1- Khái niệm:
Là các công trình (lâu dài hay tạm thời) được bố trí để bảo vệ bờ sông chống xói lở và hướng dòng chảy theo tuyến chỉnh trị đã vạch.
2- Phân loại:
a- Theo công dụng phân thành:
- Kè lát mái: là lớp gia cố mái đê, bờ sông để chống tác động xói lở do sóng và dòng chảy (xem chương 4).
- Đập mỏ hàn: là các đập kiến trúc có một đầu gối vào bờ, một đầu nhô ra phía
sông, nhưng không chắn hết chiều rộng lòng sông. Nhiệm vụ của đập mỏ hàn là để
hướng dòng chảy gần bờ đi theo hướng của tuyến chỉnh trị.
- Mỏ hàn mềm: có vị trí và tác dụng giống như đập mỏ hàn, nhưng có kết cấu mềm, cho phép nước chảy xuyên thông qua thân.
- Ngưỡng điều chỉnh bùn cát: là các ngưỡng bố trí chìm dưới đáy và đặt ngang
theo hướng dòng chảy ở gần công trình lấy nước để điều khiển bùn cát đáy, hạn chế
lượng bùn cát vào cửa lấy nước.
- Các hệ thống lái dòng đặc biệt: Được đặt tạm thời hay cố định tại một số vị trí để làm thay đổi hướng dòng chảy mặt và hướng bùn cát đáy, nhằm thực hiện các nhiệm vụ chỉnh trị sông đã định.
b) Theo vật liệu xây dựng, có nhiều loại:
- Các vật liệu cứng như đá lát, đá xây, cấu kiện bê tông đúc sẵn hay bê tông cốt thép đổ tại chỗ.
- Các vật liệu dẻo như nhựa đường, bê tông nhựa.
- Các vật liệu cho nước chảy xuyên thông như phên, bó cành cây, bụi cây. - Vật liệu đất đắp và đất đá hỗn hợp (thân đập mỏ hàn).
3- Ví dụ về bố trí công trình bảo vệ bờ sông:
Trên hình 5-1 cho một ví dụ về bố trí các công trình chỉnh trị để chống xói lở bờ, bảo vệ khu vực dân cư. Các đập mỏ hàn (2) được bố trí để hướng chủ lưu trong sông
theo tuyến chỉnh trị đã vạch, tránh việc chủ lưu thúc vào bờ sông gây xói lở. Kè lát
mái (1) bố trí ở khu vực mà tuyến chỉnh trị chạy sát bờ sông để giữ ổn định cho đoạn bờ này.
Hình 5-1: Ví dụ bố trí công trình bảo vệ bờ sông
1- Kè lát mái 2- Đập mỏ hàn
Nguyên tắc bố trí, cấu tạo và tính toán kè bảo vệ bờ cũng giống như kè gia cố mái
đê đã trình bày trong chương 4. Sau đây sẽ xem xét việc bố trí, kết cấu và phương
5-2. Thiết kếđập mỏ hàn I- Khái niệm chung:
1- Khái niệm:
Đập mỏ hàn là công trình đặt ngang hoặc xiên với chiều rộng dòng chảy và không chắn hết chiều rộng lòng sông. Đỉnh của đập mỏ hàn có thể ở cao hơn mực nước sông (mỏ hàn nổi), hoặc thấp hơn (mỏ hàn chìm).
Theo chiều dài, đập mỏ hàn có thể chia thành các bộ phận sau:
- Phần gốc: là nơi đập mỏ hàn nối tiếp với bờ sông. Về mùa lũ, phần gốc đập mỏ hàn dễ bị hư hỏng do dòng chảy men theo bờ thúc thẳng vào nó. Vì vậy gốc đập mỏ hàn cần được bảo vệ kiên cố. Đường biên của gốc đập nối tiếp với bờ cần được lượn cong để tránh tạo ra các xoáy bất lợi (xem hình 5-2).
