Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG - ĐÊ KẾT HỢP
1.4. Mô phỏng đánh giá ổn định nền đường – đê kết hợp bằng phương pháp phần tử hữu hạn
1.4.2. Phần mềm tính toán
Phần mềm PLAXIS là sản phẩm của Đại học công nghệ Delf – Hà Lan và được công ty Plaxis BV phát triển theo các chủ đề riêng, được viết dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn phân tích biến dạng, chuyển vị, nội lực, ứng suất cho các bài toán địa kỹ thuật [12].
Mô đun PLAXIS 2D có phạm vi giải quyết các bài toán địa kỹ thuật rất rộng.
Phân tích biến dạng và ổn định các bài toán địa kỹ thuật trong trường hợp đất bão hòa và không bão hòa: biến dạng đàn dẻo, các loại mô hình đất tiên tiến, phân tích ổn định, cố kết, phân tích độ an toàn, cập nhật lưới và đường mực nước trong trạng thái ổn định và không ổn định.
Trong luận văn này, tác giả chọn phần mềm Plaxis để giải quyết bài toán ổn định nền đường – đê kết hợp bởi một số lý do sau:
- Đơn giản, dễ sử dụng, tính ổn định cao và rất thân thiện;
- Có thể giải quyết các bài toán liên quan đến áp lực lỗ rỗng thủy tĩnh và không thủy tĩnh của đất nhiều pha. Sự tương tác giữa công trình và môi trường đất với các tải trọng tĩnh và động;
- Cho phép tự xây dựng mô hình tính toán và sử dụng trong chương trình như mô hình mẫu bằng công nghệ mã nguồn mở;
- Tiếp cận dần với Plaxis 3D Foundation (sản phẩm của Plaxis BV) là một phần mềm có khả năng giải quyết được những bài toán có biên hình học phức tạp.
Trên cơ sở tài liệu địa hình, địa chất và đặc điểm làm việc của công trình ven biển, luận văn sẽ tính toán bài toán ổn định nền đường- đê kết hợp đường tỉnh 915B, tỉnh Trà Vinh bằng phần mềm Plaxis được trình bày ở các chương sau.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong nội dung chương 1, tác giả đã giới thiệu tổng quan về điều kiện tự nhiên và tình hình dân sinh - kinh tế - xã hội khu vực đường- đê kết hợp đường tỉnh 915B, tỉnh Trà Vinh; Nguyên lý làm việc của đê; nguyên lý làm việc của đường và nguyên lý làm việc của đường đê kết hợp, đây sẽ là cơ sở tính toán ổn định đường - đê kết hợp đường tỉnh 915B. Trên cơ sở phân tích tổng quát các biện pháp gia cường ổn định đê, cho thấy đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm tăng cường sự ổn định bảo vệ mái của đê biển, chống sạt lỡ bờ biển.
Các giải pháp ổn định đường - đê kết hợp thông qua việc giới thiệu về lý thuyết tính toán ổn định đê biển thường gặp vấn đề về mất ổn định, sạt lỡ, lún sụt, tác giả đề xuất sử dụng chương trình Plaxis cho mô phỏng kiểm tra ổn định hiện trạng đường - đê kết hợp đường tỉnh 915B trong chương 2. Ngoài ra, việc giới thiệu tổng quan về ổn định đê biển trong và ngoài nước cùng các giải pháp bảo vệ đê biển thường được sử dụng sẽ làm cơ sở đề xuất giải pháp xử lý ổn định tuyến đường - đê kết hợp đường tỉnh 915B, tỉnh Trà Vinh trong chương 3.
2.1.1. Tổng quan về điều kiện tự nhiên a. Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình
Trà Vinh là một tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long; vị trí địa lý giới hạn từ 9°31'46" đến 10°4'5" vĩ độ Bắc và từ 105°57'16" đến 106°36'04" kinh độ Đông. Phía bắc Trà Vinh giáp với Bến Tre, phía nam giáp Sóc Trăng, phía tây giáp Vĩnh Long, phía đông giáp biển với chiều dài bờ biển 65km. Địa hình chủ yếu là những khu đất bằng phẳng với độ cao trên dưới 1m so với mặt biển.
