Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày một số vấn đề về an toàn công trình kè ở ĐBSCL làm cơ sở nghiên cứu xác định độ tin cậy an toàn công trình kè theo phương pháp thiết kế ngẫu nhiên.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ AN TỒN HỆ THỐNG CƠNG TRÌNH KÈ Ở ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG Dỗn Văn Huế, Tơ Văn Thanh Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Nguyễn Hữu Bảo Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Những cố, hư hỏng cơng trình kè bờ sơng liên quan đến biến đổi dịng chảy, xói lở lịng dẫn, gia tải q mức, thiết kế an toàn tổng thể chưa đúng, xảy thường xuyên thời gian gần đây, đặc biệt khu vực ĐBSCL đòi hỏi cần có nghiên cứu đầy đủ đánh giá mức độ an tồn cơng trình kè để phục vụ cho việc cải tạo, nâng cấp thiết kế xây dựng Bài viết trình bày số vấn đề an tồn cơng trình kè ĐBSCL làm sở nghiên cứu xác định độ tin cậy an tồn cơng trình kè theo phương pháp thiết kế ngẫu nhiên Summary: Incidents and damages happened to embankment structures caused by the channel flow changes, channel morphological erosion, excessive loading, inadequate structural safety design, that have been occurred more frequently in recent times (especially in the Mekong Delta) require more complex research to assess the safety of river embankments serving structural renovation, upgrading and new design This article presents some issues of embankment safety in the Mekong Delta as a basis for the study of the river embankment structure safety determination for any design method TỔNG QUAN* Đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) nằm cuối nguồn sông Mê Công, vùng đất giàu tiềm phát triển kinh tế - xã hội với đặc điểm sông rạch chằng chịt có nhiều cửa sơng thơng biển Sông ĐBSCL thường rộng, sâu, địa chất đất yếu, có tốc độ biến hình hàng năm lớn phải chịu ảnh hưởng trực tiếp biến đổi khí hậu - nước biển dâng tác động từ việc khai thác sử dụng nguồn nước quốc gia phía thượng nguồn sơng Mê Cơng làm biến động dịng chảy mùa mưa mùa khô Thời gian gần đây, cố, hư hỏng cơng trình bảo vệ bờ sơng liên quan đến biến đổi lịng dẫn, xói lở bờ sông xảy thường xuyên sông Cửu Long, tập trung khu vực thành phố Cần Thơ, Long Xuyên, Đồng Tháp thành Ngày nhận bài: 16/5/2018 Ngày thơng qua phản biện: 28/6/2018 phố Hồ Chí Minh,… Để chống xói lở bờ sơng, bảo vệ sở hạ tầng khu dân cư vùng sản xuất, năm qua Nhà nước đầu tư hàng nghìn tỷ đồng xây dựng cơng trình kè bảo vệ bờ Cơng trình kè bảo vệ bờ sơng đa phần cơng trình đa mục tiêu Tuy nhiên mặt an tồn, cơng trình kè lại nơi tiềm ẩn tai họa cố sụp đổ gây yếu tố bất định từ phía tự nhiên tác động vào cơng trình ngày phức tạp, tác động trực tiếp dẫn đến cố cơng trình kè Thực tế thời gian qua, cố ổn định cơng trình kè sơng Cần Thơ, kè sơng Tiền, kè kênh Đồng Tiến - Lagrange Đồng Tháp, kè thành phố Vĩnh Long, kè bờ sông Nhà Bè,… gây nên thiệt hại lớn kinh tế, ảnh hưởng đến ổn định sống, sinh hoạt người dân Ngày duyệt đăng: 10/10/2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ kết tính tốn thiết kế cho thấy cơng trình đảm bảo ổn định an toàn chịu lực Hiện nước ta, cơng trình kè tính tốn theo mơ hình thiết kế truyền thống, tiêu an tồn dùng để đánh giá hệ số ổn định Mức độ an tồn cơng trình đánh giá thơng qua tốn ổn định tổng thể, biến dạng tiêu kỹ thuật mô qua khả chịu tải, ảnh hưởng thành phần cơng trình chưa xét đến Cơng trình kè bảo vệ bờ sơng có cấu