Bài giảng Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ

Nhiệm vụ chủ yếu của các công trình thủy lợi là làm thay đổi, cải biến trạng thái tự nhiên dòng chảy của sông, hồ, biển, nước ngầm để sử dụng nước một cách hợp lý, có lợi nhất và bảo vệ

Cuốn "Bài giảng thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ” được xuất bản lần đầu tiên năm 2001 (NXB Xây Dựng, Hà Nội) Sách được in lại năm 2006 bởi NXB Từ Điển Bách Khoa

Sách đã góp phần tích cực cho việc giảng dạy môn Thiết kế đê và công trình bảo vệ

bờ cho sinh viên Đại Học Thủy Lợi, cũng như làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư thiết kế, nghiên cứu

Từ năm 2001 đến nay, sự nghiệp Thủy lợi nói chung và công tác củng cố, phát triển

đê điều, phòng chống lụt bão nói riêng đã có những bước phát triển mạnh mẽ Nhà nước đã ban hành luật đê điều (2006) Bộ Nông Nghiệp và Phát triển nông thôn đã ban hành tiêu chuẩn ngành 14TCN 130 – 2002 – Hướng dẫn thiết kế đê biển Hiện nay, trên tiêu chuẩn ngành Hướng dẫn thiết kế đê sông cũng đang được chỉnh sửa để ban hành Riêng về khu vực Sông Hồng, Sông Thái Bình, chính phủ đã có quyết định số 92/2007/QĐ – TTg phê duyệt Quy hoạch phòng chống lũ hệ thống Sông Hồng và Sông Thái Bình Đây là những căn cứ quan trọng cho việc lập Quy hoạch, thiết kế, xây dựng và quản lý toàn bộ hệ thống đê trong khu vực

Trong lần tái bản này, một số nội dung của các văn bản nói trên đều được cập nhật Tuy nhiên, do tiêu chuẩn thiết kế đê sông chưa chính thức được ban hành nên một số chỉ tiêu thiết kế vẫn trích dẫn theo các tài liệu có từ trước Việc bổ sung, tái bản lần này do GS.TS Nguyễn Chiến thực hiện

Do thời gian dành cho chỉnh sửa bị hạn chế nên chắc chắn vẫn còn nhiều bất cập trong nội dung sách Mọi góp ý cho nội dung sách xin gửi về Bộ Môn Thủy Công , Trường Đại Học Thủy Lợi, 175 – Tây sơn – Đống Đa – Hà Nội

Bộ Môn Thủy Công trân trọng giới thiệu cùng độc giả cuốn Bài giảng thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ tái bản năm 2010 và mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để sách được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau

Bộ Môn Thủy Công

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG I: KIẾN THỨC CHUNG VỀ ĐÊ VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ 11

1-1 Công trình thủy lợi và vị trí đê điều trong công trình thủy lợi 11

I- Nhiệm vụ của công trình thủy lợi: 11

II- Phân loại các công trình thủy lợi: 11

1-2 T ổNG QUAN Về Hệ THốNG ĐÊ ĐIềU 13

I- Tình hình lũ lụt và giải pháp phòng chống: 13

II- Hệ thống đê sông đồng bằng Bắc bộ: 15

III- Mặt cắt ngang đặc trưng của đê: 17

1-3 Phân tích sự làm việc của đê, các khả năng phá hoại sự làm việc an toàn của đê 18

I Loại khả năng phá hoại bình thường: 18

II Dạng khả năng phá hoại đặc biệt: 20

1-4 Các công trình bảo vệ bờ 22

I- Công trình bảo vệ bờ sông: 22

II- Công trình bảo vệ bờ biển: 23

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 24

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA SÓNG VÀ NƯỚC DÂNG 25

2-1 Khái niệm chung 25

I Các thông số của sóng: 25

II Các phương pháp tính toán sóng: 26

2-2 Xác định các yếu tố tạo sóng 26

I Gió: 26

II Đà sóng (D): 28

III Mực nước tính toán và chiều sâu nước trước công trình: 30

2-3 Tính toán các thông số của sóng theo phương pháp Crưlốp 30

I Các thông số của sóng vùng nước sâu (h ≥ 0.5 Ls) 30

II Các thông số của sóng vùng nước nông: 31

III Các thông số của sóng tại vùng sóng đổ 34

2-4 Tính toán các thông số của sóng biển theo biểu đồ Hincat 36

I Trường hợp độ sâu nước h > 15 m (sóng nước sâu) 36

II Trường hợp độ sâu nước h ≤ 15 m: 36

III Các trường hợp riêng: 39

IV Các ví dụ tính toán: 39

2-5 Tính toán chiều cao sóng leo 40

I Trường hợp dốc đơn (mái nghiêng với một độ dốc): 40

II Trường hợp mái dốc phức hợp có thềm giảm sóng: 41

2-6 Tính toán áp lực sóng 42

II Áp lực sóng lên các công trình bảo vệ bờ 44

2-7 Tính toán chiều cao nước dâng do gió 49

I Đối với hồ chứa và sông xa biển: 49

II- Đối với vùng cửa sông ven biển: 49

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 50

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐÊ 51

3-1 Cấp của công trình đê và tiêu chuẩn thiết kế 51

I- Cấp của đê: 51

II- Tiêu chuẩn phòng lũ của công trình đê: 52

III- Độ gia cao an toàn và hệ số an toàn ổn định của đê: 52

3-2 Tài liệu cơ bản dùng để thiết kế đê 54

I- Khí tượng, thủy văn: 54

II- Kinh tế - xã hội: 55

III- Địa hình công trình: 55

IV- Địa chất công trình: 56

3-3 Tuyến và hình thức kết cấu 57

I- Tuyến đê: 57

II Chọn loại hình kết cấu đê: 58

3-4 Thiết kế mặt cắt đê 59

I Quy định chung: 59

II Cao trình đỉnh đê: 59

III Kết cấu đỉnh đê: 60

IV Mái đê và cơ đê: 61

V- Bảo vệ mái đê và tiêu nước mái dốc: 61

VI- Bộ phận chống thấm và tiêu nước cho đê và nền đê: 62

VII- Tường chắn sóng: 62

VIII- Vật liệu đắp đê và tiêu chuẩn đắp đê đất: 63

3-5 Tính toán thấm 63

I- Dòng thấm và tính toán ổn định thấm: 63

II- Tính toán thấm của đê đất đồng chất trên nền không thấm nước: 64

III- Tính toán thấm của đê đất đồng chất trên nền thấm nước: 67

IV- Tính toán thấm không ổn định: 68

V- Tính toán Gradien chỗ dòng thấm thoát ra ở mái trong đồng: 69

VI- Đường bão hòa của đê đất đồng chất khi mực nước hạ xuống: 72

VII- Tính toán thấm của nền hai lớp và tính toán phản áp: 74

3-6 Tính toán ổn định đê 79

I Những quy định chung: 79

II- Tính toán ổn định chống trượt: 80

3-7 Tính toán lún 84

I- Những quy định chung: 84

II- Phương pháp tính lún: 84

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 85

CHƯƠNG IV: KÈ BẢO VỆ MÁI DỐC 86

4-1 Khái niệm 86

4-2 Yêu cầu cấu tạo, phân loại và điều kiện ứng dụng của từng loại kết cấu kè bảo vệ mái dốc 88

