Tài liệu đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bờ tả sông đáy đoạn chảy qua địa bàn xã vạn thái, huyện ứng hòa, thành phố hà nội

LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian thu thập tài liệu và nghiên cứu, đến nay luận văn “Đề xuất giải pháp Công trình bảo vệ bờ Tả Sông Đáy đoạn chảy qua địa bàn xã Vạn Thái, huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội” đã hoàn thành và đáp ứng được các yêu cầu đề ra. Với thành quả đạt được, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô Trường Đại Học Thủy Lợi trong thời gian qua đã truyền đạt kiến thức khoa học, kinh nghiệm thực tế cho tác giả luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Ban Quản lý dự án Đầu tư Xây dựng công trình Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn thành phố Hà Nội, đồng nghiệp của cơ quan, người thân và bạn bè lớp 24C21 đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện hoàn thành luận văn này. Đặc biệt tác giả luận văn xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Vũ Thanh Te đã hướng dẫn giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này./. Hà Nội, ngày 10 tháng 1 năm 2019 Học viên Đỗ Quang Hưng i BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn “Đề xuất giải pháp Công trình bảo vệ bờ Tả Sông Đáy đoạn chảy qua địa bàn xã Vạn Thái, huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội”. Tôi xin cam kết đây là công trình khoa học nghiên cứu của riêng cá nhân Tôi. Kết quả nêu trong luận văn này là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, không sao chép từ công trình nghiên cứu khoa học nào khác. Nếu nội dung luận văn không đúng với cam kết này, Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 10 tháng 1 năm 2019 Học viên Đỗ Quang Hưng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i BẢN CAM KẾT ............................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KÈ BẢO VỆ ĐÊ SÔNG .............................................5 1.1 Đặc điểm chung.....................................................................................................5 1.2 Phân loại công trình bảo vệ bờ .............................................................................5 1.2.1 Công trình bảo vệ bờ sông .........................................................................5 1.2.2 Công trình bảo vệ bờ biển .........................................................................6 1.3 Đặc điểm công trình kè bảo vệ mái dốc ............................................................... 7 1.3.1 Cấu tạo kết cấu kè bảo vệ mái dốc ............................................................. 7 1.3.2 Phân loại công trình bảo vệ bờ sông để chống lũ.......................................7 1.3.3 Cấu tạo và các tiêu chuẩn kỹ thuật của công trình bảo vệ bờ sông............8 1.3.4 Phân loại và điều kiện áp dụng từng loại kết cấu kè bảo vệ mái dốc ......10 1.3.5 Sự làm việc của kết cấu kè bảo vệ mái dốc..............................................12 1.3.6 Một số dạng hư hỏng của kè bảo vệ mái dốc và nguyên nhân.................12 1.4 Đặc điểm công trình chỉnh trị và bảo vệ bờ sông ...............................................13 1.4.1 Khái niệm về tuyến chỉnh trị sông ........................................................... 13 1.4.2 Phân loại công trình bảo vệ bờ sông ....................................................... 14 1.5 Đánh giá nguyên nhân gây hư hỏng các công trình bảo vệ bờ ........................... 15 1.5.1 Nguyên nhân gây hư hỏng, làm mất tác dụng đối với công trình bảo vệ bờ chủ động (mỏ hàn, đập hướng dòng) ........................................................... 15 1.5.2 Nguyên nhân gây hư hỏng, làm mất tác dụng đối với công trình bảo vệ bờ bị động (kè gia cố bờ) ..................................................................................16 Kết luận chương 1 .........................................................................................................23 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG THIẾT KẾ KÈ BẢO VỆ SÔNG ...........24 2.1 Giới thiệu về đê sông khu vực nghiên cứu.......................................................... 24 2.1.1 Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu .................................................24 2.