CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ THỦY LỰC VÀ GIẢI PHÁP TIÊU NĂNG PHÒNG XÓI CHO CỐNG VÙNG TRIỀU
1.3 Nghiên cứu về xói cục bộ thượng hạ lưu công trình
Dòng chảy qua cống chịu tác động nhiều do sự biến đổi chế độ chảy qua công trình, tất cả các dòng chảy đều có xu hướng cân bằng, song do điều kiện biên thay đổi kết hợp với năng lượng vốn có của dòng chảy, dòng chảy tập trung lại, tốc độ dòng chảy tăng lên, tạo nên năng lượng thừa gây xói lở làm thay đổi kích thước hình học và hình dạng của lòng dẫn ở hạ lưu. Xói xuất hiện ngay chân công trình, nới có lưu tốc rất lớn và phân bố không đều, nơi có mạch động lưu tốc và áp lực rất lớn.
1.3.2 Diễn biến quá trình xói
- Xói trong giai đoạn đầu xẩy ra trong thời gian tương đối ngắn, hố xói được tạo nên rất nhanh.
- Xói trong giai đoạn hai diễn ra từ từ, sự hủy hoại lòng dẫn diễn ra tương đối chậm, thời gian gian diễn ra giai đoạn này là rất lớn.
- Giai đoạn cuối là sự mở rộng của xói đến một chiều dài nhất định ở hạ lưu dẫn đến giảm cao trình đáy của lòng dẫn, giai đoạn này kéo dài bao lâu tùy thuộc vào độ dốc của lòng dẫn.
14
Quá trình xói ngay sau chân của công trình có nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra, dưới đây là một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến xói sau công trình:
- Do phần năng lượng dư thừa của dòng chảy qua công trình còn tồn tại, chưa tiêu hao hết - Do dòng chảy bị co hẹp đột ngột bởi xây dựng công trình dẫn đến việc lưu tốc dòng chảy tăng lên
- Do hình dạng, kết cấu công trình chưa phù với với điều kiện thủy lực - Do dòng chảy qua công trình vượt tần suất thiết kế của công trình
- Do yếu tố về thủy lực, thủy văn và các yếu tố của đất nền khu vực công trình.
1.3.3 Đặc điểm cống vùng triều
Cống được xây dựng dưới đê biển hay cửa sông ven biển, chịu sự tác động trực tiếp của chế độ thủy lực triều gọi là cống vùng triều. Các cống này thường có nhiệm vụ tiêu nước, lấy nước, ngăn triều… Nhiều cống còn có nhiệm vụ giao thông thủy.
Cống thường bố trí theo sơ đồ cống lộ thiên, nhưng có trường hợp chọn sơ đồ cống ngầm.
Với các cống lộ thiên, cửu van thường chọn loại van phẳng, van cung, hay van tự động.
Loại van tự động được áp dụng khá nhiều trong thời gian gần đây, đặc biệt là vùng đồng bằng Nam Bộ. Ưu điểm nổi bật của loại này là tự động đóng mở tùy mức theo chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, thích hợp với cống vùng triều, có mực nước phía sông và biển thường xuyên thay đổi.
Mực nước thượng hạ lưu thường xuyên thay đổi, làm chế độ chảy qua cống không ổn định có thể chuyển đổi chế độ này sang chế độ khác. Đối với khu vực kín, thủy triều chỉ ảnh hưởng mực nước ở cả hai phía cống làm cho chế độ chảy càng phức tạp mà việc xác định chúng cần xét trong hệ thống liên hoàn các cống, kênh dẫn và vùng chứa. Đối với vùng triều thì nguyên nhân gây xói ở hạ lưu cần xét đến cả hai thái cực của mực nước.
Dòng chảy hạ lưu khuếch tán không đều do các cửa van đóng mở không đồng bộ và không đều. Đối với cống có van tự động trục đứng thì khi cửa van mở không hết cũng là nguyên nhân gây lệch dòng lưu lượng tập trung vào nhưng luồng nhất định gây xói đáy hoặc bờ khi ra khỏi sân sau cống.
Phân lớn các cống vùng đồng bằng ven sông, biển thường đặt trên nền đất yếu và phức tạp.
Lòng dẫn thường qua các vùng địa chất yếu dễ bị xói, đặc biệt là điều kiện mà mạch động lưu tốc và áp lực có biên độ lớn, phạm vi tác động rộng. Những điều kiện trên đã làm cho
15
tình hình xói lở ở hạ lưu các cống vùng triều trở nên phổ biến, đe dạo sự làm việc của nhiều công trình.
1.3.4 Các dạng đặc trưng xói hạ lưu cống vùng triều
Quá trình xói bắt đầu hình thành ở tuyến tiếp giáp giữa phần gia cố với phần không gia cố.
Khi mà hố xói phát triển sẽ làm sụp dần lớp gia cố ở sân sau và tiến về phía bể tiêu năng.
Ở nhiều cống, hố xói khoét sâu xuống dưới đáy bể tiêu năng (như cống Phát Diệm – Ninh Bình), tạo nguy cơ sụp gẫy, tạo mất an toàn cho công trình cống.
Ngoài ra xói cũng xẩy ra ở vai sau tường cánh của công trình, dạng này cũng rất phổ biến ở các cống vùng triều, đặc biệt là các cống có sự mở rộng đột ngột trên mặt bằng ở hạ lưu.
Xói lở bắt đầu hình thành tại khu vực chuyển tiếp lòng dẫn, và phát triển cùng với sự xuất hiện các xoáy bên. Hố xói ở phần chân mái cũng là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến trượt mái, mặt trượt lấn sâu vào bộ phận gia cố, gay hư hỏng lớn đến bộ phận tiêu năng sau cống.
Ở các tỉnh ven biển nước ta đã xây dựng nhiều cống lấy nước, tiêu úng và ngăn triều, phèn để phục vụ sản xuất và đời sống nhân dân nhưng hiện tượng xói lở sau cống xảy ra phổ biến. Nhiều cống đã bị xói sập mất hết sân phủ và móc hàm ếch vào bể tiêu năng hoặc dưới tường cánh làm de dọa đến an toàn của công trình.
1.3.5 Một số sự cố của công trình liên quan đến vấn đề xói lở
Vấn đề xói lở hạ lưu công trình không chỉ ảnh hưởng nghiên trọng đến sự ổn định của công trình mà nó còn gây ra những thiệt hại không nhỏ tới đời sống của người dân khu vực dự án. Cụ thể như sự cố gây xạt lở hạ lưu công trình Thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang ( Vũ Quang – Hà Tĩnh) bị sạt lở gây ra hậu quả nghiêm trọng không chỉ gây thiệt hại lớn công sức, tiền của của nhà thầu, ảnh hưởng tiến độ bàn giao dự án, mà còn ảnh hưởng đến đời sống của rất nhiều hộ dân trên địa bàn.
Hình 1.17 Kè chống sạt lở hạ lưu công trình Thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang (Vũ Quang – Hà Tĩnh) bị sạt lở nghiên trọng
16
Nguyên nhân ban đầu được xác định là do cống xả đáy nằm ngay sát mép kè, hướng xả lại đổ vào khúc eo, phía chân khay, rọ đá của mái kè, áp lực xả rất lớn nên công trình vừa thi công xong đã bị hư hỏng nghiêm trọng ( Trích Báo Dantri.com).
Một số thống kê cho thấy một cố cống có hố xói sâu điển hình như cống Cầu Xe ( Hải Dương xói sâu 11,3m; cống Ngô Đồng ( Nam Định) xói sâu 9,9m. cống Vàm Đồn ( Bến Tre) xói saau 7,4m…