- Phần đầu: Là phần xa bờ nhất của đập mỏ hàn, nơi trực tiếp chịu tác động của dòng chảy. Đây cũng là nơi dễ bị xâm hại nhất của đập, cần được bảo vệ kiên cố.
- Phần thân: Nằm giữa đầu và gốc đập. Với những đập mỏ hàn ngắn thì chiêu dài của phần thân không đáng kể.
2- Phân loại:
Theo mục đích xây dựng có thể phân thành các loại mỏ hàn bảo vệ, lái dòng chảy và lấy nước.
- Mỏ hàn bảo vệ: thường là ngắn, dùng để bảo vệ, chống xói bờ, mái đê.
- Mỏ hàn lái dòng: dùng để hướng dòng chảy theo đúng tuyến chỉnh trị (hình 5-1). Chiều dài của các đập trên cùng một hệ thống thường là khác nhau.
- Mỏ hàn lấy nước: được xây dựng trên các sông có lưu tốc lớn, để hướng dòng chảy vào gần cửa lấy nước.
Theo kết cấu mặt cắt đập, có thể phân thành mỏ hàn bằng đá hộc và mỏ hàn bằng
đất bọc đá (hình 5-4).
II- Bố trí mặt bằng các đập mỏ hàn.
1- Số lượng đập:
Kinh nghiệm thực tế cho thấy không nên làm một đập mỏ hàn đơn độc, vì khi đó
phần đầu và gốc của nó dễ 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 2 đập). Đập trên
cùng theo chiều dòng chảy được làm với chiều dài nhỏ để giảm thiểu nguy cơ phá hoại nó; đập thứ hai được xây dựng dưới sự bảo vệ của đập thứ nhất. Đập thứ 3 và các đập tiếp theo được xây dựng sao cho đầu của chúng nằm trên tuyến chỉnh trị.
Đối với những công trình quan trọng, hoặc trong điều kiện diễn biến phức tạp, phải tiến hành thí nghiệm mô hình để kiểm tra sơ đồ bố trí các đập.
2- Góc lệch (α) của đập mỏ hàn:
Là góc hợp bởi trục đập và phương dòng chảy ứng với mực nước tạo lòng. Có thể
bố trí đập mỏ hàn theo 3 cách: Xuôi (α < 90o), thẳng góc (α = 90o) và ngược (α > 90o).
Mỏ hàn thẳng góc với bờ thường được sử dụng ở vùng có dòng chảy 2 chiều (vùng chịu ảnh hưởng thủy triều). Ở vùng có dòng chảy một chiều, có thể chọn góc lệch từ
65o đến 80o. Trong những điều kiện nhất định, có thể sử dụng sơ đồ đập mỏ hàn ngược.
Hình 5-2: Sơ đồ bố trí mỏ hàn xuôi, loại không tràn (mỏ hàn nổi)
a) Mặt bằng; b) Cắt dọc
Hình 5-3: Sơ đồ bố trí mỏ hàn ngược, loại chìm (ngập trong nước)
Trên hình 5-3 giới thiệu một sơ đồ bố trí mỏ hàn chìm có trục ngược chiều dòng
chảy do Loxiepxki đề nghị. Khi chảy qua đỉnh mỗi đập, dòng chảy có sự hạ thấp mực
nước (theo sơ đồ đập tràn chảy ngập). Sự hạ thấp này tạo ra dòng chảy ngang theo
hướng vuông góc với trục mỏ hàn. Vì vậy dòng chảy gần bờ khi đến gần trục mỏ hàn thì bị lệch hướng ra khỏi bờ và giảm tác hại gây xói bờ. Ngoài ra trên mái hạ lưu của đập mỏ hàn hình thành chuyển động ngược của các tia dòng gần đáy mang theo bùn cát về phía bờ, và đây cũng là một phương tiện bảo vệ bờ.