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo khu vực ....................................................... 26 iii 2.1.3 Tình hình dân sinh – kinh tế..................................................................... 33 2.2 Thực trạng sạt lở bờ tả Sông Đáy đoạn qua huyện Ứng Hòa ............................. 35 2.2.1 Diễn biến sạt lở trên tuyến ....................................................................... 35 2.2.2 Thực trạng sạt lở trên tuyến ..................................................................... 37 2.2.3 Nguyên nhân sạt lở và các yếu tố ảnh hưởng trong khu vực ................... 39 2.3 Các giải pháp công trình đã được thực hiện tại vị trí tuyến đê nghiên cứu ........ 40 2.3.1 Trồng tre chắn sóng bảo vệ bờ ................................................................. 40 2.3.2 Bảo vệ bờ bằng rọ đá ............................................................................... 41 2.3.3 Bảo vệ bờ bằng mái đá xây ...................................................................... 42 2.4 Phân tích các giải pháp công trình phù hợp cho tuyến đê nghiên cứu ............... 43 2.4.1 Điều kiện cụ thể của tuyến đê nghiên cứu ............................................... 43 2.4.2 Phân tích các giải pháp bảo vệ mái dốc cho tuyến đê nghiên cứu ........... 43 2.4.3 Diễn biến lòng dẫn trên sông Đáy đoạn chảy qua khu vực nghiên cứu... 44 2.4.4 Dự báo xu thế sạt lở ................................................................................. 48 2.5 Cơ sở lý thuyết trong tính toán các bộ phận kè bảo vệ bờ .................................. 48 2.5.1 Thiết kế thân kè [3] .................................................................................. 48 2.5.2 Thiết kế tầng đệm và tầng lọc .................................................................. 54 2.5.3 Thiết kế chân kè ....................................................................................... 55 2.5.4 Giới thiệu về Cọc BTCT tiết diện nhỏ ..................................................... 56 2.5.5 Tính toán ổn định kè bảo vệ mái dốc ....................................................... 57 2.5.6 Tính toán ổn định tổng thể ....................................................................... 57 2.5.7 Tính toán ổn định nội bộ lớp gia cố ......................................................... 60 2.6 Giới thiệu phần mềm GEO-SLOPE ................................................................... 61 2.6.1 Tổng quan về Geo-Slope.......................................................................... 62 2.6.2 Các phương pháp tính toán ...................................................................... 62 2.6.3 Lựa chọn phương pháp tính ..................................................................... 63 Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 64 CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO KÈ BẢO VỆ BỜ TẢ SÔNG ĐÁY ĐOẠN CHẢY QUA ĐỊA PHẬN XÃ VẠN THÁI, HUYỆN ỨNG HÒA, THÀNH PHỐ HÀ NỘI ............................................................................ 65 3.1 Giới thiệu chung.................................................................................................. 65 iv 3.1.1 Vị trí nghiên cứu....................................................................................... 65 3.1.2 Đặc điểm địa hịnh địa mạo .......................................................................66 3.1.3 Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu ....................................................66 3.1.4 Đặc điểm địa chất thủy văn ......................................................................70 3.1.5 Đặc điểm khí tượng và thủy văn công trình .............................................70 3.2 Các tài liệu đầu vào để thiết kế tuyến đê............................................................. 72 3.2.1 Các mực nước thiết kế ..............................................................................72 3.2.2 Xác định mực nước kiệt thiết kế P=95% .................................................73 3.2.3 Thông số đầu vào để tính toán ổn định ....................................................77 3.3 Tính toán ổn định mái đê khi chưa có công trình và đề xuất giải pháp ..............78 3.4 Xác định các thông số tính toán ổn định mái kè .................................................81 3.4.1 Phương án kỹ thuật và thông số thiết kế chân kè .....................................81 3.4.2 Lựa chọn tuyến công trình .......................................................................83 3.4.3 Xác định kích thước đá hộc đổ chân kè ...................................................83 3.4.4 Xác định vị trí thả đá hộc chân kè ............................................................ 