Tài liệu Nghiên cứu giải pháp công trình bảo vệ bờ hữu sông hồng đoạn chảy qua địa bàn thị xã sơn tây, thành phố hà nội

LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian thu thập tài liệu và nghiên cứu, đến nay luận văn “Nghiên cứu giải pháp Công trình bảo vệ bờ Hữu Sông Hồng đoạn chảy qua địa bàn thị xã Sơn Tây, 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 và Xây dựng thuộc Sở Nông nghiệp và PTNT Hà Nội, đồng nghiệp của cơ quan, người thân và bạn bè lớp 19C11 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 01 tháng 03 năm 2015 Học viên Trần Đình Cường BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn “Nghiên cứu giải pháp Công trình bảo vệ bờ Hữu Sông Hồng đoạn chảy qua địa bàn thị xã Sơn Tây, 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 01 tháng 03 năm 2015 Học viên Trần Đình Cường MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ ................................. 3 1.1. Đặc điểm chung.................................................................................................... 3 1.2. Phân loại công trình bảo vệ bờ ............................................................................. 3 1.2.1. Công trình bảo vệ bờ sông ......................................................................... 3 1.2.2. Công trình bảo vệ bờ biển.......................................................................... 4 1.3. Đặc điểm công trình kè bảo vệ mái dốc ............................................................... 5 1.3.1. Cấu tạo kết cấu kè bảo vệ mái dốc ............................................................ 5 1.3.2. Phân loại và điều kiện áp dụng từng loại kết cấu kè bảo vệ mái dốc ........ 8 1.3.3. Sự làm việc của kết cấu kè bảo vệ mái dốc ............................................. 10 1.3.4. Một số dạng hư hỏng của kè bảo vệ mái dốc và nguyên nhân ................ 10 1.4. Đặc điểm công trình chỉnh trị và bảo vệ bờ sông .............................................. 11 1.4.1. Khái niệm về tuyến chỉnh trị sông ........................................................... 11 1.4.2. Phân loại công trình bảo vệ bờ sông ........................................................ 13 1.5. Tổng quan về một số hư hỏng đã xẩy ra ở khu vực nghiên cứu ........................ 13 1.5.1. Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu:................................................ 13 1.5.2. Tổng quan về biến đổi lòng dẫn trên sông Hồng:.................................... 21 1.5.3. Một số khu xói lở trên sông Hồng đoạn chảy qua Hà Nội ...................... 25 1.6. Kết luận chung và hướng nghiên cứu ................................................................ 29 CHƯƠNG 2. THỰC TRẠNG DIỄN BIẾN SẠT LỞ BỜ HỮU SÔNG HỒNG ĐOẠN QUA KHU VỰC SƠN TÂY VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ ........................................................................ 31 2.1. Thực trạng sạt lở bờ hữu sông Hồng đoạn qua Sơn Tây ................................... 31 2.1.1. Diễn biến sạt lở trên tuyến: ...................................................................... 31 2.1.2. Thực trạng sạt lở trên tuyến ..................................................................... 32 2.1.3. Nguyên nhân sạt lở và các yếu tố ảnh hưởng trong khu vực................... 35 2.2. Các giải pháp công trình đã được thực hiện tại vị trí tuyến đê nghiên cứu ....... 36 2.2.1. Trồng tre chắn sóng bảo vệ bờ ................................................................ 36 2.2.2. Bảo vệ bờ bằng mái đá xây...................................................................... 37 2.2.3. Bảo vệ bờ bằng rọ đá ............................................................................... 37 2.2.4. Bảo vệ bờ bằng kè mỏ hàn....................................................................... 38 2.3. Cơ sở lý thuyết trong tính toán các bộ phận kè bảo vệ bờ ................................. 39 2.3.1. Thiết kế thân kè: ...................................................................................... 39 2.3.2. Thiết kế tầng đệm và tầng lọc:................................................................. 44 2.3.3. Thiết kế chân kè: ...................................................................................... 45 2.4. Tính toán ổn định kè bảo vệ mái dốc ................................................................. 46 2.4.1. Tính toán ổn định tổng thể:...................................................................... 