Tính toán ổn định khi chưa có biện pháp công trình

CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ SÔNG SÀI GÒN, KHU VỰC CẦU BÌNH LỢI ĐẾN CẦU SÀI GÒN

4.2. Tạo mái ổn định cho bờ sông Sài Gòn khu vực cầu Bình Lợi đến cầu Sài Gòn

4.2.1. Tính toán ổn định khi chưa có biện pháp công trình

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 68 a. Trường hợp tính : Tính toán với mặt cắt hiện trạng

b. Phương pháp tính toán :Sử dụng phần mềm SLOPE của công ty Geo-Slope Internationnal Ltđ-Canada để tính toán ồn định sơ bộ.

c. Các nhân tố ảnh hưởng đến tới xói lở bờ sông Sài Gòn.

 Sóng do gió gây ra :

Sóng có thể do gió hay do tàu thuyền đi lại trên sông gây ra. Dưới tác động của sóng (áp lực sóng) mái bờ sông bị phá vỡ kết cấu, các hạt bùn cát thuộc bộ phận của lòng dẫn bị tách rời và vận chuyển đi nơi khác (dòng chảy sông hay dòng ven bờ do sóng tạo ra), nếu quá trình trên diễn ra lâu dài, liên tục chân mái bờ sẽ bị xói tạo thành hàm ếch dẫn đến khối đất bờ mất ổn định và sụp lở.

Sóng tác động gây xói lở bờ sông phải hội đủ 3 điều kiện:

 Áp lực sóng tác động vào bờ phải lớn hơn lực cố kết của đất cấu tạo bờ sông;

 Vận tốc dòng chảy ven bờ do sóng tạo ra đủ khả năng bào mòn và vận chuyển bùn cát đi nơi khác;

 Sóng tác động liên tục, duy trì trong thời gian dài.

Xem xét các điều kiện nêu trên cho thấy, trên hệ thống sông Sài Gòn, sóng do gió có khả năng gây xói lở bờ vùng cửa sông, còn sóng do thuyền bè có khả năng gây xói lở bờ các đọan sông, kênh, rạch có mật độ tàu thuyền đi lại nhiều, thường là những đọan sông chảy qua các thành phố, nơi tập trung đông dân cư.

Trong năm hình thành 2 mùa gió chính:

Gió mùa đông từ tháng XII đến IV năm sau. Hướng gió chủ yếu Đông - Đông Bắc. Vận tốc gió trung bình khoảng 4.5m/s đến 6.4m/s.

Gió mùa hạ từ tháng V đến XI theo hướng Tây - Tây Nam. Tốc độ gió bình quân chỉ vào khoảng 4.6m/s đến 6.6m/s.

Hai mùa gió chính đã tạo nên hai mùa khí hậu riêng biệt. Gió mùa mùa đông hanh, khô và gió mùa mùa hạ mang nhiều hơi ẩm gặp các nhiễu loạn thời tiết khác gây mưa.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 69 Khu vực dự án hầu như không chịu ảnh hưởng trực tiếp của bão nhưng tại Tân Sơn Nhất cũng đã đo được vận tốc gió cực đại Vmax = 30.8m/s, đã tạo nên áp lực và vận tốc dòng chảy lớn, làm bùn cát tách ra khỏi bộ phận của bờ sông và vận chuyển đi nơi khác.

Với các đặc trưng của gió vận tốc gió, đà gió sẽ tính được chiều cao sóng trung bình (h) được tính theo công thức :

5/4 1/3 5/4 1/3

0.0208 0.0208*30.8 *1 1.51

h W D   m

Bước sóng () được tính theo công thức:

0.5 0.5

0.304VD 0.304*30.8*1 9.36m

  

Trong đó: h: Chiều cao sóng (m) D: Đà gió (km) V: Vận tốc gió (m/s) : Bước sóng (m)

Áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên mái dốc có thể tính theo công thức:

Pmax kskf Prelgh(Kpa) Trong đó:

Pmax: áp lực sóng lớn nhất lên mái bờ (T/m2) ks: Hệ số, được xác định theo công thức sau





 



 





  

 ctg h

ks 0.85 4.8h 0.028 1.15 1.62 0.16*ctg 1.62 0.16*m

   

ctg = m: Hệ số mái dốc

kf: Hệ số phụ thuộc vào độ thoải của sóng h, tra bảng được kf = 1

Prel : Giá trị áp lực sóng tương đối trên mái dốc, phụ thuộc vào chiều cao sóng, được xác định bằng cách tra bảng, Prel = 2.3

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 70 Hình 4.19 : Sơ đồ áp lực sóng lớn nhất tác động vào mái bờ

Pmax (1.62 0.16 )*1*2.3*0.1*9.81*1.51 m

Như vậy với độ dốc mái bờ m khác nhau sẽ tính được áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên mái bờ Pmax tương ứng khác nhau. Kết quả tính tóan được thể hiện trên biểu đồ (hình 4.19) dưới đây

Áp lực sóng lớn nhất tác dụng lên mái phụ thuộc vào đô dốc mái bờ. Mái bờ càng dốc áp lực sóng càng lớn và ngược lại.