I Yêu cầu đối với kết cấu kè: 88

II Phân loại kết cấu: 89

III Phạm vi ứng dụng của một số hình thức kè bảo vệ mái dốc: 89

4-3 Sự làm việc của kết cấu kè mái 89

I Các tải trọng tác dụng và sơ đồ tính: 89

II Một số dạng hư hỏng và nguyên nhân: 90

III Một số ví dụ về quan điểm tính tải trọng lên lớp vỏ kè: 93

4-4 Thiết kế thân kè 94

I Trọng lượng của hòn đá hoặc cấu kiện: 94

II Chiều dày lớp phủ ngoài cùng của kè: 94

III Các loại cấu kiện lát mái bằng bê tông đúc sẵn: 96

IV Lỗ thoát nước và khe biến dạng: 96

4-5 Thiết kế tầng đệm, tầng lọc 98

I Tầng lọc ngược truyền thống: 98

II Tầng lọc ngược sử dụng vải địa kỹ thuật (vải lọc): 98

4-6 Thiết kế chân kè 98

1 Chân kè nông: 98

2 Chân kè sâu: 99

3 Kích thước viên đá ở khối chân kè: 99

4-7 Tính toán ổn định kè 100

1 Tính toán ổn định tổng thể: 100

2 Tính toán ổn định nội bộ lớp gia cố: 101

4-8 Phân tích xác suất sự cố kè mái đê biển 102

1 Định nghĩa về sự hư hỏng: 102

2 Sự cố đê biển: 102

3 Ví dụ tính kích thước đá bảo vệ mái đê biển theo lý thuyết độ tin cậy: 104

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 106

CHƯƠNG V: CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ 107

A - BẢO VỆ BỜ SÔNG 107

5-1 Qui hoạch các công trình bảo vệ bờ sông 107

I- Khái niệm về tuyến chỉnh trị: 107

II- Các công trình bảo vệ bờ sông: 107

5-2 Thiết kế đập mỏ hàn 109

I- Khái niệm chung: 109

II- Bố trí mặt bằng các đập mỏ hàn 109

III- Kết cấu đập mỏ hàn 111

5-3 Mỏ hàn mền 113

II- Mỏ hàn cọc: 115

B- BẢO VỆ BỜ BIỂN 117

5-4 Qui hoạch các công trình bảo vệ bờ biển 117

1- Khái niệm về bờ biển: 117

2- Phân loại bờ biển: 117

3- Các dạng phá hoại đối với bờ biển: 117

4- Các loại công trình bảo vệ: 117

5-5 Rừng ngập mặn chống sóng 119

I- Tác dụng của rừng cây ngập mặn: 119

II-Điều kiện để phát triển rừng cây ngập mặn: 119

III- Các loại cây ngập mặn ở nước ta: 120

IV- Qui cách rừng ngập mặn: 122

5-6 Bố trí các loại công trình giảm sóng, giữ bãi 122

I- Bố trí chung: 122

II- Các loại hình thức kết cấu của đê mỏ hàn và đê dọc: 124

5-7 Thiết kế đê mỏ hàn, đê dọc xa bờ dạng tường đứng 125

I- Đê tường đứng dạng trọng lực: 125

II- Đê tường đứng bằng cọc cừ: 131

5-8 Thiết kế đê mỏ hàn, đê dọc xa bờ dạng mái nghiêng 136

I- Các dạng mặt cắt đê có mái nghiêng: 136

II- Xác định các kích thước mặt cắt ngang đê: 138

III- Trọng lượng ổn định của khối phủ mái nghiêng: 139

IV Cấu tạo công trình mái nghiêng: 141

V Tính ổn định công trình mái nghiêng: 143

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 144

CHƯƠNG VI: GIA CỐ, SỬA CHỮA VÀ XỬ LÝ SỰ CỐ ĐÊ 145

6-1 Khái quát 145

6-2 Gia cố đê 146

I- Đào đắp lại những chỗ sạt trượt cục bộ: 147

II- San lấp ao hồ ở khu vực ven đê: 147

III- Gia cố chống thấm thân đê: 147

IV- Xử lý tổ mối: 147

V- Xử lý nứt đê: 148

VI- Xử lý nền đê: 148

6-3 Cải tạo đê 152

6-4 Tôn cao, mở rộng đê 152

6-5 Xử lý sự cố đê trong mùa lũ 153

I- Sạt lở mái đê phía sông: 153

II- Sạt lở mái đê phía đồng: 154

III- Rò rỉ, sập tổ mối: 155

IV- Lỗ sủi, mạch sủi, mạch đùn bục đất, giếng phụt: 155

V- Nước lũ tràn đỉnh đê: 157

VI- Xử lý hư hỏng cống qua đê: 158 VII- Hàn khẩu đê: 158

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 6 159

4 TRÌNH BÀY NGUYÊN TắC VÀ TRÌNH Tự Xử LÝ HÀN KHẩU ĐÊ Vỡ ?TÀI LIỆU THAM KHẢO 159 TÀI LIỆU THAM KHẢO 160

LỜI NÓI ĐẦU

(Lần tái bản đầu tiên – 2001)

Cuốn sách "Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ" tập hợp những kiến thức cơ bản

và cập nhật những vấn đề hiện đại trong lĩnh vực thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ Sách dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành công trình thủy lợi Sách cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành khác, cho các lớp sau đại học và nghiên cứu sinh ngành công trình thủy lợi

Nội dung sách gồm 6 chương Chương I trình bày tổng quan về hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ Chương II nêu những vấn đề về tính toán các yếu tố của sóng và nước dâng Các vấn đề về thiết kế và tính toán đê được trình bày ở chương III Trong chương IV nêu các giải pháp kết cấu và tính toán kè bảo vệ mái Chương V giới thiệu các kiến thức về công trình bảo vệ bờ sông, bờ biển Chương VI đề cập tới các vấn đề

mở rộng, sửa chữa đê và xử lý sự cố đê

Sách do một tập thể giáo viên Bộ môn Thủy công, Trường đại học Thủy lợi biên soạn PGS TSKH Nguyễn Quyền viết các chương I và III; PGS TS Nguyễn Văn Mạo viết chương IV; TS Nguyễn Chiến viết các chương II, V, tiết 1-4 và chịu trách nhiệm chung; KS Phạm Văn Quốc viết chương VI

Các tác giả xin được bầy tỏ lời cảm ơn tới PGS TS Phạm Ngọc Quý đã xem xét toàn bộ bản thảo và có những ý kiến quý báu để hoàn thiện nội dung bản thảo, xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Văn Hạnh và các thành viên khác của Bộ môn Thủy công Trường đại học Thủy lợi đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho nội dung cuốn sách Các tác giả gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo Nhà trường, phòng Đào tạo và Thư viện Trường đại học Thủy lợi về những ý kiến chỉ đạo và sự giúp đỡ trong quá trình biên tập, in ấn sách

Mặc dù các tác giả đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn, song chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Chúng tôi mong nhận được ý kiến xây dựng của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp Ý kiến xin gửi về Bộ môn Thủy công, Trường đại học Thủy lợi

Xin chân thành cảm ơn!

Các tác giả

1 Thông tin tác giả

2 Phạm vi và đối tượng môn học:

Ngành học: Kỹ thuật công trình, các chuyên ngành: Công trình thủy, công trình bến, kỹ thuật cảng và đường thủy…

Trường học: Đại Học Thủy Lợi và các trường có chuyên ngành trên

Từ khóa để tra cứu: bảo vệ bờ, đập mỏ hàn, đê, gia cố, kè, mái nghiêng, mặt cắt, nước dâng, sóng, tường đứng

Yêu cầu kiến thức trước khi học môn này: Đã học mon cơ sở của ngành kỹ thuật công trình, các môn Thủy văn công trình, cơ học đất, nền móng, vật liệu xây dựng, giới thiệu và cơ sở thiết kế công tình thủy…

Số lần xuất bản: 2 lần:

Lần 1: NXB Xây Dựng – 2001 Lần 2: NXB Từ Điển Bách Khoa, 2006

CHƯƠNG I: KIẾN THỨC CHUNG VỀ ĐÊ VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ

BỜ

1-1 Công trình thủy lợi và vị trí đê điều trong công trình thủy lợi

I- Nhiệm vụ của công trình thủy lợi:

Công trình được xây dựng để sử dụng nguồn nước gọi là công trình thủy lợi Nhiệm

vụ chủ yếu của các công trình thủy lợi là làm thay đổi, cải biến trạng thái tự nhiên dòng chảy của sông, hồ, biển, nước ngầm để sử dụng nước một cách hợp lý, có lợi nhất và bảo vệ môi trường xung quanh tránh khỏi những tác hại của dòng nước gây nên Công trình thủy lợi có thể hình thành dòng chảy nhân tạo để thỏa mãn nhu cầu dùng nước, khi dòng chảy tự nhiên ở nơi đó không đủ hoặc không có

Căn cứ vào tính chất tác dụng của dòng chảy, công trình thủy lợi có thể chia ra: công trình dâng nước, công trình điều chỉnh dòng chảy và công trình dẫn nước

II- Phân loại các công trình thủy lợi:

1 Các công trình dâng nước:

Phổ biến nhất của loại công trình dâng nước là các loại đập Đập được xây dựng ngăn các sông suối và hình thành nên độ chênh mực nước thượng hạ lưu ở trước đập Càng gần đến đập, lưu tốc trung bình của dòng chảy giảm v1 < v2 < v3 < v4 < v5 còn độ sâu của dòng chảy tăng h1 > h2 > h3 > h4 > h5 Sự tăng mực nước ở trong sông làm tăng diện tích mặt cắt ướt của lòng sông và dẫn đến ngập đất ở thượng lưu Sự thay đổi lưu tốc dòng chảy ở thượng lưu làm thay đổi khả năng vận chuyển bùn cát của lòng sông Lưu tốc theo chiều dòng chảy giảm dần, các hạt bùn cát trong nước được lắng xuống đáy theo thứ tự những hạt lớn, sau đó đến những hạt bé hơn và khi đến gần công trình, lưu tốc hầu như bằng không nên các hạt cát rất bé cũng được lắng xuống, nước ở đó rất trong

Sự dâng mực nước còn làm thay đổi cả trạng thái nước ngầm dưới lòng sông và hai bên bờ Do có độ chênh cột nước thượng hạ lưu nên có hiện tượng thấm qua nền và thấm vòng quanh công trình từ thượng lưu về hạ lưu

Nước ở thượng lưu chảy về hạ lưu không mang bùn cát do đó để trở về trạng thái cũ của dòng nước , lòng sông và bờ lại bị bào mòn, xói lở

Như vậy công trình dâng nước có ảnh hưởng đến tất cả các yếu tố của dòng chảy, lòng sông và cả nước ngầm Nhưng nó có hiệu quả lớn, điều chỉnh lưu lượng từ thượng lưu về hạ lưu, về mùa lũ nước được giữ lại ở thượng lưu (đối với hồ chứa) và được tháo về hạ lưu vào thời kỳ cần thiết theo nhu cầu dùng nước Công trình dâng nước được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kinh tế nước

2 Các công trình điều chỉnh dòng chảy:

Công trình điều chỉnh để khống chế xói lở lòng sông, có thể làm thay đổi trạng thái dòng chảy, làm thay đổi hướng dòng chảy trong giới hạn lòng sông theo yêu cầu cần thiết và bảo vệ lòng sông tránh khỏi những tác hại nguy hiểm của dòng nước Công trình điều chỉnh bao gồm đê, đập, tường, kè, các đê đập đó không ngăn hết toàn bộ lòng sông, mà chỉ một phần theo hướng của mặt cắt ngang hoặc có khi theo hướng dọc

Công trình điều chỉnh không làm dâng nước, mà có tác dụng làm thay đổi hướng và lưu tốc của dòng chảy, phân bố lại lưu tốc và ảnh hưởng đến hình dạng của lòng sông Các công trình này nhằm phục vụ các ngành khác nhau, có thể giữ độ sâu, lưu tốc và hình dạng lòng sông cần thiết cho tàu bè qua lại, đảm bảo điều kiện bình thường để lấy nước từ sông, giữ ổn định bờ sông để đảm bảo an toàn cho dân cư và nhà máy xí nghiệp ở hai bên bờ

Các công trình này bao gồm các tường cánh, đê, đập, kè làm bằng các vật liệu tại chỗ (đất, đá, gỗ), có lúc làm bằng bê tông, bê tông cốt thép Mặt cắt ngang là hình thang Yêu cầu vật liệu đảm bảo ổn định không bị xói lở do dòng chảy gây nên

Các kè bảo vệ bờ không bị xói lở thường dùng đá, tấm bê tông, các loại rồng và bó cành cây

3 Các công trình dẫn nước:

Những công trình này bao gồm các loại như kênh mương, đường hầm, cầu máng, đường ống làm bằng các loại vật liệu khác nhau Các công trình đó chuyển nước với các lưu lượng xác định vào các mục đích khác nhau: dẫn nước vào tuốc bin nhà máy thủy điện, đưa nước vào tưới ruộng và đồng cỏ, vào hệ thống cấp nước cho thành phố,

xí nghiệp, nhà máy Nó có thể sử dụng làm đường giao thông thủy cho tàu thuyền đi lại Thuộc loại công trình dẫn nước này phải kể đến cả công trình tháo lũ đó là những công trình tháo nước thừa của hồ chứa từ tl về hạ lưu qua dập hoặc hai bên bờ của đập a) Kênh:

Là một dạng sông nhân tạo, được đào, đắp hoặc nửa đào nửa đắp mà thành Mặt cắt ngang có dạng hình thanh

b) Máng nước, dốc nước, cầu máng:

Là kênh nhân tạo được xây trên mặt đất hoặc cao hơn mặt đất, làm bằng bê tông cốt thép, thép, gỗ Các công trình này được sử dụng khi điều kiện địa hình, địa chất không cho phép làm kênh

c) Đường hầm:

Được xây dựng dưới đất, trong núi Khi các đường dẫn nước gặp phải núi cao không thể đào kênh được người ta phải làm đường hầm để nối tiếp các kênh chuyển nước Cũng có thể là đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện, hoặc đường hầm tháo lũ của hồ chứa,

- Trạm thủy điện: nhà máy, buồng xoắn, bể áp lực, tháp điều áp

- Công trình giao thông thủy: âu tàu, máy nâng tàu, công trình chuyển gỗ, bến cảng

- Công trình thủy nông: cống điều tiết, hệ thống tưới tiêu, hệ thống thóat nước

- Công trình cấp nước và thóat nước: công trình lấy nước, dẫn nước, trạm bơm, công trình cho vệ sinh, thóat nước

- Công trình cho cá: đường cá đi, đường chuyển cá, hồ nuôi cá

Như vậy, đê và các công trình bảo vệ bờ là một trong những dạng khác nhau của công trình thủy lợi Việc quy hoạch, thiết kế đê và các công trình bảo vệ bờ tuân theo các nguyên tắc chung về quy hoạch và thiết kế các công trình thủy lợi Ngoài ra còn phải xét đến các nét đặc thù của đê điều và công trình bảo vệ bờ được quy định bởi lịch sử hình thành, điều kiện chịu lực và phạm vi ảnh hưởng của chúng mà sau đây chúng ta sẽ dần làm sáng tỏ

I- Tình hình lũ lụt và giải pháp phòng chống:

1 Đặc điểm tự nhiên Việt Nam và đồng bằng Bắc bộ:

Nước Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam á, chịu ảnh hưỏng trực tiếp của khí hậu lục địa Trung Ấn từ phía Bắc và phía Tây với 2 hệ thống sông lớn liên quốc gia theo hướng Tây Bắc - Đông Nam là sông Hồng và sông Cửu Long, lại vừa chịu ảnh hưởng trực tiếp khí hậu biển Đông từ phía đông và phía nam, nơi giao giữa hai biển lớn: Thái bình dương và Ấn độ dương, đồng thời nằm giữa ổ bão biển Đông là một trong 5 ổ bão lớn nhất thế giới - Mùa bão trùng với muà mưa, địa hình phức tạp, đồng bằng thường hẹp và thấp trũng, núi cao sườn dốc, cây rừng lại bị tàn phá ngày càng nghiêm trọng, do đó lũ bão xảy ra luôn có chiều hướng gia tăng trong 3 thập kỷ nay ngày càng ác liệt, lụt bão luôn là mối đe doạ thường xuyên đối với đời sống và sản xuất của nhân dân Việt Nam

Việt Nam có lượng mưa bình quân hàng năm từ 1.800 mm đến 2.500mm, lượng mưa phân bổ không đều, 70-80% lượng mua tập trung vào các tháng 7,8,9 (ở Bắc bộ

và Nam bộ) và các thág 8,9,10 ở Trung bộ Ngay trong các tháng mùa mưa, lượng mưa cũng phân bổ không đều, thường tập trung vào một số đợt mưa lớn Lượng mưa ngày lớn nhất trung bình nhiều năm là 130-200 mm Lượng mưa một ngày lớn nhất là