87 3.4.5 Phương án kỹ thuật và thông số thiết kế thân kè .....................................90 3.4.6 Kiểm tra độ ổn định chống đẩy nổi của thân kè .......................................92 3.4.7 Tải trọng tính toán ....................................................................................92 3.5 Tính toán kiểm tra ổn định công trình cho từng phương án ............................... 94 3.5.1 Các chỉ tiêu tính toán ................................................................................94 3.5.2 Trường hợp tính toán................................................................................95 3.5.3 Phương pháp tính và kết quả ....................................................................95 3.6 Chỉ dẫn biện pháp thi công................................................................................101 3.6.1 Yêu cầu chất lượng vật liệu dùng trong xây dựng công trình ................101 3.6.2 Trình tự thi công công trình ...................................................................103 3.6.3 Biện pháp thi công các hạng mục ..........................................................103 v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số dạng hư hỏng kết cấu kè mái đê ........................................................ 13 Bảng 2.1 Thống kê lưu lượng bùn cát qua các thời kỳ ................................................. 33 Bảng 2.2 Hệ số KD ........................................................................................................ 49 Bảng 2.3 Hệ số φ ........................................................................................................... 51 Bảng 2.4 Cấu kiện kè bảo vệ mái đê ............................................................................. 52 Bảng 3.1 Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất ............................................ 68 Bảng 3.2 Đặc trưng nhiệt độ tháng, năm (đơn vị: 0C)................................................... 70 Bảng 3.3 Độ ẩm tương đối trung bình tháng (đơn vị: %) ............................................. 71 Bảng 3.4 Số giờ nắng trung bình tháng (đơn vị: giờ) ................................................... 71 Bảng 3.5 Tốc độ gió trung bình (m/s) ........................................................................... 71 Bảng 3.6 Trận mưa 3 ngày thực đo một số năm tại trạm Vân Đình ............................ 72 Bảng 3.7 Mực nước thiết kế các tuyến đê của Hà Nội .................................................. 73 Bảng 3.8 Mực nước báo động lũ trên các tuyến sông trong khu vực ........................... 73 Bảng 3.9 Mực nước lũ thiết kế sông Đáy...................................................................... 73 Bảng 3.10 Số liệu MNTB ngày thấp nhất ..................................................................... 74 Bảng 3.11 Kết quả tính toán tần suất kinh nghiệm - trạm thủy văn Ba Thá ................. 74 Bảng 3.12 Kết quả tính toán tần suất lý luận - trạm thủy văn Ba Thá .......................... 75 Bảng 3.13 Các thông số dùng trong tính toán ............................................................... 77 Bảng 3.14 Kích thước đá trong trường hợp thi công đổ đá chân kè ............................. 85 Bảng 3.15 Kích thước đá trong trường hợp khai thác vận hành ................................... 86 Bảng 3.16 Xác định vị trí thả đá với viên đá có đường kính D=0,15m ........................ 87 Bảng 3.17 Xác định vị trí thả đá với viên đá có đường kính D=0,20m ........................ 88 Bảng 3.18 Xác định vị trí thả đá với viên đá có đường kính D=0,25m ........................ 