Trà Vinh nằm ở phần cuối cù lao kẹp giữa sông Tiền và sông Hậu. Địa hình chủ yếu là những khu đất bằng phẳng với độ cao trên dưới 1m so với mặt biển. ở vùng đồng bằng ven biển nên có các giồng cát, chạy liên tục theo bình vòng cung và song song với bờ biển. Càng về phía biển, các giồng này càng cao và rộng lớn.
Hình 2.1. Bản đồ quy họach mạng lưới giao thông, tỉnh Trà Vinh
Hình 2.2 Bản đồ hướng tuyến đê biển kết hợp đường tỉnh 915B, tỉnh Trà Vinh Tại Quyết định số 438/QĐ-TTg ngày 24.03.2011 của Thủ tướng chính phủ về việc Phê duyệt quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Trà Vinh đến năm 2020, có nêu rõ [13]:
- Xây dựng tỉnh Trà Vinh trở thành một trong những trọng điểm phát triển kinh tế biển của vùng Đồng bằng sông Cửu Long, có hệ thống kết cấu hạ tầng đồng bộ, là một trong những đầu mối phát triển dịch vụ du lịch, vận tải biển; công nghiệp, dịch vụ phát triển và nông nghiệp phát triển theo hướng sản xuất hàng hóa gắn với xây dựng nông thôn mới; chú trọng công tác an sinh xã hội; tăng cường củng cố quốc phòng - an ninh vững mạnh, trật tự an toàn xã hội được đảm bảo. Đẩy mạnh phát triển kinh tế - xã hội, phấn đấu đến năm 2015 đưa Trà Vinh thoát khỏi Tỉnh chậm phát triển và đến năm 2020 trở thành Tỉnh phát triển khá trong Vùng.
- Phấn đấu tốc độ tăng trưởng GDP bình quân hàng năm đạt 14% thời kỳ 2011 - 2015 và đạt 15% thời kỳ 2016 - 2020; chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng tăng nhanh tỷ trọng các ngành công nghiệp, dịch vụ, đến năm 2015 cơ cấu các ngành công nghiệp - xây dựng, dịch vụ, nông - lâm - thủy sản trong GDP đạt 28,05% -33,87% - 38,08%; đến năm 2020 tương ứng là 36% - 34% - 30%.
- Định hướng phát triển các ngành giao thông, được thể hiện tại Quyết định số 438/QĐ-TTg ngày 24.03.2011 của Thủ tướng chính phủ như sau: Chủ động xem xét nâng cấp các tuyến đường tỉnh 911, 912, 913, 914, 915, 915B phù hợp với nhu cầu phát triển và nguồn lực từng giai đoạn. Nghiên cứu xây dựng một số tuyến đường kết nối với các vùng sâu, vùng xa trong tỉnh.
Tuy nhiên, do đặc thù của vùng khí hậu ven biển tỉnh Trà Vinh có một số hạn chế về mặt khí tượng như: gió chướng mạnh, bốc hơi cao, mưa ít.
+ Nhiệt độ trung bình toàn tỉnh là 26.6°C, biên độ nhiệt giữa tối cao: 35.8°C, nhiệt độ tối thấp: 18.5°C biên độ nhiệt giữa ngày và đêm thấp: 6.4°C. Nhìn chung nhiệt độ tương đối điều hòa và sự phân chia bốn mùa trong năm không rõ rệt, chủ yếu là hai mùa mưa và nắng.
+ Độ ẩm trung bình cả năm biến thiên từ 80÷85%, biến thiên ẩm độ có xu thế biến đổi theo mùa; mùa khô đạt 79%, mùa mưa đạt 88%.
+ Tổng lượng mưa từ trung bình đến thấp (1588÷1227mm), phân bố không ổn định và phân hóa mạnh theo thời gian và không gian. Lượng mưa giảm dần từ Bắc xuống Nam, cao nhất ở Càng Long, Trà Vinh, thấp nhất ở Cầu Ngang và Duyên Hải.
Về thời gian mưa, có 90% lượng mưa năm tập trung vào mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 11. Càng về phía biển, thời gian mưa càng ngắn dần tức là mùa mưa bắt đầu muộn nhưng kết thúc sớm. Huyện có số ngày mưa cao nhất là huyện Càng Long (118 ngày), thành phố Trà Vinh (98 ngày); thấp nhất là huyện Duyên Hải (77 ngày) và huyện Cầu Ngang (79 ngày).