731 mm, lượng mưa một đêm lớn nhất (9/11/1984) là 702 mm, lượng mưa 2 ngày lớn nhất (10/1983) ở Huế là 1217 mm Lượng mưa phân bổ không đều như trên là nguồn gốc sinh ra các con lũ ở các triền sông Hệ thống sông suối ở Việt Nam có tổng chiều dài khoảng 25.000 km, tập trung thành 3 hệ thống sông khá rõ rệt: hệ thống sông Hồng

và sông Thái bình ở Bắc bộ, hệ thống các sông ở miền Trung và hệ thống sông Cửu long, Đồng nai ở Nam bộ Do địa hình ở các miền khác nhau, các sông ở Nam bộ hiền hòa, các sông ở Bắc bộ có độ dốc vừa phải, các sông ở miền Trung vừa ngắn vừa cố

dộ dốc lớn Một số con sông lớn bắt nguồn từ các nước láng giềng chảy qua Việt Nam rồi ra biển như hệ thống sông Hồng ở Bắc bộ, sông Cửu long ở Nam bộ

Tất các các con sông đến mùa mưa đều có lũ, mức độ ác liệt hàng năm có khác nhau

2 Tình hình lũ lụt:

Chỉ tính từ đầu thế kỷ 20, trên hệ thống sông Hồng và sông Thái bình (ở Bắc bộ) đã

có 26 trận lũ lớn: lớn nhất là trận lũ lịch sử năm 1971, trước đó đã có trận lũ năm 1945 từng được coi là trận lũ lịch sử (thấp hơn 1971 sau này) Mực nước lũ 1971 đã vượt

ruộng ven đê từ 5-10 m) trong vòng 45 năm (từ 1900 - 1945) đã có 18 năm vỡ đê ở đồng bằng Bắc bộ, trung bình cứ 2 năm lại có một năm vỡ đê, mất mùa Đặc biệt trận

lũ năm 1945 làm vỡ 79 quảng đê gây ngập 11 tỉnh 312.000 ha đất canh tác và khoảng

4 triệu người bị ảnh hưởng Trận lũ năm 1971 làm vỡ 3 đoạn đê lớn, gây ngập 250.000

ha và 2,7 triệu người bị ảnh hưởng nghiêm trọng

Trận lũ năm 1986 tuy độ lớn mức lũ chỉ đứng vào hàng thứ 5 trong liệt số liệu quan trắc từ đầu thế kỷ đến nay song cũng gây vỡ một đoạn đê sông Hồng (Trung Châu - Đan Phượng) và sập 1 cống dưới đê sông Cầu - Quế Võ Hà Bắc Năm 1906 ở Bình Định, năm 1983 ở Huế, năm 1952 ở các tỉnh miền Đông Nam bộ và năm 1964 ở hầu hết các tỉnh khu 5 cũ (Trung bộ) đều có lụt lớn, gây nhiều thảm cảnh tang tóc Lũ trên sông Cửu Long (kể cả các nhánh) xảy ra vào các năm 1961, 1966, 1978, 1984, 1991 cũng đã làm ngập hàng chục vạn ha lúa của dồng bằng sông Cửu long (Nam bộ)

Tình hình lũ dường như cũng xảy ra nghiêm trọng trong những năm gần đây ở các tỉnh miền núi phía Bắc và Tây nguyên như: Lạng sơn, Cao bằng (1986); Lai châu, Đak Lak, Bắc Thái (1980); Sơn la, Lai châu (1991) một số vùng dân cư tập trung và phần lớn các hạ tầng cơ sở của 2 thị xã Lai châu, Sơn la đã bị dòng lũ quét cuốn trôi tàn phá trong 2 năm 1990, 1991

3 Biện pháp phòng chống lũ:

Với tầm quan trọng đặc biệt của hệ thống sông Hồng, ngay từ những năm 1960, Đảng và Nhà nước ta đã thiết lập Uỷ ban trị thủy và khai thác sông Hồng do Phó Thủ tướng làm chủ tịch, Bộ Thủy lợi là Văn phòng thường trực

Sau trận lũ lịch sử năm 1971, Đảng và Nhà nước ta quyết định về biện pháp phòng chống lũ cho hệ thống sông Hồng là:

1) Trồng và bảo vệ rừng đầu nguồn để hạn chế khả năng tập trung lũ về hạ du 2) Xây dựng các hồ chứa nước loại lớn và loại vừa ở thượng nguồn sông

3) Củng cố hệ thống đê

4) Chuẩn bị chu đáo để làm tốt việc phân lũ, chậm lũ khi cần thiết

5) Giải phóng lòng sông, khai thông dòng chảy để thóat lũ

6) Tăng cường công tác hộ đê phòng lụt

Đến nay những biện pháp đó đã được triển khai tích cực và vẫn còn nguyên giá trị của nó, song có những mặt chúng ta thiếu biện pháp kiên trì tổ chức thực hiện như trồng rừng, giải phóng lòng sông

Với mục tiêu chống được con lũ tương đương năm 1971 (tần suất 0,4%), cần vận hành điều tiết hồ Hòa Bình và Thác Bà khi gặp lũ thường xuyên để giữ cho mức nước

Hà Nội không vượt qua báo động III (11,50 m) Nếu gặp lũ có tần suất lớn hơn như lũ năm 1986 mức nước Hà Nội lên đến 12,35 m, lũ năm 1996 lên đến 12,48 m nếu xảy ra

lũ như năm 1971 thì mức nước tại Hà Nội 13,3 m Nhưng nếu gặp lũ như năm 1971 với dạng lũ năm 1964, 1969 thì khó có thể giữ được mức nước tại Hà Nội là 13,30 m, khi đó phải tính đến biện pháp phân lũ qua sông Đáy

Tháng 8 năm 1998 Thủ tướng Chính phủ ra Thông báo 164 TB/TW ngày 3/9/1998

đã nêu:

- Xây dựng các chỉ tiêu ban bố tình trạng khẩn cấp về thiên tai

- Xây dựng các phương án xử lý lũ đặc biệt lớn và quyết định phân lũ

- Và "phải xây dựng phương án lâu dài, bền vững về củng cố đê, xây dựng hệ thống

đê điều trong cả nước, đặc biệt hệ thống sông Hồng để đủ sức bảo vệ sự phát triển bền vững về kinh tế xã hội an ninh quốc phòng cho đồng bằng sông Hồng và thủ đô Hà Nội"

II- Hệ thống đê sông đồng bằng Bắc bộ:

Trong điều kiện một đất nước mà lũ, bão luôn là mối đe doạ nghiêm trọng từ hàng nghìn năm nay thì cuộc đấu tranh với thiên nhiên để phòng chống lụt bão cũng luôn luôn chiếm vị trí nổi bật trong lịch sử tồn tại và phát triển của dân tộc ta

Sử sách còn ghi lại con đê đầu tiên của Việt nam đã có từ thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên cùng thời Hai Bà Trung và đến đầu thế kỷ thứ 11, nhà Lý đã đắp đê thành Đại

La, sau đổi ra thành Thăng Long tức Hà Nội ngày nay với mục đích bảo vệ kinh đô bên dòng sông Hồng và đến thế kỷ thứ 13 thời nhà Trần thì đê sông Hồng đã được nối dài từ đầu châu thổ (Việt trì) ra đến biển để phòng chống lũ

Từ đó nhân dân Việt Nam vì bảo vệ cuộc sống của mình đã không ngừng đắp to, nâng cao và khép kín các tuyến đê sông, đê biển

Đến nay, Việt Nam có gần 8000 km đê, trong đó có gần 6000 km đê sông và 2000

km đê biển Riêng đê sông chính có 3000 km và 1000 km đê biển quan trọng Có gần

600 kè các loại và 3000 cống dưới đê Ngoài ra còn có 500 km bờ bao chống lũ sớm, ngăn mặn ở đồng bằng sông Cửu Long

Riêng hệ thống sông Hồng trong đồng bằng Bắc bộ có 3000 km đê sông và 1500km

Nói chung tuyến đê hiện có được hình thành trong quá trình phát triển, không có sự lựa chọn tuyến một cách chặt chẽ về các điều kiện địa hình, địa chất và dòng chảy

b) Địa hình hai bên ven đê:

Nhìn tổng thể địa hình có xu thế thấp dần từ thượng nguồn về phía biển với bề mặt nghiêng từ TB-ĐN

Bề mặt địa hình ven đê phía đồng ít thay đổi nhưng do tác động của con người theo thời gian bị phân cắt chủ yếu do việc lấy đất đắp đê tạo thành thùng đấu hoặc các hồ, đầm lớn do hậu quả của những lần vỡ đê

