Hà Nội ngày nay với mục đích bảo vệ kinh đô bên dòng sông Hồng và đến thế kỷ thứ 13 thời nhà Trần thì đê sông Hồng đã được nối dài từ đầu châu thổ (Việt trì) ra đến biển để phòng chống lũ

Từ đó nhân dân Việt Nam vì bảo vệ cuộc sống của mình đã không ngừng đắp to, nâng cao và khép kín các tuyến đê sông, đê biển

Đến nay, Việt Nam có gần 8000 km đê, trong đó có gần 6000 km đê sông và 2000 km

đê biển Riêng đê sông chính có 3000 km và 1000 km đê biển quan trọng Có gần 600 kè các loại và 3000 cống dưới đê Ngoài ra còn có 500 km bờ bao chống lũ sớm, ngăn mặn ở

đồng bằng sông Cửu Long

Riêng hệ thống sông Hồng trong đồng bằng Bắc bộ có 3000 km đê sông và 1500km đê biển

1 Đặc điểm hệ thông đê đồng bằng Bắc bộ:

a) Về sự hình thành các tuyến đê:

Đặc điểm của quá trình hình thành các tuyến đê ở đồng bằng và trung du Bắc bộ trong buổi đầu sơ khai là quá trình tự phát: do nhân dân tự làm với trình độ nhận thức và công cụ lao động lúc đó rất thô sơ Vấn đề chọn tuyến và xử lý nền chắc chỉ được giải quyết hết sức giản đơn Chỉ có những năm sau này một số tuyến đê bị vỡ khi có lũ lớn hoặc một số nơi sông có sự đổi dòng hoặc phát triển thêm, việc lựa chọn tuyến đê mới được chú ý đầy đủ

đến các điều kiện kỹ thuật

Nói chung tuyến đê hiện có được hình thành trong quá trình phát triển, không có sự lựa chọn tuyến một cách chặt chẽ về các điều kiện địa hình, địa chất và dòng chảy

b) Địa hình hai bên ven đê:

Nhìn tổng thể địa hình có xu thế thấp dần từ thượng nguồn về phía biển với bề mặt nghiêng từ TB-ĐN

Bề mặt địa hình ven đê phía đồng ít thay đổi nhưng do tác động của con người theo thời gian bị phân cắt chủ yếu do việc lấy đất đắp đê tạo thành thùng đấu hoặc các hồ, đầm lớn do hậu quả của những lần vỡ đê

Địa hình ven đê phía sông thay đổi theo thời gian tùy thuộc chế độ dòng chảy và lượng phù sa các bãi bồi có nơi được tôn cao và mở rộng nhưng có nơi bị bào mòn và xói lở Các thềm sông, bãi bồi ở trung du - đồng bằng Bắc bộ có lịch sử hình thành gắn liền

Đất cấu tạo nên thềm sông ở đây là sét, sét pha nặng, đôi chỗ bị latêrit hóa, phía trên là

á sét nhẹ có lẫn ít cuội sỏi kết cấu hơi xốp Từ các vùng tiếp giáp các vị trí nói trên kéo dài qua đồng bằng ra biển tồn tại chủ yếu là các bãi bồi

Đất cấu tạo nên bãi bồi từ dưới lên gặp phổ biến là cát, cát pha có nơi là bùn sét hữu cơ

được phủ bởi lớp sét pha hoặc sét, trên cùng (ở phía ngoài đê) là lớp phù sa trẻ màu xám nâu

2 Về cấu trúc địa chất và tính chất địa chất công trình của các lớp đất ở nền đê:

Các lớp đất ở nền đê có nguồn gốc bồi tích hiện đại kỷ đệ tứ, phân bố từ trên xuống dưới như sau:

a) Lớp phù sa:

Phủ trực tiếp trên các giải địa hình ven đê phía sông có bề dày trung bình 2,00 ữ 2,5 m

b) Đất sét pha mầu nâu gụ:

Tầng đất này phân bổ hầu hết dưới nền đê dọc các tuyến sông chính

c) Đất sét màu xám xanh:

nhiên, với độ dày trung bình 2,0 ữ 4,0 m

d) Bùn sét và bùn sét hữu cơ:

Tầng này được tạo thành chủ yếu ở những vùng trũng, các cửa sông, đáy hồ và đầm lầy hoặc ở những lòng sông cổ, tạo thành các thấu kính bùn khá dày 5-10m, độ sâu phân bố cách mặt đất 3-5 m

e) Cát pha màu xám nâu - xám sẫm:

Phân bố ở độ sâu 3-5 m với diện tích phân bố hẹp, không liên tục

3 Đặc điểm địa chất thủy văn:

ảnh hưởng của điều kiện địa chất thủy văn đối với các loại công trình xây dựng có mức độ khác nhau Đối với nền các tuyến đê, chủ yếu chú ý tới sự có mặt của nước ngầm tàng trữ trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ trên xuống Nước ngầm ở tầng chứa nước có quan hệ với nước mặt: dâng cao về mùa mưa và hạ thấp về mùa khô Biên độ dao động của nước ngầm giữa mùa kiệt và mùa lũ là 4-5 m

Quá trình vận động của dòng ngầm có thể mang theo các hạt có đường kính nhỏ, lượng cát do nước mang theo tùy thuộc áp lực dòng thấm

Quá trình này lặp đi lặp lại trong nhiều năm sẽ làm cho nền đê bị biến dạng ở những nền đê có cát, lớp phủ phía đồng bằng không đủ dầy để thắng áp lực dòng thấm sẽ xuất hiện các mạch sủi, bãi sủi

4 Về cấu tạo thân đê:

Thân đê cũng được tôn cao, mở rộng trong quá trình hình thành và phát triển của hệ thống đê Có cả một quá trình đắp thân đê từ các loại đất không được chọn lựa, việc đầm nện cũng không theo quy chuẩn Do vậy thân đê có tính không đồng nhất cao

Ngoài ra thân đê còn chịu tác động xấu của các động vật đào hang (chuột, mối) tạo thành các hốc hoặc lỗ rỗng trong đó Đây là một hiểm hoạ khó lường

5 Về sự làm việc của đê sông:

Khác với đập, đê là công trình làm việc theo mùa Nhiều đoạn đê trong mùa khô thực chất chỉ là đường Đê chỉ làm việc ngăn và chắn nước trong mùa lũ Thời gian làm việc

trong năm của đê không nhiều Ngay trong mùa lũ, điều kiện làm việc của đê không chỉ phụ thuộc mực nước lũ mà còn phụ thuộc thời gian ngâm lũ dài hay ngắn

Thời gian của lũ lên và thời gian lũ xuống cũng là những yếu tố cần quan tâm khi xem xét điều kiện làm việc của đê

6 Những tác động của con người vào hệ thống đê:

Một mặt con người phải làm mọi cách giũ gìn sự tồn tại của hệ thống đê để bảo vệ chính mình, nhưng mặt khác con người cũng lại có tác động xấu đến hệ thống đê (đào, đắp, xây dựng công trình gần đê ) Nhà nước ta đã có "Pháp lệnh bảo vệ đê điều" nhằm loại trừ các tác dụng xấu của con người lên đê

III- Mặt cắt ngang đặc trưng của đê:

Từ những đặc điểm của đê đã nêu trên, chú ý nhiều đến các đặc điểm về địa hình, địa chất và thực tế làm việc của đê, có thể nêu ra một mặt cắt ngang đại diện của đê như sau: (hình 1-1)

Hình 1-1: Mặt cắt ngang đặc trưng của đê.

