CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG SÔNG THẠCH HÃN ĐOẠN QUA XÃ HẢI LỆ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
2.5. Thiết kế giải pháp bảo vệ bờ đoạn sông nghiên cứu
2.5.1. Phương án thiết kế kè mỏ hàn
1. Tuyến chỉnh trị: Qua phân tích tình hình, nhiệm vụ và yêu cầu của công trình là bảo vệ bờ sông, chống sạt lở, bảo vệ khu dân cư đoạn sông xã Hải Lệ (tỉnh Quảng Trị) ta chọn tuyến chỉnh trị ứng với lưu lượng mùa nước trung tức là lưu lượng tạo lòng QTL=2050.0m3/s tại vị trí cần bảo vệ là bờ lõm (cánh hữu).
2. Chiều sâu chỉnh trị: Chiều sâu chỉnh trị được xác định theo công thức như sau:
3/11 2 1/2
. . H Q n
J
= Trong đó:
+ Q: là lưu lượng tạo lòng: QTL=2050.0m3/s
+ n: là hệ số nhám tương ứng mùa nước trung n = 0.045
+ là hệ số quan hệ hình dạng. Vì lòng sông là cát mịn và cát thô nên ta lấy
=3,5 để đảm bảo cho bùn cát mịn không bị xói.
+ J: Độ dốc đường mặt nước mùa nước trung, J = 4.10-4
+ H: là chiều sâu bình quân của lòng sông tương ứng lưu lượng tạo lòng.
Thay các giá trị trên vào công thức ta được H = 5.04m
3. Bề rộng chỉnh trị: Chiều rộng tuyến chỉnh trị được xác định theo công thức sau:
2 2 2 2
B= .H =3.5 5.04 =311.17m
4. Kiểm tra lưu tốc: Lưu tốc dòng chảy tương ứng với kích thước chỉnh trị được xác định như sau:
2/3 1/2 2/3 1/2
1 1
V .H .J 5.04 0.0004 1.31
n 0.045
= = = (m/s)
Kiểm tra khả năng bồi xói của lòng sông: Để lòng sông không bị xói và không bị bồi thì lưu tốc dòng nước phải không được lớn hơn lưu tốc gây xói và không được nhỏ hơn lưu tốc gây bồi của hạt bùn cát. Theo quy phạm quy định với đường kính của bùn cát d = 0.35 mm thì: Vkbồi = 0.45 m/s và Vkxói = 1.5m/s
Ta thấy lưu tốc tính toán thoã mãn điều kiện: Vkb < V < Vkx.
5. Bán kính tuyến chỉnh trị: Thiết kế tuyến chỉnh trị trước hết là xác định đường trục của nó. Hình dáng đường thẳng không phải là dạng ổn định của sông thiên nhiên trên mặt bằng mà nói chung là những đường cong nối với nhau bằng những đoạn thằng ngắn. Ta sẽ có trên đoạn cong của tuyến chỉnh trị mặt cắt lòng sông không đối xứng (bờ lõm dốc và bờ lồi thoải), và trên đoạn thẳng là lòng sông đối xứng dạng parabol. Việc xác định bán kính chỉnh trị R là một việc làm hết sức khó khăn. Để có thể nối tiếp tốt giữa các dạng mặt cắt khác nhau trên tuyến chỉnh trị, cần thay đổi trị số của bán kính cong trên đoạn cong từ R0 đến R∞.
▪ Theo 22TCN 241-1998: Công trình chỉnh trị luồng chạy tàu sông, bán kính chỉnh trị được xác định như sau:
0.5 0.5 ( )
4
Q 2050.0
R 0.0014 0.0014 158.47 m
J 4 10−
= = =
▪ Theo Antumin: R(4 5 B )
Hay: R(4 5 ) 311.17=(1244.68 1555.85 ) (m)
Như vậy, bán kính chỉnh trị cần đảm bảo sao cho giao thông đường thủy qua đoạn sông chỉnh trị được thuận lợi hay Rct ≥ 158.47m. Dựa vào bình đồ tuyến chỉnh trị đoạn sông qua xã Hải Lệ tỉnh Quảng Trị, để nối tiếp tốt giữa các dạng mặt cắt khác nhau trên tuyến chỉnh trị ta chọn bán kính chỉnh trị là R = 500m. Tính hợp lý của bán kính chỉnh trị sẽ được kiểm chứng bằng phần mềm hay sau quá trình tính toán và kiểm tra lại.