Địa hình ven đê phía sông thay đổi theo thời gian tùy thuộc chế độ dòng chảy và lượng phù sa các bãi bồi có nơi được tôn cao và mở rộng nhưng có nơi bị bào mòn và xói lở

Các thềm sông, bãi bồi ở trung du - đồng bằng Bắc bộ có lịch sử hình thành gắn liền với quá trình tạo thành các lớp tạo bồi tích trẻ kỷ đệ tứ (aQ3IV)

Đất cấu tạo nên thềm sông ở đây là sét, sét pha nặng, đôi chỗ bị latêrit hóa, phía trên

là á sét nhẹ có lẫn ít cuội sỏi kết cấu hơi xốp Từ các vùng tiếp giáp các vị trí nói trên kéo dài qua đồng bằng ra biển tồn tại chủ yếu là các bãi bồi

Đất cấu tạo nên bãi bồi từ dưới lên gặp phổ biến là cát, cát pha có nơi là bùn sét hữu

cơ được phủ bởi lớp sét pha hoặc sét, trên cùng (ở phía ngoài đê) là lớp phù sa trẻ màu xám nâu

2 Về cấu trúc địa chất và tính chất địa chất công trình của các lớp đất ở nền đê:

Các lớp đất ở nền đê có nguồn gốc bồi tích hiện đại kỷ đệ tứ, phân bố từ trên xuống dưới như sau:

a) Lớp phù sa:

Phủ trực tiếp trên các giải địa hình ven đê phía sông có bề dày trung bình 2,00 ÷ 2,5

m

b) Đất sét pha mầu nâu gụ:

Tầng đất này phân bổ hầu hết dưới nền đê dọc các tuyến sông chính

e) Cát pha màu xám nâu - xám sẫm:

Phân bố ở độ sâu 3-5 m với diện tích phân bố hẹp, không liên tục

f) Cát:

Phân bố ở hầu hết dưới nền đê với bề dày khá lớn, có tính thấm lớn Những nơi cát phân bố sâu, về mùa lũ tầng cát này tàng trữ nước có áp cục bộ Đối với công trình, đây là điều bất lợi về biến dạng thấm

g) Sét loang lổ:

Tầng sét này có bề dày khá lớn phân bổ hầu hết ở trung tâm đồng bằng Bắc bộ với

bề dày tăng dần ra phía biển, phân bố ở độ sâu 10-30m

3 Đặc điểm địa chất thủy văn:

Ảnh hưởng của điều kiện địa chất thủy văn đối với các loại công trình xây dựng có mức độ khác nhau Đối với nền các tuyến đê, chủ yếu chú ý tới sự có mặt của nước ngầm tàng trữ trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ trên xuống Nước ngầm ở tầng chứa nước có quan hệ với nước mặt: dâng cao về mùa mưa và hạ thấp về mùa khô Biên độ dao động của nước ngầm giữa mùa kiệt và mùa lũ là 4-5 m

Quá trình vận động của dòng ngầm có thể mang theo các hạt có đường kính nhỏ, lượng cát do nước mang theo tùy thuộc áp lực dòng thấm

Quá trình này lặp đi lặp lại trong nhiều năm sẽ làm cho nền đê bị biến dạng Ở những nền đê có cát, lớp phủ phía đồng bằng không đủ dầy để thắng áp lực dòng thấm

sẽ xuất hiện các mạch sủi, bãi sủi

4 Về cấu tạo thân đê:

Thân đê cũng được tôn cao, mở rộng trong quá trình hình thành và phát triển của hệ thống đê Có cả một quá trình đắp thân đê từ các loại đất không được chọn lựa, việc đầm nện cũng không theo quy chuẩn Do vậy thân đê có tính không đồng nhất cao Ngoài ra thân đê còn chịu tác động xấu của các động vật đào hang (chuột, mối) tạo thành các hốc hoặc lỗ rỗng trong đó Đây là một hiểm hoạ khó lường

5 Về sự làm việc của đê sông:

Khác với đập, đê là công trình làm việc theo mùa Nhiều đoạn đê trong mùa khô thực chất chỉ là đường Đê chỉ làm việc ngăn và chắn nước trong mùa lũ Thời gian làm việc trong năm của đê không nhiều Ngay trong mùa lũ, điều kiện làm việc của đê không chỉ phụ thuộc mực nước lũ mà còn phụ thuộc thời gian ngâm lũ dài hay ngắn Thời gian của lũ lên và thời gian lũ xuống cũng là những yếu tố cần quan tâm khi xem xét điều kiện làm việc của đê

6 Những tác động của con người vào hệ thống đê:

Một mặt con người phải làm mọi cách giữ gìn sự tồn tại của hệ thống đê để bảo vệ chính mình, nhưng mặt khác con người cũng lại có tác động xấu đến hệ thống đê (đào, đắp, xây dựng công trình gần đê ) Nhà nước ta đã ban hành luật đê điều nhằm loại trừ các tác dụng xấu của con người lên đê

III- Mặt cắt ngang đặc trưng của đê:

Từ những đặc điểm của đê đã nêu trên, chú ý nhiều đến các đặc điểm về địa hình, địa chất và thực tế làm việc của đê, có thể nêu ra một mặt cắt ngang đại diện của đê như sau: (hình 1-1)

Hình 1-1: Mặt cắt ngang đặc trưng của đê

- Thân đê chịu tác dụng của cột nước H trong mùa lũ; chiều rộng đáy đê: B

- Mực nước sông mùa lũ (MNL) ngập trên bãi bồi

- Mực nước sông mùa kiệt (MNK), nói chung thấp dưới đáy lớp phủ

- Đất nền đê được tổng hợp thành 2 lớp:

+ Lớp phủ phía trên được đặc trưng bằng hệ số thấm K1 nhỏ thua K2 (của lớp dưới)

- gọi là lớp phủ ít thấm (hoặc lớp phủ) Chiều dày lớp này t=1-6m Lớp này thường có các loại á sét, thành phần hạt có thể thay đổi Theo thành phần hạt có thể phân thành 2-

3 lớp nhỏ trong chiều dày chung t Theo mức độ thấm, có thể ghép các lớp nhỏ này thành 1 lớp với chiều dày t và kệ số thấm chung K1 Ở phía sông chiều dài lớp phủ là

L1, ở phía đồng chiều dài lớp phủ là L2

+ Dưới lớp phủ ít thấm là lớp thấm nước với hệ số thấm K2 (K2>K1) gọi là lớp thấm

- chiều dày T = 20 ÷ 60 m Đây thường là loại á cát, cát Thành phần hạt cũng thay đổi khá lớn Theo thành phần hạt cũng có thể chia lớp này thành nhiều lớp nhỏ Tuy nhiên xét về mức độ thấm có thể xếp chung vào 1 loại với hệ số thấm K2

Mặt cắt ngang đặc trưng của đê như trình bày trên mang tính chất đại diện Nó được xem như một sơ đồ để phân tích sự làm việc của đê

1-3 Phân tích sự làm việc của đê, các khả năng phá hoại sự làm việc an toàn của đê

Điều kiện làm việc của đê có thể phân chia ra theo mùa:

- Mùa khô nước sông thấp, không ngập bãi bồi

- Mùa mưa, có lúc mực nước lũ lên cao, tạo cột nước H lên thân đê Đê làm việc như một đập đất Nền đê cũng chịu ảnh hưởng của các dòng thấm trong lớp phủ và lớp thấm

Các khả năng phá hoại sự làm việc an toàn của đê có thể phân ra 2 loại:

+ Loại khả năng phá hoại bình thường: Là những dạng phá hoại xuất phát từ những nguyên nhân có tính quy luật, có thể dùng các lý thuyết của cơ học để tính toán được + Loại khả năng phá hoại đặc biệt: là những dạng phá hoại xuất phát từ những nguyên nhân không có tính quy luật hoặc những nguyên nhân đặc biệt, trong điều kiện đặc biệt, không có khả năng dùng các lý thuyết của cơ học để tính toán được Dưới đây xét từng loại

I Loại khả năng phá hoại bình thường:

1) Trong mùa khô:

Mực nước sông dao động chung quanh MNK, thấp hơn đáy lớp phủ Như phần đặc điểm địa điểm thủy văn đã nêu ở trên, lúc này nước ngầm từ tầng thấm nước bổ sung cho sông (hình 1-2)