- Thân đê chịu tác dụng của cột nước H trong mùa lũ; chiều rộng đáy đê: B

- Mực nước sông mùa lũ (MNL) ngập trên bãi bồi

- Mực nước sông mùa kiệt (MNK), nói chung thấp dưới đáy lớp phủ

- Đất nền đê được tổng hợp thành 2 lớp:

gọi là lớp phủ ít thấm (hoặc lớp phủ) Chiều dày lớp này t=1-6m Lớp này thường có các

với chiều dày t và kệ số thấm chung K1 ở phía sông chiều dài lớp phủ là L1, ở phía đồng

chiều dày T = 20 ữ 60 m Đây thường là loại á cát, cát Thành phần hạt cũng thay đổi khá lớn Theo thành phần hạt cũng có thể chia lớp này thành nhiều lớp nhỏ Tuy nhiên xét về

Mặt cắt ngang đặc trưng của đê như trình bày trên mang tính chất đại diện Nó được xem như một sơ đồ để phân tích sự làm việc của đê

♣1-3 Phân tích sự làm việc của đê, các khả năng phá hoại sự làm việc an

toàn của đê

Điều kiện làm việc của đê có thể phân chia ra theo mùa:

- Mùa khô nước sông thấp, không ngập bãi bồi

- Mùa mưa, có lúc mực nước lũ lên cao, tạo cột nước H lên thân đê Đê làm việc như một đập đất Nền đê cũng chịu ảnh hưởng của các dòng thấm trong lớp phủ và lớp thấm Các khả năng phá hoại sự làm việc an toàn của đê có thể phân ra 2 loại:

+ Loại khả năng phá hoại bình thường: Là những dạng phá hoại xuất phát từ những nguyên nhân có tính quy luật, có thể dùng các lý thuyết của cơ học để tính toán được + Loại khả năng phá hoại đặc biệt: là những dạng phá hoại xuất phát từ những nguyên nhân không có tính quy luật hoặc những nguyên nhân đặc biệt, trong điều kiện đặc biệt, không có khả năng dùng các lý thuyết của cơ học để tính toán được Dưới đây xét từng loại

1 Loại khả năng phá hoại bình thường:

a) Trong mùa khô:

Mực nước sông dao động chung quanh MNK, thấp hơn đáy lớp phủ Như phần đặc

điểm địa điểm thủy văn đã nêu ở trên, lúc này nước ngầm từ tầng thấm nước bổ sung cho sông (hình 1-2)

Như vậy về thực chất đê giống như một đường giao thông được đắp cao trên nền 2 lớp Các dạng khả năng phá hoại là sự trượt của 2 mái dốc phía sông và phía đồng dưới tác dụng trọng lượng bản thân đê Sự trượt này thường có dạng trượt cung tròn - mặt trượt có thể là trượt nông - chỉ trên mái dốc, có thể là trượt sâu - cùng một phần nền (hình 1-2) Nếu cường độ và tải trọng giao thông trên mặt đê lớn và tập trung, phải xét đến ổn định của hai mái dốc và nền dưới tác dụng của tải trọng này

Các dòng thấm này là cơ sở để xem xét sự làm việc của đê trong mùa lũ

* Với thân đê:

Các dạng khả năng phá hoại là:

+ Trượt các mái dốc dưới tác dụng của áp lực thấm trong thân đê và chiều sâu mực nước phía sông (hình 1-4) Đường bão hòa trong thân đê thường dâng cao và lộ ra trên mái phía đồng

+ Đoạn AB là đoạn nước thấm rỉ ra trên mái đê phía đồng Gradien ra của dòng thấm ở

đây thường lớn có thể gây nên xói lở đất trên đoạn AB

+ Trong trường hợp mực nước lũ rút xuống nhanh, mái đê phía sông có thể bị trượt dưới tác dụng của dòng thấm đi ngược về phía mái dốc (hình 1-5)

Hình 1-4: Trượt mái đê cùng với nền

Hình 1-5: Dòng thấm trong thân đê khi lũ rút nhanh

* Với nền đê:

DC của lớp phủ ít thấm (hình 1-6) Chính áp lực này gây nên các dạng mạch đùn, mạch sủi

và một số biến dạng thấm khác phía đồng

Hình 1-7: Dòng thấm trong thân đê không đồng nhất

b) Dạng thứ hai:

Do động vật đào hang (chuột, mối ) hoặc những nguyên nhân bất thường nào đó mà trong thân đê tồn tại đường thấm tập trung như mô tả trên hình 1-8 Trong những trường