47 2.4.2. Tính toán ổn định nội bộ lớp gia cố:........................................................ 50 2.4.3. Giới thiệu sơ lược về phần mềm GEO-SLOPE: ...................................... 51 2.5. Phân tích lựa chọn các giải pháp phù hợp cho tuyến đê nghiên cứu ................. 52 2.5.1. Điều kiện cụ thể của tuyến đê nghiên cứu: .............................................. 52 2.5.2. Phân tích các giải pháp bảo vệ mái dốc cho tuyến đê nghiên cứu: ......... 53 2.6. Kết luận chung ................................................................................................... 54 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ THIẾT KẾ KÈ BẢO VỆ BỜ HỮU SÔNG HỒNG ĐOẠN TỪ K30+000 ĐẾN K31+000 ĐỊA PHẬN THỊ XÃ SƠN TÂY, TP HÀ NỘI ............................................................................................ 56 3.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 56 3.1.1. Vị trí nghiên cứu: ..................................................................................... 56 3.1.2. Đặc điểm địa hịnh địa mạo: ..................................................................... 56 3.1.3. Đặc điểm đường bờ của khu vực nghiên cứu: ......................................... 56 3.1.4. Đặc điểm lòng sông: ................................................................................ 57 3.1.5. Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu: .................................................. 57 3.1.6. Đặc điểm khí tượng thủy văn khu vực nghiên cứu: ................................ 61 3.1.7. Tính toán MN kiệt năm Trạm Trung Hà: ................................................ 64 3.1.8. Tính toán MN kiệt năm Trạm Sơn Tây: .................................................. 67 3.1.9. Tình hình dân sinh – kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu: ..................... 69 3.1.10. Vật liệu xây dựng .................................................................................. 70 3.1.11. Nguyên nhân xói lở bờ và các yếu tố ảnh hưởng: ................................ 70 3.1.12. Dự báo xu thế sạt lở: ............................................................................. 71 3.2. Lựa chọn quy mô công trình khu vực nghiên cứu ............................................. 71 3.2.1. Xác định mực nước kiệt thiết kế:............................................................. 71 3.2.2. Xác định cao trình đỉnh cơ kè: ................................................................. 74 3.2.3. Lựa chọn tuyến công trình: ...................................................................... 74 3.2.4. Tính toán kích thước đá đổ hộ chân: ....................................................... 74 3.2.5. Tính toán chọn vải lọc: ............................................................................ 75 3.2.6. Lựa chọn bề rộng lăng thể: ...................................................................... 76 3.3. Tính toán kết cấu và ổn định công trình............................................................. 80 3.3.1. Tính toán ổn định kè: ............................................................................... 80 3.3.2. Tính toán kết cấu khung kè...................................................................... 82 3.3.3. Tính dầm dọc chân kè: ............................................................................. 85 3.4. Chỉ dẫn biện pháp thi công................................................................................. 87 3.4.1. Yêu cầu chất lượng vật liệu dùng trong xây dựng công trình: ................ 87 3.4.2. Trình tự thi công công trình: .................................................................... 89 3.4.3. Biện pháp thi công các hạng mục: ........................................................... 89 3.5. Kết luận chung ................................................................................................... 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 99 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mặt cắt ngang của một số dạng kết cấu kè .............................................. 7 Hình 1.2: Một dạng kè đê sông Hồng – Hà Nội ...................................................... 8 Hình 1.3: Vị trí tuyến đê nghiên cứu ..................................................................... 15 Hình 1.4: Đặc điểm nhiệt độ khu vực .................................................................... 17 Hình 1.5: Đặc điểm độ ẩm khu vực ....................................................................... 