Như vậy về thực chất đê giống như một đường giao thông được đắp cao trên nền 2 lớp Các dạng khả năng phá hoại là sự trượt của 2 mái dốc phía sông và phía đồng dưới tác dụng trọng lượng bản thân đê Sự trượt này thường có dạng trượt cung tròn - mặt trượt có thể là trượt nông - chỉ trên mái dốc, có thể là trượt sâu - cùng một phần nền (hình 1-2) Nếu cường độ và tải trọng giao thông trên mặt đê lớn và tập trung, phải xét đến ổn định của hai mái dốc và nền dưới tác dụng của tải trọng này

Hình 1-2: Các dạng trượt mái đê

Hình 1-3: Dòng thấm qua đê và nền trong mùa lũ

2) Trong mùa lũ:

Mực nước sông mùa lũ (MNL) dâng cao tạo thành các dòng thấm (hình 1-3) bao gồm:

- Dòng q1 từ sông vào lớp thấm

- Dòng q2 từ trên xuống lớp thấm qua lớp phủ

- Dòng q3 đi qua thân đê

- Dòng q4 từ trong lớp thấm đi ra phía đồng qua lớp phủ

- Dòng q5 đi trong lớp thấm phía đồng

Các dòng thấm này là cơ sở để xem xét sự làm việc của đê trong mùa lũ

* Với thân đê:

Các dạng khả năng phá hoại là:

+ Trượt các mái dốc dưới tác dụng của áp lực thấm trong thân đê và chiều sâu mực nước phía sông (hình 1-4) Đường bão hòa trong thân đê thường dâng cao và lộ ra trên mái phía đồng

+ Đoạn AB là đoạn nước thấm rỉ ra trên mái đê phía đồng Gradien ra của dòng thấm ở đây thường lớn có thể gây nên xói lở đất trên đoạn AB

+ Trong trường hợp mực nước lũ rút xuống nhanh, mái đê phía sông có thể bị trượt dưới tác dụng của dòng thấm đi ngược về phía mái dốc (hình 1-5)

Hình 1-4: Trượt mái đê cùng với nền

Hình 1-5: Dòng thấm trong thân đê khi lũ rút nhanh

* Với nền đê:

Dòng thấm trong lớp thấm nước (K2) trong nền đê gây áp lực thấm tác dụng lên đáy

DC của lớp phủ ít thấm (hình 1-6) Chính áp lực này gây nên các dạng mạch đùn, mạch sủi và một số biến dạng thấm khác phía đồng

Hình 1-6: Sự hình thành mạch đùn, mạch sủi

II Dạng khả năng phá hoại đặc biệt:

Các dạng phá hoại đặc biệt này thường chỉ xảy ra trong mùa lũ với thân đê:

1) Dạng thứ nhất:

Như đã nêu ở trên, thân đê có tính không đồng nhất lớn do việc đắp và tôn cao trong nhiều năm (nhiều thời kỳ việc đắp đê có tính chất "kê ba chồng đấu" không có sự đầm nện theo quy chuẩn) Với một mặt cắt đê không đồng nhất như vậy, sự thấm không tuân theo các phương trình thấm trong thân đê Trên hình 1-7 trình bày sơ bộ thấm

trong thân đê không đồng nhất Các vùng chấm chấm là vùng có tính thấm lớn, và các dòng thấm sẽ đi theo con đường ngắn nhất nối liền các vùng này với nhau Trong điều kiện như thế, phương trình dòng thấm đã không còn được tuân thủ Trong trường hợp này, dòng thấm sẽ gây trượt mái hoặc sạt lở đoạn mái dốc có dòng thấm tập trung thóat ra

Hình 1-7: Dòng thấm trong thân đê không đồng nhất

2) Dạng thứ hai:

Do động vật đào hang (chuột, mối ) hoặc những nguyên nhân bất thường nào đó

mà trong thân đê tồn tại đường thấm tập trung như mô tả trên hình 1-8 Trong những trường hợp như thế này, sự phá vỡ đê có thể xảy ra khá nhanh

Hình 1-8: Sơ đồ các đường thấm tập trung trong đê

3) Dạng thứ ba:

Tại chỗ có các cống lấy nước qua đê (hoặc trạm bơm đặt trên đê), chỗ tiếp giáp giữa các công trình bê tông với đất (đường ống trong thân đê, tường biên các công trình) thường có dòng thấm tập trung Nếu thiết kế không đúng hoặc thi công không đảm bảo, sự phá hoại rất dễ xảy ra tại những vị trí này Trên hình 1-9 trình bày các dạng phá hoại này:

Hình 1- 9: Các dạng hang thấm tập trung

Trên hình 1-9a, mặt ngoài các cống lấy nước đặt trong thân đê có mái "nghiêng ngược" (tựa lên đất đắp) Do đất lún theo thời gian nên tạo thành các khe hở giữa bê tông và đất dọc theo đường AB Trường hợp này dòng thấm tập trung nguy hiểm sẽ xuất hiện dọc theo cống từ phía sông về phía đồng

Trên hình 1-9b và hình 1-9c do có sự lún của khối đất đắp phía ngoài tường biên trên 2 đoạn AB và BC khác nhau mà xuất hện khe nứt (hoặc vùng đất rời) Dòng thấm tập trung nguy hiểm cũng theo khe này mà đi từ phía sông về phía đồng

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

I- 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 gồm:

- 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 bồi, 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 bồi, bảo vệ các đoạn bờ xung yếu…

II- 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:

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)

2) Các loại công trình giảm sóng, ngăn cát:

Được xây dựng trên vùng bãi phía trước mục tiêu cần bảo vệ Thuộc loại này bao gồm:

- 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 bồi ven biển Tuy nhiên nó chỉ thích hợp với những vùng gần cửa sông, có bãi thoải và nguồn phù sa tương đối dồi 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 gồm 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

Việc bố trí và tính toán các công trình bảo vệ bờ đựoc trình bày cụ thể ở chương 5

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1 Hãy nêu khái quát tình hình lũ lụt trên các sông ở Việt Nam và các biện pháp phòng chống lũ ?

2 Các đặc điểm của hệ thống đê sông ở đồng bằng Bắc Bộ, ven biển miền Trung, đồng bằng Nam Bộ ?

3 Các đặc điểm của hệ thống đê biển Việt Nam ?

4 Phân tích sự làm việc của thân đê ? Các khả năng mất an toàn của đê sông, đê biển?

5 Nêu khái quát về các dạng công trình bảo vệ bờ ?

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA SÓNG VÀ NƯỚC

DÂNG

2-1 Khái niệm chung

Khi thiết kế đê sông cũng như đê biển, cần phải xác định các thông số thủy lực của dòng chảy mặt có ảnh hưởng đến kích thước và khả năng chịu lực của đê Các thông

số quan trọng nhất là: mực nước tính toán ( ứng với các trường hợp tính toán khác nhau), mực nước dâng do gió, các yếu tố của sóng gió (sóng do gió gây ra, để phân biệt sóng do tàu thuyền và các tác nhân khác) Ngoài ra, hướng của dòng chảy mặt và hướng chuyển bùn cát đáy cũng ảnh hưởng tới các quá trình diễn biến bờ và an toàn của đê Vấn đề này được trình bày trong các chuyên đề về động lực học sông ngòi và động lực học vùng ven biển Trong chương này chỉ đề cập đến việc tính toán các thông

số của sóng và nước dâng

I Các thông số của sóng:

Sóng do gió tạo ra trên mặt hồ, sông, biển là kết quả tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau: vận tốc gió (w), hướng gió ( β), đà sóng(D), thời gian gió thổi liên tục (t), độ sâu nước (h) v.v

Mô tả hình dạng của con sóng điển hình như trên hình 2-1

Hình 2-1: Mặt cắt và các thông số của sóng

Các thông số chính của sóng như sau:

- Đường trung bình của sóng: Đường cắt đường ghi dao động sóng sao cho tổng diện tích ở trên và dưới nó là như nhau

- Đầu sóng: Phần sóng nằm trên đường trung bình của sóng;

- Đỉnh sóng: Điểm cao nhất của đầu sóng ;