Hình 1-8: Sơ đồ các đường thấm tập trung trong đê

Trên hình 1-9b và hình 1-9c do có sự lún của khối đất đắp phía ngoài tường biên trên 2

đoạn AB và BC khác nhau mà xuất hện khe nứt (hoặc vùng đất rời) Dòng thấm tập trung nguy hiểm cũng theo khe này mà đi từ phía sông về phía đồng

Hình 1- 9: Các dạng hang thấm tập trung

Từ thực tế các trận lũ lụt trong những năm vừa qua cho thấy có những đoạn bờ sông, bờ biển đã ổn định trong nhiều năm, nay lại phải trải qua những diễn biến phức tạp do sông

đổi dòng, biển lấn vào đất liền… Điều này đòi hỏi công tác thiết kế các công trình bảo vệ

bờ cần bổ sung các điều kiện mới trong tính toán, đồng thời cần phải xây dựng các quy hoạch tổng thể về bảo vệ bờ sông, bờ biển trong từng khu vực rộng lớn

Do đặc điểm tác dụng của dòng chảy và sóng gió lên công trình, thường phân biệt các công trình bảo vệ bờ sông và công trình bảo vệ bờ biển

- Các đập mỏ hàn để lái dòng chảy trong sông đi theo những hướng xác định

- Các mỏ hàn mềm được làm bằng phên và cọc hay bãi cây chìm để điều khiển bùn cát

đáy, gây bồi, chống xói bờ và chân dốc

- Các hệ thống lái dòng đặc biệt (ví dụ hệ thống lái dòng Potapop) để hướng dòng chảy mặt vào cửa lấy nước, xói trôi bãi bồi, bảo vệ các đoạn bờ xung yếu…

2- Công trình bảo vệ bờ biển:

Khác với công trình bảo vệ bờ sông, các công trình bảo vệ bờ biển chịu tác động của hai yếu tố chính là:

- Tác dụng của sóng gió

- Tác dụng của dòng ven bờ Dòng này có thể mang bùn cát bồi đắp cho bờ hay làm xói chân mái dốc dẫn đến sạt lở bờ

Ngoài ra các công trình bảo vệ bờ biển được xây dựng trong môi trường nước mặn nên cần lựa chọn vật liệu thích hợp

a) Các loại kè biển:

Dùng các vật liệu khác nhau để gia cố bờ trực tiếp, chống sự phá hoại của sóng và dòng chảy

Do tác dụng của sóng gió, giới hạn trên của kè phải xét đến tổ hợp bất lợi của sóng gió

và thủy triều, trong đó kể cả độ dâng cao mực nước do gió bão Với các đoạn bờ biển không có sự che chắn của hải đảo và rừng cây ngập mặn, sóng biển dội vào bờ thường có xung lực rất lớn, mực độ phá hoại mạnh, nên kết cấu kè biển thường phải rất kiên cố, và tiêu tốn nhiều vật liệu

Với các đoạn bờ biển chịu tác dụng của dòng ven có tính xâm thực (làm xói chân bờ) thì giới hạn dưới của chân kè phải đặt ở phạm vị mà ở đó bờ biển không còn khả năng bị xâm thực (được xác định từ tài liệu quan trắc và tính toán dòng ven)

b) Các loại công trình giảm sóng, ngăn cát:

Được xây dựng trên vùng bãi phía trước mục tiêu cần bảo vệ Thuộc loại này bao gồm:

- Các rừng cây ngập mặn chống sóng Đây là một giải pháp bảo vệ bờ rất hữu hiệu, tạo

ra hiệu quả tổng hợp về ngăn sóng và tăng khả năng lắng đọng phù sa, hình thành các bãi bồi ven biển Tuy nhiên nó chỉ thích hợp với những vùng gần cửa sông, có bãi thoải và nguồn phù sa tương đối dồi dào

- Đê mỏ hàn cũng như đập mỏ hàn ở bờ sông, được xây dựng nhô ra khỏi bờ để cản sóng và hạn chế các dòng ven có tính xâm thực Loại này không thích hợp với bờ có bãi thoải và rộng