3- Khoảng cách giữa 2 đập mỏ hàn (L):
Là chiều dài tuyến bờ giữa hai gốc mỏ hàn, được xác định theo điều kiện đập phía
trước bảo vệ chống xói cho gốc đập phía sau. Theo 14-TCN84-91, có thể chọn như
sau: a) Khi bờ lõm: - Với R< (5÷6) B, chọn L = (2÷3).lt sinα; - Với R ≥ (5÷6) B, chọn L = (4÷5).lt sinα; b) Khi bờ lồi: Chọn L = (5÷8).lt sinα; Trong đó:
L- khoảng cách giữa 2 đập mỏ hàn kề nhau;
lt- chiều dài công tác của đập ở thượng lưu.
R- bán kính cong của tuyến chỉnh trị phía bờ lõm; B- bề rộng lòng sông theo tuyến chỉnh trị.
III- Kết cấu đập mỏ hàn.
1- Mặt cắt đập:
Loại mỏ hàn bằng đá hộc và đất bọc đá thường có mặt cắt hình thang, hệ số mái xác định theo điều kiện ổn định, thường bằng 1.5 với mái thượng lưu và 1.5÷2.0 với mái hạ lưu.
Hình 5-4: Mặt cắt ngang đập mỏ hàn cứng
a) Bằng đá thả rời; b) Bằng đất bọc đá
Cao trình đỉnh tại gốc mỏ hàn cứng lấy bằng cao trình mực nước ứng với lưu lượng
tạo lòng hoặc bằng cao trình bãi già. Độ dốc dọc của đỉnh đập về phía lòng sông
thường chọn i = 0.005÷0.01 hoặc lớn hơn (hình 5-2).
Với loại mỏ hàn bằng đất bọc đá, mặt tiếp giáp giữa đất đắp với khối đá và mặt nền cần làm tầng lọc. Kết cấu đơn giản của tầng lọc là dùng 2 lớp phên nứa đặt sát nhau.
Nơi có nhiều đá hộc, mỏ hàn ngắn (lt≤ 10 m), độ sâu nước lớn (h > 15m ứng với
mực nước tạo lòng) và vận tốc chảy v > 3m/s thì nên dùng mỏ hàn bằng đá hộc
2- Bảo vệ chống xói:
Khi xây dựng đập mỏ hàn sẽ làm thay đổi hướng chảy cục bộ tại khu vực đập, và ở phần đầu đập thường xuất hiện hố xói cục bộ (hình 5.2a).
Chiều sâu hố xói tới hạn có thể xác định theo công thức: Hx=27.K1.K2.tg g U . 2 2 m α -30.d (5-1) Trong đó:
Hx - Chiều sâu hố xới tới hạn (m);
Um - Lưu tốc tiến gần đầu đập mỏ hàn (m/s), được xác định theo công thức
: Um=Uo.[1+(0,2+ B bk )2] (5-2) Trong đó:
Uo - lưu tốc bình quân tại mặt cắt trước khi có mỏ hàn tương ứng với lưu
lượng tạo lòng (m/s)
bk = l.sin α (5- 3)
l- chiều dài đập mỏ hàn; α- góc lệch tuyến đập mỏ hàn;
B- chiều rộng mặt nước ứng với lưu lượng tạo lòng
K1- hệ số xác định theo công thức (5-4) K2- hệ số xác định theo công thức (5-5) K1 = exp(- 5,1. k m b g U . 2 ); (5-4) K2 = exp(- 0,2.m); (5-5)
m- hệ số mái dốc đầu mũi đập mỏ hàn d - đường kính hạt cát lòng sông (m)
Khi chiều dài đập mỏ hàn lớn, mức độ co hẹp dòng chảy tăng lên thì chiều sâu hố xói càng lớn. Để đảm bảo ổn định mái đầu đập, cần làm lớp đệm chống xói dưới nền
đầu đập. Có thể bố trí lớp đệm chống xói bằng rồng đá, các thông số như bảng 5-1.