* Các đặc trưng khí tượng chủ yếu
+ Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình hàng năm là 30°C, cao nhất vào tháng V (34°C) và thấp nhất vào tháng I (25.7°C).
+ Độ ẩm: Độ ẩm không khí bình quân là 84.8% và khác biệt rõ rệt theo mùa, cao nhất là tháng VIII đến tháng X (87%); thấp nhất tháng III-V (79%÷80%).
+ Mưa: Theo số liệu đo mưa tại tỉnh Trà Vinh, lượng mưa ngày lớn nhất và lượng mưa bình quân tháng như sau:
Bảng 2.1. Thống kê lượng mưa ngày lớn nhất (trạm Long Hữu)
Năm 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 R1,max
(mm) 66,5 60,1 61,5 105,8 99,6 58,5 107 111 73,6 70,5 72,9 118 Bảng 2.2. Thống kê lượng mưa trung bình các tháng (Trạm Càng Long) Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Rm
(mm) 0,4 3,8 1,1 30,3 228,4 138,1 386,7 197,1 192,8 277 26 6,2 + Gió, bão: Gió Tây Nam mang theo nhiều hơi nước, gây ra mưa từ tháng V đến tháng X hàng năm với vận tốc Vtb = 3÷4 m/s. Gió mùa Đông Bắc hoặc gió chướng
Đông Nam thịnh hành từ tháng XI năm trước đến tháng III năm sau, tốc độ gió trung bình Vtb = 2÷3 m/s, gần trực diện với các cửa sông lớn làm nước biển dâng cao và đẩy mặn truyền sâu vào nội đồng. Vào mùa mưa thường có giông nhưng ít có bão; gió không vượt quá cấp 7.
* Chế độ thủy văn và hải văn - Thủy văn
+ Sông ngòi kênh rạch
Vùng xây dựng tiếp giáp cửa Cung Hầu sông Cổ Chiên về phía Đông Bắc, trực tiếp chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của chế độ bán nhật triều không điều ở biển Đông.
+ Thủy triều - mực nước
Diễn biến mực nước trong vùng theo chế độ bán nhật triều không đều, trong tháng có hai chu kỳ triều là triều cường và triều kém. Triều cường có đỉnh cao và chân thấp duy trì từ 4÷5 ngày vào những ngày giữa tháng và cuối tháng âm lịch; triều kém đỉnh thấp và chân cao thường xuất hiện ở hai nữa đầu chu kỳ triều.
Mực nước cao nhất theo tần suất:Tuyến nằm dọc sông Cổ Chiên, tiếp giáp biển đông, do đó chịu ảnh hưởng bởi thuỷ triều của biển Đông, thuỷ triều thường dâng lên hai lần một ngày với triều cao và thấp. Theo số liệu quan trắc tại trạm Thủy Văn Trà Vinh (ấp Vĩnh Hưng, xã Long Đức, thành phố Trà Vinh), mực nước cao nhất (Hmax) và mực nước thấp nhất (Hmin) tương ứng với các tần suất (P) khác nhau:
Tần suất (P) 1% 2% 3% 4% 5% 10%
Hmax 1,85 1,82 1,81 1,80 1,78 1,75
+ Dòng hải lưu ven bờ:
Hải lưu gió, hải lưu trôi, các dòng thẳng đứng gồm nước trồi và nước chìm. Vào mùa đông với gió mùa Đông Bắc, dòng hải lưu là hệ thống vòng tròn ngược chiều kim đồng hồ; vào mùa hè thì ngược lại, hình thành xoáy nghịch lại với hướng hải lưu chính thuận chiều kim đồng hồ theo hướng Tây Nam – Đông Bắc.
+ Dòng chảy do sóng dọc bờ và dòng ngang bờ:
Khi độ dốc sóng lớn hơn 2.5% thì sóng sẽ vỡ trước khi đến bờ. Phía trong vùng sóng vỡ, đường mặt sóng không còn đối xứng, vận tốc phân bố chất lỏng ở đỉnh sóng hướng vào bờ sẽ lớn hơn vận tốc chân sóng hướng ra khơi. Vì vậy, bên trong vùng vỡ sóng, phía trên mặt sẽ luôn nhận được nước từ ngoài khơi mang vào.