88 Bảng 3.19 Xác định vị trí thả đá với viên đá có đường kính D=0,3m .......................... 89 Bảng 3.20 Xác định vị trí thả đá với viên đá có đường kính D=0,35m ........................ 89 Bảng 3.21 Kết quả tính toán ........................................................................................ 101 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mặt cắt ngang của một số dạng kết cấu kè ....................................................... 9 Hình 1.2 Một dạng kè đê sông Hà Nội ..........................................................................10 Hình 1.3 Mỏ hàn Phú Gia hình chữ K2 (sông Hồng) bị phá ngang gốcvì dòng lũ tràn qua đỉnh. ................................................................................................................................ 16 Hình 1.4 Mỏ hàn cọc Tầm Xá (sông Hồng) không còn tấm chắn. ................................ 16 Hình 1.5 Mỏ hàn đón dòng đầu bãi Tứ Liên (sông Hồng) do cao trình đỉnh thấp nên gây bồi ở thượng lưu (lạch trái) và gây xói ở ................................................................ 16 hạ lưu (lạch Quýt). .........................................................................................................16 Hình 1.6 Đập dọc An Dương (sông Hồng) - điều chỉnh đường bờ và gây bồi - nhưng cao trình quá thấp không đạt hiệu quả ...........................................................................16 như mong muốn. ............................................................................................................16 Hinh 1.7 Công trình kè bờ khu vực bến phà Cần Thơ, tuyến chỉnh trị chưa đạt ..........18 Hình 1.8: Kè bảo vệ bờ sông tại UBND huyện Mỏ Cày, sau hai năm hoàn thành, phần đất đắp trên kè bị lún, sụt do nước xói ngầm lấy đi(2006). ...........................................19 Hình 1.9: Mất ổn định cục bộ theo phương đứng do xói chân công trình kè Long Xuyên – An Giang (2005). ............................................................................................ 19 Hình 1.10 Hỏng đỉnh kè và mái kè gia có bờ Gia Thượng (sông Đuống – Hà Nội) ....20 Hình 1.11 Mất ổn định tổng thể kè Phong.....................................................................21 Hình 1.12 Kèkhu vực cầu Bà Sáu, Rạch Tôm (huyện Nhà Bè-Tp.HCM) bịmấtổn định do thi công trên bờ trướckhi thi công phần chân kènăm 2007..................................................21 Hình 2.1 Bản đồ lưu vực hệ thống sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội ...............25 Hình 2.2 Sơ đồ mạng lưới lưu vực sông Đáy ................................................................ 26 Hình 2.3 Đặc điểm nhiệt độ khu vực .............................................................................29 Hình 2.4 Đặc điểm độ ẩm khu vực ................................................................................30 Hình 2.5 Tuyến sông đáy chảy qua địa phận huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội .......35 Hình 2.6 Sạt lở khu vực xã Hòa Xá, huyện Ứng Hòa (Tương ứng KM69+000) ..........38 Hình 2.7 Sạt lở khu vực xã Sơn Công, huyện Ứng Hòa (Tương ứng Km53+900) ......38 Hình 2.8 Sạt lở khu vực xã Đồng Tiến, huyện Ứng Hòa (Tương ứng Km49+00) .......39 Hình 2.9 Trồng tre chắn sóng bảo vệ bờ .......................................................................41 Hình 2.10 Rọ đá .............................................................................................................42 vii Hình 2.11 Xây kè mái đá bảo vệ bờ ............................................................................. 42 Hình 2.12 Diễn biến lòng sông tại K67+870 đê hữu sông Đáy .................................... 45 Hình 2.13 Diễn biến lòng sông tại cọc C4 tuyến kè (Tương ứng tại K67+700) ........... 46 Hình 2.14 Lưu tốc cực đại dọc sông trong miền tính toán của trường hợp tính toán lũ (5%) ............................................................................................................................... 47 Hình 2.15 Biến trình tốc độ chảy và độ sâu tại mặt cắt ngang sông trong trận lũ năm 1996 ............................................................................................................................... 47 Hình 2.16 Một số bản bê tông đúc sẵn lát đọc lập trên kè mái ..................................... 