- Đê dọc đứt khúc xa bờ: thích hợp với các bờ có bãi thoải và rộng Khi đó đê được đặt song song với bờ, và cách bờ một khoảng nhất định (xác định theo điêu kiện kinh tế - kỹ thuật) Đê được bố trí gồm các quãng liền và đứt xen kẽ, các quãng liền có thể làm cao hơn mặt nước (đê nổi) hoặc chìm dưới nước (đê ngầm giảm sóng)

- Các mỏ hàn dạng chữ T, chữ Y: là các phương án kết hợp giữa đê mỏ hàn và đê dọc

đứt khúc để tăng hiệu quả cản sóng, bảo vệ bờ

Việc bố trí và tính toán các công trình bảo vệ bờ đựoc trình bày cụ thể ở chương 5

Chương iI

Tính toán các thông số của sóng vμ nước dâng

♣2-1 Khái niệm chung

Khi thiết kế đê sông cũng như đê biển, cần phải xác định các thông số thủy lực của dòng chảy mặt có ảnh hưởng đến kích thước và khả năng chịu lực của đê Các thông số quan trọng nhất là: mực nước tính toán ( ứng với các trường hợp tính toán khác nhau), mực nước dâng do gió, các yếu tố của sóng gió (sóng do gió gây ra, để phân biệt sóng do tàu thuyền và các tác nhân khác) Ngoài ra, hướng của dòng chảy mặt và hướng chuyển bùn cát

đáy cũng ảnh hưởng tới các quá trình diễn biến bờ và an toàn của đê Vấn đề này được trình bày trong các chuyên đề về động lực học sông ngòi và động lực học vùng ven biển Trong chương này chỉ đề cập đến việc tính toán các thông số của sóng và nước dâng

I Các thông số của sóng:

Sóng do gió tạo ra trên mặt hồ, sông, biển là kết quả tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau: vận tốc gió (w), hướng gió ( β), đà sóng(D), thời gian gió thổi liên tục (t), độ sâu nước (h) v.v

Mô tả hình dạng của con sóng điển hình như trên hình 2-1

- Chân sóng: Điểm thấp nhất của bụng sóng

- Chiều cao sóng(Hs): Khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh sóng đến chân sóng;

- Chiều dài sóng hay bước sóng(Ls): Khoảng cách nằm ngang giữa hai đỉnh sóng kề nhau

- Chu kỳ sóng (Ts): Khoảng thời gian để hai đỉnh sóng kề nhau đi qua một mặt cắt xác

định vuông góc với hướng truyền sóng

Vì các yếu tố tạo sóng (w,β,D,t,h ) là các đại lượng thay đổi thường xuyên và có vô vàn các tổ hợp của chúng nên các yếu tố của sóng phải được xét như là các đại lượng ngẫu nhiên và được phản ánh thông qua các đặc trưng thống kê của sóng Trong thực tế, người ta

sử dụng 2 loại đặc trưng thống kê của sóng như sau :

1 Loại 1:

Sử dụng giá trị trung bình của một bộ phận sóng trong liệt sóng thống kê, ví dụ:

cao sóng trong liệt thống kê

gồm 1/3 số con sóng trong liệt thống kê, sắp xếp từ lớn đến nhỏ Khái niệm này thường

được dùng nhiều trong các tài liệu của phương Tây hiện nay

2 Loại 2:

Sử dụng các trị số theo tần suất luỹ tích

Khi tính toán cần dựa vào các qui định của qui phạm hiện hành để xác định các đặc trưng loại này hay loại khác

đây) và 22TCN 222- 95 (Bộ giao thông vận tải) hiện nay

2 Phương pháp biểu đồ Hincat:

Được giới thiệu nhiều trong tài liệu phương Tây Các trị số chiều cao sóng tìm được trực