trúc đa dạng gồm nhiều thành phần (tường chắn đất, kết cấu neo giữ, mái kè, chân kè, mặt kè,…) cần phân loại theo cấu trúc phù hợp để tìm độ tin cậy an tồn làm sở khoa học cho việc nghiên cứu, cải tạo, nâng cấp thiết kế hệ thống cơng trình kè theo xu hướng thiết kế tiến giới HƯ HỎNG VÀ CÁC SỰ CỐ CƠNG TRÌNH KÈ Ở ĐBSCL 2.1 Tổng thể nguyên nhân hư hỏng cố cơng trình kè Hư hỏng cố cơng trình xây dựng ln chủ đề mang tính thời nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu Hư hỏng cố hai khái niệm có mức độ trầm trọng khác cơng trình, thuật ngữ mang tính quy ước lại cần thiết cho nghiên cứu cố cơng trình [4] Hư hỏng biến cố xảy cơng trình đảm bảo tồn phần lớn cơng Sự cố biến cố xảy làm cho công trình bị đổ vỡ đến mức khơng đảm bảo cơng Sau phân tích ngun nhân hư hỏng cố số cơng trình kè ĐBSCL, cho thấy tượng hư hỏng cố tập trung vào năm điểm sau: Hình 1: Sơ đồ cố cơng trình kè bảo vệ bờ Ngun nhân xảy cố cơng trình kè Việt Nam khái quát thành hai nhóm nguyên nhân chủ quan khách quan Nhóm nguyên nhân chủ quan yếu công tác khảo sát, thiết kế, thi công, quản lý xây dựng,… gọi chung chất lượng xây dựng quản lý vận hành Nhóm nguyên nhân khách quan tính bất thường thiên nhiên bão lũ, động đất, [1] Phân tích theo đặc tính làm việc chế phá hoại phận kết cấu tạo thành cơng trình kè bờ sơng dẫn đến cố hỏng kè khái quát thành hai nhóm nguyên nhân Nhóm nguyên nhân thứ kết cấu kè không đủ khả chịu tải biểu tượng: kè bị trượt mái, nghiêng; kè bị nứt dọc, nứt ngang, Nhóm nguyên nhân thứ hai cố xảy cơng trình kè quản lý vận hành biểu tượng: xói chân kè, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC neo đậu tàu thuyền, vi phạm hành lang an tồn cơng trình Các ngun nhân dẫn đến cố cơng trình kè có quan hệ móc nối với tác động đến theo logic hệ thống 2.2 Sự cố số cơng trình kè ĐBSCL 2.2.1 Kè sông Gành Hào Trong cố xảy cơng trình kè ĐBSCL thời gian qua, kể tới cơng trình kè Gành Hào huyện Đơng Hải, tỉnh Bạc Liêu CƠNG NGHỆ [3] Kè Gành Hào đoạn G1 dài 835 m (hình 2) khởi cơng xây dựng năm 2003 hồn thành đưa vào sử dụng năm 2005 Trong thời gian 11 năm từ xây dựng hoàn thành đầu năm 2016, cơng trình ổn định an toàn Tuy nhiên với diễn biến thời tiết bất lợi, cơng trình liên tiếp gặp cố năm 2016 - 2017 vị trí, khoảng thời gian ngày cuối năm âm lịch (mùa gió chướng) Khu vực bị hư hỏng 2016, 2017 Hình 2: Sơ đồ vị trí đoạn kè xây dựng khu vực cửa sông Gành Hào Sự cố đợt từ đêm 23/01/2017 đến ngày 11/02/2017, vị trí đoạn G1 thuộc ấp thị trấn Gành Hào xảy sạt lở mái kè với diện tích sạt lở 390 m2 gây hư hỏng nặng, làm 14 m chiều dài kè bị phá hỏng hoàn toàn, dầm mũ đầu tường cừ bị gãy đổ, mặt đường sau kè bị lún sụt nghiệm trọng Sự cố đợt từ ngày 12/02/2017 đến 21/02/2017 xảy thời gian triều cường dâng cao kết hợp sóng to gió lớn tác động mạnh nhiều ngày liên tiếp Sự cố đợt từ ngày 25/02/2017 đến 02/3/2017 làm dầm mũ hắt sóng bị gãy hồn tồn với chiều dài 20 m mái kè tiếp tục sạt lở thếm 320 m2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 3: Hình ảnh cố kè Gành Hào đoạn G1-835m, ảnh chụp tháng 02/2017 2.2.2 Kè bờ sông Hậu Đợt sạt lở nghiêm trọng bờ sông Hậu Mỹ Hội Đông, huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang xảy ngày 22/4/2017 làm cho 17 nhà bị nhấn chìm xuống sông Phạm vi sạt lở xảy đoạn chiều dài khoảng 100 m, ăn sâu vào bờ 50 m Đến nay, khu vực nguy sạt lở tiếp tục mở rộng phạm vi [3] Hình 4: Vị trí sạt lở bờ sơng khu vực Mỹ Hội