52 Hình 2.17 Một số cấu kiên bê tông đúc sẵn lắp ghép có cơ cấu tự chèn ...................... 53 Hình 2.18 Các hình thức kết cấu chân kè ...................................................................... 56 Hình 2.19 Sơ họa các lực tác dụng lên phần nhỏ cung trượt ........................................ 58 Hình 2.20 Tính toán ổn định tổng thể cho mặt FABC .................................................. 59 Hình 2.21 Tính toán trượt nội bộ thân kè gia cố mái .................................................... 60 Hình 3.1 Vị trí tuyến đê nghiên cứu .............................................................................. 65 Hình 3.2 Mặt cắt địa chất .............................................................................................. 69 Hình 3.3 Đường tần suất mực nước tại trạm thủy văn Ba Thá (KM46 – Tả Đáy) ....... 76 Hình 3.4 Mặt cắt đại diện C19 khi chưa có công trình ................................................. 78 Hình 3.5 Mặt cắt đại diện C28 khi chưa có công trình ................................................. 79 Hình 3.6 Hệ số ổn định tại mặt cắt C19 tại mực nước sông =+1,94 .......................... 79 Hình 3.7 Hệ số ổn định tại mặt cắt C28 tại mực nước sông =+1,94 .......................... 80 Hình 3.8 Minh họa hình thức chân kè lát mái đường lạch sâu cách xa bờ ................... 82 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý phương pháp tính toán ổn định ........................................... 96 Hình 3.10 Hệ số ổn định tại mặt cắt C19 tại mực nước sông =+0,70 ........................ 97 Hình 3.11 Hệ số ổn định tại mặt cắt C19 tại mực nước sông =+1,94 ........................ 97 Hình 3.12 Hệ số ổn định tại mặt cắt C19 tại mực nước sông rút từ =+5,0 về mực nước sông =+1,94 ....................................................................................................... 98 Hình 3.13 Hệ số ổn định tại mặt cắt C28 tại mực nước sông =+0,70 ........................ 99 Hình 3.14 Hệ số ổn định tại mặt cắt C28 tại mực nước sông =+1,94 ........................ 99 Hình 3.15 Hệ số ổn định tại mặt cắt C28 tại mực nước sông rút từ =+5,0 về mực nước sông =+1,94 ..................................................................................................... 100 viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây do ảnh hưởng của sự thay đổi thời tiết và nhu cầu sử dụng nước, mực nước về mua kiệt ngày càng có xu hướng cạn kiệt hơn và làm cho sự chênh lệch mực nước với mùa lũ ngày càng lớn. Kèm theo sự kiện này là hiện tượng sạt lở bờ diễn ra trên nhiều tuyến sông, đe dọa đến phần diện tích đất đai trên bãi sông và các hộ dân sống ven bờ sông. Sau trận bão số 10 và số 11 năm 2017 và trận mưa lũ lịch sử tháng 10 năm 2017, do mưa lũ kéo dài kết hợp với điều kiện địa chất yếu đã gây sụt sạt mái bờ sông của nhiều tuyến sông trên địa bàn thành phố Hà Nội. Trong đó có tuyến sạt lở bờ tả sông Đáy thuộc địa bàn xã Vạn Thái huyện Ứng Hòa. Đoạn bờ tả do chưa được gia cố bảo vệ, cùng với các nguyên nhân khách quan và chủ quan đã làm sạt lở mái bờ sông khá nghiêm trọng, ảnh hưởng tới đất đai trên bãi sông, cuốn trôi cây trồng của nhân dân, đe dọa mất ổn định nhà cửa của nhân dân và gây nguy cơ mất an toàn đê điều và tuyến Quốc lộ 21B. Hình ảnh hiện trạng địa bàn nghiên cứu: 1 Căn cứ từ hiện trạng sạt lở, tình hình thực tế và yêu cầu cấp thiết bảo vệ dân cư và bảo vệ an toàn tuyến đê tả sông Đáy trong khu vực nhằm ổn định đời sống nhân dân. Với tầm quan trọng và tính cấp thiết như vậy, cùng với những kiến thức trong quá trình học 2 tập lớp Cao học chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy của trường Đại học Thủy lợi tác giả đã lựa chọn và nghiên cứu luận văn tốt nghiệp của mình với tên gọi: “Đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bở tả sông Đáy đoạn chảy qua địa bàn xã Vạn Thái, huyện Ứng hòa, thành phố Hà Nội” để làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp. 2. Mục đích của đề tài Đề xuất giải pháp, tính toán và lựa chọn được công trình bảo vệ bờ tả sông Đáy đoạn qua địa phận xã Vạn Thái, huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3.1 Cách tiếp cận - Trên cơ sở lý thuyết lựa chọn phương pháp tính toán kết cấu của kè bảo vệ bờ tả sông Đáy đoạn chảy qua địa phận xã Vạn Thái, huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội; - Trên cơ sở thực tiễn. 3.