6. Số lượng mỏ hàn: Kinh nghiệm thực tế cho thấy không nên làm một đập mỏ hàn đơn độc, khi đó phần đầu và phần gốc của nó dể bị dòng chảy phá hoại. Cần xây dựng không dưới 3 đập trong một quãng (chỉ trong điều kiện đặc biệt thuận lợi thì mới làm hai đập) đập hạ lưu phải nằm trong phạm vi bảo vệ của đập thượng lưu. Số lượng mỏ hàn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các tuyến chỉnh trị. Dựa vào điều kiện đặc điểm của công trình cùng với bán kính chỉnh trị đã xác định trước đó, lựa chọn số lượng đập mỏ hàn là 5 đập.
7. Góc lệch của mỏ hàn: Là góc giữa trục đập và hướng dòng chảy, góc lệch này có ảnh hưởng rất lớn đến bồi xói đầu đập và giữa đập. Dựa vào góc lệch mà người ta chia ra thành ba loại. Mỏ hàn xuôi dòng (α<900), mỏ hàn thẳng góc (α=900), mỏ hàn ngược dòng (α>900). Căn cứ vào yêu cầu bảo vệ bờ thôn xã Hải Lệ, nơi chỉ có dòng chảy một chiều, nên nằm trong khoảng =650800 vì mỏ hàn này có khả năng đưa dòng chảy ra xa bờ và bồi lắng bùn cát nhiều hơn so với hai loại mỏ hàn kia. Tuy
nhiên cần phải tính toán ổn định đầu mỏ hàn đầy đủ vì hố xói đầu mỏ hàn gần hơn loại mỏ hàn xuôi dòng nên phải thiết kế bảo vệ chống sạt trượt, trôi vật liệu đầu mỏ. Ngoài ra cần có biện pháp chống xói ở gốc mỏ hàn.
8. Chiều dài mỏ hàn: là khoảng cách từ bờ tới tuyến chỉnh trị.
9. Khoảng cách giữa các mỏ hàn: Khoảng cách giữa hai mỏ hàn là chiều dài tuyến bờ giữa hai gốc mỏ hàn. Vị trí mỏ hàn hạ lưu phải nằm trong phạm vi ảnh hưởng của mỏ hàn thượng lưu để tránh dòng nước đâm vào bờ sông. Khoảng cách giữa hai mỏ hàn có thể xác định như sau:
Do R (5 6 B) hay 500 (5 6) 311.17=(1555.85 1867.02 ) (m), lựa chọn khoảng cách giữa các mỏ hàn L=(2 3 .l .sin ) t . Trong đó:
▪ L là khoảng cách giữa hai đập mỏ hàn (m)
▪ lt là chiều dài công tác của đập mỏ hàn thượng lưu (m)
▪ là góc lệch của trục đập, =650 Chi tiết thể hiện như Bảng 2.5:
Bảng 2.5: Bảng lựa chọn các thông số L, lt và của các đập mỏ hàn
Đập mỏ hàn lt (m) L (m) (0)
Số 1 16.5 65
40
Số 2 26.0 65
55
Số 3 26.0 65
60
Số 4 37.5 65
70
Số 5 18.5 65
10. Cao trình đỉnh đập: Theo mục d điều 4.2.6 TCVN 8419: 2010 thì cao trình đỉnh mỏ hàn được xác định bởi cao trình tại gốc mỏ hàn và độ dốc dọc mỏ hàn, cao trình lấy bằng cao trình mực nước tạo lòng hoặc lấy bằng cao trình bãi già. Ở đây ta chọn theo cao trình mực nước tạo lòng là +1.42m. Độ dốc dọc đập i = (0.005 đến 0.01), chọn i = 0.01; độ dốc gốc đập là 0.02.