Đông, huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang (ảnh chụp ngày 24/4/2017) Nguyên nhân gây sạt lở khu vực bờ sông Hậu Mỹ Hội Đông đánh giá chủ yếu tác động dòng chảy tạo hố xói lịng dẫn, đặc biệt đoạn gần ngã ba sông Vàm Nao Xem xét khả đào xói lịng dẫn dịng chảy từ kết đo đạc cho thấy vận tốc khởi động bùn cát lòng dẫn khu vực vào khoảng 0,35 m/s, nhỏ nhiều so với vận tốc thực tế có giá trị trung bình khoảng từ 0,6 m/s đến 1,2 m/s Ngồi ra, lớp đất cấu tạo lịng dẫn, mái bờ có tính chất lý thấp làm giảm khả liên kết lớp đất dẫn đến tính kháng trượt khối đất bờ lòng dẫn ảnh hưởng việc gia tải mức lên mép bờ hoạt động: xây dựng nhà cửa, sở hạ tầng, chất xếp hàng hóa, neo đậu tàu thuyền v.v… điều làm cho tải trọng tác dụng lên mép bờ tăng Đặc biệt nguy hiểm kết hợp với xuất yếu tố khách quan khác như: lũ xuống, triều rút làm tăng trọng lượng khối đất bờ hay giảm áp lực đẩy nổi, mưa làm bão hòa khối đất bờ phát sinh áp lực thấm 2.2.3 Kè bờ sông Cần Thơ Một công trình kè khác bị cố thi công Kè bờ sông Cần Thơ đoạn qua dự án TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC Vincom Xuân Khánh thuộc quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ Cơng trình nằm đoạn sông cong bờ tả sông Cần Thơ khu tập trung dân cư đông, cách đường 30 tháng khoảng 100 m Cao độ mặt đất tự nhiên khu vực CÔNG NGHỆ từ +2,0 m đến +2,5 m Địa hình đáy sơng phía hạ lưu cơng trình hố xói sâu có cao độ thấp -24 m Địa hình có nhiều thay đổi phạm vi cơng trình, đáy sơng thấp dần từ thượng lưu hạ lưu [3] Hình 5: Vị trí kết cấu cơng trình kè dự án Vincom Xn Khánh Hình 6: Hiện trạng bờ kè khu vực dự án VinCom Xuân Khánh Trên tồn tuyến cơng trình chiều dài L = 243 m, xuất đoạn bờ bị sạt lở nghiêm trọng với chiều dài sạt lở khoảng 100 m hố xói tiến sát bờ với độ sâu 10 m Hiện tượng sạt lở gây sụt lún hư hỏng 100 m đoạn đường nhựa nội vỉa hè trung tâm thương mại VinCom Xuân Khánh Theo tài liệu khảo sát, cấu tạo địa chất bờ sơng bao gồm lớp đất yếu có chiều sâu đến 30 m Địa hình dốc bờ lõm, lạch sâu trục động lực gần bờ khu vực xảy cố Cộng thêm tác động dòng chảy triều lên triều xuống hướng vào bờ, sóng thuyền lớn thường xuyên tác động Nếu khơng kịp thời có phương án xử lý có khả hố xói tiếp tục phát triển vào phía bờ gây ổn định đến đoạn bờ lân cận, cơng trình xây dựng khu thương mại Vincom Xuân Khánh 2.3 Phân tích nguyên nhân hư hỏng cơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ trình kè Cơng trình kè bảo vệ bờ bị hư hỏng nhiều lý thiết kế an toàn tổng thể chưa đúng, bên cạnh yếu tố khách quan thay đổi (biến đổi dịng chảy, xói lở lòng dẫn, gia tải mức, ), điều minh chứng kè khơng hỏng tồn mà phần, vị trí tuyến cơng trình Ngun nhân gây hư hỏng cơng trình kè bờ sơng thường liên quan trực tiếp đến q trình xói lở lịng dẫn Các yếu tố tham gia vào q trình xói lở lịng dẫn thời gian này, vị trí giữ vai trị chủ đạo, ngun nhân gây hư hỏng cơng trình vào thời điểm khác, vị trí khác đóng vai trị thứ yếu, nhân tố ảnh hưởng tới tới cố cơng trình Trong tổng hợp nhiều ngun nhân tác dụng đó, cần tìm đâu ngun nhân cho vị trí xét; thời gian tác dụng tần suất xuất nguyên nhân nào, để đưa giải pháp giảm nhẹ vừa phù hợp kinh tế vừa mang lại hiệu kỹ thuật cao Do điều kiện chịu lực trình làm việc cơng trình kè có tính chất thay đổi khơng gian thời gian, để xác nguyên nhân, nhân tố ảnh hưởng đến ổn định cơng trình cần tiến hành xem xét phân tích cụ thể yếu tố: a Yếu tố