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp 1: Phương pháp thu thập và kế thừa các nghiên cứu đã có; Phương pháp 2: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết; Phương pháp 3: Phương pháp tính toán, phân tích và so sánh. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu kết cấu kè bảo vệ mái 4.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu hình thức kết cấu của phạm vi sông Đáy đoạn chảy qua địa phần xã Vạn Thái, huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1 Ý nghĩa khoa học Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết trong tính toán ổn định và kết cấu của kè bảo vệ bờ. 5.2 Thực tiễn của đề tài 3 Đề xuất được kế cấu của kè để bảo vệ được bờ tả sông Đáy đoạn qua địa phận xã Vạn Thái, huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội. 6. Kết quả dự kiến đạt được - Đánh giá được nguyên nhân sạt lở của bờ tả sông Đáy đoạn qua địa phận xã Vạn Thái, huyện Ứng Hòa, thành phố Hà Nội; - Đề xuất được dạng gia cố kè bảo vệ; - Tính toán được kết cấu của kè bảo vệ mái và nêu dược quy trình công nghệ thi công 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KÈ BẢO VỆ ĐÊ SÔNG 1.1 Đặc điểm chung Các công trình bảo vệ bờ là một hợp phần quan trọng trong hệ thống công trình thủy lợi, các công trình này được xây dựng để bảo vệ bờ sông, bờ biển khỏi tác dụng phá hoại của dòng chảy trong sông , dòng ven bờ biển và của sóng gió. Ngoài hệ thống đê để bảo vệ các vùng lãnh thổ khỏi bị ngập bởi nước lũ và thủy triều thì các công trình bảo vệ bờ cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các khu dân cư và kinh tế. Đặc biệt trong thời gian gần đây, do tác động của các biến đổi khí hậu toàn cầu, các quy luật về sóng gió, dòng chảy, bùn cát ... cũng có những biến động bất lợi hơn, đe doạ đến an toàn của các khu dân cư và kinh tế rộng lớn dọc các bờ sông, bờ biển. Từ thực tế các trận lũ lụt trong những năm vừa qua cho thấy có những đoạn bờ sông, bờ biển đã ổn định trong nhiều năm, nay lại phải trải qua những diễn biến phức tạp do sông đổi dòng, biển lấn vào đất liền. Điều này đòi hỏi công tác thiết kế các công trình bảo vệ bờ cần bổ sung các điều kiện mới trong tính toán, đổng thời cần phải xây dựng các quy hoạch tổng thể về bảo vệ bờ sông, bờ biển trong từng khu vực rộng lớn. 1.2 Phân loại công trình bảo vệ bờ [1] Do đặc điểm tác dụng của dòng chảy và sóng gió lên công trình, thường phân biệt các công trình bảo vệ bờ sông và công trình bảo vệ bờ biển. 1.2.1 Công trình bảo vệ bờ sông Loại này chịu tác động chủ yếu là từ các dòng chảy trong sông , đặc biệt là về mùa lũ. Các công trình bảo vệ bờ sông được xây dựng để bảo vệ bờ khỏi bị xói lở, biến dạng do dòng chảy mặt, và để lái dòng chảy mặt hay dòng bùn cát đi theo những hướng xác định theo mục đích chỉnh trị sông. Thuộc loại này bao gổm: - Các kè bảo vệ mái. - Các đập mỏ hàn để lái dòng chảy trong sông đi theo những hướng xác định. 5 - Các mỏ hàn mềm được làm bằng phên và cọc hay bãi cây chìm để điều khiển bùn cát đáy, gây bổi, chống xói bờ và chân dốc. - Các hệ thống lái dòng đặc biệt (ví dụ hệ thống lái dòng Potapop) để hướng dòng chảy mặt vào cửa lấy nước, xói trôi bãi bổi, bảo vệ các đoạn bờ xung yếu. 1.2.2 Công trình bảo vệ bờ biển [2] Khác với công trình bảo vệ bờ sông, các công trình bảo vệ bờ biển chịu tác động của hai yếu tố chính là: - Tác dụng của sóng gió. - Tác dụng của dòng ven bờ. Dòng này có thể mang bùn cát bổi đắp cho bờ hay làm xói chân mái dốc dẫn đến sạt lở bờ. Ngoài ra các công trình bảo vệ bờ biển được xây dựng trong môi trường nước mặn nên cần lựa chọn vật liệu thích hợp. Công trình bảo vệ bờ biển gổm các loại sau: +) Các loại kè biển: Dùng các vật liệu khác nhau để gia cố bờ trực tiếp, chống sự phá hoại của sóng và dòng chảy. Do tác dụng của sóng gió, giới hạn trên của kè phải xét đến tổ hợp bất lợi của sóng gió và thủy triều, trong đó kể cả độ dâng cao mực nước do gió bão. Với các đoạn bờ biển không có sự che chắn của hải đảo và rừng cây ngập mặn, sóng biển dội vào bờ thường có xung lực rất lớn, mực độ phá hoại mạnh, nên kết cấu kè