♣2-2 Xác định các yếu tố tạo sóng

Các yếu tố tạo sóng được xét ở đây bao gồm gió (hướng, vận tốc, thời gian thổi liên tục), đà sóng, chiều sâu nước phía trước công trình và sự biến đổi của các yếu tố này theo thời gian Các thông số của sóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố và chỉ khi hội đủ một số điều kiện nhất định thì sóng mới đạt được chiều cao lớn nhất (ứng với một mức đảm bảo đã cho)

Sau đây trình bày cách xác định các yếu tố tạo sóng như là các số liệu đầu vào để tính toán sóng

I Gió:

1 Hướng gió:

Các đặc trưng của gió được thống kê theo từng hướng xác định hoặc là không kể hướng Theo hướng, các thông số của gió có thể được mô tả theo kiểu hoa hồng 4 cánh (gồm 8 hướng: Đ, T, N, B, ĐB, ĐN, TB, TN) hoặc hoa hồng 8 cánh (gồm 16 hướng) Khi công trình xây dựng ở vùng mà hướng gió thường xuyên thay đổi hoặc không xác định, có thể xác định các đặc trưng thống kê không kể hướng của gió

Với một tuyến công trình đê đập xác định, hướng gió được đặc trưng bởi góc β, là góc nhọn giữa hướng gió thổi và hướng vuông góc với tuyến công trình Khi hướng gió thổi vuông góc với tuyến công trình, ta có β = 0

quy định khi thiết kế công trình (theo các qui phạm hiện hành)

t

W

5.4

Khi đo trên bãi cát bằng phẳng, Kđ = 1;

Khi đo trên loại địa hình khác, theo bảng 2-1

Bảng 2-1: Giá trị của K đ ở các loại địa hình

Tốc độ gió Wt(m/s) Dạng địa hình A Dạng địa hình B Dạng địa hình C

- Dạng địa hình B: Các thành phố có nhà cao < 25m, kể cả ngoại ô, các vùng rừng rậm

và các địa hình tương ứng có vật chướng ngại phân bố đều khắp, với chiều cao các vật

chướng ngại > 10m so với mặt đất

- Dạng địa hình C: Các khu thành phố có nhà cao hơn 25m

bảng 2-2

Bảng 2-2: Hệ số chuyển đổi vận tốc gió K 10

Khoảng cách giữa máy

3 Thời gian gió thổi liên tục (t):

Thời gian gió thổi liên tục có ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số của sóng gió Khi

Theo QPLT C1-78, khi không có tài liệu về thời gian tác dụng của gió, để tính toán sơ

bộ cho phép lấy t=6 giờ đối với hồ chứa nước (thiên nhiên và nhân tạo), 12 giờ đối với biển

và 18 giờ đối với đại dương

II Đà sóng (D):

Đà sóng được xác định tùy theo tình hình thực tế ở địa điểm dự báo

1 Nếu địa điểm dự báo là vùng nước hẹp, D được xác định theo phương pháp đồ giải

i

i i

i

2 i

cos

cosr

Trong đó:

Hình 2-2: Sơ đồ xác định đà sóng tương đương D td

Cách xác định cụ thể như sau:

- Từ vị trí dự báo vẽ một tia thẳng theo hướng gió chính (Tia xạ chính) Tia này có i =

2 Đối với vùng không có yếu tố địa hình hạn chế, giá trị trung bình của đà sóng D (m)

đối với một vận tốc gió tính toán w(m/s) cho trước được xác định theo công thức:

Giá trị lớn nhất của đà sóng theo 22TCN222-95 được xác định theo bảng 2-3

Bảng 2-3: Trị số chiều dài đà sóng theo giới hạn Dmax (km)

- Khi đà sóng lớn hơn 100km thì vận tốc gió tính toán phải xác định có xét tới sự phân

bố theo không gian của nó

III Mực nước tính toán và chiều sâu nước trước công trình:

1 Mực nước tính toán:

Mực nước tính toán được chọn theo các tần suất bảo đảm do qui phạm qui định, và theo các trường hợp tính toán tương ứng ở nước ta hiện nay, các qui phạm về đê sông, đê biển chưa được ban hành chính thức (đang ở mức dự thảo) nên có thể chọn các tần suất bảo