làm tăng lực gây trượt tổng thể bao gồm [2]: - Dịng chảy sơng có vận tốc lớn vận tốc cho phép khơng xói đất cấu tạo bờ sơng, lịng sơng làm cho lịng dẫn bị đào xói, khối đất phản áp mái kè bị suy giảm, đến giới hạn định mái kè bị sụp đổ - Đất bờ sông bị thay đổi trạng thái liên tục, khô - ướt gây nứt nẻ làm giảm lực liên kết chúng Khi thủy triều lên làm gia tăng lượng ngậm nước đất (gây trương nở giảm nhỏ lực dính kết đất) Khi thủy triều rút áp lực đẩy đất khơng cịn (lực chống trượt giảm) Q trình thủy triều lên xuống làm cho khối đất bờ sơng bị co ngót giãn nở,… từ tạo thành khe nứt khối đất làm tăng trình tan rã Mặt khác thủy triều rút nhanh, phần phía kè rút chậm phía ngồi sơng dẫn đến chênh lệch mực nước, kết hợp với tác động nước ngầm chứa đất tạo nên áp lực thủy tĩnh thủy động làm phá vỡ trạng thái cân giới hạn dẫn đến sạt lở lún sụt cơng trình - Do xói chân kè làm lực ngang tăng lên vượt giới hạn cho phép tường kè Lực ngang gây hai lực là: Áp lực đất chủ động (giá trị lực tăng theo lũy thừa bậc chiều sâu tính từ đỉnh kè đến chân kè) Khi chân kè bị xói, lực ngang tăng vượt giới hạn chịu lực ngang tường cừ làm cừ bị xô ngang, đổ nghiêng sông o - Gia tải mặt kè san lấp mặt bằng, xây dựng nhà cơng trình lấn chiếm hành lang an tồn, neo tàu thuyền vào bờ kè, sóng tàu thuyền, gió vỗ vào mặt kè,… o - Đất bờ sơng bị bão hòa nước mưa làm tăng trọng lượng khối đất bờ, phát sinh áp lực thấm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - Khi lũ xuống triều rút, mực nước sơng thấp xuống, trọng lượng khối đất áp lực nước thấm từ bờ sông tăng lên b Yếu tố làm giảm tải trọng khối chống trượt [2]: Áp lực nước thấm (giá trị lực tăng theo lũy thừa bậc chiều sâu tính từ mực nước ngầm đất đến mực nước ngồi sơng) Hiện phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn phương pháp trạng thái giới hạn phương pháp thiết kế tất định dùng phổ biến mơ hình thiết kế cơng trình kè Việt Nam Theo thiết kế này, tải trọng sức chịu tải cơng trình khơng thay đổi suốt q trình làm việc cơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 KHOA HỌC trình, trạng thái giới hạn chế phá hoại định trước theo dự tính người thiết kế Thực tế tải trọng độ bền chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên Vì vậy, quan niệm quan hệ tải trọng sức chịu tải cơng trình mơ hình thiết kế truyền thống chưa phù hợp với thực tế Chỉ tiêu đánh giá an toàn hệ số an toàn, phương pháp chưa xét yếu tố bất định tiêu đánh giá nhiều hệ số an toàn hay hệ số an tồn khơng đại diện cho hệ thống Hạn chế lớn phương pháp chọn trước giá trị tải trọng thiết kế mà không kể đến khả xuất tải trọng lớn nhỏ tải trọng thiết kế Vì thực tế, nhiều cơng trình thiết kế theo phương pháp có cố đổ vỡ mà khơng có sở tìm ngun nhân thiết kế Trạng thái đa dạng phức tạp kết cấu xây dựng cấu kiện chúng, phụ thuộc vào hàng loạt tham số có chất ngẫu nhiên, khơng thể miêu tả cách thích hợp khn khổ quan hệ hàm số với tính đơn trị tiền định [5] Liên quan đến điều vừa trình bày, vịng chục năm gần giới hình thành hệ thống phương pháp tính tốn theo quan điểm mới: tính kết cấu xây dựng theo lý thuyết xác suất lý thuyết độ tin cậy Khác với tiêu chuẩn hành, phương pháp tính toán kết cấu xây dựng theo lý thuyết xác suất đề nghị tiêu chí chất lượng - độ tin cậy kết cấu Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên tính độ tin cậy phuơng pháp thiết kế theo xu hướng đại Theo thiết kế trạng thái giới hạn chế phá