18 Hình 1.6: Bản đồ sông Hồng đoạn chảy qua Hà Nội năm 1901 ........................... 22 Hình 1.7: Bản đồ sông Hồng đoạn chảy qua Hà Nội năm 1932 ........................... 23 Hình 1.8: Bản đồ sông Hồng đoạn chảy qua Hà Nội năm 1952 ........................... 23 Hình 1.9: Bản đồ sông Hồng đoạn chảy qua Hà Nội đến nay ............................... 25 Hình 1.10: Sạt lở đê dọc sông Đuống (thuộc địa phân Xuân Canh) ....................... 27 Hình 1.11: Sạt lở dọc chân cầu Chương Dương ...................................................... 28 Hình 1.12: Hình ảnh xói lở sông Hồng vùng dân cư ............................................... 28 Hình 2.1: Hình ảnh sạt lở chân kè Linh Chiểu năm 2009 ..................................... 33 Hình 2.2: Hình ảnh sạt lở bờ sông thượng lưu kè Linh Chiểu .............................. 33 Hình 2.3: Hình ảnh sạt lở chân kè đoạn trạm thủy văn Sơn Tây 2006.................. 33 Hình 2.4: Hình ảnh sạt lở khu dân cư Hồng Hậu Tỉnh Đội năm 2007 .................. 34 Hình 2.5: Gia cố mái ở cửa vào cống trạm bơm Phù Sa ....................................... 34 Hình 2.6: Trồng tre chắn sóng bảo vệ bờ .............................................................. 37 Hình 2.7: Xây kè mái đá bảo vệ bờ đoạn hạ lưu cống trạm bơm Phù Xa ............. 37 Hình 2.8: Rọ đá mố cẩu tại cảng Sơn Tây ............................................................. 38 Hình 2.9: Mỏ hàn tại thượng lưu kè Linh Chiểu ................................................... 38 Hình 2.10: Một số bản bê tông đúc sẵn lát đọc lập trên kè mái .............................. 43 Hình 2.11: Một số cấu kiên bê tông đúc sẵn lắp gkép có cơ cấu tự chèn................ 43 Hình 2.12: Các hình thức kết cấu chân kè ............................................................... 46 Hình 2.13: Sơ họa các lực tác dụng lên phần nhỏ cung trượt.................................. 48 Hình 2.14: Tính toán ổn định tổng thể cho mặt FABC ........................................... 49 Hình 2.15: Tính toán trượt nội bộ thân kè gia cố mái ............................................. 50 Hình 2.16: Bình đồ điển hình của tuyến đê nghiên cứu .......................................... 53 Hình 3.1: Mặt cắt địa chất điển hình tại cọc C4 .................................................... 60 Hình 3.2: Mặt cắt địa chất điển hình tại cọc C10 .................................................. 60 Hình 3.3: Kết quả tính toán mực nước Trạm Trung Hà ........................................ 67 Hình 3.4: Kết quả tính toán mực nước Trạm Sơn Tây .......................................... 69 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp tính toán ổn định .................................. 77 Hình 3.6: Mặt bằng đại diện kết cấu kè ................................................................. 78 Hình 3.7: Mặt cắt ngang điển hình tại cọc C4 ....................................................... 78 Hình 3.8: Mặt cắt ngang điển hình tại cọc C10 ..................................................... 79 Hình 3.9: Kết cấu khóa kè tại cọc C2 .................................................................... 79 Hình 3.10: Kết cấu khóa kè tại cọc C7 .................................................................... 80 Hình 3.11: Kiểm tra ổn định kè tại C4 Kminmin=1.257>[K]=1.20........................ 81 Hình 3.12: Kiểm tra ổn định kè tại C10 Kminmin=1.260>[K]=1.20...................... 82 Hình 3.13: Biểu đồ nội lực dầm ngang .................................................................... 84 Hình 3.14: Biểu đồ nội lực dầm chân kè ................................................................. 86 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số dạng hư hỏng kết cấu kè mái đê ................................................ 11 Bảng 1.2: Thống kê lưu lượng bùn cát qua các thời kỳ ......................................... 20 Bảng 2.1: Hệ số K D ................................................................................................ 39 Bảng 2.2: Hệ số φ ................................................................................................... 41 Bảng 2.3: Cấu kiện kè bảo vệ mái đê..................................................................... 42 Bảng 3.1: Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất ................................... 59 Bảng 3.2: Dòng chảy trung bình nhiều năm trạm Sơn Tây ................................... 