đảm theo các tài liệu chuyên môn tương ứng ở trong và ngoài nước Chẳng hạn, theo quy phạm đê của Trung Quốc:

Cấp đê I II III IV V Thời kỳ xuất hiện lại (năm) ≥ 100 ≥ 50 ữ 100 ≥ 30 ữ 50 ≥ 20 ữ 30 ≥ 10 ữ 20

Theo QPTL C1-78, khi xác định các yếu tố của sóng gió và nước dâng, phải lấy tần suất bảo đảm của gió là 2% đối với công trình cấp I và II, 4% đối với công trình cấp III và

IV Chú ý rằng nếu trong số liệu tính toán mực nước (theo tần suất bảo đảm) chưa kể đến chiều cao nước dâng do gió thì cần cộng thêm trị số mực nước dâng tính toán vào mực nước tính toán sóng

sâu phân giới gây sóng vỡ

c) Vùng sóng đổ:

d) Vùng sóng leo:

leo lên đến độ cao nào đó thì rút xuống Trong vùng này các yếu tố hình dạng sóng không còn tồn tại

Khi trước công trình là bờ thoải liên tục thì trước hết phải xác định các yếu tố sóng tại vùng nước sâu, sau đó tính toán biến dạng của các yếu tố sóng nước sâu đó trong quá trình truyền vào bờ, đi qua các vùng nước nông, sóng đổ và sóng leo

♣2-3 Tính toán các thông số của sóng theo phương pháp Crưlốp

và W

tg Chọn lấy cặp giá trị bé

Chiều dài sóng trung bình xác định theo công thức:

π

=2

T.gL

2 s

ở đây:

a- khoảng cách giữa chính các tia đó, nhưng theo đường thẳng vẽ qua một điểm cho trước ở vùng nước nông (m)

Hình 2-5: Đồ thị xác định hệ số Kt (1) và đại lượng h pg /Ls (2,3,4)

Hình 2-6: Sơ đồ và các đồ thị lập bình đồ khúc xạ

a) Mặt bằng khúc xạ; b) Đồ thị xác định góc khúc xạ

Trên mặt bằng khúc xạ, các tia sóng ở vùng nước sâu phải lấy theo hướng lan truyền

sóng đã cho trước, còn ở vùng nước nông phải kéo dài các tia đó theo phương pháp thể hiện

trên hình 2-6 Được phép lấy giá trị của hệ số Kr theo kết quả xác định hệ số khúc xạ đối

Hệ số tổng hợp các tổn thất Ki được xác định theo bảng 2-4 ứng với các giá trị đã biết

của đại lượng h/Ls và độ dốc đáy i Khi i ≥ 0.03 thì Ki = 1

Chiều cao sóng có mức đảm bảo p% (Hsp) cũng xác định theo công thức (2-6), trong

đó Kp tra ở đồ thị hình 2-4 theo các đại lượng không thứ nguyên

2

W

D.g

và

2

W

h.g

, chọn lấy trị

số nhỏ trong hai giá trị Kp tìm được

Chiều dài sóng cũng xác định theo công thức (2-5)

0.002 cũng xác định theo phương pháp trình bày ở mục a), trong đó trị số chiều cao sóng

3 Các thông số của sóng tại vùng sóng đổ

Theo đồ thị (các đường cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại lượng không thứ nguyên

2 s

% 1

T.g

H

Theo đồ thị đường cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại lượng không thứ nguyên

cho các giá trị độ sâu h, theo phương pháp nêu ở mục 2 - a (công thức 2 - 7, 2 - 8) xác định các đại lượng

2 s

sp

T.g

H Tiếp theo, từ các đồ thị 2,3, 4 hình 2-5 xác định tương ứng các trị số

s

pg

L

h

Trong đó: Km hệ số lấy theo bảng 2-5;

n- Số lần đổ (bao gồm cả lần đầu), lấy từ dãy số n = 2, 3 và 4 khi thoả mãn các điều