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

0 2 4 6 8 10 12

Áp lưùc P (t/m2)

Hệ số mái dốc bờ m

Quan hệ giữa P(t/m2) và hệ số mái dốc m

Hình 4.20 : Quan hệ giữa áp lực sóng lớn nhất và độ dốc mái bờ

Vận tốc dòng chảy lớn nhất trên mái bờ sau khi sóng đổ được tính theo công thức:

n

V  h

 ) 4 , 1 0 ( 3 ,

max 0 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 71 Trong đó: h: chiều cao sóng (m);

n: hệ số nhám mái bờ;

: chiều dài của sóng (m);

: hệ số phụ thuộc vào tỷ số h.

Thay giá trị các đặc trưng sóng, gió h = 1.51m;  = 9.36m và hệ số nhám của mái bờ thường đạt n = 0,6 sẽ nhận được vận tốc dòng chảy lớn nhất trên mái bờ Vmax= 2,5 m/s . Với vận tốc này mái bờ sẽ bị bào xói rất mạnh.

Tương tự đánh giá tác động của sóng tàu thuyền lên mái bờ sông vùng có mật độ giao thông lớn, chiều cao sóng do tàu thuyền tạo ra vào khỏang h = 0,7 m, bước sóng  = 7 m, khi đó vận tốc nước rút lớn nhất trên mặt mái là 2,3 m/s. Với vật liệu cấu tạo lòng dẫn trên sông Sài Gòn có lực dính trung bình vào khỏang 1 T/m2 , vận tốc khởi động bùn cát vào khỏang 0,3-0,6 m/s, trong trường hợp bờ sông không được bảo vệ, hệ số mái dốc ổn định bờ sông, trước tác động của sóng phải có m7.

Điều này hòan tòan phù hợp với những đo đạc thực tế.

Nhìn chung xói lở bờ sông do sóng gió hay sóng tàu gây ra có khối lở bé, ít nguy hiểm, nhưng thường diễn ra liên tục vì thế ảnh hưởng không nhỏ tới đời sống nhân dân sống ven sông, đặc biệt xói lở bờ do sóng gây ra thường bồi lấp nâng cao đáy sông tại chỗ vì thế gây cản trở không nhỏ tới giao thông thủy.

 Ảnh hưởng của việc gia tải lên mép bờ sông tới xói lở bờ.

Gia tải lên mép bờ sông có thể là:

 Xây dựng nhà cửa, cơ sở hạ tầng, chất hàng hóa v.v…;

 Lũ xuống triều rút làm tăng trọng lượng khối đất bờ hay giảm áp lực đẩy nổi;

 Mưa làm bão hòa khối đất bờ và phát sinh áp lực thấm...

Đất cấu tạo lòng dẫn sông Sài Gòn có tính chất cơ lý thấp, dung trọng tự nhiên từ 1,46-1,50 Tấn/m3, dung trọng khô từ 0.75 đến 0.86 Tấn/m3, lực dính các lớp đất trong khỏang 0,5 đến 1,1 Tấn/m2, góc ma sát trong của nhiều lớp đất khá nhỏ chỉ 3 - 40 vì thế khi tải trọng mép bờ tăng, trong nội bộ khối đất mái bờ xuất hiện ứng suất

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 72 dư lớn, vùng có ứng suất dư vượt quá khả năng chịu tải của đất mái bờ, sẽ hình thành vùng biến dạng dẻo.

Kết qủa tính tóan phân bố ứng suất điểm và quá trình phát triển vùng biến dạng dẻo của khối đất bờ bằng phương pháp phần tử hữu hạn được miêu tả trên các hình dưới đây. Vùng màu đỏ đậm là vùng có ứng suất lớn.

Hình 4.21 : Vùng xuất hiện ứng suất lớn khi chưa gia tải mép bờ sông

Càng gia tăng tải trọng mép bờ, ứng suất trong khối đất bờ càng tăng lên, vùng có ứng suất lớn càng được mở rộng và như vậy vùng biến dạng dẻo càng được phát triển rộng thêm.