Đệm chống xói được bố trí trong phạm vi 1/3 chiều dài mỏ hàn kể từ đầu mũi trở về bờ sông. Bảng 5-1: Bố trí lớp đệm chống xói Khu vực Phần mái gần chân đập (m) Từ chân mái ra sông(m) Tổng chiều dài rồng (m) Phía mũi
Phía thượng lưu Phía hạ lưu 1÷2 1÷2 1÷2 8÷9 8÷9 6÷7 10 10 8
Có thể chống xói bằng bè chìm rong rào có chiều dày từ (0,15÷0,2)m và đánh chìm bằng đá hộc. Phạm vi bố trí bè chìm như trong hình 5-5
3- Bảo vệ mặt ngoài thân đập:
Đối với lớp đá hộc nằm ở mặt ngoài thân đập mỏ hàn, cần tính toán kích thước theo điều kiện ổn định : d0,36 ≥ 14 , 0 m h . K . 45 , 5 U . η (5-6) Trong đó:
Um - lưu tốc tiến gần đầu đập mỏ hàn, lấy bằng lưu tốc trung bình tại
mặt cắt có mỏ hàn ứng với mức nước thiết kế đê (m/s). K - hệ số điều chỉnh lưu tốc khởi động, K=0,6÷0,9
h - độ sâu kể từ mực nước lũ thiết kế đến hòn đá tính toán (m) η - hệ số ổn định cho phép.
Trường hợp đường kính viên đá thực tế nhỏ hơn đường kính viên đá yêu cầu theo
công thức (5-6), phải dùng thép bọc ngoài mặt đập, phần đầu mũi và phần chiều dài
5m kế tiếp.
4- Bảo vệ gốc đập:
Gốc đập được lát mái bảo vệ trong phạm vi chiều dài đập (Phần thượng lưu l
4 3 và phần hạ lưu l 4 1
, Hình 5-5). Cấu tạo của kè lát mái này cũng giống như kè lát mái đê (Xem chương 4). Gốc đập mỏ hàn nên làm mở rộng để nối tiếp thuận với bờ sông.
5-3. Mỏ hàn mền
Thuộc loại mỏ hàn mềm (xuyên thông) bao gồm các bãi cây chìm và mỏ hàn cọc. Chúng có tác dụng cản dòng gây bồi, chống xói lở bờ.
I- Bãi cây chìm:
Sử dụng cây cổ thụ, cụm cây to nguyên cành lá thả thành bãi để hạn chế xói cục bộ, bồi lấp lạch phụ hoặc phối hợp với đập mỏ hàn cứng để bảo vệ bờ sông.
1- Điều kiện sử dụng:
a) Độ sâu nước ứng với lũ tiểu mãn:
- Khi h < 15m: Dùng cây cổ thụ; - Khi h < 6m: dùng cụm cây tre.
b- Lưu tốc bình quân: V < 2.5m/s
c) Mật độ bùn cát: ρ > 0.5 kg/m3
2- Qui cách cụm cây: a) Cây cổ thụ:
Nhãn, vải, xà cừ có tán rộng 6÷8 m, chiều cao từ 5÷8m, buộc ở gốc một rọ đá kích
thước 2x1x1 m.
b) Cụm cây vừa:
Gồm 6 cây tre tươi nguyên cành lá có tán rộng từ 4÷5 m, cao 4÷5 m, gắn ở gốc một
rọ bằng tre tươi chứa 0.5 m3 đá hộc.
Gồm 4 cây tre tươi nguyên cành lá hoặc cành xà cừ ghép lại có tán rộng 3÷4 m, cao
3÷4 m, gắn ở gốc một rọ bằng tre tươi chứa 0.3 m3 đá hộc.