biển thường phải rất kiên cố, và tiêu tốn nhiều vật liệu. Với các đoạn bờ biển chịu tác dụng của dòng ven có tính xâm thực (làm xói chân bờ) thì giới hạn dưới của chân kè phải đặt ở phạm vị mà ở đó bờ biển không còn khả năng bị xâm thực (được xác định từ tài liệu quan trắc và tính toán dòng ven). +) Các loại công trình giảm sóng, ngãn cát: Được xây dựng trên vùng bãi phía trước mục tiêu cần bảo vệ. Thuộc loại này bao gổm: 6 - Các rừng cây ngập mặn chống sóng. Đây là một giải pháp bảo vệ bờ rất hữu hiệu, tạo ra hiệu quả tổng hợp về ngăn sóng và tăng khả năng lắng đọng phù sa, hình thành các bãi bổi ven biển. Tuy nhiên nó chỉ thích hợp với những vùng gần cửa sông, có bãi thoải và nguổn phù sa tương đối dổi dào. - Đê mỏ hàn cũng như đập mỏ hàn ở bờ sông, được xây dựng nhô ra khỏi bờ để cản sóng và hạn chế các dòng ven có tính xâm thực. Loại này không thích hợp với bờ có bãi thoải và rộng. - Đê dọc đứt khúc xa bờ: thích hợp với các bờ có bãi thoải và rộng. Khi đó đê được đặt song song với bờ, và cách bờ một khoảng nhất định (xác định theo điêu kiện kinh tế - kỹ thuật). Đê được bố trí gổm các quãng liền và đứt xen kẽ, các quãng liền có thể làm cao hơn mặt nước (đê nổi) hoặc chìm dưới nước (đê ngầm giảm sóng). - Các mỏ hàn dạng chữ T, chữ Y: là các phương án kết hợp giữa đê mỏ hàn và đê dọc đứt khúc để tăng hiệu quả cản sóng, bảo vệ bờ. 1.3 Đặc điểm công trình kè bảo vệ mái dốc [3] 1.3.1 Cấu tạo kết cấu kè bảo vệ mái dốc Mái dốc thượng lưu đê sông, đê biển, mái dốc bờ sông, bờ biển chịu tác dụng trực tiếp của dòng chảy, của thủy triều và của sóng... Để giữ cho mái dốc đất không bị biến dạng, ở phía ngoài cùng được cấu tạo một bộ phận có tác dụng bảo vê mái dốc không bị xói lở. Bộ phận này được gọi là kè bảo vê mái dốc. Theo hình thức kết cấu và vật liêu sử dụng, kè bảo vê mái dốc có nhiều loại khác nhau. Mỗi loại đều có 3 phần chính. Các phần đó là chân kè, thân kè và đỉnh kè. Chân kè làm nhiêm vụ bảo vê chống xói ở chân mái dốc. Thân kè là phần bảo vệ mái dốc từ chân đến đỉnh. Đỉnh kè là phần bảo vệ đỉnh mái dốc. Từng phần theo từng điều kiên cụ thể có cấu tạo chi tiết để đảm bảo điều kiên ổn định trong quá trình chịu tác dụng của các tải trọng từ phía sông, phía biển và từ phía đất thân đê hoặc bờ. 1.3.2 Phân loại công trình bảo vệ bờ sông để chống lũ Công trình bảo vệ bờ sông được phân thành 3 loại sau: 7 - Kè lát mái: gia cố trực tiếp lên mái bờ sông nhằm chống xói lở do tác động của dòng chảy và song. - Kè mỏ hàn: nối từ bờ sông nhằm hướng dòng chảy ra xa bờ gây bồi lắng và cải tạo bờ sông theo tuyến chỉnh trị. - Kè mềm: là loại kè không kín nước (còn gọi là kè xuyên thông) nhằm giảm tốc độ dòng chảy, gây bồi lắng và chống xói đáy. Bước thiết kế công trình bảo vệ bờ để chống lũ phải được tiến hành theo các quy định hiện hành về quản lý đầu tư xây dựng công trình. Đối với các trường hợp khẩn cấp cần thực hiện theo quy định hiện hành tương ứng trong các trường hợp khẩn cấp được pháp luật quy định. Đối với những công trình bảo vệ bờ sông quan trọng, đặc biệt là đối với kè mỏ hàn có thể thí nghiệm mô hình để xác định các thông số kỹ thuật tối ưu làm cơ sở cho thiết kế. Chủ đầu tư quyết định việc thí nghiệm mô hình đối với từng công trình cụ thể. “Đê” trong tiêu chuẩn này là công trình ngăn nước lũ của sông hoặc ngăn nước biển, được cơ quan nhà nước có thẩm quyền phân loại, phân cấp theo quy định của pháp luật. 1.3.3 Cấu tạo và các tiêu chuẩn kỹ thuật của công trình bảo vệ bờ sông Thiết kế kè lát mái: - Kè bằng đá hộc lát khan trong khung BTCT mái, chân kè có kết cấu bằng rồng đá hoặc bằng đá thả rời. Tường đỉnh kè bằng đá xây. - Kè bằng tấm BTCT đúc sẵn. Chân kè bằng cọc, kết hợp với lăng trụ đá. Tường đỉnh kè bằng bê tông cốt thép. - Kè kết hợp hai loại vật liêu. Chân kè là đá hộc trong ống bê tong BTCT đúc sẵn, phía ngoài được bảo vệ bằng đá hộc, rọ đá, các tấm hoặc khối bê tông có liên kết. Thân kè bằng tấm BTCT đúc sẵn lát trong khung BTCT mái, tường đỉnh bằng đá xây. 8 Hình 1.1 Mặt cắt ngang của một số dạng kết cấu kè 9 Kè bảo vê mái dốc sử dụng các kết cấu từ đơn giản như trổng cỏ đến phức tạp như bê tông lắp ghép tự chèn. Các hình thức thông dụng là đá đổ, đá xếp khan, khối bê tông ghép rời, hoặc liên kết tự chèn tạo thành mảng. Hình 1.2 Một dạng kè đê sông Hà Nội Kè bảo vê mái dốc là một bộ phận quan trọng để duy trì ổn định cho sông và bờ. Nó chiếm một tỷ lê kinh phí đáng kể trong các dự án đê điều và bảo vê bờ. Mặt khác, sự làm viêc của loại kết cấu này tương đối phức tạp, còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ. Hiên nay ở nước ta cũng như nhiều nước trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu cải tiến các hình thức kết cấu nhằm hoàn thiên phương pháp tính toán đảm bảo an toàn, tăng hiêu quả kinh tế cho kè bảo vê mái dốc nói riêng và cho đê và bờ nói chung. 