Hình 4.22 : Sự phát triển vùng biến dạng dẻo trong khối đất bờ khi gia tải vượt quá khả năng chịu lực của đất

Vùng biến dạng dẻo phát triển dần đến mái dốc bờ sông, những hạt đất được tách ra khỏi bộ phận của lòng dẫn, khối đất bờ bị phá vỡ kết cấu, dòng chảy có vận tốc

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 73 nhỏ vẫn có khả năng lôi kéo đất bờ đi nơi khác (hình 4.23) dưới đây mô tả đường di chuyển của đất bờ khi gia tải vượt quá giới hạn cho phép.

Hình 4.23 : Quỹ đạo của đất khi khối đất bờ bị phá vỡ kết cấu Kết quả tính tóan nhiều trường hợp cho thấy, khi gia tăng tải trọng nhưng chưa vượt quá giới hạn, sự di chuyển đất bờ chưa xảy ra nhưng khối đất bờ vẫn bị suy giảm ổn định. Để đánh giá mức độ suy giảm ổn định khối đất bờ khi gia tăng tải trọng nhưng chưa vượt quá giới hạn, tôi đã tiến hành khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định Kminmin của khối đất bờ tại một số vị trí có đặc điểm địa chất khác nhau bằng phần mềm GeoSlopew với các phương pháp Jambu, Ordidary và Bishop.

 Ảnh hưởng của mưa.

Cường độ mưa xác định như sau:

q= A(1+ClgP)/(t+b)n Trong đó:

q : Cường độ mưa (l/s.ha)

t : Thời gian dòng chảy mưa (phút)

P : Chu kỳ lập lại trận mưa tính toán (năm)

A,C,b,n : Tham số xác định theo điều kiện mưa của địa phương, có thể chọn theo phụ lục II, đối với vùng không có thì tham khảo cùng lân cận.

Số liệu mưa cần có chuỗi thời gian lưu trữ từ 20 đến 25 năm bằng máy đo mưa tự ghi, thời gian mưa tối đa là 150 - 180 phút.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 74 Đối với lưu vực có diện tích lớn hơn 300 ha cần phải tính thêm hệ số mưa rào, theo bảng 4.2

Chu kỳ lặp lại trận mưa tính toán P đối với cống thoát nước cấp I phụ thuộc vào điều kiện thoát nước lưu vực và xác định theo bảng 4.1

Bảng 4.1

Điều kiện thoát nước Tính chất đô thị

Thuận lợi Trung bình Bất lợi

- Thành phố loại I 10 5 2-1

- Đô thị loại II, III 5 2 1-0,5 - Các đô thị khác 2 1 0,5-0,33

Bảng 4.2:

TT Tên thành phố A C b n

1 Bảo Lộc 11100 0,58 30 0,95

2 Bắc Giang 7650 0,55 28 0,85

3 Buôn Mê Thuột 8920 0,58 28 0,93

4 Cà Mau 9210 0,48 25 0,92

5 Đà Nẵng 2170 0,52 10 0,65

6 Hà Giang 4640 0,42 22 0,79

7 Hà Nội 5890 0,65 20 0,84

8 Hải Dương 4260 0,42 18 0,78

9 Hồ Chí Minh 11650 0,58 32 0,95

Thay tất cả các giá trị ta có q = 8.4e-10 m/s

d. Kết quả tính toán bờ sông khi có sóng do gió, tàu, gia tải và mưa.

Kết quả tính toán hệ số ổn định được thể hiện ở trong bảng 4.3, hình 4.24 và phụ lục kèm theo. Rõ ràng là do chân bờ sông bị xói lở nhiều, hệ số ổn định của (mặt cắt SG21) là khá nhỏ (Kmin= 0.719) so với yêu cầu (Kyc min= 1.15). Với hệ số ổn định thấp như vậy, nguy cơ sạt lở bờ sông vùng này là khá cao, cần phải có biện pháp xử lý.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 75 Bảng 4.3 : Kết quả tính toán ổn định mặt cắt hiện trạng

TT Mặt cắt Kmin TT Mặt cắt Kmin

1 SG20 0.716 14 SG33 0.973

2 SG21 0.719 15 SG34 0.791

3 SG22 0.948 16 SG35 0.718

4 SG23 0.800 17 SG36 0.844

5 SG24 0.913 18 SG37 0.771

6 SG25 1.075 19 SG38 1.115

7 SG26 1.095 20 SG39 1.412

8 SG27 0.781 21 SG40 0.948

9 SG28 0.938 22 SG41 0.828

10 SG29 0.879 23 SG42 0.913

11 SG30 0.938 24 SG43 1.366

12 SG31 0.587 25 SG44 0.858

13 SG32 0.773 26 SG45 1.099

Hình 4.24 : Kết quả tính toán ổn định bờ sông hiện trạng, mặt cắt SG21.