- Đặc điểm sóng biển
Sóng tại vùng ven biển phía Đông Đồng bằng sông Cửu Long thường là sóng hỗn hợp gió lừng. Độ cao và chu kỳ trung bình năm là 1.6m và 5.5 giây tương ứng; độ cao và chu kỳ sóng cực đại là 10.5m và 11.5 giây tương ứng.
Sóng có độ cao lớn tập trung vào hướng Đông Bắc từ tháng XI đến tháng II năm sau, tần suất lớn nhất vào tháng XII là 32%. Vào 2 tháng chuyển mùa từ gió Đông Bắc sang Tây Nam, hướng sóng chủ yếu là hướng Tây (≥40%, cao nhất 54% vào tháng
tốc độ di chuyển 20km/giờ, mưa to 100÷150mm và gió mạnh tại Cà Mau, Rạch Giá đạt 12m/s (cấp 6: tại Phú Quốc 40cm/s (cấp 13) gây nước dâng cao dọc theo bờ biển phía Đông Đồng bằng sông Cửu Long trước khi bão đổ bộ 12 giờ và kéo dài 20 giờ sau đó, có thể hiện sự tương quan với khoảng cách từ điểm tính đến tâm bão.
- Tình hình xâm thực vùng bờ biển
Thống kê của các tỉnh ven biển Đồng bằng sông Cửu Long, trong vòng 20 năm qua do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, triều cường, nước biển dâng khiến cho các tuyến đê biển đã và đang bị sạt lở nghiêm trọng. Tại 7 tỉnh ven biển của vùng là Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau và Kiên Giang đã có gần 50.000ha đất và rừng phòng hộ bị mất đi. Hàng chục ngàn hộ dân đã rơi vào cảnh không nhà, không đất.
Với đặc điểm hải văn nêu trên, hàng năm vào mùa gió bão, bờ biển tỉnh Trà Vinh đã bị xâm thực của dòng sóng và triều cường, ăn sâu vào đất liền làm hư hại hàng nghìn mét đê, làm gãy đổ nhiều diện tích rừng phòng hộ, gây thiệt hại rất nhiều diện tích đồng ruộng, vườn tược, nhà cửa của cư dân vùng ven biển.
- Tình hình ảnh hưởng của biến đổi khí hậu
Tình hình biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra ngày càng gay gắt phức tạp trên phạm vi toàn cầu; Đồng bằng sông Cửu Long là vùng bị ngập nặng, hai tỉnh Bến Tre và Trà Vinh chịu ảnh hưởng thiệt hại nặng nề nhất.
Theo kịch bản trung bình do Bộ Tài nguyên & Môi trường đã công bố, đến năm 2050 mực nước biển dâng cao thêm 30cm và đến cuối thế kỷ 21 sẽ là 100cm. Và như thế, 45.7% diện tích đất tự nhiên Trà Vinh sẽ bị ngập chìm sâu trong nước, dãy đất ven biển và cửa sông phục vụ nuôi trồng thủy sản và sản xuất nông nghiệp sẽ bị biến mất dưới mực nước biển. Tỉnh Trà Vinh có chiều dài tuyến đê biển dài 65km qua địa bàn 9 xã, thị trấn thuộc 3 huyện: Duyên Hải, Cầu Ngang và Châu Thành, với gần 17.500 hộ dân sinh sống; trong đó riêng huyện Duyên Hải có bờ biển dài gần 55km. Để phục vụ phát triển kinh tế, xã hội, nhất là phục vụ sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản theo hướng ổn định và bền vững, địa phương đề nghị Trung ương ưu tiên hỗ trợ triển khai xây hạ tầng và các dự án bức xúc với tổng kinh phí trên 1.500 tỷ đồng, trong đó đầu tư xây dựng đê biển gần 750 tỷ đồng, kè chắn sóng hơn 474 tỷ đồng và đê sông 300 tỷ đồng. Bên cạnh giải pháp công trình, trong thời gian tới, Sở Nông nghiệp và phát triển nông thôn tỉnh Trà Vinh sẽ triển khai dự án trồng khoảng 200 ha rừng ở vị
trí bên trong kè theo chủ trương của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn. Về lâu dài tỉnh sẽ thực nghiệm làm kè mềm bằng cách trồng rừng ở phía ngoài kè hiện hữu đã xây, để giữ đất gây bồi, tạo thảm rừng thực vật để bảo vệ đê kè.