11. Mặt cắt đập: Căn cứ vào điều kiện công trình cũng như nguồn nguyên vật liệu tại địa phương, thiết lập mỏ hàn bằng đá hộc. Tham khảo phụ lục B của tiêu chuẩn
Hình 2.24: Mặt bằng bố trí kè mỏ hàn và kè lát mái
TCVN 8419:2010 để sơ bộ chọn chiều rộng đỉnh, độ dốc mái, độ dốc mũi mỏ hàn, sau đó ta sẽ tiến hành tính toán kiểm tra ổn định và điều kiện kinh tế.
Sơ bộ chọn kích thước mặt cắt đập mỏ hàn như sau: (theo Cục đê điều và phòng chồng lụt bão)
+ Chiều rộng đỉnh đập B = 2m;
+ Hệ số mái dốc thượng lưu m1 = 1.5;
+ Hệ số mái dốc hạ lưu m2 = 1.5;
+ Hệ số mái mũi kè m3 = 2.5;
+ Độ dốc dọc đập i = 0.01.
Cao trình đáy đập được chọn dựa trên tuyến đã được chọn để bố trí đập.
12. Vật liệu làm đập: Đập được làm hoàn toàn bằng đá hộc có trọng lượng riêng của vật liệu đá là d =2.65 T / m( 3)
Thiết kế sơ bộ kè mỏ hàn được thể hiện như hình 2.24; hình 2.25 và hình 2.26.
Phương án kè mỏ hàn
Phương án kè lát mái
Kè mỏ hàn số 1
Hình 2.25: Mặt cắt ngang đại diện kè mỏ hàn số 1
Hình 2.26: Mặt cắt dọc kè mỏ hàn số 1 13. Kiểm tra ổn định trượt của mỏ hàn
Theo mục g điều 4.2.6 của tiêu chuẩn TCVN 8419 - 2010 quy định kiểm tra ổn định của mỏ hàn như sau:
Công thức tính hệ số ổn định chống trượt K của đập mỏ hàn:
N
K K
P T
=
Chú ý rằng: ta lấy dấu +T khi đáy sông nghiêng về phía hạ lưu và dấu -T khi đáy sông nghiêng về phía thượng lưu.
Trong đó:
▪ P là áp lực thủy động được tính theo công thức:
2 n z
P . .h .u .sin
2g
=
+ Với là hệ số động lực phụ thuộc vào góc lệch mỏ hàn , với =650ta chọn =1.5
+ n là trọng lượng riêng của nước hay n =1 T / m( 3)
+ u là lưu tốc tiến gần mỏ hàn, lấy u = VMax = 2.5 (m/s) + hz là chiều sâu cột nước trước mỏ hàn (m)
+ là góc lệch mỏ hàn, =650
Bảng 2.6: Kết quả tính toán áp lực thủy động P (T)
Đập số sin γn Zđáy hz u P
1 65 0.906 1.5 1.00 -2 3.42 3.0 2.133
2 65 0.906 1.5 1.00 -3 4.42 3.0 2.756
3 65 0.906 1.5 1.00 -5 6.42 3.0 4.004
4 65 0.906 1.5 1.00 -6 7.42 3.0 4.627
5 65 0.906 1.5 1.00 -5 6.42 3.0 4.004
▪ T là lực gây trượt do bản thân mỏ hàn gây ra, T=G.sin Với: G=V.d
Độ dốc dọc đập là rất bé i = 0.01 nên lấy sin =0.01 và cos =1. Bảng 2.7: Kết quả tính toán lực gây trượt T
Đập số V γd G sin T
1 167.73 2.65 444.47 0.01 4.44
2 508.37 2.65 1347.17 0.01 13.47
3 1048.07 2.65 2777.37 0.01 27.77
4 1253.77 2.65 3322.49 0.01 33.22
5 903.87 2.65 2395.26 0.01 23.95
▪ N là lực chống trượt do trọng lượng bản thân mỏ hàn gây ra và được xác định theo công thức: N=G.f.cos (với f là hệ số ma sát giữa mỏ hàn và đáy sông, thường lấy từ 0.4 đến 0.6; chọn f = 0.5).