Bảng 2-5: Trị số hệ số Km

Độ dốc đáy i 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05

sâu phân giới đối với đoạn đáy có độ dốc không đổi

Hình 2-7: Đồ thị xác định các giá trị L/Ls ở vùng nước nông

và các giá trị L s /Lsở vùng sóng đổ

♣2-4 Tính toán các thông số của sóng biển theo biểu đồ Hincat

1 Trường hợp độ sâu nước h > 15 m (sóng nước sâu)

Sử dụng biểu đồ trên hình 2-8 Từ giá trị vận tốc gió đã hiệu chỉnhWa và giá trị đà

Sử dụng các biểu đồ trên hình từ 2-9 a,b Cách sử dụng cũng giống như trường hợp

Hình 2-8: Đồ thị xác định các thông số sóng nước sâu

a) ChiÒu s©u n−íc 3 m b) ChiÒu s©u n−íc 6 m

H×nh 2-9: C¸c th«ng sè cña sãng khi h < 15 m

3 Các trường hợp riêng:

a) Trường hợp đà sóng lớn, độ sâu khu nước thay đổi nhiều Lúc này chia đà sóng thành những đoạn riêng, trên mỗi đoạn độ sâu coi như không thay đổi và bằng trị số độ sâu trung bình Tiếnhành tính cho từng đoạn từ khu vực nước sâu trở vào với các giá trị Wa, Di,

hi, hsi tương ứng

4 Các ví dụ tính toán:

a) Ví dụ 1:

- Vận tốc gió Wa = 35 m/s

- Đà sóng D = 1000 m

- Độ sâu nước thiết kế h = 6,0m

Giải:

Sử dụng đồ thị hình 2-9b, đường cong dự báo sóng ở vùng nước nông có độ sâu cố

định h = 6.0m, với Wa và D đã cho, tra được :

c) Ví dụ 3:

Yêu cầu xác định các thông số của sóng Khi biết:

- Vận tốc gió Wa = 30 m/s

- Đà sóng D = 1000 m

- Độ sâu nước thiết kế h = 3.0 m

Thời gian gió thổi t = 30 phút

Giải:

Sử dụng đồ thị hình 2-9a, đường cong dự báo sóng ở vùng nước nông có độ sâu cố

thị đã dẫn, ứng với Wa = 30 m/s và t = 30 phút ta được:

♣2-5 Tính toán chiều cao sóng leo

Chiều cao sóng leo lên mái đê phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các thông số sóng trước

chiều sâu nước trước đê, hướng truyền sóng

I Trường hợp dốc đơn (mái nghiêng với một độ dốc):

Chiều cao sóng leo ứng với mức đảm bảo p% tính theo công thức:

Ls.Hsm

1

K.K.K.KH

2

pl w psl

tuyến đê, xác định theo bảng 2-9

B¶ng 2-6: HÖ sè nh¸m vµ thÊm cña m¸i dèc KΔ

Bảng 2-9: Hệ số Kβ; β: góc giữa hướng truyền sóng và hướng pháp tuyến với đê

Có thể nội suy chiều cao sóng leo từ các trị số tính theo m = 1.25 và m = 1.5

II Trường hợp mái dốc phức hợp có thềm giảm sóng:

Khi mái dốc có thềm giảm sóng, chiều cao sóng leo vẫn được tính toán theo các công thức đối với mái dốc đơn, nhưng hệ số mái phải được tính đổi thành hệ số mái dốc tương

3 khi Δm < 0, m D < m T :

Ls

hw).hb (2-15) Trong các công thức trên

♣2-6 Tính toán áp lực sóng

I áp lực sóng lên mái nghiêng:

1 áp lực sóng dương:

Đối với mái dốc được gia cố bằng bê tông đổ tại chỗ hay tấm bê tông lắp ghép, khi hệ

số mái thoả mãn điều kiện 1.5 ≤ m ≤ 5 thì biểu đồ áp lực sóng dương (sóng vỗ vào mái) có dạng như hình 2-10

Hình 2-10: Biểu đồ áp lưc sóng tính toán lớn nhất lên mái dốc được gia cố bằng các tấm bản.