2.1.2. Tình hình dân sinh - kinh tế - xã hội
Trà Vinh nằm ở phía Đông Nam vùng đồng bằng sông Cửu Long, giữa 2 con sông lớn là sông Cổ Chiên và sông Hậu, phía Bắc giáp tỉnh Vĩnh Long, phía Đông- Đông Bắc giáp tỉnh Bến Tre bởi sông Cổ Chiên, phía Tây - Tây Nam giáp tỉnh Sóc Trăng bởi Sông Hậu, phía Đông giáp biển Đông với hơn 65km bờ biển. Toàn tỉnh hiện có 09 đơn vị hành chính cấp huyện trực thuộc, gồm: thành phố Trà Vinh, thị xã Duyên Hải, 07 huyện: Càng Long, Châu Thành, Cầu Kè, Tiểu Cần, Cầu Ngang, Trà Cú và Duyên Hải; có 106 đơn vị hành chính cấp xã gồm: 85 xã, 09 phường và 12 thị trấn.
Diện tích tự nhiên 2358 km2, dân số khoảng 1.1 triệu người (dân tộc Khmer khoảng 32% dân số, gần 1% là người Hoa...).
2.2. Khảo sát hiện trạng nền đường - đê biển kết hợp đường tỉnh 915B, tỉnh Trà Vinh (đoạn Km35+00 - Km38+500)
Tuyến đê hiện hữu đoạn đi qua thị trấn Mỹ Long (huyện Cầu Ngang) có vị trí nằm ở phía trong thị trấn. Do yêu cầu cần bảo vệ an toàn cho thị trấn không bị ảnh hưởng ngập, xói lở do dòng chảy lũ từ thuợng nguồn về và dòng triều chảy cửa sông Cổ Chiên, tuyến đê được quy hoạch làm đường giao thông Đường tỉnh 915B. Hiện trạng tuyến đê trên đường tỉnh 915B đi trên tuyến đê nối giữa đê sông và đê biển, đoạn đê đi qua đê biển chủ yếu được đắp bằng đất, bề mặt được phủ một lớp đất sỏi đỏ.
Tình trạng chung của đê có bị hư hỏng; mặt đê gồ ghề, đọng nước khi có mưa; nhìn chung dọc đê có bị xói lở nhẹ do nguyên nhân khách quan và chủ quan; đê hoạt động tương đối ổn định. Mặt đê hư hỏng nặng, sỏi đá lát mặt bị mất, lớp đất thịt lộ ra ngoài, gây khó khăn cho người dân trong việc di chuyển. Nguyên nhân do xe tải lớn chở vật liệu xây dựng chạy nhiều.
Hình 2.3 Hiện trạng mặt đường đê tại đoạn Km 36+200 đến Km 36+900 Cụ thể tại các lý trình Km 36+200 đến Km 36+900 mặt đê gồ ghề, hư hõng, đọng nước khi có mưa; dọc đê có bị xói lở nhẹ do nguyên nhân do thời tiết diễn biến phức
dâng làm thay đổi chế độ động lực dòng chảy ven bờ cộng với triều cường kết hợp với sóng biển dữ dội vào mùa gió chướng gây xói lở bờ biển và tàn phá nhiều diện tích rừng phòng hộ; bờ biển bị xâm thực ảnh hưởng về lâu dài không còn đủ khả năng đảm bảo yêu cầu chống ngập do sóng gió triều lũ và ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng cao trong thời gian sắp tới.
Hình 2.4 Hình ảnh hiện trạng tuyến đường đê kết hợp đường tỉnh 915B) Qua khảo sát cho thấy, đoạn đê biển chủ yếu được đắp bằng đất, bề mặt được phủ một lớp đất sỏi đỏ, các thông số khác như sau:
- Bề rộng trung bình mặt đê: từ 4,0 ÷ 6,0 m.
- Cao độ mặt đê biến thiên từ đầu đến cuối đoạn là 3,3 m ÷ 4,0 m.
- Tình trạng chung của đê: có bị hư hỏng, mặt đê gồ ghề, đọng nước khi có mưa;
nhìn chung dọc đê có bị xói lở nhẹ do nguyên nhân khách quan và chủ quan; đê hoạt động ổn định.