- Bụng sóng: Phần sóng nằm ở phía dưới đường trung bình của sóng

- Chân sóng: Điểm thấp nhất của bụng sóng

- Chiều cao sóng(Hs): Khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh sóng đến chân sóng;

- Chiều dài sóng hay bước sóng(Ls): Khoảng cách nằm ngang giữa hai đỉnh sóng kề nhau

- Chu kỳ sóng (Ts): Khoảng thời gian để hai đỉnh sóng kề nhau đi qua một mặt cắt xác định vuông góc với hướng truyền sóng

Vì các yếu tố tạo sóng (w,β,D,t,h ) là các đại lượng thay đổi thường xuyên và có

vô vàn các tổ hợp của chúng nên các yếu tố của sóng phải được xét như là các đại lượng ngẫu nhiên và được phản ánh thông qua các đặc trưng thống kê của sóng Trong thực tế, người ta sử dụng 2 loại đặc trưng thống kê của sóng như sau :

1 Loại 1:

Sử dụng giá trị trung bình của một bộ phận sóng trong liệt sóng thống kê, ví dụ:

- Chiều cao sóng trung bình Hs: là trị số trung bình toán học của tất cả các trị số chiều cao sóng trong liệt thống kê

- Chiều cao sóng có ý nghĩa (Hs 1/3): Là chiều cao trung bình của nhóm sóng lớn bao gồm 1/3 số con sóng trong liệt thống kê, sắp xếp từ lớn đến nhỏ Khái niệm này thường được dùng nhiều trong các tài liệu của phương Tây hiện nay

- Chiều cao sóng Hs 1/10: Cách xác định cũng tương tự như Hs 1/3

2 Loại 2:

Sử dụng các trị số theo tần suất luỹ tích

Ví dụ: Hsp - Chiều cao sóng ứng với tần suất p%

Khi tính toán cần dựa vào các qui định của qui phạm hiện hành để xác định các đặc trưng loại này hay loại khác

II Các phương pháp tính toán sóng:

Tùy theo điều kiện số liệu đầu vào và yêu cầu của thiết kế mà có thể sử dụng các phương pháp tính toán sau:

1 Phương pháp Crưlop (Liên Xô cũ):

Phương pháp này đã được đưa vào các qui phạm của liên xô CHuΠ 2.06.04.82- Tải trọng và lực tác dụng lên công trình thủy lợi ( do sóng, băng và tàu) Ở Việt Nam phương pháp này cũng được chấp nhận và đưa vào các qui phạm QPTL C1-78 (Bộ Thủy lợi trước đây) và 22TCN 222- 95 (Bộ giao thông vận tải) hiện nay

2 Phương pháp biểu đồ Hincat:

Được giới thiệu nhiều trong tài liệu phương Tây Các trị số chiều cao sóng tìm được trực tiếp trên các biểu đồ Hincat là chiều cao sóng có ý nghĩa (HS 1/3)

2-2 Xác định các yếu tố tạo sóng

Các yếu tố tạo sóng được xét ở đây bao gồm gió (hướng, vận tốc, thời gian thổi liên tục), đà sóng, chiều sâu nước phía trước công trình và sự biến đổi của các yếu tố này theo thời gian Các thông số của sóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố và chỉ khi hội đủ một số điều kiện nhất định thì sóng mới đạt được chiều cao lớn nhất (ứng với một mức đảm bảo đã cho)

Sau đây trình bày cách xác định các yếu tố tạo sóng như là các số liệu đầu vào để tính toán sóng

I Gió:

1 Hướng gió:

Các đặc trưng của gió được thống kê theo từng hướng xác định hoặc là không kể hướng Theo hướng, các thông số của gió có thể được mô tả theo kiểu hoa hồng 4 cánh (gồm 8 hướng: Đ, T, N, B, ĐB, ĐN, TB, TN) hoặc hoa hồng 8 cánh (gồm 16 hướng)

Khi công trình xây dựng ở vùng mà hướng gió thường xuyên thay đổi hoặc không xác định, có thể xác định các đặc trưng thống kê không kể hướng của gió

Với một tuyến công trình đê đập xác định, hướng gió được đặc trưng bởi góc β, là góc nhọn giữa hướng gió thổi và hướng vuông góc với tuyến công trình Khi hướng gió thổi vuông góc với tuyến công trình, ta có β = 0

5.4

Kđ - Hệ số tính đổi vận tốc gió sang điều kiện mặt nước

Khi đo trên bãi cát bằng phẳng, Kđ = 1;

Khi đo trên loại địa hình khác, theo bảng 2-1

- Dạng địa hình C: Các khu thành phố có nhà cao hơn 25m

K10- Hệ số chuyển đổi sang vận tốc gió ở độ cao 10 m trên mặt nước, xác định theo bảng 2-2

Bảng 2-2: Hệ số chuyển đổi vận tốc gió K 10

Khoảng cách giữa máy

Khoảng cách giữa máy

3 Thời gian gió thổi liên tục (t):

Thời gian gió thổi liên tục có ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số của sóng gió

Khi các điều kiện đã cho, có tồn tại một ngưỡng thời gian tmin để chiều cao sóng đạt

cực đại (Hmax) Nếu thời gian gió thổi liên tục t < tmin sẽ cho chiều cao sóng H < Hmax

Theo QPLT C1-78, khi không có tài liệu về thời gian tác dụng của gió, để tính toán

sơ bộ cho phép lấy t=6 giờ đối với hồ chứa nước (thiên nhiên và nhân tạo), 12 giờ đối

với biển và 18 giờ đối với đại dương

II Đà sóng (D):

Đà sóng được xác định tùy theo tình hình thực tế ở địa điểm dự báo

1 Nếu địa điểm dự báo là vùng nước hẹp, D được xác định theo phương pháp đồ

giải "đà sóng tương đương" (hình 2-2)

Dtd=

∑

∑

αα

i

i i

i

2 i

cos

cosr

Trong đó:

αi : Góc lập giữa tia tính toán thứ i với hướng gió chính

ri : Chiều dài đà sóng theo hướng tia thứ i

Cách xác định cụ thể như sau:

- Từ vị trí dự báo vẽ một tia thẳng theo hướng gió chính (Tia xạ chính) Tia này có i

= 0, α0 = 0

- Tiếp theo trong phạm vi ±450 của hai phía tia xạ chính vẽ các góc αi = 7,5 i (độ)

Với i = -6 ÷ +6; đo các đà sóng ri tương ứng Trị số đà sóng tương đương là trị số

trung bình các hình chiếu của các tia ri lên tia xạ chính

Hình 2-2: Sơ đồ xác định đà sóng tương đương D td

2 Đối với vùng không có yếu tố địa hình hạn chế, giá trị trung bình của đà sóng D (m) đối với một vận tốc gió tính toán w(m/s) cho trước được xác định theo công thức:

Trong đó:

υ là hệ số nhớt động học của không khí lấy bằng 10-5 m2/s

Giá trị lớn nhất của đà sóng theo 22TCN222-95 được xác định theo bảng 2-3

Bảng 2-3: Trị số chiều dài đà sóng theo giới hạn Dmax (km)

III Mực nước tính toán và chiều sâu nước trước công trình:

1 Mực nước tính toán:

Mực nước tính toán được chọn theo các tần suất bảo đảm do qui phạm qui định, và

theo các trường hợp tính toán tương ứng Ở nước ta hiện nay, các qui phạm về đê

sông, đê biển chưa được ban hành chính thức (đang ở mức dự thảo) nên có thể chọn

các tần suất bảo đảm theo các tài liệu chuyên môn tương ứng ở trong và ngoài nước

Chẳng hạn, theo quy phạm đê của Trung Quốc:

Thời kỳ xuất hiện lại (năm) ≥ 100 ≥ 50 ÷ 100 ≥ 30 ÷ 50 ≥ 20 ÷ 30 ≥ 10 ÷ 20

Theo QPTL C1-78, khi xác định các yếu tố của sóng gió và nước dâng, phải lấy tần

suất bảo đảm của gió là 2% đối với công trình cấp I và II, 4% đối với công trình cấp III

và IV Chú ý rằng nếu trong số liệu tính toán mực nước (theo tần suất bảo đảm) chưa

kể đến chiều cao nước dâng do gió thì cần cộng thêm trị số mực nước dâng tính toán

vào mực nước tính toán sóng

2 Các vùng tính toán sóng:

Khi tính toán cho các đê biển, đê sông có bờ thoải, độ sâu nước h biến đổi dọc theo

chiều truyền sóng và có ảnh hưởng đến các thông số của sóng Rõ ràng là khi nước

nông (h có trị số nhỏ) thì mặt đáy bãi sông, biển sẽ có tác dụng cản sóng Vì vậy các

yếu tố của sóng được tính theo các vùng như sau:

a) Vùng sóng nước sâu:

h ≥ 0.5 Ls, các yếu tố của sóng không chịu ảnh hưởng của đáy sông, biển

b) Vùng sóng nước nông:

hpg < h < 0.5 Ls, địa hình đáy có ảnh hưởng đến các yếu tố của sóng Ở đây hpg là độ

sâu phân giới gây sóng vỡ

c) Vùng sóng đổ:

hđ < h < hpg, trong đó hđ là độ sâu nơi kết thúc sóng đổ

d) Vùng sóng leo:

h < hđ sau lần đổ cuối cùng, sóng hình thành dòng xung kích mạnh, trườn lên mặt

dốc, leo lên đến độ cao nào đó thì rút xuống Trong vùng này các yếu tố hình dạng

sóng không còn tồn tại

Khi trước công trình là bờ thoải liên tục thì trước hết phải xác định các yếu tố sóng

tại vùng nước sâu, sau đó tính toán biến dạng của các yếu tố sóng nước sâu đó trong

quá trình truyền vào bờ, đi qua các vùng nước nông, sóng đổ và sóng leo

2-3 Tính toán các thông số của sóng theo phương pháp Crưlốp

I Các thông số của sóng vùng nước sâu (h ≥ 0.5 Ls)

1) Các đặc trưng sóng bình quân (Hsvà Ls):

Xác định theo đường giới hạn trên trong đồ thị hình 2-3 theo đó tìm được các cặp giá trị 2s

và W

tg Chọn lấy cặp giá trị bé nhất trong hai cặp số tìm được, từ đó sẽ tính ra Hs và Ts

Chiều dài sóng trung bình xác định theo công thức:

π

=2

T.gL

2 s

D g

II Các thông số của sóng vùng nước nông:

Ở đây:

ao- Khoảng cách giữa những tia sóng cạnh nhau ở phía vùng nước sâu

a- khoảng cách giữa chính các tia đó, nhưng theo đường thẳng vẽ qua một điểm cho trước ở vùng nước nông (m)

hệ số khúc xạ đối với các tia sóng vẽ từ điểm tính toán theo các hướng lệch 22,5o so

với tia chính

Hệ số tổng hợp các tổn thất Ki được xác định theo bảng 2-4 ứng với các giá trị đã biết của đại lượng h/Ls và độ dốc đáy i Khi i ≥ 0.03 thì Ki = 1

- Chiều cao Hs và chu kỳ Ts xác định theo đồ thị hình 2-3, theo các đại lượng không thứ nguyên

2 W

D g

và 2 W

h gChiều cao sóng có mức đảm bảo p% (Hsp) cũng xác định theo công thức (2-6), trong đó Kp tra ở đồ thị hình 2-4 theo các đại lượng không thứ nguyên 2

W

D g

và 2W

h g, chọn lấy trị số nhỏ trong hai giá trị Kp tìm được

Chiều dài sóng cũng xác định theo công thức (2-5)

- Các yếu tố sóng truyền từ vùng nước nông có độ dốc đáy i ≤ 0.001 vào vùng có i

≥ 0.002 cũng xác định theo phương pháp trình bày ở mục a), trong đó trị số chiều cao sóng trung bình ban đầu Hs lấy từ vùng nước sâu

III Các thông số của sóng tại vùng sóng đổ

Theo đồ thị (các đường cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại lượng không thứ nguyên h/Ls và độ dốc đáy i, tìm được trị số 2

s

% 1 T g

H

từ đó có Hđ1%

- Chiều dài sóng ở vùng sóng đổ Ld (m) xác định theo đường cong bao phía trên của hình 2-7 ứng với đại lượng h/Ld, tìm được trị số Ld/Ls và suy ra Ld

2) Chiều sâu phân giới khi sóng đổ lần thứ nhất h pg (m):

Theo đồ thị đường cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại lượng không thứ nguyên

h

và suy ra hpg

Khi xét đến khúc xạ của sóng, trị số hpg phải xác định theo phương pháp đúng dần

Tự cho các giá trị độ sâu h, theo phương pháp nêu ở mục 2 - a (công thức 2 - 7, 2 - 8) xác định các đại lượng 2

s

spT.g

H Tiếp theo, từ các đồ thị 2,3, 4 hình 2-5 xác định tương

ứng các trị số

s

pgL

hsuy ra hpg Trị số được chọn sẽ tương ứng với trường hợp hpg = h

Khi độ dốc đáy không đổi, hđ xác định theo công thức:

hđ = n 1 pg

m h

Trong đó: Km hệ số lấy theo bảng 2-5;

n- Số lần đổ (bao gồm cả lần đầu), lấy từ dãy số n = 2, 3 và 4 khi thoả mãn các điều kiện n 2

và các giá trị L s /Lsở vùng sóng đổ

2-4 Tính toán các thông số của sóng biển theo biểu đồ Hincat

I Trường hợp độ sâu nước h > 15 m (sóng nước sâu)

Sử dụng biểu đồ trên hình 2-8 Từ giá trị vận tốc gió đã hiệu chỉnhWa và giá trị đà sóng D trên trục hoành, tra được chiều cao sóng có ý nghĩa H1/3 và chu kỳ sóng Ts

II Trường hợp độ sâu nước h ≤ 15 m:

Sử dụng các biểu đồ trên hình từ 2-9 a,b Cách sử dụng cũng giống như trường hợp trên Trên các biểu đồ này còn có thêm đại lượng thời gian gió thổi tối thiểu tmin, tức là thời gian cần thiết để sóng đạt tới trạng thái ổn định

Hình 2-8: Đồ thị xác định các thông số sóng nước sâu

a) Chiều sâu nước 3 m b) Chiều sâu nước 6 m

Hình 2-9: Các thông số của sóng khi h < 15 m

III Các trường hợp riêng:

1) Trường hợp đà sóng lớn, độ sâu khu nước thay đổi nhiều Lúc này chia đà sóng thành những đoạn riêng, trên mỗi đoạn độ sâu coi như không thay đổi và bằng trị số độ sâu trung bình Tiếnhành tính cho từng đoạn từ khu vực nước sâu trở vào với các giá trị Wa, Di, hi, hsi tương ứng

2) Trường hợp thời gian gió thổi t< tmin Lúc này lấy giá trị Wa trên trục tung của các biểu đồ, tìm đến giao điểm với đường thời gian gió thổi t để xác định chiều cao sóng Hs và chu kỳ sóng Ts

- Độ sâu nước thiết kế h = 3.0 m

Thời gian gió thổi t = 30 phút

2-5 Tính toán chiều cao sóng leo

Chiều cao sóng leo lên mái đê phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các thông số sóng

trước đê Hs,Ls, hệ số mái dốc đê, mức đảm bảo p%, độ nhám và tính thấm của mái,

vận tốc gió, chiều sâu nước trước đê, hướng truyền sóng

I Trường hợp dốc đơn (mái nghiêng với một độ dốc):

Chiều cao sóng leo ứng với mức đảm bảo p% tính theo công thức:

Ls Hs m

1

K K K K H

2

pl w psl

H : Chiều cao và chiều dài sóng trung bình trước đê;

KΔ- hệ số kể đến độ nhám và tính thấm của mái tra theo bảng 2-6;

Kw- hệ số phụ thuộc vận tốc gió (w) và chiều sâu nước trước đê (h), tra theo bảng

2-7

Kpl- hệ số tính đổi tần suất luỹ tích của chiều cao sóng leo, xác định theo bảng 2-8

Kβ- hệ số xét đến góc nghiêng β giữa hướng truyền sóng và hướng vuông góc với

tuyến đê, xác định theo bảng 2-9

1 Trơn phẳng, không thấm nước (BT nhựa đường) 1.0

5 Đá hộc đổ 2 lớp (nền không thấm nước) 0.60÷0.65

7 Khối vuông 4 chân (lắp đặt 1 lớp) 0.55