61 Bảng 3.3: Bảng tính tích số PJQm .......................................................................... 63 Bảng 3.4: Bảng Mực nước trung bình tháng mùa kiệt trạm Trung Hà 1983-2010 66 Bảng 3.5: Mực nước trung bình tháng trạm Sơn Tây 1980 ÷ 2010 ...................... 68 Bảng 3.6: Mực nước trung bình mùa kiệt trạm Trung Hà (1983-2010) ................ 72 Bảng 3.7: Mực nước trung bình mùa kiệt trạm Sơn Tây (1990-2010) ................. 72 Bảng 3.8: Độ dốc mực nước trung bình mùa kiệt .................................................. 73 Bảng 3.9: Chỉ tiêu cơ lý tính toán .......................................................................... 81 Bảng 3.10: Kết quả tính toán. .................................................................................. 82 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu các công trình thủy lợi, nhất là dòng chảy có lưu tốc cao của các sông lớn, để giảm thiểu tác hại khi nước lũ thượng nguồn các con sông đổ về gây ra các sự cố về đê, chúng ta sử dụng biện pháp công trình như sử dụng các thiết bị hướng dòng như đập mỏ hàn, kè mái đê phía sông. Tuy nhiên như đã đề cập do dòng chảy thường là dòng lưu tốc cao nên trong khi tính toán thiết kế cần phải chú ý đến các hiện tượng xói chân đê, hoặc sụt chân kè, hơn nữa khi tính toán các thông số bảo vệ mái đê chỉ dựa vào các công thức thực nghiệm chính vì thế mà cần phải thông qua thí nghiệm mô hình để tạo ra hình dáng, kích thước và bố trí cho hợp lý. Mỗi loại vật liệu dùng để xây dựng bảo vệ đê có thể chịu được tác dụng giới hạn nào đó của vận tốc, gọi là vận tốc cho phép [Vcp]. Chẳng hạn như vận tốc chống xói cho phép [Vcp] ứng với từng vật liệu. Nếu vận tốc nước sông chảy lớn hơn vận tốc chống xói cho phép của vật liệu xây dựng bảo vệ đê thì bờ sông sẽ bị phá hoại. Như vậy, để đảm bảo bờ sông không bị phá hoại thì phải xác định loại vật liệu để bảo vệ bờ sông. Quy phạm tính toán thuỷ lực mới nêu về tính toán vật liệu để bảo vệ bờ sông, Vì vậy khi tính toán tham khảo các tài liệu là chính. Do đó có nhiều phương pháp và cách tính khác nhau. Tuy nhiên trong khi tính toán có nhiều yếu tố không thể xác định được bằng lý thuyết, nên việc tính toán thường phải kết hợp với thí nghiệm mô hình thuỷ lực nhằm hiệu chỉnh một số thông số thuỷ lực. 2. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu các thông số đặc trưng của dòng chảy, đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi và đê hữu sông Hồng đoạn chảy qua địa phận thị xã Sơn Tây thành phố Hà Nội. 2 3. Cách tiếp cận: - Tổng hợp và kế thừa các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay trong khu vực nghiên cứu, đặc biệt là các giải pháp công trình bảo vệ bờ trong khu vực; - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình tính toán và các phần mềm ứng dụng; - Phương pháp hệ thống điều tra thực địa; - Tổng hợp và kế thừa các tri thức kinh nghiệm đã có. 4. Kết quả dự kiến đạt được: - Đối với các đoạn sông có độ dốc lớn, mà dòng chảy trên đó có lưu tốc lớn, độ xiết cao thì một trong những giải pháp hợp lý là hộ chân bằng khối lăng thể đá hộc và kè lát mái đê để hướng dòng chảy ra khỏi chân đê nhằm hạn chế xói lở chân đê, chân kè, giảm sự xói lở của dòng chảy. - Xác định được các thông số của dòng chảy, trường vận tốc, phạm vi gây xói, tính toán thiết kế được công trình kè mái đê đối với tuyến đê Hữu Hồng đoạn qua địa phận thị xã Sơn Tây, thành phố Hà Nội. 5. Nội dung luận văn: Ngoài phần mở đầu khẳng định tính cấp thiết của đề tài, các mục tiêu cần đạt được khi thực hiện đề tài, các cách tiếp cận và phương pháp thực hiện để đạt được các mục tiêu đó. Nội dung chính của luận văn gồm 03 chương chính như sau: 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ 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 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: 4 - Các kè bảo vệ mái. - Các đập mỏ hàn để lái dòng chảy trong sông đi theo những hướng xác định. - 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 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. 5 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: - 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 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. 6 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 vê mái dốc từ chân đến đỉnh. Đỉnh kè là phần bảo vê 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. - Kè bằng đá hộc lát khan - Kè bằng bê tông 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 tông, tường đỉnh bằng đá xây 7 Hình 1.1: Mặt cắt ngang của một số dạng kết cấu kè 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. 