Bảng 2.8: Kết quả tính toán lực chống trượt N
Đập số G f cos N
1 444.47 0.5 1 222.24
2 1347.17 0.5 1 673.59
3 2777.37 0.5 1 1388.69
4 3322.49 0.5 1 1661.24
5 2395.26 0.5 1 1197.63
Thay các kết quả tính toán trên vào công thức tính hệ số ổn định chống trượt K ta được kết quả như sau:
Bảng 2.9: Kết quả tính toán hệ số ổn định chống trượt K
Đập số N P T K Kết luận
1 222.24 2.13 4.44 33.79 Thỏa mãn
2 673.59 2.76 13.47 41.51 Thỏa mãn
3 1388.69 4.00 27.77 43.70 Thỏa mãn
4 1661.24 4.63 33.22 43.89 Thỏa mãn
5 1197.63 4.00 23.95 42.84 Thỏa mãn
Như vậy, công trình đảm bảo an toàn về chống trượt
14. Xác định chiều sâu hố xói tới hạn lòng sông tại mũi mỏ hàn
2 m 1 2
H 27k .k .tg .U 30d
2 g
= −
Trong đó:
+ H là chiều sâu hố xói tới hạn
+ d là đường kính hạt cát lòng sông, d = 0.35.
+ Um lưu tốc khởi động đầu mỏ hàn được tính theo công thức:
2 k
m 0
U U 1 0.2 b
B
= + +
Với:
- U0 là lưu tốc bình quân trước khi có mỏ hàn, lấy U0=Vmax =2.5m/s.
- bk chiều dài mỏ hàn lên mặt cắt ngang sông, bk = l.sinβ=l. sin650
- B chiều rộng mặt nước ứng với lưu lượng tạo lòng, B =200m
+ k1 là hệ số có quan hệ đến chiều dài L của mỏ hàn chiếu lên đường thẳng góc với phương dòng chảy, được xác định theo công thức:
2
k
5.1 U g.b
k1 e
= −
+ k2 là hệ số có quan hệ đến hệ số mái dốc m đầu mũi mỏ hàn:
0.2m
k2 =e− + d là đường kính hạt cát lòng sông (m)
+ α là góc giữa trục mỏ hàn và hướng dòng chảy, khi α > 900 thì ta lấy
tg 1
2
=
+ g là gia tốc trọng trường (g = 9.81 m/s2)
Kết quả tính toán hố xói đầu mũi các mỏ hàn được thể hiện như Bảng 2.10 Bảng 2.10: Kết quả tính toán hố xói đầu mũi các mỏ hàn
Đập số l α tg(α/2) U g m k1 k2 d ΔH
1 16.5 65 0.637
2.5 9.81 2.5
0.28 0.61
0.00035
2.696
2 26.0 65 0.637 0.37 0.61 3.488
3 26.0 65 0.637 0.37 0.61 3.488
4 37.5 65 0.637 0.43 0.61 4.130
5 18.5 65 0.637 0.30 0.61 2.893
Đối với đá hộc bảo vệ mặt ngoài thân đập cần tính toán theo điều kiện ổn định.
Trong đó:
+ Um là lưu tốc tiến gần đầu mỏ hàn, được lấy bằng lưu tốc trung bình mặt cắt đầu mỏ hàn ứng với nước thiết kế, lấy Um = 2.5 m/s
+ K là hệ số điều chỉnh lấy bằng 0.60.9.
+ là hệ số ổn định lấy bằng 1.25 tương ứng với công trình IV + h là độ sâu kể từ mực nước lũ thiết kế đến hòn đá tính toán, h = 4m.
Suy ra: 0.36 .Um 0.14 1.25 2.50.14
d 0.539
5.45 K h 5.45 0.8 4
= =
hay: d ≥ 0.18m
0,36
0,14
. 5, 45. .
Um
d K h