1.3.4 Phân loại và điều kiện áp dụng từng loại kết cấu kè bảo vệ mái dốc 1.3.4.1 Yêu cầu đối với kết cấu kè - Ổn định trên lớp đất bề mặt của mái dốc đê. - Linh hoạt và dễ biến dạng theo đất của mái dốc và nền. - Bền vững lâu dài của kết cấu và của vật liêu. - Có khả năng phát hiên được sự cố. - Dễ sửa chữa khi có hư hỏng cục bộ. - Giá thành hạ. - An toàn. 10 - Đảm bảo mỹ quan. - Dễ quan sát, kiểm tra cho người quản lý. - Tận dụng vật liêu địa phương. 1.3.4.2 Phân loại kết cấu kè Có nhiều loại kết cấu kè mái dốc đê, mái dốc bờ sông, bờ biển, có thể khái quát hoá thành một số loại chính như sau: Đá đổ, đá xếp khan, đá xếp trong các khung bằng đá xây. Loại này được dùng tương đối phổ biến (xem hình 1-1a). Khối bê tông đúc sẵn lát độc lập như hình 1-1b, khối bê tông liên kết theo cơ chế tự chèn. Một số hình thức khác: bê tông Asphalt, trổng cỏ, vải địa kỹ thuật... 1.3.4.3 Phạm vi ứng dụng của một số hình thức kè bảo vệ mái - Trổng cỏ khi sóng tác dụng có hs< 0.5m, dòng chảy có vận tốc v<1m/s hoặc có bãi ngập, mái đê, mái bờ có đất để cỏ phát triển. - Đá hộc đổ rối khi có nguổn đá phong phú, mái đê, mái bờ thoải khi không có yêu cầu mĩ quan. - Đá hộc lát khan: Khi có nguổn đá phong phú, có đá lớn, nền thoát nước tốt. - Đá xếp trong khung xây bằng đá được sử dụng khi sóng và dòng chảy tương đối mạnh, bờ tương đối chắc, không đủ đá lớn. - Đá hộc xây được dùng khi: Mái bờ tương đối chắc, sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn. - Thảm rọ đá: Sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn. - Tấm bê tông đúc sẵn, ghép rời được sử dụng khi sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn, có yêu cầu mĩ quan. 11 - Tấm bê tông đúc sẵn liên kết mảng dùng khi trường hợp sóng lớn, dòng chảy mạnh, không có đá lớn, có yêu cầu mĩ quan, bờ ít lún sụt, ít thoát nước, có điều kiên thi công và chế tạo mảng. - Dùng hỗn hợp nhiều loại khi mực nước dao động lớn, mái gia cố dài, từng vị trí có yêu cầu khác nhau. Các nội dung nêu trên là khái quát về phạm vi ứng dụng làm cơ sở lựa chọn giải pháp thiết kế. Trong từng trường hợp cụ thể, phải phân tích đầy đủ các điều kiên để lựa chọn được giải pháp tốt nhất. Giải pháp tốt nhất là giải pháp thoả mãn được nhiều yêu cầu ở mục trên và có giá thành hạ. 1.3.5 Sự làm việc của kết cấu kè bảo vệ mái dốc Kết cấu kè mái chịu tác dụng của các tải trọng tác dụng trực tiếp lên bề mặt phía ngoài và các tải trọng sinh ra ở phía trong kè và thân đê. Các tác động này sinh ra từ nguồn gốc của các tác động thủy động lực và tác động địa kỹ thuật. Sự tác động của các áp lực từ môi trường nước vào các kết cấu kè và tải trọng sinh ra từ phía bên trong thân đê, có thể mô phỏng bằng một hê tương tác giữa 3 môi trường: Nước - Đất - Công trình, được mô tả như sau: - Quá trình I: là quá trình chịu tác động theo điều kiện biên thủy lực như sóng, vận tốc trung bình của dòng chảy được mô phỏng là tải trọng phía ngoài Pn(y,t). - Quá trình II: là quá trình chuyển hoá từ tải trọng phía ngoài tới phía bên trong tạo ra các tải trọng tác dụng lên bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu kè với đất thân đê gọi là tải trọng phía trong Pt( y,t). - Quá trình III: là sự làm việc của kè dưới tác dụng của các tải trọng từ 2 phía. Căn cứ vào kết cấu cụ thể của từng loại kè, tình hình tác dụng của các tải trọng mà tiến hành thiết lập các bài toán tính ổn định tổng thể, ổn định cục bộ, và tính toán kết cấu cho kè. 1.3.6 Một số dạng hư hỏng của kè bảo vệ mái dốc và nguyên nhân Một sự cố ở đê thường bắt nguồn từ những hư hỏng dẫn tới một bộ phân hoặc toàn bọ kết cấu bị mất ổn định theo một hình thái phá hoại nào đó làm cho nó không còn đảm 12