3- Kiểm tra ổn định của cụm cây:
Theo công thức (5-7). 4 / 3 2 gh U . 25 Gm G ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ≥ (5-7) Trong đó: G- trọng lượng rọ đá Gm- trọng lượng cụm cây
U- lưu tốc bình quân mặt cắt lúc thả cụm cây (m/s). h- độ sâu nước tại vị trí lúc thả cụm cây (m)
4- Tính toán hiệu quả gây bồi:
Bãi cây đạt được hiệu quả gây bồi khi:
U < Ukđ (5-8)
Trong đó:
U- lưu tốc bình quân sau khi thả bãi cây, xác định theo công thức (5-9)
Ukđ - lưu tốc khởi động của bùn cát xác định theo công thức (5-10)
U = − = F ) p 1 .( Q Uo(1-p) (5-9) Với:
Q- lưu lượng ứng với mực nước thiết kế đê (m3/s)
Uo- lưu tốc bình quân mặt cắt ngang khi chưa có bãi cây chìm ứng với
mực nước thiết kế đê (m/s).
p- hệ số kín nước, là tỷ số giữa diện tích bãi cây trên mặt cắt ngang và phần diện tích mặt cắt ngang trong khu vực đường viền thả bãi cây.
F- diện tích mặt cắt ngang sông tại vị trí thả bãi cây chìm (m2)
Ukđ = 5.45 hn0.14d0.36 (5-10)
Trong đó:
d- đường kính hạt bùn cát (m).
hn - độ sâu nước đến hạt bùn cát, lấy bình quân khoảng giữa chiều cao
cụm cây: hn = h- hc/2
Với:
hc- chiều cao cụm cây
h- chiều sâu nước khi chưa thả cụm cây.
5- Tính toán độ dâng cao mực nước:
Sau khi thả cụm cây, dòng chảy bị thu hẹp một phần nên sẽ có độ dâng cao mực nước phía trước bãi cây chìm. Nó được xác định theo công thức sau:
Z = 5.Kc.p1/2. g 2 U2 (5-11) Trong đó:
Z- độ dâng mực nước (m)
p và U- tương tự như trong công thức (5-9)
Kc- hệ số thu hẹp lòng dẫn, là tỷ số giữa hình chiếu của bãi cây chìm trên mặt cắt ngang sông và chiều rộng mặt nước sông ứng với mực nước thiết kế đê.
Hình 5-6: Qui cách thả bãi cây chìm (trên mặt bằng)
II- Mỏ hàn cọc:
1- Điều kiện áp dụng:
- Chiều dài mỏ hàn >50 m.
- Khả năng chống xói của đất bờ thấp. - Có thiết bị đóng cọc.
Qui hoạch mặt bằng của mỏ hàn cọc cũng giống như với các đập mỏ hàn cứng đã nêu ở 5-2.
2- Kết cấu mỏ hàn cọc:
Có thể áp dụng các loại sau:
- Mỏ hàn cọc bê tông cốt thép có gắn phên chắn hoặc bó cành cây. Thường sử dụng một hàng cọc có dầm ngang liên kết đầu cọc (hình 5-7)
- Mỏ hàn bằng cọc gỗ hoặc đường ray cũ, thường gắn hai hàng cọc liên kết với
nhau. Mặt thượng lưu được gắn phên hoặc bó cành cây.
Hình 5-7: Kết cấu mỏ hàn cọc bê tông cốt thép.
1- Cọc, 2- Dầm ngang, 3- Phên chắn, 4- Đá đổ giữ chân, 5- Đệm chống xói. Độ sâu đóng cọc, kích thước và cự ly các cọc được tính toán theo điều kiện bền của bản thân cọc và điều kiện ổn định của mỏ hàn dưới tác dụng của lực xô ngang theo chiều dòng chảy. Có thể tham khảo phương pháp tính nêu trong 14 TCN 84-91.
3- Tính toán xói cục bộ ở chân mỏ hàn:
Hố xói cục bộ thường hình thành ở đầu mỏ hàn, đe doạ ổn định của toàn bộ mỏ hàn. Chiều sâu hố xói xác định theo công thức:
Hx = Ka.p3/2. g 2 U2 , (5-12) Trong đó:
Ka- hệ số kinh nghiệm có thể lấy Ka = 50;