8 Hình 1.2: Một dạng kè đê sông Hồng – 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. 1.3.2. Phân loại và điều kiện áp dụng từng loại kết cấu kè bảo vệ mái dốc +) Yêu cầu đối với kết cấu kè:  Ôn 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.  Đảm bảo mỹ quan.  Dễ quan sát, kiểm tra cho người quản lý.  Tận dụng vật liêu địa phương. 9 +) 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... +) 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. - 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. 10 - 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. 1.3.3. 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. 1.3.4. 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 nhân được chức năng làm việc được giao nữa. 11 Kè bảo vệ mái là mọt bộ phân của mặt cắt đê. Vì vây, các hư hỏng của kè có liên quan đến hư hỏng của đê. Thường có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố. Sự tác dụng của sóng đối với kè bảo vệ mái dốc là nguyên nhân trực tiếp và được xem là nguyên nhân chính. Khi phân tích tính hư hỏng của một số loại kết cấu kè bảo vệ mái chịu tác dụng của sóng có thể tham khảo ở bảng dưới đây. Bảng 1.1: Một số dạng hư hỏng kết cấu kè mái đê Loại kết cấu Cát / sỏi sạn Đất dính / cỏ Đá đổ Rọ đá Thảm đá, vải địa kĩ thuật Khối liên kết liền kề, liên kêt có chèn Biểu hiên hư hỏng Tải trọng sóng Đôi tượng đánh giá Bắt đẩu di chuyển Vật Trường vận tốc của Trọng lượng ma sát * liêu chuyển dịch * Sự sóng ổn định đông lực hình thành mạt cát Xói * Biến dạng Tốc đô lớn nhất Va Dính kết Rễ cỏ * chạm Chất lượng của sét Bắt đẩu chuyển dịch * Vận tốc lớn nhất Biến dạng Thấm Trọng lượng, ma sát * Thấm của lớp đêm của thân đê Trọng lượng Liên kết Bắt đẩu chuyển dịch Tốc đô lớn Va đập Dây Biến dạng Đá lọt ra Khí hậu Kẻ phá ngoài Dây bị đứt * Kích thước đơn vị * hoại Biểu hiên khác... Thấm ở lớp đêm Đẩy nổi Lún chìm Biến dạng * Trượt Asphalt (Bê tông Xói Biến dạng * Đẩy nhựa đường) nổi Quá tải Va chạm Chiều dày, ma sát, liên kết * Thấm ở lớp đêm Tốc đô lớn Va chạm Vượt tải Kết cấu Trọng lượng 1.4. Đặc điểm công trình chỉnh trị và bảo vệ bờ sông 1.4.1. Khái niệm về tuyến chỉnh trị sông Công trình bảo vê bờ sông nằm trong thành phần của tổ hợp công trình chỉnh 12 trị, nhằm bảo vê các điều kiên làm việc có lợi của một con sông, bảo vê bờ chông xói lở, bảo vê dân cư và các khu vực kinh tế văn hóa hai bên bờ sông. Mỗi con sông, tùy theo điều kiên thủy văn địa hình, địa chất, thảm phủ thực vật... có một trạng thái ổn định tương đối nào đó. Khi chưa đạt được trạng thải ổn định lâu dài này thì quá trình tạo lòng vẫn còn tiếp tục, nghĩa là dòng chảy còn tiếp tục làm cho bờ và đáy sông bị xói chỗ này, bổi chỗ khác, nhiều trường hợp sự xói sâu chân dốc sẽ dẫn đến trượt cả mảng bờ sông v.v... Ngoài ra có trường hợp lòng sông đã đạt được một trạng thái ổn định tương đối trong nhiều năm, nhưng khi có điều kiên mới bổ sung, chẳng hạn điều kiên thủy văn thay đổi do môi trường bị thóai hóa, do biến đổi khí hậu toàn cầu..., thì khi đó trạng thái cân bằng cũ bị phá vỡ, lòng dẫn lại tiếp tục bị biến đổi cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng mới. Trạng thái cân bằng của một dòng sông có thể được hình thành một cách tự nhiên, như đã diễn ra từ bao đời nay. Trạng thái đó cũng có thể được hình thành và giữ ổn định trong điều kiên có sự tác động của các công trình nhân tạo, đó là các công trình chỉnh trị sông. Tuyến chỉnh trị của một con sông chính là đường biên nước của dòng sông được chỉnh trị, tương ứng với lưu lượng thiết kế. Tùy theo mục đích và nhiêm vụ chỉnh trị mà lưu lượng thiết kế có thể là lưu lượng mùa kiêt, mùa nước trung hay mùa lũ. Tuyến chỉnh trị được xác định trên cơ sở các tính toán về diễn biến lòng sông. Tài liêu cần thiết cho viêc tính toán này là các tài liêu thủy văn (diễn biến của lưu lượng, mực nước, tình hình bùn cát), các tài liêu về địa hình địa mạo, địa chất và lịch sử hình thành lòng dẫn. Trong các tài liêu về lưu lượng và mực nước thiết kế thì lưu lượng và mực nước thiết kế mùa trung, hay lưu lượng tạo lòng đóng một vai trò quan trọng. Trị số của nó thường lấy ứng với tần suất (5^10)%, hoặc ứng với cao trình bãi già trong sông. Trong phạm vi nghiên cứu, công trình bảo vệ bờ được đi sâu nghiên cứu là công trình bảo vệ bờ sông. Là các công trình (lâu dài hay tạm thời) được bố trí để bảo vệ bờ sông chống xói lở và hưởng dòng chảy theo tuyến chỉnh trị đã vạch.