hoại mơ mơ hình tốn mơ hình tương ứng Xác suất phá hoại phận cơng trình cơng trình tính từ hàm tin cậy Z = R(xi) - N(yi) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] CÔNG NGHỆ Hàm thành lập sở quan hệ tải trọng N(yi) sức chịu tải R(xi) chế phá hoại tương ứng với trạng thái giới hạn Trong tải trọng sức chịu tải tổ hợp chứa đựng biến tham số ngẫu nhiên [6] [7] Khi tính xác suất hay phân tích độ tin cậy an tồn cơng trình, tác động vào cơng trình, tính chất đất nền, vật liệu xây dựng, kết cấu,… biến (biến ngẫu nhiên) Các tác động vào cơng trình gồm: lực tập trung lực phân bố, ảnh hưởng thấm, từ biến đất nền,… Công cụ dùng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên tốn xác suất thống kê, tính tốn cơng trình xây dựng phổ biến nằm khn khổ lý thuyết độ tin cậy Để áp dụng thành công phương pháp thiết kế ngẫu nhiên, người thiết kế phải có kiến thức chun mơn tốt, có liệu để tạo biến ngẫu nhiên đồng thời nắm vững kỹ thuật giải toán xác suất Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên tính độ tin cậy tiến phương pháp thiết kế tất định tính hệ số an tồn, nhiên có kế thừa, khơng có phủ nhận Các tính tốn độ tin cậy dựa điều kiện làm việc, sơ đồ tính, thuật tốn tiêu chuẩn hành phương pháp thiết kế tất định Tuy nhiên toán tiếp cận với thực tế phương pháp xét mức độ đầy đủ ảnh hưởng tính biến đổi ngẫu nhiên tính chất vật liệu xây dựng đất tải trọng đến trạng thái kết cấu Phương pháp ngồi việc tính độ tin cậy an tồn cho hệ thống cịn tiền đề cho q trình phân tích rủi ro sau Những vấn đề trình bày báo tác giả cụ thể hóa báo tới trình bày tính tốn ước lượng xác suất an toàn độ tin cậy cơng trình kè phương pháp có giới thiệu phương pháp Monte - Carlo./ Lê Mạnh Hùng, Nghiên cứu dự báo xói lở, bồi lắng lịng dẫn đề xuất biện pháp phịng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 CHUYỂN GIAO CƠNG NGHỆ chống cho hệ thống sơng ĐBSCL, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, 2004 [2] Đinh Cơng Sản, Điều tra đánh giá cơng trình bảo vệ bờ hệ thống sông Cửu Long hệ thống sơng Sài Gịn - Đồng Nai, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, 2009 [3] Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Báo cáo xử lý khẩn cấp khu vực sạt lở Gành Hào, Nhà Mát (Bạc Liêu), Vincom - Cần Thơ, Mỹ Hội Đông (An Giang),… 2016, 2017 [4] Mai Văn Cơng, Thiết kế cơng trình theo lý thuyết ngẫu nhiên phân tích độ tin cậy, Giáo trình, năm 2005 [5] Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Hữu Bảo, Nguyễn Lan Hương, Cơ sở tính độ tin cậy an toàn đập, NXB Xây dựng, năm 2014 [6] Nguyễn Văn Vi, Độ tin cậy cơng trình bến cảng, NXB Giao thông vận tải, năm 2017 [7] Nguyễn Văn Vi, Phương pháp mơ hình hóa thống kê bước tính tốn độ tin cậy cơng trình bến cảng, NXB Giao thơng vận tải, năm 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 49 - 2018 ... cơng trình kè có quan hệ móc nối với tác động đến theo logic hệ thống 2.2 Sự cố số cơng trình kè ĐBSCL 2.2.1 Kè sông Gành Hào Trong cố xảy cơng trình kè ĐBSCL thời gian qua, kể tới cơng trình kè. .. với thực tế Chỉ tiêu đánh giá an toàn hệ số an toàn, phương pháp chưa xét yếu tố bất định tiêu đánh giá nhiều hệ số an toàn hay hệ số an tồn khơng đại diện cho hệ thống Hạn chế lớn phương pháp chọn... đỉnh kè đến chân kè) Khi chân kè bị xói, lực ngang tăng vượt giới hạn chịu lực ngang tường cừ làm cừ bị xô ngang, đổ nghiêng sông o - Gia tải mặt kè san lấp mặt bằng, xây dựng nhà cơng trình